《能源监测与评价》——能源监测技术（九）

3.测功器

在原动机的功率测量，特别是内燃机测量中广泛使用测功器，此时测功器是作为负载。根据施加荷载的方式常将测功器分为三种形武：水力测功器、电力测功器和电涡流测功器。

测功器由制动器、测力机构和测速装置等几部分组成。制动器可调节原动机的负载，并把所吸收的原动机的功率转化为热能或电能。测力机构和测速装置分别测量输出的转矩及相应的转速。随着电子技术的发展和微机的应用，现代测功器已具有自动调节和控制的功能。

对测功器的基本要求是：①在需要测量的原动机或动力机械的全部工作范围内(包括转速和负载)能稳定地工作;②能方便、平稳和精确地调节转速和转矩;③能准确地测量制动器消耗的功率;④操作简单，安全可靠。

在采用测功器测量发动机功率时通常包括指示功率的测量和有效功率的测量。测量指示功率时，需先制取发动机某种工况下的示功图，然后量出示功图的面积，求出该工况下发动机的指示功率。测量有效功率时，测功器用来吸收试验发动机发出的功，同时模拟实际使用的各种工况，测定发动机输出扭矩和转速，通过计算求出功率。

水力测功器是用水作为工作介质来产生制动力矩，主要由转子和外壳两部分组成。转子在充满水的定子中旋转，水的摩擦阻力形成制动力矩，吸收原动机输出的功率或代替动力机械吸收功率。

根据转子结果的不同，水力测功器可分为盘式、柱销式和涡流式。图2-71所汞为盘式水力测功器结构简图。测功器转子由转轴及固定在其上的转盘构成。转子用轴承支承在定子内，定子则支承在摆动轴承上，它可以绕轴线自由摆动。水经过进水阀流入定子的内腔。当转子在定子中旋转时，由于转盘和水的摩擦作用，水被抛向定子的外缘，形成旋转的水环，而水环的旋转运动被定子内壁的摩擦所阻。水与壁面的摩擦作用使原动机输出的有效转矩传给定子，即水对测功器转子产生制动力矩的同时，有一大小相等、方向相反的反作用力矩作用于测功器的定子上。在定子上固定有一个力臂，通过与力臂相连的测力机构测定扭矩。定子内腔中水量越多，即水环越厚，则水和转子之间摩擦阻力越大，制动力矩也就越大。所以改变测功器定子内腔中的水量，即可调节测功器的制动力矩。水量由进水阀和排水阀进行控制。

水力测功器的缺点是测量精度低，不能进行反拖试验，试验中能量不能回收。但它具有价格便宜、结构简单、操作简便、便于维修、体积小等优点，因而得到广泛应用。

电力测功器的工作原理和普通发电机或电动机基本相同。将原动机的功转变成发电机的电能，或将电动机的电能转变为动力机械的功。电动机的转子和定子之间的作用力和反作用力大小相等、方向相反，所以只要将其定子做成自由摆动的，即可测定转子的制动力矩或驱动力矩。

电力测功器由测功电动机(包括平衡电动机和测力电动机)、交流机组、激磁机组、负荷电阻等组成。图2-72所示为电力测功器采用的平衡式电动机结构。直流电动机转子由发动机带动并在定子(外壳)磁场中旋转。定子(外壳)支承在与转子轴同心的滚动轴承上，可自由摆动。外壳与测力机构相连，依靠外壳摆动角度的大小来指示测力机构读数。

发动机带动转子在定子磁场中转动时，转子线圈切割磁力线而产生感应电流。感应电流的磁场与定子相互作用产生方向相反的电磁力矩，定子外壳受到的电磁力矩与转子旋转方向相同，与发动机加于转子的扭矩大小相等。因此，通过外壳角度经测力机构可反映发动机输出功率的大小。在一定转速下，改变定子磁场强度(通过改变激磁机组供给平衡电动机的激磁电流的大小)及负荷电阻即可调节负荷。

平衡式电力测功器的交流机组使平衡电动机作发电机运行时，吸收发动机扭矩，并将发出的直流电变成三相交流电输入电网，回收电能。当需要平衡电动机反拖发动机时，交流机组又把三相交流电变为直流电输入平衡电动机的电枢中，可以进行发动机机械损失测定、启动、磨合试验等。

尽管平衡式电动机结构复杂，价格昂贵，但可回收电能，反拖发动机，且工作灵活，精度高，因此也得到广泛应用。

电涡流测功器由电涡流制动器、测力机构及控制柜组成。电涡流测功器因结构形式不同，分为盘式和感应子式两类。现在应用最多的是感应子式电涡流测功器。

图2-73所示为感应子式电涡流测功器结构。制动器由转子和定子组成，制成平衡式结构。转子为铁制的齿状圆盘。定子的结构较为复杂，由激磁绕组、涡流环、铁芯组成。电涡流测功器吸收的发动机功率全部转化为热量，测功器工作时，冷却水对测功器进行冷却。电涡流测功器的原理是，当激磁绕组中有直流电通过时，在由感应子、空气隙、涡流环和铁芯形成的闭合磁路中产生磁通，当转子转动时，空气隙发生变化，则磁通密度也发生变化。在转子齿顶处的磁通密度大，齿根处磁通密度小，由电磁感应定律可知，此时将产生感应电动势，力图阻止磁通的变化，于是在涡流环上感应出涡电流，涡电流的产生引起对转子的制动作用，从而使涡流环(摆动体)偏转一定角度，由测力机构测出。涡流环吸收发动机的功率，产生的热量由冷却永带走。调节激磁电流大小，可调节电涡流强度，从而调节吸收负荷的能力。

电涡流测功器具有精度高、振动小、结构简单、体积小、耗电少等特点，并具有十分宽广的转速范围和功率范围，转速可自1000～25000r/min甚至更高，功率可以达5000kW，但此种测功器只能将发动机的功率转换成热量消耗掉而不能发出电力，也不能作为电动机倒拖发动机。