转矩的测试

转矩是旋转机械的重要参数之一。转矩的测试方法，按其基本原理可以分为三种：传递法（扭轴法）、平衡力（反力）法及能量转换法。

传递法是根据弹性元件在传递转矩时所产生的变形、应力或应变来测试转矩的方法（因为常用的弹性元件是扭轴，所以又称扭轴法）。变化的参数可以是变形、应力或应变等，使用的弹性元件是扭轴，等截面圆柱形扭轴的应变可按下式计算：

它所产生的应变可以引起贴在表面的电阻应变片阻值的变化而形成应变型转矩传感器。电机主轴旋转时，将转矩传递到扭轴上，扭轴上所产生的应变，通过转矩传感器的电阻应变片转换成相应的电信号，该信号通过处理后送显示器显示转矩数值。这种传感器使用方便，精度高，易于集成。

平衡力法是通过外加己知的与被测转矩方向相反的转矩，当传动轴静止或匀速转动时，外加转矩与被测转矩相等。这种方法简单，但必须通过另外一种方法测量外加的转矩或力及力臂，这样会对测量引入一定的累计误差。

能量转换法则是一种间接测量方法，根据对应于转矩大小而变化的其他能量参数来测试转矩的方法，是通过利用能量守恒的原理间接测量转矩，不易实现。这三种转矩测试方法的原理示意图，分别如图７．８（ａ），（ｂ），（ｃ）所示。本节对这三种转矩测试方法分别进行讨论。

一、传递法测试转矩

传递法所用转矩传感器是多种多样的，例如：

（１）变形型转矩传感器，反映机械、液压、气动、电阻、电容、电感、光学、光电等参数的变化。

（２）应力型转矩传感器，反映材料磁阻变化或透光材料的双折射现象（磁弹或光弹转矩传感器）。

（３）应变型转矩传感器，反映轴的应变引起电阻应变片的电阻变化。

转矩测试仪因所用传感器不同而有较大差别，为此，分别举例讨论如下：

１．相位转矩测量仪（采用变形型转矩传感器）

近年来，随着电子测试技术的迅速发展，信号的相位测试方法也日趋完善。利用相位测试原理制成的相位转矩测试仪，也得到广泛应用。特别是数字显示相位转矩测试仪，由于具有读数直观，信号可远传，不易受干扰，测试准确度高，测试结果便于自动记录或输入计算机进行数据处理等优点，在现代科学实验工作中的应用日益广泛。

（１）转矩与相位差。相位转矩测试仪一般由产生信号的转矩传感器和检测信号相位差的测量电路两部分组成，如图７．９（ａ）所示。

相位转矩传感器由弹性扭轴１和两个信号发生器（磁电型、光电型等）２和３组成。当扭轴空载旋转时，两个信号发生器即输出电压波动信号Ａ和Ｂ，如图７．９（ｂ）所示。信号频率随转速而变，但两者之间的相位差（即初始相位差）θ０却是某一常值。

当扭轴传递转矩时，扭轴发生扭转变形，其两端的圆盘产生相对转角φ，使两信号间的相位关系发生变化，如图７．９（ｂ）中的Ａ和Ｂ。

两信号间相位差的变化量Δθ与φ 之间的关系为

Δθ＝ｚφ（７．１３）

式中ｚ———圆盘转一圈所产生的信号个数。

当ｚ＝１时，Δθ＝φ，即扭轴扭角与相位差角在数值上相等。当ｚ＝６０时，Δθ＝６０φ，即Δθ 在数值上比φ大６０倍。

但ｚ值不能选得过大，因为Δθ不能大于２π，即Δθ＝ｚφ ＜２π，实际上考虑到测试正、反向转矩和

超载转矩的可能性，ｚ值还应减小。通常使，对应的ｚ值为１０～１００。专测高速转矩的设备，应减小ｚ值，直到ｚ＝１。专测低速转矩的设备，可增大ｚ值，直到每圈有几百个信号。但转速不能太低，否则将无法产生信号，而不能工作。

综上所述，Δθ与φ成正比，即与转矩Ｔ成正比，所以，在相位转矩测试仪中，转矩Ｔ的测试转换成了信号相位差Δθ的测试。

二、平衡力法测试转矩

平衡力法转矩测试装置，是根据驱动机械（即原动机）或制动机械（即制动器）机体上作用的平衡力矩（与转轴所承受的转矩大小相等，方向相反）的大小来测量转矩的装置。图７．１８是这种转矩测试装置的原理简图。图中，１是原动机或制动器机体，机体安装在平衡支承２上，并可绕自身的中心线自由摆动，

机体上装有力臂杆３，力臂上作用着平衡力Ｆ，４是测平衡力Ｆ的机构。按测得的Ｆ乘以力臂长ｌ，就可确定平衡力矩Ｆｌ。

平衡力法转矩测试装置可分为三部分：主机、平衡支承及平衡力测试机构。

主机实际上就是一台原动机（如电动机、内燃机、液压马达等）或制动器（如摩擦、电力、涡流及磁粉制动器等）。直流电机可作原动机或制动器，并可无级调速，常作主机用。

平衡支承的功用是保证机体能灵活地绕主轴中心线摆动。常用的支承有滚动、双重滚动、液压支承等。

平衡力测试机构用于测试平衡力Ｆ。常用的有摆锤、液压、电阻应变（电子秤）、差动电感及气动等形式。

按理论力学的方法，可以得到这类测试装置的转矩平衡方程式

Ｔ＝Ｆｌ±ΔＴ（７．２９）

式中Ｔ———被测转矩；

ΔＴ———转矩测试的误差项。

式（７．２９）说明，旋转轴上的作用转矩Ｔ的测试问题，通过平衡力法转矩测试装置，转换成静止的平衡力臂上的平衡力Ｆ的测试问题。为了使测得的平衡力矩值能准确地作为Ｔ的示值，必须尽一切可能减小转矩测量的误差项ΔＴ：

