Abstract： It mainly controls the dynamometer for brushless DC motor no-load, load, locked rotor test.Sensors and related instrumentation to display the curve of the motor speed, torque, power and other relevant parameters to analyze the reliability of the motor.

Keywords: Brushless DC Motor，Reliability，Test-bed

第一章绪论2

1.1 选题的目的和现实意义2

1.2 国内外关于可靠性的基本研究情况3

1.2.1国内外有关可靠性标准概况3

1.3 可靠性的相关理论5

1.3.1 可靠性的基本概念5

1.3.2可靠性的要素5

第二章电机可靠性试验台的整体方案设计6

2.1 电机可靠性试验台的工作原理6

2.1.1 无刷直流电机加速寿命试验的概念6

2.1.2 加速寿命试验的类型6

2.1.3 电机可靠试验台的工作原理7

2.1.4 电机可靠性试验台的基本功能7

2.2 电机可靠性试验台整体方案8

2.2.1电机可靠性试验台的三种方案8

2.2.2 电机可靠性试验台的最终选用10

2.3 本章小结10

第三章电机可靠性试验台关键零部件的设计与计算11

3.1 无刷直流电机的选择11

3.1.1 无刷直流电机的概念11

3.1.2 直流无刷电机的选型：11

3.2测功机的选择13

3.2.1 测功机的分类13

3.2.2 测功机型号的选择13

3.3 扭矩传感器的选择16

3.4 本章小结17

第四章其他零部件的设计与计算18

4.1联轴器的选型18

4.2 键的选型20

4.2.1 键的选择20

4.3 螺栓、螺母与垫片的选型21

4.4 螺旋升降机的选型21

4.5 电机可靠性试验台大平板桌的设计22

4.6 扭矩传感器辅助支撑设计23

4.7 无刷直流电机的垂直挡板的设计23

4.8 无刷直流电机过渡底板的设计24

4.9 升降机架的设计25

4.10本章小结25

致谢27

参考文献28

第一章绪论

　　　1.1 选题的目的和现实意义

　　　可靠性工程(Reliability Engineering)是一门涉及面十分广泛的且新兴的综合性工程学科。可靠性工程是为了保证产品在设计、生产及使用过程中达到人们预定的可靠性指标，应该采取的技术及组织管理的措施。这是介于管理科学和技术之间的一门边缘学科，可靠性作为一门工程学科，它有自己的体系、技术和方法。

　　　可靠性问题的提出最初是在军工领域时期，其后逐步形成完整的工程技术体系，并逐步应用到民用产品中来。四十年代普遍被认为是可靠性的萌芽时期。五十年代是可靠性逐渐兴起和形成年代，为了解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题,美国国防部成立了一个由军方、学术界和工业部门组成的电子设备可靠性咨询组织（AGREE）。AGREE 组织在《军用电子设备可靠性》研究报告中提出了可靠性设计试验、综合管理的程序及方法,最终确定了美国可靠性工程的发展方向和目标,成为了可靠性发展的奠基文件,标志着可靠性已经成为一门独立的学科,为可靠性工程发展迈出了一大步。

　　　六十年代是可靠性工程全面发展的重要阶段。AGREE组织提出的一整套可靠性设计、管理及试验方法被美国国防部及国家航空航天局所接受，在新研制的装备中得到了广泛应用并高速发展，形成了一整套较完善的可靠性设计、管理及试验标准。七十年代是可靠性工程的成熟阶段。在这一阶段建立了一个集中统一的可靠性管理机构，用来负责组织、协调国防部范围内的可靠性标准、政策、手册以及重大的研究课题，制定了一整套比较较完善的方法与程序，同时加强了国防部与工业部门的交流合作。在这一阶段主要强调的是可靠性工程的整体保证，加强元器件的控制，强调设计阶段的热设计和元器件降额使用，强调环境应力筛选及综合可靠性试验。

　　　从八十年代开始，可靠性一直向更深、广的方向下发展。在技术上深入开展机械可靠性、软件可靠性、微电子器件可靠性和光电器件可靠性的研究，全面推广计算机辅助设计技术在可靠性领域中的应用，采用模块化、综合化和可靠性高新技术来提高设计对象的可靠性，可靠性在世界上得以普遍应用和发展。

　　　到了九十年代，可靠性朝着综合化、系统化、自动化和智能化的方向发展。综合化是指统一的功能综合设计，用以提高系统的信息整合利用和资源共享能力；系统化是指研究对象要能构成一个有机体系，发挥单个对象不能发挥的整体机能；自动化是指设计对象具有功能的一定自动执行能力，可提高产品在使用过程中的可靠性；智能化将计算技术引入，采用例如人工智能等先进技术，提高产品系统的可靠性和维修性。

　　　随着科学技术的迅猛发展，可靠性在电子工业的发展中扮演着十分重要的角色。

首先是电子产品的复杂程度在不断增加。人们最早使用的矿石收音机是非常简单的，随之先后出现了各种类型的收音机、录音机、录放相机、通讯机、雷达、制导系统、电子计算机以及宇航控制设备，复杂程度不断地增长。电子设备复杂程度的显著标志是所需元器件数量的多少。而电子设备的可靠性决定于所用元器件的可靠性，因为电子设备中的任何一个元器件、任何一个焊点发生故障都将导致系统发生故障。一般说来，电子设备所用的元器件数量越多，其可靠性问题就越严重，为保证设备或系统能可靠地工作，对元器件可靠性的要求就非常高、非常苛刻。

　　　其次，电子设备的使用环境日益严酷，现已从实验室到野外，从热带到寒带，从陆地到深海，从高空到宇宙空间，经受着不同的环境条件，除温度、湿度影响外，海水、盐雾、冲击、振动、宇宙粒子、各种辐射等对电子元器件的影响，导致产品失效的可能性增大。

　　　第三，电子设备的装置密度不断增加。从第一代电子管产品进入第二代晶体管，现已从小、中规模集成电路进入到大规模和超大规模集成电路，电子产品正朝小型化、微型化方向发展，其结果导致装置密度的不断增加，从而使内部温升增高，散热条件恶化。而电子元器件将随环境温度的增高，降低其可靠性，因而元器件的可靠性引起人们的极大重视。

　　　电机作为驱动控制元件，广泛应用于各领域，一台设备往往需要几十台、甚至数百台的驱动电机和控制微电机，特别是微电机的用量更大。一旦电机发生故障，将导致设备、系统故障，在工业领域将造成巨大经济损失。因此，电机可靠性问题已经成为现代技术领域的重大课题而引起国内外的重视。

　　　1.2 国内外关于可靠性的基本研究情况

　　　电机是典型的机电一体化产品，它不但包括其它电机所具有的部件t如定子绕组、轴承等，而且还包括电子线路（控制器）。因此，它的可靠性研究内容与其它电机既有区别，又有联系。结合直流电机的特点，了解和吸收国内外在电力系统和电子产品的可靠性方面取得的研究成果，有助于推进电机可靠性研究工作的进程。

　　　1.2.1国内外有关可靠性标准概况

　　　标准化作为一种现代化管理的手段，已成为衡量一个国家科学管理、技术发展水平的尺度，它已广泛地渗透到管理、经济、科学和工程技术的各个领域。可靠性工程技术和管理水平的发展自然也离不开“标准化”这一重要手段。在发达国家，尤其是美国，随着可靠性工程和管理的发展，已经逐步总结并建立了一整套有关标准，这些标准对提高产品性能，降低寿命周期费用起了重要作用。利用标准化方法，使可靠性工程领域的成功经验得到有效的总结和广泛利用。随着科学技术的发展，对可靠性提出了更高的要求，新的要求促使可靠性工程技术进一步发展，已经制定的标准就需要不断的修改、补充和完善，以适应这种发展。

目前国际上影响较大，应用范围较广的可靠性标准主要是美军MIL标准系列和国际电工委员会发布的IEC栎准系列。MIL标准与IEC标准的关系十分密切，许多IEC标准是在MIL标准的基础上制定的。

