CN112697344A - 转动惯量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于转动惯量测量技术领域，具体涉及一种转动惯量测量装置及测量方法。本发明中的转动惯量测量装置包括第一固定组件、主轴、测量重物、轴承组件和第二固定组件，所述第一固定组件的一侧用于固定电机转子轴，所述主轴的一端与所述第一固定组件的另一侧相连接，所述主轴的另一端设有挂钩，所述测量重物通过连接绳缠绕在所述主轴上并挂在所述挂钩上，所述测量重物在作自由落体的过程中带动所述主轴、所述第一固定组件和所述电机转子转动，所述主轴穿设于所述轴承组件的内部，所述第二固定组件的一侧用于固定电机定子，所述第二固定组件的另一侧通过调节组件与轴承组件相连接。

Description

转动惯量测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于转动惯量测量技术领域，具体涉及一种转动惯量测量装置及测量方法。

背景技术

矿车用柴油机及发电用开发中，与整车配套的所用电机均是原整车用，无法获得其转动惯量值，在曲轴仿真计算及定型过程中，与柴油机匹配用电机的转动惯量值作为计算输入值之一，转动惯量值不准确会导致曲轴计算失效，后续匹配整车时存在曲轴故障问题。而现有技术柴油机研发过程中，均采用拆除转子，对转子进行测量或者对转子三维建模通过三维软件进行测量，而对于匹配电机转动惯量未知且无法拆除转子的情况难于处理和测量。

发明内容

本发明的目的是至少解决电机无法拆除转子难于测量转动惯量的情况问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种转动惯量测量装置，包括：

第一固定组件，所述第一固定组件的一侧用于固定电机转子；

主轴，所述主轴的一端与所述第一固定组件的另一侧相连接，所述主轴的另一端设有挂钩；

测量重物，所述测量重物通过连接绳缠绕在所述主轴上并挂在所述挂钩上，所述测量重物在作自由落体的过程中带动所述主轴、所述第一固定组件和所述电机转子转动；

轴承组件，所述主轴穿设于所述轴承组件的内部；

第二固定组件，所述第二固定组件的一侧用于固定电机定子，所述第二固定组件的另一侧通过调节组件与轴承组件相连接。

通过使用本技术方案中的转动惯量测量装置，采用第一固定组件对电机的转子进行固定，采用第二固定组件对电机的定子进行固定，能够解决单支撑电机无法转动和部分电机不能拆除转子导致无法测量的问题，本发明的转动惯量测量装置能够通过挂钩和测量重物的配合准确测量出电机转子的转动惯量，具有较高的精度。

另外，根据本发明的转动惯量测量装置，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施方式中，所述第一固定组件包括连接盘和转接盘，所述转接盘位于所述连接盘和所述主轴之间。

在本发明的一些实施方式中，所述连接盘为圆环结构，所述连接盘的一侧设有第一止口结构，用于进行所述电机转子和所述连接盘的径向定位，所述连接盘的另一侧设有第二止口结构。

在本发明的一些实施方式中，所述转接盘为圆盘结构，包括本体部和凸起部，所述凸起部设于所述本体部的中心并朝向所述主轴设置。

在本发明的一些实施方式中，所述本体部背对所述凸起部的一侧设有第三止口结构，所述第三止口结构与所述第二止口结构相适配。

在本发明的一些实施方式中，所述轴承组件包括立式轴承和轴承座，所述立式轴承套设于所述主轴的外部，所述轴承座位于所述立式轴承的底端并与所述调节组件相连接。

在本发明的一些实施方式中，所述调节组件包括丝杆、丝套和连接杆，所述丝杆以能够上下活动的方式穿设于所述丝套的内部并与所述轴承座相连接，所述连接杆的第一端与所述丝套相连接，所述连接杆的第二端通过第一连接件与所述第二固定组件相连接，所述连接杆的第三端通过第二连接件与所述第二固定件相连接。

