CN111766004A - 一种电机扭矩测量装置 - Google Patents

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罗思维
王怀东
周裕斌
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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft

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Abstract

本发明公开一种电机扭矩测量装置，包括：待测电机、负载电机、扭矩测量件、电源和机架，所述待测电机的转轴和所述负载电机的转轴连接，所述电源用于驱动所述待测电机转动，所述机架具有相对的两端板；所述待测电机的机壳的背向所述负载电机的一端的端面与所述扭矩测量件的一端锚定，所述扭矩测量件的另一端与所述机架的一端板锚定，所述负载电机的机壳的背向所述待测电机的一端的端面与所述机架的另一端板锚定。本发明的电机扭矩测量装置可便于精确测量扭矩，特别适用于高转速或极高转速电机的扭矩测量，且成本较低。

Description

一种电机扭矩测量装置
技术领域
本发明涉及电机测试技术领域，尤其涉及一种电机扭矩测量装置。
背景技术
在电机入库检验中需要测试电机的扭矩。如图1和2所示，现有技术的电机测试系统测试电机扭矩时，电源104用于驱动待测电机101。待测电机101的机壳和负载电机102的机壳均被锚定，因此，待测电机101的机壳和负载电机102的机壳相对于观察者处于静止状态。扭矩传感器103处在待测电机与负载电机之间，通过联轴器105连接至待测电机101的转子，同时通过另一联轴器106连接至负载电机102的转子，并随同待测电机101与负载电机102的转子共同旋转。待测电机101的轴的两端分别具有一枚轴承，分别记作Bearing1和Bearing2。扭矩传感器103的轴的两端分别具有一枚轴承，分别记作Bearing3和Bearing4。负载电机102的轴的两端分别具有一枚轴承，分别记作Bearing5和Bearing6。应当理解的是，图2中的轴承只是示意，并不表示实际位置，以轴承Bearing1和轴承Bearing2为例，并不表示轴承Bearing1和轴承Bearing2均位于待测电机101的输出端。六枚轴承不可能处在一条完美的直线上，六枚轴承会分别消耗一定的扭矩，分别记作TBearing1、TBearing2、TBearing3、TBearing4、TBearing5和TBearing6。此外，待测电机101、负载电机102和扭矩传感器103的三根轴必须使用联轴器105和另一联轴器106连接，三根轴均不可能完美地处在同一轴线上，联轴器105和另一联轴器106在运行时必然产生扭曲变形和抖动，这些不规则的运动必然消耗一定的扭矩，分别记作Tc1和Tc2。待测电机101的电磁扭矩记作TMag，负载电机102的扭矩记作TLoad。那么，扭矩传感器103测量的扭矩如下式所示：
TMeasure＝TMag-TBearing1-TBearing2-TBearing3-Tc1
＝TBearing4+TBearing5+TBearing6+TLoad+Tc2。
当扭矩传感器103用于高于三万转每分钟的电机测试系统时系统成本将大幅上升，机加工难度极大增加，抖动及噪音增加的同时，也势必增大加载在扭矩传感器103上的干扰，使得获得稳定的扭矩信号变得非常困难。
发明内容
本发明实施例提供了一种电机扭矩测量装置，以解决现有技术在电机高速旋转下难以获得稳定的扭矩信号的问题。
本发明实施例公开了如下的技术方案：
一种电机扭矩测量装置，包括：待测电机、负载电机、扭矩测量件、电源和机架，所述待测电机的转轴和所述负载电机的转轴连接，所述电源用于驱动所述待测电机转动，所述机架具有相对的两端板，所述待测电机的机壳的背向所述负载电机的一端的端面与所述扭矩测量件的一端锚定，所述扭矩测量件的另一端与所述机架的一端板锚定，所述负载电机的机壳的背向所述待测电机的一端的端面与所述机架的另一端板锚定。
