CN112417611B - 一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法，通过有限元软件建模仿真计算与分析，对磁路的整体性能进行寻优。从而设计出配重盘步进稳定、抑振精稳快速的自动平衡执行器。同时对整个执行器机械结构的安装过程也有很强的参考与指导价值，通过建模仿真对平衡头执行器的磁隙与气隙达到更加精准的控制。本方法优势在于可以针对不同形状的永磁体(圆柱磁体、矩形截面磁体、椭圆截面磁体)进行磁路的仿真与计算，最后根据仿真与实验结果对比寻优，找到最佳的磁路组合。从而设计出工作稳定可靠，动平衡精准快速的自动平衡执行器。

Description

一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法

技术领域

本发明内容提供了一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法，具体属于旋 转机械主动式自动平衡和电磁学磁路仿真技术领域。

背景技术

在实际生产设备中，由于旋转机械不平衡引起的振动是极为常见的一种故障， 有时候需要不断的启停机对其进行动平衡。根据传统一般的动平衡方法，不论转 子系统是在专用的动平衡机上还是在现场整机动平衡中都需要至少一次启停机， 并且费用昂贵，为了更好的解决这些问题，最理想的方法就是在不停机运行的情况下对转子进行自动平衡，即在线动平衡。在线动平衡技术主要应用在压缩机、 高速磨削电主轴上的转子。目前在线主动动平衡技术的主要执行机构就是平衡头， 并且平衡头装置主要分机械式、液压式和电磁式三种。随着在线主动动平衡技术 的发展，机械式和液压式平衡头存在着结构不紧凑、平衡过程有平衡冲击、转速 和平衡精度受限等缺点，相反电磁式平衡头整体结构紧凑，能适应在高转速工况 下进行自动平衡，平衡响应时间短等优点都为它的开发及应用前景奠定了一定的基础，在自动平衡的发展中占据了重要的地位且应用前景广泛。

本发明提出一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法。主要介绍通过永磁 体实现自锁(非接触式最小磁阻自锁)的结构和原理，仿真计算电磁平衡头中不 同永磁体的磁路情况和磁场分布以及不同永磁体自锁力之间的关系，同时分析在 安装了不同形状永磁体的配重平衡盘和侧磁板、中间磁板的共同作用下，从稳定 自锁位置步进一步(一个步距)过程中自锁力的变化情况以及配重盘与两侧磁板 间磁隙变化对自锁力的影响，本优化方法的仿真测试对自动平衡头的实际工程应 用提供了一定意义上的参考价值。同时，在自动平衡头的初期设计研发与后期安装调整过程中也具有一定的指导意义。

当前关于磁路的仿真设计计算中存在的问题主要体现在以下几个方面：一是 缺乏实物的实验测试；二是针对不同形状永磁体的磁路没有具体的仿真与分析， 具体分为圆柱形永磁体、矩形截面永磁铁、椭圆截面永磁铁；三是针对不同永磁 体之间的自锁力关系没有具体的测试方案。本发明内容针对以上几个问题，提出 一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法，查阅相关专利技术如下：

2004年，专利CN01129575.9公开了一种电磁永磁联合励磁发电机。该装置的 特点是：转子面对气隙表面均布凸齿，齿距为一对极距，在其中间设置了相同极 性的永磁体，各凸齿上设计有电磁励磁线圈，外加电场为可以正反变幅的直流电 源供电。优点在于：永磁体结构单一、励磁磁路稳定可靠，整个装置机械结构安装便利，解决了励磁发电机电压不可调节的问题。和本专利相比，不同之处在于： 对不同永磁体的磁极性能没有做到进一步的改进与优化，并且整个装置运行功耗 较大，工程成本较高。

2017年，专利CN201710003866.1公开了一种基于步进电机驱动的霍尔推力 器高效磁路优化设计机构。该机构的特点是：整个装置是依靠步进电机的驱动， 通过连续改变放电通道、阳极、磁钢的相对位置，寻求最优的磁路结构。优点在 于：显著地缩短了研制的周期、降低了生产成本。和本专利相比，不同之处在于： 没有针对不同形状永磁体进行分别的寻优与计算仿真，只是对于一种永磁体通过改变位置来寻找最佳磁路，很大程度上降低了寻优的效率。

