一种直流微电机转矩测试方法

2017-05-04蒋梅平卢天剑陈天云

微特电机 2017年7期

蒋梅平,卢天剑,陈天云

(中国电子科技集团公司第二十一研究所,上海200233)

0 引言

随着社会的发展,人们生活水平的日益提高,各类电子器件在我们的日常生活中随处可见。直流微电机由于其价格便宜,制造简单,是一种在各类电动玩具、电动工具、家用电器上被广泛使用的小型直流电动机。直流微电机作为一个动力元件,其性能的优劣对产品的使用具有直接的影响。

直流微电机的输出性能主要是指转矩和转速。电动机的转矩一般使用转矩传感器测试,但直流微电机转矩很小,使用转矩传感器测试时需要在转矩传感器和电动机之间使用联轴器进行连接,当测量小转矩时联轴器的存在会使测试产生较大的误差。本文介绍了一种使用力矩盘和拉力计测试转矩的方法,以简单的结构就能准确地测试直流微电机的性能。

1 系统构成

测试系统的构成如图1所示。系统主要由数字功率表、转速表、力矩盘、拉力计、电机安装支架和拉力计安装支架组成。

根据直流微电机的特点,选用硬件时,尽量采用提高精度、减小附加误差的原则进行。

安装在直流微电机转轴上的力矩盘一般使用塑料或铝合金制作,主要结构如图2(a)所示。力矩盘的中间为加载测试部分,测试时细棉线绕在力矩盘的加载测试位置。两边高出的部分为挡圈,防止测试时细棉线从力矩盘上滑脱。当力矩盘较大时,为降低力矩盘的自身惯量,可以在保证结构强度的前提下对力矩盘进行减重镂空处理,以减少力矩盘惯量对测试结果的影响。

图1 转矩测试系统示意图

图2 力矩盘结构图

图2(b)为紧定螺钉固定的力矩盘,加工简单、通用性强,是最常用的力矩盘。但由于紧定螺钉的存在,力矩盘重心不在力矩盘的圆心上,在高速转动时会产生一定的偏心力矩,对测试精度有一定影响。图2(c)为抱紧式固定的力矩盘,它采用对称性结构的设计,可以保证力矩盘在高度转动时偏心力矩最小。且抱紧结构固定力矩大,适合较大力矩的测试。抱紧结构加工较为复杂,有一定加工工艺要求。

图2(d)为使用硬塑料制作的力矩盘,在力矩盘中心位置开一个略小于电机的转轴安装孔后,不需要额外的紧固方式就可以直接安装在转轴上,使用简单方便。但由于塑料导热性差,材质较软,当转速较高或转矩较大时,热量积聚会发生塑料与细棉线接触部分软化现象,损坏塑料力矩盘。一般都是用于2 500 r/min以下的小转矩测试。

为了方便计算,力矩盘的半径一般用10 mm和20 mm。当转矩较小时可以将半径减小到5 mm,以提高测试精度。

转速测试使用的转速表分为接触式测试和非接触式两种,直流微电机的转矩一般较小。接触式转速表测试简单,只要将转速表与转轴接触即可,但会产生一定的负载转矩,对测取的数据产生影响。所以系统使用非接触式光电转速表。在力矩盘上黏贴一张反光纸,转速表的激光头发出的光线照射到反光纸后反射到转速表的接收端,就能准确地测取电机的当前转速。拉力计选用量程为5 N的数显式推拉力计,拉力计显示分度值为0.001 N。带 RS-232C串口输出功能,配上电脑通讯软件可以将测试数据输入到电脑中得到测试数据,绘制测试曲线图。

拉力计的安装支架两边均为水平滑台结构,使用螺纹摇杆的转动实现水平移动。

被测直流微电机的安装支架为一个二维的活动安装支架,可按直流微电机的大小调节支架的高低和前后位置。

系统测试时,电机机壳固定于试验支架上,在转轴上安装合适的力矩盘。用一根细棉线(或腈纶线)在力矩盘上缠绕2圈,缠绕时应依次平行绕线,避免交叉。细棉线的两头分别连接固定在左右两个拉力计上。调节电机安装支架的高度和前后位置,使细棉线在拉力计1的受力点、力矩盘受力切点和拉力计2的受力点这3个点在高低、前后位置均尽量保持在一直线上。安装到位后电机通电旋转,然后转动拉力计1安装支架的摇杆,使拉力计1向外水平移动,细棉线逐渐拉紧,给力矩盘上施加一定的摩擦力。此时直流微电机受到的负载转矩T=R×(L1-L2),如图3所示。调节拉力计1移动的距离即可施加不同的转矩。摩擦力的大小与线的材质、粗细和力矩盘表面的光洁度均有一定的关系。