現代轉矩轉速傳感器在電機能效測試應用中的技術

唐海松，　陳亦新，　倪立新

(1. 上海理工大學，上海　200093；

2. 上海電器科學研究所[集團]有限公司，上海　200063)

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現代轉矩轉速傳感器在電機能效測試應用中的技術

唐海松1，陳亦新2，倪立新2

(1. 上海理工大學，上海200093；

2. 上海電器科學研究所[集團]有限公司，上海200063)

摘要：主要研究如何運用HBM高精度轉矩轉速傳感器來測量電機的效率。介紹了轉矩轉速的測量原理，轉矩轉速傳感器的工裝方法及其數據采集系統。結合具體實例，得出了現代高精度轉矩轉速傳感器在不確定度、抗干擾等方面的優勢等結論。

關鍵詞:傳感器； 轉矩； 轉速； 電機； 效率； 測量

0引言

高效三相異步電動機的推廣和應用，受到全世界的高度關注，而三相異步電動機效率的準確測量，也同樣受到全世界電機檢測技術領域的高度重視。按照IEC 60034-2標準以及世界公認的三相異步電動機效率檢測方法，是采用低不確定度B法，即測量輸入-輸出功率的損耗分析法。此測試方法中的核心檢測裝置是電功率測量儀和測功機，而隨著電子技術、材料技術以及信息技術的高速發展，測量電機軸輸出功率用的測功機，現在已廣泛采用轉矩-轉速傳感器系統，尤其是大功率電機效率檢測都采用這種測量系統，其核心就是轉矩-轉速傳感器。

1國際標準推薦三相異步電動機采用低不確定度效率測量方法的分析

1.1電機效率的計算方法

電機效率，就是以同一單位表示的輸出功率P2與輸入功率P1的比值，用百分數表示。當已知輸入功率P1，總損耗PT和輸出功率P2中三個變量中的兩個，就能求出電機效率η(%)，具體關系如下：

(1)

P2=P1-PT

(2)

由以上兩式可以得到電機效率的第二種表示方法：

(3)

對高效電機的效率，目前普遍采用輸入輸出功率的損耗分析法，即B法進行測試。此試驗方法主要依據標準IEC60034-2-1、IEEE112以及GB 1032。該測試方法的核心是對測量輸出功率的轉矩轉速傳感器的精度要求高。

轉矩轉速與功率之間的關系如表1所示。

表1　轉矩轉速與功率之間的關系

1.2電機效率B法測試的機理

GB/T 1032—2012中所述B法是一種結合了A法和E法的綜合試驗方法，相比A法和E法，其試驗原理更加科學、合理，測試結果更加準確。

電機B法試驗主要包括額定負載熱試驗、負載特性試驗和空載試驗等。[1]介紹B法之前有必要先分析介紹A法和E法。

優點： 計算簡便。

缺點： 對轉矩測試的精度要求高。

E法和E1法是“損耗分析法”，不需要安裝轉矩傳感器。試驗時測取被試電機的輸入電量及轉速。通過各種方式求取被試電機的損耗，比如： 空載試驗→PFe、Pfw；負載試驗→Pcu1、Pcu2；PS是根據電機反轉法(E法)或推薦值法(E1法)求得。將P1-ΣP，推算出P2。

優點： 安裝方便，對設備要求低。

缺點： 不確定度高。

B法綜合了上述兩種試驗的特點，整個試驗計算過程可以分為2個部分： 修正前和修正后，這里的“修正”是指對雜散損耗PS的修正。修正前的試驗計算過程，相當于A法，根據轉矩轉速傳感器測得的電機軸頭輸出機械能，推算出被試電機的輸出功率Pmech。依據P1、Pcu1、Pcu2、PFe、Pfw，計算得到剩余損耗PL，并作PL=f(T2)一次曲線： PL=AT2+B。通過該曲線上PL值的位置分布及截距B，可分析出本次試驗的結果準確性。PL線性越好，相關系數越接近1，則試驗結果越準確。PL存在跳點現象，則相關系數小。當相關系數<0.95，則可認為本次試驗中的讀數已存在失真，試驗無效。此外，截距B值越小，則試驗的結果越準確。