2019年，专利CN201910537502.0公开了一种电磁式船舶轴系横向振动主动 控制装置。该装置的特点是：两个永磁体N-S磁极相对，并且有两个缠绕有线圈 的铁芯。整个控制器可以根据轴系的加速度和转速，调整线圈电流的频率和大小， 通过套在轴系上的永磁体对轴系施加的反作用力，从而达到抑制轴系振动的目的。 和本专利相比，该装置通过电磁反作用力实现对质量不平衡引起振动的抑制，平 衡精度较低且响应时间较长，对极小振动的平衡效果不好，对小振动不敏感。

其他相关的专利还有：专利号：CN201910679018.1电机转子、电机及压缩 机；专利号：CN201910700821.9四相分块转子极电励磁双凸极电机；专利号： CN201110367989.6一种滑动轴承支撑的发电机转子不平衡磁拉力测试试验台； 专利号：CN201910700228.4五项5N/4N极电枢与励磁绕组容错电励磁双凸极电机；专利号：CN108414146B一种电磁式自动平衡头作动平稳程度评价方法等。 通过对现有专利的研究与分析，绝大部分装置其中的原理与设计思路是有共性的， 同时也有其各自的特点。绝大多数已有专利的设计多半是采用同一种永磁体进行 工作，有优势同时也有一定的缺陷。整个装置的结构相对单一，对不同永磁铁的 磁极性能没有做到进一步的发掘和优化，本发明基于磁路优化的自动平衡结构设计方法的提出有效的解决了以上这个问题，极大地缩短了研发周期、降低了研制 的成本，最终能够找到更加精确的优化设计域。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法。该方 法的应用大背景为主动式自动平衡头，针对该试验装置设计了一组工装和三套可 替换的磁铁支架，分别对应三种不同截面形状的永磁体。通过有限元软件建模仿 真计算与分析，对磁路的整体性能进行寻优。从而设计出配重盘步进稳定、抑振 精稳快速的自动平衡执行器。同时对整个执行器机械结构的安装过程也有很强的 参考与指导价值，通过建模仿真对平衡头执行器的磁隙与气隙达到更加精准的控制。本发明内容提供了一种实现针对不同永磁铁对磁路性能的影响以及软件优化 仿真与机械结构设计核算的思路与方法。

本发明是通过以下具体技术方案实现的。

一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法，包括以下具体内容：

首先，自动平衡是基于磁路耦合作用的电磁驱动式自动平衡结构，分为外励 磁和内励磁两种类型。内外励磁类型的平衡头基本结构均由动环和静环构成，作 为静环的驱动线圈装配在动环外侧为外励磁结构，在内侧为内励磁结构。所述的 动环是由多个配件呈中间对称方式构成，采用一个过渡套把所有配件装配在一起。 所述的磁路优化针对的是静环中的线圈安匝、动环中的磁板、镶嵌永久磁铁的配重盘，通过磁路分析优化出适合的线圈安匝、永磁体数量和截面形状、不同的轴 向磁隙、不同的径向磁隙，从而获得最优的自动平衡结构。

所述基于磁路优化的结构设计方法内容包括：

1)永久磁铁相关参数的优化：以外径300mm、平衡步进精度为3.6度的一 款自动平衡结构为例，需选用永磁体数量为100个(对应步进角度3.6°)、侧磁 板与中间磁板锯齿形槽开孔数需为50、永磁体平衡半径为127mm。在初步确定 磁隙、结构设计尺寸以及永磁体所在半径等参数条件下，利用磁路优化技术手段， 比较分析获得出自锁力最大的永磁体端面。获得最大平衡能力、减少永磁体的自重的效果，从而降低自动平衡执行器的总质量实现结构优化；

