CN102721510A - 一种电磁‐永磁混合型旋转机械在线主动平衡头结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构及其控制方法。平衡头结构由驱动器和作动器两部分组成。驱动器包括线圈、铁芯、磁阻调整环等；作动器包括配重盘、磁性盘、永磁体、轴承、隔磁环、基体、端盖等。当机器需要动平衡时，线圈两端加以正负相间的脉冲电压，驱动配重盘转过一定角度形成不平衡矢量，驱动器中的两个配重盘的不平衡矢量合成为一个有效校正矢量，进而抵消掉旋转机械的不平衡；当不需要动平衡时，配重盘与其两侧的磁性盘处在磁阻最小的位置，实现配重盘的自锁，此时配重盘随旋转机械的轴一起旋转。本发明的平衡头特点是结构简单、装配容易、非接触、无摩擦、响应快、成本低、配重形式多样、平衡能力范围较宽、可用于急变速工况。采用本发明设计的平衡头可在线实时地校正高速旋转机械的不平衡，从而降低机器的振动水平，提高机器的运行质量、效率和寿命。

Description

一种电磁‐永磁混合型旋转机械在线主动平衡头结构及其控制方法

技术领域：

本发明属于旋转机械动平衡领域，涉及一种在线主动平衡头的结构及其控制方法，具体涉及一种基于“电磁+永磁”的混合磁力在线主动（即有源）平衡头的结构及其控制方法。 

背景技术：

不平衡是造成各类旋转机械运行时发生振动进而导致破坏或寿命下降的主要原因。诱发不平衡的因素很多，贯穿于旋转机械的整个生命周期，包括结构设计、加工制造、装配安装、调试维修以及环境干扰等各个环节。 

动平衡是抑制不平衡振动的最主要手段，一直受到工业界和学术界的高度重视。追溯动平衡发展历史，动平衡分为机上动平衡、现场动平衡和在线动平衡三类。机上动平衡是在专门的平衡机上对旋转零部件进行线下平衡；现场动平衡是在机器运行现场使用一套便携式检测装置检测转子的振动，当振动值超过机器允许极限时，手动停机，完成动平衡；在线动平衡则是在不停机且无人干预的情况下，在转子上安装一个自动平衡头，实现对轴系质量的重新分配，完成动平衡。显然，在线自动平衡在平衡精度、平衡效率、智能化等方面具有其他平衡方式无法比拟的优势。 

在线动平衡技术的核心是平衡头的结构设计，如何主动地形成不平衡质量并使其转动到指定位置是此处的关键所在。从20世纪40-50年代起，国内外学者已经设计出了电动机式（又名机械式）、喷液式、纯电磁式、磁轴承支承式等多种自动平衡头。其中，电动机式平衡头采用碳刷-滑环传递能量，碳刷容易磨损，需经常更换；改用无线电或红外线后，依然需用电池供电，而电池的电量有限，无法实现真正的实时在线平衡；喷液式平衡头解决了信号和能量传递难题，却因释液困难而无法适用于长期连续平衡；磁轴承和磁阻尼器等振动控制装置不同于一般意义上的质量补偿型平衡头之处在于，它是在机器静止部位施加一个能够抵消不平衡的力，但这样会引发新的问题，即静止部位也会受到一个反作用力，不利于整台机器良好运行。 

电磁平衡头是近几十年发展起来的新型非接触动平衡装置。它采用电磁场传递能量，不存在机械磨损、油液污染等问题。据所查专利和论文知，国内现有电磁平衡头大多是仿电机原理制成，并通过外加一个离合器实现配重盘自锁，这样使平衡头结构复杂、轴向尺寸大，且引入了冲击，不利于提高在线动平衡适用转速及其精度。 

发明内容：

针对已有电磁平衡头的缺点，本发明提出一种结构简单、装配容易、磁阻可调、尺寸较小、自锁简单可靠的电磁-永磁混合型在线主动平衡头及其控制方法。 

具体如下： 

一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构，包括驱动器、作动器两部分，驱动器呈圆环状，作动器位安装于驱动器的环内；驱动器由线圈、铁芯和磁阻调整环组成；铁芯为圆环状铁芯，从径向剖面看，其具有两部分：L型铁芯和长方形铁芯，两者结合形成空腔，空腔开口朝向圆心；空腔内部缠绕单相线圈，线圈呈扁平状圆环；磁阻调整环为圆环形铝片、位于两个铁芯结合处；作动器包括带n个永磁圆柱体的配重盘、两个齿数为n/2的铁磁性内齿盘、使配重盘相对旋转机械的轴转动的滚动轴承、支撑配重盘并起装配定位作用的基体、隔磁环、端盖组成；作动器在装配时，以基体为支撑和中心，配重盘和滚动轴承的组合体装于基体上，隔磁环装于配重盘和驱动器之间、两个内齿盘沿轴向安装于配重盘的两侧，装配完后两端面用端盖封住；驱动器线圈通电后驱动作动器内的配重盘相对旋转机械的轴运动。 

