反電動勢的案例
HBK電機/電橋反電動勢下線檢測解決方案
電機/電橋下線檢測需測試不同的功能參數，以快速檢測產品生產過程中可能存在的質量問題，如反電動勢、電磁特性、扭矩/轉速、功率和效率、位置傳感器的角度和零位偏差等。
電機/電橋下線檢測通常采用無負載的快速循環工況（空載測試），快速評估反電動勢、電磁特性、位置傳感器的角度和零位偏差、極性等參數，以在生產線末端進行質量控制。如需要更深入的分析（通常用于實驗室環境，但也適用于產品下線檢測），可采用有負載的循環工況（負載測試），進一步評估轉速、扭矩、功率和效率、齒槽轉矩/扭矩紋波等。
借助eDrive功率分析儀的強大功能，HBK為任何類型的電機（直流電機或交流電機，同步或異步）和電橋的生產線下線檢測提供了評估不同功能參數的專用解決方案，幫助客戶滿足對安全和性能的要求，并將生產轉向更高質量等級。
應用案例
1.電機下線檢測-無負載恒轉速驅動
被測電機在無負載情況下，由具有調速功能的驅動電機以恒定轉速驅動，HBK eDrive功率分析儀直接測量（0-1500V）被測電機端的正弦感應電壓和電轉速，并接入電機角度傳感器輸出的信號，以計算和分析各相反電動勢常數，角度及零位偏差，極性等參數，快速判斷所有這些參數是否在限值范圍內，并通過數字I/O信號輸出最終PASS/FAIL信息到臺架控制系統。
圖1 使用反電動勢常數方法進行電機下線檢測
圖2 測試流程
2.電機下線檢測-無負載變轉速驅動（手動旋轉電機）
通過計算反電動勢常數的方式進行電機下線檢測非常便捷，但存在以下兩個問題：
1）如果電機繞組生成的反電動勢是非正弦信號，那么基于反電動勢常數方式計算出的磁通量是不正確的，無法正確評估電機的組裝和生產質量。
展開 免費網絡課程 | 3月24日下線檢測-電機反電動勢快速測量
本課程將討論在裝配線結束時使用反電動勢測量來表征和驗證電機，以快速決定一個電機部件是否符合生產要求。
議題如下:
什么是反電動勢
反電動勢及常數快速測量
案例分享
磁鏈測試
小結
培訓時間
3月24日（周三）晚上 20:00-21:00
課程對象
電機測試工程師，電機研發人員，電機質量控制
費用：免費
備注
培訓將通過網絡授課的方式進行，請自備具備上網條件的電腦或手機。
報名方式
點擊這里 或 微信掃描下方二維碼，立即在線報名。
* 注冊并報名后，您可以點擊HBM微信公眾號菜單欄【會員中心】-【注冊/登陸】，進入個人中心，找到您報名的所有課程。
微信
「甜蜜」事業 | 巧克力包裝系統高速動態稱重的核心
“霍家”秘籍 | 讓你的傳感器具備更高性能與成本優勢
案例分享 | 讓屹立90年的海上大橋煥發青春
案例分享 | 采用HBM設備進行復雜的直升機測試
您還可以通過如下方式聯系我們，了解更多產品與應用詳情：
郵箱：hbmchina@hbm.com.cn
官網：https://www.hbm.com/cn/
電話：400-900-3165（周一至周五9:00-18:00）
展開 轉子斜極對永磁輪轂電機性能影響的研究
圖13 不同永磁體傾斜角度下齒槽轉矩波形
圖14 波動幅值隨永磁體傾斜角度的變化曲線
3.2 斜極對反電動勢的影響
為了更清晰地分析斜極對電機反電動勢的影響，本文定義空載反電動勢非正弦度系數αE，其在數值上等于反電動勢各諧波幅值的絕對值之和與基波幅值之比。
(1)
