CN103758577B - 一种超导球转子旋转驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种超导球转子旋转驱动装置，包括超导球转子（1）、转子腔（2）、加转槽一（3）、进气口一（6）、进气口二（7）、出气口一（8）、出气口二（9）、加转槽二（10）。向进气口一（6）进氦气，通过氦气摩擦带动超导球转子（1）旋转，氦气通过加转槽一（3）从出气口一（8）排出，实现超导转子（1）逆时针加速和顺时针减速。向进气口二（7）进气，氦气通过加转槽（10）从出气口二（10）排出，实现超导球转子（1）顺时针加速和逆时针减速。该驱动装置能够满足超导转子（1）驱动简便、稳定、无损耗的要求。

Description

一种超导球转子旋转驱动装置

技术领域

本发明涉及一种低温超导球转子旋转的驱动装置。

背景技术

超导材料和低温技术的不断发展，对新型精密仪器装置设备的研制起着巨大的推动作用。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，尤其是超导磁悬浮技术越来越受到广泛关注。低温超导转子悬浮可基于超导体的迈斯纳效应。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起来。超导磁悬浮作用力为电磁推力，当转子偏离悬浮中心时转子会自动向悬浮中心位置移动，具有自适应稳定性。把超导电性和经典力学理论相结合可得到稳定的超导磁悬浮，同时这种非接触式的悬浮可以在无能量损失的情况下稳定运行。悬浮刚度主要受超导材料的临界温度和临界磁场限制，因此超导磁悬浮材料的选择也很重要。超导转子的旋转要有超导转子的稳定悬浮作为前提条件，超导磁悬浮技术有很多优点。首先整个悬浮系统工作在低温环境下，材料的化学活动性、膨胀系数等都大大降低；其次超导体的零电阻和迈斯纳效应使其能量损耗几乎为零。超导磁悬浮技术的这些特点为发展高精度器件和仪器装置奠定了基础。

国内文献【光纤传感测量系统在超导球形转子中的应用，胡新宁等，光学精密工程，2008，16（11）：2092-2097】中设计用于驱动的电机控制信号图形为八个，驱动时A、B两相电机间隔性交替通电驱动转子旋转，不是两相电机绕组交替连续通电，驱动作用时间少，效率低。专利CN101674042A对前述驱动方法进行了改进，实现两相电机的连续通电，进一步提高了效率。但是以上两种方法均需要通过超导电机进行驱动，不仅需要在转子附近增加定子线圈和外围电源供电系统，而且两相电机使转子产生交流损耗降低了转子的临界磁场和临界温度等性能参数。因此以上所述的两种驱动方法仍不能满足结构简便、损耗低、高稳定的驱动要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，提出一种超导球转子驱动装置。本发明可实现超导球转子的无损耗稳定加速旋转，能够满足超导球转子驱动简便、稳定、无损耗的要求。

本发明超导球转子驱动装置包括超导球转子、转子腔、进气口一、进气口二、出气口一、出气口二、加转槽一、加转槽二，以及泄露气体排气口。

本发明进气口一顺转子腔内腔面的逆时针切向方向设置，其中心线与转子腔内腔面的切向方向平行，加转槽一的一端连接进气口一，加转槽一的另一端连接出气口一；出气口一顺转子腔内球面的逆时针切向方向设置，其中心线与转子腔内腔面的切向方向平行。

本发明进气口二顺转子腔内腔面的顺时针切向方向设置，其中心线与转子腔内腔面的切向方向平行，加转槽二的一端连接进气口二，加转槽二的另一端连接出气口二；出气口二顺转子腔内球面的顺时针切向方向设置，其中心线与转子腔内腔面的切向方向平行。

