（机械电子工程专业论文）高速磁悬浮转子的功率测试原理与技术的研究.pdf

中文摘要 磁悬浮转子涉及到机械、电子、计算机、控制和传感器等多学科技术的交 叉应用，是机电一体化的装置。精确测量高速磁悬浮转子转动过程中的功率、 转矩和转速等参数，对分析磁悬浮转子的性能及工作运行状况又有很大的作用， 因此有必要对磁悬浮转子的功率等参数进行精确测量。目前，国内外对磁悬浮 转子的功率测试还没有进行过研究。 针对高转速、大功率磁悬浮转子在转动过程中转予是浮动的特点，现有的 测功设备不能满足高速磁悬浮转子功率测试的要求，本文提出了高速磁悬浮转 子功率测试的原理。测功机系统由磁悬浮转子，磁力联轴器，永磁发电机，耗 能负载电阻等组成。测功永磁发电机通过磁力联轴器与被测磁悬浮转子相连， 作为被测磁悬浮转子的负载吸收其输出的机械能，并将之转化为电能，由负载 电阻消耗。在对磁悬浮转子功率测试过程中，转速传感器检测磁悬浮转子的输 出转速；拉压力传感器测量测功机定子外壳与底座之间的作用力间接测出磁悬 浮转予的输出转矩。 借鉴永磁电机、磁力联轴器以及电力测功机等的设计方法，本文介绍了设 计这种高速测功机系统的方法。磁力联轴器的设计，主要为了满足高转速、大 功率磁悬浮转子的特点，尽量提高永磁体磁能利用率，增大气隙磁密，从而提 高磁力联轴器传递的扭矩。磁力联轴器选用推拉式结构，内外转子上磁体采用 紧密排布方式，合理选取磁极数目、磁体厚度和工作气隙。高速永磁电机的设 计，永磁转子的设计要考虑电磁和机械两方面的要求，定子绕组和铁心设计需 要解决减小损耗和有效的散热等主要问题。 通过对三种不同结构的磁力联轴器内部磁场分析、转矩公式推导以及实验 验证和传动性能分析，以及磁力联轴器和高速永磁发电机的设计与分析，比较 全面地介绍了高速磁悬浮转子功率的测试原理及关键技术，为高速磁悬浮转子 的理论研究和实际应用提供相关理论依据和指导。 关键词：高速磁悬浮转子，功率测试，磁力联轴器，永磁发电机 a b s t r a c t m a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o ri sam e c h a t r o n i ci n t e g r a lp r o d u c to fm u l t i d i s c i p l i n a r y i n t e r s e c t i o n a lt e c h n i q u e ，w h i c hc o n s i s t so fm e c h a n i s m ，e l e c t r o m a g n e t i c , c o n t r o l s y s t e ma n ds e n s i n gt r a n s m i t t e r s a c c u r a t em e a s u r e m e n to f t h ep r o c e s so fh i g h s p e e d m a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o rr o t a t i o no fp o w e r , t o r q u ea n dr o t a t i o n a ls p e e da n do t h e r p a r a m e t e r sp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei na n a l y s i so ft h ep r o p e r t i e so ft h em a g n e t i c s u s p e n d e dr o t o ra n dw o r k i n gc o n d i t i o n s i ti s e s s e n t i a lt om e a s u r ea c c u r a t e l y p a r a m e t e r so fm a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o rs u c ha sp o w e r u pt on o w , t h er e s e a r c ho f t e s t i n gt h ep o w e ro fh i g h s p e e dm a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o rh a sn o tb e e nf o u n da t h o m ea n da b r o a d t h ef e a t u r eo fh i g h - s p e e dm a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o ri sh i g hs p e e d ，l a 曜ep o w e r , a n dw h i c hi sf l o a tw h i l ei t sr o t a t i n g i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e , i t a n a l y z e st h er e a s o nw h yt h ee x i s t i