CN103926031B - 直线电机的推力检测方法及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机检测技术领域，公开了一种直线电机的推力检测方法，利用气浮装置使待测直线电机的定子悬浮；利用气浮导轨使待测直线电机的动子悬浮；启动待测直线电机，使用力传感器检测直线电机定子所受的推力，进而测得直线电机电磁推力。本检测方法将动子和定子悬浮，检测定子所受的推力大小确定电机推力，较检测动子推力大小更为精确。本发明还提供一种适用于直线电机的推力检测方法的直线电机的推力检测系统。

Description

直线电机的推力检测方法及检测系统

技术领域

本发明涉及电机检测技术领域，特别是涉及一种直线电机的推力检测方法及检测系统。

背景技术

直线电机凭借其动态响应速度快、定位精度高、传动刚度高、推力平稳、形成长度不受限制和加工效率高等优势，已经成为高性能高精度进给系统的重要技术手段。为了精确测得直线电机进给系统的性能指标，直线电机性能测试装置显得尤为重要。而加快电机测试速度，能够及时地将电机性能参数反馈给电机设计人员，对电机设计某些部分作调整，最终达到高动态高精度的要求。

目前国内外直线电机测试系统结构主要有两种形式，一种是以旋转电机为陪测电机，一种是以直线电机作为陪测电机。当用旋转电机作为陪测电机时需要通过滚珠丝杠、皮带、同步带等转换机构将旋转电机的旋转运动转换为直线电机的直线运动，以提供直线电机测试的可变负载。但是无论哪种方式，其均是利用力传感器测量电机动子的受力情况，该种测量方式的力传感器安装在动子上，动子需要克服传感器的重力，使测量精度下降；同时力传感器一般通过电缆与外部信号采集设备连接，在动子移动的过程中，需要拖动电缆，测量精度进一步下降。在测试过程中，一般需要动子来回多次运动，进行多次测量，以测得较准确的推力数据，由于缺少精确的定位装置，来回容易产生回程差，影响数据的准确性，检测系统的不安全系数增加。另外，目前国内外直线电机检测系统多是针对一种特定型号直线电机设计的，而直线电机检测系统造价较高，不利于成本的节约。直线电机的动子的推力大小是直线电机性能的一项重要指标。

因此，需要一种能够准确测量直线电机的推力检测方法及检测系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供能够准确测量动力推力的直线电机的推力检测方法，并提供一种直线电机的推力检测系统。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种直线电机的推力检测方法，包括以下步骤：

S1：利用气浮装置使待测直线电机的定子悬浮；

S2：利用气浮导轨使待测直线电机的动子悬浮；

S3：启动待测直线电机，使用力传感器检测待测直线电机定子所受的推力，进而测得直线电机的电磁推力。

其中，所述步骤S1还包括：

S11：在定子上连接定子定位发射器，在气浮装置外部安装定位板，通过控制装置测量定子定位发射器发射的信号位于定位板的标准坐标k₁。

其中，所述步骤S2还包括：

S21：在动子上连接动子定位发射器，通过控制装置测量动子定位发射器发射的信号位于定位板的标准坐标k₂。

其中，所述步骤S3还包括：

S31：在推力检测过程中，控制装置实时检测定子定位发射器发射的信号位于定位板的实时坐标k_1t，比较实时坐标k_1t和标准坐标k₁，并根据比较结果控制气浮装置工作，调整定子的位置，使定子定位发射器发射的信号始终位于标准坐标k₁位置；控制装置实时检测动子定位发射器发射的信号位于定位板的实时坐标k_2t，比较实时坐标k_2t和标准坐标k₂，并根据比较结果控制气浮导轨工作，调整动子的移动方向，使动子定位发射器发射的信号始终位于标准坐标k₂位置。

本发明还提供一种直线电机的推力检测系统，包括：试验台、气浮装置、力传感器和两个气浮导轨，所述气浮装置包括气浮装置气源、气浮座和气浮板，所述气浮座固定在所述试验台上；所述气浮座设有气浮槽；所述气浮板放置在所述气浮槽内，且所述气浮槽设有多个与所述气浮板相对的气浮座气孔；所述气浮座气孔分别与所述气浮装置气源连接；待测直线电机的定子安装在所述气浮板上；两个所述气浮导轨均包括导轨气源、轨道和导套，所述导套空套在所述轨道上，两个所述轨道相平行地安装在所述气浮槽的两侧，所述导套设有多个与所述轨道相对的导套气孔，所述导套气孔分别与所述导轨气源连接；待测直线电机的动子横跨安装在两个所述导套之间；所述力传感器与所述气浮板或者定子相连接，用于检测所述定子所受的推力。

