CN103527629B - 带永磁环的超导磁悬浮支承装置 - Google Patents

Abstract

一种带永磁环的超导磁悬浮支承装置，其本体装置（7）为轴对称旋转结构，包括超导线圈（10）、超导环（11）、超导整形块（12）、永磁环（13）以及本体基座（14）。永磁环（13）位于本体装置（7）的中水平面上，永磁环（13）上部和下部对称分布有超导环（11）、超导整形块（12）和超导线圈（10），永磁环（13）、超导环（11）、超导整形块（12）以及本体基座（14）所围成的空间为一球形腔体。球形腔体的赤道面与永磁环（13）的中水平面重合。超导转子（9）位于球形腔体内。超导线圈（10）为超导转子（9）提供轴向的支承刚度和位置控制，永磁环（13）为超导转子（9）提供赤道面上的支承刚度。

Description

带永磁环的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、精度高和损耗低等优点。在实际的应用中为了提高支承系统的可靠性和降低干扰力矩，需要超导线圈闭环运行，这势必会将超导开关以及超导接头引入到超导磁悬浮支承系统中。超导接头由于其制作工艺复杂，在实际的制作过程中会有一定的不合格率，这会降低超导磁悬浮支承系统的可靠性。单一的超导接头测试比较容易，但是如果在超导线圈闭环以后出现因为接头电阻过大或者载流能力不高等问题而导致的闭环失败，是很难排查出故障超导接头的。因此在设计超导磁悬浮支承系统的过程中一般应主动减少超导接头的使用数量。

发明内容

为了减少超导接头的使用数量而又不至于降低悬浮支承系统的性能，本发明提出一种带带永磁环的超导磁悬浮支承装置。本发明具有超导接头数量少和支承系统可靠性高的特点。

本发明带永磁环的超导磁悬浮支承装置包括制冷机、一级冷头、二级冷头、低温容器、冷屏、液氦容器和本体装置。

所述的低温容器上端盖上面装有制冷机，低温容器上端盖下面有安装孔，安装孔上装有高强度、低热导率的拉杆，拉杆固定在冷屏的上端面。冷屏的上端面与制冷机的一级冷头紧固在一起。冷屏由一级冷头来冷却，冷屏的作用是将冷屏外部和冷屏内部的热交换进行阻断，起到热屏蔽的作用。拉杆的下端固定在液氦容器的上端盖上，液氦容器通过高强度、低热导率的拉杆固定在冷屏的上端面的下部。液氦容器的上端面与二级冷头紧固在一起，经过冷屏对外部热辐射进行屏蔽后，二级冷头最终将液氦容器冷却至液氦温区。本体装置安装在液氦容器内部，并通过螺栓紧固在液氦容器上端面。在实际运行中，本体装置浸泡在液氦容器内的液氦中，液氦为本体装置提供稳定的低温环境。

所述的本体装置包括位置传感器、超导转子、超导线圈、超导环、超导整形块、永磁环以及本体基座。

超导线圈、超导环、超导整形块、永磁环以及本体基座均为轴对称旋转结构，永磁环位于本体装置的中水平面上，永磁环的上部和下部对称分布有超导环、超导整形块和超导线圈，永磁环、超导环、超导整形块以及本体基座围成一球形腔体。球形腔体的赤道面与永磁环的中水平面重合。超导转子位于球形腔体内，是由低温超导材料制作的封闭空心球体。球形腔体上下分别安装有超导线圈，通过所述的超导线圈使超导转子悬浮。位置传感器安装在超导转子的顶部，用来测量超导转子在旋转轴方向的悬浮高度。永磁环安装在球形腔体的赤道面上，由永磁块拼接粘合形成环形结构，永磁块产生的磁场方向指向球形腔体中心，所述永磁环为超导转子提供赤道面上的支承刚度。两块超导整形块分别沿球形腔体赤道面上下对称分布，超导整形块沿旋转轴方向开有通孔，由低温超导材料制作。超导整形块加工成型后沿轴向方向切开，随后再粘合在一起，目的是防止其形成超导环从而造成磁通无法通过其中的通孔。所述的超导整形块的作用时利用低温超导体的迈斯纳效应，让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，而不进入超导体，从而达到为磁场整形的目的。超导环对称安装在永磁环的上方和下方，用低温超导材料制作，为具有一定高度和厚度的无缝环状结构，其作用是隔离超导线圈和永磁环之间的磁场联系。所述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通孔然后进入超导整形块和超导转子之间的支承间隙，随后从超导整形块和超导环之间的间隙穿过，沿超导整形块外缘至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。所述的位置传感器、超导线圈、超导环、超导整形块、永磁环都安装在圆柱形的本体基座上。所述的本体装置浸泡在液氦中，超导转子、超导环、超导整形块和超导线圈均处在超导态。

