CN101191759A - 地面高速超导磁悬浮橇体试验装置 - Google Patents

Abstract

地面高速超导磁悬浮橇体试验装置属于高速试验装置技术领域，本发明提供了一种低能耗、高安全可靠和高效的地面高速橇体试验装置方案。试验装置包括永磁导轨及基础、高温超导体、薄壁液氮低温保持器、磁悬浮橇体、双边高温超导体直线同步电动机推进装置及其电能供给和功率调节系统等。通过块状高温超导体与强磁场永磁导轨的电磁力作用实现高度自稳定的磁悬浮系统，通过定位于磁悬浮橇体底部的高温超导体直线电机次级与定位于基础上的双边直线电机三相绕组作用产生高推进水平，这样的方案利于磁悬浮橇体试验装置的最小化质量设计和实现更大的速度范围。期望可以实现0～10g的地面加速度和1000m/s以上的地面运行直线速度，主要用于航空、航天等武器装备系统以及民用高新技术产品在高速度、高加速度运行过程中的技术问题研究。

Description

地面高速超导磁悬浮橇体试验装置

技术领域

本发明涉及高速试验装置技术领域。

背景技术

航空、航天等国防武器装备以及民用高新技术产品的研制，需要重点解决它们在高速度、高加速度运行过程中可能遇到的一系列技术问题，例如导弹惯性制导和控制系统、乘员弹射救生、空气动力、降落伞、航空生理、高过载、推进系统、雨蚀、砂蚀、碰撞、引信以及爆炸冲击等。这些技术的研究和解决需要强有力的试验设施作为依托，目前的试验措施主要包括各种类型的风洞、飞行试验和火箭橇试验滑轨。其中，火箭橇试验滑轨是20世纪下半时发展起来的一种大型、高精度地面动态模拟试验设备，其最大的优越性是空中试验地面做。地面滑轨试验比空中试验灵活性大，试验的实现或重复、试件的观察、试验数据的采集都比空中方便。试件可以投放或发射，也可通过刹车系统完好无损地回收，经调整再次进行试验。通过滑轨试验可以准确地、尽可能多地发现试件在设计制造上的缺陷，使实验室和全尺寸飞行试验得到衔接。因此，火箭橇试验滑轨已成为所有地面动态模拟试验中最能逼近真实飞行环境和置信度最大的一种重要手段。

但是，火箭橇依靠滑靴和滑轨之间的直接接触对橇体进行约束，这将造成巨大的摩擦损耗。而且直接接触已成为火箭橇速度要求和载荷要求提高的最主要限制因素，在速度达到一定数值时，直接接触产生的高频振动载荷经常会导致试验失败。因此，国内外各重要研究机构一直在探索各种新技术对火箭橇试验滑轨技术进行合理的升级换代。

近几十年来磁悬浮技术的快速发展，为地面高速运行条件提供了重要的技术途径。其中，德国采用电磁吸引式悬浮(EMS)系统已经成功实现500km/h的运行速度，日本采用电动斥浮式(EDS)低温超导悬浮系统已经成功实现550km/h的运行速度。然而EMS系统存在控制系统复杂、悬浮高度小等问题，很难适用于更高速度的地面运行，而EDS低温超导悬浮系统需要成本很高的液氦低温冷却系统技术，且运行稳定性一般，因此应用也受到限制。近年来高温超导材料的研制水平逐渐提高，并取得了很好的应用效果，尤其是熔融织构生长(MTG)的强磁浮YBaCuO块状超导材料具有完全抗磁效应和磁通钉扎效应等特性，采用低成本的液氮制冷系统即可以实现无需控制的高性能磁悬浮系统。同时直线电机技术的迅猛发展为取代火箭橇的火箭发动机推进方式也提供了可能性。因此，针对火箭橇的试验运行环境，我们考虑采用高温超导磁悬浮技术实现橇体与滑轨的悬浮分离，以便于实现无摩擦阻力和减小高频振动影响，采用直线电机推进技术提供磁悬浮橇体的加速和制动动力，以便于实现无污染高效的推进装置，最终实现一种低能耗、安全可靠和高效的地面高速橇体试验装置。

