CN102425553A - 磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法，该方法利用磁悬浮分子泵控制器控制磁悬浮分子泵转子转到较高的预设转速，然后再根据此时磁轴承各个磁极电流是否相等来调整和确定合适的转子悬浮中心，并将获得的转子悬浮中心位置记录到存储介质中；藉此本发明的测定方法可以自动寻找到合适的转子悬浮中心，保证了磁悬浮分子泵的稳定工作，并可实现磁悬浮分子泵与控制器的互换。

Description

磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法

技术领域

本发明涉及到一种磁悬浮分子泵，具体是一种磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法。 

背景技术

分子泵是一种利用高速旋转的转子把动量传递给气体分子，使之获得定向速度，从而使之被压缩、并被驱至排气口、再被前级泵抽走的一种真空泵。磁悬浮分子泵是一种采用磁轴承（又称主动磁悬浮轴承）作为分子泵转子的支承的分子泵，它利用磁轴承将转子稳定地悬浮于空中，使转子在高速工作过程中与定子之间没有机械接触，具有无机械磨损、能耗低、允许转速高、噪声低、寿命长、无需润滑介质等优点，目前磁悬浮分子泵广泛地应用于高真空度、高洁净度真空环境的获得等领域中。

磁悬浮分子泵的内部结构一般如图1所示，主要由以下部分组成：磁悬浮分子泵体、磁悬浮分子泵转子、磁悬浮分子泵电机、上径向磁轴承、下径向磁轴承、轴向磁轴承、上径向保护轴承、下径向保护轴承、轴向保护轴承、上径向位置传感器、下径向位置传感器、轴向位置传感器和磁悬浮分子泵控制器等。

由于磁悬浮分子泵零件加工精度以及装配精度的限制，磁悬浮分子泵装配完成后，其径向磁轴承定子、径向传感器定子和保护轴承之间同轴度存在误差。上述零件装配完成后，径向磁轴承定子内圆轴线、径向传感器定子内圆轴线和保护轴承轴线不重合。一般来说如果径向磁轴承定子、径向保护轴承和径向传感器定子同轴，则磁悬浮分子泵转子静态悬浮时，应将转子径向悬浮中心位置设置为径向磁轴承定子内圆中心处。由于径向磁轴承定子与径向传感器定子以及径向保护轴承定子不同轴，若将转子悬浮在径向保护轴承定子内圆中心，则转子与径向磁轴承各磁极间气隙不同，由此造成径向磁轴承同一自由度相对方向的两个磁极输出电磁力不同，影响系统稳定工作。轴向存在类似问题，上述问题通过将转子径向悬浮中心设置到径向磁轴承定子内圆圆心，将转子轴向悬浮中心设置到两个轴向磁轴承定子内圆圆心连线中点处（以下简称轴向磁轴承的中心）的方法解决。

对使用永磁电机的磁悬浮轴承分子泵而言，电机转子磁钢磁偏拉力的存在会破坏上述方法的有效性。因为，电机转子磁钢在加工、装配过程中会存在差异，因此磁钢产生的磁场会有不同，对转子产生的磁偏拉力也会不同。磁悬浮分子泵静态悬浮时，电机转子磁钢对转子产生的磁偏拉力与其初始位置有关，电机磁偏拉力会使所获得中心位置与实际中心产生偏移，难以真正将转子调整到径向磁轴承的中心和轴向磁轴承的中心，则会影响径向磁轴承和轴向磁轴承的控制性能。如果在此基础上通过调整转子悬浮中心的方法使得径向磁轴承和轴向磁轴承各个磁极输出电磁力均匀，则由于电机磁钢磁偏拉力的影响此悬浮中心并不在径向磁轴承定子中心处，最终无法获得所需该磁悬浮分子泵转子的悬浮中心。 

发明内容

本发明所要解决的是如何克服永磁电机转子磁钢产生的磁偏拉力影响从而准确获取永磁电机驱动的磁悬浮分子泵的转子悬浮中心的技术问题，提供一种不受永磁电机转子磁钢磁偏拉力影响的永磁电机驱动的磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法，包括以下步骤：

