CN110426657B - 旋转电机超薄气隙磁场测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转电机超薄气隙磁场测试装置及方法，涉及电机磁场测试装置及方法，设有测试平台和特斯拉计，测试平台上设有回转工作台，回转工作台上与设有电机安装座，回转工作台一侧的测试平台上设有探头支架，探头支架上设有可水平转动的测试连杆，特斯拉计的探头设在测试连杆下端上，测试连杆上设有径向刻线和切向刻线，探头支架上设有基准刻线，当径向刻线与基准刻线相对时，特斯拉计探头的测试面与回转工作台的径向垂直，当切向刻线与基准刻线相对时，特斯拉计探头的测试面与回转工作台的切向垂直。本发明结构简单，使用方便，可精确地测量径向气隙磁场和切向气隙磁场,降低产品设计阶段的开发成本，便于产品生产后的质量检验和故障诊断。

Description

旋转电机超薄气隙磁场测试装置及方法

技术领域

本发明涉及电机磁场测试装置及方法，更具体的说是一种针对旋转电机超薄气隙内的三维气隙磁场(同时沿周向和轴向高精度移动的径向气隙磁场与切向气隙磁场)的精确测量装置及方法。

背景技术

旋转电机是一种将电能直接转换成旋转运动机械能的装置，被广泛应用于各个工业领域，如用于电动汽车、有轨电车、舰船、火箭、飞机、电梯、空调、食品加工机、抽油烟机等。在旋转电机设计或生产阶段，需要对样机的气隙磁场分布进行测量，以探究样机实际的气隙磁场分布规律，检验其是否符合设计意图，亦可用于验证磁场仿真计算的准确性和进行电机的故障诊断分析，而目前的测试设备无法实现对旋转电机超薄气隙内径向磁场和切向磁场进行精确移动和精确定位测量。旋转电机的实际性能与其气隙磁场密切相关，在电机设计阶段无法准确探知影响其性能的实际的气隙磁场分布规律，会大大增加电机开发成本，在电机生产阶段若出现故障电机而不能获得其准确的气隙磁场数据，便无法进行故障诊断分析，无法确定故障原因，进而也无法排除故障，进一步会导致质量事故的发生。

现有的涉及磁场测试专利的专利文件申请人检索如下：①上海铼钠克数控科技股份有限公司的张如山申请了一种直线电机磁场测试仪，申请号201721472312.8，授权公告号CN 207380216 U；②中国科学院电子学研究所王树忠等人申请了一种用于测量磁场的装置，申请号201310540806.5，授权公告号CN 103675717 B；③浙江和也健康科技有限公司申请了一种空间磁场测试仪，申请号201610088936.3，授权公告号CN 105527592 B；④上海北玻镀膜技术工业有限公司的施玉安等人申请了一种空间磁场测试系统，专利申请号200820107500.5，授权公告号CN201184910Y。上述专利文件公开的装置及使用方法均无法对旋转电机超薄内的三维气隙磁场进行精确测量。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构简单，使用方便，可精确地测量径向气隙磁场和切向气隙磁场,降低产品设计阶段的开发成本，便于产品生产后的质量检验和故障诊断的旋转电机超薄气隙磁场测试装置及方法。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种旋转电机超薄气隙磁场测试装置，设有测试平台和特斯拉计，其特征在于测试平台上设有回转工作台，回转工作台上与其同轴的设有电机安装座，回转工作台一侧的测试平台上设有可在回转工作台轴向和径向上运动的探头支架，探头支架上设有可水平转动的测试连杆，特斯拉计的探头设在测试连杆下端上，测试连杆上设有径向刻线和切向刻线，探头支架上设有基准刻线，当径向刻线与基准刻线相对时，特斯拉计探头的测试面与回转工作台的径向垂直，此时在回转工作台径向上的磁感线垂直穿过特斯拉计探头端部的霍尔元件，从而实现径向磁场的测量，当切向刻线与基准刻线相对时，特斯拉计探头的测试面与回转工作台的切向垂直，此时在回转工作台切向上的磁感线垂直穿过特斯拉计探头端部的霍尔元件，从而实现切向磁场的测量。

