專利名稱：磁懸浮分子泵的轉子懸浮中心測定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到一種磁懸浮分子泵，具體是一種磁懸浮分子泵的轉子懸浮中心測定方法。
背景技術：
分子泵是一種利用高速旋轉的轉子把動量傳遞給氣體分子，使之獲得定向速度， 從而使之被壓縮、并被驅至排氣口、再被前級泵抽走的一種真空泵。磁懸浮分子泵是一種采用磁軸承(又稱主動磁懸浮軸承)作為分子泵轉子的支承的分子泵，它利用磁軸承將轉子穩(wěn)定地懸浮于空中，使轉子在高速工作過程中與定子之間沒有機械接觸，具有無機械磨損、能耗低、允許轉速高、噪聲低、壽命長、無需潤滑介質等優(yōu)點，目前磁懸浮分子泵廣泛地應用于高真空度、高潔凈度真空環(huán)境的獲得等領域中。磁懸浮分子泵的內部結構一般如圖1所示，主要由以下部分組成磁懸浮分子泵體、磁懸浮分子泵轉子、磁懸浮分子泵電機、上徑向磁軸承、下徑向磁軸承、軸向磁軸承、上徑向保護軸承、下徑向保護軸承、軸向保護軸承、上徑向位置傳感器、下徑向位置傳感器、軸向位置傳感器和磁懸浮分子泵控制器等。由于磁懸浮分子泵零件加工精度以及裝配精度的限制，磁懸浮分子泵裝配完成后，其徑向磁軸承定子、徑向傳感器定子和保護軸承之間同軸度存在誤差。上述零件裝配完成后，徑向磁軸承定子內圓軸線、徑向傳感器定子內圓軸線和保護軸承軸線不重合。一般來說如果徑向磁軸承定子、徑向保護軸承和徑向傳感器定子同軸，則磁懸浮分子泵轉子靜態(tài)懸浮時，應將轉子徑向懸浮中心位置設置為徑向磁軸承定子內圓中心處。由于徑向磁軸承定子與徑向傳感器定子以及徑向保護軸承定子不同軸，若將轉子懸浮在徑向保護軸承定子內圓中心，則轉子與徑向磁軸承各磁極間氣隙不同，由此造成徑向磁軸承同一自由度相對方向的兩個磁極輸出電磁力不同，影響系統(tǒng)穩(wěn)定工作。軸向存在類似問題，上述問題通過將轉子徑向懸浮中心設置到徑向磁軸承定子內圓圓心，將轉子軸向懸浮中心設置到兩個軸向磁軸承定子內圓圓心連線中點處(以下簡稱軸向磁軸承的中心)的方法解決。對使用永磁電機的磁懸浮軸承分子泵而言，電機轉子磁鋼磁偏拉力的存在會破壞上述方法的有效性。因為，電機轉子磁鋼在加工、裝配過程中會存在差異，因此磁鋼產生的磁場會有不同，對轉子產生的磁偏拉力也會不同。磁懸浮分子泵靜態(tài)懸浮時，電機轉子磁鋼對轉子產生的磁偏拉力與其初始位置有關，電機磁偏拉力會使所獲得中心位置與實際中心產生偏移，難以真正將轉子調整到徑向磁軸承的中心和軸向磁軸承的中心，則會影響徑向磁軸承和軸向磁軸承的控制性能。如果在此基礎上通過調整轉子懸浮中心的方法使得徑向磁軸承和軸向磁軸承各個磁極輸出電磁力均勻，則由于電機磁鋼磁偏拉力的影響此懸浮中心并不在徑向磁軸承定子中心處，最終無法獲得所需該磁懸浮分子泵轉子的懸浮中心。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的是如何克服永磁電機轉子磁鋼產生的磁偏拉力影響從而準確獲取永磁電機驅動的磁懸浮分子泵的轉子懸浮中心的技術問題，提供一種不受永磁電機轉子磁鋼磁偏拉力影響的永磁電機驅動的磁懸浮分子泵的轉子懸浮中心測定方法。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下 一種磁懸浮分子泵的轉子懸浮中心測定方法，包括以下步驟
(1)磁懸浮分子泵控制器控制轉子實現(xiàn)靜態(tài)懸浮，然后啟動電機將磁懸浮分子泵轉子轉速提高到預設轉速，所述預設轉速大于或者等于100轉/秒；
(2)通過調整轉子懸浮位置保證第一徑向磁軸承、第二徑向磁軸承各磁極線圈電流均衡的方法獲取所述轉子第一徑向懸浮中心和第二徑向懸浮中心；
