专利名称：磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法及转子起浮控制方法
技术领域：
本发明涉及真空获得设备应用技术领域，具体涉及一种磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法及转子起浮控制方法。
背景技术：
磁悬浮分子泵是一种采用磁轴承作为转子支承的分子泵，它利用磁轴承将转子稳定地悬浮在空中，使转子在高速工作过程中与定子之间没有机械接触，具有无机械磨损、能耗低、允许转速高、噪声低、寿命长、无需润滑等优点，目前磁悬浮分子泵广泛地应用于高真空度、高洁净度真空环境的获得等领域中。磁悬浮分子泵的内部结构如图I所示，图中所述磁悬浮分子泵竖直设置，所述磁悬浮分子泵包括泵体3、设置在所述泵体3内腔的转子轴系。所述转子轴系包括转子、第一径向磁轴承6、第二径向磁轴承9、第一轴向磁轴承13和第二轴向磁轴承15。所述转子包括转子轴7、与所述转子轴7固定的叶轮I、以及用于固定所述叶轮I的装配部件，如螺钉、螺母等。所述转子轴7的轴线沿竖直方向设置，所述叶轮I固定安装在所述转子轴7的上部； 所述转子轴7的中部依次间隔地套设有第一径向保护轴承4、第一径向位移传感器5、所述第一径向磁轴承6、电机8、所述第二径向磁轴承9、第二径向位移传感器10和第二径向保护轴承11等。所述转子轴7的下部设置有所述第一轴向磁轴承13、所述第二轴向磁轴承15、 推力盘14以及轴向保护轴承12和用于检测所述转子轴向位移信号的轴向位移传感器16。 所述磁悬浮分子泵的控制系统包括位移检测装置18、转速检测装置19和磁悬浮分子泵的控制器2 ;所述位移检测装置18用于接收位移信号，其信号输入端与所述第一径向位移传感器5、所述第二径向位移传感器10和所述轴向位移传感器16的信号输出端连接，所述位移检测装置18的信号输出端与所述控制器2的信号输入端连接；所述转速检测装置19用于检测所述转子的转速信号，其信号输入端通过所述磁悬浮分子泵的接线端子17连接到转速检测传感器，所述转速检测装置19的信号输出端与所述控制器2的信号输入端连接。理论上，所述第一径向磁轴承6和所述第二径向磁轴承同轴9，所述第一径向保护轴承4和所述第二径向保护轴承11同轴，且所述径向保护轴承和所述径向磁轴承同轴，即所述径向保护轴承定子内圆中心和所述径向磁轴承定子内圆中心重合。该结构中，所述转子轴7分别与第一径向位移传感器转子，第一径向磁轴承转子，电机转子，第二径向磁轴承转子，第二径向位移传感器转子等固定连接。所述磁悬浮分子泵工作时，所述控制器2根据径向位移传感器(所述第一径向位移传感器5和所述第二径向位移传感器10)的输出信号运算分析得出转子的径向位移，进而驱动相应的所述径向磁轴承输出电磁力对转子的径向运动进行控制。其中，设置所述径向保护轴承的目的在于当所述控制器2出现故障或者由于外界扰动引起转子失稳跌落时，由于所述径向保护轴承的内径小于所述径向磁轴承定子的内径，失稳的转子会直接跌落在所述径向保护轴承上，而不会接触到所述径向磁轴承，由此对所述径向磁轴承起到保护作用。
3
现有磁悬浮分子泵中的径向磁轴承包括径向磁轴承定子，径向磁轴承定子的内壁均匀地设置有2N个磁极，N为整数且N > 2。将2n个磁极分为X向磁极对组和Y向磁极对组，X向磁极对组和Y向磁极对组各包含两个相对设置的磁极对，分别为X正向磁极对和X 负向磁极对，Y正向磁极对和Y负向磁极对。每个磁极对中包含2N_2个磁极，且每个磁极对上分别缠绕有线圈。其中，X正向磁极对和X负向磁极对上分别缠绕有X正向磁极对线圈和X负向磁极对线圈，通电后的X正向磁极对线圈和X负向磁极对线圈产生吸力，分别对转子施加X正向电磁力和X负向电磁力；同样地，Y正向磁极对线圈和Y负向磁极对线圈上分别缠绕有Y正向磁极对线圈和Y负向磁极对线圈，通电后的Y正向磁极对线圈和Y负向磁极对线圈产生吸力，分别对转子施加Y正向电磁力和Y负向电磁力。