第章转速和功率测量课件

第十章转速和功率的测量学习要求: 要求掌握常用的发动机功率测量方法和原理，了解常用测功器的种类，各自调节负荷的方法，以及工作特性。掌握如何进行测功器的正确选型。了解常用转速和扭矩的测量方法。第十章转速和功率的测量学习要求:1转速：单位时间内转轴的平均旋转次数。记为：n，单位：r/min；转矩：作用在转轴上的扭矩。记为：Me，单位：Nm；功率：单位时间内转轴对外所作的功。记为：Pe，单位：kW.。转速和功率是热能动力机械的重要参数，反映其动力性能指标。概述转速：单位时间内转轴的平均旋转次数。记为：n，单位：2第1节转速测量一、接触式转速表离心式转速表:利用离心力与拉力的平衡来指示转速。离心式转速表是最传统的转速测量工具，是利用离心力原理的机械式转速表；测量精度一般在1~2级，一般就地安装。准确直观，可靠耐用优点。结构比较复杂。磁性转速表:利用旋转磁场，在金属罩帽上产生旋转力，利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速。磁性转速表，是成功利用磁力的一个典范，是利用磁力原理的机械式转速表；用软轴可以短距离异地安装。结构较简单，摩托车和汽车以及其它机械设备。异地安装时软轴易损坏。电动式转速表:由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。小型交流发电机产生交流电，交流电通过电缆输送，驱动小型交流电动机，小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。磁性转速表头与小型交流电动机同轴连接在一起，磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速；异地安装非常方便，抗振性能好，广泛运用于柴油机和船舶设备。第1节转速测量一、接触式转速表离心式转速表:3第1节转速测量一、非接触式器光电式转速传感器照射式反射式结构：光源，遮光盘（反光盘），光电管，测频电路。原理：测频特点：高速时，光信号减弱第1节转速测量一、非接触式器结构：光源，遮光盘（反光盘4磁电式转速传感器结构：齿轮（导磁材料，齿数z），磁头—磁铁，线圈，距齿顶约2mm原理：齿轮随转轴旋转，每转过一齿，就切割一次磁力线，在线圈中产生一个感应电动势的脉冲信号。每转将产生z个电脉冲信号。特点：结构简单，工作可靠，转速越高，输出信号越强。现在发动机测功器台架大多采用这种转速传感器。磁电式转速传感器特点：结构简单，工作可靠，转速越高，5电磁脉冲转速表通过电磁感应和脉冲计数电路计数汽油机的高压点火脉冲的频率，再根据汽油机的冲程数和气缸数得到发动机每传一圈所发出的点火脉冲数，由此可以计算出汽油机的转速。特点：非接触测量准确度高体积小，使用方便。4．反射式红外转速传感器特点：尺寸很小，反射式，手持式红外测速仪透镜能对红外线聚焦；半透膜2既能使发射管射出的红外线射向转轴上的转盘4，又能使反射回来的红外线射向接收管；贴在被测旋转体上的反光纸3的大小一般为10mm×l0mm，起着定向反射作用。为提高反射能力，可将反光纸周围涂成黑色，并避免阳光直接照射。

电磁脉冲转速表6第2节转矩仪发动机试验台—一般采用吸收式测功设备：测功机大型、重要发动机的工作监控—一般采用传递式测功设备：转矩仪转矩仪的作用原理通过测量某些传递转矩的零件（如轴、特制的联轴器或实际的传动轴等）在转矩的作用下产生的扭转变形来测量转矩。圆轴在转矩Tt(Nm)的作用下，相距L（m)的两个截面的相对扭转角φ(rad)为：式中：G为轴材料的剪切模量