n gt e s t i n ge q u i p m e n tc a nn o tm e e tt h ed e m a n d so f t e s t i n gt h ep o w e ro fh i g h s p e e dm a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o r , a n di n t r o d u c e san e w m e t h o dt h a tc a nb es u i t a b l ef o rt e s t i n gp o w e ro fh i g h - s p e e dm a g n e t i cs u s p e n d e d r o t o r t h es y s t e mo fd y n a m o m e t e ri sc o m p o s e do fm a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o r , p e r m a n e n tm a g n e tc o u p l i n g ，p e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o ra n de n e r g yl o a dr e s i s t a n c e m a g n e t i cc o u p l i n gc o n n e c t st h em e a s u r e dm a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o rw i t hp e r m a n e n t m a g n e tg e n e r a t o r a n dp e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r , a st h el o a do ft h em e a s u r e d r o t o r , i su s e dt oa b s o r bt h eo u t p u to fm e c h a n i c a le n e r g y , a n dt r a n s l a t e si t i n t o e l e c t r i c a le n e r g yc o n s u m e db yt h el o a dr e s i s t a n c e i nt h ep r o c e s so ft e s t i n gp o w e ro f m a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o r , t h es e n s o rd e t e c t st h es p e e dm a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o r s p e e do u t p u t ；p u l l i n g a n dp u s h i n gp r e s s u r es e n s o rm e 嬲u r e st h ef o r c eb e t w e e n d y n a m o m e t e rs t a t o ra n db a s e ，a n dt h e ni n d i r e c t l yt h em e a s u r e st h eo u t p u tt o r q u eo f m a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o r f r o mt h ed e s i g no fp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r s ，m a g n e t i cc o u p l i n ga n de l e c t r i c i t y d y n a m o m e t e r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ed e s i g n m e t h o do ft h i s h i g l l s p e e d d y n a m o m e t e rs y s t e m t h ep u r p o s eo fd e s i g n i n gm a g n e t i cc o u p l i n gi st om e e tt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o r , s u c ha sh i g h s p e e d ，h i g hp o w e ra n d t o r q u e m a g n e tm a x i m i z e st h ee n e r g ye f f i c i e n c y , a n di n c r e a s e st h em a g n e t i cf l u x d e n s i t y , t h e r e b yi n c r e a s