CN103225650A - 超导磁悬浮支承装置 - Google Patents

Abstract

一种超导磁悬浮支承装置，其六个支承模块（10）对称分布在以转子腔（8）中心为原点的正交坐标系坐标轴上。开通加热电源（18），断开超导开关（16），由超导电源（19）为超导线圈（11）励磁。超导线圈（11）产生的磁场经超导线圈（11）中孔至超导整形块（12）的中孔，再进入超导整形块（12）和超导转子（9）之间的支承间隙，从超导整形块（12）和超导环（13）之间的间隙经超导线圈（11）的下方返回至超导线圈（11）的中孔，形成闭合磁路。超导转子（9）受超导线圈（11）产生的磁斥力而悬浮。超导线圈（11）励磁完毕，关闭加热电源（18）接通超导开关（16），然后断开超导电源（19），超导线圈（11）的电流便能为超导转子（9）提供稳定的悬浮磁场。

Description

超导磁悬浮支承装置

技术领域

本发明涉及一种超导磁悬浮支承装置。

背景技术

随着低温技术的发展和新型超导材料的发现，超导技术获得了越来越广泛的应用。基于超导体各种特性研制的超导仪器仪表在经济领域、国防建设以及科学探索中发挥着重要的作用。超导磁悬浮支承系统是基于低温超导体迈斯纳效应研制的一种无摩擦悬浮轴承，其在惯性导航、精密仪器等领域有着广泛的应用。超导磁悬浮支承系统工作在低温环境下，材料的化学活动性、膨胀系数都非常低，且超导体的完全抗磁性、无电阻的特性使得超导磁悬浮支承系统的运行功耗极低，因此超导磁悬浮支承系统具有性能稳定、精度高、抗干扰能力强和损耗低等优点。在实际应用中为了减少超导磁悬浮支承系统中因供电电源不稳定而产生的干扰力矩，需要将超导线圈闭环运行。由于超导磁悬浮支承装置系统结构复杂，低温超导接头需要现场制作，这给系统的装配带来不便，也影响超导接头的质量，降低了系统的可靠性。另外如果支承环节出现技术故障，排查和维修也需要大量的时间和精力，这也降低了超导磁悬浮支承系统的应用效果。中国专利ZL01226956.5的超导磁悬浮装置采用多组超导线圈组成的球形线圈来悬浮超导转子，球形线圈的组装和定位比较复杂，难以进行模块化设计，且未采用闭环运行模式，无法脱离超导电源运行，影响了应用效果。

发明内容

本发明的目的是提高超导磁悬浮支承系统的可靠性，简化装配和故障维修过程，提出一种超导磁悬浮支承装置。本发明具有可靠性高、装配简便和维护方便的特点。

本发明装置包括制冷机、低温容器、冷屏、液氦容器、安装盖、超导转子、转子腔、加热电源、超导电源以及支承模块。

所述的制冷机安装在低温容器的上端，制冷机的一级冷头位于低温容器内部。冷屏为卷筒形状，置于低温容器内部，并通过高强度、低热导率的拉杆固定在低温容器的上端盖下部，同时冷屏的上端面与制冷机的一级冷头下端面通过螺栓紧固在一起。液氦容器安装在冷屏内部，通过高强度、低热导率的拉杆固定在冷屏的上端面。制冷机的二级冷头位于冷屏内部，制冷机的二级冷头的下端面与液氦容器的上端面通过螺栓紧固在一起。所述的安装盖位于液氦容器内部，通过螺栓固定在液氦容器的上端盖下面。转子腔位于液氦容器内部，为球腔结构，在以转子腔中心为原点的直角坐标轴上对称分布有六个圆形豁口。支承模块共有六个，结构相同，均具有凹圆面结构，通过螺栓分别安装在转子腔外壁上的六个圆形豁口上。六个支承模块的凹圆面与转子腔的内球面形成一个完整球面。六个支承模块对称分布在以转子腔中心为原点的正交坐标系的坐标轴上，为超导转子提供竖直方向和水平方向上的支承力。位于竖直方向上部的支承模块通过螺栓与安装盖的下端面固定在一起。超导转子为低温超导材料制作的表面闭合的空心球体，位于转子腔内。支承模块和转子腔所构成的球腔为超导转子的活动空间。支承模块和转子腔所构成的球腔为真空腔体。

