一种测量磁力轴承转子轴向位移新方法的研究外文翻译资料

 2022-08-29 23:29:34

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一种测量磁力轴承转子轴向位移新方法的研究

Ming Zong, Li Ba, Fengxiang Wang

沈阳理工大学，沈阳110178，中国

中文摘要：转子位移的测量是磁力轴承系统转子高速稳定运转的重要前提。这篇文章提出了一种基于LVDT（线性可变差动变压器）的新型位移传感器。位移传感器固定在磁力轴承的径向，本文介绍了该传感器测量转子轴向位移的原理，详细分析了该位移传感器的特性。计算和仿真结果表明，该位移传感器能够实现对转子的轴向位移进行测量。这种测量方法能够简化磁力轴承系统的结构并且减少成本。

1 引言

近些年，磁悬浮轴承由于其良好的性能和广泛的应用前景受到了越来越多的关注。它是一种利用磁力的作用使转子悬浮于空中的高性能轴承。与普通的轴承相比，磁悬浮轴承具有无摩擦、无磨损、不需要润滑、寿命长、低振动、无油污染、低电力消耗和无噪声的特点。它能够运用在很多复杂的环境中，比普通轴承拥有更多的优势。

可用于磁力轴承系统的位移传感器需具有无接触、尺寸小、灵敏度和线性度高的特点，比如电涡流式传感器、电感式传感器、电容式传感器等，不同的传感器适用于不同的场合中。

一般来说，一个磁力轴承拥有五个自由度，每个自由度都需要一对位移传感器来检测，这样不仅增加了磁力轴承系统的复杂性还降低了控制系统的稳定性。目前应用最广泛的是电涡流传感器。许多研究人员单独使用电涡流传感器测量转子的轴向位移，但是这种测量方法一般都有误差。此外，电涡流传感器是依靠探头线圈和高频电磁相互作用而工作的，对外磁场较为敏感，由磁力轴承产生的磁场可能会影响到传感器的工作，因此电涡流传感器只能安装在离磁力轴承控制线圈较远的地方，并且还要屏蔽磁力轴承的控制线圈，减少漏磁流出。

在文献5中比较了电涡流传感器和电感式传感器的特性，证实了电涡流传感器的线性范围比电感式传感器的大，电感式传感器的灵敏度比电涡流传感器的高。实际上，电感式传感器比电涡流传感器更适合用于高温范围中。相比于电涡流传感器，电感式传感器具有抗干扰能力强、灵敏度高和结构简单的特点，因此电感式传感器和线性可变差动式传感器在磁力轴承系统中受到了更多的关注，它们测量转子轴向位移的结构图如图1所示。通常，检测磁力轴承的五个自由度需要两个径向位移传感器和一个轴向位移传感器。

图1 测量转子轴向位移的传感器结构

S2M公司使用了一种测量转子轴向位移的方法，其结构图如图2所示。这表明了固定于径向的位移传感器是能够测量转子的轴向位移的。

图2 在径向测量转子轴向位移的电感式传感器的结构

将测量转子轴向位移的位移传感器安装在径向有以下一些优点：安装方便，可以在制造厂进行调整；径向传感器、轴向传感器和磁力轴承能够组成一个集成系统。在这篇文章种提出了一种测量转子轴向位移的新方法，设计了用于测量转子轴向位移的线性可变差动变压器的结构。通过对该结构进行有限元分析得出了传感器的输出电压与转子的轴向位移成比例关系，验证了该传感器能够应用在磁力轴承系统中。

2 LVDT位移传感器的结构和工作原理

LVDT位移传感器是一种基于变压器原理的电感式传感器。这种传感器可以将转子轴向位置的变化转换成互感的变化，从而引起次级绕组感应电压的变化。在接上合适的电路后，可将感应电压转换成直流电压，直流电压直接与转子位移的大小和方向成对应关系。因次级绕组常以差动的形式连接，故该传感器被称为差动变压器式传感器。

2.1 LVDT位移传感器的工作原理

基于电感式传感器的原理，安装在径向能够测量转子轴向位移的LVDT传感器的结构图如图3所示：

图3 LVDT位移传感器的结构

E型磁芯安装在转子的外侧，初级励磁绕组和次级绕组分别缠绕在磁芯的中间和两侧。初级绕组与交流励磁供电电压Uin相连，两个次级绕组以差动的形式相连，输出电压Uout是两次级绕组感应电压的差值。

当初级绕组接通交流激励电压Uin后，磁芯中会产生交变磁通1和2，如图3所示。次级绕组会产生感应电压，感应电压与线圈匝数N1 和N2成比例关系，其公式是：

（1）

（2）

是通过两次级绕组的磁链数，，表示磁通量，M表示初级绕组和次级绕组之间的互感，表示初级励磁绕组中流通的电流。

是电流的幅值，是励磁电压的角频率。

（3）

（4）

当转子凸出结构在E型磁芯中间时，两个磁路的磁阻相等，即。因此两次级绕组的感应电动势相等，即。因为次级绕组是按电势反向串连的，则差动电势的值为0。当转子向左移动时，两次级绕组的磁链不相等，即。此时比大。同样的，当转子向右移动时，比小。输出电压Uout的幅值和相位取决于转子位移的大小和方向。

