CN104763745B - 磁悬浮转子自动起浮方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮转子正交四点渐进旋转法及基于该正交四点渐进旋转的自动起浮方法。首先利用正交四点渐进旋转法首先寻找悬浮中心，然后利用正交四点渐进旋转法寻找起浮位置并尝试悬浮。如果悬浮不成功，则修改渐进旋转的渐进角度后重新寻找悬浮中心、起浮位置并尝试起浮。利用本发明所述的方法，磁悬浮转子只要存在可以悬浮的中心、存在可以起浮的位置，最终可以找到悬浮中心和起浮位置，实现起浮。本发明所披露的方法不但在首次起浮时可以实现自动起浮，且可以在系统参数变化后自动找到新的参数起浮，极大的提高了磁悬浮转子起浮和运行时的可靠性。

Description

磁悬浮转子自动起浮方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮轴承技术领域，更具体地说，涉及一种磁悬浮转子的自动起浮方法。

背景技术

磁悬浮轴承没有机械摩擦，被应用在许多特种场合。磁悬浮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。磁悬浮轴承一般采用永磁偏置以提高其工作效率。但是，永磁偏置磁悬浮转子的可靠起浮一直是非常困难的问题。

磁悬浮转子的起浮，尤其是首次起浮是磁悬浮转子调试运行中十分困难的环节。由于磁悬浮转子系统各部分机械尺寸、磁性材料、传感器的误差，导致在首次成功起浮前很难得知悬浮中心在何处以及从何处才能起浮。传统方法是采用另外的装置去测量出这些误差并保存在控制系统中，但在实际操作中的多种问题经常会导致起浮失效。

磁悬浮转子起浮的关键之一在于找出合适的悬浮中心，即找到永磁力为零时传感器的输出值。由于磁性材料的不一致性、机加工误差和安装误差，悬浮中心与定子的几何中心有一定的误差。根据永磁偏置磁悬浮轴承的基本理论，当转子在永磁力中心悬浮时，系统的功耗很低；当偏离永磁力中心时，功耗将按误差的平方关系增加；如果偏差太大，则磁悬浮线圈将过流保护甚至发热烧毁，这在首次起浮中最为常见。因此，找到正确的悬浮中心是起浮成功的关键。

磁悬浮转子起浮的关键之二在于找到合适的起浮位置。转子没有起浮时，是在永磁力吸引下紧紧贴在定子上的。转子紧贴在定子上时，转子自身在0-360上有很多种可能的角位移，转子贴靠在定子上的位置也在0-360上有多个可能的接触点，这样所有的起浮位置就组成了一个两维的分布空间。在这个两维的分布空间中的每个起浮位置上，由于磁性材料的不均匀性、周期性(如磁极产生的磁场)或者结构误差，加上永磁偏置结构的强烈的非线性，它们起浮所需要的电流是不同的，甚至由于磁性材料的饱和限制，有的起浮位置无论加多大电流都无法起浮。根据势能最小原理，转子往往容易贴靠到最不容易起浮的点上，这更加剧了起浮的难度。因此从合适位置起浮，是起浮成功的关键因素。

通常磁悬浮起浮的方法是借助机械夹具，固定转子和定子，将转子调整到定子的几何中心，测量传感器的输出，作为悬浮中心。或者用力传感器测量出永磁力中心，测量传感器的输出，作为悬浮中心。在起浮时，也常常先利用机械装置将转子限定到某一个较小的区域内，以便起浮。有时还会安装辅助轴承，以利于起浮和保护。但是在某些磁悬浮轴承中，转子完全密封在定子腔体内，且转子与定子间隙相对较大呈复杂封闭曲面，组装完毕后无法使用夹具，限制了上述常规起浮方法的使用。

因此，如何实现磁悬浮转子的可靠起浮，是一些磁悬浮轴承应用领域中亟待解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种磁悬浮自动起浮方法，以克服无法借助机械夹具实现起浮的磁悬浮转子的可靠起浮的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种磁悬浮自动起浮方法，包括求解永磁力的起浮中心和寻找起浮位置；

