一種新型電機效率測量方法

林志琦， 王潔涵， 李 超

(長春工業大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

無刷直流電機具有體積小、效率高、功率大、壽命長的優點，因此在很多場合都有應用[1]。電廠發出的電能很大一部分都是通過電機使用的，而且如果電機使用的是外部儲蓄電池的能量,就更加迫切的要求其具有較高的效率，以減少不必要的損耗用來提高儲蓄電池的續航能力，所以,電機工作效率的提高具有非常重要的現實意義。

效率是電機的一個重要性能指標，電機在高速運行時所產生的損耗大小決定了效率的高低，損耗越大，效率就越低[2]。因此,對轉速—效率及轉矩—效率之間的關系進行分析具有很重要的意義。

轉矩是旋轉設備的重要參數之一，轉矩的測量方法可以分為平衡力法、能量轉換法和傳遞法[3]。平衡力法是通過外加已知的與被測轉矩方向相反的轉矩，當傳動軸靜止或勻速轉動時，外加轉矩與被測轉矩相等，這種方法簡單，但必須通過另外一種方法測量外加的轉矩或力及力臂，這樣會對測量引入一定的累計誤差[4-6]。能量轉換法則是一種間接測量方法，根據對應于轉矩大小而變化的其他能量參數來測試轉矩的方法是通過能量守恒的原理間接測量轉矩，不易實現。傳遞法是根據彈性元件在傳遞轉矩時所產生的變形、應力或應變來測試轉矩的方法，變化的參數可以是變形、應力或應變等，它所產生的應變可以引起貼在表面的電阻應變片阻值的變化而形成應變型轉矩傳感器。電機主軸旋轉時，將轉矩傳遞到扭軸上，扭軸上所產生的應變通過轉矩傳感器的電阻應變片轉換成相應的電信號，該信號通過處理后送顯示器顯示轉矩數值。所以,文中采用傳遞法中的一種即電子秤測量轉矩法來實現對轉矩的測量和分析，通過電阻應變橋實現相應的轉矩測量，這種測量方法使用方便、精度高、易于集成，是一種新型的測量方法。

1 電機的特性參數測量

1.1 無刷直流電機輸入功率的測量

理論上無刷直流電機的效率定義為

式中：Pout——無刷直流電機的輸出功率;

Pin——無刷直流電機的輸入功率，Pin=UI；

U——外加電壓,V；

I——電樞電流,A。

由此可以看出，無刷直流電機的效率與電機的輸入、輸出功率有關，所以需要對無刷直流電機的輸入、輸出功率進行測量，而輸出功率又由電機的轉速和轉矩決定，從而為了測量電機的輸出功率，又進行了轉矩和轉速的測量，把測量得到的數據通過串口傳送給上位機LabVIEW進行處理和運算，并通過波形圖的形式來顯示相對應的測量結果。

電機工作時所需的電流、電壓由直流穩電源提供，電路中的功率表是基于數據采集芯片TM7705和AD轉換芯片STC12C5604AD平臺的智能儀表[7-8]，TM7705是應用于低頻測量的2/3通道的模擬前端，可以接受直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產生串行的數字輸出[9-10]。因此,實驗中所采用的此種功率表具有采集精度高、響應速度快、運行穩定的優點，并且帶有輸出串口可以和上位機進行數據通信，使用時只需要將功率表串接在電路中就可以測量出電機的輸入功率Pin。

1.2 無刷直流電機輸出功率的測量

無刷直流電機的輸出功率由電機的轉速和轉矩決定，所以需要對電機的轉速和轉矩進行測量，為了測量電機的輸出功率搭建的實驗裝置如圖1所示。

圖1 實物搭建圖

從圖中可以看出,在被測電機的轉動軸上安裝了一個帶槽的轉盤，將電機、兩個電子秤等安裝在一個特制的支架上，掛繩繞在轉盤上。

1.2.1 無刷直流電機轉矩的測量

無刷直流電機轉矩的測量主要通過電子秤來完成，電子秤由電阻應變橋和專業的電子秤芯片HX711組成，電阻應變橋的工作原理如圖2所示。

圖2 電阻應變橋原理圖

電阻應變橋由四個電阻應變片組成，當有力作用時，電阻應變片就會產生相應的收縮或拉伸，這些變化量通過電阻的阻值表現出來，因此電壓U的大小也會隨著變化。如果把電壓U的變化輸入到帶有A/D轉換功能的HX711芯片，在芯片的輸出端就會得到與之相對應的拉力的大小。

