CN102619772B - 磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法及转子起浮控制方法 - Google Patents

磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法及转子起浮控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法及转子起浮控制方法,以径向保护轴承定子内圆中心为原点建立直角坐标系,控制转子自转,根据电机霍尔传感器输出的六种状态将径向保护轴承定子内圆平均划分为六个扇形区间;通过悬浮试验获得转子位于每个区间时,转子的起浮控制参数及起浮特性参数。从六个区间中挑选出一或两个起浮特性最好的区间作为转子起浮优选区间,将优选区间对应的径向位移传感器的X向输出信号电压幅值范围、Y向输出信号电压幅值范围和起浮控制参数记录在控制器内的存储介质中。当磁悬浮分子泵开始工作时,磁悬浮分子泵控制器控制转子位于优选区间,然后调用存储的起浮控制参数控制转子起浮,即可实现转子快速、稳定起浮。

Description

磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法及转子起浮控制方法
技术领域
本发明涉及真空获得设备技术领域,具体涉及一种永磁电机驱动的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法及转子起浮控制方法。
背景技术
磁悬浮分子泵是一种采用磁轴承作为转子支承的分子泵,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,图中所述磁悬浮分子泵竖直设置,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固定安装在所述转子轴7的上部;所述转子轴7的中部依次间隔地套设有第一径向保护轴承4、第一径向位移传感器5、所述第一径向磁轴承6、电机8、所述第二径向磁轴承9、第二径向位移传感器10和第二径向保护轴承11等。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位移传感器16。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和磁悬浮分子泵的控制器2;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位移传感器5、所述第二径向位移传感器10和所述轴向位移传感器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控制器2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控制器2的信号输入端连接。
其中,径向保护轴承(所述第一径向保护轴承4和所述第二径向保护轴承11)的内径小于径向磁轴承(所述第一径向磁轴承6和所述第二径向磁轴承9)的内径。所述第一径向磁轴承6和所述第二径向磁轴承9同轴,所述第一径向保护轴承4和所述第二径向保护轴承11同轴,且所述径向保护轴承、所述径向磁轴承和所述电机8同轴,即径向保护轴承定子内圆中心、径向磁轴承定子内圆中心及电机定子内圆中心重合。该结构中,所述转子轴7分别与第一径向位移传感器转子,第一径向磁轴承转子,电机转子,第二径向磁轴承转子,第二径向位移传感器转子等固定连接。
所述磁悬浮分子泵工作时,所述控制器2根据径向位移传感器(所述第一径向位移传感器5和所述第二径向位移传感器10)的输出信号运算分析得出转子的径向位移,进而驱动相应的径向磁轴承输出电磁力对转子的径向运动进行控制。其中,设置径向保护轴承的目的在于:当所述控制器2出现故障或者由于外界扰动引起转子失稳跌落时,由于径向保护轴承的内径小于径向磁轴承定子的内径,失稳的转子会直接跌落在径向保护轴承上,而不会接触到径向磁轴承,由此对径向磁轴承起到保护作用。
在磁悬浮分子泵开始工作之前,转子是靠在径向保护轴承内壁上的,启动磁悬浮分子泵后转子开始起浮。控制器将根据转子的初始位置和转子与径向磁轴承定子内圆中心之间的距离,调整径向磁轴承的各个磁极对线圈所通电流的大小,以保证转子平稳起浮并最终悬浮在径向磁轴承定子内圆中心处。
