CN1095803A - 旋转机的振动抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种能抑制旋转机的旋转 轴的振动，使旋转机在宽范围的转数内稳定地运转的 装置，在该装置中，通过二次磁轭(102)支撑旋转机的 轴(3)，相对于该二次磁轭设置了电磁铁(101、LYa 等)，通过检测器(103X、103Y)检测出横切轴方向的 二次磁轭的位移。根据该检测器检测出的信号，通过 控制电磁铁产生的磁力来经过二次磁轭抑制轴的振 动。

Description

本发明涉及需要高速并稳定地转动的旋转机的振动抑制装置。

图5示出了适用于纺织工程中的纤维机械等的悬空滚筒副旋转机1的构成。在该图中示出了从旋转机1的轴线J剖开一侧部分的状态。如图5所示，旋转机1的本体固定在作为驱动对象的装置2上。3是作为旋转机1旋转轴的轴，轴3贯通旋转机1的本体内部。轴3的周围由转子6包围住。产生旋转驱动转子6磁力的定子7包围住转子6并安装在旋转机本体的内侧上。轴3的一端通过球轴承B1被本体端的轴支座41所支撑，终止在轴3的另一端的中间部分通过球轴承B2被轴支座42所支撑。滚筒5安装在从轴支座42向旋转机外部突出的轴3的端部上。旋转机1产生的旋转驱动力通过这个滚筒5传递给作为驱动对象的装置。

如果采用具有这样构成的旋转机，借助于定子7产生的磁力将旋转力供给转子6，该旋转力通过轴3传递给滚筒5。在纺织工程中借助于这样旋转驱动的滚筒5可以进行在线上提供张力或者对线进行导向的处理。

可是近来由于提高生产效率的要求而继续使这种旋转机的滚筒大形化。但是随着滚筒的大形化，会使旋转机的轴端负荷以及轴端质量变大，从而会由于包括滚筒的旋转系统中的不平衡而产生大幅振动的问题。下面参照图6-图8说明这个问题。

为了不在旋转系统内产生振动，至少应使旋转系统本身的构造不会有振动因素，并必需使系统不处在不平衡的状态。可是使滚筒等的旋转系统的每个部件都制成完全轴对称的形状是困难的，至于使安装了这些部件的旋转系统构成为完全对称就更加困难，所以旋转系统的重心同旋转系统的旋转轴之间一定存在一些偏移。当旋转驱动这样重心从旋转轴偏离的旋转体时，会在旋转体上产生对应于这个旋转速度的频率的振动。除了这样的重心偏离之外还有几个造成旋转系统不平衡的原因，这样的不平衡引起的施振力加在旋转系统上而使旋转系统振动起来。

图6表示了由于上述不平衡而引起在旋转体上产生振动的特性，该图中的曲线A表示旋转驱动图5所示的旋转机1的转数N同在滚筒5的a点处发生振动的振幅的关系。一般由滚筒、轴等构成的旋转系统都具有固有频率。在旋转机的转数小于固有频率的情况下，旋转系统受到的且由上述不平衡而引起的施振影响较少，所以如图5所示滚筒5上仅产生小振幅的振动。因此在轴上没有增加过度的弯曲应力这样可得到正常的旋转动作（参看图7）。

但是当旋转机的转数一接近固有振动频率时，旋转系统就对由于不平衡而引起的激振力产生灵敏的响应并使轴等发生大的振动。图6示出了滚筒5中a点的振幅在一次固有振动频率N₁处达到最大的情形。虽然实际上存在二次以上的高次固有振动频率，但在图6中省略了二次以上的固有振动频率的图示。一旦在滚筒5上发生这样大的振动，在轴3上就受到大的应力作用，在最严重的情况下使轴3弯曲而变为很危险的状态（见图8）。当然图8所示的轴3的弯曲情况同实际相比是夸张了。

为了防止在旋转系统中发生这样大的振动，一般是将旋转机的额定转数Nmax设定为比一次固有振动频率N₁还低。

可是为了提高生产效率，必须提高额定转数，为此必需采取以下的措施：

（1）提高一次固有振动频率;

