浙江星月實業(yè)有限公司 林中茂 張 慶 陳應(yīng)雄

1 引言

永磁發(fā)電機作為一種高效、節(jié)能、體積小且具有高性能的驅(qū)動方式，在工業(yè)、家用電器、電動工具和新能源汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。永磁發(fā)電機的輸出功率特性主要包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和效率等，這些參數(shù)在不同的負載和工作條件下表現(xiàn)出不同的特點。為了深入研究永磁發(fā)電機的功率特性，本文構(gòu)建了一套小型永磁發(fā)電機功率特性測試系統(tǒng)。通過對該系統(tǒng)的試驗測試，可以評估永磁發(fā)電機的性能，為永磁發(fā)電機在實際應(yīng)用中的選型、設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

2 常見測試方法

在對小型永磁發(fā)電機進行功率特性測試時，通常采用以下幾種常規(guī)測試方法，見表1[1]?？梢愿鶕?jù)實際應(yīng)用場景和需求選擇合適的測試方法。

2.1 直接加載法

直接加載法是通過給發(fā)電機施加一個已知的負載（如電阻、電感等）測試其功率特性。發(fā)電機在不同負載條件下的輸出功率和效率等參數(shù)可以通過測量和計算負載兩端的電壓、電流和相位得出。

2.2 電磁測功器法

電磁測功器法是通過安裝在發(fā)電機軸上的電磁測功器測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，進而計算出發(fā)電機的輸出功率。該方法可以實現(xiàn)對發(fā)電機在不同負載條件下的功率特性的連續(xù)測試。

2.3 反拖法

反拖法是通過使被測發(fā)電機與一個已知性能參數(shù)的標準發(fā)電機（如直流發(fā)電機）進行聯(lián)軸運行，通過測量兩臺發(fā)電機之間的轉(zhuǎn)矩計算被測發(fā)電機的功率特性。該方法適用于對交流發(fā)電機的功率特性測試。

對于小型永磁發(fā)電機的功率特性測試，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景、測試目的和資源投入等因素選擇合適的測試方法。在實際操作過程中，可以根據(jù)需要對多種測試方法進行組合，以獲得更準確、全面的發(fā)電機性能參數(shù)。一般來講，在初步了解發(fā)電機性能時，可以采用直接加載法進行簡便的測試，若要對發(fā)電機進行詳細的性能評估，可以使用電磁測功器法或反拖法，這兩種方法雖然操作復(fù)雜，但測試結(jié)果較為精確。在實際應(yīng)用中，需要充分考慮各種因素，例如時間、成本和技術(shù)要求等，確定最適合的測試方案。

3 系統(tǒng)組成

3.1 硬件組成

小型永磁發(fā)電機功率特性測試系統(tǒng)主要由以下幾部分組成，見表2[2]。

表2 硬件組成

永磁發(fā)電機作為測試對象，用于輸出機械功率。在試驗中，需要選用一臺額定功率為1kW 的永磁發(fā)電機作為試驗對象。

試驗所需的設(shè)備包括轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器，用于實時測量永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。此外，還需要負載機模擬實際工作條件下的負載，數(shù)據(jù)采集卡將傳感器測量的模擬量數(shù)字化，并傳輸至計算機進行處理和分析。為永磁發(fā)電機提供電能的電源也具有重要作用，而控制器則用于控制發(fā)電機的運行狀態(tài)。

為保證試驗的穩(wěn)定性，還需要測試臺架固定設(shè)備，而數(shù)據(jù)處理與顯示設(shè)備則用于接收和處理數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。此外，為了連接各部件并傳輸電力和信號，還需要具備良好的導(dǎo)電性能和屏蔽效果的電氣連接線，以降低信號干擾。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，可以得出永磁發(fā)電機的功率特性，從而能夠更好地了解其性能。

3.2 軟件組成

本系統(tǒng)運用虛擬儀器技術(shù)，利用LabVIEW平臺[3]編寫了一個數(shù)據(jù)采集程序。這個程序能夠自動收集發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、交直流電壓輸出、電流以及大氣壓力和溫度等參數(shù)。在數(shù)據(jù)采集過程中，用戶可以按照實際需求設(shè)定采樣頻率，同時確定數(shù)據(jù)的存儲路徑。收集到的數(shù)據(jù)將以Excel 表格形式儲存，以便后續(xù)處理和分析。具體操作是從“Functions”面板中的“Data Acquisition”模塊中選擇適當?shù)腄AQmx 函數(shù)，用于創(chuàng)建任務(wù)、通道和采樣時鐘。分別連接轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，并設(shè)置采集頻率和采樣數(shù)量。

