CN110686812A - 一种电机输出转矩脉动的耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机输出转矩脉动的耦合方法。电机正常工作状态下，输出转矩具有特定的波动曲线，并近似地可看成正弦曲线。每台电机的转矩脉动频率、幅值(一般不超过1Nm)在正常工作状态下固定。本发明根据电磁铁基本工作原理，在输出轴周向布置衔铁及电磁场，使其产生与输出转矩脉动幅值、频率相等，相位相反的耦合转矩，以此获得更为平滑精确的输出力矩。本发明根据目前电机输出特征扭矩波动的频率及幅值，调整可变电阻阻值及轴铁芯数量，形成频率、幅值稳定，相位与电机波动扭矩相反的耦合扭矩，以此获得更为平滑精确的电机输出力矩。

Description

一种电机输出转矩脉动的耦合方法

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种电机输出转矩脉动的耦合方法。

背景技术

在电机、减速器的特性研究中，电机、减速器存在其自身的特征转矩，例如，齿槽转矩、谐波减速器的特征倍频转矩。电动机作为传动机械装置，输出直接作用于驱动负载。在电动机传动系统运转过程中，由于齿槽力矩、电磁效应和加工装配工艺等产生的转矩脉动将直接作用于负载上，从而对系统速度，平稳性及控制精度产生影响。尤其在轻载和低转速状态下，转矩脉动值占电机输出力矩比例明显增大。因此，如何抑制和削弱转矩脉动，使其能在高精度位置、速度控制系统中得到应用，具有重要的现实意义。

在电机测试中，常用的负载主要有以下4种：摩擦制动器、磁粉制动器、电机制动器、磁滞制动器。①摩擦制动器的基本原理是将两个摩擦盘在一定压力下相接触，在相对运动的作用下产生制动转矩。不足之处是其制动转矩与转速有关，且摩擦生热问题使其只能通过传动轴间接工作于非真空环境，故对真空罐的密封要求十分苛刻。②磁粉制动器的基本原理是通过填充于工作空间的磁粉链传递转矩，不管制动盘的转速如何，只要能使通过励磁绕组的电流保持恒定，其产生的制动转矩就保持恒定。不足之处是制动器始终处于滑差状态，滑差转矩和转速所消耗的功率全部转化为热量，因此该种制动器也不能直接工作于真空环境中。③电机制动器的基本原理是使电机(由于电刷容易出现烧蚀问题，因此多采用无刷电机)工作于发电机状态，通过外接电阻控制绕组电流达到调节制动转矩之目的。这种制动器中，机械能首先转变为电能，由导线引至非真空环境后，再转化为热量，大大提高了可靠性，因此电机制动器是目前空间齿轮寿命实验系统的主要制动负载形式。其不足之处是：低速条件下电机的输出电压很低，由于绕组本身有一定的内阻，故即使直接将电机馈电端短路，也可能难以提供足够的制动转矩。④磁滞制动器由转子和定子磁极两大部分组成。转子由特殊的磁滞材料制成，定子磁极中有一定的间隙，转子在间隙中转动。当线圈通电时，间隙中产生磁场，使转子产生磁滞效应。当磁滞转子在外力作用下克服磁滞力转动时，产生额定的扭矩。扭矩仅与激磁电流大小有关，与转速无关，实现非接触的扭矩传输。因为存在漏磁现象，假如制动器附近存在铁粉等物，将会被吸附，并发作锁定和异常动静等情况，导致机械异常，且无法产生频率稳定可调的负载扭矩。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前电机转矩脉动系数测量中转矩脉动较大，电机输出转矩精度较低。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种电机输出转矩脉动的耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建用于形成大小稳定可控的电磁场的直流励磁回路，直流励磁回路包括连接成回路的直流电源、可调电阻和励磁绕组，励磁绕组绕制在励磁铁芯上；在电机的输出轴上周向均匀固定有p对条形衔铁，在输出轴带动条形衔铁旋转的过程中，每个条形衔铁经过励磁铁芯端面时，产生一个波峰的耦合力矩；输出轴旋转一周产生2p个力矩波峰；

步骤2、借助力矩传感器测出被测电机转矩脉动系数K，波动幅值ΔT及转矩脉动频率f；

步骤3、建立励磁回路基本参数与转轴衔铁所受耦合力矩的基本关系式，包括以下步骤：

步骤301、确定励磁电流：励磁电流由外加电压E和励磁绕组的线圈电阻R_a产生，励磁绕组的匝数为N，电流I_a恒定，大小由可调电阻R_L调整，无感应电动势产生，有：

步骤302、确定励磁铁芯基本参数：无磁滞和涡流损耗；

步骤303、确定主磁通：输出轴旋转过程中，条形衔铁靠近励磁铁芯时电磁力增大，但励磁电流不变；输出轴平稳运转时转速为n，r₁为条形衔铁靠端面到输出轴中心的距离，r₂为励磁铁芯端面到输出轴中心的距离，则主磁路磁通

