CN105444869B - 一种间接测量旋转体旋转时转子横向摆动幅度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量转子横向摆动幅度的方法及其应用系统，所述方法包括如下步骤：旋转体在强磁下高速旋转，其端面有一个导磁的正六角突起图形.面对其边缘上端的感应线圈切割磁力线，在感应线圈上输出一个感应电压VC.旋转体每转一周则感应六个电压波形；所述波形类似正弦，线圈切割磁力线,由于正六角突起图形的角和边相对于感应线圈的中心距不同，其产生的感应电压值也不同；“顶点角”，视为离感应线圈的中心距近，扫过感应线圈中心点时的感应电压值高，电压波形上半部的峰值；而“边”，视为离感应线圈的中心距远，扫过感应线圈中心点时的感应电压值低。

Description

一种间接测量旋转体旋转时转子横向摆动幅度的方法和系统

技术领域

本发明涉及磁力轴承系统技术领域，特别是涉及一种间接测量旋转体旋转时转子横向摆动幅度的方法和系统。

背景技术

电动机可具有定子和带永磁体的转子，例如内永磁体(IPM)电动机或IPM同步电动机。根据某些现有技术，内永磁体(IPM)电动机或IPM同步电机所使用的转子对准方案可能与通常使用表面安装的永磁体电动机所使用的转子对准方案不同，这是因为IPM电动机或机器中的磁转矩分量和磁阻分量沿不同的轴线。根据另一些现有技术，用反电动势测量方法校准电动机通常需要辅助电动机去转动测试的IPM电动机或机器的轴，而这对于在车辆的正常启动和操作过程中进行车辆的电动机位置的现场校准而言是不实际或不可行的。因此，需要一种改进的方法和系统，去校准或现场校准电动机的位置偏移量。

磁力轴承系统是一种无摩擦、不需润滑的轴承系统，适用于某些具有特殊需求的旋转机械，目前磁力轴承系统的应用已日益广泛。磁力轴承系统工作时，转子受电磁力作用而保持在悬浮状态，与定子组件无接触。磁力轴承系统本身是不稳定的，因此需要实时地根据转子的位置调节电磁力，才能保证转子稳定地悬浮在工作位置。磁力轴承系统的电磁力的调节是通过调节轴承电流实现的。

传统的磁力轴承控制方法中，一般只是根据转子的位置以及转子位置变化的速度调节轴承电磁力。当转子高速旋转时，在不平衡力的作用下，转子将偏离工作位置，而此时控制方法只是被动地调节转子位置，力图将转子轴线恢复到设定的工作位置。这种控制策略不可避免地存在延迟，又由于磁力轴承系统工作时转子与定子存在间隙，故而当转子转速较高时，转子在不平衡力的作用下将围绕工作位置出现较大幅度的振动，这种振动与转子转速相同，故称为同频振动。在对转子轴线位置要求很高的应用场合，如高精度机床主轴等，这种振动将产生十分不利的影响。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种间接测量旋转体旋转时转子横向摆动幅度的方法和系统。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种测量转子横向摆动幅度的方法，所述方法包括如下步骤：

旋转体在强磁下高速旋转，其端面有一个导磁的正六角突起图形.面对其边缘上端的感应线圈切割磁力线，在感应线圈上输出一个感应电压VC.旋转体每转一周则感应六个电压波形；

所述波形类似正弦，线圈切割磁力线,由于正六角突起图形的角和边相对于感应线圈的中心距不同，其产生的感应电压值也不同；

“顶点角”，视为离感应线圈的中心距近，扫过感应线圈中心点时的感应电压值高如图3电压波形上半部的峰值；而“边”，视为离感应线圈的中心距远，扫过感应线圈中心点时的感应电压值低。

在旋转体无振动平稳旋转时六个感应电压波形应该完全一样，即有相同的峰值，又有相同的谷值；如果导磁的正六角突起图形没有加工误差，是完美的，在旋转体无摆动平稳旋转时其六个电压波形应该完全一样其电压波形VC的包络值为0，这时旋转体旋转振动为零，此六个感应电压波形称为标准感应电压波形。

