CN111380635B - 一种电机转矩脉动试验测试台架和测试方法 - Google Patents

一种电机转矩脉动试验测试台架和测试方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种电机转矩脉动试验测试台架和测试方法，设置同步带传动结构，通过大带轮，精确控制转子旋转位置的精度。通过多位置堵转，能够得出转子运动一周中转矩波动情况；通过在低频区使用转矩传感器，到高频区使用角加速度传感器，扩大齿槽转矩的测量范围；适用于电机的全频区的齿槽转矩测量。测试台架将堵转与惯性加载结合起来，在一个试验台架上既可以通过堵转的方法表征一个旋转周期内电机的转矩波动情况，也可以直接测试电机的齿槽转矩波动情况。通过大惯量飞轮可以尽可能的减小测功机本身的转矩波动影响。另外采用弹性联轴器以消除传动链中同轴度及偏心、振动对于传感器侧的影响，防止传感器因震动而产生破坏。

Description

一种电机转矩脉动试验测试台架和测试方法
技术领域
本申请涉及电机测试领域，尤其涉及一种堵转及惯量加载相结合的转矩脉动测试台架和测试方法。
背景技术
在电驱动***中，转矩脉动是电机振动噪声的重要来源，是提高电驱动***品质的关键问题之一。转矩脉动还会引起扭矩振动，可能使电机发生共振，增加各种损耗，同时缩短电机寿命，降低工作可靠性与稳定性。因此准确地测试电机转矩脉动随电驱动***的设计及电机本体及控制***的优化十分重要。电机转矩脉动产生的原因主要有电机本身的齿槽转矩以及由于加工误差导致转子轴上产生的不平衡磁拉力。
现有的一些转矩测试方法皆有不足，直接测量的方法是直接以转矩量为测量对象。该方法操作简单，但是考虑因素太少，在测量过程中容易受负载波动的影响以及机械结构共振的影响，误差较大。且受制于扭杆刚度不能大范围改变，只能在低速时使用，测试范围较窄。平衡法虽然较直接法而言，克服了传递过程的扭矩波动，然而其仍然使用了负载，无法避免负载的波动，且被测电机需要两端伸出，不适用于普通电机的测试。而定转子分离的方法，虽然在规避非测量转矩波动方面有了突破和创新，但是其依然不能广泛应用于电机转矩脉动的测量。
因此，需要建立一种通用的电机转矩脉动的测试台架和方法，以期直接准确且加大范围地测试电机转矩脉动。
发明内容
针对上述本领域存在的技术问题，本发明提供了一种电机转矩脉动试验测试台架。
一种电机转矩脉动试验测试台架，包括：被测电机、转矩传感器、同步带传动结构、制动器、步进电机及测功机；
所述同步带传动结构包括大带轮、小带轮和同步带，同步带传动连接大带轮和小带轮；所述步进电机的输出轴与所述小带轮同轴固定连接，所述大带轮同轴固定在所述被测电机的转子轴上，在所述大带轮上设置进行圆周方向的等间隔刻度，所述刻度对应所述被测电机在一个测试周期内的测试间隔；
制动器的制动力直接作用在所述大带轮上；
还包括角加速度传感器，测量所述被测电机的转子的角加速度，
将被测电机开路后，通过所述测功机匀速运行反拖被测电机，测试被测电机在转过一周时的齿槽转矩，在输入所述测功机的激励电流的高频区采用所述角加速度反映齿槽转矩，在输入所述测功机的激励电流的低频区使用所述转矩传感器反映齿槽转矩。
优选地，①步进电机每收到一个脉冲而转过第一特定角度，通过所述同步带传动结构带动被测电机的转子转过第二特定角度，进行一次堵转测试，所堵转测试内容包括被测电机的堵转转矩输出值；
②.重复步骤①至被测电机的转子转过一个周期；得到该周期下每次转动所述第二特定角度对应的堵转转矩输出值，进而得到所述被测电机一个周期的转矩波动情况。
