CN103411733A - 一种高速主轴电磁式现场动平衡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速主轴电磁式现场动平衡装置及方法，既能进行在线动平衡又能进行离线动平衡；平衡装置包括四个相同的U型环状铁芯以及由四个对应的包角为90度的凸台组成的且固定于主轴上的套筒；铁芯上绕有励磁线圈以及测力线圈；对于每个铁芯以及与其对应的凸台之间，可以产生大小随励磁电流变化，方向始终与凸台方向一致的电磁力；控制通入励磁线圈电流的大小及方向即能得到任意大小（设计值之内），任意方向且能随主轴旋转的力来抵消不平衡量引起的不平衡力。本发明平衡装置简单，线圈绕制容易，便于加工，能结合在线动平衡与离线动平衡，克服传统电磁式平衡头结构复杂，平衡能力有限的缺点，能够实现高转速高精度高效率的现场动平衡。

Description

一种高速主轴电磁式现场动平衡装置及方法

【技术领域】

本发明涉及高速主轴动平衡方法，具体为一种高速主轴电磁式现场动平衡装置及方法。

【背景技术】

由于转子材质不均匀、制造装配误差、热变形，以及转子在运行过程中产生变形，使得实际转子的主惯性轴偏离其旋转轴线而产生的不平衡力是旋转机械产生振动的最主要原因之一。在不平衡力的作用下，转子产生挠曲变形和内应力并通过轴承传递给机座，从而使机器产生振动，进而降低机器性能、工作效率和寿命。因此，为了消除转子的不平衡力从而抑制振动，转子动平衡技术受到人们越来越多的关注，适用于不同工况的动平衡方法也应运而生。

现在对于高速主轴，主轴加工好后首先将其在动平衡机上进行动平衡，然后再进行机装配。动平衡机的平衡效果较好，但有两个方面的缺点，一是目前动平衡机的转速有限，达不到主轴的高转速；二是如果转轴上安装有法兰盘或推力盘等，进行动平衡后，可能需要将法兰盘或推力盘拆卸下来，才能整机安装。其次动平衡机上的动平衡消除不了对于装配误差、热变形，以及转子在运行过程中产生变形。

经过大量科研工作者多年的研究积累，现场的离线平衡方法也已经比较成熟，其工作过程为整机装配好后，根据主轴在不同转速下的振动，对主轴进行动平衡。常用的大致有模态平衡法、影响系数法、综合平衡法、振型圆平衡法、无试重平衡法等。上述离线动平衡方法是抑制转子不平衡振动的直接有效的手段，但在工程实践中仍然存在其应用的局限性，如起停次数多、平衡时间长，变工况情况下适应效果差等。

为了减小损失，提高动平衡的效率及精度，对在线动平衡研究也日益深入。按照不平衡量补偿方法的不同，在线动平衡技术又可分为三种方式：(1)加减质量法。通过加重或去重的方法，将主轴的惯性轴调整到旋转中心，主要包括激光去重法，喷涂法，喷液法。激光法动平衡损伤转子表面，并且污染环境。喷涂法由于喷射速度的原因，被平衡转子转速不能过高。喷液法由于平衡头容积有限，且液体具有挥发性，其平衡范围和平衡精度均有其局限性。（2）主动质量调整法。将带有可控制移动校正质量的平衡头安装在转子上，在转子运行过程中，根据测得的转子振动信号来调整校正质量在平衡头上的分布，使与转子一起旋转的平衡头产生方向、大小可控的校正力，从而抵消转子不平衡激振力。根据驱动质量调整方式的不同，又可以分为电动机型，遥控型以及电磁型。缺点是这类平衡头结构复杂，平衡头上有活动部件，难以适用于高速，并且响应速度慢，平衡时间长。由于要在主轴上安装平衡头，改变了主轴的结果及整个系统的动态特性，有时是不允许的。(3)直接主动振动控制法。给转轴提供一个与不平衡力大小相等，方向相反的力，以抑制振动。典型的有电磁轴承型在线动平衡头和电磁圆盘行在线动平衡头。

