CN107314737B - 一种磁悬浮转子轴向位移径向测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮转子轴向位移径向测量方法，包括以下步骤：提供一个锥形测量块和若干位移测量装置；将锥形测量块与磁悬浮转子同轴安装；将至少三个位移测量装置设置在平行于磁悬浮转子轴线的第一安装线上，且其中一个位移测量装置位于锥形测量块侧边；再将剩下的至少两个位移测量装置安装在平行于磁悬浮转子轴线的第二安装线上，所述第一安装线和第二安装线与磁悬浮转子轴线构成的平面相互垂直；将锥形测量块处的位移测量装置分为沿磁悬浮转子轴向和径向的分量，并结合其余传感器的值解耦得到磁悬浮转子的轴向位移量。本方法测量磁悬浮转子轴向位移精确、可靠、容易实现且测量范围大。

Description

一种磁悬浮转子轴向位移径向测量方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮转子测量检测领域，具体地指一种磁悬浮转子轴向位移径向测量方法。

背景技术

目前大多数磁悬浮转子轴向位移是通过在轴向安装传感器直接测量的，该种轴向位移的测量方式适用于大多数场合，但是某些特定的应用场合没有轴向空间安装传感器，需要径向测量转子的轴向位移。关于磁悬浮轴向位移径向测量方面的研究，清华大学熊剑提出在转子外面固定一套环，套环由分段设置的两种材料组成，将轴向位移传感器放置在转子的径向，并将传感器对准两种材料的交界处。以这个交界面作为测量基准，测量该交界面随转子的轴向位移。山东大学的李红伟提出了将被测体表面设计一个台阶，根据传感器线圈探头作用面积和灵敏度的变化测量转子的轴向位移。但上述两种方案均要求转子的运动不能超出传感器线圈探头的作用范围，因此测量范围有限。并且传感器需要准确地轴向安装位置，给安装传感器带来了不便。同时，还需要增加传感器的数量，增加了测量系统的成本。

发明内容

本发明就是要针对上述不足，提供一种用于磁悬浮转子轴向位移精确、可靠、容易实现且测量范围大的一种磁悬浮转子轴向位移径向测量方法。

为了实现上述目的，本发明所设计的一种磁悬浮转子轴向位移径向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a1提供一个锥形测量块和若干位移测量装置；

a2将锥形测量块与磁悬浮转子同轴安装；

a3将至少三个位移测量装置设置在平行于磁悬浮转子轴线的第一安装线上，且其中一个位移测量装置位于锥形测量块侧边；再将剩下的至少两个位移测量装置安装在平行于磁悬浮转子轴线的第二安装线上，所述第一安装线和第二安装线与磁悬浮转子轴线构成的平面相互垂直，其中，除锥形测量块处，其余位移测量装置均位于磁悬浮转子侧边。

a4将锥形测量块处的位移测量装置分为沿磁悬浮转子轴向和径向的分量，其中径向分量又分为指向第一安装线的径向分量和指向第二安装线的径向分量，并结合其余传感器的值解耦得到磁悬浮转子的轴向位移量。

进一步地，所述锥形块安装在磁悬浮轴承转子伸出端上。

进一步地，所述位移测量装置为位移传感器。

更进一步地，所述位移测量装置个数为奇数，至少提供5个。优选设置5个。

更进一步地，所述锥形测量块采用导磁性材料制作。

本发明的优点在于：

测量量程大：由于采用锥形块而不是台阶，能够测量的面得到拓展，使得测量的范围大大增加，理论上只要锥形块做的够大就可以满足所有的测量要求。

测量精度高：由于本发明的测量方法有误差补偿，经实际实验测量得到的数据误差极小。

需要的传感器少、测试成本较低：不同于现有的轴向位移径向测量的方法，传感器往往多于六个，本发明只需五个传感器即可实现高精度的测量。

数据简单，测量装置简单：只需要很常见的测试仪表即可完成高精度的测量。

总之，本发明具有测量量程大、测量精度高、需要的传感器少、测试成本较低、数据简单，测量装置简单等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明径向的传感器安装布置结构示意图。

