浅析稀土永磁无铁心电动机系统用能情况的测试方法

周玮杰

(上海电科系统能效检测有限公司，上海 200063)

浅析稀土永磁无铁心电动机系统用能情况的测试方法

周玮杰

(上海电科系统能效检测有限公司，上海 200063)

介绍了利用高精度功率分析仪、工频和霍尔电流传感器及转矩转速传感器所组成的测试系统，在稀土永磁无铁心电动机系统测试中的应用。解决了以往类似测试系统所产生的数据不确定性问题，提高了测试精度，缩小了误差。这为今后测试类似电机系统提供了一种新的测试方案。

稀土永磁无铁心电动机； 电机系统测试； 高精度； 霍尔传感器

0 引 言

随着现代科技的不断进步和国际社会对工业及企业不断提高节能减排的要求，诞生了一大批新型节能减排产品，并被实际应用到各个领域。超高效永磁同步电动机和调速高效永磁同步电动机在节能减排方面发挥了重大作用。随着永磁电动机技术的不断提升和加工工艺的不断完善，永磁无铁心电动机被推向了高效节能电机系统改造的市场，而这类产品具有广阔的应用前景。这类新型节能产品的节能潜力需要高精度的测试设备和更完善的测试方法来进行分析。

1 稀土永磁无铁心电动机的优势

普通三相异步电动机的旋转磁场是通过定子绕组电流产生的，电机的铁心则使用高磁导率的冷轧硅钢片叠压制作而成。但铁心对电机的重量和体积产生重要影响，同时普通电动机的铁心在其运转过程中，无论是空载还是满载状态都存在铁损，最终导致电动机的整体损耗增加，尤其是对高效、超高效电动机的效率存在明显影响。据统计铁耗将近占总损耗的30%[1]。

稀土永磁无铁心电动机由高磁导率的钕铁硼永磁材料制作而成，无需使用硅钢片，与以往传统电动机相比是技术性的突破。高效率、高功率因数(接近1.0)、低噪声和几乎可以忽略的铁损是其最大的特点。

2 稀土永磁无铁心电动机系统组成及原理

该系统是由电机控制器、稀土永磁无铁心电动机、位置反馈装置(编码器)、转速回馈装置及传动装置组成[2]。通过转速回馈装置，在电机负载增加的过程中，调整控制器输入电机的频率，精确控制电动机的转速，如同普通三相笼型起动稀土永磁同步电动机，正常运转时转子无转差。

控制器的原理图如图1所示。

图1 稀土永磁无铁心电动机控制器系统原理图

3 主要测试仪器性能简介

Norma5000高精度功率分析仪采用3 MHz高带宽架构，拥有目前市场上同类型功率分析仪相比最高的测试带宽。能够精确测量正弦和非正弦的电压和电流；它高达341 kHz的采样率可以实现高速采样，具备谐波分析、快速傅里叶变换(FFT)分析以及计算功率和其他参数的功能。对于任意波形、频率或相位漂移，Norma5000提供了同类产品中领先的准确度和共模抑制性能，同时三相六通道的设计是电机系统最佳的测试和分析工具。

LEM有源霍尔电流互感器，形式为中间穿孔，三引线端的方形塑封测量器件，中间透孔供穿过变频器或电机控制器的输出电流引线，作为一次侧。能较准确地测试输出类似调制波形的电流值。

HBM高精度转矩转速传感器，最大特点是高精度、非接触式和高速采样。其原理是通过霍尔元件受力产生细微形变对整体导电率产生影响的特性，产生转矩，同时发射给外圈天线识别，经过二次仪表处理得到转矩值。正因为非接触式的设计，不会因为控制器拖动电机的高次谐波，使轴端产生轴电流而影响测试的准确性。

4 测试原理分析

现对稀土永磁无铁心电动机系统进行测试，研究测试方法。样品基本信息如表1所示。

表1 稀土永磁无铁心电动机系统基本信息

从稀土永磁无铁心电动机控制原理图中可以得知，该系统主要由稀土永磁无铁心电动机和电动机控制器两部分组成，所以对于稀土永磁无铁心电动机而言，输入能量经过了二次传输，中间存在了控制器自身所产生的损耗。最终电能再通过电机转换成机械能输出，经过高精度转矩转速传感器测得电机输出的转矩和转速，经过计算确定整个系统的实际输出功率。

