25000轉(zhuǎn)高速電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)概述

摘 要：高速電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)是現(xiàn)代電機(jī)試驗(yàn)衍生出的先進(jìn)成果。本文從設(shè)計(jì)依據(jù)、平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)架、控制系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)、機(jī)械結(jié)構(gòu)部分技術(shù)特點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集部分技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目6個(gè)部分論證了25000轉(zhuǎn)高速電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)可行性。其中可實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目部分參照GB/T 18488.1—2015做了簡要敘述，可完成溫升試驗(yàn)、連續(xù)電動(dòng)工作特性試驗(yàn)、電動(dòng)最高工作轉(zhuǎn)速測(cè)試等重要項(xiàng)目測(cè)試。該平臺(tái)除滿足一般類型高速電機(jī)正常試驗(yàn)工作外，還可將試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的電力通過變頻系統(tǒng)反饋至公用電網(wǎng)，對(duì)高速電機(jī)發(fā)展具有重要輔助作用。

關(guān)鍵詞：高速電機(jī)，新能源，上位機(jī)，超速試驗(yàn)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.17.043

0 引 言

高速電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)是一種專門用于測(cè)試高速電機(jī)而設(shè)計(jì)的設(shè)備，它具備高精度、高效率和多功能等特點(diǎn)，可對(duì)高速電機(jī)性能進(jìn)行全面評(píng)估和優(yōu)化。25000轉(zhuǎn)高速電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)是在傳統(tǒng)低速電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上通過引入先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和儀器設(shè)備的硬件測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了從常規(guī)到高速、從分散到高度集成的技術(shù)迭代。該平臺(tái)通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)的控制和資料的運(yùn)算、分析處理、顯示、打印及存儲(chǔ)，從而提供系統(tǒng)功能遠(yuǎn)超一般儀器的簡單組合。特別是在結(jié)果保存、波形存儲(chǔ)、同步測(cè)量、試驗(yàn)報(bào)告生成、系統(tǒng)的擴(kuò)張性、多功能等方面，高速電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)展現(xiàn)出的優(yōu)越性是傳統(tǒng)手動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)無法比擬的。此外，高速電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)還具備全自動(dòng)化、全微機(jī)化、高效率化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)有防誤操作安全功能，確保測(cè)試過程的安全和準(zhǔn)確。操作界面采用彩色顯示器，提供全中文提示，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于操作人員直觀地了解試驗(yàn)狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

在硬件方面，高速電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)采用電渦流測(cè)功機(jī)進(jìn)行加載，可以方便地實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載工況運(yùn)行需求，有效防止轉(zhuǎn)子過熱[1]。通過扭矩傳感器直接測(cè)量電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，并通過扭矩顯示儀進(jìn)行顯示，確保轉(zhuǎn)矩測(cè)量的準(zhǔn)確性。這種平臺(tái)的軟硬件通常由專業(yè)項(xiàng)目組獨(dú)立設(shè)計(jì)開發(fā)，以滿足特定的高速電機(jī)測(cè)試需求[2]。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

本平臺(tái)的設(shè)計(jì)依據(jù)除了基本的性能測(cè)試要求外，還參照了以下相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

（1）GB/T 18488.1—2015《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》；

（2）GB/T 18488.2—2015《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》；

（3）ECE_R85《用于驅(qū)動(dòng)M類和N類汽車的內(nèi)燃機(jī)凈功率或電力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)30 min最大功率 測(cè)量認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》；

（4）GB/T 29307—2012《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法》；

（5）EN 61800-2-1998《可調(diào)速的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第1部分：一般要求，低電壓可調(diào)頻的交流電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的額定規(guī)范》；

（6）EN 60034-1-2010《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 第1部分：額定功率和性能》。

2 平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)架

本試驗(yàn)平臺(tái)主要包括圖1所示的8個(gè)部分。

（1）機(jī)械臺(tái)架。用來安裝被試電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、扭矩傳感器等。

（2）電池模擬器。用于給被試電機(jī)提供電源，完成電機(jī)試驗(yàn)相關(guān)項(xiàng)目。

（3）傳動(dòng)控制系統(tǒng)。用于對(duì)負(fù)載電機(jī)進(jìn)行控制，選用ABB ACS880系列四象限交流變頻器、實(shí)時(shí)測(cè)控儀等。

（4）電機(jī)參數(shù)測(cè)量采集系統(tǒng)。包括電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的所有測(cè)試參數(shù)的轉(zhuǎn)換、采集、計(jì)算等。配備功率分析儀、電流互感器，用于對(duì)電機(jī)的電參數(shù)進(jìn)行變換、采集。