在本发明的一些实施方式中，所述第一连接件和所述第二连接件相对所述连接杆对称设置。

在本发明还提出了一种转动惯量测量方法，根据以上的转动惯量测量装置进行实施，所述方法包括：

获取主轴的半径尺寸、第一测量重物的质量和第二测量重物的质量；

当第一测量重物缠绕在主轴上并开始下落后，获取第一激光传感器的第一时间值，获取第一激光传感器的第二时间值，获取第一超声波位置传感器的第一位置值；

当第二测量重物缠绕在主轴上并开始下落后，获取第一激光传感器的第三时间值，获取第一激光传感器的第四时间值；

根据所述第一时间值和所述第二时间值，获得第一时间差值；

根据所述第三时间值和所述第四时间值，获得第二时间差值；

根据所述第一时间差值、所述第二时间差值、所述第一位置值、所述主轴的半径尺寸、所述第一测量重物的质量和所述第二测量重物的质量，获得被测电机转子的转动惯量。

在本发明的一些实施方式中，根据以下公式获得被测电机转子的转动惯量：

其中，J为被测电机转子转动惯量，J_P为主轴的转动惯量，t₁为第一时间差值，t₂为第二时间差值，m₁为第一测量重物，m₂为第二测量重物，h₁为第一位置值，r为主轴的半径，g为重力加速度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的转动惯量测量装置的整体结构示意图；

图2为图1中转动惯量测量装置的连接盘的结构示意图；

图3示意性地示出了根据本发明实施方式的转动惯量测量方法的流程图；

图4示意性地示出了根据本发明实施方式的转动惯量测量方法的结构示意图。

1：转动惯量测量装置；

11：连接盘、111：第一止口结构、12：转接盘、121：本体部、122：凸起部；

20：主轴、21：挂钩；

31：立式轴承、32：轴承座；

41：丝杆、42：丝套、43：连接杆、431：第一连接件、432：第二连接件；

50：第二固定组件；

100：测量重物。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的转动惯量测量装置的整体结构示意图。图2为图1中转动惯量测量装置的连接盘的结构示意图。本发明提出了一种转动惯量测量装置及测量方法。如图1和2所示，本发明中的转动惯量测量装置包括第一固定组件、主轴20、轴承组件和第二固定组件50，第一固定组件的一侧用于固定电机转子，主轴20的一端与第一固定组件的另一侧相连接，主轴20的另一端设有挂钩21，主轴20穿设于轴承组件的内部，调节组件的一端与轴承组件相连接，第二固定组件50的一侧用于固定电机定子，第二固定组件50的另一侧通过调节组件与轴承组件相连接。

通过使用本技术方案中的转动惯量测量装置1，采用第一固定组件对电机的转子进行固定，采用第二固定组件50对电机的定子进行固定，能够解决单支撑电机无法转动和部分电机不能拆除转子导致无法测量的问题，本发明的转动惯量测量装置1能够通过挂钩和测量重物的配合准确测量出电机转子的转动惯量，具有较高的精度。

在本发明的一些实施方式中，第一固定组件包括连接盘11和转接盘12，转接盘12位于连接盘11和主轴20之间。连接盘11用于将电机转子和转接盘12进行连接固定，转接盘12为了适应不同机型电机转子的尺寸变化用于转接作用。本发明中的连接盘11和转接盘12采用螺栓固定方式，结构简单，稳固能力优良。

在本发明的一些实施方式中，连接盘11为圆环结构，连接盘11的一侧设有第一止口结构111，用于进行电机转子和连接盘11的径向定位，提升了精确性。连接盘11的另一侧设有第二止口结构，用于连接盘11和转接盘12的径向定位，提升了准确性。

在本发明的一些实施方式中，转接盘12为圆盘结构，包括本体部121和凸起部122，凸起部122设于本体部121的中心并朝向主轴20设置。凸起部122用于与主轴20进行连接，本发明中主轴20采用焊接的连接方式与凸起部122进行连接，连接过程中保持主轴20和转接盘12的垂直角度，这样能够使得在测量被测电机转子的转动惯量时，得出的数据更加准确。

在本发明的一些实施方式中，本体部121背对凸起部122的一侧设有第三止口结构，第三止口结构与第二止口结构相适配，用于连接盘11和转接盘12的径向定位，提升整体装置的测量准确性。

在本发明的一些实施方式中，轴承组件包括立式轴承31和轴承座32，立式轴承31套设于主轴20的外部，轴承座32位于立式轴承31的底端并与调节组件相连接。主轴20穿设于立式轴承31的中部位置，立式轴承31用于支撑主轴20，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。另外，轴承底座用于固定和支撑立式轴承31。

