电力测功机机械传动系统结构探析

电力测功机是利用直流电机或者交流电机作为转换元件，将电能转换成电机转子的机械能，以转矩形式为承载装置加载进行测试的设备。[1]电力测功机在新能源汽车电机及驱动系统的测试中发挥着重要作用，已经成为业界关注的热点。目前，人们关注更多的是电力测功机的动态加载性能、载荷谱的模拟和响应特性等方面的问题。 图1 电力测功机系统测试原理图 机械传动系统是电力测功机中较为关键的一个环节，机械传动装置设计安装得好坏直接影响电力测功机的使用寿命和测试数据的准确性。因此合理设计机械传动系统对保证电力测功机的动态性能是必不可少的。图1为电力测功机系统测试原理图，系统由负载电机M1和被测电机M2及其驱动系统组成，电机M1和M2由联轴器和HBM扭矩传感器组成传动系统。其中HBM传感器是目前国内外测功机厂家普遍采用的转速转矩测量元件，有着测试精度高、稳定性强的优异性能。 一、电力测功机传动系统的主要传动方式 从本质上讲，电力测功机主要是用来测试新能源汽车电机的机械性能、动态响应特性以及相关电气特征参数等。负载电机作为加载电机施加被测电机的力是通过中间传动系统传递的，传动系统刚度越高，传递扭矩信息的能力就越高。因此在很多应用中，刚性联轴器具有更大的优势，但是使用刚性联轴器的前提是必须能保证足够的对中度。由于测功机较多地应用于生产性企业，需要不断地更换被测电机，因此很难保证足够的对中。加以新能源汽车电机有的转速高达rpm，噪声和振动很大，对测功机的寿命以及测试人员的安全造成严重威胁，所以采用柔性连接是目前测功机机械传动系统的不二选择。 (一)国内测功机厂家采用的机械传动方式 国内生产电力测功机的厂家，大多是在传统的水力测功机和电涡流测功机的基础上将负载端更换为电机，在控制上考虑用可回馈的变频器或者电阻耗能单元吸收能量，而机械传动部件却没有作太多的改变。图2为目前国内厂家生产的测功机整体机械连接图。 图2 电力测功机的整体机械结构 被测电机与变速箱之间的传动部件包括HBM转速转矩传感器，变速箱主要为了匹配被测电机与负载电机之间的转速，因为普通电机特别是大功率的电机，在保证输出力矩的情况下，高转速很难实现。国外的，如美国Reuland电机、德国Schorch电机，由于价格因素和可靠性问题，在测功机中实际使用的不多。 目前，无论国产还是国外的AVL、申克以及MAGTROL，都采用HBM的法兰式无轴承传感器。该传感器最大的特点是没有轴承，能高速运转，并且测试精度高。 图3是HBM公司推荐的安装方式。为了避免传感器变形而产生的附加弯矩，[2]安装时必须使被测电机、传感器、负载三者有较好的同轴度，两个半联轴器间应留有一定的间距来补偿运转时的轴向位移(见表1)。鉴于表1中的安装要求较高，为降低安装难度又不影响传感器的正常使用，在联轴器和传感器之间安装了膜片结构。膜片一般需2片成对使用，以吸收由于安装误差而引起的径向、角向误差。 图3 电力测功传动件安装形式表1 膜片联轴器允许误差查询表 测量范围/N.m半联轴器间距/mm线偏移/mm角偏移/°-22.51 按HBM公司推荐的图3安装方式，在实际使用中发现了一些问题，主要表现为：传感器悬空无支撑，在更换被试电机时由于传感器自重和联轴器重量，加上弹性膜片的变形，传感器被试电机侧下垂，久而久之，会影响传感器的精度。经过不断技术改进，使用图4的安装方式。设计时在传感器与被测电机端用两个轴承支撑，轴承采用单列球轴承，以减少轴向间隙，最大限度地减少传感器的下垂，使整个系统保持水平。目前，国内的厂家基本都采用这种结构来设计测功机的机械传动系统。 图4 测功机采用轴承支撑的连接方式 由于被试电机、轴承座、负载三者之间存在的同轴误差，而增加轴承支撑后，整个传动系统势必变长，系统刚度降低，保证同轴更加困难，加之支撑轴承部分两边的负载不同，轴承极易损坏。该结构提高了传感器侧刚度，很好地保护了传感器。 (二)国外测功机厂家采用的机械传动方式 国外对测功机的研究主要集中在用测功机对电动机或电力驱动系统的负载能力进行测试，还有运用测功机进行被测试系统先进控制算法的理论研究，如用直流电机作为测功机，对其进行控制用来模拟机械负载。[3]但是关于机械传动部分结构研究的文章并不多见。