B法試驗中認為，當電機沒有轉矩輸出時，不存在負載雜散損耗。故將PL曲線中的截距值去除后，得到新的一次曲線PS=AT2。最后根據試驗時測得的T，代入該一次公式并求得各個負載試驗點相對應的PS值。

修正后部分相當于一個損耗分析法，將被試機的各種損耗折算到基準工作溫度并匯總后，與輸入功率P1相減，得到P2并求得效率η。

優點： 不確定度低；

缺點： 對試驗儀表的精度要求高，計算分析過程比較繁瑣。

如表2所示，各種電機效率測試方法的比較。

表2　電機效率測試方法比較

2以HBM傳感器為典型設備分析

2.1電機轉矩的測量方法

測量轉矩的方法，按照測量原理，可以分為[2]:

(1) 平衡力法，又稱反力法。即利用平衡轉矩M0去平衡被測轉矩M，從而求得M的方法。在此不詳細介紹。

(2) 傳遞法，又稱扭軸法。所謂傳遞法就是根據彈性元件在傳遞扭矩時所產生物理參數的變化(變形、應力或應變)來測量轉矩的方法。它利用彈性體把轉矩先轉換成角位移，再由角位移轉換成電信號輸出來。測量轉矩時彈性元件通常是扭軸。

把扭轉軸連接在驅動源和負載之間，扭轉軸就會產生扭矩，產生的扭矩角為

(4)

式中：φ——扭轉軸的扭轉角；

l——扭轉軸長；

G——扭轉軸材料的切變模量，Pa；

D——扭轉軸直徑；

M——轉矩。

(5)

(6)

(7)

式中：ε——應變片產生的應變量。

當扭轉軸的參數固定時，轉矩對扭轉軸作用時，生產的扭矩角或應力、應變與轉矩成正比例關系。所以，只要測得轉矩轉角或應力、應變，便可以知道轉矩的大小了。

(3) 能量轉換法。能量轉換法就是根據能量守恒定律來測量力矩的一種方法。此處不詳細介紹。

2.2傳統的磁電式傳感器

傳統的磁電式傳感器的檢測元件部分由永久磁鐵、感應線圈和鐵心組成。[3]齒輪的齒頂與磁芯之間有一小的空氣間隙，永久磁鐵產生的磁力線與齒形圓盤鉸鏈，當齒形圓盤旋轉時，圓盤的齒凹凸引起磁路氣隙的變化，從而磁通量也發生了改變，在線圈中感應出交流電動勢。該電壓的頻率就等于圓盤上的齒數與轉數的乘積。當轉軸空載轉動的時候，兩個磁電式傳感器輸出的信號電壓為U1，U2。信號的頻率隨著轉速的變化而變化，但是兩個信號的相位差保持不變，初始相位差ψ0為一常數。當轉軸傳遞轉矩而產生扭矩的變形時，扭矩兩端的信號圓盤產生相對轉角θ，使兩磁電式傳感器的輸出信號電壓在相位上相對的改變了Δψ角度，即產生的附加相位差。此時信號的相位差Δψ與彈性軸的扭矩角θ之間的關系為：

Δφ=Z·θ

(8)

(9)

式中：N——線圈匝數；

磁通量的變化率和轉速n和齒數Z及齒形有關。磁電式傳感器的輸出電壓均方根與信號齒輪的齒頂線速度v成正比例關系，與齒輪同磁芯間隔δ成反比例關系。因此減少與齒輪同磁芯間隔δ可以提高靈敏度。但如果δ過小，因為磁吸引力的影響而產生測量誤差。

這種方法精度可以達到±0.2%。測量精度可以高達±(0.2~0.1)%，轉速分檔達0~1500～6000r/min，測量范圍一般為0.2~100000N·m。這種電磁式傳感器廣泛用于以下場合：

