3.測功器

在原動(dòng)機(jī)的功率測量，特別是內(nèi)燃機(jī)測量中廣泛使用測功器，此時(shí)測功器是作為負(fù)載。根據(jù)施加荷載的方式常將測功器分為三種形武：水力測功器、電力測功器和電渦流測功器。

測功器由制動(dòng)器、測力機(jī)構(gòu)和測速裝置等幾部分組成。制動(dòng)器可調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并把所吸收的原動(dòng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)化為熱能或電能。測力機(jī)構(gòu)和測速裝置分別測量輸出的轉(zhuǎn)矩及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和微機(jī)的應(yīng)用，現(xiàn)代測功器已具有自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制的功能。

對測功器的基本要求是：①在需要測量的原動(dòng)機(jī)或動(dòng)力機(jī)械的全部工作范圍內(nèi)(包括轉(zhuǎn)速和負(fù)載)能穩(wěn)定地工作;②能方便、平穩(wěn)和精確地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩;③能準(zhǔn)確地測量制動(dòng)器消耗的功率;④操作簡單，安全可靠。

在采用測功器測量發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)通常包括指示功率的測量和有效功率的測量。測量指示功率時(shí)，需先制取發(fā)動(dòng)機(jī)某種工況下的示功圖，然后量出示功圖的面積，求出該工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率。測量有效功率時(shí)，測功器用來吸收試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功，同時(shí)模擬實(shí)際使用的各種工況，測定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，通過計(jì)算求出功率。

水力測功器是用水作為工作介質(zhì)來產(chǎn)生制動(dòng)力矩，主要由轉(zhuǎn)子和外殼兩部分組成。轉(zhuǎn)子在充滿水的定子中旋轉(zhuǎn)，水的摩擦阻力形成制動(dòng)力矩，吸收原動(dòng)機(jī)輸出的功率或代替動(dòng)力機(jī)械吸收功率。

根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)果的不同，水力測功器可分為盤式、柱銷式和渦流式。圖2-71所汞為盤式水力測功器結(jié)構(gòu)簡圖。測功器轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸及固定在其上的轉(zhuǎn)盤構(gòu)成。轉(zhuǎn)子用軸承支承在定子內(nèi)，定子則支承在擺動(dòng)軸承上，它可以繞軸線自由擺動(dòng)。水經(jīng)過進(jìn)水閥流入定子的內(nèi)腔。當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子中旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)盤和水的摩擦作用，水被拋向定子的外緣，形成旋轉(zhuǎn)的水環(huán)，而水環(huán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被定子內(nèi)壁的摩擦所阻。水與壁面的摩擦作用使原動(dòng)機(jī)輸出的有效轉(zhuǎn)矩傳給定子，即水對測功器轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動(dòng)力矩的同時(shí)，有一大小相等、方向相反的反作用力矩作用于測功器的定子上。在定子上固定有一個(gè)力臂，通過與力臂相連的測力機(jī)構(gòu)測定扭矩。定子內(nèi)腔中水量越多，即水環(huán)越厚，則水和轉(zhuǎn)子之間摩擦阻力越大，制動(dòng)力矩也就越大。所以改變測功器定子內(nèi)腔中的水量，即可調(diào)節(jié)測功器的制動(dòng)力矩。水量由進(jìn)水閥和排水閥進(jìn)行控制。

水力測功器的缺點(diǎn)是測量精度低，不能進(jìn)行反拖試驗(yàn)，試驗(yàn)中能量不能回收。但它具有價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、便于維修、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。

電力測功器的工作原理和普通發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)基本相同。將原動(dòng)機(jī)的功轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī)的電能，或?qū)㈦妱?dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力機(jī)械的功。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間的作用力和反作用力大小相等、方向相反，所以只要將其定子做成自由擺動(dòng)的，即可測定轉(zhuǎn)子的制動(dòng)力矩或驅(qū)動(dòng)力矩。