i n gt h et r a n s f e r r i n gt o r q u eo fp e r m a n e n tm a g n e t i cc o u p l i n g u p e r m a n e n tm a g n e t i cc o u p l i n g su s e sp u s h p u l ls t r u c t u r e ，t h em a g n e to fi n t e r n a la n d e x t e r n a lr o t o ra d o p t i n gc l o s ea r r a n g e m e n t ，t h es e l e c t i o no ft h eo p t i m a ln u m b e ro f p o l e ，m a g n e tt h i c k n e s sa n da i rg a p i nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gh i g h - s p e e d p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r , p e r m a n e n tm a g n e tr o t o rd e s i g nc o n s i d e r so f e l e c t r o m a g n e t i ca n dm e c h a n i c a la s p e c t s ；s t a t o rw i n d i n ga n dc o r ed e s i g na n dt h en e e d t oe f f e c t i v e l yr e d u c et h el o s so fh e a ta n do t h e rm a j o ri s s u e s t h r o u g ht h et h r e ed i f f e r e n tt y p e so fm a g n e t i cc o u p l i n gs t r u c t u r eo ft h ei n t e r n a l m a g n e t i c f i e l d a n a l y s i s ，t o r q u e f o r m u l a sa n d e x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o na n d t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea n a l y s i s , a n dt h em a g n e t i cc o u p l i n ga n dh i g h s p e e d p e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o rd e s i g na n da n a l y s i s ，t h i sp a p e rr o u n d l yi n t r o d u c et h e p r i n c i p l e so fk e yt e c h n o l o g i e so ft e s t i n gp o w e ro fh i g h s p e e dm a g n e t i cs u s p e n d e d r o t o r ，f o rt h eh i g h - s p e e dm a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o ro ft h e o r e t i c a ls t u d ya n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fr e l e v a n tt h e o r ya n dg u i d a n c e k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dm a g n e t i cs u s p e n d e dr o t o r ：p o w e rt e s t i n g ；p e r m a n e n tm a g n e t c o u p l i n g ；p e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o r 儿i 武汉理1 = 大学硕士学位论文 第* - i1 章绪论- o 。，v 1 1 磁悬浮转子概述 磁悬浮转子是以磁力轴承为支承的转子系统，由机械装置，电磁轴承，驱 动电机和控制系统组成。而磁力轴承是利用电磁力，将被支承件稳定悬浮在空 间，使支承件与被支承件之间没有机械接触的一种高性能机电一体化轴承1 1 1 。 1 1 1 磁悬浮转子的工作原理 图1 - 1 磁悬浮转子的工作原理 磁悬浮转子系统一般由传感器、控制回路、电磁铁、功率放大器等部分组 成。例如主动磁悬浮转子的控制原理如图1 - 1 所示，利用定子线圈通电产生的 电磁力，将转子无机械接触地悬浮起来，由传感器检测悬浮体偏差信号，通过 反馈控制回路调节，发出控制信号，经功率放大器控制线圈中的电流，从而控 制电磁铁产生的磁场和作用于转子的电磁力，使之保持在正确位置【1 1 。 