本发明出气口一和出气口二的孔径分别大于进气口一和进气口二的孔径。

本发明加转槽一和加转槽二是在转子腔内赤道面附近位置关于球心对称布置的两段圆弧形凹槽。

本发明向进气口一进气，出气口一排气，实现转子逆时针加速和顺时针减速。向进气口二进气，出气口二出气，实现转子顺时针加速和逆时针减速。

所述的加转槽一和加转槽二为在转子腔内赤道面附近位置关于球心对称布置的两段圆弧形凹槽。加转槽边缘有凸起，该加转槽边缘凸起高于转子腔的内腔面，使加转槽边缘凸起和超导转子的间隙小于转子腔和超导转子的间隙，以减少通过加转槽的气体从加转槽的两侧泄露，使加转槽内保持一定气压，提高加速效率。

本发明加转槽边缘外侧布置有多个泄露气体排气口。泄露的气体通过泄露气体排气口抽出，减小加转时的气体阻力。

本发明转子加速度与加转槽长度、宽度和槽内气体压强以及槽外气体阻尼有关。加转的原理是通过气体与转子摩擦将气体动量矩交换给转子使转子具有旋转加速度。

所述的超导转子悬浮在转子腔中心位置，当向进气口一通入氦气，通过氦气摩擦带动超导转子旋转，氦气通过出气口一排出，实现超导转子逆时针加速和顺时针减速；当向进气口二通入氦气，通过出气口二排气，实现超导转子顺时针加速和逆时针减速；当超导转子达到额定转速后，通过泄露气体排气口将剩余气体抽出，以保持转子腔内高真空。

本发明驱动装置不采用超导电机结构，大大简化了装置结构，转子无交流损耗产生，提高了超导转子启动加速稳定性。

附图说明

图1是超导转子驱动装置俯视剖面图，图中：1超导转子、2转子腔、3加转槽一、6进气口一、7进气口二、8出气口一、9出气口二、10加转槽二；

图2超导转子驱动装置正视图，图中：4加转槽边缘凸起、5泄露气体排气口；

图3超导转子驱动装置加转槽结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明低温超导球形转子驱动装置包括球形的超导转子1、转子腔2、加转槽一3、泄露气体排气口5、进气口一6、进气口二7、出气口一8、出气口二9，以及加转槽二10。超导转子1为球形转子，外径38mm-50mm。超导转子1与转子腔2的间隙为0.5mm。进气口一6顺转子腔2内腔面的逆时针切向方向设置，其中心线与转子腔2内腔面的切向方向平行，加转槽一3的一端连接进气口一6，加转槽一3的另一端连接出气口一8；出气口一8顺转子腔2内球面的逆时针切向方向设置，其中心线与转子腔2内腔面的切向方向平行。出气口一8的孔径大于进气口一6的孔径，以保证输入氦气速率，提高加速效率。向进气口一6通入2K温度的氦气，氦气速度300m/s左右，通过氦气摩擦带动超导转子1旋转，氦气通过出气口一8排出，实现超导转子1逆时针加速，若超导转子1已经是顺时针旋转，则向进气口一6进气，出气口一8排气，对超导转子1来说形成顺时针减速。进气口二7顺转子腔2内腔面的顺时针切向方向设置，其中心线与转子腔2内腔面的切向方向平行，加转槽二10的一端连接进气口二7，加转槽二10的另一端连接出气口二9；出气口二9顺转子腔2内球面的顺时针切向方向设置，其中心线与转子腔2内腔面的切向方向平行。出气口二9孔径大于进气口二7孔径。向进气口二7进气，通过出气口二10排气，实现超导转子1顺时针加速和逆时针减速。加转槽一3和加转槽二10是在转子腔2内赤道面附近位置球心对称布置的两段圆弧形凹槽，加转槽一3和加转槽二10的边缘带有加转槽边缘凸起4，加转槽一3和加转槽二10的通道两侧布置泄露气体排气口5。

