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電主軸定子電阻特性分析

文檔作者：張麗秀，劉曉輝，吳玉厚文檔來源：沈陽建筑大學交通與機械工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年11月24日
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第25卷第5期機電產(chǎn)品開發(fā)與糾嶄V01．25，No．5
2012年9月Development＆Innovation of Machinery＆Electrical Products Sep．．2012
文章編號：1002—6673(2012)05一162—03
電主軸定子電阻特性分析
張麗秀，劉曉輝，吳玉厚
(沈陽建筑大學交通與機械工程學院，遼寧沈陽110168)
摘要：影響定子電阻變化的因素有溫度、運行頻率、定子電流，負載。找到定子電阻隨著這些因素的變
化規(guī)律，有利于找到精確的定子電阻辨識方法，從而提高電主軸控制系統(tǒng)的精度及可靠性。論文
用實驗的方法采集空載和加栽時溫度、頻率、定子電流及定子電阻數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)的處理分析
得出，空載時，定子電阻隨溫度、定子電流、頻率的變化呈非線性變化。加載時，定子電流隨著
載荷的增大線性增大，加載實驗后期定子電阻隨著載荷的增大線性增大。
關鍵詞：定子電阻；定子電流；溫度；運行頻率：負載
中圖分類號：TM355 文獻標識碼：A doi：10．3969／j．issn．1002—6673．2012．05．065
Stator Resistance Characteristic Analysis of Electric Spindle
ZHANG Li-Xiu，LIU Xiao—Hui，WU Yu—Hou
(Traffic&amp;amp;Mechanical Engineering School，Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 1 10168，China)
Abstract：The main factors that influence the changing of stator resistance are temperature，operating frequency，stator current，load size．Find—
ing the mle that stator resistance variation with the factors is benefit to find the accurate identification method of stator resistance，SO as to im—
prove the precision and rehability of electric spindle control system．In this paper，the data of temperature，frequency，stator current and stator
resistance under the condition with load and without load are respectively collected by experimental method．Processing and analysis the data
obtained，the rules of stator resistance changing with temperature，stator current，frequency are non—finear without load．And stator resistance
increases linearly with the load increasing at the end of the experiment widl load．
Key words：stator resistance；stator current；temperature；frequency；load
0引言
電主軸是高速加工機床的核心功能部件．它的性能
直接決定了機床的超高速加工性能。其關鍵技術之
一——運動控制技術，有三種模式。分別為V／f模式、
矢量控制模式和直接轉(zhuǎn)矩控制模式。在矢量控制和直接
轉(zhuǎn)矩控制中，定子電阻的變化對控制結(jié)果的影響較大。
特別是對直接轉(zhuǎn)矩控制，直接轉(zhuǎn)矩控制需要對定子磁鏈
和轉(zhuǎn)矩進行估計，且定子磁鏈的估計精度是影響其高性
能控制的關鍵因素。如果采用電壓積分法估計定子磁
鏈，那么在整個控制中唯一用到的電機參數(shù)就是定子電
阻，而當定子頻率較低時，的變化對磁鏈的估計結(jié)果影
響很大，從而直接影響對轉(zhuǎn)矩估計的準確性【1]。
收稿日期：2012—07—13
基金項目：國家自然科學基金項目(50975182)
作者簡介：張麗秀(1970-)，女，博士，副教授；劉曉輝
(1986一)，女，碩士研究生。
162
溫升是引起定子電阻變化的主要因素，數(shù)控機床電
主軸在運動控制中的工況總是在不斷調(diào)整中。因此電機
損耗也是不斷變化的．由此引起的電主軸溫升及定子電
阻也不斷變化。所以有必要尋找定子電阻的變化規(guī)律，
