不同連接方式對電機(jī)效率測試影響分析

徐智雯 鄭海杰 翁曉偉 黃和平 項(xiàng)京成

摘 要：為提升電機(jī)能效檢測的準(zhǔn)確度，在不同連接方式下對電機(jī)采用A法和B法進(jìn)行試驗(yàn)并計(jì)算電機(jī)效率，分析測試結(jié)構(gòu)，得出撓性聯(lián)軸器和剛性聯(lián)軸器對電機(jī)效率測試的影響程度，并對此提出合理化建議。

關(guān)鍵詞：三相異步電機(jī)；連接方式；聯(lián)軸器；效率測試

中圖分類號：TM343? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0042-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.011

0? ? 引言

電機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中最為重要的驅(qū)動設(shè)備，在實(shí)際工作中電機(jī)通過軸連接的方式對外輸出能量，電機(jī)能量的輸出效率與連接方式有直接關(guān)系。在試驗(yàn)運(yùn)行過程中，電機(jī)與被驅(qū)動設(shè)備之間沒有完全嚴(yán)格對中時(shí)，會導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行溫度過高、噪聲過大、設(shè)備磨損變形等情況，對整個(gè)電機(jī)工作系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

我國早在2002年就針對電機(jī)能效指標(biāo)做出了明確規(guī)定，同時(shí)也在2012年提出了三相異步電機(jī)試驗(yàn)方法，針對不同功率大小的三相異步電機(jī)提出了七種效率的試驗(yàn)方法，其中包括計(jì)算輸入/輸出功率的比值的A法、測量輸入/輸出功率及其五大損耗的B法、成對電機(jī)雙電源對拖回饋試驗(yàn)損耗分析的C法、測量輸入功率損耗的E（E1）法、采用等值電路的F（F1）法、降低電壓負(fù)載測量的G（G1）法、圓圖法H法，其中B法為低不確定度方法，是中小型電機(jī)能效的主要測量方法[1]。但是在相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法中，并未對電機(jī)的連接方式和連接時(shí)的安裝誤差范圍作明確規(guī)定，也未詳細(xì)說明不同連接方式對電機(jī)能效測試結(jié)果的不確定度[2]。為了提升電機(jī)效率測試的準(zhǔn)確度，本文設(shè)計(jì)了不同連接方式下的A法和B法能效試驗(yàn)，擬對此方面影響因素進(jìn)行分析。

1? ? 試驗(yàn)方法

電動機(jī)和測功機(jī)一般采取聯(lián)軸器的連接方式，常用的聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類。常見的剛性聯(lián)軸器分為凸緣聯(lián)軸器、徑向鍵凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器和平行軸聯(lián)軸器，剛性聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，缺點(diǎn)是連接兩軸對中精度不夠時(shí)會影響傳動精度和傳動效率。常見的撓性聯(lián)軸器分為無彈性元件撓性聯(lián)軸器、非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器、金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器等，其優(yōu)點(diǎn)是具有不同程度的軸向、徑向、角向補(bǔ)償和減振緩沖的作用，能改善傳動系統(tǒng)的工作性能，但撓性聯(lián)軸器相較剛性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，成本和維護(hù)費(fèi)用高。本文設(shè)計(jì)了剛性聯(lián)軸器和金屬橡膠環(huán)聯(lián)軸器在不同對中情況下的能效測試試驗(yàn)，以一臺額定功率為1.5 kW的三相異步電機(jī)為測試目標(biāo)，搭建能效測試平臺。

本次試驗(yàn)分為九組，第1、2組在完全對中的情況下分別采用剛性聯(lián)軸器和金屬橡膠環(huán)聯(lián)軸器進(jìn)行能效測試；第3～9組均采用金屬橡膠環(huán)聯(lián)軸器進(jìn)行能效測試，其中第3～5組在完全對中情況下通過調(diào)節(jié)聯(lián)軸器間距1.0、2.0、3.0 mm進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1（a）所示；第6、7組在平行不對中（高度差為0.1、0.2 mm）情況下進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1（b）所示；在實(shí)際電機(jī)安裝過程中，電機(jī)的偏移角度大于5°后，安裝時(shí)容易檢測出來，所以第8、9組的斜角不對中只選擇在偏移角度為5°內(nèi)的角度（角度為3°、5°）進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1（c）所示。

