10-车用电机系统非电量的测量

电动汽车电机系统原理与测试技术,车用电机系统非电量的测量机械工业出版社,2020/5/18,2,目录,转速测量原理及实现转矩测量原理及实现常用转矩仪的类型结合工作原理电机温度及工作温升测量方法电机工作振动分析电机磁场的测量方法电机噪声测量方法,2020/5/18,BIT北京理工大学,3,转速和转矩反应电机性能与负载匹配关系电机绕组温度关系到电机的性能、可靠性及寿命气隙磁场是机电能量转换的物质基础和主要媒体振动和噪声环境及人类健康,电机中非电量,绪论,2020/5/18,BIT北京理工大学,4,非电量电测仪器原理,绪论,传感器,测量电路,显示,非电量,电源,2020/5/18,5,转速表测速离心转速表,转速测量原理及实现,2020/5/18,6,转速表测速定时式转速表定时式转速表按照在一定时间间隔内测量旋转体转数的方法，确定转速的平均值，并由指针在表盘上直接指示被测转速值。磁电式转速表,转速测量原理及实现,2020/5/18,7,光电数字测速定义：通过转速传感器将光电信号转变为与转速有关的电信号，从而测量电机转速。优点：测量范围广，准确度高，数字显示，可测瞬时速度。光电数字转速表：光电转速传感器和转速数字显示仪组成。光电转速传感器：非接触式传感器，结构简单、分辨率高、惯性小，可分为投射式、反射式。,转速测量原理及实现,2020/5/18,8,光电数字测速,转速测量原理及实现,投射式光电转速传感器原理图,Z为测量盘的孔数,光电转速传感器,2020/5/18,9,光电数字测速,转速测量原理及实现,反射式光电转速传感器原理图,光电转速传感器,2020/5/18,10,光电数字测速分类测频法：测量标准的单位时间内与转速成正比的脉冲数来测量转速测周法：通过测量电机转速一个给定角位移所需的时间来测定转速高速采用测频法，低速采用测周法！,转速测量原理及实现,2020/5/18,11,闪频法测速荧光灯法也是一种闪频法测速（f不变）-使用受限闪光频率调节范围增大，则测速范围大大提高当轴端标记只有一个时，调节闪光频率fs使标记静止不动，则电机转速为即闪光频率正比于电机每秒转速。,转速测量原理及实现,2020/5/18,12,闪频法测速,转速测量原理及实现,测量时，首先在电机轴端画上标记（如图），图(a)，(b)，(c)分别为对应二极，四极和六极交流电机的轴端图案。当电机以同步转速旋转时，用日光灯照在轴端标记上，眼睛看到的图案标记将静止不动。,荧光灯法-测量轴端转速,2020/5/18,13,闪频法测速,转速测量原理及实现,防止误读！闪光振荡器的频率应逐渐从高向低调节，直至第一次出现静止的一个轴端标记为止,2020/5/18,14,霍尔转速测量系统原理,转速测量原理及实现,霍尔转速测量系统原理,2020/5/18,15,转差率的测量荧光灯法：在闪频法部分介绍，使用公式计算感应线圈法：用一个匝数很多的铁心线圈放置于感应电机的轴端附近，利用转子电流产生的轴端漏磁场在铁心线圈中感应电动势，使用公式计算直读法：对于绕线转子电机，可在转子任意一相电路中串联一块零点居中的直流电流表，配合秒表测量t秒内指针摆动的次数N，以感应线圈法相同的公式计算电机转差率,转速测量原理及实现,2020/5/18,16,瞬时转速的测量定义瞬时转速测量可采用测周法，即用时钟脉冲来度量电机转过给定角位移的时间。电机的瞬时角速度可表示为电机每转一周，传感器输出Z个角位移周期信号，可由计算机确定转过弧度测量一次。