有效功率和转速、转距的测量
如何精确测量电机工作效率并进行调整
如何精确测量电机工作效率并进行调整电机是现代工业中广泛使用的一种电气设备，而电机的工作效率则关系到整个工业系统的能源消耗和生产效率。
因此，精确测量电机工作效率并进行调整至关重要。
本文将介绍如何准确测量电机工作效率以及如何进行调整的方法和步骤。
一、测量电机工作效率的方法1. 间接法测量间接法是利用电机的输入功率和输出功率之间的关系来计算电机的效率。
具体步骤如下：首先，测量电机的输入功率：通过测量电机的电流和电压，并利用功率公式P=UI计算电机的输入功率。
然后，测量电机的输出功率：通过测量电机的负载转矩和转速，并利用功率公式P=τω计算电机的输出功率。
最后，计算电机的工作效率：将输出功率除以输入功率，并乘以100%，即可得到电机的工作效率。
2. 直接法测量直接法是通过实际测试电机的机械输出功率和电气输入功率，直接得到电机的效率。
具体步骤如下：首先，使用测力计或扭力传感器测量电机的输出转矩。
然后，使用转速传感器测量电机的转速。
接下来，使用功率仪表测量电机的输入功率。
最后，计算电机的工作效率：将输出功率除以输入功率，并乘以100%。
二、调整电机工作效率的方法1. 确定电机工作点调整电机工作效率的第一步是确定电机的工作点。
根据具体的工况要求和负载特性，确定电机在何种转速范围内运行效率最高。
2. 优化电机运行参数根据电机的工作点，可以进行以下方面的优化，以提高电机的工作效率：- 电机传动系统的优化：确保电机与负载之间的传动系统有效且无过多的能量损失。
- 控制电机的负载：合理控制电机的负载范围，避免发生额外的能量损失。
- 选择高效的电机：如果需要更高的效率，可以考虑使用高效率的电机。
3. 正确配置电机的控制参数电机的效率还受到其控制参数的影响。
因此，正确配置电机的控制参数是提高电机工作效率的关键。
- 确保控制器的额定电流适当：过大或过小的额定电流都会导致电机效率的下降。
- 调整控制器的响应时间：控制器响应过快或过慢都会影响电机的效率。
电机转矩、功率、转速之间的关系及计算公式
For personal use only in study and research; not for commercialuse电机转矩、功率、转速之间的关系及计算公式电动机输出转矩：使机械元件转动的力矩称为转动力矩，简称转矩。
机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。
转矩与功率及转速的关系：转矩(T)=9550*功率(P)/转速(n) 即:T=9550P/n由此可推导出：转矩=9550*功率/转速《＝＝＝》功率=转速*转矩/9550方程式中：P—功率的单位（kW）；n—转速的单位（r/min)；T—转矩的单位（N.m）；9550是计算系数。
电机扭矩计算公式 T=9550P/n 是如何计算的呢？分析：功率=力*速度即P=F*V---——--公式【1】转矩(T)=扭力(F)*作用半径(R) 推出F=T/R------公式【2】线速度(V)=2πR*每秒转速(n秒)=2πR*每分转速(n分)/60=πR*n分/30------公式【3】将公式2、3代入公式1得：P=F*V=T/R*πR*n分/30 =π/30*T*n分-----P=功率单位W， T=转矩单位N.m， n分=每分钟转速单位转/分钟如果将P的单位换成KW，那么就是如下公式：P*1000=π/30*T*n30000/π*P=T*n30000/3.1415926*P=T*n9549.297*P=T*n这就是为什么会有功率和转矩*转速之间有个9550的系数关系。
转矩的类型转矩可分为静态转矩和动态转矩。
※静态转矩静态转矩是值不随时间延长而变化或变化很小、很缓慢的转矩，包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。
静止转矩的值为常数，传动轴不旋转；恒定转矩的值为常数，但传动轴以匀速旋转，如电机稳定工作时的转矩；缓变转矩的值随时间延长而缓慢变化，但在短时间内可认为转矩值是不变的；微脉动转矩的瞬时值有幅度不大的脉动变化。
掌握转速、力矩、传动功率和传动效率等机械传动性能参数测.
