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自驅動外轉子直流電機的動平衡方法

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:6390


   摘要:描述了基于影響系數分離算法平衡自驅動外轉子直流電機的測試系統原理及其實現方法。通過對自驅動懸臂外伸無刷電機轉子雙面的不平衡量影響系數的計算和分離,使得平衡校正的雙面不再相互影響,得到每個平衡面需要進行平衡的數據。最后以剩余不平衡量進行驗證。

1前言

   電機振動通常是由轉子的質量分布不均、存在制造誤差、安裝誤差等因素引起的。對電機轉子進行動平衡處理是減小電機振動,提高工作效率,減少運行事故的有效工藝措施。動平衡是在轉子額定轉速下進行不平衡量的測量。通過適當的算法,提示需要平衡的大小和方位,按照平衡數值進行加重或去重,使轉子的質量分布符合要求,從而達到平衡。

   對普通的電機轉子而言,靜平衡和動平衡都比較容易實現。但對于自驅動外轉子直流電機卻要復雜得多。該類轉子具有懸臂外伸且轉速很高,平衡精度要求較高,平衡時必須至少進行雙面平衡。由于平衡的兩個校正面都處于支承的一側,不論在哪個校正面上進行運轉測量,對靠近的傳感器的影響都比相對遠的傳感器影響大得多。如果不能有效地將雙面的影響進行分離,則無法進行平衡,這是一般平衡機無法解決的問題。

   動平衡在計算方法的選擇上,有測相平衡法、高速測相平衡法、影響系數法、作圖法等,由于影響系數法操作簡便,具有一定的補償能力,測點數較多、平衡面數可以設定等,最小二乘影響系數法實際使用非常廣泛。本文介紹的動平衡方法即是首先求解影響系數,再進一步進行分離從而得到真正的平衡數據。

2動平衡測試系統

   動平衡測試系統主要包括機械、電路、計算機三大組成部分。

2.1機械結構設計

   機械部分主要包括操作平臺、振動信號和光電信號傳感器。針對無刷電機的懸臂外伸特點,機械部分結構設計如圖1所示。

   圖1機械結構圖

   雙面校正模式是使用最為廣泛的一種形式。轉子的不平衡量對A、B兩個傳感器的影響同時存在,而且對B的影響要比對A的影響大。在計算得到A、B兩個校正面的影響系數情況下,還必須進行分離,使得到的A、B兩個校正面的平衡數據沒有相互影響,才能最終徹底實現自驅動外伸懸臂直流電機的動平衡。

   通常情況下,不平衡量和振動信號成線性關系:X(t)=Asin(ωt+ ),其中:A與不平衡量成正比, 為不平衡相位。在轉子作高速旋轉時,還需要考慮驅動裝置、傳動裝置、支承部件等產生的各種頻率的振動干擾信號。電路和機械結構設計應能將干擾信號去除或降低到最低限度。主要措施有:保證驅動、傳動、支承裝置的精度和可靠性,避免外界的沖擊,首次平衡一類轉子時進行多次反復標定等。

2.2電路設計

   電路主要是為了將有效的振動信號轉換成適合計算機進行處理的數字信號,并處理計算機反饋的控制信號,其設計原理圖如圖2所示。

    圖2電路設計圖

2 3影響系數分離法

   如果轉子中的平衡面數為M,在額定轉速下,有測振點數N,即在振動信號和輸出信號成線性關系的前提下,影響系數平衡法就將轉子及支承系統簡化成具有M個輸入和N個輸出的線性系統。

   設在選定的測振點上測得原始振動為Ai0(I = 1,2,……,N);試加質量為Pj(j = 1,2,…,M);在相同的平衡轉速下測得試加質量后的振動為Aijo由此得影響系數為:         (1) 式中:ai為第j平衡面的試加質量對第i測振點的影響系數。

       (2)

