CN103225651A - 超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置 - Google Patents

Abstract

一种超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其六个支承模块（9）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。超导转子（10）位于转子腔（8）内。超导线圈（11）励磁后所产生的磁场经超导整形块（12）和内超导环（13）之间的间隙进入超导整形块（12）和超导转子（10）之间的支承间隙，然后从超导整形块（12）和外超导环（15）之间的间隙经超导线圈（11）的下方返回至超导整形块（12）和内超导环（13）之间的间隙，形成闭合磁路。支承电极（14）由内超导环（13）包围。本发明通过超导线圈（11）产生磁场对超导转子（10）产生磁斥力，通过对支承电极（14）施加支承电压来对超导转子（10）产生静电引力，超导转子（10）受到的总悬浮力为磁斥力和静电引力的合力。

Description

超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置

技术领域

本发明涉及一种超导磁悬浮支承装置，特别涉及一种超导磁悬浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置。

背景技术

惯性导航技术是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航技术,其核心部件是陀螺仪。陀螺仪是载体运动的传感器，能在惯性空间中保持精密指向的稳定性。但在一些特殊场合应用中，不但要求导航系统具有很高的精度，也需要其具有很高的抗冲击力能力，这直接关系到导航系统的可靠性，而这直接取决于陀螺仪的支承系统性能。为了减少干扰力矩的影响，提高测量精度，陀螺仪的支承方式已从滚珠轴承支承、液浮支承、气浮支承等接触式支承发展为现在的非接触式悬浮支承——静电悬浮支承和超导磁悬浮支承。非接触式悬浮支承从根本上消除了摩擦力矩，为实现高精度的陀螺提供了坚实的硬件基础，但也应该看到，无论是静电悬浮支承技术还是超导磁悬浮支承技术都有其过载能力的限制，在陀螺仪载体受到剧烈的冲击干扰力时候支承系统容易失效。对于静电悬浮支承系统，支承系统的过载能力主要取决于支承电极的划分和支承电极上施加的最大电压，而施加的最大电压受制于转子和支承电极间的绝缘能力，这又是由间隙内的真空度、转子和支承电极表面的光洁度以及表面处理工艺决定的。当静电悬浮支承系统受到剧烈的干扰加速度时，转子和支承电极之间容易被击穿而导致支承失效。对于超导磁悬浮支承系统，支承系统的过载能力主要取决于转子材料的下临界磁场、转子表面处理工艺以及支承面积的大小。当超导磁悬浮支承系统受到过高的冲击干扰力的时候，支承间隙内的局部磁场强度可能会超过超导体的下临界磁场强度而造成支承系统失效。中国专利201210023048.5的超导磁悬浮装置采用采用单一的超导磁悬浮方式，当磁悬浮装置载体受到剧烈的冲击干扰时，超导转子周围的磁场可能会超过超导转子的临界磁场而使超导转子失超，从而造成支承系统的失效。文献【W.J.Bencze,M.E.Eglington,R.W.Brumley,S.Buchman.Precision electrostatic suspension system for the GravityProbe B relativity mission’s science gyrogropes,ADVANCES IN SPACE RESEARCH,2007,39:224-229】给出了一种低温静电悬浮支承装置，转子处于超导态，悬浮力由静电引力来提供，悬浮支承装置在工作状态下只能承受1g的干扰加速度，这显然也不满足一些冲击干扰力比较大的场合。因此，无论是静电悬浮支承还是超导磁悬浮支承，单一的悬浮支承的过载能力受到客观技术条件和物理原理上的限制而可能无法达到某些特定环境下的应用要求。

发明内容

本发明的目的是提高现有单一悬浮支承系统的支承刚度和过载能力，提出一种工作在低温环境下的超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置。本发明具有支承刚度大、抗干扰能力强和过载能力强等特点。

本发明的超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，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一级冷头的下端面通过螺栓紧固在一起。制冷机的一级冷头为冷屏提供制冷，冷屏起到隔离冷屏内部和外部之间的热辐射的作用。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，制冷机的二级冷头为液氦容器提供制冷。

所述的安装盖为定位安装板，位于液氦容器内部，通过螺栓紧固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，通过螺栓分别安装在转子腔的六个圆形豁口上。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。超导转子位于转子腔内。支承模块和转子腔所构成的球形腔体空间为超导转子的活动空间。超导转子为低温超导材料制作的表面闭合的空心球体，其内壁赤道位置附近加厚，用以增加旋转轴的转动惯量。

