CN111735563A - 一种电机齿槽转矩测试设备及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机齿槽转矩测试设备及其测试方法，该设备包括负载电机、第一支撑座、第二支撑座、压力传感器、限位件、扭矩信号处理装置和被测电机定位移送装置等部件，本发明基于作用力与反作用力的原理，采用了应变片方式的压力传感器，通过检测压力传感的弹性体的形变大小来检测电机齿槽转矩的大小，测量精度高，量程小，并且负载电机只需要采用了两个支撑座安装，大大减小了机械结构上带来的误差，本发明解决了现有的传感器量程过大的问题和避免了机械连接过多导致精度降低的问题，保证精度的同时降低了成本，运用本发明之后，便于操作人员检测电机的齿槽转矩，从而去优化电机的控制算法。

Description

一种电机齿槽转矩测试设备及其测试方法

技术领域

本发明涉及电机测试设备技术领域，更具体地说，是涉及一种电机齿槽转矩测试设备及其测试方法。

背景技术

齿槽转矩会使电机产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。

国标GBT/30549-2014里对齿槽转矩的测试有了明确的定义：电机绕组开路时，电机回转一周内，由电枢铁心开槽，有趋于最小磁阻位置的倾向而产生的周期性力矩。齿槽转矩的测试方法常用的有：杠杆测量法、转矩仪法，其中，杠杆测量法比较简单，测量精度比较差，所以主要用于对精度要求不高的场合。转矩仪法由于伺服电机的齿槽转矩非常小，所以测试时需要以一个非常低的转速来带动未上电的被测电机来完成测试，原动机输出后要先经过减速系统，将转速降至1～10r/min左右，然后带动被测电机进行测试，用扭矩传感器测试出齿槽转矩。在测试过程中需要处理好原动机和传动系统本身转矩波动使得输出的转速扭矩更加平滑，以减小传动系统的扭矩波动对测试结果的影响。

传统的杠杆测量法因为精度和人工误差导致其偏大不建议使用。转矩仪法因为传统动态扭矩传感器因工艺问题其量程都在1N.m或以上，而齿槽转矩一般都是在0.01N.m左右居多，测试如此小的齿槽转矩，传感器的量程则稍许偏大。当然不排除一些国际品牌如奇石乐HBM有0.1N.m的传感器，但是价格极其昂贵。

此外，转矩仪法需要用到两个联轴器，四个安装底座，对其测试底板的平面度和机加工安装底座精度奇高，而且对其整机测试精度也会受到影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种电机齿槽转矩测试设备及其测试方法。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种电机齿槽转矩测试设备，包括负载电机、第一支撑座、第二支撑座、压力传感器、限位件、扭矩信号处理装置和被测电机定位移送装置，所述负载电机的前端通过第一轴承可转动地安装在第一支撑座，所述负载电机的后端端部设有法兰，所述法兰的轴体通过第二轴承可转动地安装在第二支撑座上，所述被测电机定位移送装置位于负载电机前端的旋转轴前方并能沿其轴向方向移动，所述负载电机的旋转轴上设有用于与固定在被测电机定位移送装置上的被测电机的旋转轴相连接的联轴器，所述压力传感器包括传感器座体、弹性体和用于检测弹性体的形变从而输出相应的电压信号的应变片，所述传感器座体安装在法兰的轴体上，所述弹性体连接在传感器座体的一侧面并与法兰的轴体相垂直，所述应变片安装在弹性体的表面上，所述限位件安装在第二支撑座上并位于弹性体的自由端的上方和/或下方，所述弹性体的自由端能够与限位件相接触从而使发生形变，所述压力传感器与扭矩信号处理装置电连接。

作为优选的实施方式，所述负载电机由谐波减速机和五相步进电机组成，1脉冲对应角度为0.0144°。

作为优选的实施方式，所述应变片输出的电压信号的范围值为0～20mV和-20mV～0。

作为优选的实施方式，所述扭矩信号处理装置包括用于将应变片输送过来的电压信号进行放大的信号放大器、以及用于采集放大后的电压信号并输送至系统处理终端和与系统处理终端进行交互的数据采集卡，所述信号放大器与应变片电连接，所述数据采集卡与信号放大器电连接。