2)永磁体最大自锁力分析：选用1)中相同的永磁体参数，在给定的磁隙、 结构尺寸、永磁体所在半径以及永磁体形状等条件参数下，利用磁路优化技术手 段，采用极限位置进行简化分析，获得该磁隙、永磁体组合的最大自锁力，作为 后期励磁线圈的设计参数，有助于获得稳定的电磁驱动实现永磁体端面形状的结 构优化；

3)执行机构分体式组装设计，通过多定位端面台阶的设计实现机械结构精 准定位，以此来控制周向磁隙的均匀稳定保证稳定驱动步进。

上述发明内容的具体仿真实现方式如下：

首先初步设计确定平衡头尺寸结构参数，进行结构设计的初步敲定并进行预 装配，检查执行器平衡头总体结构有无干涉。如果干涉，磁铁支架在相对磁板步 进运动时会产生卡顿或碰摩等不稳定工况，进而影响执行器的自动平衡效果；无 干涉工况下，自动平衡执行器磁铁支架步进稳定准确，动平衡效果良好。接着针 对磁路优化主体结构磁铁支架零件进行重点分析与设计，核算磁铁支架的转动惯量以及系统的角加速度，根据磁铁支架的转动惯量以及系统的角加速度两个参数 确定出磁铁支架的最大惯性矩。利用有限元分析软件计算仿真磁铁支架，通过二 维以及三维的仿真与分析，计算出此工况磁铁支架的自锁力数值，此数值一定要 等于且大于磁铁支架的最大惯性矩才可以实现稳定自锁，这个自锁力数值即为后 期的优化目标。由最大惯性矩以及自锁力通过软件初步计算出整个系统单个盘的 最大平衡能力。同时，核算是否满足由磁铁支架以及两侧磁板组成系统的预期平衡能力。若满足，则磁路优化结构设计部分基本结束，进行下一步磁铁支架驱动 力矩的仿真与计算，从而得出驱动线圈的安匝数进行相互验证；若不满足，如果 平衡能力没有达到预期要求，则需重新调整设计平衡头相关结构尺寸，继续参数 的核算与校核直至达到目标要求。

具体仿真计算借助三维建模软件与有限元分析软件。首先，将初步设计好尺 寸参数的机械结构建模形成三维图，另存为中性格式导入有限元分析软件中。在 分析软件中设定材料参数、给定磁体的充磁方向、设置求解域、加入求解步，进 行分析前的求解自检。等待自检通过后，迭代求解计算，最后收敛得出自锁力的 计算结果，即为一次完整的仿真过程。关于磁隙的仿真计算，软件设置方法与上述所叙大致相同。不同之处在于，对于轴向磁隙的控制需要左右对称移动左侧磁 板与中间磁板实现轴向磁隙的不同给定；对于径向磁隙的控制需要改变磁铁支架 内径的尺寸参数或者改变线圈架的外径尺寸实现不同径向磁隙的给定。关于不同 永磁体的仿真计算，软件设置方法同样类似。不同点在于，针对安装三种不同截 面形状永磁体的磁铁支架分别建模，导入软件计算求解并且比较分析。

由于周向排列中侧磁板与中间磁板的矩形槽宽是孔径的1.25倍才可以均布 排开，所以选定永磁体个数为100个，在平衡半径为0.127m的范围内针对三种 不同截面形状永磁体进行磁路最优化仿真分析，验证结构设计的合理性。