1 1 2 磁力轴承的特点及应用 由于实现了无机械接触和电子控制，磁力轴承与普通轴承及气悬浮轴承相 比相比有以下特点【2 】1 3 l ； 1 ) 可容许转子达到很高的转速由磁悬浮支承的转子可以在超临界、每分钟 数十万转的工况下运行，其圆周速度只受转子材料强度的限制。 2 ) 摩擦功耗小。在1 0 0 0 0 r m i n 时，磁悬浮支承的功耗大约只有流体动压润 滑支承的6 ，滚动支承的1 7 ，这对节约能源有重大意义。 3 ) 维护成本低，寿命长。由于磁悬浮支承是靠磁场力柬悬浮轴颈，相对运 动表面之间没有接触不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，而电子 。亟堡堡! 丕堂堡堂壁堡塞 元器件的可靠性在额定工作条件下大大高于机械零部件，所以磁力轴承的寿命 和可靠性均远高于传统类型轴承。 4 ) 磁悬浮支承无需润滑，因而不存在润滑剂对环境的污染，在真空、辐射 和禁止润滑剂介质污染的应用场合，如真空技术、超净无菌室以及腐蚀性或非 常纯净的介质等。 5 ) 磁悬浮支承系统具有灵活的刚度和阻尼调整能力，能够安全地超越转子 的临界转速。 磁力轴承的主要缺点是：刚度较滚动轴承小；必须使用控制器；纯电磁铁 型体积和重量均较大；危急情况下应变能力弱，因而大多数系统配备了辅助轴 承，以至结构复杂。另外磁力轴承尚处于发展阶段，还未形成大批量生产，从 而导致磁力轴承价格昂贵，现阶段难以大面积推广应用。 高速磁悬浮转子系统作为一个基础部件有着十分广阔的应用领域。它不仅 仅只是一个高科技产品，作为2 1 世纪的主导支承控制系统，它能够带动整个轴 承行业的发展。在国外磁悬浮转子的主要应用领域是在有高速度、高精度、自 动化；或低速重载；或真空洁静环境等要求的高附加值产品，如：高精度磨床、 高速铣床，数控机床、机器人、真空泵、电机、涡轮机、大型水轮发电机、航 空发动机、卫星导航系统、硬盘驱动器、光盘驱动器、人工心脏泵、电子显微 镜等。 1 2 各类测功机的基本原理和特点 目前，用于动力机械功率测试的装置是测功机。测功机是测试电机、电动 工具及家用电器等动力机械转矩、转速及输出机械功率的机电一体化检测设备， 可检测电机的额定功率、额定转矩、额定转速、最大转矩、异步电机启动过程 的最小转矩及不稳定区，直至堵转转矩等。测功机对研制、生产电机和电主轴 等动力机械是一个关键检测设备。测功机有很多的分类方式，如按照测功机运 行时所吸收的功率转换方法可分为：功率吸收型测功机和功率传递型测功机两 大类型。 1 2 1 功率吸收型测功机 功率( 能量) 吸收型测功机是指测功机加载器为一个制动器( 涡流制动器、磁 滞制动器、磁粉制动器等) 的一种测功机。当被测电机驱动测功帆转子、制动器 武汉理 大学硕十学位论文 通电流后，就对电机产生制动转矩：加载，制动器就吸收被测电机所发出的功 率( 能量) ，并以发热的方法消耗能量，被测电机输出的功率就全部转换为热能， 使制动器发热，来散热耗功。 此种测功机的优点是：结构简单，转矩的调节控制也简单，即被测电机的 负载大小、加载仅需一简单的直流电源，调节其电流就可调节负载大小。辅助 设备少，价格便宜。 但此类测功机功率不能制造得很大，因为功率( 能量) 全部由制动器吸收转换 为热量，功率大就不易使测功机的热量散发出去，测功机本体温升很高，绕组 绝缘易烧坏，这就影响了测功机的容量增加。同时发热将使转矩传感器和其测 功机内部的转矩放大器等产生温漂，就严重影响测功机的精度和稳定性1 4 j 。因 此，吸收型测功机一般功率在测1k w 以下电机，功率再大就要采用鼓风机强 迫通风等方法来降低测功机温升，以增大测功机容量。但这也会带来测功机灵 敏度降低和转矩测试的线性度。典型功率吸收型测功机主要有： 1 2 1 1 水力测功机 水力测功机主要用来检测各种柴油机、汽油机、大型电动机等动力机的有 效功率，其制动功率范围一般从2 0 k w 到3 3 0 0 k w 。它利用水作为介质，把动力 机械发出的机械能转换成热能，并在此过程中测量动力机械的有关技术参数p j 。 水力测功机一般由吸收功率部分、测力装置部分、校正杠杆部分、控制部 分、阻力油缸部分所组成。测功机工作时，压力水从定子孔流入壳体内腔，水 被迫在转子叶片和定子叶片所形成的椭圆形水窝内作环形流动。由于工作转子 与水摩擦、剪韧作用而形成制动力矩，消耗内燃机所作的机械功，能量大量地 转变为热能，由流动的水吸收后带走，小部分热能由测功机外壳传导出去。同 时，在水的作用下使壳体作相对的摆动，壳体的力臂头把力通过传力销传到测 力装置上，由指针指示制动力的大小。它的特点是吸收功率范围大，结构简单、 使用维修方便、工作稳定可靠、测量精度高、价格低廉等优点，故被广泛使用。 但是由于能量一部分转换成热能消耗掉，所以其效率比较低1 6 j 。 1 2 1 2 电涡流测功机 典型的电涡流测功机是由圆盘型转子( 铜或铝盘) 和盘两边有直流磁场结构 的涡流制动器作为加载器，架在外轴承座上组成的测功机。其转矩转速特性为 一族由原点发出的放射性直线，其直线随着激磁电流的增加而角度增加，如图 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 所示i 珊8 。