CN115962708A - 基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机状态感知与监测技术领域，公开了一种基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，以转子为原点，定义互相垂直的X轴和Y轴，将若干个柔性电路线圈以X轴或Y轴为中心对称布置在定子铁芯的内表面上，并使穿过单个柔性电路线圈的由磁轴承绕组所形成磁通量趋近于零，将以X轴或Y轴为中心对称的两个柔性电路线圈串联形成一个电感，通过检测该电感的电感值变化情况实现转子的位移检测。本发明一种基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，有效降低磁轴承系统的成本与体积，并且传感器与执行器位置相同，可降低轴承转子位移检测与执行的相位偏差，进一步提高转子控制稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及磁轴承状态感知与监测技术领域，具体涉及一种基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法。
背景技术
磁轴承是利用磁力作用将转子悬浮，使转子与定子之间实现无机械接触、无摩擦支撑的一种新型高性能轴承。作为一种新型高性能轴承，磁轴承具有无润滑、低功耗、高转速、高精度、耐高温、长寿命、使用维护简单、无环境污染等突出优点。电磁轴承的突出特点是其主动反馈需要一个高灵敏度和高分辨率的位移传感器来对转子位置进行实时检测。目前磁轴承系统中比较常用的位移传感器为电涡流位移传感器，但其结构复杂、成本较高，并且位移传感器安装位移与磁轴承执行器位移是错开的，位移传感器测量的转子位置变化并不能真实反应执行器处转子位置变化，降低了系统控制的稳定性。其它种类的位移传感器，如电感式位移传感器、电容式位移传感器、光学传感器等均面临传感器安装位置与执行器位置错开这一基本问题，这些问题将会限制磁轴承的进一步推广应用。
为了解决这一问题，有学者提出了一种基于探测线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，即在磁轴承的定子铁心齿上绕制探测线圈，通过直接或间接测量转子位置变化所引起的探测线圈电感值的变化来实现位移的原位测量。
但目前常用的探测线圈绕制方法为探测线圈与磁轴承强耦合或者弱耦合绕制方法，即探测线圈形成的磁通回路与磁轴承所形成的磁通回路共用铁芯，这种方案探测线圈电感值不仅受到转子位置变化的影响，还会受磁轴承铁芯磁阻变化的影响，导致输出响应非线性强甚至非单调，不利于转子位移的高精度测量，且受绕制线圈施工的非理想因素的影响，这种探测线圈受端部漏磁影响较大，受磁轴承绕组的开关次谐波干扰大。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，有效降低磁轴承系统的成本与体积，并且传感器与执行器位置相同，可降低轴承转子位移检测与执行的相位偏差，进一步提高转子控制稳定性。
为实现上述目的，本发明所设计的基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，以转子为原点，定义互相垂直的X轴和Y轴，将若干个柔性电路线圈以X轴或Y轴为中心对称布置在定子铁芯的内表面上，并使穿过单个柔性电路线圈的由磁轴承绕组所形成磁通量趋近于零，将以X轴或Y轴为中心对称的两个柔性电路线圈串联形成一个电感，通过检测该电感的电感值变化情况实现转子的位移检测。
优选地，所述柔性电路线圈为8字型反向绕制。
优选地，所述柔性电路线圈布置在定子铁芯的内表面上时，为铁芯径向磁路。
优选地，将以X轴或Y轴对称的两个电感串联，构成沿X轴或Y轴方向的变气隙差动电感式位移传感器，用于检测转子在该方向的位移。
优选地，电感的电感值变化采用全桥电感检测电路测量。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、有效降低磁轴承系统的成本与体积，并且传感器与执行器位置相同，可降低轴承转子位移检测与执行的相位偏差，进一步提高转子控制稳定性；
2、线圈不绕制在定子齿上，不占用定子槽内磁轴承绕组的绕线空间，工作时在定转子铁芯局部形成闭合磁路，铁芯磁路长度大幅减小，可忽略铁芯磁阻对气隙测量的影响，获得优良的线性度相应曲线；
3、对磁轴承的齿数量没有限制，对磁轴承的极对数没有要求，仅在单个磁轴承定子齿上就能实现单个方向的位移测量；
4、柔性电路线圈为8字型反向绕制，可抵消磁轴承定子铁芯的局部主磁通，因此与铁芯的磁路耦合程度很低，穿过单个柔性电路线圈的由磁轴承绕组所形成磁通量趋近于零。
附图说明
图1为一种基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法的实施例中柔性电路线圈的布置方法；
图2为柔性电路线圈的另一种布置方法
图3为X轴方向全桥电感检测电路检测电感值变化的原理示意图；
图4为Y轴方向全桥电感检测电路检测电感值变化的原理示意图；
