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摘要：在发动机的研发、生产过程中，需要使用测功机进行各种特性测试。常见的测功机有电涡流测功机、水力测功机和交流电力测功机，这几种测功机各有优点，因此用户在进行测试台架的规划阶段需要对测功机的结构及特性进行了解，以便选取合适自己的测功机。针对三种测功机的结构及原理进行了分析对比，并将一般的测功机台架进行描述，为发动机测试工作人员提供了测功机一般选型思路。

关键词：水力测功机；电涡流测功机；交流电力测功机；选型

中图分类号：TM933

0 引言

测试工作在发动机的研发试制、批量生产阶段都是不可缺少的。发动机测试的一个重要内容就是利用发动机试验台架进行动力性能测试及尾气排放测试，此类测试中，需要用到功率吸收装置用以模拟发动机工作时的实际载荷，一般之为测功机或测功器[1][2]。

测功机主要由制动器、测力机构和测速装置等几部分组成。制动器调节发动机的负载，并同时把所吸收的发动机功率转化为热能或电能。测力机构和测速装置则分别测量发动机输出转矩以及相应的输出轴转速。常见的测功机类型有：电涡流测功机、水涡流测功机及电力测功机。各类型测功机的工作原理不同，相应的特性也有所不同，所以用户在选用测功机搭建发动机试验台架时，需结合实际条件进行合理选择。

1测功机类型

1.1电涡流测功机

电涡流测功机的基本结构见图1所示，感应转子通过轴承支撑安装在定子外壳上，励磁线圈固定安装在定子外壳内部，转子和定子外壳材料采用导磁钢料制作，可与气隙一起为励磁线圈产生的磁场构成导磁回路。发动机测试试验时，励磁线圈将产生流过转子和机体的磁通，由于转子周边设计有齿状缺口，所以测功机壳体内的磁通密度在圆周方向是随角度变化分布的。当发动机输出轴拖动测功机转子旋转时，测功机内部的磁场成为了旋转变化的磁场，感应转子的表面感应出电涡流环、此电涡流环由会产生磁场，该磁场与励磁线圈的磁场发生磁性耦合，于是定子和转子之间便产生了与转速方向相反的电磁力矩，该力矩成为发动机测试过程中的模拟负载[3]。

电涡流测功机作为发动机负载进行吸功工作时，作为负载的扭矩与励磁电流的大小、转子转速成正比。转子静止时，测功机无法产生力矩，当发动机刚刚启动的较低转速时，通过大的励磁电流可以获得较大的测功机阻力矩。转子上感应出的电涡流将产生与机械功率相等的热量，所以需要外界持续为测功机提供冷却水将产生的热量带走。由于壳体尺寸限制，测功机内部冷水道不能太大，因此水道容易结垢影响散热，生产厂家都会要求用户对测功机定期清洗水垢，特别是进行耐久试验开始时，需提前清理内部水垢，否则将会严重影响测功机的使用性能及寿命。

电涡流测功机进行发动机测试工作时的常见台架结构如图2所示。由于电涡流测功机自身结构包含了扭矩测量装置及转速传感器，所以整个台架系统仅需外加一个测功机励磁控制器及冷却水供应系统即可，无需另外配置扭矩传感器及转速传感器。

由上述内容可知，电涡流测功机的优点是：1、设备成本低；2、低速区可用扭矩大；3、负载扭矩为电流加载，响应快。缺点：1、内部冷却管路容易结垢，需定期清洗内部水垢；2、测功机由强磁感应工作，会对周围物品产生磁化作用，有剩磁要求的被试发动机进行测试时需进行特殊的隔磁处理。

1.2 水力测功机

水力测功机的内部结构如图4所示，蜗壳式转子轴通过轴承约束在定子壳体上，左、右蜗壳式定子与蜗壳式定子正对面安装（端面间隙一般在1mm以内），定子与转子各有多个35°～45°之间的倾斜叶片，这些叶片之间的空腔可以组成数个杯状工作腔。当转子随被试发动机主轴旋转时，蜗壳式转子内的介质水将在离心力所用下沿箭头方向向外运动，到达蜗壳最外侧后又会进入定子蜗壳受迫向内运动；在流出工作腔之前，介质水会在杯状工作腔内循环，随着介质水环流速度增大，水环将表现出刚度体的特征，转子旋转时切割水环受到扭矩阻碍作用，此扭矩在发动机测试时表现为制动负载[4]。

水力测功机工作时，制动扭矩的大小与蜗壳内的水环厚度相关，水环越厚制动力矩就越大、水力测功机产生的阻力矩也就越大，反之则制动力矩越小。因此测功机上安装有出水控制阀，该阀一般是由电机或液压控制的蝶阀，根据工况控制器的指令进行蝶阀开度大小的调节，从而实现测功机的扭矩大小控制。

相对其他类型的测功机，水力测功机的优点是结构简单、输出扭矩大、对冷却水的杂质含量要求低、且对结垢影响不太敏感。同等体积大小的水涡流测功机可以吸收很大的功率，例如某进口型号的吸收3600kw功率水力测功机自重仅3t左右（主轴中心高不到900mm），而同等规格的电力测功机和电涡流测功机体积重量均在其3倍以上。

