CN112557901A - 一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电机领域，具体涉及一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，该装置包括：外壳、端盖、感应电压采集装置、信号处理装置；所述感应电压采集装置与所述信号处理装置导通，且感应电压采集装置与信号处理装置均设置在箱体的内部；所述端盖固定在箱体的顶部；本发明通过设置多角度的感应线圈，能一次完成多个角度的感应电压信号采集，采用非接触的多通道感应电压检测方法，可提高感应电压信号信噪比，且不会对精密微电机运行状态造成干扰，使检测结果更加准确、可靠。

Description

一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置及方法

技术领域

本发明属于微电机领域，具体涉及一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置及方法。

背景技术

随着微电子机械系统学科的发展，精密微电机作为电子机械系统的核心动力元件之一，在国防军工、生物医疗、精密仪器等领域得到了广泛的应用，其运行状态对整个机械系统的工作性能和安全性能产生重要影响。为保障产品出厂品质，必须对精密微电机进行全面检测。

传统的微电机检测方法主要有测温法、辩音法和观察法等，传统检测方法基本上是依靠质量检测人员的经验，能在一定程度上检测出异常的精密微电机，但这些方法需要经验丰富的检测人员，而且检测效率低下，漏检、误检现象严重，无法识别电机异常位置，导致电机出厂质量不稳定。

目前，比较常用的机械状态检测方法有：振动信号分析法、声学分析法、电磁感应分析法等。振动信号包含丰富的机械运行信息，信号特征明显，但在精密微电机上难以安装传感器，接触式传感器易影响精密微电机的检测结果且难以测量精密微电机的微小振动。声学分析法信号采集简单、迅速，但易受到其他环境噪声干扰，不适用于精密微电机的检测。现有电磁感应分析法通常是将检测线圈安装在定子齿上，虽不影响设备正常工作，但使用此方法无法测量电机转速，且难以在精密微电机内部安装检测线圈。

发明内容

为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，该装置包括：外壳1、端盖2、感应电压采集装置4以及信号处理装置5；所述感应电压采集装置4与所述信号处理装置5导通，感应电压采集装置4与信号处理装置5均设置在箱体1的内部；所述端盖2固定在箱体1的顶部。

优选的，外壳1包括箱体11、开关按钮12、切换按钮13、OLED显示器14、圆形滑槽16和滑块17；开关按钮12、切换按钮13以及OLED显示器14设置在箱体11的外部；所述开关按钮12用于控制检测装置的启动；所述切换按钮13与切换OLED显示器14连接，用于切换OLED显示器14显示不同角度的信号；所述圆形滑槽16和所述滑块17设置在箱体11的内部，且滑块17设置在圆形滑槽16上，滑块17可以在圆形滑槽16上滑动。

进一步的，箱体11上设置有圆孔111和橡胶盖112，橡胶盖112设置在圆孔111上；所述圆孔111用于放置待检测的精密微电机。

优选的，感应电压采集装置4包括固定器41和电磁感应装置42；固定器41为柱体结构，固定器41的中心设置有第一通孔411；固定器41的外部设置有至少1个半圆柱形凹槽412；所述电磁感应装置42设置在半圆柱形凹槽412内。

进一步的，感应电压采集装置4的固定器41设置在外壳1的箱体11内，固定器41第一通孔411的一端与箱体11的圆孔111对应，固定器41第一通孔411的另一端固定在滑块17上，使得固定器41能够转动。

进一步的，固定器41的外部设置有五个半圆柱形凹槽412，且第i个半圆柱形凹槽与第i+1个半圆柱形凹槽在固定器41上的间隔为60°。

进一步的，电磁感应装置42包括封装壳421、绕线柱422以及感应线圈423；感应线圈423缠绕在绕线柱422上，绕线柱422设置在封装壳421的内部。

进一步的，封装壳421内部设置有金属箔片4211；所述金属箔片4211和感应线圈423导通并插入到封装壳421内部的金属箔槽4212中；所述金属箔槽4212与封装壳421外部的电压接口4213导通。