如图3所示，以N = 3为例，8个磁极22均匀地设置在径向磁轴承定子20的内壁， 8个磁极形成4个磁极对I-IV，磁极对I和磁极对III构成X向磁极对组，磁极对II和磁极对IV构成Y向磁极对组，磁极对I-IV上均缠绕有线圈。其中，磁极对I线圈和磁极对III 线圈分别对转子施加X正向电磁力和X负向电磁力；而磁极对II线圈和磁极对IV线圈分别对转子施加Y正向电磁力和Y负向电磁力。理论上，控制器可以通过控制径向磁轴承各个磁极对线圈中的电流，使转子稳定地悬浮于所述径向保护轴承定子内圆内的任意一点，并且在磁悬浮分子泵工作过程中，当转子受外界扰动力作用而发生运动时，控制器也能通过调整径向磁轴承各个磁极对线圈中电流的大小，来对转子相应地施加X方向电磁力或Y方向电磁力，从而克服外界扰动力对转子的影响，使转子复位。在磁悬浮分子泵开始工作之前，转子是靠在径向保护轴承内壁上的，启动磁悬浮分子泵后转子开始起浮。控制器将根据转子的初始位置和转子与径向磁轴承定子内圆中心之间的距离，调整径向磁轴承的各个磁极对线圈所通电流的大小，以保证转子平稳起浮并最终悬浮在径向磁轴承定子内圆中心处。由于理论上径向磁轴承定子内圆中心和径向保护轴承定子内圆中心同轴，因此当转子靠在径向保护轴承内壁上任一点时，转子与径向保护轴承定子内圆中心和径向磁轴承定子内圆中心的距离都是相等的(均等于径向保护轴承的内径r)，此时转子靠在径向保护轴承内壁的任一点处，控制器控制转子悬浮于径向磁轴承定子内圆中心处所需的起浮控制参数都是相同的。然而，由于磁悬浮分子泵零件加工和装配精度的限制，如图2所示，所述径向磁轴承定子内圆中心和所述径向保护轴承定子内圆中心在径向上存在一定的误差(ΛΧ，ΛΥ)。 因此，在磁悬浮分子泵开始工作之前，转子靠在所述径向保护轴承定子21的内壁上不同位置时，转子距离所述径向磁轴承定子内圆中心的距离并不相同。显然，转子在X方向与所述径向磁轴承定子内圆中心的距离范围为(r-ΛΧ) ^ Lx ^ (r+ΛX)，转子在Y方向与所述径向磁轴承定子内圆中心的距离范围为(r-ΛΥ) ^ Ly ^ (r+ΛΥ)。因此，转子靠在所述径向保护轴承定子21的内壁上不同位置，控制器控制转子悬浮于所述径向磁轴承定子内圆中心处所需的控制参数便有所不同。根据磁轴承理论可知，转子距离径向磁轴承某一磁极对距离很近或很远时，该磁极对产生的电磁力非线性严重，不利于所述控制器对转子的控制。 因此，转子应与所述径向磁轴承各磁极距离相同，这样控制简单，转子起浮特性稳定。另外，定义所述保护轴承定子内壁上距离所述径向磁轴承定子内圆中心距离最远的一点为极限位置，结合图2和图3所示，当转子位于极限位置处时，转子距离所述径向磁轴承定子内圆中心的距离为r+ΔΧ和r+Δ Y，此时转子与所述磁极对i和所述磁极对ii的距离最近。因此当转子位于所述极限位置时，转子距离某一个磁极对或者某两个磁极对之间的距离也达到极限值，这时极有可能出现由于转子距离径向磁轴承磁极对过近或过远而导致电磁力非线性严重，影响转子正常起浮的情况出现。综上所述，转子是否能够正常、快速、稳定地起浮，与转子在起浮之前所在的位置有很大的关系，只有事先选定好磁悬浮分子泵转子的起浮位置，才能确保转子稳定、快速地起浮。然而，现有技术中还没有公开这种事先选定磁悬浮分子泵转子起浮位置的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是转子起浮前的初始位置直接影响到转子是否能够正常、快速、稳定起浮，而现有技术中没有公开如何事先选定磁悬浮分子泵转子起浮位置的方法，而本发明提供一种通过事先选定磁悬浮分子泵转子的起浮位置，保证转子能够稳定、 快速起浮的磁悬浮分子泵转子起浮位置的选择方法及转子起浮方法。为解决上述技术问题，本发明提供一种磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，包括如下步骤I.