一种磁轴承转子轴向位移测量方法与流程

1.本发明属于旋转机械设备轴向位移测量技术领域，具体涉及一种磁轴承转子轴向位移测量方法。


背景技术：

2.磁悬浮轴承(简称“磁轴承”)利用磁场力的作用，使转子能够悬浮起来作高速旋转。由于不存在机械接触，磁轴承转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环境。磁轴承可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域，被公认为极有前途的新型轴承。而磁轴承转子的轴向位移检测是确定磁悬浮电机转子悬浮位置，决定磁轴承控制力方向的关键所在。
3.磁轴承转子的轴向位移测量，通常采用布置在轴端或者特定轴段上的轴向位移传感器来实现，这些传感器的结构布置往往都会需要占用到额外的轴向结构空间，并且常用的几类位移传感器都会对环境比较敏感，例如电涡流传感器受温度和电磁场干扰大、电感传感器受磁场干扰大、光电传感器受粉尘油污等干扰大，这些干扰因素不仅会在很大程度上限制传感器的使用范围，而且会在实际使用时增加隔磁、屏蔽等措施进来减小环境对测量稳定性的影响，从而会进一步增加传感器结构占用空间。
4.因此，有必要开发一种对环境变化不敏感的磁轴承转子轴向位移测量方法，以增强磁轴承实际使用过程中的环境稳定性。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种磁轴承转子轴向位移测量方法，以快速降解核生产和科研过程中产生的放射性废树脂，缩短反应时间，提高废树脂的处理效率，同时提高催化剂的循环效率和过氧化氢利用率，降低成本。
6.为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种磁轴承转子轴向位移测量方法，所述方法包括如下步骤：
7.s1、在转子导磁段外部安装差动感应探测装置；
8.s2、在所述差动感应探测装置的激励线圈中通入正弦交流电；
9.s3、引出差动电压信号，转换成转子轴向相对位移。
10.进一步，所述差动感应探测装置包括线圈骨架、第一差动感应线圈、励磁线圈、第二差动感应线圈；
11.所述第一差动感应线圈、励磁线圈、第二差动感应线圈从上至下依次绕制在所述线圈骨架上。
12.进一步，所述线圈骨架由非导磁材料制成。
13.进一步，所述第一差动感应线圈、励磁线圈、第二差动感应线圈与磁轴承电磁铁、转子之间均保持非接触状态。
14.进一步，所述线圈骨架固定安装在所述磁轴承电磁铁上，所述线圈骨架与所述转子之间无接触；
15.所述差动感应探测装置固定在所述轴向磁轴承电磁铁与所述转子之间的空隙部位。
16.进一步，所述第一差动感应线圈位于转子导磁体台阶面之上，所述第二差动感应线圈位于所述转子导磁体台阶面之下。
17.进一步，所述第一差动感应线圈和所述第二差动感应线圈按照同样的匝数绕制在所述线圈骨架上。
18.进一步，所述差动感应探测装置的激励线圈中通入正弦交流电时，所述第一差动感应线圈中产生的感生电动势大小与所述第二差动感应线圈中产生的感生电动势大小不同。
19.进一步，所述差动感应探测装置通过集成了螺旋刻线的pcb板来实现。
20.进一步，若转子不导磁，则在所述转子上装配薄导磁环，再使用所述方法测量所述转子轴向位移。
21.本发明的有益效果在于：采用本发明提供的磁轴承转子轴向位移测量方法，可以通过将差动感应探测装置固定在轴向磁轴承电磁铁与转子之间的空隙部位，实现良好抗干扰能力的同时，在轴向磁悬浮轴承上比较紧凑的集成磁轴承转子轴向位移传感器的探测装置，从而大大减小磁轴承系统轴向空间的占用。本发明提供的方法通过检测感生电动势的变化进行位移测量，而不是检测电感、电涡流等，因此具有抗环境干扰能力强的优点；通过电路上的差动设计方式，减小温升、湿度等共模因素的影响，使得本发明提供的方法具有很强的环境稳定性，因此可以在相对小的空间内实现差动感应探测装置的布置的同时确保对转子轴向位移测量的精确度。此外，由于磁轴承转子轴向位移传感器的差动感应探测装置具有轴向结构对称性，本身就有圆周均化的作用，这就形成了检测量在轴截面上的均化，因而能够大幅降低磁轴承转子轴向位移传感器检测面的加工工艺要求。
