一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置的制作方法

本发明涉及一种抑制不平衡振动的装置，特别是涉及一种利用电磁装置抑制系统振动的一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置。

背景技术：

因转子质量不平衡而引起的振动超标是旋转机械最常发生的故障，严重影响设备的运行效率、工作精度以及使用寿命等，而自动平衡装置因为能在线自动抑制旋转设备的不平衡故障，平衡速度快，且平衡过程中无需设备停机，所以一直被认为是解决不平衡振动故障的最佳方案。

目前，自动平衡装置主要应用于磨床领域，常见的平衡形式主要有注液式、电机式和电磁滑环式三种。注液式自动平衡装置因为结构简单、旋转部分无可动部件等优势，尤其适用于高速、超高速场合，但因为平衡过程中的液体飞溅以及平衡能力随平衡次数逐渐减小、辅助系统较多等问题，一直未得到广泛应用。电机式自动平衡装置因易于安装、无需复杂的辅助系统、操作简单、平衡速度快、平衡精度高等优点，在当前自动平衡市场上占据了绝对的主导地位，但该装置对齿轮、齿条等内部精密零件的加工精度要求很高，所以制造难度大、产品价格高，且因为电能和控制信号需要在动静件间传递，产品的使用寿命受到制约。电磁滑环式自动平衡装置是利用电磁力驱动配重块旋转的主动式平衡执行器，于1998年由美国Blance Dynamics(简称BalaDyne)公司的Dyer S.W.等人首次提出。该类自动平衡装置不仅具有电机式自动平衡装置无需复杂的辅助系统、操作简单、平衡速度快的优点，同时降低了对内部零件的加工精度要求，制造难度小，且工作过程中无需电能和控制信号在动静件间传递，从根本上避免了电刷等磨损件的使用，设备使用寿命更高。但传统的该类平衡装置只能穿轴安装，在磨床领域一般安装在主轴外伸段的根部，会对主轴转子系统的刚度产生一定影响，且该类平衡装置内部的动环、静环采用了两体式结构，安装过程中需要分别安装动环和静环，且要保证动、静环间的间隙在0.5mm左右。安装和使用体验远不如电机式平衡装置方便，所以至今在磨床领域所占市场份额很小。十几年来，国内外很多专家、学者均致力于改进电磁滑环式自动平衡装置，但在安装方式和一体式结构两方面均未取得突破成果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种动环和静环连接成一体结构，既可轴端安装又可轴内安装且安装简单、振动平衡效果较好的一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置。

本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，动环、静环一体连接，所述动环能够随被平衡转子转动，所述动环包括动环外壳、内励磁环、外励磁环和配重盘，所述内励磁环、外励磁环同轴且均固定在动环外壳上，且两个外励磁环位于内励磁环的不同侧，所述静环包括定子、线圈铁环，所述定子为阶梯轴，所述定子通过动静轴承同轴且间隙配合地装设在内励磁环中，所述配重盘通过步进轴承同轴装设在内励磁环上且与内励磁环、外励磁环间隙配合，所述配重盘与步进轴承过盈配合，所述内励磁环、外励磁环、配重盘之间的相邻面上设置有电磁配合部，所述配重盘上螺栓固定有配重块以及与配重块位置相对的补偿块，所述定子上过渡装设有内设线圈的线圈铁环，所述线圈能够与电磁配合部配合驱动配重盘转动进而带动配重块转动。

本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，其中所述电磁配合部包括内励磁环上的齿形结构A、外励磁环上的齿形结构B、配重盘上的永磁铁装置，所述齿形结构A、齿形结构B位置相对且结构相同，所述齿形结构B包括若干个沿外励磁环的圆周方向间隔均布并沿其轴向凸出的矩形齿部，所述永磁铁装置包括沿配重盘圆周方向均布的若干个永磁铁，相邻永磁铁的极性相反，相邻的两个永磁铁组成一对，对应内励磁环和外励磁环上的一个矩形齿部。

本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，其中所述矩形齿部的宽度w等于相邻永磁铁之间的间距，长度L不小于所述永磁铁的最大外径。

本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，所述动静轴承的内壁与定子的外表面吻合，外壁与所述内励磁环的轴承孔的孔壁吻合，所述线圈铁环的内壁与定子的外表面过渡配合且在二者配合面上加工有相互配合的键槽结构。

