CN109625246B - 一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，设计在桨轴处安装该内励磁自动平衡装置，可以实现螺旋桨不平衡振动的在线抑制。该内励磁自动平衡装置为环状结构，主要包含静环和动环两部分。静环包含励磁线圈、配重盘定位霍尔传感器；动环包含两个镶嵌永久磁铁和配重块的配重盘，无外加磁场时通过侧磁板实现位置自锁；静环通过轴承与动环连接。当线圈通电时，配重盘可产生步进转动，进行不平衡补偿。本发明可以根据螺旋桨的实际需求设计安装结构，分别适用于不同的安装方式和不同的平衡能力要求。本发明在励磁线圈重量、平衡能力大小与安装便利性等方面具有优势。

Description

一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置

技术领域

本发明属于旋转机械自动平衡技术领域，尤其是适用于螺旋桨的自动平衡，实时进行在线振动抑制。

背景技术

螺旋桨依靠桨叶在空气或水中旋转而产生动力，在目前的通用航空和海洋运输领域，螺旋桨动力装置以其良好的经济性和较高的推进效率获得较为广泛的应用，如螺旋桨飞机、轮船的推进器等。螺旋桨作为高速旋转部件，由于制造、装配等误差会使螺旋桨在装机后不可避免地产生质心偏离，或飞行中的桨叶质量变化引起的质心偏离等，均会使螺旋桨在高速旋转过程中产生不平衡振动。实际使用中，因质量不平衡而产生的螺旋桨振动问题较为突出，造成相关部件产生结构疲劳破坏，严重时甚至发生桨叶折断事故，所以必须对螺旋桨进行配平以降低其振动值水平，传统的配平方法是通过停机施加配重，不能实现在螺旋桨运行过程中的振动抑制。因此，如何更加便捷、有效的实现螺旋桨动平衡一直是工程科技界亟待解决的难题。

国内外在螺旋桨自动平衡方面均开展了研究，具体如下。

2012年德国Hofmann公司发明了一种针对飞机旋转主轴的自动平衡装置。采用具有触变性质的固体或者液体材料，利用离心力自动调整位置，填充在一个环绕旋转主轴的空腔内。通过改变触变材料的位置来达到自动平衡。该平衡方式是一种被动式自动平衡，在实施平衡的过程中对触变材料、对飞机主轴的旋转速度都有严格的要求。与本发明不同之处在于：本发明所用平衡方法为通过内励磁驱动自动平衡装置内的配重块位置来达到动平衡，属于主动平衡装置。

美国Lord公司最早于2008年和2009年公布了专利WO2008127362A3和US20090306829A1，提出一种航空发动机用螺旋桨自动平衡***。该自动平衡执行器通过穿轴方式安装在靠近桨叶的内侧位置。与本发明不同的是，该自动平衡装置的静环在动环外侧，即沿半径方向励磁机构在外，配重块在内侧。同等配重质量时，平衡能力本发明可提供更大的平衡能力。该公司于2012年又提出专利US20110197703A1和WO2012051475A1，在原有自动平衡装置的基础上增加了滑环结构，用于数据传输。2013年EP2647567A2和2015年US8961140B2公布了一种带有滑环结构的内励磁自动平衡装置。然而，由于滑环结构的引入，造成平衡装置的结构复杂，对整机的寿命产生一定影响。本发明不同之处在于：不使用滑环进行数据传输，避免了滑环磨损带来的隐患。

2014年，国内专利CN206654184U公开了一种可调节折叠式螺旋桨动平衡的桨座，能够实现螺旋桨的重心可调节功能，但是该专利属于离线动平衡技术领域，不能实现在线动平衡。

2016年，国内专利CN205931235U公布了一种具有自动平衡尾翼的水陆两栖飞机，通过在螺旋桨内设置一个水平尾翼进行飞行调整，起到平稳飞行的作用。与本发明所提出的针对质量不平衡振动进行的自动平衡，属于不同研究对象和平衡领域。

2018年，国内专利CN106312821B提出一种侧励磁电磁滑环式自动平衡装置，通过改变配重质量位置实现不平衡振动的实时抑制。其结构特点为励磁线圈轴向两侧放置，但该结构不适合应用到大直径螺旋桨动平衡领域，其质量、体积均较大。

