电机结构参数及其测量办法

一路上

前言

要测量电机的电量参数，就要关注最基本的电量参数：电压、电流、功率、频率、相位。这些参数是通过电子测量仪器进行测量的，根据测量项目的不同，一般会用到电压表、电流表、功率表、频率表等各种仪表。实际上，当前的电流参数测量技术非常成熟，通常使用功率分析仪（或功率计）即可满足电机所有基本电量参数的测量需求。

功率分析仪实际上是电压表、电流表、功率表和频率表的有机融合，它实现了高精度的电压、电流、频率、相位实时采集，并实时运算出功率结果，可以为使用者提供精准的电机电量参数测试结果，且不同参数之间的采集在时基上是同步的，保证了数据的有效性。

1、电机槽数和极数

槽数（N）：定子铁芯的槽数量。无刷电机是三相电机，所以槽数是3的倍数。

极数（P）：转子上磁极的数量or磁钢的数量，磁铁必定是南北极成对使用，极数必然是偶数。

在交流电机中，极数通常是偶数，可以是2极、4极、6极等。极数越多，电机的转速就越慢，但扭矩就越大，适用于一些需要大扭矩、低速运行的场合；极数越少，电机的转速就越快，但扭矩就越小，适用于一些需要高速运行的场合。

如上图，是6槽，8极

电机槽数和极数有些电机型号直接写为槽数N极数P，如12P14N，是12极14槽的意思。

槽数和极数特点:

a、槽数(N)和极数P都与最高转速成反比，就是槽数（极数）越小，电机的最好转速越高。如9N12P的最高转速比12N14高。

b、在槽数(N)相同的情况下，极数P与扭力成正比，极数越大，扭力越大。

c、一般情况下，槽数(N)和极数P越大，电机顿挫感越小（在电机不带电的时候，用手转动电机，会感觉一卡一卡的顿挫感），理论上电机振动会更少，但由于槽数多了后很难做好动平衡。

2、KV值

无刷电机KV值定义为转速/V，意思为输入电压增加1伏特(V)，无刷电机空转转速（转/分钟）增加的转速值。

从这个定义来看，电压与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的，并且是常量，无论电机在那个工作电压，电压和转速的关系都遵从这个值。

空转转速的计算

这个值是指电机空转没有带螺旋桨等负荷下的转速与电压的关系，如KV是650，在11.1V电压下空转转速是 11.1×650 = 7215转/分钟，KV值是900，同样电压下的空转转速是9990转/分钟。

不能通过KV比较电机的好坏，不能说KV380的比KV600的好，同一个型号不同KV值的电机价格是一样。

3、外转子与内转子

无刷电机根据定子的位置，可以分为外转子和内转子两种。

1）外转子：定子在里面，转子在外面叫外转子

转子在外面包着定子，转子和外壳合在一起，转动的时候，外壳（不包括底座）和输出轴一起转动，内转子扭矩比较大，KV值低。

2）内转子：

跟外转子相反，内转子是定子包着转子，转动的时候，只是转子转动（外壳不转）。内转子扭矩比较小，KV值高。

下面是一些电气参数的介绍和测量：

4、定子电阻

定子电阻其实就是定子线圈的阻值。指的是相电阻，Ω。

对于常见的星型接法（Y接法）的定子线圈，可以直接测任意两相之间的阻值，这个是线电阻。线电阻=2×相电阻，所以可以测完3组线电阻之后，取一下平均数。

对于定子绕组为三角形接法（▲型）时，测量方法与 Y 接相同，但相电阻结果是电阻测量表显值的 1.5 倍。

5、dq轴电感

永磁同步电机根据永磁体的安装方式不同可分为两类：表贴式永磁同步电机（SPMSM）和嵌入式永磁同步电机（IPMSM）。

表贴式永磁同步电机（SPMSM）本身具有各向同性的结构，即直轴和交轴是相同的（Ld=Lq）。通常情况下，其机械结构产生更广泛的气隙，这反过来又意味着弱磁能力更低。