进一步：所述扭矩测量件为扭矩传感器；所述扭矩测量件的另一端与所述机架的一端板锚定包括：所述扭矩传感器设置在第一刚性轴上，所述第一刚性轴锚定在所述待测电机的机壳的背向所述负载电机的一端的端面与所述机架的一端板之间。
进一步：所述机架的一端板与所述第一刚性轴之间通过轴承连接。
进一步：所述扭矩传感器的第一刚性轴与所述待测电机的机壳的背向所述负载电机的一端的机壳端面通过第一联轴器连接。
进一步：所述扭矩测量件由应变片和第二刚性轴组成；所述扭矩测量件的另一端与所述机架的一端板锚定包括：所述第二刚性轴的一端与所述待测电机的机壳的背向所述负载电机的一端的端面锚定，所述第二刚性轴的另一端与所述机架的一端板锚定，所述应变片设置在所述第二刚性轴的侧壁上。
进一步：所述机架的一端板与所述第二刚性轴之间通过轴承连接。
进一步：所述第二刚性轴与所述待测电机的机壳的背向所述负载电机的一端的端面通过第一联轴器连接。
进一步：所述待测电机的转轴和所述负载电机的转轴通过第二联轴器连接。
进一步：所述待测电机的转轴的两端分别套设有两个轴承。
进一步：所述负载电机的转轴的两端分别套设有两个轴承。
本发明实施例的电机扭矩测量装置，可便于精确测量扭矩，特别适用于高转速或极高转速电机的扭矩测量，且成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员性讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术的电机扭矩测量装置的结构示意图；
图2是现有技术的电机扭矩测量装置的连接示意图；
图3是本发明实施例的电机扭矩测量装置的结构示意图；
图4是本发明实施例的电机扭矩测量装置的连接示意图；
图5是模拟现有技术的电机扭矩测量装置的测量仿真图；
图6是本发明实施例的电机扭矩测量装置的测量仿真图。
具体实施方式
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取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种电机扭矩测量装置。如图3和4所示，该电机扭矩测量装置包括：待测电机301、负载电机302、扭矩测量件303、电源304和机架305。应当理解的是，本发明实施例的待测电机301和负载电机302为转子不带有电线的电机。例如，永磁或励磁电机。除此之外，负载电机302还可以是磁滞负载装置或磁粉离合器等。
待测电机301的转轴和负载电机302的转轴连接，即待测电机301的输出端与负载电机302的输入端连接。机架305具有相对的两端板。应当理解的是机架305的两端板均与待测电机301和负载电机302的机壳的垂直于转轴的两端面平行，并通过轴承与两个电机的引出的刚性轴连接。机架305的两个端板之间，刚性轴与两个电机的转轴的轴向在同一直线上。
优选的，在一具体的实施例中，待测电机301的转轴和负载电机302的转轴通过第二联轴器306连接。待测电机301的转轴的两端分别套设有两个轴承，分别记为Bearing7和Bearing8。负载电机302的转轴的两端分别套设有两个轴承，分别记为Bearing11和Bearing12。应当理解的是，图4中各轴承的位置只是示意，并不是表示其位于电机的一端或扭矩测量件303的一端。电源304用于驱动待测电机301转动。
待测电机301的机壳的背向负载电机302的一端的端面与扭矩测量件303的一端锚定，扭矩测量件303处于机架305的一端的端面的锚定点和待测电机301的机壳的锚定点之间。应当理解的是，待测电机301的机壳的径向及轴向位置由轴承限定，也可在径向和轴向上加装某些承托结构，但条件是所述承托结构只能提供轴向或径向的承托，不能影响待测电机301在轴向上自由运动。扭矩测量件303的另一端与机架305的一端板锚定。负载电机302的机壳的背向待测电机301的一端的端面与机架305的另一端板锚定，该端面和端板之间具体可通过刚性轴锚定，因此，负载电机302的机壳相对于观察者处于静止状态。
