CN114499061B - 一种非接触式电机转矩测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式电机转矩测量方法。电机离线状态下电机转轴上设置标记，标记处设置激光探头；电机转轴一端装角度测量盘，测得标记的相对圆周角度位置关系；电机转轴另一端装天平，再测得标记的相对圆周角度位置关系，计算标记处剪切弹性系数；将角度测量盘和天平拆除，与负载同轴连接，再装辅助摆锤，摆钟实验获得转动惯量；电机实际运行过程中，检测各标记的相对圆周角度位置关系，结合剪切弹性系数和转动惯量实时获得负载转矩和电磁转矩。本发明保证了可在长期、各种环境中准确测量电机转矩，不需要对原系统进行任何侵入式改造，在转轴变速时依然能够准确获得电磁转矩和负载转矩。

Description

一种非接触式电机转矩测量方法
技术领域
本发明涉及到电机技术领域的一种电机参数测量方法，尤其是涉及了一种非接触式电机转矩测量方法。
背景技术
现如今电机已经得到了广泛的应用，从汽车到航空航天的众多领域，电机都扮演着十分重要的角色。同时，在电机的运行过程中往往需要使电机维持在一定的转速进行工作。目前常用的做法是先通过在线或离线的方式获得电机的实际转速，然后将其与给定转速比较，根据两者间的大小关系调整给定的电机电磁转矩大小。这种方法存在着一个问题，当负载快速变化时，很有可能因为给定转矩滞后的问题产生振荡。
现有文献虽然在获取转矩方面做了许多工作。但现有方法都是基于测得的电压电流推算电磁转矩，进而计算负载转矩。电机在实际运行过程中，电感和电阻都是不可测得的，只能通过估计的方法获得，精确度很低。如果通过加装转矩传感器的方法获得转矩，首先转矩传感器会占用额外的空间，另外转矩传感器基于对获得其中弹性轴的扭转角度来计算转矩。弹性轴只在出厂时进行标定，在长期使用过程中轴的性能会发生变化，因此无法保证其准确性。此外，转矩传感器只能获得作用在其上的扭矩力偶，当电磁转矩和负载转矩不平衡时，转矩传感器无法给出判断。
发明内容
本发明的目的是，提出了一种非接触式电机转矩测量方法。在电机离线状态下对其转轴各段的剪切弹性系数进行准确标定，对整个传动装置的转动惯量进行准确标定，并在电机在线运行状态下根据转轴扭转角度计算出负载转矩和电磁转矩。
本发明采用的技术方案是：
步骤1，在电机离线状态下，在电机转轴上若干处设置标记，并在标记位置处安装用于标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系的激光探头；电机离线状态是指电机未工作状态。
具体实施中的标记可以为一条短刻线或者一个标记点。
步骤2，在电机转轴的一端同轴安装一个角度测量盘，利用角度测量盘旋转电机转轴，通过各标记处的激光探头测得各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系；
步骤3，在电机转轴的另一端再安装上一个天平，天平上放置砝码，利用角度测量盘旋转电机转轴，通过各标记处的激光探头测得各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系，进而结合步骤2的结果计算获得电机转轴各标记处的剪切弹性系数；
步骤4，将电机转轴两端上的角度测量盘和天平拆除，将电机转轴的一端与负载进行同轴连接安装，再在电机转轴的另一端安装一个辅助摆锤，通过摆钟实验获得整个电机转轴的转动惯量；
具体实施中的负载采用另一个电机。
步骤5，在电机实际运行过程中，在电机转轴旋转时通过各标记处的激光探头实时检测各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系，进而结合步骤3获得的剪切弹性系数和步骤4获得的转动惯量实时处理获得负载转矩和电磁转矩。
当电机转轴所受的力偶相等时，电机转轴维持原先转动速度，此时电磁转矩等于负载转矩。当电机转轴所受的力偶不平衡时，电机转轴会变速运动，此时可以根据加速度来分别计算出电磁转矩和负载转矩。
所述的电机转轴上套有转子，使得电机转轴上形成了转轴轴伸、未套有转子的部分和套有转子的部分；电机转轴上套有转子的部位形成套有转子的部分，套有转子的部分两端的电机转轴上分别形成两个未套有转子的部分，未套有转子的部分外端的电机转轴上还设有转轴轴伸，转轴轴伸用于和外部同轴连接，套有转子的部分、未套有转子的部分和转轴轴伸的直径依次递减。
所述的角度测量盘为手摇式角度测量盘，包括旋转把手、角度测量部分、降速传动部分、与转轴固定的部分；旋转把手铰接地装在角度测量部分上，旋转把手经降速传动部分和与转轴固定的部分传动连接，与转轴固定的部分同轴连接到电机转轴上。
所述的天平为圆盘式天平，包括重量分布均匀的圆形转盘、转轴固定的部分、吊线、托盘和砝码；圆形转盘的中心经转轴固定的部分同轴连接到电机转轴上，吊线一端绕制在圆形转盘的外周面上并固定系于圆形转盘，另一端下垂并固接托盘和砝码。
所述的辅助摆锤是由一个作为重物的摆锤经刚性的连杆部分和与转轴固定的部分固定连接形成，与转轴固定的部分同轴连接到电机转轴上。
所述的剪切弹性系数包括：转轴轴伸的剪切弹性系数、转轴中套有转子部分的剪切弹性系数以及转轴中未套有转子部分的剪切弹性系数。