如图2所示，本发明加转槽一3和加转槽二10为在转子腔2内赤道面附近位置关于球心对称布置的两段圆弧形凹槽。加转槽一3和加转槽二10边缘上带有加转槽边缘凸起4，加转槽边缘凸起4高于转子腔2的内腔面，使加转槽边缘凸起4和超导转子1的间隙为0.05mm-0.1mm，此间隙小于转子腔2和超导转子1之间的间隙，使加转槽一3和加转槽二10形成近似密封的通道，以减少通过加转槽一3或加转槽二10的气体从加转槽的两侧泄露，并且保持加转槽内具有1000pa量级的气压，提高加速效率。加转槽一3和加转槽二10的槽宽为5-8mm，深度为1-2mm。加转槽边缘凸起4的宽度为0.5-1mm。加转槽一3和加转槽二10的两侧布置有泄露气体排气口5，从加转槽边缘凸起4和超导转子1的间隙向外泄露的气体通过泄露气体排气口5抽出，减小超导转子1加转时的气体阻力。

所述的超导转子1悬浮在转子腔2的中心位置。当向进气口一6通入氦气，通过氦气摩擦，带动超导转子1旋转，氦气通过出气口一8排出，实现超导转子1逆时针加速和顺时针减速。当向进气口二7进氦气，通过出气口二10排气，实现超导转子1顺时针加速和逆时针减速，超导转子1达到额定转速后，通过泄露气体排气口5将剩余气体抽出，保持转子腔2内10^-4pa以上的高真空。

如图3所示，加转槽一3和加转槽二10的两侧布置多个泄露气体排气口5。将泄露的气体通过泄露气体排气口5抽出，泄露气体排气口5的数量越多，转子腔2内的剩余气体越少，超导转子1加转时的气体阻力越小。

Claims (3)

1.一种超导球转子旋转驱动装置，其特征在于所述驱动装置包括超导球转子(1)、转子腔(2)、加转槽一(3)、泄露气体排气口(5)、进气口一(6)、进气口二(7)、出气口一(8)、出气口二(9)和加转槽二(10)；进气口一(6)顺转子腔(2)内腔面的逆时针切向方向设置，其中心线与转子腔(2)内腔面的切向方向平行，加转槽一(3)的一端连接进气口一(6)，加转槽一(3)的另一端连接出气口一(8)；出气口一(8)顺转子腔(2)内球面的逆时针切向方向设置，其中心线与转子腔(2)内腔面的切向方向平行；

进气口二(7)顺转子腔(2)内腔面的顺时针切向方向设置，其中心线与转子腔(2)内腔面的切向方向平行，加转槽二(10)的一端连接进气口二(7)，加转槽二(10)的另一端连接出气口二(9)；出气口二(9)顺转子腔(2)内球面的顺时针切向方向设置，其中心线与转子腔(2)内腔面的切向方向平行；

加转槽一(3)和加转槽二(10)是在转子腔(2)内赤道面位置关于球心对称布置的两段圆弧形凹槽，加转槽一(3)和加转槽二(10)的边缘带有加转槽边缘凸起(4)，加转槽一(3)和加转槽二(10)的两侧布置有泄露气体排气口(5)；出气口一(8)和出气口二(9)的孔径分别大于进气口一(6)和进气口二(7)的孔径。

2.根据权利要求1所述的超导球转子旋转驱动装置，其特征在于所述的加转槽边缘凸起(4)高于转子腔(2)的内腔面，即加转槽边缘凸起(4)和超导转子(1)的间隙小于转子腔(2)和超导转子(1)的间隙。

3.根据权利要求1所述的超导球转子旋转驱动装置，其特征在于超导转子(1)悬浮在转子腔(2)中心位置时，向进气口一(6)通入氦气，通过氦气摩擦带动超导转子(1)旋转，氦气通过出气口一(8)排出，实现超导转子(1)逆时针加速和顺时针减速；向进气口二(7)进气，通过出气口二(9)排气，实现超导转子(1)顺时针加速和逆时针减速；超导转子(1)达到额定转速后，通过泄露气体排气口(5)将剩余气体抽出，保持转子腔(2)内高真空。