電機轉矩的測量原理如圖3所示。

圖3 電機轉矩測量原理圖

首先需要在被測電機的轉軸上裝一個帶凹槽的圓形皮帶盤，兩個電子秤通過尼龍繩纏繞在圓形皮帶盤的凹槽上。當電機不工作時，圓形皮帶盤相當于一個定滑輪，電子稱1的示數為電子秤2自身的重量加懸掛物體的重量，考慮到電子秤2的重量很輕，因此電子秤1的示數就為懸掛物體的重量，電子秤2的示數也是懸掛物體的重量，此時兩個電子秤的示數相等。當電機按照順時針方向旋轉時，對兩個電子秤進行受力分析：電子秤1受到一個向上的摩擦力,示數就會增大，而電子秤2的示數仍為懸掛物體的重量，可以認為加在電機上的力矩為：

M=(P1-P2)R

(1)

式中:M——電機轉矩,g·cm;

P1——電子秤1的示數,g;

P2——電子秤2的示數,g;

R——圓形皮帶盤的半徑,cm。

在實驗過程中,為了使數據便于處理和運算，通常取圓形皮帶盤的半徑為1 cm，則加在電機上的轉矩就為兩個電子秤的示數之差，即M=P1-P2，此時改變繩的拉力，被測電機承受不同的負載力矩M。

同理，利用這個結論改變懸掛重物的重量就可以使電機在不同轉矩的作用下運行，實驗中為了便于操作,將采用一個懸臂梁和一個拉力電子秤進行電機轉矩測量。

1.2.2 無刷直流電機轉速的測量

電機的轉速通過光電測量裝置測量，光電測量裝置由反射式光電開關LA806和電壓比較器LM339組成。工作原理為：反射式光電開關由一個紅外線發射管和一個紅外線接收管組成，如果紅外線發射管發出的紅外線被檢測物體反射到接收管和被檢測物體吸收時，光電開關就會產生相應的開關量,并通過電壓比較器輸出高低脈沖。文中通過測量一定時間段內脈沖的個數來反映出電機的轉速。

將以上實驗采集到的轉矩和轉速數據通過串口輸入到LabVIEW，并通過如下公式得到：

功率：

Pout=FV

(2)

轉矩：

T=FR

(3)

線速度：

(4)

由式(2)～式(4)可知：

綜合上式可得電機輸出功率為：

(5)

式中:Pout——電機輸出功率,W;

n——電機轉速,r/min;

M——電機電磁轉矩,g·cm;

T——電機負載轉矩,N·m。

2 數據處理過程

以無刷直流電機為例，把測量得到的數據通過串口傳送給上位機LabVIEW進行處理和運算，并通過波形圖表的形式來顯示相對應的測量結果。

LabVIEW實驗原理如圖4所示。

將采集到的轉速n、轉矩M、電機輸入功率Pin通過三個串口同時傳輸到LabVIEW，通過相應的運算得到電機的效率η和輸出功率Pout。以效率η為縱坐標，轉矩M為橫坐標,便可以畫出電機的效率—轉矩圖，在LabVIEW的前面板用波形圖的形式顯示出來,同理，可以得到電機的轉速—轉矩圖。

效率—轉矩及轉速—轉矩波形圖如圖5所示。

圖4 LabVIEW實驗原理圖

(a) 效率—轉矩圖 (b) 轉速—轉矩圖

圖5 效率—轉矩及轉速—轉矩波形圖

3 結 語

根據實驗結果得到的結論與理論趨于相同，因此可以驗證該測量方法的正確性，通過這種結論來分析電機最高效率時相對應的轉矩和最佳轉速。根據這一測量方法，使選擇的電機工作在效率最高點附近，達到電機效率的最大化，以提高電機的工作效率。

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