他们有两个严重的不足就是转轴在运行过程中一直受到交变的旋转磁场的作用，转轴发热严重并且能耗大。另一个方面是电磁力有限，平衡能力有限，难以适用于高转速以及大不平衡量的情况。针对第一个方面的缺点，西安交通大学徐华，马石磊，戴攀等人提出了一种基于静磁场的在线动平衡方法，利用鼠龙式线圈以及加安装于主轴上且加工有凸台的套筒，产生大小随磁场强度变化，方向始终与凸台方向一致的电磁作用力，该动平衡方法中转子不再受到交变磁场的作用，减小涡流损失，减小能耗【徐华，马石磊，戴攀，马求山.一种高速主轴电磁式在线动平衡方法，专利号：200810232007.0】。但其鼠龙式线圈绕线非常困难，不利于整个平衡头体积的缩小，另外也克服不了电磁式平衡头平衡能力有限的这个缺点。

已有的动平衡方法都有较成熟的技术，但每种平衡技术都存在一些缺陷或不足，难以对主轴进行高速高精度高效率的动平衡。因此提出更好的动平衡方法，对于高速高精密加工有着重要的现实意义。

【发明内容】

本发明的目的是解决现有的现场动平衡技术难以适用于高转速高精度动平衡的不足，针对高速主轴，提供一种高速主轴电磁式现场动平衡装置及方法，其能结合在线动平衡与离线动平衡，以实现高转速高精度高效率的现场动平衡。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高速主轴电磁式现场动平衡装置，包括轴向依次排列的四个U型环状铁芯，每个U型环状铁芯的U型槽上绕有励磁线圈和测力线圈；与U型环状铁芯对应的主轴段上设有套筒，该套筒由轴向宽度与单个的U型环状铁芯宽度相同的第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段组成，第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段依次沿轴向布置切轴向无重合，第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段的周向均设有包角为90度的套筒凸台；第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段的套筒凸台沿轴向的投影关系为：第一轴段和第三轴段之间、第二轴段和第四轴段之间相差180度；第一轴段和第二轴段之间、第三轴段和第四轴段之间相差90度。

本发明进一步的改进在于：套筒安装在主轴上；U型环状铁芯由5个部分组成，分别为第一径向导磁环、第二径向导磁环、轴向导磁环、线圈骨架和磁隔离环；其中第一径向导磁环、第二径向导磁环及轴向导磁环为导磁材料制成；线圈骨架与磁隔离环由非导磁材料制成；第一径向导磁环、线圈骨架以及第二径向导磁环轴向依次固定连接；励磁线圈与测力线圈绕制在线圈骨架上；轴向导磁环与第一径向导磁环及第二径向导磁环过盈配合以将励磁线圈与测力线圈封装在第一径向导磁环、线圈骨架以及第二径向导磁环围绕形成的U型槽内；磁隔离环固定在第二径向导磁环与轴向导磁环侧壁上。

本发明进一步的改进在于：磁隔离环的厚度为套筒凸台与第一径向导磁环和第二径向导磁环气隙厚度的3倍以上。

本发明进一步的改进在于：主轴通过两个支撑轴承制成在主轴壳体上；主轴旁侧安装有用于检测主轴振动位移的位移传感器和用于检测主轴转速的测速传感器；所述位移传感器和测速传感器连接工业控制计算机；四个U型环状铁芯上的四个励磁线圈包括与第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段相对应的第一励磁线圈、第二励磁线圈、第三励磁线圈和第四励磁线圈；工业控制计算机连接第一功率放大器和第二功率放大器；第一功率放大器的一端连接第一励磁线圈一端和第三励磁线圈一端，第一励磁线圈另一端和第三励磁线圈另一端分别连接第一二极管正极和第三二极管负极，第一二极管负极和第三二极管正极均连接第一功率放大器另一端；第二功率放大器的一端连接第二励磁线圈一端和第四励磁线圈一端，第二励磁线圈另一端和第四励磁线圈另一端分别连接第二二极管正极和第四二极管负极，第二二极管负极和第四二极管正极均连接第二功率放大器另一端。

本发明进一步的改进在于：四个测力线圈通过积分电路连接工业控制计算机；测力线圈通过积分电路积分出积分电势，在线实时测量第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段电磁力的大小；所述工业控制计算机，通过控制第一功率放大器和第二功率放大器的电流方向和大小，对第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段的套筒凸台产生不同方向的电磁力，各电磁力的合力用于抵消主轴旋转时的不平衡力。

