转矩波动的原理与测试方法
动态扭矩的测量
动态扭矩的测量摘要：按照不同的测量原理，将扭矩测量方法分为平衡力法、能量转换法和传递法三大类。
应用最为广泛的是传递法扭矩测量方法，阐述了具体测量方法的原理、特点和适用范围。
并且简单介绍了采用磁栅转矩传感器和一种新的微机辅助相位差检测方法，并归纳出扭矩测量方法的主要发展趋势。
关键词：传感器扭矩相位差转矩测量技术相位差检测磁栅在扭矩作用下，机械构件将产生一定程度的扭转变形。
因此，扭转力矩又被称为转动力矩，简称扭矩.扭矩是能够反映机械传动系统性能的典型机械量，扭矩测量具有非常广泛的应用。
动态转矩是转矩值随时间变化很大、很快的转矩其中包括:①振动转矩:起因于机械传动系统的扭转振动,转矩值的波动具有一定周期,特征参数有转矩平均值Tm、最大振幅ΔT max、基波及各次谐波频率fi、振幅Ti;②过渡转矩:反映传动系统工作状况转换时的转矩变化过程,其特征参数有最大转矩值Tmax、最小转矩值Tmin和转矩变化率ΔT∕Δt;③随机转矩:这是一种不确定的、无规律的变化转矩,其统计特征有均方值、概率密度函数、自相关函数及功率谱密度函数。
可见动态转矩充分表征了机械传动系统的特性,对它的测量和分析是各种机械产品的开发研究、性能分析、质量检验、型式鉴定、优化控制等工作中必不可少的。
1 扭矩测量方法分类按测量原理分类，扭矩测量方法可分为平衡力法、能量转换法和传递法三大类，其中传递法的应用最为广泛。
1.1平衡力法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。
可见，测得 F 和 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。
1.2能量转换法能量转换法是指根据能量守恒定律，利用热能、电能等其他参数来测量扭矩的一种间接测量方法。
齿槽转矩测试的必要性和方法
齿槽转矩测试的必要性和方法近年来随着永磁材料的发展，永磁电机成了电机行业的新宠。
然而在永磁电机中，齿槽转矩的存在给电机的控制性能造成了很大的影响，那齿槽转矩到底是怎么产生的？我们又该怎么去测呢？玩过永磁电机的朋友都有过类似的经历：我们在电机掉电的情况下去转电机的转子，发现会有一种卡顿的感觉，而不像传统直流电机那么顺畅的就能把转子徒手转起来。
这种卡顿其实就是因为永磁电机存在齿槽转矩。
永磁电机内部结构图如图1所示，齿槽转矩是永磁电机的固有的特征之一，它是在电枢绕组不通电的状态下，由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向上产生的转矩。
它其实是永磁体与电枢齿之间的切向力，使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势，试图将转子定位在某些位置，由此趋势产生的一种振荡转矩就是齿槽转矩。
图1 永磁同步电机结构图齿槽转矩会使电机产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。
在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。
齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。
所以做永磁电机研发的工程师希望把自己做的电机的齿槽转矩降到最小，使用永磁电机的工程师则希望了解手上这台电机的齿槽转矩，从而去优化他的控制算法。
在国标GBT/ 30549-2014里对齿槽转矩的测试有了明确的定义：电机绕组开路时，电机回转一周内，由电枢铁心开槽，有趋于最小磁阻位置的倾向而产生的周期性力矩。
齿槽转矩的测试方法常用的有：杠杆测量法、转矩仪法。
杠杆测量法比较简单，测量精度比较差，所以主要用于对精度要求不高的场合。
转矩仪法架构图如图2所示，由于伺服电机的齿槽转矩非常小，所以测试时需要以一个非常低的转速来带动未上电的被测电机来完成测试，原动机输出后要先经过减速系统，将转速降至1rpm/min左右，然后带动被测电机进行测试，用扭矩传感器测试出齿槽转矩。