发明内容

1.发明目的

本发明的目的是提供一种低能耗、可靠和高效的地面高速橇体试验装置。它采用具有强自稳定性的高温超导体磁悬浮技术和高效的高温超导体直线电机技术，便于实现高速和高加速的试验条件，主要用于航空、航天等武器装备系统的地面试验研究任务。

2.技术方案

本发明的目的可以由下列技术方案来实现：

橇体试验装置采用高温超导体磁悬浮系统，可以实现无摩擦阻力的高速运行。高温超导体磁悬浮系统采用非理想第二类超导体，具有在液氮温区(77k)排磁通和俘获磁通实现自稳定悬浮的能力。超导体排磁通悬浮可以实现很大的悬浮力，而且悬浮力会随着悬浮高度降低迅速增大，超导体俘获磁通产生的磁通钉扎力又对超导体在竖直和水平方向产生很强的约束力作用，因此高温超导体磁悬浮系统运行过程中不需要控制系统对悬浮状态进行约束。

要实现高温超导体磁悬浮系统的大悬浮力，还需要很强的外磁场励磁源，为此设计了一种可以产生强磁场梯度的闭合场永磁导轨。永磁导轨通过磁极相对的大块NdFeB永磁体和具有聚磁作用的工业纯铁板组装而成，经合理设计永磁导轨表面磁场强度达到1.5T，并且在导轨上方竖直和水平方向将形成很强的磁场梯度。永磁导轨沿纵向方向磁场均匀，因此把它作为磁悬浮橇体的运动方向。导轨采用双轨纵向平行分布，磁悬浮橇体置于双永磁导轨正上方，这样的布置方案有利于悬浮载荷的均匀分布。此外，高温超导体在永磁导轨上方俘获磁通的多少直接影响其悬浮稳定性，而俘获磁通多少与超导体在导轨上方的场冷高度位置(指超导体相对永磁导轨冷却实现超导的高度位置)直接相关。因此，对于高速运行的磁悬浮橇体应该采用低场冷高度位置，以利于超导体俘获更多的磁通，实现运行的强稳定性。此外，通过提高磁悬浮装置的长径比，采用更多的超导体来满足悬浮力和悬浮高度的要求。

为了保证高温超导体长时间处于液氮低温环境，超导体固定在一种液氮低温保持器内部，其籽晶生长面与保持器的底部内壁紧贴。低温保持器采用0Cr18Ni9Ti无磁不锈钢材料制成，容器内、外胆壁厚1mm，采用剪切和冲压技术保证容器底部的完整性，焊接缝置于容器四周。低温保持器采用真空绝热结构，内外胆的底部夹层采用玻璃钢绝热材料支撑，以便于增强底部的结构强度，同时夹层采用高真空度可以消除气体的对流换热和绝大部分残余气体的导热，达到良好的绝热效果。最终实现的低温保持器底厚仅4mm，可连续工作1小时，可以满足磁悬浮橇体装置试验过程的需要。

由于磁悬浮橇体装置高速运行过程中受高加速和机械振动等影响，低温保持器中的液氮会产生晃动，造成液氮挥发率的大大增加，同时液氮晃动也会影响磁悬浮装置的动态稳定性。为了消除和减轻这种液体晃动影响，实现稳定的低温环境，采用在低温保持器的有效空间安装多层挡板，作为一种有效的阻尼方案。

磁悬浮橇体的加速驱动和减速制动采用一种双边高温超导体直线同步电动机系统。直线电机三相绕组布置在双永磁导轨之间，并相对于双永磁导轨对称固定在地基上。电机次级由成一定间距排列的高温超导体和薄壁液氮低温保持器组成，电机次级固定于磁悬浮橇体底部。高温超导体直线电机的典型特点是，超导体在强磁场中低温冷却，可以俘获大量磁通，据资料显示，在77K液氮低温条件下超导体端面俘获场达到3.2T，是目前永磁材料剩磁强度的两倍多，因此采用高温超导体代替永磁直线同步电机中的永磁次级，可以有效提高电机推力水平和电机作用气隙。同时，在高温超导体电机次级接近电机初级绕组过程中，感应的排斥力会逐渐增加，将抵消它们之间的一部分吸引力，产生良好的自稳定推进效果，这与永磁直线电机的强吸引力作用显著不同。此外，之所以采用双边电机初级的布置方案，是为了使电机次级两侧来自于电机初级的吸引力平衡，增加电机运动的水平稳定性，同时双边电机初级绕组的作用方式对磁悬浮系统的竖直方向运动也具有很好的约束作用。

