CN109225670B - 一种混合式磁悬浮轴承医用离心机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮轴承医用离心机及其控制方法，属于医用分离设备技术领域，包括混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承、电机、离心筒和驱动轴；混合式轴向磁悬浮支撑轴承安装在驱动轴的顶部，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别安装在驱动轴的上部和下部，离心筒通过驱动轴与电机相连接。本发明利用混合式磁悬浮轴承可有效减少机械轴承的摩擦损耗，而且通过有效的磁悬浮轴承机构及控制策略对高速旋转的离心机产生的共振进行有效的控制，使得工作过程更加平稳，增加了使用寿命，降低了功耗，且结构简单，可控性强，从而提高了市场竞争力。

Description

一种混合式磁悬浮轴承医用离心机及其控制方法

技术领域

本发明属于医用分离设备技术领域，具体涉及一种混合式磁悬浮轴承医用离心机及其控制方法。

背景技术

离心机是通过高速旋转产生的离心力场对不同沉淀物系数物质进行分离、浓缩及纯化的科学仪器，广泛应用于生物、医药、农业、化工等领域。可分为低速、高速和超速三种类型，其中离心机转速在12000-25000r/min。国内企业现有产品多为实验室离心机，而高速制备离心机产品极少，核心技术主要依靠国外技术，我国并不具备自主的知识产权，同时还会带来振动、使用寿命以及功耗等问题，随着磁悬浮技术的发展和应用，逐渐开始出现磁悬浮离心机，该产品采用磁悬浮支撑技术代替常规的机械轴承支撑，能有效解决轴承高速旋转时引发的机械摩擦、效率损耗和振动等问题，进而提高离心机的使用寿命、性能指标和应用效果。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种磁悬浮轴承医用离心机及其控制方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种混合式磁悬浮轴承医用离心机，包括混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承、电机、离心筒和驱动轴；混合式轴向磁悬浮支撑轴承安装在驱动轴的顶部，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别安装在驱动轴的上部和下部，离心筒通过驱动轴与电机相连接；

混合式轴向磁悬浮支撑轴承，包括第一定子、吸力盘、永磁环、第一主动电磁线圈、出线孔、第一位移传感器、第一电流传感器、转速传感器；其中，第一定子与永磁环通过螺栓固接，第一定子与第一位移传感器通过螺栓固接，吸力盘与驱动轴的下盘轴通过螺栓固接，转速传感器与驱动轴同轴安装，与第一定子通过螺栓固接，第一主动电磁线圈通过出线孔走线；永磁环，被配置为用于抵消离心机上的由驱动轴传递来的且与驱动轴固接的零部件的重力；第一位移传感器，被配置为用于检测混合式轴向磁悬浮支撑轴承与离心机上的驱动轴的位移轴向偏差；第一电流传感器，被配置为用于检测第一主动电磁线圈的电流大小；

第二径向磁悬浮轴承与第一径向磁悬浮轴承在结构上完全相同，均包括第二定子、第二主动电磁线圈、第二电流传感器、第二位移传感器和第三位移传感器；第二位移传感器和第三位移传感器在同一水平面并成90°角放置；第二位移传感器和第三位移传感器，被配置为用于检测混合式径向磁悬浮轴承与离心机的径向位移偏差；第二定子与第二位移传感器和第三位移传感器分别通过螺栓固接；第二主动电磁线圈由漆包铜线沿第二定子环绕而成；

第二径向磁悬浮轴承与第一径向磁悬浮轴承的第二主动电磁线圈都设置有八个，八个相同的第二主动电磁线圈沿径向轴对称平均分布；

每相邻两个第二主动电磁线圈串联成为一个主动电磁线圈对，即沿径向轴对称平均分布有四个结构相同的主动电磁线圈对；第二电流传感器，被配置为用于检测第二主动电磁线圈对的电流大小，相应的，第二电流传感器也设置有四个；

每个主动电磁线圈对与其沿轴线成180°角的主动电磁线圈对构成一个主动电磁线圈组，即沿径向轴对称平均分布有两个结构相同的主动电磁线圈组，即每个主动电磁线圈组内部有两个主动电磁线圈对；混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承由磁轴承控制系统控制。

