CN1544878A - 一种测量电磁轴承转子轴向位移的方法 - Google Patents

一种测量电磁轴承转子轴向位移的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测量电磁轴承转子轴向位移的方法，其特征在于：在转子外面固定一套环，所述套环由分段设置的至少两种材料组成，将轴向位移传感器放置在所述转子的径向，并将所述轴向位移传感器的敏感元件对准所述两种材料的交界处，且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。本发明将轴向放置的轴向位移传感器放置在转子的径向，通过不同材料交界处材料的位移量，实现了用径向放置的传感器测量电磁轴承转子轴向位移的方法，其不但可以简化系统结构，而且可以简化对系统的分析，给电磁轴承转子的检测和控制带来相当的便利。本发明特别适合于需要应用电磁轴承进行高速旋转、无接触、无润滑、无摩擦支承的工业领域，例如高速机械加工、涡轮机械和离心机、航空航天、真空及超净室技术领域中。

Description

一种测量电磁轴承转子轴向位移的方法
技术领域
本发明涉及一种测量方法，特别是关于一种测量电磁轴承转子轴向位移的方法。
背景技术
电磁轴承又称磁悬浮轴承，其原理是利用磁力的作用，使转子与定子之间保持一定的间隙，将转子悬浮起来作高速旋转，其是一种无接触、无润滑、无摩擦的新型轴承，特别适合于高速旋转和不能使用润滑油脂的工作环境，在高速机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术等众多领域具有广阔的应用前景。
由于一般采用永磁铁的无源被动磁力轴承无法在所有自由度上保持悬浮物体位置的稳定，而且阻尼相对较低；采用超导的无源磁力轴承目前还处于实验阶段，实现起来比较困难，而且成本很高。因此，有源主动电磁轴承(AMB)在当前工业中应用最为广泛。有源主动电磁轴承是利用电磁铁与铁磁材料转子之间的吸力作用而实现悬浮支承的。
由于有源主动电磁轴承在恒定励磁电流作用下，当受到某种外部干扰时，转子中心会偏离原平衡位置，转子与被偏向一侧的电磁铁间隙缩小，而与被偏离一侧的间隙加大，在这种负刚度的磁力作用下将加剧转子的进一步偏离。这是一种类似倒立摆的不稳定受力结构，在恒定励磁电流作用下不能稳定悬浮，因此电磁轴承必须在控制器的作用下，通过转子位置传感器测得的位置偏离量信号及时调节相应电磁铁上的电流，将转子再控制回到几何中心的位置，才能正常工作。从而，对转子轴向位移和径向位移的检测就成为控制整个电磁轴承系统的基础。
传统的电磁轴承(如图1所示)，往往采用电涡流位移传感器11、12对其径向位移和轴向位移进行测量。而一般说来，轴向位移传感器11采用轴向放置，径向位移传感器12采用径向放置。这样一来就会导致一个较为复杂的结构，给对转子1的检测和控制带来不便。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种测量电磁轴承转子轴向位移的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种测量电磁轴承转子轴向位移的方法，其特征在于：在转子外面固定一套环，所述套环由分段设置的至少两种材料组成，将轴向位移传感器放置在所述转子的径向，并将所述轴向位移传感器的敏感元件对准所述两种材料的交界处，且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。
所述轴向位移传感器为径向和轴向对称设置的四个，通过对所述四个传感器输出信号的处理，最终得到与所述转子轴向位移成线性关系的信号。
本发明由于采取以上方法，其具有以下优点：1、本发明由于将通常轴向放置的轴向位移传感器放置在转子的径向，通过不同材料交界处材料的位移量，实现了用径向放置的传感器测量电磁轴承转子轴向位移的方法，其不但可以简化系统结构，而且可以简化对系统的分析，给电磁轴承转子的检测和控制带来相当的便利。2、本发明由于采取两对四个轴向位移传感器，并将这四个传感器的输出经过一定的处理，因此不但可以消除径向位移对测量结果的影响，还能增大输出信号的斜率，提高灵敏度。本发明方法实施步骤简单，测试结果精确，特别适合于需要应用电磁轴承进行高速旋转、无接触、无润滑、无摩擦支承的工业领域，例如高速机械加工、涡轮机械和离心机、航空航天、真空及超净室技术领域。
附图说明
图1是传统电磁轴承转子测量时传感器设置示意图
图2是本发明电磁轴承装置测量时轴向传感器设置示意图
具体实施方式
如图2所示，本发明方法是在转子1的外面固定一套环2，套环2以一种材料21为基础，在其上间隔设置有两段另一种材料22，将四个轴向位移传感器31、32、33、34放置在转子1的径向，且将四个轴向位移传感器31、32、33、34的敏感元件分别对准两种材料21、22的交界处。这样一来，轴向位移传感器3的磁路主要由传感器敏感元件磁路、转子套环2和气隙组成。传感器3的输出受套环2材料电导率磁导率、传感器激励频率、传感器与套环2之间的距离等因素影响，在激励频率和距离不变的条件下，转子1轴向位移影响磁路材料分布，相当于改变了材料的电导率磁导率，从而影响轴向位移传感器3的输出。
上述实施例中，套环2的两种材料的组成可以采取各种形式，比如焊接、镶嵌等，复合的材料也可以是三种或三种以上，但一般两种材料就可以实现发明目的。
上述实施例中，由于相对设置的四个轴向位移传感器31、32、33、34中，传感器31、32位于同一竖直平面，传感器33、34位于同一竖直平面；传感器31、33位于同一水平面，传感器32、34位于同一水平面。当转子偏离平衡位置时，各传感器31、32、33、34输出电压为：(假设传感器的轴向和径向位移分别为z和x)
U31＝U0+DU(z，x)
U32＝U0+DU(z，-x)
U33＝U0+DU(-z，x)
U34＝U0+DU(-z，-x)
其中U0为转子位于平衡位置时输出电压，DU(z，x)为转子偏离平衡位置输出电压的变化量(是轴向位移z和径向位移x的函数)
在传感器工作范围内，DU(z，x)与z和x成线性关系，于是采用两个加法器分别将传感器31、32和传感器33、34的输出信号加在一起，再把这两个加和信号输入减法器，可以得到最终的输出为：
U＝(U1+U2)-(U3+U4)
 ＝(2U0+K(z))-(2U0+K(-z))
 ＝2K(z)＝nz
这样就得到了与转子轴向位移z成正比的输出信号，n为特征斜率。也就是说本发明通过对传感器31、32、33、34输出信号的相应处理，得到了与转子1轴向位移成线性关系的信号，至于如何根据此信号将转子控制回到几何中心的问题，属于已有技术，在此不再赘述。

Claims (2)

1、一种测量电磁轴承转子轴向位移的方法，其特征在于：在转子外面固定一套环，所述套环由分段设置的至少两种材料组成，将轴向位移传感器放置在所述转子的径向，并将所述轴向位移传感器的敏感元件对准所述两种材料的交界处，且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。
2、如权利要求1所述的一种测量电磁轴承转子轴向位移的方法，其特征在于：所述轴向位移传感器为径向和轴向对称设置的四个，通过对所述四个传感器输出信号的处理，最终得到与所述转子轴向位移成线性关系的信号。
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