專利名稱：磁懸浮高速電機用徑向磁軸承電渦流傳感器一體化結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種非接觸電渦流傳感器，特別是一種用于磁懸浮高速電機中與磁軸承一體化的電渦流傳感器，可作為鼓風機、壓縮機和真空泵等對系統(tǒng)的體積、重量和精度等方面有嚴格要求的非接觸位移傳感器。
背景技術：
磁軸承具有無機械摩擦和磨損、不需要潤滑和維護、允許轉子高速旋轉、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，因此在空氣壓縮機、分子泵、風力發(fā)電機、水輪發(fā)電機、儲能飛輪等許多領域得到了應用，并且應用領域仍在不斷的擴大。磁軸承的使用通常需要傳感器的配合來達到穩(wěn)定懸浮的目的，在磁懸浮高速電機中需要探測五個自由度的位移信號，現(xiàn)有結構使用電渦流傳感器，每個自由度需要一個非接觸位移傳感器，為提高傳感器的精度，通常采取差動結構，這時每個磁懸浮系統(tǒng)就需要多個電渦流傳感器，這種采取傳感器與磁軸承分離設 計的模式，會極大地增加電機轉子的長度，在高速轉動狀態(tài)下，很容易引起轉子的彎曲振動，不利于磁懸浮電機的穩(wěn)定運行，降低了磁懸浮電動機的最大工作頻率；此外，現(xiàn)有的電渦流傳感器大多將前置放大器電路及傳感器探頭一起集成在電機內(nèi)部，而組成放大電路的運放、電阻、電容和二極管等電子元器件的性能極易受到溫度的影響，且在一定振動或潮濕的環(huán)境中非常容易燒毀，這種放大電路的脆弱性使得電機難以工作在強振動、潮濕等惡劣環(huán)境下。因此，現(xiàn)有的電渦流傳感器結構不緊湊，環(huán)境適應性差，從而極大地限制了磁懸浮電機，磁懸浮壓縮機等磁懸浮轉動機構的使用環(huán)境及工作頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種磁懸浮高速電機用徑向磁軸承電渦流傳感器一體化結構，顯著減小了電渦流傳感器和及其系統(tǒng)的轉子長度、極大提高了傳感器的環(huán)境適應能力，進而擴大了磁懸浮電機的使用場合，提高了磁懸浮電機性能。本發(fā)明的技術解決方案是磁懸浮高速電機用徑向磁軸承電渦流傳感器一體化結構，由探測徑向位移信號的四路徑向位移傳感器探頭、控制轉子懸浮的永磁偏置混合磁軸承及外置的傳感器信號處理電路組成，傳感器探頭集成在永磁偏置混合磁軸承中，傳感器探頭前置放大器電路集成在一起放置在磁懸浮電機的控制箱內(nèi)，與傳感器探頭分離。其中永磁偏置混合磁軸承由磁極(Al A8)、勵磁線圈體(Dl D8)和分立式永磁體組成；永磁偏置混合磁軸承的磁極為雙層結構，在同一圓周上相隔90°的4個定子鐵心組成4個定子磁極(Al A4)，分別沿X、Y軸正負四個方向放置，同樣形式放置4個定子鐵心組成另外4個定子磁極(A5 A8)，共兩組定子鐵心構成磁軸承的左右放置雙層8定子磁極結構。在XY平面內(nèi)的圓周上磁極Al A4間隔90°放置，其中磁極Al放置在X軸正方向，磁極A2放置在Y軸負方向，磁極A3放置在X軸負方向，磁極A4放置在Y軸正方向；對于磁極A5 A8在平行于XY平面的圓周上同樣間隔90°放置,其中磁極A5放置在X軸正方向，磁極A6放置在Y軸負方向，磁極A7放置在X軸負方向，磁極A8放置在Y軸正方向。磁極Al與磁極A5、磁極A2與磁極A6、磁極A3與磁極A7、磁極A4與磁極A8分別平行放置，磁極Al與磁極A5控制X+方向懸浮,磁極A2與磁極A6控制Y-方向懸浮,磁極A3與磁極A7控制X-方向懸浮，磁極A4與磁極A8控制Y+方向懸浮,每個定子磁極繞制有激磁線圈(Dl D8)。