CN114337159B - 一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，电机式在线自动平衡装置的电机输出端带动齿轮部件，通过两个行星齿轮共同向齿圈传递扭矩，进而驱动配重盘旋转，改变装置内部的质量分布来实现自动平衡。本发明所涉及的电机式在线自动平衡装置主要分为，在装置运行工况下可以单独作用的第一组件，以及可以随被平衡转子旋转的第二组件。该在线自动平衡装置可以通过加重和去重两种方式，且其配重块的大小可以根据应用工况的不同进行调节，使用范围更加广泛。本发明的电机式在线自动平衡装置整体为中空式结构，能够实现轴中安装，应用于被平衡转子系统时其安装位置的选择也更加灵活。

Description

一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置

技术领域

本发明涉及一种抑制转子振动、保证转子平稳运行的装置，特别是涉及可穿轴安装、利用超声电机装置驱动配重块进而减少系统振动的电机式在线自动平衡装置。

背景技术

转子是各类旋转机械中重要的部件之一，在运行过程中会产生振动，而转子的不平衡引起的振动是常见的故障。最初的解决方案是先停机再进行离线校正，这种方式在实施上存在很大的困难，不但效率低，而且会造成一定的时间成本和经济损失。随着设备的发展逐渐自动化、智能化，可在线抑制转子不平衡振动的在线自动平衡技术得到了快速发展，目前主要用于机床主轴、磨床等领域。

在线自动平衡装置常见的平衡方式有电机式、注液式和电磁滑环式等。其中电机式产品因无复杂辅助系统、操作简单、平衡速度快等优点，目前几乎占据了磨床领域自动平衡市场的全部份额。电机式自动平衡装置是指通过电动机驱动平衡质量块来改变装置中质量分布，从而抑制转子不平衡振动的一种平衡装置。该装置最初是由Van DeVegte于1964年提出，采用两台由碳刷滑环供电的电机经过蜗轮蜗杆传动和内外齿圈结构实现了配重块的在线可控旋转，但传动系统较复杂，加工难度大，且只能在轴内和轴端安装，不适用于需要穿轴安装的场合。哈尔滨工业大学提出的永磁差频电动机驱动平衡装置，由两个可移动的小车作为两个配重质量，该装置对转子转速的测量精度的要求高，且占用空间较大，实际应用有一定的局限性。为了简化电机式平衡装置的传动结构，西安交通大学设计了一种可安装在转子内部的压电型在线动平衡执行装置(专利号CN108134537A)，通过压电效应来实现定子和动子间能量的传递，从而驱动动盘内配重质量的移动；北京化工大学设计了一种可用于轴端安装的一体化超声电机自动平衡装置(专利号CN110768453A)，通过超声电机直接驱动配重块旋转以形成补偿质量。但有关可穿轴的电机式自动平衡装置尚未见报道。

因此，本发明设计一种可穿轴安装的新型电机式自动平衡装置，与传统电机式平衡装置相比，取消了蜗轮蜗杆等传动系统，大大简化了装置制造难度，且可通过多台超声电机组合驱动配重块步进旋转，有效提高装置的平衡能力，并通过电机与配重块之间的齿轮传动机构，有效减小装置的可控步进角度，进而提高装置的平衡精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可实现穿轴安装的新型电机式在线自动平衡装置。

1)所选用超声电机可在电机非运行的条件下通过定子和转子之间的摩擦力作用所提供自锁力矩，即可实现配重块的固定。因此，与传统电机式平衡装置相比，取消了蜗轮蜗杆等传动系统，大大简化了装置制造难度，有助于减小产品尺寸；

2)可通过多台超声电机组合驱动配重块步进旋转，在满足装置自身平衡的条件下能有效提高装置的平衡能力，且左右部分的超声电机沿圆周方向交错均布排列，有效节省平衡装置的轴向安装空间；

3)通过电机与配重块之间的齿轮传动机构，有效减小装置的可控步进角度，进而提高装置的平衡精度；

4)偏心质量形成方式有两种，可以为在配重盘侧面安装半圆环形偏心配重块，亦可通过在配重盘单侧进行打孔去重，通过左右两配重盘合成的偏心质量，进以形成校正质量以补偿被测转子的初始不平衡量；

