一种混合式磁悬浮轴承医用离心机及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种磁悬浮轴承医用离心机及其控制方法，属于医用分离设备技术领域，包括混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承、电机、离心筒和驱动轴；混合式轴向磁悬浮支撑轴承安装在驱动轴的顶部，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别安装在驱动轴的上部和下部，离心筒通过驱动轴与电机相连接。本发明专利技术利用混合式磁悬浮轴承可有效减少机械轴承的摩擦损耗，而且通过有效的磁悬浮轴承机构及控制策略对高速旋转的离心机产生的共振进行有效的控制，使得工作过程更加平稳，增加了使用寿命，降低了功耗，且结构简单，可控性强，从而提高了市场竞争力。

【技术实现步骤摘要】
一种混合式磁悬浮轴承医用离心机及其控制方法
本专利技术属于医用分离设备
，具体涉及一种混合式磁悬浮轴承医用离心机及其控制方法。
技术介绍
离心机是通过高速旋转产生的离心力场对不同沉淀物系数物质进行分离、浓缩及纯化的科学仪器，广泛应用于生物、医药、农业、化工等领域。可分为低速、高速和超速三种类型，其中离心机转速在12000-25000r/min。国内企业现有产品多为实验室离心机，而高速制备离心机产品极少，核心技术主要依靠国外技术，我国并不具备自主的知识产权，同时还会带来振动、使用寿命以及功耗等问题，随着磁悬浮技术的发展和应用，逐渐开始出现磁悬浮离心机，该产品采用磁悬浮支撑技术代替常规的机械轴承支撑，能有效解决轴承高速旋转时引发的机械摩擦、效率损耗和振动等问题，进而提高离心机的使用寿命、性能指标和应用效果。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种磁悬浮轴承医用离心机及其控制方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种混合式磁悬浮轴承医用离心机，包括混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承、电机、离心筒和驱动轴；混合式轴向磁悬浮支撑轴承安装在驱动轴的顶部，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别安装在驱动轴的上部和下部，离心筒通过驱动轴与电机相连接；混合式轴向磁悬浮支撑轴承，包括第一定子、吸力盘、永磁环、第一主动电磁线圈、出线孔、第一位移传感器、第一电流传感器、转速传感器；其中，第一定子与永磁环通过螺栓固接，第一定子与第一位移传感器通过螺栓固接，吸力盘与驱动轴的下盘轴通过螺栓固接，转速传感器与驱动轴同轴安装，与第一定子通过螺栓固接，第一主动电磁线圈通过出线孔走线；永磁环，被配置为用于抵消离心机的重力；第一位移传感器，被配置为用于检测混合式轴向磁悬浮支撑轴承与离心机的位移轴向偏差；第一电流传感器，被配置为用于检测第一主动电磁线圈的电流大小；第二径向磁悬浮轴承与第一径向磁悬浮轴承在结构上完全相同，均包括第二定子、第二主动电磁线圈、第二电流传感器、第二位移传感器和第三位移传感器；第二位移传感器和第三位移传感器在同一水平面并成90°角放置；第二位移传感器和第三位移传感器，被配置为用于检测混合式径向磁悬浮轴承与离心机的径向位移偏差；第二定子与第二位移传感器和第三位移传感器分别通过螺栓固接；第二主动电磁线圈由漆包铜线沿第二定子环绕而成；第二径向磁悬浮轴承与第一径向磁悬浮轴承的第二主动电磁线圈都设置有八个，八个相同的第二主动电磁线圈沿径向轴对称平均分布；每相邻两个第二主动电磁线圈串联成为一个主动电磁线圈对，即沿径向轴对称平均分布有四个结构相同的主动电磁线圈对；第二电流传感器，被配置为用于检测第二主动电磁线圈对的电流大小，相应的，第二电流传感器也设置有四个；每个主动电磁线圈对与其沿轴线成180°角的主动电磁线圈对构成一个主动电磁线圈组，即沿径向轴对称平均分布有两个结构相同的主动电磁线圈组，即每个主动电磁线圈组内部有两个主动电磁线圈对；混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承由磁轴承控制系统控制。优选地，第二定子有8个磁极，8个磁极平均分布，每极相隔45°角。优选地，电机采用永磁同步电机。