團隊介紹

• 李志，博士研究生，研究方向為磁軸承技術、電機狀態感知。
• 蘇振中，副研究員，碩士生導師，研究方向為磁懸浮技術、電力集成技術。
• 胡靖華，助理研究員，博士，研究方向為電機狀態感知與故障監測技術。
• 李文印，講師，博士，研究方向為電機狀態感知與傳感器分析設計與測試。

磁懸浮軸承具有無磨損、壽命長、無需潤滑和支承特性可控等優點，在諸多領域呈現了良好的應用前景。為解決磁軸承現有位移傳感方法一些固有問題，本文提出一種基于探測線圈的磁軸承位移檢測方法，通過在磁軸承磁極上布置探測線圈實現定轉子相對位移測量。

研究背景

由于具有位移負剛度特性，磁軸承必須通過閉環控制才能實現懸浮運行。作為閉環控制的關鍵環節，轉子軸徑向位移的檢測具有十分重要的作用，位移檢測的精度及穩定性在很大程度上會影響整個磁軸承系統性能。

磁軸承轉子位置檢測主要有兩種方法：位移傳感器檢測和磁軸承自傳感技術。傳統的磁軸承系統通過位移傳感器來實現轉子位置檢測。但主要存在成本高結構復雜和存在軸向不重合力等問題。目前最常用的兩種自傳感技術，參數估計法和狀態觀測法，均處于實驗室研究階段，與實際應用還有一定的距離。

因此，為最大限度地提高位移測量的可靠性和精度，解決上述問題，本文提出了一種基于探測線圈實現轉子位移檢測的復合位移傳感方法。

論文方法及創新點

磁軸承位移復合傳感耦合模型如圖 1 所示，探測線圈繞制于磁極齒部，并通入高頻激勵，與控制繞組在磁路上相耦合。

圖1 復合傳感耦合方案圖

位移檢測基本原理為：當轉子移動時氣隙發生變化，磁路磁阻亦發生變化，進而導致線圈電感值發生改變，則通入高頻信號的線圈電信號也會發生變化。因此通過測量與高頻激勵相關的信號變化即可計算出位移大小。

為從探測線圈信號中獲取位移信息，建立考慮磁軸承控制信號影響的總體模型，根據推導出的位移與探測線圈和控制線圈信號之間的關系，建立如圖2所示的差動狀態下復合傳感等效電路。

圖2 差動復合傳感等效電路

由于電橋兩端電壓u2在一定轉子位移范圍內近似不變，則無論轉子向上或向下移動，輸出電壓都與其位移成近似線性關系。因此，只要檢測出輸出電壓中激勵頻率分量幅值得大小，便可以確定轉子的位移。

為了驗證本文所提復合位移傳感原理及檢測方法，在 Simulink 中建立相應的仿真模型，仿真結果如圖3所示，通過仿真驗證了復合傳感方法的有效性及準確性。

圖3 仿真計算位移與實際位移關系

圖4 試驗平臺結構

為進一步驗證復合傳感有效性，針對本文中所設計的位移檢測方案設計單自由度簡化原理驗證試驗平臺，平臺結構如圖4所示。在所設計的試驗平臺上，通過調節氣隙大小，記錄在轉子不同位置時輸出電壓幅值及噪聲，試驗結果如圖5 和圖6 所示。

圖5 檢測電路輸出信號幅值與位移對比

圖6 不同位移下的輸出電壓噪聲

總結與展望

本文提出了一種基于探測線圈的新型磁軸承位移傳感方案，建立了位移傳感結構的基本理論模型，并設計了位移檢測電路及算法。建立 Simulink 模型驗證了所提方法的正確性，通過所搭建的驗證平臺測量所提位移傳感器方法的靜態靈敏度及分辨率，結果顯示其靈敏度為1.2mV/mm，分辨率約為 7mm，表明所提方法能有效實現位移測量，并且充分利用了磁軸承本體磁路，增加了磁軸承緊湊性，又克服了自傳感位移檢測方法魯棒性差等問題。

引用本文

李志, 蘇振中, 胡靖華, 李文印. 磁軸承復合位移傳感設計與實驗研究[J]. 電工技術學報, 2021, 36(7): 1425-1433. Li Zhi, Su Zhenzhong, Hu Jinghua, Li Wenyin. Design and Experimental Research of Magnetic Bearing Compound Displacement Sensor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(7): 1425-1433.