本发明中所述的电机安装座的结构是：回转工作台上(经法兰盘连接)设有三爪卡盘。使用时，被测电机经三爪卡盘固定安装在回转工作台上，通过调整三爪卡盘可保证被测电机与回转工作台的同轴度并将被测电机夹紧固定。也可选用其他可将被测电机与回转工作台同轴相连的其他装置。

本发明中所述回转工作台采用蜗轮蜗杆传动机构，模数为2，传动比为1:120，可通过旋转手轮操纵蜗杆旋转来控制工作台蜗轮旋转一定微小角度，此角度可观可控，控制旋转角度的数量级可达10^-2度，可保证被测电机周向精确定位。

本发明中所述的探头支架的结构是：设有水平滑动机构和竖直滑动机构，水平滑动机构和竖直滑动机构上分别设有水平调距手轮和竖直调距手轮。水平滑动机构和竖直滑动机构均采用齿轮齿条传动机构，齿条模数为0.5，可通过转动调距手轮来控制水平和竖直滑块移动一段微小距离，且移动距离可观可控，控制移动距离的数量级可达10^-3mm，可保证特斯拉计的霍尔探头轴向精确定位。

本发明中所述的探头支架的结构是：设有竖直的竖支杆，竖支杆一侧上设有调距齿条，设有可在竖支杆上上下滑动的轴向滑座，轴向滑座内经转轴安装有与调距齿条相配合的调距齿轮，轴向滑座外侧设有与转轴相连的轴向调距手轮；轴向滑座上部(固定)设有径向滑座，径向滑座内设有可在回转工作台径向上水平滑动的探头支杆(回转工作台的轴线与探头支杆轴线相交)，探头支杆上设有调距齿条，径向滑座内经转轴安装有与调距齿条相配合的调距齿轮，径向滑座外侧设有与转轴相连的径向调距手轮。轴向滑座和径向滑座分别设有定位螺杆，拧紧定位螺杆可将轴向滑座固定在竖支杆上或将探头支杆固定在径向滑座上。

本发明中所述的测试连杆的结构是：在探头支杆前端部设有连接孔，测试连杆呈圆柱状、可水平转动的安装在连接孔内，探头支杆上侧的测试连杆上端部设有转动手柄，径向刻线和切向刻线位于探头支杆上侧的测试连杆上、径向刻线和测试连杆轴线所在的平面与切向刻线和测试连杆轴线所在的平面垂直，基准刻线位于探头支杆上、基准刻线和测试连杆轴线所在的平面与探头支杆轴线和测试连杆轴线所在的平面垂直，基准刻线和测试连杆轴线所在的平面与特斯拉计探头的测试面垂直或平行。探头支杆上设有定向锁紧螺杆，拧紧定向锁紧螺杆可将测试连杆锁紧固定在探头支杆上。

使用上述装置的旋转电机超薄气隙磁场测试方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：设置被测电机的测试工况点；

步骤二：将被测电机经电机安装座安装固定在回转工作台上，使被测电机与回转工作台保持同轴；

步骤三：控制探头支架使探头支架在回转工作台的径向上运动至特斯拉计的探头位于旋转电机的超薄气隙上方，控制探头支架在回转工作台的轴向上运动至特斯拉计的探头进入旋转电机的超薄气隙内的某一测试工况点处；

步骤四：转动测试连杆，使径向刻线对准探头支架上的基准刻线，测量该测试工况点的径向磁场；将测试连杆转动90°，使切向刻线对准探头支架上的基准刻线，测量该测试工况点的切向磁场；使用特斯拉计测量

步骤五：控制回转工作台工作，带动被测电机旋转至其周向上的下一测试工况点处，重复步骤四，对该测试工况点的径向磁场和切向磁场进行测量；

步骤六：重复步骤五，将被测电机同一轴向(高度)位置一周的测试工况点的径向磁场和切向磁场全部测量(气隙磁场)；

步骤七：控制探头支架在回转工作台的轴向上运动，使特斯拉计的探头位于被测电机的未测量的轴向(高度)位置的测试工况点上，对被测电机在该轴向(高度)位置的一周的测试工况点进行径向磁场和切向磁场的测量；

