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转矩传感器在电机试验中的应用

在发动机试验过程中,尤其是在起动阶段,需要了解发动机运行各个阶段的转矩的情况。 在发动机测试台上安装扭矩传感器,在工控机的测试台上安装扭矩测试卡,在相应的特殊软件的支持下,对电机进行实时转矩状态可以了解。 转矩传感器与扭矩测试卡结合使用,能精确测量电机转动时间。

一、转矩传感器结构原理

    转矩传感器主要由弹性轴、磁发生器、套筒和壳体四部分组成。 磁发生器由两对内外齿轮、磁铁和感应线圈组成。 外齿轮安装在弹性轴量测段的两端;内齿轮位于套筒内,与外齿轮相比,磁钢内齿轮安装在套筒内。 磁钢和内外齿轮形成闭环磁路,感应线圈固定在外壳两端盖内。  在驱动电机带动下,内齿轮随套筒旋转。

    内齿轮和外齿轮是变位齿轮,并不啮合。 在内齿轮和外齿轮的相对旋转运动中,齿顶和齿槽交替进行, 相对旋转齿位时,磁路的磁通会随时间周期性变化,使电压信号接近正弦波在线圈中检测到,信号电压瞬时值的变化与内外齿轮相对位置的变化一致。

    如果两套磁发电机的齿轮投影重合,两组电压信号相位差为零。 安装时,两个内齿轮的投影重合。 扭转轴上的两个外部齿轮是按错位半齿装配的。 因此,两个电压信号均具有半周期相位差,即初始相位差为180°,如果齿轮为120齿,则分角度为3°,并且相应的外齿错动1.5°。  当扭矩作用于扭转轴时,会产生β扭转角度,且两个外部齿轮的位移角度会变更为1. 5 +β,两个电压信号之间的差角变为120 ( 1. 5 +β)。 扭矩和扭转角度成比例,因此扭转角度的变化与扭矩的变化成比例,比例系数k = 32l /πDG,其中

L是扭转轴测量段的长度,d是扭转轴测量段的直径,G是扭转轴材料的剪切弹性模量。

    可直接读取转矩和转速测量值,方法是:将传感器的两个电压信号输入扭矩卡,将仪表放大的电压信号转换为计数脉冲,然后对其进行计数和显示。

图1.png

 

 二、性能指标

   转矩测量精度:除以0.1和0.2级

   静态校正:使用砝码直接产生标准力矩校正时,测量误差为0.1级不大于额定值的±0.1%,0.2级不大于额定值的±0.2%。

   转速变化的附加误差:在指定的速度范围内更改速度时,转矩读数的变化不超过额定速度的0. 1 %

   轴同心误差:传感器主轴位于不同的拐角位置,转矩读数更改为0. 1级传感器,不超过±0.1 %,对于0.2级传感器不大于的±0.2%

   套筒同心误差:内部套筒的角度不同,转矩读数将更改为0.1级传感器,不超过±0.1 %,对于0.2级传感器不大于的±0.2%

 三、使用安装

    转矩传感器本身-即使传递测量的扭矩而不吸收功率(传感器内部的功率消耗通常微不足道),也不能产生功率。 因此,当被测试的机器是电动机时,为了吸收被测试机器产生的机械功率,必须将它连接到一定的负载。 负载可以是DC或AC发电机,也可以选择其他类型的机器进行负载。 当测量的机器加载时,它必须连接到原动机。

3.1安装方法

    转矩传感器的安装方法如图2所示。 请注意,传感器驱动端连接到原动机。增加中间支架是为了确保传感器不会由于更换测试设备而改变安装同轴度,同时也可以避免由于安装不同轴而使传感器承受弯矩,这可能会导致测试数据的不稳定性。 如果安装的同轴度得到保证,或者由于安装位置的限制,则可以去掉中间支撑。 转矩传感器是精密测量仪器,严禁铁锤敲打。

图2.png

 

3.2安装基础

    原动机、传感器、载荷和中间支架应牢固安装,应避免过度振动,否则可能导致数据不稳定,降低测量精度,甚至损坏传感器。

3.3联轴器

    联轴器采用一般弹性柱销类型,但必须将轴配合质量降至最低,这对小型传感器尤其重要。 为了使传感器不承受弯矩,建议使用尼龙绳联轴器,这将大大改善传感器的工作条件,并确保测量精度。对于高速扭矩传感器用户,建议使用梅花型弹性联轴器,使安装同轴容易保证为0.03以内。