一种高速主轴电磁式现场动平衡方法，包括在线动平衡与离线动平衡；

在线动平衡步骤包括：

（1）在选定的主轴上依次排列四个U型环状铁芯，每个U型环状铁芯绕有可通入直流电的励磁线圈与用于测电磁力的测力线圈；与四个U型环状铁芯对应的主轴上设有套筒，该套筒轴向分为第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段，每段与单个U型环状铁芯宽度相同，各段周向分别设有包角为90度，轴向投影相互无重叠的凸台；凸台与U型环状铁芯径向之间形成气隙；

（2）用位移传感器检测主轴的振动位移，同时用测速传感器检测的转速；工业控制计算机通过控制两个功率放大器输出电流的方向及大小驱动四个励磁线圈，对第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段的凸台产生不同方向的电磁力，直至主轴振动位移幅值最小；当主轴振动位移幅值最小时，用测力线圈分别测量各个U型环状铁芯对主轴的电磁吸力；

（3）当主轴转速稳定，无需对主轴再次平衡；若主轴转速变化，则重复步骤（2）再次调整各个励磁线圈通入电流的方向及大小；

离线动平衡步骤包括：

（a）工业控制计算机根据在线动平衡的同时已测量出的各个U型环状铁芯对主轴的电磁吸力，换算出主轴的不平衡量大小及方位；

（b）依据所计算的不平衡量大小及方位，对主轴进行现场离线动平衡。

本发明进一步的改进在于：U型环状铁芯由5个部分组成，分别为第一径向导磁环、第二径向导磁环、轴向导磁环、线圈骨架和磁隔离环；其中第一径向导磁环、第二径向导磁环及轴向导磁环为导磁材料制成；线圈骨架与磁隔离环由非导磁材料制成；第一径向导磁环、线圈骨架以及第二径向导磁环轴向依次固定连接；励磁线圈与测力线圈绕制在线圈骨架上；轴向导磁环与第一径向导磁环及第二径向导磁环过盈配合以将励磁线圈与测力线圈封装在第一径向导磁环、线圈骨架以及第二径向导磁环围绕形成的U型槽内；磁隔离环固定在第二径向导磁环与轴向导磁环侧壁上。

本发明进一步的改进在于：第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段的凸台沿轴向的投影关系为：第一轴段和第三轴段之间、第二轴段和第四轴段之间相差180度；第一轴段和第二轴段之间、第三轴段和第四轴段之间相差90度；U型环状铁芯对第一轴段与第三轴段产生的电磁吸力方向相反，对第二轴段与第四轴段产生的电磁吸力方向相反。

本发明进一步的改进在于：

若主轴的不平衡量为小不平衡量，仅使用在线动平衡；

若主轴的不平衡量为大不平衡量，先使用在线动平衡，再使用离线动平衡，然后再使用在线动平衡；

不平衡量大小的划分原则为：依据在主轴允许的最高转速下，不平衡量引起的不平衡力与四个励磁线圈对四段轴段产生的电磁力的最大合力相比较，若前者小或相等，则称为小不平衡量，若前者大，则称为大不平衡量。

本发明进一步的改进在于：四个U型环状铁芯上的四个励磁线圈包括与第一轴段、第二轴段、第三轴段和第四轴段相对应的第一励磁线圈、第二励磁线圈、第三励磁线圈和第四励磁线圈；工业控制计算机连接第一功率放大器和第二功率放大器；第一功率放大器的一端连接第一励磁线圈一端和第三励磁线圈一端，第一励磁线圈另一端和第三励磁线圈另一端分别连接第一二极管正极和第三二极管负极，第一二极管负极和第三二极管正极均连接第一功率放大器另一端；第二功率放大器的一端连接第二励磁线圈一端和第四励磁线圈一端，第二励磁线圈另一端和第四励磁线圈另一端分别连接第二二极管正极和第四二极管负极，第二二极管负极和第四二极管正极均连接第二功率放大器另一端。第一励磁线圈与第三励磁线圈共用第一功率放大器，第二励磁线圈及第四励磁线圈共用第二功率放大器。第一功率放大器电流为正，平衡装置对第一轴段产生电磁吸力，若为负，对第三轴段产生电磁吸力；第二功率放大器电流为正，平衡装置对第二轴段产生电磁吸力，若为负，对第四轴段产生电磁吸力；控制功率放下器电流的方向的大小，就可以改变整个主轴所受电磁吸力的大小及方向。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种高速主轴电磁式现场动平衡装置及方法，既能进行在线动平衡又能进行离线动平衡；平衡装置包括四个相同的U型环状铁芯以及由四个与U型环状铁芯相对应的包角为90度的凸台组成的且固定于主轴上的套筒。铁芯上绕有励磁线圈以及测力线圈。对于每个铁芯以及与其对应的凸台之间，可以产生大小随励磁电流变化，方向始终与凸台方向一致的电磁力。控制通入励磁线圈电流的大小及方向即能得到任意大小（设计值之内），任意方向且能随主轴旋转的力来抵消不平衡量引起的不平衡力。在线动平衡的同时，利用测力线圈测量主轴不平衡力的大小，换算出不平衡量的大小，进而可以进行离线动平衡。本发明所提出的电磁式现场动平衡装置简单，线圈绕制容易，便于加工，能结合在线动平衡与离线动平衡，克服传统电磁式平衡头结构复杂，平衡效率低精度差，平衡能力有限的缺点，能够实现高转速高精度高效率的现场动平衡。