步骤八：重复步骤七，获取被测电机所有测试工况点的磁场数据(径向磁场和切向磁场)，进而得到整个气隙内的磁场分布。

本发明中步骤一中所述的测试工况点的设置方法如下：

电机定子和转子之间有圆环柱状超薄气隙；以电机定子下端面的几何中心为坐标原点o，以气隙圆环半径方向为r轴方向，以气隙圆环圆周角度为θ方向，以电机轴向方向为z方向，建立三维柱坐标系o-rθz。已知被测电机的极对数为p，轴向长度为l，定子半径r_s和转子半径r_r之差的绝对值为圆环柱状气隙长度g＝|r_s-r_r|。将被测电机圆环柱状超薄气隙在每对极的圆周范围内均分为N份、在轴向范围内均分为Z段(N∈N^*，Z∈N^*，且N、Z越大，精度越高)，分段点为测试工况点。相邻工况点在周向的间隔角度为

在轴向的间隔长度为

在气隙长度范围g内，保持相同径向半径r，任取测试工况点

(k∈N^*且1≤k≤N，i∈N^*且1≤i≤Z)。测试该工况点

的径向磁密和切向磁密X次，则第x次(x∈N^*且1≤x≤X)测试所得空载径向气隙磁密为

空载切向气隙磁密为

即第x次测试该工况点的气隙磁密坐标值为

共N×Z个测试工况。重复X次测试

并对该工况点所有次测试的空载气隙磁密取平均值，则得该工况点的平均空载气隙磁密

共X×N×Z个测试工况。易知，通过改变径向半径r可得不同气隙长度处的平均空载气隙磁密。

使用本发明的旋转电机超薄气隙磁场测试装置和方法对旋转电机的超薄气隙磁场进行测量，可精确获得旋转电机的径向气隙磁场和切向气隙磁场。本发明具有结构简单，操作简便，测量精度高，降低了产品设计阶段的开发成本，便于产品生产后的质量检验和故障诊断等优点。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是图1的A处局部放大图。

图3是本发明的俯视结构示意图。

图4、图5和图6为旋转电机超薄气隙及测试工况点设置的原理示意图，其中图4为主视图，图5为俯视图，图6为立体结构示意图。

具体实施方式

如图1-3所示的旋转电机超薄气隙磁场测试装置，设有测试平台1和用于测量旋转电机气隙磁场的特斯拉计，测试平台1上设有用于支承被测电机并控制其转动回转工作台2，回转工作台2上与其同轴的设有用于连接被测电机的电机安装座，即：电机安装座的轴线与回转工作台的轴线重合；所述的电机安装座的结构是：回转工作台2上经法兰盘连接设有三爪卡盘3；使用时，被测电机经三爪卡盘3固定安装在回转工作台2上，通过调整三爪卡盘3可保证被测电机与回转工作台的同轴度并将被测电机夹紧固定。回转工作台一侧的测试平台上设有用于夹持特斯拉计的探头4并控制其可在回转工作台轴向(与回转工作台轴线平行)和径向上运动的探头支架；探头支架上竖直设有用于安装特斯拉计的探头4的可水平转动的测试连杆5，特斯拉计的探头4设在测试连杆5下端上；测试连杆5上设有径向刻线14和切向刻线16，探头支架上设有基准刻线13。探头支架的具体结构是：设有竖直的竖支杆11，竖支杆11一侧上设有调距齿条，设有可在竖支杆11上上下滑动的轴向滑座9，轴向滑座9内经转轴安装有与调距齿条相配合的调距齿轮，轴向滑座9外侧设有与转轴相连的轴向调距手轮10，转动轴向调距手轮10可带动调距齿轮在调距齿条上运动，进而带动轴向滑座在竖支杆11上滑动；轴向滑座9上部(固定)设有径向滑座8，径向滑座8内设有可在回转工作台径向上水平滑动的探头支杆6，回转工作台的轴线与探头支,6轴线相交，探头支杆6上设有调距齿条，径向滑座内经转轴安装有与调距齿条相配合的调距齿轮，径向滑座8外侧设有与转轴相连的径向调距手轮7，转动轴向调距手轮7可带动调距齿轮在调距齿条上运动，进而带动探头支杆6在径向滑座8内沿回转工作台径向水平滑动。轴向滑座和径向滑座分别设有定位螺杆，拧紧定位螺杆可将轴向滑座固定在竖支杆上或将探头支杆固定在径向滑座上；所述的测试连杆的具体结构是：在探头支杆6前端部设有连接孔，测试连杆5呈圆柱状、可水平转动的安装在连接孔内，探头支杆上侧的测试连杆5上端部设有转动手柄15，径向刻线和切向刻线位于探头支杆上侧的测试连杆上、径向刻线和测试连杆轴线所在的平面与切向刻线和测试连杆轴线所在的平面垂直，基准刻线位于探头支杆上、基准刻线和测试连杆轴线所在的平面与探头支杆轴线和测试连杆轴线所在的平面垂直，基准刻线和测试连杆轴线所在的平面与特斯拉计探头的测试面垂直或平行。探头支杆上设有定向锁紧螺杆12，拧紧定向锁紧螺杆12可将测试连杆锁紧固定在探头支杆上。当径向刻线与基准刻线相对时，特斯拉计探头的测试面与回转工作台的径向垂直，此时在回转工作台径向上的磁感线垂直穿过特斯拉计探头端部的霍尔元件，从而实现径向磁场的测量，当切向刻线与基准刻线相对时，特斯拉计探头的测试面与回转工作台的切向垂直，此时在回转工作台切向上的磁感线垂直穿过特斯拉计探头端部的霍尔元件，从而实现切向磁场的测量。