Ip为轴截面的极惯性矩第2节转矩仪发动机试验台—一般采用吸收式测功设备：测7一、相位差式转矩仪相位差式转矩仪利用中间轴在弹性范围内其相隔一定长度的两截面上所产生转角的相位差与转矩成正比的原理制成。光电式转矩仪结构转矩仪的中间轴通过联轴器串接在传动轴中间；2只光栅盘分别经套筒固定于中间轴的A、B两端；外壳通过轴承支撑于中间轴，轴转动时外壳不转；外壳两侧安装光源和光电管，光源透过两只光栅照射到光电管。转矩仪的种类相位差式应变式磁致伸缩式一、相位差式转矩仪转矩仪的种类8测量原理无转矩作用时，A、B光栅相互遮挡，光电管输出为零；转矩T作用时，轴的A、B端扭转一个角度φ，A、B光栅也错开φ角度，透过部分光线。T越大，φ也越大，光电管的输出越大。转速对转矩的测量无影响光电管输出的是光电流脉冲列的直流分量。测量原理9光学式转矩仪结构扭转应变轴3弹性传递轴4（自由端）平行光投射器6望远镜1测量原理扭转应变轴3受扭后，使反射光线2发生偏移，偏移量与转矩成正比。读数直接光线照出细尺度反射光线照出粗尺度粗细尺度结合读数光学式转矩仪10磁电式转矩仪结构弹性轴7上热套2只外齿轮1旋转套筒上2只内齿轮4与外齿轮位置相对，间隙很小，内齿轮紧靠永久磁铁3，起磁头作用。旋转套筒在外壳内可以转动。外壳用轴承支撑于弹性轴。测量原理弹性轴转动受扭后，相距L的2只外齿轮扭转一个角度，发出的两列磁电脉冲信号产生相位差。转速低于600r/min时，磁电脉冲信号减弱，用电动机6带动旋转套筒反向旋转，提高内外齿轮的相对速度，使信号增强。磁电式转矩仪弹性轴转动受扭后，相距L的2只外齿轮扭转11二、应变式转矩仪转轴承受转矩时要产生切应力（变），最大切应力（变）发生于圆周，方向为450和1350。它与转矩成正比。应变式转矩仪在转轴这两个方向粘贴应变片，用电桥测出其最大应变，从而测得转矩。二、应变式转矩仪12三、磁致伸缩式转矩仪铁磁物质的磁致伸缩效应铁磁物质的磁化特性在机械力的作用下会发生显著变化；铁磁物体在外磁场的作用下会发生机械变形。稀土和Fe2的化合物中存在强烈的磁致伸缩效应。最有效的合金是—特弗龙（terfnol),成分为：Tb0.3Dy0.7Fe1.93，下标代表每种元素（铽，镝，铁）的原子比例，将原子比例与原子量相乘得质量比例，分别为18%，42%，40%。磁致伸缩式转矩仪测量原理交流励磁线圈A，B：一次侧线圈感应线圈C，D：二次侧线圈铁心距轴表面1-2mm，构成磁头三、磁致伸缩式转矩仪磁致伸缩式转矩仪测量原理13磁桥的构成：A’,B’,C’,D’:铁心与轴表面气隙的磁阻R1,R2,R3,R4:轴表面的磁阻。

工作时，向励磁线圈A,B供给50Hz交流电，励磁，当轴不受转矩作用时，轴上无应力，且原有磁通各向同性，R1=R2=R3=R4，桥路平衡，无信号输出。当轴受转矩作用时，轴上有应力分布，使轴表面的磁导率发生变化。拉应力+σ使磁阻R1,R4减小，磁导率增加；压应力-σ使R2,R3增加，磁导率减小，结果产生一个不平衡磁通，在感应线圈C,D中产生与轴上所受转矩T1有关的电动势，根据标定得出的此电动势信号与转矩T1的关系可测出转矩T1。磁桥的构成：当轴受转矩作用时，轴上有应力分布，使轴表面的磁导14第3节功率测量一、概述转速测量转矩测量

吸收型测量电力测功机：直流，交流，电涡流测功机。水力测功机：圆盘式，销柱式，叶轮式，涡流室式水力测功机。磁粉测功机（磁粉制动器）平衡式结构：测量制动器外壳上的反力矩。将制动器外壳(定子)支承在一对轴承上，使其可绕本身轴线作自由摆动。当被测动力机械输出转矩传给制动器外壳时，就可通过与外壳相连的力臂将力传给测力机构。

传递型测量相位差式转矩仪应变式转矩仪磁致伸缩式转矩仪F为测力机构的读数(N)；L为测力机构的力臂长(m)；K＝9550/K为测功机常数。取L＝0.9550m时，K＝10000，计算能大大简化。力臂长常常做成L或L/2使读数就十分方便。