准确分析该系统总输入能量至最终输出能量之间的效率，必须准确测得每一个能量转换环节的用能情况和损耗情况。根据控制器的铭牌信息，总输入的电源选择交流380 V 50 Hz的正弦波电源对电机控制器的输入端进行供电，所以在测试系统总输入电流值时，使用了HL23/1工频电流互感器，Norma5000高精度功率分析仪电流测量参数设定为有效值RMS进行测量。为了尽可能地降低由于系统总输入电源线造成的电压降，故总输入端的电压测量点分别设定在控制器输入端RST三个输入端子上。控制器输出部分的输出单元的形式类似三相桥式PWM逆变器输出电路，如图2所示。

图2 控制器输出逆变电路原理图

其输出频率伴随控制器设定转速输出，而非普通50 Hz工频电源输出，其次由于PWM波形输出伴随高次谐波，所以普通的工频电流互感器不能准确测试控制器输出的电流值，已经无法满足调制电流波形输出的测量，故选用LEM霍尔电流互感器对其进行测试。为了降低控制器端至电机接线端的电压降影响，控制器的输出电压测量点布置在电机接线端子上，同时也是电机的输入电压。Norma5000高精度功率分析仪控制器输出部分的电压及电流参数设置均选择基波有效值进行测量。永磁无铁心电机的能量输出部分，采用HBM高精度转矩转速传感器测试输出的转速和转矩，通过计算得出系统实际输出功率。最后，将所有的测试数据通过测试终端进行数据汇总，方便测试人员进行分析和记录。综上所述，得出图3所示的测试线路图。

图3 稀土永磁无铁心电动机系统测试线路图

5 测试方案确定

为了得到准确的测试数据，首先对整个永磁无铁心电动机系统进行温升测试，在达到热稳定的情况下，系统各项损耗均处于稳定状态，再进行负载试验。以额定输出功率Pn为准，分别测试0.1Pn、0.25Pn、0.5Pn、0.75Pn、1.0Pn、1.1Pn及1.25Pn状态下，系统的总输入电压、电流、频率和功率，电机输入电压、电流、频率和功率，以及电动机输出的转矩和转速。负载试验结束后，在控制器的拖动下，对永磁无铁心电机进行空载试验，记录电机输入的电压、电流和功率，确定空载各项损耗。数据汇总如图4所示。通过最终计算并绘制曲线，确定整个系统的效率及各个环节的效率[3]。

图4 数据汇总终端页面

6 测试数据分析方法

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：η1——控制器效率;

Prms1、PH012——控制器输入功率、输出功率;

cosφ1——控制器功率因数;

Urms1、Irms1——控制器输入电压、电流;

P3——电动机输出功率;

n、T——电动机输出转速、输出转矩;

η2——电动机效率;

cosφ2——电动机功率因数;

UH012、IH012——电动机输入电压、输入电流;

η3——稀土永磁无铁心电动机系统效率。

7 测试数据及曲线

通过以上对稀土无铁心永磁同步电动机系统的测试方法，测得数据如表2～表4所示。

表2 电动机负载测试数据

表3 控制器测试数据

表4 电动机系统负载测试数据

8 结 语

通过实际测试结果表明，利用高精度功率分析仪、工频和霍尔电流传感器及转矩转速传感器所组成的测试系统配合上述测试方法，可以很好地测试稀土永磁无铁心电动机系统在每一个能量转换环节的效率及用能情况，为更好地分析及改进该类节能型电机系统产品，提供了准确可靠的数据支撑。这为今后进行类似系统的测试，提供了一种更好的测试方法。

[1] 唐任远,赵清,周挺.稀土永磁电机正进入大发展的新时期[C]∥ 全国永磁电机学术交流会,2010: 1-8.

[2] 杨德旺.高速盘式永磁无铁心电机控制系统研究[J].船电技术,2000(2): 30-31.

[3] 调速电气传动系统 第2部分：一般要求 低压交流变频电气传动系统额定值的规定: GB/T 12668.2—2002[S].

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Analysis of Test Method for Energy Consumption in Rare Earth Permanent Magnet Coreless Motor System

ZHOUWeijie

(Shanghai SEARI Testing & Inspection of System Energy Efficiency Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The application of the test system which was composed of the high precision power analyzer, the power frequency and the Holzer current transformer and the torque speed sensor in the test of the rare earth permanent magnet coreless motor system was introduced.The problem of data uncertainty caused by similar test system was solved, and the test precision was reduced.It provided a new test scheme for testing similar motor systems in the future.

rare earth permanent magnet coreless motor; motor system testing; high precision; Hall sensor

周玮杰(1985—)，男，工程师，研究方向为电机系统、电能质量测试及测试方法。

TM 306

A

1673-6540(2017)03- 0116- 04

2016 -11 -15