所述的支承模块包括内超导环、外超导环、超导整形块、超导线圈、支承电极以及黄铜基座。其中内超导环和外超导环均为低温超导材料制作的有一定高度和厚度的无缝圆柱状结构，其特性是保持通过内超导环和外超导环的磁通量为零。超导整形块位于内超导环和外超导环之间，是与内超导环和外超导环同轴的轴对称结构，采用与内超导环和外超导环同一种低温超导材料制作，其结构虽然也是环状的，但是与内超导环和外超导环结构不同的是，在超导整形块轴向方向上加工有一道裂纹，裂纹的作用是防止超导整形块形成超导环而造成磁通无法通过超导整形块的中孔。所述超导整形块的作用是使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。所述超导线圈为螺管线圈，与超导整形块同轴布置，位于超导整形块的下面，在内超导环和外超导环之间。超导线圈励磁后所产生的磁场经超导整形块和内超导环之间的间隙进入超导整形块和超导转子之间的支承间隙，然后从超导整形块和外超导环之间的间隙经超导线圈的下方返回至超导整形块和内超导环之间的间隙。所述支承电极为凹圆面结构，与内超导环同轴，由内超导环包围。所述的内超导环、外超导环、超导整形块、超导线圈和支承电极都安装在圆柱形的黄铜基座上，支承电极与黄铜基座之间做电气绝缘处理。

所述的超导转子、内超导环、外超导环和超导整形块为同一种低温超导材料制作。更进一步地，制作超导转子、内超导环、外超导环和超导整形块的低温超导材料为铌。

所述的液氦容器内充满液氦，超导转子及支承模块中的内超导环、外超导环、超导整形块和超导线圈均置于液氦容器内，处在超导态。

本发明以转子腔几何中心为原点建立直角坐标系，以液氦容器轴向方向为Z坐标轴，以垂直于纸面方向为Y坐标轴，同时垂直于Z坐标轴和Y坐标轴的为X坐标轴。超导转子在Z坐标轴方向上受到的悬浮力分析如下：Z坐标轴方向上以原点为中心对称布置有两个支承模块：上部支承模块和下部支承模块。上部支承模块和下部支承模块内部均含有一个超导线圈和一个支承电极。超导线圈由超导整形块、内超导环和外超导环包围，与内超导环同轴。支承电极为凹圆面结构，由内超导环包围，与内超导环同轴。因为超导磁悬浮力是一种斥力，所以超导磁悬浮支承系统是一种不需反馈控制就能实现自稳定悬浮的支承系统，这里超导磁悬浮采用无源悬浮方式。Z坐标轴方向上部支承模块中的超导线圈和下部支承模块中的超导线圈同时通以励磁电流I₀，当超导转子沿Z坐标轴反方向移动δ时，若支承电极和超导转子之间的标称间隙为d₀，则超导转子受到的指向Z坐标轴正方向的磁悬浮力

为：

$F_m^Z(\mathrm{\δ},I_0)=F^{Z+}(d_0-\mathrm{\δ},I_0)-F^{Z-}(d_0+\mathrm{\δ},I_0)F_m^Z(\mathrm{\δ},I_0)$

其中，F^Z+(d₀-δ,I₀)为超导转子受到Z坐标轴方向下部支承模块的超导线圈的指向Z坐标轴正方向的磁斥力，F^Z-(d₀+δ,I₀)为超导转子受到Z坐标轴方向上部支承模块的超导线圈的指向Z坐标轴反方向的磁斥力。

对于静电悬浮支承部分，超导转子的位移通过测量支承电极和超导转子之间的间隙电容来获得。若施加在Z坐标轴方向上部支承模块中的支承电极和下部支承模块中的支承电极施加的预载电压为U₀，当超导转子沿Z坐标轴反方向移动δ时，若反馈电压为ΔU，则超导转子受到的指向Z坐标轴正方向的静电悬浮力

为：

$F_e^Z(\mathrm{\δ},\mathrm{\ΔU})=K[\frac{{(U_0+\mathrm{\ΔU})}^2}{{(d_0+\mathrm{\δ})}^2}-\frac{{(U_0-\mathrm{\ΔU})}^2}{{(d_0-\mathrm{\δ})}^2}]$