所述步骤1中的标记位置共有四种方案，具体如图1所示，按照不同的方案获得包含不同的剪切弹性系数。
第一种，如图1(a)所示：
所述步骤1中，在未套有转子的部分沿轴向不同位置的两处均设置标记，共计两个标记；
所述步骤3中，按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G2表示电机转轴上未套有转子的部分的剪切弹性系数；x1代表第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表第二个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs代表有砝码时两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值；
所述步骤5中，按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时获得的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量。
第二种，如图1(b)所示：
在未套有转子的部分和转轴轴伸各一处均设置标记，共计两个标记；
所述步骤3中，按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G1表示电机转轴上转轴轴伸的剪切弹性系数，G2表示电机转轴上未套有转子的部分的剪切弹性系数；x1代表第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表第二个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs代表有砝码时两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，L2表示未套有转子的部分的长度；
所述步骤5中，按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时获得的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量。
第三种，如图1(c)所示：
在转轴轴伸沿轴向不同位置的两处均设置标记，共计两个标记；
所述步骤3中，按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G1表示电机转轴上转轴轴伸的剪切弹性系数，x1代表第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表第二个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs代表有砝码时两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值；
所述步骤5中，按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时获得的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量。
第四种，如图1(d)所示：
在其中一个未套有转子的部分设置两处沿轴向不同位置的标记，在另一个未套有转子的部分设置一处标记，共计三个标记；
所述步骤3中，按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G2表示电机转轴上第一个未套有转子的部分的剪切弹性系数，G3表示电机转轴上第二个未套有转子的部分的剪切弹性系数；x1代表在未套有转子的部分上第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表在未套有转子的部分上第二个标记距离转子的轴向间距，x3代表在未套有转子的部分上第三个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs1表示转轴轴伸和在未套有转子的部分两处刻线在有砝码时电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，γs2表示转轴轴伸和在未套有转子的部分两处刻线在有砝码时电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，L3表示套有转子的部分的长度；
所述步骤5中，按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时获得的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量，其测量方法会在之后介绍。
所述步骤4中，转动惯量J按照以下公式计算获得：
其中，la表示连杆部分的长度，Ma表示摆锤的质量，g表示当地重力加速度，Ts表示摆锤摆动一个周期的时长。
本发明通过在电机离线状态下标定转轴各段的剪切弹性系数，在电机在线运行的过程中根据转轴扭转角度计算出负载转矩和电磁转矩。
