CN105467223A - 电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统及方法。原动机和被测电机共用一根空心长轴实现转速同步并进行转矩传递；被测电机的定子可更换，被测电机的转子套在空心长轴上，转子内置有温度传感器，空心长轴上固定安装有电阻应变式转矩转速测试仪，空心长轴一端作为引出端并设有电刷滑环，温度传感器和电阻应变式转矩转速测试仪均通过空心长轴内部的连线连接到空心长轴引出端的电刷滑环，电刷滑环与测量电桥相连。本发明的被测电机定子可更换，从而实现多种材料在电机应用场合下，不同磁场环境中的铁心损耗的测量，可模拟电机运行环境下的复杂磁场，更接近实际应用工况，并可模拟测量电机运行时的瞬时铁损。

Description

电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统及方法

技术领域

本发明涉及了一种电机环境下的电工材料测试系统及方法，尤其是涉及一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统及方法。

背景技术

电机运行过程中会产生功率损耗，主要包括铁芯损耗、定转子铜耗、风摩损耗、杂散损耗等，其中，铁心损耗作为一种固定损耗，占据了电机运行损耗中的一大部分，特别是在高速和非正弦供电的电机中，铁心损耗占的比重更大，故无论是在电机设计还是在对电机性能进行分析时，准确有效地测量电机铁芯损耗都是十分重要的。

而目前对电机实际铁芯损耗的计算与测量并无行之有效的手段——传统的损耗测试方法，或者是基于材料本身的研究，无法模拟材料在具体的电机运用场合的实际运行工况——如实际电机运行中存在由电枢反应引起的磁场畸变、电机结构复杂存在齿槽效应等影响、旋转磁场同时存在空间矢量与时间矢量等；或者是电机在单一的运行状态下的工况模拟，中间有诸多的测量环节，误差较大。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，为了准确地模拟材料在实际运用工况中的铁心损耗，本发明提供了一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统及方法，能够在模拟电机环境下测试材料在多种磁场环境中的铁芯损耗情况，实现铁芯损耗的精确测量。

本发明采用的技术方案是：

一、一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统：

包括原动机、被测电机、空心长轴、电阻应变式转矩转速测试仪、温度传感器和电气测试装置，原动机和被测电机共用一根空心长轴实现转速同步并进行转矩传递；被测电机的定子可更换，被测电机的转子套在空心长轴上，转子内置有温度传感器，空心长轴上固定安装有电阻应变式转矩转速测试仪，空心长轴一端作为引出端并设有电刷滑环，温度传感器和电阻应变式转矩转速测试仪均通过空心长轴内部的连线连接到空心长轴引出端的电刷滑环，电刷滑环与测量电桥相连；原动机、被测电机、温度传感器和电阻应变式转矩转速测试仪均连接电气测试装置。

所述的被测电机定子侧不励磁，转子侧通直流电压励磁，转子励磁绕组通过空心长轴内部的连线引出连接到电源，实现励磁电流的调节。其被测电机转子侧由直流励磁，而定子侧不通电流，可避免转子铁耗对测量的影响，简单更换定子侧的铁心材料，即可测量不同材料的铁心损耗。

所述的电阻应变式转矩转速测试仪包括用于测量原动机转矩和转速的电阻应变式转矩传感器和转速传感器，安装于原动机和被测电机之间的空心转轴上，转矩传感器和转速传感器的应变式电阻贴片通过空心长轴内部的连线连接到电刷滑环。

所述的原动机的转矩转速可调节，是异步电机、同步电机等。

所述的温度传感器安装于被测电机转子励磁绕组中，测量运行中的绕组温度。

所述的电气测试装置包括用于测量原动机、被测电机、电阻应变式转矩转速测试仪和温度传感器电参数的电压表和电流表。

本发明与普通的材料特性测量装置相比，更接近实际电机的运行工况，改变原动机转速与被测电机转子的励磁电流，即可测量不同磁场环境下的铁心损耗。

本发明也不同于一般的电机功率测量，共用一根空心轴一方面省去了变频控制等环节，可以避免其它环节损耗对测量的影响，另一方面可解决普通电机对拖中由双轴引起的轴心对齐困难等问题，达到更好的机械功率传递的效果。