所述的永磁环中永磁块的磁场方向分别指向超导转子球心方向，远离超导转子球心方向，平行于旋转轴方向向上，平行于旋转轴方向向下。永磁环产生的磁场的磁路包括永磁环和超导转子之间的间隙。永磁环外边包裹金属薄板以便于装配和增加永磁环的机械强度。

本发明通过控制超导线圈中的电流来控制超导转子的悬浮位置，超导线圈同时提供旋转轴方向上的支承刚度。永磁环提供赤道面方向上的支承刚度。由于绕制工艺和机械装配的限制，想用同一根超导线来绕制上下两个超导线圈以及赤道面上的超导线圈是不现实的，因此减少了超导线圈的使用数量就减少了超导接头的数量，也就提高了支承系统的可靠性。本发明装置只用一对超导线圈和一个超导环为超导转子提供了三个方向上的支承刚度，减少了超导接头的数量，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本体装置；

图2为支承模块的结构示意图。图中：8位置传感器、9超导转子、10超导线圈、11超导环、12超导整形块、13永磁环以及14本体基座。

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、一级冷头2、二级冷头3、低温容器4、冷屏5、液氦容器6，以及本体装置7。制冷机1安装在低温容器4的上端盖上部。低温容器4上端盖下部有安装孔，安装孔上装有高强度、低热导率的拉杆。拉杆下端固定在冷屏5的上端面。冷屏5的上端面与制冷机1的一级冷头2紧固在一起。制冷机1的一级冷头2用来冷却冷屏5，冷屏5的作用是将冷屏5外部和冷屏5内部的热交换进行阻断，起到热屏蔽的作用。冷屏5的上端面下部安装有高强度、低热导率的拉杆，拉杆的下端固定在液氦容器6的上端盖上。液氦容器6的上端面与制冷机1的二级冷头3紧固在一起，经过冷屏5对外部热辐射进行屏蔽后，二级冷头3最终将液氦容器6降温至液氦温区。本体装置7安装在液氦容器6内部，并通过螺栓紧固在液氦容器6上端面。在实际运行中，本体装置7浸泡在液氦容器6内的液氦中，液氦为本体装置7提供稳定的低温环境。

如图2所示，本体装置7包括位置传感器8、超导转子9、超导线圈10、超导环11、超导整形块12、永磁环13，以及本体基座14。超导线圈10、超导环11、超导整形块12、永磁环13以及本体基座14均为轴对称旋转结构，超导环11、超导整形块12和永磁环13形成球形腔体。永磁环13位于本体装置7的中水平面上，永磁环13的上部和下部对称分布有超导环11、超导整形块12和超导线圈10，永磁环13、超导环11、超导整形块12以及本体基座14围成一球形腔体。球形腔体的赤道面与永磁环13的中水平面重合。超导转子9位于球形腔体内，是由低温超导材料制作的封闭空心球体。球形腔体上、下分别安装有超导线圈10，通过所述的超导线圈10使超导转子9悬浮。位置传感器8安装在超导转子9的顶部，用来测量超导转子9在旋转轴方向的悬浮高度。永磁环13安装在球形腔体的赤道面上，由永磁块拼接粘合而成的环形结构。永磁块产生的磁场方向指向球形腔体中心，所述永磁环13为超导转子9提供赤道面上的支承刚度。两块超导整形块12分别沿球形腔体赤道面上下对称分布，沿旋转轴方向开有通孔，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，其目的是防止其形成超导环从而造成磁通无法通过超导整形块12中的通孔。所述的超导整形块12的作用利用低温超导体的迈斯纳效应让超导线圈10产生的磁场从超导整形块12和超导转子9之间的间隙通过而不进入超导体，从而达到为磁场整形的目的。两个超导环11分别对称安装在永磁环13的上方和下方，为低温超导材料制作的有一定高度和厚度的无缝环状结构，其作用是隔离超导线圈10和永磁环13之间的磁场联系。所述超导线圈10励磁后所产生的磁场经超导线圈10中孔至超导整形块12的通孔然后进入超导整形块12和超导转子9之间的支承间隙，随后从超导整形块12和超导环11之间的间隙穿过，沿超导整形块12外缘至超导线圈10的下方返回至超导线圈10的中孔，从而形成闭合磁路。所述的位置传感器8、超导线圈10、超导环11、超导整形块12、永磁环13都安装在圆柱形的本体基座14上。所述的本体装置7浸泡在液氦中，超导转子9、超导环11、超导整形块12和超导线圈10均处在超导态。

