CN105891742A - 一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置及方法。在转子的上侧、下侧、前侧、后侧各设有一个电极，从而由上电极、下电极、前电极、后电极分别和转子形成电容，分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；由第一电容、第二电容与两个第一标称电容组成第一差动电容电桥电路，由第三电容、第四电容与两个第二标称电容组成第二差动电容电桥电路；悬浮线圈产生悬浮力使转子悬空，并具有一定的磁力梯度；驱动转子高速恒速旋转，转子重力方向的微位移由第一差动电容电桥电路测得，水平方向的微位移由第二差动电容电桥电路测得；当外部的激振波频率与转子的固有频率相同时，产生共振，此时确定激振波频率的大小，通过公式求出磁力梯度的大小。

Description

一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置及方法。

背景技术

磁悬浮系统转子的结构设计中，非接触电磁力支承转子悬浮具有无摩擦损耗，能耗小等优点，由于悬浮间隙小，转子通过临界转速时的控制尤为重要，转子振动振幅过大会使转子剐蹭，导致系统无法正常工作，因此要设计理想的电磁结构及确定优化电磁系统磁力梯度非常关键。实际的磁悬浮系统转子悬浮间隙通常很小，通常实际测量磁悬浮系统的磁力梯度非常困难，一般均以计算值作为实际值，但实际值的误差过大会导致估算转子临界转速出现大的误差，对有效控制和改善转子动态特性非常不利。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置及方法。

一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置，所述磁悬浮系统包括悬浮线圈和转子，向悬浮线圈通入电流，悬浮线圈产生悬浮力使转子悬空，并具有一定的磁力梯度，该装置为：

在转子的上侧、下侧、前侧、后侧各设有一个电极，分别为上电极、下电极、前电极和后电极；转子与各电极相隔开，使转子能够悬浮于电极之间进行旋转；从而由上电极、下电极、前电极、后电极分别和转子形成电容，分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；由第一电容、第二电容与两个第一标称电容组成第一差动电容电桥电路，由第三电容、第四电容与两个第二标称电容组成第二差动电容电桥电路；当转子位于上电极和下电极之间的中间位置时，第一电容的电容值C₁＝第二电容的电容值C₂＝第一标称电容的电容值C_标1；当转子位于前电极和后电极的中间位置时，第三电容的电容值C₃＝第四电容的电容值C₄＝第二标称电容的电容值C_标2。

一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置，所述磁悬浮系统包括下悬浮线圈和转子，所述转子为空心薄壁的超导球形转子，其顶部设有极轴孔；下悬浮线圈和转子位于密闭的外壳内部；向下悬浮线圈通入电流，下悬浮线圈产生悬浮力使转子悬空，并具有一定的磁力梯度，该装置为：

在转子的上侧、下侧、前侧、后侧各设有一个电极，分别为上电极、下电极、前电极和后电极，前电极和后电极相对设置，并位于上电极和下电极之间；其中下悬浮线圈位于下电极下侧；上电极、下电极、前电极和后电极的内表面共同形成一个球形空腔，为转子腔，转子位于转子腔内；转子与各电极相隔开，使转子能够悬浮于电极之间进行旋转；

所述前电极和后电极作为中间电极，所述上电极与中间电极之间、前电极和后电极之间、以及中间电极与下电极之间设有绝缘层，从而由上电极、下电极、前电极、后电极分别和转子形成电容，分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；由第一电容、第二电容与两个第一标称电容组成第一差动电容电桥电路，由第三电容、第四电容与两个第二标称电容组成第二差动电容电桥电路；当转子位于上电极和下电极之间的中间位置时，第一电容的电容值C₁＝第二电容的电容值C₂＝第一标称电容的电容值C_标1；当转子位于前电极和后电极的中间位置时，第三电容的电容值C₃＝第四电容的电容值C₄＝第二标称电容的电容值C_标2；

前电极和后电极之间的两个绝缘层上分别设有气孔，其中一个气孔为进气孔，另一个为出气孔，使得转子腔与加转气体管路连通；测量时，通过向进气孔通入一定压强的气体带动转子旋转获得高转速，所述转子通过极轴孔通气保证转子内外压力相等，当加速到需要的转速后从出气孔抽出转子腔内的气体，使转子在真空环境下恒速旋转。