当旋转体旋转有振动时，此六个感应电压波形不一致，电压波形VC的包络值不为0，此VC的包络值大小与旋转体旋转振动相对应，即应用旋转体旋转时转子横向摆动幅度检测算法计算旋转体旋转振动值；

由于感应电压与旋转体旋转速度有关，所以六个波形比较时应在同一旋转体旋转速度下比较，单位为转/秒；此时旋转体旋转频率不变，注意到旋转体仅旋转一圈即可测量六个感应电压波形；而旋转体旋转一圈的时间是很小的，在6r/s<旋转速度<1666.5转/秒时，旋转体旋转一圈的时间范围在：0.6ms<T<167ms，实际测量时旋转体可加速旋转，也可减速旋转，但旋转一圈的时间T段内速度变化可以忽略为0。

旋转体旋转时应用感应电压波形间接测量振动的，利用测速线圈信号测量转子的振动信号，属于间接测量方式，所述测量方法不需改变机器原有的任何设计，不增加机器本身的任何成本。

波形间接振动测量法虽然干扰多，振动测量误差大，但测量仪器较廉，而且只用原安装在旋转体内的测量频率的感应线圈的输出电压来测量振动，除此外还可间接测量出相位和旋转体在高速旋转时的变形，旋转体的公转振动偏移参数；这些参数的综合可对旋转体旋转时的振动给出评估，对旋转体制造厂的工艺生产有益。

所述方法的应用系统：

典型的直接振动测量法是在旋转体转速(感应电压波形)测量的基础上，在旋转体侧面上打孔安装电涡流振动测量传感器进行直接振动测量。见附图1至附图3。

该测量方法直接、精度高，适合在科研实验中采用。但是在实际应用中，由于该测量方法的测量仪器价格昂贵，不宜大量采购。而且为了满足生产应用需求在实际应用中一般无法满足在旋转体侧面上打孔安装电涡流振动测量传感器进行直接振动测量。

所以，改进的方法就是取消侧面上打孔安装的振动测量传感器，仅采用感应线圈的输出电压VC,既测量旋转体转速又能测量旋转体的振动，这种方法称为利用旋转体感应电压波形的智能间接测量旋转体旋转时转子横向摆动(震动)幅度法。

基本原理

利用旋转体感应电压波形的智能间接测量旋转体旋转时转子横向摆动(震动)幅度法原理:

旋转体在强磁下高速旋转,其端面有一个导磁的正六角突起图形.面对其边缘上端的感应线圈切割磁力线,在感应线圈上输出一个感应电压VC.旋转体每转一周则感应六个电压波形如附图3.

在图中可见其波形类似正弦，线圈切割磁力线,由于正六角突起图形的角和边相对于感应线圈的中心距不同,其产生的感应电压值也不同。顶点角(顶点角可视为离感应线圈的中心距近)扫过感应线圈中心点时的感应电压值高如图电压波形上半部的峰值,而边(边可视为离感应线圈的中心距远)扫过感应线圈中心点时的感应电压值低如图电压波形下半部的谷值。

在旋转体无振动平稳旋转时六个感应电压波形应该完全一样,即有相同的峰值,又有相同的谷值。如果导磁的正六角突起图形没有加工误差,是完美的,在旋转体无摆动平稳旋转时其六个电压波形应该完全一样其电压波形VC的包络值为0。这时旋转体旋转振动为零。此六个感应电压波形称为标准感应电压波形。

当旋转体旋转有振动时，此六个感应电压波形不一致，电压波形VC的包络值不为0。此VC的包络值大小与旋转体旋转振动相对应，即应用旋转体旋转时转子横向摆动(震动)幅度检测算法可以计算旋转体旋转振动值。