永磁同步电动机齿槽转矩的测量方法图解
永磁同步电动机齿槽转矩的测量方法图解齿槽转矩是指永磁同步电动机绕组开路时，电机回转一周内，由于电枢铁心开槽，有趋于最小磁阻位置的倾向而产生的周期性转矩。
永磁同步电机的三相绕组在不通电且绕组开路的情况下，用手轻轻转动转子，你会感觉到转子上面有一个力在与你较劲。
这个力在一圈的范围内大小不均匀，而且会发现转子具有若干个定位点。
在自然的状态下转子保持在这些定位点，只有外界施加一定的力，才能改变转子的位置，正因为这样齿槽转矩也被称为定位转矩。
齿槽转矩的产生主要是由于定子齿槽的存在，齿槽转矩的产生会造成电机运行中的振动、噪声、启动和调速控制困难。
如何抑制或消除齿槽转矩一直是永磁电机研究的重要方向，准确测量齿槽转矩可以为永磁电机设计和控制提供帮助，下面本文对几种齿槽转矩测试方法进行对比介绍。
一、传感器的动态测量方法测量齿槽转矩图示1：使用传感器的动态测量方法示意图如图1所示，被测电动机通过转矩传感器与制动器(例如磁粉制动器)相连，制动器加载，被测电动机稳速运转，从转矩测试仪直接测量转矩瞬时值(图2)，在测得的转矩值中求得齿槽转矩值。
图示2：转矩测试仪测得的转矩瞬时值这种测量方法测得的转矩包含了被测电动机自身的齿槽转矩、控制器控制引起的脉动转矩(闭环控制运行条件下情况更为复杂)和负载引起的脉动转矩。
所以为了能得到最接近真实的齿槽转矩，测试时需注意几点：1) 要求负载自身的脉动转矩要小(建议采用磁粉制动器)；2) 要求传感器系统的采样速率要高(建议3K以上)，能实现动态转矩测量；3) 要求转矩检测仪器能够进行数据处理。
二、步进电机的静态测量方法测量齿槽转矩图示3：使用步进电动机的静态测量方法示意图如图3所示，将步进电动机、转矩传感器和被测电动机固连载同一轴线上，通过控制脉冲数使步进电动机精确地将被试电机转子旋转一定角度后，步进电动机利用自身的保持转矩作为转矩传感器的一个固定端，这样齿槽转矩就作用在转矩传感器上，从测试仪可以直接独处齿槽转矩。
电机型式试验之最大、最小转矩的测定
3.10 最大转矩，最小转矩的测定试验⑴ 试验目的测量电机的最大转矩的目的是为了检测被试电机的短时过载能力，而测量最小转矩的目的则是为了研究被试电机的启动能力，从而判断电机的质量好坏，是质量检测研究中的一个不可或缺的环节。
⑵ 最大（小）转矩的定义① 三相异步电机的最大转矩是指电机在额定电压和额定频率下，所产生的无转速突降的趋态异步转矩最大值（本定义不试用于转矩随转速增加而连续下降的电机），符号为T max ，如下图所示：（a ）一般电机（b ）转矩随转速的升高一直下降的电机图3-17三相异步机的转子—转速特性曲线② 三相异步电机的最小转矩是是指电动机在额定电压和额定功率的频率下，在零转速与对应于最大转矩的转速之间所产生的稳态异步转矩的最小值。
这里应当注意的是稳态异步转矩的最小值这几个字，因为在实际测量的过程中，最小转s)0TT KN n矩点附近的一段区域内，转矩值一般是跳动很大的震荡曲线，从定义来看，应该取其平均值为最小转矩的结果，而不是取振荡曲线的最低值。
⑶ 最大转矩的测试方法—描点法根据国家规定，100KW 以下的电机测量最大转矩采用实测法，试验时，要求产生最大转矩的电机端电压应在被试电机额定电压的0.9-1.1倍之内，此时用转矩与电压的平方成正比的关系对转矩进行修正才不会产生较大的误差。
使用转矩—转速传感器加直流负载法时的试验步骤① 描点绘制曲线的方法：可以从空载开始，逐渐加大负载，并按一定的梯度设定一个试验点，在一个试验点上稳定运行一段时间，待显示数据后，并记录下相关数据，再调高到下一个试验点进行试验，直至使转矩值达到某一最大值后开始下降，在接近最大值时应该减缓增加负载的速度，试验时同时记录各点的转速和电压值，有要求还应该记录电流值，如下图（a ）所示。
图3-18转矩—转速曲线按与电压的平方成正比的关系将各个试验点的转矩值修正到额定电压的数值后，在一张坐标纸上点出转矩与转速的对应坐标点，并将各点练成一条光滑的曲线，被试电机的最大转矩从曲线上求得。
三相异步电机最大转矩最小转矩测试方法