（5）溫控及環(huán)境倉系統(tǒng)。用于吸收被試件或者機(jī)械傳動(dòng)裝置的熱量[3]，保證系統(tǒng)的正常試驗(yàn)過程，提供系統(tǒng)的可靠性及其使用壽命，環(huán)境倉提供被試件的工作環(huán)境。

（6）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)。包括被電機(jī)及其控制器、傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)量以及試驗(yàn)過程中相關(guān)溫度等現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的測(cè)試與轉(zhuǎn)換。

（7）下位機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。選用進(jìn)口品牌下位機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，采用EtherCAT總線通信，運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間5 ms以內(nèi)。

（8）上位機(jī)控制系統(tǒng)。用于控制負(fù)載系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)工況任務(wù)以及向用戶提供人機(jī)控制界面，包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，測(cè)試控制軟件系統(tǒng)等。

3 控制系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

臺(tái)架主控系統(tǒng)具備臺(tái)架集中控制、黑匣子功能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)窗口完成所有試驗(yàn)任務(wù)。從試驗(yàn)工況的制定、試驗(yàn)循環(huán)的執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集、試驗(yàn)條件的控制到試驗(yàn)結(jié)果處理，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)功機(jī)的控制，如轉(zhuǎn)速/扭矩、轉(zhuǎn)速/油門、油門/扭矩等?？刂葡到y(tǒng)界面控制軟件，在工況設(shè)定編制試驗(yàn)循環(huán)中用戶可任意設(shè)定試驗(yàn)步數(shù)，可任意定義測(cè)量以及極限監(jiān)控[4]，可將試驗(yàn)循環(huán)工況程控文件進(jìn)行存儲(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)可以對(duì)臺(tái)架保障系統(tǒng)進(jìn)行控制，例如冷卻風(fēng)扇可以隨時(shí)隨著被試件溫度的變換進(jìn)行風(fēng)速變化，采用變頻控制。

扭矩傳感器系統(tǒng)采用非接觸式的傳感器，由轉(zhuǎn)子和定子組成。轉(zhuǎn)子隨軸旋轉(zhuǎn)，扭矩信號(hào)以脈沖頻率信號(hào)經(jīng)定子輸出，結(jié)構(gòu)新穎、小巧，動(dòng)態(tài)響應(yīng)高。

扭矩量程采用100 Nm和500 Nm雙量程，最大轉(zhuǎn)速25000 r/min，扭矩測(cè)量精度為±0.05%FS，轉(zhuǎn)速測(cè)量精度為±1 r/min，超載能力150%，相對(duì)于額定靈敏度小于±0.05%，保護(hù)等級(jí)為IP40（EN 60529）。

電池模擬器直流電源選用250kW，750A高精度雙向整流電源，電源具有恒壓、恒流、恒功率模式三種工作模式，電源輸入端用變壓器隔離，保證輸出對(duì)地?zé)o壓差[5]。

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分技術(shù)特點(diǎn)

測(cè)功機(jī)底座作為負(fù)載電機(jī)、中間支承、扭矩傳感器等設(shè)備的安裝基礎(chǔ)與基準(zhǔn)，在很大程度上影響測(cè)試系統(tǒng)的工作精度與抗振性能。因此，通過詳細(xì)計(jì)算并結(jié)合既往經(jīng)驗(yàn)，山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院采用箱型鑄造底座，而不采用焊接結(jié)構(gòu)。

測(cè)功機(jī)底座采用優(yōu)質(zhì)細(xì)顆料的灰口鑄鐵鑄造而成，安裝面保證沒有砂孔、氣孔、裂紋、夾渣及縮松等鑄造缺陷及其他影響使用的外觀缺陷，非安裝表面清除型砂，各棱邊修鈍，且可見非安裝表面將銑平整，以噴漆加固。熱處理后硬度為HB170～220，安裝面經(jīng)多次粗、精銑削反復(fù)加工保證其平面度、平行度與粗糙度，并加工固定電機(jī)、中間支承的螺孔及吊裝孔。底部加工出與鑄鐵平板連接的安裝孔，安裝孔設(shè)計(jì)為長腰形，可使測(cè)功機(jī)底座安裝時(shí)在寬度方向上具有一定的調(diào)整余地，并留出與鑄鐵平板定位的定位銷空間，這樣可以有效減少殘留碎屑對(duì)氣隙的影響[6]。