作为优选的实施方式，该设备还包括用于发送脉冲信号的脉冲发生器、用于接收脉冲信号和驱动负载电机的电机驱动器、以及用于为各个用电器件供电的电源，所述电机驱动器与负载电机电连接，所述电机驱动器与脉冲发生器电连接。

作为优选的实施方式，该设备还包括检测箱壳体、用于控制指示灯和读取开始测试信号及取消报警信号的IO卡、以及至少一个用于显示工作状态的指示灯，所述指示灯安装在检测箱壳体上，所述IO卡与指示灯电连接。

作为优选的实施方式，所述被测电机定位移送装置包括移动底板、直线导轨、被测电机固定座和移动驱动装置，所述移动底板的底部与直线导轨滑动连接，所述被测电机固定座安装在移动底板上，所述被测电机固定座上设有安装基准位，所述移动驱动装置与移动底板传动连接。

作为优选的实施方式，所述被测电机定位移送装置还包括被测电机夹具和第一被测电机锁紧装置，所述第一被测电机锁紧装置安装在被测电机夹具上，所述被测电机夹具通过螺丝固定在被测电机固定座的安装基准位上；

和/或，所述被测电机定位移送装置还包括第二被测电机锁紧装置，所述第二被测电机锁紧装置安装在被测电机固定座的两侧边。

作为优选的实施方式，所述移动驱动装置设置为第一推拉式夹钳；所述第一被测电机锁紧装置设置为快速压紧夹钳；所述第二被测电机锁紧装置包括第二推拉式夹钳和电机定位压块，所述第二推拉式夹钳安装在被测电机固定座上，所述电机定位压块安装在第二推拉式夹钳的伸缩端上。

本发明的第二方面提供了一种电机齿槽转矩的测试方法，包括以下步骤：

(1)将固定在被测电机定位移送装置上的被测电机移送至负载电机的旋转轴，并通过联轴器将被测电机的旋转轴与负载电机的旋转轴相对接；

(2)启动负载电机，通过负载电机带动被测电机的旋转轴按照预设的转向和转速旋转；

(3)当负载电机受到被测电机的反作用力发生旋转时，负载电机能够带动压力传感器的弹性体与限位件相接触从而使发生形变，并通过压力传感器的应变片检测弹性体的形变，从而输出相应的电压信号；

(4)将应变片输出的电压信号进行放大，并将其输送至系统处理终端；

(5)将预设周期内获得的电压信号的电压值均转换成相应的转矩值，计算其平均值，并将获得的最大转矩值作为静态转矩值减去平均值，得到齿槽转矩值；

(6)判断计算得到的齿槽转矩值是否在预设的范围值内，若在预设的范围值内，则判定该被测电机合格，否则为不合格。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明基于作用力与反作用力的原理，采用了应变片方式的压力传感器，通过检测压力传感的弹性体的形变大小来检测电机齿槽转矩的大小，测量精度高，量程小，并且负载电机只需要采用了两个支撑座安装，大大减小了机械结构上带来的误差，本发明解决了现有的传感器量程过大的问题和避免了机械连接过多导致精度降低的问题，保证精度的同时降低了成本，运用本发明之后，便于操作人员检测电机的齿槽转矩，从而去优化电机的控制算法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的电机齿槽转矩测试设备的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电机齿槽转矩测试设备隐去检测箱壳体后的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的被测电机定位移送装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的电机齿槽转矩测试设备的主体检测部位的分解图；

图5是本发明实施例提供的压力传感器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种电机齿槽转矩测试设备，包括负载电机1、第一支撑座2、第二支撑座3、压力传感器4、限位件5、扭矩信号处理装置6和被测电机定位移送装置7等部件，下面结合附图对本实施例各个组成部分进行详细说明。

其中，负载电机1可以由谐波减速机12和五相步进电机13组成，五相步进电机13的旋转轴与谐波减速机12的输入端相连接，负载电机1的1脉冲对应角度可以设置为0.0144°。

如图2和图4所示，负载电机1的前端可以通过第一轴承8可转动地安装在第一支撑座2，负载电机1的后端端部设有法兰9，法兰9的轴体通过第二轴承10可转动地安装在第二支撑座3上，这样负载电机1可以安装在第一支撑座2与第二支撑座3之间，并能够相对于两个支撑座发生旋转。

