CN115096489A - 一种有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量方法技术领域，公开了一种有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法及系统，该方法将转子安装在转轴上再将定子安装在基座上，并在定子上安装电刷架，电刷架上设置与转子表面接触的电刷，用测力计沿铅垂线方向施加拉力直到转轴转动，拆卸电刷架和电刷再用测力计施加拉力直到转轴转动，依据力矩平衡原理，分别列出不同转动瞬间的力学平衡方程式，从而计算得到电刷摩擦力矩。本发明直接利用驱动轴系结构进行测量，简化了测量装置，大大降低了加工难度和加工成本，也考虑了驱动轴系中轴承的摩擦力矩、轴系的偏心力矩和电机的激磁力矩，并能够可靠地得到电刷摩擦力矩，计算过程简单，提高了测量精度，也便于操作和观察。

Description

一种有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法及系统

技术领域

本发明涉及力矩测量技术领域，更具体的说，特别涉及一种有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法及系统。

背景技术

分体式有刷力矩电机的转子转动时，电刷与转子间会产生摩擦力矩，而分体式有刷力矩电机的电刷与转子间产生的摩擦力矩的波动，会影响电机输出力矩的稳定性，而分体式有刷力矩电机要求能够精确输出力矩，在分体式有刷力矩电机装调过程中需要测量和控制电刷摩擦力矩。

现有针对分体式有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法主要有两种，一种是吊砝码直接测量力后与力臂相乘计算力矩，一种是通过力矩器直接测量力矩，两种方法均需要专门搭建回转轴系，将分体式有刷力矩电机的定子、转子分别安装在轴系的定子和转子上，将多组电刷通过电刷架安装在定子上，结构复杂，加工和装配要求高。上述两种方法均忽略了回转轴系中轴承的摩擦力矩、电机的激磁力矩和轴系的偏心力矩，测量结果误差较大，精度低。同时，第一种方法需要多次对砝码进行增减操作，操作繁琐。第二种方法还需要在测量时，通过联轴器将力矩器的输出轴与电机输出轴连接，并保证两输出轴同轴，还需额外配置专用电源和后处理设备，投入大，成本高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法及系统，能够可靠的得到电刷摩擦力矩，方法简单、可靠，也提高了测量精度。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法，该测量方法的具体步骤包括如下：

构建驱动轴系，包括基座和转轴，所述转轴设置在所述基座上并与铅垂线垂直，所述转轴连接负载；

安装有刷力矩电机，包括定子、转子、电刷架和电刷，所述转子套装在所述转轴上，所述定子设置在所述基座上并位于转子外表面；所述电刷架设置在所述定子和转子之间并连接定子；所述电刷设置电刷架上，内表面与所述转子的外表面接触；

所述转子的外端面粘贴拉绳的一头，所述拉绳的另一头连接测力计的拉钩；

将测力计沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到所述转子相对于定子刚好转动，记录此时测力计的示数为F1；

拆下所述电刷架和电刷，重新转动转轴，使所述转子恢复到初始位置；

将测力计沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到转子相对于定子刚好转动，记录此时测力计的示数为F2；

根据所得到的力F1和力F2，计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩为(F1-F2)×L1。

进一步的，初始位置，所述定子和转子的外端面分别设置对齐标记线。

进一步的，所述计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩，具体包括：

根据F1得到所述转子相对于定子刚好转动瞬间的力学平衡方程式如下：

F1×L1-G×L-M1-M2-M3＝0 (1)

根据F2得到所述转子相对于定子刚好转动瞬间的力学平衡方程式如下：

F2×L1-G×L-M1-M2＝0 (2)

其中，G为转轴、负载、转子组合体的重力，L为组合体的重力力臂，M1为驱动轴系中轴承的摩擦力矩，M2为有刷力矩电机的激磁力矩，M3为电刷的摩擦力矩；

根据公式(1)和公式(2)，计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩为：M3＝(F1-F2)×L1。