（2）将在转数达到固有振动频率的情况下产生的振动振幅进行抑制。

但是为了提高一次固有振动频率必需增大轴3的直径。然而轴3的直径一增大又使支撑轴3的球轴承的dn值增大这样使球轴承的使用寿命降低。因此使轴的直径增大的范围受到限制。

另一方面，在一次固有振动频率N₁下滚筒振动的振幅是由旋转系统具有的不平衡和衰减系数所决定的，但通过减少不平衡来提高稳定性和衰减系数也受到限制，所以在一次固有振动频率下抑制轴的振动是困难的。

本发明的目的是根据上述的情况提供一种振动抑制装置，即使在转数同旋转系统的固有振动频率相一致的情况下它也可以使旋转机不发生大的振动，并在高速和安全的状态下运行旋转机。

本发明的旋转机的振动抑制装置的特征是，它包括：轴支撑旋转机的旋转部件的磁轭;同上述磁轭相对配置的电磁铁;检测横切上述旋转轴方向的上述磁轭位移的检测器;根据上述检测器检测的信号控制上述电磁铁产生的磁力来抑制在上述磁轭上产生振动的控制电路。

如果采用上述的结构，磁轭随着旋转轴的振动而振动。然而通过检测器可检测出由这个振动而引起的磁轭的位移，根据检测器检测的信号来控制电磁铁的电流就可以经过磁轭抑制旋转部件的振动。

图1为适用于本发明第一实施例的振动抑制装置的旋转机的局部剖视图;

图2为沿图1中Ⅰ-Ⅰ′线的剖视图;

图3为该实施例的减振控制电路100构成的方框图;

图4为适用于本发明第二实施例的振动抑制装置的旋转机的局部剖视图;

图5为已有的旋转机构成的局部剖视图;

图6为说明旋转机的转数同在滚筒上发生的振动间的关系以及本发明的效果的图;

图7为说明在转数同固有振动频率不一致的情况下旋转机的动作图;

图8为说明在转数同固有振动频率一致的情况下旋转机的动作图，

下面参照附图说明本发明的实施例：

<第一实施例>

图1为表示装备有本发明第一实施例的振动抑制装置200的旋转机结构的一个局部剖视图。而图2为沿振动抑制装置200的Ⅰ-Ⅰ′线的剖视图。在图2中为简单起见将转子等的旋转机1的组成部件的图示省略了。

上述已有的旋转机（图5）是轴3的两端通过球轴承而被支撑在轴支座上的结构，而在图1所示的旋转机1中设置了振动抑制装置200代替了图5中的轴支座41。下面说明本实施例的振动抑制装置的构成。

102为圆筒状的二次磁轭，轴3贯穿该二次磁轭102的内部。沿着该二次磁轭102的轴向从中心约1/2个圆筒部分通过球轴承B1支撑着轴3，二次磁轭102的其余圆筒部分通过由橡胶、金属弹簧等组成的弹性体104而被固定在旋转机本体的端部上。

一次磁轭101成圆环状，它同二次磁轭102相对并成同心圆地安装在旋转机本体的内壁上。如图2所示，一次磁轭101在朝向二次磁轭的某侧从其内周突出八个磁极，在这些磁极上分别缠绕有线圈LYa、LYb、LXa、LXb、LYc、LYd、LXc、LXd。在图1中示出了这八个线圈中的线圈LYa。

线圈LYa和LYb可以串联或并联连接，对这些线圈通电，如图2中的虚线和箭头所示，产生了通过一次磁轭101→线圈LYb内的磁极→二次磁轭102→线圈LYa内的磁极→一次磁轭101的所谓磁路的磁力线，而使二次磁轭102被向Y方向吸引。对于其它的各个线圈组，即线圈LXa和LXb、线圈LYc和LYd、线圈LXc和LXd也一样，由从形成这些组的线圈和一次磁轭101突出的各个磁极构成了向X方向、-Y方向以及-X方向吸引二次磁轭102的电磁铁。另外在一次磁轭101和二次磁轭102中会产生涡流，这些涡流可能对二次磁轭102产生外部干扰，在不允许这个影响的情况下，可以将一次磁轭101和二次磁轭102做成为叠层构造以便减小涡流。