【附图说明】

图1为本发明高速主轴电磁式现场动平衡装置结构示意图；

图2为本发明单个铁芯结构及电磁力作用示意图；图2a为单个单个铁芯的剖视图；图2b为图2a所示单个铁芯的侧视图；

图3为本发明套筒轴向不同段的剖视图；其中图3a为套筒的结构示意图；图3b为沿图3a中A-A线的剖视图；图3c为沿图3a中B-B线的剖视图；图3d为沿图3a中C-C线的剖视图；图3e为沿图3a中D-D线的剖视图；。

图4为本发明的动平衡装置的线圈与功率放大器的连接电路，也称双管斩波电路。

图5为本发明高速主轴电磁式现场动平衡装置控制原理示意图。

图1-图5中的附图标记：1、U型环状铁芯；1-1、第一径向导磁环；1-2、第二径向导磁环；1-3、轴向导磁环；2、励磁线圈；2-1、第一励磁线圈；2-2、第二励磁线圈；2-3、第三励磁线圈；2-4、第四励磁线圈；3、测力线圈；4、线圈骨架；5、套筒；5-1、套筒凸台；6、磁隔离环；7、铁芯支架；8、主轴；9、主轴壳体；10、高速现场动平衡装置；11、12高精度位移传感器；13、测速传感器；14、15支撑轴承；A、第一轴段；B、第二轴段；C、第三轴段；D、第四轴段；D1、D2、D3、D4二极管；P1、第一功率放大器；P2、第二功率放大器。

【具体实施方式】

以下结合附图及实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的设计思路如下：由于离线动平衡效率低且精度低，而在线动平衡各有优缺点，其中基于静磁场的在线动平衡装置对于高精度的动平衡有一定的优势，但其所采用的鼠龙式线圈绕线极为复杂，其次因为电磁力有限，平衡能力有限，难以适用于高转速。为了使动平衡装置简单，加工容易，且能实现高速高精度高效率的现场动平衡。本发明采用U型环状铁芯以及与其相对应的凸台，产生大小随磁场变化，方向始终与凸台一致的电磁力，以实现基于静磁场的在线动平衡；于在线动平衡的过程中，利用测力线圈测量出不平衡力，换算出不平衡量的大小，进行快速的离线动平衡。

请参阅图1及图2所示，本发明一种高速主轴现场动平衡装置，包括轴向依次排列的四个U型环状铁芯1，每个U型环状铁芯1的U型槽上绕有励磁线圈2与测力线圈3。与U型环状铁芯1对应的主轴段上设有套筒5，该套筒5由轴向宽度与单个的U型环状铁芯1宽度相同的四段（第一轴段A、第二轴段B、第三轴段C、第四轴段D）组成，这四段套筒轴向无重合，并且周向设有包角为90的套筒凸台5-1。如3b图所示，建立固定于主轴8的坐标系OXY，A段凸台的包角范围为0～90度，B段凸台的包角范围为90～180度，C段凸台的包角范围为180～270度，D段凸台的包角范围为270～360度。