本发明通过空心长轴可使整个系统的测量、调节环节构成一个整体。

所述系统置于真空环境内，原动机、被测电机分别与空心长轴之间均采用磁悬浮轴承连接，即将普通轴承更换为磁悬浮轴承，可消除被测电机转子风力摩擦损耗和轴承摩擦损耗的影响，可进一步提高测量精度。

二、一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试方法，其步骤如下：

1)启动原动机，被测电机定转子空载，调节原动机的转速，此时测得原动机的输出功率为P1；

被测电机不通电流，调节原动机的转速至n。此时，由转矩转速测试仪可得转矩和转速分别为T₁,Ω₁。由计算公式P＝TΩ可得此时的原动机输出功率P₁＝T₁Ω₁。

2)在被测电机转子侧通入直流电流励磁，调节原动机转速至原转速不变，此时测得原动机输出功率为P2；

在被测电机转子测通入励磁电流，再次启动原动机，调节电机转速至相同转速n。此时，由转矩转速测试仪可得转矩和转速分别为T₂，Ω₂，故原动机输出功率P₂＝T₂Ω₂。

3)计算获得被测电机转子侧的铜耗为P3，转子侧的励磁功率为P4：

由温度传感器可得到转子绕组的实际工作温度，根据绕组的温度系数计算实际电阻值为R，利用电路测量装置，可得转子侧的电压值U和电流值i。根据公式P＝i²R和P＝Ui，可得被测电机转子侧铜耗为P₃＝i²R，转子励磁功率为P₄＝Ui。进而获得被测电机的铁耗为P2+P4-P1-P3。

4)被测电机转子不变，更换被测电机定子重复上述步骤1)～3)进行不同被测电机的铁耗测试。

将所述系统置于真空环境内，将原动机、被测电机分别与空心长轴之间的轴承均采用磁悬浮轴承连接，即将普通轴承更换为磁悬浮轴承，可消除被测电机转子风力摩擦损耗和轴承摩擦损耗的影响，可进一步提高测量精度。

原动机由变频器控制，由可知，p表示功率，通过原动机的变频调速，可调节被测电机的磁场频率f。调节原动机的转速以及励磁电流的大小，可以改变磁场的频率和强度分布，由此即可测量在不同的磁场环境下的铁耗情况。

本发明的有益效果是：

本发明的测量装置，不同于一般的电机功率测量，其转子转轴直接与原动机相连，省去了变频控制等环节，可以避免许多中间环节损耗——如变频器损耗、通风、负载损耗等对测量的影响，并且只要简单更换定子，即可实现多种测试材料的测量。

另一方面，与普通的材料特性测量装置相比，本装置更接近实际电机的运行工况，通过改变转子的励磁电流和原动机转速，即可实际观测在不同的复杂磁场环境下的铁心损耗。

与传统的铁心损耗测试系统相比，可以实现更加方便、精确的损耗测量。

附图说明

图1是本发明铁芯损耗测试系统结构示意图。

图中：原动机1、空心长轴2、电阻应变式转矩转速测试仪3、温度传感器4、被测电机5、电刷滑环6、原动机转子7、被测电机转子8，测量电桥9。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括原动机1、被测电机5、空心长轴2、电阻应变式转矩转速测试仪3、温度传感器1和电气测试装置，原动机1和被测电机5共用一根空心长轴2实现转速同同步并进行转矩传递；被测电机5的定子可更换，被测电机5的转子套在空心长轴2上，转子内置有温度传感器4，空心长轴2上固定安装有电阻应变式转矩转速测试仪3，空心长轴2一端作为引出端并设有电刷滑环6，温度传感器4和电阻应变式转矩转速测试仪3均通过空心长轴2内部的连线连接到空心长轴2引出端的电刷滑环6，电刷滑环6与测量电桥9相连；原动机1、被测电机5、温度传感器4和电阻应变式转矩转速测试仪3均连接电气测试装置。

