一種小型超高速原動機的功率測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種功率測量裝置及方法，特別涉及一種小型超高速原動機氣動性能試驗用的功率測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]眾所周知，隨著市場需求的拉動以及能源利用與加工制造技術的不斷進步，目前作為原動機的葉輪機械正在快速向兩個極端方向即超微型和超大型方向發展。如美國麻省理工學院研發的超微型葉輪機械，其葉輪直徑僅為6mm，葉高僅為0.225mm，軸系轉速高達1200000r/min，產生17W的軸功率。
[0003]對常規葉輪機械來說，其熱能與機械功之間的能量轉換是基于透平歐拉方程而完成的，即工質在流過靜葉柵通道時，工質將全部或部分熱能轉換成速度，在流過動葉柵通道時，將剩余熱能轉換成速度，并且工質動量改變完成熱能到機械功的轉換。為降低余速損失，提高能量轉換效率，級速比與反動度要合理匹配，即在反動度一定時，級速比基本為定值。然而鑒于超音速流動損失和材料許用離心應力問題，級理想等熵速度基本為定值。因此，無論葉輪機械的尺寸或功率大小，其直徑與轉速的乘積基本保持為常數。
[0004]由以上葉輪機械的設計理論可知，如果葉輪機械幾何尺寸越小或輸出功率越小，就需要越高的軸系轉速以保證其具有高的熱功轉換效率，因此，在研制小型葉輪機械時，需要采用小型高轉速的測功機消耗并測量原動機的功率，以準確獲得其氣動性能。
[0005]常規葉輪機械或動力機械在氣動性能試驗時，其功率測量主要有兩種方式，一種是采用扭矩儀和耗功機械，一種是采用測功機。前一種方式利用耗功機械消耗原動機的功率，通過布置在轉軸上的扭矩儀測量轉軸上的扭矩和轉速，從而獲得原動機的功率；后一種當前主要有水力、電力和電渦流三種類型，無論哪種型式，均是在消耗原動機功率的同時，通過布置在殼體與基座間的力傳感器以及轉軸上的轉速傳感器獲得扭矩和轉速，從而獲得原動機的功率。
[0006]然而對于小型葉輪機械或動力機械來說，由于超高速扭矩傳感器的技術限制以及超高速測功機研制的技術障礙，使得小型超高速原動機的氣動性能試驗受到了極大限制。當前往往采用小型壓氣機作為負載，通過壓氣機或原動機氣動參數的測量并換算間接獲得原動機的功率數值，其精度較差，極大的阻礙了小型超高速原動機的研制。
[0007]當前市場上有能力設計和生產小型超高速測功機的企業極少，且最高轉速偏低，價格昂貴，如美國MAGTR0L公司，生產的測功機最高轉速也不超過50000r/min，價格卻高達40萬人民幣左右。因此，即使不考慮價格因素，采用測功機進行原動機的氣動性能試驗時，原動機的最高轉速也不能超過50000r/min ;當原動機的轉速超過50000r/min時，無測功機可選用，必須采用小型壓氣機或其它耗功機械作為負載，其功率的測量精度會較差。
[0008]然而，鑒于高速測功機的價格因素，小型超高速原動機在進行氣動性能試驗時，如果轉速超過10000r/min，一般就會采用小型壓氣機或者其它耗功機械作為負載，這樣其功率的測量精度會較差。
[0009]電主軸技術是近年來在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術，主軸采用內嵌式電動機直接驅動，縮短了機床的傳動鏈，具有結構緊湊、重量輕、慣性小、噪音低、響應快等優點，且轉速高、功率大、能夠簡化機床設計，近年來獲得了長足的發展，目前最高轉速已高達150000r/min左右，其售價不足萬元人民幣。