附图说明
22.图1是本发明所述磁轴承转子轴向位移测量方法的流程示意图。
23.图2是本发明实施方式所述差动感应探测装置应用于轴向磁轴承电磁铁上的结构示意图。
24.图3是本发明实施方式所述差动感应探测装置应用于轴向磁轴承电磁铁上的剖面结构示意图。
25.图4是本发明实施方式所述差动感应探测装置应用于轴向磁轴承电磁铁上的局部结构放大示意图。
26.图5是本发明实施方式所述线圈骨架示意图。
27.其中，1—线圈骨架；2—第一差动感应线圈；3—激励线圈；4—第二差动感应线圈；5—轴向磁轴承电磁铁(定子)；6—轴向磁轴承转子止推盘；7—芯轴(转子)；8—转子导磁体台阶面
具体实施方式
28.为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。
29.如图1～5所示，本发明实施方式提供的一种磁轴承转子轴向位移测量方法，包括如下步骤：
30.s1、在转子导磁段外部安装差动感应探测装置；
31.本实施方式中，首先在转子导磁段外部围绕转子绕制一个励磁线圈3、一个第一差动感应线圈2和一个第二差动感应线圈4。图2～4为本实施方式所述差动感应探测装置应用于轴向磁轴承电磁铁5(即定子)上的结构示意图；所述差动感应探测装置包括所述第一差动感应线圈2、励磁线圈3、第二差动感应线圈4，以及线圈骨架1。
32.其中，所述第一差动感应线圈2、励磁线圈3、第二差动感应线圈4可以通过手动或机械方式绕制在非导磁材料制成的所述线圈骨架1上。
33.在本发明实施方式中，所述第一差动感应线圈2、励磁线圈3、第二差动感应线圈4与磁轴承电磁铁5、转子7(即芯轴)之间均为保持有一定气隙距离的非接触状态。所述线圈骨架1固定安装在轴向磁轴承电磁铁5上，所述线圈骨架1与转子7之间无接触。所述第一差动感应线圈2位于转子导磁体台阶面8之上，所述第二差动感应线圈4位于转子导磁体台阶面8之下。
34.所述差动感应探测装置固定在轴向磁轴承电磁铁5与转子7之间的空隙部位，大大减小了磁轴承系统轴向空间的占用。而且，由于无需在第一差动感应线圈2、励磁线圈3、第二差动感应线圈4中走大电流，因此第一差动感应线圈2、励磁线圈3、第二差动感应线圈4可以用如0.1mm线径的细漆包线绕制，而线圈骨架1也可以根据情况进行必要的优化。
35.可选的，所述线圈骨架1可以通过卡接或胶接方式固定安装在轴向磁轴承电磁铁5上。
36.可选的，包括所述线圈骨架1、第一差动感应线圈2、励磁线圈3、第二差动感应线圈4的所述差动感应探测装置可以通过集成了螺旋刻线的pcb板来实现，以提高实际应用中差动感应探测装置的统一性。
37.s2、在激励线圈中通入正弦交流电；
38.本实施方式中，当激励线圈3中通入正弦交流电时，在激励线圈3周围会产生交变的磁场，此时第一差动感应线圈2和第二差动感应线圈4中会产生感生电动势。由于激励线圈3外的磁力线通过了导磁的转子7、轴向磁轴承电磁铁5以及不导磁的气隙空间而形成闭合回路，对处于不同空间位置的第一差动感应线圈2和第二差动感应线圈4来说，第一差动感应线圈2与第二差动感应线圈4所包围的磁通量会有所不同，从而造成在不同轴向位置上感生的电动势大小不同，而第一差动感应线圈2与转子的轴向相对位置、第二差动感应线圈4与转子的轴向相对位置的不同则是引起这一差异的主要原因。
