一种基于激光位移传感器的轴向磁悬浮轴承系统

1.本实用新型涉及磁悬浮电机技术领域，尤其涉及一种基于激光位移传感器的轴向磁悬浮轴承系统。


背景技术：

2.磁悬浮轴承是一种转子与定子之间没有机械接触的高性能轴承，与传统滚珠轴承相比，磁悬浮轴承利用磁力作用将转子悬浮于空间，定转子之间不存在机械接触，转子可达到很高转速。具有寿命长、无润滑等优点，特别适合高速、真空、超净等特殊环境。
3.磁悬浮轴承的承载力，跟电磁铁的几何尺寸、磁极安排、槽形状、铁芯材料的导磁特性及线圈参数等有关。在大型压缩机上的磁悬浮轴承所需承载力较大，在最大电流限制下，为了提高磁悬浮轴承的承载能力，如果选择增加磁轴承转子推力盘两侧电磁铁线圈匝数会加重线圈温升，同时更容易出现磁饱和现象。
4.位移传感器在轴向磁悬浮轴承系统中用于测量磁轴承转子推力盘位移信息。由于加工精度有限，磁轴承转子推力盘被检测面上电特性或者磁特性不一致，传统电涡流位移传感器由于自身的工作原理容易受到这种电特性或者磁特性的影响，检测信号中含有同频及倍频噪声，这就是电涡流位移传感器谐波。电涡流位移传感器谐波会导致位移传感器无法精确采集磁轴承转子推力盘位移信息，同时会引发谐波控制电流。一般情况下，电涡流位移传感器谐波所产生的谐波控制电流会导致安装在磁轴承定子上的电磁铁产生谐波振动力，对磁轴承转子的悬浮产生不利影响，进而导致磁悬浮轴承系统运行不稳定。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种基于激光位移传感器的轴向磁悬浮轴承系统，针对大型磁悬浮轴承需要较大的承载力，电涡流位移传感器容易受到磁轴承转子推力盘表面电特性和磁特性的影响而无法精确采集磁轴承转子位移信息以及电涡流位移传感器会引发谐波控制电流的问题。在磁轴承转子推力盘两侧各设计两个电磁铁，在不增大控制电流的情况下提高轴向磁悬浮轴承的承载力；同时将传统电涡流位移传感器替换为激光位移传感器。为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下的技术方案：
6.一种基于激光位移传感器的轴向磁悬浮轴承系统，包括磁轴承转子、磁轴承定子、电磁铁、止推轴承、推力盘、激光位移传感器、滤波电路、控制器、功率放大器。
7.所述电磁铁一共有四个，电磁铁的控制绕组安装于磁轴承定子的铁芯上，磁轴承转子推力盘两侧各有两个电磁铁，磁轴承转子推力盘同侧的两个电磁铁上的控制绕组缠绕方式相同，同侧的两个电磁铁中的控制绕组由控制器控制，所述控制器输入端与滤波电路的输出端相连，控制器输出端与功率放大器输入端相连，磁轴承转子推力盘同侧的两个电磁铁中间是磁轴承定子，其中磁轴承定子材料是用软磁材料制作的。两个电磁铁之间的间距大小根据轴承大小及轴向磁悬浮轴承系统所承受的承载力调整。
8.所述止推轴承安装在磁轴承定子上，所述推力盘安装在磁轴承转子上，其中推力
盘与磁轴承转子转轴连接部分是呈阶梯结构，推力盘与止推轴承组成轴向磁悬浮轴承的轴向保护装置，止推轴承与推力盘底部的阶梯结构两面正对；
9.止推轴承和磁轴承转子推力盘相对面中心点之间的距离小于磁轴承定子与推力盘顶部之间的距离。
10.磁轴承转子的转轴从止推轴承中心穿过，止推轴承与磁轴承转子的转轴共轴。
11.所述激光位移传感器共四个，安装于磁轴承转子推力盘一侧的磁轴承定子上；以磁轴承定子横截面圆心为原点建立三维坐标系，横截面为xy平面，磁轴承转子长度方向为z轴方向，四个激光位移传感器分别位于x轴正向负向、y轴正向负向所经过的磁轴承定子边缘，其中激光位移传感器的激光发射器镜头和激光接收器镜头与磁轴承转子推力盘相对