所述的支承模块包括超导线圈、超导整形块、超导环、进线超导接头、出线超导接头、超导开关以及支承基座。其中超导环为低温超导材料制作的有一定高度和厚度的无缝管状结构，其功能是保持通过超导环中孔的磁通量为零。超导整形块由低温超导材料制作，为轴对称结构，与超导环同轴布置，超导整形块沿旋转轴方向有通孔。超导整形块加工成型后延轴向方向切开，随后再粘合在一起。超导整形块先切开再粘合在一起是防止超导整形块形成完整环状结构，造成磁通无法通过其中孔。所述超导整形块的作用是让所述超导线圈产生的磁场从超导整形块和超导转子之间的间隙通过，从而达到为磁场整形的目的。所述超导线圈位于超导整形块的下面，超导线圈励磁后所产生的磁场经超导线圈中孔至超导整形块的中孔然后进入超导整形块和超导转子之间的支承间隙，后从超导整形块和超导环之间的间隙经超导线圈的下方返回至超导线圈的中孔，从而形成闭合磁路。超导转子受到超导线圈产生的磁压力而悬浮在转子腔内。所述的超导环、超导整形块和超导线圈都安装在圆柱形的支承基座上。在支承基座上远离超导整形块的一端加工有凹槽，进线超导接头、出线超导接头和超导开关安装固定在支承基座的凹槽内。

所述的支承模块共有六个，结构相同，采用标准化工艺统一制作，便于安装和维护，提高了可靠性。

所述的超导转子、超导整形块和超导环均由同一种低温超导材料制作，支承基座由黄铜制作。

更进一步地，所述的超导转子、超导整形块和超导环均由铌制作。

所述的超导线圈和超导开关均由铌钛超导线绕制而成。

所述的进线超导接头的一端与超导电源的正端连接，另一端同时与超导线圈的输入端和超导开关的输入端连接。所述的出线超导接头一端与超导电源的负端连接，另一端同时与超导线圈的输出端和超导开关的输出端连接。加热电源的正端与超导开关的加热输入端连接，加热电源的负端与超导开关的加热输出端连接。

所述的进线超导接头和出线超导接头均是采用焊接工艺制作的。

本发明的工作过程是：准备给超导线圈励磁时，先打开加热电源，维持超导开关断开状态，打开超导电源给超导线圈励磁。当超导线圈中电流达到指定的电流时，关闭加热电源，超导开关恢复导通状态。由于超导线圈存在电感，所以当超导电源的输出电流从指定电流逐步减小到零时，流过超导开关的电流逐步从零增加到指定电流，随后断开超导电源，励磁完毕。超导线圈中的电流经出线超导接头、超导开关、进线超导接头和超导线圈形成闭合电流回路。由于超导接头的电阻小于10^-13欧姆，因此超导线圈中的电流可以运行很长时间不衰减。支承模块中的超导线圈闭环运行后无需超导电源和外部反馈控制，超导线圈中的电流就能为超导转子提供稳定的悬浮磁场，实现超导转子的长时间稳定悬浮。

本发明的有益效果是：支承部分采用模块化设计，将超导接头、超导开关、超导整形块、超导环、超导线圈包含其中，支承模块对外只留有电源接线，能脱离超导电源闭环运行，简化了系统控制和机械结构。支承模块与转子腔通过定位螺栓紧固，当支承模块失效时，直接更换模块即可，简化了故障维修过程。另外，由于支承模块采用同一工艺批次制作，超导接头质量容易控制，这也提高了超导磁悬浮支承系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。图中：1制冷机，2一级冷头，3二级冷头，4低温容器，5冷屏，6液氦容器，7安装盖，8转子腔，9超导转子，10支承模块；