[0010]申請號為201310345353.0的中國發明專利(公開號CN103398810A)提出了一種非接觸式扭矩和功率測量裝置及方法，其通過測量扭矩以及轉速參數獲得功率數值，是一種類似測功機的常規方式，只是在扭矩的獲取方法上采用了類似電機的結構，基于轉軸材料的力學特性，通過分析感應電壓信號的相位差值(即變形量)，獲得轉軸上的扭矩參數。

【發明內容】

[0011]針對小型超高速原動機氣動性能試驗中測量功率的要求，本發明的目的在于提供一種小型超高速原動機的功率測量裝置及方法，用于在研制小型超高速原動機時，能夠較為精確的測量原動機的輸出功率。
[0012]為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案:
[0013]—種小型超高速原動機的功率測量裝置，包括電容器、功率分析儀以及與被測原動機相連的電主軸，所述電主軸與電容器的接法為星接或角接，所述電主軸與電容器的星接或角接中，每相至少接入一個電容器，所述功率分析儀分別與各相接入的負載相連，負載與接入對應相的電容器并聯。
[0014]所述原動機是以流體驅動的動力機械。
[0015]所述電主軸采用異步電機驅動，電主軸的軸承采用油霧或油氣潤滑方式，電主軸的殼體采用液體冷卻方式。
[0016]所述負載為電阻或電感。
[0017]所述原動機和電主軸的轉速至少為10000r/min。
[0018]—種小型超高速原動機的功率測量方法，包括以下步驟:將原動機的機械能經聯軸器傳遞給電主軸的轉子，所述轉子旋轉時通過切割磁力線產生電能，電能經負載消耗的同時通過功率分析儀測量并分析負載上的電流與電壓信號，從而獲得并輸出電主軸的功率參數，根據電主軸的功率參數以及機械能到電能的轉換效率，最終獲得原動機的功率參數。
[0019]本發明的有益效果體現在:
[0020]本發明所述小型超高速原動機的功率測量裝置及方法，結合成熟的電主軸技術，可使小型超高速原動機在50000r/min?150000r/min轉速范圍內進行氣動性能試驗時，將常規采用小型壓氣機作為耗功機械，并利用氣動參數換算間接獲得原動機功率方法的測量精度從5 %提高至2 %，提高了測量精度。
[0021 ] 另外，如果考慮尚速測功機的尚昂購置費用，本發明還可覆蓋10000r/min?50000r/min的原動機氣動性能試驗轉速范圍，大幅降低試驗儀器的購置費用，而與測功機測量相比，兩者實際測量精度基本相當。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明所述小型超高速原動機的功率測量裝置的結構框圖；
[0023]圖2是以盤式透平實驗平臺為例給出的裝置的電路連接示意圖，圖中:1.盤式透平，2.聯軸器，3.電主軸，4.電容器，5.負載，6.功率分析儀，7.高壓氣源，8.冷卻，9.潤滑。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。
[0025]參見圖1，本發明的總體技術思路是利用現有的高速電主軸技術，通過合理的轉換電路，使其轉換成發電機，原動機驅動發電機時產生電能并在負載中消耗，通過功率分析儀測量電信號從而獲得原動機的功率參數，有效地解決了小型超高速原動機氣動性能試驗時的功率測量技術難題。
[0026]參見圖2，以設計功率為IkW的盤式透平氣動性能試驗平臺為例，所述小型超高速原動機的功率測量裝置的具體結構如下:
[0027]該裝置包括聯軸器2、電主軸3、電容器4、負載5以及功率分析儀6 ;電主軸3的轉子通過聯軸器2與盤式透平I的透平軸相連；電主軸3采用異步電機驅動，電主軸3的軸承采用油氣潤滑方式，電主軸3的殼體采用液體冷卻方式；電容器4與電主軸3的接法是星接，每相(A相、B相以及C相)接入一個電容器4 ;負載5 (負載A、負載B以及負載C)為電阻(選取時考慮額定電壓和額定電流，防止擊穿即可)，電阻與對應相內電容器并聯；所述功率分析儀6與負載5相連，測量并分析從電主軸輸出的電信號，盤式透平I和電主軸3的轉速為 80000r/min。
