井用永磁同步電動機轉矩測量裝置研究與應用

許志義 蘇佩佩 楊智清 穆智新

摘要：與異步電動機相比，永磁同步電動機具有效率高、啟動轉矩大、體積小、重量輕的優點。近年來，隨著永磁同步電動機技術的發展，永磁同步電動機逐漸應用在井用潛水泵領域，但是，由于現有的轉矩測量儀無法直接在水下環境工作，因此，目前還無法直接對井用永磁同步電動機進行轉矩的測量。本文通過對井用永磁同步電動機轉矩測量方法進行研究分析，設計了一種井用永磁同步電動機轉矩測量裝置，可安裝在井用潛水泵和井用永磁同步電動機之間，直接測量井用永磁同步電動機工作時的轉矩。經試驗測試，該裝置密封良好，通過試驗數據對比分析表明，本文設計的井用永磁同步電動機轉矩測量裝置測量精度符合設計要求。

關鍵字：轉矩測量;井用永磁同步電動機;轉矩測量儀;機械密封

中圖分類號：TH69文獻標志碼：A

異步電動機在定子通入三相電流后產生旋轉磁場，使轉子中產生感應電流，定子的旋轉磁場與轉子導體進行相對切割運動。根據電磁力定律，在電磁力的作用下，轉子導體產生電磁轉矩，驅動轉子旋轉，向外輸出機械能。而永磁同步電動機轉子本身含有固定磁場，定子磁場與轉子磁場通過相互作用使轉子產生電磁轉矩，從而驅動轉子旋轉，向外輸出機械能[1]。永磁同步電動機取消了勵磁繞組和集電環，與普通電勵磁同步電動機相比，不僅提高了可靠性且維護方便，其效率也有了提高;與異步電動機相比，不但效率提高，功率因數也大大改善。而且，永磁電動機在25%～120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節能效果更加顯著[2]，特別適合于風機、泵類負載。近年來，隨著永磁同步電動機技術的發展，永磁同步電動機逐漸應用在井用潛水泵領域，即井用永磁同步電動機，但是，由于井用永磁同步電動機本身構造特點和水下工作的環境要求，現有的轉矩測量儀無法在水下環境對其進行轉矩的測量，導致無法測量井用永磁同步電動機的效率。本文通過對井用永磁同步電動機效率的測量方法進行分析，設計制造了一種井用永磁同步電動機轉矩測量裝置，將其安裝在井用潛水泵和井用永磁同步電動機之間，直接測量井用永磁同步電動機工作時的轉矩，通過轉矩計算出井用永磁同步電動機的輸出功率，進而計算出井用永磁同步電動機的效率。經試驗測試，該裝置密封良好，通過比對實驗，結果表明，本文設計制造的井用永磁同步電動機轉矩測量裝置測量精度符合設計要求。

1 井用永磁同步電動機效率的計算

對永磁同步電動機來說，計算其效率時，可以采用A法即輸入—輸出法，也可以采用B法即損耗分析及輸入—輸出法間接測量雜散損耗[3]，但無論是采用A法還是B法，都需要對永磁同步電動機軸的轉矩進行測量讀數。對于非水下工作的永磁同步電動機，可以直接使用現有的轉矩測量儀（含測功機和傳感器）進行轉矩的測量，但是對于井用永磁同步電動機，由于其在水下工作，而目前市場上還沒有可以直接在水下工作的轉矩測量儀，因此目前還無法對井用永磁同步電動機的轉矩進行測量，進而無法計算井用永磁同步電動機的效率。為了實現對井用永磁同步電動機轉矩的測量，進而計算其效率，為井用永磁同步電動機的優化設計提供依據，本文設計了制造了一種井用永磁同步電動機轉矩測量裝置。

2 井用永磁同步電動機轉矩測量裝置的設計

本文設計制造的井用永磁同步電動機轉矩測量裝置由連接部分、密封部分、測量部分和定位支撐部分組成，其核心是轉矩測量儀，圖1是本文設計的井用永磁同步電動機轉矩測量裝置整體外形圖，圖2是井用永磁同步電動機轉矩測量裝置內部結構圖。

本文設計的井用永磁同步電動機整體呈圓筒形，在裝置的上部和下部分別設有用于和井用潛水泵、井用永磁同步電動機連接的上、下連接段。上、下連接段上分別設有定位止口和定位凸臺，通過定位止口和定位凸臺，來保證井用永磁同步電動機轉矩測量裝置安裝時的定位精度。上、下連接段上設有螺栓孔，通過螺栓與井用潛水泵和井用永磁同步電動機連接固定。

