发动机交流电力测功机选型探讨

林 斌

（柳州汽车检测有限公司，广西 柳州 545000）

在汽车发动机的研发、测试和生产中，发动机动力性能是极为重要的检测项目，测功机是实现此测试要求的必需仪器。可供选用的测功机类型较多，而合理的测功机选型是复杂的系统工程与极为重要的课题。本文通过介绍交流电力测功机的优势，提出了在发动机实验室建设规划过程中，对交流电力测功机的关键部件、参数确定的建议，以便给发动机实验室规划者提供参考。

1 发动机测功机的选型方法

1.1 测功机的功能

测功机主要用于测试发动机、电动机或动力系统的输出功率，也可作为齿轮箱、减速机、变速箱测试的加载设备。在发动机实验室，测功机还可以测试发动机的性能。电力测功机还可以开展发动机排气污染物（稳态和瞬态）、机械损失功率（即倒拖）等测试。

1.2 测功机选型的一般步骤

在发动机实验室测功机选型时，应首先定位实验室功能和需求，结合各种类型测功机（如水力测功机、电涡流测功机、交流电力测功机等）的特点确定所选测功机类型。其次依据被测发动机性能参数值来参考确定测功机参数（如：转速、功率、扭矩）。最后，需要对测功机关键部件、参数进行确定。根据交流电力测功机的功能需求，需要确定的主要关键部件及其参数有：电机类型、转速传感器、扭矩传感器和转动惯量。

2 交流电力测功机的优势

目前汽车行业普遍使用的测功机类型主要有水力测功机、电涡流测功机和交流电力测功机，每种类型测功机都在特定功能实验室中有所选用。而交流电力测功机凭借其毫秒级的控制响应、转动惯量小、控制稳定性高、系统振动小、测试重复性好，以及满足瞬态试验、倒拖和冷磨试验要求，低速加载能力强、能源利用率高、运行成本低等优点，成为当前技术最先进、功能最完善的测功机类型。它在运行时能够将燃油发动机的机械能转化为电能，供实验室电器使用或向电网回馈，从而减少能源浪费、降低运行成本。交流电力测功机是目前唯一能够满足排放法规测试要求的设备。

同时，交流电力测功机可以方便地实现双向加载，可以实现平滑调速，其加载特性为超低转速至额定转速为恒扭矩特性，额定转速至最高转速为恒功率特性（如图1所示），符合动力机械的负载特性，满足被测发动机多种工况测试的需求。

图1 某品牌265kW交流电力测功机性能曲线（作为负载时）

因此，汽车与发动机生产企业、检测机构的发动机实验室推荐选用交流电力测功机。

3 交流电力测功机关键部件、参数确定

3.1 测功机参数确定

在选择测功机时，必须使测功机的性能曲线与发动机的性能曲线相对应，测功机的性能曲线应包络全部被测发动机的性能曲线。为保证测功机既具有较高的测量精度，又获得尽可能大的使用效率，选择测功机的规格应尽可能与发动机的额定参数相匹配。

对于生产企业，由于同一规格被测发动机数量较多，应该是一台测功机对应于一种规格发动机检测，并使测功机工作在最佳特性区域，选取被测发动机额定扭矩和额定功率约等于测功机额定扭矩和额定功率的90%较为合理。

对于被测发动机规格较多，单一规格发动机检测工作量有限的应用情况（如检测/检验实验室），希望获得合理的投资效益、测功机具有相对饱和的工作量，一台测功机通常用于检测一定规格范围的发动机。一方面，由于扭矩传感器属于非线性器件，低负载端处于非线性段；另一方面，如图2所示，电机工作在低功率段时，效率与功率因数均较低。为确保测功机工作于合理的精度与效率、功率因数范围，建议被测发动机额定扭矩和额定功率应不低于测功机对应额定值的30%.

用于车用发动机测试的测功机的最大转速应不低于被测发动机标定转速的117%.

3.2 交流电力测功机的电机选配

电机是交流电力测功机的关键部件，电机的选择直接关系到测功机的动态性能，体现试验室的功能特点。异步电机与永磁同步电机是目前可供选择的交流电力测功机专用电机，表2表示异步电机与永磁同步电机在发动机测功机方面的比较。

表2 发动机测功机用异步电机与永磁同步电机的比较

通过以上比较，两种电机都可以有其特定的选用需求，目前在发动机测功机生产厂家中更多使用的是异步电机。而永磁同步电机具有低惯量、转速高、寿命长等优点也正受到部分用户的重视和选用。异步电机的特性曲线（转速n、效率η、功率因数cosφ、转矩T与输出功率P2之间的关系）见图2[1]，永磁同步电机的特性曲线见图3[2]。

图2 异步电机的特性曲线

图3 永磁同步电机的特性曲线

在两种电机的选择上，可从两种实验室建设角度来考虑：作为研发实验室，要求较高的动态性能，较好的调速性能，建议选用永磁同步电机；作为检测/检验实验室，建议选用异步电机，这样既能满足检测要求，又减少了设备资金投入。

