CN102253675B - 控制超导磁悬浮转子平衡的装置 - Google Patents

Abstract

控制超导磁悬浮转子平衡的装置，包括转子腔外壳(1)、超导转子(2)。空心的超导转子(2)套在中心柱定子(5)上，中心柱定子(5)为圆柱形空筒，筒内上下两端关于中心对称布置有调节线圈(4、14)。旋转轴偏移测量传感器(3)用螺纹固定在转子腔外壳(1)上端，旋转轴偏移测量传感器(3)的光轴垂直于转子顶部平面指向超导转子(2)球心。通过检测转子轴位置，反馈控制成对的调节线圈产生的旋转力矩调节转子旋转轴的偏移，使转子保持自动平衡。

Description

控制超导磁悬浮转子平衡的装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制转子平衡的装置，特别涉及用于控制超导磁悬浮球形转子平衡的装置。

背景技术

超导体独特的物理特性能有着其它材料不可比拟的应用优势，超导体的迈斯纳效应可以理解为处于超导态的超导体的电阻和磁导率均为零，可把它看成为理想的反磁体，外磁场磁力线无法穿入到超导体的内部。外磁场的磁力线平行于超导体表面，在超导体表面感生出的超导电流产生的磁场方向恰好与外磁场方向相反，两个磁场相互作用产生磁作用力表现为非接触式的机械力的形式使超导转子悬浮和旋转起来。磁场中的超导体表面受到的磁压力的方向垂直于超导体表面向里，并且单位面积上磁压力的大小与超导体表面的磁感应强度的平方成正比。因此，超导转子的悬浮、旋转和转子平衡调节都可基于超导体的迈斯纳效应进行设计。同时这种非接触式电磁力调节可以在无能量损失的情况下稳定运行，使得仪器精度高、能耗低。

由于加工技术条件的限制，绝对理想的转子很难实现，实际上总存在各种性质的工艺误差，最主要反映在转子的质量偏心上。转子质量偏心使得转子的质心和球心不重合，转子在绕旋转轴转动时受到重力、电磁悬浮力和惯性离心力的共同作用，使转子发生偏心旋转运动，转子在高转速下会因干扰力矩的存在发生旋转轴的惯性偏移。为了矫正这种偏移，必须考虑设计控制转子平衡的力矩调节系统，使得转子能够始终保持旋转轴传感器的输出信号为零，从而实现转子旋转轴的定中作用。转子旋转轴位置的检测精度和转子平衡控制精度直接影响着整个转子系统的精度，是整个系统能够实现高精度的基础。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，实现超导磁悬浮转子的平衡控制，本发明提出了一种控制超导磁悬浮转子平衡的调节装置。本发明装置具有结构简便、采用闭环控制等特点，而且由于该装置处于低温环境降低了能量损耗。

本发明控制超导磁悬浮转子平衡的装置包括转子腔外壳、超导转子、旋转轴偏移测量传感器、调节线圈和中心柱定子。调节线圈包括XOZ平面调节线圈和YOZ平面调节线圈。中心柱定子固定在转子腔外壳下端中心位置，空心的超导转子套在中心柱定子上，中心柱定子为圆柱形空筒，筒内上下两端关于中心对称布置有调节线圈。调节线圈为矩形结构。调节线圈共有8个，在中心柱定子的筒内上端位置周向间隔90度布置4个调节线圈，在中心柱定子的筒内下端位置周向间隔90度布置另外4个调节线圈。调节线圈的两条长边与转子旋转轴平行。旋转轴偏移测量传感器通过螺纹固定在转子腔外壳上端，旋转轴偏移测量传感器的光轴垂直于转子顶部平面指向超导转子球心。

本发明通过靠近超导转子内孔壁的调节线圈的一条长边产生的磁场与内孔壁表面磁场相互作用产生的电磁力矩，调节超导转子平衡。XOZ平面调节线圈包含上X1调节线圈、上X2调节线圈、下X1调节线圈和下X2调节线圈，YOZ平面调节线圈包含上Y1调节线圈、上Y2调节线圈、下Y1调节线圈和下Y2调节线圈。在所述中心柱定子的筒内上端间隔90度布置上X1调节线圈、上Y1调节线圈、上X2调节线圈和上Y2调节线圈；在中心柱定子的筒内下端间隔90度布置下X1调节线圈、下Y1调节线圈、下X2调节线圈和下Y2调节线圈；在XOZ坐标平面内布置的4个调节线圈中，不相邻的上X1调节线圈和下X1调节线圈串联成一对，上X2调节线圈和下X2调节线圈串联成一对，上X2调节线圈和下X2调节线圈产生顺时针方向的力矩，上X1调节线圈和下X1调节线圈产生逆时针方向的力矩；在与所述的XOZ坐标平面垂直的YOZ坐标平面内布置的4个调节线圈中，不相邻的上Y1调节线圈和下Y1调节线圈串联成一对，上Y2调节线圈和下Y2调节线圈串联成一对，上Y2调节线圈和下Y2调节线圈产生顺时针方向的力矩，上Y1调节线圈和下Y1调节线圈产生逆时针方向的力矩。