井用永磁同步電動機轉矩測量裝置的主體部分為圓筒狀的密封殼體，密封殼體的上、下兩端分別設有上蓋板和下蓋板，上、下蓋板與密封殼體之間通過止口進行定位，上、下蓋板上設有螺栓孔，通過螺栓將上、下蓋板固定安裝在密封殼體上，并通過橡膠墊進行密封。上、下蓋板圓心部分設有圓孔，轉矩測量儀的上、下軸分別從蓋板上、下圓孔穿過，在上、下圓孔處設有機械密封，機械密封的動環套緊在轉矩測量儀的上、下軸上，機械密封的靜環安裝在上、下蓋板上，通過機械密封對轉矩測量儀的上、下軸進行密封，并且在轉矩測量儀的上軸設有甩水環，防止機械密封發生意外泄漏情況時，液體浸濕轉矩測量儀。

井用永磁同步電動機轉矩測量裝置中的轉矩測量儀的上、下軸通過聯軸器分別與井用潛水泵軸、井用永磁同步電動機軸連接。工作時，轉矩測量儀將測量到的轉矩以頻率信號的格式，通過線纜傳輸到信號采集顯示儀表。

在井用永磁同步電動機轉矩測量裝置密封殼體內部設有上、下定位支撐板，密封殼體內壁上設有定位臺階，通過定位臺階和上、下定位支撐板對轉矩測量儀進行軸向定位，并通過螺栓將上、下定位支撐板鎖緊固定，保證轉矩測量儀軸向位置固定牢固。在上、下定位支撐板圓心部位設有定位止口，通過定位止口對轉矩測量儀進行徑向定位固定，在加工時，通過保證上下定位支撐板上定位止口和上、下連接段定位止口、定位凸臺的同軸度，以此來保證轉矩測量儀安裝后與井用潛水泵軸、井用永磁同步電動機軸的同軸度。

3 試驗和結果分析

井用永磁同步電動機轉矩測量裝置加工制造完成后，為了驗證其密封性和測量結果的準確性，將其安裝在井用潛水泵和井用潛水異步電動機之間，進行了負載試驗、空載試驗等，并分別通過損耗分析法和直接測量轉矩法計算了井用潛水異步電動機的輸出功率。

試驗結果表明，本文設計的井用永磁同步電動機轉矩測量裝置運行時密封良好，無滲水現象發生，轉矩測量儀工作正常。

進行試驗時，井用潛水泵規格為175QJ32-48，配套井用潛水異步電動機的功率為7.5kW，采用傳統損耗分析法進行電動機輸出功率的計算時，通過電動機負載試驗和電動機空載試驗測得功率、電流、轉速等參數計算得到定子繞組損耗為601.42W，轉子繞組損耗為829.39W，鐵耗為367.37W，機械耗為325.00W，雜散耗為120.00W，電動機輸入功率為9748.76W，根據電動機輸出功率=電動機輸入功率—定子繞組損耗—轉子繞組損耗—鐵耗—機械耗—雜散耗，計算得出電動機輸出功率為7505.57W。而通過本文設計的轉矩測量裝置直接測量得到的電動機輸出軸轉矩為24.9N.m，轉速為2870r/min，計算得到輸出功率為7483.82W。通過試驗數據比較發現，采用傳統損耗分析法得到的輸出功率和采用直接測量轉矩法得到的輸出功率基本一致，精度符合設計要求，因此可以確定通過本文設計的井用永磁同步電動機轉矩測量裝置測得的電動機轉矩數據是準確、可靠的。

結論

本文設計制造了一種井用永磁同步電動機轉矩測量裝置，通過試驗和數據對比分析，驗證了該裝置在水下環境測量電動機轉矩時密封性良好，測量數據準確、可靠，為井用永磁同步電動機轉矩的測量提供了一種參考方式。

參考文獻

[1]李畢勝. 礦用永磁同步電動機的試驗研究[J]. 煤礦機電，2019，40（5）：5-7.

[2]唐任遠等. 現代永磁電機理論與設計[M]. 北京：機械工業出版社，1997.

[3]GB/T22669-2008. 三相永磁同步電動機試驗方法[S].