浅谈如何选用适配的测功机

徐广法
（上海广法测控科技有限公司   上海  201502）

　　摘要：针对电机功率特点，对如何选用适配的测功机做介绍，从最高转速、******扭矩、运行功率、测试精度、灵敏度和分辨率等参数选择入手，提出并解决测试期间易出现的问题，确保最终测试数据正确有效。
　　关键词：电机效率；测功机原理；转速；扭矩
　　中图分类号： TM930.8           文献标识码：A             文章编号：

Brief Discussion on Appropriate Dynamometers Selection
Xu Guangfa
(Shanghai Guangfa Measurement and Control Technology Co., Ltd., 201502 Shanghai)
Abstract: In view of the characteristics of motor power, this paper introduces how to select appropriate dynamometers. Starting with the selection of parameters such as maximum speed, maximum torque, operating power, test accuracy, sensitivity and resolution, it puts forward and solves the problems that are easy to occur during the test to ensure the correctness and validity of the final test data.
Key words: Motor efficiency; Dynamometer principle; Speed; Torque

收稿日期：
作者介绍：徐广法（1981—）学历：中专 职称： 主要从事测功机全职工作

 

0  引言
　　依据JB/T 6744-2013《小功率电动机试验用测功机通用技术条件》定义，测功机是指能产生制动转矩且带有转矩转速指示器的测量装置。每一种测功机都有它的优势和限制，每一台测功机都有其固定的******的测试范围，超出******测试范围，就会导致测试数据偏差较大，严重者甚至可能损坏测试设备，所以必须根据实际的测试要求来选择合适的测功机。本文结合实践经验提出测功机选用时的注意事项。