包括步骤：

S4、按正交四点法求永磁力的中心；

S5、将四点渐进旋转第一角度至少三次后，分别求解每次旋转第一角度时各个永磁力的第一中心，根据测得的各个永磁力的第一中心值，得到永磁力的第一平均中心值；

S7、根据永磁力的第一平均中心值，在所述第一平均中心值所在的正交的四点位置依次起浮，起浮成功后记录第一中心值和第一起浮位置，如果不成功进入步骤S9；

S9、以永磁力的第一平均中心值所在的正交四点位置为起点，将四点渐进旋转第二角度至少三次后，分别求解每次旋转第二角度时各个永磁力的第二平均中心值；

S12、根据永磁力的第二平均中心值，在所述第二平均中心值所在的正交的位置的四点依次起浮，起浮成功后记录第二中心值和第二起浮位置，如果不成功重复S9，直至起浮成功位置。

优选地，在上述磁悬浮自动起浮方法中，所述第一角度为δ1＝2π/N，所述第一角度δ1的旋转次数小于N。

优选地，在上述磁悬浮自动起浮方法中，所述第二角度为δ2＝2π/M，所述第二角度δ2的旋转次数小于M。

优选地，在上述磁悬浮自动起浮方法中，所述第一角度δ1中，8≤N≤32；所述第二角度δ2中，8≤M≤32；其中，N和M的取值差值相近或相等。优选地，N和M的取值差值为0、1或2。

优选地，在上述磁悬浮自动起浮方法中，所述第一角度的旋转次数大于N。

优选地，在上述磁悬浮自动起浮方法中，若所述第二角度的旋转次数大于M后仍不能起浮，则重新定义N和M的值，重复S4-S14求解永磁力的起浮中心和起浮位置。

优选地，在上述磁悬浮自动起浮方法中，所述四点渐进旋转后磁悬浮四点的起浮通过向磁悬浮线圈注入电流令磁悬浮的转子位置移动。

优选地，在上述磁悬浮自动起浮方法中，所述四点渐进旋转后磁悬浮四点起浮时，所述四点提供的作用力处于正交的方向，且施加的作用力的方向依次递进90度。

优选地，在上述磁悬浮自动起浮方法中，步骤S4前还包括步骤：

S2、按照磁悬浮默认的永磁力的中心进行起浮；

S3、如果起浮成功，记录默认的永磁力的起浮中心和起浮位置，如果不成功，进入步骤S4。

本发明提供的磁悬浮自动起浮方法，通过求解永磁力的起浮中心和寻找起浮位置实现磁悬浮的起浮中心和起浮位置的确定。通过正交四点法求解得到永磁力的中心，然后利用四点渐进旋转方法，在已求得的永磁力的中心的基础上旋转第一角度多次后，分别求解每次旋转得到永磁力的第一中心值，根据测得的各个永磁力的第一中心值，求解得到永磁力的第一平均中心值，根据永磁力的第一平均中心值，在第一平均中心值所在的正交的四点位置依次起浮，起浮成功后记录该第一中心值和第一起浮位置，实现起浮中心和起浮位置的确定。

如果磁悬浮不能成功起浮，则以已获得的永磁力的第一平均中心值所在的正交四点位置为起点，将四点渐进旋转第二角度多次后，分别求解每次旋转第二角度时各个永磁力的第二中心值，根据永磁力的第二平均中心值，在第二平均中心值所在的正交的位置的四点依次起浮，起浮成功后记录第二中心值和第二起浮位置。如果不成功继续重复利用四点渐进旋转一定角度的方法，在上一次已求得的平均中心值的基础上，重复求得新的起浮中心和起浮位置，直至磁悬浮起浮成功为止，得到磁悬浮正确的起浮中心和起浮位置，从而保证了磁悬浮的起浮可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的磁悬浮自动起浮方法的结构示意流程图；

图2为一种典型的永磁偏置磁悬浮系统的结构示意图；

图3为本发明提供的磁悬浮四点正交渐进旋转原理图。

具体实施方式

本发明公开了一种磁悬浮转子正交四点渐进旋转法。在转子所在径向平面内取正交四点，利用磁悬浮电磁力驱动转子按既定步骤依次到这四点。然后将四点同时绕转子的转轴旋转一个给定的角度产生新的四点，然后再令转子依次到这新的四点。本发明公开了一种基于正交四点渐进旋转的磁悬浮转子的自动起浮方法。首先利用正交四点渐进旋转法首先寻找悬浮中心，然后利用正交四点渐进旋转法寻找起浮位置并尝试悬浮。如果悬浮不成功，则修改渐进旋转的渐进角度后重新寻找悬浮中心、起浮位置并尝试起浮。利用本发明所述的方法，磁悬浮转子只要存在可以悬浮的中心、存在可以起浮的位置，最终可以找到悬浮中心和起浮位置，实现起浮。本发明所披露的方法不但在首次起浮时可以实现自动起浮，且可以在系统参数变化后自动找到新的参数起浮，极大的提高了磁悬浮转子起浮和运行时的可靠性。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本发明提供的磁悬浮自动起浮方法的结构示意流程图。