如图2所示，为了加工及绕线方便，每个U型环状铁芯1由5个部分组成，分别为第一径向导磁环1-1、第二径向导磁环1-2、轴向导磁环1-3、线圈骨架4和磁隔离环6。其中第一径向导磁环1-1，第二径向导磁环1-2及轴向导磁环1-3为导磁材料制成。线圈骨架4与磁隔离环6由非导磁材料组成，设置线圈骨架4的目的是将线圈绕在其上面，起支撑线圈的作用；磁隔离环6的作用是隔离不同铁芯之间的磁路，使不同铁芯与其相对应的凸台形成的磁路相互独立，其厚度宜取凸台与径导磁环1-1及1-2气隙厚度的3倍以上。整个U型环状铁芯1的加工工序为:组成铁芯的5部分分别加工完毕后，首先将第一径向导磁环1-1，线圈骨架4以及第二径向导磁环1-2轴向依次固定连接，其次在线圈骨架4上绕制励磁线圈2与测力线圈3，然后将轴向导磁环1-3与第一径向导磁环1-1及第二径向导磁环1-2做过盈配合，最后将磁隔离环6固定在第二径向导磁环1-2与轴向导磁环1-3上。

本发明的平衡装置的在线动平衡基本工作原理为：套筒5的不同段的凸台5-1的周向包角不同范围的设置，使得平衡装置对第一轴段A产生的电磁力方向为Y+，对第三轴段C段轴产生的电磁力方向为Y-，对第二轴段B段轴产生的电磁力方向为X-，对第四轴段D段轴产生的电磁力方向为X+。由于平面力可以由任意两个正交的力系合成，故在任意时刻只需要给第一励磁线圈2-1与第三励磁线圈2-3中一个通电，同时给第二励磁线圈2-2及第四励磁线圈2-4中的一个通电即可。采用图4所示电路结构通过两个功率放大器（P1及P2）给四个励磁给线圈（2-1,2-2,2-3,2-4）供电，第一功率放大器P1的一端连接第一励磁线圈2-1一端和第三励磁线圈2-3一端，第一励磁线圈2-1另一端和第三励磁线圈2-3另一端分别连接二极管D1正极和二极管D3负极，二极管D1负极和二极管D3正极均连接第一功率放大器P1另一端。第二功率放大器P2的一端连接第二励磁线圈2-2一端和第四励磁线圈2-4一端，第二励磁线圈2-2另一端和第四励磁线圈2-4另一端分别连接二极管D2正极和二极管D4负极，二极管D2负极和二极管D4正极均连接第二功率放大器P2另一端。第一功率放大器P1电流为正，对第一轴段A产生电磁吸力，若为负，对第三轴段C产生电磁吸力；第二功率放大器P2电流为正，对第二轴段B产生电磁吸力，若为负，对第四轴段D产生电磁吸力。将坐标系固定于主轴上，控制功率放大器（P1、P2）电流的方向的大小，就可以改变整个主轴8所受电磁吸力的大小及方向。由于坐标系为固定于主轴上，实际上电磁力是随着主轴8一起旋转的，故可以用来平衡不平衡量引起的不平衡力。

测力线圈3测不平衡量的原理为：将测力线圈3和励磁线圈2同时绕在铁芯上，当平衡装置铁芯中的磁通变化时，测力线圈3就产生感应电动势。根据楞次定律公式有

$e=\frac{d\left(\mathrm{nBS}\right)}{\mathrm{dt}}$

其中e为感应电势，n为测力线圈3匝数，B为磁感应强度，S为磁极面积（凸台在两个径向导磁环上的投影）。

由麦克斯韦电磁吸力公式得

F＝kB²S

其中，F为电磁力；k为系数，由结构尺寸决定。

由以上两个式子可以得出电磁吸力与感应电动势的关系为

$F=\frac{k}{{\mathrm{Sn}}^2}{(\∫\mathrm{edt})}^2$

可以看出激振力与测力线圈积分电压∫edt的二次方成正比。因此利用积分电路对感应电动势进行积分，并作简单的标定，就可以换算得到电磁吸力的大小。四个铁芯上的测力线圈测量四个轴段所受的电磁力。对主轴进行在线动平衡，使主轴的振动减小到最小，此时可以认为主轴在该转速下由于不平衡量产生的不平衡力就与四个电磁力的合力大小相等，方向相反。高速主轴旋转时产生的离心力可以用以下公式表示：

F_u＝meω²

式中，m为高速主轴系统质量，e为主轴中心与其旋转中心的不平衡距，ω为角速度。令U=me，为不平衡量的质径积，通常用U表示不平衡量的大小。通过所测量的四个电磁力的合力，就可以确定主轴不平衡量的质径积U，直接进行快速的离线动平衡。