进一步，沿轴向具有两组驱动器和作动器。 

进一步，线圈在工作时两端加以正负交替变化的等占空比的脉冲电压信号。 

进一步，当驱动器铁芯的材料和横截面积改变时，可通过改变磁阻调整环的厚度对磁路进行修正。 

进一步，配重盘上均布n个圆柱形永磁体，且相邻两个永磁体的极性相反；永磁体采用高矫顽力的稀土永磁材料；永磁体采用涂胶粘接的方法安装于孔内。 

进一步，配重盘的配重采用在配重盘半圆周内均布m个小孔或在孔内填充重金属或再多开几层小孔的方式实现。 

进一步，磁性盘为齿数等于n/2的内齿盘，齿形为矩形，其齿厚等于两个相邻永磁体之间的间距；磁性盘选用10钢材料。 

进一步，驱动器和作动器之间的间隙为0.4~1.5mm；永磁体和两侧的内齿盘之间的工作间隙均为0.1～0.2mm。 

进一步，所述滚动轴承选用薄窄系列的单列深沟球轴承，滚动轴承外圈与配重盘过盈连接、内圈与基体过盈连接。 

进一步，驱动器和作动器的所有组件的连接方式均采用螺纹连接。 

所述平衡头结构的控制方法，包括如下步骤： 

使用传感器实时监测旋转机械的振动，当振动超过事先设定的阈值时，给所述线圈通正负交替变化的脉冲电压，线圈得电后产生交变的电磁场； 

该电磁场和作动器中永磁圆柱体的永久磁场相互作用，推动作动器中的配重盘相对于旋转机械的轴一步一步转动；按步转动使两个配重盘形成各自的不平衡矢量；两个矢量合成为一个总的校正矢量，和旋转机械的不平衡矢量相抵消，达到动平衡； 

当传感器监测到旋转机械的振动未超过事先设定的阈值时，线圈不通电，配重盘相对于旋转机械的轴不发生转动，配重盘上的永磁体和磁性盘的凸齿处于磁阻最小的位置，此时，配重盘在平衡状态自锁即平衡状态得以保持。 

本发明的有益效果是： 

该装置具有以下特点：1）整体为圆环形对称结构，各个零件也均为圆环结构，简单、易加工，且零件数目不多，2）设计了一个阶梯状的基体，它提供平衡头装配时的轴向和径向定位基准，安装方便且整体刚度较好，3）根据旋转机械的结构，可在任何合适的位置安装该平衡头，避免了机械平衡头只在轴端安装或安装在空心轴内的问题，4）巧妙使用轴向充磁永磁体与扁平的圆环线圈组成磁路，实现配重盘的相对转动和自锁，避免了机械平衡头依靠偏置微特电机和蜗轮蜗杆副实现机械驱动和自锁的问题，也避免了国内已有电磁平衡头依靠外加摩擦离合器实现自锁带来的一系列问题，还取消了喷液平衡头复杂的液压系统，5）采用电磁驱动，响应速度较快、没有机械传动的累计误差，6）配重方式多样，在配重盘上打孔或在孔内填充重金属以及开多层孔的方式均可实现不同量级的配重，拓宽了平衡能力的范围，7）采用高矫顽力的永磁体和小的永磁体与磁性盘间隙提高驱动器可承受的旋转机械最大角加速度，使平衡头可用于急变速工况8）取消了微特电机和易磨损的碳刷，材料主要选用常见钢材，制造成本较低，9）结构中没有机械磨损、冲击和油液污染，属于清洁环保型平衡头，10）线圈为圆环形结构，只需要单相正负相间的电压脉冲来控制，结构和控制简单，11）设计了磁阻调整环，可以在磁路参数改变时修正磁路，有效抑制漏磁和饱和。 

