CN115144109A - 一种无刷力矩电机的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，公开了一种无刷力矩电机的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，用测力计沿铅垂线正反方向施加拉力直到转轴转动，将定子拆卸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，从而分别计算得到激磁力矩和偏心力矩。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，并能够可靠地得到激磁力矩和偏心力矩，计算过程简单，提高了测量精度，也便于操作和观察。

Description

一种无刷力矩电机的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，特别涉及一种无刷力矩电机的力矩测量方法及系统。

背景技术

分体式无刷力矩电机的永磁体激磁后产生激磁力矩，其对分体式无刷力矩电机的力矩波动和起动电压影响很大，是分体式无刷力矩电机检验的一个重要指标。现有公开针对激磁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，另一种是起动电流与转矩灵敏度相乘计算激磁力矩。

上述两种方法均需要专门搭建回转轴系，将分体式无刷力矩电机的定子、转子分别安装在轴系的定子和转子上，结构复杂，加工和装配要求高。两种方法均忽略了回转轴系中轴承的摩擦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对分体式无刷力矩电机通电并保持堵转状态，测量堵转转矩与堵转电流后计算转矩灵敏度，且受分体式无刷力矩电机最大堵转时间影响，激磁力矩测量时间必须严格受限，不得超出分体式无刷力矩电机最大堵转时间，需额外配置专用电源和测量仪器，投入大，成本高。

此外，分体式无刷力矩电机采用的驱动轴系中负载、转轴和无刷力矩电机的转子可以进行回转运动，但由于加工精度、空间尺寸、重量限制等影响，一般负载、转轴和电机的转子三者的质心与转轴回转中心不重合，需要测量和控制装配完成后的驱动轴系的偏心力矩，并根据测量结果，必要时进行结构配平。现有公开针对驱动轴系的偏心力矩测量方法主要有两种，一种是单独测量驱动轴系回转运动部分的质量和质心，直接计算重力后与重力力臂相乘计算偏心力矩；另一种是利用应变片的压电效应原理，在被测件上粘贴应变片，通过应变片单片全桥或组桥方式处理电路测量力矩。

上述中，第一种方法需要在驱动轴系装配前进行测量，或者将完成装配后的驱动轴系拆解后才能测量，且需要专用质量特性测量仪进行测量，测量时需要将驱动轴系回转部分，安装在质量特性测量仪的运动轴上做高速旋转运动，结构复杂，投入大，成本高，测量完成后才能进行驱动轴系正式装配，无法避免安装误差引起的偏心误差。第二种方法的原理复杂，操作繁琐，需在被测件上粘贴应变片，而应变片的粘贴要求很高，不合适的粘贴将引起零飘和蠕变等问题，应变片粘贴后还需检查有无气泡、翘曲和脱胶，测量有无短路、断路和阻值突变现象。

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，提供一种无刷力矩电机的力矩测量方法及系统，能够可靠地得到激磁力矩和偏心力矩，计算过程简单，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：

本发明提供一种无刷力矩电机的力矩测量方法，该测量方法的具体步骤包括如下：

构建驱动轴系并安装无刷力矩电机，所述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；所述电机包括定子和转子，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，拉绳粘接点与转轴中心线的距离为L1；

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；

重新转动转轴使所述转子恢复到初始位置，并将测力计沿铅垂线的相反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，计算得到无刷力矩电机的驱动轴系的偏心力矩为0.5×(F1-F2)×L1；

拆下电机的定子，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，直到转子相对于基座刚好转动，记录此时测力计的示数为F3；

根据所得到的力F1和力F3，计算得到无刷力矩电机的激磁力矩为(F1-F3)×L1。

进一步的，初始位置，所述定子和转子的外端面、及所述基座上设置对齐标记线。

进一步的，所述计算得到无刷力矩电机的驱动轴系的偏心力矩，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＝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为无刷力矩电机的激磁力矩；

根据公式(1)和公式(2)，计算得到无刷力矩电机驱动轴系的偏心力矩为：G×L＝0.5×(F1-F2)×L1。

进一步的，所述计算得到无刷力矩电机的激磁力矩，具体包括：

根据所述F3得到转子相对于基座刚好转动瞬间的力学平衡方程式如下：

F3×L1-G×L-M1＝0 (3)

根据公式(1)和公式(3)，计算得到无刷力矩电机的激磁力矩为：M2＝(F1-F3)×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。

