CN105866686B - 基于轭铁作动的斜翼力矩马达特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轭铁作动的斜翼力矩马达特性测试装置，包括测试台架和马达本体，测试台架包括底座、第一轴承安装板、第二轴承安装板、手动角位移旋转台、手动平移台、第一联轴器、第二联轴器、扭矩传感器和固定块，衔铁轴将马达本体支撑在第一轴承安装板和第二轴承安装板之间，衔铁轴的一端悬空，另一端与扭矩传感器的输入轴连接，扭矩传感器的输出轴和固定块连接；马达连接板根据不同测试要求连接在手动角位移旋转台或手动平移台上；马达本体包括上轭铁、下轭铁、衔铁、第一永磁体、第二永磁体、第一线圈和第二线圈，第一永磁体和第二永磁体分别对称放置于上轭铁和下轭铁的外侧；第一线圈和第二线圈分别对称缠绕于上轭铁和下轭铁的内侧。

Description

基于轭铁作动的斜翼力矩马达特性测试装置

技术领域

本发明涉及一种基于轭铁作动的斜翼力矩马达特性测试装置，属于电液伺服控制元件用电-机械转换器的测试领域。

背景技术

电液伺服控制技术自四十年代出现以来，便以其功率重量比高、输出力(力矩)大和静动态特性优异等显著特点在机电传动与控制技术中占据了高端位置，重点应用于航空航天、军用武器、船舶、大型电站、钢铁、材料试验机和振动台等各种关键场合，从而被视为各国工业的关键竞争力。而作为核心控制元件的电液伺服阀，则对整个电液伺服系统的性能起着决定性的影响作用，历来是流体传动及控制领域的研究热点之一。

电-机械转换器作为电液伺服阀的核心部件，是连接电信号与机械动作之间的桥梁，其性能对电液控制元件的整体性能起着决定性的影响作用。在众多的电-机械转换器中，力矩马达是较为常用的一种。力矩马达主要由永磁体、上轭铁、下轭铁、励磁线圈及将弹簧管、反馈杆、挡板、衔铁组合在一起的衔铁组件组成。上下轭铁和衔铁形成四个相等的工作气隙，衔铁靠弹簧管支撑在上下轭铁的中间位置，永磁体用来产生极化磁场，工作时在励磁线圈中通入直流电信号产生控制磁场，两者在四个工作气隙处相互叠加，使得衔铁产生一个与信号电流大小成比例的、且反映电流极性的电磁力矩。

普通的力矩马达衔铁的翼面和上下轭铁的极靴均为平面，为单自由度作动，其衔铁只能绕自身轴线转动，主要用于喷嘴挡板阀和射流管阀的电-机械转换元件。而近年来新提出的斜翼力矩马达衔铁两侧翼面、上轭铁和下轭铁的极靴表面被做成左右轴对称的斜面，相互之间形成四个倾斜的工作气隙，气隙高度的变化不仅受到衔铁转动的影响，同时也受到轴向位移的影响，因此其衔铁除了通电时能绕轴线旋转外，当其轴向有位移时(一般是随阀芯平动的)，衔铁也能产生反馈力矩，这样的特征使得其非常适合和滑阀阀芯直接连接，作为力-位移反馈式二维电液伺服阀的电-机械转换器。

在斜翼力矩马达的研制过程中，必须测试其主要的特性，包括驱动力矩-转角特性和反馈力矩-位移特性等，在输入电流一定时，驱动力矩-转角特性定义为在衔铁轴向位移不变时马达的输出力矩和衔铁转角之间的关系，而反馈力矩-位移特性则是在衔铁转角不变时马达的反馈力矩和衔铁轴向位移之间的关系。

普通力矩马达只需要测试驱动力矩-转角特性，测试时需要扭矩传感器和位置闭环控制的伺服电机(带角位移传感器)，力矩马达衔铁轴的一端和扭矩传感器连接，另一端和伺服电机连接，测试开始前马达和扭矩传感器松开，马达不通电，控制器首先控制伺服电机带动力矩马达转动到所需要的角度并在这个位置保持住，随后再将马达和扭矩传感器连接，马达上电，角位移传感器和扭矩传感器测出的两路信号送入示波器，依次不断改变衔铁的旋转角度，在特定角度改变马达电流，可以测出不同电流下马达的驱动力矩-转角特性。

