CN116840680B - 一种磁悬浮分子泵电机性能检测方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮分子泵电机性能检测方法及其应用，其要解决的是高转速电机性能测试不准的问题。其技术要点在于：根据实际分子泵主轴和负载的转动惯量、检测工装中的模拟主轴与测功机的转动惯量、角加速度、轴承摩擦转矩关键性指标实时的测功机给予一个转矩，从而实现对电机转矩的修正，进而提升电机测量的精度。采用本申请的技术方案，能够满足高转速磁悬浮电机的性能测试需求。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮电机领域，更具体地说，尤其涉及一种磁悬浮分子泵电机性能检测方法及其应用。
背景技术
磁悬浮电机包括：转子、定子、悬浮系统、控制系统四部分。对于转子而言，其一般采用永磁体或电磁铁制成。对于定子而言，其一般采用线圈制成。对于悬浮系统而言，其是通过给予线圈电流，从而实现转子的悬浮。对于控制系统而言，其是实现对电机的控制。
对于磁悬浮电机而言，其性能指标对磁悬浮分子泵的稳定运行起至关重要的作用。因此，对磁悬浮电机性能进行检测就显得尤为重要。
对于磁悬浮电机性能的检测工装，经过检索发现下列文献：
文献1：CN115308595A，磁悬浮电机动态性能试验装置。
文献2：CN104101741A，一种高速磁悬浮电机组件测试台。
文献3：CN115932576A，一种磁悬浮电机多功能试验系统。
从文献1~3可知，针对磁轴承电机性能检测时，其基本思想均是搭建一套专门的磁悬浮系统，通过将磁悬浮系统与传感器进行连接，从而能够测量得到磁悬浮电机的性能参数。
然而，上述方案主要适用于低转速磁悬浮电机。对于高转速电机（20000r/min以上）而言，在高转速时，采用文献1~3的方案时，受外界转矩波动影响较大，磁悬浮测试系统稳定性差，测量精度受影响大且存在较大安全风险。
因此，需要研发一种针对高转速磁悬浮电机的性能测试方法。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种磁悬浮分子泵电机性能检测方法及其应用。
一种磁悬浮分子泵电机性能检测方法，其包括如下步骤：
S100，将磁悬浮电机安装在磁悬浮电机测试性能检测工装上：
磁悬浮电机的主轴及负载采用检测工装的模拟主轴替代，模拟主轴转动连接在双列角接触球轴承上，所述模拟主轴的端通过联轴器与测功机连接；
在测功机中设置有转矩传感器、模拟主轴角加速度传感器、模拟主轴转速传感器，所述转矩传感器用于实时测试电机的转矩T，模拟主轴角加速度传感器用于实时测试模拟主轴的角加速度α，所述模拟主轴转速传感器用于实时测试模拟主轴的转速n；
S200，给电机施加电压和电流，电机带动模拟主轴和测功机进行旋转；在旋转过程中，测功机给出T测功机补偿转矩的输出；
其中，T测功机补偿=（J2- J1）α1- f载荷P载荷dm；
T测功机补偿根据模拟主轴角加速度传感器的结果实时调整，T测功机补偿的符号为正时，表示测功机提供一个与电机转矩方向相反的转矩；T测功机补偿的符号为负时，表示测功机提供一个与电机转矩方向相同的转矩；
J2表示磁悬浮电机在磁悬浮分子泵中的主轴-负载的转动惯量，其属于已知量；
J1表示主轴及测功机的转动惯量，其属于已知量；
α1表示主轴及测功机的角加速度，其通过模拟主轴角加速度传感器实时获得；
f载荷表示载荷系数，其属于已知量；
P载荷表示双列角接触球轴承径向载荷，其属于已知量；
dm表示双列角接触球轴承的平均直径，其属于已知量；
S300，根据步骤S200获得的模拟主轴的转速n和电机的转矩T能够实时计算出电机的输出功率P输出：
P输出=T·n/9459。
进一步，S200还包括：电压传感器、电流传感器，所述电压传感器、所述电流传感器实时测量给电机的电压U和电流I；
还包括：S400，计算效率η；
其中，η=P输出/（U·I）。
