本發(fā)明涉及一種模塊永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，尤其是一種無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法。

背景技術(shù)：

1、隨著近年來“雙碳”政策的提出，國家大力推廣加快建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，飛輪儲能技術(shù)因具備高效的能量轉(zhuǎn)化率、極低的損耗和較長的使用壽命等特點，逐步成為了未來儲能技術(shù)的重要發(fā)展方向。磁懸浮軸承作為飛輪儲能的關(guān)鍵技術(shù)之一，該領(lǐng)域的研究逐漸成為了目前飛輪儲能技術(shù)研究中的一個重點課題。國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)已將磁軸承應(yīng)用于高速電機(jī)、衛(wèi)星動量飛輪等各項科學(xué)技術(shù)研究中。

2、混合磁軸承做為應(yīng)用最為廣泛的磁軸承，具備了無物理接觸、無需潤滑、轉(zhuǎn)速高、功率損耗低的特點。其一般是由磁軸承定子體、磁軸承轉(zhuǎn)子體、傳感器和控制器組成的。與傳統(tǒng)的混合磁軸承類似，模塊化的永磁偏置磁軸承將常規(guī)設(shè)計中的偏置線圈替換為永磁體，產(chǎn)生所需的偏置磁場，大大降低了磁軸承的能量損失。通過改變控制繞組中電流的大小和方向，在氣隙處建立控制磁場。偏置磁場與控制磁場疊加產(chǎn)生可控的磁場引力，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。模塊化的永磁偏置磁軸承能夠通過不同的組合方式克服傳統(tǒng)磁軸承在面對受力情況不同時無法適用的問題，因而在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中具有不可替代的優(yōu)勢。

3、通常來說，磁軸承位移信息的獲取需要通過安裝機(jī)械式位移傳感器來實現(xiàn)，但是機(jī)械式位移傳感器的使用給磁軸承控制帶來不便的同時也提高了設(shè)計成本。并且，當(dāng)磁軸承處在一些特殊的工作場合時，機(jī)械式位移傳感器的使用對測量精度起到了極大限制。因此，對于磁軸承無位移傳感器技術(shù)的研究成為了磁軸承向著高可靠性發(fā)展的重要要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的在于：提供一種無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化永磁偏置磁軸承的無機(jī)械傳感器的位移檢測，降低磁軸承的控制難度及設(shè)計成本，而且在應(yīng)對高溫、強電磁干擾、強輻射等特殊場合時能夠保障檢測精度不受影響。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，包括如下步驟：

3、步驟1，將模塊化永磁偏置磁軸承的輸入電流im以及輸入電壓um輸入磁鏈觀測器，通過磁鏈觀測器對輸入電流im以及輸入電壓um進(jìn)行積分，輸出磁鏈觀測器的磁鏈觀測值ψi；

4、步驟2，將磁鏈觀測值ψi輸入到訓(xùn)練好的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸出轉(zhuǎn)子的位移值。

5、進(jìn)一步的，步驟1中，磁鏈觀測值ψi的計算公式為：

6、ψi＝∫(uw-rwiw)dt

7、式中，uw為控制繞組的等效電壓，rw為控制繞組的等效電阻，iw為控制繞組的等效電流，其中，iw等效于輸入電流im，uw等效于輸入電壓um。

8、進(jìn)一步的，步驟2中，bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練時需要建立對應(yīng)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集以及測試數(shù)據(jù)集，具體步驟為：

9、首先，根據(jù)模塊化永磁偏置磁軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建仿真模型，再根據(jù)等效磁路法計算出模塊化永磁偏置磁軸承仿真模型的轉(zhuǎn)子發(fā)生了位移值x時的磁通量φxb；

10、然后，根據(jù)模塊化永磁偏置磁軸承的磁通量φxb計算出用于輸入磁鏈觀測器的輸入電流im；

11、然后，根據(jù)外部接入的輸入電壓um、輸入電流im以及模塊化永磁偏置磁軸承仿真模型的控制繞組的等效電阻rw利用磁鏈觀測值ψi的計算公式計算出磁鏈觀測值ψi；

12、最后，利用磁鏈觀測值ψi以及轉(zhuǎn)子的位移值x構(gòu)建用于訓(xùn)練bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集以及測試數(shù)據(jù)集。