(3)通過調整轉子懸浮位置保證第一軸向磁軸承、第二軸向磁軸承電流均衡的方法獲取所述測試轉子軸向懸浮中心。所述步驟( 具體包括首先，保持磁懸浮分子泵豎直放置，磁懸浮分子泵控制器控制轉子實現(xiàn)靜態(tài)懸浮，啟動電機將轉子轉速提高到預設轉速，然后獲取第一徑向磁軸承各個磁極線圈中的電流；然后，比對所述第一徑向磁軸承相對方向的兩個磁極線圈中的電流幅值是否相等，如相等，則獲得該方向所述轉子第一徑向懸浮中心；否則，磁懸浮分子泵控制器控制電機停機，繼續(xù)調整所述測試轉子的懸浮位置，然后重復上述步驟，直到所述第一徑向磁軸承各相對方向的兩個磁極線圈中的電流均相等為止；用與獲取轉子第一徑向懸浮中心相同的方法獲取轉子第二徑向懸浮中心。所述徑向磁軸承各個磁極線圈中的電流經由低通濾波電路濾波后輸出。所述徑向磁軸承兩個相對方向磁極線圈中的電流幅值相等是指所述徑向磁軸承相對方向兩個磁極線圈中的電流幅值之差與徑向磁軸承偏置電流幅值之比小于或者等于5%。所述步驟(3)中，具體包括以下步驟首先，保持磁懸浮分子泵水平安裝，磁懸浮分子泵控制器控制轉子實現(xiàn)靜態(tài)懸浮，啟動電機將轉子轉速提高到預設轉速，然后獲取第一軸向磁軸承、第二軸向磁軸承線圈中的電流；再然后，比對所述兩個軸向磁軸承線圈中的電流幅值是否相等，如相等，則獲得所述轉子軸向懸浮中心；否則，磁懸浮分子泵控制器控制電機停機，繼續(xù)調整所述測試轉子的懸浮位置，然后重復上述步驟，直到所述兩個軸向磁軸承線圈中的電流幅值相等為止。所述軸向磁軸承各個磁極線圈中的電流經由低通濾波電路濾波后輸出。所述兩個軸向磁軸承磁極線圈中的電流幅值相等是指所述兩個軸向磁軸承磁極線圈中的電流幅值之差與軸向磁軸承偏置電流幅值之比小于或者等于5%。還包括將獲取的所述轉子懸浮中心的位置信息存儲到所述磁懸浮分子泵內存儲介質的步驟。本發(fā)明的上述技術方案相比現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)點
①本發(fā)明提供的磁懸浮分子泵轉子懸浮中心測定方法中，轉子懸浮中心是在轉子高速旋轉的條件下確定的，此時永磁電機轉子磁鋼產生的磁偏拉力均勻變化，從而消除了磁偏拉力對轉子懸浮中心測定的影響，使得本發(fā)明的方法不僅適用于交流電機驅動的磁懸浮分子泵，還適用于永磁電機驅動的磁懸浮分子泵。②本發(fā)明提供的磁懸浮分子泵轉子懸浮中心測定方法將轉子懸浮中心的位置信息存儲到所述磁懸浮分子泵內攜帶的存儲介質中，從而實現(xiàn)磁懸浮分子泵和控制器的匹配和互換，方便磁懸浮分子泵的使用。


為了使本發(fā)明的內容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實施例并結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中
圖1是磁懸浮分子泵的結構示意圖。圖中附圖標記表示為1-葉輪，3 -泵體，4-第一徑向保護軸承，5-第一徑向位置傳感器，6-第一徑向磁軸承，7-轉子，8-電機，9-第二徑向磁軸承，10-第二徑向傳感器， 11-第二徑向保護軸承，12-軸向保護軸承，13-第一軸向磁軸承，14-推力盤，15-第二軸向磁軸承，16-軸向位置傳感器，17-接線端子，18-位移檢測裝置，19-轉速檢測裝置，20-磁懸浮分子泵控制器。
