一种具有扭矩自检测功能的电机及其设计方法与流程

本发明属于电机设计，具体涉及一种具有扭矩自检测功能的电机及其设计方法，具体为一种有自动定位功能机械连接装置及其设计方法。

背景技术：

1、电机在许多领域都有广泛应用，如工业、汽车、航空等。电机的扭矩是评价其性能的重要参数，准确测量电机的扭矩对提升电机控制性能、提高电机工作效率和延长电机的使用寿命具有重要意义。然而，传统的电机扭矩测试方法通常需要额外的测量设备和步骤，这增加了测量过程的复杂性，同时也影响了测量的实时性和准确性，增加了测试成本。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本发明要解决的技术问题是：如何提供一种具有扭矩自检测功能的电机，该电机在转子铁芯两侧安装了角度测量传感器，通过测量相对电机转子铁芯两侧旋转的角度差来计算电机的扭矩。

3、(二)技术方案

4、为解决上述技术问题，本发明提供一种具有扭矩自检测功能的电机，所述电机包括：电机壳体(1)、电机定子(2)、电机转子铁芯(3)、两个轴承(4)、两个角度测量传感器(5)、电机转子主轴(6)；

5、所述电机转子铁芯(3)和电机转子主轴(6)装配成电机转子；电机壳体(1)与电机定子(2)固定连接，电机转子(3)与电机定子(2)通过轴承(4)连接；

6、角度测量传感器(5)包括转子和定子，角度测量传感器定子与电机壳体(1)固定连接，角度测量传感器转子与电机转子主轴(6)固定连接；

7、两个角度测量传感器(5)分别安装在电机转子铁芯(3)两侧。

8、所述角度测量传感器(5)为光学编码器、磁编码器或旋转变压器。

9、所述两个角度测量传感器(5)，分别安装在电机转子铁芯(3)两侧，位于在两个轴承(4)内侧或外侧。

10、通过两个角度测量传感器(5)测量电机转子旋转主轴输出端和非受力端的角度、转速，并计算角度差，进而通过角度差计算电机输出扭矩。

11、此外，本发明还提供一种具有扭矩自检测功能的电机，包括电机定子、电机转子和角度测量传感器；

12、所述电机定子内部安装有电机转子，电机转子与电机定子通过两个轴承相连；在转子铁芯两侧、轴承外侧或内侧安装角度测量传感器。

13、所述角度测量传感器用于测量电机转子主轴输出端和非受力端的旋转角度及旋转速度，并计算角度差；

14、通过标定得到关于转子主轴输出端和非受力端的旋转角度差与扭矩的函数关系；

15、在进行应用时，通过测量电机转子主轴输出端和非受力端的旋转角度差得到电机的实时输出扭矩。

16、此外，本发明还提供一种所述的具有扭矩自检测功能的电机的设计方法，所述方法包括：

17、步骤一：设计仿真；在电机常规设计的基础上，在电机转子两侧增加角度测量设计及扭矩标定装夹设计；角度测量传感器的位置在电机转转子铁芯两侧，位于电机转子安装轴承内侧或外侧；

18、通过对电机转子的扭矩特性进行仿真分析，确定电机转子在不同扭矩作用下角度测量传感器安装位置处旋转角度的变化规律，以确保角度测量传感器安装导致的电机转子结构改变不影响电机转子设计指标，并保障角度测量的测试性；

19、步骤二：电机零部件制造；按照设计要求，制造电机外壳、电机定子、电机转子，并将轴承、角度测量传感器转子安装在电机转子主轴上；

20、步骤三：扭矩测试系统设计；扭矩测试系统包括角度信号采集器、信号处理器、数据存储器；角度信号采集器用于采集角度测量传感器的信号，至少应有两个通道；信号处理器用于处理角度信号采集器的数据，能够计算电机转子主轴输出端和非受力端的旋转角度差、电机转子转速和电机扭矩，并所得数据存储在数据存储器；

21、步骤四：标定；获得扭矩与转子两侧角度差之间的函数关系，依据该函数关系，能够将转子两侧角度差实时成扭矩；

22、步骤五：电机装配；按照设计要求，将电机各零部件装配成电机成品；

23、步骤六：应用；在电机正常工作时，通过采集两个角度传感器的测量值，计算其相对应电机转子旋转角度差，并根据步骤四得到的扭矩-角度差之间的函数关系，计算电机的实时扭矩值。

24、所述角度测量传感器采用光学编码器、磁编码器或旋转变压器。

25、所述步骤四中，标定；标定的目的是获得扭矩与转子两侧角度差之间的函数关系，依据该函数关系能够将转子两侧角度差实时成扭矩；

26、具体过程如下：

27、①将步骤二制作的电机转子安装在扭矩标定设备上，将电机转子主轴输出端与扭矩标定设备的加载接口连接，电机转子主轴非受力端与加载设备固定端连接，并按角度测量传感器使用要求安装角度测量传感器定子；