(1) 磁悬浮分子泵控制器控制转子实现静态悬浮，然后启动电机将磁悬浮分子泵转子转速提高到预设转速，所述预设转速大于或者等于100转/秒；

(2) 通过调整转子悬浮位置保证第一径向磁轴承、第二径向磁轴承各磁极线圈电流均衡的方法获取所述转子第一径向悬浮中心和第二径向悬浮中心;

(3) 通过调整转子悬浮位置保证第一轴向磁轴承、第二轴向磁轴承电流均衡的方法获取所述测试转子轴向悬浮中心。

所述步骤(2)具体包括：首先，保持磁悬浮分子泵竖直放置，磁悬浮分子泵控制器控制转子实现静态悬浮，启动电机将转子转速提高到预设转速，然后获取第一径向磁轴承各个磁极线圈中的电流；然后，比对所述第一径向磁轴承相对方向的两个磁极线圈中的电流幅值是否相等，如相等，则获得该方向所述转子第一径向悬浮中心；否则，磁悬浮分子泵控制器控制电机停机，继续调整所述测试转子的悬浮位置，然后重复上述步骤，直到所述第一径向磁轴承各相对方向的两个磁极线圈中的电流均相等为止；用与获取转子第一径向悬浮中心相同的方法获取转子第二径向悬浮中心。

所述径向磁轴承各个磁极线圈中的电流经由低通滤波电路滤波后输出。

所述径向磁轴承两个相对方向磁极线圈中的电流幅值相等是指所述径向磁轴承相对方向两个磁极线圈中的电流幅值之差与径向磁轴承偏置电流幅值之比小于或者等于5%。

所述步骤(3)中，具体包括以下步骤：首先，保持磁悬浮分子泵水平安装，磁悬浮分子泵控制器控制转子实现静态悬浮，启动电机将转子转速提高到预设转速，然后获取第一轴向磁轴承、第二轴向磁轴承线圈中的电流；再然后，比对所述两个轴向磁轴承线圈中的电流幅值是否相等，如相等，则获得所述转子轴向悬浮中心;否则，磁悬浮分子泵控制器控制电机停机，继续调整所述测试转子的悬浮位置，然后重复上述步骤，直到所述两个轴向磁轴承线圈中的电流幅值相等为止。

所述轴向磁轴承各个磁极线圈中的电流经由低通滤波电路滤波后输出。

所述两个轴向磁轴承磁极线圈中的电流幅值相等是指所述两个轴向磁轴承磁极线圈中的电流幅值之差与轴向磁轴承偏置电流幅值之比小于或者等于5%。

还包括将获取的所述转子悬浮中心的位置信息存储到所述磁悬浮分子泵内存储介质的步骤。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

①        本发明提供的磁悬浮分子泵转子悬浮中心测定方法中，转子悬浮中心是在转子高速旋转的条件下确定的，此时永磁电机转子磁钢产生的磁偏拉力均匀变化，从而消除了磁偏拉力对转子悬浮中心测定的影响，使得本发明的方法不仅适用于交流电机驱动的磁悬浮分子泵，还适用于永磁电机驱动的磁悬浮分子泵。

②        本发明提供的磁悬浮分子泵转子悬浮中心测定方法将转子悬浮中心的位置信息存储到所述磁悬浮分子泵内携带的存储介质中，从而实现磁悬浮分子泵和控制器的匹配和互换，方便磁悬浮分子泵的使用。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是磁悬浮分子泵的结构示意图。

图中附图标记表示为：1-叶轮，3 -泵体，4-第一径向保护轴承，5-第一径向位置传感器，6-第一径向磁轴承，7-转子，8-电机，9-第二径向磁轴承，10-第二径向传感器，11-第二径向保护轴承，12-轴向保护轴承，13-第一轴向磁轴承，14-推力盘，15-第二轴向磁轴承，16-轴向位置传感器，17-接线端子，18-位移检测装置，19-转速检测装置，20-磁悬浮分子泵控制器。

