微電機(jī)與動平衡技術(shù)

1、微電機(jī)與動平衡技術(shù)徐新德（上海汽車電機(jī)廠）1  引  言    消除微電機(jī)的振動和減小噪聲已越來越被廣大電機(jī)制造技術(shù)人員所重視。轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布對其軸線而言，不均勻不對稱（即中心主慣性軸不與旋轉(zhuǎn)軸線重合），則動不平衡即存在于轉(zhuǎn)子中。引起電機(jī)轉(zhuǎn)子動不平衡的基本原因可歸結(jié)為兩大類。一類是設(shè)計(jì)與制造誤差，如電機(jī)轉(zhuǎn)子本身結(jié)構(gòu)形狀不均勻、加工產(chǎn)生的永久性變形、金加工造成的切削誤差等；另一類是材料缺陷，如材料厚度不一致、材料密度不均勻等。    動不平衡又是造成振動和噪聲的主要原因，各工業(yè)先進(jìn)國家都已把振動和噪聲作為微電機(jī)的主要

2、質(zhì)量指標(biāo)。為了有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量，對微電機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)進(jìn)行研究試驗(yàn)是必不可少的。2動平衡技術(shù)中加重或減重的原理    在電機(jī)轉(zhuǎn)子中，無論存在著任何形式的不平衡，都可在其平面I和平面內(nèi)加上或減去適當(dāng)?shù)钠胶赓|(zhì)量加以校正。如圖l所示，假設(shè)已知轉(zhuǎn)子的四分之一長度處，存在著一個0.004kg的不平衡質(zhì)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)過90度的面上位于二分之一長度處，存在一個0.003kg的不平衡質(zhì)點(diǎn)，決定平面I、上的平衡質(zhì)量時，可在離原來0.004kg不平衡質(zhì)點(diǎn)的180度處分別加上0.003kg和0.00lkg的平衡質(zhì)量。對于0.003kg昀不平衡質(zhì)點(diǎn)，可在和它相隔180度處在I、平面上各加上0

3、.0015kg的平衡質(zhì)量。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，這些質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力彼此相互抵消，達(dá)到平衡。     平面I上的0.003kg和0.001 5kg的平衡質(zhì)量間隔90度而且都在同一圓周上，它們的合成質(zhì)量可應(yīng)用平行四邊形法求得為：同樣，平面上的合成質(zhì)量為：    如果不平衡質(zhì)點(diǎn)不在轉(zhuǎn)子表面，可根據(jù)不平衡質(zhì)量m和不平衡位置半徑r乘積相等的原則轉(zhuǎn)化到表面計(jì)算。由此可見，不論轉(zhuǎn)子內(nèi)部的不平衡質(zhì)量大或小，不管分布的位置如何復(fù)雜，每一個不平衡質(zhì)量總能用平面I、上的兩平衡質(zhì)量平衡，而不論在平面I、上有多少平衡質(zhì)量，總可合成一個總的平衡質(zhì)量。所以無

4、論轉(zhuǎn)子內(nèi)部的不平衡如何復(fù)雜，總可在平面I、內(nèi)分別加上一個質(zhì)量使轉(zhuǎn)子平衡。    事實(shí)上，任何一個需要平衡的電機(jī)轉(zhuǎn)子，其不平衡點(diǎn)大小和位置都是未知數(shù)，無法進(jìn)行計(jì)算，只能用動平衡試驗(yàn)機(jī)，在運(yùn)轉(zhuǎn)中測定兩平面上所應(yīng)加重或減重的平衡質(zhì)量的大小和相位。3電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡量的三種表達(dá)方式    由于轉(zhuǎn)子重心與旋轉(zhuǎn)中心未能重合，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子以等角速度繞軸旋轉(zhuǎn)時，受慣性的作用，產(chǎn)生一離開中心外的離心力。    F= mr2式中F離心力，N    m轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量，kg  

5、60; r不平衡質(zhì)量與軸線之間的距離，m    轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速熙，rads    經(jīng)過變換后上式為    式中n-轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，rmin      由上述公式可知，離心力的大小與不平衡質(zhì)量m成正比，與不平衡質(zhì)量與軸線之間的距離r成正比，并且與轉(zhuǎn)速n平方成正比。由于轉(zhuǎn)子的不平衡只與轉(zhuǎn)子本身質(zhì)量分布狀態(tài)有關(guān)，不應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的變化而改變。所以用離心力的大小表示轉(zhuǎn)子不乎衡量的大小，顯然是不確切的。但離心力大小是計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的不可缺少的重要數(shù)據(jù)。3.1

