CN105043621A - 一种小型超高速原动机的功率测量装置及方法 - Google Patents

一种小型超高速原动机的功率测量装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105043621A
CN105043621A CN201510377068.6A CN201510377068A CN105043621A CN 105043621 A CN105043621 A CN 105043621A CN 201510377068 A CN201510377068 A CN 201510377068A CN 105043621 A CN105043621 A CN 105043621A
Authority
CN
China
Prior art keywords
prime mover
power
electro spindle
hypervelocity
sized
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510377068.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105043621B (zh
Inventor
邓清华
齐文娇
丰镇平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201510377068.6A priority Critical patent/CN105043621B/zh
Publication of CN105043621A publication Critical patent/CN105043621A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105043621B publication Critical patent/CN105043621B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
  • Testing Of Engines (AREA)

Abstract

本发明公开了一种小型超高速原动机的功率测量装置及方法，该装置包括联轴器、电主轴、电容器、负载及功率分析仪，通过功率分析仪测量负载上的电信号获得被测原动机的功率参数。该功率测量装置及方法有效地解决了小型超高速原动机在气动性能试验时其功率参数经负载压气机性能参数换算难于准确测量的技术难题，并避免了采用小型超高速测功机导致的仪器购置费用高的问题。

Description

一种小型超高速原动机的功率测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种功率测量装置及方法，特别涉及一种小型超高速原动机气动性能试验用的功率测量装置及方法。
背景技术
众所周知，随着市场需求的拉动以及能源利用与加工制造技术的不断进步，目前作为原动机的叶轮机械正在快速向两个极端方向即超微型和超大型方向发展。如美国麻省理工学院研发的超微型叶轮机械，其叶轮直径仅为6mm，叶高仅为0.225mm，轴系转速高达1200000r/min，产生17W的轴功率。
对常规叶轮机械来说，其热能与机械功之间的能量转换是基于透平欧拉方程而完成的，即工质在流过静叶栅通道时，工质将全部或部分热能转换成速度，在流过动叶栅通道时，将剩余热能转换成速度，并且工质动量改变完成热能到机械功的转换。为降低余速损失，提高能量转换效率，级速比与反动度要合理匹配，即在反动度一定时，级速比基本为定值。然而鉴于超音速流动损失和材料许用离心应力问题，级理想等熵速度基本为定值。因此，无论叶轮机械的尺寸或功率大小，其直径与转速的乘积基本保持为常数。
由以上叶轮机械的设计理论可知，如果叶轮机械几何尺寸越小或输出功率越小，就需要越高的轴系转速以保证其具有高的热功转换效率，因此，在研制小型叶轮机械时，需要采用小型高转速的测功机消耗并测量原动机的功率，以准确获得其气动性能。
常规叶轮机械或动力机械在气动性能试验时，其功率测量主要有两种方式，一种是采用扭矩仪和耗功机械，一种是采用测功机。前一种方式利用耗功机械消耗原动机的功率，通过布置在转轴上的扭矩仪测量转轴上的扭矩和转速，从而获得原动机的功率；后一种当前主要有水力、电力和电涡流三种类型，无论哪种型式，均是在消耗原动机功率的同时，通过布置在壳体与基座间的力传感器以及转轴上的转速传感器获得扭矩和转速，从而获得原动机的功率。
然而对于小型叶轮机械或动力机械来说，由于超高速扭矩传感器的技术限制以及超高速测功机研制的技术障碍，使得小型超高速原动机的气动性能试验受到了极大限制。当前往往采用小型压气机作为负载，通过压气机或原动机气动参数的测量并换算间接获得原动机的功率数值，其精度较差，极大的阻碍了小型超高速原动机的研制。
当前市场上有能力设计和生产小型超高速测功机的企业极少，且最高转速偏低，价格昂贵，如美国MAGTROL公司，生产的测功机最高转速也不超过50000r/min，价格却高达40万人民币左右。因此，即使不考虑价格因素，采用测功机进行原动机的气动性能试验时，原动机的最高转速也不能超过50000r/min；当原动机的转速超过50000r/min时，无测功机可选用，必须采用小型压气机或其它耗功机械作为负载，其功率的测量精度会较差。
