特殊環(huán)境下的小力矩測試方法研究

錢 華，陳 辰，李志鵬，徐國君，鄭文鵬，毛巍凌

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

隨著微型電機(jī)的廣泛應(yīng)用和系統(tǒng)裝備對電機(jī)在不同環(huán)境條件下精細(xì)化應(yīng)用程度的提高，提供測試微電機(jī)在不同環(huán)境條件，特別是不同溫度下或真空條件下的負(fù)載特性顯得尤為重要。電機(jī)結(jié)構(gòu)、材料等影響因素導(dǎo)致微電機(jī)的高低溫特性理論計算與實(shí)際性能存在較大偏差。因此僅提供理論計算無法滿足實(shí)際使用需求，需對微電機(jī)進(jìn)行高低溫等不同環(huán)境的性能實(shí)測。根據(jù)現(xiàn)有常態(tài)小負(fù)載力矩測試和特殊環(huán)境的負(fù)載測試方法，研究制定了一種在特殊環(huán)境下的小力矩測試方法[1]。

1 現(xiàn)有小力矩測試方法

電機(jī)負(fù)載特性測試是測試電機(jī)在規(guī)定電壓條件的不同力矩下的轉(zhuǎn)速、電流。根據(jù)電機(jī)輸出功率、轉(zhuǎn)速等情況，采用不同的測試方法和設(shè)備，微電機(jī)具有負(fù)載力矩較小、轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，目前采用小型測功機(jī)和負(fù)載盤加掛重等方式進(jìn)行負(fù)載特性測試。這兩種測試方法在常態(tài)環(huán)境條件下裝調(diào)簡單，無附件機(jī)構(gòu)帶來的測試誤差，具有較高的測試精度。但在高低溫、真空等特殊環(huán)境下，目前的負(fù)載特性測試一般采用以下兩種測試方法[2]。

1.1 測功機(jī)測試法

在常態(tài)條件下，測功機(jī)測試方法是將電機(jī)輸出軸與測功機(jī)輸出軸通過連接器連接，測功機(jī)輸出軸通過連接器將測功機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳遞到電機(jī)輸出軸，電機(jī)通電運(yùn)轉(zhuǎn)即可完成負(fù)載性能測試。該測試方法能通過調(diào)節(jié)測功機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行電機(jī)負(fù)載特性的連續(xù)測試且操作簡單。

高低溫、真空等特殊環(huán)境下，采用測功機(jī)測試方法進(jìn)行電機(jī)特性測試時，將電機(jī)置于高低溫、真空等各種環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)固定安裝，電機(jī)輸出軸與貫穿箱體的轉(zhuǎn)接軸連接，通過貫穿箱體的轉(zhuǎn)接軸與試驗(yàn)箱外測功機(jī)連接后進(jìn)行測試。由于測功機(jī)僅適用于常態(tài)工作環(huán)境，因此需將試驗(yàn)箱壁增加穿箱體的傳動連接軸，并進(jìn)行動密封。測試裝置示意圖如圖1所示。

圖1 微電機(jī)特殊環(huán)境條件(試驗(yàn)箱內(nèi))特性測試裝置示意圖

穿箱動密封器件的阻力矩和工裝連接的附加轉(zhuǎn)矩較大，且測試裝夾連接對測試精度有一定的影響。該測試方法的傳動連接產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩接近100 mN·m，對于負(fù)載小于100 mN·m電機(jī)特性測試，無法真實(shí)反映電機(jī)特性。

1.2 掛重測試法

負(fù)載盤加掛重的測試方法較適合微小型電機(jī)負(fù)載測試。在常態(tài)條件下，該測試方法裝調(diào)簡單，無附加機(jī)構(gòu)帶來的測試誤差，具有較高的測試精度[3]。測試裝置示意圖如圖2所示，測試轉(zhuǎn)矩測試盤結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖2 常態(tài)下微電機(jī)掛重測試裝置示意圖

圖3 微電機(jī)轉(zhuǎn)矩測試盤連接結(jié)構(gòu)示意圖

該測試方法的電機(jī)負(fù)載計算公式如下：

電機(jī)輸出軸受力F=G-F1

式中：F1為測力裝置的受力值；G為掛重砝碼重量；D值為轉(zhuǎn)矩測試連接盤的直徑。通過調(diào)節(jié)掛重砝碼G的大小可以實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)負(fù)載大小，進(jìn)行電機(jī)負(fù)載特性測試。

高低溫、真空等特殊環(huán)境下的電機(jī)特性測試還適合將測試裝置放置于環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行負(fù)載測試，試驗(yàn)箱內(nèi)一次掛重后僅能進(jìn)行一個固定負(fù)載的性能測試，無法連續(xù)測試，不同負(fù)載需將試驗(yàn)箱恢復(fù)常態(tài)后開箱改變掛重完成負(fù)載調(diào)節(jié)。該方法進(jìn)行電機(jī)特性測試時間較長，測試過程中存在的不確定性會影響測試結(jié)果。

