井用永磁同步电动机转矩测量装置研究与应用

许志义 苏佩佩 杨智清 穆智新

摘要：与异步电动机相比，永磁同步电动机具有效率高、启动转矩大、体积小、重量轻的优点。近年来，随着永磁同步电动机技术的发展，永磁同步电动机逐渐应用在井用潜水泵领域，但是，由于现有的转矩测量仪无法直接在水下环境工作，因此，目前还无法直接对井用永磁同步电动机进行转矩的测量。本文通过对井用永磁同步电动机转矩测量方法进行研究分析，设计了一种井用永磁同步电动机转矩测量装置，可安装在井用潜水泵和井用永磁同步电动机之间，直接测量井用永磁同步电动机工作时的转矩。经试验测试，该装置密封良好，通过试验数据对比分析表明，本文设计的井用永磁同步电动机转矩测量装置测量精度符合设计要求。

关键字：转矩测量;井用永磁同步电动机;转矩测量仪;机械密封

中图分类号：TH69文献标志码：A

异步电动机在定子通入三相电流后产生旋转磁场，使转子中产生感应电流，定子的旋转磁场与转子导体进行相对切割运动。根据电磁力定律，在电磁力的作用下，转子导体产生电磁转矩，驱动转子旋转，向外输出机械能。而永磁同步电动机转子本身含有固定磁场，定子磁场与转子磁场通过相互作用使转子产生电磁转矩，从而驱动转子旋转，向外输出机械能[1]。永磁同步电动机取消了励磁绕组和集电环，与普通电励磁同步电动机相比，不仅提高了可靠性且维护方便，其效率也有了提高;与异步电动机相比，不但效率提高，功率因数也大大改善。而且，永磁电动机在25%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更加显著[2]，特别适合于风机、泵类负载。近年来，随着永磁同步电动机技术的发展，永磁同步电动机逐渐应用在井用潜水泵领域，即井用永磁同步电动机，但是，由于井用永磁同步电动机本身构造特点和水下工作的环境要求，现有的转矩测量仪无法在水下环境對其进行转矩的测量，导致无法测量井用永磁同步电动机的效率。本文通过对井用永磁同步电动机效率的测量方法进行分析，设计制造了一种井用永磁同步电动机转矩测量装置，将其安装在井用潜水泵和井用永磁同步电动机之间，直接测量井用永磁同步电动机工作时的转矩，通过转矩计算出井用永磁同步电动机的输出功率，进而计算出井用永磁同步电动机的效率。经试验测试，该装置密封良好，通过比对实验，结果表明，本文设计制造的井用永磁同步电动机转矩测量装置测量精度符合设计要求。

1 井用永磁同步电动机效率的计算

对永磁同步电动机来说，计算其效率时，可以采用A法即输入—输出法，也可以采用B法即损耗分析及输入—输出法间接测量杂散损耗[3]，但无论是采用A法还是B法，都需要对永磁同步电动机轴的转矩进行测量读数。对于非水下工作的永磁同步电动机，可以直接使用现有的转矩测量仪（含测功机和传感器）进行转矩的测量，但是对于井用永磁同步电动机，由于其在水下工作，而目前市场上还没有可以直接在水下工作的转矩测量仪，因此目前还无法对井用永磁同步电动机的转矩进行测量，进而无法计算井用永磁同步电动机的效率。为了实现对井用永磁同步电动机转矩的测量，进而计算其效率，为井用永磁同步电动机的优化设计提供依据，本文设计了制造了一种井用永磁同步电动机转矩测量装置。

2 井用永磁同步电动机转矩测量装置的设计

本文设计制造的井用永磁同步电动机转矩测量装置由连接部分、密封部分、测量部分和定位支撑部分组成，其核心是转矩测量仪，图1是本文设计的井用永磁同步电动机转矩测量装置整体外形图，图2是井用永磁同步电动机转矩测量装置内部结构图。