在本发明的一些实施方式中，调节组件包括丝杆41、丝套42和连接杆43，丝杆41以能够上下活动的方式穿设于丝套42的内部并与轴承座32相连接，连接杆43的第一端与丝套42相连接，连接杆43的第二端通过第一连接件431与第二固定组件50相连接，连接杆43的第三端通过第二连接件432与第二固定件相连接。丝杆41和丝套42和配合能够调节轴承组件的高度，进而调节转子的高度，能够测试不同型号的电机转子，提升了通用性。同时连接杆43通过两个连接件与第二固定组件50进行连接，提升了整体装置的稳固性和可靠性。

在本发明的一些实施方式中，第一连接件431和第二连接件432相对；连接杆43设置，能够使得连接杆43的受力更加均匀，提升了可靠性。

在本发明的一些实施方式中，第一固定组件和第二固定组件50之间设有间隙，这样能够使得与第一固定组件连接的转子和第二固定组件50连接的定子进行相对转动，便于测量被测电机转子的转动惯量。

在本发明还提出了一种转动惯量测量方法，如图3所示，根据以上的转动惯量测量装置1进行实施，方法包括：

获取主轴的半径尺寸、第一测量重物的质量和第二测量重物的质量；

当第一测量重物缠绕在主轴上并开始下落后，获取第一激光传感器的第一时间值，获取第一激光传感器的第二时间值，获取第一超声波位置传感器的第一位置值；

当第一测量重物缠绕在主轴上并开始下落后，获取第一激光传感器的第三时间值，获取第一激光传感器的第四时间值；

根据第一时间值和第二时间值，获得第一时间差值；

根据第三时间值和第四时间值，获得第二时间差值；

根据第一时间差值、第二时间差值、第一位置值、主轴的半径尺寸、第一测量重物的质量和第二测量重物的质量，获得被测电机转子的转动惯量。

具体地，如图4所示，本发明中需先将电机转子固定在第一固定组件上，将电子定子固定在第二固定组件上，然后将连接绳(为了减速绳索能量损失，使用弹性较低质量较小细线)的一端与主轴的挂钩相连接，将连接绳的另一端绕主轴的一端数圈在与测量重物100相连接，此时即为转动惯量的测量装置安装完毕。

本发明方法是在基于考虑摩擦功的情况下，且当电机转子转角为定值时(即摩擦功为定值)，分别采用第一测量重物m₁、第二测量重物m₂分别进行自由落体测量，本方法对于被测电机转子的转动惯量更加准确，提升了准确性。

具体地，如图4所示，本发明中在第一测量重物开始未下落的位置处设置有第一激光发生器和第一激光传感器，用于获取第一时间值。在下落过程中设置有第二激光发生器和第二激光传感器，用于获取第一测量重物的第二时间值，同时此处还设置有第一超声波位置传感器，用于获取测量重物的下落距离h₁。另外，在第二测量重物开始未下落的位置处获取第三时间值，在下落过程中下降至h₁距离时获取第四时间值。最后将传感器获得的数据传输至单片机并根据能量守恒定律得公式1：

可获得被测电机转子的转动惯量，其中J为被测电机转子转动惯量，J_P为主轴的转动惯量，t₁为第一时间差值，t₂为第二时间差值，m₁为第一测量重物，m₂为第二测量重物，h₁为第一位置值，r为主轴的半径，g为重力加速度。

具体地，本发明通过多次采样最终得到转动惯量的试验平均值，经试验验证测量结果总误差在5％左右，能够很好的提升测量数据的准确性。

进一步地，如果不考虑考虑摩擦功的情况下，本发明的测量方法为：

获取主轴的半径尺寸和第三测量重物的质量；

当第三测量重物缠绕在主轴上并开始下落后，获取第三激光传感器的第五时间值，获取第四激光传感器的第六时间值，获取第二超声波位置传感器的第二位置值；

根据第五时间值和第六时间值，获得第三时间差值；

根据第三时间差值、第二位置值、主轴的半径尺寸和第三测量重物的质量，获得被测电机转子的转动惯量。

本发明中在第三测量重物开始未下落的位置处设置有第三激光发生器和第三激光传感器，用于获取第五时间值。在下落过程中设置有第四激光发生器和第四激光传感器，用于获取第六时间值，同时此处还设置有第二超声波位置传感器，用于获取测量重物的下落距离h₂。最后将传感器获得的数据传输至单片机并根据公式2：