整个高速主轴现场动平衡装置10的控制原理如图5所示，设置在主轴壳体9中支撑轴承14、15用以支撑主轴8，工控计算机发出控制信号控制第一功率放大器P1及第一功率放大器P2输出电流的方向与大小进而驱动现场动平衡装置10。高精度位移传感器11、12拾取主轴振动信号，转速传感器13用以拾取主轴转速信号。当位移传感器检测到主轴振动位移较大时，工业控制计算机通过一定的策略改变第一功率放大器P1及第一功率放大器P2输出电流的方向与大小，直至主轴的振动最小。平衡装置10的测力线圈通过积分电路积分出积分电势，在线实时测量四个轴段电磁力的大小，换算出不平衡量，进而方便快速地进行离线动平衡。

本发明的一种高速主轴电磁式现场动平衡方法，包括在线动平衡与离线动平衡两个步骤。

在线动平衡步骤包括：

（1）经过特殊结构加工的套筒5安装在选定的主轴段上。四个相同的U型环状铁芯1、线圈骨架4与绕在线圈骨架4上面的励磁线圈2及测力线圈3以及磁隔离环6固定于非导磁材料制成的铁芯支架7上。并让四个铁芯与四个凸台在轴向一一对应，并且调整好位置，使铁芯与凸台的气隙均匀分布。

（2）用位移传感器（11、12）检测主轴8的振动位移，工业控制计算机通过决策程序控制两个功率放大器P1及P2输出电流的大小及方向以驱动四个励磁线圈（2-1、2-2、2-3、2-4），直至主轴振动位移幅值最小。当主轴振动位移最小时，用测力线圈分别测量动平衡装置对主轴各轴段的电磁吸力。

（3）当主轴转速稳定，无需对主轴再次平衡；若主轴转速变化，则需要再次调整各个线圈通入电流的方向及大小。

离线动平衡步骤包括

（a）在线动平衡的同时，根据测力线圈所测量的每个铁芯对主轴的电磁吸力，换算出不平衡量大小及方位；

（b）依据所计算的不平衡量大小及方位，对主轴进行现场离线动平衡。

本发明的高速电主轴现场动平衡方法，结合了在线动平衡与离线动平衡。在线动平衡与离线动平衡的配合使用情况如下：若主轴的不平衡量为小不平衡量，仅仅使用在线动平衡即可；若主轴存在不平衡量且不需要非常高的平衡精度，先在线动平衡再离线动平衡；若主轴的不平衡量为大不平衡量且需要高精度的平衡，先在线动平衡再离线动平衡然后再在线动平衡（不平衡量大小的划分原则为，依据在主轴允许的最高转速下，不平衡量引起的不平衡力与所述的平衡装置的平衡能力相比较，若前者小，则称为小不平衡量，若前者大，则称为大不平衡量）。

Claims (10)

1.一种高速主轴电磁式现场动平衡装置，其特征在于，包括轴向依次排列的四个U型环状铁芯（1），每个U型环状铁芯（1）的U型槽上绕有励磁线圈（2）和测力线圈（3）；与U型环状铁芯（1）对应的主轴段上设有套筒（5），该套筒（5）由轴向宽度与单个的U型环状铁芯（1）宽度相同的第一轴段（A）、第二轴段（B）、第三轴段（C）和第四轴段（D）组成，第一轴段（A）、第二轴段（B）、第三轴段（C）和第四轴段（D）依次沿轴向布置切轴向无重合，第一轴段（A）、第二轴段（B）、第三轴段（C）和第四轴段（D）的周向均设有包角为90度的套筒凸台（5-1）；第一轴段（A）、第二轴段（B）、第三轴段（C）和第四轴段（D）的套筒凸台（5-1）沿轴向的投影关系为：第一轴段（A）和第三轴段（C）之间、第二轴段（B）和第四轴段（D）之间相差180度；第一轴段（A）和第二轴段（B）之间、第三轴段（C）和第四轴段（D）之间相差90度。

