趙 浩, 馮 浩

(1. 嘉興學(xué)院, 浙江 嘉興 314001; 2. 杭州電子科技大學(xué), 浙江 杭州 310018)

1 引 言

轉(zhuǎn)矩變化是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀況的重要信息,是檢驗(yàn)各類動(dòng)力機(jī)械功率輸出是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的必要手段[1,2]。準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠地測(cè)量出機(jī)械設(shè)備的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩,對(duì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)控制以及改進(jìn)和提高設(shè)備的機(jī)械性能都有著重要的作用[3],因此,很多專家學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)矩測(cè)量進(jìn)行了深入的研究,研制了多種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置[4～9]。

轉(zhuǎn)矩分為恒定的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和變化的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩。常用的轉(zhuǎn)矩傳感器多用于測(cè)量靜態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩,或者測(cè)量轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周的平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩。常用的標(biāo)定方法是對(duì)傳感器軸加載高精度砝碼進(jìn)行直接標(biāo)定[10],或采用磁粉制動(dòng)器和另外標(biāo)定好的轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行間接標(biāo)定[11]。但上述方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器的標(biāo)定,主要原因是無(wú)法產(chǎn)生已知的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)。

本文提出了一種標(biāo)定振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器的方法,詳細(xì)闡述了振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源的工作原理,根據(jù)磁路相關(guān)定律推導(dǎo)了激勵(lì)源的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式[12]。構(gòu)建了振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器標(biāo)定系統(tǒng),對(duì)實(shí)際振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行了靈敏度系數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了標(biāo)定方法的可行性。

2 振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源

2.1 工作原理

振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為定子、轉(zhuǎn)子和換向器3大部分,如圖1所示。定子主要包括勵(lì)磁繞組和定子鐵心;轉(zhuǎn)子主要包括電樞繞組和轉(zhuǎn)子鐵心;換向器主要包括換向片和電刷。其中勵(lì)磁繞組經(jīng)過(guò)換向器后與電樞繞組串接,電刷置放在幾何中性線位置,工作時(shí)繞組中通入交變電流。

圖1 振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)某瞬間勵(lì)磁繞組和電樞繞組中的電流如圖2所示,根據(jù)右手定則,勵(lì)磁繞組產(chǎn)生如圖2所示的脈振磁場(chǎng)。為了分析問(wèn)題的方便,電樞繞組看作是集中繞組,則電樞繞組會(huì)受到磁場(chǎng)力的作用,方向通過(guò)左手定則判斷,為逆時(shí)針?lè)较?則轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由于勵(lì)磁繞組和電樞繞組中的電流為交變量,則電流方向會(huì)同時(shí)發(fā)生改變,根據(jù)左手定則,電樞繞組受力方向不變,因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)持續(xù)受到相同方向的轉(zhuǎn)矩作用,以轉(zhuǎn)速n連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源工作原理示意圖

2.2 電磁轉(zhuǎn)矩

激勵(lì)源的勵(lì)磁繞組通入交變電流為:

if(t)=Imsinωt

(1)

式中:ω為交流電角頻率;Im為電流峰值。假設(shè)勵(lì)磁繞組的有效匝數(shù)為N1,則氣隙產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為:

Ff(t)=N1Imsinωt

(2)

根據(jù)磁路的歐姆定律,同時(shí)考慮鐵耗和換向元件對(duì)電流的影響,假設(shè)磁路對(duì)稱,則氣隙中的磁通為:

(3)

激勵(lì)源轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩為電樞繞組電流與勵(lì)磁繞組磁場(chǎng)相互作用后產(chǎn)生,與直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生過(guò)程基本一致,激勵(lì)源轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩為:

Te(t) =CmΦf(t)·if(t)=

CmΦmIm· sinωt· sin (ωt-α)=

(4)

圖3 電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形圖

激勵(lì)源運(yùn)行時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩包括恒定分量和振動(dòng)分量,兩者的幅值相同,且振動(dòng)分量的變化頻率為通電頻率的2倍。

3 標(biāo)定系統(tǒng)

振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器標(biāo)定系統(tǒng)的組成如圖4所示,包括振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器、振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源和可調(diào)負(fù)載。其中可調(diào)負(fù)載采用磁粉制動(dòng)器,通過(guò)調(diào)節(jié)控制電流實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的幅值調(diào)節(jié)。