具體實施例方式如圖1所示，是本發(fā)明的一個實施例所涉及的磁懸浮分子泵的結構示意圖，所述磁懸浮分子泵包括泵體3、設置在所述泵體3內腔的轉子軸系、以及現(xiàn)有技術中所述磁懸浮分子泵應當具有的其他結構，由于本發(fā)明不涉及上述其他結構，此不贅述。所述轉子軸系包括轉子、第一徑向磁軸承6、第二徑向磁軸承9、第一軸向磁軸承 13和第二軸向磁軸承15。所述轉子包括轉子軸7、與所述轉子軸7固定的葉輪1、以及用于固定所述葉輪1的裝配部件，如螺釘、螺母等。所述轉子軸7的軸線沿豎直方向設置，所述葉輪1固定設置在所述轉子軸7的上部。所述轉子軸7的下部設置有所述第一軸向磁軸承13、所述第二軸向磁軸承15、推力盤 14以及軸向保護軸承12和用于檢測所述轉子軸7向位移信號的軸向傳感器16。所述轉子軸7的中部依此間隔地套設有第一徑向保護軸承4、第一徑向傳感器5、第一徑向磁軸承6、 電機8、第二徑向磁軸承9、第二徑向傳感器10和第二徑向保護軸承11等裝置。所述第一徑向磁軸承6包括第一徑向磁軸承定子和第一徑向磁軸承轉子，所述第一徑向磁軸承定子與所述泵體3固定連接，所述第一徑向磁軸承轉子與所述轉子軸7固定連接。所述第一徑向傳感器5用于檢測在所述第一徑向傳感器5處所述轉子的位移信號，包括轉子平動位移信號和轉子轉動位移信號。所述第二徑向磁軸承9包括第二徑向磁軸承定子和第二徑向磁軸承轉子，所述第二徑向磁軸承定子與所述泵體3固定連接，所述第二徑向磁軸承轉子與所述轉子軸7固定連接。所述第二徑向傳感器10用于檢測在所述第二徑向傳感器10處所述轉子的位移信號，包括轉子平動位移信號和轉子轉動位移信號。所述轉子軸7由所述第一徑向磁軸承6、所述第二徑向磁軸承9、所述第一軸向磁軸承13和所述第二軸向磁軸承15 支承。所述磁懸浮分子泵的控制系統(tǒng)包括位移檢測裝置18、轉速檢測裝置19和磁懸浮分子泵控制器20 ；所述位移檢測裝置18用于接收位移信號，其信號輸入端與所述第一徑向傳感器5、所述第二徑向傳感器10和所述軸向傳感器16的信號輸出端連接，所述位移檢測裝置18的信號輸出端與所述磁懸浮分子泵控制器20的信號輸入端連接；所述轉速檢測裝置19用于檢測所述轉子的轉速信號，其信號輸入端通過所述磁懸浮分子泵的接線端子17 連接到轉速檢測傳感器，所述轉速檢測裝置19的信號輸出端與所述磁懸浮分子泵控制器20的信號輸入端連接。所述磁懸浮分子泵控制器20根據(jù)所述位移檢測裝置18獲得的位移信號，調用合適的控制算法進行分析運算，最終驅動相應的磁軸承(所述第一徑向磁軸承6、所述第二徑向磁軸承9、所述第一軸向磁軸承13和所述第二軸向磁軸承15中的一個或多個)輸出電磁力對所述轉子的運動施加控制。所述磁懸浮分子泵控制器20根據(jù)所述轉速檢測裝置19獲得的轉速信號，對所述轉子的轉動實時監(jiān)控，并根據(jù)需要調整所述轉子的轉速。本實施例所述磁懸浮分子泵的轉子懸浮中心測定方法，可以自動尋找到合適的轉子懸浮中心，從而保證磁軸承各磁極輸出電磁力均勻，降低了控制難度，并且由于磁懸浮分子泵內攜帶存儲介質可以存儲轉子懸浮中心的位置信息，從而實現(xiàn)磁懸浮分子泵和控制器的匹配和互換，方便磁懸浮分子泵的使用。本實施例所述的測定方法包括以下步驟
SOl步驟磁懸浮分子泵豎直放置，磁懸浮分子泵控制器20控制相應的磁軸承(所述第一徑向磁軸承6、所述第二徑向磁軸承9、所述第一軸向磁軸承13和所述第二軸向磁軸承 15)輸出電磁力保證轉子穩(wěn)定懸浮，并控制分子泵電機8進行加速。所述轉速檢測裝置19 將檢測到的轉子轉速信號反饋給磁懸浮分子泵控制器20，當所述當轉子轉速到達100轉/ 秒的預設轉速時，磁懸浮分子泵控制器20控制電機8停止加速；