將這些參數(shù)連接到創(chuàng)建采樣時鐘函數(shù)的相應(yīng)輸入端。 從“Functions” 面板的“File I/O”模塊中選擇“Write to Spreadsheet File”函數(shù)，用于將采集到的數(shù)據(jù)保存為Excel 表格。為“Write to Spreadsheet File” 函數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)存儲路徑和文件名。使用循環(huán)結(jié)構(gòu)（如“While Loop”）將整個數(shù)據(jù)采集過程包裹起來，并添加一個停止按鈕以便在需要時停止數(shù)據(jù)采集。通過LabVIEW 的“Run”按鈕運行VI，開始數(shù)據(jù)采集。通過以上步驟，可以實現(xiàn)在LabVIEW 平臺上編制的數(shù)據(jù)采集程序。該程序可以自動采集發(fā)電機的各項參數(shù)，并將數(shù)據(jù)以Excel 表格形式存儲，方便進行后續(xù)處理。

4 試驗測試

4.1 主要試驗設(shè)備

實驗臺由SF3A-16型無刷直流發(fā)電機調(diào)速裝置和ECT230-4B 型電磁調(diào)速電動機組成，用于調(diào)整速度。試驗中使用JW4516型三相感應(yīng)電動機作為驅(qū)動力。此外，在感應(yīng)電動機與待測發(fā)電機之間安裝了TQ 型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，并搭配TQYM2微處理器型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速記錄儀，測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在試驗過程中，還使用了三相整流橋?qū)l(fā)電機輸出的三相交流電整流成單相直流電。為了測量發(fā)電機輸出的交直流電壓和電流，采用DPM-8717型交直流數(shù)字電參數(shù)測量儀。此外，還使用了多個可調(diào)滑線變阻器作為負載[4]。

4.2 1kW 永磁發(fā)電機試驗

步驟1：安裝與準備。將1kW 永磁發(fā)電機與JW4516型三相感應(yīng)電動機聯(lián)軸，并在兩者之間安裝TQ 型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。確保所有設(shè)備安裝牢固，避免試驗過程中的故障。

步驟2：調(diào)速。打開SF3A-12型無刷直流發(fā)電機調(diào)速裝置和ECT230-4B 型電磁調(diào)速電動機，調(diào)整發(fā)電機速度至所需的工作速度。確保發(fā)電機在穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下運行。

步驟3：啟動LabVIEW 數(shù)據(jù)采集程序。在計算機上啟動LabVIEW 數(shù)據(jù)采集程序，配置相關(guān)參數(shù)，例如采集頻率、存儲路徑等。程序?qū)⒆詣硬杉l(fā)電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、交直流電壓輸出、電流以及大氣壓力和溫度等參數(shù)。

步驟4：數(shù)據(jù)采集。試驗過程中，LabVIEW 程序?qū)崟r監(jiān)測并記錄永磁發(fā)電機的各項參數(shù)。同時，使用DPM-8717型交直流數(shù)字電參數(shù)測量儀測量發(fā)電機輸出的交直流電壓和電流。

步驟5：負載調(diào)整。根據(jù)試驗需求，逐步增加可調(diào)滑線變阻器的負載，以便在不同負載條件下測試永磁發(fā)電機的功率特性。在每個負載階段，確保能夠記錄詳細的數(shù)據(jù)。

4.3 試驗結(jié)果分析

在1kW 永磁發(fā)電機試驗過程中，在不同負載條件下收集了大量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

表3 數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論。

轉(zhuǎn)速隨著負載的增加而減小。在無負載條件下，永磁電機的轉(zhuǎn)速為3000rpm，而在滿載條件下轉(zhuǎn)速降至2400rpm。表明電機在負載增加時需要更大的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動負載，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低。

轉(zhuǎn)矩隨著負載的增加而增加。在無負載條件下，永磁電機的轉(zhuǎn)矩為0Nm，而在滿載條件下轉(zhuǎn)矩達到38.28Nm。這是由于電機需要提供更大的扭力克服負載阻力。

輸出功率與輸入功率隨著負載的增加而增加。在滿載時，輸出功率接近1kW 的額定值，達到了1000.2W。這可能是由于電機在滿載時，損耗增加，導(dǎo)致實際輸出功率略低于額定值。

電機效率隨著負載的增加而增加，在75%負載時達到最高，約為95.0%。這說明，在75%負載時，電機的運行效率最高，損耗最小。當負載達到100%時，效率略有下降，可能是因為電機在滿載時的損耗增加。

綜上所述，1kW 永磁電機在75%負載時具有較佳性能和效率。這一結(jié)論對實際應(yīng)用中電機的運行參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化具有重要參考價值。

5 結(jié)語

本文對小型永磁發(fā)電機功率特性測試系統(tǒng)進行了試驗研究，采用了先進的測試方法和設(shè)備，結(jié)合LabVIEW 平臺編寫的數(shù)據(jù)采集程序，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動化和高效性。同時，虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW 平臺在永磁發(fā)電機性能測試中發(fā)揮了重要作用，利用該技術(shù)和平臺，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動化和高效性，為永磁發(fā)電機的研究和應(yīng)用提供了有力支持，為永磁發(fā)電機的性能測試、優(yōu)化和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。