本发明通过旋转轴偏移测量传感器检测超导转子旋转轴的位置，通过计算机处理控制程控电源供电，使串联成对的调节线圈产生的旋转力矩调节转子旋转轴的偏角方向和大小，使转子保持自动平衡。

本发明中心柱定子和调节线圈骨架均采用聚酰亚胺材料制成。

本发明控制超导磁悬浮转子平衡的调节装置的控制方法，当超导转子悬浮或旋转时发生旋转轴偏移后，通过旋转轴偏移测量传感器测量得到超导转子旋转轴偏移方向和偏移角度的大小，将旋转轴偏移信息反馈给计算机处理得到需要控制哪对调节线圈通电及通电电流大小，并将控制指令输给程控直流电源，通过程控直流电源给相应需要工作的调节线圈通电，使得超导转子在调节线圈产生的力矩作用下，从偏移位置自动调整到平衡位置，即超导转子旋转轴保持竖直。

附图说明

图1是控制超导磁悬浮转子平衡的装置示意图，图中：1转子腔外壳、2超导转子、3旋转轴偏移测量传感器、4XOZ平面调节线圈、5中心柱定子、14YOZ平面调节线圈；

图2调节线圈位置示意图。6上X1调节线圈，7上Y1调节线圈，8上X2调节线圈，9上Y2调节线圈，10下X1调节线圈，11下Y1调节线圈，12下X2调节线圈，13下Y2调节线圈。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明装置包括转子腔外壳1和超导转子2，旋转轴偏移测量传感器3、XOZ平面调节线圈4、YOZ平面调节线圈14和中心柱定子5；中心柱定子5固定在转子腔外壳1下端中心位置，空心的所述超导转子2套在中心柱定子5上，中心柱定子5为圆柱形空筒，筒内沿XOZ平面关于中心对称布置4个XOZ平面调节线圈4，沿与XOZ平面垂直的YOZ平面关于中心对称布置4个YOZ平面调节线圈14，XOZ平面调节线圈4和YOZ平面调节线圈14为矩形；XOZ平面调节线圈4和YOZ平面调节线圈14的两条长边与转子旋转轴平行；旋转轴偏移测量传感器3固定在转子腔外壳1上端，旋转轴偏移测量传感器3的光轴垂直于转子顶部平面，指向超导转子2球心。

本发明通过调节线圈靠近超导转子2内壁的1条长边产生的磁场与超导转子2内壁表面磁场相互作用产生的电磁力矩调节超导转子2平衡。当超导转子2悬浮或旋转时发生旋转轴偏移后，通过旋转轴偏移测量传感器3测量得到超导转子2旋转轴偏移方向和偏移角度的大小，将旋转轴偏移信息反馈给计算机处理，得到控制哪对调节线圈通电，以及通电电流大小等信息，计算机根据这些信息将控制指令输给程控直流电源，通过程控直流电源给相应需要工作的调节线圈通电，使得超导转子2在调节线圈产生的力矩作用下，从偏移位置自动调整到平衡位置，使超导转子2旋转轴保持竖直。

如图2所示，XOZ平面调节线圈4包含上X1调节线圈6、上X2调节线圈8、下X1调节线圈10和下X2调节线圈12，YOZ平面调节线圈14包含上Y1调节线圈7、上Y2调节线圈9、下Y1调节线圈11和下Y2调节线圈13；在所述中心柱定子5的筒内上端间隔90度布置上X1调节线圈6、上Y1调节线圈7、上X2调节线圈8和上Y2调节线圈9；在中心柱定子5的筒内下端间隔90度布置下X1调节线圈10、下Y1调节线圈11、下X2调节线圈12和下Y2调节线圈13；在XOZ坐标平面内布置的4个调节线圈中，不相邻的上X1调节线圈6和下X1调节线圈10串联成一对，上X2调节线圈8和下X2调节线圈12串联成一对，上X2调节线圈8和下X2调节线圈12产生顺时针方向的力矩，上X1调节线圈6和下X1调节线圈10产生逆时针方向的力矩；在与所述的XOZ坐标平面平面垂直的YOZ坐标平面内布置的4个调节线圈中，不相邻的上Y1调节线圈7和下Y1调节线圈11串联成一对，上Y2调节线圈9和下Y2调节线圈13串联成一对，上Y2调节线圈9和下Y2调节线圈13产生顺时针方向的力矩，上Y1调节线圈7和下Y1调节线圈11产生逆时针方向的力矩。