其中，该检测系统还包括动子安装板，所述动子安装板横跨固定在两个所述导套上，所述动子固定在所述动子安装板下表面。

其中，该检测系统还包括：控制装置、定位板、动子定位发射器和定子定位发射器，所述定位板固定在所述试验台上，且与所述轨道相垂直；所述动子定位发射器安装在所述动子安装板的一端，且朝向所述定位板；所述定子定位发射器安装在所述气浮板的一端，且朝向所述定位板；所述控制装置的输入端与所述定位板连接，输出端与所述气浮装置气源和导轨气源连接，用于控制所述气浮装置气源和/或导轨气源的供气。

其中，该检测系统还包括：控制装置、定位板、动子定位发射器和定子定位发射器，所述定位板固定在所述试验台上，且与所述轨道相垂直；所述动子定位发射器安装在所述动子上，且朝向所述定位板；所述定子定位发射器安装在所述定子上，且朝向所述定位板；所述控制装置的输入端与所述定位板连接，输出端与所述气浮装置气源和导轨气源连接，用于控制所述气浮装置气源和/或导轨气源的供气。

其中，该检测系统还包括两根气浮垫板，两根所述气浮垫板相平行固定在所述气浮槽的两侧，所述轨道固定安装在所述气浮垫板上。

其中，该检测系统还包括传感器支架，所述传感器支架固定在所述试验台上，所述力传感器的一端固定在所述传感器支架上，另一端与所述定子或者气浮板相连接。

(三)有益效果

本发明提供的直线电机的推力检测方法和检测系统具有以下优点：

(1)采用气浮装置和气浮导轨将定子和动子分别悬浮起来，通过力传感器检测在动子运行过程中定子所受的推力，不需要在动子上安装力传感器，动子不需要克服力传感器的重力，减少误差；直线电机的推力不需要拖动与力传感器连接的电缆，避免测量动子时，推力损失带来的误差；

(2)通过控制装置、定位板、定子定位发射器和动子定位发射器的配合，在测试过程中，能够随时自动调节动子的运动轨迹，避免导套与轨道接触，提高检测精度。

(3)对于不同型号直线电机的检测，仅需要调整本检测系统的尺寸，可以实现对不同规格直线电机的检测，通用性好。

附图说明

图1为本发明直线电机的推力检测方法实施例的流程图；

图2为本发明直线电机的推力检测系统实施例的立体结构图；

图3为本发明直线电机的推力检测系统实施例的左视图；

图4为本发明直线电机的推力检测系统实施例的气浮座的立体图。

图中，1：试验台；2：气浮板；3：气浮座；4：定位板；5：气浮垫板；6：力传感器；7：传感器支架；8：轨道；9：导套；10：动子安装板；11：动子定位发射器；12：定子定位发射器；31：气浮槽；32：气浮座气孔；100：定子；200：动子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的直线电机的推力检测方法，包括以下步骤：

(1)利用气浮装置使待测直线电机的定子悬浮。具体的，将定子安装在气浮装置上，启动气浮装置，使定子处理悬浮状态，并使定子保持在指定的位置，在定子上连接定子定位发射器，在气浮装置外部安装定位板，通过控制装置测量定子定位发射器发射的信号位于定位板的标准坐标k₁。

(2)利用气浮导轨使待测直线电机的动子悬浮。具体的，将动子安装在气浮导轨上，启动气浮导轨，使动子处于悬浮状态，并使动子保持在指定的位置，在动子上连接动子定位发射器，通过控制装置测量动子定位发射器发射的信号位于定位板的标准坐标k₂。