ΔＴ＝±ＴＢ±ＴＤ±ＴＦ（７．３０）

式中ＴＢ———平衡支承的摩擦力矩；

ＴＤ———电缆、水管、油管等造成的牵制力矩；

ＴＦ———空气摩擦转矩。

此外，Ｆ的测试误差以及ｌ的误差均将直接影响转矩测试准确度。

平衡力法转矩测试装置常用的主机（原动机、制动器）有磁粉制动器、电机等，可对转动机械施加转矩及测试输出功率，所以又称为测功机，它们的原理简述如下：

（１）磁粉制动器（磁粉测功器）。磁粉制动器的结构原理如图７．１９所示。在传动轴１上面装有转子２，在定子３中有励磁线圈４，在空腔５中有磁粉。当线圈４不通电时，不产生磁通，所以磁粉呈自由

状态。此时如果传动轴１旋转，由于离心力的作用，磁粉甩在空腔５的外圈，传动轴上基本不受制动转矩作用。当线圈通电时就产生磁通，定子和转子间的磁粉在磁通作用下，接成链状（见图７．２０），这时由于磁场的扭斜而产生制动转矩。当然，定子应另用机架支承起来，并用重锤与定子所受的转矩相平衡，通过刻度盘和指针读取被测转矩。

因为是利用磁粉传递转矩，所以磁粉是影响制动器性能的决定因素，磁粉要求导磁率高、剩磁低、耐热、耐磨，通常采用铬钢磁粉、铁铝铬合金磁粉等，颗粒大小约为２０～７０μｍ。

改变励磁线圈的电流Ｉ，就可改变磁粉链接力，使制动转矩Ｔ发生变化，制动转矩大体上与励磁电流成正比。但当出现磁饱和时，制动转矩也达饱和值（见图７．２１）。

由于磁粉具有动、静摩擦系数基本相同的特性，因此，当励磁电流不变时，制动转矩也保持常数，即具有恒转矩特性（见图７．２２）。

但是当转速低于２０ｒ／ｍｉｎ和高于２０００ｒ／ｍｉｎ时，分别由于磁粉分布不匀或过大的离心力使转矩Ｔ不够稳定。

这种制动器可方便地调节Ｔ的大小，而且在较低转速工况下有较大的制动转矩，因而在现代机械、电气实验室中得到广泛应用。特别是串接在涡流或水力制动器试验系统中，可互补不足，使整个试验台的工作转速范围大大扩展。

（２）电机测功机。电机测功机通常就是一台定子可在支承内回转一定角度的直流电机。直流电机既能作为原动机（即作电动机）去带动工作机械，测定它的阻转矩和所消耗功率，又可作为制动器（即作发电机），对动力机械形成负载，测定动力机械的输出转矩及输出功率。

直流电机的另外一个优点是能在相当大的范围内无级调节它的转速。改变直流电机的励磁电流和改变电机的电枢电压，转速可在１∶４～１∶２０的大范围内变化。这对测定各种机械在不同转速下的工作特性是十分重要的。

电机测功机的工作原理完全与一般直流电机相同，但电机测功机的定子受到转矩作用后会产生偏转，采用简单的杠杆装置对定子施加平衡力矩，当平衡力矩和测功机的转矩相等时，可由测力计（或磅秤）指示出电机测功机的转矩大小，测得被测机械的转矩。

除了直流电机外，也可采用交流电机作为平衡力法转矩测试装置的制动器或原动机。近年来，由于可控硅变频电源的推广，使交流电机也能像直流电机一样，实现无级调速工作，而逐渐得到采用。

电机测功机操作方便，测试准确度高，在试验时还可把电能反馈给电网。

三、能量转换转矩测试法

在能量转换转矩测试法中，测量电机的电能参数的方法应用较多，近年来，利用电机电参数测瞬态转矩或转矩自动控制等方面有新发展。下面介绍测试异步电机转矩与异步电动机转矩转速曲线的瞬态测试方法。

１．在电源电压及频率恒定条件下测试异步电机转矩的方法

由电机学知，异步电动机的电磁转矩为

当电源电压及频率保持恒定，异步电动机在正常工作范围内运转时，ω１为常数，Ｅ１及ｃｏｓφ２的变化都很小，因而Ｔ近似与Ｉ′２成正比。从电机学知识又知：

因此，如能引出正比于 Ｉ０－ Ｉ１的电信号，便可近似地测得Ｔ。从图７．２３相量图中可见，ＢＣ间的线电压与Ａ相的空载电流 Ｉ０几乎相差１８０°，因而可采用图７．２４所示的电路图以得到正比于 Ｉ′２的信号，即在Ａ相电路串一个电流互感，以得到一个正比于 Ｉ１的信号，再在Ｂ和Ｃ相的端点上并联一个电压互感器，在其二次测通过电阻Ｒ分压可取得一个比例于 Ｉ０的信号。把这两个信号接至加法运算放大器的输入端，则在其输出端可以得到正比于 Ｉ１＋（－ Ｉ０）＝－ Ｉ２的信号。根据需要，可把输出信号整流、滤波，以获得直流输出量。通过定标，即可测得异步电动机的转矩。通过试验及论证，用此法测Ｔ的误差小于５％。又由于误差为单方向的，还可通过适当定标使测试误差减至±２．５％。

由于此法线路简单、方便，一些加工工业中采用此法显示电动机的转矩值，以起监视作用，或者作为控制信号。

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