专利名称：磁悬浮高速电机用径向磁轴承电涡流传感器一体化结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非接触电涡流传感器，特别是一种用于磁悬浮高速电机中与磁轴承一体化的电涡流传感器，可作为鼓风机、压缩机和真空泵等对系统的体积、重量和精度等方面有严格要求的非接触位移传感器。
背景技术：
磁轴承具有无机械摩擦和磨损、不需要润滑和维护、允许转子高速旋转、寿命长、可靠性高等优点，因此在空气压缩机、分子泵、风力发电机、水轮发电机、储能飞轮等许多领域得到了应用，并且应用领域仍在不断的扩大。磁轴承的使用通常需要传感器的配合来达到稳定悬浮的目的，在磁悬浮高速电机中需要探测五个自由度的位移信号，现有结构使用电涡流传感器，每个自由度需要一个非接触位移传感器，为提高传感器的精度，通常采取差动结构，这时每个磁悬浮系统就需要多个电涡流传感器，这种采取传感器与磁轴承分离设 计的模式，会极大地增加电机转子的长度，在高速转动状态下，很容易引起转子的弯曲振动，不利于磁悬浮电机的稳定运行，降低了磁悬浮电动机的最大工作频率；此外，现有的电涡流传感器大多将前置放大器电路及传感器探头一起集成在电机内部，而组成放大电路的运放、电阻、电容和二极管等电子元器件的性能极易受到温度的影响，且在一定振动或潮湿的环境中非常容易烧毁，这种放大电路的脆弱性使得电机难以工作在强振动、潮湿等恶劣环境下。因此，现有的电涡流传感器结构不紧凑，环境适应性差，从而极大地限制了磁悬浮电机，磁悬浮压缩机等磁悬浮转动机构的使用环境及工作频率。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种磁悬浮高速电机用径向磁轴承电涡流传感器一体化结构，显著减小了电涡流传感器和及其系统的转子长度、极大提高了传感器的环境适应能力，进而扩大了磁悬浮电机的使用场合，提高了磁悬浮电机性能。本发明的技术解决方案是磁悬浮高速电机用径向磁轴承电涡流传感器一体化结构，由探测径向位移信号的四路径向位移传感器探头、控制转子悬浮的永磁偏置混合磁轴承及外置的传感器信号处理电路组成，传感器探头集成在永磁偏置混合磁轴承中，传感器探头前置放大器电路集成在一起放置在磁悬浮电机的控制箱内，与传感器探头分离。其中永磁偏置混合磁轴承由磁极(Al A8)、励磁线圈体(Dl D8)和分立式永磁体组成；永磁偏置混合磁轴承的磁极为双层结构，在同一圆周上相隔90°的4个定子铁心组成4个定子磁极(Al A4)，分别沿X、Y轴正负四个方向放置，同样形式放置4个定子铁心组成另外4个定子磁极(A5 A8)，共两组定子铁心构成磁轴承的左右放置双层8定子磁极结构。在XY平面内的圆周上磁极Al A4间隔90°放置，其中磁极Al放置在X轴正方向，磁极A2放置在Y轴负方向，磁极A3放置在X轴负方向，磁极A4放置在Y轴正方向；对于磁极A5 A8在平行于XY平面的圆周上同样间隔90°放置,其中磁极A5放置在X轴正方向，磁极A6放置在Y轴负方向，磁极A7放置在X轴负方向，磁极A8放置在Y轴正方向。磁极Al与磁极A5、磁极A2与磁极A6、磁极A3与磁极A7、磁极A4与磁极A8分别平行放置，磁极Al与磁极A5控制X+方向悬浮,磁极A2与磁极A6控制Y-方向悬浮,磁极A3与磁极A7控制X-方向悬�。偶獳4与磁极A8控制Y+方向悬浮,每个定子磁极绕制有激磁线圈(Dl D8)。磁轴承左右两组定子铁心之间是由分立式永磁体与传感器座组成的圆环，磁悬浮高速电机用径向一体化磁轴承电涡流传感器所采用的分立式永磁体共4块，沿X、Y轴正负4个方向放置在圆环上，分立式永磁体之间用铝制传感器座隔开，传感器座上安装探头(Tl T4)。