笔者所见AVL电力测功机在国内市场上常见的机械结构有两种，但都不带轴承支撑，轴承支撑所带来的负面影响，也是国外厂家积极回避的选项。从传动角度讲，一根轴的效果是最好的，避免了多轴(法兰)连接的对中问题。图5为AVL的连接结构，HBM传感器直接挂在负载电机的轴端，传感器输出侧法兰通过弹性联轴器直接连接被测电机。 图5 AVL公司测功机机械传动结构示意图 二、传动方式比较分析 从设计的角度出发，希望电机到负载之间的一切环节没有弹性形变，即传感器与传动轴的刚度无穷大，并且一根轴直接连接，不存在不同轴问题。但是集中必须有多个联轴器，而且中间的HBM传感器是必不可少的。为了保证生产型企业使用方便，还需要考虑拆卸部分接口的互换性等因素制约测功机和被测电机之间连接形式的简化。 图4在被测电机和HBM传感器之间增加轴承支撑，提高了近轴承部分传动连接的刚度，并且很好地屏蔽了被测电机频繁拆卸对传感器的影响。但是增加轴承，增加了一个支撑点，要求轴承点、被测电机点和测功机点必须在一个较大的距离上寻求三点共线，对机械件的加工和安装都有特别高的要求，实现起来比较困难。同时这种方式使支撑轴承左右两侧承受的负荷不平衡，对支撑轴承的损伤也是致命的。 图5所示的结构为目前AVL在中国市场上普遍采用的结构。它直接将传感器置于测功机轴上，HBM输出侧通过柔性联轴器连接被测电机。这种方式大部分旋转载荷由测功机承担，特别是轴伸端轴承。该结构最大的好处是减少了传动环节的长度，增强了整体的传动刚度，提高了测试数据的准确度。安装时，只有测功机和被测电机两个支撑点，通过HBM输出侧的弹性联轴器来补偿不对中误差，安装调试简单方便，但对测功机的扰动很大。 三、传动系统理论模型分析的问题 为了从理论上分析，并得到传动连接在系统高速旋转时的动态、静态性能指标，一般采用上面所述简化的机械连接模型，[4]但却无法得到满意的结果，其主要原因是存在较大的建模误差： 1.忽略了传动轴的弹性问题，也就是把电动机与负载的联接作为理想刚体来考虑的。 2.没有考虑摩擦、间隙等非线性因素的影响。[5] 3.实践中多数测功机集中在对电机、驱动器和传动系统的稳态测试，或者为它们提供机械特性缓慢变化的负载。然而，在实际工业过程中，机械负载的过渡过程的动态行为往往成为电机或驱动器故障的根源，并且这种暂态特性对运动控制算法影响也很大。 4.对机械负载的动态特性进行模拟的技术还主要处于理论分析和仿真研究阶段，仿真都集中在测功机对不同负载的模拟上，主要基于电力测功机系统的运动方程为数学模型，而整体系统中的许多单元(如调速控制单元和驱动单元)均受到理想化的甚至忽略的处理，这样就失去了真实性。因此从理论上建立数学模型，分析其临界转速和振动，采用软件仿真等手段，都很难准确模拟实际应用工况。[6] 高速电力测功机的机械传动系统需要根据实际应用要求去设计，既要满足用户的安装便利，又要经受长期的高速运转和频繁拆卸的考验。兼顾使用方便和寿命，一直是测功机厂家研究的重点。特别近年来，随着工业自动化水平的提高，国外厂家已设计出装夹被测电机的自动化系统，这对中间传动环节的刚度和整体动态平衡要求提出了更高的要求。 从目前的实际情况来看，国内厂家普遍采用的轴承支撑方式，无论从测试数据的精准度还是使用寿命来看都无法满足生产和研发的要求。采用AVL等国外厂商的结构，整体刚度和强度提高，测试数据的准确度也相应提高，但对于测功机来说必须充分考虑测功机的设计和安装，特别是轴承室的设计以及轴承润滑冷却方式的处理。鉴于上述，关于测功机的机械传动系统分析有以下结论： 1.对于测功机来说需采用双列角接触轴承，增加其承受轴向载荷的能力。 2.优化电机的数学模型，准确计算出转矩。这样在传动系统中间就可以省去传感器，使系统结构简化，寿命增加。目前存在的问题是，通过计算得出的转矩不够精确，对于研发缺少相应的指导意义。但是如果传动系统的加工和安装精度不高，即便使用高精度的HBM传感器读出的数据本身也是不准确的。 3.可以考虑用高强度合金材料替代常用的45号钢或40Cr来制作相关的传动轴和联轴器，以降低重量，减少离心力的作用，从而保证传动的稳定性和寿命。 4.弹性联轴器常用的有膜片联轴器和波纹管联轴器，考虑到膜片联轴器结构相对复杂，补偿角向偏差功能不如波纹管，所以选用波纹管更为合适。 