进一步的，本发明中所述回转工作台采用蜗轮蜗杆传动机构，模数为2，传动比为1:120，可通过操纵蜗杆旋转来控制工作台蜗轮旋转一定微小角度，此角度可观可控，控制旋转角度的数量级可达10^-2度，可保证被测电机周向精确定位。所述调距齿条的模数为0.5，可通过转动调距手轮来控制轴向滑座和探头支杆移动一段微小距离，且移动距离可观可控，控制移动距离的数量级可达10^-3mm，可保证特斯拉计的霍尔探头轴向和径向的精确定位。测试平台

进一步的，本发明中所述特斯拉计的霍尔探头长度为150mm，宽度为0.5mm，厚度为0.35mm，可伸入数量级为10^-1mm的气隙中进行磁场测量；所述特斯拉计的霍尔探头具有方向性，当磁感线垂直穿过霍尔元件时才能感应出信号，故可通过改变霍尔探头伸入气隙时的角度状态来分别测量径向和切向气隙磁场。所述测试平台由铸铁制成，长度为900mm，宽度为600mm，平面度小于0.5mm/m²,有四个台面支承螺栓，四个台面支承螺栓分别位于台面四角，可通过调整台面支承螺栓使得台面始终保持水平，以保证测试精度。传感器可伸入数量级为10^-1mm的超薄气隙进行磁场测量；回转工作台可实现数量级为10^-2度的角度控制，可精确控制电机旋转角度，传感器的移动支架可实现数量级为10^-3mm的距离控制，可精确控制传感器伸入电机气隙的深度，两者组合便可实现传感器在被测电机气隙内的周向和轴向精确定位，既能保证测量精度，又能降低成本。传感器上的霍尔元件具有方向性，可通过旋转探头手柄从而改变霍尔探头伸入气隙内的角度状态分别测量径向和切向气隙磁场。

使用上述装置的旋转电机超薄气隙磁场测试方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：设置被测电机的测试工况点。电机定子和转子之间有圆环柱状超薄气隙，如图4、图5、图6所示，以电机定子下端面的几何中心为坐标原点o，以气隙圆环半径方向为r轴方向，以气隙圆环圆周角度为θ方向，以电机轴向方向为z方向，建立三维柱坐标系o-rθz。已知被测电机的极对数为p，轴向长度为l，定子半径r_s和转子半径r_r之差的绝对值为圆环柱状气隙长度g＝|r_s-r_r|。将被测电机圆环柱状超薄气隙在每对极的圆周范围内均分为N份、在轴向范围内均分为Z段(N∈N^*，Z∈N^*，且N、Z越大，精度越高)，分段点为测试工况点。相邻工况点在周向的间隔角度为

