磁悬浮涡轮位置检测系统中涡流传感器的仿真分析

磁悬浮涡轮位置检测系统中涡流传感器的仿真分析

0有限元法测定磁悬浮齿轮传感器为了保证旋转系统的高精度、稳定、悬浮，应由非接触位移传感器提供旋转位置的正确信息。航天用磁悬浮飞轮的传感器在体积、频响、稳定性方面有着极为苛刻的要求。鉴于电涡流传感器测量精度高、相应带宽足够、适应性强、成本相对不高,在很多工程实际中都用它。在涡流检测应用的早期主要是采用实验的方法进行,需要以一定的经验进行不断的修正、反复实验,或者由传统的传感器阻抗公式解析法计算得到。这些方法都只能用于比较理想的简单传感器模型。对于高精度磁悬浮飞轮系统中的传感器,其各种性能参数要求很高,对其分析设计方法的要求也向着更可靠、更快速的方向发展。由此,纯数值方法即有限元法开始得到越来越广泛的应用。电涡流传感器是一种特殊的电感传感器,其基本原理是利用通电检测线圈的电磁场与被测体内产生的电涡流的电磁场之间的相互作用,引起线圈等效阻抗的变化,从而把被测量转换为电参数,达到检测的目的。有人通过有限元法对检测线圈轴线上的磁感应强度与线圈端面到被测导体的检测距离之间的关系进行过研究。但在实际工程中磁感应强度不便于直观地通过一个可检测量得到。在磁悬浮飞轮系统中,电涡流位移传感器检测线圈接入相应的检测电路,线圈阻抗的变化引起电路输出电压的变化,从而可得出转子位移的变化信息。由此可知,能够精确快速地得到检测距离与线圈等效阻抗间的关系是进行传感器设计的重要内容。本文通过Ansys有限元分析法对线圈引入检测板前后的阻抗进行了研究分析。1单链建模分析1.1导线横截面积的计算如图1所示空芯环形线圈,线圈匝数为N=500,电阻率ρ=3×10-8Ω·m,几何尺寸为h=4mm,a=1.5mm,b=1mm。线圈阻抗的公式Z=R+jωL,其中,R=ρlS,SR=ρlS,S为导线的横截面积;l为导线的总长度。对于环形线圈,可采用平均直径来计算,即d=2a+b,R=πρdΝSd=2a+b,R=πρdNS。导线的横截面积S=bhΝ。由此可以计算出线圈的电阻为R=23.5619Ω。这种电阻的计算方法适用于简单规则的空芯单线圈。但在用于有芯线圈或者靠近磁性物体时的空芯线圈时,由于铁芯或被检物体的涡流损耗的影响还不能通过一个通用的简单的并接近实际的表达式来求解,所以,仍会有一定误差。电抗的计算则更加复杂,需要设定一些经验系数,多匝线圈的应用还应考虑到互感。因此,考虑到涡流传感器的具体结构和材料属性的变化,只用几个公式求解阻抗是不现实的,就需要有限元软件进行辅助计算。1.2圈的磁力线和磁场Ansys软件是集结构、热学、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件。本文主要应用该软件的二维谐性磁场模块进行涡流传感器的有限元分析。由仿真得到的电阻值同解析法得到电阻值相比较来验证模型的正确性,从而可利用有限元法得到单线圈的阻抗值。对图1中的线圈进行建模计算,由于该线圈为圆形对称,在线圈的任意垂直截面上产生的电磁场是相同的,故对整个环形线圈截面的四分之一进行建模即可。线圈设为余弦交流电压驱动U=U0cosωt,这里,取U0=12V,频率为1MHz。得到的磁力线和磁场分布如图2所示。其中,(a)为磁力线分布图,(b)为磁场分布图。线圈的阻抗可有2种方法求得:第一种方法是通过加载线圈上的电压和电流值解得,在后处理器Post1中分别读出电流的实部和虚部,由于为理想的单线圈结构,故Ζ=UΙ=U0cosωtΙreal+jΙimag=R+jωL.计算可得线圈的电阻和电感值分别为R=23.5619Ω,L=5.4475×10-4H。第二种方法是由Ansys操作命令中的etable,,nmisc,8和etable,,nmisc,9来实现。但由此命令求出的值为建模区的阻抗值,需考虑上建模面积和实际线圈加载面积之间的倍数,最后,可得线圈的电阻值R=23.5620Ω,电感值L=5.44748×10-4H。