(1) 發動機的臺架試驗；

(2) 電機扭矩及轉速的測量；

(3) 減速機、變壓器扭矩及轉速的測量；

(4) 風機扭矩和轉速的測量；

(5) 各種旋轉機械扭矩和轉速的測試。

2.3電機轉速的測試原理

轉速傳感器按其變換方式分為機械式、電磁式、光電式和頻閃式。按照檢測對象可以分為整合式和非整合式。

下面簡單介紹磁電式傳感器和光電式傳感器。

(1) 磁電式轉速傳感器。主要由永久磁鐵、線圈和磁盤等組成。[3]在永久磁鐵組成的磁路中，如果改變磁阻的大小，則磁通量隨之而改變。磁路通過感應線圈，當磁通量發生突變時，感應出一定幅度的脈沖電動勢，該脈沖電動勢的頻率就等于磁阻變化的頻率。為了使氣隙發生變化，在待測的軸上安裝一個由軟磁材料做成的齒盤。當待測軸轉動時，齒盤也跟隨著轉動，齒盤中的齒和齒間隙交替通過永久磁鐵的磁場，從而磁路的磁阻發生了變化，使得鐵心中的磁通量突變，在線圈內產生一個脈沖電動勢，其頻率跟待測轉軸的轉速成正比。線圈所產生的感應電動勢的頻率f：

(10)

式中：f——頻率，Hz；

n——轉速，r/min；

z——齒輪的齒數。

由式(10)可知，只要測量出頻率f，就可以得到被測的轉速。

(2) 光電式傳感器。主要有直射式光電轉速傳感器、反射式光電轉速傳感器、電渦流式轉速傳感器和霍爾式轉速傳感器。[3]下面就介紹直射式光電轉速傳感器。

直射式光電轉速傳感器由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成的。開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接而成，光源發出的光通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，再將光信號轉換成電信號輸出。開孔圓盤上有很多小孔，開孔圓盤旋轉一周，光敏元件輸出的電脈沖的個數等于圓盤的開孔數，故可通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率得出被測轉速，即：

(11)

式中：n——轉速；

N——圓盤開孔數；

f——脈沖頻率。

2.4傳統與現代的轉矩轉速傳感器比較

傳統的轉速轉矩傳感器是根據磁電轉換和相位差原理制成的，發展到如今的以應變式傳感器為核心的測試系統和工作平臺。其HBM轉矩轉速傳感器具有外形薄、抗橫向力、軸向力和彎矩能力強，允許交替振幅量高，傳感器通過法蘭連接，通過檢測、傳輸、處理、儲存、打印報表于一體，提高了檢測精度與效率，如表3所示。

表3　傳統傳感器與現代傳感器比較

如圖1所示的T10F扭矩法蘭傳感器是第一款扭矩法蘭，采用測量剪應力替代扭矩應力對扭矩進行測量。其緊湊的設計占空間小；高側向的防護允許連接軸直接與法蘭連接，無須其他支撐軸，并且可以承受更高的動態負載；其極高的抗扭剛性消除了扭矩的共振。由于扭矩測量法蘭工作不依據軸承和滑環，因此完全免維護。

圖1　T10F扭矩法蘭傳感器

2.5HBM傳感器的工裝方式

(1) 雙軸懸掛式。圖2所示為雙軸懸掛式結構。其在轉矩轉速傳感器兩側都有軸承結構支撐，輸出軸伸通過聯軸器與被試機及負載機相連。這種結構雖然簡單，但運行穩定性高，結構牢固可靠。

圖2　雙軸懸掛式

(2) 單邊懸掛式。圖3所示為單邊懸掛式結構。其與雙邊懸掛式相比，由雙軸承在兩側支撐傳感器改為軸承座支撐轉軸，將轉矩轉速傳感器安裝在轉軸的一端。這種結構首先易于安裝和拆卸，便于日常的計量和維護工作。其次在這種結構下，支撐軸承產生的機械損耗集中于傳感器一側便于試驗分離，提高了試驗的準確度。

圖3　單邊懸掛式

(3) 法蘭懸掛式。圖4所示為法蘭懸掛式結構。其通過特制的工裝結構將轉矩轉速傳感器安裝在負載機的傳動軸上，傳感器再通過聯軸器與被試機柔性連接。該結構極大簡化了安裝的工作量，無需特制的軸承底座，不僅減少了工裝成本和安裝空間，還減少了由于軸承損耗而產生的設備不穩定性。將負載機改裝成測功機，無軸承產生的機械損耗更進一步提升了試驗結果的準確度。該連接方式已經被各大試驗室廣泛采用。