三相异步电机最大转矩最小转矩测试方法三相异步电机是现代工业中常用的一种电动机，它具有结构简单、可靠性高、功率因数高等优点，在许多领域都有广泛的应用。
为了保证电机的正常运行和性能稳定，需要对其进行最大转矩和最小转矩测试。
最大转矩测试是指在给定的电源电压和频率条件下，通过改变电机的负载来测量电机可以输出的最大转矩。
最大转矩通常在启动时出现，它是电机启动过程中克服转矩惯性的能力的体现。
最大转矩测试是评估电机性能的重要指标之一。
最小转矩测试是指在给定的电源电压和频率条件下，通过改变电机的负载来测量电机可以输出的最小转矩。
最小转矩通常发生在电机运行过程中的轻载或空载状态下，它是电机在负载变化时的稳定性的体现。
最小转矩测试可以用于评估电机的运行效果和负载适应能力。
为了进行最大转矩和最小转矩测试，需要使用适当的仪器和设备。
首先，需要准备一个负载装置，可以通过改变装置的负载来调整电机的负载。
其次，需要使用一个功率计来测量电机在不同负载下的功率输出。
最后，需要使用一个转矩传感器来测量电机的转矩输出。
在进行最大转矩测试时，可以先将负载装置设置为最小负载，然后逐渐增加负载，同时记录电机的转矩输出和功率输出。
当电机的转矩输出达到最大值时，即可得到电机的最大转矩。
在进行最小转矩测试时，可以先将负载装置设置为最大负载，然后逐渐减小负载，同时记录电机的转矩输出和功率输出。
当电机的转矩输出达到最小值时，即可得到电机的最小转矩。
最大转矩和最小转矩测试可以用于评估电机的性能和稳定性。
在实际应用中，电机的最大转矩和最小转矩需要满足一定的要求，以确保电机可以正常运行并适应不同的负载变化。
例如，在某些工业设备中，电机需要具有较大的最大转矩，以应对启动时的负载冲击；而在某些精密设备中，电机需要具有较小的最小转矩，以保证运行的平稳性和精度。
最大转矩和最小转矩测试是评估三相异步电机性能的重要手段。
通过合理的测试方法和仪器设备，可以准确测量电机的最大转矩和最小转矩，并评估电机的运行效果和负载适应能力。
永磁正弦无刷直流电动机力矩波动的测量
永磁正弦无刷直流电动机力矩波动的测量1引言由于永磁正弦无刷直流电动机系统具有的高力矩性能使其适合在直接驱动中应用，而其力矩中的波动成分(波动力矩)对负载的运行有直接影响，因此对驱动电机波动力矩指标控制较为严格［1～3］。
本文针对波动力矩的测量问题，提出了两种测量方法，即平衡式直接测量法和电流式间接测量法。
在平衡式直接测量法中,提出了一种不同于一般结构［2，4］的方法，采用电阻应变仪作为力矩传感器，通过恒定负载平衡电机电磁力矩的恒定分量,通过力矩传感器检测波动力矩，并解决了负载力矩要求传感器大量程和波动力矩要求传感器高分辨率的矛盾［4］。
在电流式间接测量中，考虑到各相定子电流平方和的波动成分代表了电机的波动力矩，设计了相应的测量装置。
为了便于分析，首先给出力矩波动系数TRF的定义，力矩波动系数一般定义为波动力矩的峰值ΔTpp与平均力矩T－的比值(1)2 波动力矩的平衡式直接测量2.1 平衡式直接测量方法的原理与装置为克服传统直接测量装置的负载力矩要求传感器大量程和波动力矩要求传感器高分辨率的矛盾，设计的波动力矩直接测量装置如图1所示。
将负载接于电机轴的一侧，力矩传感器接在电机轴的另一侧，并使传感器推动一个大飞轮。
在这种结构中，可以减小传感器的量程，从而充分利用其分辨率。
图1 平衡式直接测量装置结构Fig.1 Structure of the balanced direct testing bench系统机械方程式为(2) 式中TL为负载力矩；J1为电机惯量；ω1为电机转子机械角速度；D1为电机阻尼系数；Tt为力矩传感器传递给飞轮的力矩。
负载由磁粉制动器提供，通过控制励磁电流和制动器采用强迫水冷以保持负载力矩TL恒定。
对于力矩传感器和飞轮组成的机械系统有(3) 式中J2为飞轮的转动惯量；ω2为飞轮角速度；D2为飞轮阻尼系数。
力矩传感器和飞轮之间采用弹性连接,以保证力矩传感器可以产生形变,输出波动力矩信号。
基于实测定子电流的表贴式永磁同步电机转矩波动系数计算方法
