CN102435135B - 永磁电机驱动的磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁电机驱动的磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法，利用消除永磁电机转子磁钢磁场的测试转子，通过调整测试转子悬浮中心保证磁轴承各磁极电流均衡的方法获取磁悬浮分子泵转子的悬浮中心。该测试转子消除了永磁电机转子磁钢磁偏拉力的影响，能准确获取磁悬浮分子泵转子的悬浮中心。

Description

永磁电机驱动的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的转子悬浮中心测定方法，具体是一种由永磁电机驱动的磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法。 

背景技术

分子泵是一种真空泵，它是利用高速旋转的转子叶轮把动量传递给气体分子，使之获得定向速度，从而使气体被压缩、并被驱至排气口、再被前级泵抽走。磁悬浮分子泵是一种采用磁轴承作为分子泵转子支承的分子泵，它利用磁轴承将转子稳定地悬浮在空中，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如图1所示，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，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。

径向磁轴承定子一种结构如图2所示，所述径向磁轴承定子共有第一磁极31a、第二磁极31b、第三磁极32a、第四磁极32b、第五磁极33a、第六磁极33b、第七磁极34a、第八磁极34b八个磁极，其中，所述第一磁极31a和所述第二磁极31b绕有同一个线圈，构成第一磁极组；所述第三磁极32a和所述第四磁极32b绕有同一个线圈，构成第二磁极组；所述第五磁极33a和所述第六磁极33b绕有同一个线圈，构成第三磁极组；所述第七磁极34a和所述第八磁极34b绕有同一个线圈，构成第四磁极组；所述径向磁轴承相对方向的两个磁极线圈指相对方向两个磁极组线圈，比如，所述第一磁极组线圈和所述第三磁极组线圈，以及所述第二磁极组线圈和所述第四磁极组线圈。

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。

本发明中的所述磁悬浮分子泵转子指与所述转子轴7固定连接并一起旋转的包括转子轴7、第一径向磁轴承转子、第二径向磁轴承转子、第一径向传感器转子、第二径向传感器转子和电机转子、推力盘等在内的所有旋转部件。

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。

对使用永磁电机驱动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，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。若磁钢发生变化或转子开始旋转则径向磁轴承各个磁极输出电磁力可能不再均匀，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

为此，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：

一种永磁电机驱动的磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法，包括如下步骤：

(1)设计测试转子，所述测试转子至少包括：与所述磁悬浮分子泵的转子轴相同的转子轴，在所述测试转子的转子轴上与所述磁悬浮分子泵的转子轴同样的位置处固定连接有与所述磁悬浮分子泵的两个径向磁轴承转子、两个径向传感器转子和推力盘相同的两个径向磁轴承转子、两个径向传感器转子和一个推力盘；所述测试转子消除所述磁悬浮分子泵电机转子磁钢产生的磁场；

(2) 通过调整测试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测试转子第一径向悬浮中心和第二径向悬浮中心;

(3) 通过调整测试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。

所述测试转子为去掉永磁电机转子磁钢的所述磁悬浮分子泵转子。

所述步骤(2)中，具体包括以下步骤：首先，所述磁悬浮分子泵竖直放置，将测试转子放入磁悬浮分子泵内，利用磁悬浮分子泵控制器控制测试转子静态悬浮，并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，继续调整所述测试转子的悬浮位置，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，获得所述转子上径向悬浮中心为止；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。

所述径向磁轴承相对方向两个磁极线圈中的电流幅值相等是指所述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，所述磁悬浮分子泵水平放置，将测试转子放入磁悬浮分子泵内，利用磁悬浮分子泵控制器控制测试转子静态悬浮，并利用磁悬浮分子泵控制器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，继续调整所述测试转子的悬浮位置，直到所述两个轴向磁轴承线圈中的电流幅值相等，获得所述转子轴向悬浮中心。

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的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：

利用消除永磁电机转子磁钢产生磁场的测试转子，通过调整磁轴承各磁极电流均衡的方法获取磁悬浮分子泵转子的悬浮中心，此方法可以消除永磁电机转子磁钢磁偏拉力的影响，能准确获取分子泵的转子悬浮中心。

当转子悬浮在此悬浮中心时，转子距离磁轴承各磁极距离相等，磁轴承各磁极电磁力输出均衡，可以有效避免磁轴承出现非线性问题，保证磁悬浮分子泵稳定运行。

依据本发明的测定方法获得的转子悬浮中心位置信息存储到所述磁悬浮分子泵内的存储介质中。使用过程中，将磁悬浮分子泵工作时使用的带有电机转子磁钢的分子泵转子装入磁悬浮分子泵内。当磁悬浮分子泵开始工作时，磁悬浮分子泵控制器调用存储介质中的转子悬浮中心位置信息控制转子静态悬浮，转子即可稳定悬浮在预先设定的悬浮中心位置处。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时，控制器仅需要读取相关参数即可实现对新泵的控制，实现了一台磁悬浮分子泵控制器在无需重新测定悬浮中心的前提下可以控制不同的磁悬浮分子泵。 

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磁悬浮分子泵结构图；

图2 磁悬浮分子泵径向磁轴承定子结构图。

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-第一径向传感器，6-第一径向磁轴承，7-转子轴，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，31a-第一磁极，31b-第二磁极，32a-第三磁极，32b-第四磁极，33a-第五磁极，33b-第六磁极，34a-第七磁极，34b-第八磁极。