　　　(1)美国有关标准概况

美国是制定可靠性标准最早的国家，从50年代后期开始颁发有关可靠性标准，到60年代，美国的可靠性工程就开始进入了全面发展阶段，这个阶段也是美军可靠性标准大量发布的时期。MIL-STD-785《系统与设备的可靠性大纲要求》、MIL-STD-781《可靠性试验、指数分布》、MIL-HDBK-217《电子设备可靠性预计》等许多重要标准，都是在这个时期先后发布的。70年代后，随着美国可靠性工程的深入发展，这些标准得到了进一步的修改和完善，并又颁发了许多新的标准。

由于美国军用标准制定的比较早，也比较完整，因此，在美国国内，不只军用产品采用军事标准，许多民用产品也使用美军标。在国际上，尤其是在军事领域，一般也参考或执行美军标；

　　 (2)其他国家有关标准的概况

　　　除了MIL和IEC标准以外，原苏联的可靠性国家标准也有比较完整的体系，列出了r OCT27.001-81《工程中的可靠性》标准体系给出的分组情况。列出了其中部分标准项目的名称。

英国的主要可靠性标准是BS5760《系统、设备和元件的可靠性》，标准主要由三部分组成：可靠性计划管理指南、可靠性评定指南、可靠性实践指南。

在日本，全国性的有关可靠性的标准较少，应用的比较广泛的有：日本工业标准JIS28115-1981《可靠性术语及定义》。产品的可靠性是企业竞争的主要目标之一，因此日本的企业界有完整的标准体系用来保证产品的可靠性。

　　　(3)我国有关标准的概况

　　　我国的可靠性国家标准基本等同采用IEC标准，我国的军用可靠性标准大多数是参照MIL标准，结合我国武器装备的实际情况制定的。我国对可靠性研究起步较晚,20世纪80年代才得到较快的发展,机械行业相继成立了可靠性研究的相关协会,各有关院所和高校也开展了机械产品的可靠性研究,制定了一批可靠性标准,取得了较大的成果。但总的来看,理论研究多,实际运用少,与西方发达国家相比差距不小,有些成果尚不能完整地、成熟地应用在不同的机械系统中。　　　1.3 可靠性的相关理论

　　　1.3.1 可靠性的基本概念

　　　可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。这个定义包含五个要素：

　　　(1)可靠性的研究对象——产品：指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、设备或系统，可以是零件、部件，也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备，甚至还把人的作用也包括在内。在具体使用“产品”这一词时，其确切含义应加以说明。例如汽车板簧、汽车发动机、汽车整车等。

　　　(2)规定的条件：包括环境条件、维修条件、使用条件等。规定的条件不同，产品的可靠性也不同。

　　　(3)规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。因此以数学形式表示的可靠性各特征量都是时间的函数。这里的时间概念不限于一般的年、月、日、分、秒，也可以是与时间成比例的次数、距离。例如应力循环次数、汽车行驶里程。

　　　(4)规定功能：道德要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。怎样才算是失效或故障，有时很容易判定，但更多情况则很难判定。

　　　(5)能力：只是定性的理解是比较抽象的，为了衡量检验，后面将加以定量描述。产品的失效或故障均具有偶然性，一个产品在某段时间内的工作情况并不很好地反映该产品可靠性的高低，而应该观察大量该种产品的工作情况并进行合理的处理后才能正确的反映该产品的可靠性，因此对能力的定量需用概率和数理统计的方法。

　　　1.3.2可靠性的要素

　　　可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。耐久性：产品使用无故障性或使用寿命长就是耐久性。可维修性：当产品发生故障后，能够很快很容易的通过维护或维修排除故障，就是可维修性。设计可靠性：这是决定产品质量的关键，由于人机系统的复杂性，以及人在操作中可能存在的差错和操作使用环境的这种因素影响，发生错误的可能性依然存在，所以设计的时候必须充分考虑产品的易使用性和易操作性。第二章电机可靠性试验台的整体方案设计

　　　2.1 电机可靠性试验台的工作原理

　　　2.1.1 无刷直流电机加速寿命试验的概念

　　　可靠性试验的目的是测试产品在规定的条件下，在规定的使用期内完成规定的任务所能达到的可靠性指标。在可靠性试验中最重要、最基本的试验就是寿命试验，它是将测试产品置于规定的试验条件下来评价产品的寿命特征。在试验过程中，记录每一个失效时间，通过对失效时间的分布规律的研究，作为可靠性设计和制定可靠性工艺、筛选规范和进一步改进产品可靠性的依据。

　　　寿命试验方法可分为正常应力水平下的寿命试验和加速寿命试验这两种方法。绝大多数寿命试验方法采用的是加速寿命试验方法，它是指在既不改变产品的失效机理，又不增加新失效因素的前提下，通过提高试验应力（可以是电压、电流、功率、温度、湿度和机械应力等）加速产品的失效进程，再根据试验结果，从而推算出测试产品在额定应力条件下的寿命。加速寿命试验目的就是缩短试验时间，节省人力物力，以便于快速评价出产品的可靠性水平。

　　　由于无刷直流电机工作寿命较长，正常应力水平下的寿命试验通常需要许多年时间，这就需要投入巨大的人力物力资源，况且产品投放于市场的时间也会受到影响。因此，绝大多数寿命试验通常采用的是加速寿命试验。

　　　2.1.2 加速寿命试验的类型

　　　加速寿命试验，按照施加应力的方法的不同，通常可分为恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验、序进应力加速寿命试验。

　　　恒定应力加速寿命试验，是把一种在整个试验中保持恒定不变的应力施加在受试样本上，各组寿命试验的应力都应高于正常工作下的应力，这样可达到加速失效缩短试验时间的目的。

　　　步进应力加速寿命试验，是把一种随时间分阶段逐步增加的应力施加在受试样本上，直到样品开始出现周期较短的试验方法。

　　　序进应力加速寿命试验，是把一种随时间等加速增加的应力到受试产品样品上，直到样品开始出现大量失效为止的试验方法。

　　　电机可靠性试验台对于无刷直流电机的试验，通常采用恒定应力加速寿命试验，加载应力在整个试验过程中保持恒定。

　　　2.1.3 电机可靠试验台的工作原理

　　　电机可靠性试验台的工作原理是由被测试无刷直流电机驱动测功机，测功机施加励磁电流后，其内外定子通过转子对被测试无刷直流电机施加制动转矩，同时测功机微偏扭矩传感器产生微应变，由扭矩传感器把转矩信号和转速信号转成相应的电信号，由数字转矩、转速显示仪中的转矩显示器和转速显示器分别显示测量值，并通过微电脑换算成输出功率在显示器上显示。

　　　扭转传感器是变截面的悬臂梁，贴有四片箔应变片，构成一个电桥，并有一片箔应变片和两只热敏电阻对温度和应变系数误差进行补偿，有一个调零点位器调节，是电桥未加载是输出为零。所有器件都在扭转传感器的电路板上，扭转传感器装在外定子的轴承套上，用弹簧夹圈固定螺钉将其固定。

　　　2.1.4 电机可靠性试验台的基本功能

　　　根据设计要求，通过分析测功机的工作状况，我们拟定在该试验台上，完成空载试验、加载试验、堵转试验、温升试验四种类性能检测。拟设计的试验台能够实现实现以下几点基本功能：

　　　1、测试项目：

　　　（1）空载、负载、堵转测试时对电流、转矩、转速、输出功率进行安全值的设定，可实现自动推出限制。

　　　（2）自动加载与手动加载测试：

　　　A 负载测试加载速度可调：根据实际需要自行调节。

　　　B 测试加载增量可调:可对初始加载量和增量进行设定。

　　　（3）定点测试：可对电流、转矩、转速、功率进行测试。可定一个点不卸载；定多个点卸载。定点个数最多可以定5个点。定点数据可以设定。

　　　（4）耐久测试：测试步骤1 2 3 4 5；运行方式：空载、转矩、输入功率、输出功率、不测可随意设定；每个项目下的耐久值和误差值可随意设定；测试时间也可以随意设定。