图3为几种不同的位移以及位移耦合。

图4为轴向位移传感器布置平面的径向位移量的计算图。

图5为垂直于轴向位移传感器布置平面的径向位移计算图。

图6为斜面轴向位移径向测量仅有轴向位移时的实验原理。

图7为斜面轴向位移径向测量有轴向位移也有径向位移时的实验原理。

图中：S1、S2、S3、S4、S5、S6均为电涡流位移传感器；c1、c2，为转子不同位移在径向的分量，螺旋测微器8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明一种磁悬浮转子轴向位移径向测量方法，包括以下步骤：

a1提供一个锥形测量块和5个位移测量装置。锥形测量块采用导磁性材料制作；位移测量装置一般采用电涡流传感器，用于收集磁悬浮转子径向位移数据；

a2将锥形测量块与磁悬浮转子同轴安装，最好安装在磁悬浮轴承转子伸出端上，磁悬浮轴承采用现有的磁悬浮轴承；

a3设5个位移传感器分别为S1、S2、S3、S4、S5，将S1、S2、S5安装在平行于磁悬浮转子轴线的第一安装线上，且其中S5位于锥形测量块侧边；再将剩下位移传感器S3和S4安装在平行于磁悬浮转子轴线的第二安装线上，第一安装线和第二安装线与磁悬浮转子轴线构成的平面相互垂直，其中，S1、S2、S3、S4位于磁悬浮转子侧边。

a4将锥形测量块处的位移测量装置分为沿磁悬浮转子轴向和径向的分量，其中径向分量又分为指向第一安装线的径向分量和指向第二安装线的径向分量。位移传感器S5的测量值包含三个位移量的分量，这三个位移量引起的分量耦合在一起，必须解耦才能获得所需的轴向位移量。其中：两种径向位移引起的分量均可以由径向传感器的测量值计算得出。去除上述两种径向位移引起的分量后，剩下的就是所需的轴向位移引起的分量。

S1、S2安装在与S5同一平面上，测得的位移量用以抵消径向的位移， S3、S4安装在与S1、S2安装面垂直面上，用以对测得的轴向位移数据进行误差分析，实现整体测量的高精度。

磁悬浮轴承采用现有的常规磁悬浮轴承，可超高速运转。

锥形测量块需要用键连接到磁悬浮主轴伸出端。

传感器安装时需要保证安装平面精度。

如图1所示，位移传感器S5必须安装于径向传感器的安装平面即y-z 平面内。图2展示的是转子径向、轴向位移对传感器测量数值的影响。c2 为转子初始量，c1为转子正常运转时的位移量，图中展示了三种原因导致的径向位移量，这三个位移量引起的分量耦合在一起，必须解耦才能获得所需的轴向位移量。两种径向位移引起的分量均可以由径向传感器的测量值计算得出。去除上述两种径向位移引起的分量后，剩下的就是所需的轴向位移引起的分量。即我们需要测量的数据。

具体的计算过程如下：先计算轴向位移传感器布置平面的径向位移量

设位移传感器测得的电压值以U加数字下标表示，平衡位置的电压值在数字下标后加0表示；各传感器对应的位移量符号见图2，平衡位置的位移量加下标0表示。例如：如图4的x-z平面，当转子位于平衡位置时，设传感器S1，S2，S5的电压值为U₁₀，U₂₀，U₅₀；对应的位移值为x₁₀，x₂₀， x₅₀；当转子运动到某个位置时传感器S1，S2，S5电压值为U₁，U₂，U₅对应的位移值为x₁，x₂，x₅。当转子向+x方向运动时，对应的电压增量为：ΔU₁＝U₁-U₁₀，ΔU₂＝U₂-U₂₀，ΔU₅＝U₅-U₅₀为正，对应的位移增量为Δx₁，Δx₂，Δx₅也为正。当转轴向-x方向运动时，对应的电压增量为ΔU₁＝U₁-U₁₀，ΔU₂＝U₂-U₂₀，ΔU₅＝U₅-U₅₀为负，对应的位移增量为Δx₁，Δx₂，Δx₅也为负。

如图2可以得出：传感器S5的测量值包括转子的轴向位移引起的分量与径向位移引起的分量。因为转子的径向位移可以分解为正交的x、y 方向，故S5的电压增量ΔU₅包括x方向径向位移的电压值U_x；y方向径向位移的电压值U_y和z方向轴向位移的电压值U_z。其关系为：

ΔU₅＝U_x+U_y+U_z (2)

