一种直线电机性能参数测试装置的制作方法

专利名称：一种直线电机性能参数测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及直线电机测量领域，特别涉及一种直线电机性能参数测试装置。
背景技术：
直线电机作为一种新型电机，具有效率高、定位精度高、伺服平稳、响应灵敏等 特性，因此越来越广泛地应用于各个行业。但因目前直线电机的制作规范还未成熟， 还不能保证直线电机的运行特性的精准度，所以对在生产过程中的直线电机和对已经 生产为成品的直线电机进行性能检测就显得尤为重要。
通常来说，直线电机的性能参数试验测试包括两个方面，即性能试验和可靠性测 试。其中性能试验主要是对电机的各种运行工况所表现出来的外在特性进行的测试， 如推力、效率等，直接反映了电机的设计效果和实际工作性能。
可靠性试验是为了测定、验证或提高产品可靠性而进行的试验，它是保证产品长 期可靠性工作的重要环节。统计表明，电机最主要的失效模式是绝缘系统的退化失效。 即在使用过程中，绝缘在各种应力的联合作用下，其强度逐渐变差导致的失效。可靠 性的问题涉及到推力波动引起的震动，温升不均及过高等运行性能参数。
国内目前尚未制定完整的直线电机检验方法和测试设备，基本上都是根据所用电 机的型式和场合使用现有设备进行一些特定参数的测试，而且基本上是借鉴旋转电机 相应的方法和有关的国家标准制定方案。这些测试方法无法针对直线电机的某些具体 特性进行测试，其测试结果也无法全面准确反映直线电机的工作性能。
发明内容
为解决上述问题，本实用新型提供了一种直线电机性能参数测试装置，利用本实 用新型的测试装置可以测试直线电机的多项性能参数。所述技术方案如下
本实用新型的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述装置包括基座、嵌装有绕组线圈的电机定子、电机动子、综合测试仪、控制及驱动系统、主控计算机 以及温度传感器；所述电机定子固定在所述基座上；所述电机动子紧贴所述电机定子 活动安置在所述基座上；所述控制驱动系统和所述温度传感器分别与所述综合测试仪 相连接；所述综合测试仪还与所述主控计算机相连接；所述温度传感器固定在所述电 机定子的外表面或所述电机定子的绕组线圈内。
本实用新型的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述装置还包括与 所述综合测试仪相连接的光电传感器；所述光电传感器为固定在电机动子上的光敏元 件；相应的，在所述电机动子的水平行程上等距离安装有两个以上发光二极管。
本实用新型的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述装置还包括拉 力传感器和模拟负载；所述模拟负载放置在所述基座上；所述拉力传感器的一端与所 述模拟负载固定连接，另一端与所述电机动子固定连接；所述拉力传感器还与综合测 试仪相连接。
本实用新型的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述综合测试仪的 中央处理器件为单片机。
本实用新型的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述综合测试仪还 包括三相电能计量芯片、电流互感器和电压互感器；所述三相电能计量芯片与所述电 流互感器、电压互感器和单片机分别相连接。
本实用新型的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述综合测试仪还 包括两个A/D转换电路；所述A/D转换电路分别与所述单片机相连接。
本实用新型的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述综合测试仪通 过串行通讯接口与主控计算机相连接。
本实用新型提供的技术方案的有益效果是利用本实用新型的测试装置可以进行 额定试验、抖动试验、启动试验、反电动势试验等各种试验，直接得到试验过程中直 线电机的电流、电压、效率、推力、推力波动、温升等参数，以及反电动势、定位精 度、速度、加速度等参数；此外本实用新型还可以进行不同运行频率下的运行效率等 参数的测试，用以衡量直线电机的性能，辅助确定被测电机合适的控制策略，进而为 电机的优化设计奠定基础。本实用新型的直线电机性能参数测试装置造作简便，测量 结果精确，兼容性高，通过增加其他测量传感器还可以进行直线电机其他性能的测试。