3.4.3 JC型转矩转速传感器的工作原理
JC型转矩转速传感器基本原理：通过弹性轴、两组磁 电信号发生器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两 组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与轴的转 速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比。
1.转矩的测试
受载前：
u1 Um sinZt
u2 U m sinZ (t 0 )
0 z 0
z zK 1 M
0 ：齿轮的初始偏差角。
受载后：
u1 Um sinZt
u2 U m sinZ (t )
z z 0 z
KM
0
K1 M
——两个基本点齿轮间的偏转角度。
2.转速的测试 两组交流电信号的频率相同且与齿轮的齿数 和轴的转速成正比，因此可以用来测量转速。
设转矩转速传感器信号齿轮的齿数为Z，每 秒钟转矩转速传感器输出的脉冲数为f，则转速n 为：
n f Z 60
3．传动功率的测试
(r/min)
P M
nT
1.4实验台的组成及测试原理
1.4.1实验原理
P0 机械效率η 为： Pi
式中：Pi——输入功率；Po——输出功率； 对于机械传动若设其传动转矩为T，角速度 为ω ，则对应的功率为：
2n n P T T＝ T 60 30
T0 n0 Ti ni
1.4.2实验台的组成
1.开放功率流式实验台
由上式可见，N值并不随轴的转速而变化。而 N0的值也可以设法把它补偿掉。因此，只要适当 选择测量时间t2，就可以使转矩积数器的计数值直 接等于被测转矩T。
2．转速测量
转速的测量是将检相脉冲经“内、外转速信号 选择回路”后与“转速控制门”的时间控制脉冲一 起送到“与门3”， “与门3”输出的脉冲直接送到转 速计数器中计数及显示。t3为进行一次转速测量所 需要的脉冲计数时间。 3.PI-100转矩转速仪前面板图
功率、转矩、转速之间关系的推导
功率、转矩、转速之间关系的推导今天无意间想到了一个很基础的问题，平时我们都是用功率来描述电子器件所具有的带负载能力；但是对于电机系统来说，出力的主要部分是轴，那么就出现扭力相关概念。
从电机的驱动电路设计角度来说，我们更关注的是功率。
因此就要解决一下功率与转矩，和转速之间关系，正是出于这个目的，简单的推导了下三者之间的关系。
推导思路如下：1）目标量：功率，转矩2）中间量：输入量：电源电机电子部分：功率（即电压，电流）电机输出部分：转速3）关系表：电压，电流的作用，影响了电机转速的变化；电机的转速的变化，影响了轴带负载转动的能力；轴带负载转动的变化，影响了转矩的变化。
具体的推导关系如下：1）功率=力*速度即：P=F*V 公式12）转矩(T)=扭力(F)*作用半径(R)即：T=F*R通过上式，可以推出F=T/R 公式23）线速度(V)=2πR*每秒转速(n秒)=2πR*每分转速(n 分)/60=πR*n分/30 公式3将公式2、3代入公式1得：P=F*V=T/R * πR*n分/30=π/30*T*n分P=功率单位W，T=转矩单位Nm，n分=每分钟转速单位转/分钟如果将P的单位换成KW，那么就是如下公式：P*1000=π/30*T*n30000/π*P=T*n30000/3.1415926*P=T*n9549.297*P=T*n这就是为什么会有功率和转矩*转速之间有个9550的系数的关系。
因为有能量转换效率问题实际的额定转矩值应该是实际测量出来为准，基本数值大体一致，会有细微减小。
用到的一些概念定义：画一个圆，圆心是O，圆上有3点A，B，C。
现在一个蚂蚁用30秒沿着圆，从A爬到C(途经B)，那么，线速度＝弧ABC的长度÷30秒，国际单位为m/s。
角速度＝角AOC的度数÷30秒，国际单位为度/s。
电机转矩、功率、转速之间的关系及计算公式
电机转矩、功率、转速之间的关系及计算公式在电机的世界里，转矩、功率和转速是三个至关重要的概念。
理解它们之间的关系以及掌握相应的计算公式，对于电机的选型、控制和性能评估都具有极其重要的意义。
首先，让我们来了解一下什么是电机转矩。
简单来说，转矩就是使电机转动的一种力矩。
