提高电机力矩波动系数测试准确性的优化方法

石宏顺 夏堃 崔浪浪

摘 要：力矩波动系数反映了电机力矩输出的平稳性，现以方波驱动无刷直流电机为研究对象，针对标准中规定的堵转法、直接力矩测试法测试误差大的问题，提出了一种基于堵转法的测试优化方法，该方法是依据输出力矩波动的角度周期选取堵转测试的位置和数量，可更准确反映电机力矩波动系数。

关键词：无刷直流电机;力矩波动系数;测试方法;准确性;优化

0    引言

力矩波动系数是指电机旋转一周输出力矩最大值与最小值的关系，该系数反映了电机输出力矩的平稳性。对于方波驱动无刷直流电机，产生力矩波动的原因有电磁原理、齿槽效应、电流换相等[1]。目前，在各类标准中规定了诸多力矩波动系数测试方法，如堵转法、直接力矩测试法、反电动势法等[2]，但存在测试误差大的问题。

本文以方波驱动无刷直流电机为对象，按现行标准中规定的方法进行试验对比，并提出一种能更准确反映电机力矩波动系数的测试优化方法。

1    力矩波动系数的测试方法

查阅GB/T 21418、GB/T 10401、GJB 1863A、GJB 971A、GJB2549A、JB/T 7614、QJ1706、SJ20344等电机专业标准中的力矩波动系数测试方法，可分为两类：直接测试类、间接测试类。

直接测试即直接测试电机旋转一周的输出力矩，找出最大力矩Tmax和最小力矩Tmin，按式（1）计算力矩波动系数K。典型的方法有堵转法、直接力矩测试法。堵转法是使电机堵转，测试转子旋转一周在不同位置的堵转力矩，并找出最大和最小值后按式（1）计算。直接力矩测试法是使电机工作在最低工作转速，用测功机测试电机旋转一周的力矩，并找出最大和最小力矩后按式（1）计算。

K=×100%            （1）

间接测试是通过间接的方法等效测试，代表方法有反电动势法。反电动势法基于反电动势波动可等效反映力矩波动原理[3]，测试反电动势波形，并找出最大反电动势值Vmax和最小反电动势值Vmin后按式（2）计算力矩波动系数K。

K=×100%          （2）

2    力矩波动试验对比

本文将以方波驱动无刷直流电机为研究对象，按标准中规定的力矩波动系数测试方法进行试验对比。由于反电动势法采用对拖测试，测试电机未通电，忽略了电流换相因素对力矩波动的影响，而换相却是引起该类电机力矩波动的主要因素，故该法不适用于该类电机，因此，本文以堵转法和直接力矩测试法进行对比。样机参数如表1所示，为保证统一性，测试均采用同一台电机和控制器。

2.1    堵转法测力矩波动系数

堵转法测试如图1所示，将电机固定在分度头上，输出轴安装力矩盘，力矩盘通过软绳与电子秤连接，电机通电旋转后，力矩盘上的软绳拉动电子秤直至堵转，读取电子秤数据，按重量乘以力矩盘半径得到一个位置的堵转力矩。转动分度头测试转子旋转一周不同位置的堵转力矩，找出最大和最小值，按式（1）计算力矩波动系数。

（1）转子位置间隔22.5°均布堵转测试：按GJB 1863A—2015《无刷直流电动机通用规范》4.5.19条规定，电机供电31 V，限流2 A，通电后，均布测试转子圆周上16个位置（即间隔22.5°）堵转力矩。结果如图2所示，正反转力矩波动系数按式（1）计算分别为1.5%、1.0%。

（2）转子位置间隔0.5°堵转测试：为对比标准规定的测试方法，以转子旋转每间隔0.5°测试一次堵转转矩，测试条件同上，共测试20°范围共40个位置的堵转力矩。结果如图3所示，正反转力矩波动系数值按式（1）计算分别为9.48%、9.70%（该电机力矩波动系数理论仿真值为8.55%）。

综上测试对比，结果表明：

（1）堵转力矩存在周期性波动，波动周期数与电流换相次数一致。根据间隔0.5°测试结果，该电机输出力矩波动的角度周期约为3.75°，即电机单方向旋转一周的输出力矩存在96个波动周期，该周期数与电机电流换相次数一致（电机为三相六状态导通方式，每对极换相6次，共换相16×6=96次），也进一步证明了力矩波动与换相有关。

