CN104179803A - 静电辅助悬浮支承的超导磁悬浮支承装置 - Google Patents

Abstract

一种静电辅助悬浮支承的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。支承模块(10)的超导线圈(11)通电后产生的磁场经过超导整形块(12)与超导转子(9)之间的间隙，处于超导态的超导转子(9)受到超导整形块(12)与超导转子(9)之间间隙磁场产生的磁斥力。通过对支承模块(10)中的支承电极(14)施加高电压可在支承电极(14)和超导转子(9)之间产生静电场。超导转子(9)受到静电场产生的引力。超导转子(9)受到的悬浮力为超导线圈(11)产生的磁斥力和支承电极(14)产生的静电引力的合力。

Description

静电辅助悬浮支承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，特别涉及一种静电辅助悬浮支承的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。某些特殊应用环境对超导磁悬浮支承系统提出了高可靠性和高支承刚度的要求。中国专利201210023048.5给出了一种的超导磁悬浮支承装置，超导转子在悬浮状态只受到磁悬浮力，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瞬时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。因此，单一的超导磁悬浮支承由于受到超导材料临界磁场的限制，单纯的增加支承面积和改进超导转子表面处理技术并不能显著的提高悬浮支承系统的支承刚度，且当受到强磁场干扰时悬浮支承系统会有支承失效的危险，所以单一的超导磁悬浮支承系统并不能满足某些特殊应用环境提出高可靠性和高支承刚度的要求。中国专利201310145719.X给出了一种超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其在支承模块上专门分割了电极区域，通过高压供电来形成静电悬浮力。虽然该悬浮支承系统实现了静电悬浮和超导磁浮的混合悬浮支承系统，提高了系统的可靠性，但是电极的划分还是占用了部分超导磁浮的支承面积，使得支承系统在增加静电支承力的同时减少了部分磁浮力，同时由于支承电极和磁悬浮部件之间是组装在一起的，支承电极的加入增加了装配难度。

发明内容

为了提高单一超导磁悬浮支承系统的支承刚度，本发明提出一种带有静电辅助悬浮支承的超导磁悬浮支承装置。本发明具有悬浮支承刚度大和可靠性高的特点。

本发明装置包括制冷机、一级冷头、二级冷头、低温容器、冷屏、液氦容器、安装盖、超导转子、转子腔以及支承模块，其中支承模块又包括超导环、超导整形块、超导线圈、支承电极、高压线柱以及支承基座。

所述的低温容器上端盖上面安装有制冷机，低温容器上端盖内面有安装孔，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的上端面。冷屏的上端面与制冷机的一级冷头紧固在一起。制冷机的一级冷头用来冷却冷屏，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。冷屏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的上端盖上。液氦容器的上端面与制冷机的二级冷头紧固在一起。

所述的安装盖通过螺栓紧固在液氦容器的上端盖，安装盖的下端面与支承模块通过螺栓紧固在一起。六个支承模块的结构相同，通过螺栓安装在转子腔上，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。超导转子位于转子腔内。超导转子为低温超导材料制作的表面闭合的空心球体。

所述的支承模块包括超导环、超导整形块、超导线圈、支承电极、高压线柱以及支承基座。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。超导整形块为超导环所包围，是与超导环同轴的轴对称结构，采用与超导环同一种类的低温超导材料制作。超导整形块的结构虽然也是旋转轴对称结构并有中孔，但是超导整形块的壁在轴向方向有一道人为加工的裂痕，其目的是防止其形成超导环从而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，形成闭合磁路。超导转子、超导环和超导整形块采用铌制作。所述支承电极是在超导整形块和支承基座所形成的凹球面上喷涂铜镍合金形成的，由于铜镍合金的相对磁导率接近于1，所以支承电极并不影响超导磁悬浮的磁路。支承电极的几何中心与高压线柱电气连接，支承电极上的高电压通过高压线柱施加。所述的超导环、超导整形块、超导线圈、支承电极和高压线柱都安装在圆柱形的支承基座上。支承电极、高压线柱和超导整形块与支承基座之间高压绝缘。液氦容器内充满液氦，超导转子、超导环、超导整形块和超导线圈置于液氦容器内，浸泡于液氦中，均处在超导态。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。

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。因为超导磁悬浮力是一种斥力，因此超导磁悬浮支承系统是一种自稳定悬浮支承系统，这里超导磁悬浮采用无源悬浮。Z坐标轴方向两个超导线圈串联并通以励磁电流I₀，当超导转子沿Z坐标轴移动δ时，超导转子受到的磁悬浮力为：

$F_m^Z=F_m^Z(\mathrm{\δ},I_0)$

若施加在支承电极上的支承电压为U，则超导转子受到的静电悬浮力为：

$F_e^Z=F_e^Z(\mathrm{\δ},U)$

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

ΔU为支承电极上电压U的变化量。

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：在不改变超导转子受到的超导磁悬浮力的情况下，引入了支承电极来提供静电悬浮力，显著地提高了超导转子受到的悬浮力，增加了悬浮支承系统的冗余度，提高了悬浮支承系统的支承刚度和可靠性。

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为支承模块的结构示意图，图中：11超导线圈，12超导整形块，13超导环，14支承电极，15高压线柱，16支承基座。

