井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置研究與應(yīng)用

許志義 蘇佩佩 楊智清 穆智新

摘要：與異步電動機(jī)相比，永磁同步電動機(jī)具有效率高、啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕的優(yōu)點。近年來，隨著永磁同步電動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機(jī)逐漸應(yīng)用在井用潛水泵領(lǐng)域，但是，由于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩測量儀無法直接在水下環(huán)境工作，因此，目前還無法直接對井用永磁同步電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的測量。本文通過對井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量方法進(jìn)行研究分析，設(shè)計了一種井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置，可安裝在井用潛水泵和井用永磁同步電動機(jī)之間，直接測量井用永磁同步電動機(jī)工作時的轉(zhuǎn)矩。經(jīng)試驗測試，該裝置密封良好，通過試驗數(shù)據(jù)對比分析表明，本文設(shè)計的井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置測量精度符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵字：轉(zhuǎn)矩測量;井用永磁同步電動機(jī);轉(zhuǎn)矩測量儀;機(jī)械密封

中圖分類號：TH69文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

異步電動機(jī)在定子通入三相電流后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流，定子的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體進(jìn)行相對切割運動。根據(jù)電磁力定律，在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，向外輸出機(jī)械能。而永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子本身含有固定磁場，定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場通過相互作用使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，向外輸出機(jī)械能[1]。永磁同步電動機(jī)取消了勵磁繞組和集電環(huán)，與普通電勵磁同步電動機(jī)相比，不僅提高了可靠性且維護(hù)方便，其效率也有了提高;與異步電動機(jī)相比，不但效率提高，功率因數(shù)也大大改善。而且，永磁電動機(jī)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更加顯著[2]，特別適合于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載。近年來，隨著永磁同步電動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機(jī)逐漸應(yīng)用在井用潛水泵領(lǐng)域，即井用永磁同步電動機(jī)，但是，由于井用永磁同步電動機(jī)本身構(gòu)造特點和水下工作的環(huán)境要求，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩測量儀無法在水下環(huán)境對其進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的測量，導(dǎo)致無法測量井用永磁同步電動機(jī)的效率。本文通過對井用永磁同步電動機(jī)效率的測量方法進(jìn)行分析，設(shè)計制造了一種井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置，將其安裝在井用潛水泵和井用永磁同步電動機(jī)之間，直接測量井用永磁同步電動機(jī)工作時的轉(zhuǎn)矩，通過轉(zhuǎn)矩計算出井用永磁同步電動機(jī)的輸出功率，進(jìn)而計算出井用永磁同步電動機(jī)的效率。經(jīng)試驗測試，該裝置密封良好，通過比對實驗，結(jié)果表明，本文設(shè)計制造的井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置測量精度符合設(shè)計要求。

1 井用永磁同步電動機(jī)效率的計算

對永磁同步電動機(jī)來說，計算其效率時，可以采用A法即輸入—輸出法，也可以采用B法即損耗分析及輸入—輸出法間接測量雜散損耗[3]，但無論是采用A法還是B法，都需要對永磁同步電動機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量讀數(shù)。對于非水下工作的永磁同步電動機(jī)，可以直接使用現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩測量儀（含測功機(jī)和傳感器）進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的測量，但是對于井用永磁同步電動機(jī)，由于其在水下工作，而目前市場上還沒有可以直接在水下工作的轉(zhuǎn)矩測量儀，因此目前還無法對井用永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，進(jìn)而無法計算井用永磁同步電動機(jī)的效率。為了實現(xiàn)對井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的測量，進(jìn)而計算其效率，為井用永磁同步電動機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，本文設(shè)計了制造了一種井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置。

2 井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置的設(shè)計

本文設(shè)計制造的井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置由連接部分、密封部分、測量部分和定位支撐部分組成，其核心是轉(zhuǎn)矩測量儀，圖1是本文設(shè)計的井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置整體外形圖，圖2是井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

本文設(shè)計的井用永磁同步電動機(jī)整體呈圓筒形，在裝置的上部和下部分別設(shè)有用于和井用潛水泵、井用永磁同步電動機(jī)連接的上、下連接段。上、下連接段上分別設(shè)有定位止口和定位凸臺，通過定位止口和定位凸臺，來保證井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置安裝時的定位精度。上、下連接段上設(shè)有螺栓孔，通過螺栓與井用潛水泵和井用永磁同步電動機(jī)連接固定。