　　　2、铭牌参数：

　　　电机型号、额定功率、额定电压、额定转速参数作为报表进行整理和分析数据。

　　　 3、曲线坐标：

　　　（1）两种模式，七条坐标曲线。

　　　（2）两种模式：转速模式、转矩模式。两种模式只是对数据分析的方式。

　　　（3）七条曲线：电压、电流、转速、转矩、输入功率、输出功率、效率。每条曲线的最大值和颜色代表的曲线可随意设定，方便分析数据。

　　　 4、报表分析：

　　　（1）整个测试过程的曲线图（电压、电流、转速、转矩、输入功率、输出功率、效率）

　　　（2）铭牌参数值

　　　（3）关键点电机性能分析

　　　空载点：电流值和转速值

　　　最大转矩点：转矩值、转速值、电流值、输出功率值、效率值

　　　最大输出功率点：转矩值、转速值、电流值、输出功率值、效率值

　　　最高效率值：转矩值、转速值、电流值、输出功率值、效率值

　　2.2 电机可靠性试验台整体方案

　　　2.2.1电机可靠性试验台的三种方案

　　　根据毕业设计任务书上的要求，我们只需要设计出电机可靠性试验台的机械部分，即试验台上的各个机构。而对于电机可靠性试验台的控制部分，即涉及到计算机的信息采集部分，我们无需设计。对于试验台的机械部分，其零部件主要是由无刷直流电机、测功机、扭矩传感器、联轴器、键构成。其中被测元件为无刷直流电机，负载为测功机，测量元件为扭矩传感器，传动机构由联轴器和键等机构构成。对于电机可靠性试验台的整体组装，初步拟定了三种方案。第三章电机可靠性试验台关键零部件的设计与计算

　　3.1 无刷直流电机的选择

　　　3.1.1 无刷直流电机的概念

无刷直流电机即直流无刷电机，无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。

　　其中无刷直流电机的特点有：可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速；具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；体积小、重量轻、出力大；转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；无级调速，调速范围广，过载能力强；软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%—60%。可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。

　　　3.1.2 直流无刷电机的选型：

　　　电机可靠性试验台的测试对象为无刷直流电机，由于整体方案中我们选择了方案三，而方案三的无刷直流电机选择的是带有凸缘端盖的无刷直流电机，而毕业设计任务书中无刷直流电机的技术指标为转速2000rpm，功率600w，根据技术指标，选择的是北京和利时电机技术有限公司的“森创”92BL-4020L1-LK-B。

　　　 ⑴ 技术特点：

　　　调速范围宽

　　　低速力矩大,运行平稳

　　　低噪音,高效率

　　　通过3C认证

　　　⑵ 技术参数：

　　　额定转速：2000rpm

　　　额定功率：400W

　　　额定电压：60V

　　　额定电流：10.55A

　　　最大电流：21.1A

　　　额定转矩：1.91N.m

最大转矩：3.82N.m

参考文献

［1］濮良贵,纪名刚. 机械设计[M]. 北京:高等教育出版社,2002.

［2］徐灏.机械设计手册-第三卷[M]. 北京：机械工业出版社,1993.

[3] 孙垣,陈做模.机械原理[M].高等教育出版社，2006.5.

［4] 懂泳,王洪杰.PLC控制技术在矿用试验台上的研究[J].2008，16(6):2.

［5］冯义刚.机车辅助电机试验台研制.[硕士学位论文].长沙:中南大学，2003

［6］陈友翰，储成国.内燃机车辅助电机负荷试验台.内燃机车，2003

［7］解蕾,张延迟,解大.风力发电试验台的设计和研究[J].2007,34(11).3.

［8］张琛.直流无刷电动机原理及应用,北京：机械工业出版社，1996.ISBN7-111-05038-X

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［10］李世芸.Solid Edge三维设计教程[M]. 北京:机械工业出版社，2003.7.