本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，其中所述动环还包括轴承定位套，所述内励磁环、外励磁环通过螺栓固定在动环外壳内，所述动环外壳内壁沿其轴向设置有三个沿其径向突出的定位键，所述内励磁环、外励磁环的外壁上设置有与所述定位键匹配的环形键槽，所述步进轴承与内励磁环过盈配合，所述内励磁环上还装设有轴承定位套，所述定子中心开设有用于布置线圈电源线和传感器线的穿线通孔。

本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，其中所述外励磁环内壁通过螺栓固定装设有动环端盖，所述动环端盖上装设有基准磁铁，所述配重块上安装有定位磁铁。

本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，其中所述线圈铁环装设在“H”形线圈骨架内部，所述“H”形线圈骨架的侧面设置有用于固定霍尔传感器的若干凹槽，所述凹槽分别与定位磁铁和基准磁铁位置相对。

本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，其中所述定子的外壁与内励磁环的内壁之间的间隙为0.2mm～0.4mm，位置相对的矩形齿部与永磁铁之间的间隙为0.4mm～1.0mm，所述外励磁环与线圈铁环之间的间隙为0.2mm～0.8mm。

本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，其中所述被平衡转子为磨床主轴，砂轮左法兰通过锥面和锁紧螺母固定在磨床主轴上，砂轮右法兰通过螺栓与所述砂轮左法兰连接固定，砂轮夹持在砂轮右法兰与砂轮左法兰之间，所述动环外壳通过连接法兰固定在砂轮右法兰一侧的轴端端面上，所述静环侧面安装有集线器A，所述集线器A通过与其相连的航空插头A和线缆将所述静环柔性固定在砂轮罩上，所述砂轮罩中心处开设有孔径不小于动环外壳外径的安装通孔。

本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，其中所述被平衡转子为主轴，所述主轴内开设有安装孔，所述安装孔形状与所述动环外壳的形状匹配，所述动环外壳上一体连接有连接法兰，所述动环外壳通过所述连接法兰及螺栓固定安装在所述安装孔内，所述静环侧面安装有集线器B，所述集线器B通过与其同轴相连的航空插头B和集线侧法兰将静环柔性固定在皮带轮一侧的护罩上，所述护罩中心处开设有孔径不小于集线侧法兰外径的安装通孔。

本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，包括随被平衡转子同步旋转的执行器动环和驱动所述动环步进动作的执行器静环两部分，所述动环通过法兰连接固定在被平衡转子的端部或内部，具体包括动环外壳、内励磁环、外励磁环、配重盘、配重块、动环端盖等。所述静环通过动静轴承与所述动环相连，且通过柔性连接固定在被平衡设备的静止件上。静环具体包括定子、线圈铁环、线圈、锁紧螺母和集线器等。工作过程中，由控制器向静环线圈输入正负交替的驱动电压，静环根据驱动电压在动环侧面产生交变的磁场，动环内部的部分部件在磁场作用下迅速磁化，利用磁化部件与配重盘上永磁铁之间的相互作用力驱动动环内部的两个配重盘在电磁力作用下相对主轴步进旋转，由于两配重盘上均装有平衡能力相同的偏心配重块，因此，通过两配重盘的步进旋转调整两偏心配重块中心线所在相位以及配重块间的夹角，即可在线改变平衡装置内部的质量分布，形成大小和方向适中的补偿矢量，在线抑制被平衡转子的不平衡振动。

总之，本发明的自动平衡装置无需控制信号在动静件间传递，而且动环、静环为一体式结构，降低了加工精度要求，现场安装时无需调整动、静环间隙，大大降低了安装难度，提高了工作效率。同时，本发明的自动平衡装置，其设计重点在于适用于轴端和轴内安装，拓展了该类平衡装置的适用领域，在平衡能力、平衡速度等方面均具有较强的竞争优势。

下面结合附图对本发明的一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置作进一步说明。

附图说明

图1为本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置的轴端安装结构局部剖视图；

图2为本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置的轴内安装结构局部剖视图；

图3为本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置的总体装配结构局部剖视图；

图4为本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置的局部磁路分析示意图；

图5a为本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置中外励磁环的主视结构示意图；

图5b为图5a的A-A剖面图；

图6a为本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置中配重盘的主视结构示意图；

图6b为图6a的B-B剖面图；

图7a为本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置的自锁状态分析主视局部剖视图；

图7b为图7a的俯视局部剖视图；

图8a为本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置的步进状态下启动过程受力分析俯视局部剖视图；