第54卷第5期2021年5月Vol.54.No.5Mg.2021微电机MCCROMOTORS基于实测定子电流的表贴式永磁同步电机转矩波动数方法宣柳萍，贺青川，潘骏，陈文华(浙江理工大学机电产靠性分析与测试国家地方工程研究中心，杭州310018)摘要：利用实测定子电流计算转矩波动系数有助于监测永磁同步电机在实际工况下的转矩波动程度以及根据其变化进行故障预测。
针对d-g轴数学模型、矢量控制的表永磁同步电机，考虑永磁同步电机定子电流基波、谐波与转子磁场基波、谐波的相对转矩波动的影响，推导出转矩解析型。
实测电流以及转子磁场傅里叶分析，要谐波阶次以及转矩波动的主要阶次。
依据对例的分析，提出了测电流永磁同步电机转矩及其波动的方法。
结果表明时监测永磁同步电机工况出转矩波动%关键词：永磁同步电机；转矩波动；转矩波动系数；故障预测中图分类号：TM351；TM341文献标志码：A文章编号：1001-6848(2021)05-0027-07Metiod to Calculate Torque Ripple Coeffciert of Surfacc-mountet Permanert Magnet Synchronous Motor Based on Measured Stator CurreetXUAN Liuping，HE Qingchuan，PAN Jun,CHEN Wenhua(National and Local Join Engineering ResearcC Center sf Reliabilii#Analysis and Testing forMechanical and Electrical Products，Zhejiang Sci-TecC Unnersity，Hangzhoo310018，China)Abstract:Using dctug mersured sub-currents to colculate the torque/pp O coefficient is helpfue to monitor thetequeeoppeedegeee/tthepeemanentmagnetsynchen/usm/teundeeactuaew/ekongc/ndotonsand peedocttauetsbased on otschanges.Foethesuetace-mounted peemanentmagnetsyncheonousmotoeadoptong dq axis mathematicrt modd and vector contnt,the influenco of tie fundamentae wave and har-monocsotthJstatoecu e ntotthJpJemanJntmagnJtsyncheonousmotoeand thJtundamJntaewaeJand hae-monocsottheeotoemagnetoctoeed on thetoequeteuctuatoon，otosdeeoeed Toequeanaeytocaecaecueatoon modee.Measueethesub-cu e ntand theeotoemagnetoctoeed toeFoueoeeanaeysostodeteemonethemaon haemonocoe-deeand themaon oedeeottoequeeoppee.Based on theanaeysosottheeipeeomentaeeiampees，amethod toe caecueatongthetoequeand eoppeecoe t ocoentotthepeemanentmagnetsyncheonousmotoeusongthemeasueed sub-cu e ntwaspeoposed.Theeesuetsshowthatotcan beused tomonotoetheoutputtoequeteuctuatoon coet-tocoentotpeemanentmagnetsyncheonousmotoeundeeactuaewoekongcondotoonson eeaetome.Key wor's:peemanentmagnetsyncheonousmotoe(PMSM)；toequeeoppee；toequeeoppeecoe t ocoent；tauet peedoctoono引言永磁同步电机具有较高的功率质量比、能量利用率以及良好的伺服性能等优点，被广泛应用于机制造、机器人控制、航空等领域％早中，受磁场谐波、电流时间谐波、电机磁路收稿日期：2017—10—31，修回日期：2017—12—18基金项目：国家自然科学基金资助项目(51875529)；NSFC-浙江两化融合项目"U1709210)。