目前市面上所售的所有转矩传感器都内置弹性轴，在出厂时测量弹性轴的剪切弹性系数，之后在运行过程中通过测量旋转角度来测转矩。剪切弹性系数会随温度影响而变化，同时在长期使用后弹性轴材料老化，系数也会变，在使用过程中缺乏标定维护手段，会使测量值不准。本发明方法在每次运行前进行标定，只要砝码重量准确，就算电机轴的剪切弹性系数变化了，也会在离线实验中被计算出来，保证了在长期、各种环境中使用的准确性。
而且目前所用方法需要在电机和负载之间额外加装一个转矩传感器，会给整个机械传动系统带来额外不稳定因素，安装转矩传感器本身也会有额外的空间和成本开销，本发明方法不对原系统进行任何侵入式改造，只是在轴上刻两处刻线，即可配合激光收发装置进行转矩测量。
目前所有方法都只计算公式中的扭矩，而不考虑不平衡扭矩给转轴带来的加速度。本发明方法在实际运行过程中通过计算加速度来判断电磁转矩和负载转矩间的关系。
本发明采用的有益效果是：
1.本发明在每次运行前对电机的剪切弹性系数和转动惯量进行标定，只要砝码和摆锤重量准确，就算电机轴的剪切弹性系数变化了，也会在离线实验中被计算出来，保证了可以在长期、各种环境中准确测量电机转矩。
2.本发明只在轴上进行标记，即可在电机运行过程中配合激光收发装置进行非接触的转矩测量，不需要对原系统进行任何侵入式改造。
3.本发明在转轴变速时可以通过加速度来计算准确的电磁转矩和负载转矩。
附图说明
图1为本发明中的四种电机转轴标记位置示意图；
图1(a)为本发明中第一种电机转轴标记方式的位置示意图；
图1(b)为本发明中第二种电机转轴标记方式的位置示意图；
图1(c)为本发明中第三种电机转轴标记方式的位置示意图；
图1(d)为本发明中第四种电机转轴标记方式的位置示意图；
图2为本发明实施所提出步骤2示意图；
图2(a)为本发明步骤2下的状态结构示意图；
图2(b)为图2(a)的原理图；
图3为本发明实施所提出步骤3示意图；
图3(a)为本发明步骤3下的状态结构示意图；
图3(b)为图3(a)的原理图；
图4为本发明实施所提出步骤4示意图；
图4(a)为本发明步骤4下的状态结构示意图；
图4(b)为图4(a)的原理图；
图5为本发明中的手摇式角度测量器的结构示意图；
图6为本发明中的圆盘式天平结构示意图；
图7为本发明中的辅助摆锤结构示意图。
图中：转轴轴伸1、未套有转子的部分2、4、套有转子的部分3、激光探头5、角度测量器6、天平7、辅助摆锤8，联轴器9，负载10、旋转把手11、角度测量部分12、降速传动部分13、与转轴固定的部分14、重量分布均匀的圆形转盘15、转轴固定的部分16、吊线17、托盘和砝码18、与转轴固定的部分19、连杆部分20、摆锤21。
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。
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图2所示，具体实施中的电机转轴上套有转子，使得电机转轴上形成了转轴轴伸1、未套有转子的部分2、4和套有转子的部分3；电机转轴上套有转子的部位形成套有转子的部分3，套有转子的部分3两端的电机转轴上分别形成两个未套有转子的部分2、4，未套有转子的部分2、4外端的电机转轴上还设有转轴轴伸1，转轴轴伸1用于和外部同轴连接，套有转子的部分3、未套有转子的部分2、4和转轴轴伸1的直径依次递减。
一台电机如图1所示，电机中传递力的结构是图2中的转子，转子的轴依次分为4段，其中第1段的外径较小作为转轴轴伸1，第2、3、4段的外径相同，区别在于第3段安转了转子硅钢片形成了套有转子的部分3，实际运行过程中电机的电磁力是通过转子传递给第3段，再由第1段和联轴器传递给负载的。
由于转子采用叠片结构，而且叠片间沾有胶水，所以第3段和第2段的剪切弹性系数会有所不同。采用第一种到第三种方法时不需要考虑转轴中套有转子的部分。采用第四种方法时需要考虑转轴中套有转子的部分，需要额外的1根标记提供足够的数据进行标定。
转轴的在受到扭矩力偶作用后会产生形变，形变量为角度γ，轴长为l，弹性剪切模量为G，扭矩为τs。对于相同材料相同截面形状的轴来说，G不变，与轴长无关。如果两侧扭矩不相等，差值会为转轴提供旋转的加速度，扭矩差值为τr，转动惯量为J，机械转速为ω。
本发明方法通过在电机运行前进行简单的离线实验获得转动惯量J和一系列的剪切弹性系数G，并在电机运行过程中获得圆周角度差γ和角速度ω，从而实时获得电机提供的电磁转矩Te和负载的转矩Tl。
如图5所示，电机转轴一端可安装有角度测量盘6，角度测量盘6为手摇式角度测量盘，包括旋转把手11、角度测量部分12、降速传动部分13、与转轴固定的部分14；旋转把手11铰接地装在角度测量部分12上，旋转把手11经降速传动部分13和与转轴固定的部分14传动连接，与转轴固定的部分14同轴连接到电机转轴上。
具体实施中，角度测量部分12为一个圆盘，圆盘上设置有刻度，旋转把手11偏心布置在角度测量部分12的圆盘边缘；与转轴固定的部分14为一个和电机转轴同轴固定连接的轴件，布置在角度测量部分12的中心；降速传动部分13为齿轮传动结构，包括大小两个齿轮，大齿轮和与转轴固定的部分14的轴件同轴连接，大齿轮外周的齿面啮合小齿轮，小齿轮和旋转把手11的圆盘通过穿设过角度测量部分12的轴同步连接。