当旋转轴偏移测量传感器3检测到超导转子2的旋转轴向X坐标轴正方向偏转时，可通过计算机处理控制在XOZ平面内的上X1调节线圈6和下X1调节线圈10通电，通电电流产生的逆时针力矩正好可以使超导转子2旋转轴在XOZ平面内逆时针旋转，最终使旋转轴保持竖直，从而使超导转子2达到平衡位置。当旋转轴偏移测量传感器3检测到超导转子2的旋转轴向Y坐标轴正方向偏转时，即可通过计算机处理控制在YOZ平面内的上Y2调节线圈9和下Y2调节线圈13通电，通电电流产生的顺时针力矩正好可以使超导转子2旋转轴在YOZ平面内顺时针旋转，最终使旋转轴保持竖直，从而使超导转子2达到平衡位置。同理，只要转子旋转轴偏离竖直位置，即转子偏离平衡位置，便可通过旋转轴偏移测量传感器3检测当超导转子2的偏离大小和方向，通过计算机处理控制各对调节线圈的电流大小即可将超导转子2通过电磁力自动控制返回转子旋转轴竖直的平衡位置上。

Claims (3)

1.控制超导磁悬浮转子平衡的装置，包括转子腔外壳（1）和超导转子（2），其特征在于，所述的装置还包括旋转轴偏移测量传感器（3）、XOZ平面调节线圈（4）、YOZ平面调节线圈（14）和中心柱定子（5）；中心柱定子（5）固定在转子腔外壳（1）下端中心位置，空心的所述超导转子（2）套在中心柱定子（5）上，中心柱定子（5）为圆柱形空筒，筒内沿XOZ平面关于中心对称布置4个XOZ平面调节线圈（4），沿与XOZ平面垂直的YOZ平面关于中心对称布置4个YOZ平面调节线圈（14），XOZ平面调节线圈（4）和YOZ平面调节线圈（14）为矩形；XOZ平面调节线圈（4）和YOZ平面调节线圈（14）的两条长边与转子旋转轴平行；旋转轴偏移测量传感器（3）固定在转子腔外壳（1）上端，旋转轴偏移测量传感器（3）的光轴垂直于转子顶部平面,指向超导转子（2）球心；

所述的XOZ平面调节线圈（4）包含上X1调节线圈（6）、上X2调节线圈（8）、下X1调节线圈（10）和下X2调节线圈（12）；所述的YOZ平面调节线圈（14）包含上Y1调节线圈（7）、上Y2调节线圈(9)、下Y1调节线圈（11）和下Y2调节线圈（13）；在所述中心柱定子（5）的筒内上端间隔90度布置上X1调节线圈（6）、上Y1调节线圈（7）、上X2调节线圈（8）和上Y2调节线圈(9)；在中心柱定子（5）的筒内下端间隔90度布置下X1调节线圈（10）、下Y1调节线圈（11）、下X2调节线圈（12）和下Y2调节线圈（13）；在XOZ坐标平面内布置的4个调节线圈中，不相邻的上X1调节线圈（6）和下X1调节线圈（10）串联成一对，上X2调节线圈（8）和下X2调节线圈（12）串联成一对，上X2调节线圈（8）和下X2调节线圈（12）产生顺时针方向的力矩，上X1调节线圈（6）和下X1调节线圈（10）产生逆时针方向的力矩；在与所述的XOZ坐标平面平面垂直的YOZ坐标平面内布置的4个调节线圈中，不相邻的上Y1调节线圈（7）和下Y1调节线圈（11）串联成一对，上Y2调节线圈（9）和下Y2调节线圈（13）串联成一对，上Y2调节线圈（9）和下Y2调节线圈（13）产生顺时针方向的力矩，上Y1调节线圈（7）和下Y1调节线圈（11）产生逆时针方向的力矩。

2.按照权利要求1所述的控制超导磁悬浮转子平衡的装置，其特征在于，所述的中心柱定子（5）和调节线圈骨架均采用聚酰亚胺材料制成。

3.应用权利要求1所述的控制超导磁悬浮转子平衡的装置的控制方法，其特征在于，串联成对的所述调节线圈通过靠近超导转子（2）内壁的1条长边产生的磁场与超导转子（2）内壁表面磁场相互作用产生的电磁力矩调节超导转子（2）平衡；当超导转子（2）悬浮或旋转时发生旋转轴偏移后，通过旋转轴偏移测量传感器（3）测量得到超导转子（2）旋转轴偏移方向和偏移角度的大小，将旋转轴偏移信息反馈给计算机处理得到需要控制哪对调节线圈通电及通电电流大小，并将控制指令输给程控直流电源，通过程控直流电源给相应需要工作的调节线圈通电，使得超导转子（2）在调节线圈产生的力矩作用下，从偏移位置自动调整到平衡位置，即超导转子（2）旋转轴保持竖直。

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