2.2 输出特性

在忽略线圈的寄生电容、涡流损耗和磁滞损耗的情况下，LVDT位移传感器的等效电路图如图4所示：

图4 位移传感器的等效电路

是初级绕组的电流，和分别是初级激励绕组的电阻和电感。,和,分别是两次级绕组的电感和电阻，M1和M2分别是初级绕组和两次级绕组的互感。

输出电压为：

（5）

产生的磁通量和完全的通过初级线圈N0，根据定义，互感为：

（6）

如果初级线圈的品质因数足够高，即，则输出电压的计算公式为：

（7）

（8）

（9）

（10）

如果转子向左移动，取正值，因为非常小，可以忽略。将等式（8），（9），（10）带入（7）中得：

（11）

（12）

，和是三个气隙高度，是空气隙的磁导率，c是传感器的高度，S1,S0和S2是E型磁芯三个磁极的横截面积，k是斜率，m是E型磁芯左右磁极一半的长度。

当转子向右移动时，

（13）

从等式（11），（12）和（13）可以看出，输出电压和转子轴向位移成比例关系。符号随着转子位移方向的改变而改变，因此，输出电压可以为正也可以为负。

事实上，传感器的输出电压还与初级绕组和次级绕组的匝数比、激励电压的大小、传感器的尺寸以及气隙的大小有关。如果以上一些参数都确定了，那么传感器的输出电压就可以唯一确定了。

3 传感器的仿真分析

3.1 传感器参数的设计

由以上的分析可知，传感器的特性受许多因素的影响。考虑到磁力轴承特殊的结构和工作环境，本文设计了几组参数并进行了仿真。通过分析和比较传感器的线性度、灵敏度、线性范围以及漏磁情况，将传感器的参数设计如下：

激励源Uin是正弦波电压，幅值为20V，频率f为50kHz。线圈的匝数N0，N1和N2都为200匝。传感器磁芯是一种软磁体材料，其型号是EE-30,适用于高频场合，在高频工作条件下具有高阻抗、低漏磁和高磁导率的特点。气隙的长度为0.2mm，转子凸出部分截面的长度和宽度分别为3mm和24mm。转子的直径为50mm。

3.2 传感器的仿真结果

考虑到传感器的工作条件，采用了有限元仿真分析的方法。首先先建立传感器的2D模型，设置材料和激励源，然后再对模型进行网格划分，最后对模型进行仿真分析。其磁通密度分布如图5所示：

图5 传感器的磁通密度分布

根据转子实际的位移范围，设置了一系列的位移点。假定x方向是转子的轴向位移方向，向左为正向，y方向是转子的径向位移方向，向下为正向。则转子轴向和径向的位移可以用坐标（x，y）来表示。当转子在参考点时，也就是没有移动时，在（0,0）点上。

当转子在（0,0）点时：初级绕组的激励电压（coil）和两次级绕组的感应电压（w1和w2）与时间的关系如图6所示，w1和w2重叠。

图6 线圈的感应电压与时间的关系

初级绕组的瞬时电流与时间的关系如图7所示：

图7 初级绕组的电流与时间的关系

当转子移动到点（0.08,0）时，线圈的感应电压与时间的关系如图8所示：

图8 线圈的感应电压与时间的关系

随着转子的移动，传感器的在各个点的输出电压与位置的关系如图9所示：

图9 传感器输出电压和位置的关系

如果转子的径向位移确定了，传感器输出电压与轴向位移成比例关系，其关系如图10所示：

图10 传感器输出电压与转子轴向位移的关系

当转子轴向位移x确定后，传感器输出电压与径向位置关系如图11所示：

图11 传感器输出电压与转子径向位移的关系

4 总结

本文提出了将传感器安装在磁力轴承径向测量转子轴向位移的新方法。通过理论计算和仿真分析得到了以下结果：

  1. 提出了将测量转子轴向位移的位移传感器安装在径向的新结构；
  2. 设计了一种E型磁芯的位移传感器，并设计了传感器的各个参数；
  3. 仿真分析结果表明，提出的这种传感器能够实现在径向测量转子的轴向位移；
  4. 分析显示该传感器的输出电压与转子的轴向位移成比例关系，并且具有线性度高，灵敏度高和漏磁低的特点；
  5. 由于该传感器能够安装在磁力轴承径向结构中，可使得系统的结构简单。

参考文献

  1. S. Moriyama, K. Watanabe and T. Haga,“Inductive Sensing System for active magnetic Suspension Control,” Proc. of the 6th Int. Symp. On magnetic Bearings, pp. 529-537,August,1998.
  2. K.Matsuda and Y.Okada,“Self-sensing Magnetic Bearing using the principle of Differentia Transformer,” Proc.of the 5th Int. Symp. On magnetic Bearings,KanazawaJapan, pp. 107-112 August, 1996.
  3. Ming Zong, “Research on permanent magnet biased hybrid magnetic bearing and Controlling system,” Shenyang university of technology,2007.
  4. Jinchao Wu, “Application of differential transformer displacement sensor in activeMagnetic bearings,” Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2006. 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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