一種直流微電機(jī)轉(zhuǎn)矩測(cè)試方法

蔣梅平,盧天劍,陳天云

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所,上海200233)

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展,人們生活水平的日益提高,各類(lèi)電子器件在我們的日常生活中隨處可見(jiàn)。直流微電機(jī)由于其價(jià)格便宜,制造簡(jiǎn)單,是一種在各類(lèi)電動(dòng)玩具、電動(dòng)工具、家用電器上被廣泛使用的小型直流電動(dòng)機(jī)。直流微電機(jī)作為一個(gè)動(dòng)力元件,其性能的優(yōu)劣對(duì)產(chǎn)品的使用具有直接的影響。

直流微電機(jī)的輸出性能主要是指轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩一般使用轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)試,但直流微電機(jī)轉(zhuǎn)矩很小,使用轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)試時(shí)需要在轉(zhuǎn)矩傳感器和電動(dòng)機(jī)之間使用聯(lián)軸器進(jìn)行連接,當(dāng)測(cè)量小轉(zhuǎn)矩時(shí)聯(lián)軸器的存在會(huì)使測(cè)試產(chǎn)生較大的誤差。本文介紹了一種使用力矩盤(pán)和拉力計(jì)測(cè)試轉(zhuǎn)矩的方法,以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)就能準(zhǔn)確地測(cè)試直流微電機(jī)的性能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)主要由數(shù)字功率表、轉(zhuǎn)速表、力矩盤(pán)、拉力計(jì)、電機(jī)安裝支架和拉力計(jì)安裝支架組成。

根據(jù)直流微電機(jī)的特點(diǎn),選用硬件時(shí),盡量采用提高精度、減小附加誤差的原則進(jìn)行。

安裝在直流微電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的力矩盤(pán)一般使用塑料或鋁合金制作,主要結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。力矩盤(pán)的中間為加載測(cè)試部分,測(cè)試時(shí)細(xì)棉線繞在力矩盤(pán)的加載測(cè)試位置。兩邊高出的部分為擋圈,防止測(cè)試時(shí)細(xì)棉線從力矩盤(pán)上滑脫。當(dāng)力矩盤(pán)較大時(shí),為降低力矩盤(pán)的自身慣量,可以在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下對(duì)力矩盤(pán)進(jìn)行減重鏤空處理,以減少力矩盤(pán)慣量對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖1 轉(zhuǎn)矩測(cè)試系統(tǒng)示意圖

圖2 力矩盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

圖2(b)為緊定螺釘固定的力矩盤(pán),加工簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng),是最常用的力矩盤(pán)。但由于緊定螺釘?shù)拇嬖?力矩盤(pán)重心不在力矩盤(pán)的圓心上,在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的偏心力矩,對(duì)測(cè)試精度有一定影響。圖2(c)為抱緊式固定的力矩盤(pán),它采用對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),可以保證力矩盤(pán)在高度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)偏心力矩最小。且抱緊結(jié)構(gòu)固定力矩大,適合較大力矩的測(cè)試。抱緊結(jié)構(gòu)加工較為復(fù)雜,有一定加工工藝要求。

圖2(d)為使用硬塑料制作的力矩盤(pán),在力矩盤(pán)中心位置開(kāi)一個(gè)略小于電機(jī)的轉(zhuǎn)軸安裝孔后,不需要額外的緊固方式就可以直接安裝在轉(zhuǎn)軸上,使用簡(jiǎn)單方便。但由于塑料導(dǎo)熱性差,材質(zhì)較軟,當(dāng)轉(zhuǎn)速較高或轉(zhuǎn)矩較大時(shí),熱量積聚會(huì)發(fā)生塑料與細(xì)棉線接觸部分軟化現(xiàn)象,損壞塑料力矩盤(pán)。一般都是用于2 500 r/min以下的小轉(zhuǎn)矩測(cè)試。

為了方便計(jì)算,力矩盤(pán)的半徑一般用10 mm和20 mm。當(dāng)轉(zhuǎn)矩較小時(shí)可以將半徑減小到5 mm,以提高測(cè)試精度。