电机转轴的扭转角度较小，具体实施采用降速传动的方法来提高分辨率。图5中小刻度的小齿轮盘转一圈，大刻度的大齿轮只转过一个很小的角度。
具体实施中，角度测量盘6连接到电机转轴的未套有转子的部分4，即使得与转轴固定的部分14同轴连接到电机转轴的未套有转子的部分4。
如图6所示，电机转轴另一端可安装有天平7，天平7和角度测量盘6的同时分别安装在电机转轴的两端，天平7为圆盘式天平，包括重量分布均匀的圆形转盘15、转轴固定的部分16、吊线17、托盘和砝码18；圆形转盘15的中心经转轴固定的部分16同轴连接到电机转轴上，吊线17一端绕制在圆形转盘15的外周面上并固定系于圆形转盘15，另一端下垂并固接托盘和砝码18。
具体实施中，转轴固定的部分16为一个轴环，轴环同步固定套在电机转轴的转轴轴伸1上。
当在天平上放置砝码时，圆形转盘15会在电机转轴上产生转矩，电机转轴的四段部分都会扭转。扭转角度由公式确定。
如图7所示，电机转轴一端可安装有辅助摆锤8，辅助摆锤8是由一个作为重物的摆锤21经刚性的连杆部分20和与转轴固定的部分19固定连接形成，与转轴固定的部分19同轴连接到电机转轴上。
具体实施中，与转轴固定的部分19为一个轴环，轴环同步固定套在电机转轴的未套有转子的部分4上。
本发明的实施例具体如下：
步骤1，如图1所示，在电机离线状态下，在电机转轴上设置标记，并在标记位置处安装用于标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系的激光探头5；
在转轴上的两处各刻一条短细线作为刻线，两个刻线处可以选择处第3段外的任意两处，例如图中选在了第1段和第4段，并在刻线处安装一对激光发射头和接收探头。由于金属反光，而刻线处由于形成了槽，在光学上对直射的光反射性很弱，所以当轴旋转一周时，只有在刻线位置经过激光探头时，接收探头捕捉不到信号，转化为电气信息就是在一个转轴旋转一周的过程中会有一个脉冲，该脉冲就是刻线处正对激光发射探头的时候。
如图1(a)所示，在同一未套有转子的部分2的外周面沿轴向不同位置的两处均设置标记，共计两个标记。
步骤2，如图2所示，在电机转轴的一端同轴安装一个角度测量盘6，利用角度测量盘6旋转电机转轴，通过各标记处的激光探头5测得各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系；
首先在电机第4段安装一个手摇角度测量码盘，其在轴上的位置如图4所示。码盘的具体结构中，小齿轮可以通过手摇进行旋转，降速齿轮比的设计可以让电机轴缓慢旋转，从而使刻线位置读得更精确。首先通过手摇让电机的轴依次转过两个刻线位置，记下角度为和/>
之后，在电机转轴的第1段安装一个圆盘，圆盘均匀，所以只装上圆盘不会给轴带来扭矩。圆盘上绕线，线吊着一个砝码盘，可以在盘中放砝码，砝码盘的重量已知，砝码的重量也已知，圆盘的半径已知，这样就可以计算出整个装置给转轴带来的扭矩然后和上一段话方法一样，通过手摇的方式记录两个刻线的新位置/>和/>这里需要尽可能保证刻线正对激光探头时转轴是静止的。由此可知，/>就是因为扭矩所带来的γ。
在电机实际的运行过程中，可以通过记录两个激光探头所读到的脉冲间隔和/>来计算出角速度/>和/>每次对两个角速度求平均即可得到公式2中所需的ω。
步骤3，如图3所示，在电机转轴的另一端再安装上一个天平7，天平7上放置砝码，利用角度测量盘6旋转电机转轴，通过各标记处的激光探头5测得各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系，进而结合步骤2的结果计算获得电机转轴各标记处的剪切弹性系数；
按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G2表示电机转轴上未套有转子的部分2的剪切弹性系数；x1代表第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表第二个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平7上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs代表有砝码时两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值。
具体实施在天平7上放置不同重量的砝码作为转矩的表征，以各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系作为电机转轴扭转角度的表征，多次测量获得不同转矩下的电机转轴扭转角度，进而获得转矩和电机转轴扭转角度之间的关系。
步骤3中，在天平上放置一次预设重量的砝码进行测量，或者放置多次不同重量的砝码进行测量获得不同的相对圆周角度位置关系，以多次不同重量的砝码取平均值处理获得天平和砝码所产生的扭矩τs，以多次不同重量的砝码下的所有相对圆周角度位置关系取平均值处理获得差值γs。