图8b为本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置的步进状态下配重块处于中间位置时的受力分析主视局部剖视图；

图8c为本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置的步进状态下配重块处于最终位置时的受力分析主视局部剖视图。

具体实施方式

实施例一：

如图3、图4、图7a所示，本发明一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置的动环8主要包括动环外壳7、配重块91、内励磁环4、配重盘9、外励磁环6、动环端盖71、轴承定位套81、步进轴承10和补偿块13。一件内励磁环4和两件外励磁环6通过螺栓固定在动环外壳7上。动环外壳7内壁沿其轴向设置有三个沿其径向突出的定位键72，内励磁环4的外壁上设置有与定位键72匹配的环形键槽41，外励磁环6的外壁上设置有与定位键72匹配的环形键槽61，用于限定内励磁环4、外励磁环6在动环外壳7上的位置，防止二者沿动环外壳7轴向移动。内励磁环4、外励磁环6上还加工有螺纹孔若干，便于通过螺栓连接动环外壳7，用于限定内励磁环4、外励磁环6周向旋转和轴向位移。同时，利用动环外壳7内表面加工的三组定位键槽(即定位键72和环形键槽41、61)，保证了动环外壳7、内励磁环4、外励磁环6在定子121轴向相对位置的稳定性。

结合图5a、图5b所示，内励磁环4上设有齿形结构A，外励磁环6上设有齿形结构B，由于齿形结构A、齿形结构B位置相对且结构相同，故此处仅以齿形结构B为例进行说明，齿形结构A的结构及设置方式与齿形结构B完全相同，此处不赘述。上述齿形结构B包括若干个沿外励磁环6的圆周方向间隔均布并沿其轴向凸出的矩形齿部62。

结合图6a、图6b所示，配重盘9基体材料为铝合金，配重盘9上的永磁铁装置包括沿配重盘9圆周方向均布的一圈通孔以及过盈装设在通孔内的永磁铁92。本实施例中，配重盘9的周向均匀分布有若干个圆柱形通孔，每个圆柱形通孔内安装1个柱形永磁铁92，每个柱形永磁铁92过盈压入上述圆柱形通孔中。当然，上述圆柱形通孔、柱形永磁铁92也可以根据实际需求做适当的变形，此处不一一列举。相邻永磁铁92的极性相反，用于配重盘9的自锁和外部磁场驱动。相邻的两个永磁铁92组成一对，对应内励磁环4和外励磁环6上的一个矩形齿部62，即矩形齿部62的数量为永磁铁92数量的一半。配重盘9的中心孔处设有步进轴承10，中心孔的内壁与步进轴承10的外壁相连，为改善步进轴承10的受力和减小步进轴承10外壁的变形，沿配重盘9轴向的不同侧分别安装有一块配重块91，本实施例中配重块91为半圆形，当然，也可以为其它形状，此处不一一列举。在配重块91沿配重盘9径向的对面安装有补偿块13，以保证步进轴承10受力均匀，减小其旋转过程中因离心力产生的微变形。根据不同的平衡能力需求，偏心配重块91、补偿块13可采用钨铜合金、黄铜以及不锈钢、铝合金等非导磁材料制成。配重块91上安装有定位磁铁911，用于获得配重块91的位置信号。配重盘9的基体位于内励磁环4、外励磁环6的中间位置，即位于内励磁环4、外励磁环6之间的空腔内，且配重盘9与内励磁环4、外励磁环6上的齿形结构A、齿形结构B之间的间隙为0.4mm～1.0mm，即位置相对的矩形齿部62与永磁铁92之间的间隙为0.4mm～1.0mm。优选的，矩形齿部62的宽度w等于相邻永磁铁92之间的间距，长度L不小于永磁铁92的最大外径。优选的，步进轴承10的内壁通过轴承定位套81过盈连接固定在内励磁环4上。动环端盖71通过螺栓连接固定在外励磁环6的内侧，一方面防止灰尘等异物进入动环8，另一方面用于安装基准磁铁14，该基准磁铁14用于作为传感器测量配重块91相位的基准。

