CN112564427B - 具有无接触转矩测量功能的高速永磁同步电动机 - Google Patents

具有无接触转矩测量功能的高速永磁同步电动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有无接触转矩测量功能的高速永磁同步电动机，属于永磁同步电动机技术领域。本发明通过改进电动机本体，在电动机端盖上增加轴承，在电动机端盖上增加压力/拉力传感器，形成一种具备转矩测量功能的新型高速永磁同步电动机，可实现电动机转矩的自我测量，无需额外的转矩测量装置，节省成本；相比于传统的接触式转矩传感器，本发明电动机转矩测量的实现与转轴无接触，不需要增加轴系长度，不会引起电动机高速旋转时的动平衡问题，安全可靠，可适应于高速电机；相比于非接触式转矩测量装置，本发明的电机的转矩测量和电机本体是一体化的设计，没有测量装置的安装问题，且在电动机高速旋转时使转矩检测精度精确。

Description

具有无接触转矩测量功能的高速永磁同步电动机
技术领域
本发明属于永磁同步电动机技术领域，具体涉及一种具有无接触转矩测量功能的高速永磁同步电动机。
背景技术
在永磁同步电动机中，合理范围内输出转矩的使用保障了电机系统的安全性，同时在转速和输入功率不变时，输出转矩数值可直接反应出电机本体的工作效率，因此转子轴伸端输出转矩是其重要参数之一。在电动机转子高速旋转时，转子的轴系长度和某些测量需要的附加装置都会影响转轴的稳定性，所以如何稳定测量高速转子轴伸端输出转矩就显得尤为重要。
目前机械转矩的测量根据测量方式分为接触式和非接触式两大种。接触式的转矩测量有应变式和卡环式。但接触式转矩传感器安装在转轴上，增加了轴系的长度，不利于电动机的高速旋转。例如，传统的应变式转矩传感器安装在转子轴伸端和机械负载之间，利用应变片检测转轴的应变力大小来判断电动机转子的输出转矩。但由于其安装在转轴上，增加了轴系的长度，引起电机高速旋转时的轴系的扰动问题，同时降低了电动机的临界转速。非接触式的转矩测量有光电式、磁电式、光纤式。但现有的非接触式转矩传感器无法保证安装时的同轴度，无法进行移动调整，且在电动机高速旋转时使得转矩检测不准确。例如，光电式转矩测量装置利用光的折射特性将光源和开关式传感器结合在一起。不同转速下光源发出的光的强度也会发生改变，通过光电感应元器件将不同强度的光信号转化为电流信号，最后通过测量装置的处理得到转轴上的机械输出转矩。但光电式转矩测量装置的读取方式受周围环境的影响，当周围环境存在粉尘会引起测量的误操作，另外在接受光信号的读取部件有油、污垢会导致测量装置无法测量。磁电式转矩测量装置利用磁电转换原理，通过转子和负载两侧的齿轮圆盘将转速信号变为磁通信号由磁电传感器接收，进而得到转子和负载两侧电动势的相位差，这个相位差与转轴的转矩成正比，从而得到转子轴伸端的机械转矩。但电磁式转矩测量装置对安装时的同轴度以及测量环境的要求较高，并且在轴系上安装的齿轮圆盘在转子高度旋转时比较危险，因此需要将装置密封。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种具有无接触转矩测量功能的高速永磁同步电动机。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有无接触转矩测量功能的高速永磁同步电动机，包括：定子组件、转子组件、机座8、转子轴承9、端盖轴承10、第一应力传感器11、第二应力传感器12、端盖支架13和传感器支架14；
其中，所述定子组件包括定子铁心3、定子绕组4、机壳6及端盖7；所述转子组件包括转子铁心1、永磁体2及转轴5；所述定子铁心3位于机壳6内部，定子铁心3和机壳6与转轴5同轴心；定子铁心3上绕着定子绕组4；永磁体2贴在转子铁心1上，转子铁心1和永磁体2与转轴5同轴心，中间部分是转轴5，转子铁心1套在转轴5上，机座8位于端盖支架13的下方，是电动机的最下部；转子轴承9安装在转轴5和端盖7之间，端盖轴承10安装在端盖7和定子轴承外圈支撑部件，即端盖支架13之间；转子组件通过转子轴承9的支撑作用来实现转子组件的旋转，定子组件用端盖轴承10的支撑来实现定子组件的旋转；第一应力传感器11、第二应力传感器12安装在机壳6与传感器支架14之间，传感器支架14与机座8连接。