总之，国内外相关研究所涉及的自动平衡装置与本发明不同。

发明内容

为了克服现有的外励磁自动平衡尺寸大、重量大、平衡能力有限的问题，本发明通过电磁驱动铜线圈内置，配重块外置的方式，设计一种可安装在螺旋桨桨轴上的内励磁自动平衡装置来实现不平衡振动的实时抑制，该***具有较大的平衡能力、稳定的磁力驱动能力以及轻量化的一体结构设计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，根据螺旋桨的结构特点，在靠近螺旋桨的桨叶内侧采用穿轴轴内安装或靠近桨叶的外侧采用端部方式安装内励磁自动平衡装置。

该自动平衡装置包括可随涡桨转子的同步旋转的动环、相对机壳静止的静环；动环由左支撑板1、右支撑板30、中间盘支架29、配重盘a14和配重盘b17组成；静环由线圈架a9、线圈架b23、隔磁环21、过渡套8和过渡套端盖24组成；所述静环通过左支撑板1、右支撑板30分别与外部超薄轴承c7和超薄轴承d25装配，并与动环形成随动式结构，所述的左支撑板1、右支撑板30上设有凸台，可实现左支撑板1、右支撑板30与中间盘支架29装配的径向定位，所述左支撑板1和右支撑板30通过螺栓固定，以保证左支撑板1、右支撑板30和中间盘支架29轴向稳定性。

以上安装确保自动平衡器一体化稳定结构，同时整体上结构上，采取了动环在外，静环在内的分布，这种分布能够增大平衡能力。

所述的左支撑板1装有侧磁板a12，右支撑板30装有侧磁板b19，中间盘支架29左右两侧分别装有侧磁板c13和侧磁板d18。

所述的动环，包含两个可转动的配重盘a14和配重盘b17，配重盘a14和配重盘b17上分别装有配重块a3和配重块b27，配重盘a14和配重盘b17能够独立按照规定大小和方向进行转动，并合成不同大小和方向的补偿质量。配重盘a14和配重盘b17上与侧磁板a12、侧磁板c13、侧磁板d18和侧磁板b19上通孔相对应的圆周方向装有圆柱形永久磁铁，圆柱形永久磁铁数目为通孔数目一半，相邻磁铁极性相反，交叉安装，保证配重盘的自锁功能，稳定在动平衡后的位置。

所述的配重盘a14和配重盘b17分别通过超薄轴承a15和超薄轴承b16和中间盘支架29配合，并装有配重端盖a2和配重盘端盖b28实现配重盘a14和配重盘b17和超薄轴承a15和超薄轴承b16轴向定向，超薄轴承的选取，减小自动平衡器的轴向尺寸，同时由于超薄轴承径向厚度减小，使得配重盘上的配重块可以安装在半径更大的区域，进一步使得平衡能力增大。

所述的静环由线圈架a9、线圈架b23、过渡套8和过渡套端盖24组成，其中线圈架a9和线圈架b23为U型槽结构，材料选用纯铁材料，U型槽内分别缠有铜线圈a10和铜线圈b22，铜线圈a10和铜线圈b22通脉冲直流电流，永久磁铁20会在周围侧磁板a12、侧磁板c13、侧磁板d18和侧磁板b19和线圈架a9、线圈架b23的磁场作用下，产生驱动力，使配重盘a14和配重盘b17瞬间产生步进转动，脉冲直流电流消失，配重盘a14和配重盘b17相对螺旋桨转子自锁在某个稳定的位置，即保持与螺旋桨同转速的旋转运动。

线圈架a9、隔磁板21和线圈架b23依次放置在过渡套8内，过渡套端盖24通过螺栓实现与过渡套8的装配，进一步使得内部线圈架a9和线圈架b23的装配结构更为稳定。

所述左支撑板1装有基准磁铁6，对应线圈架a9上的霍尔传感器a5，使动环每旋转一周，霍尔传感器a5获得一脉冲信号；配重盘a14和配重盘b17都装有定位磁铁，分别对应霍尔传感器b4和霍尔传感器c26，配重盘a14和配重盘b17每旋转一周，霍尔传感器b4和霍尔传感器c26获得一脉冲信号。线圈架a9和线圈架b23内部开有线槽11，以保证霍尔传感器b4、霍尔传感器a5和霍尔传感器c26、铜线圈a10，铜线圈b22与外部控制器连线。