想象一下，你用手去转动一个轮子，如果要让轮子转动得更轻松，就需要施加较小的力；但如果轮子很重或者转动受到较大的阻力，你就需要用更大的力才能让它转动，这个力在电机中就相当于转矩。
转矩的单位通常是牛顿·米（N·m）。
电机功率则是表示电机做功的快慢。
功率越大，电机在单位时间内做的功就越多。
就好像跑步，跑得越快的人在相同时间内跑的距离就越远。
电机功率的单位一般是瓦特（W）或者千瓦（kW）。
而转速，顾名思义，就是电机转动的速度。
它通常以每分钟的转数（r/min）来表示。
那么，电机的转矩、功率和转速之间到底有着怎样的关系呢？这三者之间的关系可以用一个简单的公式来表示：功率＝转矩 ×转速 ×系数。
这个系数在国际单位制中是2π/60，约为 01047。
为了更直观地理解这个关系，我们可以通过一个例子来解释。
假设我们有一个电机，它的转矩是 10 N·m，转速是 1000 r/min。
那么它的功率是多少呢？首先，将转速转换为每秒的转数，1000 ÷ 60 ≈ 1667 r/s。
然后，将转矩和转速代入功率的计算公式：功率＝ 10 × 1667 ×01047 ≈ 175 W。
从这个例子可以看出，当转矩不变时，如果转速增加，功率也会随之增加；反之，如果转速降低，功率也会相应减小。
同样，如果转速不变，转矩增大，功率也会增大；转矩减小，功率则会减小。
在实际应用中，我们常常需要根据已知的两个量来计算另一个量。
如果已知功率和转速，要求转矩，可以通过公式：转矩＝功率 ÷（转速 ×系数）来计算。
《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第9章 转速、转矩和功率测量(黄老师)
第9章转速、转矩和功率测量
9.3 功率测量
负荷电阻控制方式直流电力测功机的基本特性如下图所示。
图中同时给出转矩Tt、测量功率PT、驱动转矩Tm、驱动功率 P与转速n 的关系。在测功状态下，A为最大电流线，此时对应于最大励磁电流和最小 负荷电阻，即为负荷调节处于最大位置时的固有特性；A1、A2分别为负荷 调节处于中间位置时的固有特性；B为最大转矩线，受电枢的机械强度限制； C为最大功率线，受电机散热条件限制；D为最高转速线，受旋转部分所能 承受的最大离心力限制；E为最小吸收转矩或功率线，此时虽无励磁电流通 过，但仍存在轴承及空气阻力，因而在E线之下存在不能测定区（图上剖面 线范围）。
1－弹性扭轴 2－卡盘 3－凸臂 4－钢铉
第9章转速、转矩和功率测量
9.2 转矩测量
假设弹性扭轴处于自由状态时，钢铉的固有频率为f0，受转矩T作用时 频率为f，则
T K ' ( f 2 f 02 )
式中，K’是常数，它由弹性扭轴的刚度、钢铉的尺寸及测量仪的特性 等决定。 测得频率f则可测量出转矩T。
磁致伸缩式转矩仪工作原理图
第9章转速、转矩和功率测量
9.3 功率测量
1.功率基本测量方法
主要测量方法： （1）通过电功率测量。又称损耗分析法，动力机械由电动机直接驱动，先测出 电动机的输入功率，再利用损耗分析计算电动机的输出功率，即为动力机械的轴功 率。 （2）通过转矩间接测量。由于动力机械的轴功率正比于转矩与转速的乘积，故 常采用间接测量方法。分别测量转矩和转速，再按下式求得功率
第9章转速、转矩和功率测量
9.1 转速测量
b.磁电式转速传感器
1-传感器壳体 2-输出信号线 3-保护层 4-永磁体 5-感应线圈 6-杆销 7-触发齿轮 G-气隙
发动机动力性能的检测原理和方法
*$与*!之差即为单缸转速降。二是
用发动机综合测试仪测试 各 缸 的 功率平衡。 虽然各型发动机综合测 试仪的结构和操作方法各不相同， 但其各缸功率平衡检测的 方 法 却 基本相似。一般方法为： !预热发 动机至正常工作温度； "按仪器使 用说明书规定的方法， 对仪器进行 预热、 检查、 调试和校正； #把仪器 传感器按要求连接到规定部位； $ 操作仪器键盘或按钮， 使仪器进入 各缸功率平衡测试等待状态； %调 节发动机在规定的转速范围内， 然 后逐缸断火、 断油， 仪器显示各缸 功率平衡检测结果； &测试完毕按 规定程序退出各缸功率平 衡 检 测 状态， 拆下各缸传感器并关机。!