由于感应电压与旋转体旋转速度有关,所以六个波形比较时应在同一旋转体旋转速度(单位r/s,即转/秒)下比较(此时旋转体旋转频率不变)，注意到旋转体仅旋转一圈即可测量六个感应电压波形。而旋转体旋转一圈的时间是很小的(在6r/s<旋转速度<1666.5转/秒时，旋转体旋转一圈的时间范围在：0.6ms<T<167ms),实际测量时旋转体有可能加速旋转,也可能减速旋转,但旋转一圈的时间T段内速度变化可以忽略为0。

根据上述分析原理可得出一个简单结论,即正六角突起图形角边在扫过感应线圈中心点时,若距离大(远)则感应电压波形小,而距离小(近)则感应电压波形大。感应电压波形VC的包络值已经含有相对于感应线圈的中心距变化的数据。由于感应线圈的中心位置在旋转体安装后是固定的所以测出相对于感应线圈的中心距变化的转子振幅就是当前旋转体旋转频率下水平方向上的转子振幅值。

旋转体旋转时应用感应电压波形间接测量振动的利用测速线圈信号测量转子的振动信号,属于间接测量方式。该测量方法最大的优势就在于不需改变机器原有的任何设计,不增加机器本身的任何成本。

波形间接振动测量法虽然干扰多,振动测量误差大,但测量仪器较廉.而且只用原安装在旋转体内的测量频率的感应线圈的输出电压来测量振动,除此外还可间接测量出相位(重心偏移位置)和旋转体在高速旋转时的变形(伸长或缩短),旋转体的公转振动偏移等参数。这些参数的综合是可以对旋转体旋转时的振动给出一个综合而恰当的评估，对旋转体制造厂的工艺生产有益，能对应用旋转体生产产品的工厂的保养,维护检修做出合理的评估。

由于应用旋转体工作的生产厂使用的旋转体高达上百万台,所以该方法是有很大意义的.由于有较高的性价比利于大规模推广应用。

电子开关和放大环节必须能在整个感应电压范围内不失真.(高保真)。

AD采样器必须能在整个频率范围内采样足够的高精度数据.采用了采样频率>1MC的16bit高速高精度AD采样器。

相位测量(重心偏移位置略)

旋转体在高速旋转时的变形(伸长或缩短)测量略

系统的振动测量误差分析：

实际上除了旋转体旋转有振动外,正六角突起图形和旋转体的圆整度加工误差,磁场的均匀度和变化(如测速线圈的差异,导磁环的机械加工误差,测速线圈安装位置和距离的差异,转子伸长量变化等),测量系统的测量误差,外界电压干扰(低频尤甚),放大整形电压波形畸变和硬件测量系统,软件处理，数据算法等都影响测量误差。

测量系统的主要硬件和指标

旋转体旋转时应用感应电压波形间接振动测量法的难点是由于测速线圈靠切割磁力线产生感应电压,即应用感应电压与旋转速度基本成正比,在低频端感应电压低达数毫伏,而高频端感应电压达6V-8V。而且频率范围从小于等于36Hz(6r/s*6＝36Hz)到9999Hz(1666.5r/s*6＝9999Hz)。为了在外界电压干扰下不失真的传输电压波形到AD采样窗口，必须在传输和整形的全部环节中不用或少用滤波器和电容.必须尽量减少信号传输线的长度,信号传输线间必须尽量隔离。

试验数据与曲线分析:

实验手段

数据采集模块直接与实验转子连接,测量实验转子的振动信号。

在同一台实验转子上安装电涡流传感器，直接测量转子的振动信号。

将两种方法测量得到的实验数据进行比较。

该实验是在清华由清华大学工程物理系旋转体实验室由清华,中核(天津)机械有限公司和北京安特帕斯计算机网络技术有限公司三方共同试验而得。

结论:

实验三次共三组,每组两条曲线，曲线吻合度较好。

测量模块和系统：

为了在外界电压干扰下不失真的传输电压波形到AD采样窗口.采用靠近信号源的测量模块(一个机架一个测量模块)和每个测量模块靠通信线与主机通信的网络分布系统.目前采用ETHERNET(以太网络)+CAN总线通信。