距离检测器103X和103Y同二次磁轭102相对地配置，借助这些距离检测器可以输出对应于二次磁轭的距离102检测信号。在图1中只图示了距离检测器103Y。对于距离检测器103X和103Y可以采用例如电涡流式的或光学式的。

由距离检测器103X和103Y所得到的检测信号供给图1中的减振控制电路100。这个减振控制电路100根据由各个距离检测器检测的信号控制线圈LYa、LYb、LXa、LXb、LYc、LYd、LXc、LXd所通过的电流以产生抑制二次磁轭102的Y方向或X方向的振动的磁力线。

图3表示了减振控制电路100的全电路中有关抑制二次磁轭102的Y方向振动的部分。在该图中，由距离检测器103Y获得的检测信号通过检测放大器111Y传给控制器112Y。控制器112Y对检测放大器111Y的输出信号进行包含PID控制的预定处理后，输出给加法器121Y和减法器122Y。这里在控制器112Y的输出信号中包含了比例部分（P）、积分部分（I）以及微分部分（D），其中的比例部分（P）在轴3没有振动且二次磁轭102处于理想位置的状态下为零，而在二次磁轭102从理想位置向Y方向移动时它变为相应于其位移量的负值;反之在向一Y方向移动时它变为相应于其位移量的正值。这个比例部分（P）和积分部分（I）作为把二次磁轭102维持在所定位置的控制信号而起作用;而微分部分（D）作为提高旋转系统振动的衰减系数的控制信号而起作用。加法器121Y把所定的一定电流指令值S与控制器112Y的输出信号相加，减法器122Y从一定电流指令值S中减去控制器112Y的输出电流。加法器121Y和减法器122Y的各输出信号分别输入给功率放大器131Y和132Y。接着功率放大器131Y驱动线圈LYa和LYb，而功率放大器132Y驱动线圈LYc和LYd。

上面就抑制Y方向振动的电路构成作了说明，但在减振控制电路100中设置了具有和上述同样构成的且根据距离检测器103X的检测信号控制线圈LXa、LXb、LXc、LXd所通过的电流值的电路。

下面说明本实施例的操作，定子7产生的磁场驱动转子6并使轴3旋转。在旋转机1的转数比一次固有振动频率低、轴3没有产生大幅振动且二次磁轭102处在理想位置的情况下，控制器112Y的输出信号为零。因此，对应于一定电流指令值S的电流将供给各个线圈，二次磁轭被相等的磁力向Y方向、X方向、-Y方向和-X方向的四个方向吸引而维持为理想的位置。

在旋转机1的转数接近旋转系统的固有频率的情况下，容易在轴3上产生横切轴向的大幅振动。当这样的振动产生时，这个振动通过球轴承B1传递给二次磁轭102。这里如果二次磁轭102例如向Y方向和-Y方向振动。则通过距离检测器103Y和检测放大器111Y以及控制器112Y检测出基于该振动的二次磁轭102的位移，并从控制器112Y输出相应于其位移量的信号。这里控制器112Y的输出信号中的比例部分（P）在二次磁轭102的位移方向为Y方向时变为负值，这样使线圈LYa、LYb中的电流减小，同时使线圈LYc和LYd中的电流增加。反之当二次磁轭102的位移方向为-Y方向时，比例部分（P）变为正值，这样使线圈LYa和LYb中的电流增加，同时使线圈LYc和LYd中的电流减小。由于把这样的控制器112Y的输出信号中的比例部分（P）和积分部分（I）使用于通过各线圈电流的控制，这样可进行通过二次磁轭102把轴3维持在Y方向相关设定位置的控制。另外控制器112的输出信号中的微分成分（D）在位相前进的状态下比上述比例部分更有助于对通过各线圈电流的控制。从而起到提高包含轴3的旋转系统的衰减系数的作用。对于二次磁轭的X方向的振动，根据距离检测器103X获得的检测信号通过与Y方向同样的动作可得到抑制。