优选地，磁轴承控制系统，包括：1个控制器、2个信号处理单元、5个光耦隔离电路以及9个功率放大电路；信号处理单元、控制器、光耦隔离电路、功率放大电路通过线路依次连接；2个信号处理单元：其中一个被配置为用于处理混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承中的位移传感器的输出信号，另一个被配置为用于处理混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承中的电流传感器的输出信号；5个光耦隔离电路：其中，混合式轴向磁悬浮支撑轴承配置有1个，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别配置有2个，用于实现控制器输出的PWM控制信号与功率放大电路的隔离；9个功率放大电路：其中，混合式轴向磁悬浮支撑轴承配置有1个，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别配置有4个，对应其主动电磁线圈对。优选地，信号处理单元采用TL084运算放大器对信号进行运算；控制器采用STM32F103ZET6单片机；光耦隔离电路采用HCPL2530光耦隔离器，实现控制器输出的PWM控制信号与功率放大电路的隔离；功率放大电路的驱动芯片采用IR2101S，功率放大电路的功率开关器件采用IRF540。此外，本专利技术还提到一种混合式磁悬浮轴承医用离心机的控制方法，该方法采用如上所述一种混合式磁悬浮轴承医用离心机，包括如下步骤：步骤1：通过第一位移传感器检测混合式轴向磁悬浮支撑轴承与离心机的轴向位移偏差，或者通过第二位移传感器和第三位移传感器检测第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承与离心机的径向位移偏差，第一位移传感器或者第二位移传感器和第三位移传感器将位移偏差转换为电压信号，并将电压信号输出到其中一个信号处理单元，信号处理单元对电压信号进行加减、放大以及滤波处理，然后反馈给控制器，控制器运用位移PID控制算法，确定该位移方向的每个主动电磁线圈对的电流偏差大小；步骤2：通过电流传感器检测每个主动电磁线圈的电流大小，然后输出到另一个信号处理单元，信号处理单元对电流信号进行加减、放大以及滤波处理，然后反馈给控制器，控制器运用电流PID算法，通过调节控制器输出的PWM信号的占空比大小，并结合光耦隔离电路将控制器输出的PWM信号发送给功率放大电路，最终实现调节每个主动电磁线圈对的电流大小，完成离心筒各位移传感器方向的稳定悬浮；步骤3：控制器通过转速传感器实时检测到离心机转速即将进入共振区转速区间时，运用位移PID控制算法，通过增大第二主动电磁线圈的静态电流，增大第二主动电磁线圈的磁阻尼，使得混合式磁悬浮轴承医用离心机的振动明显得到控制，进而使混合式磁悬浮轴承医用离心机顺利通过共振区；步骤4：控制器通过转速传感器实时检测到离心机转速已经脱离共振区转速区间时，运用位移PID控制算法，恢复第二主动电磁线圈的静态电流。本专利技术所带来的有益技术效果：本专利技术利用磁悬浮轴承离心机对高速旋转过程的产生的共振进行有效的控制，使得工作过程更加平稳，增加了使用寿命，降低了功耗，且结构简单，可控性强，从而提高了市场竞争力。附图说明图1为混合式磁悬浮轴承医用离心机的结构示意图。图2为混合式轴向磁悬浮支撑轴承的结构示意图。图3为第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承的结构示意图。图4为主动电磁线圈绕法示意图。图5为第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承的极性示意图。图6为第一径向磁轴承垂直方向控制原理图。图7为第一径向磁轴承水平方向控制原理图。图8为轴向磁轴承控制原理图。图9为总体磁轴承控制系统原理图。其中，1-混合式轴向磁悬浮支撑轴承；11-第一定子；13-吸力盘；111-永磁环；112-第一主动电磁线圈；113-出线孔；114-第一位移传感器；115-转速传感器；101-第二位移传感器；102-第三位移传感器；2-第一径向磁悬浮轴承；3-电机；4-第二径向磁悬浮轴承；5-离心筒；6-驱动轴；7-第二定子；8-第二主动电磁线圈；81-第三主动电磁线圈；8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合式磁悬浮轴承医用离心机，其特征在于：包括混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承、电机、离心筒和驱动轴；混合式轴向磁悬浮支撑轴承安装在驱动轴的顶部，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别安装在驱动轴的上部和下部，离心筒通过驱动轴与电机相连接；混合式轴向磁悬浮支撑轴承，包括第一定子、吸力盘、永磁环、第一主动电磁线圈、出线孔、第一位移传感器、第