磁軸承左右兩組定子鐵心之間是由分立式永磁體與傳感器座組成的圓環(huán)，磁懸浮高速電機用徑向一體化磁軸承電渦流傳感器所采用的分立式永磁體共4塊，沿X、Y軸正負4個方向放置在圓環(huán)上，分立式永磁體之間用鋁制傳感器座隔開，傳感器座上安裝探頭(Tl T4)。傳感器探頭Tl的中心位置Tlo到磁極(Al、A4、A5、A8)中心位置Alo、A4o、A5o、A8o的距離相等，即探頭軸線與Al0、A40、A50、A80四個點所組成的矩形平面對角線的中點相交；傳感器探頭T2可放置在相鄰的4個磁極A1、A2、A5、A6軸向之間任一位置，但為減小磁軸承磁場對傳感器探頭的影響，優(yōu)選方案是探頭T2的中心位置T2o到磁極(Al、Α2、Α5、Α6)中心位置Alo、A2o、A5o、A6o的距離相等，即探頭軸線與Alo、A2o、A5o、A6o四個點所 組成的矩形平面對角線的中點相交；傳感器探頭T3可放置在相鄰的4個磁極A2、A3、A6、A7軸向之間任一位置，但為減小磁軸承磁場對傳感器探頭的影響，優(yōu)選方案是探頭T3的中心位置T3o到磁極(Α2、A3、Α6、Α7)中心位置Α2ο、Α3ο、Α6ο、Α7ο的距離相等，即探頭軸線與Α2ο、Α3ο、Α6ο、Α7ο四個點所組成的矩形平面對角線的中點相交；傳感器探頭Τ4可放置在相鄰的4個磁極Α3、Α4、Α7、Α8軸向之間任一位置，但為減小磁軸承磁場對傳感器探頭的影響，優(yōu)選方案是探頭Τ4的中心位置Τ4ο到磁極(Α3、Α4、Α7、Α8)中心位置Α3ο、Α4ο、Α7ο、Α8ο的距離相等，即探頭軸線與Α30、Α40、Α70、Α80四個點所組成的矩形平面對角線的中點相交。相對的兩個傳感器探頭(Tl，Τ3)組成一對差分輸出探頭，與X軸夾角為45°，另兩個相對的傳感器探頭(Τ2，Τ4)組成另一對差分輸出探頭，與X軸夾角為-45°，每對探頭輸出的兩個位移信號經(jīng)外置處理電路后變?yōu)橐宦凡顒虞敵鲂盘枺綔y磁懸浮電機轉子旋轉運動，即探測面為圓。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于本發(fā)明電渦流位移傳感器及磁軸承，將探測徑向位移信號的傳感器探頭和控制徑向位移的磁軸承全部集中在一個磁軸承傳感器組件，極大地節(jié)省了磁懸浮電機的空間，提高了磁懸浮電機的工作頻率，減小了溫度漂移對傳感器的影響，提高了磁懸浮電機的穩(wěn)定性，擴大了磁懸浮電機的適用場合，對磁懸浮電機性能的整體提升有非常顯著的效果。


圖I為磁懸浮高速電機用徑向一體化磁軸承電渦流傳感器結構示意Ia為前視圖；圖Ib為后視圖；圖Ic為A-A視圖；圖Id為B-B視圖；圖Ie為C-C視圖；圖If為D-D視圖；圖2為本發(fā)明三維效果示意圖及爆炸圖；圖3為本發(fā)明帶探測體的結構主視圖；圖4為本發(fā)明的每個前置放大器的組成示意圖；圖5為本發(fā)明的每對前置放大器差動結構的補償電路原理圖。
具體實施例方式磁懸浮高速電機用徑向磁軸承電渦流傳感器一體化結構由4路位移傳感器探頭、永磁偏置混合磁軸承及外置的傳感器信號處理電路組成，整個磁軸承傳感器一體化組件為探測內(nèi)置結構。如圖I和圖2所示，永磁偏置混合磁軸承由磁極(Al A8)、勵磁線圈體(Dl D8)和分立式永磁體9組成。永磁偏置混合磁軸承的磁極為雙層結構,在同一圓周上相隔90°的4個定子鐵心組成4個定子磁極(Al A4)，分別沿X、Y軸正負四個方向放置，同樣形式放置4個定子鐵心組成另外4個定子磁極(Α5 AS)，共兩組定子鐵心構成磁軸承的左右放置雙層8定子磁極結構，左右相鄰的兩個定子鐵心為一組，分別組成Χ、Υ軸正負四個方向的磁極。