可以看到，以上的测试方法和装置有以下缺点：1.台架成本较高，主要是位置闭环的伺服电机比较昂贵；2.测试步骤较为繁琐，每次改变衔铁转角前都需要松开扭矩传感器，然后再重新连接，费时费力；3.该测试方法和装置采用旋转衔铁以改变角度的方法，当衔铁同时涉及到双自由度作动(平动和转动)时，这种布置是无法测试所谓的力矩-位移特性的。

由于斜翼力矩马达是一种新型的电-机械转换器，在工作原理上和传统力矩马达有较大差异，其衔铁同时涉及到双自由度作动(平动和转动)，普通力矩马达的测试装置无法满足要求，且目前尚未有简单易用、性能可靠、操作简便、成本低廉且可同时测试其驱动力矩-转角特性和反馈力矩-位移特性的装置出现。

发明内容

为了克服现有测试方法及装置存在的上述缺陷，本发明提供一种简单易用、性能可靠、操作简便、成本低廉的基于轭铁作动的斜翼力矩马达特性测试装置。

本发明采用的技术方案是：

基于轭铁作动的斜翼力矩马达特性测试装置，包括测试台架和安装在测试台架上的马达本体，其特征在于:

所述的测试台架包括底座、第一轴承安装板、第二轴承安装板、手动角位移旋转台、手动平移台、第一联轴器、第二联轴器、扭矩传感器和固定块，所述的底座上开设有若干安装孔，第一轴承安装板、马达连接板、第二轴承安装板、扭矩传感器连接板以及固定块连接板通过所述的安装孔依次安装在所述的底座上，衔铁轴通过轴承将所述的马达本体支撑在所述的第一轴承安装板和第二轴承安装板之间，所述的衔铁轴的一端悬空，另一端通过第一联轴器与扭矩传感器的输入轴连接，所述的扭矩传感器的输出轴通过第二联轴器和固定块连接；所述的扭矩传感器和固定块分别安装在扭矩传感器连接板和固定块连接板上；所述的马达连接板根据不同测试要求连接在所述的手动角位移旋转台或手动平移台的上表面，所述的手动角位移旋转台或手动平移台固设在底座上；

所述的马达本体包括上轭铁、下轭铁、衔铁、第一永磁体、第二永磁体、第一线圈和第二线圈，所述的第一永磁体和第二永磁体分别对称放置于上轭铁和下轭铁的外侧；所述的第一线圈和第二线圈分别对称缠绕于上轭铁和下轭铁的内侧；所述的衔铁和阀芯固连并由此被保持在马达的中位；所述的上轭铁、下轭铁分别安装在马达连接板上。

所述的衔铁由水平设置的中心孔和两侧翼面构成，所述的中心孔内安装有所述的衔铁轴；两侧翼面、上轭铁和下轭铁的极靴表面与水平面之间有倾斜角，以垂直于水平面、竖直向上的轴为Z轴，左右翼面呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征，其中左翼面围绕Z轴旋转180°后，刚好和右翼面重合；上轭铁和下轭铁的左右极靴表面也是呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征；左翼面插入到上轭铁和下轭铁的左极靴表面之间，三者相互平行并形成左上工作气隙和左下工作气隙；右翼面插入到上轭铁和下轭铁的右极靴表面之间，三者相互平行并形成右上工作气隙和右下工作气隙；四个工作气隙的高度相同。

所述的衔铁轴和中心孔过盈配合。

所述的第一线圈和第二线圈分别通过第一线圈保持架和第二线圈保持架对称缠绕于上轭铁和下轭铁内侧。

当测试驱动力矩-转角特性时需要用到手动角位移旋转台，当测试反馈力矩-位移特性时需要用到手动平移台。由于底座上设计有相应的安装孔，测试时可根据不同的要求进行更换，极为方便。手动角位移旋转台和手动平移台均选用目前市场上成熟的、规格齐全且价格低廉的商用手动调节式精密测试产品，两者均可以通过便捷的手动调节方式使得与其连接的物体获得微小的旋转或平动运动，刻度盘则可以用来记录旋转角和直动距离。此类产品价格在数千人民币左右，较之动辄几万的进口闭环伺服电机，成本降低了很多，其平移精度和旋转精度可以分别达到±0.1mm和±0.1°左右，最大量程在±10mm和±15°以内，而斜翼力矩马达驱动阀芯转角一般在±2°以内，其跟随阀芯的平动位移在±3mm之内，完全能够满足使用要求。另外，这类商用产品均提供标准化的接口，以便于连接被测样件(本发明中是斜翼力矩马达)和底座。

