磁悬浮转子系统耦合特性的测试方法及测试台

摘要

本发明是磁悬浮转子系统耦合特性的测试方法及测试台，可提供研究磁悬浮转子系统耦合特性的实验方法及测出由径向磁力轴承引起的多种耦合参数。其利用磁力轴承的磁力的不可叠加性、位移的可叠加性，测出系统中因转子的偏心和倾斜引起的偶合力、偶合力矩等偶合特性参数，测定径向磁力轴承x或y方向磁极对的悬浮力与电流之间的关系，即磁极悬浮力－电流特性曲线族。并以计算机控制膨胀轴的热膨胀伸长，使变形梁(3)弹性形变，进而模拟转子的微小偏心和倾斜来设计测试台，即：包括径向磁力轴承(1)、(4)和与之相连的定子体(9)，转子(6)和底板(5)，以及以计算机分别控制径向磁力轴承x和y方向磁极电流变化和测试台的整体电控制系统。

说明书

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，特别是磁悬浮转子系统耦合特性的测试方法及测试台。

背景技术

磁悬浮转子系统是一种利用磁力轴承技术的产物，具有磁力轴承的优点，是机、电一体化的高科技产品。磁力轴承可以将被支承件稳定地悬浮在空间，使支承件与被支承件之间没有任何机械接触。与传统的轴承相比具有下列主要优点：无接触，无磨损，轴承寿命理论上是无限的；速度高，最高线速度可达200m/s；无需润滑和密封，不产生环境污染；功耗低，节能；精度高，抗振动，无噪音；易于实现各种智能控制。

根据磁力轴承工作原理，磁悬浮转子在实际工作时，其径向磁力轴承内存在力耦合、磁耦合；径向磁力轴承与径向磁力轴承之间存在着力矩耦合。这些耦合对磁悬浮转子系统的结构设计、系统建模和控制系统的设计都有影响。对上述耦合特性进行研究是当前磁悬浮转子系统理论与应用的课题。在对这些耦合特性进行研究时，以实验方法测试耦合的强弱、及其耦合发生的规律是研究工作的重要部分，也是对理论研究结果的证实与修正。

目前尚未见到有关磁悬浮转子系统耦合特性测试实验台的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种磁悬浮转子系统耦合特性的测试方法及测试台。该测试方法为磁悬浮转子系统的多种耦合特性的实验提供了手段。利用该测试方法设计的测试台，可以测试由径向磁力轴承引起的多种耦合参数。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

提供的磁悬浮转子系统耦合特性的测试方法，其测试耦合力的步骤包括：首先测试出径向磁力轴承在某一偏心量情况下的悬浮力；然后利用位移的可叠加性，以及磁力轴承的磁力的不可叠加性，测试出径向磁力轴承在上述偏心量情况下，x、y坐标方位相应的位移分量上的悬浮分力，并且将悬浮分力合成；两次测试的悬浮力之差，即为耦合力的值。其测试耦合力矩的步骤包括：首先分别测试出各径向磁力轴承在某一转子倾斜角度下的悬浮力；然后以磁悬浮转子为一力平衡体系，利用静力学原理计算出转子在该转子倾斜角度下所受的偶合力矩。

实施上述方法的测试台，其结构是：包括机械和电控部分。

机械部分：包括两个径向磁力轴承和与之相连的定子体，与定子体回转中心线重合的转子，以及底板。底板的中部开有一T形槽，将底板分为左、右两半部分，左半部分由螺栓固定，右半部分则自由放置并由垂直膨胀轴支撑，底板开槽后在中部形成一狭长区域，该狭长区域即变形梁，槽开口处其两端与水平膨胀轴的两端紧密相连。转子和定子体各由一个支架固定在底板上。定子体，由压力传感器和与之相连的径向磁力轴承组成。底板上的变形梁在水平膨胀轴或者垂直膨胀轴的热变形力的驱动下产生弹性变形，即弯曲变形或者扭转变形，分别模拟电机转子的偏心或者倾斜。

电控部分：由功放电路、隔离电路、电加热元件、温度传感器及放大电路，压力传感器及D/A转换电路组成，其信号均经接口电路至计算机，经计算机处理后形成径向磁力轴承的控制信号。