然而，鉴于高速测功机的价格因素，小型超高速原动机在进行气动性能试验时，如果转速超过10000r/min，一般就会采用小型压气机或者其它耗功机械作为负载，这样其功率的测量精度会较差。
电主轴技术是近年来在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，主轴采用内嵌式电动机直接驱动，缩短了机床的传动链，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪音低、响应快等优点，且转速高、功率大、能够简化机床设计，近年来获得了长足的发展，目前最高转速已高达150000r/min左右，其售价不足万元人民币。
申请号为201310345353.0的中国发明专利(公开号CN103398810A)提出了一种非接触式扭矩和功率测量装置及方法，其通过测量扭矩以及转速参数获得功率数值，是一种类似测功机的常规方式，只是在扭矩的获取方法上采用了类似电机的结构，基于转轴材料的力学特性，通过分析感应电压信号的相位差值(即变形量)，获得转轴上的扭矩参数。
发明内容
针对小型超高速原动机气动性能试验中测量功率的要求，本发明的目的在于提供一种小型超高速原动机的功率测量装置及方法，用于在研制小型超高速原动机时，能够较为精确的测量原动机的输出功率。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种小型超高速原动机的功率测量装置，包括电容器、功率分析仪以及与被测原动机相连的电主轴，所述电主轴与电容器的接法为星接或角接，所述电主轴与电容器的星接或角接中，每相至少接入一个电容器，所述功率分析仪分别与各相接入的负载相连，负载与接入对应相的电容器并联。
所述原动机是以流体驱动的动力机械。
所述电主轴采用异步电机驱动，电主轴的轴承采用油雾或油气润滑方式，电主轴的壳体采用液体冷却方式。
所述负载为电阻或电感。
所述原动机和电主轴的转速至少为10000r/min。
一种小型超高速原动机的功率测量方法，包括以下步骤：将原动机的机械能经联轴器传递给电主轴的转子，所述转子旋转时通过切割磁力线产生电能，电能经负载消耗的同时通过功率分析仪测量并分析负载上的电流与电压信号，从而获得并输出电主轴的功率参数，根据电主轴的功率参数以及机械能到电能的转换效率，最终获得原动机的功率参数。
本发明的有益效果体现在：
本发明所述小型超高速原动机的功率测量装置及方法，结合成熟的电主轴技术，可使小型超高速原动机在50000r/min～150000r/min转速范围内进行气动性能试验时，将常规采用小型压气机作为耗功机械，并利用气动参数换算间接获得原动机功率方法的测量精度从5％提高至2％，提高了测量精度。
另外，如果考虑高速测功机的高昂购置费用，本发明还可覆盖10000r/min～50000r/min的原动机气动性能试验转速范围，大幅降低试验仪器的购置费用，而与测功机测量相比，两者实际测量精度基本相当。
附图说明
图1是本发明所述小型超高速原动机的功率测量装置的结构框图；
图2是以盘式透平实验平台为例给出的装置的电路连接示意图，图中：1.盘式透平，2.联轴器，3.电主轴，4.电容器，5.负载，6.功率分析仪，7.高压气源，8.冷却，9.润滑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
参见图1，本发明的总体技术思路是利用现有的高速电主轴技术，通过合理的转换电路，使其转换成发电机，原动机驱动发电机时产生电能并在负载中消耗，通过功率分析仪测量电信号从而获得原动机的功率参数，有效地解决了小型超高速原动机气动性能试验时的功率测量技术难题。
参见图2，以设计功率为1kW的盘式透平气动性能试验平台为例，所述小型超高速原动机的功率测量装置的具体结构如下：
该装置包括联轴器2、电主轴3、电容器4、负载5以及功率分析仪6；电主轴3的转子通过联轴器2与盘式透平1的透平轴相连；电主轴3采用异步电机驱动，电主轴3的轴承采用油气润滑方式，电主轴3的壳体采用液体冷却方式；电容器4与电主轴3的接法是星接，每相(A相、B相以及C相)接入一个电容器4；负载5(负载A、负载B以及负载C)为电阻(选取时考虑额定电压和额定电流，防止击穿即可)，电阻与对应相内电容器并联；所述功率分析仪6与负载5相连，测量并分析从电主轴输出的电信号，盘式透平1和电主轴3的转速为80000r/min。
试验时，盘式透平1由高压气源7驱动，通过透平轴将机械能经联轴器2传递给电主轴3的转子，转子旋转时切割磁力线，产生电能，经负载5消耗，通过功率分析仪6测量负载5上的电流和电压信号并分析获得电主轴的功率参数，考虑机械能到电能的转换效率(通常为0.9～0.95)，用电主轴的功率参数除以转换效率，从而最终获得盘式透平的输出功率。
本发明基于电主轴技术，通过电流与电压参数获得功率，不涉及扭矩参数，获得功率参数的原理完全不同。另外，本发明在10000r/min～50000r/min范围内，与测功机测量方法的精度相当，同时提高了由于当前测功机不能覆盖转速范围50000r/min～150000r/min而采用小型压气机作为负载换算功率的测量方法的精度。