[0028]試驗時，盤式透平I由高壓氣源7驅動，通過透平軸將機械能經聯軸器2傳遞給電主軸3的轉子，轉子旋轉時切割磁力線，產生電能，經負載5消耗，通過功率分析儀6測量負載5上的電流和電壓信號并分析獲得電主軸的功率參數，考慮機械能到電能的轉換效率(通常為0.9?0.95)，用電主軸的功率參數除以轉換效率，從而最終獲得盤式透平的輸出功率。
[0029]本發明基于電主軸技術，通過電流與電壓參數獲得功率，不涉及扭矩參數，獲得功率參數的原理完全不同。另外，本發明在10000r/min?50000r/min范圍內，與測功機測量方法的精度相當，同時提高了由于當前測功機不能覆蓋轉速范圍50000r/min?150000r/min而采用小型壓氣機作為負載換算功率的測量方法的精度。
【主權項】
1.一種小型超高速原動機的功率測量裝置，其特征在于:包括電容器(4)、功率分析儀(6)以及與被測原動機相連的電主軸(3)，所述電主軸(3)與電容器⑷的接法為星接或角接，所述電主軸(3)與電容器(4)的星接或角接中，每相至少接入一個電容器，所述功率分析儀(6)分別與各相接入的負載(5)相連，負載與接入對應相的電容器并聯。2.根據權利要求1所述一種小型超高速原動機的功率測量裝置，其特征在于:所述原動機是以流體驅動的動力機械。3.根據權利要求1所述一種小型超高速原動機的功率測量裝置，其特征在于:所述電主軸(3)采用異步電機驅動，電主軸(3)的軸承采用油霧或油氣潤滑方式，電主軸(3)的殼體采用液體冷卻方式。4.根據權利要求1所述一種小型超高速原動機的功率測量裝置，其特征在于:所述負載(5)為電阻或電感。5.根據權利要求1所述一種小型超高速原動機的功率測量裝置，其特征在于:所述原動機和電主軸(3)的轉速至少為10000r/min。6.一種小型超高速原動機的功率測量方法，其特征在于:包括以下步驟:將原動機的機械能經聯軸器(2)傳遞給電主軸(3)的轉子，所述轉子旋轉時通過切割磁力線產生電能，電能經負載(5)消耗的同時通過功率分析儀(6)測量并分析負載上的電流與電壓信號，從而獲得并輸出電主軸的功率參數，根據電主軸的功率參數以及機械能到電能的轉換效率，最終獲得原動機的功率參數。7.根據權利要求6所述一種小型超高速原動機的功率測量方法，其特征在于:所述原動機是以流體驅動的動力機械。8.根據權利要求6所述一種小型超高速原動機的功率測量方法，其特征在于:所述電主軸(3)采用異步電機驅動，電主軸(3)的軸承采用油霧或油氣潤滑方式，電主軸(3)的殼體采用液體冷卻方式。9.根據權利要求6所述一種小型超高速原動機的功率測量方法，其特征在于:所述負載(5)為電阻或電感。10.根據權利要求6所述一種小型超高速原動機的功率測量方法，其特征在于:所述原動機和電主軸(3)的轉速至少為10000r/min。
【專利摘要】本發明公開了一種小型超高速原動機的功率測量裝置及方法，該裝置包括聯軸器、電主軸、電容器、負載及功率分析儀，通過功率分析儀測量負載上的電信號獲得被測原動機的功率參數。該功率測量裝置及方法有效地解決了小型超高速原動機在氣動性能試驗時其功率參數經負載壓氣機性能參數換算難于準確測量的技術難題，并避免了采用小型超高速測功機導致的儀器購置費用高的問題。
【IPC分類】G01L3/24
【公開號】CN105043621
【申請號】CN201510377068
【發明人】鄧清華, 齊文嬌, 豐鎮平
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年6月30日