水力测功机的主要缺点是，在低速区的内部水环不稳定、产生扭矩较小（如图5所示）、并且测功机内部水环的建立需要一定时间稳定，所以瞬态响应速度方面明显低于电涡流测功机和电力测功机。

水力测功机进行发动机测试工作时的常见台架结构如图6所示。由于水涡流测功机自身结构包含了扭矩测量装置及转速传感器，所以台架系统仅需外加水门控制器及冷却水供应系统，无需另外配置扭矩传感器、转速传感器。

由上述内容可知，水力测功机的优点是：1、设备成本低；2、同等吸收功率条件，设备体积小。缺点：1、低速区扭矩特性差；2、瞬态响应较差，不适合做发动机的瞬态性能测试。

1.3 交流电力测功机

交流电力测功机主要由三相交流电机、交流变频设备、扭矩传感器、转速测量传感器综合而成，如果配合馈电系统，还可以将被试发动机发出的功率转换为电能输送到电网系统、从而省去水力测功机和电涡流测功机的冷却水系统，更加的节能环保。其工作原理是利用交流电机的定子、转子之间的电磁感应进行机械能和电能之间的转换，发动机拖动电力测功机的转子转动时，交流电机转子由于磁场旋转产生电流、进而产生感应磁场，与定子磁场之间产生与驱动方向反向的阻力矩，该阻力矩表现为电力测功机的负载作用[5]，其一般力矩特性如图7所示。

交流电力测功机进行发动机测试工作时的常见台架结构如图8所示。由于交流电力测功机本体为交流电机，所以测试台需另外配置扭矩传感器、转速传感器、变频控制单元、电能回馈单元，这些额外设备导致其价格相对上述两种测功机昂贵的多。

由于是电力控制，交流电力测功机的控制响应可达毫秒级，并且转动惯量小、控制稳定性高、测试重复性好，相比前水力测功机和电涡流测功机，交流电力测功机更容易满足瞬态试验，并且在进行电惯量模拟方面具有无可比拟的优势，已成为成为当前技术最先进、功能最完善的测功机类型。

虽然性能优点明显，但是交流电力测功机也有其不足之处：1、价格高昂，除交流电机外，还要配置扭矩传感器、变频控制单元等高价值设备；2、与水力测功机相比，交流电力测功机体积、重量较大（例如一个700kw的交流电力重量2500kg以上，整机长度1200mm，而700kw水力测功机重量仅400kg，整机长650mm）。所以交流电力测功机适合于中小功率段的发动机测试，对于超过1500kw以上的大功率发动机的测试，使用交流电力测功机则设备价格过于高昂。

2 各类型测功机的特性对比及互补应用

由结构及原理分析可知，电涡流测功机、水力测功机及交流电机测功机各有优点，现将其特性及一般应用范围对比如下（表1）。

如果能将水力测功机的大扭矩、高功率特性与交流电力测功机的低速区扭矩特性相结合，将能获得性能更将优异的测功特性。所以现在已有设备厂家对水电串联式水力测功机进行研究测试，并取得了良好的应用效果。图9所示是某新型水电串联式水力测功机测试台，该测试台能够进行低速区的扭矩测试、大功率耐久测试性能良好、具有轴系倒拖功能，主要用1500kw以上的大功率发动机测试。该电串联型测试台是将水力测功机布置在交流电力测功机和被试发动机之间，外加扭矩传感器靠近被测发动机安装，用于采集系统总的加载扭矩T1，此种布置方案的测试台在低速区使用电力测功机、进入300r/min以后的工作区域则以水力测功机为主要吸功装置，并且可以使用交流电力测功机进行倒拖、电惯量模拟等工作。这种使用方式即发挥了水力测功机大功率区段的优势、又发挥了交流电力测功机的低速大扭矩特定及快速响应特性，在未来的大功率、高性能发动机测试领域优势明显。

3结论

综上所述，电涡流测功机、水力测功机、交流电力测功机各有自身优势，进行发动机台架试验时，可按下述原则进行选用：

1、电涡流测功机适用于中小型发动机的性能测试，例如作为在整车生产厂的发动机入厂检测时，仅需进行发动机的一般特性检测，可选用电涡流测功机作为测试负载；

2、水力测功机适合于中大型发动机的耐久性能测试，适合作为发动机的装配下线检测及耐久测试；

3、电力测功机性能优异但价格昂贵，所以更适合中小型发动机的性能测试；

4、对于大型发动机的试验台，如果需有低速区的特性测试需要，可以采用水力测功机、交流电力测功机串联使用。

参考文献

[1] 刘怀，张旺，于秀范. 水力测功器在内燃机检测中的应用[J]. 机械工程师，1994，（6）：43-44

[2] 李宗帅，董春，刘颜. 国内外电力测功机发展现状[J]. 电机与控制应用，2007，34（5）：1-4.

[3] 黄明强. 电涡流测功机的正确选型与合理使用[J]. 车用发动机，1994，（4）：37-39.

[4] 郑炯，唐波. HS-X型高速水力测功机修理研究 [J]. 长沙航空职业技术学院学报，2021，21（3）：32-36.

[5] 杨家强，黄进. 交流变频电力测功机的控制和实现 [J]. 浙江大学学报，2006，40（4）：619-623.