磁力配重型在线自动平衡头的作动原理研究

Actuating Principle of Online Automatic Balancer with Counter W eightDriven by M agnetic ForceFAN Hongwei。JING Minqing，WANG Renchao，LIU Heng(School of Mechanical Engineering，Xian Jiaotong University，Xian 710049，China)Abstract： Kinematic precept of mass block in automatic balancer is proposed following theprinciple of online automatic dynamic balancing.By combination of electromagnet and permanentmagnet，the magnetic circuit of the balancer with ring coil and rare earth permanent magnet isdesigned.Actuating process of the balancer is discussed and then a step drive voltage waveform isdefined.For the high-speed grinding motorized spindle 170M D12Y16，the mechanical structureand dimensions of the balancer are schemed out.The electromagnetic simulations for the designedbalancer are conducted and the better coil ampere-turns and reluctance adjusting ring thicknessare then determined. The validity of simulation results is verified by a balancer drivingexperiment and the desired voltage value and its duration time are also determined. the designedbalancer has a stable operation process without out-of-step and fluctuation around balancedposition when the ampere-turns are considered as 1 kA。the reluctance adj usting ring thickness0.2 mm ，the driving voltage 12.4 V and the voltage duration time 120 ms。

Keywords：automatic balancer；actuating principle；electromagnetic simulation旋转机械在其设计 、制造 、使用 和维修过程 中，难免存在轴系质量分布不均。当转子高速旋转时，微小的质量分布不均会引起极 大的惯性离心力 ，从而激起强烈的振动 ，严重影响机器 的工作质量和使用寿命，因此对高速、精密旋转机械进行高精度的动平衡具有重要意义。传统平衡机上的动平衡为离线收稿 日期 ：2012-06-21。 作者简介 ：樊fli2E(1984-)，男 ，博士生；景敏卿(通信作者)，男，教授，博士生导师。 基金项 目：国家科技重大专项资助项目(2O1OZXO4O12-014)。

网络出版时间：2012-12-23 网络出版地址 ：http：//kcms/detail/61.1069.T.20121223.1637.004.html西 安 交 通 大 学 学 报 第 47卷平衡，未计及实时工况对平衡状态的影响，只能作为机器的预平衡。经典现场动平衡需要多次反复停机和人工试重，平衡效率低，会对连续工作的大型电力和化工等设备造成较大的经济损失，在对加工中心等质量分布频繁变化的诚又难以适用↑几十年发展起来的具有实时监测和主动平衡能力的在线自动平衡无需停机、无人为干预 、无停机经济损失 ，是- 种高精度的智能动平衡方法 。在线 自动平衡的核心技术是 自动平衡头和动平衡算法，其中对平衡头的研究相对较少。

平衡头研究的关键在驱动原理。目前常见的平衡头主要有电机驱动齿盘式机械平衡头I1 ]、基于液压驱动的喷液平衡头3]及改进后的释液平衡头4]、仿步进电机的电磁平衡头l5剐等。其中，机械平衡头由于需要高性能微特电机、碳刷易磨损 、机械零件较多等问题 ，难 以用于高转速诚 ；喷/释液式平衡头需要-套液压系统，停机后平衡状态无法保持 ，平衡效率不高；仿步进电机式电磁平衡头结构较复杂，需外加摩擦离合器保持平衡状态 ，且轴向尺寸较大 。

在平衡头中引入永磁体从而简化驱动，且无需外加自锁机构，使磁能在动静件中共存的电磁环形平衡头较早出现在文献[7]中。文献 E8；对电磁环形平衡头控制算法进行了深入研究，并在 20 000 r/min下完成了磨床主轴动平衡试验；文献[9]针对加工中心主轴，研究了该平衡头的控制算法，并在 16 000 r/min下完成了动平衡试验；文献[10-113-g先在国内开展了该平衡头的探索工作，内容涉及平衡头设计计算、控制算法仿真和动平衡试验等。

本文从平衡原理入手，提出电磁-永磁混合的圆环形平衡头磁路结构，采用电磁场数值仿真评价设计的合理性，通过试验验证平衡头的驱动能力和运动平稳性，为平衡头开发应用提供理论基赐技术支持 。