39.本实施方式中，由于所述第一差动感应线圈2位于转子导磁体台阶面8之上，存在漏磁通的现象，因此所述第一差动感应线圈2所在位置的磁力线比第二差动感应线圈4所在位置的磁力线稀疏，即第一差动感应线圈2比第二差动感应线圈4的磁通量变化量要小，因而第一差动感应线圈2的感生电动势比第二差动感应线圈4的感生电动势小。
40.s3、引出差动电压信号，转换成转子轴向相对位移。
41.本发明实施方式中，可以将第一差动感应线圈2和第二差动感应线圈4按照同样的匝数绕制，并以第一差动感应线圈2与第二差动感应线圈4的电压差作为差动电压信号引出到磁轴承转子轴向位移传感器的差动检测器，然后转换成转子轴向相对位移。只要转子导磁体台阶面8位于第一差动感应线圈2与第二差动感应线圈4之间，当转子7发生轴向位移的时候，差动检测器就会获得比较明显的关于第一差动感应线圈2与第二差动感应线圈4的差动电压信号。
42.同时，由于第一差动感应线圈2与第二差动感应线圈4的位置接近，除了轴向相对位置的差别之外，所处的环境基本一致，故而所获得的差动电压信号本身就可以消除温度漂移、湿度、磁场干扰等外在共模因素的影响；磁轴承转子轴向位移传感器通过检测感生电动势的变化进行位移测量，而不是检测电感、电涡流等，因此具有抗环境干扰能力强的优点；因此，本实施方式的s3步骤可以得到信噪比较高的、随转子轴向相对位移单调变化的信号。此外，由于磁轴承转子轴向位移传感器的差动感应探测装置具有轴向结构对称性，本身就有圆周均化的作用，所以可以降低磁轴承转子轴向位移传感器的表面光洁度、尺寸精度等加工工艺方面的要求。
43.本发明实施方式针对旋转机械的结构特点，设计了一种转子轴向位移测量的方法，在围绕转子导磁段的励磁线圈3上通正弦交流电，可以在转子7上形成交变磁场，利用其附近第一差动感应线圈2、第二差动感应线圈4所产生的感生电动势会随转子导磁体台阶面8或沟槽结构的轴向位移而发生变化的原理，可实现对转子轴向位移的精确测量。
44.采用本发明实施方式提供的磁轴承转子轴向位移测量方法，可以通过电路上的差动设计方式，减小温升、湿度等共模因素的影响，使得这一测量方法具有很强的环境稳定性；也正是由于这种测量方法对环境变化不敏感，因此可以在相对小的空间内实现差动感应探测装置的布置。对于如磁悬浮轴承这样的应用，可以将差动感应探测装置布置于轴向电磁铁的定子和转子之间，实现其传感器和执行器的一体化。将本发明实施方式提供的方法应用于磁悬浮轴承轴向电磁铁上，可以实现在轴向磁悬浮轴承上比较紧凑的集成磁轴承转子轴向位移传感器的探测装置，进而达到减小磁轴承系统轴向空间占用的目的。
45.对于气悬浮或其它需要测量轴向位移的其它旋转机械设备，本发明实施方式同样适用。
46.另外，本发明实施方式提供的磁轴承转子轴向位移测量方法同样也适用于转子不导磁的情况，操作方法如下：在转子上装配一个薄导磁环后，再应用本发明实施方式提供的方法测量转子不导磁的磁轴承转子轴向位移，可以达到同样的效果。
47.本发明实施方式提供的磁轴承转子轴向位移测量方法利用了转子上的导磁体的台阶面引起的导磁不均匀、以及轴向有位移的时候引起的传感器线圈中漏磁通的变化来进行转子的轴向位移测量，具有非线性的特性，因此主要适用于小范围一定精度的测量，例如对传感器在某一小范围内有明确的线性化要求的磁轴承系统应用；若要获得测量的精确值，则需要进一步标定。
48.上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其他的特定方式或其他的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要
求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。