*,.*+ ’ 3
动态测功检测原理及参数 动态测功检测原理 发动机 动态测功的基本原理是把 发 动 机 的所有运动部件看作是一 个 没 有 外界负荷并绕曲轴中心转 动 的 简 单回转体，在节气门突然全开后， 发动机所产生的有效转矩 将 全 部 用来加速发动机部件的运动， 也就 是说发动机及其自身运动 部 件 的 惯性力为载荷的加速运动， 只要测 出发动机急加速过程中曲 轴 的 加 速运动情况就可得知发动 机 的 动 力性能。 检测参数及检测方法 根据 检测参数的不同， 动态测功法可分 为瞬时角加速度法和平均 功 率 法 两种。 瞬时角加速度法是在发动机 急加速度过程中，测出某 一 转 速 （如标定转速）下所对应的瞬时角 加速度， 从而求出该转速下的发动 机功率。 同型号的发动机在急加速 过程中， 同一设定转速下瞬时角加 速度大， 该发动机的功率就大。该 方法对发动机曲轴位置信 号 检 测 精度要求较高， 通常需要从飞轮处 获得信号，因检测时很不方便， 所 以现在很少使用。 平均功率法是在 发动机急加速度过程中， 测出某一
功率、转速、扭矩、扭振
n，Me，Ne间的关系
Me n Ne 9550
Ne：有效功率（kw，输出的净功率） Me —— 有效扭矩（N· m） n —— 发动机转速（r/min）
一、有效功率的测量：采用测功机 测功机的组成：
制动器； 测力机构； 测速装置。
测功机的分类：
水力测功机； 电力测功机； 磁粉测功机等。
Me = M水环内 = M水环外 = M壳
2、（直流）电力测功机
构造：与一般直流电机相似，不同之处有两点
（1）定子外壳由轴承支承，可绕轴线摆动； （2）定子外壳固定一个力臂，并与测力机构连接。
工作原理：
内燃机主轴 转子1转动，转子带动电枢绕组4转动， 切割定子绕组磁场的磁力线，产生感生电动势 电 磁力产生制动力矩M制动=
m 1
B 0 xj B1 xj B 2 xj Bm xj B 0 xj m B1 xj
m 1
tj xj
m m
B 2 xj
m 2
Bm xj
Hale Waihona Puke tj xj mt B0 B1x B2 x 2 Bmx m
常用扭振测量虚拟仪器工作原理
目前最先进的扭转振动测量虚拟仪器由传感器 部分、信号调理（采集）卡和软件包3个基本部分 组成。仪器的核心部分为插入计算机中的专用信号 调理卡，其参数设计决定了扭转振动的测量精度。
目前扭转振动测量的传感器一般采用非接触式 传感器，最常用的是磁电式传感器。传感器交装在 轴系上测量齿盘旁，其作用是将轴系的转速变化转 变成电信号周期的变化，每转过一个齿，传感器输 出的电压信号就变化一次输出一个电压脉冲信号。
Me
定子外壳同样受到
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i. 涡流式/凹坑式 （例如启动测功器厂YP系列水力测功器） • 其主结构是由一架于滚动轴承上可摆动的外壳
第九章 有效功率和转速、转矩的测量
有效功率和转速、转距的测量
主要内容
• 有效功率的计算 • 测功器的原理与类型 • 测功器的选用原则及测量误差 • 转矩的测量（转矩仪） • 转速的测量
有效功率和转速、转距的测量
9.1 内燃机的有效功率
一、功率和转矩、转速的关系 • 功率和转速、转矩是表征发动机动力性能
9.2 测功器的工作原理和类型
一、测功器的目的
• 根据有效功率的公式：
Pe
Te n(kW) 9550
• 测功器的目的就是要准确测量到Te和n的值。
有效功率和转速、转距的测量
二、测功器的基本工作原理和类型
1.基本工作原理
• 内燃机不带负载情况下是没有功率而言的（飞轮 其实是内燃机自身带的负载）。对外做功输出转 矩必须要带载。因此测量转矩Te就要人为的给内 燃机加上一个负载，而测功器就起到这个负载的 作用。
的重要指标 。 • 发动机通过飞轮对外输出的功率称为有效
功率，用Pe表示，单位为kW • 发动机通过飞轮对外输出的转矩称为有效
转矩，用Te表示，单位为N·m
有效功率和转速、转距的测量
• 内燃机飞轮端带负载达到稳定转速。
• 将飞轮受力简化为边缘受到负载的抵抗力F。 此时转速为n，相应的曲轴旋转的角速度为ω。
力装置 2.固有特性和工作范围 固有特性：测功器在某一调节位置下，测功器转
速与其吸收转矩或吸收功率之间的关系。 Temax、Pemax、nmax
