如何使用Matlab脚本绘制电机外特性曲线

文摘   2024-11-03 07:46   上海  

本文来自知乎 Erick-Chiang, 欢迎关注作者。

1 引言

1)电机外特性曲线‌是什么?

电机外特性曲线‌是指在电机全负荷运行时,‌功率或‌转矩随转速变化的曲线。
对于‌电机,随着转速的提升,功率逐渐增大,但在某个转速点会达到最大功率,此区域称为‌恒转矩区;而在转速超过该点后,转矩保持不变,称为‌恒功率区,如下所示:

source: 增程式混合动力洗扫车能量管理策略研究

2)电机外特性曲线‌有什么用?
可以帮助用户快速了解电机性能,进而更好的挑选合适自己使用的电机型号,另外新能源汽车电机设计出来之后,往往设计师只有理论设计值,比如理论上可以出多大扭矩,多大功率,但实际达到的效果还是要上测功机去做实验。
在电机设计阶段,外特性曲线可以帮助设计人员优化电机的各项参数,如绕组设计、磁路结构等,以提高电机的整体性能。例如,通过调整电机的绕组匝数,可以在特定转速范围内获得更高的转矩输出。
电机外特性曲线还可以用于故障诊断。通过对比实际运行数据和标准曲线,可以发现电机是否存在异常。例如,如果实际转矩明显低于标准曲线,可能表明电机存在故障或磨损。

二 电机外特性曲线绘制的详细步骤


前面也讲过,电机外特性曲线就是功率或‌转矩随转速变化的曲线,那么其实很简单,转速(Rpm)就是自变量X,功率(kW)就是因变量Y1,转矩(N.m)就是因变量Y2。

步骤1:记录标定好数据的转速(Rpm)、功率(kW)、转矩(N.m)点,如下所示:

图1 转速、功率以及转矩数据点
步骤2:在matlab中的工作区(workspace)中创建三个变量
具体描述为:在工作区(workspace)中单击鼠标右键,点击“新建”,创建三个变量如下所示:

图1 转速

图2 功率

图3 扭矩
  • 步骤3:在matlab中的新建脚本,编写绘制图形的代码

图4 新建脚本
figure; % 创建一个新图形窗口
plot(Rpm, Torque, 'r-'); % 绘制第1组数据
yyaxis left %因为有两个纵轴,一左一右都需要显示并且表示出物理意义
ylabel('扭矩:N.m');
hold on; %因为有两条曲线,所以画完一条曲线后,需要用这条语句,在原先的图上再画一条
plot(Rpm, P, 'b--');
yyaxis right %
grid on;
ylim([0 200])
%%
xlabel('转速:Rpm'); % x轴标签
ylabel('功率:kW'); % y轴标签
title('XXX电机外特性曲线'); % 图标题

绘制的外特性曲线如下所示:

图5 绘制的外特性曲线

有时候甚至要画低电压、额定电压、高电压的三条曲线,如下:

图6 三个电压下的绘制的外特性曲线

三 结语

在本文中,我们详细介绍了如何使用Matlab脚本绘制电机外特性曲线的过程。展示了电机在不同条件下的电压、功率、扭矩及转速之间的动态关系,探讨了如何有效利用Matlab强大的数据处理和图形绘制功能来直观展示这些特性。
希望大家不仅能够掌握编写Matlab脚本的基本技巧,还能深入理解电机外特性曲线的物理意义及其在工程应用中的重要性。电机外特性曲线不仅是电机性能评估的关键指标,也是电机选型、控制系统设计以及故障诊断等工程实践中不可或缺的工具。希望本文能够对大家的学习和研究工作有所帮助,并激发更多关于电机及自动化控制领域的探索与创新。

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最后附上Chatgpt(知乎直达)的答案:使用Matlab脚本绘制电机外特性曲线,具体步骤:

1. 准备数据

首先,需要准备电机在不同转速下的功率和转矩数据。这些数据可以通过实验获得,也可以从已有文献或数据集中提取。

2. 创建变量

在Matlab的工作区中创建三个变量,分别存储转速(Rpm)、功率(kW)和转矩(N.m)的数据。

步骤1:记录数据

假设你已经有一组数据如下:
MATLAB
复制代码


Rpm = [0, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000]; % 转速 (单位: rpm)
Torque = [0, 50, 100, 150, 200, 250]; % 转矩 (单位: N.m)
Power = [0, 10, 20, 30, 40, 50]; % 功率 (单位: kW)


3. 编写绘制图形的代码

在Matlab中新建一个脚本文件,编写绘制图形的代码。
步骤2:绘制图形
MATLAB
复制代码


% 创建一个新的图形窗口
figure;

% 绘制转矩随转速变化的曲线
plot(Rpm, Torque, 'r-'); % 使用红色实线
ylabel('扭矩 (N.m)'); % 设置左侧y轴标签

% 添加第二个y轴
yyaxis right;
plot(Rpm, Power, 'b--'); % 使用蓝色虚线
ylabel('功率 (kW)'); % 设置右侧y轴标签

% 其他设置
xlabel('转速 (rpm)'); % 设置x轴标签
title('电机外特性曲线'); % 设置图标题
grid on; % 显示网格
ylim([0 250]); % 设置y轴范围


4. 运行脚本

保存并运行脚本文件,Matlab将生成电机外特性曲线图。

5. 多条曲线绘制

如果需要绘制不同条件下的多条曲线(例如,不同电压下的曲线),可以重复上述步骤,添加更多的 plot 语句。

示例:绘制三条不同电压下的曲线

MATLAB
复制代码


% 创建一个新的图形窗口
figure;

% 绘制低电压下的曲线
plot(Rpm, Torque_low, 'r-', 'DisplayName', '低电压');
hold on;

% 绘制额定电压下的曲线
plot(Rpm, Torque_nominal, 'b--', 'DisplayName', '额定电压');

% 绘制高电压下的曲线
plot(Rpm, Torque_high, 'g:', 'DisplayName', '高电压');

% 添加第二个y轴
yyaxis right;
plot(Rpm, Power_low, 'r-');
plot(Rpm, Power_nominal, 'b--');
plot(Rpm, Power_high, 'g:');

% 其他设置
xlabel('转速 (rpm)');
ylabel('扭矩 (N.m)');
title('不同电压下的电机外特性曲线');
grid on;
ylim([0 250]);
legend; % 显示图例


6. 曲线拟合

如果需要对数据进行拟合,可以使用Matlab的多项式拟合函数 polyfit 和 polyval。

示例:多项式拟合

MATLAB
复制代码


% 进行多项式拟合
p = polyfit(Rpm, Torque, 3); % 三次多项式拟合
Torque_fit = polyval(p, Rpm);

% 绘制拟合曲线
figure;
plot(Rpm, Torque, 'ro', 'DisplayName', '原始数据');
hold on;
plot(Rpm, Torque_fit, 'b-', 'DisplayName', '拟合曲线');
xlabel('转速 (rpm)');
ylabel('扭矩 (N.m)');
title('电机外特性曲线拟合');
grid on;
legend;


7. 使用Curve Fitting Tool

Matlab还提供了图形化的Curve Fitting Tool,可以更方便地进行数据拟合。

步骤1:打开Curve Fitting Tool

MATLAB
复制代码


cftool


步骤2:导入数据

在Curve Fitting Tool中,选择X Data和Y Data,分别导入转速和转矩数据。

步骤3:选择拟合方法

选择合适的拟合方法,例如多项式拟合,设置拟合阶数。

步骤4:查看拟合结果

工具会自动拟合数据,并显示拟合曲线和拟合参数。

8 总结

通过以上步骤,你可以使用Matlab脚本绘制电机外特性曲线,并进行数据拟合。这些曲线不仅可以帮助你更好地了解电机的性能,还可以用于电机选型、控制系统设计和故障诊断等工程实践。希望这些步骤对你有所帮助。

谦益行
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