为了确保模块可靠性，模块采用双MCU模式行进设计，一个MCU主要负责对20个通道进行选通及频率、电压幅值、振幅、功率功耗等测量功能。另一个MCU专门负责完成CAN通信命令响应及自我检测功能。模块采用的MCU和主要元器件为“军用”级期间，其他元件均采用“工业级”器件。PCB板采用双层板设计。

如附图6所示，本频率测振模块带有专用接口(接头)，应用旋转体旋转时感应电压波形间接测量振动法，测量旋转体旋转频率、摩擦功耗和升周功率(以下简称功耗功率)，同时可测量旋转时转子的横向振动的振幅。

频率测振模块主要有外壳(壳体)及电路板两部分组成。

模块接口：如图6所示，模块对外设置2个接口。表1

供电通信接口功能定义下表2：

针脚号	功能	备注
			1	CAN+
2	CAN-
			3	CAN总线屏蔽地
4	24V-
			5	24V+
6	信号地	信号地用于连接机器外壳

●指示灯：如图7所示，模块设置2个指示灯，表3。

附图说明

图1是旋转体频率测振结构图；

图2是上端面结构示意图，其中上端面为六角(或十二角)的多边形；

图3是感应电压波形图；

图4是频率测振模块原理图；

图5是频率测振模块结构示意图；

图6是频率测振模块结构侧视图；

图7是频率测振模块结构俯视图；

其中，1是旋转体，2是电涡流振动测量传感器，3是上端面，4是测速线圈，5是感应线圈的输出电压VC，6是感应线圈的输出电压包络，7是供电通信接口，8是信号接口，9是电源指示灯，10是通信状态指示灯。

具体实施方式

一种测量转子横向摆动幅度的方法，所述方法包括如下步骤：

旋转体在强磁下高速旋转，其端面有一个导磁的正六角突起图形，面对其边缘上端的感应线圈切割磁力线，在感应线圈上输出一个感应电压VC，旋转体每转一周则感应六个电压波形；

所述波形为正弦，线圈切割磁力线，由于正六角突起图形的角和边相对于感应线圈的中心距不同，其产生的感应电压值也不同；

“顶点角”，视为离感应线圈的中心距近，扫过感应线圈中心点时的感应电压值高，为电压波形上半部的峰值；而“边”，视为离感应线圈的中心距远，扫过感应线圈中心点时的感应电压值低。

在旋转体无振动平稳旋转时，六个感应电压波形应该完全一样，既有相同的峰值，又有相同的谷值；如果导磁的正六角突起图形没有加工误差，是完美的，在旋转体无摆动平稳旋转时其六个电压波形应该完全一样其电压波形VC的包络值为零，这时旋转体旋转振动为零，此六个感应电压波形称为标准感应电压波形。

当旋转体旋转有振动时，此六个感应电压波形不一致，电压波形VC的包络值不为零，此VC的包络值大小与旋转体旋转振动相对应，即应用旋转体旋转时转子横向摆动幅度检测算法计算旋转体旋转振动值；

由于感应电压与旋转体旋转速度有关，所以六个波形比较时应在同一旋转体旋转速度下比较，单位为转/秒；此时旋转体旋转频率不变，注意到旋转体仅旋转一圈即可测量六个感应电压波形；而旋转体旋转一圈的时间是很小的，在6r/s<旋转速度<1666.5转/秒时，旋转体旋转一圈的时间范围在：0.6ms<T<167ms，实际测量时旋转体可加速旋转，也可减速旋转，但旋转一圈的时间T段内速度变化可以忽略为零。

旋转体旋转时应用感应电压波形间接测量振动的，利用测速线圈信号测量转子的振动信号，属于间接测量方式，所述测量方法不需改变机器原有的任何设计，不增加机器本身的任何成本。

所述方法的测量仪器廉价，只用原安装在旋转体内的测量频率的感应线圈的输出电压来测量振动，除此外还可间接测量出相位和旋转体在高速旋转时的变形，旋转体的公转振动偏移参数；这些参数的综合可对旋转体旋转时的振动给出评估，对旋转体制造厂的工艺生产有益。