在对平衡头磁铁支架永磁体的自锁力矩进行仿真分析时，定义自锁力矩为纵 轴，并且定义磁铁支架在一个步距的转动过程中角度变化为横轴建立平面二维直 角坐标系。通过有限元分析软件模拟仿真出在转动一步内自锁力矩随磁铁支架转 动角度的函数变化曲线。详情见图5中的数据分析图表，两条曲线分别为相邻一对永磁体的自锁力矩变化趋势，主要分为三个阶段部分。在初始位置0°时为磁 铁支架的稳定自锁位置，相邻永磁铁受到方向相反的一对自锁力矩，随着角度的 增大。相邻一对永磁体中一个永磁体的自锁力增大伴随着一个永磁体的自锁力减 小，当运动到四分之一位置时为转动趋势最大的工况；当磁铁支架运动到二分之 一步距(1.8°)的时候自锁力接近为0，此时为不稳定状态；持续运动剩下的一半步距到3.6°，为下一个稳定自锁位置，期间过程自锁力矩呈现先增大后减小的 趋势，到达平衡位置时相邻磁铁同样受到大小近似方向相反的力矩作用，即完成 一个转动步距内的所有运动。以上分析内容实现了磁路的分布优化，最终通过仿 真数据拟合分析确定了最大自锁力的位置也就是永磁体的稳定自锁位置，即为图 5数据分析图表中曲线的开始与结束位置。最大自锁力位置的确定为后期驱动线 圈的参数设计提供了很大程度上的参考价值，线圈的线径、安匝数以及驱动电压的大小都直接影响驱动力矩的数值，只有自锁力矩、驱动力矩相互协调匹配，磁 铁支架在步进时才能快速、稳定、准确地到达指定位置，实现对振动的精稳抑制。

电磁自动平衡头在实际工作时，线圈支架中的线圈在受到直流脉冲供电时会 产生感生磁场，该磁场通过电工纯铁凝聚和强化后，磁化了侧磁板和中间磁板并 且穿过磁隙，同时在磁板两侧产生N-S磁极。磁铁支架上的100个交替分布的永磁体通过同名相斥、异名相吸的原理相互作用，实现磁铁支架的上下步进运动。

本方法在磁路优化的结构设计方面关于如何稳定磁隙方面的内容，也采用了 新的设计思路与方法。为了使自动平衡的执行机构在精稳快速抑振的过程中运转 平稳，就需要两个磁铁支架的步进稳定，这就要求磁铁支架与侧磁板、中间磁板 之间的磁隙周向均布均匀稳定，此方法是通过机械结构的设计来实现上述目标的。

内励磁平衡机构整个装置采用分体式装配方法，两个磁铁支架分别安装调试， 测试运行稳定后安装为统一整体在进行总体的调试。侧磁板与动环左侧板端面接 触通过螺纹固定，中间磁板与动环右侧板端面接触通过螺纹固定。同时，动环左 右侧板外围圆周一圈螺栓固定实现磁隙的精准定位，具体设计见图2。

与现有技术相比，本发明基于磁路优化的自动平衡结构设计方法的提出具有 以下优势：

本发明内容一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法，具有可试验验证与 计算机辅助设计相结合、不同永磁体性能在线仿真等优势。有如下有益效果：

1、针对相同磁隙不同永磁体的自锁力进行在线仿真与分析对比，寻优找出 自锁力最大的永磁体端面；

2、针对相同永磁体不同磁隙进行分组仿真与对比分析，找出自锁力随磁隙 的变化趋势，从而寻优最佳装配磁隙；

3、三套针对不同永磁体形状的磁铁支架结构设计，为不同永磁体的实物试 验台测试提供了基本的结构保障与支撑；

附图说明

图1是内励磁平衡头动静环分解示意图；

图2是内励磁平衡头的动环过渡套功能示意图；

图3是内励磁平衡头的磁路优化示意图；

图4是外励磁平衡头和上面内励磁的相似设置；

图5是基于磁路有限元分析的不同磁铁形状对比示意图；

图6是基于磁路有限元分析的不同磁隙对比示意图；

图7是基于驱动力与线圈安匝数核算的分析设计流程图。

其中：1、左支撑板；2、动环组件；3、线圈静环；4、右支撑板；5、磁板； 6、配重盘；7、驱动线圈；

注：图5中三个分析数据图表为不同永磁体在转动一个步距(3.6°)过程中 等分10个数据点模拟仿真出自锁力随转动角度的变化情况，拟合出图。

不同端面形状永磁体自锁力软件仿真结果对比

以下内容结合附图说明和具体实物测试对本发明做进一步的详细说明。如图 2、4所示为内外励磁平衡头的具体装配示意图，针对本发明磁路优化的自动平 衡结构设计方法提供了一定的实物测试基础。

