电机测试-马达加载测功机原理及其局限性

市场上马达测功机种类繁多，五花八门，绝大多数均是传统的加载式测功机，测试时需将马达用联轴器联接测功机（装有扭矩和转速传感器、负荷制动器），要获得马达机械/电气特性曲线，其方法是向马达供电后，分步调节马达的载荷从零（空载点）逐渐加大到迫使马达停转（堵转点），并将该加载过程中各稳态转速点对应的各参数进行记录并列出表格并绘成曲线，通常称之为全特性测功。直流马达加载测功系统原理框图见图1。

图1 加载测功系统原理框图

图1中，加载测功系统各单元的作用如下：

工作电源：作为系统构成最基本的部分，它为被测的马达提供电源动力，从简易的整流电源到精密可控的程控开关电源等。

测量单元：主要功能是检测被测马达的输入电压、电流、输出功率、转速、转矩、效率等。

控制单元：作为系统的执行部分，主要用来对制动器加载电流控制及整个系统协调控制。

测功机： 通常包括制动器、传感器等。其制动器作为被测马达的载荷。就其工作原理及结构之分，有磁滞制动器、磁粉制动器等。传感器分扭矩传感器及转速传感器，除了测量扭矩及转速外，还可测试转向。

计算机： 作为整个系统的信息管理中心，装有专用测试软件，提供操作界面以完成用户测试要求的输入及显示测试结果数据图表，可以自动完成测试报告、绘制马达特性曲线。

加载测功机优点是原理直观易懂，对带有减速器的马达可测试到出轴的功率,相比之下有一定的优势。但是，基于测试原理，加载测功机有相当大的局限性，存在诸多缺点，其最大的缺点是测试精度差。

引起测试精度差的主要原因是加载测功机可以基本保证精度的动态测试范围受限。图1 中所有的功能单元的工作或测试范围等参数必需要与被测马达当前的扭矩、电流、转速等相匹配，否则无精度可言。马达全特性测功的测试范围包括了空载到堵转的全过程，从理论上讲转矩传感器测量范围要覆盖零到堵转扭矩值附近且要确保精度，但实际的传感器产品在其标定扭矩值的20%左右的测试精度已经很差，接近零扭矩的范围段几乎无精度可言；同样道理，转速传感器的光栅数目有限，接近零转速附近的范围段几乎也无精度可言。即使忽略电测仪表的误差、环境温度及马达温升的影响，马达加载测功得到的全特性数据只有中间一段范围有精度可讨论。由于马达始终拖了个制动器，空载点附近实际上已经加上了不可忽略的负载损耗扭矩（表征为比马达光轴测试空载电流大得多、转速低得多），且扭矩传感器在满度的10%以下无精度可言，故在空载点附近谈精度无任何意义；堵转点附近由于转速传感器的误差迅速增大（传感器的光栅脉冲数大幅下降直至零），仅此一项的误差就引发整个测试系统的极大误差。

打个比方，用同一台电子台秤宽范围称重量，若秤一头牛，结果要么是超量程溢出要么是损坏台秤；若秤一个蛋，结果要么是台秤没反应要么是随意显示1两半两，根本无精度可言。对于加载测功系统，就算各部件参数选择得当，也只能测试马达相匹配的特定扭矩点或附近的一小段范围内的扭矩，才可以谈精度，当然，前提是马达的工作状态与当前的电流、扭矩、转速等测量数值范围内相对应的仪表及传感器要有足够的精度，且对客观上始终存在的测功装置机械附加损耗扭矩忽略不计。因此，鉴于加载测功原理，马达测功的精度原则上是针对马达在某一特定扭矩点或附近的一小段扭矩范围内而言的。

目前对测功系统计量方法均局限于测功系统的静态测试数据，且对扭矩传感器、转速传感器的计量标定限于量程的上限附近，因此，对图1所示任何一款加载测功系统，尽管公布有极高的静态计量标定精度，但由于机械因素及传感器实际测量范围受限，在全特性加载测功的马达运转动态过程中得到的测试数据充其量只能是特性曲线的加载扭矩中间一小段具有一定的参考意义，测试得到的全特性曲线与马达真实特性相差甚远。