Claims (10)

1.一种小型超高速原动机的功率测量装置，其特征在于：包括电容器(4)、功率分析仪(6)以及与被测原动机相连的电主轴(3)，所述电主轴(3)与电容器(4)的接法为星接或角接，所述电主轴(3)与电容器(4)的星接或角接中，每相至少接入一个电容器，所述功率分析仪(6)分别与各相接入的负载(5)相连，负载与接入对应相的电容器并联。
2.根据权利要求1所述一种小型超高速原动机的功率测量装置，其特征在于：所述原动机是以流体驱动的动力机械。
3.根据权利要求1所述一种小型超高速原动机的功率测量装置，其特征在于：所述电主轴(3)采用异步电机驱动，电主轴(3)的轴承采用油雾或油气润滑方式，电主轴(3)的壳体采用液体冷却方式。
4.根据权利要求1所述一种小型超高速原动机的功率测量装置，其特征在于：所述负载(5)为电阻或电感。
5.根据权利要求1所述一种小型超高速原动机的功率测量装置，其特征在于：所述原动机和电主轴(3)的转速至少为10000r/min。
6.一种小型超高速原动机的功率测量方法，其特征在于：包括以下步骤：将原动机的机械能经联轴器(2)传递给电主轴(3)的转子，所述转子旋转时通过切割磁力线产生电能，电能经负载(5)消耗的同时通过功率分析仪(6)测量并分析负载上的电流与电压信号，从而获得并输出电主轴的功率参数，根据电主轴的功率参数以及机械能到电能的转换效率，最终获得原动机的功率参数。
7.根据权利要求6所述一种小型超高速原动机的功率测量方法，其特征在于：所述原动机是以流体驱动的动力机械。
8.根据权利要求6所述一种小型超高速原动机的功率测量方法，其特征在于：所述电主轴(3)采用异步电机驱动，电主轴(3)的轴承采用油雾或油气润滑方式，电主轴(3)的壳体采用液体冷却方式。
9.根据权利要求6所述一种小型超高速原动机的功率测量方法，其特征在于：所述负载(5)为电阻或电感。
10.根据权利要求6所述一种小型超高速原动机的功率测量方法，其特征在于：所述原动机和电主轴(3)的转速至少为10000r/min。
CN201510377068.6A 2015-06-30 2015-06-30 一种小型超高速原动机的功率测量装置及方法 Active CN105043621B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510377068.6A CN105043621B (zh) 2015-06-30 2015-06-30 一种小型超高速原动机的功率测量装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510377068.6A CN105043621B (zh) 2015-06-30 2015-06-30 一种小型超高速原动机的功率测量装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105043621A true CN105043621A (zh) 2015-11-11
CN105043621B CN105043621B (zh) 2018-02-27