3.3 传感器准确度的确定

测功机需要与转速传感器和扭矩传感器组合，共同完成测试。发动机实验室规划应首先明确每个测试台架的功能定位和需求，以便合理选择转速传感器和扭矩传感器的精度。对于检测/检验实验室，应以国家、行业或企业标准作为依据，根据实验室功能定位，按照相应标准要求确定传感器精度（见表3）。

表3 我国现行标准对测功机转速和扭矩的准确度要求[3-7]

3.4 转动惯量

交流电力测功机的动态响应性能是其一大突出优点，而测功机的转动惯量就是一个极其重要的动态响应影响因素。需要对测功机的转动惯量进行估算并选择，以便在测试发动机时测功机系统发挥出优越的瞬态响应。根据发动机实验室台架建设经验，测功机选型中可以根据转动惯量定理进行估算，以确定所选测功机惯量的参考值。

式中：M为扭转力矩；J为转动惯量；β为角加速度；△ω为角度速度变化量；△t为变化时间。

例如：试验被测试发动机额定功率为80 kW，额定转速为6 000 r/min，发动机转动惯量为0.20 kg·m2.试验工况要求发动机转速从怠速650 r/min提升到额定转速6 000 r/min所用的时间控制在5 s以内。试验采用的传动轴惯量为0.02 kg·m2.那么可以估算出测功机的转动惯量控制值，计算如下：

惯量J包含测功机、传动轴系和发动机等主要回旋体的转动惯量总和，所以电力测功机转动惯量值应在总惯量中去除传动轴系和发动机的转动惯量，即测功机的转动惯量估算值应在≤0.917 kg·m2时能够满足需求。

4 交流电力测功机的应用实例与扩展

4.1 实例分析

某检验机构发动机实验室需要建设一套发动机测试台架，要求该台架具备以下功能：

（1）满足GB 17691-2005和GB 14762-2008法规要求的发动机排气污染物测试；

（2）最大测试发动机（参考）某品牌225 kW汽油发动机，其额定功率为225 kW，额定扭矩为370 N·m，额定转速为6 500 r/min，发动机惯量为0.34 kg·m2，怠速转速为845 r/min；

（3）采用某品牌的高弹性联轴器，其传动轴惯量为 0.26 kg·m2；

（4）要求瞬态测试时发动机能够在3 s内从怠速提高到额定转速。

实验室从现有市场上产品应用的成熟度，减少设备采购资金等方面考虑，决定采用目前应用广泛，价格较为便宜的异步电机。

根据规划要求，该实验室应选用交流电力测功机，以满足排放测试需要。

通过3.1提出的使用建议估算，测功机规格的选择方向为：额定功率≥250 kW，额定扭矩≥412 N·m，最大转速≥7 605 r/min.

标准通过3.4介绍的估算方法，测功机的转动惯量在≤0.517 kg·m2时能够满足瞬态测试需求。

综合上述估算，对市场上现有测功机产品进行筛选，优先从现有量产型号中选择，最终选用了以下某品牌的250 kW交流电力测功机，其参数如表4所示。

表4 某品牌的250 kW测功机参数

经验算，以上测功机的转速传感器和扭矩传感器精度满足17691-2005和GB 14762-2008的测量准确度要求。

依据3.1的建议，在使用该测功机时，被测试发动机规格控制在以下要求内：额定功率为75～225 kW，额定扭矩为180～540 N·m，最高空载转速≤10 000 r/min.

4.2 应用扩展

发动机总成或动力链系统的转动惯量是发动机本体以及整车设计的重要参数。在发动机台架上进行整车的道路模态、飞轮设计或发动机逆向设计等工程中，转动惯量也是很重要的参数。目前可以采用CAE运动分析来模拟计算，但是工作量比较大[8]。这时，交流电力测功机就提供了一个简单、便捷、直观的近似测量方案。依据牛顿第二定律，利用交流电力测功机特有的倒拖功能，将发动机控制在匀速运转或加速运转下，通过传感器测量扭矩，经过数据处理便可获得被测物的转动惯量值。

5 结束语

本文介绍了发动机实验室测功机选型及关键部件优化选择的方法，供大家参考使用，以便在发动机实验室设计规划中对测功机综合评价、准确定位、优化组合，以达到理想的建设方案。随着电机技术、控制技术和变频技术的不断进步，交流电力测功机的性能也一定还会走上一个新的台阶。

[1]王秀和.电机学[M].北京：机械工业出版社，2017.

[2]张汉允.永磁同步电机设计与分析[D]焦作：河南理工大学2010.

[3]GB/T21404-2008.内燃机发动机功率的确定和测量方法一般要求[S].

[4]GB17691-2005.车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）[S].

[5]GB14762-2008.重型车用汽油发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）[S].

[6]GB/T17692-1999.汽车用发动机净功率测试方法[S].

[7]GB/T18297-2001.汽车发动机性能试验方法[S].

[8]张卫锋.发动机转动惯量的测量方法[C]//2010年APC学会年会论文集，2010：160-161.