潘 鑫,彭瑞軒,何嘯天,吳海琦,葛德宏,江志農(nóng)
(1. 北京化工大學(xué) 發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;2. 北京化工大學(xué) 高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)
不平衡振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)設(shè)備的典型故障之一,且易誘發(fā)軸承損傷、轉(zhuǎn)子碰磨、葉片斷裂等其他故障,嚴(yán)重影響旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行效率、精度和使用壽命[1-2]。主動(dòng)平衡系統(tǒng)因?yàn)榭稍谛D(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)抑制不平衡振動(dòng),平衡過(guò)程無(wú)需設(shè)備停機(jī)和人工干預(yù),目前已在高端機(jī)床和航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域取得工程應(yīng)用[3-5]。
該系統(tǒng)主要由傳感器、控制器、平衡執(zhí)行器以及相關(guān)附件組成,其中,平衡執(zhí)行器作為該系統(tǒng)的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu),是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。根據(jù)改變質(zhì)量分布的方式不同,可將平衡執(zhí)行器分為電機(jī)型[6]、液體型[7-9]和電磁型[10-12]。電磁滑環(huán)式平衡執(zhí)行器作為電磁型執(zhí)行器的一種,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 電磁滑環(huán)式平衡系統(tǒng)Fig.1 Electromagnetic-ring balancing system
該類執(zhí)行器利用靜環(huán)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)控制兩個(gè)配重盤步進(jìn)旋轉(zhuǎn),進(jìn)而改變執(zhí)行器內(nèi)部的質(zhì)量分布,在線形成補(bǔ)償質(zhì)量[13-15]。用于傳遞磁場(chǎng)的勵(lì)磁環(huán)沿軸向?qū)ΨQ分布,其在動(dòng)環(huán)中所形成磁場(chǎng)方向亦沿軸向方向,因此將該結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁方式稱為“軸向勵(lì)磁”。在其工作過(guò)程中,配重盤除承受步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的牽引力矩外,還需承受左右勵(lì)磁環(huán)的軸向吸引力。當(dāng)配重盤居中時(shí),左右吸引力相互抵消,軸向合力為0;但若因裝配誤差等因素導(dǎo)致配重盤靠近某側(cè)勵(lì)磁環(huán)時(shí),配重盤在軸向力作用下產(chǎn)生偏擺甚至發(fā)生與勵(lì)磁環(huán)的碰磨現(xiàn)象,不利于執(zhí)行器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。增大勵(lì)磁環(huán)和配重盤間的間隙雖可避免碰磨,但會(huì)造成磁場(chǎng)傳遞效率的降低以及驅(qū)動(dòng)電壓的增大,不利于工程應(yīng)用。
因此,為解決上述問(wèn)題,本文提出了一種基于徑向勵(lì)磁和永磁-電磁聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方法的改進(jìn)結(jié)構(gòu),通過(guò)有限元仿真定量分析了執(zhí)行器的性能參數(shù),并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性和有效性。
基于徑向勵(lì)磁方法的改進(jìn)結(jié)構(gòu)仍為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),以其四分之一結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁路分析,如圖2所示。該結(jié)構(gòu)的核心組件為配重盤和內(nèi)、外勵(lì)磁環(huán),其中,在原平板狀配重盤的外圓周增加凸環(huán)結(jié)構(gòu),且將該凸環(huán)安裝至內(nèi)、外勵(lì)磁環(huán)間隙中。當(dāng)靜環(huán)線圈供電后,磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)動(dòng)、靜環(huán)間的間隙δ3和δ1,使內(nèi)、外勵(lì)磁環(huán)迅速磁化,進(jìn)而使得通過(guò)原配重盤的軸向磁場(chǎng)改變?yōu)檠匕霃椒较虻膹较虼艌?chǎng),因此,該勵(lì)磁方法被稱為“徑向勵(lì)磁”[16]。