图l是本实用新型提供的一种直线电机性能参数测试装置的结构示意图； 图2是本实用新型提供的一种直线电机性能参数测试装置的综合测试仪的内部结 构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。
参见附图1，本实用新型的直线电机性能参数测试装置主要包括待测直线电机、 基座l、综合测试仪5、控制及驱动系统4、主控计算机6以及各种测量传感器。
基座1用于固定被测直线电机定子2，并安装模拟负载IO。基座l的结构为一个 长方形平台，电机定子2固定在平台的一端，在基座l平台的另一端应留有较大空间， 使电机动子，尤其是长次级直线电机动子3可以在基座的空间上做一定距离的直线运 动。
直线电机的定子2呈长条固定在基座上，在直线电机的定子2上表面放置有直线 电机动子3，电机动子3紧贴电机定子2活动安置在基座1上；当直线电机定子2通 有三相电流时，电机动子3可以在电机定子2上作相对的直线运动。
综合测试仪5是本实用新型的数据处理装置。参见附图2，综合测试仪5的中央 处理器件釆用可靠性高，抗干扰能力强的单片机21实现，如STC12C54系列单片机。 在本实施例中选用STC12C5408AD单片机。单片机STC12C5408AD具有内置的8路 10位A/D转换器接口，精度上满足测试要求，8路A/D可满足测量功能扩展的要求， 如根据需要使用闲置的A/D转换器测量直线电机的动子3不同位置的温度等。在 STC12C5408AD单片机21的前端连接有三相电能计量芯片22，该芯片可以选用 ADE7758或CS5463等具有瞬时电压、电流采集功能的芯片。接线方法十分简单，如选 用CS5463芯片只要将图2中所示的6个主要管脚与STC12C5408AD单片机的10 口相 连，由软件控制即可。STC12C5408AD单片机21与主控计算机6之间可采用MAX202 构成RS232串行通讯接口 24进行连接。
在三相电能计量芯片22的前端连接有电流互感器25和电压互感器26，电流互感 器25和电压互感器26分别与控制及驱动系统4相连接，用以从电机定子采集电流和
5电压值。
综合测试仪5与模拟负载10、拉力传感器9、温度传感器7、光电传感器、电流 互感器25和电压互感器26等各种测试传感器分别相连接，用于采集电流、电压、输 入功率、推力、推力波动信号等各种数据信息，并对传感器采集到的信息进行数据处 理；此外，根据不同测量需要还可以设置不同的测量传感器。
控制及驱动系统4分别与直线电机定子2和综合测试仪5相连接。控制及驱动系 统4是本实用新型的驱动设备，可以根据不同的测试目的调整输出的电压和功率。在 控制及驱动系统4的电源侧装设电流互感器25，连同电压引出线与综合测试仪相连， 从而完成电参数的采集；同时，控制及驱动系统还为被测直线电机提供驱动电源。
主控计算机6接收综合测试仪5送来的各种测量数据，并利用软件根据测量数据
自动生成测量曲线和图表；此外，主控计算机6还可以对测量结果进行进一步分析和
统计，并将测量数据存储进数据库。
以下结合附图具体说明各种性能测试内容及方案-
1、电机的温度测量
在电机生产过程中，需要对电机进行温升试验，以确定电机在今后的运行过程中 发热正常，不会造成电机过热或其他不良影响。同时，在使用过程中也需要对电机温 度进行检测，以确保电机正常运行。
温度测量可采用电阻法，电机绕组的直流电阻是随着温度变化呈现特定的变化规 律，因此可以通过测量被试电机定子绕组的直流电阻，并根据它随温度变化的关系来 确定绕组的平均温度。同时对于某些安装温度传感器比较方便的直线电机类型，还可 以辅以温度直接测量。
测量时，将温度传感器7直接贴在直线电机定子2的外表面，测量完温度的变化 后，将温度信号送入综合测试仪5的A/D转换电路23，将温度信号转换为数字信号， 再被送入单片机21，完成表面温度的检测。当然，如果要测量绕组温度，也可在电机 下线时将温度传感器7埋入绕组线圈内，完成内部温度测量。
直线电机的电机绕组材料多为铜，铜绕组的温升可以根据以下公式得出