具体实施方式

如图1所示，是本发明的一个实施例所涉及的磁悬浮分子泵的结构示意图，所述磁悬浮分子泵包括泵体3、设置在所述泵体3内腔的转子轴系、以及现有技术中所述磁悬浮分子泵应当具有的其他结构，由于本发明不涉及上述其他结构，此不赘述。

所述转子轴系包括转子、第一径向磁轴承6、第二径向磁轴承9、第一轴向磁轴承13和第二轴向磁轴承15。所述转子包括转子轴7、与所述转子轴7固定的叶轮1、以及用于固定所述叶轮1的装配部件，如螺钉、螺母等。

所述转子轴7的轴线沿竖直方向设置，所述叶轮1固定设置在所述转子轴7的上部。所述转子轴7的下部设置有所述第一轴向磁轴承13、所述第二轴向磁轴承15、推力盘14以及轴向保护轴承12和用于检测所述转子轴7向位移信号的轴向传感器16。所述转子轴7的中部依此间隔地套设有第一径向保护轴承4、第一径向传感器5、第一径向磁轴承6、电机8、第二径向磁轴承9、第二径向传感器10和第二径向保护轴承11等装置。所述第一径向磁轴承6包括第一径向磁轴承定子和第一径向磁轴承转子，所述第一径向磁轴承定子与所述泵体3固定连接，所述第一径向磁轴承转子与所述转子轴7固定连接。所述第一径向传感器5用于检测在所述第一径向传感器5处所述转子的位移信号，包括转子平动位移信号和转子转动位移信号。所述第二径向磁轴承9包括第二径向磁轴承定子和第二径向磁轴承转子，所述第二径向磁轴承定子与所述泵体3固定连接，所述第二径向磁轴承转子与所述转子轴7固定连接。所述第二径向传感器10用于检测在所述第二径向传感器10处所述转子的位移信号，包括转子平动位移信号和转子转动位移信号。所述转子轴7由所述第一径向磁轴承6、所述第二径向磁轴承9、所述第一轴向磁轴承13和所述第二轴向磁轴承15支承。

所述磁悬浮分子泵的控制系统包括位移检测装置18、转速检测装置19和磁悬浮分子泵控制器20；所述位移检测装置18用于接收位移信号，其信号输入端与所述第一径向传感器5、所述第二径向传感器10和所述轴向传感器16的信号输出端连接，所述位移检测装置18的信号输出端与所述磁悬浮分子泵控制器20的信号输入端连接；所述转速检测装置19用于检测所述转子的转速信号，其信号输入端通过所述磁悬浮分子泵的接线端子17连接到转速检测传感器，所述转速检测装置19的信号输出端与所述磁悬浮分子泵控制器20的信号输入端连接。

所述磁悬浮分子泵控制器20根据所述位移检测装置18获得的位移信号，调用合适的控制算法进行分析运算，最终驱动相应的磁轴承（所述第一径向磁轴承6、所述第二径向磁轴承9、所述第一轴向磁轴承13和所述第二轴向磁轴承15中的一个或多个）输出电磁力对所述转子的运动施加控制。所述磁悬浮分子泵控制器20根据所述转速检测装置19获得的转速信号，对所述转子的转动实时监控，并根据需要调整所述转子的转速。

本实施例所述磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法，可以自动寻找到合适的转子悬浮中心，从而保证磁轴承各磁极输出电磁力均匀，降低了控制难度，并且由于磁悬浮分子泵内携带存储介质可以存储转子悬浮中心的位置信息，从而实现磁悬浮分子泵和控制器的匹配和互换，方便磁悬浮分子泵的使用。本实施例所述的测定方法包括以下步骤：

S01步骤：磁悬浮分子泵竖直放置，磁悬浮分子泵控制器20控制相应的磁轴承（所述第一径向磁轴承6、所述第二径向磁轴承9、所述第一轴向磁轴承13和所述第二轴向磁轴承15）输出电磁力保证转子稳定悬浮，并控制分子泵电机8进行加速。所述转速检测装置19将检测到的转子转速信号反馈给磁悬浮分子泵控制器20，当所述当转子转速到达100转/秒的预设转速时，磁悬浮分子泵控制器20控制电机8停止加速；

