一種測量電磁軸承轉子軸向位移的方法
2023-06-09 16:12:21 1
專利名稱：一種測量電磁軸承轉子軸向位移的方法
技術領域：
本發明涉及一種測量方法，特別是關於一種測量電磁軸承轉子軸向位移的方法。
背景技術：
電磁軸承又稱磁懸浮軸承，其原理是利用磁力的作用，使轉子與定子之間保持一定的間隙，將轉子懸浮起來作高速旋轉，其是一種無接觸、無潤滑、無摩擦的新型軸承，特別適合於高速旋轉和不能使用潤滑油脂的工作環境，在高速機械加工、渦輪機械、航空航天、真空技術等眾多領域具有廣闊的應用前景。
由於一般採用永磁鐵的無源被動磁力軸承無法在所有自由度上保持懸浮物體位置的穩定，而且阻尼相對較低；採用超導的無源磁力軸承目前還處於實驗階段，實現起來比較困難，而且成本很高。因此，有源主動電磁軸承(AMB)在當前工業中應用最為廣泛。有源主動電磁軸承是利用電磁鐵與鐵磁材料轉子之間的吸力作用而實現懸浮支承的。
由於有源主動電磁軸承在恆定勵磁電流作用下，當受到某種外部幹擾時，轉子中心會偏離原平衡位置，轉子與被偏向一側的電磁鐵間隙縮小，而與被偏離一側的間隙加大，在這種負剛度的磁力作用下將加劇轉子的進一步偏離。這是一種類似倒立擺的不穩定受力結構，在恆定勵磁電流作用下不能穩定懸浮，因此電磁軸承必須在控制器的作用下，通過轉子位置傳感器測得的位置偏離量信號及時調節相應電磁鐵上的電流，將轉子再控制回到幾何中心的位置，才能正常工作。從而，對轉子軸向位移和徑向位移的檢測就成為控制整個電磁軸承系統的基礎。
傳統的電磁軸承(如圖1所示)，往往採用電渦流位移傳感器11、12對其徑向位移和軸向位移進行測量。而一般說來，軸向位移傳感器11採用軸向放置，徑向位移傳感器12採用徑向放置。這樣一來就會導致一個較為複雜的結構，給對轉子1的檢測和控制帶來不便。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種測量電磁軸承轉子軸向位移的方法。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種測量電磁軸承轉子軸向位移的方法，其特徵在於在轉子外面固定一套環，所述套環由分段設置的至少兩種材料組成，將軸向位移傳感器放置在所述轉子的徑向，並將所述軸向位移傳感器的敏感元件對準所述兩種材料的交界處，且以這個交界面作為測量基準，測量該交界面隨轉子的軸向位移。
所述軸向位移傳感器為徑向和軸向對稱設置的四個，通過對所述四個傳感器輸出信號的處理，最終得到與所述轉子軸向位移成線性關係的信號。
本發明由於採取以上方法，其具有以下優點1、本發明由於將通常軸向放置的軸向位移傳感器放置在轉子的徑向，通過不同材料交界處材料的位移量，實現了用徑向放置的傳感器測量電磁軸承轉子軸向位移的方法，其不但可以簡化系統結構，而且可以簡化對系統的分析，給電磁軸承轉子的檢測和控制帶來相當的便利。2、本發明由於採取兩對四個軸向位移傳感器，並將這四個傳感器的輸出經過一定的處理，因此不但可以消除徑向位移對測量結果的影響，還能增大輸出信號的斜率，提高靈敏度。本發明方法實施步驟簡單，測試結果精確，特別適合於需要應用電磁軸承進行高速旋轉、無接觸、無潤滑、無摩擦支承的工業領域，例如高速機械加工、渦輪機械和離心機、航空航天、真空及超淨室技術領域。
圖1是傳統電磁軸承轉子測量時傳感器設置示意2是本發明電磁軸承裝置測量時軸向傳感器設置示意圖具體實施方式
