CN113572312A - 一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置及方法 - Google Patents

一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置及方法 Download PDF

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CN113572312A CN202110743743.8A CN202110743743A CN113572312A CN 113572312 A CN113572312 A CN 113572312A CN 202110743743 A CN202110743743 A CN 202110743743A CN 113572312 A CN113572312 A CN 113572312A
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Abstract

本发明公开了一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移检测装置及方法。本发明装置包括一个嵌入了十块扇形永磁体的圆形套环转子、一个固定了六片线性霍尔的环形传感器定子。环形传感器转子由铁磁材料制成的转子铁芯、五个外表面为N极的永磁体和五个外表面为S极的永磁体组成，永磁体充磁方向均为径向充磁。五个外表面为N极的永磁体均匀分布在环形传感器转子的左侧；五个外表面为S极的永磁体与外表面为N极的永磁体对齐分布在环形传感器转子的右侧。环形传感器定子由铁磁材料制成，在环形传感器定子内侧的水平方向固定有四个线性霍尔，在垂直水平方向上固定有两个线性霍尔。本发明简化了***结构，降低了设备成本。

Description

一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检 测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置及方法，适用于磁悬浮电机的转子位置角、径向位移和轴向位移检测。
背景技术
在磁悬浮电机的控制***中，转子位置角和转子位移检测是磁悬浮电机能够实现精确稳定控制的关键环节。在传统磁悬浮电机***中，需要电涡流位移传感器和位置传感器分别检测电机转子的位移和转角，电涡流传感器检测转子位移时需要前置器给传感器探头提供一个高频励磁电流，而位置传感器价格昂贵、体积大。但现有的磁悬浮电机的控制***结构复杂，成本居高不下。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，本发明提出了一种采用同极型永磁体双转子结构，利用六个线性霍尔同时实现磁悬浮电机的转子位置角和径、轴向位移集成检测装置。本发明装置结构简单、低成本的基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置，包括检测装置转子和定子，所述检测装置转子为一个嵌入了十块扇形永磁体的环形传感器转子，所述检测装置定子为一个固定了六片线性霍尔环形传感器定子。
进一步的，所述的环形传感器转子由铁磁材料制成的转子铁芯、五个外表面为N极的永磁体和五个外表面为S极的永磁体组成，永磁体充磁方向均为径向充磁；五个外表面为N极的永磁体均匀分布在环形传感器转子的左侧；五个外表面为S极的永磁体与外表面为N极的永磁体对齐分布在环形传感器转子的右侧；用该装置检测磁悬浮电机的转子位置角和径、轴向位移时，将所述嵌有永磁体的环形传感器转子套在磁悬浮电机的转轴上。
进一步的，所述固定了六片线性霍尔的环形传感器定子由铁磁材料制成，在环形传感器定子内侧的水平方向固定有四个线性霍尔：第一线性霍尔S1、第二线性霍尔S2、第三线性霍尔S3和第四线性霍尔S4，在垂直水平方向上固定有第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6两个线性霍尔；其中第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6这四个霍尔元件均匀放置在环形传感器定子内侧的圆周上，且位于环形传感器定子内侧的左端；第二线性霍尔S2和第四线性霍尔S4与第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3对称放置于环形传感器定子内侧的右端；利用第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6这四个霍尔元件可以检测出径向气隙磁密大小，利用第二线性霍尔S2和第四线性霍尔S4检测轴向气隙磁密大小。
一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测方法，采用本发明基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置进行操作；应用于磁悬浮电机转子位置角和径、轴向位移的检测；通过第一线性霍尔S1、第二线性霍尔S2、第三线性霍尔S3、第四线性霍尔S4、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6这六个霍尔元件，检测出的径向气隙磁密和轴向气隙磁密大小，经过以下步骤解算出磁悬浮电机实时的转子位置角和轴、径向位移：具体步骤如下：
步骤一：将环形传感器转子套在磁悬浮电机的转轴上，当电机工作时，环形传感器转子会跟随电机转子一起旋转，利用六个线性霍尔元件可以测得轴向气隙磁密大小为Ba2和Ba4，径向气隙磁密大小为Br1,Br3,Br5和Br6。