第3节功率测量一、概述15一、水力测功机（一）水力测功机结构形式和工作原理以水为工质的液力测功装置，主体为水力制动器，由转子和外壳组成，外壳由滚动轴承支撑，可以自由摆动。外壳上有测力机构与底座连接。类型：圆盘式、销柱式、叶轮式和涡流式。圆盘式水力测功机水经进水调解阀进入外壳内腔。从出水管排出。转盘旋转，将水甩向外壳内腔的外壁形成旋转的水环，水环对外壳壁面的摩擦将发动机的转矩由转子传给外壳，测力机构可以指示该转矩的数值。通过进出水阀门调节水环厚度。水环厚度越大，负荷越大。一、水力测功机圆盘式水力测16第章转速和功率测量课件17第章转速和功率测量课件18第章转速和功率测量课件19销柱式水力测功机转子外缘和外壳内腔内缘安装若干方形断面的销柱，大大增加了对水的扰动，提高了测功机的制动能力，减小了测功机的体积。销柱式水力测功机20叶轮式水力测功机涡流室式水力测功机主要结构：转子和外壳上的若干半椭圆形小室。原理：转子上的小室内水压因旋转离心力的作用而内低外高。与外壳上的小室相对后将形成环流，产生强烈扰动，传递转矩。负荷调节：变压式（排水阀开度），变面积式（2个半圆形闸套，可径向移动）叶轮式水力测功机21（二）水力测功机地固有特性和工作范围圆盘式水力测功机转子受力分析dR圆环微元受水的制动力矩为：上式对浸在水环里的部分圆盘面积积分得：（二）水力22水力测功机工作特性A—最大负荷调节位置（如水环厚度最大）时的固有特性B—最大转矩线，机械强度限C—最大功率线，散热条件限D—最高转速线，最大离心力限E—空载线，轴承、空气阻力限测功时测功机工作范围：A、B、C、D、E线所围范围水力测功机工作特性23水力测功机与内燃机的匹配

内燃机特性曲线--外特性负荷特性螺旋桨特性道路行驶特性要求：测功机的工作范围覆盖

发动机的工作范围水力测功机与内燃机的匹配要求：测功机的工作范围覆盖24（二）电涡流测功机结构原理结构：定子：励磁线圈涡流环冷却系统转轴：感应子（齿形）支座与测力机构（二）电涡流测功机25第章转速和功率测量课件26原理：励磁线圈通入直流电后，产生磁场，磁力线通过感应子、气隙、涡流环和磁轭定子闭合。感应子为齿型，齿顶处磁阻小，磁通密度高；齿根处磁阻大，磁通密度低，感应子旋转时，涡流环各处的磁通密度不断变化，产生感应电动势形成涡电流，力图阻止磁通的变化，从而对感应子产生制动力矩。涡电流产生大量的热量，通水或空气冷却。原理：27电涡流测功机的特性与控制方式（1）等励磁电流特性—固有特性（2）等转速特性—反馈控制〔3）增压控制特性—反馈控制（4）等电流自动控制电涡流测功机的特性与控制方式28浙江中成公司电涡流测功机结构与特性浙江中成公司电涡流测功机结构与特性29电涡流测功机的特点测量范围宽，低速性能好；结构简单，价格低廉；控制方便；只能测功，不能反拖；能量不能回收。电涡流测功机的特点30三、电力测功机（一）直流电力测功机1、结构原理：转子定子外壳：浮动于支座测力机构：拉压传感器测功机作发电机运行时：发动机带动转子旋转，电枢绕组切割定子励磁绕组的磁场，在电枢绕组中产生感应电动势，同时转子受到一个与转向相反的制动力矩，此制动力矩与发动机的驱动力矩平衡。制动力矩的反力矩作用于定子，欲使定子转动，但被测力机构约束住。发动机的驱动力矩即可通过测力机构测出。测功机作电动机运行时：电枢绕组内通入电流，在定子，励磁绕组的磁场作用下，转子受到一个电磁驱动力矩的作用而旋转（反拖），该驱动力矩的反力矩作用于定子，通过测力机构测出。直流电力测功机可作为发电机运转测量发动机的转矩，还可作为电动机运转倒拖发动机，测量发动机的摩擦损失。三、电力测功机测功机作发电机运行时：电枢绕组切割定子励磁绕组31测功机测功时，电枢绕组中的感应电动势E为：式中：Φ—定子励磁绕组的磁通K1—电机电动势系数n—转子转速若：电枢回路内串联负载电阻R，并忽略电枢内阻，则：电枢回路流过的电流为：制动力矩：功率：改变Φ和R，均可以调节转矩。测功机测功时，电枢绕组中的感应电动势E为：式中：Φ—定子励磁32(1).负荷电阻控制方式中小功率测功机用，电能不回收，消耗于主调节变阻器P和负荷电阻RL上。测功时：S2—G调节：粗、细调节电阻W，V--改变Φ；主调节变阻器P–改变R。电力测功机控制方式和特性倒拖时：S2--M调节：粗、细调节电阻W，V--改变Φ；主调节变阻器P–改变电枢电流。(1).负荷电阻控制方式电力测功机控制方式和33测功机工作特性A—最大电流线，Φmax，RminA1,A2—中间负荷线B—最大转矩线，机械强度限C—最大功率线，散热条件限D—最高转速线，最大离心力限E—空载线，轴承、空气阻力限F—倒拖工作特性。测功时测功机工作范围：A、B、C、D、E线所围范围