优选地，所述第一特定角度是所选步进电机的步进角，为1.8°；所述第二特定角度是1°，所述同步带结构传动比为第一角度与第二角度比值。
优选地，所述一个周期为被测电机的转子轴转动一周。
优选地，还包括：设置有角加速度传感器的转动圆盘，转动圆盘设置在被测电机与转矩传感器之间，所述转动圆盘与所述被测电机转子轴垂直且同轴固定，两个所述角加速度传感器设置在同一径向平面的同一圆周上且左右反向布置。
优选地，还包括飞轮，所述飞轮安装在测功机与转矩传感器之间。
优选地，还包括：弹性联轴器，所述弹性联轴器设置于飞轮和所述转矩传感器之间；
优选地，还包括两个相互垂直布置的电涡流位移传感器，测量被测电机的转子轴在所述相互垂直的两个方向上的径向跳动值，进而得到所述被测电机的转子的偏心情况，两个所述电涡流位移传感器在同一个垂直于所述转子轴的径向平面内。
优选地，将被测电机开路后，通过测功机匀速运行反拖被测电机，测试其在转过一周过程中的齿槽转矩。
优选地，所述角加速度传感器是压电传感器，所述齿槽转矩在输入测功机的激励电流的低频区等于转矩传感器输出值，所述齿槽转矩在输入测功机的激励电流的高频区等于转子的角加速度与被测电机转动惯量的乘积。
本发明具有以下优点：
台架将堵转与惯性加载结合起来，在一个试验台架上既可以通过堵转的方法表征一个旋转周期内电机的转矩波动情况，也可以直接测试电机的齿槽转矩波动情况。
设置同步带传动结构，通过大带轮，精确控制转子旋转位置的精度。通过多位置堵转，能够得出转子运动一周中转矩波动情况；且制动器的制动力作用在所述大带轮上；将制动器作为堵转装置可以将大带轮位置固定以实现堵转工况。
通过在低频区使用转矩传感器，到高频区使用角加速度传感器，扩大齿槽转矩的测量范围；适用于电机的全频区的齿槽转矩测量，扩大测试范围，满足高频区测量。
通过大惯量飞轮可以尽可能的减小测功机本身的转矩波动影响。
采用弹性联轴器以消除传动链中同轴度及偏心、振动对于传感器侧的影响，防止传感器因震动而产生破坏。
附图说明
附图1为转矩脉动测试***结构框图
附图2为测试***三维模型
附图3为测试***俯视图
附图4为大带轮刻度圆盘示意图
附图5为电涡流位移传感器安装位置图
附图6为压电传感器安装位置图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实例以一台3.6kW永磁同步电机为例具体说明转矩脉动测试***的建立与测试过程。
结合图1-3所示，本发明的一种电机转矩脉动试验测试台架，包括：电机控制器、电源、功率分析仪、上位机、信号采集***、被测电机1、电涡流位移传感器2、角加速度传感器3、转矩传感器4、同步带传动结构5、步进电机6、弹性联轴器、飞轮7、测功机8、制动器9及弹性联轴器10。
被测电机1包括转子轴A；
所述同步带传动结构包括大带轮、小带轮和同步带，同步带传动连接大带轮和小带轮；所述步进电机的输出轴与所述小带轮同轴固定连接，所述大带轮同轴固定在所述被测电机的转子轴上；优选地大带轮和小带轮是齿形轮，同步带是齿形带；
根据试验需要结合步进电机的步进角确定大带轮和小带轮的传动比，在堵转测试过程中，步进电机每收到一个脉冲而转过第一特定角度，通过所述同步带传动结构带动被测电机的转子转过第二特定角度，进行一次堵转测试；优选地，为保证一定的精度，选择第一特定角度为1.8°，步进电机通过传动比为i＝1.8的同步带传动结构带动转子轴在一个脉冲下转过1°，即实现第二特定角度是1°。