步骤二：在忽略磁饱和的情况下，当转子发生径向偏移(Δx,Δy)和轴向偏移(Δz)时，在第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6上的测得磁密大小Br1,Br3,Br5和Br6表示为：
Figure BDA0003143654040000021
上式中：B0为环形传感器转子在平衡位置时，霍尔元件处气隙磁密的幅值；
Km为环形传感器转子发生偏移后，磁密变化量随偏移量线性变化的系数幅值；
Es为环形传感器转子发生偏移后产生的偏心距；
Kz为传感器转子轴向偏移量对径向偏移的影响系数；
θr为传感器转子的转子位置角；
θs为传感器转子的偏心角；
p为传感器转子的极对数，p为奇数；
由于第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6放置在环形传感器定子内侧的左端，经过第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6四个霍尔器件的轴向磁力线几乎为零，近似认为KzΔz＝0，则式(1)则变为：
Figure BDA0003143654040000031
化简式(2)得到：
Figure BDA0003143654040000032
根据式(3)得到：
Figure BDA0003143654040000033
通过上述式(4)求解出电机转子在当前时刻的转子位置角θr；
在得到电机的转子位置角θr后，根据式(3)得到：
Figure BDA0003143654040000034
式(5)中有：
Figure BDA0003143654040000035
将式(6)带入式(5)得到电机转子的径向位移为：
Figure BDA0003143654040000036
步骤三：在忽略磁饱和的情况下，当转子发生径向偏移(Δx,Δy)和轴向偏移(Δz)时，第二线性霍尔S2和第四线性霍尔S4与第一线性霍尔S1和第三线性霍尔S3对称放置于环形传感器定子内侧的右端，则第二线性霍尔S2和第四线性霍尔S4检测到的磁密大小表示为:
Figure BDA0003143654040000041
式中：kx为x方向上的位移变化对轴向磁密大小的影响系数，单位T/μm2；
ky为y方向上的位移变化对轴向磁密大小的影响系数，单位T/μm2；
kz为z方向上的位移变化对轴向磁密大小的影响系数，单位T/μm；
B20为传感器转子在平衡位置处时，第二线性霍尔元件S2处的磁密大小；
B40为传感器转子在平衡位置处时，第四线性霍尔元件S4处的磁密大小；
根据式(7)和式(8)则可以得到电机转子在轴向上的位移为：
Figure BDA0003143654040000042
本发明的工作原理是：
将本发明所述的装置的环形传感器转子套在磁悬浮电机的转轴上，环形传感器转子由铁磁材料制成的转子铁芯、五个外表面为N极的永磁体和五个外表面为S极的永磁体组成，永磁体充磁方向均为径向充磁。五个外表面为N极的永磁体均匀分布在环形传感器转子的左侧；五个外表面为S极的永磁体与外表面为N极的永磁体对齐分布在环形传感器转子的右侧。用该装置检测磁悬浮电机的转子位置角和径、轴向位移时，将所述嵌有永磁体的环形传感器转子套在磁悬浮电机的转轴上。所述固定了六个线性霍尔的环形传感器定子由铁磁材料制成，在环形传感器定子内侧的水平方向固定有四个线性霍尔：第一线性霍尔S1、第二线性霍尔S2、第三线性霍尔S3、第四线性霍尔S4，在垂直水平方向上固定有第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6两个线性霍尔。其中第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6四个霍尔元件均匀放置在环形传感器定子内侧的圆周上，且位于环形传感器定子内侧的左端；第二线性霍尔S2和第四线性霍尔S4与第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3对称放置于环形传感器定子内侧的右端。利用第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6四个霍尔元件可以检测出径向气隙磁密大小，利用第二线性霍尔S2和第四线性霍尔S4检测轴向气隙磁密大小。
所述的发明装置中，环形传感器转子中的永磁体产生的磁力线会沿轴向和径向两个方向闭合。轴向磁力线从外表面为N极的永磁体进入气隙，再由气隙进入环形传感器定子，然后再从环形传感器定子经过气隙进入外表面为S极的永磁体，最后从外表面为S极的永磁体经过环形传感器转子铁芯进入外表面为N极的永磁体，形成闭合回路；径向磁力线同样从外表面为N极的永磁体进入气隙，再由气隙进入环形传感器定子，最后再从环形传感器定子经过气隙和环形传感器转子铁芯进入外表面为N极的永磁体，形成闭合回路。
当电机工作时，环形传感器转子会跟随电机转子一起旋转，环形传感器转子中的永磁***于不同位置角时，会引起第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6四个霍尔元件处径向气隙磁密大小的变化；当电机转子发生径向偏移时，会引起第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6四个霍尔元件处径向气隙磁密大小的变化；而当电机发生轴向偏移时，会引起第二线性霍尔S2和第四线性霍尔S4两个霍尔元件处轴向气隙磁密大小的变化。