传感器底座.gif

底座桌子.gif

电机垂直挡板.gif

电机辅助支撑.gif

电机可靠性试验台总装图.gif

过渡轴.gif

连地底座.gif

设计图纸9张.gif

升降台装配.gif

轴承底座.gif

内容简介：: 湘潭大学毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：电机可靠性试验台设计学号： xxxx 姓名： xxxx 专业： 10机械设计制造及其自动化指导教师： xxxx 系主任： xxxx 一、主要内容及基本要求研究内容：设计一个能进行无刷直流电机可靠性试验台，要求通过增加电机载荷的方式对无刷直流电机进行加速寿命试验。具体内容如下：1无刷直流电机可靠性试验台的总体方案设计2动力元件的选择3传动机构的设计4其他零部件的设计基本要求： 1技术指标要求符合设计要求。 2绘制测试台总装配图和主要零件图。要求图纸不少于2.5张A0图纸。 3翻译一篇不少于3000字的外文文献。 4撰写毕业设计说明书，要求不少于1万字。二、重点研究的问题 1电机可靠性试验台设计中测试方案的选择。 2关键零部件的计算与设计。 3技术指标：转速：2000rpm功率：400W 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅文献，收集资料第1周2确定总体方案第23周3开题报告第4周4主要零部件的设计与计算第58周5中期检查第9周6完成所有零部件的设计第1012周7撰写毕业设计说明书第1314周8准备答辩第15周四、应收集的资料及主要参考文献湘潭大学毕业设计说明书题目：电机可靠性试验台设计学院：机械工程学院专业： xxxxx 学号： xxxxx 姓名： xxxxx 指导教师： xxxxx 完成日期： 2014年4月30日电机可靠性试验台设计摘要：主要是控制测功机对无刷直流电机进行空载、加载、堵转试验。通过传感器以及相关的仪器仪表来显示电机的转速、转矩、功率等相关参数曲线，来分析电机的可靠性。关键词：无刷直流电机;可靠性;试验台The Design of the Motor Reliability Test-bedAbstract： It mainly controls the dynamometer for brushless DC motor no-load, load, locked rotor test.Sensors and related instrumentation to display the curve of the motor speed, torque, power and other relevant parameters to analyze the reliability of the motor.Keywords: Brushless DC Motor，Reliability，Test-bed目录第一章绪论21.1 选题的目的和现实意义21.2 国内外关于可靠性的基本研究情况31.2.1国内外有关可靠性标准概况31.3 可靠性的相关理论51.3.1 可靠性的基本概念51.3.2可靠性的要素5第二章电机可靠性试验台的整体方案设计62.1 电机可靠性试验台的工作原理62.1.1 无刷直流电机加速寿命试验的概念62.1.2 加速寿命试验的类型62.1.3 电机可靠试验台的工作原理72.1.4 电机可靠性试验台的基本功能72.2 电机可靠性试验台整体方案82.2.1电机可靠性试验台的三种方案82.2.2 电机可靠性试验台的最终选用102.3 本章小结10第三章电机可靠性试验台关键零部件的设计与计算113.1 无刷直流电机的选择113.1.1 无刷直流电机的概念113.1.2 直流无刷电机的选型：113.2测功机的选择133.2.1 测功机的分类133.2.2 测功机型号的选择133.3 扭矩传感器的选择163.4 本章小结17第四章其他零部件的设计与计算184.1联轴器的选型184.2 键的选型204.2.1 键的选择204.3 螺栓、螺母与垫片的选型214.4 螺旋升降机的选型214.5 电机可靠性试验台大平板桌的设计224.6 扭矩传感器辅助支撑设计234.7 无刷直流电机的垂直挡板的设计234.8 无刷直流电机过渡底板的设计244.9 升降机架的设计254.10本章小结25致谢27参考文献28第一章绪论1.1 选题的目的和现实意义可靠性工程(Reliability Engineering)是一门涉及面十分广泛的且新兴的综合性工程学科。可靠性工程是为了保证产品在设计、生产及使用过程中达到人们预定的可靠性指标，应该采取的技术及组织管理的措施。这是介于管理科学和技术之间的一门边缘学科，可靠性作为一门工程学科，它有自己的体系、技术和方法。可靠性问题的提出最初是在军工领域时期，其后逐步形成完整的工程技术体系，并逐步应用到民用产品中来。四十年代普遍被认为是可靠性的萌芽时期。五十年代是可靠性逐渐兴起和形成年代，为了解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题,美国国防部成立了一个由军方、学术界和工业部门组成的电子设备可靠性咨询组织（AGREE）。AGREE 组织在军用电子设备可靠性研究报告中提出了可靠性设计试验、综合管理的程序及方法,最终确定了美国可靠性工程的发展方向和目标,成为了可靠性发展的奠基文件,标志着可靠性已经成为一门独立的学科,为可靠性工程发展迈出了一大步。六十年代是可靠性工程全面发展的重要阶段。AGREE组织提出的一整套可靠性设计、管理及试验方法被美国国防部及国家航空航天局所接受，在新研制的装备中得到了广泛应用并高速发展，形成了一整套较完善的可靠性设计、管理及试验标准。七十年代是可靠性工程的成熟阶段。在这一阶段建立了一个集中统一的可靠性管理机构，用来负责组织、协调国防部范围内的可靠性标准、政策、手册以及重大的研究课题，制定了一整套比较较完善的方法与程序，同时加强了国防部与工业部门的交流合作。在这一阶段主要强调的是可靠性工程的整体保证，加强元器件的控制，强调设计阶段的热设计和元器件降额使用，强调环境应力筛选及综合可靠性试验。从八十年代开始，可靠性一直向更深、广的方向下发展。在技术上深入开展机械可靠性、软件可靠性、微电子器件可靠性和光电器件可靠性的研究，全面推广计算机辅助设计技术在可靠性领域中的应用，采用模块化、综合化和可靠性高新技术来提高设计对象的可靠性，可靠性在世界上得以普遍应用和发展。到了九十年代，可靠性朝着综合化、系统化、自动化和智能化的方向发展。综合化是指统一的功能综合设计，用以提高系统的信息整合利用和资源共享能力；系统化是指研究对象要能构成一个有机体系，发挥单个对象不能发挥的整体机能；自动化是指设计对象具有功能的一定自动执行能力，可提高产品在使用过程中的可靠性；智能化将计算技术引入，采用例如人工智能等先进技术，提高产品系统的可靠性和维修性。随着科学技术的迅猛发展，可靠性在电子工业的发展中扮演着十分重要的角色。首先是电子产品的复杂程度在不断增加。人们最早使用的矿石收音机是非常简单的，随之先后出现了各种类型的收音机、录音机、录放相机、通讯机、雷达、制导系统、电子计算机以及宇航控制设备，复杂程度不断地增长。电子设备复杂程度的显著标志是所需元器件数量的多少。而电子设备的可靠性决定于所用元器件的可靠性，因为电子设备中的任何一个元器件、任何一个焊点发生故障都将导致系统发生故障。一般说来，电子设备所用的元器件数量越多，其可靠性问题就越严重，为保证设备或系统能可靠地工作，对元器件可靠性的要求就非常高、非常苛刻。其次，电子设备的使用环境日益严酷，现已从实验室到野外，从热带到寒带，从陆地到深海，从高空到宇宙空间，经受着不同的环境条件，除温度、湿度影响外，海水、盐雾、冲击、振动、宇宙粒子、各种辐射等对电子元器件的影响，导致产品失效的可能性增大。第三，电子设备的装置密度不断增加。从第一代电子管产品进入第二代晶体管，现已从小、中规模集成电路进入到大规模和超大规模集成电路，电子产品正朝小型化、微型化方向发展，其结果导致装置密度的不断增加，从而使内部温升增高，散热条件恶化。而电子元器件将随环境温度的增高，降低其可靠性，因而元器件的可靠性引起人们的极大重视。电机作为驱动控制元件，广泛应用于各领域，一台设备往往需要几十台、甚至数百台的驱动电机和控制微电机，特别是微电机的用量更大。一旦电机发生故障，将导致设备、系统故障，在工业领域将造成巨大经济损失。因此，电机可靠性问题已经成为现代技术领域的重大课题而引起国内外的重视。1.2 国内外关于可靠性的基本研究情况电机是典型的机电一体化产品，它不但包括其它电机所具有的部件t如定子绕组、轴承等，而且还包括电子线路（控制器）。