团队介绍

• 李志，博士研究生，研究方向为磁轴承技术、电机状态感知。
• 苏振中，副研究员，硕士生导师，研究方向为磁悬浮技术、电力集成技术。
• 胡靖华，助理研究员，博士，研究方向为电机状态感知与故障监测技术。
• 李文印，讲师，博士，研究方向为电机状态感知与传感器分析设计与测试。

磁悬浮轴承具有无磨损、寿命长、无需润滑和支承特性可控等优点，在诸多领域呈现了良好的应用前景。为解决磁轴承现有位移传感方法一些固有问题，本文提出一种基于探测线圈的磁轴承位移检测方法，通过在磁轴承磁极上布置探测线圈实现定转子相对位移测量。

研究背景

由于具有位移负刚度特性，磁轴承必须通过闭环控制才能实现悬浮运行。作为闭环控制的关键环节，转子轴径向位移的检测具有十分重要的作用，位移检测的精度及稳定性在很大程度上会影响整个磁轴承系统性能。

磁轴承转子位置检测主要有两种方法：位移传感器检测和磁轴承自传感技术。传统的磁轴承系统通过位移传感器来实现转子位置检测。但主要存在成本高结构复杂和存在轴向不重合力等问题。目前最常用的两种自传感技术，参数估计法和状态观测法，均处于实验室研究阶段，与实际应用还有一定的距离。

因此，为最大限度地提高位移测量的可靠性和精度，解决上述问题，本文提出了一种基于探测线圈实现转子位移检测的复合位移传感方法。

论文方法及创新点

磁轴承位移复合传感耦合模型如图 1 所示，探测线圈绕制于磁极齿部，并通入高频激励，与控制绕组在磁路上相耦合。

图1 复合传感耦合方案图

位移检测基本原理为：当转子移动时气隙发生变化，磁路磁阻亦发生变化，进而导致线圈电感值发生改变，则通入高频信号的线圈电信号也会发生变化。因此通过测量与高频激励相关的信号变化即可计算出位移大小。

为从探测线圈信号中获取位移信息，建立考虑磁轴承控制信号影响的总体模型，根据推导出的位移与探测线圈和控制线圈信号之间的关系，建立如图2所示的差动状态下复合传感等效电路。

图2 差动复合传感等效电路

由于电桥两端电压u2在一定转子位移范围内近似不变，则无论转子向上或向下移动，输出电压都与其位移成近似线性关系。因此，只要检测出输出电压中激励频率分量幅值得大小，便可以确定转子的位移。

为了验证本文所提复合位移传感原理及检测方法，在 Simulink 中建立相应的仿真模型，仿真结果如图3所示，通过仿真验证了复合传感方法的有效性及准确性。

图3 仿真计算位移与实际位移关系

图4 试验平台结构

为进一步验证复合传感有效性，针对本文中所设计的位移检测方案设计单自由度简化原理验证试验平台，平台结构如图4所示。在所设计的试验平台上，通过调节气隙大小，记录在转子不同位置时输出电压幅值及噪声，试验结果如图5 和图6 所示。

图5 检测电路输出信号幅值与位移对比

图6 不同位移下的输出电压噪声

总结与展望

本文提出了一种基于探测线圈的新型磁轴承位移传感方案，建立了位移传感结构的基本理论模型，并设计了位移检测电路及算法。建立 Simulink 模型验证了所提方法的正确性，通过所搭建的验证平台测量所提位移传感器方法的静态灵敏度及分辨率，结果显示其灵敏度为1.2mV/mm，分辨率约为 7mm，表明所提方法能有效实现位移测量，并且充分利用了磁轴承本体磁路，增加了磁轴承紧凑性，又克服了自传感位移检测方法鲁棒性差等问题。

引用本文

李志, 苏振中, 胡靖华, 李文印. 磁轴承复合位移传感设计与实验研究[J]. 电工技术学报, 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.