圖4　法蘭懸掛式1

2.6以HBM新型傳感器為例的電機測試系統

2.6.1測試系統原理圖

電機測試系統圖如圖5所示。電參數的測量直接經過Norma 5000傳到PC機，而被試機通過T-n傳感器，再經過MP01和MP60的數據采集輸入到PC機。T-n傳感器的另一端則連接到負載電機上。

圖5　電機測試系統圖

2.6.2HBM傳感器的數據采集

HBM轉矩轉速傳感器主要通過與HBM PME工業放大器、MGCplus性能高，可升級并可配置的數據采集系統、QuantumX數據采集系統與PMXHE數據采集和控制系統和NORMA 5000電參數儀的組合等數據采集系統連接，從而實現對電機轉速和轉矩采集。

3檢測實例及數據分析

以一臺7.5kW 4極三相異步電動機，進行負載特性及效率測試為例，測試數據整理如表4所示，電機各負載點各項損耗及效率分析計算如表5所示。

表4　實測數據

注:Pfw=31.82W；相關系數： 0.9978；斜率： 0.0318；截距： 5.543

表5　電機各負載點各項損耗及效率分析計算

注:RN=0.9989Ω；θw(℃)=78.2℃;Rs=1.0012Ω;Θs=78.9℃

4技術展望

4.1功能多樣化

在傳統測量系統中由于技術的限制，各臺儀器設備的測量對象是單一的。基于電參數測量儀能夠采集特定模式的轉矩轉速信號，目前的測試系統已經能夠簡化。將來的測試系統基于傳感器技術的提升，將進一步擴展測量功能的整合。在簡化操作的同時，保持大量數據采樣的同步性，并且為后續繼續發展打下基礎。

4.2測量及控制的網絡化

由于測量系統已經具有完善的通信功能，在高速網絡平臺的支持下，可將測量系統采集到的大量數據信息，通過網絡平臺即時發布。設計一個通信軟件平臺，注冊的用戶可根據自己帳號被授權的等級，登錄到不同的界面。在不同的地點，同時獲得授權范圍內的即時的采樣結果，甚至通過網絡，對試驗系統進行參數設置和維護。

4.3便攜式試驗平臺

基于測試系統對測量功能的高度整合，可以將試驗系統、視頻攝像系統、通信控制系統整合在一個旅行箱內。現場試驗時，只要將經檢查過的便攜式試驗平臺發送到試驗現場，由現場工作人員對測量單元、攝像頭、通信系統進行快速組裝。認證人員只需在遠程，登陸通信軟件平臺檢查現場試驗采樣數據信息，通過在指定位置安裝的攝像頭監視現場情況，隨時指揮現場工作人員的試驗進程。這樣即可大大縮短試驗周期，同時避免了現場試驗條件各不相同的情況。

【參 考 文 獻】

[1]GB/T 1032—2012三相異步電動機試驗方法[S].2012.

[2]武建文，李德成.電機現代測試技術[M].北京： 機械工業出版社，2005.

[3]陶紅艷，余成波.傳感器與現代檢測技術[M].北京： 清華大學出版社，2008.

Modern Torque and Speed Sensor in the

Application of Motor Efficiency Test

TANGHaisong1，CHENYixin2，NILixin

(1. University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai, 200093, China;

2. Shanghai Electrical Appliance Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

Abstract：Mainly studied how to measure the efficiency of the motor by using the HBM high precision torque and speed sensor. The principle of measurement in torque and speed were Introduced. Besides， the ways of fixing the torque and rotational speed sensor and data acquisition system were also covered. Comparing with the traditional torque and speed sensor， the HBM high precision torque and speed sensor takes advantage in low uncertainty level， anti-interference and so on through the motor testing.

Key words：sensor； torque； speed； motors； efficiency； measurement； low uncertainty

收稿日期：2015-12-11

中圖分類號：TM 306

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)01- 0095- 06

作者簡介：唐海松(1989—)，碩士研究生，研究方向為電力電子和電機檢測技術。