28、②通过扭矩加载设备对电机转子施加一组扭矩载荷，通过采集设备测量电机转子两侧角度传感器的角度数据，通过数据处理得到并记录对应电机转子输出端与非受力端的旋转角度差，建立扭矩与角度差值的相应函数关系；每个扭矩加载进行至少三次；

29、③标定数据处理：以扭矩为输出值，以电机转子输出端与非受力端的旋转角度差入值，对多组标定数据开展均值计算，达到消除加工、装配、操作等带来的系统误差和随机误差目的；将均值计算结果用最小二乘法拟合，得到扭矩-角度差函数；

30、④测试误差校准：将扭矩-角度差函数输入扭矩测试系统作为扭矩修正函数，此时扭矩测试系统示值为扭矩物理量；使用扭矩加载设备对电机转子输出端施加若干扭矩载荷，分别记录扭矩加载设备和扭矩测试系统示值，获得若干组测试数据；

31、如下公式计算测试系统测试精度：

32、

33、计算得到若干个精度值，其中的最大值认为是本次扭矩测试的满量程测试精度。

34、(三)有益效果

35、与现有技术相比较，本发明提出的具有扭矩自检测功能的电机及其设计方法，通过在电机转子铁芯两侧安装角度测量传感器，实现了电机的扭矩实时监测。这种方法无需额外的测量设备和校准步骤，简化了测量过程，提高了测量的是实时性和准确度，降低了电机扭矩测试成本。同时，本发明的电机在实现正常运转的同时，能够实时监测电机的扭矩，并且可以通过两个角度测量传感器对电机转速测量进行备份，增加了电机转速测量的冗余度，提高了电机的工作效率、安全性和可靠性。此外，本发明还结合了传统的电机设计和现代传感器技术，使电机具有更广泛的应用前景和更高的市场价值。

技术特征：

1.一种具有扭矩自检测功能的电机，其特征在于，所述电机包括：电机壳体(1)、电机定子(2)、电机转子铁芯(3)、两个轴承(4)、两个角度测量传感器(5)、电机转子主轴(6)；

2.如权利要求1所述的具有扭矩自检测功能的电机，其特征在于，所述角度测量传感器(5)为光学编码器、磁编码器或旋转变压器。

3.如权利要求1所述的具有扭矩自检测功能的电机，其特征在于，所述两个角度测量传感器(5)，分别安装在电机转子铁芯(3)两侧，位于在两个轴承(4)内侧或外侧。

4.如权利要求1所述的具有扭矩自检测功能的电机，其特征在于，通过两个角度测量传感器(5)测量电机转子旋转主轴输出端和非受力端的角度、转速，并计算角度差，进而通过角度差计算电机输出扭矩。

5.一种具有扭矩自检测功能的电机，其特征在于，包括电机定子、电机转子和角度测量传感器；

6.如权利要求5所述的具有扭矩自检测功能的电机，其特征在于，所述角度测量传感器用于测量电机转子主轴输出端和非受力端的旋转角度及旋转速度，并计算角度差；

7.一种如权利要求1或5所述的具有扭矩自检测功能的电机的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

8.如权利要求7所述的具有扭矩自检测功能的电机的设计方法，其特征在于，所述角度测量传感器采用光学编码器、磁编码器或旋转变压器。

9.如权利要求8所述的具有扭矩自检测功能的电机的设计方法，其特征在于，所述步骤四中，标定；标定的目的是获得扭矩与转子两侧角度差之间的函数关系，依据该函数关系能够将转子两侧角度差实时成扭矩；

10.如权利要求9所述的具有扭矩自检测功能的电机的设计方法，其特征在于，所述步骤四中，根据如下公式计算测试系统测试精度：

技术总结
本发明属于电机设计技术领域，具体涉及一种具有扭矩自检测功能的电机及其设计方法，电机壳体与电机定子固定连接，电机转子与电机定子通过轴承连接。电机转子包括旋转轴、铁芯等结构。角度测量传感器由固定部分和旋转部分组成，其固定部分与电机壳体固定连接，旋转部分与电机转子旋转轴固定连接。两个角度测量传感器分别安装在电机转子铁芯两侧。通过电机转子铁芯两侧的角度测量传感器实时测量电机转子旋转轴的角度差，实现了电机扭矩的实时监测。这种电机在正常运行时，不仅能够实时监测电机输出扭矩，还可以利用两个角度测量传感器同时监测电机转速，提高了电机的测试性、控制性能、安全性和可靠性。

技术研发人员：李明勇,陈嘉杨,柳泓蛰,张海全,陈建鹏,魏然,王志勇,郑阳俊,徐宜,宋美球,毕研宝,杜明星,刘云鹏,李永军,潘迎迎,雷旭江,李彦民,王庆峰,李海新,李通达,杨保龙,韩延航,白岩
受保护的技术使用者：中国北方车辆研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10