1  概述

　　通过调整施加在制动器的励磁线圈电压以达到控制制动力矩大小的目的，将安装在转子上的光栅盘配合光电传感器获得的脉冲信号，以及安装在底板上的力矩传感器获得的定子因制动而产生的反作用力模拟信号同步采集，进行运算处理，连同电参数的测量数据绘制被测电机或被测电动工具的性能曲线图，即是测功机系统。如该系统对一般常见错误或误操作进行主动防范，且测试精度高，即被定义为智能测功机系统。
常见的制动器种类有磁滞制动器、磁粉制动器和涡流制动器，较适用于5 W~5 000W小功率电机测试或电动工具产品测试。
2  选配要点
2.1  最高转速
　　测功机所能承受的最高转速是选配时的重要性能指标，超出转速限值或可出现性能衰退、加速老化现象，甚至造成不可修复的致命损坏。主要表现在轴承烧死、空心杯转子甩裂、磁粉退磁等。这就要求按被试品的转速高低来选择并确定测功机的类型，以确保其空载转速处于测功机的安全转速范围内，且低于测功机最高转速。
　　一般而言，高速（经验认为空载转速8 000 r/min及以上）被试品宜采用涡流测功机测试，中高速（经验认为空载转速800 r/min~15 000 r/min）被试品宜采用磁滞测功机测试，低速（经验认为空载转速1 000 r/min以下）被试品宜采用磁粉测功机测试。
　　三种测功机的测试范围存在着一定程度的交叉和重叠，选择时可综合兼顾输出功率、转矩、价格、后续发展、使用频率等多方面加以考虑。应注意：在最高转速时，测功机通常并不能输出******转矩。
2.2  ******转矩  
　　转矩传感器是一个附带传感信号且可恢复的弹簧片，形变的大小反映转矩的大小。通常在测功机的转矩量程范围内，传感器可自由变形及恢复，若出现严重超载、强烈震动、猛烈冲击等现象，传感器亦会造成损坏。转矩传感器一般只能更换不能维修。在GB/T9651-2008《单相异步电动机试验方法》的4.2.2章节中明确提出：“选择仪表时，应使测量值位于20%~95%仪表量程范围内”以及“转矩测量仪的标称转矩，应不超过被试电机额定转矩的3倍”。在进行测功机的选配时，应预先估算被试品的******转矩范围，部分公式及经验值如下：
  1）输出功率公式：P2=n×T/9.55      
  2）效率公式：η=Po/Pi×100 %        
  3）效率经验值：串励电机：＜6 5%   罩极电机：＜30 %   非特殊情况下
  4）估算感应电机******转矩：Tmax=(Po×9.55)/(no×0.9)×2倍  
  5）估算串激电机******转矩：Tmax=(Pi×η×9.55)/(no×0.6)×2倍 
  6）估算直流电机******转矩：Tmax=(U×I×η×9.55)/(no×0.5)×2倍
2.3  运行功率
　　运行功率即测功机能够承受吸收的******功率及测功机对于被试品加载时发出的热量。测功机吸收的功率和加载后发出的热量由施加给被试品的扭力（T）和受到负载后被试品的转速(n)所产生。由此可见，被试品的输出功率应小于测功机的运行功率，否则将因热量迭加给测功机造成致命且不可修复的损坏。
　　运行功率可分为短时（5 min）运行功率和连续（2 h）运行功率。通常，短时运行功率大于连续运行功率。测功机的散热能力直接决定了其持续加载时间的长短，散热方式的不同决定了运行功率大小，因此，功率较大（超过500 W）的电机在选择测功机时，应考虑相应的辅助冷却方式，如风冷、循环水冷、压缩气体冷却和鼓风机冷却等。
2.4  测试精度
　　测试精度即观测结果、计算值或估计值与真值（或被认为是真值）之间的接近程度，常用精度为 2.5 、1.5、1.0 级，高精度为0.5和0.2级。测试仪器的精度等级以其允许误差占表盘刻度值（量程满度）百分比划分，精度等级数越大，允许误差占表盘刻度极限值（量程满度）越大；量程越大，同样精度等级测得数据值的绝对值允许误差越大。
　　在选择测功机或其它仪器仪表时，应尽可能选择高精度，且量程满度不宜大幅超过被测品的******转矩。在2012年11月01日实施的GB/T1032-2012《三相异步电动机试验方法GB-T1032-2012》4.3.2.2章节要求：测定电机效率时，为保证试验结果的准确性和重复性，仪器的准确度等级应不低于0.2级；4.3.5.1章节要求：转速测量仪的准确度应在0.1%以内或误差在1r/min，取二者误差最小者；4.3.6.1章节要求：测量效率时转矩传感器及测量仪的精准度等级不低于0.2级，用于其它试验时应不低于0.5级；4.3.6.2章节要求：转矩传感器及测量仪的标称转矩应不超过被试电机额定转矩的2倍。
　　由此可见，一些实验室在相关测试中使用0.5%F.S.精度的测功机测试电机或电动工具能效，是不能满足相关标准要求的。
2.5  灵敏度和分辨率
　　在测试过程中，反映被测品转矩波动并能引起读数变化的最小转矩读数值即为测功机的转矩灵敏度，灵敏度越高，测试数据越精准。GB/T 1032-2012《三相异步电动机试验方法》4.3.6.1章节要求：转矩变化的灵敏度达到额定转矩的0.25 %。
　　以额定转矩为3 N•m的电机为例，通常选用5 N•m的测功机加以测试。按照上述国标要求，5 N•m测功机最小显示数值应为：3 N•m×0.25 %=0.00 75 N•m。如5 N•m测功机显示5.00 N•m是不符合规范的，应至少为5.000 N•m或以上才可满足国标的最低要求，同时又能******限度地保证测试精度。
　　对于高速电机而言，较小的转矩变化即可改变电机输出功率读数，以至最终的效率计算值出现较大偏差。同样，转速的最小分辨率也是影响效率失真的因素。在较大转矩时，1 r/min的转速变化都可引发功率数值偏差，所以转速的分辨率也应扩展至小数点后两位或更多。
3  测试中应注意的问题
3.1  对中操作和工装夹具
　　电机测试数据的测取是否准确，除了与测功机本身的性能相关之外，较大程度还受到测试中操作人员的具体操作限制。使用专用测试夹具是最好选择，但各个制造商的电机或电动工具品类繁多，全部实现专用夹具在实际操作中并不现实，所以要求操作人员具有足够的夹装经验。如尽量使用设计的安装孔固定，尽量压紧较为结实的金属部分，尽量选择不导磁的材料与电机接触，尽量缩短联轴节锁紧螺丝以防出现离心力等等。
3.2  去除剩磁
　　剩磁现象仅存在于磁滞测功机出现堵转的情况下，常见于罩极电机，此类电机起动力矩小，一旦进行了堵转试验，再次启动较难。去除剩磁方式有很多，如用力转动测功机轴芯、施加反向低电压、尽量规避堵转等，在控制电路中增加智能反向电压自动去磁也得到了实际应用。
3.3  调零和校正
　　测功机是电子元件和机械机构的合成体，在正常使用过程中，受温度变化、轴承磨合以及电子部分工作点漂移等因素累积，零位点易偏离正常值。另外，在持续的加载后，力矩传感器弹性丧失或减弱，测功机左、右满度也可发生偏移。因此，定期校正对于取得精准的测试数据尤为重要，应使用专用砝码和平衡杆，搭配结实、轻质软线，不可使用铁丝、电线或漆皮线。挂砝码时须沿平衡杆外圆垂直挂下，不可侧挂、骑挂等。此外，校正前需预留适当的预热时间。
3.4  注意细节
　　测功机出现水冷循环装置故障时，不可随意选用流量更大的水泵；测功机机头部位水管影响力矩大小应妥善保护；鼓风机气管不可被干涉；磁性物体远离测功机机头；测功机机轴不可采用砂纸打磨；轴承不得随意添加黄油；应注意水泵或鼓风机是否存在振动现象从而影响测试数据。
4  结语
　　综上，对于电机或电动工具产品制造商相关测试人员而言，全面了解不同类型的测功机特性及相应性能，有助于规避在实际应用中的错误操作，******程度减小仪器故障或损害，同时，确保相关测试数据的真实有效性。