步进电机转矩波动抑制方法
步进电机转矩波动抑制方法步进电机转矩波动抑制方法步进电机是一种常见的电动机，其特点是可以按照一定的步进角度进行运动。
然而，步进电机在运动过程中常常会出现转矩波动的问题，这会导致电机运动不稳定，影响工作效率和精度。
因此，我们需要采取一些方法来抑制步进电机的转矩波动。
首先，我们可以通过优化步进电机的控制算法来减小转矩波动。
传统的步进电机控制算法是开环控制，即根据事先设定的脉冲信号来驱动电机运动。
这种方法容易出现转矩波动，因为电机的实际运动状况与理论脉冲信号可能存在偏差。
因此，我们可以考虑采用闭环控制算法，即通过传感器实时测量电机的位置或速度，并根据测量结果调整脉冲信号，使电机的运动更加稳定。
其次，我们可以通过改进步进电机的结构来减小转矩波动。
步进电机通常由定子和转子组成，其中定子是电磁线圈，转子是永磁体。
传统的步进电机结构存在转矩波动的问题，因为电磁力的大小与转子位置有关。
因此，我们可以采用细分步进电机的结构，即将电磁线圈细分为多个部分，使得电磁力的大小更加均匀，从而减小转矩波动。
另外，我们还可以通过优化步进电机的供电系统来减小转矩波动。
步进电机的供电系统通常由直流电源和驱动器组成。
传统的供电系统存在转矩波动的问题，因为直流电源输出的电流不稳定。
因此，我们可以采用细分驱动器来改善供电系统，即将直流电源的输出电流细分为多个级别，使得电机供电更加稳定，从而减小转矩波动。
最后，我们还可以通过加装减振装置来减小步进电机的转矩波动。
减振装置可以有效地吸收步进电机运动过程中产生的震动和振动，从而减小转矩波动。
常见的减振装置包括减震垫、减震螺杆等，这些装置能够将步进电机的振动能量转化为其他形式的能量，使电机的运动更加平稳。
综上所述，步进电机的转矩波动是一个常见的问题，但我们可以通过优化控制算法、改进电机结构、优化供电系统和加装减振装置等方法来抑制转矩波动，从而提高步进电机的运动稳定性和工作效率。
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转矩波动的原理与测试方法
什么是转矩波动?它对电机运行有什么影响?假如有，影响大不大呢?它
对我们生产生活有什么意义?我们又该如何测试转矩波动呢?接下来就
让我们详细了解一下转矩波动。
一、什么是转矩波动
转矩波动是各种工作机械传动轴的时候浮现扭矩的波动，与动力机械的
工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及平安性能等因素紧密联系，转
矩的测量对传动轴载荷确实定与控制、传动系统工作零件的强度设计以
及原动机容量的挑选等都具有重要的意义。通俗地讲就是电机因为机械
结构和本身转子惯量输出一定转矩的上下波动。
转矩波动主要受齿槽力矩、电磁波动力矩、电枢反应和机械工艺等因素
的影响较大，也正是由于这些因素都是电机本身机械结构引起的，导致
转矩波动测试也尤为困难，而且精度不高。
图 1 转矩波动趋势
二、转矩波动的影响
电机挺直作用于负载，在运转过程中，其自身因为齿槽力矩、电磁效
应和加工装配工艺等产生的转矩波动将挺直传递到负载上，从而对系
统速度平稳性及控制精度产生影响。尤其在轻载和低转速状态下，波
动力矩占电机输出力矩比例相对较大，这种影响越发不能忽视。因而
精确 测量波动力矩就成为电机实际应用中需要解决的问题。
图 2 转矩波动测试
三、转矩波动测试方式
根据国标《GB/T30549-2014沟通伺服电机通用技术条件》的测试依据
来看共有以下测试方式：