小型永磁發電機功率特性測試試驗研究

浙江星月實業有限公司 林中茂 張 慶 陳應雄

1 引言

永磁發電機作為一種高效、節能、體積小且具有高性能的驅動方式，在工業、家用電器、電動工具和新能源汽車等領域得到了廣泛應用。永磁發電機的輸出功率特性主要包括轉速、轉矩和效率等，這些參數在不同的負載和工作條件下表現出不同的特點。為了深入研究永磁發電機的功率特性，本文構建了一套小型永磁發電機功率特性測試系統。通過對該系統的試驗測試，可以評估永磁發電機的性能，為永磁發電機在實際應用中的選型、設計和優化提供參考。

2 常見測試方法

在對小型永磁發電機進行功率特性測試時，通常采用以下幾種常規測試方法，見表1[1]?？梢愿鶕嶋H應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。發電機在不同負載條件下的輸出功率和效率等參數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電機軸上的電磁測功器測量發電機的轉矩和轉速，進而計算出發電機的輸出功率。該方法可以實現對發電機在不同負載條件下的功率特性的連續測試。

2.3 反拖法

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

對于小型永磁發電機的功率特性測試，需要根據實際應用場景、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，可以根據需要對多種測試方法進行組合，以獲得更準確、全面的發電機性能參數。一般來講，在初步了解發電機性能時，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雜，但測試結果較為精確。在實際應用中，需要充分考慮各種因素，例如時間、成本和技術要求等，確定最適合的測試方案。

3 系統組成

3.1 硬件組成

小型永磁發電機功率特性測試系統主要由以下幾部分組成，見表2[2]。

表2 硬件組成

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

試驗所需的設備包括轉速傳感器和轉矩傳感器，用于實時測量永磁發電機的轉速和輸出轉矩。此外，還需要負載機模擬實際工作條件下的負載，數據采集卡將傳感器測量的模擬量數字化，并傳輸至計算機進行處理和分析。為永磁發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電機的運行狀態。

為保證試驗的穩定性，還需要測試臺架固定設備，而數據處理與顯示設備則用于接收和處理數據采集卡傳輸的數據。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。通過對試驗數據的分析，可以得出永磁發電機的功率特性，從而能夠更好地了解其性能。

3.2 軟件組成

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

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

4 試驗測試

4.1 主要試驗設備

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

4.2 1kW 永磁發電機試驗

步驟1：安裝與準備。將1kW 永磁發電機與JW4516型三相感應電動機聯軸，并在兩者之間安裝TQ 型轉矩轉速傳感器。確保所有設備安裝牢固，避免試驗過程中的故障。

步驟2：調速。打開SF3A-12型無刷直流發電機調速裝置和ECT230-4B 型電磁調速電動機，調整發電機速度至所需的工作速度。確保發電機在穩定的轉速下運行。

步驟3：啟動LabVIEW 數據采集程序。在計算機上啟動LabVIEW 數據采集程序，配置相關參數，例如采集頻率、存儲路徑等。程序將自動采集發電機的轉矩、轉速、交直流電壓輸出、電流以及大氣壓力和溫度等參數。

步驟4：數據采集。試驗過程中，LabVIEW 程序將實時監測并記錄永磁發電機的各項參數。同時，使用DPM-8717型交直流數字電參數測量儀測量發電機輸出的交直流電壓和電流。

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

4.3 試驗結果分析

在1kW 永磁發電機試驗過程中，在不同負載條件下收集了大量數據。數據結果見表3。

表3 數據結果

根據試驗數據，可以得出以下結論。

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

轉矩隨著負載的增加而增加。在無負載條件下，永磁電機的轉矩為0Nm，而在滿載條件下轉矩達到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。這一結論對實際應用中電機的運行參數設置和優化具有重要參考價值。

5 結語

本文對小型永磁發電機功率特性測試系統進行了試驗研究，采用了先進的測試方法和設備，結合LabVIEW 平臺編寫的數據采集程序，實現了數據采集的自動化和高效性。同時，虛擬儀器技術與LabVIEW 平臺在永磁發電機性能測試中發揮了重要作用，利用該技術和平臺，可以實現數據采集的自動化和高效性，為永磁發電機的研究和應用提供了有力支持，為永磁發電機的性能測試、優化和應用提供了理論依據。