CN107144381B - 一种永磁电机齿槽转矩测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机转矩测试技术，具体涉及永磁电机齿槽转矩的测量，其特征在于：被测电机通过圆形外壳与导轨平面形成相切接触，并借助挡板对其在导轨上的位置进行定位；在导轨上移动时，被测电机以滚动方式进行，并通过精密移动平台确定其移动的步长；位于圆形外壳几何中心处的电机转轴，通过水平平衡杆确保其在任一测量点上均等于初始角度；平衡杆通过水平尺、配重、丝杠支杆和电子秤确保其在任一测量点上均处于水平状态。根据杠杆平衡原理，通过力矩平衡方程可准确计算出任一测量点的齿槽转矩。通过在导轨上逐步移动和测量，可获得电机齿槽转矩的离散波形。

Description

一种永磁电机齿槽转矩测量方法

技术领域

本发明属于电机转矩测试技术，具体涉及永磁电机齿槽转矩的测量。

背景技术

由于齿槽结构和极槽配合等因素，电机整个圆周范围内的磁导分布总会有所不均。而在永磁电机中，永磁磁极总是趋向定位于最小磁导位置处。因此，基于永磁磁极定位效应的齿槽转矩是永磁电机的固有现象。相对额定转矩，齿槽转矩的幅值通常不大,但其波动频率通常较高。在电机运行时，高频波动的齿槽转矩造成振动与噪声的增加、瞬时转矩和转速的波动等影响，不利于电机性能的提高。因此，齿槽转矩一直是永磁电机性能设计的重要指标。此外，一旦电机完成设计和生产，基于齿槽转矩量化数据的控制补偿又是减少齿槽转矩影响最为有效的方法。因此，无论是进行指标评判，还是进行控制补偿，齿槽转矩的准确测量都尤为重要。

总结国内外相关文献和资料所提出的各齿槽转矩测量方法，其共通之处：首先，在确定齿槽转矩测量点的方式上，所报道各方法均是基于旋转方式直接对角位移进行定步长采样以确定齿槽转矩各测量点。基于旋转方式开展齿槽转矩测量固然能够使得操作过程较为简便，然而其缺点也很突出，体现为：第一，考虑到齿槽转矩高频特性，此类测量方法对角度传感器的精度和分辨率要求高；第二，采取逐步旋转方式时，此类测量方法对旋转驱动器的定位精度和定位稳定性要求高；第三，采取连续旋转方式时，此类测量方法对转矩传感器的响应性能要求高，且由于黏滞、摩擦等导致测量误差。其次，所报道各方法用以测量齿槽转矩的装置或机构无外乎常规转矩传感器、简易杠杆、弹簧拉力计、悬吊砝码和转矩扳手等传统器械。传统器械使得测量系统构建容易，但用于测量幅值小、频率高的齿槽转矩时，其测量结果的精度和准确度难以保障。常规转矩传感器响应性能不足，且在量程和精度上难以兼顾；简易杠杆欠缺有关平衡状态监测和调节的闭环设计，测量结果准确度无从保障；弹簧拉力计、悬吊砝码和转矩扳手等，这些通过施加主动力矩以平衡齿槽转矩进而实现测量目的的装置，只能测得稳定平衡段的齿槽转矩，而无法测量不稳定平衡段的齿槽转矩。

发明内容

针对现有测量方法和技术的不足，本发明公布了一种全新的齿槽转矩测量方法，其特征在于：首先，本发明基于滚动方式，通过对圆形外壳的圆周的定步长采样，间接实现对角位移的定步长采样，以确定齿槽转矩各测量点。具体的，被测电机通过圆形外壳与导轨平面形成相切接触，并借助挡板对其在导轨上的位置进行定位；在导轨上移动时，被测电机借助圆形外壳以滚动方式进行，并通过精密移动平台确定其移动的步长。其次，本发明详细设计了具有平衡状态监测和连续调节功能的齿槽转矩测量机构。具体的，电机转轴通过定位螺栓调节以确保其位于圆形外壳几何中心处；电机转轴通过水平平衡杆确保其在任一测量点上均等于初始角度；平衡杆通过水平尺、配重、丝杠支杆和电子秤确保其在任一测量点上均处于水平状态；在平衡杆上，电机转轴连接点和水平尺所在位置可随意调节，配重所在位置可在较大范围内调节（只需满足任一测量点上电子秤的读数均大于0）；平衡杆与电子秤之间的距离可通过竖直的丝杠支杆连续调节。基于以上特征，本发明通过力矩平衡方程可准确计算出任一测量点处的齿槽转矩，通过在导轨上逐步移动和测量可获得电机齿槽转矩的离散波形。