電機轉矩波動中主要是6次諧波，為了減小波動轉矩對電機性能的影響，這里首先定義波動轉矩系數αT6:
αT6=
(2)
需要說明的是，上述公式推導忽略了電樞反應對波動轉矩的影響，即不考慮定子磁鏈所產生的波動轉矩以及忽略磁場飽和對波動轉矩的影響。轉矩波動主要是由反電動勢和電流的各次諧波相互作用產生的，而本文接下來只對由反電動勢5次和7次諧波所引起的轉矩波動展開研究，關于由電流諧波造成的轉矩波動和高于6次諧波引起的轉矩波動不予考慮。
因此，反電動勢非正弦度系數式(1)和波動轉矩系數式(2)可以簡化:
(3)
(4)
反電動勢隨傾斜角度變化結果如圖15所示。可以看出，不同傾斜角度時，反電動勢的幅值和相位都發生了明顯變化。
圖15 不同永磁體傾斜角度下反電動勢波形
通過對反電動勢傅里葉分解，得到反電動勢各次諧波隨永磁體傾斜角度的變化情況，如圖16所示。表2分別給出了在不同永磁體傾斜角度下反電動勢基波幅值、波動轉矩系數和非正弦度系數的對比結果。
展開 轉子斜極對永磁輪轂電機性能影響的研究
圖13 不同永磁體傾斜角度下齒槽轉矩波形
圖14 波動幅值隨永磁體傾斜角度的變化曲線
3.2 斜極對反電動勢的影響
為了更清晰地分析斜極對電機反電動勢的影響，本文定義空載反電動勢非正弦度系數αE，其在數值上等于反電動勢各諧波幅值的絕對值之和與基波幅值之比。
(1)
電機轉矩波動中主要是6次諧波，為了減小波動轉矩對電機性能的影響，這里首先定義波動轉矩系數αT6:
αT6=
(2)
需要說明的是，上述公式推導忽略了電樞反應對波動轉矩的影響，即不考慮定子磁鏈所產生的波動轉矩以及忽略磁場飽和對波動轉矩的影響。轉矩波動主要是由反電動勢和電流的各次諧波相互作用產生的，而本文接下來只對由反電動勢5次和7次諧波所引起的轉矩波動展開研究，關于由電流諧波造成的轉矩波動和高于6次諧波引起的轉矩波動不予考慮。
因此，反電動勢非正弦度系數式(1)和波動轉矩系數式(2)可以簡化:
(3)
(4)
反電動勢隨傾斜角度變化結果如圖15所示。可以看出，不同傾斜角度時，反電動勢的幅值和相位都發生了明顯變化。
圖15 不同永磁體傾斜角度下反電動勢波形
通過對反電動勢傅里葉分解，得到反電動勢各次諧波隨永磁體傾斜角度的變化情況，如圖16所示。表2分別給出了在不同永磁體傾斜角度下反電動勢基波幅值、波動轉矩系數和非正弦度系數的對比結果。
展開 
無人機電調、電機的工作原理
理想的反電動勢波形和霍爾傳感器輸出波形對比圖，從圖中可看出，反電動勢的過零點和霍爾傳感器的波形翻轉同步，如果用此反電動勢過零信號進行程序換相會獲得和何感無刷電機一樣的運轉性能。
實際的反電動勢波形和霍爾波形對比圖如上所示，紅線為霍爾的輸出波形，黑色虛 線是反電動勢，紫色豎線為反電動勢的過零點，時間軸的方向為從左往右，可以得知反電動勢的過零點比霍爾傳感器的輸出波形提前了半個電節拍，即30度電角度。為了能夠在正確 的時刻才換相，需要在檢測到反電動勢過零點后延遲30度電角度之后，才進行換相。究竟延遲多長時間才夠30度時間呢？需要對相鄰兩個過零點之間的時間進行計時，因為無刷電 機的轉速是會變化的，相應的電周期也會變化。用定時器得到計時值后除以2就是當前電機 轉速下的30度電角度延遲時間值，把此時冋值裝入一-個定時器，并打開該定時器中斷，等延時完畢進中斷即可完成電機換相。
本文部分資料、圖片來自網絡，若有侵權聯系刪除.