优选地，所述第一应力传感器11采用螺栓固定的方式安装在机壳6与传感器支架14之间。
优选地，所述第二应力传感器12采用螺栓固定的方式安装在机壳6与传感器支架14之间。
优选地，所述传感器支架14与机座8采用刚性连接。
优选地，所述端盖轴承10为滑动轴承。
优选地，所述转子轴承9为滑动轴承。
本发明还提供了一种所述的电动机中定子组件转矩及转子组件转矩的测量方法，包括以下步骤：
在转轴5顺时针旋转时，给定子绕组4通电，交流电在气隙中产生旋转磁场，转子组件受到切力F1使转子组件顺时针方向旋转，根据牛顿第三定律，定子组件上必然会受到反作用力F2使定子组件逆时针方向旋转，通过改变机壳6的形状，利用第一应力传感器11、第二应力传感器12测得作用力F2，第一应力传感器11、第二应力传感器12与机壳6接触但没有力的作用，一旦作用力F2要使定子组件及机壳6旋转，第一应力传感器11、第二应力传感器12便与机壳6产生力的作用，第一应力11测得压力F21，第二应力传感器12测得拉力F22，再测量第一应力传感器11的测量点与转轴5轴心的距离L1、第二应力传感器12测量点与转轴5轴心的距离L2，根据公式(2)计算出定子组件转矩T2，再由转矩平衡公式得到转子组件转矩T1；
T2＝L1F21+L2F22 (2)。
优选地，转矩平衡公式为T1＝rF1＝LF2＝T2 (1)。
优选地，当电动机轴系与负载同轴心，即满足L1＝L2＝L时，电动机两侧的两个应力传感器满足F1＝F2＝F的关系，此时将公式(2)简化成公式(3)，若电动机轴系与负载轴系安装不同心，则F1与F2不再相等，此时产生测量误差，调整电动机轴系与负载轴系同心的方法使F1与F2相等；
T2＝2LF (3)。
本发明还提供了一种所述的电动机中转子组件轴伸端的实际输出转矩的测量方法，包括以下步骤：
进行空载修正：首先让电动机空载运行，并由一转矩测量装置测试不同转速下的空载转矩，绘制空载转矩曲线，在电动机匀速运行时根据公式(4)进行空载修正，其中转子组件转矩T1就是电动机转子的电磁转矩Tem，由电动机带负载运行时测量的电磁转矩减去相同转速下的空载转矩，得到转子组件轴伸端的实际输出转矩；
Tem-TL＝Tout (4)
其中，TL为电动机转子组件的空载转矩，Tout为电动机转子组件轴伸端的输出转矩。
(三)有益效果
本发明通过改进电动机本体，在电动机端盖上增加轴承，在电动机端盖上增加压力/拉力传感器，形成一种具备转矩测量功能的新型高速永磁同步电动机，可实现电动机转矩的自我测量，无需额外的转矩测量装置，节省成本；相比于传统的接触式转矩传感器，本发明电动机转矩测量的实现与转轴无接触，不需要增加轴系长度，不会引起电动机高速旋转时的动平衡问题，安全可靠，可适应于高速电机；相比于非接触式转矩测量装置，本发明的电机的转矩测量和电机本体是一体化的设计，没有测量装置的安装问题，且在电动机高速旋转时使转矩检测精度精确。本发明电动机转矩的测量不依赖于转轴转速，因此没有旋转件到静止件的转矩信号的传输问题；本发明电动机的无接触转矩测量装置可起到转矩传感器作用，在高速运行时可对电机进行实时的转矩报警、保护。
附图说明
图1为本发明高速永磁同步电动机纵向剖面结构图；
图2为本发明高速永磁同步电动机横向剖面结构图；
图3为本发明高速永磁同步电动机受力分析图。
其中，1-转子铁心，2-永磁体，3-定子铁心，4-定子绕组，5-转轴，6-机壳，7-端盖，8-机座，9-转子轴承，10-端盖轴承，11-第一应力传感器，12-第二应力传感器2，13-端盖支架，14-传感器支架。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明设计一种在匀速运行的情况下具备精准转矩测量功能的新型高速永磁同步电动机，其具备机械转矩的测量功能，不需要额外的转矩测量装置。在电机高速旋转时，相比于接触式转矩测量装置，本发明的电机不需要增加轴系长度，无需考虑电机转速带来的动平衡问题，安全可靠；相比于非接触式转矩测量装置，本发明的电机的转矩测量和电机本体是一体化的设计，没有测量装置的安装问题，且在电动机高速旋转时使转矩检测精度精确。具有安全、高可靠性。