在轴向的间隔长度为

在气隙长度范围g内，保持相同径向半径r，任取测试工况点

(k∈N^*且1≤k≤N，i∈N^*且1≤i≤Z)。测试该工况点

的径向磁密和切向磁密X次，则第x次(x∈N^*且1≤x≤X)测试所得空载径向气隙磁密为

空载切向气隙磁密为

即第x次测试该工况点的气隙磁密坐标值为

共N×Z个测试工况。重复X次测试

并对该工况点所有次测试的空载气隙磁密取平均值，则得该工况点的平均空载气隙磁密

共X×N×Z个测试工况。易知，通过改变径向半径r可得不同气隙长度处的平均空载气隙磁密。

表1.第x次测试所得气隙磁密坐标表

步骤二：将被测电机经三爪卡盘安装固定在回转工作台上，使被测电机与回转工作台保持同轴；

步骤三：通过径向调距手轮控制探头支杆运动，使特斯拉计的探头位于旋转电机的超薄气隙上方，通过轴向调距手轮控制轴向滑座在竖支杆上滑动，使特斯拉计的探头进入旋转电机的超薄气隙内的某一测试工况点的对应处；

步骤四：通过转动手柄15转动测试连杆，使径向刻线对准探头支架上的基准刻线，特斯拉计探头的测试面与该测试点处气隙内的径向磁场垂直，使用特斯拉计测量该测试工况点对应的气隙内的径向磁场；转动手柄15，将测试连杆转动90°，使切向刻线对准探头支架上的基准刻线，特斯拉计探头的测试面与该测试点处气隙内的切向磁场垂直，使用特斯拉计测量该测试工况点对应的气隙内的切向磁场；

步骤五：控制回转工作台工作，带动被测电机旋转至相同轴向(高度)位置的周向上的下一测试工况点处，重复步骤四，对该测试工况点对应处的气隙内的径向磁场和切向磁场进行测量；

步骤六：重复步骤五，将被测电机同一轴向(高度)位置一周的测试工况点(对应的气隙磁场内)的径向磁场和切向磁场全部测量；

步骤七：通过轴向调距手轮控制轴向滑座在竖支杆上滑动，带动特斯拉计的探头在回转工作台的轴向上运动，使特斯拉计的探头位于被测电机的未测量的轴向(高度)位置的测试工况点(对应的气隙磁场内)上，对被测电机在该轴向(高度)位置的一周的测试工况点(对应的气隙磁场内)进行径向磁场和切向磁场的测量；

步骤八：重复步骤七，获取被测电机所有测试工况点(对应的气隙磁场内)的磁场数据(径向磁场和切向磁场)，进而得到整个气隙内的磁场分布。

使用本发明的旋转电机超薄气隙磁场测试装置和方法对旋转电机的超薄气隙磁场进行测量，可精确获得旋转电机的径向气隙磁场和切向气隙磁场。本发明具有结构简单，操作简便，测量精度高，降低了产品设计阶段的开发成本，便于产品生产后的质量检验和故障诊断等优点。

Claims (5)

1.一种旋转电机超薄气隙磁场测试装置，设有测试平台和特斯拉计，其特征在于测试平台上设有回转工作台，回转工作台上与其同轴的设有电机安装座，回转工作台一侧的测试平台上设有可在回转工作台轴向和径向上运动的探头支架，探头支架上设有可水平转动的测试连杆，特斯拉计的探头设在测试连杆下端上，测试连杆上设有径向刻线和切向刻线，探头支架上设有基准刻线，当径向刻线与基准刻线相对时，特斯拉计探头的测试面与回转工作台的径向垂直，当切向刻线与基准刻线相对时，特斯拉计探头的测试面与回转工作台的切向垂直；所述的探头支架的结构是：设有竖直的竖支杆，竖支杆一侧上设有调距齿条，设有可在竖支杆上上下滑动的轴向滑座，轴向滑座内经转轴安装有与调距齿条相配合的调距齿轮，轴向滑座外侧设有与转轴相连的轴向调距手轮；轴向滑座上部设有径向滑座，径向滑座内设有可在回转工作台径向上水平滑动的探头支杆，探头支杆上设有调距齿条，径向滑座内经转轴安装有与调距齿条相配合的调距齿轮，径向滑座外侧设有与转轴相连的径向调距手轮；轴向滑座和径向滑座分别设有定位螺杆，拧紧定位螺杆可将轴向滑座固定在竖支杆上或将探头支杆固定在径向滑座上；所述的测试连杆的结构是：在探头支杆前端部设有连接孔，测试连杆呈圆柱状、可水平转动的安装在连接孔内，探头支杆上侧的测试连杆上端部设有转动手柄，径向刻线和切向刻线位于探头支杆上侧的测试连杆上、径向刻线和测试连杆轴线所在的平面与切向刻线和测试连杆轴线所在的平面垂直，基准刻线位于探头支杆上、基准刻线和测试连杆轴线所在的平面与探头支杆轴线和测试连杆轴线所在的平面垂直，基准刻线和测试连杆轴线所在的平面与特斯拉计探头垂直或平行。