展開 電機設計-電機仿真“新工具”
永磁直線電機仿真APP可實現永磁直線電機仿真計算，得到電機的磁密云圖、磁力線、磁鏈、反電動勢、推力等結果
APP計算：
永磁直線電機仿真 - Simapps Store - 工業仿真APP商店
5、感應直線電機仿真
感應直線電機是一種具有高效能、高精度、快速動態響應及壽命長等優點的電機。它廣泛應用于工業自動化、精密制造、新能源、交通運輸等應用領域。感應直線電機仿真APP可實現感應直線電機仿真計算，得到電機的磁密云圖、磁力線、磁鏈、反電動勢、推力等結果。
APP計算：
感應直線電機仿真 - Simapps Store - 工業仿真APP商店
6、永磁無刷直流電機仿真APP
永磁無刷直流電機是一種采用永磁體建立磁場并通過電子換向器控制電流方向的直流電動機。由于永磁體的高磁能積和電子換向器的高效控制，永磁無刷直流電機具有較高的運行效率和較低的能耗。因此，以其高效節能、運行可靠、調速性能好等優點，在航空航天、工業自動化等領域得到了廣泛應用。永磁無刷直流電機仿真APP可實現永磁無刷直流電機仿真計算，得到電機的磁密云圖、磁鏈、反電動勢、電磁轉矩、鐵芯損耗等結果。
APP計算：
永磁無刷直流電機仿真 - Simapps Store - 工業仿真APP商店
7、同步磁阻電機仿真APP
同步磁阻電機具有結構簡單、堅固耐用、效率高、調速范圍廣、成本較低、簡單可靠、維護方便等優點，被廣泛應用于紡織、風機水泵、傳送帶、交通運輸等工業自動化調速驅動領域。同步磁阻電機APP可實現同步磁阻電機仿真計算，得到電機的磁密云圖、磁力線、磁鏈、反電動勢、電磁轉矩等結果。
展開 無刷直流電動機及其控制技術的發展
3．2無位置傳感器的轉子位置檢測
無位置傳感器轉子位置檢測的方法主要有：反電動勢法、續流二極管法、電感法和狀態觀測法。其中反電動勢法是最常見和應用最廣泛的方法。但該方法是在忽略電樞反應的基礎上的，在原理上就存在誤差，對于大功率無刷電動機，電樞反應對氣隙磁密的影響更明顯，誤差也就更大。另一方面，電機在啟動和低速時，反電動勢為零或很小，很難通過反電動勢來檢測轉子位置，無位置傳感器的無刷電動機存在啟動問題［9］。因此，如何在大功率無刷電動機中補償反電動勢法造成的轉子位置信號的誤差，以及如何克服反電動勢法中電動機的啟動問題，是急需解決的。對于啟動問題，一般采用先用其他方法啟動之后再切換到無位置傳感器的運行方法。
4無刷直流電動機的發展方向
隨著電子技術、控制技術的發展，位置檢測可以通過芯片配合適當的算法來實現。高速微處理器和DSP器件以及專用的控制芯片的出現，使得運行速度、處理能力有很大的提高。DSP固有的計算能力可用來在無刷電機上實現無傳感器控制［10］。采用DSP實現無位置傳感器控制成為研究的熱點，低成本DSP無位置傳感器無刷電動機，成為無刷直流電動機的發展方向。
文章轉自有限元在線博客，分享給大家學習交流
展開 軸向磁通與徑向磁通永磁同步電機性能對比
表2 兩種不同拓撲結構電機參數
3 電磁性能對比分析
3.1 空載性能對比
3.1.1 空載反電動勢
空載反電動勢是衡量發電機性能的主要指標之一，通過對波形及數值的分析，可以判斷電機的運行狀態和輸出電壓的能力。圖6為AFPM電機與RFPM電機空載反電動勢波形，其有效值分別為209.34 V與208.43 V。
圖6 空載反電動勢波形圖
由于永磁同步電機氣隙磁場含有高次諧波，使得感應的空載反電動勢也含有高次諧波成分，其中諧波含量占基波含量的百分比為電壓波形總諧波失真率THD，電壓波形畸變率表達式：
(1)
式中:U3,U5,U7為3次、5次、7次諧波電壓的有效值；U1為基波電壓的有效值。
圖7為空載反電動勢波形傅里葉分解圖。從圖7中可以看出，AFPM電機比RFPM電機的3、5、9、17次諧波含量多，而RFPM電機比AFPM電機的7、11、13、19次諧波含量多。由式(1)計算可得，AFPM與RFPM電機電壓波形總諧波失真率THD分別為3.91%與5.55%，AFPM電機諧波含量較少，THD較小；AFPM電機比RFPM電機的空載反電動勢波形正弦性好。
展開 PMSM電機結構及控制原理