马达测功的定义是在测试马达稳定状态下的对应参数，若偏离了“稳定状态”，就产生巨大的误差。另外，电压、电流、转速、转矩等仪表误差，特别是制动器加载方式、各项数据采集方式及同步误差均对马达真实特性测试构成误差。

以直流永磁有刷马达的加载测功为例，其实际测试过程中的情况极为复杂，在特定加载点取得稳定转速是很难的，一方面，马达不同稳态之间的转换需要时间（取决于马达与负载制动器等的机械时间常数）；另一方面，即使扭矩稳定，马达在持续加载引发的温升变化影响下其转速及电流均在变化，严格地说马达加载测功过程中几乎无“稳态”可言，而在非稳态下测到的数据及结论，充其量只仅供参考；堵转点附近的数据受各种因素（如马达当前的内部温度、停车位置等）影响更大。

马达从空载到堵转的加载步数对测试结果影响很大，测试步数少，马达温升低，但马达测功曲线拟合精度差；测试步数多，马达温升高，马达测功精度同样低，尤其是额定负载到堵转段的测试结果。

马达加载测功得到马达全特性曲线的方式有两种：连续分步加载和断续分步加载。

连续分步加载：即每加载一步，待马达运行状态基本稳定后测试并记录当前负载下的参数，然后立即加载测试下一负载点，直至马达堵转，得到马达从空载到堵转的全特性曲线，由于测试过程中温升的积累导致马达温升很高，尤其在额定负载到堵转段。某型马达外壳有开口，在测试过程中使用红外温度传感器实测马达电枢温度并自动记录，对该马达的连续三次不间断重复测功结果见图2，红色曲线族为第一次全特性加载测试结果，绿色曲线族为立即进行第二次全特性加载重复测试结果，兰色曲线族为第三次全特性加载再次重复测试结果。从图中可知，第一次测试马达的起始温度约为20℃，到堵转点温度约为65℃；第二次测试过程从为55到85℃，第三次测试过程从68℃到90℃，测试数据结果相差极大。

断续分步加载：即每加载测试一步，马达立即断电，待马达冷却到初始温度，再直接加载到下一负载点测试，如此循环，直至马达堵转，最终取得该马达从空载到堵转的全特性曲线，由于测试过程中只有单点负载测试时段的温升，无连续分步加载测功模式的温升积累，因此，本方式测功引发的马达温升较小。对图2中的马达重复三次测功结果分别见图3中的红色曲线族、绿色曲线族、兰色曲线族，从图中温升曲线可知，马达的起始温度约为20℃，堵转点温度约为30℃。

比较上述两种加载测功方式，连续分步加载测试的3次堵转矩数据分别在0.67～0.74N.m之间，而断续分步加载对应数据则分别在0.87～0.90N.m之间；连续分步加载测试的3次最大出功数据分别在88～99W之间，而断续分步加载对应数据则分别在96～102W之间。

图2                                                

图3

上述的测试结果表明，不同的加载测试方式对加载测功结果影响极大，马达初始温度（或环境温度）对测功结果影响也很大；即使环境温度及马达温升基本不变，加载测功的重复性也不高。另外，加载测功机还普遍存在如下的缺点:

●使用很麻烦：需联轴夹装对同心；测试不同规格的马达往往需要更换不同的联轴器、制动器、扭据传感器和转速传感器, 换型时间长；扭矩传感器的温漂和时漂及零漂较大,测试前往往需要重新用法码标定和修正，实际使用操作均很麻烦。

●测试速度慢：对轴夹装时间和空载到堵转的加载时间长，即使定点测试也需较长的等待马达稳定时间，难以满足流水线快速全检要求。

●配套成本大：需根据马达不同的堵转矩、最高转速和轴径分别配置不同的联轴器、制动器及扭据传感器和转速传感器，且高精度的测量装置价格昂贵，设备配套投资大。

●使用成本高：摩擦发热、机械磨损老化等, 需对制动器等机械部件维修或更换，大功率测试耗电大，加上操作费时，使用成本高。

●马达易损伤：夹装、加载或堵转测试不当易引起马达损伤。

●数据局限性：只能测试马达的外部特性, 无法获得马达内部参数。

●系统较复杂：传统的测功系统普遍采用各自独立的单台仪器结构体组合构成，体积庞大,内部联接电缆复杂, 不便维护。

●安全性能差：联轴器等机械部件在高速运转中容易损坏，可能飞出伤人。