(3)启动待测直线电机，气浮装置和气浮导轨使待测直线电机定子和动子均处于稳定悬浮状态，由于力的作用是相互的，使用力传感器检测待测直线电机定子所受的推力，进而测得直线电机的电磁推力。在推力检测过程中，控制装置实时检测定子定位发射器发射的信号位于定位板的实时坐标k_1t，比较实时坐标k_1t和标准坐标k₁，并根据比较结果控制气浮装置工作，调整定子的位置，使定子定位发射器发射的信号始终位于标准坐标k₁位置；控制装置实时检测动子定位发射器发射的信号位于定位板的实时坐标k_2t，比较实时坐标k_2t和标准坐标k₂，并根据比较结果控制气浮导轨工作，调整动子的移动方向，使动子定位发射器发射的信号始终位于标准坐标k₂位置。

需要说明的是步骤(1)和步骤(2)顺序可以调换，即只要采用步骤(1)和步骤(2)的检测方法就落入本发明的保护范围，而不论是先步骤(1)再步骤(2)，还是先步骤(2)再步骤(1)。

如图2至4所示，本发明还提供专用于直线电机的推力检测方法的检测系统，包括：试验台1、控制装置、气浮装置、力传感器6、定位板4、动子定位发射器11、定子定位发射器12、动子安装板10、两个气浮垫板5和两个气浮导轨。气浮装置包括气浮装置气源、气浮座3和气浮板2，气浮座3固定安装在试验台1上，气浮座3设有横截面为倒“T”字型的气浮槽31；气浮板3插接放置在气浮槽31内，气浮板2与气浮槽31之间具有间隙，在气浮槽31的底面和侧面上设有多个气浮座气孔32，气浮座气孔32的出口与气浮板2相对，气浮座气孔32分别与气浮装置气源连接，即气浮装置气源向气浮座气孔32提供高压气体，气浮座气孔32喷出的气体喷向气浮板2；待测直线电机的定子100固定安装在气浮板2上。两个气浮垫板5固定安装在气浮座3上，相平行地布置于气浮槽31的两侧。两个气浮导轨均包括导轨气源、轨道8和和导套9，导套9空套在轨道上，两个轨道8分别固定安装在气浮垫板5上，使两个轨道8相平行地置于气浮槽31的两侧，即位于定子100的两侧位置。每个导套9上均设有多个导套气孔(图未示出)，导套气孔的出口与轨道8相对，导套气孔分别与导轨气源连接，即导轨气源向导套气孔提供高压气体，从导套气孔喷出气体喷向轨道8。动子安装板10横跨固定在两个导套9上，待测直线电机的动子200固定在动子安装板10的下表面，使动子200横跨安装在导套9之间，导套9与动子200同时沿轨道8移动。力传感器6选用压拉力传感器，检测系统还包括传感器支架7，传感器支架7固定在试验台1上，位于气浮槽31的一端外侧位置。力传感器6的一端固定在传感器支架上，另一端与定子100或者气浮板2相连接，用于检测定子所受的推力。定位板4竖直固定在试验台1上，位于气浮槽31另一端外侧位置，且与轨道8相垂直；动子定位发射器11安装在动子安装板10的一端，且朝向定位板4；定子定位发射器12安装在气浮板2的一端，且朝向定位板4。动子定位发射器11和定子定位发射器12的发射方向与轨道8的延伸方向相同，均垂直射向定位板4。定位板4优选用光栅传感器，动子定位发射器11和定子定位发射器12均优选用激光发射器。控制装置的输入端与定位板4连接，输出端与气浮装置气源和导轨气源连接，用于控制气浮装置气源和/或导轨气源的供气。控制装置通过定位板4检测的动子定位发射器11及定子定位发射器12发出的信号，根据预设的控制程序控制气浮装置气源和导轨气源对气浮座气孔32及导套气孔的供气。

在使用本发明的检测系统时，将待测直线电机的定子100固定到气浮板2上，动子200固定到动子安装板10的下表面，依以下步骤进行操作：

1、调试

(1)定子的悬浮调试

打开气浮装置气源向气浮座气孔32供气，气浮座3的气浮座气孔32喷射气柱到气浮板2上，气浮板2与气浮座3之间形成气膜，在气膜的作用下气浮板2悬浮起来。由于定子100与气浮板2固定相连，因此定子100处于悬浮状态。开启定子定位发射器12，根据试验台、气浮装置、气浮板、定子、定子定位发射器和定位板的位置关系，计算得到定子悬浮于设定位置时定子定位发射器12发射的信号位于定位板4的标准坐标k₁，并将标准坐标k₁储存到控制装置中。通过调整气浮装置的工作状态，使定子稳定地悬浮在设定的标准坐标k₁的位置。