其中，K为静电出力系数，

为Z坐标轴方向上部支承模块中的支承电极对超导转子的沿Z坐标轴正方向的静电引力，

为Z坐标轴方向下部支承模块中的支承电极对超导转子的沿Z坐标轴反方向的静电引力。

由于静磁场和静电场互不耦合，所以超导转子在Z坐标轴正方向受到的总悬浮力F^Z为：

$F^Z=F_m^Z(\mathrm{\δ},I_0)+F_e^Z(\mathrm{\δ},\mathrm{\ΔU})$

超导转子在X坐标轴方向和Y坐标轴方向受到的悬浮力分析与此相同。

本发明的有益效果是：将超导磁悬浮支承系统和静电悬浮支承系统有机地融合在一起，使超导转子受到的悬浮力为磁浮力和静电悬浮力的合力，显著地提高了悬浮支承系统的过载能力，也增加了悬浮支承系统的冗余度，提高了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支承模块，10超导转子；

图2为支承模块的结构示意图。图中：11超导线圈，12超导整形块，13内超导环，14支承电极，15外超导环，16黄铜基座。

图3为Z坐标轴方向支承模块布置示意图。图中：10超导转子，17上部支承模块，18下部支承模块，19上部超导线圈，20上部支承电极，21上部内超导环，22上部外超导环，23上部超导整形块，24下部超导线圈，25下部支承电极，26下部内超导环，27下部外超导环，28下部超导整形块。

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、支承模块9以及超导转子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。制冷机1的一级冷头2为冷屏5提供制冷，冷屏5起到隔离冷屏5内部和外部之间的热辐射的作用。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，制冷机1的二级冷头3为液氦容器6提供制冷。安装盖7为定位安装板，位于液氦容器6内部，通过螺栓紧固在液氦容器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9共有六个，结构相同，通过螺栓分别安装在转子腔8的六个圆形豁口上。六个支承模块9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10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9通过螺栓与安装盖7的下端面固定在一起。超导转子10位于转子腔8内。支承模块9和转子腔8所构成的球形腔体空间为超导转子10的活动空间。超导转子10为低温超导材料制作的表面闭合的空心球体，其内壁赤道位置附近加厚，用以增加旋转轴的转动惯量。

如图2所示，支承模块9包括内超导环13、外超导环15、超导整形块12、超导线圈11、支承电极14以及黄铜基座16。其中内超导环13和外超导环15均为低温超导材料制作的有一定高度和厚度的无缝圆柱状机械结构，其特性是保持通过内超导环13和外超导环15的磁通量为零。超导整形块12位于内超导环13和外超导环15之间，是与内超导环13和外超导环15同轴的轴对称结构，采用与内超导环13和外超导环15同一种低温超导材料制作。超导整形块12的结构虽然也是环状的，但是超导整形块12与内超导环13和外超导环15结构不同之处在于超导整形块12在轴向方向加工有一道裂纹，裂纹的作用是防止超导整形块12形成超导环而造成磁通无法通过超导整形块12的中孔。所述超导整形块12的作用是使超导线圈11产生的磁场从超导整形块12和超导转子10之间的间隙通过，从而达到为磁场整形的目的。超导线圈11为螺管线圈，与超导整形块12同轴布置，位于超导整形块12的下面，在内超导环13和外超导环15之间，超导线圈11励磁后所产生的磁场经超导整形块12和内超导环13之间的间隙进入超导整形块12和超导转子10之间的支承间隙，然后从超导整形块12和外超导环15之间的间隙经超导线圈11的下方返回至超导整形块12和内超导环13之间的间隙，从而形成闭合磁路。支承电极14为凹圆面结构，与内超导环13同轴，由内超导环13包围。内超导环13、外超导环15、超导整形块12、超导线圈11和支承电极14都安装在圆柱形的黄铜基座16上，支承电极14与黄铜基座16之间做电气绝缘处理。

超导转子10、内超导环13、外超导环15和超导整形块12为同一种低温超导材料制作。更进一步地，制作超导转子10、内超导环13、外超导环15和超导整形块12的低温超导材料为铌。