如图1所示，本发明的高速永磁同步电动机包括定子组件、转子组件、机座8、转子轴承9、端盖轴承10、第一应力传感器11、第二应力传感器12、端盖支架13和传感器支架14；
其中，所述定子组件包括定子铁心3、定子绕组4、机壳6及端盖7；所述转子组件包括转子铁心1、永磁体2及转轴5；其中，最外部是机壳6，再往里是定子铁心3，定子铁心3位于机壳6内部并与机壳6紧密结合，安装时保证定子铁心3和机壳6与转轴5同轴心；定子铁心3上绕着定子绕组4；再往里是永磁体2，永磁体2贴在转子铁心1上，并保证安装时转子铁心1和永磁体2与转轴5同轴心，中间部分是转轴5，转子铁心1套在转轴5上，机座8位于端盖支架13的下方，是电动机的最下部；转子轴承9安装在转轴5和端盖7之间，端盖轴承10安装在端盖7和定子轴承外圈支撑部件，即端盖支架13之间；转子组件通过转子轴承9的支撑作用来实现转子组件的旋转，定子组件用端盖轴承10的支撑来实现定子组件的旋转。如图2所示，第一应力传感器11、第二应力传感器12采用螺栓固定的方式安装在机壳6与传感器支架14之间，传感器支架14与机座8采用刚性连接。
可以看出，本发明的电动机不对转子组件做改动，只需在定子组件中的端盖7上安装轴承(端盖轴承10)，使电动机的定子组件能够和转子组件同轴反向旋转，其中为了使测量精确，本发明的电动机采用滑动轴承，在电动机高速旋转时运行平稳，旋转精度高。
本发明还提供了一种该电动机中定子组件转矩及转子组件转矩的测量方法：
原理分析如下：根据牛顿第三定律作用力与反作用力的性质，当转子上受到一个切力正转(反转)时，定子上必定会受到一个反向的作用力使定子组件反转(正转)，因此只需要测得定子组件上的作用力，与测量点与转轴5轴心的距离，便可计算出作用在定子组件上的转矩值，由转矩平衡公式(1)得知转子组件上的转矩T1与定子组件上的转矩T2在数值上大小相等，从而得到转子组件上的转矩T1。在本发明的电动机中定子组件采用刚性连接，使作用定子组件上的作用力能够通过传感器无延迟测量出来，使扭矩测量更为准确。
转矩平衡公式：
T1＝rF1＝LF2＝T2 (1)
其中，r为转子组件外圆半径，L是定子组件内圆半径；
以转轴顺时针旋转为例分析。给定子绕组4通电，交流电在气隙中产生旋转磁场，转子组件受到切力F1(转子外侧切力)使转子组件顺时针方向旋转，根据牛顿第三定律，定子组件上必然会受到反作用力F2(定子外侧切力)使定子组件逆时针方向旋转。如图2所示，通过改变机壳6的形状，利用第一应力传感器11、第二应力传感器12测得作用力F2。第一应力传感器11、第二应力传感器12与机壳6接触但没有力的作用，一旦作用力F2要使定子组件及机壳6旋转，第一应力传感器11、第二应力传感器12便与机壳6产生力的作用，第一应力11测得压力F21，第二应力传感器12测得拉力F22，测量第一应力传感器11的测量点与转轴5轴心的距离L1、第二应力传感器12测量点与转轴5轴心的距离L2，根据公式(2)计算出定子组件转矩T2，再由公式(1)得到转子组件转矩T1。
当电动机轴系与负载同轴心时，即满足L1＝L2＝L时，电机两侧的应力传感器满足F1＝F2＝F关系，此时公式(2)可简化成公式(3)。若电机轴系与负载轴系安装不同心，则F1与F2不再相等，此时将会产生测量误差，可通过调整电机轴系与负载轴系同心的方法使二者相等。从两侧的应力传感器读数也可反映出电机的空间安装位置的准确性。
T2＝L1F21+L2F22 (2)
T2＝2LF (3)
本发明又提供了一种电动机转子组件轴伸端的实际输出转矩的测量方法：