本发明的有益效果体现在：

1.成本低：除了必须的扭矩传感器外，只需要用到手动角位移旋转台和手动平移台，这两种测试仪器目前均有各种接口尺寸的商用产品可供选择，价格在数千人民币左右，较之动辄几万的进口闭环伺服电机，成本降低了很多；

2.简单易用，操作简便：以驱动力矩-转角特性的测试为例，在测试过程中，只需要连续调节手动角位移旋转台的旋杆即可改变轭铁相对于衔铁的旋转角度，从而测出特定电流下的矩角特性，反馈力矩-位移特性的测试过程与此类似，大大缩短了测试的时间和人力成本；而传统的测试方法需要每次重复“松开-连接扭矩传感器”这个过程，费时费力；

3.可同时测试驱动力矩-转角特性和反馈力矩-位移特性：本装置一反传统测试装置中旋转衔铁以改变角度的做法，改为旋转轭铁以改变其相对于衔铁的角度，将传统的“动子”衔铁作为固定部件对待，而将传统的“定子”轭铁作为运动部件对待，如此大大简化了测试装置，降低了成本。

附图说明

图1为斜翼力矩马达驱动力矩-转角特性测试装置的结构示意图，对于反馈力矩-位移特性的测试装置，除了需要将手动角位移旋转台换成手动平移台之外，其余完全相同。

图2为斜翼力矩马达安装在马达连接板上的结构示意图。

图3为第一轴承安装板的结构示意图。

图4为马达连接板的结构示意图。

图5为第二轴承安装板的结构示意图。

图6为固定块连接板的结构示意图。

图7为扭矩传感器连接板的结构示意图。

图8为固定块的结构示意图。

图9为手动角位移旋转台的结构示意图。

图10为底座的结构示意图。

图11为衔铁的结构示意图。

图12为上轭铁的结构示意图。

图13为下轭铁的结构示意图。

图14为第一线圈保持架的结构示意图，第二线圈保持架的结构与其完全相同。

图15为第一永磁体的结构示意图，第二永磁体的结构与其完全相同。

图16为衔铁轴的结构示意图。

图17为手动平移台的结构示意图。

具体实施方式

参照图1至图17，基于轭铁作动的斜翼力矩马达特性测试装置，包括测试台架和安装在测试台架上的马达本体，所述的测试台架包括底座7、第一轴承安装板4、第二轴承安装板20、手动角位移旋转台5、手动平移台34、第一联轴器19、第二联轴器16、扭矩传感器17和固定块14，所述的底座7上开设有若干安装孔，第一轴承安装板4、马达连接板24、第二轴承安装板20、扭矩传感器连接板18以及固定块连接板12通过所述的安装孔及螺钉6、9、10、11依次安装在所述的底座7上，衔铁轴3通过轴承将所述的马达本体支撑在所述的第一轴承安装板4和第二轴承安装板20之间，所述的衔铁轴3的一端悬空，另一端通过第一联轴器19与扭矩传感器17的输入轴连接，所述的扭矩传感器17的输出轴通过第二联轴器16和固定块14连接；所述的扭矩传感器17和固定块14分别安装在扭矩传感器连接板18和固定块连接板12上；所述的马达连接板24根据不同测试要求连接在所述的手动角位移旋转台5或手动平移台34的上表面，所述的手动角位移旋转台5或手动平移台34固设在底座7上；

所述的马达本体包括上轭铁1、下轭铁22、衔铁33、第一永磁体23、第二永磁体29、第一线圈和第二线圈，所述的第一永磁体23和第二永磁体29分别对称放置于上轭铁1和下轭铁22的外侧；所述的第一线圈和第二线圈分别对称缠绕于上轭铁1和下轭铁22的内侧；所述的衔铁33和阀芯固连并由此被保持在马达的中位；所述的上轭铁1、下轭铁22分别通过螺钉25、26、30、31安装在马达连接板24上，并且所述的上轭铁、下轭铁之间通过螺钉2、21、27将衔铁、第一永磁体、第二永磁体、第一线圈和第二线圈相互装配在一起。

所述的衔铁33由水平设置的中心孔和两侧翼面构成，所述的中心孔内安装有所述的衔铁轴3；两侧翼面、上轭铁1和下轭铁22的极靴表面与水平面之间有倾斜角，以垂直于水平面、竖直向上的轴为Z轴，左右翼面呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征，其中左翼面围绕Z轴旋转180°后，刚好和右翼面重合；上轭铁1和下轭铁22的左右极靴表面也是呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征；左翼面插入到上轭铁1和下轭铁22的左极靴表面之间，三者相互平行并形成左上工作气隙和左下工作气隙；右翼面插入到上轭铁1和下轭铁22的右极靴表面之间，三者相互平行并形成右上工作气隙和右下工作气隙；四个工作气隙的高度相同。