具体实施方式

如图1所示，是本发明所涉及的磁悬浮分子泵的结构示意图，作为本发明一个实施例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，包括如下步骤：

S01步骤，将去掉电机转子磁钢的所述磁悬浮分子泵转子作为测试转子，并将所述测试转子装入所述分子泵；

S02步骤获取所述测试转子径向悬浮中心：首先，所述磁悬浮分子泵竖直放置，将测试转子放入磁悬浮分子泵内，利用磁悬浮分子泵控制器20控制测试转子静态悬浮，并获取第一径向磁轴承6各个磁极线圈中的电流；然后，比对所述第一径向磁轴承6相对方向的两个磁极线圈电流幅值是否相等，如相等，则获得该方向所述转子第一径向悬浮中心，否则，继续调整所述测试转子的悬浮位置，直到所述第一径向磁轴承6各相对方向的两个磁极线圈中的电流均相等，获得所述转子第一径向悬浮中心为止。其中，所述径向磁轴承两个相对方向磁极线圈电流的幅值相等是指所述相对方向两个磁极线圈中的电流幅值之差与第一径向磁轴承偏置电流幅值之比小于或者等于5%；其中，偏置电流是为了克服磁轴承的非线性，并保证磁轴承的电流响应速度，往磁轴承磁极线圈中通入的一个恒定电流。转子第二径向悬浮中心获得方法与转子第一径向悬浮中心获得方法相同，在此不再赘述；

S03步骤获取所述测试转子轴向悬浮中心：首先，所述磁悬浮分子泵水平放置，将测试转子放入磁悬浮分子泵内，利用磁悬浮分子泵控制器20控制测试转子静态悬浮，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；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，继续调整所述测试转子的悬浮位置，直到所述两个轴向磁轴承线圈中的电流幅值相等，获得所述转子轴向悬浮中心为止。其中，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的幅值之比小于或者等于5%；

S04步骤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。

上述S02步骤和S03步骤可根据需要调整先后顺序，比如先通过S03步骤获取所述磁悬浮分子泵轴向悬浮中心，然后再通过S02步骤获取所述磁悬浮分子泵径向悬浮中心，同样能实现本发明目的，属于本发明保护范围。

本实施例中构造出的测试转子即不受永磁电机转子磁钢磁偏拉力的影响，能获得准确的悬浮中心。当转子悬浮在此悬浮中心时，转子距离磁轴承各磁极距离相等，磁轴承各磁极电磁力输出均衡，可以有效避免磁轴承出现非线性问题，保证磁悬浮分子泵稳定运行。

磁悬浮分子泵正常工作时，将带有电机转子磁钢的分子泵转子装入磁悬浮分子泵内。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控制转子静态悬浮，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。

作为上述实施例的一个变形，所述步骤S01步骤中构造一个新的测试转子，只要所述测试转子至少包括：与所述磁悬浮分子泵的转子轴相同的转子轴，在所述测试转子的转子轴上与所述磁悬浮分子泵的转子轴同样的位置处固定连接有与所述磁悬浮分子泵的两个径向磁轴承转子、两个径向传感器转子和推力盘相同的两个径向磁轴承转子、两个径向传感器转子和一个推力盘；并且所述测试转子消除所述磁悬浮分子泵电机转子磁钢产生的磁场即可，比如使用未充磁的所述磁悬浮分子泵电机转子磁钢进而消除所述磁钢产生的磁场，或者使用不带电机转子的测试转子，均能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。

作为上述实施例的另一个变形，本发明的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，可以由现有技术中悬浮中心的其它测定方法获得本发明的悬浮中心，同样能实现本发明的目的，属于本发明保护范围。

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 (7)

1.一种永磁电机驱动的磁悬浮分子泵的转子悬浮中心测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设计测试转子，所述测试转子至少包括：与所述磁悬浮分子泵转子轴相同的转子轴，在所述测试转子的转子轴上与所述磁悬浮分子泵的转子轴同样的位置处固定连接有与所述磁悬浮分子泵的两个径向磁轴承转子、两个径向传感器转子和一个推力盘相同的两个径向磁轴承转子、两个径向传感器转子和一个推力盘；所述测试转子消除所述磁悬浮分子泵电机转子磁钢产生的磁场；

(2)通过调整测试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)通过调整测试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转子轴向悬浮中心。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述测试转子为去掉永磁电机转子磁钢的所述磁悬浮分子泵转子。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，具体包括以下步骤：首先，所述磁悬浮分子泵竖直放置，将测试转子放入磁悬浮分子泵内，利用磁悬浮分子泵控制器控制测试转子静态悬浮，并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，继续调整所述测试转子的悬浮位置，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，获得所述转子第一径向悬浮中心为止；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。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述径向磁轴承相对方向两个磁极线圈电流的幅值相等是指所述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所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，具体包括以下步骤：首先，所述磁悬浮分子泵水平放置，将测试转子放入磁悬浮分子泵内，利用磁悬浮分子泵控制器控制测试转子静态悬浮，并利用磁悬浮分子泵控制器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，继续调整所述测试转子的悬浮位置，直到所述两个轴向磁轴承线圈中的电流幅值相等，获得所述转子轴向悬浮中心为止。

6.根据权利要求5所述的方法，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电流幅值之差与轴向磁轴承偏置电流的幅值之比小于或者等于5%。

7.根据权利要求1-6任一所述的方法，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。

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