井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置的主體部分為圓筒狀的密封殼體，密封殼體的上、下兩端分別設(shè)有上蓋板和下蓋板，上、下蓋板與密封殼體之間通過止口進(jìn)行定位，上、下蓋板上設(shè)有螺栓孔，通過螺栓將上、下蓋板固定安裝在密封殼體上，并通過橡膠墊進(jìn)行密封。上、下蓋板圓心部分設(shè)有圓孔，轉(zhuǎn)矩測量儀的上、下軸分別從蓋板上、下圓孔穿過，在上、下圓孔處設(shè)有機(jī)械密封，機(jī)械密封的動環(huán)套緊在轉(zhuǎn)矩測量儀的上、下軸上，機(jī)械密封的靜環(huán)安裝在上、下蓋板上，通過機(jī)械密封對轉(zhuǎn)矩測量儀的上、下軸進(jìn)行密封，并且在轉(zhuǎn)矩測量儀的上軸設(shè)有甩水環(huán)，防止機(jī)械密封發(fā)生意外泄漏情況時，液體浸濕轉(zhuǎn)矩測量儀。

井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置中的轉(zhuǎn)矩測量儀的上、下軸通過聯(lián)軸器分別與井用潛水泵軸、井用永磁同步電動機(jī)軸連接。工作時，轉(zhuǎn)矩測量儀將測量到的轉(zhuǎn)矩以頻率信號的格式，通過線纜傳輸?shù)叫盘柌杉@示儀表。

在井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置密封殼體內(nèi)部設(shè)有上、下定位支撐板，密封殼體內(nèi)壁上設(shè)有定位臺階，通過定位臺階和上、下定位支撐板對轉(zhuǎn)矩測量儀進(jìn)行軸向定位，并通過螺栓將上、下定位支撐板鎖緊固定，保證轉(zhuǎn)矩測量儀軸向位置固定牢固。在上、下定位支撐板圓心部位設(shè)有定位止口，通過定位止口對轉(zhuǎn)矩測量儀進(jìn)行徑向定位固定，在加工時，通過保證上下定位支撐板上定位止口和上、下連接段定位止口、定位凸臺的同軸度，以此來保證轉(zhuǎn)矩測量儀安裝后與井用潛水泵軸、井用永磁同步電動機(jī)軸的同軸度。

3 試驗和結(jié)果分析

井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置加工制造完成后，為了驗證其密封性和測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，將其安裝在井用潛水泵和井用潛水異步電動機(jī)之間，進(jìn)行了負(fù)載試驗、空載試驗等，并分別通過損耗分析法和直接測量轉(zhuǎn)矩法計算了井用潛水異步電動機(jī)的輸出功率。

試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置運行時密封良好，無滲水現(xiàn)象發(fā)生，轉(zhuǎn)矩測量儀工作正常。

進(jìn)行試驗時，井用潛水泵規(guī)格為175QJ32-48，配套井用潛水異步電動機(jī)的功率為7.5kW，采用傳統(tǒng)損耗分析法進(jìn)行電動機(jī)輸出功率的計算時，通過電動機(jī)負(fù)載試驗和電動機(jī)空載試驗測得功率、電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)計算得到定子繞組損耗為601.42W，轉(zhuǎn)子繞組損耗為829.39W，鐵耗為367.37W，機(jī)械耗為325.00W，雜散耗為120.00W，電動機(jī)輸入功率為9748.76W，根據(jù)電動機(jī)輸出功率=電動機(jī)輸入功率—定子繞組損耗—轉(zhuǎn)子繞組損耗—鐵耗—機(jī)械耗—雜散耗，計算得出電動機(jī)輸出功率為7505.57W。而通過本文設(shè)計的轉(zhuǎn)矩測量裝置直接測量得到的電動機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)矩為24.9N.m，轉(zhuǎn)速為2870r/min，計算得到輸出功率為7483.82W。通過試驗數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)損耗分析法得到的輸出功率和采用直接測量轉(zhuǎn)矩法得到的輸出功率基本一致，精度符合設(shè)計要求，因此可以確定通過本文設(shè)計的井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置測得的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確、可靠的。

結(jié)論

本文設(shè)計制造了一種井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩測量裝置，通過試驗和數(shù)據(jù)對比分析，驗證了該裝置在水下環(huán)境測量電動機(jī)轉(zhuǎn)矩時密封性良好，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，為井用永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的測量提供了一種參考方式。

參考文獻(xiàn)

[1]李畢勝. 礦用永磁同步電動機(jī)的試驗研究[J]. 煤礦機(jī)電，2019，40（5）：5-7.

[2]唐任遠(yuǎn)等. 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3]GB/T22669-2008. 三相永磁同步電動機(jī)試驗方法[S].