2.根据权利要求1所述的一种高速主轴电磁式现场动平衡装置，其特征在于，套筒（5）安装在主轴（8）上；U型环状铁芯（1）由5个部分组成，分别为第一径向导磁环（1-1）、第二径向导磁环（1-2）、轴向导磁环（1-3）、线圈骨架（4）和磁隔离环（6）；其中第一径向导磁环（1-1）、第二径向导磁环（1-2）及轴向导磁环（1-3）为导磁材料制成；线圈骨架（4）与磁隔离环（6）由非导磁材料制成；第一径向导磁环（1-1）、线圈骨架（4）以及第二径向导磁环（1-2）轴向依次固定连接；励磁线圈（2）与测力线圈（3）绕制在线圈骨架（4）上；轴向导磁环（1-3）与第一径向导磁环（1-1）及第二径向导磁环（1-2）过盈配合以将励磁线圈（2）与测力线圈（3）封装在第一径向导磁环（1-1）、线圈骨架（4）以及第二径向导磁环（1-2）围绕形成的U型槽内；磁隔离环（6）固定在第二径向导磁环（1-2）与轴向导磁环（1-3）侧壁上。

3.根据权利要求2所述的一种高速主轴电磁式现场动平衡装置，其特征在于，磁隔离环（6）的厚度为套筒凸台（5-1）与第一径向导磁环（1-1）和第二径向导磁环（1-2）气隙厚度的3倍以上。

4.根据权利要求2所述的一种高速主轴电磁式现场动平衡装置，其特征在于，主轴（8）通过两个支撑轴承制成在主轴壳体（9）上；主轴（8）旁侧安装有用于检测主轴（8）振动位移的位移传感器和用于检测主轴（8）转速的测速传感器；所述位移传感器和测速传感器连接工业控制计算机；四个U型环状铁芯（1）上的四个励磁线圈包括与第一轴段（A）、第二轴段（B）、第三轴段（C）和第四轴段（D）相对应的第一励磁线圈（2-1）、第二励磁线圈（2-2）、第三励磁线圈（2-3）和第四励磁线圈（2-4）；工业控制计算机连接第一功率放大器（P1）和第二功率放大器（P2）；第一功率放大器（P1）的一端连接第一励磁线圈（2-1）一端和第三励磁线圈（2-3）一端，第一励磁线圈（2-1）另一端和第三励磁线圈（2-3）另一端分别连接第一二极管（D1）正极和第三二极管（D3）负极，第一二极管（D1）负极和第三二极管（D3）正极均连接第一功率放大器（P1）另一端；第二功率放大器（P2）的一端连接第二励磁线圈（2-2）一端和第四励磁线圈（2-4）一端，第二励磁线圈（2-2）另一端和第四励磁线圈（2-4）另一端分别连接第二二极管（D2）正极和第四二极管（D4）负极，第二二极管（D2）负极和第四二极管（D4）正极均连接第二功率放大器（P2）另一端。

5.根据权利要求4所述的一种高速主轴电磁式现场动平衡装置，其特征在于，四个测力线圈（3）通过积分电路连接工业控制计算机；测力线圈（3）通过积分电路积分出积分电势，在线实时测量第一轴段（A）、第二轴段（B）、第三轴段（C）和第四轴段（D）电磁力的大小；所述工业控制计算机，通过控制第一功率放大器（P1）和第二功率放大器（P2）的电流方向和大小，对第一轴段（A）、第二轴段（B）、第三轴段（C）和第四轴段（D）的套筒凸台（5-1）产生不同方向的电磁力，各电磁力的合力用于抵消主轴（8）旋转时的不平衡力。

6.一种高速主轴电磁式现场动平衡方法，其特征在于，包括在线动平衡与离线动平衡；

在线动平衡步骤包括：

（1）在选定的主轴（8）上依次排列四个U型环状铁芯（1），每个U型环状铁芯绕有可通入直流电的励磁线圈（2）与用于测电磁力的测力线圈（3）；与四个U型环状铁芯（1）对应的主轴（8）上设有套筒（5），该套筒轴向分为第一轴段（A）、第二轴段（B）、第三轴段（C）和第四轴段（D），每段与单个U型环状铁芯宽度相同，各段周向分别设有包角为90度，轴向投影相互无重叠的凸台（5-1）；凸台（5-1）与U型环状铁芯径向之间形成气隙；