适用于串激电机、直流电机的转矩测试，而不能对异步电机的不 稳定部分进行测试。但通过由速度反馈和p i d 调节器组成的控制器使转矩转速 曲线调节为一组平行特性曲线。这就能使曲线和异步电机的不稳定部分有明显 的交点，使其稳定运行。但尚有其不足之处，即在零转速时没有制动转矩。因 为速度反馈和p i d 调节器只有在玎一0 时才有作用，这对测试异步电机的转矩， 其转速特性曲线的堵转转矩就不能测定，而对直流和串激电机是适用的。 然而，圆盘式电涡流测功机其单位体积的制动转矩值不大，要做成较大转 矩的测功机，其圆盘的直径要加大，这样转动惯量g d 2 就很大，这对高速电机 的测试就不利，且尖叫噪声很大。转速范围低应选用杯型转子( 大套小的双杯式) 的涡流制动器，可使惯量减小，提高转速范围，常用于串激电机测试 9 1 1 1 0 l 。 m 0 130 n ( a ) 直流励磁的电涡流测功机( b ) 经速度反馈和p i d 控制的电涡流测功机 图1 2 电涡流测功机机m n 特性 1 2 1 3 磁滞测功机 磁滞测功机一般由磁滞制动器，转矩传感器、光电转速传感器和转矩放大 器等所组成。制动器可在外轴承内偏转肚5 。磁滞制动器由带齿槽的连成一 体的内外定子( 中间有励磁绕组) 和磁滞材料空心杯转子所组成，其中内外定子的 齿槽系相对配置。被测电机转轴通过联轴器带动磁滞制动器的薄壁转予杯转动。 当励磁绕组通电后，外定子就形成相对极性，转子杯就在该磁场中旋转，气隙 中磁场的极性是脉动的，在时间上是不变的，磁滞转子杯在气隙内旋转时就被 脉动磁场反复磁化，磁畴单元每通过1 对齿槽，极性就交替反转1 次，并产生 磁滞损耗，形成同转予旋转方向相反的阻转矩，即制动转矩。在制动器后部的 机座上装有应变式转矩传感器，当定子偏转时，应变梁产生变形，原来不变形 时梁上的应变电掰【桥路平衡，输出为零，当变形后电桥失去平衡，输出直流电 4 武汉理 大学硕十学位论文 压，通过低噪声高精度放大器将电压放大到标定的转矩数值i j 。磁滞测功机 m 1 1 特性如图1 3 所示。 磁滞测功机是7 0 年代由美国首先开发出来的，目前国内外在2 k w 以下电 机，电动工具和家电等测试中广为采用，其特点是结构简单、转子惯量小，无 电刷滑环或整流子的摩擦损耗，高速性能好、测试稳定、精度高，又无需复杂、 昂贵的变频电源、辅助设备少。由于这种测功机为功率吸收型，其能量最终转 化为热能而被散发，故测功机以2 k w 以下应用为好，大于2 k w 就要用风机或压 缩空气强迫通风但这对测功机的精度有影响，尤其是用强压缩空气通风，不仅 精度有影响，并且辅助设备繁琐，这是所有功率吸收式测功机共有的弱点i “j 。 1 2 1 4 磁粉测功机 磁粉测功机是利用磁粉制动器为加载器的一种测功机，是根据电磁原理和 利用磁粉传递力矩，其制动力矩与励磁电流基本成正比关系，调节励磁电流大 小，可达到无级控制。它由励磁线圈、磁粉、转轴组成，当线圈不通电时不产 生磁通，磁粉呈自由状态；当转轴旋转时，由离心力的作用，磁粉甩在转动件 与机壳之间，此时制动力矩为零。当线圈通电后，在线圈周围产生磁场，磁粉 连接成链状态，转动件与机壳之间产生很大的摩擦力，从而引起对转动轴的制 动作用【踟。调节线圈的电流，就能对制动转矩进行调节，而且有较好的重复性。 磁粉测功机特点是同体积的制动器中制动转矩最大，激磁电流很小，是因 为在定转子中磁粉作用的结果。磁粉产生的磁链使定转子的等效气隙变得很小， 磁密大大高于一般电机和制动器。但是高于5 0 0 r r n i n ，发热就很厉害，磁粉在 定转子中摩擦发热，引起转矩不稳，温度升高，转矩就下降。要不断增加励磁 电流，使其转矩上升，反复调节不稳定转矩，有时甚至无法控制，另外磁粉易 老化经常要换粉，这是磁粉测功机的致命弱点【”1 。 多年来为了降低温升，采用水冷降温，软管连接，冷却水的流速不同、流 量不同等，这对进出水管接头对偏转的制动器有静态和动念阻转矩，必须要修 正和补偿，向用户提供修正曲线和数据。另外，水冷将使测功机极易锈蚀，寿 命降低。真j 下要水冷，对水质有要求，成本就很高，装置复杂。 磁粉测功机有静态( n = o ) 堵转矩，可适用于低速大转矩小功率电机的测试， 如雨刮电机的工作头、齿轮减速电机等。对于1 5 0 0 r m i n 以上、功率在5 0 0 w 以上的电机测试就不太适用。另外，国内也有特殊设计的采用极少量特制的磁 武汉理【大学硕士学位论文 粉制造的测功机用于高速小功率( 3 0 0 w 以下) 。其转矩转速特性曲线相近1 1 4 l ( 如 图1 - 4 1 。 m 0 nn 图1 3 磁滞测功机m n 特性图1 4 磁粉测功机m n 特性 总之这种制动器结构简单，使用方便，准确度高，但不宜较长时间运行， 避免因发热产生高温而使磁粉烧结，降低使用寿命，工作时应通水强制冷却。 这种加载方式对测验中、小型电动机转矩十分合适。 1 2 2 功率传递型测功机 虽然功率吸收型测功机有很多优点，但缺点就是发热使功率不能提高。而 功率传递型测功机就克服了上述缺点，它将从被测动力机吸收来的功率能量， 通过测功机的发电机发出电流( 功率) 传递( 传输) 到被测电机外的电阻器上消耗 或整流逆变反馈到电网，来降低本体的发热，就提高了测功机的测试功率。同 体积的测功机比吸收型测功机功率大一倍以上，并且发热很小，转矩漂移也小， 测试稳定，测功机寿命也增加，这是测功机发展的必然趋势。