各个侧磁板均选用导磁率较高的纯铁材料，且侧磁板圆周方向开有一定数量的通孔。

由于线圈和纯铁材料的密度较大，静环内置使得该部分重量最大化的减轻，所述的隔磁板21选用低导磁率的硬铝材料。

所述的过渡套8与左支撑板1通过超薄轴承c7装配，过渡套端盖24与右支撑板30通过超薄轴承d25装配，同时静环通过线槽11连接的外部线缆与机壳柔性连接，实现静环相对机壳静止。

两个配重块通过三个霍尔传感器实现定位，通过外加电流使得永久磁铁20产生驱动力，结合三个霍尔传感器提供的基准信号，实现两个配重盘精确走位。

本发明所提出的内励磁自动平衡装置，可以根据受控涡桨转子的不同结构形式和平衡能力的要求，设计成穿轴轴内安装图3或者端面安装图4等多种结构形式的自动平衡执行器。

本发明可以取得如下有益效果：

1、动环外置，静环内置结构。

本发明的优点是动环外置、静环内置结构，减少了线圈及线圈架尺寸，减轻平衡头总体总量。相比静环外置式平衡执行器，本发明的动环外置结构能获得更大的平衡能力。在同等配重重量条件下，增大了配重块的作用半径。本发明的铜线圈内置式励磁结构能更大限度的减少铜线圈重量，获得轻量型自动平衡装置。本发明采用内励磁结构，设计了随动结构实现静环相对动环的静止状态，有利于进行数据和电能传输，有力保证了信号传输的稳定性。同时，对于大直径的中空的转子，线圈内置式励磁结构更有利于工程应用。

2、配重盘外置，大大增加了平衡能力。

自动平衡装置的平衡能力等于配重质量与所在半径的乘积。因此配重盘外置，在同等重量前提下，平衡能力大大增加。

3、采用超薄轴承，减少轴向尺寸，便于安装，尤其适用于狭窄空间。

本装置中所需的四个轴承，在满足承载能力的前提下，均采用超薄轴承，减少了轴向尺寸，便于在实际的狭窄工况安装。同时，由于超薄轴承壁厚较小，可进一步扩大配重块的安装半径，使得配重能力增大。

4、过渡套式紧凑结构设计，减轻平衡头结构复杂性，使得动静环成为一个整体。

本发明采用过渡套连接动静环，且固定轴向零部件成为一个整体，使得整个自动平衡执行器的整体结构更加紧凑。

本发明的自动平衡执行器可以根据受控设备的安装要求设计成穿轴轴内安装方式或者端面安装方式，具有很高的设计和应用的灵活性。

附图说明

图1螺旋桨用内励磁自动平衡装置结构示意图。

图2配重盘示意图。

图3穿轴轴内安装型内励磁自动平衡装置示意图。

图4端面安装型内励磁自动平衡装置示意图。

图中：1、左支撑板，2、配重盘端盖a，3、配重块a，4、霍尔传感器b，5、霍尔传感器a，6、基准磁铁，7、超薄轴承c，8、过渡套，9、线圈架a，10、铜线圈a，11、线槽，12、侧磁板a，13、侧磁板c，14、配重盘a，15、超薄轴承a，16、超薄轴承b，17、配重盘b，18、侧磁板d，19、侧磁板b，20、永久磁铁，21、中间隔磁板，22、铜线圈b，23、线圈架b，24、过渡套端盖，25、超薄轴承d，26、霍尔传感器c，27、配重块b，28、配重盘端盖b，29、中间盘支架，30、右支撑板。

具体实施方式

针对螺旋桨桨轴的实际使用情况，自动平衡装置的安装方式可能有两类：一类为穿轴轴内安装方式；另一类是端面安装方式。本发明所提出的自动平衡装置可以满足这两种安装方式。以下结合附图和实施例作进一步详细说明。

