25000轉高速電機試驗平臺設計概述

摘 要：高速電機試驗平臺是現代電機試驗衍生出的先進成果。本文從設計依據、平臺系統構架、控制系統技術特點、機械結構部分技術特點、數據采集部分技術特點和實現的試驗項目6個部分論證了25000轉高速電機試驗平臺的設計可行性。其中可實現的試驗項目部分參照GB/T 18488.1—2015做了簡要敘述，可完成溫升試驗、連續電動工作特性試驗、電動最高工作轉速測試等重要項目測試。該平臺除滿足一般類型高速電機正常試驗工作外，還可將試驗過程中產生的電力通過變頻系統反饋至公用電網，對高速電機發展具有重要輔助作用。

關鍵詞：高速電機，新能源，上位機，超速試驗

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.17.043

0 引 言

高速電機試驗平臺是一種專門用于測試高速電機而設計的設備，它具備高精度、高效率和多功能等特點，可對高速電機性能進行全面評估和優化。25000轉高速電機試驗平臺是在傳統低速電機試驗平臺基礎上通過引入先進的虛擬儀器技術，將計算機強大的計算能力和儀器設備的硬件測量、控制能力結合在一起，實現了從常規到高速、從分散到高度集成的技術迭代。該平臺通過軟件實現對試驗的控制和資料的運算、分析處理、顯示、打印及存儲，從而提供系統功能遠超一般儀器的簡單組合。特別是在結果保存、波形存儲、同步測量、試驗報告生成、系統的擴張性、多功能等方面，高速電機試驗平臺展現出的優越性是傳統手動試驗臺無法比擬的。此外，高速電機試驗平臺還具備全自動化、全微機化、高效率化的特點，設計有防誤操作安全功能，確保測試過程的安全和準確。操作界面采用彩色顯示器，提供全中文提示，實現對試驗全過程的實時監控，便于操作人員直觀地了解試驗狀態并進行相應的調整。

在硬件方面，高速電機試驗平臺采用電渦流測功機進行加載，可以方便地實現不同負載工況運行需求，有效防止轉子過熱[1]。通過扭矩傳感器直接測量電機輸出轉矩，并通過扭矩顯示儀進行顯示，確保轉矩測量的準確性。這種平臺的軟硬件通常由專業項目組獨立設計開發，以滿足特定的高速電機測試需求[2]。

1 設計依據

本平臺的設計依據除了基本的性能測試要求外，還參照了以下相關標準和規范。

（1）GB/T 18488.1—2015《電動汽車用驅動電機系統 第1部分：技術條件》；

（2）GB/T 18488.2—2015《電動汽車用驅動電機系統 第2部分：試驗方法》；

（3）ECE_R85《用于驅動M類和N類汽車的內燃機凈功率或電力驅動機構30 min最大功率 測量認證的統一規定》；

（4）GB/T 29307—2012《電動汽車用驅動電機系統可靠性試驗方法》；

（5）EN 61800-2-1998《可調速的電驅動系統第1部分：一般要求，低電壓可調頻的交流電驅動系統的額定規范》；

（6）EN 60034-1-2010《旋轉電機 第1部分：額定功率和性能》。

2 平臺系統構架

本試驗平臺主要包括圖1所示的8個部分。

（1）機械臺架。用來安裝被試電機、負載電機、扭矩傳感器等。

（2）電池模擬器。用于給被試電機提供電源，完成電機試驗相關項目。

（3）傳動控制系統。用于對負載電機進行控制，選用ABB ACS880系列四象限交流變頻器、實時測控儀等。

（4）電機參數測量采集系統。包括電機測試系統的所有測試參數的轉換、采集、計算等。配備功率分析儀、電流互感器，用于對電機的電參數進行變換、采集。

（5）溫控及環境倉系統。用于吸收被試件或者機械傳動裝置的熱量[3]，保證系統的正常試驗過程，提供系統的可靠性及其使用壽命，環境倉提供被試件的工作環境。

（6）現場數據測試系統。包括被電機及其控制器、傳動系統扭矩轉速測量以及試驗過程中相關溫度等現場參數的測試與轉換。

（7）下位機實時控制系統。選用進口品牌下位機實時控制系統，采用EtherCAT總線通信，運行響應時間5 ms以內。

（8）上位機控制系統。用于控制負載系統執行相關工況任務以及向用戶提供人機控制界面，包括工業控制計算機，測試控制軟件系統等。

3 控制系統技術特點

臺架主控系統具備臺架集中控制、黑匣子功能，實現一個窗口完成所有試驗任務。從試驗工況的制定、試驗循環的執行、數據采集、試驗條件的控制到試驗結果處理，可以實現測功機的控制，如轉速/扭矩、轉速/油門、油門/扭矩等。控制系統界面控制軟件，在工況設定編制試驗循環中用戶可任意設定試驗步數，可任意定義測量以及極限監控[4]，可將試驗循環工況程控文件進行存儲。控制系統應可以對臺架保障系統進行控制，例如冷卻風扇可以隨時隨著被試件溫度的變換進行風速變化，采用變頻控制。

扭矩傳感器系統采用非接觸式的傳感器，由轉子和定子組成。轉子隨軸旋轉，扭矩信號以脈沖頻率信號經定子輸出，結構新穎、小巧，動態響應高。

扭矩量程采用100 Nm和500 Nm雙量程，最大轉速25000 r/min，扭矩測量精度為±0.05%FS，轉速測量精度為±1 r/min，超載能力150%，相對于額定靈敏度小于±0.05%，保護等級為IP40（EN 60529）。