本发明具有如下主要优点：

其一.本测试方法可以为磁悬浮转子系统的力耦合、力矩耦合、磁耦合等耦合特性提供了实验手段。

其二.本测试方法还可以为磁悬浮转子系统的结构设计、系统建模和控制系统的设计提供了理论和实验数据。

其三.本测试台是一种以实验方法进行科学研究的工具，它能够测试磁悬浮转子系统中由径向磁力轴承引起的多种耦合参数。

其四.本测试台为磁力轴承以及其它磁悬浮转子系列产品的研制、开发和生产提供了实验测试手段。

附图说明

图1是测试台的结构示意图。

图2是图1中B-B剖视放大图。

图3是图1中底板5与水平膨胀轴8、垂直膨胀轴7和变形梁3相连的示意图。

图4是转子6与径向磁力轴承1、径向磁力轴承4、压力传感器11的相互位置关系示意图。

图5是测试台的电控原理方框示意图。

具体实施方式

下面结合实例及附图对本发明作进一步说明。

本发明人通过对磁悬浮转子系统的耦合研究发现：在磁悬浮转子系统中，径向磁力轴承的耦合力是由转子的偏心引起的，而耦合力矩由转子倾斜引起的。因此测试耦合力、偶合力矩模拟磁悬浮转子的偏心和倾斜是问题的关键。悬浮力F_yy在偏心处于90°和270°方位上耦合力F_yx＝0，即在y轴上不存在耦合力；悬浮力F_xx在偏心处于0°和180°方位上耦合力F_xy＝0，即在x轴上不存在耦合力。而在偏心处于其他方位时都存在耦合力。可以把这种现象定义为：径向磁力轴承的磁力的不可叠加性。即径向磁力轴承平面内，除坐标方位以外，任意方向上的悬浮力不能由坐标方位的悬浮力叠加得到。上述原理可表达为：F＝F_yy+F_yx+F_xx与F_xy。

由此，可以设计如下的磁悬浮转子系统耦合特性的测试方法及测试台。

一.磁悬浮转子系统耦合特性的测试方法

测试原理：利用磁力轴承的磁力的不可叠加性、位移的可叠加性的测试原理，测出磁悬浮转子系统中因转子的偏心和倾斜引起的偶合力、偶合力矩等偶合特性参数。测定径向磁力轴承x或y方向磁极对的悬浮力与电流之间的关系，即磁极悬浮力-电流特性曲线族。

1.耦合力的测试方法

其步骤包括：首先测试出径向磁力轴承在某一偏心量情况下的悬浮力；然后利用位移的可叠加性，以及磁力轴承的磁力的不可叠加性，测试出径向磁力轴承在上述偏心量情况下，x、y坐标方位相应的位移分量上的悬浮分力，并且将悬浮分力合成；两次测试的悬浮力之差，即为耦合力的值。

在同一偏心量情况下，以F₁表示包括耦合力的实际悬浮力或实际磁力矩，以F₂表示由x，y坐标方位上的悬浮分力合成的悬浮力，以F表示F₁与F₂之差，则上述测试方法可由以下计算公式表示：

选择特定的偏心方位可以标定F_yx、F_xy的特定值，例如0°、90°。从理论上讲，完全通过实验的方法测定磁力轴承的耦合力的大小及其变化趋势，需要足够多的测试值，但因为其变化趋势已由理论计算得出，故只需要有限的几个点，标定耦合力的大小即可得出磁力轴承耦合力的大小及其变化趋势。