系统的动力学方程表达为 ～ 2M X CX j(X - F( ) P F 1 (2)式中：P 为平衡头的位置矩阵，有平衡头处对应分量为 1，没有为 0。

对于砂轮-电主轴刚性组合转子，质量不平衡通常发生在杪轮端，故只需在砂轮附近安装-个平衡头即可实现在线 自动平衡 。

1.2 配重质量块移动方案在平衡头设计 时，以何种方式移动配重质量块以获得与 F大小相等 、方向相反 的 F是-个基础问题。如图 1所示，双配重固定半径极坐标运动具有运动简单、容易控制等优点，故本文的平衡头采用两组独立的配重盘和驱动线圈，两组独立线圈分别驱动平衡头内的两个独立的配重盘。这两个配重盘在电磁力矩作用下各自转动到-定位置后即形成两个不平衡矢量 ，这两个 矢量合成得到-个有效补偿矢量 ，该矢量与轴的原始不平衡矢量相抵 消以实现轴的质量重新均匀分布，即动平衡。

1y置1D，l，，t ；、、J，，(a)质量块移动原理 (b)矢量补偿原理图 1 自动平 衡头质量块移动原理如图 1a所示，平衡头带有两个独立运动的质量块 M 和M2，且M1-M2、R -R。，M 和M 绕同-回转中心 0转动 。动平衡时，M 和 M2转到预定位置后停转并白锁，此时M 和M2分别形成各自的补偿矢量 和 ，二者叠加得到合力 。

1 在线 自动动平衡原理 2 平衡头磁路及驱动设计1.1 自动平衡方程设转子-轴承系统在不平衡激励作用下为- ，z自由度系统 ，用以下方程描述 - iv(t) (1)式中：M、C、K为系统的质量阵、阻尼阵和刚度阵；F( )为不平衡激振力，当某-坐标方向无不平衡力时，对应分量为 0。

在自动平衡时，需要在 k个轴截面上安装k个平衡头，平衡头转动即产生补偿力 F( ) × 。此时，2.1 平衡头磁路设计采用环形带芯线圈和稀土永磁体，构成如图 2所示的平衡头驱动磁路结构。这里，假设磁路沿逆时针闭合。

图 2给出的是平衡头单配重盘单边轴截面驱动磁路结构示意图。由图可知，平衡头由定子和转子两部分组成，定子由铁芯、环形线圈和磁阻调整铝环组成，转子由内齿状磁性盘、圆柱形永磁体、不锈钢隔磁环等组成。工作时，环形线圈通电产生磁场，磁http：// http：//zkxb.xjtu.edu.cn102 西 安 交 通 大 学 学 报 第 47卷静止状态开始转动。当驱动电压为 12.4 V 时，平衡头转动平稳 ，此时计 算可 知通过 线 圈的 电流 约 为3.5 A，总安匝数为 1 134 A。当平衡头-侧配重盘固定 、另-侧配重盘按 步转动 (即采 用单盘平衡策略)时，可得到如表 3所示的配质量结果。

表 3 平衡头配质量如表 3所示，本文设计的平衡头在转动过程中可形成 10个离散配质量 ，应用中根据被平衡对象的不平衡量 己，，将平衡头转动到配质量最接近 己，的位置，即实现动平衡。

4 结 论(1)根据在线自动动平衡的原理和平衡头质量块移动方案 ，设计 了平衡头的磁路 ，分析了平衡头的作动过程和受力情况，给出了驱动电压波形，为平衡头的电磁场仿真和驱动试验提供了必要基矗(2)针对 zYS-17OMD12Y16高速磨削电主轴，设计了平衡头具体结构尺寸，完成了电磁场分析，获得了理想线圈安匝数和磁阻调整环厚度，计算了不同安匝数下稳态驱动力矩 ，通过驱动试验确定了平衡头平稳运行电压♂果表明：当安匝数为 1 000 A、磁阻调整铝环厚度为 0.2 mm、驱动电压为 12.4 V、通断电持续时间为 120 ms时 ，所设计 的平衡头运转平稳 ，无抖动、不丢步 。