不同连接方式对电机效率测试影响分析

徐智雯 郑海杰 翁晓伟 黄和平 项京成

摘 要：为提升电机能效检测的准确度，在不同连接方式下对电机采用A法和B法进行试验并计算电机效率，分析测试结构，得出挠性联轴器和刚性联轴器对电机效率测试的影响程度，并对此提出合理化建议。

关键词：三相异步电机；连接方式；联轴器；效率测试

中图分类号：TM343    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）16-0042-04

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

0    引言

电机是现代工业生产中最为重要的驱动设备，在实际工作中电机通过轴连接的方式对外输出能量，电机能量的输出效率与连接方式有直接关系。在试验运行过程中，电机与被驱动设备之间没有完全严格对中时，会导致电机运行温度过高、噪声过大、设备磨损变形等情况，对整个电机工作系统产生影响。

我国早在2002年就针对电机能效指标做出了明确规定，同时也在2012年提出了三相异步电机试验方法，针对不同功率大小的三相异步电机提出了七种效率的试验方法，其中包括计算输入/输出功率的比值的A法、测量输入/输出功率及其五大损耗的B法、成对电机双电源对拖回馈试验损耗分析的C法、测量输入功率损耗的E（E1）法、采用等值电路的F（F1）法、降低电压负载测量的G（G1）法、圆图法H法，其中B法为低不确定度方法，是中小型电机能效的主要测量方法[1]。但是在相关的国家标准试验方法中，并未对电机的连接方式和连接时的安装误差范围作明确规定，也未详细说明不同连接方式对电机能效测试结果的不确定度[2]。为了提升电机效率测试的准确度，本文设计了不同连接方式下的A法和B法能效试验，拟对此方面影响因素进行分析。

1    试验方法

电动机和测功机一般采取联轴器的连接方式，常用的联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。常见的刚性联轴器分为凸缘联轴器、径向键凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器和平行轴联轴器，刚性联轴器的优点为结构简单、成本低、可传递较大转矩，缺点是连接两轴对中精度不够时会影响传动精度和传动效率。常见的挠性联轴器分为无弹性元件挠性联轴器、非金属弹性元件挠性联轴器、金属弹性元件挠性联轴器等，其优点是具有不同程度的轴向、径向、角向补偿和减振缓冲的作用，能改善传动系统的工作性能，但挠性联轴器相较刚性联轴器结构更加复杂，成本和维护费用高。本文设计了刚性联轴器和金属橡胶环联轴器在不同对中情况下的能效测试试验，以一台额定功率為1.5 kW的三相异步电机为测试目标，搭建能效测试平台。

本次试验分为九组，第1、2组在完全对中的情况下分别采用刚性联轴器和金属橡胶环联轴器进行能效测试；第3～9组均采用金属橡胶环联轴器进行能效测试，其中第3～5组在完全对中情况下通过调节联轴器间距1.0、2.0、3.0 mm进行试验，如图1（a）所示；第6、7组在平行不对中（高度差为0.1、0.2 mm）情况下进行试验，如图1（b）所示；在实际电机安装过程中，电机的偏移角度大于5°后，安装时容易检测出来，所以第8、9组的斜角不对中只选择在偏移角度为5°内的角度（角度为3°、5°）进行试验，如图1（c）所示。

2    试验准备

2.1    仪器设备

试验时，电气测量仪表的准确度应不低于0.2级；数字功率计准确度应不低于0.2级；转速测量仪准确度应在0.1%以内或误差1 r/min以内，取两者较小值；转矩测量仪及测功机准确度应不低于0.2级；温度计的误差应在±1 ℃以内。试验设备精度及型号如表1所示。

2.2    试验电源

试验电源的电压为三相对称系统。三相电压系统的负序分量应小于正序分量的0.5%，且零序分量的影响应予消除。在进行温升试验时谐波电压因数应不超过2.5%，试验电源的频率与额定频率之差应在额定频率的±0.3%范围内。此次试验采用艾普斯的AFC-33075T-V0-F0-I0变频电源能满足相关要求。

2.3    实验室环境

实验室保持干燥，实验室温度一般应保持在10～40 ℃，相对湿度为≤90%。试验时温度为15～20 ℃，相对湿度为25%～50%。

2.4    热电偶选择和布置

（1）热电偶预选：试验前取多路热电偶置于环温中进行相互校核，温度显示超过平均值0.3 ℃的热电偶应剔出，不允许在试验中采用；

（2）在被试电机的绕组端部至少埋置2根热电偶，分别位于绕组端部3点钟和9点钟位置；

（3）正确记录预置入电机内部的热电偶编号及所处的位置；

（4）在测量环境温度时应在电机进风源方向1～2 m处布置2～3个热电偶，处于电机高度一半的位置，并应防止外来辐射及气流的影响。

3    试验数据

3.1    A法测试结果

在A法测量过程中，待电机运行到热稳定状态后，分别采集25%～150%负载试验时的A法效率数据，所测得的数据如表2所示。

从表2中数据可以看出，在不同连接方式下，50%负载时第1组和第9组效率差最大，为3.1%；随着负载的改变，效率差也在不断改变。在9种不同连接方式下，不同负载试验时A法测试的效率差基本在2%～3%的范围，具体如图2所示。

