CN115126776A - 一种检测和作动一体化的八极式径向磁悬浮轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种检测和作动一体化的八极式径向磁悬浮轴承。所述的八极式径向磁悬浮轴承包括1个被悬浮的转子圆环、1个磁悬浮轴承定子，二者之间存在小间隙。磁悬浮轴承定子的内圆由八个磁极组成，在磁极上安装有磁力线圈和位移传感器线圈。在工作时，位移传感器线圈通电后产生的磁场用于检测定子与转子间的位移，磁力线圈通电后对转子圆环产生作动力，使转子圆环悬浮在中心位置。位移传感器处理电路用来处理位移传感器线圈反馈的信号。本发明使得传统的径向磁悬浮轴承的作动器和位移传感器合二为一，彻底避免了传感器安装的同轴度问题和轴向偏离问题，简化了结构，缩小了体积，降低了制造成本。

Description

一种检测和作动一体化的八极式径向磁悬浮轴承
技术领域
本发明属于磁悬浮轴承技术领域，涉及一种磁悬浮轴承，尤其涉及一种检测和作动一体化的八极式径向磁悬浮轴承。
背景技术
常规的径向磁悬浮轴承的主要组成部分包括：作动器、位移传感器、位移传感器处理电路、控制器。其中，作动器主要包括磁力线圈和定子磁极，用来对被悬浮的转子圆环产生磁力；位移传感器主要包括位移传感器线圈和位移传感器磁极，用来检测被悬浮的转子圆环的实时位移值。在常规的径向磁悬浮轴承结构中，作动器和位移传感器是两个分立的部件。
为了控制转子圆环稳定地悬浮在中心位置，控制器首先需要检测到转子圆环当前的实时位移信号，这个功能是由位移传感器和位移传感器处理电路来实现的。
定子磁极通常采用八极式结构，每两个极构成一组，其上的磁力线圈通电后，该组磁极会对转子圆环产生磁力。四组磁极组成的定子可以对转子圆环产生四个方向上的磁力。定子磁极与转子圆环间存在间隙，当控制器改变磁力线圈中的电流大小时，磁力随之改变，从而得到可控的作动力，使得转子圆环稳定地悬浮在中心位置。
常规的径向磁悬浮轴承，作动器和位移传感器是两个分立的部件，因此会带来诸多问题：1、位移检测点和磁力施加点不在同一处，而是错位的，这将引起控制上的耦合问题，增加控制难度，在某些高速应用场合甚至会引起无法控制；2、两个部件相互之间存在同轴度偏差，从而在位移检测信号中引入附加的非线性误差；3、两个部件占用的结构空间较大，而且固定方式繁琐；4、两个部件的制造成本比较高。随着磁悬浮轴承的应用场合越来越多，以及应用要求越来越高，迫切需要能够解决以上问题的新型的磁悬浮轴承。
发明内容
针对上述现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种检测和作动一体化的八极式径向磁悬浮轴承，把位移传感器线圈也安装到磁悬浮轴承定子磁极上，省去位移传感器磁极，从而简化了结构和部件数量。
本发明的一种检测和作动一体化的八极式径向磁悬浮轴承，包括磁悬浮轴承定子磁极、磁力线圈、位移传感器线圈、位移传感器处理电路。所述的磁力线圈安装在磁悬浮轴承定子磁极上，而位移传感器线圈也安装在磁悬浮轴承定子磁极上，这两种线圈产生的磁场共用同一个磁路。
位移传感器线圈安装在磁悬浮轴承定子磁极上，形成一种位移传感器，用来检测被悬浮的转子圆环的实时位移值，以电压信号的形式反馈给位移传感器处理电路，经处理后传送给控制器。磁力线圈也安装在磁悬浮轴承定子磁极上，形成作动器，通电后对被悬浮的转子圆环产生磁力，驱动其运动。按照磁悬浮的基本原理，控制器得到转子圆环的实时位移值后，调节电磁线圈中的电流大小，对转子圆环产生可变的磁力，即可使转子圆环稳定悬浮在中心位置。
进一步的，位移传感器线圈中的电信号是一个包含多个频段成分的合成信号，可以按照不同的频段将其分解为有用信号成分和干扰信号成分，从其中的有用信号成分中可以提取出转子圆环的实时位移信号。干扰信号成分主要是由磁力线圈产生的磁场在位移传感器线圈中感应出来的电压信号，需要通过位移传感器处理电路中的带通滤波电路将其滤除。
进一步的，所述的位移传感器处理电路必须包含一个带通滤波电路，其余的部分主要包括激励信号产生电路、缓冲电路、接收放大电路、检波电路、后处理电路。
通过激励信号产生电路和缓冲电路向位移传感器线圈施加频率为f1的正弦激励电压信号，同时通过接收放大电路采集反馈的正弦电压信号。当转子圆环的位置发生改变时，将引起位移传感器线圈的电感值的变化，从而导致反馈的正弦电压信号的幅值发生变化，检波电路由此计算出转子圆环的实时位移值，经后处理电路处理后的电压信号被送入控制器。
