一种测量高速永磁电机铁损的设备及方法

1.本发明涉及电力传动技术领域，更具体而言，涉及一种测量高速永磁电机铁损的方法。


背景技术：

2.高速永磁同步电机因其功率密度高、尺寸紧凑、高效、适合无齿轮箱的高速直驱应用因而广泛应用于气体压缩机、分布式发电、电气涡轮增压、涡轮机和飞轮储能系统等工业领域。然而，高速电机也存在一些突出问题，高功率密度同时也导致了高功率损耗密度，同时由于高速电机工作在高频磁场交变下，使得电机的温升相比普通电机大幅增加，严重情况可能使永磁体退磁使电机崩溃，而导致温升的主要原因是电机的损耗，其中机械损耗的测量方法较成熟，而用实验法测量高速铁损的方法还有待改进，通过实验准确测量高速电机铁损依旧存在较大的挑战。
3.现有通过实验测量高速电机铁损的设备及方法，没有考虑高速电机在高频下电机绕组的阻值变化，认为多次实验的铜损值相同，这也带来较大的误差，同时现有研究方法，在设置对照组实验时无法保证实验中要求的控制变量，比如通过转子堵转方式，而当转子堵转后电机等值电路与额定工况下不一致相当于研究两台电机，同时电机转子脆弱，受外部扰动，容易使系统崩溃。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种测量高速永磁电机铁损的设备，本设备能够解决上述存在的不足之处。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种测量高速永磁电机铁损的设备，包括：
7.驱动电机，包括轴与定子，轴绕轴线转动，定子上设置有绕组；
8.待测电机，包括未磁化的第一永磁体，待测电机与驱动电机同轴设置；
9.非接触式传感器，能不接触轴的情况下测量轴的转速；
10.温度传感器，设置于定子上，用于测量绕组的温度；
11.其中，第一永磁体处于未磁化状态时，使轴转速提高至v1并稳定，记录驱动电机输入功率和绕组温度，第一永磁体处于磁化状态时，使轴转速提高至v1并稳定，记录驱动电机输入功率和绕组温度，通过输入功率差值和温度差值计算铁损。
12.可优选的，非接触式传感器包括：
13.第二永磁体，设于轴上，且第二永磁体设于驱动电机外，第二永磁体设于待测电机外；
14.霍尔传感器，霍尔传感器用于检测第二永磁体转速，且霍尔传感器不与轴接触。
15.可优选的，第二永磁体设有若干个，且第二永磁体以轴线为中心，呈圆周阵列设置于轴上。
16.可优选的，待测电机还包括：
17.空气轴承，设置于待测电机与轴之间。
18.一种测量高速永磁电机铁损的方法，包括如下步骤：
19.s1、第一永磁体未磁化时，启动驱动电机使轴转速提高至v1并稳定，记录驱动电机的输入功率和绕组的温度，第一永磁体磁化时，启动驱动电机使轴转速提高至v1并稳定，记录驱动电机的输入功率和绕组的温度；
20.s2、根据绕组温度的差值，计算驱动电机的铜损差值；
21.s3、根据驱动电机输入功率的差值以及铜损差值，计算待测电机的铁损。
22.可优选的，步骤s1中，第一永磁体处于未磁化时，启动驱动电机，使轴转速提高至v1并稳定，并记录驱动电机的输入功率p1以及绕组的温度t1。
23.可优选的，步骤s1中，第一永磁体处于磁化时，启动驱动电机，使轴转速提高至v1并稳定，并记录驱动电机的输入功率p2以及绕组的温度t2。
24.可优选的，计算铜损差值的公式为：
25.ec＝ρcccδt＝ρccc(t
2-t1)，其中，ec为绕组损耗密度，ρc为密度，cc为比热容，vc为绕组体积，p3为铜损差值；
26.计算铁损的公式为：
27.p4＝δp-p3＝p
2-p
1-p3，其中，p4为铁损。
28.可优选的，轴转速提高至v1后，等待绕组温度趋于恒定，记录驱动电机输入功率及绕组温度。
29.可优选的，记录驱动电机输入功率及绕组温度的方式为：记录多次偏差趋近于0的数据，并计算驱动电机输入功率的平均值以及绕组温度的平均值。
30.本发明与现有技术相比，至少具有以下有益效果：
31.本发明能通过设置温度传感器于驱动电机中定子上，能通过温度的差值计算得出铜损的差值，从而减小铁损计算的偏差；其次，本方法通过非接触式传感器检测轴的转速，从而减小传感器对轴的影响，使轴更易于保持恒定速度。