圖2 徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)磁路設(shè)計(jì)圖Fig.2 Magnetic circuit design of radial excitation
與原結(jié)構(gòu)相比,該新型結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):①配重盤工作過(guò)程中不再承受軸向力,從根本上避免了與勵(lì)磁環(huán)發(fā)生偏擺或碰磨的問(wèn)題,使裝置在運(yùn)行過(guò)程中更加穩(wěn)定可靠;②因不再存在碰磨問(wèn)題,配重盤與勵(lì)磁環(huán)間的氣隙可以大幅減小,進(jìn)而用較少的磁鐵即可為配重盤提供足夠的自鎖力矩;③除磁鐵外的空余周向空間可以布置軟鐵,采用永磁-電磁聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的方式為配重盤提供驅(qū)動(dòng)力矩,實(shí)現(xiàn)配重盤的自鎖力矩不變而驅(qū)動(dòng)力矩增加,進(jìn)而提高執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)效率,降低執(zhí)行器使用過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)電壓需求。
基于徑向勵(lì)磁原理,平衡執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成,其中:動(dòng)環(huán)包括一個(gè)動(dòng)環(huán)外殼、兩個(gè)內(nèi)勵(lì)磁環(huán)、兩個(gè)外勵(lì)磁環(huán)、兩個(gè)帶有配重塊的配重盤以及一對(duì)動(dòng)環(huán)軸承;靜環(huán)包括一個(gè)中心定子、兩個(gè)線圈骨架及其線圈、一個(gè)靜環(huán)外殼和一個(gè)航插架。執(zhí)行器通過(guò)動(dòng)環(huán)外殼上的法蘭安裝在轉(zhuǎn)子端部,動(dòng)環(huán)的各部件在動(dòng)環(huán)外殼內(nèi)對(duì)稱分布。在內(nèi)勵(lì)磁環(huán)的外圈和外勵(lì)磁環(huán)的內(nèi)圈上加工多個(gè)鐵齒,并且這些鐵齒在徑向方向上一一對(duì)應(yīng)。帶有配重塊的配重盤通過(guò)動(dòng)環(huán)軸承與內(nèi)勵(lì)磁環(huán)連接。中心定子兩端加工有螺紋和鍵槽,在其徑向上加工一個(gè)通孔,電線通過(guò)該通孔將電源與兩個(gè)線圈連接起來(lái)。兩個(gè)線圈骨架的橫截面呈“E”形。在每個(gè)線圈骨架內(nèi)安裝線圈。
圖3 平衡執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the balancing actuator
在運(yùn)行過(guò)程中,動(dòng)環(huán)隨主軸轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn),并通過(guò)配重塊產(chǎn)生的補(bǔ)償質(zhì)量來(lái)校正不平衡。同時(shí),靜環(huán)靜止不動(dòng)并從電源接收電信號(hào)。兩個(gè)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng),將配重盤驅(qū)動(dòng)到補(bǔ)償位置。動(dòng)環(huán)和靜環(huán)通過(guò)一對(duì)連接軸承連接,保證了平衡執(zhí)行器長(zhǎng)期平穩(wěn)地運(yùn)行。
在該類平衡執(zhí)行器中,設(shè)計(jì)核心為如何控制配重盤的運(yùn)動(dòng),即無(wú)需工作的時(shí)候,要求該部件能隨被測(cè)轉(zhuǎn)子與動(dòng)環(huán)同步旋轉(zhuǎn),且在接收指令后,又能相對(duì)動(dòng)環(huán)進(jìn)行步進(jìn)旋轉(zhuǎn),以產(chǎn)生補(bǔ)償質(zhì)量。
當(dāng)被平衡轉(zhuǎn)子的不平衡振動(dòng)符合要求時(shí),靜環(huán)線圈處于斷電狀態(tài),要求配重盤在隨轉(zhuǎn)子加、減速以及勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)均不發(fā)生質(zhì)量分布變化,即具備“平衡狀態(tài)自鎖”功能。當(dāng)配重盤處于自鎖狀態(tài)時(shí),自鎖力矩由配重盤上的永磁體與內(nèi)、外勵(lì)磁環(huán)鐵齒之間相互作用產(chǎn)生,如圖4所示。每對(duì)相鄰的永磁體都對(duì)應(yīng)于內(nèi)、外勵(lì)磁環(huán)上的一個(gè)齒,且各磁體的正對(duì)面積約為其自身面積的一半。因此,每對(duì)永磁體與內(nèi)、外環(huán)之間的自鎖力可以近似等效為永磁體與軟鐵塊之間的吸引力。
圖4 自鎖狀態(tài)分析圖Fig.4 Analysis diagram of the self-locking condition