在磁悬浮分子泵工作过程中,所述控制器2控制所述电机8驱动转子转动。现有技术中,多数磁悬浮分子泵都采用永磁电机驱动转子转动。如图2所示为永磁电机结构简要示意图,永磁电机由电机转子和电机定子20组成,如前所述,在磁悬浮分子泵中,电机转子固定连接于所述转子轴7上,电机转子圆周上套设两片半圆形的磁钢21,其分别为电磁铁的N极和S极,两片磁钢21由磁钢隔片22分隔开。电机定子20的内壁均匀地设置有2N个磁极,N为整数且N≥3,且每个磁极上缠绕有线圈。所述磁钢21中越远离N极中心点及S极中心点的部分,磁力线越稀疏,磁场强度越弱,即所述磁钢隔片22处磁场强度最弱,如图2中C点所示;而越靠近N极中心点或S极中心点的位置,磁力线越密,磁场强度越强,如图2中B点所示。在所述磁钢21随电机转子转动过程中,当所述磁钢21磁场强度最强的点(即N极中心点和S极中心点)恰好正对所述电机定子20的某一个磁极时,二者间产生的电磁作用力最强,电机转子受到磁钢21的磁偏拉力最大。
另外,在电机定子20的圆周上均匀设置有三个霍尔传感器,三个霍尔传感器位置固定且相互间隔120°安装。磁悬浮分子泵工作过程中,所述磁钢21不断旋转,随着所述磁钢21相对于各个霍尔传感器位置的不同,三个霍尔传感器的输出状态会发生变化。电机转子自转一周,三个霍尔传感器总共会输出六种状态,分别为101、100、110、010、011和001,其中0代表低电平,1代表高电平。现有技术的许多教科书中均对永磁电机的工作原理有详细描述,此不再赘述。
理论上,在磁悬浮分子泵中,永磁电机定子内圆中心与径向保护轴承定子内圆中心重合,转子起浮前,无论转子靠在径向保护轴承内壁的哪一点,永磁电机转子与其定子内圆中心的距离都相同,即电机转子与电机定子各磁极的间隙均匀一致。此时控制器控制转子悬浮于径向磁轴承定子内圆中心处所需的起浮控制参数都是相同的。
然而,由于零件加工精度和装配精度误差的影响,磁悬浮分子泵安装完毕后,电机定子内圆中心和径向保护轴承定子内圆中心并不重合,如图3所示,两者在径向上存在同轴度误差(ΔX,ΔY)。因此,转子起浮之前,转子靠在径向保护轴承内壁的不同位置时,电机转子与电机定子内圆中心之间的距离不相同,电机转子与电机定子上各磁极的间隙不均匀一致。设定:电机转子和电机定子磁极间隙最小时,磁悬浮分子泵转子所处位置为极限位置。如图3中A点为转子位于极限位置时,转子外壁与径向保护轴承内壁的切点。
当磁悬浮分子泵转子位于极限位置时,电机转子与该区域内的电机定子内壁距离较近,则电机转子磁钢与该极限位置所对的电机定子上磁极距离较小,导致电机转子受到磁钢的磁偏拉力较大,尤其当电机转子位于极限位置处且此时恰好电机转子上所述磁钢21的N极中心点或S极中心点(即磁场强度最强的点)正好对准极限位置所对电机定子弧段的中间部分时,电机转子受到该极限位置所对的电机定子弧段上的所有磁极23的磁力总体较强,电机转子受到磁钢的磁偏拉力很大,如果此时控制转子起浮则需要克服非常大磁偏拉力,转子起浮很困难,严重时可能会导致转子不能正常起浮。
当然,即使在电机转子位于非极限位置时,也应该尽量避免磁钢的磁场强度最强的点正好对准该区域弧段的中间部分。
综上所述,在使用永磁电机驱动的磁悬浮分子泵系统中,要保证转子能够正常、快速、稳定地起浮,需要保证转子起浮之前处于非极限位置上。在此基础上尽量避免转子起浮前磁钢的N极中心点或S极中心点(即磁场强度最强的点)正好对准该区域弧段的中间部分。然而,现有技术中还没有公开事先避免这种极限情况出现的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是永磁电机驱动的磁悬浮分子泵中,若转子起浮前位于极限位置电机转子受到磁钢的磁偏拉力较大,影响转子正常起浮,进而提供一种通过事先选定起浮位置使电机转子受到的磁偏拉力较小,进而保证转子能够稳定、快速起浮的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法及转子起浮控制方法。
为解决上述技术问题,本发明提供一种磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法,所述磁悬浮分子泵由永磁电机驱动,包括如下步骤:
I.以径向保护轴承定子内圆中心为原点建立直角坐标系,控制磁悬浮分子泵转子自转,根据电机霍尔传感器输出的六种状态将径向保护轴承定子内圆平均划分为六个扇形区间;
II.将所述磁悬浮分子泵转子置于第i(i=1,2…6)个扇形区间并使电机转子磁钢磁场强度最强点对准该扇形区间弧段中间部分,记录此时电机霍尔传感器的输出信号;