使用本发明的平衡头可以对旋转机械的质量分布不平衡进行有效补偿，进而能够降低旋转机械的振动水平，有利于提高旋转机械的运行质量、效率和寿命。 

附图说明：

图1是本发明一种电磁-永磁混合型在线主动平衡头的总体装配结构设计图。 

图2是本发明一种电磁-永磁混合型在线主动平衡头的作动器的配重盘结构设计图。 

图3是本发明一种电磁-永磁混合型在线主动平衡头的作动器的磁性盘结构设计图。 

图4是本发明一种电磁-永磁混合型在线主动平衡头的驱动器的控制电压脉冲图。 

图5是本发明一种电磁-永磁混合型在线主动平衡头的作动过程示意图。 

附图1中：1-驱动器的连接螺钉，2-驱动器的磁阻调整环，3-驱动器的L型铁芯，4-驱动器的线圈，5-驱动器的铁芯板，6-驱动器的隔磁板，7-驱动器的L型铁芯（带螺纹孔端），8-作动器的基体，9-作动器端盖和基体的连接螺钉，10-作动器配重盘的支撑轴承，11-轴承的挡圈，12-挡圈的连接螺钉，13-作动器的配重盘，14-作动器的端盖，15-作动器的磁性盘，16-作动器配重盘上的永磁体，17-作动器的连接螺栓，18-作动器的隔磁环，19-作动器的端盖（带螺纹端），20-螺母，21弹簧垫圈。 

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细描述。 

如附图1所示，本发明设计的平衡头由驱动器（又称定子）和作动器（又称转子）两部分组成，图中具有两组结构对称的驱动器和作动器。驱动器固定在旋转机械的静止壳体上，由铁芯3、铁芯5、线圈4和磁阻调整环2组成。作动器安装在旋转轴上随轴一起转动，由配重盘13、磁性盘15、滚动轴承10、隔磁环18、端盖19等零件组成。驱动器和作动器之间设计0.4～1.5mm的工作气隙。作动器装配时，以基体为支撑和中心，配重盘和滚动轴承的组合体装于基体上，隔磁环装于配重盘的外侧、磁性盘装于隔磁环的两侧，基体两侧（即具有两组驱动器和作动器）的结构和安装完全相同，装配完后两侧用端盖封住；整个作动器沿径向安装于驱动器圆环内；驱动器线圈通电后驱动作动器内的配重盘相对旋转机械的轴运动。 

作动器最核心部件-配重盘13（见附图2）采用在其半圆周上开若干个均布圆孔的方式形成不平衡质量，同时在其整圆周上开孔并在孔内涂胶粘接20个永磁圆柱体（永磁体的长径比小于1），相邻两个永磁体的极性相反，整个配重盘通过支撑轴承滚动轴承10支撑在基体8上，基体8和旋转机械的轴过盈连接在一体；作动器的磁性盘15（见附图3）为内齿结构，齿数等于永磁体个数的一半，齿厚等于相邻两个永磁体的间距，磁性盘凸齿和永磁体之间的工作气隙设计为0.1～0.2mm；隔磁环18在配重盘13的外侧，在两个磁性盘15的中间，为一圆环，隔磁环18与配重盘13的外圆柱面之间设计1mm的间隙，防止二者碰摩；作动器的端盖14、19是为了防止平衡头工作时灰尘和铁屑进入后堵塞工作气隙，也为了尽量减少磁场对周围零件的磁化和影响。 

驱动器的铁芯有两种，分别为L型铁芯3、7和薄圆环形铁芯板5，主要作用是加强通电线圈所产生的电磁场，增大驱动能量；驱动器的磁阻调整环2为一极薄的非磁薄圆片，主要作用是调整驱动器铁芯中的磁路使其在铁芯中形成规则的磁力线并能够在穿过驱动器之后形成闭合回路；驱动器的隔磁板6和作动器的基体8起到隔离两组对称结构的作用，即隔磁板和基体两侧的结构完全相同，也就是说整个平衡头由两组独立的驱动器和相应的作动器组成。 

本发明设计的平衡头在材料选用方面，磁性盘15和铁芯3、5、7采用铁磁材料，在保证磁性能的前提下从综合力学性能和经济性方面考虑选择10号钢；磁阻调整环2、隔磁板6、基体8、配重盘13、隔磁环18、端盖14、19采用非磁材料；线圈4采用漆包圆铜线排列密绕；永磁体16采用高矫顽力的稀土永磁材料；轴承10采用轴承钢制成的薄窄系列单列深沟球轴承。 