2 控制負(fù)載力測試法

根據(jù)目前特殊環(huán)境下電機(jī)小負(fù)載工作特性測試存在的問題，研究設(shè)計了一種能在高低溫、真空等特殊環(huán)境下進(jìn)行的電機(jī)小負(fù)載測試方法——控制負(fù)載力測試法。通過使用一套控制測力裝置和伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)替代掛重測試法中的掛重砝碼，完成高低溫、真空等特殊環(huán)境下(試驗(yàn)箱內(nèi))砝碼掛重調(diào)節(jié)的作用，達(dá)到試驗(yàn)箱內(nèi)精確、高效的微電機(jī)特性測試目的。

高低溫、真空等特殊環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)電機(jī)小負(fù)載測試系統(tǒng)由伺服系統(tǒng)、主測力裝置、控制測力裝置、試驗(yàn)臺架、轉(zhuǎn)矩測試盤等組成，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。伺服系統(tǒng)由帶絲桿減速電機(jī)、出力機(jī)構(gòu)和控制器組成；測力裝置由測力計和試驗(yàn)連接線(繩)組成；試驗(yàn)臺架由試驗(yàn)底座、試驗(yàn)支架底板、試驗(yàn)支架上壓板、試驗(yàn)支撐桿等組成。

圖4 特殊環(huán)境條件(試驗(yàn)箱內(nèi))的小負(fù)載特性測試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

將測試微電機(jī)用固定壓板固定安裝在試驗(yàn)臺架上。

微電機(jī)轉(zhuǎn)矩測試盤由轉(zhuǎn)矩測試盤螺母和轉(zhuǎn)矩測試連接盤組成。通過轉(zhuǎn)矩測試盤螺母將測試微電機(jī)輸出軸與轉(zhuǎn)矩測試連接盤固定，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出軸與轉(zhuǎn)矩測試盤的連接固定。

主測力裝置、控制測力裝置通過試驗(yàn)連接線(繩)與轉(zhuǎn)矩測試盤連接。將試驗(yàn)連接線(繩)繞在轉(zhuǎn)矩測試盤凹槽內(nèi)，連接線(繩)兩端分別與主測力裝置、控制測力裝置連接固定。

伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的控制器接收壓力調(diào)節(jié)指令信號后，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并通過減速器、絲桿輸出軸向力F2，F(xiàn)2的大小通過控制測力裝置讀取，同時讀取主測力裝置F1的大小。

該測試方法的電機(jī)負(fù)載計算公式如下：

電機(jī)輸出軸受力F=F2-F1

式中：F1、F2分別為兩個測力裝置的受力值；D為轉(zhuǎn)矩測試連接盤的直徑。

該測試方法的電流、轉(zhuǎn)速測試與掛重測試法完全相同。轉(zhuǎn)矩測試盤上貼有反光紙，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速表或轉(zhuǎn)速測試儀進(jìn)行測量。調(diào)節(jié)伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)絲桿的輸出力F2的大小，可改變電機(jī)輸出軸的受力F，實(shí)現(xiàn)改變測試微電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩M大小。通過測試電機(jī)不同負(fù)載點(diǎn)的轉(zhuǎn)速、電流，完成電機(jī)在高低溫、真空等特殊環(huán)境下的帶載特性測試。

控制負(fù)載力測試法與現(xiàn)有兩種測試方法的優(yōu)缺點(diǎn)對比可如表1所示。

表1 三種不同測試方法的對比

綜上所述，控制負(fù)載力測試法的優(yōu)越功效在于：能夠在高低溫、真空等特殊環(huán)境條件進(jìn)行電機(jī)帶載特性測試；電機(jī)和負(fù)載直接連接，避免了穿箱設(shè)備附加力矩對測試精度的影響，有效地提高了測試精度；通過調(diào)節(jié)控制伺服機(jī)構(gòu)輸出力，實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)改變測試電機(jī)負(fù)載大小，完成電機(jī)不同負(fù)載點(diǎn)的性能測試；測試操作簡單，試驗(yàn)周期短。

3 結(jié) 語

根據(jù)現(xiàn)有常態(tài)電機(jī)負(fù)載特性測試方法，結(jié)合現(xiàn)有特殊環(huán)境試驗(yàn)箱的測試條件，研究設(shè)計了特殊環(huán)境下控制負(fù)載力測試方法，可實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下測功機(jī)的加載功能，具有操作簡單、可連續(xù)測試、測試精度高等特點(diǎn)。后續(xù)可通過細(xì)化測試系統(tǒng)各裝置配合關(guān)系和參數(shù)，提高測試精度。