静环12主要包括定子121、动静轴承11、线圈铁环15和线圈骨架16。定子121为一阶梯轴，其中间位置外表面与内励磁环4的内壁间隙配合，该间隙在0.2～0.4mm范围内，且在保证旋转过程中定子121与内励磁环4内壁不碰磨的前提下，该间隙值越小越好。定子121中心加工一用于布置线圈电源线和传感器线的通孔。两个动静轴承11位于定子121沿其轴向的两侧，该动静轴承11的内圈与定子121的外表面相配合，外圈与内励磁环4的轴承孔相配合，用于保证动环8和静环12在小间隙下长期稳定运行。在定子121的两端加工有螺纹，利用锁紧螺母将两个线圈铁环15、两个动静轴承11和定子121固定为一体，两线圈铁环15分别固定在两动静轴承11的侧面，以避免线圈铁环15、动静轴承11和定子121沿定子121轴向窜动。同时，利用线圈铁环15的内壁与定子121的外表面的配合面上加工的相互配合的键槽结构151避免线圈铁环15绕定子121转动。线圈骨架16呈“H”形，其内部用于安装圆环状线圈铁环15，线圈铁环15内装设有线圈152。线圈骨架16内侧面加工凹槽161若干个，用于固定霍尔传感器。线圈铁环15内侧面与外励磁环6的外侧面相对应，且可通过垫片调整二者间的间隙，在保证旋转过程中外励磁环6与线圈铁环15不碰磨的前提下，该间隙值越小越好，可以为0.2～0.8mm，一般控制在0.3～0.6mm范围内，例如0.4mm左右。

平衡装置为轴对称结构，取其四分之一结构进行磁路分析，结合图4所示，本发明的平衡装置的磁路传递原理如下：

静环12的线圈铁环15和定子121以及动环8的内励磁环4、外励磁环6、轴承定位套81五部件均由软磁材料制成，共同组成一个闭合的磁路，而磁路闭合的方向由驱动器向线圈152所供驱动电压的正负决定。工作过程中，线圈152通电产生磁场，磁场经线圈铁环15强化后，穿过动环8、静环12间的间隙，将内励磁环4和外励磁环6磁化，使两励磁环分别形成N极和S极，根据磁铁“同性相斥、异性相吸”的原理，两励磁环与配重盘9上的磁铁相互作用，进而驱动配重盘9相对动环8其它部件步进旋转，磁路通过内励磁环4、轴承定位套81和定子121返回线圈铁环15，形成一个闭合的磁路回路。

结合图7a、图7b所示，在没有外加磁场的情况下，依靠永磁铁92与内励磁环4、外励磁环6之间形成的磁场图中环形线，使得永磁铁92与内励磁环4、外励磁环6间存在相互吸引的自锁力，以保证在转子匀速旋转和加、减速旋转时，配重盘9随转子同步旋转并可以在一定的加、减速度内不与转子发生相对转动。永磁铁92的磁路路径为：从一块永磁铁92的N极发出，依次穿过外励磁环6的齿形结构B、与该块永磁铁92相邻的永磁铁92、内励磁环4的齿形结构A，最终回到该永磁铁92的S极，形成一个闭合的环路。参照磁力驱动技术的原理，由于在这个位置上永磁铁92磁场回路的磁阻为最小，配重盘9在任何方向的微动都会在配重盘9上产生一个使它再恢复到稳定平衡位置的磁力，以此来阻止配重盘9产生滑移。永磁铁92通过穿越内励磁环4、外励磁环6的磁力线作用，产生一个和内励磁环4、外励磁环6相锁紧的力，即自锁力。由于该力的作用，配重盘9与转子一起旋转并可以在一定的加、减速度内不与转子发生相对转动，实现了配重盘9的自锁功能。

结合图8a、图8b、图8c所示，在外磁场作用下，内励磁环4、外励磁环6被磁化，产生对应的S极和N极，与永磁铁92的磁极发生“同性相斥，异性相吸”的作用，每一组磁极的吸力和斥力都相对转子中心产生同方向的磁力矩，从而使配重盘9逆时针运动，配重块91最终运动到图8b所示的中间位置，此时需及时切断驱动电压，配重盘9在自身惯性力和自锁力的作用下，带动配重块91运动到图8c所示的最终位置，完成一步的旋转操作。如果继续交替更换外加磁场方向，配重盘9就会产生逆时针方向的连续运动。当需要配重盘9产生顺时针方向的连续运动时，仅需调整驱动电压的正负交替顺序，其工作原理与逆时针运动时相同，此处不赘述。