如图2和图3所示，被测电机定位移送装置7位于负载电机1前端的旋转轴前方并能沿其轴向方向移动。具体而言，被测电机定位移送装置7可以包括移动底板71、直线导轨72、被测电机固定座73和移动驱动装置，移动底板71的底部与直线导轨72滑动连接，被测电机固定座73安装在移动底板71上，被测电机固定座73的主体部位可以设置U型，被测电机固定座73上设有安装基准位731，移动驱动装置与移动底板71传动连接。在本实施例中，该移动驱动装置可以优选设置为第一推拉式夹钳75，掰动第一推拉式夹钳75的手柄，即可快速将被测电机固定座73上的被测电机进行移动，使其靠近负载电机1的旋转轴，操作方便。当然，根据实际需要，在其他实施例中，也可以采用电动驱动装置，如气缸或电机+丝杆的传动机构等。

为了与被测电机的形状相适配，便于被测电机的定位安装，被测电机定位移送装置7还可以包括被测电机夹具74和第一被测电机锁紧装置，被测电机可以插入到被测电机夹具74的内部，被测电机的旋转轴伸出，被测电机夹具74可以卡入到被测电机固定座73的安装基准位731内并通过螺丝固定在被测电机固定座73固定连接。第一被测电机锁紧装置安装在被测电机夹具74上，在本实施例中，第一被测电机锁紧装置可以优选设置为快速压紧夹钳76，掰动快速压紧夹钳76的手柄，即可通过快速压紧夹钳76的压头快速将被测电机锁紧在被测电机夹具74上，操作方便。当然，根据实际需要，在其他实施例中，也可以采用其他电动压紧装置，非本实施例为限。

在另一实施例中，当被测电机尺寸较大或者无需采用被测电机夹具74时，被测电机定位移送装置7还可以设有第二被测电机锁紧装置，第二被测电机锁紧装置安装在被测电机固定座73的两侧边，其中，第二被测电机锁紧装置可以包括第二推拉式夹钳77和电机定位压块78，第二推拉式夹钳77安装在被测电机固定座73上，电机定位压块78安装在第二推拉式夹钳77的伸缩端上，掰动两个第二推拉式夹钳77的手柄，即可快速将被测电机夹紧在被测电机固定座73上，操作方便，无需锁螺丝。当然，根据实际需要，在其他实施例中，也可以采用其他电动压紧装置，非本实施例为限。此外，上述两种电机锁紧结构也可以同时设置在被测电机固定座73，使用时只需要根据实际选择其中一种即可。

如图5所示，压力传感器4可以包括传感器座体41、弹性体42和用于检测弹性体42的形变从而输出线性的电压信号的应变片43，传感器座体41安装在法兰9的轴体上，弹性体42连接在传感器座体41的一侧面并与法兰9的轴体相垂直，应变片43安装在弹性体42的表面上。

其中，应变片43输出的电压信号的范围值可以为0～20mV和-20mV～0。压力传感器4的最小量程可做到0.001～0.01N.m，分辨率可达0.00001N.m。

限位件5安装在第二支撑座3上并位于弹性体42的自由端的上方和/或下方，限位件5可以设置为偏心螺丝或其他限位柱，弹性体42的自由端能够与限位件5相接触，从而使发生形变。

压力传感器4与扭矩信号处理装置6电连接。其中，如图2所示，扭矩信号处理装置6可以包括用于将应变片43输送过来的电压信号进行放大的信号放大器61、以及用于采集放大后的电压信号并输送至系统处理终端和与系统处理终端进行交互的数据采集卡62，数据采集卡62的采样率可达250KS/S，信号放大器61与应变片43电连接，数据采集卡62与信号放大器61电连接。

如图2所示，较佳的，该设备还可以包括用于发送脉冲信号的脉冲发生器14、用于接收脉冲信号和驱动负载电机1的电机驱动器15、以及用于为各个用电器件供电的电源16，电机驱动器15与负载电机1电连接，电机驱动器15与脉冲发生器14电连接。

