不同連接方式對電機效率測試影響分析

徐智雯 鄭海杰 翁曉偉 黃和平 項京成

摘 要：為提升電機能效檢測的準確度，在不同連接方式下對電機采用A法和B法進行試驗并計算電機效率，分析測試結構，得出撓性聯軸器和剛性聯軸器對電機效率測試的影響程度，并對此提出合理化建議。

關鍵詞：三相異步電機；連接方式；聯軸器；效率測試

中圖分類號：TM343? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0042-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.011

0? ? 引言

電機是現代工業生產中最為重要的驅動設備，在實際工作中電機通過軸連接的方式對外輸出能量，電機能量的輸出效率與連接方式有直接關系。在試驗運行過程中，電機與被驅動設備之間沒有完全嚴格對中時，會導致電機運行溫度過高、噪聲過大、設備磨損變形等情況，對整個電機工作系統產生影響。

我國早在2002年就針對電機能效指標做出了明確規定，同時也在2012年提出了三相異步電機試驗方法，針對不同功率大小的三相異步電機提出了七種效率的試驗方法，其中包括計算輸入/輸出功率的比值的A法、測量輸入/輸出功率及其五大損耗的B法、成對電機雙電源對拖回饋試驗損耗分析的C法、測量輸入功率損耗的E（E1）法、采用等值電路的F（F1）法、降低電壓負載測量的G（G1）法、圓圖法H法，其中B法為低不確定度方法，是中小型電機能效的主要測量方法[1]。但是在相關的國家標準試驗方法中，并未對電機的連接方式和連接時的安裝誤差范圍作明確規定，也未詳細說明不同連接方式對電機能效測試結果的不確定度[2]。為了提升電機效率測試的準確度，本文設計了不同連接方式下的A法和B法能效試驗，擬對此方面影響因素進行分析。

1? ? 試驗方法

電動機和測功機一般采取聯軸器的連接方式，常用的聯軸器可分為剛性聯軸器和撓性聯軸器兩大類。常見的剛性聯軸器分為凸緣聯軸器、徑向鍵凸緣聯軸器、套筒聯軸器、夾殼聯軸器和平行軸聯軸器，剛性聯軸器的優點為結構簡單、成本低、可傳遞較大轉矩，缺點是連接兩軸對中精度不夠時會影響傳動精度和傳動效率。常見的撓性聯軸器分為無彈性元件撓性聯軸器、非金屬彈性元件撓性聯軸器、金屬彈性元件撓性聯軸器等，其優點是具有不同程度的軸向、徑向、角向補償和減振緩沖的作用，能改善傳動系統的工作性能，但撓性聯軸器相較剛性聯軸器結構更加復雜，成本和維護費用高。本文設計了剛性聯軸器和金屬橡膠環聯軸器在不同對中情況下的能效測試試驗，以一臺額定功率為1.5 kW的三相異步電機為測試目標，搭建能效測試平臺。

本次試驗分為九組，第1、2組在完全對中的情況下分別采用剛性聯軸器和金屬橡膠環聯軸器進行能效測試；第3～9組均采用金屬橡膠環聯軸器進行能效測試，其中第3～5組在完全對中情況下通過調節聯軸器間距1.0、2.0、3.0 mm進行試驗，如圖1（a）所示；第6、7組在平行不對中（高度差為0.1、0.2 mm）情況下進行試驗，如圖1（b）所示；在實際電機安裝過程中，電機的偏移角度大于5°后，安裝時容易檢測出來，所以第8、9組的斜角不對中只選擇在偏移角度為5°內的角度（角度為3°、5°）進行試驗，如圖1（c）所示。

2? ? 試驗準備

2.1? ? 儀器設備

試驗時，電氣測量儀表的準確度應不低于0.2級；數字功率計準確度應不低于0.2級；轉速測量儀準確度應在0.1%以內或誤差1 r/min以內，取兩者較小值；轉矩測量儀及測功機準確度應不低于0.2級；溫度計的誤差應在±1 ℃以內。試驗設備精度及型號如表1所示。

2.2? ? 試驗電源

試驗電源的電壓為三相對稱系統。三相電壓系統的負序分量應小于正序分量的0.5%，且零序分量的影響應予消除。在進行溫升試驗時諧波電壓因數應不超過2.5%，試驗電源的頻率與額定頻率之差應在額定頻率的±0.3%范圍內。此次試驗采用艾普斯的AFC-33075T-V0-F0-I0變頻電源能滿足相關要求。