为简化试验台架的整体结构并方便制动器的安装，设计半径较大的大带轮，使得大带轮既可作为同步带传动的组成部分也可作为台架中的制动盘，鉴于此查机械设计手册可选择槽型为H型，节距pb＝12.7mm，通过试数确定小带轮齿数z1＝20，大带轮齿数z2＝36。同时如图4所示在所述大带轮上设置进行圆周方向的等间隔刻度，进一步保证转子旋转位置的精度；
制动器的制动力作用在所述大带轮上；将制动器作为堵转装置可以将大带轮位置固定以实现堵转工况。
所述弹性联轴器设置于所述飞轮和所述转矩传感器之间；由于测试台架轴系较长，必然存在装配过程引起的转子偏心问题，为补偿所述转子偏心、台架振动的问题，本发明将飞轮和转矩传感器之间采用膜片联轴器连接。同时，由于采用弹性联轴器，优选地使用双膜片联轴器，补偿输入和输出轴线不对中，且使输入与输出轴顺时针与逆时针回转特性相同，可实现零回转间隙，精确的传递转矩与转速。
整个转轴***的机械方程为：
Figure GDA0002772434190000031
其中，Te为电机产生的电磁转矩，J1、J2分别为被测电机及飞轮转动惯量，ωr为***角速度，C1、C2分别为传递***及飞轮的阻尼系数。
选用两个相互垂直布置的电涡流位移传感器，布置方式如图5所示，用来测量电机转子的在所述相互垂直的两个方向上的径向跳动值，两个所述电涡流位移传感器在同一个径向平面内并垂直于转子轴A；以分析在电机转子转过一周过程中电机转子的偏心情况。据此可以进行后续的不平衡磁拉力的分析工作，实现转子偏心下的电机电磁特性与机械特性的有效预测；
所述转矩传感器选用的HBM高精度传感器，采用非接触式测量信号传输，通过法兰与被测电机的所述转子轴连接，可实现电机转矩及速度信号测量，测试精度为0.05％，实现电机转矩及转矩波动的有效捕捉。
在使用转矩传感器时，如果转矩传感器的连接轴的角速度过大，会导致转矩传感器输出的转矩值不准确，即直接通过转矩传感器测试出来的信号的频带有一定范围，由于测功机的转速与输入电流的频率成正比，故转矩传感器只能在被测***所输入的激励电流频率为被测***共振频率十分之一以下时直接测试转矩，无法满足电机全转速范围的齿槽转矩测试。
在齿槽转矩测试过程中，齿槽转矩在输入测功机的激励电流的高频区采用角加速度传感器测量被测电机的转子的角加速度，在输入测功机的激励电流的低频区使用转矩传感器测量所述转子的扭矩；所述高频和低频以本领域技术人员根据实际测试台架共振频率来确定，优选地当激励电流频率在测试台架十分之一及以上时视为高频激励电流，当激励电流频率在测试台架十分之一以下时视为低频激励电流。
通过在所述低频区使用转矩传感器，在所述高频区使用角加速度传感器，可以扩大齿槽转矩的测量范围；
角加速度与电机输出转矩的关系为：
Te＝J1αm (2)
其中，αm为测得的转子的角加速度。
因此本发明所述齿槽转矩在输入测功机的激励电流的低频区等于转矩传感器输出值，所述齿槽转矩在输入测功机的激励电流的高频区等于转子的角加速度与被测电机转动惯量的乘积。
优选地，所述角加速度传感器是压电传感器3，在被测电机与转矩传感器之间设置压电传感器3，压电传感器安装于与转子轴A同轴的圆盘B上，两个压电传感器设置在同一径向平面的同一圆周上且左右反向布置，以测量电机转动过程中转子的角加速度，具体两个压电传感器在圆盘上的布置位置如图6所示；
所述被测电机的所述转子轴的角加速度为：
Figure GDA0002772434190000041
其中，αt1、αt2分别为两个角加速度传感器的测量值，d为两角加速度传感器间上下垂直距离。
为了消除动态测试中测功机的转矩波动对被测电机的影响，采用大惯量的飞轮安装在测功机与转矩传感器之间。
本发明的测试方法，具体包括如下步骤：
对于堵转转矩测试：