如圖Ia和圖Ib所示，在XY平面內(nèi)的圓周上磁極Al Α4間隔90°放置，其中磁極Al放置在X軸正方向，磁極Α2放置在Y軸負方向，磁極A3放置在X軸負方向，磁極Α4放置在Y軸正方向，對于磁極Α5 Α8在平行于XY平面的圓周上同樣間隔90 °放置，其中磁極Α5放置在X軸正方向，磁極Α6放置在Y軸負方向，磁極Α7放置在X軸負方向，磁 極Α8放置在Y軸正方向。磁極Al與磁極Α5、磁極Α2與磁極Α6、磁極A3與磁極Α7、磁極Α4與磁極Α8分別平行放置,磁極Al與磁極Α5控制X+方向懸浮,磁極Α2與磁極Α6控制Y-方向懸浮，磁極A3與磁極Α7控制X-方向懸浮,磁極Α4與磁極Α8控制Y+方向懸浮,每個定子磁極繞制有激磁線圈(Dl D8)。如圖2所示磁軸承左右兩組定子鐵心之間是由分立式永磁體與傳感器座組成的圓環(huán)，磁懸浮高速電機用徑向一體化磁軸承電渦流傳感器所采用的分立式永磁體9共4塊，沿X、Y軸正負4個方向放置在圓環(huán)上，分立式永磁體之間用鋁制傳感器座10隔開，傳感器座上安裝探頭(Tl Τ4)。傳感器探頭通過膠體固定在傳感器座上。傳感器探頭Tl的中心位置Tlo到磁極(Al、Α4、Α5、Α8)中心位置Alo、A4o、A5o、A8o的距離相等，如圖Ic所示即探頭軸線與Alo、A4o、A5o、A8o四個點所組成的矩形平面對角線的中點相交；傳感器探頭T2的中心位置T2o到磁極(Al、Α2、Α5、Α6)中心位置Alo、A2o.A5o.A6o的距離相等，如圖Id所示即探頭軸線與Al0、A20、A50、A60四個點所組成的矩形平面對角線的中點相交；傳感器探頭T3的中心位置T3o到磁極(Α2、A3、Α6、Α7)中心位置Α20、Α30、Α60、Α70的距離相等，如圖Ie所示即探頭軸線與Α2ο、Α3ο、Α6ο、Α7ο四個點所組成的矩形平面對角線的中點相交；傳感器探頭Τ4的中心位置Τ4ο到磁極(Α3、Α4、Α7、Α8)中心位置Α3ο、Α4ο、Α7ο、Α8ο的距離相等,如圖If所示即探頭軸線與Α3ο、Α4ο、Α7ο、Α8ο四個點所組成的矩形平面對角線的中點相交。在實際應用時如圖Ia所示相對的兩個徑向位移傳感器探頭(Τ1，Τ3)組成一對差動輸出探頭，差動輸出表示為ul，與X軸夾角為45°，另兩個相對的徑向位移傳感器探頭(T2, T4)組成另一對差動輸出探頭,差動輸出表不為u3,與X軸夾角為-45°，在后續(xù)處理中對ul和u3進行坐標轉換，使得位移檢測結果與磁軸承處理方向一致。如圖3所示，磁極(Al AS)和轉子R之間形成磁間隙，傳感器探頭(Tl T4)和轉子R之間形成探測間隙，磁間隙ml —般為O. 4mm O. 5mm,探測間隙m2 —般與磁間隙相同為 O. 2mm I. 25mm。如圖4所示，探頭Tl T4的前置放大器主要由晶體振蕩器、AGC網(wǎng)絡、傳感器探頭線圈諧振電路、位壓檢波電路、濾波調(diào)整和功放輸出電路組成。晶體振蕩器經(jīng)AGC網(wǎng)絡與傳感器探頭線圈諧振電路的輸入端相接，用于對傳感器探頭線圈諧振電路提供一個穩(wěn)頻、穩(wěn)幅的激勵信號，傳感器探頭線圈諧振電路檢測到的位移信號經(jīng)倍壓檢波、濾波調(diào)整和功放處理后輸出給后續(xù)控制系統(tǒng)使用。如圖5所示，本發(fā)明的位移傳感器探頭Tl和T3的前置放大器之間形成差動結構，即采用完全相同和對稱的電路結構。晶體振蕩器經(jīng)AGC網(wǎng)絡后，同時與探頭Tl和探頭T3兩路傳感器探頭線圈諧振電路的輸入端相接，經(jīng)過完全相同的倍壓檢波和濾波調(diào)整電路后差分輸出，其中探頭Tl和探頭T3的線圈諧振電路完全相同。差動結構使得兩個回路的溫 漂以及時漂作為共模信號互相抑制，從而提高了傳感器的溫度以及時間穩(wěn)定性。同理，探頭T2和探頭T4也采用相同的結構。本發(fā)明中的探測體與傳感器探頭中的通電線圈之間通過渦流互感效應進行距離檢測，探測體的材料直接影響傳感器的靈敏度、精度等性能，原理上探測體的材料可以為所有導電材料，但為提高傳感器的穩(wěn)定性，其探測體材料最高為既導電又導磁的材料，如45#鋼、或40Cr等。