优选地，第二定子有8个磁极，8个磁极平均分布，每极相隔45°角。

优选地，电机采用永磁同步电机。

优选地，磁轴承控制系统，包括：1个控制器、2个信号处理单元、5个光耦隔离电路以及9个功率放大电路；

信号处理单元、控制器、光耦隔离电路、功率放大电路通过线路依次连接；

2个信号处理单元：其中一个被配置为用于处理混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承中的位移传感器的输出信号，另一个被配置为用于处理混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承中的电流传感器的输出信号；

5个光耦隔离电路：其中，混合式轴向磁悬浮支撑轴承配置有1个，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别配置有2个，用于实现控制器输出的PWM控制信号与功率放大电路的隔离；

9个功率放大电路：其中，混合式轴向磁悬浮支撑轴承配置有1个，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别配置有4个，对应其主动电磁线圈对。

优选地，信号处理单元采用TL084运算放大器对信号进行运算；控制器采用STM32F103ZET6单片机；光耦隔离电路采用HCPL2530光耦隔离器，实现控制器输出的PWM控制信号与功率放大电路的隔离；功率放大电路的驱动芯片采用IR2101S，功率放大电路的功率开关器件采用IRF540。

此外，本发明还提到一种混合式磁悬浮轴承医用离心机的控制方法，该方法采用如上所述一种混合式磁悬浮轴承医用离心机，包括如下步骤：

步骤1：通过第一位移传感器检测混合式轴向磁悬浮支撑轴承与离心机上的驱动轴的轴向位移偏差，或者通过第二位移传感器和第三位移传感器检测第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承与离心机上的驱动轴的径向位移偏差，第一位移传感器或者第二位移传感器和第三位移传感器将位移偏差转换为电压信号，并将电压信号输出到其中一个信号处理单元，信号处理单元对电压信号进行加减、放大以及滤波处理，然后反馈给控制器，控制器运用位移PID控制算法，确定该位移方向的每个主动电磁线圈对的电流偏差大小；

步骤2：通过电流传感器检测每个主动电磁线圈的电流大小，然后输出到另一个信号处理单元，信号处理单元对电流信号进行加减、放大以及滤波处理，然后反馈给控制器，控制器运用电流PID算法，通过调节控制器输出的PWM信号的占空比大小，并结合光耦隔离电路将控制器输出的PWM信号发送给功率放大电路，最终实现调节每个主动电磁线圈对的电流大小，完成离心筒各位移传感器方向的稳定悬浮；

步骤3：控制器通过转速传感器实时检测到离心机转速即将进入共振区转速区间时，运用位移PID控制算法，通过增大第二主动电磁线圈的静态电流，增大第二主动电磁线圈的磁阻尼，使得混合式磁悬浮轴承医用离心机的振动明显得到控制，进而使混合式磁悬浮轴承医用离心机顺利通过共振区；

步骤4：控制器通过转速传感器实时检测到离心机转速已经脱离共振区转速区间时，运用位移PID控制算法，恢复第二主动电磁线圈的静态电流。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明利用磁悬浮轴承离心机对高速旋转过程的产生的共振进行有效的控制，使得工作过程更加平稳，增加了使用寿命，降低了功耗，且结构简单，可控性强，从而提高了市场竞争力。

附图说明

图1为混合式磁悬浮轴承医用离心机的结构示意图。

图2为混合式轴向磁悬浮支撑轴承的结构示意图。

图3为第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承的结构示意图。

图4为主动电磁线圈绕法示意图。

图5为第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承的极性示意图。

图6为第一径向磁轴承垂直方向控制原理图。

图7为第一径向磁轴承水平方向控制原理图。

图8为轴向磁轴承控制原理图。

图9为总体磁轴承控制系统原理图。

其中，1-混合式轴向磁悬浮支撑轴承；11-第一定子；13-吸力盘；111-永磁环；112-第一主动电磁线圈；113-出线孔；114-第一位移传感器；115-转速传感器；101-第二位移传感器；102-第三位移传感器；2-第一径向磁悬浮轴承；3-电机；4-第二径向磁悬浮轴承；5-离心筒；6-驱动轴；7-第二定子；8-第二主动电磁线圈；81-第三主动电磁线圈；82-第四主动电磁线圈；83-第五主动电磁线圈；84-第六主动电磁线圈；9-磁极。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，一种混合式磁悬浮轴承医用离心机，包括电机3、离心筒5、驱动轴6；离心筒5通过驱动轴6与电机3相连接，驱动轴6的上部和下部分别安装有第一径向磁悬浮轴承2和第二径向磁悬浮轴承4，驱动轴6的顶部安装有混合式轴向磁悬浮支撑轴承1。