若晶振时钟周期为T0，时钟脉冲数为N，则电机的瞬时角速度（单位rad/s）为：,转速测量原理及实现,2020/5/18,17,瞬时转速的测量,转速测量原理及实现,电容式转速传感器,电容式转速传感器,2020/5/18,18,测量转矩的方法1.传递法传递法是根据弹性元件在传递转矩时所产生的物理参数（变形、应力或应变）的变化而测量转矩的方法。常用的弹性元件：扭轴扭轴变形机械、液压、气动、电阻、电感、光电等参数变化不同类型的变形型转矩传感器扭轴应力变化应力型转矩传感器扭轴应变应变型转矩传感器,转矩测量原理及实现,2020/5/18,19,测量转矩的方法原理图,转矩测量原理及实现,旋转件上产生的变形、应变或应力，通过转矩传感器中的信号变换机构变换成与转矩值成比例的相应信号，再传输至转矩测量仪器上显示转矩,传递法扭矩测量原理图,2020/5/18,20,测量转矩的方法2.平衡力法匀速工作的动力机械或制动机械，主轴所受的转矩与机体所受作用力矩平衡。因此，测量机体上的平衡力矩即可确定机器主轴上作用力矩的大小，即平衡力法。,转矩测量原理及实现,2020/5/18,21,测量转矩的方法,转矩测量原理及实现,T=MM=FL,T-作用与主轴上的转矩M-机壳力矩,优点：没有旋转件到静止件之间转矩信号的传输问题，F可用测力计直接测得缺点：仅可测匀速工况下的转矩，不能测量动态转矩,2020/5/18,22,测量转矩的方法3.能量转化法,转矩测量原理及实现,根据其他能量参数（如电能）测量机械能参数及转矩。,2020/5/18,23,常用转矩测量装置的类型和工作原理1.传递类转矩测量装置,转矩测量原理及实现,光学与光电转矩测量仪,反射光环式转矩传感器示意图,2020/5/18,24,常用转矩测量装置的类型和工作原理1.传递类转矩测量装置-光学与光电转矩测量仪,转矩测量原理及实现,透射式转矩传感器示意图,2020/5/18,25,常用转矩测量装置的类型和工作原理1.传递类转矩测量装置-光学与光电转矩测量仪,转矩测量原理及实现,2020/5/18,26,常用转矩测量装置的类型和工作原理1.传递类转矩测量装置-磁弹转矩测量仪,转矩测量原理及实现,2020/5/18,27,常用转矩测量装置的类型和工作原理1.传递类转矩测量装置-相位转矩测量仪,转矩测量原理及实现,2020/5/18,28,常用转矩测量装置的类型和工作原理1.传递类转矩测量装置-相位转矩测量仪,转矩测量原理及实现,2020/5/18,29,常用转矩测量装置的类型和工作原理1.传递类转矩测量装置-应变转矩测量仪,转矩测量原理及实现,应变片在轴上的布置,应变片桥,2020/5/18,30,常用转矩测量装置的类型和工作原理2.平衡类转矩测量装置-机械测功机,转矩测量原理及实现,2020/5/18,31,常用转矩测量装置的类型和工作原理2.平衡类转矩测量装置-电涡流测功机,转矩测量原理及实现,电涡流测功机结构,气隙变化与磁通变化,2020/5/18,32,常用转矩测量装置的类型和工作原理2.平衡类转矩测量装置-磁滞测功机,转矩测量原理及实现,2020/5/18,33,常用转矩测量装置的类型和工作原理3.能量转化类转矩测量装置,转矩测量原理及实现,标准直流电机法：用高准确度测功设备实测直流电机在指定状态下的转矩特性,直流电机的校正曲线,回馈阀、液压泵、液压马达、飞轮等测量转矩。,2020/5/18,34,电机温升是衡量电机性能的一个重要指标。电机内部耐热性最差的部分就是绝缘材料。按国家标准规定，不同绝缘等级的电机绕组有不同的允许温升，若超过规定值，就会影响电机的使用寿命，严重时还会烧坏电机。