3.4同轴安装

   为了避免传感器弹性轴上的弯矩,在安装过程中需要在移动设备、传感器和原始载荷之间实现更好的同轴度。 当存在弯矩时,测量精度会降低,并且在某些情况下,弹性轴可能会损坏。

3. 5连接

   转矩传感器连接到为扭矩测量仪用屏蔽电缆。 连接方式是:信号输出I连接到仪器背面的信号输入I,信号输出Ⅱ连接到仪器背面的信号输入Ⅱ,以及相关参数,如规格、量子、齿数等. 在传感器铭牌上,按照转矩测量仪规范的操作说明输入仪表。

3. 6仪表零点设置

   在开始测试之前这是一个非常重要的步骤。零点设置不好,会影响测量精度。零点调整方法较多,需要根据试验条件采用不同的零调整方法来提高测量精度。 如果设置为零,则仪表转矩也显示为零。

   当载荷不允许分离且试验时转速变化范围较大时,零点调整方法会启动传感器顶部的小电机,并在试验时将其旋转到轴旋转方向相反的方向。仪器应清零,从仪表使仪表扭矩显示为零,停止小电机转动,开始试验。 此方法仅适用于测试时转速低于600转/分钟的情况。 在将值设置为零之前,请确保弹性轴上没有残余扭矩,否则不会显示真正的零。

   当载荷允许分离且试验速度相对稳定时,可以将传感器一起空载旋转并使转速控制在试验时的转速范围内,按仪器“清零”键,使仪器转矩显示为零。使用此零调整方法可以消除系统错误,提高测量精度。

   设置零点注意事项:

   设置零点后,先进行全负荷试验,停机后用选择的零点调整方法调整零点,可提高零点调整精度。 当重新试验时夫妻方向与上一次试验相反时,必须重新调整零点。

 当轴旋转方向在试验时发生变化时,必须重新调整零,才能开始试验。

 修正值

3. 7环境温度变化会产生测量误差。 由于传感器弹性轴剪切弹性模量g不是常数,因此它随温度变化。 因此,如果静态传感器校准过程中的环境温度与温度不同,为了确保测量精度,必须使用以下公式更正传感器系数值。

 Xt= Xt0(1+ΣG(t-t0)

 式中 :Xt是温度t处的传感器系数值

        Xt0传感器静态校准系数的值,即传感器铭牌上的系数值

        ΣG是传感器弹性轴剪切弹性模量G的温度系数,单位为%°/c

        t测量的环境温度

        t0标记传感器系数值时的环境温度

   产品传感器弹性轴材料目前为40 crni moa,其中ΣG = 0. 025 % / c

   由于轴旋转方向不同,在抵消转速特性时添加的电阻和电容器可能不完全相同,因此为了确保两个方向都满足精度要求,有时需要添加开关来补偿转速特性。 使用时,请确保开关符合传感器弹性轴的旋转方向。

   在使用过程中,应尽可能避免产生过多的冲击载荷,通常在试验开始或停止时进行。 因为如果由于旋转系统的转动惯量而在瞬间完成启动或停止过程,传感器的弹性轴承将承受过渡扭矩过大,零点不稳定,并且在严重情况下,弹性轴会受损。为了避免这种现象,应尽可能减少轴耦合的转动惯量,或通过离合器等手段保护传感器。

 四、选择指南

   为确保测量精度,传感器规格尽可能接近测量值,使测量值尽可能接近传感器的最佳测量范围,一般传感器的最佳测量范围在整个测量范围的60 %到100 %之间。 此外,传感器规格应考虑到所测机器的最大扭矩和过载,通常不应超过指定扭矩的150 %。


4. 2扭矩卡技术指标要求

 接口要求

 计算机要求: PCI平台插槽- windows平台

 适用的总线: PC / at

 使用温度0℃- 40℃

 扭矩测量

 输入信号:两组相位差信号,两条外部转速信号通道

 输入信号频率: 10 Hz至30 khz

 输入信号振幅值:大于0. 5v,小于20v的有效值

 显示的位数:五位数浮点显示

 精度: ±0.1 % FS

 测量范围:根据转矩传感器,可以根据扭矩传感器的测量范围定义任意范围

 单位: n.m


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