6、0; 用重徑積mr表示轉(zhuǎn)子的不平衡量    轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力F與重徑積mr成正比，為了要平衡一個轉(zhuǎn)子，只需要在其反面180度處，按離開中心軸線的遠(yuǎn)近，決定所需加上或減去重量的大小。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形狀的不同，在校平衡時，只要重徑積mr的值不變、平衡重量的大小與徑向位置可任意變更。    重徑積mr所表示的不平衡程度與轉(zhuǎn)子重量有關(guān)mr=We(W-轉(zhuǎn)子重量、e一偏心距)，因此是一個相對量，通常對轉(zhuǎn)子進(jìn)行校平衡時都是采用重徑積m表示轉(zhuǎn)子的不平衡量。3.2用不平衡率（相當(dāng)于偏心距）P表示轉(zhuǎn)子的不平衡    

7、校正平衡時，采用重徑積mr表示轉(zhuǎn)子不平衡量，雖然具有直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但如果需要知道轉(zhuǎn)子不平衡的程度，重徑積mr就不能衡量。假設(shè)有兩臺驅(qū)動微電機(jī)，轉(zhuǎn)子重量分別為3kg和0.5kg，若其不平衡量相等，即重徑積mr相等，但其不平衡程度卻不同，顯然轉(zhuǎn)子為3kg的微電機(jī)振動較小，而轉(zhuǎn)子為0.5kg的微電機(jī)振動較大。又假設(shè)一個質(zhì)量為4kg的微電機(jī)轉(zhuǎn)子有50x 10-5Nm的不平衡量和另一個質(zhì)量為0.4kg的微電機(jī)轉(zhuǎn)子有5x 10-5N-m的不平衡量，兩者轉(zhuǎn)子自身重量相差10倍，而不平衡重徑積mr也相差10倍，但其不平衡程度卻是相同的。因此，有必要用轉(zhuǎn)子單位重量的不平衡量，即不平衡率P來表示轉(zhuǎn)子的不平

8、衡量。E=mrW，轉(zhuǎn)子不平衡率相當(dāng)于單面平衡轉(zhuǎn)子重心對轉(zhuǎn)軸的偏移量，其所表達(dá)的不平衡程度與轉(zhuǎn)子重量無關(guān)，是一個絕對量。衡量一個轉(zhuǎn)子平衡的優(yōu)劣，用不平衡率表示較好，便于直接比較。3.3用平衡精度G表示轉(zhuǎn)子的不平衡量    為了限制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的離心力F必須限制轉(zhuǎn)子的重徑積mr也就是限制轉(zhuǎn)子的偏心距e由F=mr2可以看出，在增大時，要求F限定在某一數(shù)值以下，則必須滿足：     也就是說，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時，為了使轉(zhuǎn)子所受的離心力，不致于增大，必須按1/2減小轉(zhuǎn)子的重徑積，也就是必須按1/2減小轉(zhuǎn)子的偏心距P，這就對轉(zhuǎn)子的動平衡提

9、出了較高的要求。研究結(jié)果表明，對圓周速度相同，幾何形狀相似的轉(zhuǎn)子，其應(yīng)力相等的條件是偏心距e和角速度的乘積e=常數(shù)，根據(jù)這一理由，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、機(jī)械振動和沖擊專業(yè)委員會（第108技術(shù)委員會）ISOTC108制訂和推薦的ISO- 1940標(biāo)準(zhǔn)中，用e乘積的大小作為各類轉(zhuǎn)子平衡精度等級的分級標(biāo)準(zhǔn)。其物理意義相當(dāng)于單面平衡轉(zhuǎn)子重心的速度。4  驅(qū)動微電機(jī)平衡精度等級的選擇和計(jì)算    ISO- 1940轉(zhuǎn)子平衡精度等級標(biāo)準(zhǔn)被世界上許多國家所采納，e取m為單位， ，兩者乘積的位數(shù)較多，故把e除以1 000，單位由ms轉(zhuǎn)換成mms，就以其數(shù)值作為精度等級標(biāo)號，也

10、就是以 ，將平衡精度分為11個等級，它們是G0.4、 Gl、  G 2.5、G6.3G4 000，精度等級之間的公比為2.5。    根據(jù)驅(qū)動微電機(jī)使用場合、要求高低的不同，適宜采用的平衡精度等級可選用G2.5、Gl、G0.4，其中以G0.4要求為最高，G2.5要求為最低。G6.3G4 000的精度等級不適宜驅(qū)動微電機(jī)所采用。    例：某驅(qū)動微電機(jī)轉(zhuǎn)子重量W= 2kg，要求平衡精度等級G2.5，若轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速n=2 500rmin，求：    a該轉(zhuǎn)子的允許不平衡率P。  