用于估計角度的第一種無傳感器方法基于電動機在旋轉過程中產生反電動勢的特性。電機反電動勢包含有關轉子位置的信息，因此，通過計算靜止坐標系中的反電動勢值，可以計算出轉子的位置。但轉子不旋轉時，反電動勢不存在，且低速時反電動勢幅值小，難以與噪聲區分，因此該方法不適用于低速下電機轉子位置的確定。
無傳感器啟動 PMSM 有兩種常用技術：
從標量方法開始 - 從電壓對頻率的預定特性開始。但是標量控制嚴重限制了控制系統的能力和整個電驅動的參數；
高頻信號注入方法 – 僅適用于凸極 PMSM。
標量啟動無轉子位置傳感器永磁同步電機的磁場定向控制
目前，只有具有凸極轉子的電機才能在全速范圍內對 PMSM 進行無傳感器磁場定向控制。
【免責聲明】本文部分資料摘自網絡平臺，版權歸原作者所有，僅用于技術分享與交流，非商業用途！若有涉及版權等請告知，將及時修訂刪除，謝謝大家的關注！
展開 【設計】混合式磁鋼轉子結構的電動車用永磁磁阻電機優化設計
圖3 混合磁鋼轉子電機與原電機性能參數對比
(a) HM2
(b) HM3
圖4 混合式磁鋼電機HM2和HM3平均轉矩
兩種混合式磁鋼電機轉矩脈動分別為26.8%和27.88%，與原電機26.04%相比，略有上升，推測是由于反電動勢中諧波含量過高導致。圖5和圖6就分別提取兩種電機空載反電動勢波形并對其進行了諧波分析。
圖5 混合式磁鋼電機HM2空載反電動勢及諧波
圖6 混合式磁鋼電機HM3空載反電動勢及諧波
HM2和HM3空載反電動勢基波幅值分別為103.6 V和91.54 V，與原電機HM1空載反電動勢164 V相比，有大幅降低，對反電動勢波形進行傅里葉分析得到其THD，HM2和HM3分別達到了24.84%和32.37%，諧波含量較高，與電機轉矩脈動較大現象相對應，其中主要以3次諧波為主，占各自基波的比例為22.4%和30.27%。
齒槽轉矩大小與電機永磁磁場強度有關，隨著永磁材料的改變，磁場強度也發生了變化，電機齒槽轉矩有不同程度的降低。
展開 三相永磁同步電機故障診斷與分析
永磁同步電機在設計時，通常會把空載反電動勢E0設置在一個合理的范圍，以便節省永磁材料、提高功率因素和電機效率。電機制成后，也可以通過調節供電電壓來調節無功功率和功率因素。而當電機負載轉矩不變即輸出功率不變時，不計輸入電壓和空載反電動勢E0變化引起的定子鐵耗和附加損耗的變化，則電磁功率也不變。當供電電壓不變時，為保證電磁功率不變，永磁體發生失磁故障后，E0將會減小，隨之而來的就是功角和電樞電流的增大，實際上，隨著電機不可逆失磁的產生，電機的鐵損和銅損都會增加，電機效率會明顯下降。
永磁體發生失磁有可能是局部的，也有可能是均勻的。為了模擬電機發生失磁故障狀態，將電機的每一個瓦片形磁極任意分為A、B、C、D、E共5塊大小不等的小磁極，將不同磁感應強度大小的永磁材料分配給每一塊小區域，用以模擬失磁故障的發生。
圖11 永磁體分塊情況
表2 模擬失磁故障永磁材料添加情況
圖12 發生失磁故障III時磁密云分布
表3 失磁故障對電機參數性能的影響
通過表3可以分析電機失磁后的感應電動勢幅值、頻譜以及其它參數的變化。從正常和故障情況下電機的空載特性對比來看，當電機空載運行時，不可逆失磁發生的位置及失磁程度不相同時，空載反電動勢的幅值E0在失磁故障狀態下都是減少的，同時進一步分析得到隨著故障程度的增加，反電勢的正弦總諧波畸變率THD有所增加。但因磁極仍然對稱，且采用分布短矩繞組，電勢波形仍然保持較好的正弦性。對于額定負載狀態下失磁故障對電機參數性能的影響，通過有限元結果可以看出，電機產生不可逆退磁后，除電機的空載反電動勢E0減小外，其它參數包括定子電流、電機損耗以及功角都增加，電機的效率和穩定性都有所下降。
4 結語
本文分析了永磁同步電機的各類常見故障的工況的發生，為永磁同步電機的早期和實時故障診斷提供了一定的理論依據和思路。
展開 
電動汽車無刷直流 （BLDC）電機驅動模型
電機參數選擇
（1）反電動勢的定義
BLDC 電機轉動時，每個繞組都會產生叫做反電動勢（反電動勢）的電壓，根據楞次定律，其方向與提供給繞組的主電壓相反。這一反電動勢的極性與勵磁電壓相反。反電動勢主要取決于三個因素：轉子角速度、轉子磁體產生的磁場和定子繞組的匝數。
公式 1：反電動勢 =(E) ∝ NlrBω 其中：N 是每相繞組的匝數，l 是轉子的長度，r 是轉子的內徑，B 是轉子磁場密度，ω是電機的角速度。