附图说明
32.图1为本技术一种实现方式中测量高速永磁电机铁损的设备的轴侧示意图；
33.图2为本技术一种实现方式中测量高速永磁电机铁损的设备的主视图；
34.图3为图2中a-a方向的结构示意图；
35.图4为图2中b-b方向的结构示意图；
36.图5为本技术一种实现方式中测量高速永磁电机铁损方法的流程图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.参照图1至图4，一种测量高速永磁电机铁损的设备，包括：驱动电机11、待测电机
12、非接触式传感器13和温度传感器14。其中，驱动电机11包括轴111与定子112，轴111绕轴线转动，定子112上设置有绕组113。待测电机12包括未磁化的第一永磁体121，待测电机12与驱动电机11同轴设置。非接触式传感器13能不接触轴的情况下测量轴111的转速。温度传感器14设置于定子112上，用于测量绕组113的温度。第一永磁体121处于未磁化状态时，使轴111转速提高至v1并稳定，记录驱动电机11输入功率和绕组113温度，第一永磁体121处于磁化状态时，使轴111转速提高至v1并稳定，记录驱动电机11输入功率和绕组113温度，通过输入功率差值和温度差值计算铁损。
39.参照图1至图3，非接触式传感器13能在不影响轴111转动的情况下检测轴111的转速，从而减小外界因素对轴111转速的影响，使轴111能保持恒定转速转动，提高本方法后续计算的准确度。非接触式传感器13包括霍尔传感器131与第二永磁体132，第二永磁体132设于轴111上，且第二永磁体132设于驱动电机11外，第二永磁体132设于待测电机12外，霍尔传感器131用于检测第二永磁体132转速，且霍尔传感器131不与轴111接触。可以理解的，驱动电机11与待测电机12同轴设置，轴111连接两侧的驱动电机11与待测电机12，且轴111至少存在部分位于驱动电机11和待测电机12外，第二永磁体132设置于该部分的轴111上，从而有利于霍尔传感器131对第二永磁体132转速的检测。作为一种实现方式，位于驱动电机11和待测电机12外的轴111的部分，可以位于驱动电机11与待测电机12之间。作为一种实现方式，位于驱动电机11和待测电机12外的轴111的部分，可以位于驱动电机11和待测电机12的同一侧。霍尔传感器131检测第二永磁体132转速的原理为：第二永磁体132接近霍尔传感器131，且接近至距离最短时，霍尔传感器131能检测到永磁体的最大磁场，并通过检测磁场的时间，从而确定第二永磁体132的转速，即确定轴111的转速。第二永磁体132设于轴111上，轴111转动时，第二永磁体132以轴线为圆心作圆周运动，且第二永磁体132转动时，至少存在一个位置与霍尔传感器131距离最近，从而使霍尔传感器131能正常运行。作为一种实现方式，以第二永磁体132转动形成的圆为第一平面101，霍尔传感器131检测第二永磁铁磁场的检索点基本位于第一平面101上，该设置方式使霍尔传感器131距离第二永磁体132最近的情况下，使霍尔传感器131与轴111的距离最远，从而避免霍尔传感器131与轴111接触，提高本方法的稳定性，且变相提高霍尔传感器131检测第二永磁体132转速的准确度，从而有利于后续计算的准确度。第二永磁体132设有若干个，且第二永磁体132以轴线为中心，呈圆周阵列设置于轴111上。可以理解的，单个第二永磁体132即能满足霍尔传感器131对轴111转速的测量，设置若干个第二永磁体132于轴111上，且设置若干个第二永磁体132的方式为圆周阵列，圆周阵列的中心位于轴线上，圆周阵列的设置方式使任一一组相邻的第二永磁体132之间的距离相等，且任一一组相邻的第二永磁体132之间的夹角也相等，从而使霍尔传感器131能准确检测轴111的转速。该设置方式还能提高霍尔传感器131检测轴111转速的频率，从而提高霍尔传感器131检测轴111转速的准确度。作为一种实现方式，可以设置第二永磁体132的数量为6个，由于第二永磁体132数量为6个，360度是6的60倍，因此相邻第二永磁体132之间的夹角为60度，从而保证任一一组相邻的第二永磁体132之间的距离相等，保证霍尔传感器131检测轴111转速的准确度，从而保证后续计算的准确度。可以理解的，驱动电机11与待测电机12内均设置有永磁体，因此，霍尔传感器131设置不受驱动电机11的永磁体干扰，且霍尔传感器131不受待测电机12的永磁体干扰，霍尔传感器131的位置受上述条件限制。具体的，可以使驱动电机11与待测电机12的距离变长，从而减小驱动电机