典型功率传递型 测功机主要有：直流测功机、交流异步测功机、同步测功机、永磁测功机等。 1 2 2 1 直流测功机 直流测功机主要包括：平衡式直流电机、电路控制以及保护、吸收消耗电 能的负载以及测力装置、测试和控制仪表等四部分组成。直流测功机工作原理 与其他电机的工作原理一样，都是建立在电磁力和电磁感应基础之的。直流测 功机测功时，即直流电机作发电机运行，被测动力机驱动电枢转子在励磁绕组 形成的磁场中旋转，在电桁绕组内感应出交变电动势，通过换向器再将其变为 电刷删极性不变的电动势。当电刷问接有负载时，就在电路中产生一定方向的 6 武汉理t 大学硕士学位论文 直流电。直流测功机的直流电机作电动机驱动被测动力机运行时，通电后的电 枢转子在励磁绕组形成的磁场中转动来驱动被测电机1 1 5 l 。同时在电枢绕组内也 要产生成应电动势。这个电动势的方向与电流( 或外加电i i i , ) 的方向总是相反，所 以称为反电动势1 1 6 j | l ”。 直流测功机以启停平稳等特点，在减速器、发动机、电机和旋转机械行业 中已得到了广泛的应用。它用简单直流控制，操作方便，缺点是直流测功机有 电刷整流子摩擦，转矩不能高，对转矩测试引起误差，需加修正。其转矩转速 特性如图1 5 。同时直流电机由于换向器的影响，不能适用于高速运行，因此在 转速很高的情况下，往往采用机械减速装置，使系统复杂且噪声增大。另外测 功机造价高，不易推广。随着电子技术的高度发展，直流测功机逐渐被淘汰1 1 8 】。 m 图1 - 5 直流测功机m n 特性图1 - 6 交流异步测功机m n 特性 1 2 2 2 交流异步测功机 交流异步测功机用异步电机作为测功机加载器，传统的异步电力测功电机 采用绕线式异步电机，被测电机直接与电机转子联接。定子绕组与3 8 0 v 电网 相联，转子绕组与整流逆变系统相联。被测电机驱动转子超过同步转速运行为 发电状态( 负载) ，电能馈送电网。低于同步转速运行为电动状态( 驱动) ，测功电 机作串级调速方式工作，转差功率经整流逆变系统馈送给电网。测功区是以同 步转速为界，高于为发电状态，低于为电动状态1 1 9 l 。 异步电力测功机是一种转矩稳定，结构简单可靠、转矩转速和功率测试范 围很宽的一种测功机1 2 0 l 【2 1 】( 如图1 - 6 所示) 。不仅适用于原动机( 电动机、水泵、 电动工具等) 的性能测试，也适用于发电机的性能测试，此外，还可驱动其它类 型测功机，作技术参数对比试验，又可对电机产品进行损耗分析试验。 武汉理【大学硕士学位论文 1 2 2 3 同步测功机 同步测功机包括有刷同步测功机和无刷同步测功机两种。其中有刷同步测 功机是用有刷同步电机作为测功机的加载器，通过电刷滑环给转子上的直流励 磁绕组输入电流，产生凸极磁场，转子被驱动后，定子将被测试动力机的功率 传输给机外电阻器1 2 6 1 。该种测功机本体发热很低，调节励磁电压就可控制被测 试动力机，操作简单，使用方便。但是由于有电刷滑环存在，测功机运行速度 不能很高，另外凸极还会引起风耗，对测功机的转矩测试精度也有影响，要作 修正。此类测功机国内大量用于o 5 5 5 k w 小功率电机的测试。励磁电流控制 同步测功机转矩转速特性曲线见图1 - 7 。 m 图1 7 同步测功机m u 特性 而无刷同步测功机是以无刷同步发电机作为测功机的加载器，定予为三相 发电绕组，转子为表面光滑的励磁极，惯量小，无转子绕阻，高速、低速性能 很好旧。通过调节定子上的直流激磁电流来给被测电机加裁，其特点是在无励 磁电流时转子对定子没有负载( 轴承耗除外) ，因此测试转矩几乎可以从零开始， 转矩测试特性好，测功机功率从几瓦到十千瓦均可制造，因此适用于高速小转 矩，也适用于低速大转矩。可以测试异步电机的不稳定运行区，不需要变频电 源，但是需定子接三相负载电阻。 一般来说有刷同步测功机只能做成小功率的，而且只能工作在发电状态， 近年来也有人经过改进可以使之扩大容量，使之也可以工作在电动状态，来测 量坡测电机在各种工况下的转矩，并提高测试精度之后，可望取代结构复杂的 直流测功机i ”l 。 武汉理工大学硕十学位论文 1 2 2 4 永磁测功机 永磁测功机是一种用永磁发电机作为测功机的加载器。转子为多极永磁转 子，定予为三相发电绕组。测功机转子被驱动后定子发电输给外接可调电阻器。 调节电阻器就调节输出电流，即调节被测电机的负载【4 l 。该测功机结构简单， 由永磁体作为发电机固定励磁，转矩特性很稳定，抗干扰性好。测功机本体不 需任何电源。辅助设备少，造价低，便于推广。但是其缺点是因为有剩磁，和 磁滞测功机一样，就有一个起始转矩，即转矩测试不是从零开始。此类测功机 可大量应用于单一产品的电机在流水线上的测试，测其几个负载点的特性，使 用极其方便，简单可靠。测功机功率范围大小均可设计制造，价格便宜，很有 推广价值。 1 3 研究现状和存在的问题 现有小功率电动机测功设备转速较低，要提高转速则受诸多限制，而最主 要的是机械轴承的极限速度的限制。测功机的容量一般比被测品容量大，故轴 承尺寸也较大，通常运行在数千转或一万转左右，超过二万转就颇为困难且在 运转时产生强烈的振动和刺耳的噪声，轴承会急剧发热，其使用寿命相当短。 按目前我国轴承行业的技术现状，可以说三万转大致上是传统结构测功机的极 限转速。为突破这个限制，就必须对传统结构进行改造。