传感器探头Tl的中心位置Tlo到磁极(Al、A4、A5、A8)中心位置Alo、A4o、A5o、A8o的距离相等，即探头轴线与Al0、A40、A50、A80四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交；传感器探头T2可放置在相邻的4个磁极A1、A2、A5、A6轴向之间任一位置，但为减小磁轴承磁场对传感器探头的影响，优选方案是探头T2的中心位置T2o到磁极(Al、Α2、Α5、Α6)中心位置Alo、A2o、A5o、A6o的距离相等，即探头轴线与Alo、A2o、A5o、A6o四个点所 组成的矩形平面对角线的中点相交；传感器探头T3可放置在相邻的4个磁极A2、A3、A6、A7轴向之间任一位置，但为减小磁轴承磁场对传感器探头的影响，优选方案是探头T3的中心位置T3o到磁极(Α2、A3、Α6、Α7)中心位置Α2ο、Α3ο、Α6ο、Α7ο的距离相等，即探头轴线与Α2ο、Α3ο、Α6ο、Α7ο四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交；传感器探头Τ4可放置在相邻的4个磁极Α3、Α4、Α7、Α8轴向之间任一位置，但为减小磁轴承磁场对传感器探头的影响，优选方案是探头Τ4的中心位置Τ4ο到磁极(Α3、Α4、Α7、Α8)中心位置Α3ο、Α4ο、Α7ο、Α8ο的距离相等，即探头轴线与Α30、Α40、Α70、Α80四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交。相对的两个传感器探头(Tl，Τ3)组成一对差分输出探头，与X轴夹角为45°，另两个相对的传感器探头(Τ2，Τ4)组成另一对差分输出探头，与X轴夹角为-45°，每对探头输出的两个位移信号经外置处理电路后变为一路差动输出信号，探测磁悬浮电机转子旋转运动，即探测面为圆。本发明与现有技术相比的优点在于本发明电涡流位移传感器及磁轴承，将探测径向位移信号的传感器探头和控制径向位移的磁轴承全部集中在一个磁轴承传感器组件，极大地节省了磁悬浮电机的空间，提高了磁悬浮电机的工作频率，减小了温度漂移对传感器的影响，提高了磁悬浮电机的稳定性，扩大了磁悬浮电机的适用场合，对磁悬浮电机性能的整体提升有非常显著的效果。
图I为磁悬浮高速电机用径向一体化磁轴承电涡流传感器结构示意Ia为前视图；图Ib为后视图；图Ic为A-A视图；图Id为B-B视图；图Ie为C-C视图；图If为D-D视图；图2为本发明三维效果示意图及爆炸图；图3为本发明带探测体的结构主视图；图4为本发明的每个前置放大器的组成示意图；图5为本发明的每对前置放大器差动结构的补偿电路原理图。
具体实施例方式磁悬浮高速电机用径向磁轴承电涡流传感器一体化结构由4路位移传感器探头、永磁偏置混合磁轴承及外置的传感器信号处理电路组成，整个磁轴承传感器一体化组件为探测内置结构。如图I和图2所示，永磁偏置混合磁轴承由磁极(Al A8)、励磁线圈体(Dl D8)和分立式永磁体9组成。永磁偏置混合磁轴承的磁极为双层结构,在同一圆周上相隔90°的4个定子铁心组成4个定子磁极(Al A4)，分别沿X、Y轴正负四个方向放置，同样形式放置4个定子铁心组成另外4个定子磁极(Α5 AS)，共两组定子铁心构成磁轴承的左右放置双层8定子磁极结构，左右相邻的两个定子铁心为一组，分别组成Χ、Υ轴正负四个方向的磁极。如图Ia和图Ib所示，在XY平面内的圆周上磁极Al Α4间隔90°放置，其中磁极Al放置在X轴正方向，磁极Α2放置在Y轴负方向，磁极A3放置在X轴负方向，磁极Α4放置在Y轴正方向，对于磁极Α5 Α8在平行于XY平面的圆周上同样间隔90 °放置，其中磁极Α5放置在X轴正方向，磁极Α6放置在Y轴负方向，磁极Α7放置在X轴负方向，磁 极Α8放置在Y轴正方向。