CN103185072B - 径向高温超导磁悬浮轴承的简化计算方法 - Google Patents

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一种径向高温超导磁悬浮轴承的简化计算方法，包括如下步骤：A.将径向高温超导磁悬浮轴承的永磁转子和高温超导定子视为同心的两个圆筒，两个圆筒之间的缝隙为轴承的悬浮气隙；B.将永磁转子圆筒展开成转子矩形，将该高温超导定子圆筒展开成定子矩形；C.参照矩形尺寸，分别对永磁体和高温超导体进行优化排列，得到永磁体的块数和单块尺寸，以及高温超导体的块数和单块尺寸；D.将单块永磁体和高温超导体组成的悬浮系统进行计算仿真，得悬浮力和面内力；E.将单块永磁体和高温超导体间的面内力分别乘以块数得到整个轴承转子的轴向悬浮力。

Description

径向高温超导磁悬浮轴承的简化计算方法
技术领域
本发明涉及径向高温超导磁悬浮轴承设计技术领域，具体涉及径向高温超导磁悬浮轴承的计算方法。
背景技术
由于高温超导体的强钉扎作用使得超导悬浮系统具有自稳定性，即在一定条件下无须复杂的稳定性控制部件就可以达到满意的稳定悬浮，因此超导悬浮成为最具有吸引力的悬浮技术之一，高温超导磁悬浮轴承具有无接触摩擦和无复杂有源控制的特性，使得其在飞轮储能等超导电工领域有广泛的应用前景。高温超导磁悬浮轴承主要由永磁转子和超导块材定子组成。针对具体参数，首先要对高温超导磁悬浮轴承进行设计计算，得到满足指标要求的结构尺寸和材料特性参数。
目前，高温超导磁悬浮轴承还处于研制阶段，根据具体的总体参数给出的设计方案较少或较复杂，不易操作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种根据宏观参数推导具体部件尺寸和材料特征参数的设计计算方法，使得径向高温超导磁悬浮轴承的设计在不影响精度的前提下，变得方便和简单。
为实现上述目的，本发明包括如下技术方案：
一种径向高温超导磁悬浮轴承的简化计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
A.将径向高温超导磁悬浮轴承的永磁转子和高温超导定子视为同心的两个圆筒，永磁转子为内圆筒，高温超导定子为外圆筒，两个圆筒之间的缝隙为轴承的悬浮气隙；
B.将该永磁转子圆筒展开成转子矩形，将该高温超导定子圆筒展开成定子矩形，按照永磁转子尺寸得到展开的转子矩形的尺寸，按照高温超导定子的尺寸得到定子矩形的尺寸；
C.参照转子矩形尺寸，对转子上的永磁体进行优化排列：包括选择单块永磁体的尺寸和永磁体之间的间隙；参照定子矩形尺寸，对定子上的高温超导体进行优化排列：包括选择单块高温超导体的尺寸和高温超导体之间的间隙；最后得到永磁体的具体块数和单块永磁体的具体尺寸，以及高温超导体的具体块数和单块高温超导体的具体尺寸；永磁体和高温超导体的块数相等，且在初始时刻保持每一块永磁体和所对应的高温超导体对心；
D.将单块永磁体和单块高温超导体组成的悬浮系统进行计算仿真，得到单块永磁体受到的悬浮力和面内力；
E.将步骤D中得到的单块永磁体和单块高温超导体之间的面内力分别乘以永磁体或高温超导体的块数就得到整个轴承转子受到的轴向悬浮力。
如上所述的方法，其中，步骤C中单块永磁体的块数和间距的确定方法如下：单块永磁体的几何尺寸为a×b×hPM；则满足n·a＜L1＜(n+1)·a，n·b＜πD1＜(n+1)·b，L1为永磁转子轴长，n为单块永磁体的块数；n块永磁体在转子上排列的一个方向上的间距n块永磁体在转子上排列的另一个方向上的间距
如上所述的方法，其中，步骤C中对单块高温超导体的块数和间距的确定方法如下：单块高温超导体的几何尺寸为φR×hSC；则满足n·2·R＜L2＜(n+1)·2·R，L2为高温超导定子轴长，n为单块高温超导体的块数，与单块永磁体的块数相同；n块高温超导体在定子上排列的一个方向上的间距n块高温超导体在定子上排列的另一个方向上的间距
本发明的有益效果：本发明提供了一种径向高温超磁悬浮轴承设计计算的可行技术。该计算方法使得高温超磁悬浮轴承的设计计算简单易于操作，由于计算采用可与实验精确吻合的数值模拟技术，这保证了计算的精确性。
附图说明
图1是常规径向高温超磁悬浮轴承剖面图。
图2是实施例1中高温超导定子的展开图和永磁转子的展开图。
图3是实施例1中单块永磁体和单块高温超导体计算结构简图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
图1是一种常规的径向高温超磁悬浮轴承剖面图。包括永磁转子11和高温超导定子12，Gap为永磁转子和高温超导定子之间的悬浮间隙，Z为从冷却完成到稳定悬浮所需的轴向位移。永磁体磁极方向(N极或S极)为径向高温超磁悬浮轴承的径向方向，高温超导块材的c轴方向为径向高温超磁悬浮轴承的径向方向，永磁体在径向高温超磁悬浮轴承转子上的排列是磁极一致排列。该永磁转子轴向总长度为L1，永磁转子外径为D1。径向高温超导磁悬浮轴承的超导定子轴向总长度为L2，高温超导定子外径为D2。
将径向高温超导磁悬浮轴承的永磁转子和高温超导定子视为同心的两个圆筒，永磁转子为内圆筒，高温超导定子为外圆筒。如图2所示，将永磁转子圆筒展开成转子矩形21，将高温超导定子圆筒展开成定子矩形22。D1为永磁转子外径，D2为高温超导定子内径，L1为永磁转子轴长，L2为高温超导定子轴长。
参照转子矩形尺寸，对转子上的永磁体进行优化排列：包括选择单块永磁体的尺寸和永磁体之间的间隙；参照定子矩形尺寸，对定子上的高温超导体进行优化排列：包括选择单块高温超导体的尺寸和高温超导体之间的间隙。单块永磁体采用矩形永磁体，单块高温超导体采用圆柱形高温超导体，两者组成的悬浮结构如图3所示。已知单块永磁体31的几何尺寸为a×b×hPM，单块高温超导体32的几何尺寸为φR×hSC，其中，hpm为单块永磁的厚度；hSC为单块高温超导体的厚度。则满足n·a＜L1＜(n+1)·a，n·b＜πD1＜(n+1)·b，n为单块永磁体的块数；n块永磁体在转子上排列的一个方向上的间距n块永磁体在转子上排列的另一个方向上的间距n·2·R＜L2＜(n+1)·2·R，n为单块高温超导体的块数，与单块永磁体的块数相同；n块高温超导体在定子上排列的一个方向上的间距n块高温超导体在定子上排列的另一个方向上的间距由此得出单块永磁体的块数和间距，以及单块高温超导体的块数和间距。
依据电流矢势法得到超导体电磁场分布的控制方程，采用伽辽金有限元法和临界态模型得到超导体内部的屏蔽电流分布，最后由洛伦兹力公式得到单块永磁体31和单块高温超导体32之间的悬浮力flev和面内力flateral结果。则径向高温超导磁悬浮轴承轴向承载力(包含自重)为Faxis＝n·flateral，径向作用力(即为n个flev的总和)相互抵消。