利用上述原理，同时对电机的转子位置角和径、轴向位移进行检测，本发明基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移检测装置包括一个嵌入了十块扇形永磁体的圆形套环转子、一个固定了六片线性霍尔的环形传感器定子。所述的环形传感器转子由铁磁材料制成的转子铁芯、五个外表面为N极的永磁体和五个外表面为S极的永磁体组成，永磁体充磁方向均为径向充磁。五个外表面为N极的永磁体均匀分布在环形传感器转子的左侧；五个外表面为S极的永磁体与外表面为N极的永磁体对齐分布在环形传感器转子的右侧。所述的环形传感器定子由铁磁材料制成，在环形传感器定子内侧的水平方向固定有第一线性霍尔S1、第二线性霍尔S2、第三线性霍尔S3、第四线性霍尔S4四个线性霍尔器件，在垂直水平方向上固定有第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6两个线性霍尔。其中第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6四个霍尔元件均匀放置在环形传感器定子内侧的圆周上，且位于环形传感器定子内侧的左端；第二线性霍尔S2和第四线性霍尔S4与第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3对称放置于环形传感器定子内侧的右端。本发明简化了***结构，降低了设备成本。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的优点：
1.本发明中环形传感器转子采用同极型永磁体双转子结构，利用第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6四个线性霍尔传感器可以方便的同时测得转子的位置信息和径向位移信息，利用第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第二线性霍尔S2和第四线性霍尔S4可以方便的测出转子的轴向位移；
2.本发明采用低廉的线性霍尔取代了昂贵的电涡流位移传感器和位置传感器，且简化了***结构，缩小了***体积。
附图说明
下面通过附图与具体实施方法说明，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1是本发明优选实施例一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移检测装置的三维结构图，包括一个环形传感器转子和环形传感器定子，四个外表面为N极的永磁体，一个外表面为S极的永磁体和五个线性霍尔传感器。
图2是本发明优选实施例一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移检测装置的径向截面图，包括一个环形传感器转子和环形传感器定子，以及五个外表面为N极的永磁体和四个线性霍尔传感器。
图3是本发明优选实施例一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移检测装置的轴向截面图，包括一个环形传感器转子和环形传感器定子，以及一块外表面为N极的永磁体、一块外表面为S极的永磁体和四个线性霍尔传感器。
具体实施方式
下面就本发明的优选实施例结合附图对本发明对进一步的详细描述：
实施例一：
参见图1～图3，本基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置，包括检测装置转子和定子，所述检测装置转子为一个嵌入了十块扇形永磁体的环形传感器转子14，所述检测装置定子为一个固定了六片线性霍尔环形传感器定子10。
本实施例利用六个线性霍尔同时实现磁悬浮电机的转子位置角和径、轴向位移集成检测装置。本发明装置结构简单、低成本。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
在本实施例中，一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置，所述的环形传感器转子14由铁磁材料制成的转子铁芯9、五个外表面为N极的永磁体7和五个外表面为S极的永磁体8组成，永磁体充磁方向均为径向充磁；五个外表面为N极的永磁体7均匀分布在环形传感器转子14的左侧；五个外表面为S极的永磁体8与外表面为N极的永磁体7对齐分布在环形传感器转子14的右侧；用该装置检测磁悬浮电机的转子位置角和径、轴向位移时，将所述嵌有永磁体的环形传感器转子14套在磁悬浮电机的转轴上。
在本实施例中，所述固定了六片线性霍尔的环形传感器定子10由铁磁材料制成，在环形传感器定子10内侧的水平方向固定有四个线性霍尔：第一线性霍尔S1(1)、第二线性霍尔S2(2)、第三线性霍尔S3(3)和第四线性霍尔S4(4)，在垂直水平方向上固定有第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)两个线性霍尔；其中第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)这四个霍尔元件均匀放置在环形传感器定子10内侧的圆周上，且位于环形传感器定子10内侧的左端；第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)与第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)对称放置于环形传感器定子10内侧的右端；利用第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)这四个霍尔元件可以检测出径向气隙磁密12大小，利用第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)检测轴向气隙磁密13大小。