6)超声电机的控制方式有两种：一种是利用滑环结构实现控制信号的动静传递；另一种可在装置中安装可充电电池和可无线接收控制信号的控制模块，实现控制指令的无线传递。

本发明涉及的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置的电机输出端带动齿轮部件，通过两个行星齿轮共同向齿圈传递扭矩，进而驱动配重盘旋转，改变装置内部的质量分布来实现自动平衡。

本发明所涉及的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置分为第一组件和第二组件；第一组件和第二组件通过轴承19连接和齿轮啮合装配。

第一组件是本装置在运行工况下能够独立作用的组件，由齿轮部件和配重部分组成。齿轮部件包括行星轮14和内齿圈13；配重部分包括配重盘11和配重块10。第一组件中通过齿轮部件的啮合，带动配重部分旋转，使得配重块10到达目标相位。

第一组件中配重部分通过若干均布的螺栓与内齿圈13连接固定，保证能够带动配重部分旋转。配重部分中的配重块10是半圆环形的，配重块10的侧面与配重盘11之间直接接触并通过螺纹固定连接。即配重块10、配重盘11和内齿圈13三者是固定的没有相对运动。其中，配重块10的厚度根据所需的平衡能力进行调节。配重盘11与内齿圈13在端面采用双止口定心连接的结构，两端面分别为凸止口和凹止口，双止口的圆柱与孔采用紧密间隙配合，两个端面紧贴，通过一周圈均布的螺钉紧固。配重盘11的轴承孔与轴承9的外圆面之间紧密配合，为过盈连接。该在线自动平衡装置在运行状态时，由于被平衡转子自身也在旋转，因此采用滚动轴承连接第一组件与第二组件，同时对配重部分起到支撑作用。

第一组件中两腔室的结构是类似的，以“I”型骨架壳体4的中心为对称面镜像安装。第一组件中内齿圈13外径相比于标准件要大一些，以直径大于齿根圆直径的位置为基准圆，设置均布的螺纹孔。第一组件整体在行星轮位置处与电机轴通过键12连接，且键的长度不能超过行星轮14的厚度。电机轴与行星轮14之间是过盈配合，在二者的相互配合面上设置了键槽结构。行星轮14通过齿轮啮合传递扭矩，带动整个配重部分旋转。电机轴是台阶轴，除了开键槽用于连接小齿轮以外，设置轴肩结构轴向固定行星轮14防止窜动。电机轴靠近电机16一侧留有一定的轴向距离，给螺栓留出足够的空间防止装置运行时零部件之间发生碰撞。在左腔室中，配重部分的轴承19和电机驱动器8的端面之间通过阶梯套筒9完成轴向定位，在右腔室中则靠平套筒20完成定位。一方面是防止二者之间接触，影响整个装置的平衡效果；另一方面是可以改变配重块10的大小或者是厚度，根据被平衡转子22的运行工况调整本装置的平衡能力。

本发明涉及的电机式在线自动平衡装置有两个腔室，分别对应两个校正面的空间。结合图3所示，本装置设置有多个电机。以两个电机为例说明，电机16a和电机16b为一组位于在校正I面所在的腔室里，另一组在校正II面所在的腔室中。两个校正面就是平衡块的重心的位置，由轴承19支撑两组配重部分。在“I”型骨架壳体4的隔板结构中留有电机的安装位置，电机通过嵌入隔板并以螺纹紧固的方式固定，每个电机嵌入隔板的中心距离有齿轮传动系统的中心距决定。隔板中心开圆孔，且为避免与转子外圆面接触产生碰撞，圆孔直径应大于转子外圆面直径。

第一组件中，偏心质量形成方式有加重和去重两种，即可以是在配重盘11侧面安装半圆环形的偏心配重块10，亦可通过在配重盘11单侧进行打孔去重，通过左右两配重盘合成的偏心质量以形成校正质量，补偿被测转子的初始不平衡量。