本发明提供一种无刷力矩电机的力矩测量系统，该测量系统包括：

轴系构建模块：用于构建驱动轴系并安装无刷力矩电机，所述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；所述电机包括套装在所述转轴上的转子、及设置在所述基座上并位于所述转子外表面的定子；

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，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F1；

第二操作模块：用于重新转动转轴使转子恢复到初始位置，并将测力计沿铅垂线的相反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；

偏心力矩计算模块：用于根据所得到的力F1和力F2，计算得到无刷力矩电机的驱动轴系的偏心力矩为0.5×(F1-F2)×L1。

进一步的，所述测量系统还包括：

拆卸模块：用于拆下电机的定子，重新转动转轴，使所述转子恢复到初始位置；

第三操作模块：用于将测力计沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到转子相对于基座刚好转动，记录此时测力计的示数为F3；

激磁力矩计算模块：用于根据所得到的力F1和力F3，计算得到无刷力矩电机的激磁力矩为(F1-F3)×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。考虑了驱动轴系中轴承的摩擦力矩，通过三次测力，在轴承的摩擦力矩、轴系的偏心力矩和电机的激磁力矩这三种力矩耦合作用下，实现了电机的激磁力矩的测量，同时也实现驱动轴系装配过程中偏心力矩在线测量与判别，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、及基座上分别设置对齐标记线，方便观察转子相对于定子和基座的转动瞬间，保证得到的测力计的示数准确、可靠。

(3)本发明通过三次测力，并运用力矩平衡原理，在无需测量出轴承的摩擦力矩的同时，同时实现了电机的激磁力矩和驱动轴系的偏心力矩的测量，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，用测力计沿铅垂线正反方向施加拉力直到转轴转动，将定子拆卸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，从而分别得到激磁力矩和偏心力矩，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为本发明无刷力矩电机的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为本发明第二次测量示意图。

图4为本发明驱动轴系及只安装电机转子状态下的测量示意图。

图5为本发明无刷力矩电机的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。

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，本发明提供一种无刷力矩电机的力矩测量方法，该测量方法的具体步骤包括如下：

步骤S1：如图2所示，构建驱动轴系并安装无刷力矩电机，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。所述电机包括定子3和转子4，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。

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。

步骤S2：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；所述转子2上拉绳粘接点8与转轴中心线6的距离为L1。

步骤S3：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，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S4：如图3所示，重新转动转轴2使所述转子4恢复到初始位置，并将测力计9沿步骤S3的相反方向(即图示中竖直向下)从零开始缓慢施加拉力，直到电机的转子4相对于定子3刚好转动，记录此时测力计9示数，记为F2。

本步骤中，转动转轴2使转子4外端面的标记线恢复到步骤S3中的位置，施加拉力过程中也观察电机的转子4与定子3两者外端面的标记线，确定所述转子4相对于定子3刚好转动。

步骤S5：根据所得到的力F1和力F2，计算得到无刷力矩电机的驱动轴系的偏心力矩为0.5×(F1-F2)×L1。

本步骤S5中，计算得到无刷力矩电机的驱动轴系的偏心力矩，具体包括：

依据力矩平衡原理，根据F1得到所述电机的转子4相对于定子3刚好转动瞬间的力学平衡方程式如下：

F1×L1-G×L-M1-M2＝0 (1)

同理的，依据力矩平衡原理，根据F2得到所述电机的转子4相对于定子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为分体式无刷力矩电机激磁力矩；

根据公式(1)和公式(2)，计算得到无刷力矩电机驱动轴系的偏心力矩为：

G×L＝0.5×(F1-F2)×L1。

步骤S6：如图4所示，拆下电机的定子3，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S7：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的外端面与基座1，直到转子4相对于基座1刚好转动，记录此时测力计9的示数，记为F3。

具体的，所述基座1上也设置与所述转子4位置相对应的对齐标记线，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，即为转子4相对于基座1刚好转动，方便观察。

步骤S8：根据所得到的力F1和力F3，计算得到无刷力矩电机的激磁力矩为(F1-F3)×L1。

本步骤S8中，计算得到无刷力矩电机的激磁力矩，具体包括：

依据力矩平衡原理，根据所述F3得到电机的转子4相对于基座1刚好转动瞬间的力学平衡方程式如下：

F3×L1-G×L-M1＝0 (3)