本发明设计的平衡头在实际使用时必须配备传感器和测控单元。当传感器监测到旋转机械的振动超过事先设定的阈值时，平衡头的线圈会接收到来测控单元发出的一定数量、一定频率、正负相间的电压脉冲信号（见附图4），线圈得电后产生电磁场，并在铁芯中得到加强，该电磁场和作动器中永磁体的永久磁场之间根据磁极“同性相斥、异性相吸”的原理相互作用，推动作动器中的配重盘一步一步转动（见附图5）。图5中，只示意了三个相邻的永磁体在两侧的磁性内齿盘之间的运动位置变化图。配重盘转动即使得配重盘上配重孔的周向位置改变，也即配重盘的质量沿周向的分布改变。两个配重盘各自转动即分别产生一个不平衡矢量，两个矢量合成为一个总的校正矢量，和旋转轴的不平衡矢量相抵消，达到动平衡。当传感器监测到旋转机械的振动未超过事先设定的阈值时，配重盘不转动，配重盘上的永磁体和磁性盘的凸齿处于磁阻最小位置，实现配重盘位置的自锁，此时整个作动器随旋转机械的轴一起旋转。 

Claims (11)

1.一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构，包括驱动器、作动器两部分，驱动器呈圆环状，作动器位安装于驱动器的环内；驱动器由线圈、铁芯和磁阻调整环组成；其特征在于：铁芯为圆环状铁芯，从径向剖面看，其具有两部分：L型铁芯和长方形铁芯，两者结合形成空腔，空腔开口朝向圆心；空腔内部缠绕单相线圈，线圈呈扁平状圆环；磁阻调整环为圆环形铝片、位于两个铁芯结合处；作动器包括带n个永磁圆柱体的配重盘、两个齿数为n/2的铁磁性内齿盘、使配重盘相对旋转机械的轴转动的滚动轴承、支撑配重盘并起装配定位作用的基体、隔磁环、端盖组成；作动器在装配时，以基体为支撑和中心，配重盘和滚动轴承的组合体装于基体上，隔磁环装于配重盘和驱动器之间、两个内齿盘沿轴向安装于配重盘的两侧，装配完后两端面用端盖封住；驱动器线圈通电后驱动作动器内的配重盘相对旋转机械的轴运动。

2.如权利要求1所述一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构，其特征在于：沿轴向具有两组驱动器和作动器。

3.如权利要求1所述一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构，其特征在于：线圈在工作时两端加以正负交替变化的等占空比的脉冲电压信号。

4.如权利要求1所述一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构，其特征在于：当驱动器铁芯的材料和横截面积改变时，可通过改变磁阻调整环的厚度对磁路进行修正。

5.如权利要求1所述一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构，其特征在于：配重盘上均布n个圆柱形永磁体，且相邻两个永磁体的极性相反；永磁体采用高矫顽力的稀土永磁材料；永磁体采用涂胶粘接的方法安装于孔内。

6.如权利要求1所述一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构，其特征在于：配重盘的配重采用在配重盘半圆周内均布m个小孔或在孔内填充重金属或再多开几层小孔的方式实现。

7.如权利要求1所述一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构，其特征在于：磁性盘为齿数等于n/2的内齿盘，齿形为矩形，其齿厚等于两个相邻永磁体之间的间距；磁性盘选用10钢材料。

8.如权利要求1所述一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构，其特征在于：驱动器和作动器之间的间隙为0.4～1.5mm；永磁体和两侧的内齿盘之间的工作间隙均为0.1～0.2mm。

9.如权利要求1所述一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构，其特征在于：所述滚动轴承选用薄窄系列的单列深沟球轴承，滚动轴承外圈与配重盘过盈连接、内圈与基体过盈连接。

10.如权利要求1所述一种用于旋转机械的电磁-永磁混合型在线主动平衡头结构，其特征在于：驱动器和作动器的所有组件的连接方式均采用螺纹连接。

11.根据权利要求1-9任一项所述平衡头结构的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

使用传感器实时监测旋转机械的振动，当振动超过事先设定的阈值时，给所述线圈通正负交替变化的脉冲电压，线圈得电后产生交变的电磁场；

该电磁场和作动器中永磁圆柱体的永久磁场相互作用，推动作动器中的配重盘相对于旋转机械的轴一步一步转动；按步转动使两个配重盘形成各自的不平衡矢量；两个矢量合成为一个总的校正矢量，和旋转机械的不平衡矢量相抵消，达到动平衡；

当传感器监测到旋转机械的振动未超过事先设定的阈值时，线圈不通电，配重盘相对于旋转机械的轴不发生转动，配重盘上的永磁体和磁性盘的凸齿处于磁阻最小的位置，此时，配重盘在平衡状态自锁即平衡状态得以保持。

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