11的永磁体的磁场对霍尔传感器131的干扰，以及减小待测电机12的永磁体的磁场对霍尔传感器131的干扰，从而提高本方法数据测量的准确度，从而提高本方法后续计算的准确度。
40.参照图4，驱动电机11内设置有温度传感器14，且温度传感器14设置于定子112上，温度传感器14用于测量绕组113的温度。可以理解的，驱动电机11运行时，除了铁损外，还有铜损，铜损为电流通过变压器原副绕组时，在原副绕组的电阻上所消耗的功率，即定子112的绕组113所消耗的功率，消耗的功率转化为热能，从而能通过检测绕组113的温度变化来检测铜损。具体的，待测电机12的第一永磁体121未磁化时，启动驱动电机11，使轴111转速提高至v1并稳定，温度传感器14检测绕组113的温度，并记录该温度为t1，即模拟待测电机12无磁场情况下的铜损。这之后，磁化待测电机12的第一永磁体121，使待测电机12的第一永磁体121具有磁性，启动驱动电机11，使轴111转速提高至v1并稳定，温度传感器14检测绕组113的温度，并记录该温度为t2，即模拟待测电机12有磁场情况下的铜损，通过两次温度的差值，即可计算得出铜损差值。可以理解的，完成对温度t1的测量和记录后，需要停止驱动电机11的运行，并等待温度传感器14检测到的温度恢复至初始温度，避免由于热能积累导致的测量误差，从而提高本方法测量温度的准确度，从而提高本方法后续计算的准确度。作为一种实现方式，可以设置若干个温度传感器14于驱动电机11内，且温度传感器14用于检测定子112中绕组113的温度，单一的温度传感器14即可满足对定子112的绕组113的温度检测，设置若干个温度传感器14能实现对定子112的绕组113的多处测量，且定子112的绕组113不同位置的温度带有偏差，通过设置若干个温度传感器14，可以检测到定子112的绕组113不同位置的温度，并计算温度的均值，或计算温度的算术平均值等方式来计算得出定子112的绕组113的平均温度，从而提高数据测量和采集的准确度，从而提高本方法后续计算的准确度。
41.参照图4，待测电机12中设置有空气轴承15，空气轴承15设置于待测电机12与轴111之间。可以理解的，空气轴承15为通过空气作为润滑剂的滑动轴承，该空气轴承15能减小摩擦力对本方法数据测量的干扰，从而提高本方法数据采集的准确度，从而提高后续计算的准确度。作为一种实现方式，为了减小摩擦力对轴111的影响，可以设置轴承为磁悬浮轴承，从而提高本方法数据采集的准确度，从而提高后续计算的准确度。
42.参照图5，一种测量高速永磁电机铁损的方法，包括如下步骤：
43.s1、第一永磁体未磁化时，启动驱动电机使轴转速提高至v1并稳定，记录驱动电机的输入功率和绕组的温度，第一永磁体磁化时，启动驱动电机使轴转速提高至v1并稳定，记录驱动电机的输入功率和绕组的温度；
44.s2、根据绕组温度的差值，计算驱动电机的铜损差值；
45.s3、根据驱动电机输入功率的差值以及铜损差值，计算待测电机的铁损。
46.参照图4至图5，步骤s1中，待测电机12处于未磁化时，启动驱动电机11，使轴111转速提高至v1并稳定，并记录驱动电机11的输入功率p1以及绕组113的温度t1。可以理解的，轴111转速提高至v1时，驱动电机11的输入功率还存在浮动，并未稳定，且绕组113的温度也未处于恒定状态，需要轴111转速保持v1一段时间后，检测驱动电机11的输入功率以及绕组113的温度。
47.具体的，检测驱动电机11输入功率的方式为：轴111转速保持v1一段时间后，间隔