下面结合附图叙述耦合力测试的具体步骤，包括：

a.测定无耦合状态下，径向磁力轴承x或y方向磁极对的悬浮力与电流之间的关系，即磁极悬浮力-电流特性。

其步骤包括：将转子6与支架2连为一体；由计算机控制垂直膨胀轴7的温度，调定偏心量；锁定压力传感器11后端的弹簧12，即消除弹簧的作用；脱开转子6与支架2的联接，使转子6自由；径向磁力轴承x或y方向磁极对以差动激磁的方式通电，测量磁力轴承的磁极悬浮力与电流之间的关系；调定下一个偏心量；重复上述过程，直至得出径向磁力轴承磁极悬浮力-电流特性曲线族。

b.标定偏心量：偏心量是以压力传感器11的量值来标定的。

其步骤包括：将转子6与支架2连为一体；由计算机控制垂直膨胀轴7的温度，调定偏心量；压力传感器11后端的弹簧12在转子6偏心的挤压下变形，其正比于偏心量的压力值由传感器测得，并传输到计算机内；计算机记录下该偏心量对应的压力值。

c.测定耦合状态下，径向磁力轴承在上述偏心量时，x和y方向的电流值，即径向磁力轴承在上述偏心量时，包括耦合力的悬浮力值。

其步骤包括：脱开转子6与支架2的联接，使转子6自由；在计算机的控制下，径向磁力轴承x和y方向逐渐调节电流，直至相应的传感器达到步骤b测得的压力值为止，即转子在磁力轴承的悬浮力作用下，产生上述大小的偏心量；分别记录下此时径向磁力轴承x和y方向磁极的电流值，然后由磁极悬浮力-电流特性曲线得出此状态下悬浮力值。

d.利用位移叠加原理，将步骤b标定的偏心量分解到x和y方向上；在分解偏心量的状态下，分别测定径向磁力轴承在x和y方向的电流值，测试方法与步骤c基本相同，不同的是x和y方向上的测试分开进行。

e.计算耦合力。

f.改变偏心量，重复步骤a～c。

g.改变支架高度h，重复步骤a～c。

h.由实验数据和理论计算值，得出径向磁力轴承的耦合力及其变化趋势。

2.耦合力矩测试方法

其步骤包括：首先分别测试出各径向磁力轴承在某一转子倾斜角度下的悬浮力；然后以磁悬浮转子为一力平衡体系，利用静力学原理计算出转子在该转子倾斜角度下所受的偶合力矩。

下面结合附图叙述偶合力矩的具体步骤，包括：

a.测定无耦合状态下，径向磁力轴承x或y方向磁极对的悬浮力与电流之间的关系，即磁极悬浮力-电流特性。

其步骤包括：将转子6与支架2连为一体；由计算机控制垂直膨胀轴7的温度，调定偏心量；锁定压力传感器11后端的弹簧12，即消除弹簧的作用；脱开转子6与支架2的联接，使转子6自由；径向磁力轴承x或y方向磁极对以差动激磁的方式通电，测量磁力轴承的磁极悬浮力与电流之间的关系；调定下一个偏心量；重复上述过程，直至得出径向磁力轴承磁极悬浮力-电流特性曲线族。

b.标定轴线倾斜量：轴线倾斜量是以压力传感器的量值来标定的。

其步骤包括：联接转子6与支架2为一体；由计算机控制水平膨胀轴8的温度，调定轴线倾斜量；压力传感器11后端的弹簧12在转子6轴线倾斜的挤压下变形，其正比于轴线倾斜量的压力值由传感器测得，并传输到计算机内；计算机记录下该轴线倾斜量对应的压力值。

c.测定耦合状态下，径向磁力轴承在上述转子倾斜引起的偏心量情况下，x和y方向的电流值，即径向磁力轴承在所述偏心量时，包括耦合力的悬浮力值。

其步骤包括：脱开转子6与支架2的联接，使转子6自由；在计算机的控制下，径向磁力轴承x和y方向逐渐调节电流，直至相应的传感器达到步骤b测得的压力值为止，即转子在磁力轴承的悬浮力作用下，产生上述大小的偏心量；分别记录下此时径向磁力轴承x和y方向磁极的电流值，由磁极悬浮力-电流特性曲线得出悬浮力值。

d.以磁悬浮转子为力平衡体系，计算耦合力矩。

e.改变转子倾斜量，重复步骤a～e。

f.由实验数据和理论计算值，得出径向磁力轴承的耦合力矩及其变化趋势。

二.磁悬浮转子系统耦合特性的测试台

磁悬浮转子系统在实际工作中，转子6悬浮在空间，因此转子6不但存在径向偏心，还存在沿转子轴线的倾斜。为了模拟磁悬浮转子的实际工作状态，测试台必须实现可控制的径向偏心调节和倾斜角度调节。由于磁悬浮转子实际工作时的偏心和轴线倾斜很小，因此，模拟磁悬浮转子实际工作时的转子偏心和轴线倾斜是通过控制热膨胀轴的热变形量来实现的。