（2）用位移传感器检测主轴（8）的振动位移，同时用测速传感器检测（8）的转速；工业控制计算机通过控制两个功率放大器输出电流的方向及大小驱动四个励磁线圈，对第一轴段（A）、第二轴段（B）、第三轴段（C）和第四轴段（D）的凸台（5-1）产生不同方向的电磁力，直至主轴（8）振动位移幅值最小；当主轴振动位移幅值最小时，用测力线圈分别测量各个U型环状铁芯对主轴的电磁吸力；

（3）当主轴转速稳定，无需对主轴再次平衡；若主轴转速变化，则重复步骤（2）再次调整各个励磁线圈通入电流的方向及大小；

离线动平衡步骤包括：

（a）工业控制计算机根据在线动平衡的同时已测量出的各个U型环状铁芯对主轴的电磁吸力，换算出主轴的不平衡量大小及方位；

（2）依据所计算的不平衡量大小及方位，对主轴进行现场离线动平衡。

7.如权利要求6所述的高速主轴电磁式现场动平衡方法，其特征在于，U型环状铁芯（1）由5个部分组成，分别为第一径向导磁环（1-1）、第二径向导磁环（1-2）、轴向导磁环（1-3）、线圈骨架（4）和磁隔离环（6）；其中第一径向导磁环（1-1）、第二径向导磁环（1-2）及轴向导磁环（1-3）为导磁材料制成；线圈骨架（4）与磁隔离环（6）由非导磁材料制成；第一径向导磁环（1-1）、线圈骨架（4）以及第二径向导磁环（1-2）轴向依次固定连接；励磁线圈（2）与测力线圈（3）绕制在线圈骨架（4）上；轴向导磁环（1-3）与第一径向导磁环（1-1）及第二径向导磁环（1-2）过盈配合以将励磁线圈（2）与测力线圈（3）封装在第一径向导磁环（1-1）、线圈骨架（4）以及第二径向导磁环（1-2）围绕形成的U型槽内；磁隔离环（6）固定在第二径向导磁环（1-2）与轴向导磁环（1-3）侧壁上。

8.如权利要求6所述的高速主轴电磁式现场动平衡方法，其特征在于，第一轴段（A）、第二轴段（B）、第三轴段（C）和第四轴段（D）的凸台（5-1）沿轴向的投影关系为：第一轴段（A）和第三轴段（C）之间、第二轴段（B）和第四轴段（D）之间相差180度；第一轴段（A）和第二轴段（B）之间、第三轴段（C）和第四轴段（D）之间相差90度；U型环状铁芯对第一轴段与第三轴段产生的电磁吸力方向相反，对第二轴段与第四轴段产生的电磁吸力方向相反。

9.如权利要求6所述的高速主轴电磁式现场动平衡方法，其特征在于：

若主轴（8）的不平衡量为小不平衡量，仅使用在线动平衡；

若主轴（8）的不平衡量为大不平衡量，先使用在线动平衡，再使用离线动平衡，然后再使用在线动平衡；

不平衡量大小的划分原则为：依据在主轴允许的最高转速下，不平衡量引起的不平衡力与四个励磁线圈对四段轴段产生的电磁力的最大合力相比较，若前者小或相等，则称为小不平衡量，若前者大，则称为大不平衡量。

10.如权利要求6所述的高速主轴电磁式现场动平衡方法，其特征在于：四个U型环状铁芯（1）上的四个励磁线圈包括与第一轴段（A）、第二轴段（B）、第三轴段（C）和第四轴段（D）相对应的第一励磁线圈（2-1）、第二励磁线圈（2-2）、第三励磁线圈（2-3）和第四励磁线圈（2-4）；工业控制计算机连接第一功率放大器（P1）和第二功率放大器（P2）；第一功率放大器（P1）的一端连接第一励磁线圈（2-1）一端和第三励磁线圈（2-3）一端，第一励磁线圈（2-1）另一端和第三励磁线圈（2-3）另一端分别连接第一二极管（D1）正极和第三二极管（D3）负极，第一二极管（D1）负极和第三二极管（D3）正极均连接第一功率放大器（P1）另一端；第二功率放大器（P2）的一端连接第二励磁线圈（2-2）一端和第四励磁线圈（2-4）一端，第二励磁线圈（2-2）另一端和第四励磁线圈（2-4）另一端分别连接第二二极管（D2）正极和第四二极管（D4）负极，第二二极管（D2）负极和第四二极管（D4）正极均连接第二功率放大器（P2）另一端。

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