小型永磁发电机功率特性测试试验研究

浙江星月实业有限公司 林中茂 张 庆 陈应雄

1 引言

永磁发电机作为一种高效、节能、体积小且具有高性能的驱动方式，在工业、家用电器、电动工具和新能源汽车等领域得到了广泛应用。永磁发电机的输出功率特性主要包括转速、转矩和效率等，这些参数在不同的负载和工作条件下表现出不同的特点。为了深入研究永磁发电机的功率特性，本文构建了一套小型永磁发电机功率特性测试系统。通过对该系统的试验测试，可以评估永磁发电机的性能，为永磁发电机在实际应用中的选型、设计和优化提供参考。

2 常见测试方法

在对小型永磁发电机进行功率特性测试时，通常采用以下几种常规测试方法，见表1[1]。可以根据实际应用场景和需求选择合适的测试方法。

2.1 直接加载法

直接加载法是通过给发电机施加一个已知的负载（如电阻、电感等）测试其功率特性。发电机在不同负载条件下的输出功率和效率等参数可以通过测量和计算负载两端的电压、电流和相位得出。

2.2 电磁测功器法

电磁测功器法是通过安装在发电机轴上的电磁测功器测量发电机的转矩和转速，进而计算出发电机的输出功率。该方法可以实现对发电机在不同负载条件下的功率特性的连续测试。

2.3 反拖法

反拖法是通过使被测发电机与一个已知性能参数的标准发电机（如直流发电机）进行联轴运行，通过测量两台发电机之间的转矩计算被测发电机的功率特性。该方法适用于对交流发电机的功率特性测试。

对于小型永磁发电机的功率特性测试，需要根据实际应用场景、测试目的和资源投入等因素选择合适的测试方法。在实际操作过程中，可以根据需要对多种测试方法进行组合，以获得更准确、全面的发电机性能参数。一般来讲，在初步了解发电机性能时，可以采用直接加载法进行简便的测试，若要对发电机进行详细的性能评估，可以使用电磁测功器法或反拖法，这两种方法虽然操作复杂，但测试结果较为精确。在实际应用中，需要充分考虑各种因素，例如时间、成本和技术要求等，确定最适合的测试方案。

3 系统组成

3.1 硬件组成

小型永磁发电机功率特性测试系统主要由以下几部分组成，见表2[2]。

表2 硬件组成

永磁发电机作为测试对象，用于输出机械功率。在试验中，需要选用一台额定功率为1kW 的永磁发电机作为试验对象。

试验所需的设备包括转速传感器和转矩传感器，用于实时测量永磁发电机的转速和输出转矩。此外，还需要负载机模拟实际工作条件下的负载，数据采集卡将传感器测量的模拟量数字化，并传输至计算机进行处理和分析。为永磁发电机提供电能的电源也具有重要作用，而控制器则用于控制发电机的运行状态。

为保证试验的稳定性，还需要测试台架固定设备，而数据处理与显示设备则用于接收和处理数据采集卡传输的数据。此外，为了连接各部件并传输电力和信号，还需要具备良好的导电性能和屏蔽效果的电气连接线，以降低信号干扰。通过对试验数据的分析，可以得出永磁发电机的功率特性，从而能够更好地了解其性能。

3.2 软件组成

本系统运用虚拟仪器技术，利用LabVIEW平台[3]编写了一个数据采集程序。这个程序能够自动收集发电机的转矩、转速、交直流电压输出、电流以及大气压力和温度等参数。在数据采集过程中，用户可以按照实际需求设定采样频率，同时确定数据的存储路径。收集到的数据将以Excel 表格形式储存，以便后续处理和分析。具体操作是从“Functions”面板中的“Data Acquisition”模块中选择适当的DAQmx 函数，用于创建任务、通道和采样时钟。分别连接转矩传感器、转速传感器、电压传感器、电流传感器、温度传感器和压力传感器，并设置采集频率和采样数量。