電力測功器由測功電動(dòng)機(jī)(包括平衡電動(dòng)機(jī)和測力電動(dòng)機(jī))、交流機(jī)組、激磁機(jī)組、負(fù)荷電阻等組成。圖2-72所示為電力測功器采用的平衡式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)并在定子(外殼)磁場中旋轉(zhuǎn)。定子(外殼)支承在與轉(zhuǎn)子軸同心的滾動(dòng)軸承上，可自由擺動(dòng)。外殼與測力機(jī)構(gòu)相連，依靠外殼擺動(dòng)角度的大小來指示測力機(jī)構(gòu)讀數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子在定子磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子線圈切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的磁場與定子相互作用產(chǎn)生方向相反的電磁力矩，定子外殼受到的電磁力矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，與發(fā)動(dòng)機(jī)加于轉(zhuǎn)子的扭矩大小相等。因此，通過外殼角度經(jīng)測力機(jī)構(gòu)可反映發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的大小。在一定轉(zhuǎn)速下，改變定子磁場強(qiáng)度(通過改變激磁機(jī)組供給平衡電動(dòng)機(jī)的激磁電流的大小)及負(fù)荷電阻即可調(diào)節(jié)負(fù)荷。

平衡式電力測功器的交流機(jī)組使平衡電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，吸收發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，并將發(fā)出的直流電變成三相交流電輸入電網(wǎng)，回收電能。當(dāng)需要平衡電動(dòng)機(jī)反拖發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，交流機(jī)組又把三相交流電變?yōu)橹绷麟娸斎肫胶怆妱?dòng)機(jī)的電樞中，可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失測定、啟動(dòng)、磨合試驗(yàn)等。

盡管平衡式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，但可回收電能，反拖發(fā)動(dòng)機(jī)，且工作靈活，精度高，因此也得到廣泛應(yīng)用。

電渦流測功器由電渦流制動(dòng)器、測力機(jī)構(gòu)及控制柜組成。電渦流測功器因結(jié)構(gòu)形式不同，分為盤式和感應(yīng)子式兩類。現(xiàn)在應(yīng)用最多的是感應(yīng)子式電渦流測功器。

圖2-73所示為感應(yīng)子式電渦流測功器結(jié)構(gòu)。制動(dòng)器由轉(zhuǎn)子和定子組成，制成平衡式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子為鐵制的齒狀圓盤。定子的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由激磁繞組、渦流環(huán)、鐵芯組成。電渦流測功器吸收的發(fā)動(dòng)機(jī)功率全部轉(zhuǎn)化為熱量，測功器工作時(shí)，冷卻水對測功器進(jìn)行冷卻。電渦流測功器的原理是，當(dāng)激磁繞組中有直流電通過時(shí)，在由感應(yīng)子、空氣隙、渦流環(huán)和鐵芯形成的閉合磁路中產(chǎn)生磁通，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣隙發(fā)生變化，則磁通密度也發(fā)生變化。在轉(zhuǎn)子齒頂處的磁通密度大，齒根處磁通密度小，由電磁感應(yīng)定律可知，此時(shí)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，力圖阻止磁通的變化，于是在渦流環(huán)上感應(yīng)出渦電流，渦電流的產(chǎn)生引起對轉(zhuǎn)子的制動(dòng)作用，從而使渦流環(huán)(擺動(dòng)體)偏轉(zhuǎn)一定角度，由測力機(jī)構(gòu)測出。渦流環(huán)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，產(chǎn)生的熱量由冷卻永帶走。調(diào)節(jié)激磁電流大小，可調(diào)節(jié)電渦流強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)吸收負(fù)荷的能力。

電渦流測功器具有精度高、振動(dòng)小、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、耗電少等特點(diǎn)，并具有十分寬廣的轉(zhuǎn)速范圍和功率范圍，轉(zhuǎn)速可自1000～25000r/min甚至更高，功率可以達(dá)5000kW，但此種測功器只能將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)換成熱量消耗掉而不能發(fā)出電力，也不能作為電動(dòng)機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)。