该装置还包括极轴光纤传感器；所述极轴光纤传感器的光路位于极轴孔的正上方并对准极轴孔；测量过程中，极轴光纤传感器的光路对准极轴孔，光信号进入极轴孔内无反射信号返回极轴光纤传感器，保证转子的极轴始终处于垂直状态。

所述绝缘层为环氧树脂材料。

所述磁悬浮系统还包括上悬浮线圈；所述上悬浮线圈位于上电极上侧；向上悬浮线圈和下悬浮线圈通入大小不同的电流，通过上悬浮线圈和下悬浮线圈产生悬浮力使转子悬浮，并具有一定的磁力梯度。

所述电极采用超导材料，则上电极和下电极上设有通孔，使磁力线能够穿过。

上述装置测量磁力梯度的方法，包括以下步骤：

向悬浮线圈通入电流，产生悬浮力使转子悬浮并具有一定的磁力梯度；驱动转子以其工作转速恒速旋转，并保证其极轴的方向始终稳定；所述转子重力方向的微振动位移由第一差动电容电桥电路测量获得，水平方向的微振动位移由第二差动电容电桥电路测量获得；

测量转子重力方向上的微振动位移的方法是：向第一差动电容电桥电路输入激励电压，即向上电极和下电极通入幅值相等极性相反的交流电压作为激励电压，输入电压频率为0.5-10MHz、幅值为1-50V；当转子在上电极和下电极之间的中间位置时，第一差动电容电桥电路输出电压为零，在重力方向发生微位移时，第一差动电容电桥输出一定大小的电压值，通过标定输出的电压幅值与转子微振动位移的线性关系，即可通过测量输出的电压获得转子微振动位移的大小；

同时使磁悬浮系统的外部的触发装置产生不同频率的上下方向传播的激振波，当激振波频率f与转子重力方向上的固有频率f₁相同时，产生共振，此时转子在重力方向上的振动幅值A₁最大，通过第一差动电容电桥电路测量得到的电压最大，此时确定激振波频率f的大小，并通过公式求出磁悬浮系统垂直方向磁力梯度K的大小，公式中m为转子的质量；

同理，测量转子水平方向上的微振动位移的方法是：通过向第二差动电容电桥电路输入激励电压，即向前电极和后电极通入幅值相等极性相反的交流电压作为激励电压，输入电压频率为0.5-10MHz、幅值为1-50V；当转子在前电极和后电极之间的中间位置时，第二差动电容电桥电路输出电压为零，在水平方向发生微位移时，第二差动电容电桥电路输出一定大小的电压值，通过标定输出的电压幅值与转子微振动位移线性关系，即可通过测量输出的电压获得转子微振动位移的大小；

同时使磁悬浮系统的外部的触发装置产生不同频率的前后方向传播的激振波，当激振波频率f＇与转子水平方向上的固有频率f₁＇相同时，产生共振，此时转子在水平方向上的振动幅值A₁＇最大，通过第二差动电容电桥电路测量得到的电压最大，此时确定激振波频率f＇的大小，并通过公式求出磁悬浮系统水平方向磁力梯度K＇的大小，公式中m为转子的质量。

若电容电桥电路测量分辨率的要求较高，各电极尺寸应尽量大；若电容电桥电路测量分辨率的要求不高，各电极尺寸可相应缩小，以节省系统空间。

本发明的有益效果为：

本发明实现了实际测量磁悬浮系统的磁力梯度。本发明使得在悬浮间隙狭小的复杂结构的磁悬浮系统中测量得到实际的磁力梯度，从而便于验证磁悬浮系统电磁结构设计的正确性，并为获得不同磁力梯度下对应的临界转速等参数提供重要信息。且本发明装置简单，操作简便，为磁悬浮系统的设计提供了技术支撑。

附图说明

图1为实施例1一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置示意图；

图2为中间电极的示意图；

图3为转子振动幅值A与激振波频率f的关系图；

图4为实施例2中各电极的布置图。

标号说明：1-转子腔，2-上悬浮线圈，3-下悬浮线圈，4-转子，5-极轴孔，6-上电极，7-下电极，8-1-前电极，8-2-后电极，9-极轴光纤传感器，10-进气孔，11-出气孔，12-第一绝缘层，13-第二绝缘层，14-第三绝缘层，15-第四绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