地面高速试验的直线电机加速需要上百兆瓦级的电功率输入，而且试验往往持续在一个十几秒的短时间内，为此选择可重复使用性较好的大功率脉冲能量存储装置，例如电容器储能或飞轮储能装置。目前正在研究发展的脉冲能量储能装置已经具备50MJ的电能输出和50MW的功率输出能力，通过依次并入不同数量的储能装置组合对满足磁悬浮橇体不同运动速度的功率需求具有相当的可行性。

脉冲能量储能装置的输出电流为直流电，需要经过整流、逆变等中间步骤转化为三相交流电，并按一定分段规律提供给直线电机，才能实现电机的正常工作和稳定控制。驱动控制系统的速度控制，是根据试验橇体的位置信号计算出它的运行速度，再根据试验计划给定的加速曲线，求出必要的推力，然后通过速度和状态控制系统给出电流和电流相位值传递给功率调节系统。功率调节系统接受能量供应系统提供的直流脉冲电流，根据驱动控制系统提供的控制信号，用三套逆变器对电流进行调制转换，改变其电压和频率，输送给主供电线。主供电线采用三线馈电方式，为更好地实现速度控制，实行分区段供电，最终将驱动控制系统指令的电流输送到电机轨道线圈中。目前用于调速控制的矢量控制或直接转矩控制技术，已经具有相当高的发展水平，为直线电机的有效控制提供了相当高的技术可行性。

地面高速试验过程中，空气动力将对磁悬浮橇体产生巨大的气动载荷，尤其是气动阻力影响最大，因此磁悬浮橇体采用了流线化外形设计。同时由于高超声速运行环境下可能达到2900多度的滞止温度，橇体宜采用耐高温材料结构，例如钛合金结构，这样的材料和结构可以实现高温条件下橇体具有很大的强度重量比。磁悬浮橇体试验装置的采集系统放置在橇体内，并通过有效的测试机构与试验件相连接。

3.有益效果

本发明与现有火箭橇试验滑轨技术相比具有下列效果和优点：

(1)移动机构与导轨之间无机械接触和摩擦阻力，低损耗，悬浮技术有利于实现安全可靠的高速运行。

(2)高温超导磁悬浮系统具有很强的自稳定悬浮能力，无需控制系统，这大大降低了技术难度，对用于短时间、高速、高加速的试验环境提供了很好的技术可行性。

(3)采用直线电机推进技术取代以往的固体火箭推进技术，具有安全可靠、无污染、操作方便和试验成本低等特点，而且通过对直线电机加速和减速过程的控制，可以方便地为试验件提供不同的试验弹道环境，大大提高了试验效率。

(4)采用以上高温超导磁悬浮系统方案已经建立了小型高温超导磁悬浮试验台，实现验证了其很强的悬浮能力和加速稳定性。采用36个Φ30mm×18mm的熔融织构YBaCuO高温超导块材，在场冷高度25mm条件下，实现40kg载荷有效悬浮高度达到11mm，水平位移5mm的导向力达到160N。采用双边直线感应电机加速方式，直线电机加速度达到12.5m/s²，缓冲制动减速度达到100m/s²。由于采用液氮低温保持器和隔板阻尼方案，有效减少了液氮的挥发率，保证了试验运行的可靠性。