（2）峰值轉矩（TP）要求
該應用所需的峰值（或者說最大值）轉矩可以通過將負載轉矩（TL）、慣性轉矩（TJ）和克服摩擦所需的轉矩（TF）相加得到。還有一些因素會對峰值轉矩的總體要求有影響。例如，氣隙中的空氣電阻造成的風阻損失。考慮因素的具體影響是很復雜的。因此，經驗告訴我們，計算轉矩時要留出 20% 的安全裕度。
公式 2：TP = (TL + TJ + TF) *1.2，慣性轉矩（TJ）是將負載從靜止加速，或者從低速加速到高速所需的轉矩。這可以通過將包括轉矩慣量在內的負載慣量和負載加速度相乘而算出。
公式 3：TJ = (JL + M) * α ，其中：JL+ M 是負載與轉子慣量之和，α 是所需加速度。連接到電機軸上的機械系統決定了負載轉矩和摩擦轉矩。
RMS 轉矩要求 （TRMS）
均方根 （Root MeanSquare， RMS）轉矩可粗略地理解為該應用所需的平均連續轉矩。這取決于許多因素。峰值轉矩（TP）、負載轉矩 （TL）、慣性轉矩 （TJ）、 摩擦轉矩 （TF）和加速、減速及起動次數。以下公式給出了典型應用所需的 RMS 轉矩，其中 TA 是 加速時間， TR 是起動時間，而 TD 是減速時間。
展開 步進電機：雙極接線和單極接線有什么區別？
另外，還可以減小在線圈中產生的反電動勢，所以可以使用耐壓較低的電機驅動器。
單極連接
如圖所示，單極連接具有一個中心抽頭，采用電流在一個繞組中始終沿固定方向流動的驅動方式（單極驅動）。雖然步進電機的結構較為復雜，但是由于僅需要電流ON/OFF的控制，因此步進電機的驅動電路較簡單。不過，其繞組的利用率較差，與雙極連接相比只能獲得約一半的輸出轉矩。另外，由于電流ON/OFF時會在線圈中產生很高的反電動勢，所以需要使用高耐壓的電機驅動器。
關鍵要點
雙極連接
采用電流在一個繞組中雙向流動的驅動方式（雙極驅動）。
結構簡單，但步進電機的驅動電路復雜。
繞組利用率好，且可以進行精細的控制，因此步進電機能夠獲得很高的輸出轉矩。
可以減小在線圈中產生的反電動勢，因此可以使用耐壓低的電機驅動器。
展開 永磁同步電動機不同轉子結構的性能研究
表2 不同轉子方案計算結果對比
為了更好地分析問題，我們將計算結果進一步對比，分別計算單位體積磁鋼能產生的功率和反電動勢系數值，具體結果如表3所示。
表3 單位體積磁鋼性能對比
從表3可以看出，對于凸極比接近的方案1和方案5，方案1的指標明顯不如方案5。再從方案2、方案3和方案4對比來看，凸極比小于1的轉子相對凸極比大于1的轉子明顯沒有優勢；相反，凸極比大于1的轉子結構有轉子材料利用率高的優勢。
綜合比較：
凸極比最優前三方案排序：方案4>方案5≥方案1；
單位體積磁鋼材料利用率最優前三方案排序：方案3>方案5>方案4；
轉矩、功率最大前三方案排序：方案4>方案1>方案5；
線反電動勢磁鋼體積比前三方案排序：方案3>方案5>方案4；
綜上，根據大數據計權排名原則，方案4無論是功率密度還是轉矩密度都有競爭優勢，其單位體積磁鋼產生的反電動勢系數值也較高，是5種方案中最優方案之一。
從本文的分析過程中可以發現，在相同條件下，對于內置式永磁同步電動機，提高每極磁通、提高凸極比仍然是提高功率、轉矩密度的首要手段。
從本文的分析過程中可以發現，永磁同步電動機在提高性能的同時，兼顧成本控制問題仍是高性能永磁電機繞不過去的彎，性能成本兼優的電機才是市場的必然選擇。
永磁同步電動機與控制密切相關，永磁同步電動機及其控制共同組成工業自動化驅動系統。在永磁同步電動機優化過程中，需綜合考慮控制策略，比如最大轉矩電流比控制、弱磁控制、最大效率控制等。
展開 Maxwell電動汽車的驅動電機電磁方案分析
圖3 電磁結構圖
3 驅動電機空載分析
空載分析主要得到僅在磁鋼作用產生的磁場結果，這里重點關注徑向磁場波形及諧波結果，另外反電動勢波形及諧波情況也是重點關注之一。
空載反電動勢
空載反電動勢FFT
空載磁鏈F
空載漏磁系數（不考慮2D的）
氣隙磁密
氣隙磁密FFT
空載磁力線云圖
空載磁場強度云圖
空載磁場密度云圖
4 驅動電機額定負載分析
實際驅動電機有好多工作點，我們一般設定一工作點作為它的額定工況，我們分析額定工況即額定負載。