混合式轴向磁悬浮支撑轴承1、第一径向磁悬浮轴承2和第二径向磁悬浮轴承4由磁轴承控制系统控制，电机3采用永磁同步电机。

电机3通过驱动轴6带动离心筒5高速旋转，对不同的密度的物料实施分离，电机控制系统控制电机3转动，磁轴承控制系统控制着混合式轴向磁悬浮支撑轴承1、第一径向磁悬浮轴承2和第二径向磁悬浮轴承4，在工作过程中，混合式轴向磁悬浮支撑轴承1、第一径向磁悬浮轴承2、第二径向磁悬浮轴承4的实时控制，可以使得高速转子顺利通过多阶共振区，降低振动，增强旋转的平稳性。

如图2所示，混合式轴向磁悬浮支撑轴承1，包括第一定子11、吸力盘13、永磁环111、第一主动电磁线圈112、出线孔113、第一位移传感器114、第一电流传感器和转速传感器115；其中，第一定子11与永磁环111通过螺栓固接，第一定子11与第一位移传感器114通过螺栓固接，吸力盘13与驱动轴6的下盘轴61固接通过螺栓固接，第一主动电磁线圈112通过出线孔113走线，第一位移传感器114实时监测下盘轴61的共振情况，当有电流通过第一主动电磁线圈112时，其产生的作用力作用于吸力盘13，通过控制电流的大小改变该作用力的大小，实现对驱动轴6的共振进行有效的控制。

如图3所示，第一径向磁悬浮轴承2与第二径向磁悬浮轴承4在结构上完全相同，其结构包括：第二定子7和八个相同的第二主动电磁线圈8；第二定子7包括磁极9，第二主动电磁线圈8由漆包铜线沿第二定子7按照一定匝数环绕而成，八个相同的第二主动电磁线圈8沿径向在同一平面内对称分布；每相邻两个主动电磁线圈组成一个主动电磁线圈对，例如第三主动电磁线圈81与第四主动电磁线圈82为一个主动电磁线圈对，第五主动电磁线圈83与第六主动电磁线圈84为另一个主动电磁线圈对，每一个主动电磁线圈对分别独立接受同一电信号控制，因此沿径向对称分布有四对结构相同的主动电磁线圈对；每个主动电磁线圈对与其轴对称主动电磁线圈对成一个主动电磁线圈组，例如81、82、83、84就为一个主动电磁线圈组，同一个主动电磁线圈组内的两个主动电磁线圈对从控制角度来看是相互制衡的，存在负相关的关系；驱动轴6与径向磁轴承之前存在一定的气隙，主动电磁线圈架结构通过有限元仿真优化后，不仅保证一定的结构强度，而且尽可能获得更大的磁通。

主动电磁线圈绕法如图4所示；第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承的极性如图5所示；第一径向磁轴承垂直方向控制原理如图6所示；第一径向磁轴承水平方向控制原理如图7所示；轴向磁轴承控制原理如图8所示；总体磁轴承控制系统原理如图9所示。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种混合式磁悬浮轴承医用离心机，其特征在于：包括混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承、电机、离心筒和驱动轴；混合式轴向磁悬浮支撑轴承安装在驱动轴的顶部，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别安装在驱动轴的上部和下部，离心筒通过驱动轴与电机相连接；

混合式轴向磁悬浮支撑轴承，包括第一定子、吸力盘、永磁环、第一主动电磁线圈、出线孔、第一位移传感器、第一电流传感器、转速传感器；其中，第一定子与永磁环通过螺栓固接，第一定子与第一位移传感器通过螺栓固接，吸力盘与驱动轴的下盘轴通过螺栓固接，转速传感器与驱动轴同轴安装，与第一定子通过螺栓固接，第一主动电磁线圈通过出线孔走线；永磁环，被配置为用于抵消离心机上的由驱动轴传递来的且与驱动轴固接的零部件的重力；第一位移传感器，被配置为用于检测混合式轴向磁悬浮支撑轴承与离心机上的驱动轴的位移轴向偏差；第一电流传感器，被配置为用于检测第一主动电磁线圈的电流大小；