所述的衔铁轴3和中心孔过盈配合。

所述的第一线圈和第二线圈分别通过第一线圈保持架32和第二线圈保持架28对称缠绕于上轭铁1和下轭铁22内侧。

本实施例以机座尺寸为12.5mm的斜翼力矩马达测试流程为例，结合附图对本发明作进一步说明：

驱动力矩-转角特性的测试：选用手动角位移旋转台5并将其安装在底座7之上，随后将装有马达的马达连接板24安装于手动角位移旋转台5的上表面，整个台架按前述方式连接完毕之后，给马达励磁线圈上电，随后转动手动角位移旋转台5的旋杆，使得轭铁相对于衔铁旋转并记录下旋转角度，马达的电磁力矩则由扭矩传感器读出，如此则得到该特定电流下马达的驱动力矩-转角特性，改变电流并重复上述过程便可得到不同励磁电流下的驱动力矩-转角特性。

反馈力矩-位移特性的测试：选用手动平移台34并将其安装在底座7之上，随后将装有马达的马达连接板24安装于手动平移台34的上表面，整个台架按前述方式连接完毕之后，给马达励磁线圈上电，随后转动手动平移台34的旋杆，使得轭铁相对于衔铁直线移动并记录移动距离，马达的反馈电磁力矩则由扭矩传感器读出，如此则得到某一个特定电流下马达的反馈力矩-位移特性，改变电流并重复上述过程便可得到不同励磁电流下的反馈力矩-位移特性。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.基于轭铁作动的斜翼力矩马达特性测试装置，包括测试台架和安装在测试台架上的马达本体，其特征在于:

所述的测试台架包括底座、第一轴承安装板、第二轴承安装板、手动角位移旋转台、手动平移台、第一联轴器、第二联轴器、扭矩传感器和固定块，所述的底座上开设有若干安装孔，第一轴承安装板、马达连接板、第二轴承安装板、扭矩传感器连接板以及固定块连接板通过所述的安装孔依次安装在所述的底座上，衔铁轴通过轴承将所述的马达本体支撑在所述的第一轴承安装板和第二轴承安装板之间，所述的衔铁轴的一端悬空，另一端通过第一联轴器与扭矩传感器的输入轴连接，所述的扭矩传感器的输出轴通过第二联轴器和固定块连接；所述的扭矩传感器和固定块分别安装在扭矩传感器连接板和固定块连接板上；所述的马达连接板根据不同测试要求连接在所述的手动角位移旋转台或手动平移台的上表面，所述的手动角位移旋转台或手动平移台固设在底座上；

所述的马达本体包括上轭铁、下轭铁、衔铁、第一永磁体、第二永磁体、第一线圈和第二线圈，所述的第一永磁体和第二永磁体分别对称放置于上轭铁和下轭铁的外侧；所述的第一线圈和第二线圈分别对称缠绕于上轭铁和下轭铁的内侧；所述的衔铁和阀芯固连并由此被保持在马达的中位；所述的上轭铁、下轭铁分别安装在马达连接板上。

2.如权利要求1所述的基于轭铁作动的斜翼力矩马达特性测试装置，其特征在于：所述的衔铁由水平设置的中心孔和两侧翼面构成，所述的中心孔内安装有所述的衔铁轴；两侧翼面、上轭铁和下轭铁的极靴表面与水平面之间有倾斜角，以垂直于水平面、竖直向上的轴为Z轴，左右翼面呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征，其中左翼面围绕Z轴旋转180°后，刚好和右翼面重合；上轭铁和下轭铁的左右极靴表面也是呈以Z轴为中心轴的180°阵列特征；左翼面插入到上轭铁和下轭铁的左极靴表面之间，三者相互平行并形成左上工作气隙和左下工作气隙；右翼面插入到上轭铁和下轭铁的右极靴表面之间，三者相互平行并形成右上工作气隙和右下工作气隙；四个工作气隙的高度相同。

3.如权利要求2所述的基于轭铁作动的斜翼力矩马达特性测试装置，其特征在于：所述的衔铁轴和中心孔过盈配合。

4.如权利要求3所述的基于轭铁作动的斜翼力矩马达特性测试装置，其特征在于：所述的第一线圈和第二线圈分别通过第一线圈保持架和第二线圈保持架对称缠绕于上轭铁和下轭铁内侧。