以便找到精確的定子電阻辨識方法，提高電主軸直接轉(zhuǎn)
矩控制系統(tǒng)的精度及可靠性。年曉紅、張超定量分析定
子電阻變化對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)三種基本定子磁鏈觀測
模型及電磁轉(zhuǎn)矩的影響，指出了研究定子電阻變化對無
速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)影響的必要性[21；丁惜瀛詳
細分析了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)低頻脈動的產(chǎn)生原因，解析
了電機溫升引起的定子電阻變化對定子磁鏈的估計精度
的影響翻：Rahman M．F．，Lim K．W．等人分析了定子電阻對
定子磁鏈的影響．并提出了用模糊觀測器實現(xiàn)定子電阻
的在線觀測【4】。
文章利用精度為0．1％的LCR一821測試儀、精度達
0．5％的TC一2008多路溫度測試儀以及測功機做了空載和
加載實驗．讀取150MDl829電主軸定子電阻、電流及
其外殼溫度數(shù)值；用Matlab工具將這些數(shù)據(jù)繪制成三維
萬方數(shù)據(jù)
·數(shù)控機床世界·
圖形，觀察和分析這些因素對定子電阻的影響。
1影響定子電阻的因素
影響電主軸定子電阻大小及變化的因素主要有兩方
面，最基本的是電主軸結(jié)構參數(shù)；另一方面在結(jié)構參數(shù)
確定時，與實際運行工況環(huán)境有直接關系：
(1)電主軸結(jié)構參數(shù)對定子電阻的影響。首先從定子
電阻的計算公式人手，分析電主軸定子電阻的影響因
素。根據(jù)文獻【5】，感應電機定子繞組每相電阻可以根據(jù)
如下公式計算：
阽K卸。，，N警， (1)：
^口Ial
式中：N。一每相串聯(lián)的匝數(shù)；f．一線圈半匝平均長
度；A。。一導體的截面積；al一相繞組的并聯(lián)支路數(shù)；
p廠基準工作溫度的導體的電阻率；K卜電阻增加系數(shù)。
從式(1)可知，電主軸定子電阻除與每相串聯(lián)的匝
數(shù)、線圈半匝平均長度、導體的截面積、相繞組的并聯(lián)1
支路數(shù)以及導體的電阻率有關外．電主軸內(nèi)部電機的定
子電阻還隨著運行時定子頻率、定子電流、運行時間及
電主軸溫度的變化而變化。
(2)溫度變化對定子電阻的影響。從理論上來講，溫
度變化是影響定子電阻變化的主要因素，電機的定子電
阻隨溫度變化的關系式為[61：
肛鬻R．- (2)l
式中：tl一室溫；凡1是室溫時的電阻；&amp;amp;是溫度為
t2時的電阻。從式(2)可以看出，定子電阻隨溫度的增加
而線性增加。
(3)定子電流對定子電阻的影響。定子電流對定子電
阻的影響主要表現(xiàn)為當電主軸的電流增加時，定子電流
的變化導致定子銅耗的增大，并最終導致電主軸溫度的
上升；另一方面定子電流的增大也將使電主軸漏磁增
加。雜散損耗增大。因此定子電流對定子電阻的影響的
本質(zhì)是溫度對定子電阻的影響。
(4)頻率對定子電阻的影響。異步電機通過改變電源
頻率而達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。當電源頻率增大時，由于I
集膚效應的影響。隨著定、轉(zhuǎn)子頻率與電流量的分布變
化，定子電阻也會發(fā)生變化ffl。同時當電動機進入到弱磁
調(diào)速范圍，由于磁路飽和，電機內(nèi)同樣會產(chǎn)生集膚效1
應，這不僅主要使轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子電感值發(fā)生改變，同
樣也對定子電阻值的變化也會產(chǎn)生一定的影響。
2定子電阻特性實驗與分析
采用精度為0．1％的LCR一821測試儀對150MDl829
型號的電主軸定子電阻進行檢測。實驗裝置如圖l所j
示。實驗過程中一直采用25。C的恒溫水冷卻。電主軸定
子電流的數(shù)值從變頻器讀取。電主軸外殼溫度用精度達
0．5％的TC-2008多路溫度測試儀(圖2)測取。
2．1電主軸冷態(tài)電阻的
檢測
測量時，電主軸轉(zhuǎn)子
靜止不動。對定子繞組的
出現(xiàn)端迸行測量。每一電
阻測量三次。并取三次測
量的平均值作為電阻的實
際值。由于所測電主軸為
星形接法的繞組，故各相定
子繞組可按如下公式計算：
fR．-K擴Rbc
{Rh-K。廣R。
IL=R。c-ILb
故最終定子電阻的實
際值為：
1
R=}k
二
式中：R。一三個線端
電阻的平均值。
圈1定子電阻檢舅裝置
№·l The
test．equipment
of
stator resimnce 舅—-
令_爺l 乎
‘ ，i
圈2■升撿舅羹置
n昏2 The equipment of
temperature device
2．2電主軸熱態(tài)定子電阻檢測
為分析電主軸溫升、電主軸運行時頻率及定子電流
對定子電阻的影響，則必須對電主軸熱態(tài)定子電阻進行
檢測。電主軸熱態(tài)定子電阻的檢測我們做了兩部分實
驗，分別是空載和加載的實驗。
(1)空載實驗：電主軸定子電阻的熱態(tài)測量采用的實
驗裝置與冷態(tài)實驗裝置相同。
不同的是定子電阻熱態(tài)檢測n“
時，要求電主軸在相同的頻≯”
率下運行120rain。每隔十分?！?