(2)动子的悬浮调试

打开导轨气源向导套气孔供气，从导套9上的导套气孔向轨道8喷射气柱，在导套9与轨道8之间形成气膜，使导套9悬浮起来，由于动子200是固定在动子安装板10的下表面，因此动子也处于悬浮状态。开启动子定位发射器11，根据试验台、气浮装置、气浮导轨、气浮垫板、动子安装板和定位板的位置关系，以及待测直线电机的额定气隙的大小，计算得到动子悬浮于设定位置时，动子定位发射器11发出的信号位于定位板4的标准坐标k₂，并将标准坐标k₂储存到控制装置中。通过调整气浮导轨的工作状态，使动子稳定地悬浮在设定的标准坐标k₂的位置。

2、推力检测

待测直线电机三相绕组通入额定三相电i_e(A)且以同步速度v_s运动，使待测直线电机处于额定运行状态。由于动子和定子的作用力和反作用力大小相等方向相反，故在动子运行过程中，动子所受到的电磁推力大小与定子所受到的电磁推力大小完全相等，该检测系统采用气浮装置使定子悬浮起来，采用气浮导轨使动子悬浮起来，因此通过力传感器测得的定子所受电磁推力F(N)，该推力的大小与动子的推力大小相等。测得直线电机推力的最大值F_max(N)和最小值F_min(N)，计算得到推理波动系数K_Fb为

$K_{\mathrm{Fb}}=\frac{F_{\max }-F_{\min }}{F_{\max }+F_{\min }}\×100\%$

使动子处于堵动状态，通入额定电流I_e(A)，随后在待测直线电机温升稳定的情况下不断增大电流，同时测量力传感器的输出情况，转化得到待测直线电机的峰值推力F_f(N)和峰值相电流I_max(A)，计算得到直线电机的推力常数K_f为。

$K_f=\frac{F}{I_{\max }}$

完成整个直线电机电磁推力检测。

在上述推力检测的过程中，控制装置实时检测定子定位发射器12射向定位板4的实时坐标k_1t，控制装置将实时坐标k_1t与标准坐标k₁进行比较，控制装置根据比较的结果向气浮装置气源发出控制信号，实时控制调整气浮装置的气浮座气孔32所喷射的气柱，保证在整个检测过程中定子定位发射器发射的信号始终位于标准坐标k₁，即定子始终位于标准位置。控制装置实时检测动子定位发射器11射向定位板4的实时坐标k_2t，并将实时坐标k_2t与标准坐标k₂进行比较，控制装置根据比较结果向导轨气源发出控制信号，实时控制调整导套9中各个面的导套气孔所喷射的气柱大小，使动子在整个检测过程中动子定位发射器发射出的信号始终位于标准坐标k₂，即动子的移动方向始终不变。通过控制装置与光栅传感器的配合，保证在检测过程中，定子和动子均位于标准位置，提高检测结果的准确度。

需要说明的是，动子定位发射器和定子定位发射器的安装位置可以并不固定。动子定位发射器可以安装在动子，且朝向定位板；定子定位发射器可以安装在定子上，且朝向定位板。

本发明利用直线电机的动子运行过程中，定子同样受到与动子电磁推力大小相等、方向相反的力的原理。采用气浮装置和气浮导轨将定子和动子分别悬浮起来，通过力传感器检测在动子运行过程中定子所受的推力，从而确定直线电机的推力。不需要在动子上安装力传感器，动子不需要克服力传感器的重力，减少误差；力传感器安装在定子上，定子固定，不需要拖动与力传感器连接的电缆，避免了一般检测系统中力传感器与直线电机动子相连而带来的诸多弊端，进一步精确了直线电机推力的测量；通过定位板、定子定位发射器和动子定位发射器的配合，在测试过程中，能够随时调节动子的运动轨迹，避免导套与轨道接触，提高检测精度。通过控制装置实现自动调节动子的运动轨迹。本检测系统具有较强的通用性，可以用于检测一系列直线电机的推力情况，具有很强的实用价值。不同直线电机的检测，仅需要调整本检测系统的尺寸，将直线电机安装在检测系统上，即可以实现对不同规格直线电机的检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直线电机的推力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用气浮装置使待测直线电机的定子悬浮；