进一步的，控制器给磁力线圈提供的电流所包含频率成分主要在f2频段和f3频段。其中，f2频段的电流成分是由控制器经过计算后输出的电流成分，f3频段的电流成分是由控制器中的开关功放产生的高频电流成分。这样，磁力线圈中的电流在磁路中产生的磁场的频率成分也处在f2频段和f3频段，所以这个磁场在位移传感器线圈中感应出来的干扰信号也处在f2频段和f3频段。因为f1、f2、f3分别是三个不同的频段，所以可以按照分频复用的原理，使位移传感器线圈中的反馈电压信号经过带通滤波电路，将f2频段和f3频段这两个频率远离激励信号频率f1的信号分量先滤除干净，然后再对剩下的频率在f1附近频段内的信号进行计算，即可得到转子圆环的实时位移值。
本发明和现有技术相比，其优点在于：1、彻底消除了磁悬浮轴承的作动器和位移传感器的错位问题，使得磁力施加点和位移检测点合并为同一点；2、彻底消除了磁悬浮轴承的作动器和位移传感器的不同轴问题；3、减小了体积；4、减少了部件数量，简化了结构，降低了制造成本和装配成本。
附图说明
图1是本发明的径向磁悬浮轴承的结构原理和控制原理图。
图2是本发明的径向磁悬浮轴承的原理等效分解图。
图3是本发明的径向磁悬浮轴承的位移传感器线圈中的电压信号的频谱示意图。
图4是本发明的径向磁悬浮轴承的位移传感器处理电路的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施实例范围之内。
本发明公开一种检测和作动一体化的八极式径向磁悬浮轴承，如图1所示，包括被悬浮的转子圆环(1)、磁悬浮轴承定子磁极(2)、磁力线圈(3)、位移传感器线圈(4)、位移传感器处理电路(5)。为简化表述，图中只画出了Y方向的磁力线圈和位移传感器线圈，在它们的配合作用下可以实现转子圆环在Y方向的悬浮。在实际应用中，X方向的两对磁极也会安装线圈，这样就能实现转子圆环在X方向的悬浮。因此转子圆环可以稳定悬浮在定子磁极内圆的几何中心位置。
图2是本发明的检测和作动一体化的八极式径向磁悬浮轴承的原理分解图，将其等效为一个常规作动器101和一个常规的位移传感器102。为了简化表述，图中省去了X方向的磁极和线圈。
磁力线圈(3)安装在磁悬浮轴承定子磁极(2)上，组成一个常规的作动器101，其产生的低频磁场对转子圆环(1)产生磁力。图中，当磁力线圈ab通电时，将对转子圆环(1)产生向上的磁力Fy1，当磁力线圈a’b’通电时，将对转子圆环(1)产生向下的磁力Fy2，二者的合力即为Fy＝Fy1-Fy2，这个合力Fy用来驱动转子圆环(1)可以沿着Y方向来回运动。
位移传感器线圈(4)也安装在磁悬浮轴承定子磁极(2)上，组成一个常规的位移传感器102。由线圈电感和磁路气隙的关系可知，当转子圆环(1)和定子磁极(2)之间的气隙δy1和δy2改变时，位移传感器线圈ab和a’b’的电感值也会发生改变。若位移传感器线圈ab和a’b’通入高频交流电，则交流电的幅值也会随着气隙的改变而改变，从而可以通过交流电压信号的幅值反映出转子圆环(1)的实时位移值。实际应用中，当转子圆环(1)沿着Y方向运动时，气隙值δy1和δy2将会呈现差动变化，即其中一个值变大，另一个值变小，通过位移传感器线圈得到的高频电压信号的幅值将反映出二者的差值δy＝δy1-δy2，此即代表了转子圆环(1)的实时位移值。
位移传感器处理电路(5)将会把这个高频电压信号的幅值提取出来，形成位移电压信号送入控制器，控制器再根据用此信号来运算并输出相应的电流给磁力线圈(3)，从而控制转子圆环(1)稳定悬浮在中心位置。
由图2可见，磁力线圈(3)产生的磁场和位移传感器线圈(4)产生的高频磁场共用同一个铁芯磁路，所以根据互感的原理，磁力线圈(3)产生的磁场也将会在位移传感器线圈(4)中感生出电压信号，而位移传感器线圈(4)产生的高频磁场也将会在磁力线圈(3)中感生出电压信号。其中，后者由于幅值很小，所以可以忽略不计，而前者的幅值则会较大，它正是位移传感器信号中夹杂的主要干扰信号，需要通过位移传感器处理电路中(5)的带通滤波电路将其滤除。