一定时间，检测驱动电机11的输入功率，并通过计算得出相邻两次输入功率的浮动，当浮动值趋近于0时，即表示驱动电机11的功率恒定，可以得出驱动电机11的输入功率p1。作为一种实现方式，最后得出输入功率p1的计算方式可以为取其中若干次偏差接近0的输入功率的值，计算其平均值，从而得出驱动电机11的输入功率p1。作为一种实现方式，最后得出输入功率p1。的计算方式可以为取其中若干次偏差接近0的输入功率的值，计算其算术平均值，从而得出驱动电机11的输入功率p1。
48.具体的，检测驱动电机11中绕组113的温度的方式为：轴111转速保持v1一段时间后，间隔一定时间，检测驱动电机11中绕组113的温度，并通过计算得出相邻两次温度的浮动，当浮动值趋近于0时，即表示驱动电机11中绕组113的温度恒定，可以得出驱动电机11中绕组113的温度t1。作为一种实现方式，最后得出温度t1的计算方式可以为取其中若干次偏差接近0的温度的值，计算其平均值，从而得出驱动电机11中绕组113的温度t1。作为一种实现方式，最后得出温度t1的计算方式可以为取其中若干次偏差接近0的输入功率的值，计算其算术平均值，从而得出驱动电机11中绕组113的温度t1。
49.参照图4至图5，步骤s1中，待测电机12处于磁化时，启动驱动电机11，使轴111转速提高至v1并稳定，并记录驱动电机11的输入功率p2以及绕组113的温度t2。可以理解的，轴111转速提高至v1时，驱动电机11的输入功率还存在浮动，并未稳定，且绕组113的温度也未处于恒定状态，需要轴111转速保持v1一段时间后，检测驱动电机11的输入功率以及绕组113的温度。
50.具体的，检测驱动电机11输入功率的方式为：轴111转速保持v1一段时间后，间隔一定时间，检测驱动电机11的输入功率，并通过计算得出相邻两次输入功率的浮动，当浮动值趋近于0时，即表示驱动电机11的功率恒定，可以得出驱动电机11的输入功率p2。作为一种实现方式，最后得出输入功率p2的计算方式可以为取其中若干次偏差接近0的输入功率的值，计算其平均值，从而得出驱动电机11的输入功率p2。作为一种实现方式，最后得出输入功率p2。的计算方式可以为取其中若干次偏差接近0的输入功率的值，计算其算术平均值，从而得出驱动电机11的输入功率p2。
51.具体的，检测驱动电机11中绕组113的温度的方式为：轴111转速保持v1一段时间后，间隔一定时间，检测驱动电机11中绕组113的温度，并通过计算得出相邻两次温度的浮动，当浮动值趋近于0时，即表示驱动电机11中绕组113的温度恒定，可以得出驱动电机11中绕组113的温度t2。作为一种实现方式，最后得出温度t2的计算方式可以为取其中若干次偏差接近0的温度的值，计算其平均值，从而得出驱动电机11中绕组113的温度t2。作为一种实现方式，最后得出温度t2的计算方式可以为取其中若干次偏差接近0的输入功率的值，计算其算术平均值，从而得出驱动电机11中绕组113的温度t2。
52.计算铜损差值的计算公式为：ec＝ρcccδt＝ρccc(t
2-t1),
53.其中，ec为绕组113损耗密度，ρc为密度，cc为比热容，vc为绕组113体积，p3为铜损差值；
54.通过温度差值即可计算得出定子112的绕组113的铜损差值，该铜损差值为铁损的主要偏差。
55.计算铁损的公式为：
56.p4＝p
2-p
1-p3，
57.其中，p4为铁损。通过两次输入功率的差值即可计算得出大致的铁损，并减去其中作为主要偏差的铜损差值，即可获得基本准确的铁损。
58.步骤s2中，测量并记录待测电机12未磁化时的数据后，磁化待测电机12，测量并记录待测电机12磁化后的数据。可以理解的，磁化的永磁体转变为未磁化的永磁体工序复杂，不利于本方法实验中的控制变量要求，易影响到数据采集的准确度，不利于后续计算的准确度。
59.现有技术中，测量铁损的方法相对落后，不能消除其他因素对铁损计算的影响。本方法通过设置温度传感器14于驱动电机11中定子112的绕组113上，能通过温度的差值计算得出铜损的差值，从而减小铁损计算的偏差；其次，本方法通过非接触式传感器13检测轴111的转速，从而减小传感器对轴111的影响，使轴111更易于保持恒定速度。
60.上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。