如图1和图2所示，较佳的，该设备还可以包括检测箱壳体17、用于控制指示灯18和读取开始测试信号及取消报警信号的IO卡19、以及至少一个用于显示工作状态的指示灯18，检测箱壳体17罩设在负载电机1、第一支撑座2、第二支撑座3、压力传感器4、信号放大器61、数据采集卡62、脉冲发生器14、电机驱动器15、电源16等部件的外部，起到保护作用，指示灯18安装在检测箱壳体17上，指示灯18可以优选设有三个，用三种颜色代表不同的测试状态，如测试中，合格，不合格等，IO卡19可以优选设置为8进8出的IO卡，IO卡19与指示灯18电连接。

负载电机1的旋转轴上设有用于与固定在被测电机定位移送装置7上的被测电机100的旋转轴相连接的联轴器11。

电机齿槽转矩测试设备的测试方法，包括以下步骤：

(1)将固定在被测电机定位移送装置7上的被测电机移送至负载电机1的旋转轴，并通过联轴器11将被测电机的旋转轴与负载电机1的旋转轴相对接；

(2)启动负载电机1，通过负载电机1带动被测电机的旋转轴按照预设的转速和周期旋转；

(3)当负载电机1受到被测电机的反作用力发生旋转时，负载电机1能够带动压力传感器4的弹性体42与限位件5相接触从而使发生形变，并通过压力传感器4的应变片43检测弹性体42的形变，从而输出相应的电压信号；

(4)将应变片43输出的电压信号进行放大，并将其输送至系统处理终端；

(5)将预设周期内获得的电压信号的电压值均转换成相应的转矩值，计算其平均值，并将获得的最大转矩值作为静态转矩值减去平均值，得到齿槽转矩值；

其中，电压信号的电压值有对应的线性转矩值,静态转矩＝摩擦转矩+齿槽转矩。

(6)判断计算得到的齿槽转矩值是否在预设的范围值内，若在预设的范围值内，则判定该被测电机合格，否则为不合格。

实际操作时，本测试设备可以与系统处理终端(如电脑、控制屏等控制器)电连接，被测电机安装到位后，打开系统处理终端的测试软件，按下测试启动按钮(硬件给IO卡输送开始测试信号)，测试软件接收到I/O卡给出开始测试指令后，控制脉冲发生器发出设定的脉冲信号给到电机驱动器，电机驱动器收到脉冲信号后控制负载电机按照设定的速度和周期运转，此时负载电机的旋转轴和被测电机旋转轴是刚性连接的，故被测电机也是按照负载电机的转向和转速旋转，同时压力传感器上的应变片感受弹性体的形变，故输出不同的电压信号(-20mV～0～20mV)，此电压信号由信号放大器将其大至-3V～0V～3V，再由信号采集卡采集电压信号，最后由测试软件编译与计算，将此电压信号转换成转矩。

在测试前,可以先根据电机研发的性能参数要求,在软件界面设定齿槽转矩的上限数值和下限数值，待测试结束后系统将根据测试结果计算，合格则绿色指示灯将亮起,不合格则红色指示灯亮。

测试软件的功能说明：

1、能显示测试曲线、可手动取点、显示数值，曲线图上可显示设定的上下限。

2、通过软件读取数据生成0～380°的角度/扭矩曲线图及极坐标图，可手动设定角度范围显示扭矩大小，可以设定齿槽转矩的上下限。

3、测试速度可调整0～10rpm，单位为r/min，可以分为3r/min，4r/min，5r/min，6r/min，10r/min五挡速度，用户可根据自己的产品需求选择相应挡位；用户可根据自己产品的需求切换电机转动方向；

4、软件测试设定界面可以根据客户要求设定参数的上下限。

5、测试不合格件可识别，根据转矩的上下限判定合格/不合格，并提供声光报警功能。

6、测试页面可显示最大值、最小值、及平均值。可以显示客户需要定义的相关参数，根据原始数据取值。测试数据可以自定义存档位置进行存储，方便后期调用数据查阅。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电机齿槽转矩测试设备，其特征在于，包括负载电机、第一支撑座、第二支撑座、压力传感器、限位件、扭矩信号处理装置和被测电机定位移送装置，所述负载电机的前端通过第一轴承可转动地安装在第一支撑座，所述负载电机的后端端部设有法兰，所述法兰的轴体通过第二轴承可转动地安装在第二支撑座上，所述被测电机定位移送装置位于负载电机前端的旋转轴前方并能沿其轴向方向移动，所述负载电机的旋转轴上设有用于与固定在被测电机定位移送装置上的被测电机的旋转轴相连接的联轴器，所述压力传感器包括传感器座体、弹性体和用于检测弹性体的形变从而输出相应的电压信号的应变片，所述传感器座体安装在法兰的轴体上，所述弹性体连接在传感器座体的一侧面并与法兰的轴体相垂直，所述应变片安装在弹性体的表面上，所述限位件安装在第二支撑座上并位于弹性体的自由端的上方和/或下方，所述弹性体的自由端能够与限位件相接触从而使发生形变，所述压力传感器与扭矩信号处理装置电连接。