本发明提供了一种磁悬浮自动起浮方法，通过求解永磁力的起浮中心和寻找起浮位置实现磁悬浮的起浮中心和起浮位置的确定。

具体步骤如下，步骤包括：

S1、开始；

S2、按照磁悬浮默认的永磁力的中心进行起浮；

首先向默认的永磁力的中心起浮，该默认的中心一般是预置的永磁力的中心，或者是上次求解或起浮时获得的、存在存储器中的数据。如果根据默认的起浮中心起浮，起浮成功时，记录该中心位置和起浮位置，即不改变原有的起浮中心和起浮位置的数据，如果起浮不成功，进入S4)。

S4、正交四点法求永磁力的中心；

按照正交四点法求永磁力的中心，根据磁悬浮系统的内部结构特点求解永磁力的起浮中心和起浮位置，如图2所示，图2为一种典型的永磁偏置磁悬浮系统的结构示意图。

图2中标出了磁悬浮系统中转子、定子和传感器的关系，定子磁环b4上装有4个中心对称放置的磁极b5，每个磁极b5上绕有产生磁悬浮力的线圈b7，每个磁极上装有产生偏置磁场的永久磁铁(图中未标出)。当磁悬浮线圈b7不通入电流时，永久磁铁产生的永磁力会将转子b1吸引到某个位置，与定子壳b3紧贴在一起。当转子b1处于定子壳b3中某个位置时，磁极b5和另外三个磁极产生的永磁力合力为零。传感器b6与另外三个传感器呈中心对称放置，每两对传感器组成差分传感器，一共检测x和y两个自由度的转子位移。

如图3所示，图3为本发明提供的磁悬浮四点正交渐进旋转原理图。

转子在定子内可以活动，活动间隙为b2，设间隙的大小为r₀，一般只有零点几毫米的量级。理想情况下，转子的活动范围为一个半径为r₀的圆，如图3中的虚线g1所示。但是，由于机械误差，实际上转子b1紧贴定子壳b3时，在不同的角度上，转子中心偏离永磁力中心的距离是变化的。该距离可能有多个极小值和多个极大值。距离较小的地方那个，转子比较容易起浮。距离较大的地方，转子难以起浮。本专利通过正交四点法解决这一问题。

利用四点正交法求解永磁力的中心，即为寻找永磁力为零时传感器的输出。在理想情况下，向磁悬浮线圈中通入产生足够的x+方向的力的电流，转子会移动到x+方向上与定子紧贴。同样，可以令转子到y-和x-、y+方向上。设传感器的输出(电压值或者是数字量)分别为sx+、sx-、sy+、sy-。则转子处于几何中心位置的传感器输出为

一般将以sx0、sy0为永磁力中心即可。但是，由于如图3中g2所示，转子b1处在定子壳b2的不同位置时，转子与永磁力中心的位移不同，那么在x+方向和x-方向上转子b1紧贴定子壳b2时，偏离永磁力中心的距离不相等，因此上述公式隐含误差。该误差是不可知的，如果过大会导致不能起浮。本专利通过渐次旋转法解决这一问题。

S5、四点渐进求中心；

将四点渐进旋转第一角度至少三次后，分别求解每次旋转第一角度时各个永磁力的第一中心，所述的四点，指的是在正交方向上确定的sx+、sx-、sy+、sy-四个点，通过每次旋转第一角度后，每次旋转过程确定一个永磁力的中心，，这样获得多个对应不同角度的永磁力的中心值，根据测得的各个永磁力的第一中心值，得到永磁力的第一平均中心值，根据每次旋转后获得的永磁力的中心，获得第一平均中心值。

