超高速无油空气压缩机永磁电机的效率测量方法与流程

本发明涉及一种超高速电机的效率测量方法，属于永磁同步电机技术领域。

背景技术：

超高速无油空气压缩机被用于燃料电池发动机，其转子转速可达10万转以上。超高速永磁同步电动机采用超高轴承，如空气动压轴承等，并且其转子、转子内风扇、一级涡轮和二级涡轮串联连接在一起。

目前还缺少超高速而且小型的转矩传感器，所以不能通过转矩传感器测量得到转矩，进而结合转速计算得到电机的输出功率和效率。并且，因为电机和空压机完全结合在一起，所以无法采用把两台空压机串联运行求取总损耗进而求取效率的方法(串联运行的方式为：其中一台以电动机方式运行，另一台空压机作发电机的方式运行)。

技术实现要素：

本发明提出一种超高速无油空气压缩机永磁电机的效率测量方法，解决空气压缩机因结构特点无法单独测量电机效率的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超高速无油空气压缩机永磁电机的效率测量方法，所述永磁电机具有机壳以及布置在机壳内的定子铁芯、定子线圈与转子，转子上固定有涡轮，所述机壳还连接有冷却水路，冷却水路设有进水口与出水口，其特征在于，所述测量方法包括：

(1)在进水口、出水口、定子线圈、定子铁心分别布置温度传感器；

(2)测量定子线圈的冷态相电阻r1，并记录测量时定子线圈上的温度传感器的温度tl；

(3)去掉转子上固定的所述涡轮，使得永磁电机空载运行，并运行到额定转速；测量得到空载时冷却水路的空载进水温度和空载出水温度以及初始环境温度ta0；

计算得到冷却水路的空载平均温度＝(空载进水温度+空载出水温度)/2；

通过冷水设备调节冷却水路的进水温度，使得所述冷却水路的空载平均温度和初始环境温度ta0一样，记录稳定后的：永磁电机的第一输入功率p0与第一输入电流i0、定子线圈的第一温度tcu0与定子铁芯的第一温度tfe0、冷却水路的第一进水温度twi0和第一出水温度two0，并计算得到冷却水路的第一平均温度twa0＝(twi0+two0)/2；

定子铁芯的第一温升trfe0＝tfe0-twa0；

r10为折算到定子线圈第一温度tcu0时的定子线圈相电阻，其折算公式为：

r10＝r1·(k1+tcu0)/(k1+tl)；

其中k1为定子绕组材料在0℃时电阻温度系数的倒数，对于铜导体k1＝235。

空载铜耗pcu0＝3i0²·r10；

除空载铜耗外的第一其余损耗pl0＝p0-pcu0；

总损耗和定子铁芯的第一温升trfe0成正比，其比例系数为k＝p0/trfe0；

(4)在转子上安装所述涡轮，使得永磁电机运行到额定转速和额定转矩，空压机输出的风量和风压达到额定，测量得到此时冷却水路的加载进水温度和加载出水温度以及加载环境温度ta1；

计算得到此时冷却水路的加载平均温度＝(加载进水温度+加载出水温度)/2；

通过冷水设备调节冷却水路的进水的温度，使得加载平均温度和加载环境温度ta1一样，记录稳定后的永磁电机的第二输入电流i1、定子线圈的第二温度tcu1、定子铁芯的第二温度tfe1、冷却水路的第二进水温度twi1和第二出水温度two1，并计算得到冷却水路的第二平均温度twa1＝(twi1+two1)/2；

定子铁芯的第二温升trfe1＝tfe1-twa1；

r11为折算到定子线圈第二温度tcu1时的定子线圈相电阻，其折算公式为：

r11＝r1·(k1+tcu1)/(k1+tl)；

额定铜耗pcu1＝3i1²·r11；

计算得到额定负载时的第二总损耗pw1＝k·trfe1；

除额定铜耗外的第二其余损耗pl1＝pw1-pcu1；

(5)在额定负载运行状态，通过冷水设备调节冷却水路的进水的温度，使得进水的温度为实际运行时规定的进水温度，测量得到此时永磁电机的实际输入功率p1n、实际输入电流i1n以及稳定后的定子线圈的实际温度tcu1n；

r11n为折算到定子线圈实际温度tcu1n时的定子线圈相电阻；

实际铜耗pcu1n＝3i1n²·r11n；

计算得到额定时的总损耗pw1n＝pcu1n+pl1；

从而得到输出的机械功率p2n＝p1n-pw1n；

最后得到额定状态电机的效率eff＝p2n/p1n。

本发明根据热路原理：总损耗和铁心温升成正比，假设电机热传导和对流散热的热阻是固定不变，通过调节冷却水温度，并测量铁心温升得到电机损耗，从而得到电机的效率，该方法简单可靠。

附图说明

图1是超高速无油空气压缩机结构示意图。

图2是超高速无油空气压缩机永磁电机的效率测量方法示意图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明提供的一种超高速无油空气压缩机永磁电机的结构示意图，在机壳5的内壁固定着具有定子线圈4的定子铁芯6，机壳5内还通过高速轴承3安装有位于定子铁芯6中心的转子1，转子1的两端由机壳5中穿出而分别连接有一级涡轮2与二级涡轮8，在机壳5内还布置有固定在转子1上的同轴内风扇7，用于散热；

在机壳5内还设有冷却水路9，冷却水路9可沿转子1的轴向布置，或呈螺旋状布置，本发明中不做具体限制，冷却水路9还设有进水口91与出水口92。

本发明的测量过程如下：

1.在进水口91、出水口92、定子线圈4较热处、定子铁心6较热处分别放置温度传感器；

2.测量定子线圈4的冷态相电阻r1，并记录测量时定子线圈4上的温度传感器的温度tl；

3.如图2所示，去掉转子1上固定的一级涡轮2与二级涡轮8，使得永磁电机空载运行，并运行到额定转速；测量得到空载时冷却水路9的空载进水温度和空载出水温度以及初始环境温度ta0；

计算得到冷却水路9的空载平均温度＝(空载进水温度+空载出水温度)/2；

通过冷水设备调节冷却水路9的进水温度，使得空载平均温度和初始环境温度ta0一样，记录稳定后的：永磁电机的第一输入功率p0与第一输入电流i0、定子线圈4的第一温度tcu0与定子铁芯6的第一温度tfe0、冷却水路9的第一进水温度twi0和第一出水温度two0，并计算得到冷却水路9的第一平均温度twa0＝(第一进水温度twi0+第一出水温度two0)/2；

定子铁芯6的第一温升trfe0＝tfe0-twa0；

r10为折算到定子线圈4第一温度tcu0时的定子线圈4相电阻，其折算公式为：

r10＝r1·(k1+tcu0)/(k1+tl)；

其中k1为定子绕组材料在0℃时电阻温度系数的倒数，对于铜导体k1＝235。

空载铜耗pcu0＝3i0²·r10；

除空载铜耗外的第一其余损耗pl0＝p0-pcu0；

根据热路原理，假设电机热传导和对流散热的热阻是固定不变的，则总损耗和定子铁芯的第一温升trfe0成正比，其比例系数为k＝p0/trfe0；

4.在转子1上安装所述一级涡轮2与二级涡轮8，使得永磁电机运行到额定转速和额定转矩，空压机输出的风量和风压达到额定，测量得到此时冷却水路9的加载进水温度和加载出水温度以及加载环境温度ta1；

计算得到此时冷却水路9的加载平均温度＝(加载进水温度+加载出水温度)/2；

通过冷水设备调节冷却水路9的进水的温度，使得加载平均温度和加载环境温度ta1一样，记录稳定后的永磁电机的第二输入电流i1、定子线圈4的第二温度tcu1、定子铁芯6的第二温度tfe1、冷却水路9的第二进水温度twi1和第二出水温度two1，并计算得到冷却水路9的第二平均温度twa1＝(第二进水温度twi1+第二出水温度two1)/2；

定子铁芯6的第二温升trfe1＝tfe1-twa1；

r11为折算到定子线圈4第二温度tcu1时的定子线圈4相电阻，其折算公式为：

r11＝r1·(k1+tcu1)/(k1+tl)；

额定铜耗pcu1＝3i1²·r11；

计算得到额定负载时的第二总损耗pw1＝k·trfe1；

除额定铜耗外的第二其余损耗pl1＝pw1-pcu1；

5.在额定负载运行状态，通过冷水设备调节冷却水路9的进水的温度，使得进水的温度为实际运行时规定的进水温度，测量得到此时永磁电机的实际输入功率p1n、实际输入电流i1n以及稳定后的定子线圈4的实际温度tcu1n；

r11n为折算到定子线圈4实际温度tcu1n时的定子线圈4相电阻；

实际铜耗pcu1n＝3i1n²·r11n；

虽然额定负载运行状态下的铁芯温度等电机内部温度分布与步骤4运行状态下不同，但是由于电机输出相同转矩，电机磁场分布基本没有变化，所以可以认为额定负载运行状态下的除铜耗外的其余损耗与步骤4运行状态下的第二其余损耗pl1相同。

计算得到额定时的总损耗pw1n＝实际铜耗pcu1n+第二其余损耗pl1；

从而得到输出的机械功率p2n＝实际输入功率p1n-总损耗pw1n；

最后得到额定状态电机的效率eff＝机械功率p2n/实际输入功率p1n。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。