总体而言，相比现有测量技术，本发明所构思的以上技术方案的优点和积极效果体现为：

（1）只需简单更换被测电机的圆形外壳即可对高频齿槽转矩实现多测量点密集采样测量，而无需昂贵的高分辨率、高精度角度传感器；

（2）通过几何结构相切和机械挡板实现测量点定位，测量过程中不存在定位扰动；

（3）采取定步长静态测量，大大降低了对传感器响应性能的要求，且测量结果不存在动态旋转所引起的测量误差；

（4）通过预置配重，采用被动力矩（电子秤上压力的作用力矩）开展齿槽转矩测量，能够测得齿槽转矩全波段的离散波形；

（5）通过设置平衡状态检测和调节措施，提升了测量结果的准确性和对不同被测电机的适用性，同时降低了对测量场地的水平度要求。

附图说明

图1为第一实施例的齿槽转矩测量示意图。

图2为第二实施例的齿槽转矩测量示意图。

具体实施方式

第一实施例：图1所示为平面导轨情况的齿槽转矩测量系统。该系统构件主要包括：精密移动平台（1）、挡板（2）和（7）、圆形外壳（4）和定位螺栓（3）、被测电机（5）、水平尺（8）、配重（9）、丝杠支杆（10）、平衡杆（11）、电子秤（12）以及导轨（13）。所述齿槽转矩测量系统的特征和测量步骤如下。

1、被测电机（5）通过定位螺栓（3）调节电机转轴位于圆形外壳（4）的几何中心处，并使被测电机（5）与圆形外壳（4）紧固连接；被测电机（5）通过圆形外壳（4）与导轨（13）形成相切接触，并借助挡板（2）和（7）对其在导轨上的位置进行定位。

2、电机转轴（6）与平衡杆（11）紧固连接，连接点不限于平衡杆的中点；通过使平衡杠（11）保持水平以确保电机转轴（6）在任一测量点上均等于初始角度（相对水平面的角度）。

3、平衡杆（11）的水平状态通过水平尺（8）、配重（9）、丝杠支杆（10）和电子秤（12）予以保障；水平尺（8）用以检测平衡杆的水平状态，其在平衡杆上的位置不限于平衡杆的中点；丝杠支杆（10）与平衡杆（11）通过螺纹垂直连接，用以连续调节平衡杆（11）与电子秤（12）间的竖直距离；配重（9）用以保证丝杠支杆（10）在任一测量点上均能压在电子秤（12）上，只要满足电子秤（12）的读数在任一测量点上均大于0，其在平衡杆上的位置在较大范围内可调。

4、根据杠杆平衡原理，任一测量点的齿槽转矩T_c可通过力矩平衡方程准确计算得到，计算方程为：

T_c =F₁₂L₅ +G_{11_1}L₁ -G_{11_2}L₂ -G₈L₃ -G₉L₄ -G₁₀L₅

其中，F₁₂为电子秤（12）承受的压力，G_{11_1}为平衡杆（11）在非电子秤侧部分的等效质点的重力，G_{11_2}为平衡杆（11）在电子秤侧部分的等效质点的重力，G₈为水平尺（8）的重力，G₉为配重（9）的重力，G₁₀为丝杠支杆的重力，L₁-L₅分别为平衡杆上各作用力相应的力臂。