機(jī)械制動(dòng)器用于被試電機(jī)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)，如圖2所示，堵轉(zhuǎn)滑塊固定在底座立板上，可360°任意位置堵轉(zhuǎn)。堵轉(zhuǎn)盤配有刻度盤，可精確調(diào)節(jié)角度保證轉(zhuǎn)子的可靠運(yùn)行[7]。

5 數(shù)據(jù)采集部分技術(shù)特點(diǎn)

采用FC4022數(shù)據(jù)采集模塊，F(xiàn)C4022是一個(gè)獨(dú)立的模塊，用于接入各種形式的傳感器，將電動(dòng)機(jī)測(cè)量采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到CAN總線上，由計(jì)算機(jī)顯示。

對(duì)模塊的配置通過撥碼開關(guān)完成，通過CAN網(wǎng)絡(luò)在通用計(jì)算機(jī)或顯示節(jié)點(diǎn)上完成標(biāo)定，RS232用于下載程序。數(shù)據(jù)采集模塊有16個(gè)通道，每個(gè)通道可配置成不同的傳感器類型。 電流、電壓、電阻等模擬信號(hào)都可以測(cè)量。模塊工作狀態(tài)由三色燈顯示，一個(gè)模塊可同時(shí)使用 8種不同的傳感器，模塊內(nèi)有2個(gè)固定的線性化表格，4個(gè)自定義的線性化表格，可以適用任何非線性特性的傳感器。本模塊尤其適用于多通道的測(cè)量，CAN總線上可掛接31個(gè)相同的數(shù)據(jù)采集模塊，測(cè)量通道可達(dá)16×31路。使用時(shí)，模塊在硬件上無須做任何調(diào)整，既無電位器，也無跳線，所有的調(diào)整都是用軟件完成的，而在通用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件為使用者提供了最便捷而輕松的人機(jī)界面。

6 實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目

該平臺(tái)完成后將能實(shí)現(xiàn)對(duì)250 0 0轉(zhuǎn)及以下轉(zhuǎn)速高速電機(jī)的機(jī)械檢查項(xiàng)目、電機(jī)定子繞組的冷態(tài)直流電阻值測(cè)試項(xiàng)目、電機(jī)繞組對(duì)機(jī)殼的冷態(tài)絕緣性能測(cè)試項(xiàng)目、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)電流測(cè)試項(xiàng)目、溫升試驗(yàn)項(xiàng)目、連續(xù)電動(dòng)工作特性試驗(yàn)項(xiàng)目、電動(dòng)最高工作轉(zhuǎn)速測(cè)試項(xiàng)目、電動(dòng)超速試驗(yàn)項(xiàng)目、連續(xù)饋電工作特性試驗(yàn)項(xiàng)目、電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性和效率測(cè)試項(xiàng)目、道路模擬轉(zhuǎn)速扭矩工況試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試[8]，滿足一般類型高速電機(jī)正常試驗(yàn)工作。

7 結(jié) 語

高速電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)對(duì)于電機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試和評(píng)估具有重要意義。 通過這個(gè)平臺(tái)， 可以對(duì)電機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和評(píng)價(jià)， 包括效率、 功率輸出、 轉(zhuǎn)速、 轉(zhuǎn)矩和溫度等多個(gè)指標(biāo)。 這些參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)于電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義， 為生產(chǎn)廠家提供了可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)支持。 此外， 電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)還可以用于電機(jī)的質(zhì)量控制和檢驗(yàn)， 確保電機(jī)的質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求， 提高產(chǎn)品的可靠性和持久性。 在技術(shù)創(chuàng)新方面， 電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)為研究人員提供了進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)、 材料和控制系統(tǒng)深入研究的機(jī)會(huì)。 通過不斷地試驗(yàn)和驗(yàn)證， 可以改進(jìn)電機(jī)的性能， 提高電機(jī)的效率和可靠性， 同時(shí)也為電機(jī)的應(yīng)用拓展提供了新的可能性。 對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量和安全性， 電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)可以用于電機(jī)的故障分析和診斷， 通過全面監(jiān)測(cè)電機(jī)的工作狀態(tài)， 及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并進(jìn)行修復(fù)， 保證設(shè)備的安全運(yùn)行和延長電機(jī)的使用壽命。 綜上所述， 高速電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)不僅提高了電機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試能力， 促進(jìn)了技術(shù)創(chuàng)新， 還提升了產(chǎn)品質(zhì)量和安全性， 對(duì)于推動(dòng)電機(jī)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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作者簡介

黃曉東，本科，工程師，研究方向?yàn)殡姾笝C(jī)、電機(jī)及其他電氣產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)。

（責(zé)任編輯：袁文靜）