12.所述激光位移传感器输出端与滤波电路输入端相连，滤波电路输出端与控制器输入端相连，控制器输出端与功率放大器输入端相连，功率放大器输出端与电磁铁相连。
13.其中，功率放大器采用开关功率放大器。
14.本实用新型所产生的有益效果在于：
15.本实用新型提出一种基于激光位移传感器的轴向磁悬浮轴承系统，在磁轴承转子上设有推力盘，推力盘两侧各设有两个电磁铁，控制器输出的电压控制信号经由功率放大器后，对电磁铁上的输入电流进行控制。与采用一个电磁铁对推力盘进行控制相比，采用两个电磁铁对推力盘进行控制能够在不增大控制电流的情况下可以提高轴向磁悬浮轴承的承载力。采用激光位移传感器测量磁轴承转子推力盘位移信息，能够提高测量精度，同时能够避免电涡流位移传感器因为磁轴承转子推力盘表面电特性和磁特性的影响而无法精确采集磁轴承转子位移信息以及电涡流位移传感器会引发谐波控制电流的问题。本实用新型结构简单，工作稳定性好，性能优良，可广泛的应用于大型磁悬浮轴承。
附图说明
16.图1是本实用新型的一实施例提供的一种轴向磁悬浮轴承结构图；
17.图中，1-激光位移传感器；2-磁轴承定子；3-控制绕组；4-磁轴承转子推力盘；5-控制绕组；6-止推轴承；7-磁轴承转子转轴。
18.图2是图1中的a-a截面示意图；
19.图中，1-激光位移传感器；2-磁轴承定子；3-控制绕组；4-磁轴承转子推力盘；5-控制绕组；6-止推轴承；7-磁轴承转子转轴。
20.图3是图1中轴向磁悬浮轴承的原理示意图；
21.其中，虚线表示轴向控制绕组产生的控制磁通；
22.图4是激光位移传感器工作原理示意图；
23.图中，8-半导体激光器；9-信号处理器；10-线性cmos阵列；11-镜片；12-激光接收器镜头；13-镜片；14-激光发射器镜头；4-磁轴承转子推力盘。
24.图5是轴向磁悬浮轴承控制原理图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
26.一种基于激光位移传感器的轴向磁悬浮轴承系统，如图1所示，包括磁轴承转子、磁轴承定子2、电磁铁、止推轴承6、推力盘4、激光位移传感器1、滤波电路、控制器、功率放大器。磁轴承转子上设有磁轴承转子推力盘4和磁轴承转子转轴7，推力盘两侧各设有两个电磁铁，同侧的两个电磁铁由设置同一个定子铁芯2上的两个控制绕组3和5组成，位移传感器1输出信号经过滤波电路控制器输出的电压控制信号经由功率放大器后，对电磁铁上的输入电流进行控制，同侧的电磁铁上的输入电流相同。
27.所述电磁铁一共有四个，电磁铁的控制绕组安装于磁轴承定子的铁芯上，磁轴承转子推力盘两侧各有两个电磁铁，磁轴承转子推力盘同侧的两个电磁铁上的控制绕组缠绕方式相同，同侧的两个电磁铁中的控制绕组由控制器控制，所述控制器输入端与滤波电路的输出端相连，控制器输出端与功率放大器输入端相连，对电磁铁上的输入电流进行控制，同侧的电磁铁上的输入电流相同。磁轴承转子推力盘同侧的两个电磁铁中间是磁轴承定子，其中磁轴承定子材料是用软磁材料制作的。两个电磁铁之间的间距大小根据轴承大小及轴向磁悬浮轴承系统所承受的承载力调整。
28.所述止推轴承安装在磁轴承定子上，所述推力盘安装在磁轴承转子上，其中推力盘与磁轴承转子转轴连接部分是呈阶梯结构，推力盘与止推轴承组成轴向磁悬浮轴承的轴向保护装置，止推轴承与推力盘底部的阶梯结构两面正对；
29.止推轴承和磁轴承转子推力盘相对面中心点之间的距离小于磁轴承定子与推力盘顶部之间的距离。
30.磁轴承转子的转轴从止推轴承中心穿过，止推轴承与磁轴承转子的转轴共轴。