因此，本发明的测试台设计：以计算机控制的膨胀轴的热膨胀伸长，变形梁的弹性弯曲变形、弹性扭转变形的方法，模拟转子的微小偏心和微小倾斜。以计算机分别控制径向磁力轴承x和y方向磁极电流变化。以及测试台的整体电控制系统。

下面叙述测试台的具体结构及工作过程。

1.结构：包括机械和电控部分。

机械部分的结构如图1、图2、图3、图4所示：包括底板5，径向磁力轴承1、4和与之相连的定子体9，以及与定子体9回转中心线重合的转子6。底板5的中部开有一T形槽，将底板分为左、右两半部分，左半部分由螺栓固定，右半部分则自由放置并由垂直膨胀轴7支撑，底板开槽后在中部形成一狭长区域，该狭长区域即变形梁3，槽开口处其两端与水平膨胀轴8的两端紧密相连。转子6和定子体9各由一个支架2固定在底板5上。定子体9由压力传感器11和径向磁力轴承4组成。底板5上的变形梁3，可以在水平膨胀轴8或者垂直膨胀轴7的热变形力的驱动下产生弯曲变形或者扭转变形时，分别用以模拟电机转子的偏心或者倾斜。

水平膨胀轴8用以模拟磁悬浮转子6的轴线倾斜，垂直膨胀轴7用以模拟磁悬浮转子6的偏心。在水平膨胀轴8和垂直膨胀轴7的外表面上，分别附有温度传感器及由计算机控制温度的电热元件。膨胀轴温度的改变，将引起其长度的变化，进而使测试系统模拟转子的偏心或者倾斜。膨胀轴可采用热膨胀系数为17.1×10^-6(1/C°)的工程钢，长度为58.5mm。因此，膨胀轴的温度每变化一度，其长度变化1μm。

径向磁力轴承4外壳设有四个凸柱13，每个凸柱13的内腔设有弹簧12。压力传感器11，其一端与转子6的外圆接触，另一端与弹簧12接触。序号10是连接螺栓。

电控部分的结构如图5所示：由功放电路、隔离电路、电加热元件、温度传感器及放大电路，压力传感器及D/A转换电路组成，其信号均经接口电路至计算机，经计算机处理后形成径向磁力轴承的控制信号。

各电路连接关系是：功放和电加热电路经隔离电路；温度传感器经放大电路；压力传感器经D/A转换电路；一一通过接口电路与计算机相连。径向磁力轴承的控制信号经计算机的接口电路分为四路：一路提供y方向上磁极的控制电流i_y；一路提供x方向上磁极的控制电流i_x；一路提供y方向上磁极的偏置电流i_o；一路提供x方向上磁极的偏置电流i_o；(i_o+i_y)经功放电路至磁极1、2；(i_o-i_y)经功放电路至磁极5、6；(i_o+i_x)经功放电路至磁极0、7；(i_o-i_x)经功放电路至磁极3，4。

2.工作过程的补充说明：水平膨胀轴8的长度变化，使得底板5上的变形梁3发生弯曲变形，底板5左、右两半部分的相对弯曲变形使得安装在底板两侧的两个支架2的轴线发生倾斜，即使定子体9与转子6的轴线发生倾斜。垂直膨胀轴7的长度变化，使得变形梁3发生扭转变形，底板5左、右两半部分的相对扭转变形使得两个支架2的轴线发生偏心，即使定子体9与转子6的轴线发生偏心。偏心的方位可通过调整支架2的高度h来进行调节(图2所示位置，其偏心在x轴上，即发生在0°方位上)。

本发明的技术方案未考虑轴向磁力轴承对系统的影响，不能测试轴向轴承引起的耦合力矩。