本发明中环形传感器转子采用同极型永磁体双转子结构，利用第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6四个线性霍尔传感器可以方便的同时测得转子的位置信息和径向位移信息，利用第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第二线性霍尔S2和第四线性霍尔S4可以方便的测出转子的轴向位移。
实施例三：
一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测方法，采用实施例二所述的基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置进行操作，通过第一线性霍尔S1(1)、第二线性霍尔S2(2)、第三线性霍尔S3(3)、第四线性霍尔S4(4)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)这六个霍尔元件，检测出的径向气隙磁密12和轴向气隙磁密13大小，经过以下步骤解算出磁悬浮电机实时的转子位置角和轴、径向位移：具体步骤如下：
步骤一：将环形传感器转子套在磁悬浮电机的转轴上，当电机工作时，环形传感器转子会跟随电机转子一起旋转，利用六个线性霍尔元件测得轴向气隙磁密大小为Ba2和Ba4，径向气隙磁密大小为Br1,Br3,Br5和Br6；
步骤二：在忽略磁饱和的情况下，当转子发生径向偏移(Δx,Δy)和轴向偏移(Δz)时，在第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)上的测得磁密大小Br1,Br3,Br5和Br6表示为：
Figure BDA0003143654040000071
上式中：B0为环形传感器转子在平衡位置时，霍尔元件处气隙磁密的幅值；
Km为环形传感器转子发生偏移后，磁密变化量随偏移量线性变化的系数幅值；
Es为环形传感器转子发生偏移后产生的偏心距；
Kz为传感器转子轴向偏移量对径向偏移的影响系数；
θr为传感器转子的转子位置角；
θs为传感器转子的偏心角；
p为传感器转子的极对数，p为奇数；
由于第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)放置在环形传感器定子10内侧的左端，经过第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)四个霍尔器件的轴向磁力线13几乎为零，即可近似认为KzΔz＝0，则式(1)则变为：
Figure BDA0003143654040000081
化简式(2)得到：
Figure BDA0003143654040000082
根据式(3)得到：
Figure BDA0003143654040000083
通过上述式(4)求解出电机转子在当前时刻的转子位置角θr；
在得到电机的转子位置角θr后，根据式(3)还得到：
Figure BDA0003143654040000084
式(5)中有：
Figure BDA0003143654040000085
将式(6)带入式(5)得到电机转子的径向位移为：
Figure BDA0003143654040000086
步骤三：在忽略磁饱和的情况下，当转子发生径向偏移(Δx,Δy)和轴向偏移(Δz)时，第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)与第一线性霍尔S1(1)和第三线性霍尔S3(3)对称放置于环形传感器定子10内侧的右端，则第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)检测到的磁密大小表示为:
Figure BDA0003143654040000091
式中：kx为x方向上的位移变化对轴向磁密大小的影响系数，单位T/μm2；
ky为y方向上的位移变化对轴向磁密大小的影响系数，单位T/μm2；
kz为z方向上的位移变化对轴向磁密大小的影响系数，单位T/μm；
B20为传感器转子在平衡位置处时，第二线性霍尔元件S2(2)处的磁密大小；
B40为传感器转子在平衡位置处时，第四线性霍尔元件S4(4)处的磁密大小；
根据式(7)和式(8)则得到电机转子在轴向上的位移为：
Figure BDA0003143654040000092
在本实施例中，在环形传感器定子10内侧的水平方向固定有四个线性霍尔：第一线性霍尔S1(1)、第二线性霍尔S2(2)、第三线性霍尔S3(3)和第四线性霍尔S4(4)，在垂直水平方向上固定有第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)两个线性霍尔；其中第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)这四个霍尔元件均匀放置在环形传感器定子10内侧的圆周上，且位于环形传感器定子10内侧的左端；第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)与第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)对称放置于环形传感器定子(10)内侧的右端；利用第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)这四个霍尔元件可以检测出径向气隙磁密12大小，利用第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)检测轴向气隙磁密13大小。