电力测功机是利用直流电机或者交流电机作为转换元件，将电能转换成电机转子的机械能，以转矩形式为承载装置加载进行测试的设备。[1]电力测功机在新能源汽车电机及驱动系统的测试中发挥着重要作用，已经成为业界关注的热点。目前，人们关注更多的是电力测功机的动态加载性能、载荷谱的模拟和响应特性等方面的问题。 图1 电力测功机系统测试原理图 机械传动系统是电力测功机中较为关键的一个环节，机械传动装置设计安装得好坏直接影响电力测功机的使用寿命和测试数据的准确性。因此合理设计机械传动系统对保证电力测功机的动态性能是必不可少的。图1为电力测功机系统测试原理图，系统由负载电机M1和被测电机M2及其驱动系统组成，电机M1和M2由联轴器和HBM扭矩传感器组成传动系统。其中HBM传感器是目前国内外测功机厂家普遍采用的转速转矩测量元件，有着测试精度高、稳定性强的优异性能。 一、电力测功机传动系统的主要传动方式 从本质上讲，电力测功机主要是用来测试新能源汽车电机的机械性能、动态响应特性以及相关电气特征参数等。负载电机作为加载电机施加被测电机的力是通过中间传动系统传递的，传动系统刚度越高，传递扭矩信息的能力就越高。因此在很多应用中，刚性联轴器具有更大的优势，但是使用刚性联轴器的前提是必须能保证足够的对中度。由于测功机较多地应用于生产性企业，需要不断地更换被测电机，因此很难保证足够的对中。加以新能源汽车电机有的转速高达rpm，噪声和振动很大，对测功机的寿命以及测试人员的安全造成严重威胁，所以采用柔性连接是目前测功机机械传动系统的不二选择。 (一)国内测功机厂家采用的机械传动方式 国内生产电力测功机的厂家，大多是在传统的水力测功机和电涡流测功机的基础上将负载端更换为电机，在控制上考虑用可回馈的变频器或者电阻耗能单元吸收能量，而机械传动部件却没有作太多的改变。图2为目前国内厂家生产的测功机整体机械连接图。 图2 电力测功机的整体机械结构 被测电机与变速箱之间的传动部件包括HBM转速转矩传感器，变速箱主要为了匹配被测电机与负载电机之间的转速，因为普通电机特别是大功率的电机，在保证输出力矩的情况下，高转速很难实现。国外的，如美国Reuland电机、德国Schorch电机，由于价格因素和可靠性问题，在测功机中实际使用的不多。 目前，无论国产还是国外的AVL、申克以及MAGTROL，都采用HBM的法兰式无轴承传感器。该传感器最大的特点是没有轴承，能高速运转，并且测试精度高。 图3是HBM公司推荐的安装方式。为了避免传感器变形而产生的附加弯矩，[2]安装时必须使被测电机、传感器、负载三者有较好的同轴度，两个半联轴器间应留有一定的间距来补偿运转时的轴向位移(见表1)。鉴于表1中的安装要求较高，为降低安装难度又不影响传感器的正常使用，在联轴器和传感器之间安装了膜片结构。膜片一般需2片成对使用，以吸收由于安装误差而引起的径向、角向误差。 图3 电力测功传动件安装形式表1 膜片联轴器允许误差查询表 测量范围/N.m半联轴器间距/mm线偏移/mm角偏移/°-22.51 按HBM公司推荐的图3安装方式，在实际使用中发现了一些问题，主要表现为：传感器悬空无支撑，在更换被试电机时由于传感器自重和联轴器重量，加上弹性膜片的变形，传感器被试电机侧下垂，久而久之，会影响传感器的精度。经过不断技术改进，使用图4的安装方式。设计时在传感器与被测电机端用两个轴承支撑，轴承采用单列球轴承，以减少轴向间隙，最大限度地减少传感器的下垂，使整个系统保持水平。目前，国内的厂家基本都采用这种结构来设计测功机的机械传动系统。 图4 测功机采用轴承支撑的连接方式 由于被试电机、轴承座、负载三者之间存在的同轴误差，而增加轴承支撑后，整个传动系统势必变长，系统刚度降低，保证同轴更加困难，加之支撑轴承部分两边的负载不同，轴承极易损坏。该结构提高了传感器侧刚度，很好地保护了传感器。 (二)国外测功机厂家采用的机械传动方式 国外对测功机的研究主要集中在用测功机对电动机或电力驱动系统的负载能力进行测试，还有运用测功机进行被测试系统先进控制算法的理论研究，如用直流电机作为测功机，对其进行控制用来模拟机械负载。[3]但是关于机械传动部分结构研究的文章并不多见。笔者所见AVL电力测功机在国内市场上常见的机械结构有两种，但都不带轴承支撑，轴承支撑所带来的负面影响，也是国外厂家积极回避的选项。