[发明专利]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

权利要求书

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B_a2和B_a4，径向气隙磁密大小为B_r1，B_r3，B_r5和B_r6；

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B_r1，B_r3，B_r5和B_r6表示为：

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；

K_m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；

E_s为环形传感器转子发生偏移后产生的偏心距；

K_z为传感器转子轴向偏移量对径向偏移的影响系数；

θ_r为传感器转子的转子位置角；

θ_s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K_zΔz＝0，则式(1)则变为：

化简式(2)得到：

根据式(3)得到：

通过上述式(4)求解出电机转子在当前时刻的转子位置角θ_r；

在得到电机的转子位置角θ_r后，根据式(3)还得到：

式(5)中有：

将式(6)带入式(5)得到电机转子的径向位移为：

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：

式中：k_x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；

k_y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；

k_z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：

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。