如上所述，根据本实施例的振动抑制装置，即使本旋转机的转数同固有振动频率相一致而使轴3容易发生大幅振动的情况下也能对这个振动进行有效地控制。从而使旋转机的运行在振动小的稳定状态下进行。图6中的曲线B图示了安装本实施例的振动抑制装置的旋转机1的转数N同滚筒5的a点振幅的关系。同不带有振动抑制装置的已有旋转机的特性（曲线A）相比，从图中可以看出利用本发明振动抑制装置的旋转机在一次固有振动频率附近的振动振幅被抑制得很低。

<变形例>

下面针对上述的实施例考虑如下的变形例。

（1）在上述实施例中，在X、Y方向上各设置一个距离检测器，但也可以在各方向上设置两个距离检测器，即在Y方向上设置检测向二次磁轭的Y方向靠近的检测器和检测向一Y方向靠近的检测器。另外也可以对各方向的两个检测器的输出进行差动放大并进行振动抑制控制。同上述的实施例相比，除使二次磁轭位移的检测灵敏度提高一倍之外还可以消除由于温度变化引起的以及检测器、放大器产生的噪声信号，从而提高了位移的测量精度。

（2）在上述实施例中，根据一定电流指令把一定电流供给线圈，同时响应于二次磁轭102离开理想位置的变化量，将流过一个电磁铁的电流与上述一定电流相加并且使上述一定电流与流过另一个电磁铁的电流相减。然而，不是如此地在各个线圈中流过一定电流，在二次磁轭102位移的情况下，也可以只通过把电流流过一个电磁铁而使其恢复到原来位置。即在二次磁轭102向Y方向位移并从控制器得到负输出信号的情况下，把对应于该信号的电流只供给线圈LYc、LYd;而在二次磁轭102向一Y方向位移并从控制器得到正输出信号的情况下，把对应于该信号的电流只供给LYa、LYb。具体地说，代替加法器121Y和减法器122Y，在功率放大器131Y、132Y的各个前级设置只通过正信号的限制器和只通过负信号的限制器，并将控制器112Y的输出信号供给各个限制器。

（3）也可以将减振检测电路设置在旋转机本体的外侧，通过电缆和旋转机本体内的各个检测器、各个线圈相连接。

（4）也可以通过弹性体的弹簧力把朝向轴心方向的予压经过二次磁轭加在球轴承上，这样可使球轴承的特性稳定。

<第二实施例>

图4表示了本发明第二实施例的构成。本实施例的构成是把弹性体104插置在一次磁轭101的各个磁极和二次磁轭102之间的空隙G、G……中（参看图2）、并通过一次磁轭101弹性支撑二次磁轭102。本实施例也可得到和上述第一实施例同样的效果。

如上所述，根据本发明由于设置了轴支撑旋转机的旋转部件的磁轭;同上述磁轭相对配置的电磁铁;检测横切上述旋转轴方向的上述磁轭位移的检测器;根据上述检测器检测的信号控制上述电磁铁产生的磁力来抑制上述磁轭振动的控制电路，所以可以抑制在旋转机旋转部件上产生的振动，即使在旋转机的转数接近固有振动频率时也不会发生大幅振动，这样可以得到旋转机在宽范围内稳定运行的效果。

Claims (1)

1、一种旋转机的振动抑制装置，其特征在于，它包括：

轴支承旋转机的旋转部件的磁轭；

同上述磁轭相对配置的电磁铁；

检测横切上述旋转轴方向的上述磁轭位移的检测器；

根据上述检测器检测的信号控制上述电磁铁产生的磁力来抑制在上述磁轭上产生振动的控制电路。

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