<formula>formula see original document page 6</formula>其中
^为实验结束时的绕组电阻； R，为实际冷态时的绕组电阻；《为对应实际冷态测定R,时的绕组温度； 《为实验结束时的冷却介质温度。
探测直线电机运动单元的发热和温度变化情况是分析研究其热性能的重要环节。
一方面研究热源对单元热变形的影响大小；另一方面研究直线运动单元在运行参数变
化状态下，单元各点的温度和变化情况。通过实验，可得到较准确的系统的温度分布，
为高速直线运动单元结构的合理设计和改善冷却系统提供参考。
2、 电机速度测量
速度的测试可以通过测定直线电机动子的位置变化，进而计算出电机动子的速度 值，本实施例中通过光电传感器测定电机的运动速度。光电传感器为安装在电机动子 3上的光敏元件，这里采用的光敏元件为光敏二极管。在电机动子3的水平行程上等 距离地排列安装有两个以上的发光二极管8。在测试时，随着电机动子3的运动，固 定在电机动子3上的光敏元件逐一遮挡发光二极管8的光路，从而产生一系列脉冲信 号，并将脉冲信号送入综合测试仪中，根据脉冲的宽度和单片机计时器记录的时间可 以计算出电机运动的速度。
也可以采用将两个光敏二级管固定于电机定子上，在动子上安装发光二极管，用 综合测试仪中的单片机进行计时，当发光二级管照射在第一个光敏二极管上时，单片 机开始计时，当发光二极管照射在第二个光敏二极管上时计时结束。此外，还可以采 用绝对光栅尺进行测量。
计算速度的方法是 C
v=— t
式中
V—电机的速度
C—两个光敏二极管之间的距离 t—计时器记录的时间
3、 电机绕组直流电阻的测定
电机额定运行时的电参数包括电压、电流、频率、功率、功率因数、效率等，是 电机最基本的参数，直接反映了电机的运行状况，而且是一些其他特性参数和曲线的
观糧基础。
利用综合测试仪中的电流互感器25和电压互感器26可以测量出直线电机的电流 值和电压值，然后可以计算电机绕组直流电阻值。测绕组直流电阻时，所加的电流不应超过绕组额定电流的10%，通电时间不超过1分钟；测量时同时读取电流及电压值； 每一相绕组的直流电阻至少应在三种不同的电流值下进行测量，每个测量值与平均值 相差应在士 0.5%范围内，取其平均值作为电阻的实际测量值。
4、 电机推力测试
推力是直线电机一项重要的技术指标，实际测试的时候一般采用堵转试验的方法 进行测试，这时测得的为最大推力，也即是起动推力。推力波动系数反映了电机和驱 动器之间的匹配性能和直线电机推力的平稳性。该项指标是电机振动大小的主要衡量 标准，从前面可靠性的分析看，直接影响到整机的寿命和可靠性。
本实用新型测量直线电机推力的方法是将推力转换成拉力来测量。在基座1上设 置模拟负载IO，将拉力传感器9一端与模拟负载10固定，另一端与电机动子3固定， 以此测量电机运动时电机动子3对模拟负载10的拉力。在每次测试前，采用标准砝码 对拉力传感器9进行标定。综合测试仪5将拉力传感器采集的拉力信号通过A/D转换 电路23转换成电信号，在将该电信号送入单片机21进行下一步分析和计算。利用综 合测试仪5可以测试在在不同供电电压下，直线电机静态轴向力的变化情况。通过试 验可以得到直线电机电流一轴向力特性，从而明确电机的静态特性。
推力参数是评定直线电机性能的重要参数，通过推力测试实验可以了解直线电机 的内在规律，对其使用有着十分重要的意义。
5、 直线电机效率测定
用制动法测试电机效率，计算公式如下 77 =丄><100%
式中-
P--电机的输出功率 i^-电机的输入功率
根据测量得到的电机推力和运行速度可以得到直线电机的输出功率；直线电机输 入功率&可由综合测试仪测量。
P=Fv 式中
P-电机的机械输出功率 F-测得的电机推力一 v—测得的电机运行速度
6、 电机推力抖动测试电机推力抖动测试需要在综合测试仪中设置激光干涉仪，运用激光干涉仪和拉力 传感器，在一个极距范围内，对直线电机拉力进行逐点测试时，激光干涉仪读数发生 变化时，由拉力传感器测得的拉力即为直线电机此点的推力波动值。
推力波动是影响直线电机性能的主要因素，它由直线电机的边端力、齿槽力及法 向吸力引起，这些推力波动是直线电机产生振动与噪音的主要原因，会恶化其运行特 性；推力抖动会造成电机偏离位置，甚至产生震荡及不稳定，降低电机驱动器电子元 器件的工作寿命。通过实验检测直线电机的实际的推力波动有助于对系统的改进和优 化。