13、進(jìn)一步的，計算出轉(zhuǎn)子發(fā)生了位移值x時的磁通量φxb的計算公式為：

14、

15、式中，rx為轉(zhuǎn)子發(fā)生了位移值x時的氣隙磁阻，fm為永磁體的磁動勢，rm為永磁體的磁阻。

16、進(jìn)一步的，氣隙磁阻rx的計算公式為：

17、

18、式中，g0為轉(zhuǎn)子處于平衡位置時的氣隙長度，μ0為空氣磁導(dǎo)率，sz為定子磁極的面積，x為磁軸承轉(zhuǎn)子的偏移量。

19、進(jìn)一步的，永磁體的磁動勢fm的計算公式為：

20、fm＝hmlm

21、式中，hm為永磁體工作點的磁場強度，lm為永磁體的厚度。

22、進(jìn)一步的，永磁體的磁阻rm的計算公式為：

23、

24、式中，μr為永磁體的相對磁導(dǎo)率，sm為永磁體的截面積。

25、進(jìn)一步的，根據(jù)模塊化永磁偏置磁軸承的磁通量φxb計算出用于輸入磁鏈觀測器的輸入電流im的計算公式為：

26、

27、式中：n是控制線圈繞組匝數(shù)。

28、進(jìn)一步的，步驟1中，模塊化永磁偏置磁軸承包括轉(zhuǎn)子以及兩個定子結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子位于兩個定子結(jié)構(gòu)之間，且兩個定子結(jié)構(gòu)關(guān)于轉(zhuǎn)子上下對稱；定子結(jié)構(gòu)包括兩個定子單元，每個定子單元均包括外層定子、永磁體、內(nèi)層定子、兩個控制繞組以及兩個定子凸臺；永磁體位于外層定子與內(nèi)層定子之間；兩個定子凸臺均位于內(nèi)層定子上，且定子凸臺的端部貼近對應(yīng)側(cè)的轉(zhuǎn)子；兩個控制繞組分別圍繞設(shè)置在兩個定子凸臺上。

29、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是：由于不需要安裝機(jī)械式傳感器，因此不需要設(shè)備占位，可以極大節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本；由于沒有機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此不受復(fù)雜的運動模式或定位問題的影響，維護(hù)簡單，故障率低；在特定工作環(huán)境下(如：高溫、強電磁場、強輻射等)，不會受到嚴(yán)重干擾；通過bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測程序來實現(xiàn)位移檢測，因此其能夠更好地降低永磁偏置磁軸承功耗，從而延長使用壽命；由于是通過磁鏈觀測器和bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)位移檢測，因此其能夠更加精確地檢測物體的位置和位移，其精度通常在納米級別，且不會受到工作場地環(huán)境干擾影響，可以滿足高精度測量的需求。

技術(shù)特征：

1.一種無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，其特征在于，步驟1中，磁鏈觀測值ψi的計算公式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，其特征在于，步驟2中，bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練時需要建立對應(yīng)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集以及測試數(shù)據(jù)集，具體步驟為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，其特征在于，計算出轉(zhuǎn)子發(fā)生了位移值x時的磁通量φxb的計算公式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，其特征在于，氣隙磁阻rx的計算公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，其特征在于，永磁體的磁動勢fm的計算公式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，其特征在于，永磁體的磁阻rm的計算公式為：

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，其特征在于，根據(jù)模塊化永磁偏置磁軸承的磁通量φxb計算出用于輸入磁鏈觀測器的輸入電流im的計算公式為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，其特征在于，步驟1中，模塊化永磁偏置磁軸承包括轉(zhuǎn)子以及兩個定子結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子位于兩個定子結(jié)構(gòu)之間，且兩個定子結(jié)構(gòu)關(guān)于轉(zhuǎn)子上下對稱；定子結(jié)構(gòu)包括兩個定子單元，每個定子單元均包括外層定子、永磁體、內(nèi)層定子、兩個控制繞組以及兩個定子凸臺；永磁體位于外層定子與內(nèi)層定子之間；兩個定子凸臺均位于內(nèi)層定子上，且定子凸臺的端部貼近對應(yīng)側(cè)的轉(zhuǎn)子；兩個控制繞組分別圍繞設(shè)置在兩個定子凸臺上。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種無位移傳感器的模塊化永磁偏置磁軸承的位移檢測方法，步驟包括：將模塊化永磁偏置磁軸承的輸入電流i<subgt;m</subgt;以及輸入電壓u<subgt;m</subgt;輸入磁鏈觀測器，通過磁鏈觀測器對輸入電流i<subgt;m</subgt;以及輸入電壓u<subgt;m</subgt;進(jìn)行積分，輸出磁鏈觀測器的磁鏈觀測值ψ<subgt;i</subgt;；將磁鏈觀測值ψ<subgt;i</subgt;輸入到訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸出轉(zhuǎn)子的位移值。該位移檢測方法由于不需要安裝機(jī)械式傳感器，因此不需要設(shè)備占位，可以極大節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，還不受復(fù)雜的運動模式或定位問題的影響，維護(hù)簡單，故障率低，在特定工作環(huán)境下也不會受到嚴(yán)重干擾，能夠更好地降低永磁偏置磁軸承功耗，從而延長使用壽命，且不會受到工作場地環(huán)境干擾影響，可以滿足高精度測量的需求。

技術(shù)研發(fā)人員：葛卓樊,梅磊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14