图6 转子在图5a中位置时的传感器输出
图7 转子在图5b中位置时的传感器输出
图8 转子在图14c中位置时的传感器输出
1.4 结论
在磁悬浮轴承系统中，测量运动转子的位置必须采用非接触式的传感器。根据涡流传感器在磁悬浮轴承系统的实际应用结果，以及与其它传感器相比，涡流传感器因其具有良好的动、静态特性，输出信号强，灵敏度高，而成为磁悬浮轴承系统中转子位置检测的重要非接触传感器之一。
2 电感传感器
根据磁悬浮轴承的特点，选用了差动变压器式位移传感器的结构，以提高整个磁悬浮轴承系统的控制精度和可靠度。可同时测出转子在 X 和 Y 两个方向的位移。
2.1 差动变压式传感器工作原理
如图9 所示：上下两只铁芯上均有一个初级线圈N1（也称励磁线圈）和一个次级线圈N2（也称输出线圈）。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源电压Uin ，两个次级线圈则按电势反相串联。当铁芯的初级线圈通入电流I1时，它将
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产生磁通ψ11（线圈N1的所有磁通），其中将有一部分磁通ψ12穿过匝数为N2的次级线圈，从而在线圈N2中产生互感电势E ，其表达式为：
式中 ψ12——穿过的磁链，ψ12= N12φ12；
dψ12 M ——线圈N1对N2的互感系数；.
dI.
则 E=-jωMI。
. .
图9 差动变压器结构示意图
如图9 所示：当衔铁处于中间位置时，δ1=δ2，初级线圈中产生交变磁通ψ11
和ψ21，在次级线圈中便产生交流感应电势。由于两边气隙相等，磁阻相等，所以ψ12=ψ22，次级线圈中感应出的电势E21 = E22，由于次级是按电势反相连接的，结果输出电压Uout =0。当衔铁向上运动时，两边气隙不等（即δ1 ≠δ2），E21>E22；当衔铁向下运动时，E21 为验证所研制的差动变压器式传感器在不加入和加入非导磁隔层时都能正常工作，设计并制作了一个2自由度试验台，其原理图如图10所示。此试验台所实现的是转子在水平方向2自由度的静态悬浮。保护环(防止转子与磁悬浮轴承磁极吸死)与转子的单边间隙为0.125 mm，磁悬浮轴承磁极与转子的单边间隙为0.25mm，差动变压器式传感器磁极与转子的单边间隙为1 mm，非导磁隔 6 层厚度为0.1 mm。当差动变压器式传感器与转子之间不加入非导磁隔层时，在 2自由度试验台上进行静态悬浮，转子静态悬浮时用示波器交流显示传感器输出电压信号的峰峰值小于100 mV，传感器灵敏度设置为20 mV/μm，表明转子的静态位移振动峰峰值小于5 μm，转子的静态悬浮是非常稳定的。 图10 加入隔层实验台原理图 当加入隔层后，转子仍然能悬浮在轴承中心位置，且转子的静态位移振动峰峰值小于10μm。试验表明：磁悬浮转子与差动变压器式传感器之间加入非导磁隔层，转子静态位移振动峰峰值有所增加，加入非导磁隔层后致使差动变压器式传感器性能有所下降，但传感器仍能正常工作。 2.2.2 动态悬浮 为了检测差动变压器式传感器的运行特性，将差动变压器式传感器应用在5自由度磁悬浮轴承试验台上，进行了高速运转试验，转子转速为30kr/min，即转动频率为500Hz。 5自由度磁悬浮轴承试验台的原理图如图11所示，磁悬浮转子其中的2径向自由度位移由差动变压器式传感器检测，另外2径向自由度和轴向的位移由电涡流传感器检测。 5自由度磁悬浮轴承试验台转子高速旋转时，4径向自由度的位移传感器信号如图 12所示。其中第一和第二通道为电涡流传感器的位移检测信号，第三和第四通道为差动变压器式传感器的位移检测信号。从图12中可以看出，转子30 kr/min 转速运转时，电涡流传感器检测到磁悬浮转子的振动峰峰值为 500 mV，差动变压器式传感器检测到磁悬浮转子的振动峰峰值同为500mV。两类传感器 7 的灵敏度同为20mV/μm，则转子两端的径向振动量都为25μm。 从图12可以看出，转子在高速运转时，位移信号峰峰值之间的时间为2 ms，对应为 500 Hz，说明和转速同频的振动一直占主导地位，通过调试控制参数，其幅值不是很大，不会导致转子失稳。在此磁悬浮系统中，所研制的差动变压器式传感器能像电涡流传感器一样完成转子位移的检测功能。为验证在 5 自由度试验台上差动变压器式传感器和转子之间加入非导磁隔层，转子仍能动态悬浮，在差动变压器式传感器和磁悬浮转子之间加入了一层厚度为 0.1 mm 的非导磁隔层，并实现了转子在30 kr/min 的高速旋转。 在差动变压器式传感器和转子之间加入非导磁隔层后5自由度试验台转子高速旋转4径向自由度的位移信号图如图13所示。加入非导磁隔层后，转子在高速旋转时的4径向位移信号没有不加隔层时的规则，但位移信号中和转速同频的振动同样一直占主导地位。试验表明：加入非导磁隔层后，在转子高速旋转时差动变压器式传感器仍然能工作，但由于涡流效应、漏磁加剧等原因，差动变压器式传感器的部分性能受到影响。 图11 自由度磁悬浮轴承试验台原理图 8