以径向保护轴承定子内圆中心为原点建立直角坐标系，将径向保护轴承定子内圆平均划分为η个扇形区间(η为自然数且η > 4);II.通过悬浮试验获得所述转子分别位于所述η个区间时，所述转子的起浮控制参数及所述转子的起浮特性参数；III.比较所述转子分别位于所述η个区间时的起浮特性参数，选取适于所述转子起浮的优选区间，将转子位于所述优选区间时对应的径向位移传感器的X向输出信号电压幅值范围、Y向输出信号电压幅值范围和转子的起浮控制参数存储于所述控制器内的存储介质中，所述优选区间即为转子的起浮位置。上述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，所述步骤I中，将所述径向保护轴承定子内圆平均划分为6个扇形区间区间①-区间⑥。上述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，所述步骤III中包括排除具有极限位置并使所述转子无法起浮的区间的步骤。上述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，所述步骤II还包括获取所述转子位于所述优选区间内的多个位置时，所述转子的起浮控制参数及所述转子的起浮特性参数的步骤；所述步骤III还包括比较所述转子位于所述优选区间内多个位置时，所述转子的起浮控制参数及所述转子的起浮特性参数，获取所述转子在优选区间内起浮特性最好的优选位置，将转子位于所述优选位置时对应的径向位移传感器的X向输出信号电压幅值、Y向输出信号电压幅值和转子的起浮控制参数存储于所述控制器内的所述存储介质中的步骤。上述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，所述步骤III中，所述优选位置的个数为一个或者两个。上述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，所述步骤III中，所述优选区间的个数为一个或者两个。
上述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，所述步骤II和所述步骤III中，所述转子的起浮特性参数包括所述转子起浮过程的平稳性参数。本发明还提供一种利用上述选择方法选定转子起浮位置后的转子起浮控制方法， 包括如下步骤A.控制所述转子起浮之前，根据径向位移传感器的X向输出信号电压幅值和Y向输出信号电压幅值判断所述转子此时所在区间；B.若所述转子位于优选区间内，则控制器直接调用其存储介质中内置的优选起浮控制参数，控制所述转子起浮；若所述转子没有位于所述优选区间内，则所述控制器控制电机驱动所述转子移动至所述优选区间后，所述控制器再调用所述优选起浮控制参数，控制所述转子起浮。上述的转子起浮控制方法，所述步骤B中，还包括控制所述电机驱动所述转子移动至所述优选区间内的优选位置的步骤。本发明的上述技术方案具有如下优点①本发明中通过悬浮试验获得在径向保护轴承定子内圆中最适于转子快速、稳定起浮的优选区间，并且在控制器内的存储介质中存储转子位于优选区间时的起浮控制参数，因此只要保证转子起浮之前位于优选区间，便可以直接调用起浮控制参数保证转子快速、稳定起浮，避免出现转子不能正常起浮的情况。②本发明中，在获取最适于转子起浮的优选区间之后，还可以通过悬浮试验的方式获取在优选区间内转子起浮特性最好的优选位置，在转子起浮之前将转子旋转至优选位置可进一步的保证转子能够快速、稳定的起浮，且转子起浮之后具有稳定的工作特性。
图I为磁悬浮分子泵的结构示意图；图2为径向磁轴承定子和径向保护轴承定子间同轴度偏差示意图；图3为设置八个磁极的径向磁轴承定子结构示意图；图4为本发明获取磁悬浮分子泵转子起浮位置及转子起浮控制流程图；图中附图标记表示为I-叶轮，2-控制器，3-泵体，4-第一径向保护轴承，5-第一径向位移传感器，6-第一径向磁轴承，7-转子轴，8-电机，9-第二径向磁轴承，10-第二径向位移传感器，11-第二径向保护轴承，12-轴向保护轴承，13-第一轴向磁轴承，14-推力盘， 15-第二轴向磁轴承，16-轴向位移传感器,17-接线端子，18-位移检测装置，19-转速检测装置，20-径向磁轴承定子，21-径向保护轴承定子，22-磁极。