位移传感器在x-z布置平面的径向位移为：

位移传感器在y-z布置平面的径向位移为：

由于本发明采用的是刚性转子，根据简单的几何关系，如图3所示，对顶直角三角形相似，则ΔABC相似于ΔEDC，且同时相似于ΔFGC，即

结合位移传感器的计算公式U_x＝K_径·Δx₅，可得S5在x-z平面的径向位移电压分量的表达式：

式中：L1，L2为位移传感器相互之间的距离，如图3中所示；K_径为传感器S5的径向位移系数。

再计算垂直于轴向位移传感器布置平面的径向位移量

与x-z平面类似，可得S5在y-z平面的径向位移电压分量的表达式，原理同式(5)，如图4所示：

通过径向传感器的测量值即可知轴向的位移。即由公式(2)变形得： U_z＝ΔU₅-U_X-U_Y，同时U_z＝Δx_轴·K_轴，即可得：

由上述过程即可得出磁悬浮转子轴向位移。

本发明的效果可由以下实验验证

仅有轴向位移时。实验原理如图6。转子由两个直线轴承支承，采用万用表读取径向测量传感器上相应的电压值；测得转子处在平衡位置时S5 的电压值U₅₀为4.144v。此时只有轴向位移，即式(5)中的Δx₁，Δx₂值为零，即U_轴＝ΔU₅。将测量得出的轴向位移与螺旋测微器8旋转的实际轴向位移进行比较，如表1所示。

表1实际测量值与理论测量值及误差比较

同时有径向、轴向位移时。实验原理如图7，在转子尾端部安装传感器S6，其中S6的系数K＝5，用S6直接测量转子的轴向位移。将转子支承在水平方向上偏移一定位移，用千分表测定转子支承处的水平位移Δx₁与Δx₂。以模拟转子实际工作时，支承处的位移。如图7所示。旋转螺旋测微器8使转子沿倾斜方向运动，同时测量传感器S5和传感器S6的电压值，比较S6测量的位移值和S5测量值经式(7)转换的轴向位移值。

实验装置参数U₅₀＝1.972v，U₆₀＝1.141v，x₁₀＝0.5mm，x₂₀＝0.5mm； L1＝200mm，L2＝100mm，Δx₁＝0.8mm，Δx₂＝0.3mm代入式(5)、(6)和(7) 得：U_z＝ΔU₅-1.0183。实验数据及计算结果如表2。

表2实验数据与计算值的比较

在现在的实验装置和Δx₁与Δx₂值得测量精度下，S6测量转轴的实际位移值与S5径向测量得出的轴向位移值的误差在5％以内。

验证了该轴向位移径向测量方案的可行性。通过提高实验装置和实验的精度，可以提高测量精度。其中实验装置的精度包括传感器本身精度以及安装精度；实验精度则包括实验测量方法的精度。

以上方案标明利用斜面实现轴向位移径向测量的方案可行。解决了在特殊应用场合其结构不允许在轴向直接安装传感器的问题。该方案仍然采用电涡流传感器，并且具有传感器安装方便，不需要增加传感器的数量，不增加了测量系统的成本，基本不改变原控制系统等优点。该测量方案拓展了磁悬浮轴承的应用领域。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁悬浮转子轴向位移径向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a1提供一个锥形测量块和若干位移测量装置；

a2将锥形测量块与磁悬浮转子同轴安装；

a3将至少三个位移测量装置设置在平行于磁悬浮转子轴线的第一安装线上，且其中一个位移测量装置位于锥形测量块侧边；再将剩下的至少两个位移测量装置安装在平行于磁悬浮转子轴线的第二安装线上，所述第一安装线和第二安装线与磁悬浮转子轴线构成的平面相互垂直，其中，除了锥形测量块处，其余位移测量装置均位于磁悬浮转子侧边；

a4将锥形测量块处的位移测量装置分为沿磁悬浮转子轴向和径向的分量，其中径向分量又分为指向第一安装线的径向分量和指向第二安装线的径向分量，并结合其余位移测量装置的值解耦得到磁悬浮转子的轴向位移量。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮转子轴向位移径向测量方法，其特征在于：所述锥形测量块安装在磁悬浮轴承转子伸出端上。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮转子轴向位移径向测量方法，其特征在于：所述位移测量装置为位移传感器。

4.根据权利要求2或3所述的磁悬浮转子轴向位移径向测量方法，其特征在于：所述位移测量装置个数为奇数，至少提供5个。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮转子轴向位移径向测量方法，其特征在于：所述位移测量装置个数为5个。

6.根据权利要求5所述的磁悬浮转子轴向位移径向测量方法，其特征在于：所述锥形测量块采用导磁性材料制作。