在本发明一优选的实施例中，扭矩测量件303为扭矩传感器，并设置在第一刚性轴上。第一刚性轴锚定在待测电机301的机壳的背向负载电机302的一端的端面与机架305的一端板之间。如图3中，通过在左侧端板上加装的螺栓锚定，使第一刚性轴无法转动，相应的待测电机301的外壳体也无法转动。具体的，机架305的一端板与第一刚性轴之间通过轴承连接，分别记为Bearing9和Bearing10，通过两个轴承以及与机架305的底座之间的设置的支撑架连接并支撑。扭矩传感器的第一刚性轴与待测电机301的机壳的背向负载电机302的一端的端面通过第一联轴器连接。
在本发明另一优选的实施例中，如图3所示，扭矩测量件303由应变片3031和第二刚性轴3032组成。第二刚性轴3032的一端与待测电机301的机壳的背向负载电机302的一端的端面锚定。第二刚性轴3032的另一端与机架305的一端板锚定，如图3中通过左侧端板上的螺栓锚定。应变片3031设置在第二刚性轴3032的侧壁上。具体的，机架305的一端板与第二刚性轴3032之间通过轴承连接，分别记为Bearing9和Bearing10，通过两个轴承以及与机架305的底座之间的设置的支撑架连接并支撑。第二刚性轴3032与待测电机301的机壳的背向负载电机302的一端的端面通过第一联轴器连接。
应当理解的是，上述优选实施例的扭矩传感器或者应变片3031也可以用其他弹性扭矩测量装置或重力扭矩测量装置代替。
本发发明实施例的上述结构设置的电机扭矩测量装置，扭矩的关系式如下：
TMag＝TBearing9+TMeasure+TBearing10+Tc1
＝TBearing7+TBearing8+Tc2+TBearing11+TBearing12+TLoad。
其中，TMag表示待测电机301的电磁扭矩。TLoad表示负载电机302的扭矩。扭矩测量件303上的轴承消耗的扭矩分别记为TBearing9和TBearing10。扭矩测量件303和待测电机301的机壳之间的第一联轴器消耗的扭矩记为Tc1。待测电机301两端的轴承消耗的扭矩分别记为TBearing7和TBearing8。负载电机302两端的轴承消耗的扭矩分别记为TBearing11和TBearing12。待测电机301和负载电机302之间的第二联轴器306消耗的扭矩记为Tc2。
当本发明实施例的电机扭矩测量装置处于稳态时，扭矩传感器的第一刚性轴(或第二刚性轴3032上和设置在其上的应变片3031)是静态的，与扭矩传感器的第一刚性轴(或第二刚性轴3032)相连的轴承也是静态的，连接处于静态的扭矩传感器的第一刚性轴(或第二刚性轴3032)与处于静态的待测电机301的机壳之间的第一联轴器(可以存在，也可以不存在)也是静态的。此时，TBearing9＝TBearing10＝Tc1＝0，则上述的扭矩的关系式可简化为：
TMag＝TMeasure＝TBearing7+TBearing8+Tc2+TBearing11+TBearing12+TLoad。
因此，本发明实施例的扭矩传感器可直接测得待测电机301的电磁扭矩，避免了任何摩擦带来的扭矩损耗，从而适用于任何转速范围的电机。
由于待测电机301和负载电机302采用支架支撑，负载电机302产生的扭矩，会同步在待测电机301上体现出来，由以前在电机的转轴上的扭矩测量，转移到与机壳连接的轴上。从而实现在静态的轴上测量得到扭矩。从而实现对高转速电机扭矩的测量。此外，不仅是高速电机，对于现有的各类转速的电机都可以实现测量。
两个电机的转子在高速旋转过程中，扭矩会传递到待测电机301的机壳以及机壳与机架端板之间连接的刚性轴。在测量过程中，该装置可以水平放置；优选地，为降低壳体均质的影响，也可以竖立放置进行测量。
参见图5、图6，代表在任意转速下任一轴承摩擦阻转矩(即图4中轴承)的零阶系数相同并且保持不变为-0.005；任意转速下任一轴承摩擦阻转矩的一阶系数相同并且保持不变为-0.01。