S02步骤：磁悬浮分子泵转子以预设转速运行过程中，磁悬浮分子泵控制器20检测第一径向磁轴承6的线圈电流，上述电流经过低通滤波电路滤波处理，消除其中的高频噪声信号。对比第一径向磁轴承6相对方向的两个磁轴承线圈电流的幅值之差与第一径向磁轴承偏置电流的幅值之比是否小于或者等于5%，即不大于5%；如果两者之比不大于5%，那么以当前转子的位置作为磁悬浮分子泵工作时的第一径向悬浮中心，并将其记录在存储介质中；如果两者之比大于5%，所述磁悬浮分子泵控制器20控制电机8停机，当转子转速降为零后，经过运算分析分别向所述第一径向磁轴承6发出控制指令以调整所述转子的位置，然后重复上述S01步骤和S02的上述步骤，直到第一径向磁轴承6相对方向的两个磁轴承线圈电流的幅值之差与径向磁轴承偏置电流的幅值之比不大于5%，将当前的位置作为磁悬浮分子泵工作时的转子第一径向悬浮中心，并将该转子第一径向悬浮中心的位置记录在存储介质中；磁悬浮控制器20检测第二径向磁轴承9的线圈电流，上述电流经由低通滤波电路处理，消除其中的高频噪声信号。对比第二径向磁轴承9相对方向的两个磁轴承线圈电流的幅值之差与径向磁轴承偏置电流的幅值之比是否小于或者等于5%，即不大于5%；如果两者之比不大于5%，那么以当前转子的位置作为磁悬浮分子泵工作时的第二径向悬浮中心，并将其记录在存储介质中；如果两者之比大于5%，所述磁悬浮分子泵控制器20控制电机8停机，当转子转速降为零后，经过运算分析向所述第二径向磁轴承9发出控制指令以调整所述转子的位置，然后重复上述步骤，直到第二径向磁轴承9相对方向的两个磁轴承线圈电流的幅值之差与第二径向磁轴承偏置电流的幅值之比不大于5%，将当前转子的位置作为磁悬浮分子泵工作时的转子第二径向悬浮中心，并将该转子第二径向悬浮中心的位置记录在存储介质中；

S03步骤：首先，所述磁悬浮分子泵水平放置，磁悬浮分子泵控制器20控制相应的磁轴承（所述第一径向磁轴承6、所述第二径向磁轴承9、所述第一轴向磁轴承13和所述第二轴向磁轴承15）输出电磁力保证转子稳定悬浮，利用磁悬浮分子泵控制器20控制电机8使转子转到100转/秒的预设转速，并利用磁悬浮分子泵控制器20获取第一轴向磁轴承13、第二轴向磁轴承15线圈中的电流，上述电流经过低通滤波电路滤波处理，消除其中的高频噪声信号；然后，比对所述两个轴向磁轴承线圈电流的幅值之差与轴向磁轴承偏置电流的幅值之比是否不大于5%，如果不大于5%，则以当前转子轴向悬浮位置作为所述转子轴向悬浮中心，否则，所述磁悬浮分子泵控制器20控制电机8停机，当转子转速降为零后，经过运算分析向所述轴向磁轴承发出控制指令以调整所述转子的悬浮位置，然后重复上述步骤，直到第一轴向磁轴承13和第二轴向磁轴承15线圈电流的幅值之差与轴向磁轴承偏置电流的幅值之比不大于5%，,以当前的转子轴向悬浮位置作为转子轴向悬浮中心,将获取的所述转子悬浮中心的位置信息存储到所述磁悬浮分子泵内的存储介质中。