具体实施例方式为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。实施例I本实施例提供一种磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，包括如下步骤I.以径向保护轴承定子内圆中心为原点建立直角坐标系，将径向保护轴承定子内圆平均划分为η个扇形区间(η为自然数且η > 4);
6
II.通过悬浮试验获得所述转子分别位于所述η个区间时，所述转子的起浮控制参数及所述转子的起浮特性参数；III.比较所述转子分别位于所述η个区间时的起浮特性参数，选取适于所述转子起浮的优选区间，将转子位于所述优选区间时对应的径向位移传感器的X向输出信号电压幅值范围、Y向输出信号电压幅值范围和转子的起浮控制参数存储于所述控制器2内的存储介质中，所述优选区间即为转子的起浮位置。本实施例中，将所述径向保护轴承定子内圆平均划分为6个扇形区间区间①-区间⑥。通过悬浮试验获得转子在各个区间内的起浮控制参数以及起浮特性参数过程如下令转子位于区间①并记录此时径向位移传感器的X向输出信号电压幅值范围和Y 向输出信号电压幅值范围，调试起浮控制参数保证转子正常起浮，通过多次试验后获取转子位于区间①时能够保证正常起浮的起浮控制参数，并且将转子起浮之后的起浮特性参数记录下来，所述起浮特性参数包括所述转子起浮过程的平稳性参数；将转子移动到区间②至区间⑥，重复上述过程完成本步骤，即可获得转子位于六个区间时的起浮控制参数和起浮特性参数。由于极限位置与六个区间的位置关系不同，可能导致所述优选区间的个数为一个或者两个。记录转子位于所述优选区间时对应的径向位移传感器X向输出信号电压幅值范围、Y向输出信号电压幅值范围和转子的起浮控制参数，并且将所述优选区间设定为转子的起浮位置。本实施例还提供一种利用上述选择方法选定转子起浮位置后的转子起浮控制方法，包括如下步骤Α.控制所述转子起浮之前，根据径向位移传感器的X向输出信号电压幅值和Y向输出信号电压幅值判断所述转子此时所在区间；B.若所述转子位于优选区间内，则控制器2直接调用其存储介质中内置的优选起浮控制参数，控制所述转子起浮；若所述转子没有位于所述优选区间内，则所述控制器2控制电机驱动所述转子移动至所述优选区间后，所述控制器2再调用所述优选起浮控制参数，控制所述转子起浮。采用本实施例中转子起浮位置选择方法及转子起浮控制方法，能够确保转子快速、稳定的起浮，且起浮之后具有稳定的工作特性。实施例2本实施例在实施例I的基础上，进一步地，所述步骤II还包括获取所述转子位于所述优选区间内的多个位置时，所述转子的起浮控制参数及所述转子的起浮特性参数的步骤；所述步骤III还包括比较所述转子位于所述优选区间内多个位置时，所述转子的起浮控制参数及所述转子的起浮特性参数，获取所述转子在优选区间内起浮特性最好的优选位置，将转子位于所述优选位置时对应的径向位移传感器的X向输出信号电压幅值、Y向输出信号电压幅值和转子的起浮控制参数存储于所述控制器2内的所述存储介质中的步骤。相应的在转子起浮控制方法中，所述步骤B中，还包括控制所述电机驱动所述转子移动至所述优选区间内的优选位置的步骤。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
权利要求