• 由于工作范围小，测量精度低，摩擦系数不能 保持恒定，工作不稳定。—— 很少使用
有效功率和转速、转距的测量
四、水力测功器（应该掌握） 1.工作原理和结构 • 利用水为工作介质 • 水力测功器由主机部分、测力机构、测速机构、
• 而通常情况下，测功器的负载量是可以调节的， 这样就可实现内燃机在不同工况下有效功率的测 量。
• 基本原理：根据测功器作用力矩与测功器反作用 力大小相等、方向相反的原理来测量转矩的
2.结构组成
• 测功器一般由制动器、测力机构和测速装 置等几部分组成。通常测速装置也可以独 立出去，而称测速装置以外的部分为测功 器。
和架于主轴上的转子组成。（动力机械的输出 功率转变成热量消耗掉 ）
1.底座 2.左右轴承座 3.主轴部件 4.联轴节 5.轴承压板 6.骨架油封 7.轴套 8、9.双金 属轴套 10.左右轴承外壳 11.左右侧壳 12.螺塞 13.转子 14.外壳 15.封水圈 16.测速齿 轮 17.转速传感器 18.溢水管 19.旋塞
F – 测力机构的读数 N
L – 测力机构的臂长 m
K – 测功器常数
• 如果把L设计成为L=0.9550m，则K=10000， 上式大大简化。
3.测功器的分类
• 测功器是按照制动器的工作原理进行分类 的。
机械测功器 - 输出转矩转化为机械摩擦产生的
制动力矩
不常用或淘汰
气力测功器 - 输出转矩转化为螺旋桨或叶片旋 转产生的制动力矩
主要特点：
• 转子、定子均采用不锈钢材料，凹坑式结构。 • 采用无接触密封技术。 • 通过控制排水蝶阀来改变内腔工作压力，从而改
变吸收负载。 • 快速响应。因为通过改变排水阀的开度，内腔工作压力
瞬间变化，通过电子控制仪器的自动闭环控制，可方便、 迅速地稳定到所需要的负荷值。从一个工况到另一个工况 的过渡时间为4秒。
• 则输出功率：
P eFrTe 160
• 将2带入1，得到：
Pe2Ten(W) 3
60
图3.1 飞轮受力示意图
• 将3的单位化成kW则有：
Pe26Te0n/100(k0W )
• 简化上式则有：
T n e P 955(0kW) e
Pe —— 内燃机有效功率(kW) Te —— 内燃机有效转矩(N.m) N —— 内燃机输出轴转速(r/min)
• 这个公式就是我们测量内燃机有效功率的根 本依据。
• 有效功率的测量是间接测量，得到有效功 率的前提是测量到转矩Te和转速n。
• 转速的测量常见的测量方法是使用各种转 速传感器，如：磁电转速传感器、光电转 速传感器和霍尔转速传感器等等。
• Te的测量是如何实现的呢？在实验室内燃 机台架试验中，通常是使用测功器来测量 Te。
• 制动器——调节内燃机的负载，并把从内 燃机输出轴输出的功率转化为其他形式的 能量，如热能或电能。
• 测力机构——用来测量Te • 测速机构——用来测量n
• 为了适应测力机构的读数方便，公式
Pe
Te n(kW) 9550
• 通常被写成：
P e9 T en 59 5 F5 0 L 9 5 n F 5 0 /L n 5 F K 0(k n) W
涡流式水力测功器
有效功率和转速、转距的测量
• 水力测功器工作时，水箱里的水进入左右环形腔，流入涡 流室，发动机带动测功器主轴旋转，水在涡流室内作强烈 的涡流运动，产生很大的动能，作用于定子，而左右两定 子与外壳相联。因此发动机输出的扭矩通过水的作用，从 转子传递到摆动的壳体上，在由力臂将力作用与拉压力传 感器。
水力测功器 - 输出转矩转化为以水为工作介质的
制动力矩
常用
电力测功器 – 输出功转化为电磁力制动力矩
4.测功器应满足的要求 • (1)在内燃机全部转速和负荷范围内能正常
运转 • (2)能平顺而又精细的调节负载 • (3)能足够准确的测量负载 • (4)操作简单，安全可靠
三、机械测功器（了解） 1.工作原理 • 利用机械摩擦 • 曲轴 – 制动鼓/轮 – 闸片或皮带 – 旋臂装置 – 测
• 水门执行机构由出水管组件、蝶形排水阀、电控执行器及 同步步形带等见组成，可以由控制系统通过执行器对蝶形 阀开度大小进行自动调节以改变排水量
• 测力机构采用拉压力传感器，转速测量采用非接触型转速 传感器，传感器将受力和转速转换成电压信号，输入发动 机控制系统，即可显示出转速、扭矩、功率等测定值。
有效功率和转速、转距的测量