所以，首先要准确测量电机绕组温度；其次，对电机铁芯、冷却介质、润滑油、轴承、换向器或者集电环等部分的温度也需检测，使其不超过规定之值。国家标准对电机绕组、铁芯、冷却介质、轴承、润滑油等部分的温升都规定了不同的限值。下表给出了中小型空冷电机的绕组温升的限值。,电机温度及工作温升的测量方法,2020/5/18,35,电阻法,电机温度及工作温升的测量方法,金属导线电阻值随着温度的升高也相应的增加，在一定的温度范围内，其阻值与温度之间存在一定的函数关系，利用这一原理，通过测量电阻值来测其温度。此法测得的结果为绕组的平均温度。对于用铜导线做的电机绕组，电阻值与温度之间的关系式,2020/5/18,36,电阻法,电机温度及工作温升的测量方法,要求绕组的温升，则减去冷却介质的温度,式中，对于铝材绕组，需将常数235改为228。,测量绕组电阻，过去普遍应用电桥法，但缺点是不能快速测量，近年来国内外相继生产了能快速、准确、数字显示的各种毫欧计或微欧计。国产SW-1型数字微欧计由四位数字显示，量程为2毫欧2千欧。,2020/5/18,37,检温计法原理：埋置检温计法是将感温元件预先埋置在电机制造完成后所不能达到的部位，如定子绕组的槽部，经连接导线引到机壳外，从而测定温度值。此法所测量的是热点的局部温度，凡是一般温度计不能达到的部位均可使用。常用的测温元件有热电阻和热电偶两种,电机温度及工作温升的测量方法,2020/5/18,38,检温计法-热电阻元件热电阻是利用金属导体或者半导体的电阻随温度而变化的特性来测量温度的。一般是将热电阻材料制成的感温元件埋置在测量点。目前有铂、铜、镍三种。对于一般金属导电材料的电阻值与温度的关系，如下,电机温度及工作温升的测量方法,2020/5/18,39,检温计法-热电偶元件两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，如果两端结点的温度不同，回路中就会产生电动势和电流，这种现象称为热电效应，所产生的电动势称为热电动势，热电动势的大小与两种导体材料的性质及结点温度有关。这种热电变换元件称为热电偶,电机温度及工作温升的测量方法,2020/5/18,40,检温计法-半导体热敏电阻半导体材料做成的热敏电阻是近年来发展很快的测温元件。热敏半导体可以分为负温度系数的热敏电阻（NTC），正温度系数的热敏电阻（PTC）和临界温度电阻（CTR）三种。,电机温度及工作温升的测量方法,2020/5/18,41,温度计法膨胀式温度计采用水银、酒精等膨胀式温度计时，应将温度计的感温泡贴附在电机的被测点，并用绝热材料覆盖，以减少环境气流等引起的热量泄漏。对于一般金属导电材料的电阻值半导体温度计半导体温度计由热敏电阻和二次仪表组成。微型珠状热敏电阻置于笔形保护套内构成测试笔,电机温度及工作温升的测量方法,2020/5/18,42,叠加法,电机温度及工作温升的测量方法,2020/5/18,43,电机磁场的测量方法,电机中磁量的测量分为两类：磁场参数测量，如磁场强度、磁通密度、磁通量等；磁性材料磁性能的测量，如磁导率、矫顽力、磁滞回线、铁损等。,对于硬磁材料，主要的磁性能参数是剩磁Br，矫顽力Hc、基本磁化曲线以及最大磁能积等。对于软磁材料，主要的磁性能参数是磁导率和损耗。,2020/5/18,44,探测线圈法感应法即探测线圈法，探测线圈是磁量测量中最常用的磁传感器.把一个匝数为N，截面积为S的探测线圈放置在磁感应强度为B的被测磁场中，如果与线圈交链的磁通量随时间发生变化，线圈中就会产生感应电动势因此，磁感应强度B可由感应电动势e对时间的积分求出一般来说，用探测线圈测得的磁感应强度是线圈截面S范围内的平均值。