基于本申请说明书及三种永磁体的自锁力大小在一个步距中随角度转动的 软件模拟仿真结果所示，本领域相关技术人员在不脱离本发明本质和精神的情况 下一些其他的相似与改善优化内容，都属于本发明公开和保护的范围。

双排圆柱截面永磁体：

通过三维建模软件完成1:1建模，进行装配，完成后以中性格式保存导入有 限元分析软件中进行自锁力的仿真分析。选定两侧磁隙为1.2mm，最初装配位置 为稳定自锁位置。配重盘圆周放置100组磁铁，步进一步间隔3.6°，即步距为 3.6。在这一步3.6°过程中等分10个数据点，每一个数据点间隔0.36°。对以上十 一组数据进行在线模拟仿真算出相邻一组永磁体的十一个力矩值，进行数据处理 即得出图5所示图表。

从图表中易看出，永磁体在一个步距运动过程中经历了加速减速再加速减速， 最后运动到下一个稳定自锁位置的过程。在横坐标中点为受力零点也就是永磁体 的不稳定点，稍微有一个微扰的因素也许就能改变永磁体的运动方向，整个两条 曲线相对于横坐标中点呈现奇对称，以此来判断自锁力曲线的正确性。

平衡头磁铁支架通过永磁体的自锁力来控制在转动过程中的最大角加速度。 磁铁支架在转动过程中，尤其是在转动到3、9点位置时，会受到配重的重力矩、 自锁力矩、轴承摩擦力矩以及驱动力矩。在保证运转过程中能稳定自锁不能滑落， 而且还要在驱动过程中不能出现卡死和过冲等不稳定运转的现象。这就是本发明 最大的意义所在，很大程度上优化了以上参数之间的协调关系，力图平衡头精稳 运转，从而实现旋转设备质量不平衡产生振动的高效靶向抑制，让旋转设备产生振动不稳定因素时健康自愈。

矩形截面永磁体和长圆截面永磁体：

分析方法和步骤类似于上述双排圆柱截面永磁体，同样保持相似的永磁体总 端面积以及类似的去除面积，磁隙间隔还是为1.2mm进行仿真与分析，具体曲 线图表见图7。图表总体趋势还是相对于横坐标中点呈现奇对称分布，这就说明 自锁力的计算与分析数据是正确的。

不同之处在于自锁力的大小不同，从图5中易看出，双排圆柱磁铁的自锁力 最小，矩形截面和长圆截面的永磁体自锁力相似，考虑到实际加工与装配应用问 题优先选用长圆截面永磁体，这也就是本专利磁路优化的自动平衡结构设计方法 的重要结论。

关于磁隙间隔对永磁体自锁力的影响，由图6易看出随着侧磁板与中间磁板 两端磁隙的增大，永磁体的自锁力呈现非线性下降趋势。不管是以上三种哪一种 截面形状的永磁体，都适用于本结论，自锁力随磁隙的增大呈现非线性减小趋势。

Claims (5)

1.一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法，其特征在于：自动平衡是基于磁路耦合作用的电磁驱动式自动平衡结构，分为外励磁和内励磁两种类型；内外励磁类型的平衡头基本结构均由动环和静环构成，作为静环的驱动线圈装配在动环外侧为外励磁结构，在内侧为内励磁结构；所述的动环是由多个配件呈中间对称方式构成，采用一个过渡套把所有配件装配在一起；所述的磁路优化针对的是静环中的线圈安匝、动环中的磁板、镶嵌永久磁铁的配重盘，通过磁路分析优化出适合的线圈安匝、永磁体数量和截面形状、不同的轴向磁隙、不同的径向磁隙，从而获得最优的自动平衡结构；

所述基于磁路优化的结构设计方法内容包括：

1)永久磁铁相关参数的优化：确定磁隙、结构设计尺寸以及永磁体所在半径参数条件下，利用磁路优化技术手段，比较分析获得出自锁力最大的永磁体端面；获得最大平衡能力、减少永磁体的自重的效果，从而降低自动平衡执行器的总质量实现结构优化；

