蔣梅平,盧天劍,陳天云

(中國電子科技集團公司第二十一研究所,上海200233)

0 引 言

隨著社會的發(fā)展,人們生活水平的日益提高,各類電子器件在我們的日常生活中隨處可見。直流微電機由于其價格便宜,制造簡單,是一種在各類電動玩具、電動工具、家用電器上被廣泛使用的小型直流電動機。直流微電機作為一個動力元件,其性能的優(yōu)劣對產品的使用具有直接的影響。

直流微電機的輸出性能主要是指轉矩和轉速。電動機的轉矩一般使用轉矩傳感器測試,但直流微電機轉矩很小,使用轉矩傳感器測試時需要在轉矩傳感器和電動機之間使用聯(lián)軸器進行連接,當測量小轉矩時聯(lián)軸器的存在會使測試產生較大的誤差。本文介紹了一種使用力矩盤和拉力計測試轉矩的方法,以簡單的結構就能準確地測試直流微電機的性能。

1 系統(tǒng)構成

測試系統(tǒng)的構成如圖1所示。系統(tǒng)主要由數字功率表、轉速表、力矩盤、拉力計、電機安裝支架和拉力計安裝支架組成。

根據直流微電機的特點,選用硬件時,盡量采用提高精度、減小附加誤差的原則進行。

安裝在直流微電機轉軸上的力矩盤一般使用塑料或鋁合金制作,主要結構如圖2(a)所示。力矩盤的中間為加載測試部分,測試時細棉線繞在力矩盤的加載測試位置。兩邊高出的部分為擋圈,防止測試時細棉線從力矩盤上滑脫。當力矩盤較大時,為降低力矩盤的自身慣量,可以在保證結構強度的前提下對力矩盤進行減重鏤空處理,以減少力矩盤慣量對測試結果的影響。

圖1 轉矩測試系統(tǒng)示意圖

圖2 力矩盤結構圖

圖2(b)為緊定螺釘固定的力矩盤,加工簡單、通用性強,是最常用的力矩盤。但由于緊定螺釘的存在,力矩盤重心不在力矩盤的圓心上,在高速轉動時會產生一定的偏心力矩,對測試精度有一定影響。圖2(c)為抱緊式固定的力矩盤,它采用對稱性結構的設計,可以保證力矩盤在高度轉動時偏心力矩最小。且抱緊結構固定力矩大,適合較大力矩的測試。抱緊結構加工較為復雜,有一定加工工藝要求。

圖2(d)為使用硬塑料制作的力矩盤,在力矩盤中心位置開一個略小于電機的轉軸安裝孔后,不需要額外的緊固方式就可以直接安裝在轉軸上,使用簡單方便。但由于塑料導熱性差,材質較軟,當轉速較高或轉矩較大時,熱量積聚會發(fā)生塑料與細棉線接觸部分軟化現象,損壞塑料力矩盤。一般都是用于2 500 r/min以下的小轉矩測試。

為了方便計算,力矩盤的半徑一般用10 mm和20 mm。當轉矩較小時可以將半徑減小到5 mm,以提高測試精度。

轉速測試使用的轉速表分為接觸式測試和非接觸式兩種,直流微電機的轉矩一般較小。接觸式轉速表測試簡單,只要將轉速表與轉軸接觸即可,但會產生一定的負載轉矩,對測取的數據產生影響。所以系統(tǒng)使用非接觸式光電轉速表。在力矩盤上黏貼一張反光紙,轉速表的激光頭發(fā)出的光線照射到反光紙后反射到轉速表的接收端,就能準確地測取電機的當前轉速。拉力計選用量程為5 N的數顯式推拉力計,拉力計顯示分度值為0.001 N。帶 RS-232C串口輸出功能,配上電腦通訊軟件可以將測試數據輸入到電腦中得到測試數據,繪制測試曲線圖。

拉力計的安裝支架兩邊均為水平滑臺結構,使用螺紋搖桿的轉動實現水平移動。

被測直流微電機的安裝支架為一個二維的活動安裝支架,可按直流微電機的大小調節(jié)支架的高低和前后位置。

系統(tǒng)測試時,電機機殼固定于試驗支架上,在轉軸上安裝合適的力矩盤。用一根細棉線(或腈綸線)在力矩盤上纏繞2圈,纏繞時應依次平行繞線,避免交叉。細棉線的兩頭分別連接固定在左右兩個拉力計上。調節(jié)電機安裝支架的高度和前后位置,使細棉線在拉力計1的受力點、力矩盤受力切點和拉力計2的受力點這3個點在高低、前后位置均盡量保持在一直線上。安裝到位后電機通電旋轉,然后轉動拉力計1安裝支架的搖桿,使拉力計1向外水平移動,細棉線逐漸拉緊,給力矩盤上施加一定的摩擦力。此時直流微電機受到的負載轉矩T=R×(L1-L2),如圖3所示。調節(jié)拉力計1移動的距離即可施加不同的轉矩。摩擦力的大小與線的材質、粗細和力矩盤表面的光潔度均有一定的關系。

圖3 受力示意圖

測試系統(tǒng)的轉矩是以摩擦力的形式直接施加在力矩盤上的,最后以熱量的形式體現在力矩盤上。當電機的輸出功率較大時,力矩盤來不及散熱就會發(fā)熱嚴重,直至燒斷細棉線。所以在長時間加載測試時可以選用半徑較大的力矩盤增加散熱面積或使用風扇吹風加速空氣流通的方式加速散熱。

2 實驗與結果

實驗測試平臺如圖4所示。

圖4 測試安裝圖

對同一臺直流微電機進行了5次重復性測試,測試結果如表1所示。

表1 實驗所測電機參數表

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

3 結 語

本文介紹的測試系統(tǒng)目前僅是手動測試,如果將測力計安裝支架的水平滑臺結構改為電動伺服結構,可以實現自動化的轉矩加載,將轉速表、數字功率表與電腦通訊連接,也可以轉化為自動的轉矩、轉速、電流特性曲線測試系統(tǒng)。

[1] GB/T7345-2008.控制電機基本技術要求[S].