一种机电耦合机理试验台

摘要

本发明提供一种机电耦合机理试验台，用于对机电耦合机理研究进行试验验证，能够准确地对机电复合传动系统中的转矩耦合通道、几何耦合通道以及横向耦合通道进行试验验证。具体包括驱动电机、负载、测试装置及其行星传动装置和激振装置。其中驱动电机将动力传递给行星传动装置，并带动负载运动；激振装置包括横向激振器和扭转激振器，分别对驱动电机转子轴产生横向激振力和扭转激振力矩；扭转激振器通过行星传动装置与驱动电机转子轴相连。测试装置用于对驱动电机的电流、电压、转速、转矩等机械量进行测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种机电耦合机理试验台，属于机电复合传动技术 领域。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、重量轻、效率高、体积小、功率因数高等诸多优点，被广 泛应用于机械设备、航空航天、电梯、电动汽车以及其他众多工业生产领域，是动力传动系 统中的重要部件。

在混合动力汽车或电动汽车中，其主要动力部件为永磁同步电机，其与传动系统中其他 机械部件构成机电复合传动系统。机电复合传动系统是混合动力汽车或电动汽车中的主要动 力总成部件，是混合动力汽车或电动汽车中的核心；机电复合传动系统的动力学特性，直接 影响到汽车的动力性能和操纵性能。在机电复合传动系统中，机电耦合作用较为明显，因此 需要对机电复合传动系统中的机电耦合机理进行研究。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种机电耦合机理试验台，能够准确地对机电复合传动系统中机 电耦合机理中的转矩耦合通道、几何耦合通道以及横向耦合通道进行试验验证。

所述的机电耦合机理试验台包括：驱动电机、行星传动装置、负载电机、激振装置、测 试装置和用于支撑驱动电机的底座。

所述驱动电机通过活动支撑板安装在所述底座上；驱动电机转子轴的两端伸出壳体后分 别通过轴承座支撑；通过变频器对所述驱动电机供电；调整所述活动支撑板能够使驱动电机 转子轴的轴线偏离驱动电机定子内圆的轴线；所述驱动电机转子轴的一端通过所述行星传动 装置与负载电机相连。

所述激振装置包括：用于对驱动电机转子轴产生横向激振力的横向激振器和用于对驱动 电机转子轴产生扭转激振力矩的扭转激振器；所述扭转激振器通过所述行星传动装置作用于 驱动电机转子轴。

所述测试装置包括：用于监测驱动电机转子轴偏心数据的电涡流位移传感器、用于监测 变频器所提供的交流电电压和电流数据的电压电流传感器、用于监测驱动电机转速和转矩数 据的动态扭矩仪、用于测量底座垂向受力的力传感器以及与上述所有传感器相连用于进行数 据采集处理的数据处理单元。

其中行星传动装置包括：输入轴、输出轴、太阳轮、激振齿圈、激振轴、激振轴齿轮和 行星架；其连接关系为：所述输入轴的一端与所述驱动电机转子轴相连，另一端与太阳轮相 连；所述扭转激振器与所述激振轴相连，激振轴与激振轴齿轮同轴固接，所述激振轴齿轮与 激振齿圈啮合；所述输出轴的一端与行星架相连，另一端与负载电机相连。

当进行机电横向耦合通道试验验证时，对该试验台进行横向激励试验：此时所述扭转激 振器不工作，横向激振器工作，驱动电机转子轴与驱动电机定子内圆同轴；所述驱动电机将 动力传递至行星传动装置，并带动负载电机运动；所述横向激振器将横向激振力传递至驱动 电机转子轴；所述电压电流传感器监测该过程中驱动电机的电压、电流数据，动态扭矩仪监 测该过程中驱动电机的转速、转矩数据，电涡流位移传感器监测驱动电机转子轴的偏心数据， 横向激振器上的力传感器记录横向激振器的激励力数据；上述所有数据均作为时变试验数据 传递给数据处理单元，所述数据处理单元对该时变试验数据进行频谱分析，获得试验频域数 据；然后与机电横向耦合通道理论研究中的理论频域数据进行比对。