權利要求
1.磁懸浮高速電機用徑向磁軸承電渦流傳感器一體化結構，其特征在于由探測徑向位移信號的四路徑向位移傳感器探頭、控制轉子懸浮的永磁偏置混合磁軸承及外置的傳感器信號處理電路組成，傳感器探頭集成在永磁偏置混合磁軸承中，傳感器探頭前置放大器電路集成在一起放置在磁懸浮電機的控制箱內(nèi)，與傳感器探頭分離；其中永磁偏置混合磁軸承由磁極(Al A8)、勵磁線圈體(Dl D8)和分立式永磁體(9)組成；永磁偏置混合磁軸承的磁極為雙層結構，在同一圓周上相隔90°的4個定子鐵心組成4個定子磁極(Al A4)，分別沿X、Y軸正負四個方向放置，同樣形式放置4個定子鐵心組成另外4個定子磁極(A5 A8)，共兩組定子鐵心構成磁軸承的左右放置雙層8定子磁極結構，其中磁極Al與磁極A5控制X+方向懸浮,磁極A2與磁極A6控制Y-方向懸浮,磁極A3與磁極A7控制X-方向懸浮，磁極A4與磁極A8控制Y+方向懸浮,每個定子磁極上繞制有激磁線圈；磁軸承左右兩組定子鐵心之間是由分立式永磁體(9)與傳感器座(10)組成的圓環(huán)，分立式永磁體(9)共4塊，沿X、Y軸正負4個方向放置圓環(huán)上，分立式永磁體之間用鋁制傳感器座(10)隔開，傳感器探頭(Τ1、Τ2、Τ3、Τ4)安裝于傳感器座(10)上，傳感器探頭Tl的中心位置Tlo到4個磁極(Α1、Α4、Α5、Α8)的中心位置Alo、Α4ο、Α5ο、Α8ο的距離相等，即探頭Tl的軸線與Alo、A4o、A5o、A8o四個點所組成的矩形平面對角線的中點相交；傳感器探頭T2的中心位置T2o到4個磁極(Α1、Α2、Α5、Α6)的中心位置Alo、Α2ο、Α5ο、Α6ο的距離相等，即探頭Τ2的軸線與Alo、A2o、A5o、A6o四個點所組成的矩形平面對角線的中點相交；傳感器探頭T3的中心位置T3o到4個磁極(Α2、Α3、Α6、Α7)的中心位置Α2ο、Α3ο、Α6ο、Α7ο的距離相等，即探頭Τ3的軸線與Α2ο、Α3ο、Α6ο、Α7ο四個點所組成的矩形平面對角線的中點相交；傳感器探頭Τ4的中心位置Τ4ο到4個磁極(Α3、Α4、Α7、Α8)的中心位置Α3ο、Α4ο、Α7ο、Α8ο的距離相等，即探頭Τ4的軸線與Α3ο、Α4ο、Α7ο、Α8ο四個點所組成的矩形平面對角線的中點相交；相對的兩個傳感器探頭(Τ1，Τ3)組成一對差分輸出探頭，與X軸夾角為45°，另兩個相對的傳感器探頭(Τ2，Τ4)組成另一對差分輸出探頭，與X軸夾角為-45°。
全文摘要
磁懸浮高速電機用徑向磁軸承電渦流傳感器一體化結構，由探測徑向位移信號的四路徑向位移傳感器探頭、控制轉子懸浮的永磁偏置混合磁軸承及外置的傳感器信號處理電路組成，傳感器探頭集成在永磁偏置混合磁軸承中，傳感器探頭前置放大器電路集成在一起放置在磁懸浮電機的控制箱內(nèi)，與傳感器探頭分離。本發(fā)明極大地節(jié)省了磁懸浮電機的空間，提高了磁懸浮電機的工作頻率，減小了溫度漂移對傳感器的影響，提高了磁懸浮電機的穩(wěn)定性，擴大了磁懸浮電機的適用場合，對磁懸浮電機性能的整體提升有非常顯著的效果。
文檔編號G01B7/02GK102829709SQ20121027206
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月1日 優(yōu)先權日2012年8月1日
發(fā)明者張寅 , 房建成, 洪勢, 吳蓉, 韓邦成, 鄭世強, 孫津濟 申請人:北京海斯德電機技術有限公司