从传动角度讲，一根轴的效果是最好的，避免了多轴(法兰)连接的对中问题。图5为AVL的连接结构，HBM传感器直接挂在负载电机的轴端，传感器输出侧法兰通过弹性联轴器直接连接被测电机。 图5 AVL公司测功机机械传动结构示意图 二、传动方式比较分析 从设计的角度出发，希望电机到负载之间的一切环节没有弹性形变，即传感器与传动轴的刚度无穷大，并且一根轴直接连接，不存在不同轴问题。但是集中必须有多个联轴器，而且中间的HBM传感器是必不可少的。为了保证生产型企业使用方便，还需要考虑拆卸部分接口的互换性等因素制约测功机和被测电机之间连接形式的简化。 图4在被测电机和HBM传感器之间增加轴承支撑，提高了近轴承部分传动连接的刚度，并且很好地屏蔽了被测电机频繁拆卸对传感器的影响。但是增加轴承，增加了一个支撑点，要求轴承点、被测电机点和测功机点必须在一个较大的距离上寻求三点共线，对机械件的加工和安装都有特别高的要求，实现起来比较困难。同时这种方式使支撑轴承左右两侧承受的负荷不平衡，对支撑轴承的损伤也是致命的。 图5所示的结构为目前AVL在中国市场上普遍采用的结构。它直接将传感器置于测功机轴上，HBM输出侧通过柔性联轴器连接被测电机。这种方式大部分旋转载荷由测功机承担，特别是轴伸端轴承。该结构最大的好处是减少了传动环节的长度，增强了整体的传动刚度，提高了测试数据的准确度。安装时，只有测功机和被测电机两个支撑点，通过HBM输出侧的弹性联轴器来补偿不对中误差，安装调试简单方便，但对测功机的扰动很大。 三、传动系统理论模型分析的问题 为了从理论上分析，并得到传动连接在系统高速旋转时的动态、静态性能指标，一般采用上面所述简化的机械连接模型，[4]但却无法得到满意的结果，其主要原因是存在较大的建模误差： 1.忽略了传动轴的弹性问题，也就是把电动机与负载的联接作为理想刚体来考虑的。 2.没有考虑摩擦、间隙等非线性因素的影响。[5] 3.实践中多数测功机集中在对电机、驱动器和传动系统的稳态测试，或者为它们提供机械特性缓慢变化的负载。然而，在实际工业过程中，机械负载的过渡过程的动态行为往往成为电机或驱动器故障的根源，并且这种暂态特性对运动控制算法影响也很大。 4.对机械负载的动态特性进行模拟的技术还主要处于理论分析和仿真研究阶段，仿真都集中在测功机对不同负载的模拟上，主要基于电力测功机系统的运动方程为数学模型，而整体系统中的许多单元(如调速控制单元和驱动单元)均受到理想化的甚至忽略的处理，这样就失去了真实性。因此从理论上建立数学模型，分析其临界转速和振动，采用软件仿真等手段，都很难准确模拟实际应用工况。[6] 高速电力测功机的机械传动系统需要根据实际应用要求去设计，既要满足用户的安装便利，又要经受长期的高速运转和频繁拆卸的考验。兼顾使用方便和寿命，一直是测功机厂家研究的重点。特别近年来，随着工业自动化水平的提高，国外厂家已设计出装夹被测电机的自动化系统，这对中间传动环节的刚度和整体动态平衡要求提出了更高的要求。 从目前的实际情况来看，国内厂家普遍采用的轴承支撑方式，无论从测试数据的精准度还是使用寿命来看都无法满足生产和研发的要求。采用AVL等国外厂商的结构，整体刚度和强度提高，测试数据的准确度也相应提高，但对于测功机来说必须充分考虑测功机的设计和安装，特别是轴承室的设计以及轴承润滑冷却方式的处理。鉴于上述，关于测功机的机械传动系统分析有以下结论： 1.对于测功机来说需采用双列角接触轴承，增加其承受轴向载荷的能力。 2.优化电机的数学模型，准确计算出转矩。这样在传动系统中间就可以省去传感器，使系统结构简化，寿命增加。目前存在的问题是，通过计算得出的转矩不够精确，对于研发缺少相应的指导意义。但是如果传动系统的加工和安装精度不高，即便使用高精度的HBM传感器读出的数据本身也是不准确的。 3.可以考虑用高强度合金材料替代常用的45号钢或40Cr来制作相关的传动轴和联轴器，以降低重量，减少离心力的作用，从而保证传动的稳定性和寿命。 4.弹性联轴器常用的有膜片联轴器和波纹管联轴器，考虑到膜片联轴器结构相对复杂，补偿角向偏差功能不如波纹管，所以选用波纹管更为合适。

文章来源：《机械传动》 网址: http://www.jxcdzz.cn/qikandaodu/2021/0413/411.html