2.3? ? 實驗室環境

實驗室保持干燥，實驗室溫度一般應保持在10～40 ℃，相對濕度為≤90%。試驗時溫度為15～20 ℃，相對濕度為25%～50%。

2.4? ? 熱電偶選擇和布置

（1）熱電偶預選：試驗前取多路熱電偶置于環溫中進行相互校核，溫度顯示超過平均值0.3 ℃的熱電偶應剔出，不允許在試驗中采用；

（2）在被試電機的繞組端部至少埋置2根熱電偶，分別位于繞組端部3點鐘和9點鐘位置；

（3）正確記錄預置入電機內部的熱電偶編號及所處的位置；

（4）在測量環境溫度時應在電機進風源方向1～2 m處布置2～3個熱電偶，處于電機高度一半的位置，并應防止外來輻射及氣流的影響。

3? ? 試驗數據

3.1? ? A法測試結果

在A法測量過程中，待電機運行到熱穩定狀態后，分別采集25%～150%負載試驗時的A法效率數據，所測得的數據如表2所示。

從表2中數據可以看出，在不同連接方式下，50%負載時第1組和第9組效率差最大，為3.1%；隨著負載的改變，效率差也在不斷改變。在9種不同連接方式下，不同負載試驗時A法測試的效率差基本在2%～3%的范圍，具體如圖2所示。

結果分析：A法的測量方式是輸入/輸出法，從檢測數據分析，在實際電機運行過程中，剛性聯軸器和金屬橡膠環聯軸器的實際輸出效率是大致相同的。安裝存在偏差且未嚴格對中的實際工作情況下，金屬橡膠環聯軸器可以讓電機保持接近正常安裝情況下的效率運行，不會出現電機的安裝偏差導致輸出效率大幅下降或上升的現象。

3.2? ? B法測試結果

由于風摩耗和鐵耗是通過空載試驗得到，因此9組試驗的風摩耗和鐵耗都采用相同的值，即認為風摩耗和鐵耗不受連接方式的影響[3]。試驗中各項損耗的確定方法根據GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》中所述，測得的數據如表3所示。

從表中數據可以看出，9組試驗的轉矩波動不大，所得的效率值在第3組和第7組差值最大，為0.58%；但是剛性聯軸器與金屬橡膠環聯軸器相比，所測得的效率偏低約0.3%，如圖3所示。

各種連接方式的損耗如圖4所示，定子I2R損耗極為相近，但轉子I2R損耗和雜散損耗有一定的差異。轉子I2R損耗在第2組和第9組相差3.42 W，占額定功率的0.23%。雜散損耗在第3組和第7組相差11.09 W，占額定功率的0.74%。

電機振動速度如圖5所示，在完全對中的情況下，隨著從第2組到第5組中心間距變大，電機的振動也會有所緩解，但緩解的效果到一定間距就不再變化，反而會導致雜散損耗的增加。

在第6組和第7組平行不對中、間距變大的情況下進行試驗，電機振動明顯增大，振動速度從第2組的1.8 mm/s增加到第7組的6.8 mm/s。金屬橡膠環聯軸器在不對中的情況下存在彈性補償，一定程度上消除了連接方式對電機效率的影響，但由于金屬橡膠環聯軸器的彈性補償存在上限，在0.2 mm不對中的情況下，雜散損耗增加，電機效率降低。

在第8組和第9組斜角不對中、偏移角度3°和5°的情況下進行試驗，電機振幅速度增加到5.7 mm/s和6.2 mm/s，與第2組相比，電機的雜散損耗約增加了1 W和3 W。由于金屬橡膠環聯軸器的彈性補償，第9組的效率只有0.31%的變化。

4? ? 結論

針對三相異步電機能效測試中采用不同聯軸器連接及不同連接方式的情況，對電機輸入/輸出功率及損耗進行實際測試并采集數據，分析整理數據，得出如下結論：

（1）剛性聯軸器是高扭矩承受力的聯軸器，承受負載時無回轉間隙，在安裝過程中出現的安裝偏差可能導致軸承或聯軸器的損壞，所以在實際測試過程中要進行嚴格的對中測試。在安裝對中合格的情況下，剛性聯軸器在小功率電機能效測試中有免維護、耐腐蝕和高靈敏度的優越性能。

（2）金屬橡膠環聯軸器具有軸向、徑向、角向的彈性補償功能，可以在實際安裝偏差的一定范圍內緩解電機測試過程中的振動。在實際電機測試過程中，不同連接方式的偏差對電機效率測試的影響在金屬橡膠環聯軸器的連接下可以忽略不計。在實際電機的能效測試中，在能接受成本的情況下，推薦優先使用撓性聯軸器。

（3）在無法完全對中的情況下，運行過程中兩側的軸線不在同一直線上導致電機轉軸產生形變，會造成電機傳動能量的損耗。在電機能耗數據的采集和分析中，這部分的損耗被歸算于雜散損耗。總的來說，連接方式的偏差最終還是會造成B法測試出的電機效率下降。

[參考文獻]

[1] 三相異步電動機試驗方法：GB/T 1032—2012[S].

[2] 張昊，殷強，馬冬梅.電機效率測試技術的研究[J].電機與控制應用，2012，39（5）：41-44.

[3] 張智華，李勝永，陳偉華，等.基于112B法的高效電機能效測試系統研究與設計[J].微特電機，2015，43（12）：49-54.

收稿日期：2023-04-14

作者簡介：徐智雯（1996—），男，浙江臺州人，工程師，主要從事機電產品檢測工作。

通信作者：黃和平（1982—），男，重慶忠縣人，工程師，主要從事機電產品檢測工作。