5、完成某一测量点齿槽转矩的测量后，被测电机（5）借助圆形外壳（4）以滚动方式在导轨（13）上移动，每次滚动的步长由基于千分尺或游标卡尺的精密移动平台（1）确定；移动指定步长后，仍借助挡板（2）和（7）对被测电机（5）在导轨上定位，形成新的齿槽转矩测量点。重复步骤3；对平衡杆进行水平检测和调节；然后，重复步骤4，计算得到新测量点的齿槽转矩进。如此，通过在导轨上逐步移动和测量，算得各测量点处的齿槽转矩，从而构成永磁电机齿槽转矩全波段的离散波形。

第二实施例：图2所示为斜坡导轨情况的齿槽转矩测量系统。参考对比第一实施例（图1），斜坡导轨情况的齿槽转矩测量系统（图2）的特征和测量步骤为。

1、从系统构件上，斜坡导轨情况的齿槽转矩测量系统增加了斜坡垫块（14）。斜坡垫块（14）用于将导轨（13）的一端垫起，以形成斜坡导轨；且斜坡角度 φ满足：G_m*sin( φ) <F_m，其中G_m是被测电机（5）的重力，F_m是被测电机（5）在导轨（13）上的最大静摩擦力。

2、从运动过程上，在需要在导轨（13）上移动时，借助斜坡及限定的斜坡角度，被测电机（5）能够依靠自身重力在导轨（13）上自行滚动。

3、在检测、调节、紧固、计算的步骤上，与第一实施例一致。这里不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述实施例仅为解释本发明，并不用于限定本发明。本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征，只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种永磁电机齿槽转矩测量方法，其特征在于：采用齿槽转矩测量系统进行测量，该系统要包括：精密移动平台（1）、挡板一（2）、挡板二（7）、圆形外壳（4）和定位螺栓（3）、被测电机（5）、水平尺（8）、配重（9）、丝杠支杆（10）、平衡杆（11）、电子秤（12）以及导轨（13），对于斜坡导轨的情况，该系统构件中还包括斜坡垫块（14），且由斜坡垫块（14）形成的斜坡角度φ需满足：G_m*sin(φ) < F_m，其中G_m是被测电机（5）的重力，F_m是被测电机（5）在导轨（13）上的最大静摩擦力；所述永磁电机齿槽转矩测量方法包括：被测电机（5）通过定位螺栓（3）调节电机转轴位于圆形外壳（4）的几何中心处，并使被测电机（5）与圆形外壳（4）紧固连接，被测电机（5）通过圆形外壳（4）与导轨（13）形成相切接触，并借助挡板一（2）和挡板二（7）对其在导轨上的位置进行定位，在导轨（13）上移动时，被测电机（5）借助圆形外壳（4）以滚动方式进行，并由精密移动平台（1）确定其每次滚动的步长，滚动后，仍借助挡板一（2）和挡板二（7）对其在导轨上的位置进行定位，电机转轴（6）与平衡杆（11）紧固连接，并通过使平衡杆（11）保持水平以确保电机转轴（6）在任一测量点上均等于初始角度（相对水平面的角度），平衡杆（11）由水平尺（8）、配重（9）、丝杠支杆（10）和电子秤（12）确保其在任一测量点上均处于水平状态，水平尺（8）位于平衡杆（11）上，配重（9）的位置满足任一测量点上电子秤（12）读数均大于0，平衡杆（11）与丝杠支杆（10）通过螺纹垂直连接，平衡杆（11）与电子秤（12）间的距离可连续调节，根据杠杆平衡原理，通过力矩平衡方程可准确计算出任一测量点的齿槽转矩，并通过在导轨上逐步移动和测量，获得各测量点处的齿槽转矩，从而构成永磁电机齿槽转矩的离散波形；任一测量点齿槽转矩T_c的计算方程为：

T_c = F₁₂L₅ + G_{11_1}L₁ – G_{11_2}L₂ – G₈L₃ – G₉L₄ – G₁₀L₅

其中，F₁₂为电子秤（12）承受的压力，G_{11_1}为平衡杆（11）在非电子秤侧部分的等效质点的重力，G_{11_2}为平衡杆（11）在电子秤侧部分的等效质点的重力，G₈为水平尺（8）的重力，G₉为配重（9）的重力，G₁₀为丝杠支杆的重力，L₁-L₅分别为平衡杆上各作用力相应的力臂。

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