如图1-图2所示一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置，所述磁悬浮系统，其上悬浮线圈2、下悬浮线圈3和转子4位于密闭的外壳内部；所述转子4为铌材料的空心薄壁球形转子，其顶部设有极轴孔5，极轴光纤传感器9的光路位于极轴孔5的正上方并对准极轴孔5；该装置为：

在转子的上侧、下侧、前侧、后侧各设有一个铌电极，分别为上电极6、下电极7、前电极8-1和后电极8-2，其中上悬浮线圈2位于上电极6上侧，下悬浮线圈3位于下电极7下侧，上电极6和下电极7的中部分别设有通孔，使磁力线能够穿过电极到达转子表面；上电极6、下电极7、上悬浮线圈2和下悬浮线圈3中部的通孔大小相等，且通孔的轴心线与转子4的极轴在一条直线上。前电极8-1和后电极8-2为半圆环状，两者位于上电极6和下电极7之间，并相对设置形成圆环，四个电极的内表面共同形成一个球形空腔，为转子腔1，转子4位于转子腔1内，并与各电极相隔开，使转子4能够悬浮于电极之间进行旋转。

所述前电极8-1和后电极8-2作为中间电极，所述上电极6与中间电极之间设有第一绝缘层12、前电极8-1和后电极8-2之间分别设有第三绝缘层14和第四绝缘层15、以及中间电极与下电极7之间设有第二绝缘层13，从而由上电极、下电极、前电极、后电极分别和转子形成电容，分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；由第一电容、第二电容与两个第一标称电容组成第一差动电容电桥电路，由第三电容、第四电容与两个第二标称电容组成第二差动电容电桥电路；当转子位于上电极和下电极之间的中间位置时，第一电容的电容值C₁＝第二电容的电容值C₂＝第一标称电容的电容值C_标1；当转子位于前电极和后电极的中间位置时，第三电容的电容值C₃＝第四电容的电容值C₄＝第二标称电容的电容值C_标2；其中，所述绝缘层为环氧树脂材料。

前电极6和后电极7之间的两个绝缘层上分别设有直线圆柱管道形状的气孔，其中一个气孔为进气孔10，另一个为出气孔11，使得转子腔1与加转气体管路连通。

上述一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置的测量方法，包括以下步骤：

通过向进气孔10通入一定压强的气体带动转子4旋转获得高转速，所述转子4通过极轴孔5通气保证转子4内外压力相等，当加速到需要的转速后从出气孔11抽出转子腔1内的气体使转子4在真空环境下恒速旋转；工作过程中，极轴光纤传感器的光路对准极轴孔，光信号进入极轴孔内无反射信号返回极轴光纤传感器，保证转子的极轴处于垂直状态；

向上悬浮线圈2和下悬浮线圈3通入大小不同的电流，通过上悬浮线圈2和下悬浮线圈3产生悬浮转子4的悬浮力并具有一定的磁力梯度；所述转子4重力方向的微振动位移由第一差动电容电桥电路测量获得，水平方向的微振动位移由第二差动电容电桥电路测量获得；

测量转子4重力方向上的微振动位移的方法是：通过向第一差动电容电桥电路输入激励电压，即向上电极6和下电极7通入幅值相等极性相反的交流电压作为激励电压，输入电压频率为0.5-10MHz、幅值为1-50V；当转子4在上电极6和下电极7之间的中间位置时，第一差动电容电桥电路输出电压为零，在重力方向发生微位移时，第一差动电容电桥输出一定大小的电压值，通过标定输出的电压幅值与转子4微位移线性关系，如图3所示，即可通过测量输出的电压获得转子4微振动位移的大小；

同时使磁悬浮系统的外部的电磁信号发生器产生不同频率的上下方向传播的激振电磁波，当激振波频率f与转子重力方向上的固有频率f₁相同时，产生共振，此时转子4在重力方向上的振动幅值A₁最大，通过第一差动电容电桥电路测量得到的电压最大，此时确定激振波频率f的大小，并通过公式求出磁悬浮系统垂直方向磁力梯度K的大小，公式中m为转子4的质量；