步骤4，如图4所示，将电机转轴两端上的角度测量盘6和天平7拆除，将电机转轴的一端经联轴器9与负载10进行同轴连接安装，再在电机转轴的另一端安装一个辅助摆锤8，通过摆钟实验获得整个电机转轴的转动惯量；
通过外加一个摆锤来增加迫使转轴旋转，它的转动惯量可以根据下式算出。摆锤的连杆尽量轻。
步骤4中，转动惯量J按照以下公式计算获得：
其中，la表示连杆部分20的长度，Ma表示摆锤21的质量，g表示当地重力加速度，Ts表示摆锤21摆动一个周期的时长。
考虑到电机在实际的运行过程中，电机转轴通过联轴器和负载的转轴相连，所以转动惯量应该计算整个系统。将摆锤装在电机转轴的第4段，先自然下垂，然后让其抬起，与竖直线成一定角度优选为15°左右。放开摆锤，让其像钟摆一样自由摆动。记录2～3个摆动周期所用时间并求出一个周期的平均值Ts。
步骤5，在电机实际运行过程中，在电机转轴旋转时通过各标记处的激光探头5实时检测各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系，进而结合步骤3获得的剪切弹性系数和步骤4获得的转动惯量实时处理获得负载转矩和电磁转矩。
按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时或的的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中通过激光探头5测量获得的电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量。
实施例2
本发明实施例和实施例1基本相同，不同的是在于以下区别：
如图1(b)所示：
步骤1中，在未套有转子的部分2和转轴轴伸1的外周面各一处均设置标记，共计两个标记；
步骤3中，按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G1表示电机转轴上转轴轴伸1的剪切弹性系数，G2表示电机转轴上未套有转子的部分2的剪切弹性系数；x1代表第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表第二个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平7上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs代表有砝码时两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，L2表示未套有转子的部分2的长度；
步骤5中，按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时或的的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中通过激光探头5测量获得的电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量。
实施例3
本发明实施例和实施例1基本相同，不同的是在于以下区别：
如图1(c)所示：
步骤1中，在转轴轴伸1的外周面沿轴向不同位置的两处均设置标记，共计两个标记；
步骤3中，按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G1表示电机转轴上转轴轴伸1的剪切弹性系数，x1代表第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表第二个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平7上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs代表有砝码时两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值；
步骤5中，按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时或的的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中通过激光探头5测量获得的电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量。
实施例4
本发明实施例和实施例1基本相同，不同的是在于以下区别：
如图1(d)所示：
步骤1中，在同一未套有转子的部分2、4的外周面沿轴向不同位置的两处均设置标记，在转轴轴伸1的外周面一处设置标记，共计三个标记；