第二径向磁悬浮轴承与第一径向磁悬浮轴承在结构上完全相同，均包括第二定子、第二主动电磁线圈、第二电流传感器、第二位移传感器和第三位移传感器；第二位移传感器和第三位移传感器在同一水平面并成90°角放置；第二位移传感器和第三位移传感器，被配置为用于检测混合式径向磁悬浮轴承与离心机的径向位移偏差；第二定子与第二位移传感器和第三位移传感器分别通过螺栓固接；第二主动电磁线圈由漆包铜线沿第二定子环绕而成；

第二径向磁悬浮轴承与第一径向磁悬浮轴承的第二主动电磁线圈都设置有八个，八个相同的第二主动电磁线圈沿径向轴对称平均分布；

每相邻两个第二主动电磁线圈串联成为一个主动电磁线圈对，即沿径向轴对称平均分布有四个结构相同的主动电磁线圈对；第二电流传感器，被配置为用于检测第二主动电磁线圈对的电流大小，相应的，第二电流传感器也设置有四个；

每个主动电磁线圈对与其沿轴线成180°角的主动电磁线圈对构成一个主动电磁线圈组，即沿径向轴对称平均分布有两个结构相同的主动电磁线圈组，即每个主动电磁线圈组内部有两个主动电磁线圈对；混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承由磁轴承控制系统控制。

2.根据权利要求1所述的混合式磁悬浮轴承医用离心机，其特征在于：第二定子有8个磁极，8个磁极平均分布，每极相隔45°角。

3.根据权利要求1所述的混合式磁悬浮轴承医用离心机，其特征在于：电机采用永磁同步电机。

4.根据权利要求1所述的混合式磁悬浮轴承医用离心机，其特征在于：磁轴承控制系统，包括：1个控制器、2个信号处理单元、5个光耦隔离电路以及9个功率放大电路；

信号处理单元、控制器、光耦隔离电路、功率放大电路通过线路依次连接；

2个信号处理单元：其中一个被配置为用于处理混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承中的位移传感器的输出信号，另一个被配置为用于处理混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承中的电流传感器的输出信号；

5个光耦隔离电路：其中，混合式轴向磁悬浮支撑轴承配置有1个，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别配置有2个，用于实现控制器输出的PWM控制信号与功率放大电路的隔离；

9个功率放大电路：其中，混合式轴向磁悬浮支撑轴承配置有1个，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别配置有4个，对应其主动电磁线圈对。

5.根据权利要求4所述的混合式磁悬浮轴承医用离心机，其特征在于：信号处理单元采用TL084运算放大器对信号进行运算；控制器采用STM32F103ZET6单片机；光耦隔离电路采用HCPL2530光耦隔离器，实现控制器输出的PWM控制信号与功率放大电路的隔离；功率放大电路的驱动芯片采用IR2101S，功率放大电路的功率开关器件采用IRF540。

6.一种混合式磁悬浮轴承医用离心机的控制方法，其特征在于：采用如权利要求4所述的一种混合式磁悬浮轴承医用离心机，包括如下步骤：

步骤1：通过第一位移传感器检测混合式轴向磁悬浮支撑轴承与离心机上的驱动轴的轴向位移偏差，或者通过第二位移传感器和第三位移传感器检测第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承与离心机上的驱动轴的径向位移偏差，第一位移传感器或者第二位移传感器和第三位移传感器将位移偏差转换为电压信号，并将电压信号输出到其中一个信号处理单元，信号处理单元对电压信号进行加减、放大以及滤波处理，然后反馈给控制器，控制器运用位移PID控制算法，确定该位移方向的每个主动电磁线圈对的电流偏差大小；

步骤2：通过电流传感器检测每个主动电磁线圈的电流大小，然后输出到另一个信号处理单元，信号处理单元对电流信号进行加减、放大以及滤波处理，然后反馈给控制器，控制器运用电流PID算法，通过调节控制器输出的PWM信号的占空比大小，并结合光耦隔离电路将控制器输出的PWM信号发送给功率放大电路，最终实现调节每个主动电磁线圈对的电流大小，完成离心筒各位移传感器方向的稳定悬浮；

步骤3：控制器通过转速传感器实时检测到离心机转速即将进入共振区转速区间时，运用位移PID控制算法，通过增大第二主动电磁线圈的静态电流，增大第二主动电磁线圈的磁阻尼，使得混合式磁悬浮轴承医用离心机的振动明显得到控制，进而使混合式磁悬浮轴承医用离心机顺利通过共振区；

步骤4：控制器通过转速传感器实时检测到离心机转速已经脱离共振区转速区间时，运用位移PID控制算法，恢复第二主动电磁线圈的静态电流。