（2）采用不同间隔位置测试的力矩波动系数结果差异较大，间隔位置越小，越能准确反映电机力矩波动。GJB 1863A—

2015标准中规定的均布22.5°的測试结果远小于间隔0.5°的，这是因为22.5°与输出力矩波动的角度周期3.75°为整数倍关系，理论上每个测试点力矩相等，力矩波动系数应为0，故标准规定的堵转测试位置和数量测试的结果未能准确反映电机力矩波动，且误差较大。类似的标准如SJ 20344—1993《无刷直流力矩电动机通用规范》规定了均布测试17个位置，GB/T 10401—2008《永磁式直流力矩电动机通用技术条件》和GJB 971—1990《永磁式直流力矩电动机通用规范》规定了均布测试8个位置。

2.2    直接力矩测试法测力矩波动系数

直接力矩测试法测试电机力矩波动系数如图4所示，将电机安装在力矩波动测试台上（型号MT-6125），给电机供电31 V，限流2 A，调节测试台转速，力矩波动测试台自动采集电机旋转一周的输出力矩，读取力矩最大和最小值，按式（1）计算力矩波动系数，测试结果如表2所示。

测试结果表明：力矩波动测试台测试结果是有误差的，不同转速下测试的力矩波动系数不同且差异较大，基于文献[4]分析低速时应该是相同或相近。因此，测试台中的力传感器对不同速度下的力矩输出的敏感度存在差异导致了测试结果的差异。

3    测试方法优化与实例

3.1    测试方法优化

对于方波驱动无刷直流电机力矩波动系数测试方法，直接力矩测试法需要高精度力传感器灵敏地识别高低转速下力矩的变化，而反电动势法未能反映换相对力矩波动影响，故堵转法更适合作为其测试方法。在采用堵转法测试时，由于电机输出力矩呈周期性变化，标准中规定的堵转测试位置和數量难以准确测试电机力矩波动系数。故采用堵转法测试时，需按如下优化方法进行测试：

测试时应按照输出力矩波动的角度周期A（式（3））选取堵转测试的位置和数量，以2个力矩波动角度周期A为1组（保证找到一个周期的最大和最小值），每组均布测试10～30个位置（越多越精确），转子圆周测试3～10组（越多越精确），找出最大和最小堵转力矩，并按公式（1）计算力矩波动系数。

A=             （3）

式中，A为输出力矩波动的角度周期（°）;N为电机旋转一周电流换相次数。

3.2    测试实例

以表1样机为例，该电机转子旋转一周共换相96次，则该电机力矩波动的角度周期为A=360/96=3.75°，以2个角度周期7.5°为一组，每组间隔0.5°测试15个堵转位置，测试6组（100°～107.5°、130°～137.5°、160°～167.5°、220°～227.5°、250°～257.5°、300°～307.5°）共90个位置，测试结果如图5所示。正反转的力矩波动系数按式（1）计算分别为9.49%、9.80%，该测试结果趋近于理论仿真值。

4    结语

本文针对根据现有标准进行方波驱动无刷直流电机力矩波动系数测试误差大的问题，通过试验对比了标准中的测试方法后，提出了一种基于堵转法的测试优化方法：采用堵转法测试时，需基于输出力矩波动的角度周期选取堵转测试的位置和数量，保证测试时找到因电机换相引起力矩波动的最大和最小值，以减小标准现有方法的测试误差。测试结果表明：该优化方法可以更准确反映电机力矩波动，为无刷直流电机测试提供了重要参考。

[参考文献]

[1] 洪南生，刘元江.永磁无刷直流电机转矩波动分析与降低方法研究[J].福建电力与电工，1997，17（3）：6-9.

[2] 张文海.直流力矩电动机转矩波动测试方法的比较与分析[J].微特电机，2007，35（11）：61-62.

[3] 陈忠，许上明.微特电机测试技术[M].上海：上海科学技术出版社，1986.

[4] 谭建成.永磁无刷直流电机技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

收稿日期：2020-04-01

作者简介：石宏顺（1992—），男，贵州人，工程师，研究方向：微特电机设计。