本实施例基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移检测装置包括一个嵌入了十块扇形永磁体的圆形套环转子、一个固定了六片线性霍尔的环形传感器定子。所述的环形传感器转子由铁磁材料制成的转子铁芯、五个外表面为N极的永磁体和五个外表面为S极的永磁体组成，永磁体充磁方向均为径向充磁。五个外表面为N极的永磁体均匀分布在环形传感器转子的左侧；五个外表面为S极的永磁体与外表面为N极的永磁体对齐分布在环形传感器转子的右侧。所述的环形传感器定子由铁磁材料制成，在环形传感器定子内侧的水平方向固定有第一线性霍尔S1、第二线性霍尔S2、第三线性霍尔S3、第四线性霍尔S4四个线性霍尔器件，在垂直水平方向上固定有第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6两个线性霍尔。其中第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3、第五线性霍尔S5和第六线性霍尔S6四个霍尔元件均匀放置在环形传感器定子10内侧的圆周上，且位于环形传感器定子内侧的左端；第二线性霍尔S2和第四线性霍尔S4与第一线性霍尔S1、第三线性霍尔S3对称放置于环形传感器定子10内侧的右端。本发明简化了***结构，降低了设备成本。
在本实施例中，参见图2和图3，环形传感器转子14由铁磁材料制成的转子铁芯9、五个外表面为N极的永磁体7和五个外表面为S极的永磁体8组成，永磁体充磁方向均为径向充磁。五个外表面为N极的永磁体7均匀分布在环形传感器转子14的左侧；五个外表面为S极的永磁体8与外表面为N极的永磁体7对齐分布在环形传感器转子14的右侧。在所述固定了六个线性霍尔的环形传感器定子10由铁磁材料制成，在环形传感器定子10内侧的水平方向固定有第一线性霍尔S1(1)、第二线性霍尔S2(2)、第三线性霍尔S3(3)和第四线性霍尔S4(4)四个线性霍尔，在垂直水平方向上固定有第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)两个线性霍尔。其中第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)四个霍尔元件均匀放置在环形传感器定子10内侧的圆周上，且位于环形传感器定子10内侧的左端；第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)与第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)对称放置于环形传感器定子10内侧的右端。
将环形传感器转子14套在磁悬浮电机的轴上，当电机工作时，环形传感器转子14会跟随电机转子一起旋转，环形传感器转子14中的永磁体7位于不同位置角时，会引起第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)四个霍尔元件处径向气隙磁密大小的变化；当电机转子发生径向偏移时，会引起第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)四个霍尔元件处径向气隙磁密大小的变化；而当电机发生轴向偏移时，会引起第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)两个霍尔元件处轴向气隙磁密大小的变化。
本实施例中环形传感器转子采用同极型永磁体双转子结构，利用六个线性霍尔元件可以准确测得当套环随着转子动作时磁密的变化，根据测得的磁密大小可以准确的得到转子的位置角和转子位移，相比于传统电涡流传感器位移检测***和传统霍尔位置检测***，该装置能一次性检测出电机转子的转子位置角和转子位移。
以上实施例中的磁悬浮电机和五对极结构的环形传感器转子仅为了说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置，包括检测装置转子和定子，其特征在于：所述检测装置转子为一个嵌入了十块扇形永磁体的环形传感器转子(14)，所述检测装置定子为一个固定了六片线性霍尔环形传感器定子(10)。
2.根据权利要求1所述的基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置，其特征在于：所述的环形传感器转子(14)由铁磁材料制成的转子铁芯(9)、五个外表面为N极的永磁体(7)和五个外表面为S极的永磁体(8)组成，永磁体充磁方向均为径向充磁；五个外表面为N极的永磁体(7)均匀分布在环形传感器转子(14)的左侧；五个外表面为S极的永磁体(8)与外表面为N极的永磁体(7)对齐分布在环形传感器转子(14)的右侧；用该装置检测磁悬浮电机的转子位置角和径、轴向位移时，将所述嵌有永磁体的环形传感器转子(14)套在磁悬浮电机的转轴上。
3.根据权利要求1所述的基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置，其特征在于：所述固定了六片线性霍尔的环形传感器定子(10)由铁磁材料制成，在环形传感器定子(10)内侧的水平方向固定有四个线性霍尔：第一线性霍尔S1(1)、第二线性霍尔S2(2)、第三线性霍尔S3(3)和第四线性霍尔S4(4)，在垂直水平方向上固定有第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)两个线性霍尔；其中第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)这四个霍尔元件均匀放置在环形传感器定子(10)内侧的圆周上，且位于环形传感器定子(10)内侧的左端；第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)与第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)对称放置于环形传感器定子(10)内侧的右端；利用第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)这四个霍尔元件可以检测出径向气隙磁密(12)大小，利用第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)检测轴向气隙磁密(13)大小。