优选的，信号处理装置5包括电压放大器、低通滤波器、A/D转换器，STM32F103系统；电压放大器、低通滤波器、A/D转换器，STM32F103系统各模块串联构成信号处理装置5。

一种基于多相磁电感应的精密微电机检测方法，包括：

S1：将精密微电机固定在基于多相磁电感应的精密微电机检测装置的固定器(41)的第一通孔411中，防止精密微电机滑动；

S2：对整个检测装置和待检测的精密微电机接通电源；

S3：精密微电机运行时，在气隙中产生旋转磁场，交变的旋转磁场使电磁感应装置42中的感应线圈423产生感应电压；

S4：信号处理装置5获取感应电压，并对感应电压进行放大、滤波以及A/D转换处理，得到放大的数字信号；

S5：将数字信号输入到STM32F103系统中，输出多角度的感应电压曲线和感应电压频域曲线；

S6：通过对多角度的感应电压曲线的感应电压幅值变化和感应电压频域曲线的的分量进行测试，确定精密微电机的稳定性、转速和常见故障。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置多角度的感应线圈，能一次完成多个角度的感应电压信号采集，采用非接触的多通道感应电压检测方法，可提高感应电压信号信噪比，且不会对精密微电机运行状态造成干扰，使检测结果更加准确、可靠。

2、感应电压检测方法不依赖电机参数，不受电机运行状态变化的影响，可适应各种规格的精密微电机。采用此方法可以检测精密微电机常见故障，识别其故障类型并精确定位故障位置，对于早期微弱故障，也具有良好的效果。还可检测精密微电机的运行稳定性，包括电机加工装配稳定性、电机转速及其均匀性和稳定性。此外，检测结果还可为精密微电机产品的优化方案提供一种依据。

附图说明

图1为本发明的检测装置结构示意图；

图2为本发明的检测装置内部结构示意图；

图3为本发明的箱体内部结构示意图；

图4为本发明的固定器结构示意图；

图5为本发明的电磁感应装置结构示意图；

图6为本发明的本发明的封装壳剖视图；

其中，1、外壳，11、箱体，111、圆孔，112、橡胶盖，12、开关按钮，13、切换按钮，14、OLED显示器，16、圆形滑槽，17、滑块；2、端盖；3、稳压直流电源模块；4、感应电压采集装置，41、固定器，411、第一通孔，412、半圆柱形凹槽，4121、滑槽，415、固定凸台，42、电磁感应装置，421、封装壳，4211、金属箔片，4212、金属箔槽，4213、电压接口，4214、滑条，422、绕线柱，423、感应线圈；5、信号处理装置。

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，所描述的实施例仅仅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做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。

一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，如图2所示，该装置包括：外壳1、端盖2、感应电压采集装置4以及信号处理装置5；所述感应电压采集装置4与所述信号处理装置5导通，且感应电压采集装置4与信号处理装置5均设置在箱体1的内部；所述端盖2固定在箱体1的顶部。

优选的，检测装置内设置有稳压直流电源模块3，该模块用于给整个装置供电。

实施例1：

一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置的外壳，如图1、图3所示，所述外壳1包括箱体11、开关按钮12、切换按钮13、OLED显示器14、圆形滑槽16和滑块17；开关按钮12、切换按钮13以及OLED显示器14设置在箱体11的外部；所述开关按钮12用于控制检测装置的启动；所述切换按钮13与切换OLED显示器14连接，用于切换OLED显示器14显示不同角度的信号；所述圆形滑槽16和所述滑块17设置在箱体11的内部，且滑块17设置在圆形滑槽16上。本实施例中，开关按钮12用于控制检测装置的启动，将电源与整个装置导通。切换按钮13用于切换OLED显示器14显示不同角度的信号；OLED显示器14用于显示检测结果。圆形滑槽16用于固定感应电压采集装置4；滑块17用于调整感应电压采集装置4与被测精密微电机的相对角度。