III.通过磁悬浮分子泵转子起浮试验,获得所述磁悬浮分子泵转子位于第i(i=1,2…6)个扇形区间时所述磁悬浮分子泵转子的起浮控制参数和起浮特性参数;
IV.比较所述磁悬浮分子泵转子分别位于六个所述扇形区间内的起浮特性参数,选取适于所述磁悬浮分子泵转子起浮的优选区间;
V.将所述磁悬浮分子泵转子位于所述优选区间时,径向位移传感器的X向输出信号电压幅值范围、Y向输出信号电压幅值范围及所述磁悬浮分子泵转子的起浮控制参数存储于控制器内的存储介质中,所述优选区间为所述磁悬浮分子泵转子的起浮位置。
上述选择方法,在所述步骤IV之前还包括在磁悬浮分子泵加工装配完成后,测量获得电机定子内圆中心与径向保护轴承定子内圆中心之间的同轴度误差、确定极限位置所在的区间的步骤;在所述步骤IV中排除极限位置所在的区间。
上述选择方法,所述步骤IV中,所述优选区间的个数为一个或者两个。
上述选择方法,所述步骤III和所述步骤IV中,所述磁悬浮分子泵转子的起浮特性参数包括所述磁悬浮分子泵转子起浮过程的平稳性参数。
本发明还提供一种利用上述的选择方法选定磁悬浮分子泵转子起浮位置后的转子起浮控制方法,包括如下步骤:
A.在所述磁悬浮分子泵转子起浮之前,根据径向位移传感器的X向输出信号电压幅值和Y向输出信号电压幅值判断所述磁悬浮分子泵转子所在区间;
B.如果所述磁悬浮分子泵转子位于优选区间内,则控制器直接调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述磁悬浮分子泵转子起浮;
C.如果所述磁悬浮分子泵转子没有位于所述优选区间内,则所述控制器控制电机驱动所述磁悬浮分子泵转子移动至所述优选区间后,所述控制器再调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述磁悬浮分子泵转子起浮。
上述的起浮控制方法,所述步骤B中,还包括如下步骤:
a.所述磁悬浮分子泵转子位于所述优选区间,判断电机霍尔传感器输出信号状态是否与电机转子磁钢磁场强度最强点对准所述优选区间弧段中间部分时电机霍尔传感器的输出信号状态相同;
b.如果相同,则由所述控制器控制电机驱动所述磁悬浮分子泵转子自转,同时观察电机霍尔传感器的输出信号,当电机霍尔传感器的输出信号状态发生一次变化时,所述控制器控制电机停转,然后调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述转子起浮;
c.如果不同,则所述控制器直接调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述转子起浮。
本发明的上述技术方案具有如下优点:
①本发明中通过悬浮试验获得在径向保护轴承定子内圆中最适于磁悬浮分子泵转子起浮的优选区间,在该优选区间内可以保证磁悬浮分子泵转子受到的磁偏拉力较小,磁悬浮分子泵转子可以快速、稳定起浮。
②本发明中在获得磁悬浮分子泵转子起浮控制参数时,使电机转子磁钢磁场强度最强点对准该区间的中间部分,此时为电机转子受到较大磁偏拉力的情况,如果在该情况下获得的起浮控制参数能够保证磁悬浮分子泵转子稳定、快速起浮,则只要磁悬浮分子泵转子位于该区间内,调用该区间内的起浮控制参数就能保证磁悬浮分子泵转子快速、稳定起浮。
③本发明中的控制磁悬浮分子泵转子起浮之前,保证磁悬浮分子泵转子位于优选区间后,还可以进一步的控制磁悬浮分子泵转子自转,令电机转子磁钢的磁场强度最强点偏离优选区间内的所有磁极,由此可以保证电机转子受到的磁偏拉力最小,更进一步的保证磁悬浮分子泵转子可以快速、稳定起浮。
附图说明
图1为磁悬浮分子泵的结构示意图;
图2为永磁电机转子和定子结构示意图;
图3为电机定子和径向保护轴承定子间同轴度偏差示意图;
图4为本发明获取磁悬浮分子泵转子起浮位置及转子起浮控制流程图;
图中附图标记表示为:1-叶轮,2-控制器,3-泵体,4-第一径向保护轴承,5-第一径向位移传感器,6-第一径向磁轴承,7-转子轴,8-电机,9-第二径向磁轴承,10-第二径向位移传感器,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-轴向位移传感器,17-接线端子,18-位移检测装置,19-转速检测装置,20-电机定子,21-电机转子磁钢,22-磁钢隔片,23-磁极。
具体实施方式
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。
实施例1