进一步的，所述测力计采用电子测力计，每次施加拉力的增加值为测力计最小单位示数值。

本发明还提供一种有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量系统，该测量系统包括：

轴系构建模块：用于构建驱动轴系，包括基座和转轴，所述转轴设置在所述基座上并与铅垂线垂直，所述转轴连接负载；

电机安装模块：用于安装有刷力矩电机，包括定子、转子、电刷架和电刷，所述转子套装在所述转轴上，所述定子设置在所述基座上并位于所述转子外表面；所述电刷架设置在所述定子和转子之间并连接定子；所述电刷设置电刷架上，内表面与所述转子的外表面接触；

测力安装模块：用于在转子的外端面粘贴拉绳的一头，所述拉绳的另一头连接测力计的拉钩；

第一操作模块：用于将测力计沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到所述转子相对于定子刚好转动，记录此时测力计的示数为F1；

拆卸模块：用于拆下所述电刷架和电刷，重新转动转轴，使所述转子恢复到初始位置；

第二操作模块：用于将测力计沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到转子相对于定子刚好转动，记录此时测力计的示数为F2；

力矩计算模块：用于根据所得到的力F1和力F2，计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩为(F1-F2)×L1。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的测量方法充分利用了已有驱动轴系结构，无需专门搭建测量回转轴系，简化了测量装置，大大降低了加工难度和加工成本。此外，也考虑了驱动轴系中轴承的摩擦力矩、轴系的偏心力矩和电机的激磁力矩，通过二次测力，在轴承的摩擦力矩、电刷的摩擦力矩、轴系的偏心力矩和电机的激磁力矩这四种力矩耦合作用下，实现了电刷摩擦力矩的测量，计算过程简单，提高了测量精度。

(2)本发明中定子和转子的外端面上设置对齐标记线，方便观察转子相对于定子的转动瞬间，保证得到的测力计的示数准确、可靠。

(3)本发明通过二次测力，并运用力矩平衡原理，在无需测量出轴承的摩擦力矩、电机的激磁力矩和轴系的偏心力矩的同时，实现了电刷摩擦力矩的测量，简单、可靠也易于实现。

(4)本发明采用电子测力计测力，无需对砝码进行增减操作，也无需应变片和处理电路，操作和观察简单、方便，测量也可靠。

(5)本发明的测量系统直接利用驱动轴系进行测量，将转子安装在转轴上再将定子安装在基座上，用测力计沿铅垂线方向施加拉力直到转轴转动，拆卸电刷架和电刷再用测力计施加拉力直到转轴转动，依据力矩平衡原理，分别列出不同转动瞬间的力学平衡方程式，从而得到电刷摩擦力矩，测量精度高，计算过程简单，也便于操作和观察。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法的流程图。

图2为本发明驱动轴系及安装电机定子和转子状态下的第一次测量示意图。

图3为本发明驱动轴系中拆卸电刷架和电刷状态下的第二次测量示意图。

图4为本发明有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量系统的原理图。

其中，1-基座，2-转轴，3-定子，4-转子，5-转轴、负载、转子组合体的质心，6-转轴中心线，7-拉绳，8-拉绳粘接点，9-测力计，10-电刷架，11-电刷。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。

此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参阅图1所示，本发明提供一种有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法，该测量方法的具体步骤包括如下：

步骤S1：如图2所示，构建驱动轴系，所述驱动轴系包括基座1和转轴2，所述转轴2设置在所述基座1上并与铅垂线垂直，所述转轴2连接负载。

步骤S2：安装有刷力矩电机，所述有刷力矩电机包括定子3、转子4、电刷架10和多组电刷11，所述转子4套装在所述转轴2上，所述定子3设置在所述基座1上并位于所述转子4外表面。所述电刷架10设置在所述定子3和转子4之间，并与所述定子3连接。所述电刷架10上设置多组电刷11，所述电刷11的内表面与所述转子4的外表面接触。