當(dāng)磁鐵與勵(lì)磁環(huán)間的間隙δ2與磁鐵半徑Rg之比在1.0以內(nèi)時(shí),即δ2/Rg≤1.0時(shí),可以通過(guò)式(1)計(jì)算吸引力Fg
(1)
式中:Ag為磁鐵的有效磁極面積;Bg為磁鐵在間隙處產(chǎn)生的磁密度;μ0為在磁鐵處的磁導(dǎo)率。
磁密度Bg可表示為
(2)
式中,Br為磁鐵的剩磁強(qiáng)度。
當(dāng)磁鐵數(shù)量為K且磁鐵安裝半徑為R時(shí),配重盤的自鎖力矩可以表示為
(3)
因此,由式(3)知,增加磁鐵數(shù)量或減少間隙δ2均可提高自鎖力矩,且當(dāng)執(zhí)行器所需自鎖力矩一定時(shí),可通過(guò)減小能大大減少所需的磁鐵數(shù)量。
將減少磁鐵數(shù)量所節(jié)省的配重盤周向空間由軟鐵塊取代,在自鎖力矩不變的前提下提高驅(qū)動(dòng)力矩,進(jìn)而提高執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)效率。
磁場(chǎng)中作用在導(dǎo)電材料上的力可表示為
(4)
式中:χ,ρ和V分別為材料的磁化系數(shù)、密度和體積;H和dH/dx分別為磁場(chǎng)的強(qiáng)度和梯度。配重盤上的磁鐵和軟鐵塊的磁場(chǎng)和材料體積的參數(shù)相同。兩種材料的密度分別為7.45和7.8,相差很小。因此,工作過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力主要由兩種材料的磁場(chǎng)參數(shù)決定。
當(dāng)向靜環(huán)線圈供電時(shí),內(nèi)、外勵(lì)磁環(huán)磁化,其對(duì)應(yīng)齒分別磁化為N極和S極,此時(shí)配重盤發(fā)生逆時(shí)針步進(jìn)旋轉(zhuǎn),如圖5(a)所示。在該初始位置,軟鐵塊和勵(lì)磁環(huán)間的電磁力無(wú)法驅(qū)動(dòng)配重盤,但當(dāng)配重盤偏離其初始位置后,軟鐵塊以與磁鐵相同方向驅(qū)動(dòng)配重盤運(yùn)動(dòng)。當(dāng)配重盤旋轉(zhuǎn)到每一步的中間位置時(shí),線圈斷電,線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)瞬間消失,永磁體和軟鐵塊產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩迅速減小到0,如圖5(b)所示。在配重盤慣性和自鎖力矩作用下,配重盤穿過(guò)中間位置并逐漸減速。在每步的結(jié)束位置,配重盤停止運(yùn)動(dòng)并保持自鎖狀態(tài),如圖5(c)所示。
圖5 配重盤的運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig.5 Step rotary process of the balancing actuator
為定量分析徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的自鎖力矩和驅(qū)動(dòng)力矩兩關(guān)鍵性能參數(shù),本文基于Maxwell軟件仿真分析執(zhí)行器的電磁特性,用于指導(dǎo)后續(xù)試驗(yàn)。
如圖6所示,使用SolidWorks軟件建立執(zhí)行器三維模型,并導(dǎo)入Maxwell軟件。由于執(zhí)行器為軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu),且自鎖力矩分析與線圈、勵(lì)磁骨架等結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān),因此僅需導(dǎo)入執(zhí)行器的定子、配重盤及其上磁鐵、內(nèi)、外勵(lì)磁環(huán)進(jìn)行分析。磁鐵充磁方向沿配重盤的徑向方向,且相間磁鐵充磁方向相反。在模型外部建立填充比例200%的填充區(qū)域,作為計(jì)算區(qū)域。設(shè)置計(jì)算參數(shù)為配重盤及其磁鐵和軟鐵所受軸向力矩。
圖6 自鎖力矩分析Fig.6 Self-locking simulation
自鎖力矩的仿真分析結(jié)果如圖7所示,結(jié)論如下:①自鎖力矩隨步進(jìn)角度呈正弦規(guī)律變化,變化周期等于配重盤上相鄰兩磁鐵的間隔,在本結(jié)構(gòu)中為7.5°;②每一步中自鎖力矩的最大值隨著配重盤與勵(lì)磁環(huán)間隙δ2的增大而減??;③自鎖力矩與磁鐵數(shù)量成正比。其中,結(jié)論②和結(jié)論③在式(3)中亦有體現(xiàn)。因此,在工程應(yīng)用中可參考式(3)對(duì)自鎖力矩進(jìn)行定性分析。
參考潘鑫等的研究可知,自鎖力矩Ts與執(zhí)行器的啟動(dòng)加速度αn的對(duì)應(yīng)關(guān)系可表示為
Ts≥kSFJαn+mgRc
(5)