本实施例提供一种磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法,所述磁悬浮分子泵由永磁电机驱动,包括如下步骤:
I.以径向保护轴承定子内圆中心为原点建立直角坐标系,控制磁悬浮分子泵转子自转,根据电机霍尔传感器输出的六种状态将径向保护轴承定子内圆平均划分为六个扇形区间;
II.将所述磁悬浮分子泵转子置于第i个扇形区间(i=1,2…6)并使电机转子磁钢磁场强度最强点对准该扇形区间弧段中间部分,记录此时电机霍尔传感器的输出信号;
III.通过磁悬浮分子泵转子起浮试验,获得所述磁悬浮分子泵转子位于第i(i=1,2…6)个扇形区间时所述磁悬浮分子泵转子的起浮控制参数和起浮特性参数;
通过悬浮试验获得转子在各个区间内的起浮控制参数以及起浮特性参数过程如下:
令所述磁悬浮分子泵转子位于第i(i=1,2…6)个扇形区间并使电机转子磁钢磁场强度最强点对准该扇形区间弧段中间部分,记录此时电机霍尔传感器的输出信号及此时径向位移传感器的X向输出信号电压幅值范围和Y向输出信号电压幅值范围,调试起浮控制参数保证转子正常起浮,通过多次试验后获取转子位于第i(i=1,2…6)个扇形区间时能够保证所述磁悬浮分子泵转子正常起浮的起浮控制参数,并且将转子起浮之后的起浮特性参数记录下来,所述起浮特性参数包括所述转子起浮过程的平稳性参数;
IV.比较所述磁悬浮分子泵转子分别位于六个所述扇形区间内的起浮特性参数,选取适于所述磁悬浮分子泵转子起浮的优选区间;
V.将所述磁悬浮分子泵转子位于所述优选区间时,径向位移传感器的X向输出信号电压幅值范围、Y向输出信号电压幅值范围及所述磁悬浮分子泵转子的起浮控制参数存储于控制器2内的存储介质中,所述优选区间为所述磁悬浮分子泵转子的起浮位置。
由于极限位置与六个区间的位置关系不同,可能导致所述优选区间的个数为一个或者两个;记录转子位于所述优选区间时对应的径向位移传感器X向输出信号电压幅值范围和Y向输出信号电压幅值范围、转子的起浮控制参数,并且将所述优选区间设定为转子的起浮位置。
由于在获得所述磁悬浮分子泵转子起浮控制参数时使电机转子磁钢磁场强度最强点对准该扇形区间弧段中间部分,此时电机转子受到的磁偏拉力较大,是不容易起浮的情况,因此在这种情况下调试得到的起浮控制参数可以保证所述磁悬浮分子泵转子正常起浮,该起浮控制参数便可以保证所述磁悬浮分子泵转子位于在该区间内时电机转子磁钢磁场强度最强点对准任一点都能正常起浮。
本实施例中,在所述步骤IV之前还包括在磁悬浮分子泵加工装配完成后,测量获得电机定子内圆中心与径向保护轴承定子内圆中心之间的同轴度误差、确定极限位置所在的区间的步骤;在所述步骤IV首先排除极限位置所在的区间;而后比较所述磁悬浮分子泵转子分别位于六个所述扇形区间内的起浮特性参数,选取适于所述磁悬浮分子泵转子起浮的优选区间;
本实施例还提供一种利用上述选择方法选定磁悬浮分子泵转子起浮位置后的起浮控制方法,包括如下步骤:
A.在所述磁悬浮分子泵转子起浮之前,根据径向位移传感器的X向输出信号电压幅值和Y向输出信号电压幅值判断所述磁悬浮分子泵转子所在区间;
B.如果所述磁悬浮分子泵转子位于优选区间内,则控制器2直接调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述磁悬浮分子泵转子起浮;
C.如果所述磁悬浮分子泵转子没有位于所述优选区间内,则所述控制器2控制电机驱动所述磁悬浮分子泵转子移动至所述优选区间后,所述控制器2再调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述磁悬浮分子泵转子起浮。
采用本实施例中转子起浮位置选择方法及转子起浮控制方法,能够确保转子快速、稳定的起浮,且起浮之后具有稳定的工作特性。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上,所述起浮控制方法的所述步骤B中,还包括如下步骤:
a.所述磁悬浮分子泵转子位于所述优选区间,判断电机霍尔传感器输出信号状态是否与电机转子磁钢磁场强度最强点对准所述优选区间弧段中间部分时电机霍尔传感器的输出信号状态相同;
b.如果相同,则由所述控制器2控制电机驱动所述磁悬浮分子泵转子自转,同时观察电机霍尔传感器的输出信号,当电机霍尔传感器的输出信号状态发生一次变化时,所述控制器2控制电机停转,然后调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述转子起浮;
