[发明专利]一种无刷直流电机振动检测系统的设计方法

摘要

本发明公开了一种无刷直流电机振动检测系统的设计，主要包括试验台模块、信号控制模块、数据采集模块、监控计算机模块和振动信号测试五个模块组成。方法流程包括以下几个步骤：步骤一、电机安装夹具设计及无刷直流电机固定方法；步骤二、无刷直流电机应力控制及定量输入；步骤三、测试点的选择；步骤四、测量及监控系统；步骤五、振动退化信号的采集系统。本发明能够实现无刷直流电机带桨运行情况下的振动信号采集，获得电机在退化过程中的性能参数退化趋势，可用于多旋翼无人机、洗衣机等产品上的无刷直流电机的故障检测和寿命预测技术中。

主权项

无刷直流电机振动检测系统主要包括试验台模块、信号控制模块、数据采集模块、监控计算机模块和振动信号测试五个模块组成。具体方法的流程包括以下几个步骤：步骤一、电机安装夹具设计及无刷直流电机固定方法1)电机安装夹具为真实地模拟无刷直流电机(应用于多旋翼无人系统)运行时的振动状态，本发明的试验中无刷直流电机需带负载进行试验。同时设计夹具，使夹具的反作用力同负载产生的力相平衡，如工字型夹具，以保证试验中试验台的稳定。另根据《电机试验标准手册》规定，为保证振动信号可测且不受地面影响，需对受试电机进行弹性安装，则需在夹具下放置弹性系数合适的软垫，且软垫的面积应大于电机投影面积的1.2倍。因此本专利中，在夹具下放置了面积为夹具面积1.2倍的软垫，如海绵垫。2)无刷直流电机固定方法夹具的材质应具有可塑性强、表面处理性良好、无磁性、弹性系数小及碰撞摩擦不起火花的优良性能，如铝型材，以保证夹具对试验无影响。另外，为避免电机与夹具之间产生共振，干扰试验数据的采集，影响试验数据的真实性，需保证受试电机与夹具间的刚性连接，并且将受试电机刚性固定，避免试验台整体质量不均匀造成振动信号干扰。夹具的下底面应足够平整，以避免夹具不稳定影响振动信号，所以受试电机的固定方式应保证夹具下底面的平整性。通过该步骤，即完成了本专利的试验台模块。步骤二、无刷直流电机应力控制及定量输入无刷直流电机的工作是由电能驱动和脉冲波控制的共同作用下完成的，该试验装置能测量的参数主要包括振动数据、转速、电流、电压和温度；能施加的应力主要包括：电应力和转速应力。由于电机在实际运行中受电压的影响较大，因此本专利选择对无刷电机的输入电压进行定量控制。本专利采用的方法是：首先通过电源定量控制输入电压值；然后通过控制板发射出脉冲信号，来实现电机工作应力的定量控制。通过该步骤，即完成了本专利的信号控制模块设计。步骤三、测试点的选择根据无刷直流电机的结构特点，若受试电机的尺寸足够大，则可将测试点直接设置在电机的外壳上，这样受试电机轴承的振动带动外壳同步振动；若受试电机的尺寸较小，那么其定子上没有足够的面积粘贴传感器，而转子是一个高速旋转的部件，同样无法面积粘贴传感器。所以直接在电机上安装传感器对其进行实时监测不太合理。而在实际电机运行过程中，转子振动会传递到轴承上，而轴承与机架制造为一体，而本专利中又将无刷直流电机与试验夹具进行了刚性连接，那么机架的振动则会带动夹具同步振动，这样夹具的振动即为轴承的振动。所以，对电机转子的振动监测实际上是通过对试验夹具进行振动监测来实现的。一般测定电机振动需要从三个方向测定，即轴向、水平方向、垂直(上下)方向，其中水平和垂直方向又称为径向。理想的测试点应该是把X，Y，Z轴的传感器都放在电机附近，但同时应考虑到振动信号强大和夹具条件的允许，进行适当的调整。测试过程中，为保证测试精度，测点位置将保持不变。通过该步骤，即完成了本专利的数据采集模块设计。步骤四、测量及监控系统由于无刷直流电机敏感应力还包括转速应力和温度应力，所以还需要对电机运行中的转速和温度进行测量。采用测速仪对桨叶的转速进行监控，如反光式测速仪、红外线测速仪等；采用测温仪对受试电机机身的温度进行监控，如红外测温仪、多通道智能测温仪等。测得的数据不仅有助于辅助分析无刷直流电机在退化过程中其他性能的退化特征；而且还有助于试验过程中的安全性，避免温度过高造成事故。监控系统还包括远程无线监控，可以在试验过程中对整个试验台的运行情况进行实时视频监控，无需试验人员在现场监控，提高了试验的效率也保证人员的安全。通过该步骤，即完成了本专利的监控计算机模块设计。步骤五、振动信号的采集系统通过以上四个步骤，已经可以完成无刷直流电机的夹具设计、控制信号的定量输入、振动测试点的选取以及整个试验过程的测试与监控。那么接下来则可以对受试电机的振动信号进行采集。振动信号的采集系统的设计主要包括以下几个部分：1)振动传感器的选择振动传感器的选择应满足测试要求，若选取的无刷直流电机振动频率在χHz,那么振动传感器的频率测试范围就应包含χHz；同时为了提高采集信号的质量，避免噪音干扰信号，应选取灵敏度较高的传感器，以满足试验数据的可靠性。另外，还应考虑试验夹具的尺寸，传感器的直径应小于夹具的厚度。2)振动数据采集卡选择振动数据采集卡就是完成传感器模拟或数字电压模拟信号转换成数字信号，并把数字信号传输至计算机的电路板卡。选择的振动数据采集卡通道数应大于等于采集振动信号的轴向数。3)振动数据采集分析软件振动数据采集分析软件是对数据采集卡传送的数字信号进行波形、频谱等相关信号的显示、分析和存储的软件系统。通过该步骤，即完成了本专利的振动信号测试模块设计。综上所述，本专利的无刷直流电机退化试验台的搭建即可完成。通过该试验台，可对无刷直流电机在运行过程中的退化数据进行采集分析，为产品的故障和寿命预测提供分析数据。该方法还可应用于加速退化试验、加速寿命试验等可靠性试验技术中，从而为产品提供更全面的可靠性评估。