一电流传感器、转速传感器；其中，第一定子与永磁环通过螺栓固接，第一定子与第一位移传感器通过螺栓固接，吸力盘与驱动轴的下盘轴通过螺栓固接，转速传感器与驱动轴同轴安装，与第一定子通过螺栓固接，第一主动电磁线圈通过出线孔走线；永磁环，被配置为用于抵消离心机的重力；第一位移传感器，被配置为用于检测混合式轴向磁悬浮支撑轴承与离心机的位移轴向偏差；第一电流传感器，被配置为用于检测第一主动电磁线圈的电流大小；第二径向磁悬浮轴承与第一径向磁悬浮轴承在结构上完全相同，均包括第二定子、第二主动电磁线圈、第二电流传感器、第二位移传感器和第三位移传感器；第二位移传感器和第三位移传感器在同一水平面并成90°角放置；第二位移传感器和第三位移传感器，被配置为用于检测混合式径向磁悬浮轴承与离心机的径向位移偏差；第二定子与第二位移传感器和第三位移传感器分别通过螺栓固接；第二主动电磁线圈由漆包铜线沿第二定子环绕而成；第二径向磁悬浮轴承与第一径向磁悬浮轴承的第二主动电磁线圈都设置有八个，八个相同的第二主动电磁线圈沿径向轴对称平均分布；每相邻两个第二主动电磁线圈串联成为一个主动电磁线圈对，即沿径向轴对称平均分布有四个结构相同的主动电磁线圈对；第二电流传感器，被配置为用于检测第二主动电磁线圈对的电流大小，相应的，第二电流传感器也设置有四个；每个主动电磁线圈对与其沿轴线成180°角的主动电磁线圈对构成一个主动电磁线圈组，即沿径向轴对称平均分布有两个结构相同的主动电磁线圈组，即每个主动电磁线圈组内部有两个主动电磁线圈对；混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承由磁轴承控制系统控制。...

【技术特征摘要】
1.一种混合式磁悬浮轴承医用离心机，其特征在于：包括混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承、电机、离心筒和驱动轴；混合式轴向磁悬浮支撑轴承安装在驱动轴的顶部，第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承分别安装在驱动轴的上部和下部，离心筒通过驱动轴与电机相连接；混合式轴向磁悬浮支撑轴承，包括第一定子、吸力盘、永磁环、第一主动电磁线圈、出线孔、第一位移传感器、第一电流传感器、转速传感器；其中，第一定子与永磁环通过螺栓固接，第一定子与第一位移传感器通过螺栓固接，吸力盘与驱动轴的下盘轴通过螺栓固接，转速传感器与驱动轴同轴安装，与第一定子通过螺栓固接，第一主动电磁线圈通过出线孔走线；永磁环，被配置为用于抵消离心机的重力；第一位移传感器，被配置为用于检测混合式轴向磁悬浮支撑轴承与离心机的位移轴向偏差；第一电流传感器，被配置为用于检测第一主动电磁线圈的电流大小；第二径向磁悬浮轴承与第一径向磁悬浮轴承在结构上完全相同，均包括第二定子、第二主动电磁线圈、第二电流传感器、第二位移传感器和第三位移传感器；第二位移传感器和第三位移传感器在同一水平面并成90°角放置；第二位移传感器和第三位移传感器，被配置为用于检测混合式径向磁悬浮轴承与离心机的径向位移偏差；第二定子与第二位移传感器和第三位移传感器分别通过螺栓固接；第二主动电磁线圈由漆包铜线沿第二定子环绕而成；第二径向磁悬浮轴承与第一径向磁悬浮轴承的第二主动电磁线圈都设置有八个，八个相同的第二主动电磁线圈沿径向轴对称平均分布；每相邻两个第二主动电磁线圈串联成为一个主动电磁线圈对，即沿径向轴对称平均分布有四个结构相同的主动电磁线圈对；第二电流传感器，被配置为用于检测第二主动电磁线圈对的电流大小，相应的，第二电流传感器也设置有四个；每个主动电磁线圈对与其沿轴线成180°角的主动电磁线圈对构成一个主动电磁线圈组，即沿径向轴对称平均分布有两个结构相同的主动电磁线圈组，即每个主动电磁线圈组内部有两个主动电磁线圈对；混合式轴向磁悬浮支撑轴承、第一径向磁悬浮轴承和第二径向磁悬浮轴承由磁轴承控制系统控制。2.根据权利要求1所述的混合式磁悬浮轴承医用离心机，其特征在于：第二定子有8个磁极，8个磁极平均分布，每极相隔45°角。3.根据权利要求1所述的混合式磁悬浮轴承医用离心机，其特征在于：电机采用永磁同步电机。4.根据权利要求1所述的混合式磁悬浮轴承医用离心机，其特征在于：磁轴承控制系统，包括：1个控制器、2个信号处理单元、5个光耦隔离电路以及9个功率放大电路；信号处理单元、控制器、光耦隔离电路、功率放大电路通过线路依次连接；2个信号处理单...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈潇，常龙，王宇，丁鸿昌，肖楠，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37