4.一种基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测方法，采用权利要求1所述的基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测装置进行操作，其特征在于：通过第一线性霍尔S1(1)、第二线性霍尔S2(2)、第三线性霍尔S3(3)、第四线性霍尔S4(4)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)这六个霍尔元件，检测出的径向气隙磁密(12)和轴向气隙磁密(13)大小，经过以下步骤解算出磁悬浮电机实时的转子位置角和轴、径向位移：具体步骤如下：
步骤一：将环形传感器转子套在磁悬浮电机的转轴上，当电机工作时，环形传感器转子会跟随电机转子一起旋转，利用六个线性霍尔元件测得轴向气隙磁密大小为Ba2和Ba4，径向气隙磁密大小为Br1，Br3，Br5和Br6；
步骤二：在忽略磁饱和的情况下，当转子发生径向偏移(Δx，Δy)和轴向偏移(Δz)时，在第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)上的测得磁密大小Br1，Br3，Br5和Br6表示为：
Figure FDA0003143654030000021
上式中：B0为环形传感器转子在平衡位置时，霍尔元件处气隙磁密的幅值；
Km为环形传感器转子发生偏移后，磁密变化量随偏移量线性变化的系数幅值；
Es为环形传感器转子发生偏移后产生的偏心距；
Kz为传感器转子轴向偏移量对径向偏移的影响系数；
θr为传感器转子的转子位置角；
θs为传感器转子的偏心角；
p为传感器转子的极对数，p为奇数；
由于第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)放置在环形传感器定子(10)内侧的左端，经过第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)四个霍尔器件的轴向磁力线(13)几乎为零，即可近似认为KzΔz＝0，则式(1)则变为：
Figure FDA0003143654030000022
化简式(2)得到：
Figure FDA0003143654030000023
根据式(3)得到：
Figure FDA0003143654030000031
通过上述式(4)求解出电机转子在当前时刻的转子位置角θr；
在得到电机的转子位置角θr后，根据式(3)还得到：
Figure FDA0003143654030000032
式(5)中有：
Figure FDA0003143654030000033
将式(6)带入式(5)得到电机转子的径向位移为：
Figure FDA0003143654030000034
步骤三：在忽略磁饱和的情况下，当转子发生径向偏移(Δx，Δy)和轴向偏移(Δz)时，第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)与第一线性霍尔S1(1)和第三线性霍尔S3(3)对称放置于环形传感器定子(10)内侧的右端，则第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)检测到的磁密大小表示为：
Figure FDA0003143654030000035
式中：kx为x方向上的位移变化对轴向磁密大小的影响系数，单位T/μm2；
ky为y方向上的位移变化对轴向磁密大小的影响系数，单位T/μm2；
kz为z方向上的位移变化对轴向磁密大小的影响系数，单位T/μm；
B20为传感器转子在平衡位置处时，第二线性霍尔元件S2(2)处的磁密大小；
B40为传感器转子在平衡位置处时，第四线性霍尔元件S4(4)处的磁密大小；
根据式(7)和式(8)则得到电机转子在轴向上的位移为：
Figure FDA0003143654030000036
5.根据权利要求4所述基于同极型永磁体双转子的线性霍尔角度和位移集成检测方法，其特征在于：在环形传感器定子(10)内侧的水平方向固定有四个线性霍尔：第一线性霍尔S1(1)、第二线性霍尔S2(2)、第三线性霍尔S3(3)和第四线性霍尔S4(4)，在垂直水平方向上固定有第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)两个线性霍尔；其中第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)这四个霍尔元件均匀放置在环形传感器定子(10)内侧的圆周上，且位于环形传感器定子(10)内侧的左端；第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)与第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)对称放置于环形传感器定子(10)内侧的右端；利用第一线性霍尔S1(1)、第三线性霍尔S3(3)、第五线性霍尔S5(5)和第六线性霍尔S6(6)这四个霍尔元件可以检测出径向气隙磁密(12)大小，利用第二线性霍尔S2(2)和第四线性霍尔S4(4)检测轴向气隙磁密(13)大小。
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