磁极Al与磁极Α5、磁极Α2与磁极Α6、磁极A3与磁极Α7、磁极Α4与磁极Α8分别平行放置,磁极Al与磁极Α5控制X+方向悬浮,磁极Α2与磁极Α6控制Y-方向悬�。偶獳3与磁极Α7控制X-方向悬浮,磁极Α4与磁极Α8控制Y+方向悬浮,每个定子磁极绕制有激磁线圈(Dl D8)。如图2所示磁轴承左右两组定子铁心之间是由分立式永磁体与传感器座组成的圆环，磁悬浮高速电机用径向一体化磁轴承电涡流传感器所采用的分立式永磁体9共4块，沿X、Y轴正负4个方向放置在圆环上，分立式永磁体之间用铝制传感器座10隔开，传感器座上安装探头(Tl Τ4)。传感器探头通过胶体固定在传感器座上。传感器探头Tl的中心位置Tlo到磁极(Al、Α4、Α5、Α8)中心位置Alo、A4o、A5o、A8o的距离相等，如图Ic所示即探头轴线与Alo、A4o、A5o、A8o四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交；传感器探头T2的中心位置T2o到磁极(Al、Α2、Α5、Α6)中心位置Alo、A2o.A5o.A6o的距离相等，如图Id所示即探头轴线与Al0、A20、A50、A60四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交；传感器探头T3的中心位置T3o到磁极(Α2、A3、Α6、Α7)中心位置Α20、Α30、Α60、Α70的距离相等，如图Ie所示即探头轴线与Α2ο、Α3ο、Α6ο、Α7ο四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交；传感器探头Τ4的中心位置Τ4ο到磁极(Α3、Α4、Α7、Α8)中心位置Α3ο、Α4ο、Α7ο、Α8ο的距离相等,如图If所示即探头轴线与Α3ο、Α4ο、Α7ο、Α8ο四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交。在实际应用时如图Ia所示相对的两个径向位移传感器探头(Τ1，Τ3)组成一对差动输出探头，差动输出表示为ul，与X轴夹角为45°，另两个相对的径向位移传感器探头(T2, T4)组成另一对差动输出探头,差动输出表不为u3,与X轴夹角为-45°，在后续处理中对ul和u3进行坐标转换，使得位移检测结果与磁轴承处理方向一致。如图3所示，磁极(Al AS)和转子R之间形成磁间隙，传感器探头(Tl T4)和转子R之间形成探测间隙，磁间隙ml —般为O. 4mm O. 5mm,探测间隙m2 —般与磁间隙相同为 O. 2mm I. 25mm。如图4所示，探头Tl T4的前置放大器主要由晶体振荡器、AGC网络、传感器探头线圈谐振电路、位压检波电路、滤波调整和功放输出电路组成。晶体振荡器经AGC网络与传感器探头线圈谐振电路的输入端相接，用于对传感器探头线圈谐振电路提供一个稳频、稳幅的激励信号，传感器探头线圈谐振电路检测到的位移信号经倍压检波、滤波调整和功放处理后输出给后续控制系统使用。如图5所示，本发明的位移传感器探头Tl和T3的前置放大器之间形成差动结构，即采用完全相同和对称的电路结构。晶体振荡器经AGC网络后，同时与探头Tl和探头T3两路传感器探头线圈谐振电路的输入端相接，经过完全相同的倍压检波和滤波调整电路后差分输出，其中探头Tl和探头T3的线圈谐振电路完全相同。差动结构使得两个回路的温 漂以及时漂作为共模信号互相抑制，从而提高了传感器的温度以及时间稳定性。同理，探头T2和探头T4也采用相同的结构。本发明中的探测体与传感器探头中的通电线圈之间通过涡流互感效应进行距离检测，探测体的材料直接影响传感器的灵敏度、精度等性能，原理上探测体的材料可以为所有导电材料，但为提高传感器的稳定性，其探测体材料最高为既导电又导磁的材料，如45#钢、或40Cr等。
权利要求