1. 一种磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，其特征在于，包括如下步骤.1.以径向保护轴承定子内圆中心为原点建立直角坐标系，将径向保护轴承定子内圆平均划分为η个扇形区间(η为自然数且η彡4);II.通过悬浮试验获得所述转子分别位于所述η个区间时，所述转子的起浮控制参数及所述转子的起浮特性参数；III.比较所述转子分别位于所述η个区间时的起浮特性参数，选取适于所述转子起浮的优选区间，将转子位于所述优选区间时对应的径向位移传感器的X向输出信号电压幅值范围、Y向输出信号电压幅值范围和转子的起浮控制参数存储于所述控制器(2)内的存储介质中，所述优选区间即为转子的起浮位置。
2.根据权利要求I所述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，其特征在于所述步骤I中，将所述径向保护轴承定子内圆平均划分为6个扇形区间区间①-区间⑥。
3.根据权利要求I或2所述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，其特征在于所述步骤III中包括排除具有极限位置并使所述转子无法起浮的区间的步骤。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，其特征在于所述步骤II还包括获取所述转子位于所述优选区间内的多个位置时，所述转子的起浮控制参数及所述转子的起浮特性参数的步骤；所述步骤III还包括比较所述转子位于所述优选区间内多个位置时，所述转子的起浮控制参数及所述转子的起浮特性参数，获取所述转子在优选区间内起浮特性最好的优选位置，将转子位于所述优选位置时对应的径向位移传感器的X向输出信号电压幅值和Y向输出信号电压幅值和转子的起浮控制参数存储于所述控制器(2)内的所述存储介质中的步骤。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，其特征在于所述步骤III中，所述优选位置的个数为一个或者两个。
6.根据权利要求1-5任一所述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，其特征在于 所述步骤III中，所述优选位置的个数为一个或者两个。
7.根据权利要求6所述的磁悬浮分子泵转子起浮位置选择方法，其特征在于所述步骤II和所述步骤III中，所述转子的起浮特性参数包括所述转子起浮过程的平稳性参数。
8.一种利用权利要求1-7任一所述选择方法选定转子起浮位置后的转子起浮控制方法，其特征在于，包括如下步骤Α.控制所述转子起浮之前，根据径向位移传感器的X向输出信号电压幅值和Y向输出信号电压幅值判断所述转子此时所在区间；B.若所述转子位于优选区间内，则控制器(2)直接调用其存储介质中内置的优选起浮控制参数，控制所述转子起浮；若所述转子没有位于所述优选区间内，则所述控制器(2)控制电机驱动所述转子移动至所述优选区间后，所述控制器(2)再调用所述优选起浮控制参数，控制所述转子起浮。
9.根据权利要求8所述的转子起浮控制方法，其特征在于所述步骤B中，还包括控制所述电机驱动所述转子移动至所述优选区间内的优选位置的步骤。
全文摘要
本发明公开一种磁悬浮分子泵转子起浮位置的选择方法及转子起浮控制方法，以径向保护轴承定子内圆中心为原点建立直角坐标系，将径向保护轴承定子内圆平均划分为n个扇形区间；通过悬浮试验获得转子位于每个区间时，转子的起浮控制参数及起浮特性参数。从n个区间中挑选出一或两个起浮特性最好的区间作为转子起浮优选区间，将优选区间对应的径向位移传感器的X向输出信号电压幅值范围和Y向输出信号电压幅值范围以及起浮控制参数记录在控制器内的存储介质中。当磁悬浮分子泵开始工作时，磁悬浮分子泵控制器控制电机驱动转子到达优选区间，然后调用控制器内存储的起浮控制参数控制转子起浮，即可实现转子快速、稳定起浮。
文档编号F04D27/00GK102606505SQ20121008941
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者张剀, 张小章, 李奇志, 武涵, 邹蒙 申请人:北京中科科仪股份有限公司, 清华大学