从机械结构上说，涡 流、磁滞等类型测功机较易满足高速运转要求，但因其能量内耗的特点，如需 达到相当的长期测试容量，其体积势必较大，从而反过来又限制了转速的进一 步提高【2 2 1 。 高速磁悬浮转子在转动过程中转子是浮动的，这不同于一般电机在运转是 轴线是不动的，不能用一般的测功机进行测试。而对于磁悬浮转予的功率测试 国内外还没有进行研究过。对高速磁悬浮转子转动过程中参数如功率、转矩和 转速等精确测量，对分析磁悬浮转子的性能及工作运行状况又有不可估量的作 用，因此有必要对磁悬浮转子的功率等参数进行精确测量，对所得参数进行分 析，其中功率转速曲线和扭矩转速曲线对磁悬浮转子的控制系统又有 很大的作用。由于磁悬浮转子高速的特点，一般的测功装置都不能满足要求， 因此也对测功技术提出了新的课题。 总之，高速磁悬浮转子由于其高速和在转动过程中转子是浮动的等特点， 9 武汉理一c 大学硕士学位论文 现有的测功机不能满足高速磁悬浮转予功率测试的要求。而要提高转速，还受 到机械轴承和联轴器极限转速的限制；另外，提高转速，还会导致了制动转矩 的减小，从而测试的最大的功率也会下降。而且在测试过程中也存在定予温度 的升高，转子的振动等问题。这些问题都有待进一步研究。 1 4 论文研究的主要内容及课题支撑 本文针对高转速、大功率磁悬浮转子在转动过程中转子是浮动的特点，现 有的测功设备不能满足高速磁悬浮转子功率测试的要求，提出了高速磁悬浮转 子功率测试的原理。 借鉴永磁电机、磁力联轴器以及电力测功机等的设计方法，本文介绍了设 计这种高速测功机系统的方法。磁力联轴器的设计，主要为了满足磁悬浮转子 高速、大功率和大扭矩的特点，尽量提高永磁体磁能利用率，增大气隙磁密， 从而提高磁力联轴器传递的扭矩。磁力联轴器选用推拉式结构，内外转子上磁 体采用紧密排布方式，合理选取磁极数目、磁体厚度和工作气隙。高速永磁电 机的设计，永磁转子的设计要考虑电磁和机械两方面的要求，定子绕组和铁心 设计需要解决减小损耗和有效的散热等主要问题。 通过对三种不同结构的磁力联轴器内部磁场分析、转矩公式推导以及实验 验证和传动性能分析，以及磁力联轴器和高速永磁发电机的设计与分析，比较 全面地介绍了高速磁悬浮转子功率的测试原理及关键技术。 本文得到以下科研项目的支撑： 国家自然科学基金资助项目：( 项目名称：车载飞轮电池磁悬浮转子的基础 理论及关键技术研究，项目编号：5 0 6 7 6 3 9 2 ) 武汉理【大学硕七学位论文 第2 章高速磁悬浮转子测功原理 2 1 测功原理 高速磁悬浮转子在启动正常工作停止这一过程和转动过程中，转 子是浮动的，这不同于一般电机在运转时轴线是不动的。一般的刚性联轴器则 不能满足轴线浮动要求；而弹性联轴器的极限速度则达不到转速要求。另外， 磁悬浮转子运行速度很高，一般转速在几万转，有的达到了十几万转。由于一 般的测功机都是通过联轴器与主轴相连或者中间有减速机构( 还是有联轴器与 主轴相连) ，而机械轴承和联轴器的受到其自身材料和加工工艺的影响，其最高 的转速不能达到磁悬浮转子的速度。因此不能用一般的测功机进行功率的测试。 磁力联轴器属于非接触式联轴器，一般由内磁转子、外磁转子、隔离套组 成。内磁转子与被传动件相连，外磁转予与动力件相连i 冽。磁力联轴器除了具 有弹性联轴器缓冲吸振的功能以外，还可以将内磁转子与被传动件完全封闭起 来，并且在没有机械接触的情况下，通过磁力作用将动力件的运动与动力传递 给被传动件，从而将动密封变为静密封。因此，磁力联轴器常作为磁力泵应用 于对密封有特殊要求的环境。 本测功系统主要有磁力联轴器、永磁发电机、耗能负载电阻、力传感器、 光电转速传感器和温度传感器等。永磁发电机为磁悬浮转子的负载，测功时在 发电状态运行，所产生的电能由负载电阻消耗。本测功机系统的基本结构为： 磁悬浮转子磁力联轴器永磁发电机负载电阻系统。测功示意图如 图2 1 所示。 1 、高速磁悬浮转子2 、磁力联轴器3 、永磁发电机 图2 1 高速磁恳浮转子测功示意图 武汉理 大学硕十学位论文 测功方法就是通过测试磁悬浮转子输出轴的转速和转矩， 算输出功率： p - m x n 9 5 5 0 根据如下公式计 ( 2 1 ) 式中：p ：动力机械的功率( k w ) ； 膨：输出轴上的扭矩( n m ) ； ”：输出轴的转速( r m i n ) 。 因此，测试动力机械的功率只要测出：输出轴上的扭矩m ，输出轴的转速 n 即可。 图2 2 测功机系统的结构框图 测功机系统的结构框图如图2 2 所示。测功机系统由磁悬浮转子、磁力联 轴器、永磁发电机、耗能负载电阻等组成。测功永磁发电机通过磁力联轴器与 被测磁悬浮转子相连，作为被测磁悬浮转子的负载吸收其输出的机械能，并将 之转化为电能，由负载电阻消耗。温度传感器检测磁力联轴器和永磁发电机内 部的温度，防止温升过高而导致永磁体的退磁：转速传感器检测磁悬浮转子的 输出转速；转矩的测量采用反向转矩测定法，拉压力传感器测量测功机定子外 壳与底座之间的作用力间接测出磁悬浮转子的输出转矩。温度传感器、转速传 感器和拉压力传感器输出信号通过信号调理模块输入工业控制计算机。尉时， 工业控制计算机还通过负载电阻控制模块来控制负载电阻的大小来调节永磁发 武汉理 大学硕士学位论文 电机的输出电流，来调节磁悬浮转子负载的大小。在测试过程中或测试结束后 完成所有的计算，以数据表格和图形的形式处理试验数据，以数据显示、打印 和长期保存；在对磁悬浮转子功率测试过程中如果出现异常情况，则发出报警， 计算机应做出相应的保护动作。 