第二组件是指在装置运行过程中，与被平衡转子22固定连接，随着被平衡转子22一起转动的组件，由壳体部分、电机驱动器8以及电机16组成。壳体部分由驱动器侧壳体1、“I”型骨架壳体4和端盖5组成。驱动器侧壳体1在包裹住电机驱动器的同时留有间隔空间，在与驱动器电源接口相对应位置处设置走线孔。驱动器侧壳体1在最小直径的外圆面上设置螺纹孔，用于与被平衡转子22固定连接；在最大外圆面上均布若干个螺纹孔，与“I”型骨架壳体4通过螺栓连接相对固定；且最大外圆面处开有与驱动器电机线孔相对应的安装通孔，其孔径必须保证能够使电机线顺利通过以连接到电机。该外壳结构的最小内圆面与转子吻合，最大内圆面与电机驱动器外侧吻合，接触面之间无相对运动。“I”型骨架壳体4是整个装置中轴向最长的壳体，沿过轴心的面切分后，剖面呈“I”型。该壳体结构有三个侧面分别与驱动器侧壳体1、驱动器8以及端盖5接触，对应位置处设置均布的螺纹孔，在外圆面中设置电机线的安装通孔，使驱动器接口处的电机线沿着安装通孔的位置连接到对应的电机位置处。同样，在“I”型骨架壳体4中设置对应的螺纹孔用于固定电机16的位置。

第二组件部分还包括电机驱动器8，电机驱动器8的整体结构为圆环形，在保证能实现电路板功能的情况下尽可能地缩小尺寸。电机驱动器8在与“I”型骨架壳体连接的圆环处设置等间隔分布的安装通孔。电机线的驱动端接口设置在电机驱动器8的外圆面，电源线的驱动端接口设置在驱动器左端面处。电机驱动器8的最小内圆面与转子之间为防止碰撞设有一定的间隙，并不直接接触。

本发明的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，在第二组件的左侧或右侧接通电源。有两种接电方式：一种是通过对应走线孔连接导线到电池为驱动器提供电源，另一种是安装滑环结构。滑环21的转子端与被平衡转子22固定连接，转子出线连接到电机驱动器8；定子出线连接到固定电源。电机16采用的是微型超声电机。在装置运行条件下，电机内部将逆压电效应产生微机械振动转化为电机轴的旋转型运动，进而通过传动系统传递扭矩，带动两平面对应的配重块旋转，以此调整两配重块的步进的步数和旋转角度，使得合成的平衡矢量补偿被平衡转子22所产生的不平衡矢量，达到及时抑制转子产生不平衡振动的效果。

本发明的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置是由超声电机直接驱动，不需要额外增加复杂的辅助装置。所选用超声电机在非运行的条件下通过定子和转子之间的摩擦力作用所提供自锁力矩，即可实现配重块的固定。因此，与传统电机式平衡装置相比，取消了蜗轮蜗杆等传动系统，大大简化了装置制造难度，有助于减小产品尺寸。

与此同时，本发明设计的重点在于通过多台超声电机组合驱动齿轮传动系统，在有效提高装置的平衡能力的同时；该结构能够有效减小装置的可控步进角度，进而提高装置的平衡精度。

本发明的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置可以通过加重和去重两种方式实现不平衡量的补偿，且其配重块的大小可以根据应用工况的不同进行调节，使用范围更加广泛。

本发明的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置整体为中空式结构，能够实现轴中安装，应用于被平衡转子系统时其安装位置的选择也更加灵活。

该装置的结构简单整体尺寸小，可以模块化安装，安装时不需要破坏被平衡转子的原有结构及其设备的完整性，且可以在实际运行时不改变装置所设计的结构前提下调整部分尺寸参数，具有良好的结构适应性。

附图说明

图1为本发明一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置的总结构设计图。

图2为本发明一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置的核心结构半剖示图。

图3为本发明一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置的齿轮驱动部分结构设计图。

图4、图5为本发明一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置偏心质量形成的示意图。图4偏心质量形成示意图a；图5偏心质量形成示意图b。