实施例二：

如图1所示，本实施例与实施例一的区别在于，上述被平衡转子为磨床主轴1，本发明的一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置安装在磨床主轴1的轴端。砂轮左法兰2通过锥面和锁紧螺母5固定在磨床主轴1上，砂轮右法兰34通过螺栓连接和砂轮左法兰2固定在一起，两法兰夹持砂轮3，通过两法兰的定位台和侧面固定砂轮3随磨床主轴1同步旋转。平衡装置主要由动环8和静环12两部分组成，其中动环通过动环外壳7固定在砂轮右法兰34一侧的轴端端面上，用于在线抑制砂轮3的不平衡振动。

动环外壳7靠近砂轮右法兰34的一侧加工有一连接法兰73，动环外壳7通过连接法兰73和螺栓连接固定在砂轮右法兰34一侧的轴端端面上。动环8所含各零件通过螺纹连接依次固定在动环外壳7上，随磨床主轴1和砂轮3同步旋转。静环12的各部件安装于动环8的中心和侧面，且利用螺纹连接与动环8组成一体式结构，安装过程中不需要单独安装，但工作过程中，静环12并不随动环8一起旋转。当需要平衡装置动作时，静环12在控制信号作用下，于动环8的侧面产生一交变磁场，驱动动环8内部的核心部件配重盘9及与之相连的步进轴承10相对于动环8的其他部件步进旋转，带动配重块91形成所需的补偿质量，在线抑制磨床主轴1的不平衡振动。

动环8与静环12之间安装动静轴承11一对以保证平衡装置在小间隙下长周期稳定运行。集线器A122安装于静环12的外侧面，具体地，可利用螺栓连接安装在集线侧的线圈铁环15上，集线器A122用于收集静环12工作所需的电源线缆、传感器信号线缆，即用于对两个驱动线圈的四根导线和三个霍尔传感器的九根导线进行汇总，并将各导线分别焊接在集线器A122的航空插头A123上。同时，集线器A122利用与其相连的航空插头A123和线缆124，将静环12柔性固定在砂轮罩125上，以使得静环12不随动环8旋转。平衡装置安装前，需在砂轮罩125中心处加工一外径略大于动环8外径的通孔，以方便平衡装置的安装和布线。集线器A122通过柔性连接固定在被平衡设备的静止件上，由于静环12中的所有部件均通过螺栓和螺纹连接固定在了一起，因此在平衡装置的整个运行过程中，静环12中的所有部件均不随动环8旋转，但可跟随动环8和磨床主轴1做径向或轴向的简谐运动。

实施例三：

如图2所示，本实施例与实施例一的区别在于，被平衡转子为主轴100，本发明的一体化侧励磁电磁滑环式自动平衡装置安装在主轴100内部。主轴100的内孔为锥孔时，动环8的动环外壳7外壁亦加工为锥面，通过连接法兰73和螺栓连接将动环8压紧在主轴100内部。当主轴100内孔为圆柱孔时，动环外壳7外壁加工为柱面，且将连接法兰73和动环外壳7加工为一体，通过螺栓连接固定在主轴100内部。当然，上述主轴100的内孔动环外壳7外壁还可以为其他互相配合的形状，只要二者能吻合即可，此处不一一列举。集线器B101安装于静环12的侧面，不仅用于收集静环12工作所需的电源线缆、传感器信号线缆，且利用与其同轴相连的航空插头B102和集线侧法兰103，将静环12柔性固定在皮带轮104侧的护罩105上，以使得静环12不随动环8旋转。平衡装置安装前，需在护罩105中心处加工一孔径略大于集线侧法兰103外径的安装通孔，以方便平衡装置的安装和布线。

上述各实施例中，一个内励磁环4、两个外励磁环6、定子121、线圈铁环15、锁紧螺母5均使用电工纯铁或低碳钢等软磁材料制成，工作过程中，在外加磁场作用下可迅速磁化驱动它们之间的配重盘9步进旋转，工作结束后，磁性即可迅速消除，使得配重盘9步进动作迅速停止并自锁。定子121的中心处加工有用于将驱动线圈和传感器的导线从平衡装置的法兰侧传递至集线侧的穿线通孔，该穿线通孔的直径以能穿过导线为宜，一般为3.0～4.5mm。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。