附图说明

图1.地面高速超导磁悬浮橇体试验装置侧视示意图。

图2.地面高速超导磁悬浮橇体试验装置正视示意图。

图3.高温超导体磁悬浮系统单元示意图。

见图1，1为被测试验件，2为测试机构，3为磁悬浮橇体，4为永磁导轨，5为高温超导体直线电动机次级，6为永磁导轨基础。

见图2，7为电机传动机构，8为液氮低温保持器单元，9为数据采集系统，10为直线电机三相绕组线圈。

见图3，11为多层薄环氧树脂隔板，12为环氧树脂盖板，13为高温超导体，14为工业纯铁板，15为NdFeB永磁体。

具体实施方式

永磁导轨4是高温超导体磁悬浮系统的励磁源，为了实现强磁场梯度，永磁导轨采用剩磁强度和娇顽力都非常高的大块NdFeB永磁体15(尺寸为50mm×50mm×50mm)和磁导率很高的工业纯铁板14组装而成。如图3所示，安装过程中NdFeB永磁体15保持磁极性相对，纯铁板14处于两块磁体之间，产生很强的聚磁作用。采用这样的永磁导轨方案，可以在导轨4表面上方实现很高的表面磁场强度和磁场梯度。导轨4以1米作为单段长度，单段导轨安装过程中，通过测试每块NdFeB的磁通量对永磁体进行有效地筛选，以便于最终形成的永磁导轨段沿纵向方向磁场保持均匀。永磁导轨4采用纵向双轨平行铺设，铺设过程中，严格控制所形成导轨的直线性、平面性和平行性。

采用以上技术方案中阐述的液氮低温保持器制作方法，做成500mm×230mm×120mm的液氮低温保持器单元8，底部厚度4mm，可连续工作1小时以上。高温超导体13固定在液氮低温保持器8内部，其籽晶生长面与保持器8的底部内壁紧贴，该低温保持器可以放置90块YBaCuO高温超导块13。放置超导体的每个低温保持器单元8，在场冷高度20mm条件下，实现10mm以上的有效悬浮高度，可以承载80kg，水平位移5mm时可以产生600N的导向力。环氧树脂盖板12有效压紧固定高温超导体13，在盖板12上方的液氮有效空间内，通过固定多层薄环氧树脂隔板11，可以有效阻尼高速运行中液氮产生的晃动，降低液氮挥发率，同时降低液氮晃动对橇体动态稳定性的可能影响。

磁悬浮橇体3的大小尺寸主要依据橇体上方的试验件1的尺寸和质量而定。假设实现一吨以内的有效试验载荷，磁悬浮橇体3以500kg的质量计算，采用以上低温保持器单元8，实现有效悬浮高度10mm以上，需要约20个超导单元。采用低温保持器单元8的双排布置方案，磁悬浮橇体至少长为5m，水平位移5mm时可以实现的导向能力为12000N。低温保持器单元8呈线性固定在磁悬浮橇体3内部，低温保持器单元8底部与磁悬浮橇体3底部在同一水平面上并实现很好的配合关系，保证磁悬浮橇体3底部不留有任何空隙。

磁悬浮橇体3采用流线化外形设计，最大限度地减小气动载荷的影响。同时为了实现橇体具有较高的强度重量比，并满足高速高温状态下的运行需要，橇体采用钛合金结构。磁悬浮橇体试验的采集系统9放置在橇体内，试验件1通过测试机构2与采集系统9连接。

高温超导体直线同步电动机的三相绕组线圈10布置在双永磁导轨4之间，并相对永磁导轨4对称地固定在地基6上。高温超导体电机次级5固定于磁悬浮橇体3底部，电机次级5中高温超导体以一定间距排列，电机次级5的极距与三相绕组线圈10的极距相同，以便于实现针对某一特定速度要求的同步电动机。高温超导体直线同步电动机中采用了与磁悬浮系统中相同制作工艺的液氮低温保持器技术，低温保持器壁厚为4mm。

试验开始之前，首先要实现磁悬浮橇体3的悬浮状态和高温超导体直线电机次级5的励磁。采用图2中所示的电机传动机构7，相对永磁导轨4向上稳定地托起磁悬浮橇体3，并停留在橇体底部距离永磁导轨表面15mm的高度位置，实现高温超导体磁悬浮系统20mm的场冷高度位置。然后对低温保持器单元8同时加注液氮，大约10分钟后，低温容器内部实现稳定的低温环境，表明高温超导体13已完全进入超导状态。电机传动机构7下降，磁悬浮橇体3跟随下降，同时不断增加的悬浮力实现磁悬浮橇体3的最终悬浮，悬浮高度应该在10mm以上。磁悬浮橇体3纵向悬浮移动使高温超导体直线电机次级5处于与其同等长度的直流线圈绕组中，直流线圈绕组以一定极距排列，操作中相邻线圈通过相反方向的电流，电流为100A的脉冲电流。在向电机次级低温容器内加注液氮的过程中，直流线圈绕组以一定时间间隔不断地通过脉冲电流，使电机次级的高温超导体逐渐俘获大量磁通，最终形成表面磁场强度很高的高温超导永磁体。超导永磁体呈一定极距交替排列，励磁过程完成。然后移动磁悬浮橇体3至双边三相绕组线圈10处，准备进行磁悬浮橇体试验。