根据实际需要还可以利用本实用新型直线电机性能参数测试装置对被测直线电机 进行其他测试，只需另外安装相应的测试传感器并在综合测试仪中输入相应的软件程 序即可。
本实用新型的直线电机性能参数测试装置可以利用各种传感器直接测量直线电机 的电流、电压、推力、温度等基本性能参数，进而确定被测直线电机的发热、温度变 化、推动能力、功率、推力抖动、运动速度等性能，可以对直线电机的综合性能做出 准确评价。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用 新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新 型的保护范围之内。
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权利要求1、一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述装置包括基座、嵌装有绕组线圈的电机定子、电机动子、综合测试仪、控制及驱动系统、主控计算机以及温度传感器；所述电机定子固定在所述基座上；所述电机动子紧贴所述电机定子活动安置在所述基座上；所述控制驱动系统和所述温度传感器分别与所述综合测试仪相连接；所述综合测试仪还与所述主控计算机相连接；所述温度传感器固定在所述电机定子的外表面或所述电机定子的绕组线圈内。
2、 根据权利要求l所述的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述 装置还包括与所述综合测试仪相连接的光电传感器；所述光电传感器为固定在电机动 子上的光敏元件；相应的，在所述电机动子的水平行程上等距离安装有两个以上发光 二极管。
3、 根据权利要求1或2所述的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于， 所述装置还包括拉力传感器和模拟负载；所述模拟负载放置在所述基座上；所述拉力 传感器的一端与所述模拟负载固定连接，另一端与所述电机动子固定连接；所述拉力 传感器还与综合测试仪相连接。
4、 根据权利要求1所述的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述 综合测试仪的中央处理器件为单片机。
5、 根据权利要求4所述的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述 综合测试仪还包括三相电能计量芯片、电流互感器和电压互感器；所述三相电能计量 芯片与所述电流互感器、电压互感器和单片机分别相连接。
6、 根据权利要求4所述的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述 综合测试仪还包括两个A/D转换电路；所述A/D转换电路分别与所述单片机相连接。
7、 根据权利要求l所述的一种直线电机性能参数测试装置，其特征在于，所述综 合测试仪通过串行通讯接口与主控计算机相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种直线电机性能参数测试装置，属于直线电动机测试领域。此测试装置包括用来固定直线电机的基座、进行数据处理和测量参数的综合测试仪、用于驱动的控制驱动系统以及用于最终参数计算的计算机；此外还包括进行直接测量的各种传感器。使用本实用新型可以通过进行直线电机的额定试验、堵动试验、启动试验、反电动势试验等测量直线电机的电流、电压、效率、推力、推力波动、温升等参数。本实用新型用于测评直线电机的性能，辅助确定合适的控制策略，同时为电机的进一步优化设计奠定基础。通过对电机运行状态特性和参数的测试、计算，可以满足对直线电机性能评价的要求。
文档编号G01R31/34GK201237631SQ2008201093
公开日2009年5月13日 申请日期2008年7月22日 优先权日2008年7月22日
发明者于长胜, 封 周, 啸 田, 婷 郝, 声 钟, 陈礼攀 申请人:北京康达永宜科技有限公司