实施例一：

如图1，图2，图3所示，本发明自动平衡装置为一体化结构，可先将该装置独自组装完整，再进行装配到螺旋桨。

动环安装顺序：

S1、结合图1和图2所示，将永久磁铁按照磁性相反的顺序交替安装到配重盘a14、配重盘b17上，本例选取60个磁铁，具体磁铁数目选取应按照计算出的自锁力和驱动力关系确定，然后将配重块a3、配重块b27通过螺栓固定在配重盘a14、配重盘b17上，定位磁铁装在配重盘a14、配重盘b17上；

S2、将配重盘a14、配重盘b17分别装到超薄轴承a15、超薄轴承b16，并将有配重端盖a2，配重端盖b28与配重盘配重盘a14、配重盘b17用螺栓连接起来，实现配重盘a14、配重盘b17、配重端盖a2，配重端盖b28和超薄轴承a15、超薄轴承b16轴向固定，径向配合应选用过盈配合；

S3、分别将上述装有配重盘的超薄轴承a15、超薄轴承b16分别装配到中间盘支架左、右侧，径向方向属于过盈配合；

S4、侧磁a12、侧磁板b19通过螺栓分别装配到左支撑板1、右支撑板30，侧磁板c13和侧磁板d18同理装到中间盘支架29上。

静环安装顺序：

S1、将铜线圈a10、铜线圈b22分别缠绕到U型线圈架a9和线圈架b23上，然后将霍尔传感器a5、霍尔传感器b4、霍尔传感器c26装在预先加工好的线圈架9，23内；

S2、超薄轴承c7、超薄轴承d25分装配到过渡套8、过渡套端盖24，径向方向属于过盈配合，轴向方向上由轴肩定位；

S3、将装有铜线圈a10、铜线圈b22的线圈架a9、隔磁板21和线圈架b23依次装到上述过渡套8，同理径向方向是过盈配合。

自动平衡装置整体组装顺序：

S1、将上述装有配重盘a14、配重盘b17的中间盘支架29装到左支撑板1上；

S2、将上述装有线圈架a9，隔磁板21和线圈架b23的过渡套8通过轴承c7与左支撑板1连接，至此连同上一步形成局部整体结构a；

S3、右侧支撑板30通过轴承d25与过渡套端21连接，形成局部整体结构b；

将上述局部整体结构a和局部整体结构b连接，左支撑板1和右支撑板30通过螺栓连接，紧固套8和紧固套端24通过螺栓连接，实现局部整体结构a和局部整体结构b轴向固定。

至此，实现自动平衡装置的整体安装。利用承载螺旋桨的轮毂内部空间，将已装配好的自动平衡装置通过螺栓固定在轮毂上。

本实施例，针对具体螺旋桨转子，充分利用螺旋桨轮毂内部空间，安装方式隐蔽，对螺旋桨本身结构影响小，工程应用性可靠。

实施例二：

如图4所示，本实施例与实施例一区别在于，将装配好的自动平衡装置通过支撑板固定到螺旋桨轮毂端部，未安装至轮毂内部。本实施例，可针对轮毂内部空间有限的螺旋桨***进行动平衡。

以上实施例对本发明进行详细的说明，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域的普通技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，其特征在于：根据螺旋桨的结构特点，在靠近螺旋桨的桨叶内侧采用穿轴轴内安装或靠近桨叶的外侧采用端部方式安装内励磁自动平衡装置；

该自动平衡装置包括可随涡桨转子的同步旋转的动环、相对机壳静止的静环；动环由左支撑板（1）、右支撑板（30）、中间盘支架（29）、配重盘a（14）和配重盘b（17）组成；静环由线圈架a（9）、线圈架b（23）、隔磁环（21）、过渡套（8）和过渡套端盖（24）组成；所述静环通过左支撑板（1）、右支撑板（30）分别与外部超薄轴承c（7）和超薄轴承d（25）装配，并与动环形成随动式结构，所述的左支撑板（1）、右支撑板（30）上设有凸台，可实现左支撑板（1）、右支撑板（30）与中间盘支架（29）装配的径向定位，所述左支撑板（1）和右支撑板（30）通过螺栓固定，以保证左支撑板（1）、右支撑板（30）和中间盘支架（29）轴向稳定性；

以上安装确保自动平衡器一体化稳定结构，同时整体上结构上，采取了动环在外，静环在内的分布，这种分布能够增大平衡能力。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，其特征在于：所述的左支撑板（1）装有侧磁板a（12），右支撑板（30）装有侧磁板b（19），中间盘支架（29）左右两侧分别装有侧磁板c（13）和侧磁板d（18）。

