磁悬浮轴承的原理及其对传感器的要求

  摘要：磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，使转子和定子之间没有一点机械接触的一种新型高性能轴承。传感器是磁悬浮轴承系统的重要组成部分，磁悬浮轴承对传感器的要求有：（一）、能实现非接触测量；（二）、能真实反映出转子中心的位移变化；（三）、具备极高的灵敏度、信噪比、线性度、温度稳定性、抗干扰能力及精确的重复性；（四）、还要求有一定的频率响应范围。

  磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，使转子和定子之间没有一点机械接触的一种新型高性能轴承，由于它具有无机械摩擦、能耗低、噪声小、寿命长及无污染等优点，在航空航天等多个工业领域存在广泛的应用前景。

  随着磁悬浮轴承的发展，位移传感器作为磁悬浮轴承系统的检测部分，是磁悬浮轴承系统的重要组成部分之一，其性能对转子工作位置的控制精度有很大的影响。目前磁悬浮轴承系统多采用位移传感器，有电涡流传感器、电感式传感器、电容传感器、光电传感器和激光传感器，但主要还是电涡流位移传感器。

  磁悬浮轴承系统是依靠电磁力对转子实现非接触支承的系统。与传统的滚动轴承和滑动轴承相比，磁悬浮轴承明显的特点在于没有机械接触，且其支承力可控。此外，磁悬浮轴承还具有以下优越性能：（一）、没有机械摩擦和磨损，因而降低了工作能耗和噪声，延长了常规使用的寿命；（二）、动力损失小，便于应用在高速运转场合；（三）、由于省去了润滑和密封系统，无污染，可应用于真空超净及极端温度和压力等特殊工作环境。

  磁悬浮轴承从原理上可分为两种，一种是主动磁悬浮轴承；另一种是被动磁悬浮轴承。由于前者具备比较好的性能，它在工业上得到愈来愈普遍的应用。主动式磁悬浮轴承系统主要由被悬浮物体（以下称为转子）、传感器、控制器和执行器四大部分所组成。其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。

  图3是一个简单的主动式磁悬浮轴承系统，设电磁铁绕组上通有电流为I，它对转子产生的吸力F和转子的重力mg相平衡，转子处于悬浮的平衡位置，这一个位置称为参考位置。假设在参考位置上，转子受到一个向下的干扰，转子就会偏离其参考位置向下运动，此时传感器检验测试出转子偏离其参考位置的位移，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器又将该控制信号变换成控制电流I＋i，从而改变电磁铁的吸力，驱动转子返回到原来的平衡位置。 同理可得，不论转子受到向上或向下的扰动，图3中的转子始终能处于稳定的平衡状态。

  传感器是磁悬浮轴承系统的重要组成部分，传感器性能的优劣在很大程度上影响了总系统的性能。磁悬浮轴承对传感器的要求有：（一）、能实现非接触测量；（二）、能真实反映出转子中心的位移变化；（三）、具备极高的灵敏度、信噪比、线性度、温度稳定性、抗干扰能力及精确的重复性；（四）、还要求有一定的频率响应范围。

  （1）测量范围。传感器的输出电压信号是位移信号的函数，所谓传感器的测量范围指的是传感器能够线性地跟随位移变化的范围，对磁悬浮轴承用的传感器来说，测量范围为0.5～1.0mm。

  （2）灵敏度。单位位移时传感器的输出称为灵敏度，常用 mV/m表示。但是，灵敏度太大，则测量范围小。根据现有涡流传感器的参数，选用灵敏度为 20 mV/m 较为贴切，对应的测量范围为 0.5～1.0mm。

  （3）分辨率。传感器能够分辨出的最小位移称为分辨率，传感器的分辨率为 0.1m，甚至更小。

  （4）频率范围。线性频率响应，亦即灵敏度不受频率的影响，这在磁悬浮轴承应用中是必要的。灵敏度下降 3dB 时的频率通常称为“截止”频率。传感器的频带宽度越宽，其动态性能越好。

  （5）其它方面的性能。如稳定性要好，温漂、零漂和时漂要小，能够在较宽的温度范围内稳定地工作。

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