优选的，所述滑块17上设置有螺纹孔，所述螺纹孔用于配合紧定螺钉，将感应电压采集装置进固定。

优选的，由于滑块可以在圆形滑槽16上滑动，使得感应电压采集装置4随着滑块17转动，形成可旋转感应电压采集装置4，通过该装置，可以调整检测装置检测任意角度的磁场。

优选的，箱体11上设置有圆孔111和橡胶盖112，橡胶盖112设置在圆孔111上；所述圆孔111用于放置待检测的精密微电机。橡胶盖112用于检测装置运行时固定精密微电机的供电接口以及隔绝灰尘等杂质干扰

实施例2

一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置的端盖，如图1所示，所述端盖2的为长方题结构，其大小与外壳1相匹配。

优选的，端盖2的顶部平面上设置有螺纹孔，将端盖2盖在外壳1上，采用螺栓将端盖2固定在外壳1上。

优选的，端盖2顶部的中间位置设置有手柄。

实施例3

一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置的感应电压采集装置，如图4所示，该装置包括固定器41和电磁感应装置42；固定器41为柱体结构，固定器41的中心设置有第一通孔411；固定器41的外部设置有至少1个半圆柱形凹槽412；所述电磁感应装置42设置在半圆柱形凹槽412内。

优选的，感应电压采集装置的所有结构均为绝缘材料。

优选的，固定器41为圆柱体结构，固定器41的两个圆面上分别设置有两个固定凸台415；位于相同圆面的两个凸台均匀设置在圆面的边缘上，且两个固定凸台的连接线经过圆面的圆心。所述凸台用于将感应电压采集装置固定在外壳1的内部，防止滑动。

优选的，第一通孔411为圆柱体通孔，该通孔用于固定待检测的精密微电机。

最优的，第一通孔411的内部设置有固定卡扣，该固定卡扣用于固定待检测的精密微电机，防止精密微电机与检测装置发生相对移动，造成检测误差。

优选的，固定器41设置的半圆柱形凹槽412的凹槽面的边缘处设置有滑槽4121；所述滑槽4121内部光滑，滑槽4121的一端设置有挡片，防止电磁感应装置42在滑槽4121上滑动时滑出。

优选的，固定器41的外部设置有五个半圆柱形凹槽412，且第i个半圆柱形凹槽与第i+1个半圆柱形凹槽在固定器41上的间隔为60°。

如图5所示，电磁感应装置42包括封装壳421、绕线柱422以及感应线圈423；感应线圈423缠绕在绕线柱422上，绕线柱422设置在封装壳421的内部。

优选的，封装壳421的为半圆柱体，其结构大小与半圆柱形凹槽412相匹配。封装壳421的两侧分别设置有滑条4214，通过该滑条与将电磁感应装置42固定在固定器41的半圆柱形凹槽412上，形成可拆卸连接。

优选的，如图6所示，封装壳421内部设置有金属箔片4211；所述金属箔片4211和感应线圈423导通并插入到封装壳421内部的金属箔槽4212中；所述金属箔槽4212与封装壳421外部的电压接口4213导通。

优选的，在将电磁感应装置42放置到固定器41上时，电磁感应装置42中感应线圈423的放置方向与第一通孔411的方向相同。

优选的，感应电压采集装置4的固定器41设置在外壳1的箱体11内，固定器41第一通孔411的一端与箱体11的圆孔111对应，固定器41第一通孔411的另一端固定在滑块17上，使得固定器41能够转动。通过旋转固定器41，不断调整电磁感应装置42的位置，使得该装置能获取待检测装置的多角度感应电压，使得本发明的多相磁电感应的精密微电机检测装置的检测结果更精确。