Family

ID=54450341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510377068.6A Active CN105043621B (zh) 2015-06-30 2015-06-30 一种小型超高速原动机的功率测量装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105043621B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110850287A (zh) * 2019-10-22 2020-02-28 北京动力机械研究所 一种12万转高速永磁电机试验台测试装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2648427Y (zh) * 2003-09-23 2004-10-13 洛阳轴研科技股份有限公司 高速电机输出功率测试装置
CN201795882U (zh) * 2010-07-28 2011-04-13 浙江松菱电气有限公司 一种动力机械功率测试装置
CN103759870A (zh) * 2014-01-22 2014-04-30 佛山市川东磁电股份有限公司 一种用于间歇性做功设备输出功率值的测量方法及系统
CN104076280A (zh) * 2013-03-28 2014-10-01 深圳市万新科技有限公司 一种交流发电机的测试系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2648427Y (zh) * 2003-09-23 2004-10-13 洛阳轴研科技股份有限公司 高速电机输出功率测试装置
CN201795882U (zh) * 2010-07-28 2011-04-13 浙江松菱电气有限公司 一种动力机械功率测试装置
CN104076280A (zh) * 2013-03-28 2014-10-01 深圳市万新科技有限公司 一种交流发电机的测试系统
CN103759870A (zh) * 2014-01-22 2014-04-30 佛山市川东磁电股份有限公司 一种用于间歇性做功设备输出功率值的测量方法及系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110850287A (zh) * 2019-10-22 2020-02-28 北京动力机械研究所 一种12万转高速永磁电机试验台测试装置
CN110850287B (zh) * 2019-10-22 2021-09-28 北京动力机械研究所 一种12万转高速永磁电机试验台测试装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN105043621B (zh) 2018-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101930054B (zh) 便携式电机参数检测装置
CN105699074B (zh) 一种叶片‑转子系统流固耦合动态特性试验装置
CN107063688B (zh) 配对角接触球轴承动态磨损测试装置
CN204301901U (zh) 微特电机反作用力矩测试仪
CN105300681B (zh) 一种电主轴温度与热变形试验装置
CN103592112A (zh) 一种电主轴加载测试系统及方法
CN101504422B (zh) 风扇转速测量方法
CN104697798A (zh) 航空发动机叶尖间隙三维表征与光纤动态检测系统及方法
CN105467223A (zh) 电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统及方法
CN201156012Y (zh) 轴承性能试验机
CN202794484U (zh) 定子磁通量检测装置
CN105043621A (zh) 一种小型超高速原动机的功率测量装置及方法
CN107192483B (zh) 一种测功机
CN203177825U (zh) 汽轮机隔板洼窝中心测量装置
CN206054188U (zh) 一种同步测试风力机气动效率和发电效率的装置
CN204575221U (zh) 用于电机转子温升实时测量的空心共轴对拖电机试验台
CN110736621A (zh) 径向动压空气轴承动态冷却测量装置
Aglen Back-to-back tests of a high-speed generator
CN110426208B (zh) 一种高温应变计安装工艺可靠性验证装置
Walter et al. Asynchronous solid rotors as high-speed drives in the megawatt range
CN205450117U (zh) 一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统
CN109238709A (zh) 一种滚动轴承当量摩擦系数测量装置与方法
CN104776939B (zh) 用于电机转子温升实时测量的空心共轴对拖电机试验台
CN202049045U (zh) 一种适用于旋转轴弯曲和相位测试的装置
CN204314014U (zh) 一种高速转子在线动平衡头结构

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant