专利名称：用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种磁悬浮轴承的刚度测量装置，特别为一种盘状磁悬浮轴承的永磁刚度和开环电流刚度的测量装置。
背景技术：
随着现代旋转机械转速的大幅度提高，支承对转子系统的稳定性、动态特性、旋转精度等的影响越来越大，在许多场合几乎支配着整个系统的稳定性。而对轴承的支承特性进行研究，无论轴承是应用何种原理与方法，归根结底都是对它的支承刚度和支承阻尼进行研究，只有符合一定标准的刚度才能使系统稳定运行。因此对磁悬浮轴承的刚度测量，是保证其正常稳定工作的必要步骤。磁悬浮轴承沿某方向的刚度定义为沿此方向的单位位移所需要的此方向力的增量。现有测量方法大致有如下两种(一)临界电流测量法如附图
la、Ib所示，转子3与保护轴承1中心重合时单边间隙为δ 0。未通电时转子静止状态如附图Ib所示，转子在竖直方向上具有偏心位移％ = _ S『设通入绕组电流为I2m，将I2m值由0开始增加，产生沿Y正向的可控磁悬浮力，通过安装在X轴与Y轴方向上的传感器，寻找使转子悬浮的临界值。此时转子的水平方向X 合力为零，竖直方向Y的受力状态为Fc+Fe = G ；式中F。为可控磁悬浮力；Fe为转子偏心引起的磁拉力；G为转子自重。且已知Fc = KcI2ffl, Fe = KeY0 ；其中K。和Ke为电流刚度和位移刚度。所以，G = KcI2ffl+Key0 ；改变转子偏心位移值(设由yQ变为yi)和沿Y向的可控磁悬浮力(设绕组电流由 I2m变为I2ffll)，可得G = ΚεΙ2ω1+ΚεΥι ；进而求出K。和K—(二)直接测量法图2(a)为两磁环正对时轴向力的测定原理图。测定两磁环正对轴向间距变化的轴向力时，先把固定厚度的调整环6置于两永磁环5、8之间，并使两磁环紧密相吸，测出这时两磁环间的轴向间距lz。然后如图所示施加拉力T，逐渐增加拉力T的值，直到上面的动磁环刚好被拉动时，即可认为此时的拉力T与轴向吸引力Fz相等。测量径向力时，当偏心距较小时，动磁环5受到的径向力较小而轴向因此在静摩擦力的力很大，在静摩擦力的作用下，动磁环5可保持不动。这时保持调整环6和中间的隔板 与静磁环8位置不变，在偏心距相同的位置，分别向左和向右各拉一次动磁环，当上面的磁环刚好被拉动时的拉力分别记为T1和T2。在这两种情况下动磁环的拉力情况如图2 (b)，用f ft表示动磁环受到的静摩擦力，向左刚好拉动磁环时，有 Fj^T1 = Fft;向右刚好拉动磁环时，有Fx+f 静=T2 ；由上两式可得径向力的值Fx = 1/2 (T2-T1)。但是，当偏心距逐渐增大时，静摩擦力会由于轴向力的减小而减小，同时径向力也会增加。当径向力的值增大到大于静摩擦力的值时，即使不向左拉，上面的磁环也会向左移动。在这种情况下，如图2(c)所示，先施加一定的拉力使上面的磁环能保持不动，然后逐渐增大拉力，直到上面的磁环刚好向右移动时记下这时的拉力为T2 ；然后又逐渐减小拉力，直到上面的磁环刚好向左移动时记下这时的拉力为T2’。当动磁环刚好向右移动时，有Fx+f 静=T2当动磁环刚好向左移动时，有T2，+f 静=Fx由上两式可得这个位置上的径向力Fx = 1/2(T2+V )。由以上叙述可发现上述方法存在以下问题1.临界电流法需判断转子是否处于临界点，而上述的直接测量法也需要找到施力的临界点，由于临界点不易找到，仅仅依靠不断地试验才能寻找到；且处于临界点的物体不稳定，因此两种方法的操作难度大，不易测量任意位置和任意方向的磁悬浮轴承刚度，且测量的刚度精度都不高；2.上述的直接测量法引进静摩擦力，测量过程不易控制，测量精度不高；3.上述两种测量方法仅仅只能测量轴承的径向刚度，无法测量轴向刚度；4.上述两种测量方法自动化程度非常低。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种不受临界点限制的、能测量任意位置和任意方向的磁悬浮轴承刚度的高精度测量装置，并提供一种应用该装置的磁悬浮轴承刚度测量方法。本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现—种用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置，包括相互垂直设置、其运动方向亦相互垂直的三个位移台，分别为X、Y、Z方向精密电控位移台；以及分别用于测量所述X、 Y、Z方向精密电控位移台位移的激光位移传感器，分别为X、Y、Z方向激光位移传感器；所述Y方向精密电控位移台通过一固定于所述X方向精密电控位移台上的X方向载物台相对可移动地设置于所述X方向精密电控位移台上；所述Y方向精密电控位移台上固定有Y方向载物台，所述Y方向载物台上枢轴设有一个旋转台，所述旋转台用于固定所述磁悬浮轴承的定子；所述Z方向精密电控位移台通过固定于其上的Z方向载物台与一直角固定架的侧面紧密连接，所述直角固定架的底面通过一安装转换器固定一力/力矩传感器，所述力/力矩传感器通过一工具装换器固定所述磁悬浮轴承的转子。优选的，所述Y方向精密电控位移台上设有一个与所述X方向激光位移传感器配合的X方向参考测量面，以及一个与所述Y方向激光位移传感器配合的Y方向参考测量面； 所述X方向参考测量面与所述X方向激光位移传感器的激光发射方向垂直，所述Y方向参考测量面与所述Y方向激光位移传感器的激光发射方向垂直。 优选的，所述力/力矩传感器为六自由度力/力矩传感器。优选的，所述X、Y、Z方向精密电控位移台，以及X、Y、Z方向激光位移传感器，以及力/力矩传感器的控制端均连接于一控制中心。本发明还揭示了一种用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置的测量方法，包括如下步骤第一，将所述磁悬浮轴承的定子装夹于所述旋转台上，将所述磁悬浮轴承的转子装夹于所述工具装换器上；第二，将所述磁悬浮轴承的定子和转子调整到初始平衡位置；第三，测量径向刚度时，固定转子，在水平面内旋转定子，使欲测量的方向与定子移动方向相同；第四，在水平面内沿X方向(Y方向)以一定的步长移动定子，测量每一步转子所受的磁力及此时定子相对于平衡点的位移；第五，根据第四步骤得到的数据，先绘制定子的力-位移曲线，选择合适的拟合模型将力表达成位移的函数，即F = f(x) (F = f (y))，其中F为力，x(y)为位移；第六，对第五步骤的拟合模型F = f (χ) (F = f(y))两边对位移x(y)求导，得到该方向上的刚度与该方向位移的函数关系；第七，测量轴向刚度时，固定定子，在Z方向上以一定步长移动转子，测量每一点转子所受的磁力及此时转子相对于平衡点的位移；第八，重复第四至第六步骤，先绘制转子的力-位移曲线；再选择合适的拟合模型将力表达成位移的函数；进而求导得到刚度与Z方向位移的函数关系。优选的，所述第二步骤的初始平衡位置为转子在定子中所受合力为零的位置。优选的，所述合力为零的初始平衡位置为所述六自由度力/力矩传感器在各个方向上的测量值的绝对值小于设定的阈值。优选的，第三步骤中，当定子与转子的相对位置进入到所述定子与转子之间有相互作用力的监控区后，通过比较该当前时刻和前一时刻的力传感器测得的转子受力数据， 并根据前一时刻定子的位移方向，判断当前定子的位移方向若该时刻力传感器测量的力的绝对值小于前一时刻力传感器测量的力的绝对值，且两次测量的力的方向相同，则定子该当前时刻的位移方向应与上一时刻的位移方向相同；若该时刻力传感器测量力的绝对值大于前一时刻力传感器测量力的绝对值，或两次测量的力的方向相反，则定子该当前时刻的位移方向应与上一时刻的位移方向相反。优选的，径向永磁刚度和位移曲线的拟合形式使用多项式方法进行拟合，拟合方程形式如下，kp(x) = (aP1+3aP3x2+· · · + (2n-1) Bpi2n^1) χ2 (η_1))
其中kp为径向永磁刚度，其特征是拟合多项式只由相对位移X的偶数次多项式组成。优选的，开环电流刚度的拟合模型为多项式拟合形式，其径向力与位移和电流的多项式拟合模型为
权利要求
1.一种用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置，其特征在于包括相互垂直设置、 其运动方向亦相互垂直的三个位移台，分别为X、Y、Z方向精密电控位移台；以及分别用于测量所述x、Y、z方向精密电控位移台位移的激光位移传感器，分别为X、Y、Z方向激光位移传感器；所述Y方向精密电控位移台通过一固定于所述X方向精密电控位移台上的X方向载物台相对可移动地设置于所述X方向精密电控位移台上；所述Y方向精密电控位移台上固定有Y方向载物台，所述Y方向载物台上枢轴设有一个旋转台，所述旋转台用于固定所述磁悬浮轴承的定子；所述Z方向精密电控位移台通过固定于其上的Z方向载物台与一直角固定架的侧面紧密连接，所述直角固定架的底面通过一安装转换器固定一力/力矩传感器，所述力/力矩传感器通过一工具装换器固定所述磁悬浮轴承的转子。
2.根据权利要求1所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置，其特征在于所述Y方向精密电控位移台上设有一个与所述X方向激光位移传感器配合的X方向参考测量面，以及一个与所述Y方向激光位移传感器配合的Y方向参考测量面；所述X方向参考测量面与所述X方向激光位移传感器的激光发射方向垂直，所述Y方向参考测量面与所述Y方向激光位移传感器的激光发射方向垂直。
3.根据权利要求1所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置，其特征在于所述力/力矩传感器为六自由度力/力矩传感器。
4.根据权利要求1所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置，其特征在于所述X、Y、Z方向精密电控位移台，以及X、Y、Z方向激光位移传感器，以及力/力矩传感器的控制端均连接于一控制中心。
5.一种运用权利要求1所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤，第一，将所述磁悬浮轴承的定子装夹于所述旋转台上，将所述磁悬浮轴承的转子装夹于所述工具装换器上；第二，将所述磁悬浮轴承的定子和转子调整到初始平衡位置；第三，测量径向刚度时，固定转子，在水平面内旋转定子，使欲测量的方向与定子移动方向相同；第四，在水平面内沿X方向或Y方向以一定的步长移动定子，测量每一步转子所受的磁力及此时定子相对于平衡点的位移；第五，根据第四步骤得到的数据，先绘制定子的力-位移曲线，选择合适的拟合模型将力表达成位移的函数，即F = f (χ)或F = f (y)，其中F为力，χ或y为位移；第六，对第五步骤的拟合模型F = f(x)或F = f(y)两边对位移χ或y求导，得到该方向上的刚度与该方向位移的函数关系；第七，测量轴向刚度时，固定定子，在Z方向上以一定步长移动转子，测量每一点转子所受的磁力及此时转子相对于平衡点的位移；第八，重复第四至第六步骤，先绘制转子的力-位移曲线；再选择合适的拟合模型将力表达成位移的函数；进而求导得到刚度与Z方向位移的函数关系。
6.根据权利要求5所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的方法，其特征在于所述第二步骤的初始平衡位置为转子在定子中所受合力为零的位置。
7.根据权利要求6所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的方法，其特征在于所述合力为零的初始平衡位置为所述六自由度力/力矩传感器在各个方向上的测量值的绝对值小于设定的阈值。
8.根据权利要求7所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的方法，其特征在于 第三步骤中，当定子与转子的相对位置进入到所述定子与转子之间有相互作用力的监控区后，通过比较该当前时刻和前一时刻的力传感器测得的转子受力数据，并根据前一时刻定子的位移方向，判断当前定子的位移方向若该时刻力传感器测量的力的绝对值小于前一时刻力传感器测量的力的绝对值，且两次测量的力的方向相同，则定子该当前时刻的位移方向应与上一时刻的位移方向相同；若该时刻力传感器测量力的绝对值大于前一时刻力传感器测量力的绝对值，或两次测量的力的方向相反，则定子该当前时刻的位移方向应与上一时刻的位移方向相反。
9.根据权利要求8所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的方法，其特征在于径向永磁刚度和位移曲线的拟合形式使用多项式方法进行拟合，拟合方程形式如下，
10.根据权利要求9所述的用于测量磁悬浮轴承轴向、径向刚度的方法，其特征在于 开环电流刚度的拟合模型为多项式拟合形式，其径向力与位移和电流的多项式拟合模型为
全文摘要
本发明揭示了一种磁浮轴承的刚度测量装置及方法，该装置主要包括三个精密电控位移台、一个旋转台、三个激光位移传感器、一个六自由度的力/力矩传感器、工具转换器、安装转换器、直角固定架、参考测量平面及磁浮轴承，并通过PC机控制三个精密电控位移台，使磁浮轴承的定子在水平面内某一方向移动，使磁浮轴承的转子在竖直方向上移动，通过测量转子在某一步进点的受力及此时定子或转子相对于平衡点的位移，得到力-位移数据，通过选择的拟合模型对所述数据进行相关处理得到此方向不同位置处的刚度。本发明具有精度高、测量灵活、自动化程度高、操控性好等优点。
文档编号G01M13/04GK102435434SQ20111025537
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者尹成科, 张亦柯, 陈琛, 马骁 申请人:苏州同心医疗器械有限公司