图2为支承模块10的结构示意图。图中：11超导线圈，12超导整形块，13超导环，14进线超导接头，15出线超导接头，16超导开关，17支承基座；

图3为支承模块10的电气连接图。图中：11超导线圈，14进线超导接头，15出线超导接头，16超导开关，18加热电源，19超导电源。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明装置机械部分包括制冷机1、低温容器4、冷屏5、液氦容器6、安装盖7、转子腔8、超导转子9以及支承模块10。制冷机1安装在低温容器4的上端，制冷机1的一级冷头2位于低温容器4内部。冷屏5为卷筒形状，置于低温容器4内部，并通过高强度、低热导率的拉杆固定在低温容器4的上端盖下部，同时冷屏5的上端面与制冷机1的一级冷头2下端面通过螺栓紧固在一起。液氦容器6安装在冷屏5内部，通过高强度、低热导率的拉杆固定在冷屏5的上端面。制冷机1的二级冷头3位于冷屏5内部，制冷机1的二级冷头3的下端面与液氦容器6的上端面通过螺栓紧固在一起。安装盖7位于液氦容器6内部，通过螺栓固定在液氦容器6的上端盖下面。转子腔8位于液氦容器6内部，为球腔结构，在以转子腔8中心为原点的直角坐标轴上对称分布有六个圆形豁口。支承模块10共有六个，结构相同，均具有凹圆面结构，通过螺栓分别安装在转子腔8外壁上的六个圆形豁口上。六个支承模块10的凹圆面与转子腔8的内球面形成一个完整球面。六个支承模块10对称分布在以转子腔8中心为原点的正交坐标系的坐标轴上，为超导转子9提供竖直方向和水平方向上的支承力。位于竖直方向上部的支承模块10通过螺栓与安装盖7的下端面固定在一起。超导转子9为低温超导材料制作的表面闭合的空心球体，位于转子腔8内。支承模块10和转子腔8所构成的球腔为超导转子9的活动空间。支承模块10和转子腔8所构成的球腔为真空腔体。

如图2所示，支承模块10包括超导线圈11、超导整形块12、超导环13、进线超导接头14、出线超导接头15、超导开关16以及支承基座17。其中超导环13为低温超导材料制作的有一定高度和厚度的无缝管状结构，其作用是保持通过超导环13中孔的磁通量为零。超导整形块12由低温超导材料制作，为轴对称结构，与超导环13同轴布置，超导整形块12沿旋转轴方向有通孔。超导整形块12加工成型后延轴向方向切开，随后再粘合在一起。超导整形块12先切开再粘合在一起的目的是防止超导整形块12形成完整环状结构，造成磁通无法通过其中孔。所述超导整形块12的作用是让所述超导线圈11产生的磁场从超导整形块12和超导转子9之间的间隙通过，从而达到为磁场整形的目的。所述超导线圈11位于超导整形块12的下面，超导线圈11励磁后所产生的磁场经超导线圈11中孔至超导整形块12的中孔然后进入超导整形块12和超导转子9之间的支承间隙，后从超导整形块12和超导环13之间的间隙经超导线圈11的下方返回至超导线圈11的中孔，从而形成闭合磁路。超导转子9受到超导线圈11产生的磁压力而悬浮在转子腔8内。超导环13、超导整形块12和超导线圈11都安装在圆柱形的支承基座17上。在支承基座17上远离超导整形块12的一端加工有凹槽，进线超导接头14、出线超导接头15和超导开关16安装固定在支承基座17的凹槽内。

所述的支承模块10共有六个，结构相同，采用标准化工艺统一制作。

所述的超导转子9、超导整形块12和超导环13均由同一种低温超导材料制作，支承基座17由黄铜制作。

更进一步地，所述的超导转子9、超导整形块12和超导环13均由铌制作。

所述的超导线圈11和超导开关16均由铌钛超导线绕制而成。

如图3所示，支承模块10的电气接线部分包括超导线圈11、进线超导接头14、出线超导接头15、超导开关16、加热电源18和超导电源19。进线超导接头14的一端与超导电源19的正端连接，另一端同时与超导线圈11的输入端和超导开关16的输入端连接。出线超导接头15一端与超导电源19的负端连接，另一端同时与超导线圈11的输出端和超导开关16的输出端连接。加热电源18的正端与超导开关16的加热输入端连接，加热电源18的负端与超导开关16的加热输出端连接。

进线超导接头14和出线超导接头15均采用焊接工艺制作。

本发明的工作过程是：准备给超导线圈11励磁时，先打开加热电源18，维持超导开关16断开状态，打开超导电源19给超导线圈11励磁。当超导线圈11中电流达到指定的电流时，关闭加热电源18，超导开关16恢复导通状态。由于超导线圈11存在电感，所以当超导电源19的输出电流从指定电流逐步减小到零时，流过超导开关16的电流逐步从零增加到指定电流，随后断开超导电源19，超导线圈11励磁完毕。超导线圈11中的电流经出线超导接头15、超导开关16、进线超导接头14和超导线圈11形成闭合电流回路。由于进线超导接头14和出线超导接头15的电阻均小于10^-13欧姆，因此超导线圈11中的电流可以运行很长时间不衰减。支承模块9中的超导线圈11闭环运行后无需超导电源19和外部反馈控制，超导线圈11中的电流就能为超导转子9提供稳定的悬浮磁场，实现超导转子9的长时间稳定悬浮。

Claims (7)