轉(zhuǎn)速測(cè)試使用的轉(zhuǎn)速表分為接觸式測(cè)試和非接觸式兩種,直流微電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一般較小。接觸式轉(zhuǎn)速表測(cè)試簡(jiǎn)單,只要將轉(zhuǎn)速表與轉(zhuǎn)軸接觸即可,但會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,對(duì)測(cè)取的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。所以系統(tǒng)使用非接觸式光電轉(zhuǎn)速表。在力矩盤(pán)上黏貼一張反光紙,轉(zhuǎn)速表的激光頭發(fā)出的光線照射到反光紙后反射到轉(zhuǎn)速表的接收端,就能準(zhǔn)確地測(cè)取電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速。拉力計(jì)選用量程為5 N的數(shù)顯式推拉力計(jì),拉力計(jì)顯示分度值為0.001 N。帶 RS-232C串口輸出功能,配上電腦通訊軟件可以將測(cè)試數(shù)據(jù)輸入到電腦中得到測(cè)試數(shù)據(jù),繪制測(cè)試曲線圖。

拉力計(jì)的安裝支架兩邊均為水平滑臺(tái)結(jié)構(gòu),使用螺紋搖桿的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)。

被測(cè)直流微電機(jī)的安裝支架為一個(gè)二維的活動(dòng)安裝支架,可按直流微電機(jī)的大小調(diào)節(jié)支架的高低和前后位置。

系統(tǒng)測(cè)試時(shí),電機(jī)機(jī)殼固定于試驗(yàn)支架上,在轉(zhuǎn)軸上安裝合適的力矩盤(pán)。用一根細(xì)棉線(或腈綸線)在力矩盤(pán)上纏繞2圈,纏繞時(shí)應(yīng)依次平行繞線,避免交叉。細(xì)棉線的兩頭分別連接固定在左右兩個(gè)拉力計(jì)上。調(diào)節(jié)電機(jī)安裝支架的高度和前后位置,使細(xì)棉線在拉力計(jì)1的受力點(diǎn)、力矩盤(pán)受力切點(diǎn)和拉力計(jì)2的受力點(diǎn)這3個(gè)點(diǎn)在高低、前后位置均盡量保持在一直線上。安裝到位后電機(jī)通電旋轉(zhuǎn),然后轉(zhuǎn)動(dòng)拉力計(jì)1安裝支架的搖桿,使拉力計(jì)1向外水平移動(dòng),細(xì)棉線逐漸拉緊,給力矩盤(pán)上施加一定的摩擦力。此時(shí)直流微電機(jī)受到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=R×(L1-L2),如圖3所示。調(diào)節(jié)拉力計(jì)1移動(dòng)的距離即可施加不同的轉(zhuǎn)矩。摩擦力的大小與線的材質(zhì)、粗細(xì)和力矩盤(pán)表面的光潔度均有一定的關(guān)系。

圖3 受力示意圖

測(cè)試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩是以摩擦力的形式直接施加在力矩盤(pán)上的,最后以熱量的形式體現(xiàn)在力矩盤(pán)上。當(dāng)電機(jī)的輸出功率較大時(shí),力矩盤(pán)來(lái)不及散熱就會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重,直至燒斷細(xì)棉線。所以在長(zhǎng)時(shí)間加載測(cè)試時(shí)可以選用半徑較大的力矩盤(pán)增加散熱面積或使用風(fēng)扇吹風(fēng)加速空氣流通的方式加速散熱。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。

圖4 測(cè)試安裝圖

對(duì)同一臺(tái)直流微電機(jī)進(jìn)行了5次重復(fù)性測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所測(cè)電機(jī)參數(shù)表

在5次測(cè)試中,電流最大偏差與測(cè)試平均值的比值為0.26%,轉(zhuǎn)速最大偏差與測(cè)試平均值的比值為0.16%,轉(zhuǎn)矩最大偏差與測(cè)試平均值的比值為0.10%。從結(jié)果可以看出多次測(cè)試一致性良好,測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹的測(cè)試系統(tǒng)目前僅是手動(dòng)測(cè)試,如果將測(cè)力計(jì)安裝支架的水平滑臺(tái)結(jié)構(gòu)改為電動(dòng)伺服結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的轉(zhuǎn)矩加載,將轉(zhuǎn)速表、數(shù)字功率表與電腦通訊連接,也可以轉(zhuǎn)化為自動(dòng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流特性曲線測(cè)試系統(tǒng)。

[1] GB/T7345-2008.控制電機(jī)基本技術(shù)要求[S].