步骤3中，按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G1表示电机转轴上转轴轴伸1的剪切弹性系数，G2表示电机转轴上第一个未套有转子的部分2的剪切弹性系数，G3表示电机转轴上第二个未套有转子的部分2的剪切弹性系数；x1代表第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表第二个标记距离转子的轴向间距，x3代表第三个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平7上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs1表示转轴轴伸1和在未套有转子的部分4两处刻线在有砝码时电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，γs2表示转轴轴伸1和在未套有转子的部分2两处刻线在有砝码时电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，L3表示套有转子的部分3的长度。
步骤5中，按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时或的的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：/>
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中通过激光探头5测量获得的电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量，其测量方法会在之后介绍。
由此实施可见，本发明保证了可在长期、各种环境中准确测量电机转矩，不需要对原系统进行任何侵入式改造，在转轴变速时依然能够准确获得电磁转矩和负载转矩。

Claims (5)

1.一种非接触式电机转矩测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在电机离线状态下，在电机转轴上设置标记，并在标记位置处安装用于标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系的激光探头(5)；
步骤2，在电机转轴的一端同轴安装一个角度测量盘(6)，利用角度测量盘(6)旋转电机转轴，通过各标记处的激光探头(5)测得各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系；
步骤3，在电机转轴的另一端再安装上一个天平(7)，天平(7)上放置砝码，利用角度测量盘(6)旋转电机转轴，通过各标记处的激光探头(5)测得各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系，进而计算获得电机转轴各标记处的剪切弹性系数；
步骤4，将电机转轴两端上的角度测量盘(6)和天平(7)拆除，将电机转轴的一端与负载(10)进行同轴连接安装，再在电机转轴的另一端安装一个辅助摆锤(8)，通过摆钟实验获得整个电机转轴的转动惯量；
步骤5，在电机实际运行过程中，在电机转轴旋转时通过各标记处的激光探头(5)实时检测各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系，进而结合步骤3获得的剪切弹性系数和步骤4获得的转动惯量实时处理获得负载转矩和电磁转矩；
所述的电机转轴上套有转子，使得电机转轴上形成了转轴轴伸(1)、未套有转子的部分(2、4)和套有转子的部分(3)；电机转轴上套有转子的部位形成套有转子的部分(3)，套有转子的部分(3)两端的电机转轴上分别形成两个未套有转子的部分(2、4)，未套有转子的部分(2、4)外端的电机转轴上还设有转轴轴伸(1)，转轴轴伸(1)用于和外部同轴连接，套有转子的部分(3)、未套有转子的部分(2、4)和转轴轴伸(1)的直径依次递减；
所述步骤1中，在未套有转子的部分(2)沿轴向不同位置的两处均设置标记，共计两个标记；
所述步骤3中，按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G2表示电机转轴上未套有转子的部分(2)的剪切弹性系数；x1代表第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表第二个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平(7)上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs代表有砝码时两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值；
所述步骤5中，按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时获得的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量；
在未套有转子的部分(2)和转轴轴伸(1)各一处均设置标记，共计两个标记；
所述步骤3中，按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G1表示电机转轴上转轴轴伸(1)的剪切弹性系数，G2表示电机转轴上未套有转子的部分(2)的剪切弹性系数；x1代表第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表第二个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平(7)上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs代表有砝码时两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，L2表示未套有转子的部分(2)的长度；