3.根据权利要求1所述的一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，其特征在于：所述的动环，包含两个可转动的配重盘a（14）和配重盘b（17），配重盘a（14）和配重盘b（17）上分别装有配重块a（3）和配重块b（27），配重盘a（14）和配重盘b（17）能够独立按照规定大小和方向进行转动，并合成不同大小和方向的补偿质量；配重盘a（14）和配重盘b（17）上与侧磁板a（12）、侧磁板c（13）、侧磁板d（18）和侧磁板b（19）上通孔相对应的圆周方向装有圆柱形永久磁铁，圆柱形永久磁铁数目为通孔数目一半，相邻磁铁极性相反，交叉安装，保证配重盘的自锁功能，稳定在动平衡后的位置。

4.根据权利要求1所述的一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，其特征在于：所述的配重盘a（14）和配重盘b（17）分别通过超薄轴承a（15）和超薄轴承b（16）和中间盘支架（29）配合，并装有配重端盖a（2）和配重盘端盖b（28）实现配重盘a（14）和配重盘b（17）和超薄轴承a（15）和超薄轴承b（16）轴向定向，超薄轴承的选取，减小自动平衡器的轴向尺寸，同时由于超薄轴承径向厚度减小，使得配重盘上的配重块安装在半径更大的区域，进一步使得平衡能力增大。

5.根据权利要求1所述的一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，其特征在于：所述的静环包括线圈架a（9）、线圈架b（23）、过渡套（8）和过渡套端盖（24），其中线圈架a（9）和线圈架b（23）为U型槽结构，材料选用纯铁材料，U型槽内分别缠有铜线圈a（10）和铜线圈b（22），铜线圈a（10）和铜线圈b（22）通脉冲直流电流，永久磁铁（20）会在周围侧磁板a（12）、侧磁板c（13）、侧磁板d（18）和侧磁板b（19）和线圈架a（9）、线圈架b（23）的磁场作用下，产生驱动力，使配重盘a（14）和配重盘b（17）瞬间产生步进转动，脉冲直流电流消失，配重盘a（14）和配重盘b（17）相对螺旋桨转子自锁在某个稳定的位置，即保持与螺旋桨同转速的旋转运动。

6.根据权利要求1所述的一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，其特征在于：线圈架a（9）、隔磁环（21）和线圈架b（23）依次放置在过渡套（8）内，过渡套端盖（24）通过螺栓实现与过渡套（8）的装配，使内部线圈架a（9）和线圈架b（23）的装配结构稳定。

7.根据权利要求1所述的一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，其特征在于：所述左支撑板（1）装有基准磁铁（6），对应线圈架a（9）上的霍尔传感器a（5），使动环每旋转一周，霍尔传感器a（5）获得一脉冲信号；配重盘a（14）和配重盘b（17）都装有定位磁铁，分别对应霍尔传感器b（4）和霍尔传感器c（26），配重盘a（14）和配重盘b（17）每旋转一周，霍尔传感器b（4）和霍尔传感器c（26）获得一脉冲信号；线圈架a（9）和线圈架b（23）内部开有线槽（11），以保证霍尔传感器b（4）、霍尔传感器a（5）和霍尔传感器c（26）、铜线圈a（10），铜线圈b（22）与外部控制器连线。

8.根据权利要求2所述的一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，其特征在于：各个侧磁板均选用纯铁材料，且侧磁板圆周方向开有一定数量的通孔。

9.根据权利要求6所述的一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，其特征在于：所述的隔磁环（21）选用硬铝材料。

10.根据权利要求1所述的一种螺旋桨用内励磁自动平衡装置，其特征在于：所述的过渡套（8）与左支撑板（1）通过超薄轴承c（7）装配，过渡套端盖（24）与右支撑板（30）通过超薄轴承d（25）装配，同时静环通过线槽（11）连接的外部线缆与机壳柔性连接，实现静环相对机壳静止；

两个配重块通过三个霍尔传感器实现定位，通过外加电流使得永久磁铁（20）产生驱动力，结合三个霍尔传感器提供的基准信号，实现两个配重盘精确走位。

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