同理，测量转子4水平方向上的微振动位移的方法是：通过向第二差动电容电桥电路输入激励电压，即向前电极8-1和后电极8-2通入幅值相等极性相反的交流电压作为激励电压，输入电压频率为0.5-10MHz、幅值为1-50V；当转子4在前电极8-1和后电极8-2之间的中间位置时，第二差动电容电桥电路输出电压为零，在水平方向发生微振动位移时，第二差动电容电桥电路输出一定大小的电压值，通过标定输出的电压幅值与转子微位移线性关系，即可通过测量输出的电压获得转子4微振动位移的大小；

同时使磁悬浮系统的外部的电磁信号发生器产生不同频率的前后方向传播的激振电磁波，当激振波频率f＇与转子水平方向上的固有频率f₁＇相同时，产生共振，此时转子在水平方向上的振动幅值A₁＇最大，通过第二差动电容电桥电路测量得到的电压最大，此时确定激振波频率f＇的大小，并通过公式求出磁悬浮系统水平方向磁力梯度K＇的大小，公式中m为转子的质量。

实施例2

一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置，所述磁悬浮系统为磁悬浮轴承，轴芯的中心轴沿左右方向伸展。如图4所示，在轴芯周向的上侧、下侧、前侧、后侧各设有一个电极，分别为上电极、下电极、前电极和后电极；轴芯与各电极相隔开，使轴芯能够悬浮于电极之间进行旋转；从而由上电极、下电极、前电极、后电极分别和轴芯形成电容，分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；由第一电容、第二电容与两个第一标称电容组成第一差动电容电桥电路，由第三电容、第四电容与两个第二标称电容组成第二差动电容电桥电路；当轴芯位于上电极和下电极之间的中间位置时，第一电容的电容值C₁＝第二电容的电容值C₂＝第一标称电容的电容值C_标1；当轴芯位于前电极和后电极的中间位置时，第三电容的电容值C₃＝第四电容的电容值C₄＝第二标称电容的电容值C_标2。

向悬浮线圈通入电流，通过悬浮线圈产生悬浮轴芯的悬浮力并具有一定的磁力梯度；驱动轴芯以工作转速绕其中心轴恒速旋转，所述轴芯重力方向的微振动位移由第一差动电容电桥电路测量获得，水平方向的微振动位移由第二差动电容电桥电路测量获得；重力方向和水平方向的磁力梯度的测量方法同实施例1。

Claims (7)

1.一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置，所述磁悬浮系统包括悬浮线圈和转子，向悬浮线圈通入电流，悬浮线圈产生悬浮力使转子悬空，并具有一定的磁力梯度，其特征在于，该装置为：

在转子的上侧、下侧、前侧、后侧各设有一个电极，分别为上电极、下电极、前电极和后电极；转子与各电极相隔开，使转子能够悬浮于电极之间进行旋转；从而由上电极、下电极、前电极、后电极分别和转子形成电容，分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；由第一电容、第二电容与两个第一标称电容组成第一差动电容电桥电路，由第三电容、第四电容与两个第二标称电容组成第二差动电容电桥电路；当转子位于上电极和下电极之间的中间位置时，第一电容的电容值C₁＝第二电容的电容值C₂＝第一标称电容的电容值C_标1；当转子位于前电极和后电极的中间位置时，第三电容的电容值C₃＝第四电容的电容值C₄＝第二标称电容的电容值C_标2。

2.一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置，所述磁悬浮系统包括下悬浮线圈和转子，所述转子为空心薄壁的超导球形转子，其顶部设有极轴孔；下悬浮线圈和转子位于密闭的外壳内部；向下悬浮线圈通入电流，下悬浮线圈产生悬浮力使转子悬空，并具有一定的磁力梯度，其特征在于，该装置为：

在转子的上侧、下侧、前侧、后侧各设有一个电极，分别为上电极、下电极、前电极和后电极，前电极和后电极相对设置，并位于上电极和下电极之间；其中下悬浮线圈位于下电极下侧；上电极、下电极、前电极和后电极的内表面共同形成一个球形空腔，为转子腔，转子位于转子腔内；转子与各电极相隔开，使转子能够悬浮于电极之间进行旋转；