直线电机的电能及电功率供应与试验速度、加速度有直接关系。当实现1.5吨的磁悬浮橇体及有效载荷，以10g(g为重力加速度)的加速水平，实现1000m/s的运行速度要求时，加速时间为10s，需要最高约250MW的电功率供应。采用具有50MW功率输出能力的脉冲能量存储装置，在不同的速度条件下分别并入不同数量的脉冲能量存储装置以满足加速所需的总能量需求。

通过整流、逆变等中间步骤把脉冲能量储能装置的输出直流电转化为三相交流电，并按一定分段规律提供给直线电机，实现电机的正常工作和稳定控制。驱动控制系统的速度控制，根据试验橇体的位置信号计算出它的运行速度，再根据试验计划给定的加速曲线，求出必要的推力，然后通过速度和状态控制系统给出电流和电流相位值传递给功率调节系统。功率调节系统接受能量供应系统提供的直流脉冲电流，根据驱动控制系统提供的控制信号，用三套逆变器对电流进行调制转换，改变其电压和频率，输送给主供电线。主供电线采用三线馈电方式，为更好地实现速度控制，实行分区段供电，最终将驱动控制系统指令的电流输送到电机轨道线圈中，实现高温超导直线电机的高效率工作，和达到试验要求的运行速度。当试验速度达到后，直线电机三相绕组线圈10通以相反方向的电流，对磁悬浮橇体3产生反向制动作用，并最终实现磁悬浮橇体3的停止，试验完成。

Claims (6)

1.一种地面高速超导磁悬浮橇体试验装置，主要包括永磁导轨及基础、高温超导体、薄壁液氮低温保持器、磁悬浮橇体、双边高温超导体直线同步电动机推进装置及其电能供给和功率调节系统等，其特征在于块状高温超导体与强磁场永磁导轨的电磁力作用实现强稳定的悬浮系统，定位于磁悬浮橇体底部的高温超导体直线电机次级与定位于基础上的双边直线电机三相绕组作用产生大推进力，这样的装置利于磁悬浮橇体的最小化质量设计和实现更大的速度范围，对用于高速、高加速的试验环境具有更充分的条件。

2.根据权利要求1所述的地面高速超导磁悬浮橇体试验装置，其特征在于磁悬浮技术无摩擦、高安全可靠，高温超导磁悬浮系统在竖直方向和水平方向具有高度的自稳定悬浮性，低场冷条件下的高磁通俘获，可以有效克服气动力对磁悬浮橇体的干扰影响，满足高速试验过程中的运行稳定性。

3.根据权利要求1所述的地面高速超导磁悬浮橇体试验装置，其特征在于高温超导块材嵌入平底液氮低温保持器底部，低温保持器采用真空绝热结构，底部厚度仅为4mm，在底部夹层中采用玻璃钢等绝热材料可以有效提高其结构强度，在低温保持器的液氮空间内采用多层薄环氧树脂隔板，可以有效阻尼高速试验过程中液氮的晃动影响，减少液氮的挥发量。

4.根据权利要求1所述的地面高速超导磁悬浮橇体试验装置，其特征在于使用了双边高温超导体直线同步电动机的推进加速方案，有助于有效提高直线电机推力水平和电机作用气隙，双边电机初级的布置方案有利于实现电机次级两侧作用力的平衡，同时对磁悬浮橇体的竖直方向运动有很好的约束作用。

5.根据权利要求1所述的地面高速超导磁悬浮橇体试验装置，其特征在于直线电机加速采用大功率的脉冲能量存储装置供给电能，采用具有整流、逆变功能的功率调节系统实现脉冲能量储能装置的输出直流电转化为三相交流电，并按一定分段规律提供给直线电机，实现电机的正常工作和稳定控制。

6.根据权利要求1所述的地面高速超导磁悬浮橇体试验装置，其特征在于采用流线化的磁悬浮橇体外形设计，可以有效减小气动载荷，采用钛合金橇体结构，可以满足在高速运行中、高温条件下的橇体结构强度要求，并且使橇体质量大大降低。

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