由这2种方法求得的该模型的线圈电阻与由解析法算得的电阻值基本一致,同时,可求得单线圈的电感值。此时的阻抗是空心单线圈本身固有的,没有外界磁场的影响,所以,在改变模型加载线圈上的电压和频率值时都没有改变所求得的阻抗结果。故这种建模方法用于传感器的设计分析是可行的,且便于修改线圈参数计算,较通过解析法计算设计更为简便。在涡流传感器中,引入检测板后涡流效应所产生的损耗将改变线圈阻抗的值。纵向检测距离越小,产生的涡流效应越大,从而对阻抗的影响就越大,所以,可以由线圈的阻抗值的变化来检测被测物体的位置,下面就通过对传感器的建模来分析。2传感器检测线圈的建模和分析2.1单元类型的确定由于电涡流传感器检测线圈为轴对称结构,被测物体亦可看作是轴对称,因此,采用二维模型即可,对空芯圆柱线圈与圆盘状被测导体以X轴对称的截面的一半建模,如图3所示,其中,A2为检测板,A3为线圈,A4为气隙,h为检测距离。此处线圈同前面单线圈一样为交流余弦电压驱动,U=U0cosωt,这里,取U0=12V,频率为1MHz。其中,检测板材料是40Cr。由于在高频下对软磁材料检测,故在建模求解时需注意以下问题:1)在选取单元类型时,考虑到是给轴对称的绞线型线圈加电压,故选用PLANE53单元。其中,在划分线圈区域时,应指定一些实常数来定义绞线型线圈的几何形状和缠绕特性材料属性。PLANE53单元特性是加电压降VLTG(用BFE,JS命令)和耦合CURR自由度。2)在设置网格密度并划分网格时,应考虑到检测板表面的集肤效应,其中,集肤深度可以按下式进行计算δ=1√πfμσ,式中μ为检测板的磁导率;f为线圈的激励频率;σ为被测导体的电导率。由公式可知,信号频率越低、导体电导率和磁导率越小,导体集肤深度越大;反之,就越小。故对不同材料的检测板在设定网格大小时应小于相应的集肤深度值。2.2加载、解码和后台处理在谐波类型下加载求解后可从后处理器Post1中观察各种分析结果,如,磁力线、磁场强度分布图、电流实部与虚部大小、能量损耗等。2.3检测板和圈的纵向距离同单线圈一样,通过后处理可得到线圈阻抗。要得到阻抗与检测距离的关系可以应用Ansys语言通过修改参数h来快速求得。改变线圈和检测板间纵向距离从0.15mm到1.25mm分别取12个值,得到检测距离与阻抗的关系曲线如图4所示。由于模型中的检测板为软磁材料,故阻抗值较未引入检测板时变大。由图中可知,传感器的电阻和电感值均比单线圈时的值变大,其中,电感值在离检测板比较近时相对于单线圈的电感增大了将近20%。并且,由于受涡流效应的影响,在纵向检测距离越小的地方传感器线圈电感变化幅度越大。3测量线圈检测距离的测量按照所建模型的物理参数做成传感器检测线圈进行实际测量。测量回路如图5所示,其中,U=U0cosωt,U0=12V。R为分压电阻,其值为3.5kΩ。线圈垂直放于检测板上方,并将两端接入回路中,即为L,调节线圈和检测板之间的距离从0.15mm到1.25mm,通过测量线圈两端的电压峰值Uo得到电压与检测距离的关系。测量线圈两端电压得到的实验结果和按照有限元法仿真结果经过电路后得到的电感两端的电压与和检测距离的关系如图6所示。对比可知,实验结果和由仿真得到的理论结果基本吻合,进一步验证了Ansys中的二维模型用于分析涡流传感器的可行性。由于Ansys建模便于修改传感器参数,因而,更容易满足性能要求较高的传感器的设计。需要说明的是,实际的飞轮系统所采用的传感器是将检测线圈连接到恒频调幅式检测电路中,与谐振电容构成一个并联谐振回路,采用恒定频率的载波信号对传感器线圈组成的RC并联谐振回路进行激励,获得线圈等效阻抗变化的调幅信号,然后,通过检波电路进行解调得到随位移变化的电压信号。所以,由有限元法精确地设计好检测线圈的结构参数,将其接入相应的检测电路后能得到性能最好的传感器模型。4基于anasas的动态仿真由用有限元法求得的单线圈阻抗与公式解析值基本一致验证了Ansys模型用于涡流传感器设计与分析的可行