工程上，常用下式求得圆柱型探测线圈的平均截面,电机磁场的测量方法,2020/5/18,45,霍尔效应法,电机磁场的测量方法,霍尔效应原理,霍尔效应法可以测量交流磁场或者直流磁场。在实际测量时，测量直流磁场时往往采用交流供电；在测量交变磁场时，如用直流的控制电流，则霍尔电动势是与交变磁场同样规律变化的交流电动势。,2020/5/18,46,霍尔效应法-斯特拉计（高斯计）,电机磁场的测量方法,2020/5/18,47,磁通计法磁通计是测量磁场磁通量的仪表。从原理上讲，磁通计法也是一种探测线圈法。,电机磁场的测量方法,电子积分器原理图,V/F转换式数字磁通计原理框图,2020/5/18,48,电机振动的测定方法及限值振动测量：就是用振动仪在被测电机表面规定的测点上测量振动强度的大小。测量振动时，要注意以下几点：被测电机安装、运行状态及轴伸端半键等技术要求；测量一般是在一个反射面的自由场或半自由场进行，地面为硬地坪，对声波有足够的反射；被测电机的底脚应尽可能接近地坪，两者距离不大于50mm；被测点数一般是7点或者6点。测量时，测量仪器的传感器与被测点接触必须良好，保证连接可靠，安装后不影响被测部件的振动状态。,电机振动试验,2020/5/18,49,电机振动的测定方法及限值振动限值：电机振动的限值分为N级、R级和S级,电机振动试验,2020/5/18,50,车用电机系统的扫频振动和随机振动试验方法振动试验分为扫频振动和随机振动两部分。扫频振动试验过程总，驱动电机及驱动电机控制器应能经受X、Y、Z三个方向的振动试验,电机振动试验,2020/5/18,51,电机噪声的物理量度1.声压与声压级为了便于量度，常用声压级来表示声音的大小，即基准声压（闻阈限声压）时的声压级为0dB，声压每变化10倍，声压级则变化20dB。当声压达到痛阈限声压时，对应的声压级为120dB,电机噪声的测量方法,2020/5/18,52,电机噪声的物理量度2.声强级与声功率级声压级来表示声音的大小，即声波在介质中传播时具有一定的能量。声源在单位时间内辐射出的总声能称为声功率（W）。在单位时间内，通过垂直于声波传播方向单位面积的声功率称为声强（W/m2）。,电机噪声的测量方法,2020/5/18,53,电机噪声的物理量度3.频谱人耳可闻声音的频率范围为20Hz20kHz。为了分析的方便，把这个声频范围划分为若干频率段，称为频程或频带。目前通用的倍频程的中心频率如下。,电机噪声的测量方法,2020/5/18,54,电机噪声的物理量度4.响度与响度级响度级也是用响度的相对值的对数量来定义的，单位为方（phon）。对于低频段声音则较不敏感。响度与响度级的换算关系如下,电机噪声的测量方法,2020/5/18,55,电机噪声的物理量度5.声级的运算在噪声测量时常遇到多个噪声源声级的相加、相减和求平均值的运算。显然，这种运算不是声级分贝值的直接算术运算，而要通过声强（能流密度）来进行计算。,电机噪声的测量方法,2020/5/18,56,电机噪声的测定方法及限值1.电机噪声的测定项目及测定时的状态电机噪声的测定项目有：噪声的A计权声功率级；电机噪声的1/1倍频程或1/3倍频程频谱分析；电机噪声的方向性指数等电机应在空载稳定运行状态下进行测定；对于直流电机，测定时其转速和电压应保持额定值；对交流电机，则应保证供电频率和电压的额定值；对多速电机或调速电机，应在噪声为最大的额定转速下进行测定同步电机一般应在额定电