当磁悬浮分子泵开始工作时，磁悬浮分子泵控制器20调用存储介质中的转子悬浮中心位置信息进行静态悬浮，转子即可稳定悬浮在预设悬浮中心位置处。由于每台磁悬浮分子泵内携带的存储介质中记录有适合该分子泵的转子悬浮中心位置，当需要更换磁悬浮分子泵控制器20时，更换后新的磁悬浮分子泵控制器20仅需要读取相关参数即可实现对所述磁悬浮分子泵的控制，实现了一台磁悬浮分子泵控制器20在无需重新测定转子悬浮中心的前提下可以控制不同的磁悬浮分子泵。

显然，先测定径向悬浮中心还是轴向悬浮中心，均能实现本发明的目的，属于本专利的保护范围。

作为上述实施例的一个变形，本发明的磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法不包括将获取的转子悬浮中心位置信息存储到所述磁悬浮分子泵的存储介质的步骤，只要经由现有的其他方法将转子悬浮中心位置信息传送给所述磁悬浮分子泵控制器20，同样能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

作为上述实施例的其他变形，所述预设转速为任何大于100转/秒的其它速度，同样使得永磁电机磁钢产生的磁偏拉力均匀变化，不会影响转子静态悬浮中心的确定，均能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。 

Claims (8)

1.一种磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)磁悬浮分子泵控制器控制转子实现静态悬浮，然后启动电机将磁悬浮分子泵转子转速提高到预设转速，所述预设转速大于或者等于100转/秒；

(2) 通过调整转子悬浮位置保证第一径向磁轴承、第二径向磁轴承各磁极线圈电流均衡的方法获取所述转子第一径向悬浮中心和第二径向悬浮中心;

(3) 通过调整转子悬浮位置保证第一轴向磁轴承、第二轴向磁轴承电流均衡的方法获取所述测试转子轴向悬浮中心。

2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括：首先，保持磁悬浮分子泵竖直放置，磁悬浮分子泵控制器控制转子实现静态悬浮，启动电机将转子转速提高到预设转速，然后获取第一径向磁轴承各个磁极线圈中的电流；比对所述第一径向磁轴承相对方向的两个磁极线圈中的电流幅值是否相等，如相等，则获得所述转子第一径向悬浮中心；否则，磁悬浮分子泵控制器控制电机停机，继续调整所述测试转子的悬浮位置，然后重复上述步骤，直到所述第一径向磁轴承各相对方向的两个磁极线圈电流均相等为止；用与获取转子第一径向悬浮中心相同的方法获取转子第二径向悬浮中心。

3.根据权利要求2所述的测定方法，其特征在于：所述径向磁轴承各个磁极线圈中的电流经由低通滤波电路滤波后输出。

4.根据权利要求3所述的测定方法，其特征在于: 所述径向磁轴承相对方向两个磁极线圈中的电流幅值相等是指所述径向磁轴承相对方向两个磁极线圈中的电流幅值之差与径向磁轴承偏置电流幅值之比小于或者等于5%。

5.根据权利要求4所述的测定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，具体包括以下步骤：首先，保持磁悬浮分子泵水平安装，磁悬浮分子泵控制器控制转子实现静态悬浮，启动电机将转子转速提高到预设转速，然后获取第一轴向磁轴承、第二轴向磁轴承线圈中的电流；然后，比对所述两个轴向磁轴承线圈中的电流幅值是否相等，如相等，则获得所述转子轴向悬浮中心，否则，磁悬浮分子泵控制器控制电机停机，继续调整所述测试转子的悬浮位置，然后重复上述步骤，直到所述两个轴向磁轴承线圈中的电流幅值相等为止。

6.根据权利要求5所述的测定方法，其特征在于：所述轴向磁轴承各个磁极线圈中的电流经由低通滤波电路滤波后输出。

7.根据权利要求6所述的测定方法，其特征在于：所述两个轴向磁轴承线圈中的电流幅值相等是指所述两个轴向磁轴承线圈中的电流幅值之差与轴向磁轴承偏置电流幅值之比小于或者等于5%。

8.根据权利要求1-7任一所述的测定方法，其特征在于：还包括将获取的所述转子悬浮中心的位置信息存储到所述磁悬浮分子泵内存储介质的步骤。