1.一种超导磁悬浮支承装置，其特征在于所述的支承装置包括制冷机（1）、低温容器（4）、冷屏（5）、液氦容器（6）、安装盖（7）、转子腔（8）、超导转子（9），以及支承模块（10）；制冷机（1）安装在低温容器（4）的上端，制冷机（1）的一级冷头（2）位于低温容器（4）内部；冷屏（5）为卷筒形状，置于低温容器（4）内部，并通过高强度、低热导率的拉杆固定在低温容器（4）的上端盖下部，同时冷屏（5）的上端面与制冷机（1）的一级冷头（2）下端面通过螺栓紧固在一起；液氦容器（6）安装在冷屏（5）内部，通过高强度、低热导率的拉杆固定在冷屏（5）的上端面；制冷机（1）的二级冷头（3）位于冷屏（5）内部，制冷机（1）的二级冷头（3）的下端面与液氦容器（6）的上端面通过螺栓紧固在一起；安装盖（7）位于液氦容器（6）内部，通过螺栓固定在液氦容器（6）的上端盖下面；转子腔（8）位于液氦容器（6）内部，为球腔结构，在以转子腔（8）中心为原点的直角坐标轴上对称分布有六个圆形豁口；支承模块（10）共有六个，结构相同，均具有凹圆面结构，通过螺栓分别安装在转子腔（8）外壁上的六个圆形豁口上；六个支承模块（10）的凹圆面与转子腔（8）的内球面形成一个完整球面；六个支承模块（10）对称分布在以转子腔（8）中心为原点的正交坐标系的坐标轴上，为超导转子（9）提供竖直方向和水平方向上的支承力；位于竖直方向上部的支承模块（10）通过螺栓与安装盖（7）的下端面固定在一起；超导转子（9）为低温超导材料制作的表面闭合的空心球体，位于转子腔（8）内；支承模块（10）和转子腔（8）所构成的球腔为超导转子（9）的活动空间。

2.按照权利要求1所述的超导磁悬浮支承装置，其特征在于支承模块（10）包括超导线圈（11）、超导整形块（12）、超导环（13）、进线超导接头（14）、出线超导接头（15）、超导开关（16），以及支承基座（17）；其中超导环（13）为低温超导材料制作的无缝管状结构；超导整形块（12）为轴对称结构，与超导环（13）同轴布置，超导整形块（12）沿旋转轴方向有通孔，由低温超导材料制作；超导整形块12加工成型后延轴向方向切开，随后再粘合在一起；超导线圈（11）位于超导整形块（12）的下面，超导线圈（11）励磁后所产生的磁场经超导线圈（11）的中孔至超导整形块（12）的中孔然后进入超导整形块（12）和超导转子（9）之间的支承间隙，再从超导整形块（12）和超导环（13）之间的间隙经超导线圈（11）的下方返回至超导线圈（11）的中孔，形成闭合磁路；超导转子（9）受到超导线圈（11）产生的磁压力而悬浮在转子腔（8）内；超导环（13）、超导整形块（12）和超导线圈（11）均安装在圆柱形的支承基座（17）上；支承基座（17）上远离超导整形块（12）的一端加工有凹槽，进线超导接头（14）、出线超导接头（15）和超导开关（16）安装固定在支承基座（17）的凹槽内。

3.按照权利要求1或2所述的超导磁悬浮支承装置，其特征在于支承模块（10）的电气连接部分包括超导线圈（11）、进线超导接头（14）、出线超导接头（15）、超导开关（16）、加热电源（18）和超导电源（19）；进线超导接头（14）的一端与超导电源（19）的正端连接，进线超导接头（14）的另一端同时与超导线圈（11）的输入端和超导开关（16）的输入端连接；出线超导接头（15）的一端与超导电源（19）的负端连接，出线超导接头（15）的另一端同时与超导线圈（11）的输出端和超导开关（16）的输出端连接；加热电源（18）的正端与超导开关（16）的加热输入端连接，加热电源18与超导开关（16）的加热输出端的负端连接。

4.按照权利要求2所述的超导磁悬浮支承装置，其特征在于超导转子（9）、超导整形块（12）和超导环（13）均由铌制作；支承基座（17）由黄铜制作。

5.按照权利要求2或3所述的超导磁悬浮支承装置，其特征在于超导线圈（11）和超导开关（16）由铌钛超导线绕制。

6.按照权利要求2或3所述的超导磁悬浮支承装置，其特征在于进线超导接头（14）和出线超导接头（15）均采用焊接工艺制作。

7.按照权利要求1所述的超导磁悬浮支承装置，其特征在于转子腔（8）和支承模块（10）所形成的球腔是真空腔体。

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