所述前电极和后电极作为中间电极，所述上电极与中间电极之间、前电极和后电极之间、以及中间电极与下电极之间设有绝缘层，从而由上电极、下电极、前电极、后电极分别和转子形成电容，分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；由第一电容、第二电容与两个第一标称电容组成第一差动电容电桥电路，由第三电容、第四电容与两个第二标称电容组成第二差动电容电桥电路；当转子位于上电极和下电极之间的中间位置时，第一电容的电容值C₁＝第二电容的电容值C₂＝第一标称电容的电容值C_标1；当转子位于前电极和后电极的中间位置时，第三电容的电容值C₃＝第四电容的电容值C₄＝第二标称电容的电容值C_标2；

前电极和后电极之间的两个绝缘层上分别设有气孔，其中一个气孔为进气孔，另一个为出气孔，使得转子腔与加转气体管路连通；测量时，通过向进气孔通入一定压强的气体带动转子旋转获得高转速，所述转子通过极轴孔通气保证转子内外压力相等，当加速到需要的转速后从出气孔抽出转子腔内的气体，使转子在真空环境下恒速旋转。

3.根据权利要求2所述一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置，其特征在于，该装置还包括极轴光纤传感器；所述极轴光纤传感器的光路位于极轴孔的正上方并对准极轴孔；测量过程中，极轴光纤传感器的光路对准极轴孔，光信号进入极轴孔内无反射信号返回极轴光纤传感器，保证转子的极轴始终处于垂直状态。

4.根据权利要求2所述一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置，其特征在于，所述绝缘层为环氧树脂材料。

5.根据权利要求2所述一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置，其特征在于，所述磁悬浮系统还包括上悬浮线圈；所述上悬浮线圈位于上电极上侧；向上悬浮线圈和下悬浮线圈通入大小不同的电流，通过上悬浮线圈和下悬浮线圈产生悬浮力使转子悬浮，并具有一定的磁力梯度。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置，其特征在于，所述电极采用超导材料，则上电极和下电极上设有通孔，使磁力线能够穿过。

7.权利要求1-5任一权利要求所述一种测量磁悬浮系统磁力梯度的装置测量磁力梯度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

向悬浮线圈通入电流，产生悬浮力使转子悬浮并具有一定的磁力梯度；驱动转子以其工作转速恒速旋转，并保证其极轴的方向始终稳定；所述转子重力方向的微振动位移由第一差动电容电桥电路测量获得，水平方向的微振动位移由第二差动电容电桥电路测量获得；

测量转子重力方向上的微振动位移的方法是：向第一差动电容电桥电路输入激励电压，即向上电极和下电极通入幅值相等极性相反的交流电压作为激励电压，输入电压频率为0.5-10MHz、幅值为1-50V；当转子在上电极和下电极之间的中间位置时，第一差动电容电桥电路输出电压为零，在重力方向发生微位移时，第一差动电容电桥输出一定大小的电压值，通过标定输出的电压幅值与转子微振动位移的线性关系，即可通过测量输出的电压获得转子微振动位移的大小；

同时使磁悬浮系统的外部的触发装置产生不同频率的上下方向传播的激振波，当激振波频率f与转子重力方向上的固有频率f₁相同时，产生共振，此时转子在重力方向上的振动幅值A₁最大，通过第一差动电容电桥电路测量得到的电压最大，此时确定激振波频率f的大小，并通过公式求出磁悬浮系统垂直方向磁力梯度K的大小，公式中m为转子的质量；

同理，测量转子水平方向上的微振动位移的方法是：通过向第二差动电容电桥电路输入激励电压，即向前电极和后电极通入幅值相等极性相反的交流电压作为激励电压，输入电压频率为0.5-10MHz、幅值为1-50V；当转子在前电极和后电极之间的中间位置时，第二差动电容电桥电路输出电压为零，在水平方向发生微位移时，第二差动电容电桥电路输出一定大小的电压值，通过标定输出的电压幅值与转子微振动位移线性关系，即可通过测量输出的电压获得转子微振动位移的大小；

同时使磁悬浮系统的外部的触发装置产生不同频率的前后方向传播的激振波，当激振波频率f＇与转子水平方向上的固有频率f₁＇相同时，产生共振，此时转子在水平方向上的振动幅值A₁＇最大，通过第二差动电容电桥电路测量得到的电压最大，此时确定激振波频率f＇的大小，并通过公式求出磁悬浮系统水平方向磁力梯度K＇的大小，公式中m为转子的质量。