S02步驟磁懸浮分子泵轉子以預設轉速運行過程中，磁懸浮分子泵控制器20檢測第一徑向磁軸承6的線圈電流，上述電流經過低通濾波電路濾波處理，消除其中的高頻噪聲信號。對比第一徑向磁軸承6相對方向的兩個磁軸承線圈電流的幅值之差與第一徑向磁軸承偏置電流的幅值之比是否小于或者等于5%，即不大于5% ；如果兩者之比不大于5%，那么以當前轉子的位置作為磁懸浮分子泵工作時的第一徑向懸浮中心，并將其記錄在存儲介質中；如果兩者之比大于5%，所述磁懸浮分子泵控制器20控制電機8停機，當轉子轉速降為零后，經過運算分析分別向所述第一徑向磁軸承6發(fā)出控制指令以調整所述轉子的位置， 然后重復上述SOl步驟和S02的上述步驟，直到第一徑向磁軸承6相對方向的兩個磁軸承線圈電流的幅值之差與徑向磁軸承偏置電流的幅值之比不大于5%，將當前的位置作為磁懸浮分子泵工作時的轉子第一徑向懸浮中心，并將該轉子第一徑向懸浮中心的位置記錄在存儲介質中；磁懸浮控制器20檢測第二徑向磁軸承9的線圈電流，上述電流經由低通濾波電路處理，消除其中的高頻噪聲信號。對比第二徑向磁軸承9相對方向的兩個磁軸承線圈電流的幅值之差與徑向磁軸承偏置電流的幅值之比是否小于或者等于5%，即不大于5% ；如果兩者之比不大于5%，那么以當前轉子的位置作為磁懸浮分子泵工作時的第二徑向懸浮中心，并將其記錄在存儲介質中；如果兩者之比大于5%，所述磁懸浮分子泵控制器20控制電機8停機，當轉子轉速降為零后，經過運算分析向所述第二徑向磁軸承9發(fā)出控制指令以調整所述轉子的位置，然后重復上述步驟，直到第二徑向磁軸承9相對方向的兩個磁軸承線圈電流的幅值之差與第二徑向磁軸承偏置電流的幅值之比不大于5%，將當前轉子的位置作為磁懸浮分子泵工作時的轉子第二徑向懸浮中心，并將該轉子第二徑向懸浮中心的位置記錄在存儲介質中；
S03步驟首先，所述磁懸浮分子泵水平放置，磁懸浮分子泵控制器20控制相應的磁軸承(所述第一徑向磁軸承6、所述第二徑向磁軸承9、所述第一軸向磁軸承13和所述第二軸向磁軸承15)輸出電磁力保證轉子穩(wěn)定懸浮，利用磁懸浮分子泵控制器20控制電機8使轉子轉到100轉/秒的預設轉速，并利用磁懸浮分子泵控制器20獲取第一軸向磁軸承13、第二軸向磁軸承15線圈中的電流，上述電流經過低通濾波電路濾波處理，消除其中的高頻噪聲信號；然后，比對所述兩個軸向磁軸承線圈電流的幅值之差與軸向磁軸承偏置電流的幅值之比是否不大于5%，如果不大于5%，則以當前轉子軸向懸浮位置作為所述轉子軸向懸浮中心，否則，所述磁懸浮分子泵控制器20控制電機8停機，當轉子轉速降為零后，經過運算分析向所述軸向磁軸承發(fā)出控制指令以調整所述轉子的懸浮位置，然后重復上述步驟，直到第一軸向磁軸承13和第二軸向磁軸承15線圈電流的幅值之差與軸向磁軸承偏置電流的幅值之比不大于5%，，以當前的轉子軸向懸浮位置作為轉子軸向懸浮中心，將獲取的所述轉子懸浮中心的位置信息存儲到所述磁懸浮分子泵內的存儲介質中。當磁懸浮分子泵開始工作時，磁懸浮分子泵控制器20調用存儲介質中的轉子懸浮中心位置信息進行靜態(tài)懸浮，轉子即可穩(wěn)定懸浮在預設懸浮中心位置處。由于每臺磁懸浮分子泵內攜帶的存儲介質中記錄有適合該分子泵的轉子懸浮中心位置，當需要更換磁懸浮分子泵控制器20時，更換后新的磁懸浮分子泵控制器20僅需要讀取相關參數(shù)即可實現(xiàn)對所述磁懸浮分子泵的控制，實現(xiàn)了一臺磁懸浮分子泵控制器20在無需重新測定轉子懸浮中心的前提下可以控制不同的磁懸浮分子泵。顯然，先測定徑向懸浮中心還是軸向懸浮中心，均能實現(xiàn)本發(fā)明的目的，屬于本專利的保護范圍。作為上述實施例的一個變形，本發(fā)明的磁懸浮分子泵的轉子懸浮中心測定方法不包括將獲取的轉子懸浮中心位置信息存儲到所述磁懸浮分子泵的存儲介質的步驟，只要經由現(xiàn)有的其他方法將轉子懸浮中心位置信息傳送給所述磁懸浮分子泵控制器20，同樣能實現(xiàn)本發(fā)明的目的，屬于本發(fā)明的保護范圍。作為上述實施例的其他變形，所述預設轉速為任何大于100轉/秒的其它速度，同樣使得永磁電機磁鋼產生的磁偏拉力均勻變化，不會影響轉子靜態(tài)懸浮中心的確定，均能實現(xiàn)本發(fā)明的目的，屬于本發(fā)明的保護范圍。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。