2.根据权利要求1所述的电机齿槽转矩测试设备，其特征在于，所述负载电机由谐波减速机和五相步进电机组成，1脉冲对应角度为0.0144°。

3.根据权利要求1所述的电机齿槽转矩测试设备，其特征在于，所述应变片输出的电压信号的范围值为0～20mV和-20mV～0。

4.根据权利要求1所述的电机齿槽转矩测试设备，其特征在于，所述扭矩信号处理装置包括用于将应变片输送过来的电压信号进行放大的信号放大器、以及用于采集放大后的电压信号并输送至系统处理终端和与系统处理终端进行交互的数据采集卡，所述信号放大器与应变片电连接，所述数据采集卡与信号放大器电连接。

5.根据权利要求1所述的电机齿槽转矩测试设备，其特征在于，该设备还包括用于发送脉冲信号的脉冲发生器、用于接收脉冲信号和驱动负载电机的电机驱动器、以及用于为各个用电器件供电的电源，所述电机驱动器与负载电机电连接，所述电机驱动器与脉冲发生器电连接。

6.根据权利要求1所述的电机齿槽转矩测试设备，其特征在于，该设备还包括检测箱壳体、用于控制指示灯和读取开始测试信号及取消报警信号的IO卡、以及至少一个用于显示工作状态的指示灯，所述指示灯安装在检测箱壳体上，所述IO卡与指示灯电连接。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的电机齿槽转矩测试设备，其特征在于，所述被测电机定位移送装置包括移动底板、直线导轨、被测电机固定座和移动驱动装置，所述移动底板的底部与直线导轨滑动连接，所述被测电机固定座安装在移动底板上，所述被测电机固定座上设有安装基准位，所述移动驱动装置与移动底板传动连接。

8.根据权利要求7所述的电机齿槽转矩测试设备，其特征在于，所述被测电机定位移送装置还包括被测电机夹具和第一被测电机锁紧装置，所述第一被测电机锁紧装置安装在被测电机夹具上，所述被测电机夹具通过螺丝固定在被测电机固定座的安装基准位上；

和/或，所述被测电机定位移送装置还包括第二被测电机锁紧装置，所述第二被测电机锁紧装置安装在被测电机固定座的两侧边。

9.根据权利要求8所述的电机齿槽转矩测试设备，其特征在于，所述移动驱动装置设置为第一推拉式夹钳；所述第一被测电机锁紧装置设置为快速压紧夹钳；所述第二被测电机锁紧装置包括第二推拉式夹钳和电机定位压块，所述第二推拉式夹钳安装在被测电机固定座上，所述电机定位压块安装在第二推拉式夹钳的伸缩端上。

10.一种电机齿槽转矩的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将固定在被测电机定位移送装置上的被测电机移送至负载电机的旋转轴，并通过联轴器将被测电机的旋转轴与负载电机的旋转轴相对接；

(2)启动负载电机，通过负载电机带动被测电机的旋转轴按照预设的转向和转速旋转；

(3)当负载电机受到被测电机的反作用力发生旋转时，负载电机能够带动压力传感器的弹性体与限位件相接触从而使发生形变，并通过压力传感器的应变片检测弹性体的形变，从而输出相应的电压信号；

(4)将应变片输出的电压信号进行放大，并将其输送至系统处理终端；

(5)将预设周期内获得的电压信号的电压值均转换成相应的转矩值，计算其平均值，并将获得的最大转矩值作为静态转矩值减去平均值，得到齿槽转矩值；

(6)判断计算得到的齿槽转矩值是否在预设的范围值内，若在预设的范围值内，则判定该被测电机合格，否则为不合格。

Images