c.如果不同,则所述控制器2直接调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述转子起浮。
电机转子自转60度,电机霍尔传感器输出信号发生一次变化。径向保护轴承定子内圆被划分为六个区间时,每个区间为60度扇形。由于六个扇形区间是根据磁悬浮分子泵转子自转过程中电机霍尔传感器输出的六种状态划分的,因此若初始状态时电机转子磁钢磁场强度最强点对准所述优选区间弧段的中间部分,则电机转子磁钢旋转60度时,电机转子磁钢磁场强度最强点不但没有对着所述优选区间弧段的中间部分并且一定没有对着优选区间弧段所对电机定子上的任一个磁极。由此可以保证此时电机转子受到的磁偏拉力较小,磁悬浮分子泵转子较容易起浮。
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 (6)

1.一种磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法,所述磁悬浮分子泵由永磁电机驱动,其特征在于,包括如下步骤:
I.以径向保护轴承定子内圆中心为原点建立直角坐标系,控制磁悬浮分子泵转子自转,根据电机霍尔传感器输出的六种状态将径向保护轴承定子内圆平均划分为六个扇形区间;
II.将所述磁悬浮分子泵转子置于第i(i=1,2…6)个扇形区间并使电机转子磁钢磁场强度最强点对准该扇形区间弧段中间部分,记录此时电机霍尔传感器的输出信号;
III.通过磁悬浮分子泵转子起浮试验,获得所述磁悬浮分子泵转子位于第i(i=1,2…6)个扇形区间时所述磁悬浮分子泵转子的起浮控制参数和起浮特性参数;
IV.比较所述磁悬浮分子泵转子分别位于六个所述扇形区间内的起浮特性参数,选取适于所述磁悬浮分子泵转子起浮的优选区间;
V.将所述磁悬浮分子泵转子位于所述优选区间时,径向位移传感器的X向输出信号电压幅值范围、Y向输出信号电压幅值范围及所述磁悬浮分子泵转子的起浮控制参数存储于控制器(2)内的存储介质中,所述优选区间为所述磁悬浮分子泵转子的起浮位置。
2.根据权利要求1所述的选择方法,其特征在于:在所述步骤IV之前还包括在磁悬浮分子泵加工装配完成后,测量获得电机定子内圆中心与径向保护轴承定子内圆中心之间的同轴度误差、确定极限位置所在的区间的步骤;在所述步骤IV中排除极限位置所在的区间。
3.根据权利要求1或2所述的选择方法,其特征在于:所述步骤IV中,所述优选区间的个数为一个或者两个。
4.根据权利要求3所述的选择方法,其特征在于:所述步骤III和所述步骤IV中,所述磁悬浮分子泵转子的起浮特性参数包括所述磁悬浮分子泵转子起浮过程的平稳性参数。
5.一种利用权利要求1-4任一所述选择方法选定磁悬浮分子泵转子起浮位置后的转子起浮控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
A.在所述磁悬浮分子泵转子起浮之前,根据径向位移传感器的X向输出信号电压幅值和Y向输出信号电压幅值判断所述磁悬浮分子泵转子所在区间;
B.如果所述磁悬浮分子泵转子位于优选区间内,则控制器(2)直接调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述磁悬浮分子泵转子起浮;
C.如果所述磁悬浮分子泵转子没有位于所述优选区间内,则所述控制器(2)控制电机驱动所述磁悬浮分子泵转子移动至所述优选区间后,所述控制器(2)再调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述磁悬浮分子泵转子起浮。
6.根据权利要求5所述的起浮控制方法,其特征在于:所述步骤B中,还包括如下步骤:
a.所述磁悬浮分子泵转子位于所述优选区间,判断电机霍尔传感器输出信号状态是否与电机转子磁钢磁场强度最强点对准所述优选区间弧段中间部分时电机霍尔传感器的输出信号状态相同;
b.如果相同,则由所述控制器(2)控制电机驱动所述磁悬浮分子泵转子自转,同时观察电机霍尔传感器的输出信号,当电机霍尔传感器的输出信号状态发生一次变化时,所述控制器(2)控制电机停转,然后调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述转子起浮;
c.如果不同,则所述控制器(2)直接调用其存储介质中内置的优选区间起浮控制参数,控制所述转子起浮。
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