Claims (3)

1.一种径向高温超导磁悬浮轴承的简化计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
A.将径向高温超导磁悬浮轴承的永磁转子和高温超导定子视为同心的两个圆筒，永磁转子为内圆筒，高温超导定子为外圆筒，两个圆筒之间的缝隙为轴承的悬浮气隙；
B.将该永磁转子圆筒展开成转子矩形，将该高温超导定子圆筒展开成定子矩形，按照永磁转子尺寸得到展开的转子矩形的尺寸，按照高温超导定子的尺寸得到定子矩形的尺寸；
C.参照转子矩形尺寸，对转子上的永磁体进行优化排列：包括选择单块永磁体的尺寸和永磁体之间的间隙；参照定子矩形尺寸，对定子上的高温超导体进行优化排列：包括选择单块高温超导体的尺寸和高温超导体之间的间隙；最后得到永磁体的具体块数和单块永磁体的具体尺寸，以及高温超导体的具体块数和单块高温超导体的具体尺寸；永磁体和高温超导体的块数相等，且在初始时刻保持每一块永磁体和所对应的高温超导体对心；
D.将单块永磁体和单块高温超导体组成的悬浮系统进行计算仿真，得到单块永磁体受到的悬浮力和面内力；
E.将步骤D中得到的面内力乘以永磁体或高温超导体的块数就得到整个轴承转子受到的轴向悬浮力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中所述单块永磁体的块数和间距的确定方法如下：单块永磁体的几何尺寸为a×b×hPM；则满足n·a＜L1＜(n+1)·a，n·b＜πD1＜(n+1)·b，L1为永磁转子轴长，n为单块永磁体的块数；n块永磁体在转子上排列的一个方向上的间距n块永磁体在转子上排列的另一个方向上的间距
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中对单块高温超导体的块数和间距的确定方法如下：单块高温超导体的几何尺寸为φR×hSC；则满足n·2·R＜L2＜(n+1)·2·R，L2为高温超导定子轴长，n为单块高温超导体的块数，与单块永磁体的块数相同；n块高温超导体在定子上排列的一个方向上的间距n块高温超导体在定子上排列的另一个方向上的间距
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