31.所述激光位移传感器共四个，安装于磁轴承转子推力盘一侧的磁轴承定子上；以磁轴承定子横截面圆心为原点建立三维坐标系，横截面为xy平面，磁轴承转子长度方向为z轴方向，四个激光位移传感器分别位于x轴正向负向、y轴正向负向所经过的磁轴承定子边缘，其中激光位移传感器的激光发射器镜头和激光接收器镜头与磁轴承转子推力盘相对
32.所述激光位移传感器输出端与滤波电路输入端相连，滤波电路输出端与控制器输入端相连，控制器输出端与功率放大器输入端相连，功率放大器输出端与电磁铁相连。
33.其中，功率放大器采用开关功率放大器。
34.如图2所示，激光位移传感器安装于磁轴承转子推力盘一侧的磁轴承定子上；以磁轴承定子横截面圆心为原点建立三维坐标系，横截面为xy平面，磁轴承转子长度方向为z轴方向，四个激光位移传感器分别位于x轴正向负向、y轴正向负向所经过的磁轴承定子边缘，激光位移传感器激光发射器镜头和激光接收器镜头与磁轴承转子推力盘相对。所述定子上的推力盘4成阶梯结构，推力盘上的阶梯结构与止推轴承6组成轴向磁悬浮轴承的保护装置，止推轴承6与推力盘底部的阶梯结构两面相对，止推轴承与推力盘底部的阶梯结构之间的间距小于磁轴承定子与推力盘上部之间的间距。在轴向磁悬浮轴承的运转中，当转子相对于定子发生轴向移位时，在转子与定子之间发生接触之前，推力盘4与止推轴承6接触并发生滑擦，从而保护磁轴承本体的转子和定子不发生摩擦磨损，保护装置能够对轴向进行保护，从而给磁悬浮轴承增加一层安全保障，提供产品可靠性。
35.如图3所示，输入电流后，电磁铁上产生控制磁通，当磁轴承转子处于平衡位置时，推力盘4与两边的电磁铁气隙相同，此时左右吸力相同，当轴向磁悬浮轴承的转子产生轴向位移时，电磁铁产生的磁通对推力盘4的吸力大小不同，此时控制器改变两边控制绕组3、5
中输入电流的大小，从而改变两边的吸力使转子回到平衡位置。
36.同侧的电磁铁之间相隔一定的间距，中间被软磁材料隔开，间距大小可根据轴承大小及所需承载力调整，两个电磁铁之间的产生的磁通效果可以等效为单个电磁铁产生的磁通，中间的间隔可以有效的增加其散热效果。
37.如图4所示，激光位移传感器包括半导体激光器8、两块镜片11、13、激光发射器镜头 14、激光接收器镜头12、线性cmos阵列10和信号处理器9。半导体激光器8被镜片13聚焦到磁轴承转子推力盘4上。反射光被镜片11收集，投射到cmos阵列10上；信号处理器 9通过三角函数计算cmos阵列10上的光点位置得到距物体的距离。采用激光位移传感器测量磁轴承转子推力盘位移信息，能够有效解决电涡流位移传感器容易受到磁轴承转子推力盘表面电特性和磁特性的影响而无法精确采集磁轴承转子位移信息以及电涡流位移传感器会引发谐波控制电流的问题，有利于磁轴承转子推力盘位移信息的采集，从源头减小位移传感器谐波的干扰，简化滤波电路设计，降低滤波电路工作负担，同时提高磁悬浮轴承系统稳定性。
38.如图5所示，激光位移传感器输出端与滤波电路输入端相连，滤波电路输出端与控制器输入端相连，控制器输出端与功率放大器输入端相连，功率放大器输出端与电磁铁相连。激光位移传感器采集磁轴承转子推力盘位移信息，并将位移信息以电信号的形式输送给滤波电路，滤波电路对位移信号进行滤波处理获得高精度磁轴承转子推力盘位移信息，之后将位移信息输送给控制器，控制器对位移信息进行分析处理，根据内置算法输出控制信号给功率放大器，功率放大器对控制信号进行功率放大，将功率放大后的信号输送给固定在磁轴承转子推力盘两侧定子上的电磁铁，电磁铁根据控制信号调整电磁力的大小使磁轴承转子推力盘位置移动，在平衡位置附近变化。
39.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。