2.根据权利要求1所述的旋转电机超薄气隙磁场测试装置，其特征在于所述的电机安装座的结构是：回转工作台上设有三爪卡盘。

3.根据权利要求1所述的旋转电机超薄气隙磁场测试装置，其特征在于所述回转工作台采用蜗轮蜗杆传动机构，模数为2，传动比为1:120。

4.根据权利要求1所述的旋转电机超薄气隙磁场测试装置，其特征在于所述的探头支架的结构是：设有水平滑动机构和竖直滑动机构，水平滑动机构和竖直滑动机构上分别设有水平调距手轮和竖直调距手轮。

5.使用权利要求1所述的旋转电机超薄气隙磁场测试装置完成的旋转电机超薄气隙磁场测试方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：设置被测电机的测试工况点；

步骤二：将被测电机经电机安装座安装固定在回转工作台上，使被测电机与回转工作台保持同轴；

步骤三：控制探头支架使探头支架在回转工作台的径向上运动至特斯拉计的探头位于旋转电机的超薄气隙上方，控制探头支架在回转工作台的轴向上运动至特斯拉计的探头进入旋转电机的超薄气隙内的测试工况点处；

步骤四：转动测试连杆，使径向刻线对准探头支架上的基准刻线，测量该测试工况点的径向磁场；将测试连杆转动90°，使切向刻线对准探头支架上的基准刻线，测量该测试工况点的切向磁场；使用特斯拉计测量；

步骤五：控制回转工作台工作，带动被测电机旋转至其周向上的下一测试工况点处，重复步骤四，对该测试工况点的径向磁场和切向磁场进行测量；

步骤六：重复步骤五，将被测电机同一轴向位置一周的测试工况点的径向磁场和切向磁场全部测量；

步骤七：控制探头支架在回转工作台的轴向上运动，使特斯拉计的探头位于被测电机的未测量的轴向位置的测试工况点上，对被测电机在该轴向位置的一周的测试工况点进行径向磁场和切向磁场的测量；

步骤八：重复步骤七，获取被测电机所有测试工况点的磁场数据，进而得到整个气隙内的磁场分布；

步骤一中所述的测试工况点的设置方法如下：

电机定子和转子之间有圆环柱状超薄气隙，以电机定子下端面的几何中心为坐标原点o，以气隙圆环半径方向为r轴方向，以气隙圆环圆周角度为θ方向，以电机轴向方向为z方向，建立三维柱坐标系o-rθz；已知被测电机的极对数为p，轴向长度为l，定子半径r_s和转子半径r_r之差的绝对值为圆环柱状超薄气隙长度g＝|r_s-r_r|；将被测电机圆环柱状超薄气隙在每对极的圆周范围内均分为N份、在轴向范围内均分为Z段，N∈N^*，Z∈N^*，分段点为测试工况点；相邻工况点在周向的间隔角度为

在轴向的间隔长度为

在气隙长度范围g内，保持相同径向半径r，任取测试工况点

且1≤k≤N，i∈N^*且1≤i≤Z；测试该工况点

的径向磁密和切向磁密X次，则第x次(x∈N^*且1≤x≤X)测试所得空载径向气隙磁密为

空载切向气隙磁密为

即第x次测试该工况点的气隙磁密坐标值为

共N×Z个测试工况；重复X次测试

并对该工况点所有次测试的空载气隙磁密取平均值，则得该工况点的平均空载气隙磁密

共X×N×Z个测试工况。

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