S2：利用气浮导轨使待测直线电机的动子悬浮；

S3：启动待测直线电机，使用力传感器检测待测直线电机定子所受的推力，进而测得直线电机的电磁推力。

2.如权利要求1所述的直线电机的推力检测方法，所述步骤S1还包括：

S11：在定子上连接定子定位发射器，在气浮装置外部安装定位板，通过控制装置测量定子定位发射器发射的信号位于定位板的标准坐标k₁。

3.如权利要求2所述的直线电机的推力检测方法，所述步骤S2还包括：

S21：在动子上连接动子定位发射器，通过控制装置测量动子定位发射器发射的信号位于定位板的标准坐标k₂。

4.如权利要求3所述的直线电机的推力检测方法，所述步骤S3还包括：

S31：在推力检测过程中，控制装置实时检测定子定位发射器发射的信号位于定位板的实时坐标k_1t，比较实时坐标k_1t和标准坐标k₁，并根据比较结果控制气浮装置工作，调整定子的位置，使定子定位发射器发射的信号始终位于标准坐标k₁位置；控制装置实时检测动子定位发射器发射的信号位于定位板的实时坐标k_2t，比较实时坐标k_2t和标准坐标k₂，并根据比较结果控制气浮导轨工作，调整动子的移动方向，使动子定位发射器发射的信号始终位于标准坐标k₂位置。

5.一种直线电机的推力检测系统，其特征在于，包括：试验台、气浮装置、力传感器和两个气浮导轨，所述气浮装置包括气浮装置气源、气浮座和气浮板，所述气浮座固定在所述试验台上；所述气浮座设有气浮槽；所述气浮板放置在所述气浮槽内，且所述气浮槽设有多个与所述气浮板相对的气浮座气孔；所述气浮座气孔分别与所述气浮装置气源连接；待测直线电机的定子安装在所述气浮板上；两个所述气浮导轨均包括导轨气源、轨道和导套，所述导套空套在所述轨道上，两个所述轨道相平行地安装在所述气浮槽的两侧，所述导套设有多个与所述轨道相对的导套气孔，所述导套气孔分别与所述导轨气源连接；待测直线电机的动子横跨安装在两个所述导套之间；所述力传感器与所述气浮板或者定子相连接，用于检测所述定子所受的推力；

该检测系统还包括传感器支架，所述传感器支架固定在所述试验台上，所述力传感器的一端固定在所述传感器支架上，另一端与所述定子或者气浮板相连接。

6.如权利要求5所述的直线电机的推力检测系统，其特征在于，该检测系统还包括动子安装板，所述动子安装板横跨固定在两个所述导套上，所述动子固定在所述动子安装板下表面。

7.如权利要求6所述的直线电机的推力检测系统，其特征在于，该检测系统还包括：控制装置、定位板、动子定位发射器和定子定位发射器，所述定位板固定在所述试验台上，且与所述轨道相垂直；所述动子定位发射器安装在所述动子安装板的一端，且朝向所述定位板；所述定子定位发射器安装在所述气浮板的一端，且朝向所述定位板；所述控制装置的输入端与所述定位板连接，输出端与所述气浮装置气源和导轨气源连接，用于控制所述气浮装置气源和/或导轨气源的供气。

8.如权利要求6所述的直线电机的推力检测系统，其特征在于，该检测系统还包括：控制装置、定位板、动子定位发射器和定子定位发射器，所述定位板固定在所述试验台上，且与所述轨道相垂直；所述动子定位发射器安装在所述动子上，且朝向所述定位板；所述定子定位发射器安装在所述定子上，且朝向所述定位板；所述控制装置的输入端与所述定位板连接，输出端与所述气浮装置气源和导轨气源连接，用于控制所述气浮装置气源和/或导轨气源的供气。

9.如权利要求7所述的直线电机的推力检测系统，其特征在于，该检测系统还包括两根气浮垫板，两根所述气浮垫板相平行固定在所述气浮槽的两侧，所述轨道固定安装在所述气浮垫板上。