因此，它的可靠性研究内容与其它电机既有区别，又有联系。结合直流电机的特点，了解和吸收国内外在电力系统和电子产品的可靠性方面取得的研究成果，有助于推进电机可靠性研究工作的进程。1.2.1国内外有关可靠性标准概况标准化作为一种现代化管理的手段，已成为衡量一个国家科学管理、技术发展水平的尺度，它已广泛地渗透到管理、经济、科学和工程技术的各个领域。可靠性工程技术和管理水平的发展自然也离不开“标准化”这一重要手段。在发达国家，尤其是美国，随着可靠性工程和管理的发展，已经逐步总结并建立了一整套有关标准，这些标准对提高产品性能，降低寿命周期费用起了重要作用。利用标准化方法，使可靠性工程领域的成功经验得到有效的总结和广泛利用。随着科学技术的发展，对可靠性提出了更高的要求，新的要求促使可靠性工程技术进一步发展，已经制定的标准就需要不断的修改、补充和完善，以适应这种发展。目前国际上影响较大，应用范围较广的可靠性标准主要是美军MIL标准系列和国际电工委员会发布的IEC栎准系列。MIL标准与IEC标准的关系十分密切，许多IEC标准是在MIL标准的基础上制定的。(1)美国有关标准概况美国是制定可靠性标准最早的国家，从50年代后期开始颁发有关可靠性标准，到60年代，美国的可靠性工程就开始进入了全面发展阶段，这个阶段也是美军可靠性标准大量发布的时期。MIL-STD-785系统与设备的可靠性大纲要求、MIL-STD-781可靠性试验、指数分布、MIL-HDBK-217电子设备可靠性预计等许多重要标准，都是在这个时期先后发布的。70年代后，随着美国可靠性工程的深入发展，这些标准得到了进一步的修改和完善，并又颁发了许多新的标准。由于美国军用标准制定的比较早，也比较完整，因此，在美国国内，不只军用产品采用军事标准，许多民用产品也使用美军标。在国际上，尤其是在军事领域，一般也参考或执行美军标； (2)其他国家有关标准的概况除了MIL和IEC标准以外，原苏联的可靠性国家标准也有比较完整的体系，列出了r OCT27.001-81工程中的可靠性标准体系给出的分组情况。列出了其中部分标准项目的名称。英国的主要可靠性标准是BS5760系统、设备和元件的可靠性，标准主要由三部分组成：可靠性计划管理指南、可靠性评定指南、可靠性实践指南。在日本，全国性的有关可靠性的标准较少，应用的比较广泛的有：日本工业标准JIS28115-1981可靠性术语及定义。产品的可靠性是企业竞争的主要目标之一，因此日本的企业界有完整的标准体系用来保证产品的可靠性。(3)我国有关标准的概况我国的可靠性国家标准基本等同采用IEC标准，我国的军用可靠性标准大多数是参照MIL标准，结合我国武器装备的实际情况制定的。我国对可靠性研究起步较晚,20世纪80年代才得到较快的发展,机械行业相继成立了可靠性研究的相关协会,各有关院所和高校也开展了机械产品的可靠性研究,制定了一批可靠性标准,取得了较大的成果。但总的来看,理论研究多,实际运用少,与西方发达国家相比差距不小,有些成果尚不能完整地、成熟地应用在不同的机械系统中。1.3 可靠性的相关理论1.3.1 可靠性的基本概念可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。这个定义包含五个要素：(1)可靠性的研究对象产品：指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、设备或系统，可以是零件、部件，也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备，甚至还把人的作用也包括在内。在具体使用“产品”这一词时，其确切含义应加以说明。例如汽车板簧、汽车发动机、汽车整车等。(2)规定的条件：包括环境条件、维修条件、使用条件等。规定的条件不同，产品的可靠性也不同。(3)规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。因此以数学形式表示的可靠性各特征量都是时间的函数。这里的时间概念不限于一般的年、月、日、分、秒，也可以是与时间成比例的次数、距离。例如应力循环次数、汽车行驶里程。 (4)规定功能：道德要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。怎样才算是失效或故障，有时很容易判定，但更多情况则很难判定。(5)能力：只是定性的理解是比较抽象的，为了衡量检验，后面将加以定量描述。产品的失效或故障均具有偶然性，一个产品在某段时间内的工作情况并不很好地反映该产品可靠性的高低，而应该观察大量该种产品的工作情况并进行合理的处理后才能正确的反映该产品的可靠性，因此对能力的定量需用概率和数理统计的方法。1.3.2可靠性的要素可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。耐久性：产品使用无故障性或使用寿命长就是耐久性。可维修性：当产品发生故障后，能够很快很容易的通过维护或维修排除故障，就是可维修性。设计可靠性：这是决定产品质量的关键，由于人机系统的复杂性，以及人在操作中可能存在的差错和操作使用环境的这种因素影响，发生错误的可能性依然存在，所以设计的时候必须充分考虑产品的易使用性和易操作性。第二章电机可靠性试验台的整体方案设计2.1 电机可靠性试验台的工作原理2.1.1 无刷直流电机加速寿命试验的概念可靠性试验的目的是测试产品在规定的条件下，在规定的使用期内完成规定的任务所能达到的可靠性指标。在可靠性试验中最重要、最基本的试验就是寿命试验，它是将测试产品置于规定的试验条件下来评价产品的寿命特征。在试验过程中，记录每一个失效时间，通过对失效时间的分布规律的研究，作为可靠性设计和制定可靠性工艺、筛选规范和进一步改进产品可靠性的依据。寿命试验方法可分为正常应力水平下的寿命试验和加速寿命试验这两种方法。绝大多数寿命试验方法采用的是加速寿命试验方法，它是指在既不改变产品的失效机理，又不增加新失效因素的前提下，通过提高试验应力（可以是电压、电流、功率、温度、湿度和机械应力等）加速产品的失效进程，再根据试验结果，从而推算出测试产品在额定应力条件下的寿命。加速寿命试验目的就是缩短试验时间，节省人力物力，以便于快速评价出产品的可靠性水平。由于无刷直流电机工作寿命较长，正常应力水平下的寿命试验通常需要许多年时间，这就需要投入巨大的人力物力资源，况且产品投放于市场的时间也会受到影响。因此，绝大多数寿命试验通常采用的是加速寿命试验。2.1.2 加速寿命试验的类型加速寿命试验，按照施加应力的方法的不同，通常可分为恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验、序进应力加速寿命试验。恒定应力加速寿命试验，是把一种在整个试验中保持恒定不变的应力施加在受试样本上，各组寿命试验的应力都应高于正常工作下的应力，这样可达到加速失效缩短试验时间的目的。步进应力加速寿命试验，是把一种随时间分阶段逐步增加的应力施加在受试样本上，直到样品开始出现周期较短的试验方法。序进应力加速寿命试验，是把一种随时间等加速增加的应力到受试产品样品上，直到样品开始出现大量失效为止的试验方法。电机可靠性试验台对于无刷直流电机的试验，通常采用恒定应力加速寿命试验，加载应力在整个试验过程中保持恒定。2.1.3 电机可靠试验台的工作原理电机可靠性试验台的工作原理是由被测试无刷直流电机驱动测功机，测功机施加励磁电流后，其内外定子通过转子对被测试无刷直流电机施加制动转矩，同时测功机微偏扭矩传感器产生微应变，由扭矩传感器把转矩信号和转速信号转成相应的电信号，由数字转矩、转速显示仪中的转矩显示器和转速显示器分别显示测量值，并通过微电脑换算成输出功率在显示器上显示。扭转传感器是变截面的悬臂梁，贴有四片箔应变片，构成一个电桥，并有一片箔应变片和两只热敏电阻对温度和应变系数误差进行补偿，有一个调零点位器调节，是电桥未加载是输出为零。所有器件都在扭转传感器的电路板上，扭转传感器装在外定子的轴承套上，用弹簧夹圈固定螺钉将其固定。2.1.4 电机可靠性试验台的基本功能根据设计要求，通过分析测功机的工作状况，我们拟定在该试验台上，完成空载试验、加载试验、堵转试验、温升试验四种类性能检测。拟设计的试验台能够实现实现以下几点基本功能：1、测试项目：（1）空载、负载、堵转测试时对电流、转矩、转速、输出功率进行安全值的设定，可实现自动推出限制。（2）自动加载与手动加载测试：A 负载测试加载速度可调：根据实际需要自行调节。B 测试加载增量可调:可对初始加载量和增量进行设定。