S7、找出第一中心值和第一起浮位置；

根据永磁力的第一平均中心值，在所述第一平均中心值所在的正交的四点位置依次起浮，起浮成功后记录第一中心值和第一起浮位置，如果不成功进入步骤9。

S9、在第一平均中心值的基础上继续利用正交四点渐进法求解永磁力的中心；

以永磁力的第一平均中心值所在的正交四点位置为起点，将四点渐进旋转第二角度至少三次后，分别求解每次旋转第二角度时各个永磁力的第二平均中心值。

S12、找出第二中心值和第二起浮位置；

据永磁力的第二平均中心值，在所述第二平均中心值所在的正交的位置的四点依次起浮，起浮成功后记录第二中心值和第二起浮位置，如果不成功重复步骤S9，直至起浮成功位置。

通过正交四点法求解得到永磁力的中心，然后利用四点渐进旋转方法，在已求得的永磁力的中心的基础上旋转第一角度多次后，分别求解每次旋转得到永磁力的第一中心值，根据测得的各个永磁力的第一中心值，求解得到永磁力的第一平均中心值，根据永磁力的第一平均中心值，在第一平均中心值所在的正交的四点位置依次起浮，起浮成功后记录该第一中心值和第一起浮位置，实现起浮中心和起浮位置的确定。

如果磁悬浮不能成功起浮，则以已获得的永磁力的第一平均中心值所在的正交四点位置为起点，将四点渐进旋转第二角度多次后，分别求解每次旋转第二角度时各个永磁力的第二中心值，根据永磁力的第二平均中心值，在第二平均中心值所在的正交的位置的四点依次起浮，起浮成功后记录第二中心值和第二起浮位置。如果不成功继续重复利用四点渐进旋转一定角度的方法，在上一次已求得的平均中心值的基础上，重复求得新的起浮中心和起浮位置，直至磁悬浮起浮成功为止，得到磁悬浮正确的起浮中心和起浮位置，从而实现了磁悬浮的自动起浮。

在本发明一具体实施例中，第一角度为δ1＝2π/N，第一角度δ1的旋转次数小于N。第二角度为δ2＝2π/M，第二角度δ2的旋转次数小于M。第一角度δ1中，8≤N≤32；第二角度δ2中，8≤M≤32；其中，N和M的取值差值相近或相等。利用正交四点法求出永磁力中心后，将上次的正交四点同时做一个角度的渐进旋转，控制磁悬浮线圈产生新的角度下的力，根据提供的公式求出转子位置坐标，并取得平均值，得出更准确的永磁力中心的传感器输出，根据上述方法令转子处在不同的角度上与定子相接触，且遍历了磁悬浮内所有的主要方向，总的来说更接近理想情况下永磁力中心的传感器输出。

对于N和M的选取，一般从8开始，一般不大于32。当然也可以取更大的值。一般情况下，总是令N和M的差值为0，1，2这几个数据。这样的好处是将求永磁力中心和起浮位置在角度上相互有交错，以避免由于误差对两个步骤产生的共性影响。例如，N＝8时，M取6、7、8、9；N＝9时，M取7、8、9、10。依次类推。当N和M到达一个上限后(如32)，则流程可以终止，提示悬浮失败。实验中发现，对于有悬浮可能性的磁悬浮对象，N、M都不会超过10，就已经能够成功悬浮。说明只要磁悬浮系统存在可以起浮的点，则本专利所述的方法就能找到该点并从该点起浮。

由于第一角度δ1和第二角度δ2取值的范围限制，当第一角度的转动次数大于N时，和第二角度的转动次数大于M时，第一中心和第二中心后面的取值均会成为循环的数值，对应准确的确定第一中心和第二中心的位置将会造成干扰，增加工作量，因此，在步骤S5和S7之间还包括步骤S6，判断N的取值，即第一角度的转动次数是否小于N，避免四点渐进绕一周取值，当转动次数大于M后，即进入S7。同样的，步骤S9后设置步骤S10，判断M值，避免第二角度的转动次数超过M，避免造成重复数值对第二平均中心值的取值产生影响。

在本发明一具体实施例中，若第二角度δ2的旋转次数大于M后仍不能起浮，则进入步骤S11，更新M、N的值，通过重新定义N和M的值，重复S4-S12求解永磁力的起浮中心和起浮位置。在图1中步骤S7和步骤S12均是利用正交的四点进行磁悬浮的起浮。起浮中心和起浮位置的记录统一在步骤S12内进行。在本案中，第一角度δ1取值一次后，在起浮失败的情况下多次对第二角度δ2重复以获得更接近的磁悬浮的起浮中心。多次循环后仍不能起浮，说明在第一角度定义的过程中，便使得磁悬浮的起浮中心产生了较大的误差，则重新定位第一角度的值。即，在每一个N值对应的第一角度下，对应不同的M取值计算磁悬浮的中心，若M值取值大于其最大取值后，说明转子在定子中旋转了一周还未能起浮，这说明要么是永磁力中心求解有错误，要么是仍旧未能找到合适的起浮点。这时，将增加N和M的值，返回求永磁力中心的步骤重新开始更新N值，由不同的N值对应不同的M值，利用四点渐进旋转法，重复S4-S12的过程求解磁悬浮的中心值。