步骤S3：所述转子2的外端面粘贴拉绳7的一头，所述拉绳7的另一头连接测力计9的拉钩。

具体的，所述转轴2与基座1间通过轴承连接，保证连接可靠，所述转轴2、转子4和负载可以进行回转运动。所述电刷11的数量可以根据实际需要进行增加或减少。

步骤S4：将测力计9沿铅垂线方向(即图示中竖直向上)从零开始缓慢施加拉力，直到所述转子4相对于定子3刚好转动，记录此时测力计9的示数，记为F1。

本步骤中，所述定子3和转子4的外端面上设置对齐标记线，施加拉力过程中观察所述转子4与定子3的外端面的标记线，初始位置，两者的对齐标记线为对齐，当两者的对齐标记线刚好不对齐时即确定所述转子4相对于定子3刚好转动，此时对应测力计9的示数为F1，方便观察转子4的转动瞬间。

步骤S5：如图3所示，拆下电机的电刷架10和电刷11，重新转动转轴2，使所述转子4恢复到初始位置，即所述转子4外端面的标记线恢复到所述步骤S2的位置。

步骤S6：将测力计9沿铅垂线方向(即图示中竖直向上)从零开始缓慢施加拉力，施加拉力过程中观察所述转子4与定子3的外端面，直到转子4相对于定子3刚好转动，记录此时测力计9的示数，记为F2。

步骤S7：根据所得到的力F1和力F2，计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩为(F1-F2)×L1。

本步骤S7中，计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩，具体包括：

依据力矩平衡原理，根据F1得到所述转子4相对与定子3刚好转动瞬间的力学平衡方程式如下：

F1×L1-G×L-M1-M2-M3＝0 (1)

同理的，依据力矩平衡原理，根据F2得到所述转子4相对与定子3刚好转动瞬间的力学平衡方程式如下：

F2×L1-G×L-M1-M2＝0 (2)

其中，G为转轴2、负载、转子4组合体的重力，L为转轴2、负载、转子4组合体的重力力臂，M1为驱动轴系中轴承的摩擦力矩，M2为分体式有刷力矩电机激磁力矩，M3为电刷的摩擦力矩。

根据公式(1)和公式(2)，计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩为：M3＝(F1-F2)×L1。

进一步的，所述测力计9采用电子测力计，每次施加拉力的增加值为测力计最小单位示数值，避免因用力过大而导致测量的拉力不准确的结果，可以提高测量精度。

参阅图4所示，本发明还提供一种有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量系统，包括：

轴系构建模块：用于构建驱动轴系，所述驱动轴系包括基座1和转轴2，所述转轴2设置在所述基座1上并与铅垂线垂直，所述转轴2连接负载。

电机安装模块：用于安装有刷力矩电机，所述有刷力矩电机包括定子3、转子4、电刷架10和多组电刷11，所述转子4套装在所述转轴2上，所述定子3设置在所述基座1上并位于所述转子4外表面。所述电刷架10设置在所述定子3和转子4之间，并与所述定子3连接。所述电刷架10上设置多组电刷11，所述电刷11的内表面与所述转子4的外表面接触。

测力安装模块：用于在转子4的外端面粘贴拉绳7的一头，所述拉绳7的另一头连接测力计9的拉钩，拉绳粘接点与转轴中心线的距离为L1。

第一操作模块：用于将测力计9沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到所述转子4相对于定子3刚好转动，记录此时测力计9的示数为F1。

拆卸模块：用于拆下电机的电刷架10和电刷11，重新转动转轴2，使所述转子4恢复到初始位置。

第二操作模块：用于将测力计9沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到转子4相对于定子3刚好转动，记录此时测力计9的示数为F2。

力矩计算模块：用于根据所得到的力F1和力F2，计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩为(F1-F2)×L1。