（3）定点测试：可对电流、转矩、转速、功率进行测试。可定一个点不卸载；定多个点卸载。定点个数最多可以定5个点。定点数据可以设定。（4）耐久测试：测试步骤1 2 3 4 5；运行方式：空载、转矩、输入功率、输出功率、不测可随意设定；每个项目下的耐久值和误差值可随意设定；测试时间也可以随意设定。2、铭牌参数：电机型号、额定功率、额定电压、额定转速参数作为报表进行整理和分析数据。 3、曲线坐标：（1）两种模式，七条坐标曲线。（2）两种模式：转速模式、转矩模式。两种模式只是对数据分析的方式。（3）七条曲线：电压、电流、转速、转矩、输入功率、输出功率、效率。每条曲线的最大值和颜色代表的曲线可随意设定，方便分析数据。 4、报表分析：（1）整个测试过程的曲线图（电压、电流、转速、转矩、输入功率、输出功率、效率）（2）铭牌参数值（3）关键点电机性能分析空载点：电流值和转速值最大转矩点：转矩值、转速值、电流值、输出功率值、效率值最大输出功率点：转矩值、转速值、电流值、输出功率值、效率值最高效率值：转矩值、转速值、电流值、输出功率值、效率值 2.2 电机可靠性试验台整体方案2.2.1电机可靠性试验台的三种方案根据毕业设计任务书上的要求，我们只需要设计出电机可靠性试验台的机械部分，即试验台上的各个机构。而对于电机可靠性试验台的控制部分，即涉及到计算机的信息采集部分，我们无需设计。对于试验台的机械部分，其零部件主要是由无刷直流电机、测功机、扭矩传感器、联轴器、键构成。其中被测元件为无刷直流电机，负载为测功机，测量元件为扭矩传感器，传动机构由联轴器和键等机构构成。对于电机可靠性试验台的整体组装，初步拟定了三种方案。方案一：图2.1 电机可靠性试验台整体方案一如图2.1所示，电机可靠性试验台的测功机选的是有底座的测功机；扭转传感器下面用辅助支撑来调节高度，辅助支撑纵向开两条T型槽，以便于扭转传感器进行前后位置的调节；同时无刷直流电机同样得选择有底座的，然后把它安装在另一个辅助支撑上，同样是纵向开两条T型槽，以便于无刷直流电机进行前后位置调节；再把所有的零部件布置开了两条横向的T型槽平板上，使平板上面的零部件进行左右位置的调节。大平板是一个大整体，设计起来比较方便，且加工工艺简单。但这种试验台的设计有一定的缺陷，电机必须选择有底座的无刷直流电机，由于电机的安装没有上下位置的调节，所以只能用垫片进行调节高度，当测功机、扭转传感器、电机的传动轴不在同一水平线上时，试验台调节不太方便。方案二：图2.2 电机可靠性试验台整体方案二如图2.2所示，测功机和扭转传感器的安装和方案一的基本一致，而无刷直流电机依旧是选取有底座的电机，不过把辅助支撑改为可调节的丝杆升降机构，当测功机、扭转传感器、电机的传动轴不在同一水平线上时，可通过升降机构上下调节，以保证轴的同轴度。对于底部固定大平板，则需要把方案一的大平板改成一个二阶大平板，以便于升降机构的有足够的空间安装。但这种试验台的设计也有一些缺陷，升降机构的设计有一定的额难度，且无刷直流电机的选择仍需要选择有底座的电机；对于底部的大平板改为一个二阶的平板，加工工序会增加。方案三：图2.3 电机可靠性试验台整体方案三如图2.3所示，方案三的设计是在方案一和方案二的基础上的升华，对于无刷直流电机的选择不再需要有底座的，而是带有凸缘端盖的电机。承载电机的是垂直的挡板，用来保证电机运行的平稳性；由于要保证整个电机可靠性试验台的各输入输出轴的同轴度，垂直的挡板的得保证一定的强度，两边设计有肋板；垂直挡板下面有一个过渡底板，上面开有两条纵向的T型槽，主要用来调节无刷直流电机的纵向位置，保证电机在前后方向上的自由度。为了保证试验台各零件轴的同轴度要求，需要无刷直流电机可以进行上下位置调节，所以依旧选用升降机。2.2.2 电机可靠性试验台的最终选用对于以上三种方案的选择，各有其优点与缺点。对于方案一，只需要一个大平板，设计大平板以及大平板上的零部件安装方便简单；其电机的选择只限于有底座的电机，对于无刷直流电机，大部分通用的型号是没有底座的，所以电机的选择比较局限；电机的上下位置当有误差时，需要垫垫片来进行调节，有一定的不可靠性。对于方案二，只是把电机下面的辅助支撑设计成升降机构，这样解决了当电机的位置有误差时，通过升降调节可使电机的轴满足同轴度；由于升降机需要一定的空间放置，所以必须把大平板设计成二阶平板，增加了大平板的加工工艺。而对于方案三，结合了方案一和方案三的优点，既解决了电机的选型不再局限于有底座的电机的问题，且对于整个电机可靠性试验台的在同轴度的要求上，因为增加了升降台，电机的上下位置可以进行调节，所以方案三设计比较合理。通过对三个设计方案进行比较，最终选用方案三的电机可靠性试验2.3 本章小结本章讨论了电机可靠性试验台整体方案，拟定了三个方案。每个方案都有其优点与不足，考虑到设计成本和操作方法，最终我们选择了方案三。通过整体方案的选择，为第三章的电机可靠性试验台各主要零部件设计打下了基础。第三章电机可靠性试验台关键零部件的设计与计算3.1 无刷直流电机的选择3.1.1 无刷直流电机的概念无刷直流电机即直流无刷电机，无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。其中无刷直流电机的特点有：可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速；具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；体积小、重量轻、出力大；转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；无级调速，调速范围广，过载能力强；软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%60%。可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。3.1.2 直流无刷电机的选型：电机可靠性试验台的测试对象为无刷直流电机，由于整体方案中我们选择了方案三，而方案三的无刷直流电机选择的是带有凸缘端盖的无刷直流电机，而毕业设计任务书中无刷直流电机的技术指标为转速2000rpm，功率600w，根据技术指标，选择的是北京和利时电机技术有限公司的“森创”92BL-4020L1-LK-B。技术特点：调速范围宽低速力矩大,运行平稳低噪音,高效率通过3C认证技术参数：额定转速：2000rpm额定功率：400W额定电压：60V额定电流：10.55A最大电流：21.1A额定转矩：1.91N.m 最大转矩：3.82N.m 图3.1 92BL系列无刷直流电机的电气参数特性曲线：图3.2 92BL系列无刷直流电机的特性曲线型号L型号L92BL-2015H1-LK-B8692BL-5015H1-LK-B14692BL-4015H1-LK-B11692BL-6080H1-LK-B11692BL-4030H1-LK-B8692BL-4020L1-LK-B14692BL-4070H1-LK-B86 外形尺寸：（单位：mm）图3.3 92BL系列无刷直流电机的外形尺寸如图3.3所示，森创92BL-4020L1-LK-B的机身长度为146mm。3.2测功机的选择 3.2.1 测功机的分类在交直流电机和电动工具试验中，常常使用到测功机这种测试设备，测功机主要测试电机的转矩、转速、输出功率。测功机主要是做为负载，当电机需要做性能测试的时候，通过测功机对电机进行加载。测功机一般按照测试时功率转换的方式分成两类，第一类是功率吸收型测功机，这种测功机是所加负载器为制动器的一种测功机，其具有结构简单，转矩调节控制方便，价格便宜等特点，但同时该型测功机在发热、功耗高等特点。产品分别有电涡流测功机、磁滞测功机、磁粉测功机等；第二类是功率传递型测功机，通过发电机发出的电流传递到机外电阻器上消耗或整流逆变反馈到电网，来降低电机本身的发热，提高了测功机的测试功率。其产品分别为直流测功机、永磁测功机、异步测功机、同步测功机等。电机可靠性试验台的测功机主要选择功率吸收型的测功机。3.2.2 测功机型号的选择由于不是每台测功机都能满足所有额定电机测试要求的，所以我们选择测功机要从以下五个方面的因素：（1）扭矩测试范围，测功机的转矩通常是不能超过的最大转矩值，如果短时内即把试验全部完成，一般不会有太大的题。（2）转速测试范围，测功机的转速通常是不能超过的承受的最大转速，如果长时间超速使用会大大缩短测功机的使用寿命，特别是机械磨损。（3）测功机上通常所标的功率是指测功机所能吸收的功率，因为一般的测功机（磁滞、磁粉、电涡流测功机是靠吸收热量达到能量的消耗）即被测交直流电机或电动工具的输出功率。