2? ? 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1? ? 儀器設(shè)備

試驗(yàn)時(shí)，電氣測量儀表的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.2級；數(shù)字功率計(jì)準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.2級；轉(zhuǎn)速測量儀準(zhǔn)確度應(yīng)在0.1%以內(nèi)或誤差1 r/min以內(nèi)，取兩者較小值；轉(zhuǎn)矩測量儀及測功機(jī)準(zhǔn)確度應(yīng)不低于0.2級；溫度計(jì)的誤差應(yīng)在±1 ℃以內(nèi)。試驗(yàn)設(shè)備精度及型號如表1所示。

2.2? ? 試驗(yàn)電源

試驗(yàn)電源的電壓為三相對稱系統(tǒng)。三相電壓系統(tǒng)的負(fù)序分量應(yīng)小于正序分量的0.5%，且零序分量的影響應(yīng)予消除。在進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)諧波電壓因數(shù)應(yīng)不超過2.5%，試驗(yàn)電源的頻率與額定頻率之差應(yīng)在額定頻率的±0.3%范圍內(nèi)。此次試驗(yàn)采用艾普斯的AFC-33075T-V0-F0-I0變頻電源能滿足相關(guān)要求。

2.3? ? 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境

實(shí)驗(yàn)室保持干燥，實(shí)驗(yàn)室溫度一般應(yīng)保持在10～40 ℃，相對濕度為≤90%。試驗(yàn)時(shí)溫度為15～20 ℃，相對濕度為25%～50%。

2.4? ? 熱電偶選擇和布置

（1）熱電偶預(yù)選：試驗(yàn)前取多路熱電偶置于環(huán)溫中進(jìn)行相互校核，溫度顯示超過平均值0.3 ℃的熱電偶應(yīng)剔出，不允許在試驗(yàn)中采用；

（2）在被試電機(jī)的繞組端部至少埋置2根熱電偶，分別位于繞組端部3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘位置；

（3）正確記錄預(yù)置入電機(jī)內(nèi)部的熱電偶編號及所處的位置；

（4）在測量環(huán)境溫度時(shí)應(yīng)在電機(jī)進(jìn)風(fēng)源方向1～2 m處布置2～3個(gè)熱電偶，處于電機(jī)高度一半的位置，并應(yīng)防止外來輻射及氣流的影響。

3? ? 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1? ? A法測試結(jié)果

在A法測量過程中，待電機(jī)運(yùn)行到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，分別采集25%～150%負(fù)載試驗(yàn)時(shí)的A法效率數(shù)據(jù)，所測得的數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，在不同連接方式下，50%負(fù)載時(shí)第1組和第9組效率差最大，為3.1%；隨著負(fù)載的改變，效率差也在不斷改變。在9種不同連接方式下，不同負(fù)載試驗(yàn)時(shí)A法測試的效率差基本在2%～3%的范圍，具體如圖2所示。

結(jié)果分析：A法的測量方式是輸入/輸出法，從檢測數(shù)據(jù)分析，在實(shí)際電機(jī)運(yùn)行過程中，剛性聯(lián)軸器和金屬橡膠環(huán)聯(lián)軸器的實(shí)際輸出效率是大致相同的。安裝存在偏差且未嚴(yán)格對中的實(shí)際工作情況下，金屬橡膠環(huán)聯(lián)軸器可以讓電機(jī)保持接近正常安裝情況下的效率運(yùn)行，不會出現(xiàn)電機(jī)的安裝偏差導(dǎo)致輸出效率大幅下降或上升的現(xiàn)象。

3.2? ? B法測試結(jié)果

由于風(fēng)摩耗和鐵耗是通過空載試驗(yàn)得到，因此9組試驗(yàn)的風(fēng)摩耗和鐵耗都采用相同的值，即認(rèn)為風(fēng)摩耗和鐵耗不受連接方式的影響[3]。試驗(yàn)中各項(xiàng)損耗的確定方法根據(jù)GB/T 1032—2012《三相異步電動機(jī)試驗(yàn)方法》中所述，測得的數(shù)據(jù)如表3所示。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，9組試驗(yàn)的轉(zhuǎn)矩波動不大，所得的效率值在第3組和第7組差值最大，為0.58%；但是剛性聯(lián)軸器與金屬橡膠環(huán)聯(lián)軸器相比，所測得的效率偏低約0.3%，如圖3所示。