嵌入式永磁同步电机（IPMSM）显示出各向异性结构（Ld < Lq）。这一特殊的磁场结构可以用来产生更大的电磁转矩。IPMSM 具有优良的机械结构，通常气隙很狭窄，从而弱磁能力更好。

什么是弱磁区? —— 所谓弱磁区，顾名思义，就是磁场较弱。磁场较弱时，变压器或电机铁芯进入非线性区间，输入电流会畸变。

弱磁控制也是一门很大的学问，以后有机会再聊。

最值法：

DQ 轴电感也可以采用普通的 RLC 表来测量（当电机电感为几十 mH 以上），为了获取更高更高精度的电感值时或电机电感为 μH 级时，建议使用电桥测量。

当电机电感为几十 mH 以上，电感可以使用普通的 RLC 测量仪来测量，对于星型连接（Y 接）方式，定子电感等于测量值得一半。测量方法可参考 RLC 测量仪测量定子电阻。

用 RLC 表接在电机的线－线端，非常地缓慢转动电机转子（要防止感应电压对测量的影响），如果电感表示数的最大值最小值差别不大（小于 10％），说明该电机为表贴式永磁电机（SPMSM），此时可以将两个值取平均即为电机相电感（Lavg = Lq = Ld），否则为内嵌式永磁电机（IPMSM），且 Lq 是电感表测得数值的最大值的一半，Ld 为最小值的一半（对于 Y 形接法的电机来说，电感表测得的数据是两相绕组串连的电感）。

对于Y接法:

对于o接法:

式中，Lmin 是表测电感值的最小值，Lmax 是表测电感值的最大值。

当电机电感较小或需要得到较高精度电感时，建议使用电桥测试电机电感，设置测量频率为 1kHz为佳，测试方法与电桥测量定子电阻类似，电桥的两个接线端子分别接电机三相线的其中两相。

6、转矩常数

转矩常数：电动机所产生转矩的比例系数，一般表示每安培电枢电流所能产生的转矩大小，单位为：N·m/A。

7、反电动势系数

电动机旋转时，电枢绕组内部切割磁力线所感应的电动势相对于转速的比例系数，也称为发电系数或感应电动势系数。单位为：V/rpm

反电动势（BEMF）常数可以通过驱动转子以的恒定转速运动的情况下，获取电机接线端子上的无负载线电压 来获得。反电动势常数为反电动势电压和电角速度/频率的比值。

步骤：

1.外部驱动电机以恒定的转速旋转，转速尽可能高一些。因为感应电压一般较小，过小的感应电压会

降低测量精度。

2. 单相测量：测量产生的相电压（某一相的接线端子中性点之间的电压）。通常中性点不容易获得，那么可以测量线电压。

三相测量：如果中性点不容易获得，可以通过将三个电压探头的一边连接到一起来创建一个人为参考的中性点。

3.若以V/krpm/相为单位，根据下面的公式计算反电动势常数:

8、转动惯量

惯量是具有质量的物体维持其固有运动状态的一种性质。转动惯量是指电机转子和负载转动惯量之和，单位为： kg·m2。

转动惯量会影响到 FOC 速度环 PI 调节器的比例和积分增益，还有开环启动阶段的加速度。如果无法得到准确的值，可以用手转动电机和负载根据电机转子的转动惯量来大致估计整体的转动惯量。

根据简化的电机运动方程:

在电机恒转矩运行过程中，测量时间△t内电机转速的变化△o，即可计算得转动惯量。
保持永磁电机定子端开路，首先用测功机以恒定转矩拖动电机加速运行，分别记录t1与t2时刻转速ω1与ω2;然后让电机自由停机，并分别记录t3与14时刻的转速ω3与ω4。列写方程组:

式中Tm为测功机施加给永磁电机转子的转矩，可由测功机的功率与转速求得，即Tm=P/(npω), T为空载转矩。解方程组即可得转动惯量J。

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