严格地来说，这个指标也是不能超过的，否则测功机很容易就会因为热量散不出去被烧坏；（4）测功机的选择不但要满足转速、转矩、功率三个主要技术指标，还要看看是不是符合测试的具体要求，一般电机都需要测试空载转速、空载损耗、堵转转矩等参数，也是需要着重考虑的；（5）在测功机的选择时，最好电机所有的测试数据都在测功机性能参数的30%90%之间。因为测功机在这个区间的测试精度是最有保证的,主要分三个部分：测功机机械部分、转速转矩传感器精度范围、转速转矩功率测量仪显示精度。对于功率吸收型的三种测功机，电涡流制动器适用于高转速、大功率动力机械的转矩和功率测量，尤其适用于动力机械的仿真寿命试验及温升试验，如串激电机、电动工具及大功率电机；磁滞制动器适用于中小力矩而转速较高的电机测试，如单/三异步感应电机、小功率直流电机、串激电机及电动工具行业；磁粉制动器适用于大力矩而转速较低的场合。如起动电机恒力矩带载起动、感应异步电动机、直流减速电机及造纸、纺织等行业使用的恒张力控制等。对于无刷电机可靠性试验台的设计，结合三种测功机的优缺点，最终测功机选择的是电涡流制动器。电涡流制动器的选择：（1）转矩：由被测电动机或电动工具额定参数，计算出电机额定转矩。根据此转矩的二倍值，在测功机系列表中选择相近一档转矩量程的测功机。无刷直流电机的额定转速为2000rpm，额定功率为400W，根据公式：功率P=扭矩T转速n/9550(KW),可得到T=1.91N.m，2T=21.91N.m=3.28N.m，所以在磁粉测功机系列表选择测功机转矩量程为5N.m。（2）转速：电机的空载转速必须低于测功机允许的最高转速。（3）功率：电机的最大功率必须低于测功机允许的最大连续功率，若只做特性测试，需要段时间大功率运行，此时不可超过测功机允许的5分钟最大运行功率。做温升试验必须小于测功机的连续运行功率。由此，在测功机系列表中选出合适的测功机型号。注意：测功机的最大运行功率不等于最大转矩乘以最高转速。综上所示，所以我选择的是苏州德斯特自动化设备有限公司的WZ-电涡流制动器。图3.6 WZ系列电涡流制动器的外形尺寸型号主要技术参数安装尺寸外形尺寸输入转数（r/min）额定转矩（Nm）吸收功率(KW)激磁电流(A)BDL1dHd1EB1D1HDLWZ5 200 600050.75516016040191201268210245256WZ10101.55170170502412212821230260310WZ202035140220602813212830275310324WZ5050852102798038160191030340365410WZ10010015526727910042180191226350410450WZ20020030526735611055225191630455510480WZ300300451035640614065250281845510570595图3.7 WZ系列电涡流制动器的规格型号如图3.7所示，根据无刷直流电机的额定功率为400W，额定转速为2000rpm，额定转矩为1.91N.m，最大转矩为3.82N.m，所以选择的电涡流制动器为WZ-5。WZ-5电涡流制动器的电气参数为：额定转矩：5N.m；输入转速：2006000rpm；吸收功率：750W；激磁电流：5A。3.3 扭矩传感器的选择对于扭矩传感器的选型，需要考虑以下四个因素：一、确定需要测量扭矩的类型，是旋转扭矩还是静止扭矩。静止扭矩测量指的是不旋转或者旋转角度小于360度的场合。二、除了测量扭矩外是否还需测量其它参数，比如转速。三、量程范围一般扭矩传感器有微量程、标准量程、大量程等几种类型。微量程一般小于2牛米；大量程一般在1万牛米以上；中间的是标准量程。四、信号类型及信号处理方式一般扭矩传感器的输出信号有5-15kHz或4-20mA或1-5V。输出的信号是直接送入PLC还是配置显示仪表显示，这些根据实际情况进行选择。根据以上几点因素，结合电机可靠性试验台的中无刷直流电机的电气参数，选定北京时代龙城科技有限责任公司的LC-2101系列扭转传感器。 LC-2101系列扭矩传感器是根据电阻应变为敏感元件和集成电路构成的一体产品。扭矩传感器采用德国技术和生产设备及先进的检测设备。综合国内外扭距传感器的优点。本产品克服了向位差扭距传感器的底速测量的不变和和体积的笨重，碳刷接触式扭距传感器不能长时间工作带来的不便。本产品采用非接触式传递方式，是用无线供电和无线输出的形式的工作原理为动态扭距测量解决了一些其它测量方式存在的弊端。LC-2101系列扭距传感器既可以进行动态测量又可以进行静态测量。（1）LC-2101系列扭矩传感器的主要特点：传感器结构分为静子和转子两部分采用非接触式无线输入和输出方式传输信号。测量扭距信号与速高低是否旋转及转向无关具有稳定性好。精度高。可靠性好。体积小，重量轻，易于安装。可以测量正反向扭距和转速。不需反复调整零位即可连续测量正反向扭距信号。可任意位置，任意方向安装。（2）LC-2101系列扭矩传感器的技术参数：1测量范围：0-5. 10. 20. 50. 100. 200. 500. 1000 . 2000 5000 10000 20000 3万 +5万 +6万2输出信号：5-15KHz 4-20mA 1-5V 0+10 0+53工作转速：0-30000转/分（任意转速可选）4供电电压：24VDC +15VDC可选（3）LC-2101系列扭矩传感器的外形尺寸：图3.9 LC-2101系列扭转传感器的外形尺寸量程ABCDEFGHIJKL键(长宽高)重量5N.m18011010418g6301167448710.270782066（单键）3.6Kg10N.m18011010418g6301167448710.270782066（单键）3.6Kg20N.m18011010418g6301167448710.270782066（单键）3.6Kg50N.m18011010418g6301167448710.270782066（单键）3.6Kg100N.m18011010418g6301167448710.270782066（单键）3.6Kg图3.10 LC-2101系列扭转传感器的规格型号如图3.10所示，由于无刷直流电机的额定功率为400W，额定转速为2000rpm，额定转矩为1.91N.m，最大转矩为3.82N.m，根据LC-2101系列扭矩传感器规格，宜选择量程为5N.m的扭矩传感器。（3）LC-2101系列扭矩传感器的注意事项：本系列扭距传感器接线必须安接线示意图连接，确认无误方可通电。检察所选电源必须和传感器的输入电源一致。信号线输出不能对地，会造成短路。在通电时绝对不能插拔插头。3.4 本章小结本章介绍了电机可靠性试验台的主要零部件的选型，初步完成了无刷直流电机、测功机、扭矩传感器的型号选择。当主要零部件的型号确定后,接下来就是其他零部件的选择与计算，例如联轴器、键的设计与计算，本章为下一章的研究做了很好的铺垫。第四章其他零部件的设计与计算以上几章基本已经确定了电机可靠性试验台的整体方案以及主要零部件的设计，本章的任务就是设计连接无刷直流电机、电涡流制动器、扭转传感器进行传动的联轴器，以及各主要零部件的伸出轴的键的设计，还有电机可靠性试验台大平台和辅助支撑上的螺栓、垫片与螺母的设计。4.1联轴器的选型联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。常用联轴器大多已标准化或规格化，一般情况下只须正确选择联轴器的类型、确定联轴器的型号及尺寸。先选无刷直流电机与扭转传感器之间的联轴器，即电机可靠性试验台左端的联轴器。（1）选择联轴器的类型对于低速低速、刚性大的短轴可选用刚性联轴器；对于低速、刚性小的长轴可选用无弹元件挠性联轴器；对于传递转矩较大的重型机械选用齿式联轴器；对于高速、有振动和冲击的机械，选用弹性元件挠性联轴器；对于轴线位置有较大变动的两轴，应选用万向联轴器；对于有安全保护要求的轴，选用安全联轴器。由于无刷直流电机是一种低功率、低转速、低转矩的电机，故宜选刚性联轴器。（2）计算联轴器的计算转矩联轴器的计算转矩：式中：T为联轴器的名义转矩(N.m)；为联轴器的计算转矩(N.m)； KA为工作情况系数。额定转矩 T=9550P/n=95500.42000=1.91N.m查表=1.3(因为原动机为无刷直流电机，所以转矩变化较小且冲击载荷很小) =1.31.91N.m=2.47 N.m（3）确定联轴器的型号查手册选用刚性联轴器中的有对中榫凸缘联轴器，型号为YLD1。