图中：1、驱动器侧壳体，4、“I”型骨架壳体，5、端盖，8、电机驱动器，9、阶梯套筒，10、配重块，11、配重盘，12、键，13、内齿圈，14、行星轮，16、电机，19、轴承，20、平套筒，21滑环，22被平衡转子

具体实施方式

结合图1所示为，本发明一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置的总结构示意图，主要由第一组件、第二组件以及滑环结构组成。以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

结合图2所示，将配重块10通过螺纹连接固定在配重盘11预留的端面凹槽内，将两个滚动轴承19分别过盈连接到左右两个配重盘的轴承孔内。在配重盘11的另一侧通过一周圈均布的螺纹连接固定装配内齿圈13，两个端面紧贴采用双止口定心连接的方式。即配重盘11、配重块10与内齿圈13三者是固定的没有相对运动。结合图3所示，行星轮14是通过键12连接固定在电机16的输出轴上。该装置采用左右两腔室对称的结构，作为动力装置的多个电机16，分为相同数量的两组于“I”型骨架壳体4左、右腔室背对背安装，且周向均等间隔分布，通过嵌入“I”型骨架壳体的隔板结构来固定位置。然后将带有行星轮14的电机16分别安装在“I”型骨架壳体4左右两侧腔室内。

首先将带有配重部分和内齿圈13的轴承19固定连接在被平衡转子22的轴上，套入平套筒20完成轴向定位之后安装端盖5，在端盖5外圆面通过一周圈均布的螺纹连接固定。从另一端套入带有电机16和行星轮14的“I”型骨架壳体4，与端盖5的端面重合用螺纹固定连接。采用同样的方法完成左腔室中配重部分、内齿圈13以及轴承19的连接，并套入阶梯套筒9实现轴向定位。然后装配电机驱动器8，通过外圈的均布螺纹孔将其固定在“I”型骨架壳体4的左侧。最后套入驱动器侧壳体1，与端盖5结构一致，在最小外圆面上有一周圈均布的若干螺纹孔，通过螺纹紧定连接与被平衡转子22固定安装。在安装过程中，应注意两部分接线孔的对应位置，即电机接线与电源接线。安装完成后对在线自动平衡装置进行调试，保证装置安全启动并达到所需的平衡效果。

本发明上述实施方式是本装置的优选实施方式，不是全部实施例，并没有限定本发明的应用范围。

Claims (10)

1.一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，其特征在于：包括第一组件和第二组件；第一组件和第二组件通过轴承(19)连接和齿轮啮合装配；

第一组件由齿轮部件和配重部分组成；齿轮部件包括行星轮(14)和内齿圈(13)；配重部分包括配重盘(11)和配重块(10)；第一组件中通过齿轮部件的啮合，带动配重部分旋转，使得配重块(10)到达目标相位；

第二组件是指在装置运行过程中，与被平衡转子(22)固定连接，随着被平衡转子(22)一起转动的组件，由壳体部分、电机驱动器(8)以及电机(16)组成；壳体部分由驱动器侧壳体(1)、“I”型骨架壳体(4)和端盖(5)组成；驱动器侧壳体(1)在与驱动器电源接口相对应位置处设置走线孔；驱动器侧壳体(1)在最小直径的外圆面上设置螺纹孔，用于与被平衡转子(22)固定连接；在最大外圆面上均布若干个螺纹孔，与“I”型骨架壳体(4)通过螺栓连接相对固定；且最大外圆面处开有与电机驱动器电机线孔相对应的安装通孔；外壳结构的最小内圆面与转子吻合，最大内圆面与电机驱动器外侧吻合，接触面之间无相对运动。

2.根据权利要求1所述的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，其特征在于：壳体部分有三个侧面分别与驱动器侧壳体(1)、电机驱动器(8)以及端盖(5)接触，对应位置处设置均布的螺纹孔，在外圆面中设置电机线的安装通孔，使电机驱动器接口处的电机线沿着安装通孔的位置连接到对应的电机位置处；在“I”型骨架壳体(4)中设置对应的螺纹孔用于固定电机(16)。