图5为柔性电路线圈8字型反向绕制示意图。
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说明。
本发明一种基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，以转子为原点，定义互相垂直的X轴和Y轴，将若干个柔性电路线圈以X轴或Y轴为中心对称布置在定子铁芯的内表面上，并使穿过单个柔性电路线圈的由磁轴承绕组所形成磁通量趋近于零，将以X轴或Y轴为中心对称的两个柔性电路线圈串联形成一个电感，通过检测该电感的电感值变化情况实现转子的位移检测。
其中，可以将以X轴或Y轴对称的两个电感串联，构成沿X轴或Y轴方向的变气隙差动电感式位移传感器，用于检测转子在该方向的位移。
本方法中，所述柔性电路线圈布置在定子铁芯的内表面上时，为铁芯径向磁路。
如图1所示，在定子铁芯的内表面上依次布置柔性电路线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，也可以在定子铁芯的内表面面积较大的情况下，如图2所示来布置，使用时，将柔性电路线圈C1与柔性电路线圈C6串联成一个电感，将柔性电路线圈C5与柔性电路电路线圈C2串联成一个电感，并形成如图3所示的全桥电感检测电路，构成沿X轴方向的变气隙差动电感式位移传感器，通过检测电感值的变化情况来实现X轴方向的位移检测。
同理，将柔性电路线圈C3与柔性电路线圈C8串联形成一个电感，柔性电路线圈C4与柔性电路线圈C7串联形成一个电感，并形成如图4所示的全桥电感检测电路，构成沿Y轴方向的变气隙差动电感式位移传感器，通过检测电感值的变化情况来实现Y轴方向的位移检测。
本实施例中，对于电感值变化的测量，采用全桥电感检测电路来检测。以X轴方向位移检测为例，如图3所示，首先对电桥供高频交流电，当转子处于定子中心位置时，C1、C2、C5、C6四个电感的电感值相等，此时电桥输出电压几乎为0，当转子往X轴正向移动时，C1和C2的电感将会增大，C5和C6的电感将会减小，此后输出的电压大小与X轴方向位移偏置的大小正相关，通过检测该电压幅度的大小和方向即可得到X轴方向的位移。同理Y轴方向的位移检测类似，图4为Y轴方向的全桥电感检测电路。另外，电压幅度检测的方法采用包括包络检测、峰值检测、正交锁相放大器解调等幅度获取方法。
最后，本方法还可以应用到大型电机的转子偏心监测领域，在电机定子铁芯的内表面布置柔性电路线圈，结合图5所示，柔性电路线圈为8字型反向绕制，使穿过柔性电路线圈的由电机主磁场所形成的总磁通量趋近于零。
本发明基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，有效降低了磁轴承系统的成本与体积，并且传感器与执行器位置相同，可降低轴承转子位移检测与执行的相位偏差，进一步提高转子控制稳定性；另外，线圈不绕制在定子齿上，不占用定子槽内磁轴承绕组的绕线空间，工作时在定转子铁芯局部形成闭合磁路，铁芯磁路长度大幅减小，可忽略铁芯磁阻对气隙测量的影响，获得优良的线性度相应曲线；而且对磁轴承的齿数量没有限制，对磁轴承的极对数没有要求，仅在单个磁轴承定子齿上就能实现单个方向的位移测量；最后柔性电路线圈可以为8字型反向绕制，可抵消磁轴承定子铁芯的局部主磁通，因此与铁芯的磁路耦合程度很低，穿过单个柔性电路线圈的由磁轴承绕组所形成磁通量趋近于零。
Claims (5)
1.一种基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，其特征在于：以转子为原点，定义互相垂直的X轴和Y轴，将若干个柔性电路线圈以X轴或Y轴为中心对称布置在定子铁芯的内表面上，并使穿过单个柔性电路线圈的由磁轴承绕组所形成磁通量趋近于零，将以X轴或Y轴为中心对称的两个柔性电路线圈串联形成一个电感，通过检测该电感的电感值变化情况实现转子的位移检测。
2.根据权利要求1所述基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，其特征在于：所述柔性电路线圈为8字型反向绕制。
3.根据权利要求1所述基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，其特征在于：所述柔性电路线圈布置在定子铁芯的内表面上时，为铁芯径向磁路。
4.根据权利要求1所述基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，其特征在于：将以X轴或Y轴对称的两个电感串联，构成沿X轴或Y轴方向的变气隙差动电感式位移传感器，用于检测转子在该方向的位移。
5.根据权利要求1所述基于柔性电路线圈的磁轴承定转子气隙测量方法，其特征在于：电感的电感值变化采用全桥电感检测电路测量。
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2023
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