当进行机电转矩耦合通道的试验验证时，对该试验台进行扭转激励试验：此时所述横向 激振器不工作，扭转激振器工作，驱动电机转子轴与驱动电机定子内圆同轴；所述驱动电机 将动力传递至行星传动装置，并带动负载电机运动；所述扭转激振器将扭转激振力矩通过行 星传动装置传递至驱动电机转子轴；所述电压电流传感器监测驱动电机的电压、电流数据， 动态扭矩仪监测该过程中驱动电机的转速、转矩数据，扭转激振器上的转速转矩仪记录扭转 激振器的转矩数据；上述所有数据均作为时变试验数据传递给数据处理单元，所述数据处理 单元对该时变试验数据进行频谱分析，获得试验频域数据；然后与机电转矩耦合通道理论研 究中的理论频域数据进行比对。

当进行几何耦合通道试验验证时，对该试验台进行几何偏心试验：此时横向激振器和扭 转激振器均不工作，调整所述活动支撑板，使驱动电机转子轴的轴线偏离驱动电机定子内圆 的轴线；所述驱动电机将动力传递至行星传动装置，并带动负载电机运动；所述电压电流传 感器监测驱动电机的电压、电流数据，动态扭矩仪监测该过程中驱动电机的转速、转矩数据， 力传感器监测所述底座的垂向受力数据，电涡流位移传感器监测驱动电机转子轴的偏心数据； 上述所有数据均作为时变试验数据传递给数据处理单元，所述数据处理单元对该时变试验数 据进行频谱分析，获得试验频域数据；然后与机电几何耦合通道理论研究中的理论频域数据 进行比对。

有益效果：

(1)该试验台结构简单，通过考虑横向激振力，可进行横向激励力下机电耦合横向振动 理论的验证；通过加装行星变速装置模拟发动机，可进行任意扭转激励下的机电耦合机理的 验证；通过考虑偏心对机电耦合系统的影响，可在任意负载扭矩和转速下验证机电耦合机理 中几何耦合通道。

(2)该试验台即能够分别进行横向激励试验、扭转激励试验和几何偏心试验，从而对转 矩耦合通道、几何耦合通道以及横向耦合通道进行试验验证；同时也可以综合考虑横向激励、 扭转激励和几何偏心中的两种或三种因数，对机电耦合机理进行试验验证。

附图说明

图1为本发明机电耦合机理试验台的整体结构示意图；

图2为行星传动装置的结构示意图。

其中：1-永磁同步电机、2-行星传动装置、3-负载电机、4-横向激振器、5-扭转激振器、 6-底座、7-转子轴、8-振动传感器A、9-电涡流位移传感器A、10-电涡流位移传感器B、11- 振动传感器B、12-动态扭矩仪A、13-动态扭矩仪B、14-输入轴、15-输出轴、16-激振齿圈、 17-激振轴、18-激振轴齿轮、19-太阳轮、20-行星架

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明进行详细说明。

在混合动力汽车或电动汽车中，永磁同步电机及其转子轴、为永磁同步电机供电的变频 器、发动机构成机电复合传动系统。通过本实施例提供的机电耦合机理试验台，能够对该机 电复合传动系统中的几何耦合通道、转矩耦合通道以及横向耦合通道进行试验验证，即通过 试验数据验证几何因素、转矩因素以及横向因素对机电耦合的影响。

为能够实现任意扭转激励下机电耦合机理的试验验证，本实施例所提供的试验台中通过 扭转激振器模拟发动机。基于此，该机电耦合机理试验台包括：永磁同步电机1、行星传动 装置2、负载电机3、激振装置和测试装置，如图1所示。

其中永磁同步电机1的定子通过活动支撑板安装在底座6上，所述活动支撑板能够上下 调整，使永磁同步电机1的转子轴的轴线偏离永磁同步电机1定子内圆的轴线，形成偏心。 所述永磁同步电机的转子轴7两端伸出壳体后分别通过轴承座支撑。

所述行星传动装置的结构如图2所示，包括：输入轴14、输出轴15、太阳轮19、激振 齿圈16、激振轴17、激振轴齿轮18和行星架20。其连接方式为：所述输入轴14的一端通 过联轴器与永磁同步电机的转子轴7相连，另一端与太阳轮19通过花键相连。激振轴17与 激振轴齿轮18同轴固接；激振齿圈16同轴空套在输入轴14上，然后与激振轴齿轮18相啮 合；输出轴15的一端与行星架20相连，另一端与负载电机3通过法兰盘相连。