2)永磁体最大自锁力分析：选用1)中相同的永磁体参数，在给定的磁隙、结构尺寸、永磁体所在半径以及永磁体形状条件参数下，利用磁路优化技术手段，采用极限位置进行简化分析，获得该磁隙、永磁体组合的最大自锁力，作为后期励磁线圈的设计参数，有助于获得稳定的电磁驱动实现永磁体端面形状的结构优化；

3)执行机构分体式组装设计，通过多定位端面台阶的设计实现机械结构精准定位，以此来控制周向磁隙的均匀稳定保证稳定驱动步进。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法，其特征在于：首先初步设计确定平衡头尺寸结构参数，进行结构设计的初步敲定并进行预装配，检查执行器平衡头总体结构有无干涉；如果干涉，磁铁支架在相对磁板步进运动时会产生卡顿或碰摩不稳定工况，进而影响执行器的自动平衡效果；无干涉工况下，自动平衡执行器的磁铁支架步进稳定准确；接着针对磁路优化主体结构磁铁支架零件进行重点分析与设计，核算磁铁支架的转动惯量以及系统的角加速度，根据磁铁支架的转动惯量以及系统的角加速度两个参数确定出磁铁支架的最大惯性矩；利用有限元分析软件计算仿真磁铁支架，通过二维以及三维的仿真与分析，计算出此工况磁铁支架的自锁力数值，此数值等于且大于磁铁支架的最大惯性矩实现稳定自锁，这个自锁力数值即为后期的优化目标；由最大惯性矩以及自锁力通过软件初步计算出整个系统单个盘的最大平衡能力；同时，核算是否满足由磁铁支架以及两侧磁板组成系统的预期平衡能力；若满足，则磁路优化结构设计部分结束，进行下一步磁铁支架驱动力矩的仿真与计算，从而得出驱动线圈的安匝数进行相互验证；若不满足，如果平衡能力没有达到预期要求，则需重新调整设计平衡头相关结构尺寸，继续参数的核算与校核直至达到目标要求。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法，其特征在于：

仿真计算借助三维建模软件与有限元分析软件；首先，将初步设计好尺寸参数的机械结构建模形成三维图，另存为中性格式导入有限元分析软件中；在分析软件中设定材料参数、给定磁体的充磁方向、设置求解域、加入求解步，进行分析前的求解自检；等待自检通过后，迭代求解计算，最后收敛得出自锁力的计算结果，即为一次完整的仿真过程；

磁隙的仿真计算，首先，将初步设计好尺寸参数的磁隙建模形成三维图，另存为中性格式导入有限元分析软件中；在分析软件中，对于轴向磁隙的控制需要左右对称移动左侧磁板与中间磁板实现轴向磁隙的不同给定；对于径向磁隙的控制需要改变磁铁支架内径的尺寸参数或者改变线圈架的外径尺寸实现不同径向磁隙的给定；针对安装三种不同截面形状永磁体的磁铁支架分别建模，导入软件计算求解并且比较分析。

4.根据权利要求2所述的一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法，其特征在于：在对磁铁支架的自锁力进行仿真分析时，定义自锁力为纵轴，并且定义磁铁支架在一个步距的转动过程中角度变化为横轴建立平面二维直角坐标系；通过有限元分析软件模拟仿真出在转动一步内自锁力矩随磁铁支架转动角度的函数变化曲线；最大自锁力位置的确定为后期驱动线圈的参数设计提供参考价值，线圈的线径、安匝数以及驱动电压的大小都直接影响驱动力矩的数值，只有自锁力矩、驱动力矩相互协调匹配，磁铁支架在步进时才能到达指定位置，实现对振动抑制。

5.根据权利要求2所述的一种基于磁路优化的自动平衡结构设计方法，其特征在于：为了使自动平衡的执行机构在精稳快速抑振的过程中运转平稳，需要两个磁铁支架的步进稳定，磁铁支架与侧磁板、中间磁板之间的磁隙周向均布均匀稳定。