可获得被测电机转子的转动惯量，其中，m₃为测量重物的质量，t₃为时间差值，h₂为测量重物下落的距离。

通过使用本技术方案中的转动惯量测量方法，采用第一固定组件对电机的转子进行固定，采用第二固定组件对电机的定子进行固定，能够解决单支撑电机无法转动和部分电机不能拆除转子导致无法测量的问题，本发明的转动惯量测量装置能够通过挂钩和测量重物的配合准确测量出电机转子的转动惯量，具有较高的精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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)

1.一种转动惯量测量装置，其特征在于，包括：

第一固定组件，所述第一固定组件的一侧用于固定电机转子；

主轴，所述主轴的一端与所述第一固定组件的另一侧相连接，所述主轴的另一端设有挂钩；

测量重物，所述测量重物通过连接绳缠绕在所述主轴上并挂在所述挂钩上，所述测量重物在作自由落体的过程中带动所述主轴、所述第一固定组件和所述电机转子转动；

轴承组件，所述主轴穿设于所述轴承组件的内部；

第二固定组件，所述第二固定组件的一侧用于固定电机定子，所述第二固定组件的另一侧通过调节组件与轴承组件相连接。

2.根据权利要求1所述的转动惯量测量装置，其特征在于，所述第一固定组件包括连接盘和转接盘，所述转接盘位于所述连接盘和所述主轴之间。

3.根据权利要求2所述的转动惯量测量装置，其特征在于，所述连接盘为圆环结构，所述连接盘的一侧设有第一止口结构，用于进行所述电机转子和所述连接盘的径向定位，所述连接盘的另一侧设有第二止口结构。

4.根据权利要求3所述的转动惯量测量装置，其特征在于，所述转接盘为圆盘结构，包括本体部和凸起部，所述凸起部设于所述本体部的中心并朝向所述主轴设置。

5.根据权利要求4所述的转动惯量测量装置，其特征在于，所述本体部背对所述凸起部的一侧设有第三止口结构，所述第三止口结构与所述第二止口结构相适配。

6.根据权利要求1所述的转动惯量测量装置，其特征在于，所述轴承组件包括立式轴承和轴承座，所述立式轴承套设于所述主轴的外部，所述轴承座位于所述立式轴承的底端并与所述调节组件相连接。

7.根据权利要求1所述的转动惯量测量装置，其特征在于，所述调节组件包括丝杆、丝套和连接杆，所述丝杆以能够上下活动的方式穿设于所述丝套的内部并与所述轴承座相连接，所述连接杆的第一端与所述丝套相连接，所述连接杆的第二端通过第一连接件与所述第二固定组件相连接，所述连接杆的第三端通过第二连接件与所述第二固定件相连接。

8.根据权利要求7所述的转动惯量测量装置，其特征在于，所述第一连接件和所述第二连接件相对所述连接杆对称设置。

9.一种转动惯量测量方法，其特征在于，根据权利要求1-8中任一项所述的转动惯量测量装置进行实施，所述方法包括：

获取主轴的半径尺寸、第一测量重物的质量和第二测量重物的质量；

当第一测量重物缠绕在主轴上并开始下落后，获取第一激光传感器的第一时间值，获取第一激光传感器的第二时间值，获取第一超声波位置传感器的第一位置值；

当第二测量重物缠绕在主轴上并开始下落后，获取第一激光传感器的第三时间值，获取第一激光传感器的第四时间值；

根据所述第一时间值和所述第二时间值，获得第一时间差值；

根据所述第三时间值和所述第四时间值，获得第二时间差值；

根据所述第一时间差值、所述第二时间差值、所述第一位置值、所述主轴的半径尺寸、所述第一测量重物的质量和所述第二测量重物的质量，获得被测电机转子的转动惯量。

10.根据权利要求9所述的转动惯量测量方法，其特征在于，根据以下公式获得被测电机转子的转动惯量：

其中，J为被测电机转子转动惯量，J_P为主轴的转动惯量，t₁为第一时间差值，t₂为第二时间差值，m₁为第一测量重物，m₂为第二测量重物，h₁为第一位置值，r为主轴的半径，g为重力加速度。

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