所述激振装置包括横向激振器4和扭转激振器5；其中，横向激振器4通过螺杆与永磁 同步电机的转子轴7上的轴承相连，从而使发出的横向激振力可通过螺杆传递到永磁同步电 机的转子轴7上。扭转激振器5通过法兰盘与行星传动装置中的激振轴17相连，从而使发出 的扭转激励力矩可通过法兰盘传递到激振轴17上。

所述测试装置包括：电涡流位移传感器、力传感器、电压电流传感器、动态扭矩仪、数 据采集器以及数据处理单元。在所述转子轴7上，其伸出壳体的两端分别设置有电涡流位移 传感器，用于监测转子轴7的偏心数据(即转子轴线偏离定子内圆轴线的距离)；在永磁同步 电机的活动支撑板与底座6之间设置力传感器，力传感器分布在底座6四个角的位置，用于 监测底座6的垂向受力，即底座对驱动电机定子的支撑力；在永磁同步电机的供电线路上设 置电压电流传感器，用于监测变频器所提供的交流电的电压和电流；在所述转子轴7与行星 传动装置相连端的端部设置动态扭矩仪，用于监测永磁同步电机的转速和转矩数据。所述电 涡流位移传感器、力传感器、电压电流传感器和动态扭矩仪将监测到的信号传递给数据采集 器，所述数据采集器与数据处理单元相连，数据处理单元用于对所采集到的数据进行处理。

采用该试验台可分别进行转矩耦合通道、几何耦合通道以及横向耦合通道的试验验证， 其工作原理为：

在进行横向耦合通道试验验证时：对该试验台进行横向激励试验，此时扭转激振器5不 工作，横向激振器4工作，驱动电机转子轴与驱动电机定子内圆同轴。永磁同步电机将动力 传递至行星传动装置，并带动负载电机运动，横向激振器4将横向激振力传递到永磁同步电 机的转子轴7上。电压电流传感器监测该过程中永磁同步电机的电压、电流数据，动态扭矩 仪监测该过程中永磁同步电机的转速、转矩数据，电涡流位移传感器监测转子轴7的偏心数 据(此时转子轴7的偏心为永磁同步电机在运转过程中所引起的)；横向激振器上的力传感器 记录横向激振器端激励力的数据；上述所有数据均作为时变试验数据传递给数据采集器。数 据处理单元在数据采集器中获得上述时变试验数据后，对该时变试验数据进行频谱分析，获 得试验频域数据；然后与理论研究中所计算的频域数据进行比对，从而对机电横向耦合通道 的理论研究进行验证。

在进行转矩耦合通道试验验证时：对该试验台进行扭转激励试验，此时横向激振器4不 工作，扭转激振器5工作，驱动电机转子轴与驱动电机定子内圆同轴。永磁同步电机将动力 传递至行星传动装置，并带动负载电机运动；扭转激振器5将扭转激振力矩传递到激振轴17 上，进而通过激振轴齿轮18传递给激振齿圈16，使太阳轮19和行星架20也受到激振力矩 的作用，从而将激振力矩通过太阳轮19传递给与转子轴7相连的输入轴14。试验台在运转 过程中，电压电流传感器监测永磁同步电机的电压、电流数据，动态扭矩仪监测该过程中永 磁同步电机的转速、转矩数据，扭转激振器端的转速转矩仪记录扭转激振器端转矩的数据。 上述所有数据均作为时变试验数据传递给数据采集器。数据处理单元在数据采集器中获得上 述时变试验数据后，对该时变试验数据进行频谱分析，获得试验频域数据；然后与理论研究 中所计算的频域数据进行比对，从而对机电转矩耦合通道的理论研究进行验证。

在进行几何耦合通道试验验证时：对该试验台进行几何偏心试验，此时横向激振器4和 扭转激振器5均不工作；通过调整所述活动支撑板，使驱动电机转子轴的轴线偏离驱动电机 定子内圆的轴线。永磁同步电机将动力传递至行星传动装置，并带动负载电机运动。试验台 在运转过程中，电压电流传感器监测永磁同步电机的电压、电流数据，动态扭矩仪监测永磁 同步电机的转速、转矩数据，力传感器监测底座的垂向受力数据，电涡流位移传感器监测转 子轴7的偏心数据。上述所有数据均作为时变试验数据传递给数据采集器。数据处理单元在 数据采集器中获得上述时变试验数据后，对该时变试验数据进行频谱分析，获得试验频域数 据；然后与理论研究中所计算的频域数据进行比对，从而对机电几何耦合通道的理论研究进 行验证。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。