液氦容器6内充满液氦，超导转子10以及支承模块9的内超导环13、外超导环15、超导整形块12和超导线圈11均置于液氦容器6内，处在超导态。

本发明以转子腔8几何中心为原点建立直角坐标系，以液氦容器6轴向方向为Z坐标轴，以垂直于纸面方向为Y坐标轴，同时垂直于Z坐标轴和Y坐标轴的为X坐标轴。这里对超导转子10在Z坐标轴方向上受到的悬浮力进行分析。如图3所示，Z坐标轴方向上以原点为中心上下对称布置有上部支承模块17和下部支承模块18。上部支承模块17内部含有上部超导线圈19和上部支承电极20。上部超导线圈19由上部超导整形块23、上部内超导环21和上部外超导环22包围，与上部内超导环21同轴，位于上部超导整形块23的上部。上部支承电极20为凹圆面结构，由上部内超导环21包围，与上部内超导环21同轴。下部支承模块18内部含有下部超导线圈24和下部支承电极25。下部超导线圈24由下部超导整形块28、下部内超导环26和下部外超导环27包围，与下部内超导环26同轴，位于下部超导整形块28的下部。下部支承电极25为凹圆面结构，由下部内超导环26包围，与下部内超导环26同轴。因为超导磁悬浮力是一种斥力，所以超导磁悬浮支承系统是一种不需反馈控制就能实现自稳定悬浮的支承系统，这里超导磁悬浮采用无源悬浮方式。Z坐标轴方向上部超导线圈19和下部超导线圈24同时通以励磁电流I₀，当超导转子10沿Z坐标轴反方向移动δ时，若下部支承电极25和超导转子10之间的标称间隙为d₀，则超导转子10受到的指向Z坐标轴正方向的磁悬浮力为：

$F_m^Z(\mathrm{\δ},I_0)=F^{Z+}(d_0-\mathrm{\δ},I_0)-F^{Z-}(d_0+\mathrm{\δ},I_0)$

式中：F^Z+(d₀-δ,I₀)为超导转子10受到Z坐标轴方向下部超导线圈24的指向Z坐标轴正方向的磁斥力，F^Z-(d₀+δ,I₀)为超导转子10受到Z坐标轴方向上部超导线圈19的指向Z坐标轴反方向的磁斥力。

对于静电悬浮支承部分，超导转子10的位移通过测量下部支承电极25和超导转子10之间的间隙电容来获得。若施加在Z坐标轴方向上部支承电极20和下部支承电极25的预载电压为U₀，当超导转子10沿Z坐标轴反方向移动δ时，若反馈电压为ΔU，则超导转子10受到的指向Z坐标轴正方向的静电悬浮力为：

$F_e^Z(\mathrm{\δ},\mathrm{\ΔU})=K[\frac{{(U_0+\mathrm{\ΔU})}^2}{{(d_0+\mathrm{\δ})}^2}-\frac{{(U_0-\mathrm{\ΔU})}^2}{{(d_0-\mathrm{\δ})}^2}]$

式中：K为静电出力系数，

为Z坐标轴方向上部支承电极20对超导转子10的沿Z坐标轴正方向的静电引力，

为Z坐标轴方向下部支承电极25对超导转子10的沿Z坐标轴反方向的静电引力。

由于静磁场和静电场互不耦合，所以当超导转子10沿Z坐标轴反方向移动δ时，超导转子10受到的沿Z坐标轴正方向总的悬浮力为：

$F^Z=F_m^Z(\mathrm{\δ},I_0)+F_e^Z(\mathrm{\δ},\mathrm{\ΔU}).$

超导转子10在X坐标轴方向和Y坐标轴方向受到的悬浮力分析与此相同。

Claims (5)

1.一种超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其特征在于所述的装置包括制冷机（1）、低温容器（4）、冷屏（5）、液氦容器（6）、安装盖（7）、转子腔（8）、支承模块（9），以及超导转子（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）位于低温容器（4）内部，为卷筒形状，通过拉杆固定在低温容器（4）的上端盖下面，冷屏（5）的上端面与制冷机（1）的一级冷头的下端面通过螺栓固定在一起；液氦容器（6）位于冷屏内部，由拉杆固定在冷屏（5）的上端面下部；制冷机（1）的二级冷头（3）位于冷屏内部，并通过螺栓固定在液氦容器（6）的上端面；安装盖（7）为定位安装板，位于液氦容器（6）内部，通过螺栓紧固在液氦容器（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（9）共有六个，结构相同，通过螺栓分别安装在转子腔（8）的六个圆形豁口上，六个支承模块（9）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（10）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（9）通过螺栓与安装盖（7）的下端面固定在一起；超导转子（10）位于转子腔（8）内；支承模块（9）和转子腔（8）所构成的球形腔体空间为超导转子（10）的活动空间；超导转子（10）为低温超导材料制作的表面闭合的空心球体，其内壁赤道位置附近加厚，用以增加旋转轴的转动惯量。