在simulink simscape模拟系统中，通过上述的参数设置，可以发现，采用图1中的装置和图3中的装置，模拟测量的结果分别为图5和图6的测试结果，其中纵坐标为扭矩，横坐标为时间，可以得出，无论采用何种扭矩传感器作为静态扭矩测量装置，其测量结果都是一致的，并且该测量结果与采用传统扭矩测量装置的测量结果都非常接近，测量结果的差值为待测电机301中两枚处于运动状态的轴承所产生的阻转矩。
本发明的静态扭矩测量装置测得的值为待测电机301所产生的电磁转矩的真实值，传统扭矩测量装置测得的是待测电机所产生的电磁转矩的真实值减去待测电机中两枚处于运动状态的轴承所产生的阻转矩。因此本发明的装置，测量结果更为精确，且各种高低转速的电机都可以测量。
当应用于高转速或极高转速电机的扭矩测量时，本发明实施例的电机扭矩测量装置具有很大的成本优势，特别是对转速高于7万转的使用传统方案无法测量的电机可使用本发明实施例的方案测量，并且机壳以及与机壳刚性连接的且可以随机壳自由旋转的刚性体附属物都可以视为机械振动的低通滤波器，由于机壳及其附属物处于静止状态，因此可以具有较大的质量，其滤波性能非常好，这更加有利于准确的扭矩测量。此外，本发明实施例的装置还方便使用重力扭矩测量装置如砝码，弹簧拉力计等装置进行校准。此外，对于不方便进行测量的产品，如水泵，油泵等，本发明实施例的方案在拆解样件和制作简单工装的基础上，不但可以测量电机本身也可以用来测量负载的特性。
综上，本发明实施例的电机扭矩测量装置，可便于精确测量扭矩，特别适用于高转速或极高转速电机的扭矩测量，且成本较低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电机扭矩测量装置，包括：待测电机、负载电机、扭矩测量件、电源和机架，所述待测电机的转轴和所述负载电机的转轴连接，所述电源用于驱动所述待测电机转动，所述机架具有相对的两端板，其特征在于：
所述待测电机的机壳的背向所述负载电机的一端的端面与所述扭矩测量件的一端锚定，所述扭矩测量件的另一端与所述机架的一端板锚定，所述负载电机的机壳的背向所述待测电机的一端的端面与所述机架的另一端板锚定。
2.根据权利要求1所述的电机扭矩测量装置，其特征在于：所述扭矩测量件为扭矩传感器；
所述扭矩测量件的另一端与所述机架的一端板锚定包括：所述扭矩传感器设置在第一刚性轴上，所述第一刚性轴锚定在所述待测电机的机壳的背向所述负载电机的一端的端面与所述机架的一端板之间。
3.根据权利要求2所述的电机扭矩测量装置，其特征在于：所述机架的一端板与所述第一刚性轴之间通过轴承连接。
4.根据权利要求2所述的电机扭矩测量装置，其特征在于：所述扭矩传感器的第一刚性轴与所述待测电机的机壳的背向所述负载电机的一端的机壳端面通过第一联轴器连接。
5.根据权利要求1所述的电机扭矩测量装置，其特征在于：所述扭矩测量件由应变片和第二刚性轴组成；
所述扭矩测量件的另一端与所述机架的一端板锚定包括：所述第二刚性轴的一端与所述待测电机的机壳的背向所述负载电机的一端的端面锚定，所述第二刚性轴的另一端与所述机架的一端板锚定，所述应变片设置在所述第二刚性轴的侧壁上。
6.根据权利要求5所述的电机扭矩测量装置，其特征在于：所述机架的一端板与所述第二刚性轴之间通过轴承连接。
7.根据权利要求5所述的电机扭矩测量装置，其特征在于：所述第二刚性轴与所述待测电机的机壳的背向所述负载电机的一端的端面通过第一联轴器连接。
8.根据权利要求1所述的电机扭矩测量装置，其特征在于：所述待测电机的转轴和所述负载电机的转轴通过第二联轴器连接。
9.根据权利要求1所述的电机扭矩测量装置，其特征在于：所述待测电机的转轴的两端分别套设有两个轴承。
10.根据权利要求1所述的电机扭矩测量装置，其特征在于：所述负载电机的转轴的两端分别套设有两个轴承。
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