在本发明一具体实施例中，四点渐进旋转后磁悬浮四点的起浮通过向磁悬浮线圈注入电流令磁悬浮的转子位置移动。

四点渐进旋转后磁悬浮四点起浮时，四点提供的作用力处于正交的方向，且施加的作用力的方向依次递进90度。采用正交四点法，每次给转子施加力的方向是x+，y-，x-，y+顺序，与转子当前位置都是90度的，非常容易运动起来。如果仅仅采用正交四点法而不采用渐进旋转，则转子很有可能落到四个误差较大或者势能较低的点上，导致计算永磁力中心错误或者起浮失败。

本发明采用的正交渐进旋转的方法中，如果渐进角度δ(包含δ1和δ2)大，则完成一周旋转的时间少，但是也容易引入较大的误差或者找不到合适的起浮点。如果渐进角度δ小，则很容易找到起浮的点，但所需的时间较长。本发明定义了自然数N和M，一开始选取较小的数，以节省时间。如果失败，则增加N和M的值。一般来说，尝试N与M相近但不一定相等，更容易实现起浮。利用本发明所述的上述正交四点渐进旋转法，针对磁悬浮对象进行起浮，发现只要该磁悬浮对象有可以起浮的点，则最终一定能完成起浮。一旦起浮，就将悬浮中心与起浮位置存入存储器中，下次就可以到该起浮位置，向永磁力中心起浮，一次就可以完成起浮。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种磁悬浮转子自动起浮方法，包括正交四点渐进旋转法和基于正交四点渐进旋转的起浮法，包括步骤：

S4、按正交四点法求永磁力的中心；

S5、将四点渐进旋转第一角度至少三次后，分别求解每次旋转第一角度时各个永磁力的第一中心，根据测得的各个永磁力的第一中心值，得到永磁力的第一平均中心值；

S7、根据永磁力的第一平均中心值，在所述第一平均中心值所在的正交的四点位置依次起浮，起浮成功后记录第一中心值和第一起浮位置，如果不成功进入步骤S9 ；

S9、以永磁力的第一平均中心值所在的正交四点位置为起点，将四点渐进旋转第二角度至少三次后，分别求解每次旋转第二角度时各个永磁力的第二平均中心值；

S12、根据永磁力的第二平均中心值，在所述第二平均中心值所在的正交的位置的四点依次起浮，起浮成功后记录第二中心值和第二起浮位置，如果不成功重复步骤S9，直至起浮成功位置。

2.根据权利要求1 所述的磁悬浮转子自动起浮方法，其特征在于，所述第一角度为

δ1=2π/N，所述第一角度δ1 的旋转次数小于N。

3.根据权利要求2 所述的磁悬浮转子自动起浮方法，其特征在于，所述第二角度为

δ2=2π/M，所述第二角度δ2 的旋转次数小于M。

4.根据权利要求3 所述的磁悬浮转子自动起浮方法，其特征在于，所述第一角度δ1中，8 ≤ N ≤ 32 ；所述第二角度δ2 中， 8 ≤ M ≤ 32 ；其中，N 和M 的取值差值为0、1或2。

5.根据权利要求2 所述的磁悬浮转子自动起浮方法，其特征在于，所述第一角度的旋转次数大于N。

6.根据权利要求3 所述的磁悬浮转子自动起浮方法，其特征在于，若所述第二角度的旋转次数大于M 后仍不能起浮，则重新定义N 和M 的值，重复S4-S12 求解永磁力的起浮中心和起浮位置。

7.根据权利要求1 所述的磁悬浮转子自动起浮方法，其特征在于，所述四点渐进旋转后磁悬浮四点的起浮通过向磁悬浮线圈注入电流令磁悬浮的转子位置移动。

8.根据权利要求7 所述的磁悬浮转子自动起浮方法，其特征在于，所述四点渐进旋转后磁悬浮四点起浮时，所述四点提供的作用力处于正交的方向，且施加的作用力的方向依次递进90 度。

9.根据权利要求1 所述的磁悬浮转子自动起浮方法，其特征在于，步骤S4 前还包括步骤：

S2、按照磁悬浮默认的永磁力的中心进行起浮；

S3、如果起浮成功，记录默认的永磁力的起浮中心和起浮位置，如果不成功，进入步骤S4。