[發明專利]一種基于磁路優化的自動平衡結構設計方法

在審

• 申請號: 202010781401.0
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN112417611A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 陳立芳;郭儀翔;周書華
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種基于磁路優化的自動平衡結構設計方法，通過有限元軟件建模仿真計算與分析，對磁路的整體性能進行尋優。從而設計出配重盤步進穩定、抑振精穩快速的自動平衡執行器。同時對整個執行器機械結構的安裝過程也有很強的參考與指導價值，通過建模仿真對平衡頭執行器的磁隙與氣隙達到更加精準的控制。本方法優勢在于可以針對不同形狀的永磁體(圓柱磁體、矩形截面磁體、橢圓截面磁體)進行磁路的仿真與計算，最后根據仿真與實驗結果對比尋優，找到最佳的磁路組合。從而設計出工作穩定可靠，動平衡精準快速的自動平衡執行器。

技術領域

本發明內容提供了一種基于磁路優化的自動平衡結構設計方法，具體屬于旋 轉機械主動式自動平衡和電磁學磁路仿真技術領域。

背景技術

在實際生產設備中，由于旋轉機械不平衡引起的振動是極為常見的一種故障， 有時候需要不斷的啟停機對其進行動平衡。根據傳統一般的動平衡方法，不論轉 子系統是在專用的動平衡機上還是在現場整機動平衡中都需要至少一次啟停機， 并且費用昂貴，為了更好的解決這些問題，最理想的方法就是在不停機運行的情 況下對轉子進行自動平衡，即在線動平衡。在線動平衡技術主要應用在壓縮機、 高速磨削電主軸上的轉子。目前在線主動動平衡技術的主要執行機構就是平衡頭， 并且平衡頭裝置主要分機械式、液壓式和電磁式三種。隨著在線主動動平衡技術 的發展，機械式和液壓式平衡頭存在著結構不緊湊、平衡過程有平衡沖擊、轉速 和平衡精度受限等缺點，相反電磁式平衡頭整體結構緊湊，能適應在高轉速工況 下進行自動平衡，平衡響應時間短等優點都為它的開發及應用前景奠定了一定的 基礎，在自動平衡的發展中占據了重要的地位且應用前景廣泛。

本發明提出一種基于磁路優化的自動平衡結構設計方法。主要介紹通過永磁 體實現自鎖(非接觸式最小磁阻自鎖)的結構和原理，仿真計算電磁平衡頭中不 同永磁體的磁路情況和磁場分布以及不同永磁體自鎖力之間的關系，同時分析在 安裝了不同形狀永磁體的配重平衡盤和側磁板、中間磁板的共同作用下，從穩定 自鎖位置步進一步(一個步距)過程中自鎖力的變化情況以及配重盤與兩側磁板 間磁隙變化對自鎖力的影響，本優化方法的仿真測試對自動平衡頭的實際工程應 用提供了一定意義上的參考價值。同時，在自動平衡頭的初期設計研發與后期安 裝調整過程中也具有一定的指導意義。

當前關于磁路的仿真設計計算中存在的問題主要體現在以下幾個方面：一是 缺乏實物的實驗測試；二是針對不同形狀永磁體的磁路沒有具體的仿真與分析， 具體分為圓柱形永磁體、矩形截面永磁鐵、橢圓截面永磁鐵；三是針對不同永磁 體之間的自鎖力關系沒有具體的測試方案。本發明內容針對以上幾個問題，提出 一種基于磁路優化的自動平衡結構設計方法，查閱相關專利技術如下：

2004年，專利CN01129575.9公開了一種電磁永磁聯合勵磁發電機。該裝置的 特點是：轉子面對氣隙表面均布凸齒，齒距為一對極距，在其中間設置了相同極 性的永磁體，各凸齒上設計有電磁勵磁線圈，外加電場為可以正反變幅的直流電 源供電。優點在于：永磁體結構單一、勵磁磁路穩定可靠，整個裝置機械結構安 裝便利，解決了勵磁發電機電壓不可調節的問題。和本專利相比，不同之處在于： 對不同永磁體的磁極性能沒有做到進一步的改進與優化，并且整個裝置運行功耗 較大，工程成本較高。

2017年，專利CN201710003866.1公開了一種基于步進電機驅動的霍爾推力 器高效磁路優化設計機構。該機構的特點是：整個裝置是依靠步進電機的驅動， 通過連續改變放電通道、陽極、磁鋼的相對位置，尋求最優的磁路結構。優點在 于：顯著地縮短了研制的周期、降低了生產成本。和本專利相比，不同之處在于： 沒有針對不同形狀永磁體進行分別的尋優與計算仿真，只是對于一種永磁體通過 改變位置來尋找最佳磁路，很大程度上降低了尋優的效率。