鐘將電主軸停止運轉(zhuǎn)。電源
切斷的瞬間立即測取定子電
阻。電主軸外殼溫度、定子一t 熹蘭妻喜淼行中采!譽13414用直接轉(zhuǎn)矩控翩方式。 1——-爹 iw：‘-r 7
實驗結(jié)果及分析：實驗51衍’f?！?。
測得150MDl829電主軸定子“48“意一‘’
電阻冷態(tài)值為0．433。圈3 3011z時定子電阻■定
圖3。圖5分別是電主軸子電漉及沮度變化圈
運行頻率為30Hz、125Hz、n≮：：：：：翟：：：柵
250Hz時，定子電阻隨定子電棚嗍t硼蛔坤H_味
流和溫度變化的三維圖形。whenthe如唧嘲啊b 301tz
為便于觀察，每組頻率下分別以溫度為X軸，定子電流
163
萬方數(shù)據(jù)
·數(shù)控機床世界·
定子電流隨轉(zhuǎn)矩變化
。圖，從圖中可以看出，
“。
””‘
一w“ 矩變化。定子電阻在加
(a)
載初期有所波動。這是
? 由于電主軸采用的是恒
[：口
圈9定子電阻隨轉(zhuǎn)矩變化圈
流及漚度變化圈增加載荷后，定子電阻Fig．9 The variation of stotor
ng．5 The variation of stator 呈線性增大的趨勢。這他凼啪讎with torque ：：：篡二冀：：：淵是由于隨著載荷的增加，溫度升高幅度較大，冷卻‘ b舭1 。水對電主軸溫度的影響效果不明顯，電主軸整體溫
為Y軸(圖a)，以定子電流為x軸，溫度為y軸(圖b)繪
制圖形。從三組圖中可以看出，定子電阻隨著定子電流
和溫度的變化呈非線性，沒有規(guī)律可循。無法建立準確
的數(shù)學模型。另外，不同頻率下定子電阻隨定子電流和
溫度的變化圖形有很大不同，可見，隨著頻率的變化定
子電阻也會變化。
(2)加載實驗：利用圖6所示的測功機對150MDl829
型號的電主軸進行加載。電主軸自動測試系統(tǒng)中的測功
機與被測電主軸聯(lián)接方式為測功機+聯(lián)軸器+傳感器+聯(lián)
軸器+被測電主軸的直線式聯(lián)接，進行加載試驗時，測
功機通過降低速度給被測電主軸施加負載。圖7為測功
機控制系統(tǒng)?？蛇M行電主軸運
行參數(shù)控制。并讀出電主軸運
行特性相關數(shù)據(jù)。試驗中。首
先將測功機的轉(zhuǎn)速定為8000r，
rain，在恒值測試模塊中，定
圈6舅功譏機械系統(tǒng)為恒轉(zhuǎn)矩測試，選定7個測試點，
164
實驗結(jié)果及分析：圖8為
度呈上升趨勢，定子電阻也隨之增加。
3結(jié)論
文章用Matlab工具將實驗數(shù)據(jù)繪制成三維圖形．通
過對數(shù)據(jù)處理分析得到：空載時，在頻率固定時，定子
電阻在定子電流和溫度的影響下呈非線性變化．而不同
頻率下．定子電阻隨著定子電流和溫度的變化圖形有所
不同，因此，頻率的變化同樣影響定子電阻變化。加載
時，溫度隨著載荷的增加，呈線性規(guī)律增大；而定子電
阻由于水的冷卻作用，小載荷時會有下降，隨著載荷的
增加定子電阻逐漸增大。
參考文獻：
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【5】陳世坤．電機設計(修訂版)【M】．北京：機械工業(yè)出版社，1990．
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