基于径向励磁的电磁滑环式自动平衡执行器设计分析与实验研究
为实施制造强国战略，中国政府提出了“中国制造2025”的第一个十年行动纲领。现代旋转机械作为制造业的核心装备，具有高速、精密及智能化的发展需求。这就对旋转机械转子系统动平衡精度、速度等有着更高的要求，需要对旋转机械动平衡原理及自动平衡方法进行研究。目前，在工厂实际操作中最常用的动平衡方法为试重法，即通过反复试凑并增加试重的方法进行动平衡。这种方法需要停机进行，经济损失大，且工作量大，效率低下，当再次产生不平衡量时需要再次停机操作。工程需求促进了在线自动平衡技术的发展。该技术可在设备运行过程中，通过传感器实时测量转子的不平衡量，并当不平衡量超标时，自动对执行器发出指令，使其做出相应动作（改变质量分布或外加电磁力），从而有效减少转子因动不平衡而产生的振动，减少故障停机，确保设备安全稳定地长期运行。电磁滑环式(EMR)自动平衡执行器具有无需复杂的辅助系统、结构紧凑、响应速度快、平衡精度高且使用寿命高等优点。但传统的电磁滑环式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，安装和使用困难。一体化电磁滑环式自动平衡结构虽然安装时无需调整动静环间隙，大大降低了该类产品的安装难度，且体积小，结构紧凑。但是由于其采用轴向励磁结构，当配重盘因装配误差等原因导致其所受两侧励磁环磁力相差过大时，配重盘可能会发生偏摆并与励磁环发生碰磨，对平衡过程产生干扰。增大励磁环与配重盘间隙虽能够避免碰磨，但会降低执行器电磁效率，需要更大的驱动电压，不利于实际应用。并且该类执行器通常采用全永磁体驱动，自锁力在配重盘步进过程中产生的阻力过大，同样影响执行器的驱动效率。 基于以上问题，本文主要研究工作如下: (1)在一体化电磁滑环式自动平衡结构的基础上，将执行器轴向励磁结构改进为径向励磁结构，解决了配重盘转动过程中的偏摆以及与励磁环碰磨问题。在保证小间隙的前提下，有效提高了执行器的运行稳定性及电磁驱动效率。另外径向结构相比原轴向结构，可大大减小整体结构的轴向尺寸，更加便于执行器与机床主轴的集成。 (2)采用永磁体与软铁联合驱动模式。原一体化电磁滑环式自动平衡执行器配重盘采用全永磁体结构，不利于执行器驱动效率的提高。因而考虑将原配重盘上部分永磁体替换为软铁。在自锁力满足需求的前提下，有效减小了驱动阻力，并增加了平衡执行器的电磁驱动效率。 (3)使用Maxwell2D、3D对执行器截面处磁路及三维整体模型进行电磁仿真。分析执行器轴向截面磁路的磁感应强度分布情况及磁饱和状态，及整体结构中磁感应强度分布情况。通过设置不同的执行器结构参数，进行多组二维电磁仿真，获得了合理的执行器相关设计参数。计算执行器不同结构参数下执行器自锁力矩及驱动力矩等关键力学参数的变化情况。研究执行器步进过程中，各力学参数的变化状况，确保执行器满足实际工作需要。 (4)设计并制作径向励磁结构执行器样机，使用试重法测量执行器自锁力矩。设计执行器控制电路，利用LabVIEW设计执行器测控程序，测量执行器静态最小驱动电压。搭建高端机床自动平衡模拟实验台，将执行器安装于机床主轴一端。测试主轴正常工作转速下执行器的平衡性能，不同转速下驱动效率，验证执行器对实验台的振动抑制能力。
转子系统;自动平衡;电磁滑环式执行器;径向励磁
北京化工大学
硕士
动力工程及工程热物理
潘鑫
2021
中文
TH133
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）