本文设计的井用永磁同步电动机整体呈圆筒形，在装置的上部和下部分别设有用于和井用潜水泵、井用永磁同步电动机连接的上、下连接段。上、下连接段上分别设有定位止口和定位凸台，通过定位止口和定位凸台，来保证井用永磁同步电动机转矩测量装置安装时的定位精度。上、下连接段上设有螺栓孔，通过螺栓与井用潜水泵和井用永磁同步电动机连接固定。

井用永磁同步电动机转矩测量装置的主体部分为圆筒状的密封壳体，密封壳体的上、下两端分别设有上盖板和下盖板，上、下盖板与密封壳体之间通过止口进行定位，上、下盖板上设有螺栓孔，通过螺栓将上、下盖板固定安装在密封壳体上，并通过橡胶垫进行密封。上、下盖板圆心部分设有圆孔，转矩测量仪的上、下轴分别从盖板上、下圆孔穿过，在上、下圆孔处设有机械密封，机械密封的动环套紧在转矩测量仪的上、下轴上，机械密封的静环安装在上、下盖板上，通过机械密封对转矩测量仪的上、下轴进行密封，并且在转矩测量仪的上轴设有甩水环，防止机械密封发生意外泄漏情况时，液体浸湿转矩测量仪。

井用永磁同步电动机转矩测量装置中的转矩测量仪的上、下轴通过联轴器分别与井用潜水泵轴、井用永磁同步电动机轴连接。工作时，转矩测量仪将测量到的转矩以频率信号的格式，通过线缆传输到信号采集显示仪表。

在井用永磁同步电动机转矩测量装置密封壳体内部设有上、下定位支撑板，密封壳体内壁上设有定位台阶，通过定位台阶和上、下定位支撑板对转矩测量仪进行轴向定位，并通过螺栓将上、下定位支撑板锁紧固定，保证转矩测量仪轴向位置固定牢固。在上、下定位支撑板圆心部位设有定位止口，通过定位止口对转矩测量仪进行径向定位固定，在加工时，通过保证上下定位支撑板上定位止口和上、下连接段定位止口、定位凸台的同轴度，以此来保证转矩测量仪安装后与井用潜水泵轴、井用永磁同步电动机轴的同轴度。

3 试验和结果分析

井用永磁同步电动机转矩测量装置加工制造完成后，为了验证其密封性和测量结果的准确性，将其安装在井用潜水泵和井用潜水异步电动机之间，进行了负载试验、空载试验等，并分别通过损耗分析法和直接测量转矩法计算了井用潜水异步电动机的输出功率。

试验结果表明，本文设计的井用永磁同步电动机转矩测量装置运行时密封良好，无渗水现象发生，转矩测量仪工作正常。

进行试验时，井用潜水泵规格为175QJ32-48，配套井用潜水异步电动机的功率为7.5kW，采用传统损耗分析法进行电动机输出功率的计算时，通过电动机负载试验和电动机空载试验测得功率、电流、转速等参数计算得到定子绕组损耗为601.42W，转子绕组损耗为829.39W，铁耗为367.37W，机械耗为325.00W，杂散耗为120.00W，电动机输入功率为9748.76W，根据电动机输出功率=电动机输入功率—定子绕组损耗—转子绕组损耗—铁耗—机械耗—杂散耗，计算得出电动机输出功率为7505.57W。而通过本文设计的转矩测量装置直接测量得到的电动机输出轴转矩为24.9N.m，转速为2870r/min，计算得到输出功率为7483.82W。通过试验数据比较发现，采用传统损耗分析法得到的输出功率和采用直接测量转矩法得到的输出功率基本一致，精度符合设计要求，因此可以确定通过本文设计的井用永磁同步电动机转矩测量装置测得的电动机转矩数据是准确、可靠的。

结论

本文设计制造了一种井用永磁同步电动机转矩测量装置，通过试验和数据对比分析，验证了该装置在水下环境测量电动机转矩时密封性良好，测量数据准确、可靠，为井用永磁同步电动机转矩的测量提供了一种参考方式。

参考文献

[1]李毕胜. 矿用永磁同步电动机的试验研究[J]. 煤矿机电，2019，40（5）：5-7.

[2]唐任远等. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京：机械工业出版社，1997.

[3]GB/T22669-2008. 三相永磁同步电动机试验方法[S].