实施例4

一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置的信号处理装置，该装置包括：电压放大器、低通滤波器、A/D转换器，STM32F103系统。电压放大器、低通滤波器、A/D转换器，STM32F103系统各模块串联构成信号处理装置5；电压放大器用于放大感应电压，使感应电压信号能被STM32F103系统检测；低通滤波器用于消除感应电压信号的高频干扰；所述A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号；STM32F103系统处理信号并将检测结果输入到OLED显示器14中。

一种基于多相磁电感应的精密微电机检测方法，该方法包括：

S1：将精密微电机固定在基于多相磁电感应的精密微电机检测装置的固定器41的第一通孔411中，防止精密微电机滑动。

S2：对整个检测装置和待检测的精密微电机接通电源。

S3：精密微电机运行时，在气隙中产生旋转磁场，交变的旋转磁场使电磁感应装置42中的感应线圈423产生感应电压。产生的感应电压为：

其中，N为感应线圈的匝数，

为感应线圈内磁通量变化，Δt为微电机运行时间。

S4：信号处理装置5获取感应电压，并对感应电压进行放大、滤波以及A/D转换处理，得到放大的数字信号。

S5：将数字信号输入到STM32F103系统中，输出多角度的感应电压曲线和感应电压频域曲线。

S6：通过对多角度的感应电压曲线的感应电压幅值变化和感应电压频域曲线的的分量进行测试，确定精密微电机的稳定性、转速和常见故障。

检测出的故障包括：

1)当出现电机气隙不均匀时，此时气隙较大处漏磁较多，电机效率低，该角度的感应电压增大而其他角度的感应电压减小，判断为电机气隙不均匀，感应电压增大处就是气隙过大处，感应电压减小处就是气隙过小处。

2)当出现电机转子偏心时，转矩出现波动，在气隙中形成不对称的磁场，在频域中必然出现一个电机转频两倍频的频域分量，判断为电机转子偏心。

3)当精密微电机负载的传动系统装配不当时，造成电机负载增大，各角度的感应电压均增大，随着精密微电机不断运行，感应电压逐渐减小，且在感应电压频谱图中无法发现异常的频率分量，判断为负载传动系统装配不当。

4)当出现电机匝间短路时，在该短路处出现励磁电流明显增大，而引起该处励磁电流感应的气隙磁场过大，造成该处感应电压增大，而其他部分均为正常电压，且电压变化情况随电机旋转而变化，判断为电机匝间短路，感应电压明显增大处就是发生匝间短路的位置。

5)当出现永磁体失磁时，在该失磁永磁体处出现励磁电流明显增大，而引起该处励磁电流感应的气隙磁场过大，造成该处感应电压增大大，而其他部分均为正常电压，但电压变化情况不随电机旋转而变化，判断为永磁体失磁，感应电压明显增大处就是发生失磁的位置。

电机转速受电机定子旋转磁场速度和电机极对数影响，有如下关系：

其中，n为每相间隔角度，f为旋转磁场频率，p为极对数。

对于交流电机：f为电源频率；

对于直流电机：

其中，θ为感应线圈间隔角度，t为电机一个电气状态持续时间。

对于交流电机，由于电机极对数固定，电机转速只与电源频率有关；对于直流电机，电机极对数同样固定，电机转速与电机结构和电机电气状态持续时间有关。交流电机的电源频率和直流电机的电气状态持续时间都由电源或控制电路控制，电机转速的稳定性和均匀性都侧面反映其电源或控制电路的运行状态。

优选的，测量电机转速时，设置转速计算间隔为0.05s。将间隔设置为0.05s能够更好的判断电机的稳定性和均匀性。

优选的，采用可旋转感应电压采集装置4，调整检测装置检测任意角度的磁场。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“底部”、“一端”、“上”、“一侧”、“内”、“前部”、“后部”、“中心”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，其特征在于，包括：外壳(1)、端盖(2)、感应电压采集装置(4)以及信号处理装置(5)；所述感应电压采集装置(4)与所述信号处理装置(5)导通，感应电压采集装置(4)与信号处理装置(5)均设置在箱体(1)的内部；所述端盖(2)固定在箱体(1)的顶部。