为：

式中，L为励磁铁芯总长，S为励磁铁芯截面积，μ₁为励磁铁芯的磁导率，μ₀为真空磁导率；

步骤304、确定气隙磁阻：以条形衔铁正对励磁铁芯端面作为初始位置，磁极对数为p，输出轴转动角度为θ，气隙磁导R_δ按下式计算：

式中，S_δ是磁极端面处的截面积，δ为气隙在磁路上的长度，d为衔铁宽度，；

步骤305、加于气隙上的全部势能按下式产生扭矩，扭矩T计算式如下：

步骤4、根据所需耦合力矩，依据步骤3建立的励磁回路基本参数与转轴衔铁所受耦合力矩的基本关系式确定励磁回路基本参数。

优选地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤201、让被测电机工作在额定电流下的输出最大转矩，控制电机运行在最低转速下，用转矩传感器记录电机在运行一周时的转矩，记录波峰个数、最大转矩T_max和最小转矩T_min，波峰个数即为转矩脉动频率f；

步骤202、计算转矩脉动系数K；

步骤203、根据被测电机某一工作状态下的转速n及实际输出功率P，确定所需输出力矩波动幅值，即为所需耦合力矩的波动幅值ΔT：

优选地，所述步骤4包括以下步骤：

步骤401、根据所述步骤305建立的耦合转矩计算式及所述步骤2得到的转矩脉动的波动幅值ΔT求出励磁回路所需磁通

步骤402、根据励磁回路所需磁通

求出励磁回路的励磁电流大小I_a：

步骤403、根据励磁电流大小I_a调节可调电阻的阻值P_L：

电机正常工作状态下，输出转矩具有特定的波动曲线，并近似地可看成正弦曲线。每台电机的转矩脉动频率、幅值(一般不超过1Nm)在正常工作状态下固定。本发明根据电磁铁基本工作原理，在输出轴周向布置衔铁及电磁场，使其产生与输出转矩脉动幅值、频率相等，相位相反的耦合转矩，以此获得更为平滑精确的输出力矩。

与现有技术相比，本发明具有如下的突出的优点：

本发明根据目前电机输出特征扭矩波动的频率及幅值，调整可变电阻阻值及轴铁芯数量，形成频率、幅值稳定，相位与电机波动扭矩相反的耦合扭矩，以此获得更为平滑精确的电机输出力矩。

附图说明

图1为力矩耦合装置结构图，图中，1表示铁芯，2表示条形衔铁，3表示隔磁轴套；

图2为耦合扭矩随转轴转角的变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明所使用的设备的主体部分主要由外接的直流励磁回路、周向均匀固定在输出轴上的衔铁转子两部分组成。

(1)直流励磁回路

由直流电源、可调电阻、励磁绕组和励磁铁芯1组成，用于形成大小稳定可控的电磁场。在直流电源大小、励磁铁芯1及励磁绕组确定的情况下，调节可调电阻大小控制回路电流，在可控范围内调节电磁场大小，进而实现耦合力矩峰值大小的无极调节。

(2)转轴衔铁

由p对条形衔铁2及隔磁轴套3组成，条形衔铁2的个数决定力矩频率；在电机的输出轴带动条形衔铁2旋转的过程中，每个条形衔铁2经过励磁铁芯1端面时，产生一个波峰的耦合力矩。输出轴旋转一周产生2p个力矩波峰。

如图1所示，本实施例以条形衔铁2对数p＝2为例来对本发明做进一步说明。本发明提供了一种电机输出转矩脉动的耦合方法，包括以下步骤：

步骤1、借助力矩传感器测出被测电机转矩脉动系数，波动幅值及频率。步骤1包括以下步骤：

步骤101、用磁粉制动器(或者负载电机等)作为负载，利用负载电机让被测电机工作在连续工作区中规定的最大转矩，控制电机运行在最低转速下，用转矩传感器记录电机在运行一周时的转矩，记录波峰个数，最大转矩T_max和最小转矩T_min，波峰个数即为转矩脉动频率f。

步骤102、计算出转矩脉动系数K；

步骤103、根据被测电机某一工作状态下的转速n及实际输出功率P，确定所需输出力矩波动幅值，即为所需耦合力矩的波动幅值ΔT：

步骤2、建立励磁回路基本参数与转轴衔铁所受耦合力矩的基本关系式。步骤2包括以下步骤：

步骤201、确定励磁电流：励磁电流由外加电压E和励磁绕组的线圈电阻R_a产生，励磁绕组的匝数为N，电流I_a恒定，大小可由可调电阻R_L调整，无感应电动势产生，有：