①.步进电机每收到一个脉冲而转过第一特定角度，通过所述同步带传动结构带动被测电机的转子转过第二特定角度，进行一次堵转测试；所堵转测试内容包括被测电机的堵转转矩输出值和转子径向跳动值；
优选地，所述第二特定角度是1°
②.重复步骤①至被测电机的转子转过一个周期；得到该周期下每次转动所述第二特定角度对应的堵转转矩输出值，进而得到所述被测电机一个周期的转矩波动情况和所述被测电机的转子的偏心情况。
优选地，所述一个周期为被测电机的转子转过一周；
对于齿槽转矩测试：
将被测电机开路后，通过测功机匀速运行反拖被测电机，测试其在转过一周时的齿槽转矩情况。此时被测电机与电源断开，可以根据国标测定被测电机的齿槽转矩。

Claims (10)

1.一种电机转矩脉动试验测试台架，包括：被测电机、转矩传感器、同步带传动结构、制动器、步进电机及测功机；
其特征在于：
所述同步带传动结构包括大带轮、小带轮和同步带，同步带传动连接大带轮和小带轮；所述步进电机的输出轴与所述小带轮同轴固定连接，所述大带轮同轴固定在所述被测电机的转子轴上，在所述大带轮上设置进行圆周方向的等间隔刻度，所述刻度对应所述被测电机在一个测试周期内的测试间隔；
制动器的制动力直接作用在所述大带轮上；
还包括角加速度传感器，测量所述被测电机的转子的角加速度，
将被测电机开路后，通过所述测功机匀速运行反拖被测电机，测试被测电机在转过一周时的齿槽转矩，在输入所述测功机的激励电流的高频区采用所述角加速度反映齿槽转矩，在输入所述测功机的激励电流的低频区使用所述转矩传感器反映齿槽转矩。
2.如权利要求1所述的台架，其特征在于还包括：
①步进电机每收到一个脉冲而转过第一特定角度，通过所述同步带传动结构带动被测电机的转子转过第二特定角度，进行一次堵转测试，所堵转测试内容包括被测电机的堵转转矩输出值；
②.重复步骤①至被测电机的转子转过一个周期；得到该周期下每次转动所述第二特定角度对应的堵转转矩输出值，进而得到所述被测电机一个周期的转矩波动情况。
3.如权利要求2所述的台架，其特征在于：所述第一特定角度是所选步进电机的步进角，为1.8°；所述第二特定角度是1°，所述同步带结构传动比为第一角度与第二角度比值。
4.如权利要求2所述的台架，其特征在于：所述一个周期为被测电机的转子轴转动一周。
5.如权利要求1至4任一项所述的台架，其特征在于还包括：设置有角加速度传感器的转动圆盘，转动圆盘设置在被测电机与转矩传感器之间，所述转动圆盘与所述被测电机转子轴垂直且同轴固定，两个所述角加速度传感器设置在同一径向平面的同一圆周上且左右反向布置。
6.如权利要求1至4任一项所述的台架，其特征在于：还包括飞轮，所述飞轮安装在测功机与转矩传感器之间。
7.如权利要求6所述的台架，其特征在于：还包括弹性联轴器，所述弹性联轴器设置于所述飞轮和所述转矩传感器之间。
8.如权利要求1至4任一项所述的台架，其特征在于还包括两个相互垂直布置的电涡流位移传感器，测量被测电机的转子轴在所述相互垂直的两个方向上的径向跳动值，进而得到所述被测电机的转子的偏心情况，两个所述电涡流位移传感器在同一个垂直于所述转子轴的径向平面内。
9.如权利要求1至4任一项所述的台架，其特征在于：将被测电机开路后，通过测功机匀速运行反拖被测电机，测试其在转过一周过程中的齿槽转矩。
10.如权利要求1至4任一项所述的台架，其特征在于：所述角加速度传感器是压电传感器，所述齿槽转矩在输入测功机的激励电流的低频区等于转矩传感器输出值，所述齿槽转矩在输入测功机的激励电流的高频区等于转子的角加速度与被测电机转动惯量的乘积。
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