磁悬浮高速电机用径向磁轴承电涡流传感器一体化结构

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（A1～A8）、励磁线圈体（D1～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（A1～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A1～A4间 隔90°放置，其中磁极A1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A1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A1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- 方向悬浮，磁极A4与磁极A8控制Y+方向悬浮，每个定子磁极绕制有激磁 线圈（D1～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（T1～T4）。

传感器探头T1的中心位置T1o到磁极（A1、A4、A5、A8）中心位置 A1o、A4o、A5o、A8o的距离相等，即探头轴线与A1o、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（A1、A2、 A5、A6）中心位置A1o、A2o、A5o、A6o的距离相等，即探头轴线与A1o、 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（A2、A3、A6、A7）中心位置A2o、A3o、A6o、A7o的距离相等， 即探头轴线与A2o、A3o、A6o、A7o四个点所组成的矩形平面对角线的中 点相交；传感器探头T4可放置在相邻的4个磁极A3、A4、A7、A8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 T4的中心位置T4o到磁极（A3、A4、A7、A8）中心位置A3o、A4o、A7o、 A8o的距离相等，即探头轴线与A3o、A4o、A7o、A8o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（T1，T3）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（T2，T4）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。

附图说明

图1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图 图1a为前视图；图1b为后视图；图1c为A-A视图；图1d为B-B视图；图1e 为C-C视图；图1f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1和图2所示，永磁偏置混合 磁轴承由磁极（A1～A8）、励磁线圈体（D1～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（A1～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，左右相邻的两个定子铁心 为一组，分别组成X、Y轴正负四个方向的磁极。如图1a和图1b所示，在XY 平面内的圆周上磁极A1～A4间隔90°放置，其中磁极A1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A1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A1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-方向悬浮，磁极A4与磁极A8控制Y+方向悬浮，每个定子磁极绕 制有激磁线圈（D1～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（T1～T4）。传感器 探头通过胶体固定在传感器座上。

传感器探头T1的中心位置T1o到磁极（A1、A4、A5、A8）中心位置A1o、 A4o、A5o、A8o的距离相等，如图1c所示即探头轴线与A1o、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（A1、A2、A5、A6）中心位置A1o、A2o、A5o、A6o的距离相 等，如图1d所示即探头轴线与A1o、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到磁极（A2、A3、 A6、A7）中心位置A2o、A3o、A6o、A7o的距离相等，如图1e所示即探头 轴线与A2o、A3o、A6o、A7o四个点所组成的矩形平面对角线的中点相交； 传感器探头T4的中心位置T4o到磁极（A3、A4、A7、A8）中心位置A3o、 A4o、A7o、A8o的距离相等，如图1f所示即探头轴线与A3o、A4o、A7o、 A8o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1a所示 相对的两个径向位移传感器探头（T1，T3）组成一对差动输出探头，差动 输出表示为u1，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，差动输出表示为u3，与X轴夹角为-45°， 在后续处理中对u1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（A1～A8）和转子R之间形成磁间隙，传感器探头 （T1～T4）和转子R之间形成探测间隙，磁间隙m1一般为0.4mm～0.5mm， 探测间隙m2一般与磁间隙相同为0.2mm～1.25mm。

如图4所示，探头T1～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T1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T1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T1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。