2.按照权利要求1所述的超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其特征在于所述的支承模块（9）包括内超导环（13）、外超导环（15）、超导整形块（12）、超导线圈（11）、支承电极（14）和黄铜基座（16）；所述的内超导环（13）和外超导环（15）均为无缝圆柱状；所述的超导整形块（12）位于内超导环（13）和外超导环（15）之间，为环状，与内超导环（13）和外超导环（15）同轴布置，超导整形块（12）在轴向方向上加工有一道裂纹；所述的超导线圈（11）为螺管线圈，与超导整形块（12）同轴布置，位于超导整形块（12）的下面，在内超导环（13）和外超导环（15）之间；超导线圈（11）励磁后所产生的磁场经超导整形块（12）和内超导环（13）之间的间隙进入超导整形块（12）和超导转子（10）之间的支承间隙，然后从超导整形块（12）和外超导环（15）之间的间隙经超导线圈（11）的下方返回至超导整形块（12）和内超导环（13）之间的间隙，形成闭合磁路；支承电极（14）为凹圆面结构，与内超导环（13）同轴，由内超导环（13）包围；内超导环（13）、外超导环（15）、超导整形块（12）、超导线圈（11）和支承电极（14）均安装在圆柱形的黄铜基座（16）上；支承电极（14）与黄铜基座（16）之间做电气绝缘处理；液氦容器（6）内充满液氦，超导转子（10）、内超导环（13）、外超导环（15）、超导整形块（12）和超导线圈（11）均置于液氦容器（6）内，处在超导态。

3.按照权利要求1或2所述的超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其特征在于所述的超导转子（10）、内超导环（13）、外超导环（15）和超导整形块（12）由同一种低温超导材料制作。

4.按照权利要求3所述的超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其特征在于所述的超导转子（10）、超导整形块（12）、内超导环（13）和外超导环（15）均由铌制作。

5.按照权利要求1或2所述的超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其特征在于所述的超导转子（10）沿Z坐标轴反方向移动δ时，超导转子（10）受到的沿Z坐标轴正方向总的悬浮力为 $F^Z=F_m^Z(\mathrm{\δ},I_0)+F_e^Z(\mathrm{\δ},\mathrm{\ΔU});$

为超导转子（10）受到的指向Z坐标轴正方向的磁悬浮力，

$F_m^Z(\mathrm{\δ},I_0)=F^{Z+}(d_0-\mathrm{\δ},I_0)-F^{Z-}(d_0+\mathrm{\δ},I_0),$

式中：F^Z+(d₀-δ,I₀)为超导转子（10）受到Z坐标轴方向下部超导线圈（24）的指向Z坐标轴正方向的磁斥力，F^Z-(d₀+δ,I₀)为超导转子10受到Z坐标轴方向上部超导线圈（19）的指向Z坐标轴反方向的磁斥力，I₀为Z坐标轴方向上部超导线圈（19）和下部超导线圈（24）串联后通的励磁电流，d₀为下部支承电极（25）和超导转子（10）之间的标称间隙，δ为超导转子（10）沿Z坐标轴反方向的位移，超导转子（10）的位移通过测量下部支承电极（25）和超导转子（10）之间的间隙电容来获得；

为超导转子（10）受到的指向Z坐标轴正方向的静电悬浮力，

$F_e^Z(\mathrm{\δ},\mathrm{\ΔU})=K[\frac{{(U_0+\mathrm{\ΔU})}^2}{{(d_0+\mathrm{\δ})}^2}-\frac{{(U_0-\mathrm{\ΔU})}^2}{{(d_0-\mathrm{\δ})}^2}],$

式中：

为Z坐标轴方向上部支承电极（20）对超导转子（10）的沿Z坐标轴正方向的静电引力，

为Z坐标轴方向下部支承电极（25）对超导转子（10）的沿Z坐标轴反方向的静电引力，K为静电出力系数，ΔU为静电悬浮支承部分的反馈电压；

超导转子（10）在X坐标轴方向和Y坐标轴方向受到的悬浮力分析与此相同。

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