永磁环13产生的磁场经过永磁环13和超导转子9之间的间隙，并对超导转子9产生磁压力。永磁环13中永磁块的磁化方向分别指向超导转子9球心方向、远离超导转子9球心方向、平行于旋转轴方向向上和平行于旋转轴方向向下。永磁环13外包裹金属薄板以便于装配和增加永磁环13的机械强度。

Claims (8)

1.一种带永磁环的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)、一级冷头(2)、二级冷头(3)、低温容器(4)、冷屏(5)、液氦容器(6)，以及本体装置(7)；低温容器(4)的上端盖上面装有制冷机(1)；低温容器(4)的上端盖下面有安装孔，安装孔上装有拉杆；冷屏(5)固定在拉杆的下端，冷屏(5)的上端面与制冷机(1)的一级冷头(2)紧固在一起；冷屏(5)由一级冷头(2)冷却；液氦容器(6)通过拉杆固定在冷屏(5)的上端面的下部；液氦容器(6)的上端面与二级冷头(3)紧固在一起，二级冷头(3)将液氦容器(6)冷却至液氦温区；本体装置(7)安装在液氦容器(6)内部，并通过螺栓紧固在液氦容器(6)的上端面；本体装置(7)浸泡在液氦容器(6)内的液氦中；

所述的本体装置(7)包括位置传感器(8)、超导转子(9)、超导线圈(10)、超导环(11)、超导整形块(12)、永磁环(13)以及本体基座(14)；超导线圈(10)、超导环(11)、超导整形块(12)、永磁环(13)和本体基座(14)均为轴对称旋转结构；超导环(11)、超导整形块(12)和永磁环(13)形成球形腔体；超导转子(9)位于该球形腔体内；超导转子(9)是由低温超导材料制作的封闭空心球体；球形腔体的上、下分别安装有超导线圈(10)，通过超导线圈(10)使超导转子(9)悬浮；位置传感器(8)安装在超导转子(9)的顶部；永磁环(13)安装在球形腔体的赤道面上，永磁环(13)由永磁块拼接粘合而成的环形结构，永磁块产生的磁场方向指向球形腔体中心；所述永磁环(13)为超导转子(9)提供赤道面上的支承刚度；两块超导整形块(12)沿球形腔体赤道面上下对称分布，沿其旋转轴方向有通孔；两个超导环(11)对称安装在永磁环(13)的上方和下方；位置传感器(8)、超导线圈(10)、超导环(11)、超导整形块(12)和永磁环(13)都安装在圆柱形的本体基座(14)上；超导转子(9)、超导环(11)、超导整形块(12)和超导线圈(10)均处在超导态。

2.按照权利要求1所述的带永磁环的超导磁悬浮支承装置，其特征在于所述的永磁环(13)位于本体装置(7)的中水平面上，永磁环(13)的上部和下部对称分布有超导环(11)、超导整形块(12)和超导线圈(10)；永磁环(13)、超导环(11)、超导整形块(12)和本体基座(14)围成一球形腔体，球形腔体的赤道面与永磁环(13)的中水平面重合。

3.按照权利要求1所述的带永磁环的超导磁悬浮支承装置，其特征在于所述的超导线圈(10)励磁后所产生的磁场经超导线圈(10)的中孔至超导整形块(12)的通孔，然后进入超导整形块(12)和超导转子(9)之间的支承间隙，随后从超导整形块(12)和超导环(11)之间的间隙穿过，沿超导整形块(12)外缘至超导线圈(10)的下方返回至超导线圈(10)的中孔，形成闭合磁路。

4.按照权利要求1所述的带永磁环的超导磁悬浮支承装置，其特征在于所述的永磁环(13)产生的磁场经过永磁环(13)和超导转子(9)之间的间隙，对超导转子(9)产生磁压力；组成永磁环(13)的永磁块的磁化方向分别指向超导转子(9)的球心方向、远离超导转子(9)的球心方向、平行于旋转轴方向向上和平行于旋转轴方向向下；永磁环(13)产生的磁场被限制在在永磁环(13)内部和永磁环(13)与超导转子(9)之间的间隙内；永磁环(13)外包裹金属薄板。

5.按照权利要求1、2或4所述的带永磁环的超导磁悬浮支承装置，其特征在于所述的永磁环(13)的制作材料为钕铁硼合金。

6.按照权利要求1所述的带永磁环的超导磁悬浮支承装置，其特征在于所述的超导整形块(12)和超导环(11)的制作材料为低温超导材料；超导整形块(12)加工成型后沿轴向方向切开，随后再粘合在一起。

7.按照权利要求1或6所述的带永磁环的超导磁悬浮支承装置，其特征在于所述的低温超导材料为铌。

8.按照权利要求1所述的带永磁环的超导磁悬浮支承装置，其特征在于所述位置传感器(8)为光电位置传感器。