电动机的转子组件除了要对负载做功同时也要克服轴承摩擦力和转子风磨损耗做功，为了得到电动机转子组件轴伸端的实际输出转矩，要进行空载修正。首先让电动机空载运行，并由本发明的电动机具备的转矩测量装置测试不同转速下的空载转矩，绘制空载转矩曲线。在电动机匀速运行时可根据公式(4)进行空载修正，其中上述中的转子转矩T1就是电动机转子的电磁转矩Tem，由电动机带负载运行时测量的电磁转矩减去相同转速下的空载转矩，可得到转子组件轴伸端的实际输出转矩。
电动机转矩空载修正公式：
Tem-TL＝Tout (4)
其中，Tem为电动机转子组件的电磁转矩，TL为电动机转子组件的空载转矩，Tout为电动机转子组件轴伸端的输出转矩。
本发明的电动机相比于传统电动机，具备转矩测量功能，且测量部件与转轴无接触；通过改进电动机本体，在电动机端盖上增加轴承，可实现电动机转矩的自我测量，不用相关的转矩检测装置，节省成本；具备的转矩检测功能其测量部件与转子组件无接触，实现原理没有转矩信号的传输问题，测量准确；转矩测量在匀速条件下不受电机转速的影响，可适用于高速及超高速电动机领域；转矩测量不因环境等外部因素等影响而引起的误操作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种具有无接触转矩测量功能的高速永磁同步电动机中定子组件转矩及转子组件转矩的测量方法，其特征在于，
具有无接触转矩测量功能的高速永磁同步电动机包括：定子组件、转子组件、机座(8)、转子轴承(9)、端盖轴承(10)、第一应力传感器(11)、第二应力传感器(12)、端盖支架(13和传感器支架(14)；
其中，所述定子组件包括定子铁心(3)、定子绕组(4)、机壳(6)及端盖(7)；所述转子组件包括转子铁心(1)、永磁体(2)及转轴(5)；所述定子铁心(3)位于机壳(6)内部，定子铁心(3和机壳(6)与转轴(5)同轴心；定子铁心(3)上绕着定子绕组(4)；永磁体(2)贴在转子铁心(1)上，转子铁心(1)和永磁体(2)与转轴(5)同轴心，转子铁心(1)套在转轴(5)上，机座(8)位于端盖支架(13的下方，是电动机的最下部；转子轴承(9)安装在转轴(5)和端盖(7)之间，端盖轴承(10)安装在端盖(7)和定子轴承外圈支撑部件，即端盖支架(13)之间；转子组件通过转子轴承(9)的支撑作用来实现转子组件的旋转，定子组件用端盖轴承(10)的支撑来实现定子组件的旋转；第一应力传感器(11)、第二应力传感器(12)安装在机壳(6)与传感器支架(14)之间，传感器支架(14)与机座(8)连接；
该方法包括以下步骤：
在转轴(5)顺时针旋转时，给定子绕组(4)通电，交流电在气隙中产生旋转磁场，转子组件受到切力F1使转子组件顺时针方向旋转，根据牛顿第三定律，定子组件上必然会受到反作用力F2使定子组件逆时针方向旋转，通过改变机壳(6)的形状，利用第一应力传感器(11)、第二应力传感器(12)测得作用力F2，第一应力传感器(11)、第二应力传感器(12)与机壳(6)接触但没有力的作用，一旦作用力F2要使定子组件及机壳(6)旋转，第一应力传感器(11)、第二应力传感器(12)便与机壳(6)产生力的作用，第一应力传感器 (11)测得压力F21，第二应力传感器(12)测得拉力F22，再测量第一应力传感器(11)的测量点与转轴(5)轴心的距离L1、第二应力传感器(12)测量点与转轴(5)轴心的距离L2，根据公式(2)计算出定子组件转矩T2，再由转矩平衡公式得到转子组件转矩T1；
T2＝L1F21+L2F22 (2)；
转矩平衡公式为T1＝rF1＝LF2＝T2 (1)；
当电动机轴系与负载同轴心，即满足L1＝L2＝L时，电动机两侧的两个应力传感器满足F1＝F2＝F的关系，此时将公式(2)简化成公式(3)，若电动机轴系与负载轴系安装不同心，则F1与F2不再相等，此时产生测量误差，调整电动机轴系与负载轴系同心的方法使F1与F2相等；
T2＝2LF (3)。
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