一种磁悬浮分子泵电机性能检测方法的应用，转速大于20000r/min的磁悬浮电机采用前述的性能检测方法检测。
本申请的有益效果在于：
第一，在对磁悬浮电机测试时，需要将主轴与传感器连接，而为了限定主轴的径向位移，必然要在主轴上设置径向轴承。而为了提高测量精度，以往的设计为了避免主轴-轴承之间的摩擦，均会采用“主轴-轴承”悬浮的模式（如：CN115932576A）。但是，这种设计思路适用于转速小于20000r/min的磁悬浮电机。对于转速大于20000r/min的磁悬浮电机而言（更准的表达为：用于转速在20000r/min~40000r/min的磁悬浮电机应用本申请的测试方法），其测试系统稳定性很差，并不适用。因此，本申请的基础构思在于，打破现有技术的偏见，采用高精度机械轴承方式代替现有的磁浮系统。
第二，采用本申请的测试工装时，由于模拟主轴与双列角接触球轴承存在摩擦（测功机测得的转矩实质上小于电机的输出转矩）以及模拟主轴与磁悬浮电机实际驱动的主轴与负载的转动惯量相差巨大的问题，因此，测功机在测试时，必须要设定一个T测功机补偿（其符号定义如下：其数值为正时，表示测功机提供一个与电机转矩方向相反的转矩；其数值为负时，表示测功机提供一个与电机转矩方向相同的转矩）。此时测功机测量得到的转矩才能代表电机转矩。
而对于T测功机补偿而言，其采用下式求得：
T测功机补偿=（J2- J1）α1- f载荷P载荷dm；其根据测试工装的模拟主轴的角加速度实时更新，进而实时获得电机的输出功率以及效率。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1是一种磁悬浮电机测试性能检测工装的三维结构设计示意图。
图2是一种磁悬浮电机测试性能检测工装的剖面设计示意图。
附图标记说明如下：
电机测试辅助工装100、联轴器200、测功机300、磁悬浮电机400；
外壳101、双列角接触球轴承102、模拟主轴103。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
<实施例一：一种磁悬浮电机测试性能检测工装>
<一、硬件设计>
如图1和图2可知，一种磁悬浮电机测试性能检测工装，其包括：电机测试辅助工装100、联轴器200、测功机300；
其中，所述电机测试辅助工装100包括：外壳101、双列角接触球轴承102、模拟主轴103；
其中，所述双列角接触球轴承102设置在所述外壳101的一侧面上，所述模拟主轴103转动连接在所述双列角接触球轴承102上；
其中，所述模拟主轴103通过所述联轴器200与所述测功机300连接；
待检测的磁悬浮电机400在检测时，磁悬浮电机的主轴和负载采用简易的模拟主轴103来替代。
<二、磁悬浮电机测试的难点分析>
磁悬浮分子泵中的磁悬浮电机的负载较大，如CN113266583A、CN 102435135 A所示，磁悬浮电机的主轴的端部连接有叶轮、定子这样的负载结构。然而，在测试时，不可能将上述负载安装到检测工装上。
因此，本申请测试时需要考虑到下述两个难点：
（1）检测时，是采用模拟主轴103（即简易主轴）代替真实的主轴及负载来进行检测。将分子泵的主轴和负载与测试工装硬件对比，分子泵的主轴和负载的转动惯量远大于测试工装主轴的转动惯量。
（2）测试工装中主轴存在摩擦力矩，在实际使用中是不存在上述摩擦力矩。
基于上述两点，在采用测功机测试时如何模拟磁悬浮电机在磁悬浮分子泵的实际情况，就成为一个难点。
<2.1、磁悬浮电机测试工作状态分析>
磁悬浮电机测试工装在工作时，转矩满足以下条件：
T电机-T轴承-T测功机补偿=J1α1 （1）
式（1）中：T电机表示电机的输出转矩（N·m），T轴承表示双列角接触球轴承产生的阻力转矩（N·m）, T测功机补偿表示测功机的阻力转矩（N·m）, J1表示主轴及测功机的转动惯量，α1表示主轴及测功机的角加速度。
对于T电机而言，其满足下式：