被测电机5定子侧不励磁，转子侧通直流电压励磁，转子励磁绕组通过空心长轴2内部的连线引出连接到电源，实现励磁电流的调节。其被测电机转子侧由直流励磁，而定子侧不通电流，可避免转子铁耗对测量的影响，简单更换定子侧的铁心材料，即可测量不同材料的铁心损耗。

电阻应变式转矩转速测试仪3包括用于测量原动机转矩和转速的电阻应变式转矩传感器和转速传感器，安装于原动机1和被测电机5之间的空心转轴2上，转矩传感器和转速传感器的应变式电阻贴片通过空心长轴2内部的连线连接到电刷滑环6。

温度传感器4安装于被测电机5转子励磁绕组中，测量运行中的绕组温度。

电气测试装置包括用于测量原动机1、被测电机5、电阻应变式转矩转速测试仪3和温度传感器4电参数的电压表和电流表。

进一步优选地可将系统置于真空环境内，原动机1、被测电机5分别与空心长轴2之间均采用磁悬浮轴承连接。

原动机1的转子铁心7与转轴2固定连接，类型可以是异步电机或同步电机。

通过空心长轴2，连接原动机转子7和被测电机转子8，利用接触式电阻应变旋转扭矩传感器来测量旋转轴的转矩。其原理是：转轴由于受扭产生机械应变，引起贴在轴上的应变计变形，使其电阻值发生改变,从而导致应变电桥失衡，输出与扭矩成正比的微弱电压信号，然后即可根据材料力学中应变和扭矩的关系得到相应扭矩大小，这里信号的传输采用接触式的电刷滑环和刷臂。旋转轴上的应变桥把电压信号传递给和旋转轴一起旋转的电刷滑环6，电刷滑环再把信号传递给和其接触的固定在传感器外壳上的导电刷臂，从而完成信号由旋转到静止的可靠传递。利用霍尔传感器测量电机的转速，由电机的转矩、转速，即可求得原动机的输出功率。

被测电机5由转子励磁，调节通入转子的励磁电流的大小，即可改变磁场的强度和分布。由此测量不同的磁场环境下的铁损情况。在转子侧放置温度传感器4，通过空心长轴连接至测量电路，可通过绕组的温度变化，结合铜的温度系数来测量绕组的实时电阻R，通过电路测量装置可测得通过绕组的电流值i，由此可计算得出转子的实际铜耗。

被测电机的定子不励磁，而转子的励磁电流为直流，在电机运转过程中转子侧不产生铁耗，由此避免了转子侧的铁耗对测量结果的影响，最终所测得的铁耗即为定子铁心材料的损耗，由此可知，只要更换定子材料，即可测量不同材料的铁心损耗。

由上述可知，本装置中特别采用了空心长轴，一方面连接原动机和被测电机，解决了传统电机对拖中轴心对齐困难的问题，可以达到更好的功率传递效果，另一方面，转矩测量、电流电压测量、绕组温度测量等装置的接线均可通过空心长轴引出，使得整个装置成为统一整体。

本发明的具体实施例及其具体测试过程如下：

1)启动原动机1，被测电机5定转子空载，调节原动机1的转速，此时测得原动机1的输出功率为P1；

2)在被测电机5转子侧通入直流电流励磁，调节原动机1转速至原转速不变，此时测得原动机1输出功率为P2；

3)计算获得被测电机5转子侧的铜耗为P3，转子侧的励磁功率为P4，由功率守恒，获得被测电机的铁耗为P2+P4-P1-P3。

4)被测电机5转子不变，更换被测电机5定子重复上述步骤1)～3)进行不同被测铁芯材料的铁耗测试。

另外可将系统置于真空环境内，将原动机1、被测电机5分别与空心长轴2之间的轴承均采用磁悬浮轴承连接用以消除被测电机转子风力摩擦损耗和轴承摩擦损耗的影响，可进一步提高测量精度。