将这些参数连接到创建采样时钟函数的相应输入端。 从“Functions” 面板的“File I/O”模块中选择“Write to Spreadsheet File”函数，用于将采集到的数据保存为Excel 表格。为“Write to Spreadsheet File” 函数设置数据存储路径和文件名。使用循环结构（如“While Loop”）将整个数据采集过程包裹起来，并添加一个停止按钮以便在需要时停止数据采集。通过LabVIEW 的“Run”按钮运行VI，开始数据采集。通过以上步骤，可以实现在LabVIEW 平台上编制的数据采集程序。该程序可以自动采集发电机的各项参数，并将数据以Excel 表格形式存储，方便进行后续处理。

4 试验测试

4.1 主要试验设备

实验台由SF3A-16型无刷直流发电机调速装置和ECT230-4B 型电磁调速电动机组成，用于调整速度。试验中使用JW4516型三相感应电动机作为驱动力。此外，在感应电动机与待测发电机之间安装了TQ 型转矩转速传感器，并搭配TQYM2微处理器型转矩转速记录仪，测量发电机的转矩和转速。在试验过程中，还使用了三相整流桥将发电机输出的三相交流电整流成单相直流电。为了测量发电机输出的交直流电压和电流，采用DPM-8717型交直流数字电参数测量仪。此外，还使用了多个可调滑线变阻器作为负载[4]。

4.2 1kW 永磁发电机试验

步骤1：安装与准备。将1kW 永磁发电机与JW4516型三相感应电动机联轴，并在两者之间安装TQ 型转矩转速传感器。确保所有设备安装牢固，避免试验过程中的故障。

步骤2：调速。打开SF3A-12型无刷直流发电机调速装置和ECT230-4B 型电磁调速电动机，调整发电机速度至所需的工作速度。确保发电机在稳定的转速下运行。

步骤3：启动LabVIEW 数据采集程序。在计算机上启动LabVIEW 数据采集程序，配置相关参数，例如采集频率、存储路径等。程序将自动采集发电机的转矩、转速、交直流电压输出、电流以及大气压力和温度等参数。

步骤4：数据采集。试验过程中，LabVIEW 程序将实时监测并记录永磁发电机的各项参数。同时，使用DPM-8717型交直流数字电参数测量仪测量发电机输出的交直流电压和电流。

步骤5：负载调整。根据试验需求，逐步增加可调滑线变阻器的负载，以便在不同负载条件下测试永磁发电机的功率特性。在每个负载阶段，确保能够记录详细的数据。

4.3 试验结果分析

在1kW 永磁发电机试验过程中，在不同负载条件下收集了大量数据。数据结果见表3。

表3 数据结果

根据试验数据，可以得出以下结论。

转速随着负载的增加而减小。在无负载条件下，永磁电机的转速为3000rpm，而在满载条件下转速降至2400rpm。表明电机在负载增加时需要更大的转矩驱动负载，导致转速降低。

转矩随着负载的增加而增加。在无负载条件下，永磁电机的转矩为0Nm，而在满载条件下转矩达到38.28Nm。这是由于电机需要提供更大的扭力克服负载阻力。

输出功率与输入功率随着负载的增加而增加。在满载时，输出功率接近1kW 的额定值，达到了1000.2W。这可能是由于电机在满载时，损耗增加，导致实际输出功率略低于额定值。

电机效率随着负载的增加而增加，在75%负载时达到最高，约为95.0%。这说明，在75%负载时，电机的运行效率最高，损耗最小。当负载达到100%时，效率略有下降，可能是因为电机在满载时的损耗增加。

综上所述，1kW 永磁电机在75%负载时具有较佳性能和效率。这一结论对实际应用中电机的运行参数设置和优化具有重要参考价值。

5 结语

本文对小型永磁发电机功率特性测试系统进行了试验研究，采用了先进的测试方法和设备，结合LabVIEW 平台编写的数据采集程序，实现了数据采集的自动化和高效性。同时，虚拟仪器技术与LabVIEW 平台在永磁发电机性能测试中发挥了重要作用，利用该技术和平台，可以实现数据采集的自动化和高效性，为永磁发电机的研究和应用提供了有力支持，为永磁发电机的性能测试、优化和应用提供了理论依据。