2 2 磁悬浮转子扭矩的测量 在测功机系统中，转矩检测是一个至关重要的环节，它的设计是否合理直 接关系到整个测试系统的可靠性和测试控制的精度。 转矩测量的方法很多，按其基本原理可以分为：平衡力法、能量转换法和 传递法三种。平衡力法是根据匀速工作的动力机械( 或制动机械) 对应主轴上 所承受的转矩，在机体上有大小相等方向相反的平衡力矩来测量转矩；能量转 换法则是一种间接测量力法，根据对应于转矩大小而变化的其它能量参数( 例 如电机的角加速度) 来测试转矩；传递法是根据弹性元件在传递转矩时会产生 扭变的原理，通过测量轴的内部应力或者导磁情况变化来反映转矩的大小。 本论文采用的是平衡力法。具体方法是将永磁发电机的定子外壳平衡浮置， 测定其反向转矩即可测得磁悬浮转子的输出转矩，亦称之为反向转矩测定法1 3 0 1 。 定子外壳平衡浮置的平衡式测功机的基本结构和普通发电机相似，由转子和定 子构成，但与普通发电机不同的是平衡式测功机的定子及其外壳不是固定在机 座上，而是可以自由摆动。转子通过轴承支撑在定子外壳上，定子外壳通过滚 动轴承浮动地支撑在底座上，定子外壳与电机底座之间用拉( 压) 力传感器相连 接。当磁悬浮转子通过磁力联轴器将扭矩传递到永磁发电机的转子，转子在发 电机的定子中运动受到磁力的作用，受到一个制动转矩，同时也向定子施加一 个大小相等、方向相反的反作用力矩。由于定子用轴承浮动支撑，因此拉( 压) 力传感器就可间接测出定子上所作用的转矩的大小。 当测功的永磁发电机稳定运行时，采用拉压力传感器测量出定子与底座之 问的反作用力f ，结构参数工为已知，磁悬浮转子扭矩：肘，一肘。t f 工。扭 矩测量原理如图2 3 所示。图2 3 中的符号代表的意义如下： m e ：磁悬浮转子的输出转矩，即磁悬浮转子通过磁力联轴器作用在发电机 转子上的机械转矩( 假设磁力联轴器j 下常运行，不打滑) ； m d ：拉压传感器作用在定子外壳上的甲衡转矩，即测得的转矩； ，：永磁发电机定子外壳与底座之问的拉( 压) 力。 武汉理。 大学硕士学位论文 4 1 、机壳2 、转子3 、定子4 、底座5 、拉压传感器 图2 3 磁悬浮转子扭矩测量原理图 该方法简单、测定数据不受测功电机效率、外界负荷、温度和测功电机参 数的影响，测定数据可靠。 2 3 高速磁悬浮转子转速的测量 2 3 1 转速检测方法 由公式( 2 1 ) 可知：转速信号用来确定测功机的工作点，也是系统重要物理 量之一，同时也是功率计算的重要元素。因此，测功机系统中转速检测同样也 是一个关键的环节，转速信号检测直接关系到整个测功系统的可靠性和精度。 在测功系统中，磁悬浮转子轴与测功永磁发电机转子轴采用磁力联轴器连接， 故测功机系统的转速一般测量磁悬浮转子轴的输出转速和负载永磁发电机的输 入转速。 转速传感器是将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器，属于间接式测 量装置。按信号形式的不同，转速传感器可分为模拟式和数字式两种。前者的 输出信号值是转速的线性函数，后者的输出信号频率与转速成正比，或其信号 峰值问隔与转速成反比。常用的转速传感器有光电式、电容式、磁电式、霍尔 式以及测速发电机等。 光电式转速传感器分为投射式和反射式两类。投射式光电转速传感器的读 数盘和测量盘有问隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 从光源投射到光敏元件上的光线产生一次明暗变化，光敏元件即输出电流脉冲 信号。反射式光电传感器在被测转轴上设有反射记号，由光源发出的光线通过 透镜和半透膜入射到被测转轴上。转轴转动时，反射记号对投射光点的反射率 发生变化。反射率变大时，反射光线经透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲 信号；反射率变小时，光敏元件无信号。在一定时间内对信号计数便可测出转 轴的转速值。 该系统将内转予与磁悬浮转子联为一体，因此，内转子的转速也就是磁悬 浮转子的转速。其间不存在速比或者滑差，也不需要考虑效率。采用光电编码 原理测量高速磁悬浮转子的转速。检测方法为：在永磁发电机上安装一个p l g ( p u l s el i g h tg e n e r a t o r 光电脉冲发生器) ，由单片机采集p ig 发出的脉冲信号。 这种方式可以避免发电机的电磁干扰，且简单易行。 2 3 2 常用的测速方法及误差分析 由上文分析可知，测量转速实际上就是测量传感器的输出信号的频率。由 于磁电式转速传感器输出信号为一近似正弦信号，为了便于利用数字电路测量 频率，通常将正弦信号整形成方波，常用的方波频率测量方法有m 法、t 法和 m f r 法，以下分析各种频率测量方法在本系统速度检测中的应用。 频率信号抗干扰性强，易于传输，可获得较高的测量精度。在该系统中， 影响内燃机输出功率的2 个参数( 鸩玎) 都是频率信号。因此频率信号的测量精度 决定着系统的精度。常用的转速测量方法有：m 法、t 法和m t 法。 ( 1 ) m 法( 即频率法) ，其原理是测量一定采样时间内p i g 的脉冲数，即测 量脉冲的频率【3 ”。设转轴每转1 周，p l g 发出的脉冲为p ，在t 时间内，p i g 累计发出的脉冲数为历-