3.根据权利要求1所述的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，其特征在于：第一组件中配重部分通过若干均布的螺栓与内齿圈(13)连接固定，能够带动配重部分旋转；配重部分中的配重块(10)是半圆环形的，配重块(10)的侧面与配重盘(11)之间直接接触并通过螺纹固定连接；配重块(10)的厚度根据所需的平衡能力进行调节；配重盘(11)与内齿圈(13)在端面采用双止口定心连接的结构，两端面分别为凸止口和凹止口，双止口的圆柱与孔采用紧密间隙配合，两个端面紧贴，通过一周圈均布的螺钉紧固；配重盘(11)的轴承孔与轴承(19 )的外圆面之间紧密配合为过盈连接；该在线自动平衡装置在运行状态时，由于被平衡转子自身也在旋转，采用滚动轴承连接第一组件与第二组件，同时对配重部分起到支撑作用。

4.根据权利要求1所述的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，其特征在于：第一组件中两腔室的结构中，以“I”型骨架壳体(4)的中心为对称面镜像安装；第一组件中内齿圈(13)以直径大于齿根圆直径的位置为基准圆，设置均布的螺纹孔；第一组件整体在行星轮位置处与电机轴通过键(12)连接，且键的长度不超过行星轮(14)的厚度；电机轴与行星轮(14)之间是过盈配合，在二者的相互配合面上设置了键槽结构；行星轮(14)通过齿轮啮合传递扭矩，带动整个配重部分旋转；电机轴是台阶轴，设置轴肩结构轴向固定行星轮(14)防止窜动；电机轴靠近电机(16)一侧留有一定的轴向距离，给螺栓留出足够的空间防止装置运行时零部件之间发生碰撞；左腔室中，配重部分的轴承(19)和电机驱动器(8)的端面之间通过阶梯套筒(9)完成轴向定位，右腔室中则靠平套筒(20)完成定位。

5.根据权利要求1所述的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，其特征在于：电机式在线自动平衡装置有两个腔室，分别对应两个校正面的空间；设置有两个电机，第一电机(16a)和第二电机(16b)为一组位于在校正I面所在的腔室里，另一组在校正II面所在的腔室中；两个校正面就是平衡块的重心的位置，由轴承(19)支撑两组配重部分；在“I”型骨架壳体(4)的隔板结构中留有电机的安装位置，第一电机(16a)和第二电机(16b)通过嵌入隔板并以螺纹紧固的方式固定，每个电机嵌入隔板的中心距离有齿轮传动系统的中心距决定；隔板中心开圆孔，圆孔直径大于转子外圆面直径。

6.根据权利要求1所述的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，其特征在于：第一组件中，偏心质量形成方式有加重和去重两种，即可以是在配重盘(11)侧面安装半圆环形的偏心配重块(10)，或者通过在配重盘(11)单侧进行打孔去重，通过左右两配重盘合成的偏心质量以形成校正质量，补偿被测转子的初始不平衡量。

7.根据权利要求1所述的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，其特征在于：电机驱动器(8)为圆环形。

8.根据权利要求1所述的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，其特征在于：电机驱动器(8)在与“I”型骨架壳体连接的圆环处设置等间隔分布的安装通孔；电机线的驱动端接口设置在电机驱动器(8)的外圆面，电源线的驱动端接口设置在驱动器左端面处；电机驱动器(8)的最小内圆面与转子之间为防止碰撞设有一定的间隙，并不直接接触。

9.根据权利要求1所述的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，其特征在于：在第二组件的侧部接通电源有两种接电方式：一种是通过对应走线孔连接导线到电池为驱动器提供电源，另一种是安装滑环；滑环(21)的转子端与被平衡转子(22)固定连接，转子出线连接到电机驱动器(8)；定子出线连接到固定电源。

10.根据权利要求1所述的一种可穿轴安装的电机式在线自动平衡装置，其特征在于：电机(16)采用的是微型超声电机；电机内部将逆压电效应产生微机械振动转化为电机轴的旋转型运动，进而通过传动系统传递扭矩，带动两平面对应的配重块旋转，以调整两配重块的步进的步数和旋转角度，使得合成的平衡矢量补偿被平衡转子(22)所产生的不平衡矢量，及时抑制转子产生不平衡振动。

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