根据公式(1)和公式(3)，计算得到无刷力矩电机的激磁力矩为：M2＝(F1-F3)×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5所示，本发明还提供一种无刷力矩电机的力矩测量系统，包括：

轴系构建模块：用于构建驱动轴系并安装无刷力矩电机；具体的，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；所述电机1包括定子3和转子4，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。

测力安装模块：用于在转子的外端面粘贴拉绳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。

第二操作模块：用于重新转动转轴2使所述转子4恢复到初始位置，并将测力计9沿铅垂线的相反方向从零开始缓慢施加拉力，直到电机的转子4相对于定子3刚好转动，记录此时测力计9的示数为F2。

偏心力矩计算模块：用于根据所得到的力F1和力F2，计算得到无刷力矩电机的驱动轴系的偏心力矩为0.5×(F1-F2)×L1。

拆卸模块：用于拆下电机的定子3，重新转动转轴2，使所述转子4恢复到初始位置。

第三操作模块：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相对于基座1刚好转动，记录此时测力计9的示数为F3。

激磁力矩计算模块：用于根据所得到的力F1和力F3，计算得到无刷力矩电机的激磁力矩为(F1-F3)×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。

本发明提供的无刷力矩电机的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，运用力矩平衡原理，在无需测量出轴承的摩擦力矩的同时，实现了电机的激磁力矩和驱动轴系的偏心力矩的测量，简单、可靠也易于实现。此外，本发明测量激磁力矩时无需对分体式无刷力矩电机通电和堵转，测量时间不受最大堵转时间限制，无需额外配置专用电源和测量仪器，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 (7)

1.一种无刷力矩电机的力矩测量方法，其特征在于：该测量方法的具体步骤包括如下：

构建驱动轴系并安装无刷力矩电机，所述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；所述电机包括定子和转子，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，拉绳粘接点与转轴中心线的距离为L1；

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；

重新转动转轴使所述转子恢复到初始位置，并将测力计沿铅垂线的相反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，计算得到无刷力矩电机的驱动轴系的偏心力矩为0.5×(F1-F2)×L1；

拆下电机的定子，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，直到转子相对于基座刚好转动，记录此时测力计的示数为F3；

根据所得到的力F1和力F3，计算得到无刷力矩电机的激磁力矩为(F1-F3)×L1。

2.根据权利要求1所述的无刷力矩电机的力矩测量方法，其特征在于：初始位置，所述定子和转子的外端面、及所述基座上设置对齐标记线。

3.根据权利要求1或2所述的无刷力矩电机的力矩测量方法，其特征在于：所述计算得到无刷力矩电机的驱动轴系的偏心力矩，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＝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为无刷力矩电机的激磁力矩；

根据公式(1)和公式(2)，计算得到无刷力矩电机驱动轴系的偏心力矩为：G×L＝0.5×(F1-F2)×L1。

4.根据权利要求3所述的无刷力矩电机的力矩测量方法，其特征在于：所述计算得到无刷力矩电机的激磁力矩，具体包括：

根据所述F3得到转子相对于基座刚好转动瞬间的力学平衡方程式如下：

F3×L1-G×L-M1＝0 (3)

根据公式(1)和公式(3)，计算得到无刷力矩电机的激磁力矩为：

M2＝(F1-F3)×L1。

5.根据权利要求1或4所述的无刷力矩电机的力矩测量方法，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。

6.一种基于权利要求1～5任一项所述无刷力矩电机的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：用于构建驱动轴系并安装无刷力矩电机，所述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；所述电机包括套装在所述转轴上的转子、及设置在所述基座上并位于所述转子外表面的定子；

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，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F1；

第二操作模块：用于重新转动转轴使转子恢复到初始位置，并将测力计沿铅垂线的相反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；

偏心力矩计算模块：用于根据所得到的力F1和力F2，计算得到无刷力矩电机的驱动轴系的偏心力矩为0.5×(F1-F2)×L1。

7.根据权利要求6所述的无刷力矩电机的力矩测量系统，其特征在于：所述测量系统还包括：

拆卸模块：用于拆下电机的定子，重新转动转轴，使所述转子恢复到初始位置；

第三操作模块：用于将测力计沿铅垂线方向从零开始缓慢施加拉力，直到转子相对于基座刚好转动，记录此时测力计的示数为F3；

激磁力矩计算模块：用于根据所得到的力F1和力F3，计算得到无刷力矩电机的激磁力矩为(F1-F3)×L1。

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