步骤202、确定励磁铁芯1基本参数：无磁滞和涡流损耗。励磁铁芯1可用整块的铸钢或软铁，C型励磁铁芯1总长为L，截面积为S，磁导率为μ₁。

步骤203、确定主磁通：电机的输出轴旋转过程中，条形衔铁2靠近励磁铁芯1时电磁力增大，但励磁电流不变。输出轴平稳运转时转速为n，r₁为条形衔铁2端面到输出轴中心的距离，r₂为励磁铁芯1端面到输出轴中心的距离，则主磁路磁通

为：

式中，μ₀为真空磁导率。

步骤204、确定气隙磁阻：以条形衔铁2正对励磁铁芯1端面作为初始位置，磁极对数为p，转轴转动角度为θ，气隙磁阻可按下式计算：

式中，S_δ是磁极端面处的截面积，δ为气隙在磁路上的长度，d为衔铁宽度，(如图1标注)。

步骤205、常用的电磁铁吸力公式为：

式中，F为电磁铁吸力。

因为磁导的变化率基本是常数，起始电磁扭矩变大，然后逐渐下降。电磁铁具有两个工作气隙，在转子两侧各有一个工作气隙。不需要非工作气隙，因此加于气隙上的全部势能按下式产生扭矩，扭矩计算式如下：

步骤3、根据所需耦合力矩，确定励磁回路基本参数。步骤3包括以下步骤：

步骤301、根据步骤205得到的耦合转矩计算式及步骤2得到的转矩脉动的波动幅值ΔT求出励磁回路所需磁通；

步骤302、根据励磁回路所需磁通求出励磁回路的励磁电流I_a大小：

步骤303、根据励磁电流I_a大小调节可调电阻的阻值R_L：

完成耦合力矩初值控制，由于实际情况的复杂多变，上述理论值与实际仍可能存在一定偏差，后续可根据装置力矩耦合情况进行微调。

Claims (3)

1.一种电机输出转矩脉动的耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建用于形成大小稳定可控的电磁场的直流励磁回路，直流励磁回路包括连接成回路的直流电源、可调电阻和励磁绕组，励磁绕组绕制在励磁铁芯上；在电机的输出轴上周向均匀固定有p对条形衔铁，在输出轴带动条形衔铁旋转的过程中，每个条形衔铁经过励磁铁芯端面时，产生一个波峰的耦合力矩；输出轴旋转一周产生2p个力矩波峰；

步骤2、借助力矩传感器测出被测电机转矩脉动系数K，波动幅值ΔT及转矩脉动频率f；

步骤3、建立励磁回路基本参数与转轴衔铁所受耦合力矩的基本关系式，包括以下步骤：

步骤301、确定励磁电流：励磁电流由外加电压E和励磁绕组的线圈电阻R_a产生，励磁绕组的匝数为N，电流I_a恒定，大小由可调电阻R_L调整，无感应电动势产生，有：

步骤302、确定励磁铁芯基本参数：无磁滞和涡流损耗；

步骤303、确定主磁通：输出轴旋转过程中，条形衔铁靠近励磁铁芯时电磁力增大，但励磁电流不变；输出轴平稳运转时转速为n，r₁为条形衔铁靠端面到输出轴中心的距离，r₂为励磁铁芯端面到输出轴中心的距离，则主磁路磁通

为：

式中，L为励磁铁芯总长，S为励磁铁芯截面积，μ₁为励磁铁芯的磁导率，μ₀为真空磁导率；

步骤304、确定气隙磁阻：以条形衔铁正对励磁铁芯端面作为初始位置，磁极对数为p，输出轴转动角度为θ，气隙磁阻R_δ按下式计算：

式中，S_δ是磁极端面处的截面积，δ为气隙在磁路上的长度，d为衔铁宽度；

步骤305、加于气隙上的全部势能按下式产生扭矩，扭矩T计算式如下：

步骤4、根据所需耦合力矩，依据步骤3建立的励磁回路基本参数与转轴衔铁所受耦合力矩的基本关系式确定励磁回路基本参数。

2.如权利要求1所述的一种电机输出转矩脉动的耦合方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤201、让被测电机工作在额定电流下的输出最大转矩，控制电机运行在最低转速下，用转矩传感器记录电机在运行一周时的转矩，记录波峰个数、最大转矩T_max和最小转矩T_min，波峰个数即为转矩脉动频率f；

步骤202、计算转矩脉动系数K；

步骤203、根据被测电机某一工作状态下的转速n及实际输出功率P，确定所需输出力矩波动幅值，即为所需耦合力矩的波动幅值ΔT：

3.如权利要求1所述的一种电机输出转矩脉动的耦合方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：

步骤401、根据所述步骤305建立的耦合转矩计算式及所述步骤2得到的转矩脉动的波动幅值ΔT求出励磁回路所需磁通

步骤402、根据励磁回路所需磁通求出励磁回路的励磁电流大小I_a：

步骤403、根据励磁电流大小I_a调节可调电阻的阻值R_L：

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