權利要求
1.一種磁懸浮分子泵的轉子懸浮中心測定方法，其特征在于，包括以下步驟(1)磁懸浮分子泵控制器控制轉子實現(xiàn)靜態(tài)懸浮，然后啟動電機將磁懸浮分子泵轉子轉速提高到預設轉速，所述預設轉速大于或者等于100轉/秒；(2)通過調整轉子懸浮位置保證第一徑向磁軸承、第二徑向磁軸承各磁極線圈電流均衡的方法獲取所述轉子第一徑向懸浮中心和第二徑向懸浮中心；(3)通過調整轉子懸浮位置保證第一軸向磁軸承、第二軸向磁軸承電流均衡的方法獲取所述測試轉子軸向懸浮中心。
2.根據(jù)權利要求1所述的測定方法，其特征在于所述步驟(2)具體包括首先，保持磁懸浮分子泵豎直放置，磁懸浮分子泵控制器控制轉子實現(xiàn)靜態(tài)懸浮，啟動電機將轉子轉速提高到預設轉速，然后獲取第一徑向磁軸承各個磁極線圈中的電流；比對所述第一徑向磁軸承相對方向的兩個磁極線圈中的電流幅值是否相等，如相等，則獲得所述轉子第一徑向懸浮中心；否則，磁懸浮分子泵控制器控制電機停機，繼續(xù)調整所述測試轉子的懸浮位置，然后重復上述步驟，直到所述第一徑向磁軸承各相對方向的兩個磁極線圈電流均相等為止；用與獲取轉子第一徑向懸浮中心相同的方法獲取轉子第二徑向懸浮中心。
3.根據(jù)權利要求2所述的測定方法，其特征在于所述徑向磁軸承各個磁極線圈中的電流經由低通濾波電路濾波后輸出。
4.根據(jù)權利要求3所述的測定方法，其特征在于所述徑向磁軸承相對方向兩個磁極線圈中的電流幅值相等是指所述徑向磁軸承相對方向兩個磁極線圈中的電流幅值之差與徑向磁軸承偏置電流幅值之比小于或者等于5%。
5.根據(jù)權利要求4所述的測定方法，其特征在于所述步驟(3)中，具體包括以下步驟首先，保持磁懸浮分子泵水平安裝，磁懸浮分子泵控制器控制轉子實現(xiàn)靜態(tài)懸浮，啟動電機將轉子轉速提高到預設轉速，然后獲取第一軸向磁軸承、第二軸向磁軸承線圈中的電流；然后，比對所述兩個軸向磁軸承線圈中的電流幅值是否相等，如相等，則獲得所述轉子軸向懸浮中心，否則，磁懸浮分子泵控制器控制電機停機，繼續(xù)調整所述測試轉子的懸浮位置，然后重復上述步驟，直到所述兩個軸向磁軸承線圈中的電流幅值相等為止。
6.根據(jù)權利要求5所述的測定方法，其特征在于所述軸向磁軸承各個磁極線圈中的電流經由低通濾波電路濾波后輸出。
7.根據(jù)權利要求6所述的測定方法，其特征在于所述兩個軸向磁軸承線圈中的電流幅值相等是指所述兩個軸向磁軸承線圈中的電流幅值之差與軸向磁軸承偏置電流幅值之比小于或者等于5%。
8.根據(jù)權利要求1-7任一所述的測定方法，其特征在于還包括將獲取的所述轉子懸浮中心的位置信息存儲到所述磁懸浮分子泵內存儲介質的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁懸浮分子泵的轉子懸浮中心測定方法，該方法利用磁懸浮分子泵控制器控制磁懸浮分子泵轉子轉到較高的預設轉速，然后再根據(jù)此時磁軸承各個磁極電流是否相等來調整和確定合適的轉子懸浮中心，并將獲得的轉子懸浮中心位置記錄到存儲介質中；藉此本發(fā)明的測定方法可以自動尋找到合適的轉子懸浮中心，保證了磁懸浮分子泵的穩(wěn)定工作，并可實現(xiàn)磁懸浮分子泵與控制器的互換。
文檔編號F04D27/00GK102425553SQ20111026690
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月9日 優(yōu)先權日2011年9月9日
發(fā)明者張剴, 張小章, 李奇志, 武涵, 鄒蒙 申請人:北京中科科儀技術發(fā)展有限責任公司, 清華大學