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、安装盖7、转子腔8、超导转子9以及支承模块10。低温容器4的上端盖上面安装有制冷机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。安装盖7通过螺栓紧固在液氦容器6的上端盖，安装盖7的下端面与支承模块10通过螺栓紧固在一起。六个支承模块10结构完全相同，通过螺栓安装在转子腔8上，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9位于转子腔8内。超导转子9为低温超导材料制作的表面闭合的空心球体。

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、支承电极14、高压线柱15以及支承基座16。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，其功能是保持通过超导环13中孔的磁通量为零。超导整形块12为超导环13所包围，是与超导环13同轴的轴对称结构，由与超导环13同种的低温超导材料制作，其结构虽然也是旋转轴对称结构并有中孔，但是超导整形块12的壁在轴向方向有一道人为加工裂痕，其目的是防止其形成超导环从而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。所述支承电极14是在超导整形块12和支承基座16所形成的凹球面上喷涂铜镍合金形成，由于铜镍合金的相对磁导率并不高，所以支承电极14并不影响超导磁悬浮的磁路。支承电极14的几何中心与高压线柱15电气连接，支承电极14上的高电压是通过高压线柱15来施加的。所述的超导环13、超导整形块12、超导线圈11、支承电极14和高压线柱15都安装在圆柱形的支承基座16上。支承电极14、高压线柱15和超导整形块12与支承基座16之间是高压绝缘的。液氦容器内充满液氦，超导转子、超导环13、超导整形块12和超导线圈11置于液氦容器内，浸泡于液氦中，均处在超导态。

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。因为超导磁悬浮力是一种斥力，因此超导磁悬浮支承系统是一种自稳定悬浮支承系统，这里超导磁悬浮采用无源悬浮。Z坐标轴方向两个超导线圈11串联并通以励磁电流I₀，当超导转子9沿Z坐标轴移动δ时，超导转子9受到的磁悬浮力为：

$F_m^Z=F_m^Z(\mathrm{\δ},I_0)$

若施加在支承电极14上的支承电压为U，则超导转子9受到的静电悬浮力为：

$F_e^Z=F_e^Z(\mathrm{\δ},U)$

由于静磁场和静电场互不耦合，所以超导转子9在Z坐标轴方向受到的总悬浮力F^Z为：

ΔU为支承电极上电压U的变化量。

超导转子9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)

1.一种静电辅助悬浮支承的超导磁悬浮支承装置，其特征在于：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)、安装盖(7)、转子腔(8)、超导转子(9)，以及支承模块(10)；低温容器(4)的上端盖上面安装有制冷机(1)，低温容器(4)的上端盖下面有安装孔，安装孔上装有拉杆；拉杆的下端固定在冷屏(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)上端面的下部安装有拉杆，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，其特征在于：安装盖(7)通过螺栓紧固在液氦容器(6)的上端盖上，安装盖(7)的下端面与支承模块(10)通过螺栓紧固在一起；六个支承模块(10)结构相同，通过螺栓安装在转子腔(8)上，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(9)位于转子腔(8)内；超导转子(9)为低温超导材料制作的表面闭合的空心球体。

2.按照权利要求1所述的静电辅助悬浮支承的超导磁悬浮支承装置，其特征在于：所述的支承模块(10)包括超导线圈(11)、超导整形块(12)、超导环(13)、支承电极(14)、高压线柱(15)，以及支承基座(16)；所述的超导环(13)为无缝管状结构；超导整形块(12)为超导环13所包围，与超导环(13)同轴；超导整形块(12)是旋转对称结构并有中孔，超导整形块12的壁在轴向方向有一道人为加工的裂痕；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，然后从超导整形块(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，形成闭合磁路；所述支承电极(14)是在超导整形块(12)和支承基座(16)所形成的凹球面上喷涂金属层形成的；支承电极(14)的几何中心与高压线柱(15)电气连接，高压线柱(15)向支承电极(14)施加高电压；所述的超导环(13)、超导整形块(12)、超导线圈(11)、支承电极(14)和高压线柱(15)均安装在圆柱形的支承基座(16)上；支承电极(14)、高压线柱(15)和超导整形块(12)与支承基座(16)之间高压绝缘；液氦容器(6)内充满液氦，超导转子(9)、超导环(13)、超导整形块(12)和超导线圈(11)置于液氦容器内，浸泡于液氦中，均处在超导态。

3.按照权利要求1或2所述的静电辅助悬浮支承的超导磁悬浮支承装置，其特征在于：所述的超导转子(9)、超导环(13)和超导整形块(12)采用铌制作；超导转子(9)是表面封闭的完整空心球体；超导转子(9)的位移通过测量支承电极(14)和超导转子(9)之间的间隙电容来获得。

4.按照权利要求2所述的一种静电辅助悬浮支承的超导磁悬浮支承装置，其特征在于：支承电极(14)采用铜镍合金制作。

5.按照权利要求1或2所述的静电辅助悬浮支承的超导磁悬浮支承装置，其特征在于：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，超导转子(9)受到的Z坐标轴方向的总悬浮力为 $F^Z=F_m^Z(\mathrm{\δ},I_0)+F_e^Z(\mathrm{\δ},\mathrm{\ΔU});$ 为超导转子(9)受到的Z坐标轴方向的磁悬浮力，为超导转子(9)受到的Z坐标轴方向的静电悬浮力；其中I₀为Z轴方向两个串联的超导线圈(11)通的励磁电流，δ为超导转子(9)沿Z轴反方向的位移，ΔU为支承电极上电压U的变化量；超导转子(9)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。