為了平衡轉子,即在各個平衡面上添加校正質量Wj(j = l,2,……,M)后使得同一測振點的振動疊加起來正好和原始振動抵消、從而達到平衡。即:當N=M時,由式(2)才能求得唯一解。

   事實上,由于試加質量的大小和位置的誤差,使得最后的計算結果不完全準確,此時需要進行試加質量的分離。其原理是通過添加試重前后兩次測量的振動數據逆向推算試加的質量和方位,重新進行基于原始影響系數的平衡計算,推導出剩余不平衡數據。設試加質量后測得振動為Aij(j=1,2,……,M;I = 1,2,……, N)。則: (3)其中:Qj為逆向推導的分離平衡試重。則剩余平衡數據為:Sj = Wj—Qj   (j = 1,2……,M)     (4)根據最小二乘法,進行平衡后的剩余振動平方和為V,則:  (5)式中:δi為第i點的剩余振動。δi是δi的共軛復數。其平衡條件為:V≤[V],[V]為N個測振點的許可振動平方和。該值在國家標準中有相應的規定。根據具體的轉子尺寸和重量,以及需要平衡的精度來進行計算可以得到。具體計算時采用加權迭代來降低最大剩余振幅。

   從上面的公式推導中可以發現,真正計算時如果采集數據點和平衡面數量較大時,不僅實際操作復雜、困難,而且計算量巨大。一般取M = N = 2可滿足絕大部分場合的要求。即所謂的雙面平衡。

2.4程序設計

   傳感器測得的振動信號通過電路的處理,經過A/D轉換變成數字信號,通過PCI總線和計算機進行通訊,計算機負責數據的計算和處理并生成報告,同時負責打印控制和調諧控制以及相關的傳感器、電機開關控制。程序框圖如圖3所示。

    圖3  程序框圖

3動平衡結果

   以下是雙面平衡測試結果。電機轉子如圖1所示,轉子直徑Φl00 mm,寬度20 mm,轉速3000 r/min,重量150 g。測試數據如表l所示。

表1雙面平衡測試結果(g·mm∠°)

   表中的測試驗證數據表示的是:在轉子來平衡前,在指定的位置添加測試質量。從剩余的需要添加平衡質量數據中分析表明,在A平衡面添加質量,對B面剩余的平衡數據什么影響很小,而在B平衡面添加一定的測試質量后,對A面的剩余平衡數據影響很小,即表明A、B兩面分離效果很好,存在的影響屬于人為添加位置和大小誤差產生。如果將轉子平衡好,再任意添加試重,將能直觀測試平衡機能否準確報告添加的不平衡量的位置和方位。從E面的結果來看,該平衡機可以準確報告不平衡量的大小和方位。按照屏幕提示數據進行平衡,一次可以將轉子平衡到許可范圍內。采用該方法設計的平衡機可以在較近的平衡面上進行高精度的動平衡。只要是在校正面上添加的試重均可以準確測量并計算出來。按照國家標準,將剩余不平衡量、轉子質量、轉子半徑、轉速等數據代入后可以計算出該平衡機的最高平衡精度可以達到GO.4。由于實際平衡時能將A、B兩個平衡面進行有效的分離,去除相互影響,避免了平衡時需要反復加重或去重從而可能破壞轉子的弊端,能準確報告需要平衡的最終數據。平衡時也能對輸人的數據和平衡位置等人為主觀造成的誤差進行分析和補償,有利于操作者形成平衡經驗,提高平衡效率。

4總結

   采用該方法設計的平衡機針對自驅動無刷懸臂外伸轉子的特點,將平衡面對兩個傳感器信號的影響進行了徹底的分離,使得平衡數據非??煽?。實現影響系數法并將雙面不平衡量進行有效的分離是提高平衡效率、平衡穩定性的關鍵。該方法操作狀態全部在電腦屏幕上顯示,并通過電腦屏幕上的按鈕開關進行控制,操作方便,精度高,平衡效率高。其缺點是在標定操作應時盡可能仔細準確。該方法同樣適用于類似該直流電機的其它轉子。

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