负荷电阻控制方式的特点：结构简单，维护方便，价格低廉；在测功时不具备等速特性，做发动机负荷特性试验时，稳定性不太好。测功与倒拖之间状态的改变不能连续进行。测功机工作特性负荷电阻34（2）自动馈网控制方式大型测功机，要将发动机发出的能量回收，故采用自动馈网控制方法。组成：电力测功机2主变流机组3：交、直流电机串联励磁变流机组4励磁调整电阻工作原理：

测功时，励磁变流机组4的交流电动机驱动直流发电机，产生励磁电流供给测功机定子中的励磁绕组。发动机1带动测功机2的转子旋转，测功机即为一台直流发电机向主变流机组3的直流电机供电，直流电机作为电动机旋转，带动交流电机向电网发出交流电。

倒拖时，励磁变流机组4依然向励磁绕组供电，同时主变流机组3的交流电机带动直流电机旋转，向测功机转子电枢供给直流电，这时测功机作为直流电动机工作。改变励磁调整电阻的大小，调节励磁电流，可以调节测功机的负荷。（2）自动馈网控制方式35（二）、交流电力测功机常用的三相交流发电机组可以看作最简单的交流电力测功机。由发电机的电压u、电流I、功率因数cosφ和效率η可知发动机的有效功率为：如果将电机的定子外壳用轴承浮动起来，使之可以绕轴摆动，并在外壳与底座之间安装测力机构，则可直接测量发动机转矩。根据电机的不同，交流电力测功机有以下三种形式：三相同步电机测功机同步电机转速等于旋转磁场转速。即：式中：n—同步电机转速f—定子供电频率z—极对数（二）、交流电力测功机如果将电机的定子外壳用轴承浮动起来，使36

当极对数z确定后，要改变转速n，必须改变定子供电频率f。然而，现在采用的变频方式多为他制式，其输出转速由系统外部的基准频率振荡器给定。当频率突变或者测功机过载时，电机容易失步。因此必须精确控制供电频率，避免过载，以防失步。三相同步电机作发电机运行时，只有在定子供电频率f等于电网频率时，才能将电能馈入电网。这就限制了测功机不能再对转速进行调节。在其他转速下，测功机发出的电能必须用负荷电阻来消耗掉。当极对数z确定后，要改变转速n，必须改变定子供372.绕线式异步电机测功机结构：采用绕线式异步电机作为测功机。调速方法：在转子电枢电路中串联可调电阻。作电动机运行时的情况转速—转矩曲线转差率定义：式中:n0—旋转磁场转速n—转子转速S=1，n=n0，无转差（滑差）S=0，n=0，由转速—转矩曲线可见：电阻R越大，曲线越软；R改变，转矩最大值不变，但位置改变。2.绕线式异步电机38绕线式异步电机测功机通过增加电枢电路中的电阻来增加转差功率损耗，使转速降低。由于损耗主要发生在电机外部，低速时电机不会过热的，但效率很低。作发电机运行时的情况发动机的转速高于电机同步转速时，才能发电并向电网反馈能量。如果配置了变频机组，也可在低于电机同步转速时，向电网反馈能量。测功机在低于同步转速下测功，可采用整流设备向定子励磁绕组供电，用变阻器调节励磁电流的大小来改变负荷与转速，此时发出的电能将全部消耗在转子电路的负荷电阻上。测功机在高于同步转速下测功，可用转子电路中串连的调速变阻器调节负荷与转速。阻值越大，以热能形式消耗于变阻器上的能量越多，输给电网的能量越少，测功机的转速可越高。阻值减少时，转速降低并趋近于同步转速，测功机发出的电能大部分馈入电网，少部分消耗于变阻器。变频技术的发展将使交流电力测功机克服工作转速范围不宽的弊端。绕线式异步电机测功机通过增加电枢电路中的电阻来39无换向器电机测功机

无换向器电机是变频调速同步电机，其变频方式为自制式，即基准频率振荡器置于系统内部，由电机的转速和频率控制，不存在他制式变频方式的失步问题。特点：调速特性与直流电力测功机一样，可以四象限运行（正、反转，测功、倒拖），可用于瞬态工况测量；结构简单，便于维护；容易制成大容量（数千Kw）、高转速（数万r/min)的测功机；电能可以馈入电网；效率高测功机—AVLAFA335交流变频测功机测量精度高、响应速度快，可模拟正负力矩可在发动机台架上模拟汽车道路行驶用于发动机的研究和开发无换向器电机测功机测功机—AVLAFA33540第章转速和功率测量课件41四、测功机使用技术（一）测功机选型工作范围能够覆盖被测机械的工作范围量程实际测量尽可能在测功机量程的20%～80%内进行准确度符合标准和使用要求响应速度