摘 要

磁力轴承由于其无机械摩擦、转速高等一系列优点受到了广泛的青睐。但由于其开环不稳定，故为了提高磁力轴承控制系统的精度，本文设计了一种电感式位移传感器。

基于差动变压器式传感的原理，本文建立了电感式位移传感器的数学模型；结合磁力轴承系统的特点以及其对位移传感器性能的要求，设计了电感式位移传感器的相关参数，包括探头的结构尺寸、线圈的匝数、激励频率等，并利用三维软件SolidWorks建立了传感器探头的三维模型；设计了差动整流电路作为传感器的测量电路，利用proteus绘制了各电路的原理图，并对部分电路进行了仿真分析；提出了传感器的标定方案，讨论了几种不同标定方案的优缺点，选出最终方案，并利用SolidWorks建立其三维模型图。

本文的研究可以为磁力轴承系统供应专用的位移传感器，并为自感式磁力轴承的研究打下了基础。

关键词：磁力轴承；电感式位移传感器；差动整流电路

Abstract

The magnetic bearings has been widely favored because of its merits of none mechanical friction ,high speed ect.But due to its open-loop unstabe, in order to improve the accuracy of magnetic bearing control system, this paper designs an inductive displacement sensor.

Based on the principle of differential transformer sensor, the mathematical model of the inductive displacement sensor has been established in this paper.According to the magnetic bearing’s characteristics and the magnetic bearing system’s requirements of the displacement sensor,the sensor’s relevant parameter has been designed,including the size of the probe,the coil’s number of windings, the exciting signal’s frequency and so on,and established three-dimensional of the sensor probe using SolidWorks.The differential rectification circuit has been designed as the sensor’s measuring circut,drawned the each circut’s schematic using proteus and part of the circuts has been simulated.Sensor calibration scheme is proposed in this paper,and discussed the advantages and disadvantages of the different calibration solutions, selected the final plan, and established the three-dimensional using SolidWorks.

This study can provide a special position sensor for the magnetic bearing system,and lay the foundation for the self-inductance-type magnetic bearing.

Key words:Magnetic bearing;inductive displacement sensor;differential rectification circuit

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 磁力轴承的研究现状 1

1.2 传感器研究的目的和意义 1

1.3 磁力轴承中传感器的研究现状 2

1.4 课题研究内容及其目标 4

1.4.1 研究内容 4

1.4.2 研究目标 4

第2章 电感式位移传感器的理论研究 5

2.1 电感式位移传感器概述 5

2.1.1 自感式传感器 5

2.1.2 互感式传感器 6

2.2 差动式电感位移传感器的输入、输出特性 7

2.3 差动式电感位移传感器的特性 9

2.3.1 静态特性 9

2.3.2 动态特性 10

第3章 磁力轴承电感式位移传感器的结构设计 12

3.1 电感式位移传感器参数设计 12

3.1.1 电感式位移传感器铁心材料的选择 12

3.1.2 参数设计 12

3.2 电感式位移传感器结构设计 15

第4章 磁力轴承电感式位移传感器的电路设计 18

4.1 电感式位移传感器激励源的设计 18

4.2 电感式位移传感器恒流源的设计 20

4.3 电感式位移传感器差动整流电路的设计 23

4.4 电感式位移传感器滤波电路的设计 23

第5章 磁力轴承电感式位移传感器标定装置的设计 27

5.1 电感式位移传感器动态标定装置的设计 27

5.2 电感式位移传感器静态标定装置的设计 27

第6章 总结与展望 30

6.1 本文已完成的工作 30

6.2 待解决的问题 30

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 磁力轴承的研究现状

磁力轴承是一项新型的支撑技术，它的研究起始于20世纪60年代中期，其原理是利用磁力的作用将转子悬浮于空中、使转子与定子之间没有机械接触且其中心位置可由控制系统调节的一种新型的高性能轴承^[1]。磁力轴承改变了传统机械轴承的支撑方式，具有许多机械轴承不具备的优点。具体表现在两方面：在机械方面，磁力轴承无摩擦、无磨损、功耗小、不需要润滑、可以达到很高的转速、可靠性高、环境适应性较好；在控制方面，可以对转子的位置进行控制、可在线工况检测^[2]。

正是由于这些优点，磁力轴承倍受国内外学者的青睐，加大了研究力度，使之成为了轴承行业研究的热门^[3]。到目前为止，磁力轴承在机床、航空航天技术、电机、真空技术、纺织机械、转子动力学验证及试验等领域有着广泛的应用^[4]。目前应用较多的主要有三个方面：在高速主轴方面，磁力轴承由于其无摩擦的特点，可以达到较高的转速，使之效率变高，且磁力轴承的寿命比传统轴承的长；在泵类方面，磁力轴承应用于人工心脏泵，解决了润滑和磨损等问题，为实现永久性人工心脏泵的移植奠定了基础；在空间技术方面，在真空环境及高温或低温的情况下，传统的机械轴承由于需润滑且易受环境的影响，而磁力轴承无需润滑，改善了其缺点，相比之下更能适应环境需求^[5]。

尽管磁力轴承技术近些年发展迅猛，但其仍有许多的理论和实践方面的问题丞待解决。目前磁力轴承仍处于研发阶段，许多应用大多是尝试性的，还未能批量生产以及产品的商品化，其控制理论和实践方式还有待完善，故而对磁力轴承的控制理论及其方式展开深入的研究非常重要^[6]。