式中:kSF為安全裕度系數(shù);J為配重盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;m為配重塊的偏心質(zhì)量;Rc為配重塊的偏心距。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)設(shè)備的最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,啟動(dòng)時(shí)間為1 s時(shí),該平衡執(zhí)行器的實(shí)際自鎖力矩需求為365 mN·m以上。對(duì)比圖7(c)的仿真結(jié)果,當(dāng)磁鐵數(shù)目達(dá)到8及以上時(shí),即可滿足執(zhí)行器的實(shí)際自鎖力矩需求。
圖7 自鎖力矩分析結(jié)果Fig.7 Simulation results of self-locking torque
如圖8所示,建立內(nèi)外勵(lì)磁環(huán)、配重盤、定子、勵(lì)磁骨架及線圈的三維模型,并導(dǎo)入Maxwell進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力矩分析。在線圈徑向創(chuàng)建激勵(lì)電流加載面,考慮到實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓約為70 V,線圈電阻為5 Ω,匝數(shù)為700,因此,取線圈安匝數(shù)為10 000。創(chuàng)建填充比例為200%的計(jì)算區(qū)域,設(shè)置計(jì)算參數(shù)為配重盤所受的軸向力矩。
圖8 驅(qū)動(dòng)力矩分析Fig.8 Driving torque simulation
為研究軟鐵對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩的影響,并分析不同數(shù)量軟鐵對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩的貢獻(xiàn)情況,在每個(gè)軟鐵孔組的對(duì)稱位置增加或去除軟鐵,得到四種分別安裝有0塊、8塊、16塊、24塊軟鐵的配重盤軟鐵排布方式,分析各情況下執(zhí)行器實(shí)際驅(qū)動(dòng)力矩隨配重盤上軟鐵數(shù)量的變化情況,結(jié)果如圖9所示。分析結(jié)果表明,配重盤的有效驅(qū)動(dòng)力矩隨配重盤上軟鐵數(shù)量的增加而增加,驗(yàn)證了永磁-電磁聯(lián)合勵(lì)磁方式的有效性。
圖9 驅(qū)動(dòng)力矩仿真分析結(jié)果Fig.9 Simulation results of driving torque
為驗(yàn)證徑向勵(lì)磁新結(jié)構(gòu)的可行性和有效性,加工執(zhí)行器樣機(jī)進(jìn)行自鎖力矩和驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)試,如圖10(a)所示。執(zhí)行器總長(zhǎng)度為108 mm,最大直徑為130 mm,配重盤平衡能力達(dá)12 000 g·mm,最小步進(jìn)角度為7.5°,平衡分辨率為785 g·mm。配重盤最多可配置32塊軟鐵,靠近外殼法蘭的一側(cè)命名為配重盤A側(cè),另一端即外側(cè)命名為B側(cè)。
利用長(zhǎng)刻度尺和砝碼進(jìn)行執(zhí)行器自鎖力矩測(cè)量試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖10(b)所示。
圖10 執(zhí)行器實(shí)物圖Fig.10 Prototype of the actuator
將執(zhí)行器一側(cè)的線圈拆下,使配重盤露出。將帶有刻度的長(zhǎng)尺固定于配重盤上,將砝碼置于長(zhǎng)尺一側(cè),調(diào)整其位置,直至配重盤發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),記錄此時(shí)砝碼所處刻度,標(biāo)尺刻度與砝碼重量的乘積即為執(zhí)行器該位置該方向的自鎖力矩。將砝碼置于長(zhǎng)尺另一側(cè),重復(fù)上述操作,得到配重盤在該位置反方向的自鎖力矩。依次轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)環(huán)外殼,每次轉(zhuǎn)角為一個(gè)步距,即可得到配重盤48個(gè)步位的正反向自鎖力矩,結(jié)果如圖11(a)所示,結(jié)論如下:①當(dāng)磁鐵數(shù)為12時(shí),A側(cè)和B側(cè)配重盤的正反向自鎖力矩最大值分別為0.8 N·m和0.79 N·m,表明新結(jié)構(gòu)的自鎖力矩具有較好的一致性;②自鎖力矩在全步位內(nèi)的變化范圍為0.71 ~0.8 N·m,且隨旋轉(zhuǎn)步位呈周期性變化,反映了配重塊自重對(duì)自鎖力矩測(cè)量的影響;③取實(shí)測(cè)平均值(0.72 N·m)與仿真分析結(jié)果(0.78 N·m)進(jìn)行對(duì)比,最大誤差為8.3%,驗(yàn)證3.1節(jié)仿真分析的有效性。
改變配重盤上磁鐵數(shù)量(4~12塊),分別測(cè)量每種工況下自鎖力矩平均值,試驗(yàn)結(jié)果如圖11(b)所示,結(jié)論如下:執(zhí)行器的自鎖力矩隨配重盤磁鐵數(shù)量增大而增大,曲線趨勢(shì)與3.1節(jié)圖7(c)基本一致,均可證明徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)自鎖功能的可行性和有效性。