T电机=9549·P电机测试/n测试 （2）
式（2）中，P电机测试表示电机在测试时的输出功率，单位为Kw；n测试表示电机在测试时的电机转速，单位为r/min。
对于T轴承而言，其满足下式：
T轴承=T0+T1 （3）
式（3）中，T0为由运动粘性引起的摩擦力矩，单位为N·m；T1为由负载引起的摩擦力矩，单位为N·m。
对于T0、T1而言：
T0=10-10·f0（v·n轴承）2/3dm 3 （4）
T1=10-3·f载荷P载荷dm （5）
式（4）、式（5）中，v表示工作温度下的粘度，mm²/s；n轴承（一般可取n测试）表示轴承转速，单位为r/min；dm表示轴承的平均直径（即轴承的内径与外径的平均值），单位为mm；f0表示轴承类别和润滑方式相关的阻尼系数，双列角接触球轴承在脂润滑方式下系数约为4；f载荷表示载荷系数（载荷系数能够从《王振华.实用轴承手册: 第二版[M].上海科学技术文献出版社,1996.》查询得知）；P载荷表示轴承径向载荷，单位为N；P载荷可直接采用设计值（即根据轴承与模拟主轴之间的过盈量及材质确定），也可通过轴承与模拟主轴之间设置压力传感器来检测获得。
将式（2）、（4）、（5）代入式（1）可知：
9549·P电机测试/ n测试-10-10·f0（v·n轴承）2/3dm 3-f载荷P载荷dm-T测功机补偿= J1·α1 （6）
由式（6）可得：
P电机测试=[J1α1+ f载荷P载荷dm+ T测功机补偿+10-10·f0（v·n轴承）2/3dm 3]·n测试/9459 （7）
<2.2、磁悬浮电机在磁悬浮分子泵的实际工作状态分析>
而磁悬浮电机在磁悬浮分子泵工作时，如CN113266583A、CN 102435135 A所示，磁悬浮电机的主轴的端部连接有叶轮、定子这样的负载结构。
转矩满足以下条件：
T电机- T负载摩擦=J2·α2 （8）
式（8）中，T电机表示电机的输出转矩，单位为N·m；
T电机可表达为：T电机=9549·P电机实际/n实际；
P电机实际表示电机在实际工作中的输出功率，单位为Kw；n实际表示电机安装在磁悬浮分子泵中时的电机转速，单位为r/min；
T负载摩擦表示主轴连接的结构引起的阻力转矩，单位为N·m；
J2表示主轴-负载转动惯量。
α2表示主轴-负载的角加速度。
式（8）化简为：
P电机实际= （J2·α2+ T负载）·n实际 /9549 （9）
<2.3、结论>
在检测时，为了检测电机的性能，其要满足如下条件：
a. 在加速阶段，测试过程中的主轴加速度与实际工作过程中的主轴加速度相同，即α1=α2；
b. 在测试过程中的电机转速与实际工作过程中的电机转速相同，即n测试=n实际；
c. P电机测试=P电机实际，电机在测试时与工作时的功率保持一致（测试时电机的输入电压电流与实际工作时的保持一致）。
结合式（7）和式（9）可知：
[J1α1+ f载荷P载荷dm+ T测功机补偿+10-10f0(vn轴承)2/3dm 3]n测试/9459=(J2α2+ T负载摩擦)n实际/9549（10）
由式（10）可得：
T测功机补偿=（J2α2+ T负载摩擦）- J1α1- f载荷P载荷dm-10-10·f0（v·n轴承）2/3dm 3（11）
式（11）作如下简化：
1）分子泵实际工作时，分子泵真空腔体近乎真空状态，因此T负载≈0。
2）10-10·f0（v·n轴承）2/3dm 3<<小于其他项，其可忽略。
因此，式（11）化简为：
T测功机补偿=（J2- J1）α1- f载荷P载荷dm （12）
T测功机补偿的符号为正时，表示测功机提供一个与电机转矩方向相反的转矩；T测功机补偿的符号为负时，表示测功机提供一个与电机转矩方向相同的转矩。
<三、磁悬浮分子泵电机的性能测试方法>
一种磁悬浮分子泵电机的性能测试方法，采用前述的一种磁悬浮电机测试性能检测工装进行检测；
首先，将磁悬浮电机置入磁悬浮电机测试性能检测工装中，磁悬浮电机的主轴采用检测工装中的模拟主轴；