1.磁悬浮高速电机用径向磁轴承电涡流传感器一体化结构，其特征在于由探测径向位移信号的四路径向位移传感器探头、控制转子悬浮的永磁偏置混合磁轴承及外置的传感器信号处理电路组成，传感器探头集成在永磁偏置混合磁轴承中，传感器探头前置放大器电路集成在一起放置在磁悬浮电机的控制箱内，与传感器探头分离；其中永磁偏置混合磁轴承由磁极(Al A8)、励磁线圈体(Dl D8)和分立式永磁体(9)组成；永磁偏置混合磁轴承的磁极为双层结构，在同一圆周上相隔90°的4个定子铁心组成4个定子磁极(Al A4)，分别沿X、Y轴正负四个方向放置，同样形式放置4个定子铁心组成另外4个定子磁极(A5 A8)，共两组定子铁心构成磁轴承的左右放置双层8定子磁极结构，其中磁极Al与磁极A5控制X+方向悬浮,磁极A2与磁极A6控制Y-方向悬浮,磁极A3与磁极A7控制X-方向悬�。偶獳4与磁极A8控制Y+方向悬浮,每个定子磁极上绕制有激磁线圈；磁轴承左右两组定子铁心之间是由分立式永磁体(9)与传感器座(10)组成的圆环，分立式永磁体(9)共4块，沿X、Y轴正负4个方向放置圆环上，分立式永磁体之间用铝制传感器座(10)隔开，传感器探头(Τ1、Τ2、Τ3、Τ4)安装于传感器座(10)上，传感器探头Tl的中心位置Tlo到4个磁极(Α1、Α4、Α5、Α8)的中心位置Alo、Α4ο、Α5ο、Α8ο的距离相等，即探头Tl的轴线与Alo、A4o、A5o、A8o四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交；传感器探头T2的中心位置T2o到4个磁极(Α1、Α2、Α5、Α6)的中心位置Alo、Α2ο、Α5ο、Α6ο的距离相等，即探头Τ2的轴线与Alo、A2o、A5o、A6o四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交；传感器探头T3的中心位置T3o到4个磁极(Α2、Α3、Α6、Α7)的中心位置Α2ο、Α3ο、Α6ο、Α7ο的距离相等，即探头Τ3的轴线与Α2ο、Α3ο、Α6ο、Α7ο四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交；传感器探头Τ4的中心位置Τ4ο到4个磁极(Α3、Α4、Α7、Α8)的中心位置Α3ο、Α4ο、Α7ο、Α8ο的距离相等，即探头Τ4的轴线与Α3ο、Α4ο、Α7ο、Α8ο四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交；相对的两个传感器探头(Τ1，Τ3)组成一对差分输出探头，与X轴夹角为45°，另两个相对的传感器探头(Τ2，Τ4)组成另一对差分输出探头，与X轴夹角为-45°。
全文摘要
磁悬浮高速电机用径向磁轴承电涡流传感器一体化结构，由探测径向位移信号的四路径向位移传感器探头、控制转子悬浮的永磁偏置混合磁轴承及外置的传感器信号处理电路组成，传感器探头集成在永磁偏置混合磁轴承中，传感器探头前置放大器电路集成在一起放置在磁悬浮电机的控制箱内，与传感器探头分离。本发明极大地节省了磁悬浮电机的空间，提高了磁悬浮电机的工作频率，减小了温度漂移对传感器的影响，提高了磁悬浮电机的稳定性，扩大了磁悬浮电机的适用场合，对磁悬浮电机性能的整体提升有非常显著的效果。
文档编号G01B7/02GK102829709SQ20121027206
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月1日 优先权日2012年8月1日
发明者张寅 , 房建成, 洪势, 吴蓉, 韩邦成, 郑世强, 孙津济 申请人:北京海斯德电机技术有限公司
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