圖11 自鎖力矩測(cè)試結(jié)果Fig.11 Self-locking torque test results
在執(zhí)行器正常工作過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)力矩?zé)o法直接測(cè)量,但驅(qū)動(dòng)配重盤正常步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的最低電壓是可測(cè)的,且驅(qū)動(dòng)力矩越大,所需的最低驅(qū)動(dòng)電壓越小。因此,可通過(guò)測(cè)量該驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)驗(yàn)證執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的有效性,實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示。在配重盤外圓周使用不同顏色標(biāo)記每一步長(zhǎng),則可通過(guò)動(dòng)環(huán)外殼的通孔利用內(nèi)窺鏡觀察顏色變化,進(jìn)而判斷配重盤是否成功步進(jìn)。選用180 V直流電源給線圈供電,由定時(shí)控制器控制線圈輸入電流的脈寬,由換向開(kāi)關(guān)改變線圈輸入電壓的方向。
圖12 驅(qū)動(dòng)電壓試驗(yàn)裝置Fig.12 Experimental devices of driving voltage
在配重盤已安裝12塊磁鐵的基礎(chǔ)上,分別安裝0塊、8塊、16塊、24塊軟鐵依次進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在保證配重盤順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向均可整圈步進(jìn)且無(wú)錯(cuò)步的前提下,測(cè)試每種情況下最小驅(qū)動(dòng)電壓,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示,結(jié)論如下:①驅(qū)動(dòng)電壓隨配重盤軟鐵數(shù)的增加而降低,且與無(wú)軟鐵的配重盤相比,安裝24塊軟鐵的配重盤可將驅(qū)動(dòng)電壓降低12.5%;②與3.2節(jié)圖9的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,隨著配重盤軟鐵數(shù)量的增加,執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力矩依次增大,所需最小驅(qū)動(dòng)電壓相應(yīng)減小,均可驗(yàn)證徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)永磁-電磁聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方式的可行性和有效性。
圖13 驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)量結(jié)果Fig.13 Experimental results of driving voltage
本文提出一種基于徑向勵(lì)磁方法的新型平衡執(zhí)行器結(jié)構(gòu),介紹了該執(zhí)行器的工作原理和基本結(jié)構(gòu),使用Maxwell軟件對(duì)執(zhí)行器的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行電磁仿真,并通過(guò)自鎖力矩和驅(qū)動(dòng)電壓的測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型結(jié)構(gòu)的可行性和有效性。結(jié)論如下:
(1) 新型結(jié)構(gòu)因配重盤不再承受軸向力,可減小配重盤與勵(lì)磁環(huán)間的間隙,用較少的磁鐵即可實(shí)現(xiàn)配重盤的自鎖功能。
(2) 采用永磁-電磁聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的方式為配重盤提供驅(qū)動(dòng)力矩,可降低執(zhí)行器使用過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)電壓需求,與未安裝軟鐵相比,配重盤加裝24塊軟鐵可使執(zhí)行器對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的需求下降12.5%。
在后續(xù)研究中,擬搭建自動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)該新型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能和不平衡振動(dòng)控制效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,為該類平衡執(zhí)行器的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。