然后，磁悬浮电机通电，上位机对电机施加电压和电流，电机带动模拟主轴和测功机进行旋转，测功机通过T测功机补偿转矩的输出（实时更新），输出转速n-时间t曲线，直至电机转动至额定转速；
再次，根据模拟主轴的转速n和电机的转矩T能够实时计算出电机的输出功率P输出：
P输出=T·n/9459。
最后，计算效率η
采用电压传感器、电流传感器实时测量给电机的电压U和电流I；
η=P输出/（U·I）。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (3)
1.一种磁悬浮分子泵电机性能检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100，将磁悬浮分子泵电机安装在磁悬浮分子泵电机测试性能检测工装上：
磁悬浮分子泵电机的主轴及负载采用检测工装的模拟主轴替代，模拟主轴转动连接在双列角接触球轴承上，所述模拟主轴的端部通过联轴器与测功机连接；
在测功机中设置有转矩传感器、模拟主轴角加速度传感器、模拟主轴转速传感器，所述转矩传感器用于实时测试电机的转矩T，模拟主轴角加速度传感器用于实时测试模拟主轴的角加速度α，所述模拟主轴转速传感器用于实时测试模拟主轴的转速n；
S200，给电机施加电压和电流，电机带动模拟主轴和测功机进行旋转；在旋转过程中，测功机给出T测功机补偿转矩的输出，输出转速n-时间t曲线，直至电机转动至额定转速；
其中，T测功机补偿=（J2- J1）α1- f载荷P载荷dm；T测功机补偿根据模拟主轴角加速度传感器的结果实时调整，T测功机补偿的符号为正时，表示测功机提供一个与电机转矩方向相反的转矩；T测功机补偿的符号为负时，表示测功机提供一个与电机转矩方向相同的转矩；
J2表示磁悬浮分子泵电机在磁悬浮分子泵中的主轴-负载的转动惯量，其属于已知量；
J1表示主轴及测功机的转动惯量，其属于已知量；
α1表示主轴及测功机的角加速度，其通过模拟主轴角加速度传感器实时获得；
f载荷表示载荷系数，其属于已知量；
P载荷表示双列角接触球轴承径向载荷，其属于已知量；
dm表示双列角接触球轴承的平均直径，其属于已知量；
S300，根据获得的模拟主轴的转速n和电机的转矩T能够实时计算出电机的输出功率P输出：
P输出=T·n/9459。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮分子泵电机性能检测方法，其特征在于，S200还包括：设置电压传感器、电流传感器，所述电压传感器、所述电流传感器实时测量供给电机的电压U和电流I；
所述磁悬浮分子泵电机性能检测方法还包括：S400，计算效率η；
其中，η=P输出/（U·I）。
3.如权利要求1或2所述的一种磁悬浮分子泵电机性能检测方法在转速大于20000r/min的磁悬浮分子泵电机性能测试中的应用。
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| CN115308595A (zh) * | 2022-08-09 | 2022-11-08 | 亘泰医学科技(深圳)有限公司 | 磁悬浮电机动态性能试验装置 |
Non-Patent Citations (2)
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|---|
| 一种采用磁悬浮的直线电机精密检测方法研究;周洪 等;机电一体化(第10期);第3-7、75页 * |
| 无速度传感器异步电动机检测系统研究;何志明 等;电气传动;第38卷(第03期);第18-20页 * |
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| CN116840680A (zh) | 2023-10-03 |
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