如圖2所示，本發明方法是在轉子1的外面固定一套環2，套環2以一種材料21為基礎，在其上間隔設置有兩段另一種材料22，將四個軸向位移傳感器31、32、33、34放置在轉子1的徑向，且將四個軸向位移傳感器31、32、33、34的敏感元件分別對準兩種材料21、22的交界處。這樣一來，軸向位移傳感器3的磁路主要由傳感器敏感元件磁路、轉子套環2和氣隙組成。傳感器3的輸出受套環2材料電導率磁導率、傳感器激勵頻率、傳感器與套環2之間的距離等因素影響，在激勵頻率和距離不變的條件下，轉子1軸向位移影響磁路材料分布，相當於改變了材料的電導率磁導率，從而影響軸向位移傳感器3的輸出。
上述實施例中，套環2的兩種材料的組成可以採取各種形式，比如焊接、鑲嵌等，複合的材料也可以是三種或三種以上，但一般兩種材料就可以實現發明目的。
上述實施例中，由於相對設置的四個軸向位移傳感器31、32、33、34中，傳感器31、32位於同一豎直平面，傳感器33、34位於同一豎直平面；傳感器31、33位於同一水平面，傳感器32、34位於同一水平面。當轉子偏離平衡位置時，各傳感器31、32、33、34輸出電壓為(假設傳感器的軸向和徑向位移分別為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為轉子位於平衡位置時輸出電壓，DU(z，x)為轉子偏離平衡位置輸出電壓的變化量(是軸向位移z和徑向位移x的函數)在傳感器工作範圍內，DU(z，x)與z和x成線性關係，於是採用兩個加法器分別將傳感器31、32和傳感器33、34的輸出信號加在一起，再把這兩個加和信號輸入減法器，可以得到最終的輸出為U＝(U1+U2)-(U3+U4)＝(2U0+K(z))-(2U0+K(-z))＝2K(z)＝nz這樣就得到了與轉子軸向位移z成正比的輸出信號，n為特徵斜率。也就是說本發明通過對傳感器31、32、33、34輸出信號的相應處理，得到了與轉子1軸向位移成線性關係的信號，至於如何根據此信號將轉子控制回到幾何中心的問題，屬於已有技術，在此不再贅述。
權利要求
1.一種測量電磁軸承轉子軸向位移的方法，其特徵在於在轉子外面固定一套環，所述套環由分段設置的至少兩種材料組成，將軸向位移傳感器放置在所述轉子的徑向，並將所述軸向位移傳感器的敏感元件對準所述兩種材料的交界處，且以這個交界面作為測量基準，測量該交界面隨轉子的軸向位移。
2.如權利要求1所述的一種測量電磁軸承轉子軸向位移的方法，其特徵在於所述軸向位移傳感器為徑向和軸向對稱設置的四個，通過對所述四個傳感器輸出信號的處理，最終得到與所述轉子軸向位移成線性關係的信號。
全文摘要
本發明涉及一種測量電磁軸承轉子軸向位移的方法，其特徵在於在轉子外面固定一套環，所述套環由分段設置的至少兩種材料組成，將軸向位移傳感器放置在所述轉子的徑向，並將所述軸向位移傳感器的敏感元件對準所述兩種材料的交界處，且以這個交界面作為測量基準，測量該交界面隨轉子的軸向位移。本發明將軸向放置的軸向位移傳感器放置在轉子的徑向，通過不同材料交界處材料的位移量，實現了用徑向放置的傳感器測量電磁軸承轉子軸向位移的方法，其不但可以簡化系統結構，而且可以簡化對系統的分析，給電磁軸承轉子的檢測和控制帶來相當的便利。本發明特別適合於需要應用電磁軸承進行高速旋轉、無接觸、無潤滑、無摩擦支承的工業領域，例如高速機械加工、渦輪機械和離心機、航空航天、真空及超淨室技術領域中。
文檔編號G01B7/04GK1544878SQ200310103860
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月14日 優先權日2003年11月14日
發明者趙雷, 於溯源, 石磊, 王捷, 熊劍, 時振剛, 徐暘, 趙 雷 申請人:清華大學