各種連接方式的損耗如圖4所示，定子I2R損耗極為相近，但轉(zhuǎn)子I2R損耗和雜散損耗有一定的差異。轉(zhuǎn)子I2R損耗在第2組和第9組相差3.42 W，占額定功率的0.23%。雜散損耗在第3組和第7組相差11.09 W，占額定功率的0.74%。

電機(jī)振動速度如圖5所示，在完全對中的情況下，隨著從第2組到第5組中心間距變大，電機(jī)的振動也會有所緩解，但緩解的效果到一定間距就不再變化，反而會導(dǎo)致雜散損耗的增加。

在第6組和第7組平行不對中、間距變大的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，電機(jī)振動明顯增大，振動速度從第2組的1.8 mm/s增加到第7組的6.8 mm/s。金屬橡膠環(huán)聯(lián)軸器在不對中的情況下存在彈性補(bǔ)償，一定程度上消除了連接方式對電機(jī)效率的影響，但由于金屬橡膠環(huán)聯(lián)軸器的彈性補(bǔ)償存在上限，在0.2 mm不對中的情況下，雜散損耗增加，電機(jī)效率降低。

在第8組和第9組斜角不對中、偏移角度3°和5°的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，電機(jī)振幅速度增加到5.7 mm/s和6.2 mm/s，與第2組相比，電機(jī)的雜散損耗約增加了1 W和3 W。由于金屬橡膠環(huán)聯(lián)軸器的彈性補(bǔ)償，第9組的效率只有0.31%的變化。

4? ? 結(jié)論

針對三相異步電機(jī)能效測試中采用不同聯(lián)軸器連接及不同連接方式的情況，對電機(jī)輸入/輸出功率及損耗進(jìn)行實(shí)際測試并采集數(shù)據(jù)，分析整理數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

（1）剛性聯(lián)軸器是高扭矩承受力的聯(lián)軸器，承受負(fù)載時(shí)無回轉(zhuǎn)間隙，在安裝過程中出現(xiàn)的安裝偏差可能導(dǎo)致軸承或聯(lián)軸器的損壞，所以在實(shí)際測試過程中要進(jìn)行嚴(yán)格的對中測試。在安裝對中合格的情況下，剛性聯(lián)軸器在小功率電機(jī)能效測試中有免維護(hù)、耐腐蝕和高靈敏度的優(yōu)越性能。

（2）金屬橡膠環(huán)聯(lián)軸器具有軸向、徑向、角向的彈性補(bǔ)償功能，可以在實(shí)際安裝偏差的一定范圍內(nèi)緩解電機(jī)測試過程中的振動。在實(shí)際電機(jī)測試過程中，不同連接方式的偏差對電機(jī)效率測試的影響在金屬橡膠環(huán)聯(lián)軸器的連接下可以忽略不計(jì)。在實(shí)際電機(jī)的能效測試中，在能接受成本的情況下，推薦優(yōu)先使用撓性聯(lián)軸器。

（3）在無法完全對中的情況下，運(yùn)行過程中兩側(cè)的軸線不在同一直線上導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生形變，會造成電機(jī)傳動能量的損耗。在電機(jī)能耗數(shù)據(jù)的采集和分析中，這部分的損耗被歸算于雜散損耗?？偟膩碚f，連接方式的偏差最終還是會造成B法測試出的電機(jī)效率下降。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 張昊，殷強(qiáng)，馬冬梅.電機(jī)效率測試技術(shù)的研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（5）：41-44.

[3] 張智華，李勝永，陳偉華，等.基于112B法的高效電機(jī)能效測試系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2015，43（12）：49-54.

收稿日期：2023-04-14

作者簡介：徐智雯（1996—），男，浙江臺州人，工程師，主要從事機(jī)電產(chǎn)品檢測工作。

通信作者：黃和平（1982—），男，重慶忠縣人，工程師，主要從事機(jī)電產(chǎn)品檢測工作。