轴向磁悬浮轴承用非接触式差动电感位移传感器的实验研究

　　1　前言

　　反馈信号传感器是电磁轴承系统的重要组成部分，其性能直接关系到系统对转子工作位置的控制精度，因而是所有研究者都必须考虑的问题之一。为了与电磁轴承的研究和应用相配合，国外在电磁轴承用传感器方面作了一定的研究，并获得了一些成果，我们在开展电磁轴承研究的同时，也对其专用位移传感器进行了探索性研究。电磁轴承系统的特点决定了反馈信号传感器必须是非接触式的。在电磁轴承系统中，可为传感器反馈的信号有许多种，如：位移、速度、电流、电磁力、磁通量等物理量均可作为反馈控制的信号。目前多采用位移传感器，轴向轴承亦可采用速度传感器。由于技术上的原因，大多数研究者采用电涡流位移传感器。电涡流位移传感器的灵敏度和线性度可以满足一般电磁轴承系统的要求，但对于高精度的电磁轴承系统，其灵敏度和线性度等技术指标距离要求有一定的差距;若每自由度采用单个电涡流位移传感器，还会出现由于结构原因而产生的测量误差信号(此内容另文讨论)，使控制精度降低。使用两个电涡流位移传感器差动输出虽然可以克服上述缺陷，但成本会提高，结构更趋于复杂。文献将电涡流传感器和电感式传感器做了对比分析研究，结果表明电感式传感器的灵敏度的信噪比均高于电涡流传感器，线性范围亦可满足电磁轴承系统的要求，特别在结构上可以得到简化。目前，国际上选用基于差动变压器原理的电感式位移传感器，其灵敏度为20mv/μm，使用效果良好，并已形成产品化趋势。事实上，对电磁轴承系统而言，差动式的位移传感器均能符合其实用要求。国内在差动电感位移传感器方面仅限于接触式的，而在非接触式差动电感位移传感器的应用研究和生产方面尚属空白。

　　本文对轴向磁悬浮轴承系统的结构、系统的稳定性与位移传感器的关系，以及电磁轴承对传感器的基本要求进行了分析讨论，在差动电感式变气隙位移传感器基本工作原理的基础上，提出一种应用于轴向磁力轴承的差动电感式位移传感器的设计的实验方案，并进行了其静特性的实验研究，结果说明此种传感器具有开发应用的前景。

　　2　轴向磁悬浮轴承系统与位移传感器

　　2.1轴向磁悬浮轴承系统的结构及基本工作原理

　　图1是轴向磁悬浮轴承系统的结构图，图中转子的轴向位置由系统控制器(包括位移传感器、调节器的功率放大器)精密地控制。当转子由于受到外来干扰力或其他原因出现轴向位移时，位移量由位移传感器测出，经位移信号转换电路转换成相应的电压信号ux，与参考信号ur比较后得到差值信号ue，再由调节器进行幅值和相位的校正，得到的信号电压uc被功率放大器和电磁铁转换成相应的电磁力，使转子恢复到设定的位置上。