由此可见，本发明与已有的电工钢材料特性测试装置相比具有突出显著的技术效果，一方面结合了电机结构，模拟电机运行环境下的复杂磁场，从而使测量结果更接近实际应用工况；并且与单台电机铁心损耗测试相比，另一方面可实现其他损耗的准确分离，减少测量环节，通过稳态测量，模拟测量电机运行时的瞬时铁损。

Claims (9)

1.一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统，其特征在于：包括原动机(1)、被测电机(5)、空心长轴(2)、电阻应变式转矩转速测试仪(3)、温度传感器(4)和电气测试装置，原动机(1)和被测电机(5)共用一根空心长轴(2)实现转速同步并进行转矩传递；被测电机(5)的定子可更换，被测电机(5)的转子套在空心长轴(2)上，转子内置有温度传感器(4)，空心长轴(2)上固定安装有电阻应变式转矩转速测试仪(3)，空心长轴(2)一端作为引出端并设有电刷滑环(6)，温度传感器(4)和电阻应变式转矩转速测试仪(3)均通过空心长轴(2)内部的连线连接到空心长轴(2)引出端的电刷滑环(6)，电刷滑环(6)与测量电桥(9)相连；原动机(1)、被测电机(5)、温度传感器(4)和电阻应变式转矩转速测试仪(3)均连接电气测试装置。

2.根据权利要求1所述的一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统，其特征在于：所述的被测电机(5)定子侧不励磁，转子侧通直流电压励磁，转子励磁绕组通过空心长轴(2)内部的连线引出连接到电源，实现励磁电流的调节。

3.根据权利要求1所述的一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统，其特征在于：所述的电阻应变式转矩转速测试仪(3)包括用于测量原动机转矩和转速的电阻应变式转矩传感器和转速传感器，安装于原动机(1)和被测电机(5)之间的空心转轴(2)上，转矩传感器和转速传感器的应变式电阻贴片通过空心长轴(2)内部的连线连接到电刷滑环(6)。

4.根据权利要求1所述的一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统，其特征在于：所述的原动机(1)的转矩转速可调节，是异步电机、同步电机等。

5.根据权利要求1所述的一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统，其特征在于：所述的温度传感器(4)安装于被测电机(5)转子励磁绕组中，测量运行中的绕组温度。

6.根据权利要求1所述的一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统，其特征在于：所述的电气测试装置包括用于测量原动机(1)、被测电机(5)、电阻应变式转矩转速测试仪(3)和温度传感器(4)电参数的电压表和电流表。

7.根据权利要求1所述的一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试系统，其特征在于：所述系统置于真空环境内，原动机(1)、被测电机(5)分别与空心长轴(2)之间均采用磁悬浮轴承连接。

8.一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试方法，其特征在于采用权利要求1～7所述的系统，步骤如下：

1)启动原动机(1)，被测电机(5)定转子空载，调节原动机(1)的转速，此时测得原动机(1)的输出功率为P1；

2)在被测电机(5)转子侧通入直流电流励磁，调节原动机(1)转速至原转速不变，此时测得原动机(1)输出功率为P2；

3)计算获得被测电机(5)转子侧的铜耗为P3，转子侧的励磁功率为P4，由功率守恒，获得被测电机的铁耗为P2+P4-P1-P3；

4)被测电机(5)转子不变，更换被测电机(5)定子重复上述步骤1)～3)进行不同被测电机(5)的铁耗测试。

9.根据权利要求8所述的一种电机环境下的电工钢材料铁芯损耗测试方法，其特征在于：将所述系统置于真空环境内，将原动机(1)、被测电机(5)分别与空心长轴(2)之间的轴承均采用磁悬浮轴承连接。