一、 YLD型凸缘联轴器结构图：图4.1 YLD型凸缘联轴器的外形尺寸二、YL，YLD型凸缘联轴器基本参数和主要尺寸：（GB/T 3843-86） mm型号公称扭矩TnN.m许用转速n r/min轴孔直径d(H7)轴孔长度 LDL0重量kg转动惯量 kg.m2Y型J J1型铁钢铁钢YJ J1YL1YLD11081001300010-1110-1125227154481.000.001812-1412-143227685816-1816-18423088642020-22523810880图4.2 YLD型凸缘联轴器的规格型号附：YLD1型凸缘联轴器的技术参数为公称扭矩：10N.m许用转速：8100r/min(联轴器材料为铁)13000r/min(联轴器材料为钢)轴孔直径：10mm，22mm。因为无刷直流电机的额定转矩为1.91N.m，满足T，其额定转速为2000 r/min,满足n，故联轴器可选择YLD1型凸缘联轴器。（4）协调轴孔直径被联接两轴的直径和形状（圆柱或圆锥）均可以不同，但必须使直径在所选联轴器型号规定的范围内，形状也应满足相应要求。因为无刷直流电机的输出轴径为14mm，扭转传感器的输入轴径为18mm，所以与直流电机衔接的半部分联轴器的轴孔直径宜选择14mm，与扭矩传感器衔接的半部分联轴器的轴孔直径宜选择18mm。对于扭转传感器与电涡流制动器之间的传感器，即电机可靠性试验台右端的联轴器，因为扭转传感器的额定转矩为5N.m而电涡流制动器的额定转矩也为5N.m，同理可选择YLD1型凸缘联轴器。又因为扭转传感器的输出轴径为18mm，电涡流制动器的输入轴径为19mm，所以与扭转传感器衔接的半部分联轴器的轴孔直径宜选择18mm，与电涡流制动器衔接的半部分联轴器的轴孔直径宜选择19mm。综上所述：联轴器的材质可以选择45刚制材料的。4.2 键的选型键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上的零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键连接的主要类型有：平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。4.2.1 键的选择1 选择键连接的类型与尺寸先选无刷直流电机输出轴与联轴器上的键连接的类型与尺寸。由于无刷直流电机的额定转矩较小，且需要键在键槽中轴向固定良好，故选用圆头型（A型）普通平键。根据无刷直流电机输出轴的直径d=14mm，从表查的键的截面尺寸为：宽度b=5mm，高度为h=5mm。根据GB/T 1096-2003键的长度系列L,应该选择L=20mm。2 校核键连接的强度由表查的许用挤压应力p=100120,取其平均值，p=110 ；键的工作长度l=L-b=20mm-5mm=15mm；键与轮毂键槽接触高度k=0.5h=0.55mm=2.5mm；由公式 = =21.911000/(142.515) =7.8 (合适)键的标记：键55 GB/T 1096-2003（一般A型键可不标出“A”,对于B键或C键，需要将“键”标为“键B”“键C”）。接下来选扭转传感器与联轴器的键连接的类型与尺寸。扭转传感器的输入输出轴的直径d=18mm，从表查的键的截面尺寸为：宽度b=6mm，高度为h=6mm。根据GB/T 1096-2003键的长度系列L,应该选择L=20mm。最后选电涡流制动器与联轴器的键连接的类型与尺寸。电涡流制动器的输入轴的直径d=19mm，从表查的键的截面尺寸为：宽度b=6mm，高度为h=6mm。根据GB/T 1096-2003键的长度系列L,应该选择L=25mm。4.3 螺栓、螺母与垫片的选型在92BL系列无刷直流电机的外形尺寸中，给出了电机端盖上螺纹孔的尺寸为直径为8mm,通过查机械设计手册，选用内径为8mm的螺栓（GB/T 5780-2000），选用内径为8mm的螺母（GB/T 41-2000），选用的垫片为GB/T 95-2002，内径为8mm。在WZ系列电涡流制动器的外形尺寸中，给出了底座螺纹孔的直径为12mm，选用内径为12mm的螺栓（GB/T 5780-2000），选用内径为12mm的螺母（GB/T 41-2000），选用的垫片为GB/T 95-2002，内径为12mm。而根据YLD型凸缘联轴器基本性能参数和外形尺寸，我们选择的螺栓尺寸为M6，由于所选螺栓为六角头螺栓A级，所以螺栓螺纹长为18mm，并且根据GB/T 897.12000垫片的h为1.6mm，螺母m为5.2mm，由机械设计手册可知：螺纹伸出长度a为（0.20.3）mm；直径d为（0.20.3）12mm=(2.43.6)mm；也即是18+1.6+5.2+(2.43.6)=（27.228.4）mm，根据GB/T 57822000 L的范围为3060mm，所以取L=30mm；螺纹规格为d为M6，公称长度L为30mm，性能等级为9.8级，表面氧化；A级的六角头螺栓：螺栓 GB/T 5782 M630mm。4.4 螺旋升降机的选型为了使电机可以进行上下位置调节，保证整个试验台的各个零件的轴能保证同轴度，所以必须选用螺旋升降机。通过性能参数的对比，初步选用了上海恒点传动设备有限公司的JMW系列螺旋升降机。 JMW系列螺旋升降机的性能特点有适用于低速、低频率的场合，主要构成部件为：精密梯形丝杆副与高精度蜗轮蜗杆副；且其价格经济、结构紧凑、操作简单、保养方便。故作为电极可靠性试验台的升降机构是很适合的。如图所示为JMW系列螺旋升降机及其外形设计尺寸。通过把螺旋升降机安装到升降机架上时，便可以实现螺旋升降机的升降作用。图4.3 螺旋升降台的外形尺寸4.5 电机可靠性试验台大平板桌的设计电机可靠性试验台的电涡流制动器、扭转传感器需要安装在T型槽大平板桌子上，T型槽的作用主要是便于各个零部件能够进行左右移动，有利于安装。如图4.3所示，根据各个零部件的尺寸，T型槽大平板桌子的平板的尺寸初步设计为602.5mm230mm，由于扭转传感器需要辅助支撑，所以大平板桌子的T型槽根据电涡流制动器的底脚安装的尺寸来设计，为160mm。大平板的厚度设计为30mm，整个桌子高249mm，下面为四根圆柱形的柱脚构成。T型槽大平板工作面的硬度一般在HB170200或HB178255之间。材质：高强度铸铁HB200300，工作面硬度为HB170240，经过两次人工处理。图4.4T型槽大平板桌的外形尺寸4.6 扭矩传感器辅助支撑设计为了保证扭矩传感器的输入轴与无刷直流电机的输出轴、扭矩传感器的输出轴与电涡流制动器的输入轴的同轴度（即三个主要零部件的轴在高度上保持在同一条平行线上），故需要设计辅助支撑。图4.5 扭矩传感器辅助支撑的外形尺寸如图4.4所示，由于辅助支撑要放置于T型槽大平板上，而T型槽大平板的槽是通过电涡流制动器底座螺距所确定的，所以设计辅助支撑下底板尺寸为82mm162mm。辅助支撑的下底板四个螺纹孔的横向距离为52mm。因为大平板的T型槽距为160mm，所以四个螺纹孔纵向距离为110mm。对于辅助支撑的上顶板，需要安装扭转传感器，而根据扭矩传感器的尺寸参数，所以设计成82mm120mm。上底板四个螺纹孔的横向距离为50mm，纵向距离为80mm。辅助支撑的高度设计为72mm。4.7 无刷直流电机的垂直挡板的设计在电机可靠性试验台整体方案设计中，我选择的电机是没有底座的无刷直流电机，所以为了固定无刷直流电机，必须需要需要设计垂直挡板。图4.6 无刷直流电机垂直挡板的外形尺寸如图4.5所示，为无刷直流电机的垂直挡板的左视图。为了是整个试验台看起来紧凑，且保证垂直挡板的能安装到T型槽大平板的T型槽中，把垂直挡板的下底板的尺寸设计成100mm162mm，四个螺纹孔的纵向距离为134mm，横向距离都为67mm；垂直挡板的肋板宽度为10mm，高度为112mm；整个垂直挡板的高度为150mm。4.8 无刷直流电机过渡底板的设计为了使无刷直流电机的能够进行前后的位置移动性，即保证无刷直流电机与扭矩传感器、电涡流制动器的轴保持同轴度，我在垂直底板下面又设计了一个过渡底板。图4.7无刷直流电机过渡底板的外形尺寸如图4.6所示，过渡底板安装到T型槽大平板上，其设计尺寸为110mm152mm，高度为15mm。上面有四个螺纹孔，横向距离为126mm，纵向距离为100mm，过渡底板上面同样开有两条T型槽，其宽度为67mm。4.9 升降机架的设计为了便于螺旋升降机起到对无刷直流电机的升降作用，故需要有升降机架与升降机进行配合安装使用。首先是机架的顶板开了一条T型槽，便于安装无刷直流电机。其设计尺寸为300mm330mm，T型槽中心距为112mm。顶板上还设计了一个可以安装升降机丝杆罩

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