具体的，本发明实施例提供的系统具体用于执行上述方法实施例，本发明实施例对此不再进行赘述。

本发明提供的有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法及系统，充分利用了已有驱动轴系结构，无需拆解驱动轴系，测量时驱动轴系已完成正式装配，有效避免了安装误差引起的偏心误差，并考虑了驱动轴系中轴承的摩擦力矩、轴系的偏心力矩和电机的激磁力矩，运用力矩平衡原理，在无需测量出轴承的摩擦力矩、轴系的偏心力矩和电机的激磁力矩的同时，实现了电机的电刷摩擦力矩的测量，简单、可靠也易于实现。此外，本发明测量时无需连接力矩器，无需额外配置专用电源和后处理设备，调试方法简单实用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法，其特征在于：该测量方法的具体步骤包括如下：

构建驱动轴系，包括基座和转轴，所述转轴设置在所述基座上并与铅垂线垂直，所述转轴连接负载；

安装有刷力矩电机，包括定子、转子、电刷架和电刷，所述转子套装在所述转轴上，所述定子设置在所述基座上并位于转子外表面；所述电刷架设置在所述定子和转子之间并连接定子；所述电刷设置电刷架上，内表面与所述转子的外表面接触；

所述转子的外端面粘贴拉绳的一头，所述拉绳的另一头连接测力计的拉钩；

将测力计沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到所述转子相对于定子刚好转动，记录此时测力计的示数为F1；

拆下所述电刷架和电刷，重新转动转轴，使所述转子恢复到初始位置；

将测力计沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到转子相对于定子刚好转动，记录此时测力计的示数为F2；

根据所得到的力F1和力F2，计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩为(F1-F2)×L1。

2.根据权利要求1所述的有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法，其特征在于：初始位置，所述定子和转子的外端面分别设置对齐标记线。

3.根据权利要求1或2所述的有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法，其特征在于：所述计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩，具体包括：

根据F1得到所述转子相对于定子刚好转动瞬间的力学平衡方程式如下：

F1×L1-G×L-M1-M2-M3＝0 (1)

根据F2得到所述转子相对于定子刚好转动瞬间的力学平衡方程式如下：

F2×L1-G×L-M1-M2＝0 (2)

其中，G为转轴、负载、转子组合体的重力，L为组合体的重力力臂，M1为驱动轴系中轴承的摩擦力矩，M2为有刷力矩电机的激磁力矩，M3为电刷的摩擦力矩；

根据公式(1)和公式(2)，计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩为：M3＝(F1-F2)×L1。

4.根据权利要求3所述的有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法，其特征在于：所述测力计采用电子测力计，每次施加拉力的增加值为测力计最小单位示数值。

5.一种基于权利要求1～4任一项所述有刷力矩电机的电刷摩擦力矩测量方法的系统，其特征在于：该测量系统包括：

轴系构建模块：用于构建驱动轴系，包括基座和转轴，所述转轴设置在所述基座上并与铅垂线垂直，所述转轴连接负载；

电机安装模块：用于安装有刷力矩电机，包括定子、转子、电刷架和电刷，所述转子套装在所述转轴上，所述定子设置在所述基座上并位于所述转子外表面；所述电刷架设置在所述定子和转子之间并连接定子；所述电刷设置电刷架上，内表面与所述转子的外表面接触；

测力安装模块：用于在转子的外端面粘贴拉绳的一头，所述拉绳的另一头连接测力计的拉钩；

第一操作模块：用于将测力计沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到所述转子相对于定子刚好转动，记录此时测力计的示数为F1；

拆卸模块：用于拆下所述电刷架和电刷，重新转动转轴，使所述转子恢复到初始位置；

第二操作模块：用于将测力计沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到转子相对于定子刚好转动，记录此时测力计的示数为F2；

力矩计算模块：用于根据所得到的力F1和力F2，计算得到有刷力矩电机的电刷摩擦力矩为(F1-F2)×L1。

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