位移传感器线圈(4)中的电压信号主要由两部分组成，即有用信号和干扰信号。从频率上来看，其中有用信号处在以频率f1为中心的一个频段内，f1是位移传感器处理电路(5)中的正弦激励信号的频率，有用信号的交变幅值会随着转子圆环(1)的位置的变化而变化；剩余的信号成分是由磁力线圈(3)产生的低频磁场在位移传感器线圈(4)中感生出的频率为f2及其周围频段的电压信号，它通常是和转子转速同频的正弦信号，在此属于干扰信号；另外，由于磁悬浮轴承控制器中的功率放大器多采用开关功放类型，所以磁力线圈(3)产生的磁场在位移传感器线圈(4)中还会感生出频率为f3的开关频率电压信号，及其倍频电压信号，它们也属于干扰信号。由于有用信号和干扰信号分别处于不同的频段内，所以可以通过位移传感器处理电路(5)中的带通滤波电路将干扰信号滤除，只保留以频率f1为中心的一个频段内的有用信号，然后再从中提取出转子的实时位移电压信号。
位移传感器处理电路(5)包含激励信号产生电路(21)、缓冲电路(22)、接收放大电路(23)、带通滤波电路(24)、检波电路(25)、后处理电路(26)。其中，激励信号产生电路(21)产生频率为f1的正弦电压信号，通过缓冲电路(22)的隔离与放大后输出给位移传感器线圈(4)，该正弦电压信号的幅值将会随着转子圆环(1)的位置的变化而变化。接收放大电路(23)在接收到幅值被调制后的正弦电压信号后将其放大并去噪，然后输出给带通滤波电路(24)，滤除频段在f2和f3周围的干扰信号，留下以频率f1为中心的一个频段内的有用信号。检波电路(25)通过半/全波整流或乘法解调的原理提取有用信号的幅值包络，即为转子圆环(1)的实时位移电压信号。后处理电路(26)用于对该位移电压信号进行调零、调增益、跟随放大等操作，然后送入控制器进行控制运算。
以上实施方式仅为说明本发明的技术思想，并不用于限制本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明技术方案基础上所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种检测和作动一体化的八极式径向磁悬浮轴承，其特征在于：包括磁悬浮轴承定子磁极、磁力线圈、位移传感器线圈、位移传感器处理电路；所述的磁力线圈安装在磁悬浮轴承定子磁极上，而位移传感器线圈也安装在磁悬浮轴承定子磁极上，这两种线圈产生的磁场共用同一个磁路；位移传感器线圈安装在磁悬浮轴承定子磁极上，形成一种位移传感器，用来检测被悬浮的转子圆环的实时位移值，以电压信号的形式反馈给位移传感器处理电路，经处理后传送给控制器；磁力线圈也安装在磁悬浮轴承定子磁极上，形成作动器，通电后对被悬浮的转子圆环产生磁力，驱动其运动；按照磁悬浮的基本原理，控制器得到转子圆环的实时位移值后，调节电磁线圈中的电流大小，对转子圆环产生可变的磁力，即可使转子圆环稳定悬浮在中心位置。
2.根据权利要求1所述的工作原理，其特征在于：位移传感器线圈中的电信号是一个包含多个频段成分的合成信号，可以按照不同的频段将其分解为有用信号成分和干扰信号成分；从其中的有用信号成分中可以提取出转子圆环的实时位移信号；干扰信号成分主要是由磁力线圈产生的磁场在位移传感器线圈中感应出来的电压信号，需要通过位移传感器处理电路中的带通滤波电路将其滤除。
3.根据权利要求1所述的工作原理，其特征在于：所述的位移传感器处理电路必须包含一个带通滤波电路，其余的部分主要包括激励信号产生电路、缓冲电路、接收放大电路、检波电路、后处理电路；通过激励信号产生电路和缓冲电路向位移传感器线圈施加频率为f1的正弦激励电压信号，同时通过接收放大电路采集反馈的正弦电压信号；当转子圆环的位置发生改变时，将引起位移传感器线圈的电感值的变化，从而导致反馈的正弦电压信号的幅值发生变化，检波电路由此计算出转子圆环的实时位移值，经后处理电路处理后的电压信号被送入控制器。
4.根据权利要求1所述的工作原理，其特征在于：控制器给磁力线圈提供的电流所包含频率成分主要在f2频段和f3频段，其中，f2频段的电流成分是由控制器经过计算后输出的电流成分，f3频段的电流成分是由控制器中的开关功放产生的高频电流成分；可以按照分频复用原理，使位移传感器线圈中的反馈电压信号经过带通滤波电路，将f2频段和f3频段这两个频率远离激励信号频率f1的信号分量先滤除干净，然后再对剩下的频率在f1附近频段内的信号进行计算，即可得到转子圆环的实时位移值。
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