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扭矩测量方法介绍

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  • 发布时间:2017/9/8 20:25:36
  • 作者:czy_yinhe

  扭矩是电机试验中一个重要的参数,尤其是在电机效率评测中扭矩更是一个不可或缺的被测量,扭矩测量的准确性直接关系到电机效率的评测的正确性。目前使用的扭矩测量方法按照测量原理可分为平衡力法、传递法和能量转换法。

平衡力法扭矩测量

  处于匀速工作状态的传动机械构件,其主轴和机体上一定同时存在一对扭矩 T 和 T′,并且二者大小相等、方向相反。通过测量机体上的 T′来测量主轴上 T 的方法称为平衡力法。设 F 为力臂上的作用力,L 为力臂长度,则 T′=LF。通过测量作用力F和力臂L即可得出 T′和 T。平衡力法的优点是不存在传递扭矩信号的问题,力臂上的作用力 F容易测得;缺点是测量范围仅局限为匀速工作状态,无法完成动态扭矩的测量。

传递法扭矩测量

  传递法利用传递扭矩时弹性元件的物理参数会发生某种程度的变化。利用这种变化与扭矩的对应关系来测量扭矩。按照不同的物理参数,可将传递法进一步划分为磁弹性式、应变式、振弦式、光电式等,目前传递法在扭矩测量领域应用最为广泛。

传递法分类

图1 传递法分类

01光电式扭矩测量法

  将开孔数完全相同的两片圆盘形光栅固定在转轴上,并将光电元件和固定光源分别固定在光栅两侧,转轴无扭矩作用时两片光栅的明暗条纹错开,完全遮挡光路,无光线照到光敏元件上不输出电信号;有扭矩作用时两个圆盘形光栅的截面产生相对转角,明暗条纹部分重合,部分光线透过光栅照到光敏元件上,输出电信号。扭矩值越大扭转角越大,照到光敏元件上的光线强度越大,输出电信号也就越大,通过测量输出的电信号能够测得外加扭矩的大小。

光电式扭矩测量原理

图2 光电式扭矩测量原理

  该方法的优点是响应速度快,能实现扭矩的实时监测;其缺点是结构复杂、静标困难、可靠性较差、抗干扰能力差,测量精度受温度变化的影响较大。该方法不适用于刚启动和低转速轴的扭矩测量。

02磁电式扭矩测量法

  在弹性轴上安装两个相同的齿轮,磁芯和线圈组成信号采集系统,齿顶与磁芯之间预留出微小间隙,当轴转动时,两个线圈中分别感应出两个交变电动势,而且交变电动势仅与两个齿轮的磁芯相对位置和相交位置有关,通过检测电动势的大小即可得到相应的扭矩值。

磁电式扭矩测量原理

图3 磁电式扭矩测量原理

  该方法优点是精度高,成本较低,性能可靠,其为非接触测量,即不需要电源和中间传输环节;其缺点是结构复杂,频响有限,难以制造,响应时间较长,相应的传感器尺寸和质量较大,低速时信号小而高速时动平衡困难。磁电式扭矩测量法适用于测量能够产生较大转角位移的扭矩,能够测量启动和低速转矩。由于其动态特性不好,所以不适于高速转动轴的扭矩测量。

03振弦式扭矩测量法

  利用振动弦固有频率与张力间的函数关系,将力转换成电量,先测出电量值转换成力的大小,再计算出相应扭矩值。

振弦式扭矩测量原理图

图4 振弦式扭矩测量原理图

  优点是可以直接利用传动轴作为扭轴进行测量;采用频率信号传输方式,抗干扰性能好;传感器部分与测力轴分开,便于在船舶或车辆上进行测量;其缺点是结构复杂、灵敏度较低、测量准确度较低、对弹性轴的弹性变形要求高。该法适用于大型转轴的扭矩测量而不适用于高速转轴的测量。

04磁弹式扭矩测量法

  磁弹性式扭矩测量法是指利用铁磁材料及其他合金材料的磁弹性效应来实现扭矩测量的一种方法,在磁场中对铁磁材质的弹性轴施加扭矩,磁导率的变化将反映出铁磁材料磁化强度的变化,因此可以通过测量磁导率的变化来获得扭矩信号。

  该方法优点是灵敏度高、稳定性好、非接触测量、输出功率大、响应速度快、过载能力好、安装使用方便、抗干扰能力强、结构与电路简单、能在恶劣环境下工作。缺点是存在“圆弧调制”误差,使其应用受到限制;沿扭轴圆周分布的磁导率存在固有偏差,其测量准确度比较低,测得的只是磁致伸缩层材料的应力值,与所需扭矩值尚存在误差。磁弹性式扭矩测量法被广泛应用于船舶动力装置、轧钢、石油钻机及数控机车等领域。

05应变式扭矩测量法

  扭矩会使传动轴产生一定的应变,而且这种应变与扭矩的大小存在着比例关系,因此可以通过电阻应变片来检测相应扭矩的大小。当传动轴受到扭矩作用时会发生扭转变形,最大剪应变产生在与轴线成 45°角的方向上,在此方向上粘贴电阻应变片能够检测到传动轴所受扭矩的大小。工作原理如下图所示:

应变式扭矩测量原理

图5 应变式扭矩测量原理

  应变式扭矩测量法的优点是结构简单、灵敏度高、适应性强、成本低廉、操作简便、技术成熟、应用范围广、测量精度高、响应速度快、性能稳定可靠、温度补偿性能好、能适应恶劣环境;其缺点是湿度、温度、粘结剂等因素都会影响到测量的准确度,而且抗干扰能力差,这种方法不适用于高速转轴的扭矩测量。

能量转换法扭矩测量

  能量转换法是指根据能量守恒定律通过测量热能、电能等其它参数来间接测量扭矩,目前银河电气推出的TN4000电子式扭矩仪就是该原理测量电机扭矩。TN4000电子式扭矩仪利用能量守恒定律通过对电参数、温度、转速等参数的高精度测量来测量扭矩,TN4000电子式扭矩仪是一个综合的仪器,不但可以便捷的测量扭矩,而且对电机的电压、电流、功率、转速等参数都能准确测量,并且扭矩测量时不需要额外的联轴器,降低了现场操作难度。