2.根据权利要求1所述的一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，其特征在于，所述外壳(1)包括箱体(11)、开关按钮(12)、切换按钮(13)、OLED显示器(14)、圆形滑槽(16)和滑块(17)；开关按钮(12)、切换按钮(13)以及OLED显示器(14)设置在箱体(11)的外部；所述开关按钮(12)用于控制检测装置的启动；所述切换按钮(13)与切换OLED显示器(14)连接，用于切换OLED显示器(14)显示不同角度的信号；所述圆形滑槽(16)和所述滑块(17)设置在箱体(11)的内部，滑块(17)设置在圆形滑槽(16)上，滑块(17)可以在圆形滑槽(16)上滑动。

3.根据权利要求2所述的一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，其特征在于，箱体(11)上设置有圆孔(111)和橡胶盖(112)，橡胶盖(112)设置在圆孔(111)上；所述圆孔(111)用于放置待检测的精密微电机。

4.根据权利要求1所述的一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，其特征在于，所述感应电压采集装置(4)包括固定器(41)和电磁感应装置(42)；固定器(41)为柱体结构，固定器(41)的中心设置有第一通孔(411)；固定器(41)的外部设置有至少1个半圆柱形凹槽(412)；所述电磁感应装置(42)设置在半圆柱形凹槽(412)内。

5.根据权利要求4所述的一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，其特征在于，感应电压采集装置(4)的固定器(41)设置在外壳(1)的箱体(11)内，固定器(41)第一通孔(411)的一端与箱体(11)的圆孔(111)对应，固定器(41)第一通孔(411)的另一端固定在滑块(17)上，使得固定器(41)能够转动。

6.根据权利要求4所述的一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，其特征在于，所述固定器(41)的外部设置有五个半圆柱形凹槽(412)，且第i个半圆柱形凹槽与第i+1个半圆柱形凹槽在固定器(41)上的间隔为60°。

7.根据权利要求4所述的一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，其特征在于，所述电磁感应装置(42)包括封装壳(421)、绕线柱(422)以及感应线圈(423)；感应线圈(423)缠绕在绕线柱(422)上，绕线柱(422)设置在封装壳(421)的内部。

8.根据权利要求7所述的一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，其特征在于，所述封装壳(421)内部设置有金属箔片(4211)；所述金属箔片(4211)和感应线圈(423)导通并插入到封装壳(421)内部的金属箔槽(4212)中；所述金属箔槽(4212)与封装壳(421)外部的电压接口(4213)导通。

9.根据权利要求1所述的一种基于多相磁电感应的精密微电机检测装置，其特征在于，所述信号处理装置(5)包括电压放大器、低通滤波器、A/D转换器，STM32F103系统；电压放大器、低通滤波器、A/D转换器，STM32F103系统各模块串联构成信号处理装置(5)。

10.一种基于多相磁电感应的精密微电机检测方法，其特征在于，包括：

S1：将精密微电机固定在基于多相磁电感应的精密微电机检测装置的固定器(41)的第一通孔(411)中，防止精密微电机滑动；

S2：对整个检测装置和待检测的精密微电机接通电源；

S3：精密微电机运行时，在气隙中产生旋转磁场，交变的旋转磁场使电磁感应装置(42)中的感应线圈(423)产生感应电压；

S4：信号处理装置(5)获取感应电压，并对感应电压进行放大、滤波以及A/D转换处理，得到放大的数字信号；

S5：将数字信号输入到STM32F103系统中，输出多角度的感应电压曲线和感应电压频域曲线；

S6：通过对多角度的感应电压曲线的感应电压幅值变化和感应电压频域曲线的的分量进行测试，确定精密微电机的稳定性、转速和常见故障。

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