结果分析：A法的测量方式是输入/输出法，从检测数据分析，在实际电机运行过程中，刚性联轴器和金属橡胶环联轴器的实际输出效率是大致相同的。安装存在偏差且未严格对中的实际工作情况下，金属橡胶环联轴器可以让电机保持接近正常安装情况下的效率运行，不会出现电机的安装偏差导致输出效率大幅下降或上升的现象。

3.2    B法测试结果

由于风摩耗和铁耗是通过空载试验得到，因此9组试验的风摩耗和铁耗都采用相同的值，即认为风摩耗和铁耗不受连接方式的影响[3]。试验中各项损耗的确定方法根据GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》中所述，测得的数据如表3所示。

从表中数据可以看出，9组试验的转矩波动不大，所得的效率值在第3组和第7组差值最大，为0.58%；但是刚性联轴器与金属橡胶环联轴器相比，所测得的效率偏低约0.3%，如图3所示。

各种连接方式的损耗如图4所示，定子I2R损耗极为相近，但转子I2R损耗和杂散损耗有一定的差异。转子I2R损耗在第2组和第9组相差3.42 W，占额定功率的0.23%。杂散损耗在第3组和第7组相差11.09 W，占额定功率的0.74%。

电机振动速度如图5所示，在完全对中的情况下，随着从第2组到第5组中心间距变大，电机的振动也会有所缓解，但缓解的效果到一定间距就不再变化，反而会导致杂散损耗的增加。

在第6组和第7组平行不对中、间距变大的情况下进行试验，电机振动明显增大，振动速度从第2组的1.8 mm/s增加到第7组的6.8 mm/s。金属橡胶环联轴器在不对中的情况下存在弹性补偿，一定程度上消除了连接方式对电机效率的影响，但由于金属橡胶环联轴器的弹性补偿存在上限，在0.2 mm不对中的情况下，杂散损耗增加，电机效率降低。

在第8组和第9组斜角不对中、偏移角度3°和5°的情况下进行试验，电机振幅速度增加到5.7 mm/s和6.2 mm/s，与第2组相比，电机的杂散損耗约增加了1 W和3 W。由于金属橡胶环联轴器的弹性补偿，第9组的效率只有0.31%的变化。

4    结论

针对三相异步电机能效测试中采用不同联轴器连接及不同连接方式的情况，对电机输入/输出功率及损耗进行实际测试并采集数据，分析整理数据，得出如下结论：

（1）刚性联轴器是高扭矩承受力的联轴器，承受负载时无回转间隙，在安装过程中出现的安装偏差可能导致轴承或联轴器的损坏，所以在实际测试过程中要进行严格的对中测试。在安装对中合格的情况下，刚性联轴器在小功率电机能效测试中有免维护、耐腐蚀和高灵敏度的优越性能。

（2）金属橡胶环联轴器具有轴向、径向、角向的弹性补偿功能，可以在实际安装偏差的一定范围内缓解电机测试过程中的振动。在实际电机测试过程中，不同连接方式的偏差对电机效率测试的影响在金属橡胶环联轴器的连接下可以忽略不计。在实际电机的能效测试中，在能接受成本的情况下，推荐优先使用挠性联轴器。

（3）在无法完全对中的情况下，运行过程中两侧的轴线不在同一直线上导致电机转轴产生形变，会造成电机传动能量的损耗。在电机能耗数据的采集和分析中，这部分的损耗被归算于杂散损耗。总的来说，连接方式的偏差最终还是会造成B法测试出的电机效率下降。

[参考文献]

[1] 三相异步电动机试验方法：GB/T 1032—2012[S].

[2] 张昊，殷强，马冬梅.电机效率测试技术的研究[J].电机与控制应用，2012，39（5）：41-44.

[3] 张智华，李胜永，陈伟华，等.基于112B法的高效电机能效测试系统研究与设计[J].微特电机，2015，43（12）：49-54.

收稿日期：2023-04-14

作者简介：徐智雯（1996—），男，浙江台州人，工程师，主要从事机电产品检测工作。

通信作者：黄和平（1982—），男，重庆忠县人，工程师，主要从事机电产品检测工作。