所述系统包括测量模块和测量系统，采用靠近信号源的测量模块，一个机架一个测量模块，和每个测量模块靠通信线与主机通信的网络分布系统；

所述测量模块采用双MCU模式行进设计，一个MCU主要负责对20个通道进行选通及频率、电压幅值、振幅、功率功耗的测量功能；另一个MCU专门负责完成CAN通信命令响应及自我检测功能；模块采用的MCU和主要元器件为“军用”级器件，其他元件均采用“工业级”器件；PCB板采用双层板设计；

频率测振模块带有专用接口，应用旋转体旋转时感应电压波形间接测量振动法，测量旋转体旋转频率、摩擦功耗和升周功率，同时可测量旋转时转子的横向振动的振幅；所述频率测振模块主要有外壳及电路板两部分组成。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种测量转子横向摆动幅度的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

旋转体在强磁下高速旋转，其端面有一个导磁的正六角突起图形，面对其边缘上端的感应线圈切割磁力线，在感应线圈上输出一个感应电压VC，旋转体每转一周则感应六个电压波形；

所述波形为正弦，线圈切割磁力线，由于正六角突起图形的角和边相对于感应线圈的中心距不同，其产生的感应电压值也不同；

“顶点角”，视为离感应线圈的中心距近，扫过感应线圈中心点时的感应电压值高，为电压波形上半部的峰值；而“边”，视为离感应线圈的中心距远，扫过感应线圈中心点时的感应电压值低；

在旋转体无振动平稳旋转时，六个感应电压波形应该完全一样，既有相同的峰值，又有相同的谷值；如果导磁的正六角突起图形没有加工误差，在旋转体无摆动平稳旋转时其六个电压波形应该完全一样其电压波形VC的包络值为零，这时旋转体旋转振动为零，此六个感应电压波形称为标准感应电压波形；

当旋转体旋转有振动时，此六个感应电压波形不一致，电压波形VC的包络值不为零，此VC的包络值大小与旋转体旋转振动相对应，即应用旋转体旋转时转子横向摆动幅度检测算法计算旋转体旋转振动值；

由于感应电压与旋转体旋转速度有关，所以六个波形比较时应在同一旋转体旋转速度下比较，单位为转/秒；此时旋转体旋转频率不变，注意到旋转体仅旋转一圈即可测量六个感应电压波形；而旋转体旋转一圈的时间是很小的，在6r/s<旋转速度<1666.5转/秒时，旋转体旋转一圈的时间范围在：0.6ms<T<167ms，实际测量时旋转体可加速旋转，也可减速旋转，但旋转一圈的时间T段内速度变化可以忽略为零。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：旋转体旋转时应用感应电压波形间接测量振动的，利用测速线圈信号测量转子的振动信号，属于间接测量方式。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法的测量仪器只用原安装在旋转体内的测量频率的感应线圈的输出电压来测量振动，除此外还可间接测量出相位和旋转体在高速旋转时的变形，旋转体的公转振动偏移参数；这些参数的综合可对旋转体旋转时的振动给出评估。

4.权利要求1所述方法的应用系统，其特征在于：所述系统包括测量模块和测量系统，采用靠近信号源的测量模块，一个机架一个测量模块，和每个测量模块靠通信线与主机通信的网络分布系统；

所述测量模块采用双MCU模式进行设计，一个MCU主要负责对20个通道进行选通及频率、电压幅值、振幅、功率功耗的测量功能；另一个MCU专门负责完成CAN通信命令响应及自我检测功能；模块采用的MCU和主要元器件为“军用”级器件，其他元件均采用“工业级”器件；PCB板采用双层板设计；

频率测振模块带有专用接口，应用旋转体旋转时感应电压波形间接测量振动法，测量旋转体旋转频率、摩擦功耗和升周功率，同时可测量旋转时转子的横向振动的振幅；所述频率测振模块主要有外壳及电路板两部分组成。