電池模擬器直流電源選用250kW，750A高精度雙向整流電源，電源具有恒壓、恒流、恒功率模式三種工作模式，電源輸入端用變壓器隔離，保證輸出對地無壓差[5]。

4 機械結構部分技術特點

測功機底座作為負載電機、中間支承、扭矩傳感器等設備的安裝基礎與基準，在很大程度上影響測試系統的工作精度與抗振性能。因此，通過詳細計算并結合既往經驗，山東省產品質量檢驗研究院采用箱型鑄造底座，而不采用焊接結構。

測功機底座采用優質細顆料的灰口鑄鐵鑄造而成，安裝面保證沒有砂孔、氣孔、裂紋、夾渣及縮松等鑄造缺陷及其他影響使用的外觀缺陷，非安裝表面清除型砂，各棱邊修鈍，且可見非安裝表面將銑平整，以噴漆加固。熱處理后硬度為HB170～220，安裝面經多次粗、精銑削反復加工保證其平面度、平行度與粗糙度，并加工固定電機、中間支承的螺孔及吊裝孔。底部加工出與鑄鐵平板連接的安裝孔，安裝孔設計為長腰形，可使測功機底座安裝時在寬度方向上具有一定的調整余地，并留出與鑄鐵平板定位的定位銷空間，這樣可以有效減少殘留碎屑對氣隙的影響[6]。

機械制動器用于被試電機堵轉試驗，如圖2所示，堵轉滑塊固定在底座立板上，可360°任意位置堵轉。堵轉盤配有刻度盤，可精確調節角度保證轉子的可靠運行[7]。

5 數據采集部分技術特點

采用FC4022數據采集模塊，FC4022是一個獨立的模塊，用于接入各種形式的傳感器，將電動機測量采集的數據實時發送到CAN總線上，由計算機顯示。

對模塊的配置通過撥碼開關完成，通過CAN網絡在通用計算機或顯示節點上完成標定，RS232用于下載程序。數據采集模塊有16個通道，每個通道可配置成不同的傳感器類型。 電流、電壓、電阻等模擬信號都可以測量。模塊工作狀態由三色燈顯示，一個模塊可同時使用 8種不同的傳感器，模塊內有2個固定的線性化表格，4個自定義的線性化表格，可以適用任何非線性特性的傳感器。本模塊尤其適用于多通道的測量，CAN總線上可掛接31個相同的數據采集模塊，測量通道可達16×31路。使用時，模塊在硬件上無須做任何調整，既無電位器，也無跳線，所有的調整都是用軟件完成的，而在通用計算機上運行的軟件為使用者提供了最便捷而輕松的人機界面。

6 實現的試驗項目

該平臺完成后將能實現對250 0 0轉及以下轉速高速電機的機械檢查項目、電機定子繞組的冷態直流電阻值測試項目、電機繞組對機殼的冷態絕緣性能測試項目、堵轉轉矩和堵轉電流測試項目、溫升試驗項目、連續電動工作特性試驗項目、電動最高工作轉速測試項目、電動超速試驗項目、連續饋電工作特性試驗項目、電機轉矩特性和效率測試項目、道路模擬轉速扭矩工況試驗項目的測試[8]，滿足一般類型高速電機正常試驗工作。

7 結 語

高速電機試驗平臺的建設對于電機系統的測試和評估具有重要意義。 通過這個平臺， 可以對電機的性能參數進行準確測量和評價， 包括效率、 功率輸出、 轉速、 轉矩和溫度等多個指標。 這些參數的準確性對于電機的設計和優化具有重要意義， 為生產廠家提供了可靠的技術數據支持。 此外， 電機試驗平臺還可以用于電機的質量控制和檢驗， 確保電機的質量符合相關標準和要求， 提高產品的可靠性和持久性。 在技術創新方面， 電機試驗平臺為研究人員提供了進行電機結構、 材料和控制系統深入研究的機會。 通過不斷地試驗和驗證， 可以改進電機的性能， 提高電機的效率和可靠性， 同時也為電機的應用拓展提供了新的可能性。 對于產品質量和安全性， 電機試驗平臺可以用于電機的故障分析和診斷， 通過全面監測電機的工作狀態， 及時發現異常情況并進行修復， 保證設備的安全運行和延長電機的使用壽命。 綜上所述， 高速電機試驗平臺的建設不僅提高了電機系統的測試能力， 促進了技術創新， 還提升了產品質量和安全性， 對于推動電機行業的發展具有重要意義。

參考文獻

[1]王書恒，趙世偉，景弋洋，等.高速永磁電機鐵耗精確計算兩項式模型[J].微電機，2024，57（5）：1-6+22.

[2]秦小偉，鄒創，李進才.高速磁懸浮電機轉子動力學分析方法[J].電機技術，2024（2）：27-29+33.

[3]楊永喜，蔡蔚，趙慧超，等.新能源汽車高速電機定子換位繞組優化設計[J].電機與控制學報，2023，10（27）：85-95.

[4]胡明睿，朱英杰，趙益鋆，等.新能源汽車驅動電機用無取向硅鋼性能分析[J].電工鋼，2023，3（5）：28-33 .

[5]申康，勞啟華，王建，等.高速永磁電機的發展歷程及展望[J].電大理丁，2023（1）：6-13 .

[6]許重斌，暴杰，姜明慧.汽車電驅動用高速永磁同步電機設計技術綜述[J].汽車文摘，2023（1）：10-15.

[7]梁得亮，褚帥君，賈少鋒，等.高溫高速永磁電機關鍵技術研究綜述[J].西安交通大學學報，2022，56（10）：31-46.

[8]電動汽車用驅動電機系統 第1部分：技術條件：GB/ T18488.1—2015[S].2015.

作者簡介

黃曉東，本科，工程師，研究方向為電焊機、電機及其他電氣產品的質量檢測與標準。

（責任編輯：袁文靜）