11、  b該轉(zhuǎn)子的允許不平衡重徑積mr。    c運(yùn)轉(zhuǎn)時該轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力F。解：a平衡等級G2.5是指G =e/1000=2.5mms  ；=2n/60=0.1n；允許不平衡率    b允許不平衡重徑積                     如果轉(zhuǎn)子上加重或者去重的位置半經(jīng)R為已知，那么不平衡重量可用mrR求得，很多微

12、電機(jī)轉(zhuǎn)子都在轉(zhuǎn)子外圓表面鉆去部分重量達(dá)到平衡，在轉(zhuǎn)子圖紙技術(shù)要求上可標(biāo)注，轉(zhuǎn)子在外圓處允許不平衡重量不大干mrR。    c轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力    如果該驅(qū)動微電機(jī)要求平衡糈度等級為G1、G0.4，其計(jì)算結(jié)果如表1所示。     考慮到使用上的方便，IS0-1940給出了以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n(rmin)作橫軸、以轉(zhuǎn)子剩余不平衡率e(m)作縱軸（兩者均為對數(shù)座標(biāo)），按照轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和選用精度等級，能很方便地查出其允許剩余不平衡率e如圖2所示。5  適用于微電機(jī)的國內(nèi)外動平衡機(jī)5.1 

13、 國內(nèi)動平衡機(jī)    我國在50年代生產(chǎn)了火花式動平衡機(jī)，它是一種誤差式平衡機(jī)或稱不可校準(zhǔn)式平衡機(jī)，沒有平面分離，解算裝置，兩校正平面之間的相互影響不能消除，不平衡量的大糾撫直觀指示，效率很低，已趨淘汰。    RYS型閃光式動平衡機(jī)是根據(jù)閃光燈的頻閃效應(yīng)確定不平衡的位置，電表指示不平衡量的大小。對于不同型號、規(guī)格的轉(zhuǎn)子，必須用誤差法反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，取得第一只精密平衡的轉(zhuǎn)子，然后在此基礎(chǔ)上作平面分離和靈敏度定標(biāo)。該機(jī)操作麻煩、費(fèi)時、不直觀、視覺也很容易疲勞，價格較為便宜。    RYW型光點(diǎn)矢量瓦特表式動平衡機(jī)

14、在電氣測量系統(tǒng)中具有電氣補(bǔ)償電路，不必用誤差法試湊得到第一臺精密平衡的轉(zhuǎn)子，而是由機(jī)器本身得到一臺電氣平衡的轉(zhuǎn)子來作平面分離（把左、右兩平面上不平衡相互影響的因素消除的方法稱作平面分離）和靈敏度定標(biāo)（確定指示儀表鷹格的不平衡克數(shù)稱作靈敏度定標(biāo)）。該機(jī)的電氣測量系統(tǒng)還有一套自檢電路，可檢查電子測量系統(tǒng)本身工作是否正常。兩個光點(diǎn)矢量式顯示屏，可以極座標(biāo)的形式同時顯示左右兩平面不平衡量的幅值（克數(shù)）和相位（角度位置）。該機(jī)性能較為完善。  YYQ型硬支承式動平衡機(jī)是填補(bǔ)國內(nèi)空白，功能較齊全的，并具有“靜力”、“力偶”、“自檢”裝置的新型高檔動平衡機(jī)，具有體積小，靈敏度高、測量迅速、平衡效率高和經(jīng)久耐用等許多突出優(yōu)點(diǎn)，是近兩年剛開發(fā)的新產(chǎn)品。    硬支承式動平衡機(jī)支承擺架的剛性很大，故轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的固有頻率很高，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平衡轉(zhuǎn)速時的強(qiáng)迫振動頻率，因此支承擺架只能產(chǎn)生微小的振動偏移，轉(zhuǎn)子的不平衡量是以力的形式作用在支承架上。所以，硬支承式動平衡機(jī)也稱測力型平衡機(jī)。對各種不同類型轉(zhuǎn)子的幾何尺寸，校正平面與支承軸承之間的距離如圖3所示。只要調(diào)整測量面板上的A、B、C、R1、R2電位器旋鈕，便可實(shí)現(xiàn)