所述步骤5中，按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时获得的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量；
在转轴轴伸(1)沿轴向不同位置的两处均设置标记，共计两个标记；
所述步骤3中，按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G1表示电机转轴上转轴轴伸(1)的剪切弹性系数，x1代表第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表第二个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平(7)上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs代表有砝码时两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值；
所述步骤5中，按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时获得的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量；
在其中一个未套有转子的部分(2)设置两处沿轴向不同位置的标记，在另一个未套有转子的部分(4)设置一处标记，共计三个标记；
所述步骤3中，按照以下公式计算剪切弹性系数：
其中，G2表示电机转轴上第一个未套有转子的部分(2)的剪切弹性系数，G3表示电机转轴上第二个未套有转子的部分(2)的剪切弹性系数；x1代表在未套有转子的部分(2)上第一个标记距离转子的轴向间距，x2代表在未套有转子的部分(2)上第二个标记距离转子的轴向间距，x3代表在未套有转子的部分(4)上第三个标记距离转子的轴向间距，τs表示天平(7)上的托盘和砝码所产生的扭矩，γs1表示转轴轴伸(1)和在未套有转子的部分(4)两处刻线在有砝码时电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，γs2表示转轴轴伸(1)和在未套有转子的部分(2)两处刻线在有砝码时电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，L3表示套有转子的部分(3)的长度；
所述步骤5中，按照以下公式根据剪切弹性系数、转动惯量和实时获得的各标记在电机转轴周向上的相对圆周角度位置关系处理获得电磁转矩和负载转矩：
当电机转轴加速时：
当电机转轴减速时：
其中，dω表示激光探头所检测到的两次电机角速度之差，dt表示激光探头检测两次电机角速度之间的时间间隔，γr表示在电机实际运行过程中电机转轴上两个标记间的圆周角度差和无砝码时两个标记间的圆周角度差之间的差值，J表示电机系统的转动惯量。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式电机转矩测量方法，其特征在于：
所述的角度测量盘(6)为手摇式角度测量盘，包括旋转把手(11)、角度测量部分(12)、降速传动部分(13)、与转轴固定的部分(14)；旋转把手(11)铰接地装在角度测量部分(12)上，旋转把手(11)经降速传动部分(13)和与转轴固定的部分(14)传动连接，与转轴固定的部分(14)同轴连接到电机转轴上。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式电机转矩测量方法，其特征在于：
所述的天平(7)为圆盘式天平，包括重量分布均匀的圆形转盘(15)、转轴固定的部分(16)、吊线(17)、托盘和砝码(18)；圆形转盘(15)的中心经转轴固定的部分(16)同轴连接到电机转轴上，吊线(17)一端绕制在圆形转盘(15)的外周面上并固定系于圆形转盘(15)，另一端下垂并固接托盘和砝码(18)。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式电机转矩测量方法，其特征在于：
所述的辅助摆锤(8)是由一个作为重物的摆锤(21)经刚性的连杆部分(20)和与转轴固定的部分(19)固定连接形成，与转轴固定的部分(19)同轴连接到电机转轴上。
5.根据权利要求4所述的一种非接触式电机转矩测量方法，其特征在于：
所述步骤4中，转动惯量J按照以下公式计算获得：
其中，la表示连杆部分(20)的长度，Ma表示摆锤(21)的质量，g表示当地重力加速度，Ts表示摆锤(21)摆动一个周期的时长。
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