圖4 標(biāo)定系統(tǒng)的組成

標(biāo)定系統(tǒng)工作時(shí),振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器、激勵(lì)源和負(fù)載采用剛性聯(lián)軸器同心連接。根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡方程可知,標(biāo)定系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),負(fù)載與電磁轉(zhuǎn)矩恒定分量的幅值大小相等;根據(jù)式(4)可知,電磁轉(zhuǎn)矩恒定分量與振動(dòng)分量的幅值相等,則此時(shí)的負(fù)載值與振動(dòng)轉(zhuǎn)矩的幅值相等,通過(guò)記錄振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出電壓即可實(shí)現(xiàn)其標(biāo)定。

4 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與分析

按照?qǐng)D4所示的框圖將標(biāo)定系統(tǒng)組裝完成,其中振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源的額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min,額定電壓為220 V,額定頻率為50 Hz,額定電流為0.8 A;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用浙江大學(xué)求是科技的NMCL-Ⅱ型電機(jī)及傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),激勵(lì)源轉(zhuǎn)軸一端通過(guò)剛性聯(lián)軸器與振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器同軸連接,另一端通過(guò)剛性聯(lián)軸器與磁粉制動(dòng)器相連;此外還包括傳感器用電源和具有濾波功能的數(shù)字存儲(chǔ)示波器。

接通電源后調(diào)節(jié)激勵(lì)源的電壓至220 V,然后調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器改變負(fù)載大小,使得激勵(lì)源的工作電流為0.8 A,此時(shí)標(biāo)定系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速為3 924 r/min,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.15 N·m。根據(jù)式(4)可知,電磁轉(zhuǎn)矩振動(dòng)分量的頻率為通電頻率的2倍,即為100 Hz,因此,開(kāi)啟示波器的濾波功能,設(shè)置截止頻率為100 Hz,則示波器采集的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出電壓如圖5所示。

圖5 振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出電壓

由圖5可知,振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出電壓幅值為1.68 V,頻率為100 Hz,由此驗(yàn)證了振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源工作原理的正確性。

4.1 空載阻轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償

激勵(lì)源工作時(shí),由于轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)存在阻力矩,導(dǎo)致激勵(lì)源運(yùn)行時(shí)存在空載阻轉(zhuǎn)矩,根據(jù)振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器的標(biāo)定原理可知,需要對(duì)該空載阻轉(zhuǎn)矩進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償措施。將可調(diào)負(fù)載,即磁粉制動(dòng)器斷電,激勵(lì)源空載運(yùn)行,此時(shí)振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 激勵(lì)源空載時(shí)振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出電壓

由圖6可知,激勵(lì)源空載運(yùn)行時(shí),空載阻轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電壓幅值為0.96 V,因此,在后續(xù)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,與負(fù)載值對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電壓,需要減去空載時(shí)的該電壓幅值。

4.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 實(shí)驗(yàn)1

改變磁粉制動(dòng)器的控制電流,調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.1 N·m,根據(jù)式(4)可知此時(shí)振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)表達(dá)式為:

Tvib=0.1·cos(200πt)

(5)

振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器的輸出電壓波形(補(bǔ)償后)如圖7所示。假設(shè)初始相位為零,從振動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大值開(kāi)始,在一個(gè)周期對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)取若干測(cè)量點(diǎn),將時(shí)間點(diǎn)代入式(5),得到對(duì)應(yīng)的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩值,如表1所示。由此可知,振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器的靈敏度系數(shù)約為4.42 V/(N·m)。

圖7 0.1 N·m對(duì)應(yīng)的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出電壓

4.2.2 實(shí)驗(yàn)2

改變磁粉制動(dòng)器的控制電流,調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.05～0.15 N·m變化,記錄各個(gè)負(fù)載值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出電壓的幅值,如表2所示。

由表2可知,振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器的靈敏度系數(shù)約為4.58 V/(N·m)。

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)1數(shù)據(jù)

表2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)2數(shù)據(jù)

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2得到的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器靈敏度系數(shù)基本相同,由此驗(yàn)證了標(biāo)定系統(tǒng)工作原理的正確性和該標(biāo)定方法的可行性。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源能夠產(chǎn)生頻率為100 Hz且幅值可調(diào)的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩;對(duì)實(shí)際的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了標(biāo)定方法的可行性,結(jié)果表明振動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳感器的靈敏度系數(shù)為4.58 V/(N·m);后續(xù)研究的重點(diǎn)是通過(guò)使用變頻電源,使振動(dòng)轉(zhuǎn)矩激勵(lì)源產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng),以實(shí)現(xiàn)傳感器頻率響應(yīng)范圍的測(cè)定。

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