CN104502843A - 一种超导低温旋转实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导低温旋转实验台，包括主轴、轴承支撑系统、强电滑环、弱电滑环、磁流体密封设备、驱动装置和机架，轴承支撑系统、驱动装置均固定于机架上，主轴通过轴承与轴承支撑系统连接；主轴的一端采用悬臂方式连接支撑待实验的超导转子，主轴的另一端连接磁流体密封设备；强电滑环靠近待实验的超导转子套接安装于主轴；本发明能够可靠的支撑超导电机超导转子并带动其转动，在转动过程中可为超导转子的制冷系统提供冷却介质、驱动和控制线路及传感线路，以保证制冷系统的工作条件，并将转子上的温度、应力等传感信号传输至地面，且能方便的更换超导转子，满足了超导电机制冷系统的实现。

Description

一种超导低温旋转实验台

技术领域

本发明涉及超导电机相关性能的实验设备，特别是一种超导低温旋转测试台。

背景技术

超导电机相对于普通电机具有诸多优点，是电机的未来发展方向之一。目前超导电机大部分都处于研发阶段，由于超导性能的特殊性，因此现在有很多测试相关特殊性的试验装置，例如公开号为CN102495263A，公开日为2012年6月13日，发明名称为“一种高温超导电机磁体性能试验装置”的中国专利文献，该试验装置包括导磁侧板和导磁圆弧顶板；两块导磁侧板成“V”形角，与导磁圆弧顶板构成导磁回路；所述导磁侧板、导磁圆弧顶板及两端的不锈钢端板构成真空容器；不锈钢端板上有抽真空接口；所述真空容器内设有热交换器，该热交换器通过绝热螺柱与导磁圆弧顶板连接；导磁圆弧顶板上设有与冷媒容器或制冷机联通的冷媒进出接口。该装置主要是针对超导电机磁体性能做的试验，没有针对冷却系统的任何测试。

但是根据超导的特殊性，超导电机需要在低温环境下才可以实现超导态的无阻载流，因此制冷系统在很大程度上关系着整个系统的可行性与可靠性，是超导电机的关键技术之一。超导电机制冷系统的研发过程有着较高的实验要求，需要相应的实验设备进行支撑。

目前，超导电机的研发还不成熟，且均为高度保密的状态，用于超导电机转子低温旋转实验的实验设备还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超导低温旋转实验台，可进行超导电机冷却系统的测试实验，该实验台可以支撑和驱动超导电机转子，并为超导电机提供压缩氦气作为冷却介质，提供超导转子与配套设备之间的强弱电线路连接，可以不同类型的超导转子配合进行测试，也方便超导转子的拆卸和更换，适合各类型超导电机冷却系统的转子实验需求。

本发明的技术方案如下：

超导低温旋转实验台，其特征在于：包括主轴、轴承支撑系统、强电滑环、弱电滑环、磁流体密封设备、驱动装置和机架，轴承支撑系统、驱动装置均固定于机架上，主轴通过轴承与轴承支撑系统连接；主轴的一端采用悬臂方式连接支撑待实验的超导转子，主轴的另一端连接磁流体密封设备，强电滑环、弱电滑环均套装在主轴上，强电滑环靠近待实验的超导转子安装于主轴上，弱电滑环靠近磁流体密封设备端安装于主轴上。

所述主轴上分布设置有轴承支撑系统配合轴颈、强电滑环配合轴颈、驱动装置配合轴颈、弱电滑环配合轴颈，用于配合安装轴承、传动齿轮和强电滑环、弱电滑环；所述主轴用于连接待实验的超导转子的一端为法兰接口，另一端安装有联轴器。

所述主轴为中空结构，中空结构的空腔用于布置高压氦气回路和强弱电连接电缆；主轴上还设置有强电出线口、弱电出线口、压缩氦气出气口、强电进线口、弱电进线口（19）、压缩氦气进气口；连接超导转子和强电滑环的强电线缆从强电进线口进入主轴的空腔内，经过空腔从强电出线口引出主轴并连接至超导转子；主轴的空腔内还设置有压缩氦气管，压缩氦气管的一端连接压缩氦气进气口，压缩氦气管的另一端连接压缩氦气出气口，压缩氦气出气口连接至超导转子。

所述磁流体密封设备包括静止端端盖、静止端主体、旋转端主体、支承座和旋转端连接轴；静止端主体与支承座连接，支承座通过螺栓与机架连接，以固定静止端主体和静止端端盖；静止端主体套接于旋转端主体外部，静止端主体和旋转端主体同轴配合；静止端端盖通过螺栓与静止端主体连接，静止端端盖与静止端主体之间设置有确保密封的密封圈；旋转端主体通过螺旋连接旋转端连接轴，旋转端连接轴与主轴的联轴器连接，通过主轴的转动带动旋转端主体的同步转动；当旋转端主体转动时，因为静止端主体固定于机架上，静止端主体和旋转端主体可相对转动。

静止端主体和静止端端盖固定连接后形成静止端整体，静止端整体与旋转端主体之间形成有传输压缩氦气的两条气路，其中一条气路包括静止端进气口和旋转端出气口，另一条气路包括静止端出气口和旋转端进气口；所述旋转端出气口与主轴的压缩氦气进气口连通，旋转端进气口与超导转子的压缩氦气出气端连通；压缩氦气从静止端进气口进入磁流体密封设备，从旋转端出气口出来并通过主轴的压缩氦气进气口、压缩氦气管和压缩氦气出气口进入超导转子进行冷却作业，然后，压缩氦气经旋转端进气口返回磁流体密封设备，再从静止端出气口流出返回压缩泵。静止端和旋转端之间采用磁流体密封技术使压缩氦气在传输中不发生泄露。

所述轴承支撑系统包括左锁紧螺圈、左轴承端盖、左轴承支座、圆柱滚子轴承、右锁紧螺圈、右轴承端盖、右轴承支座和圆锥滚子轴承，圆柱滚子轴承与主轴同轴配合，并通过左锁紧螺圈与主轴的螺纹配合实现轴向定位；左轴承支座与机架螺纹连接，并与圆柱滚子轴承同轴配合；左轴承端盖与左轴承支座通过螺栓连接，从而实现左轴承支座与圆柱滚子轴承的定位；圆锥滚子轴承设置有两个，成对安装，并与主轴同轴配合，通过右锁紧螺圈与主轴的螺纹配合实现轴向定位；右轴承支座与机架螺纹连接，并与圆锥滚子轴承同轴配合；右轴承端盖与右轴承支座通过螺栓连接，从而实现右轴承支座与圆锥滚子轴承的定位。

所述强电滑环和弱电滑环通过顶紧螺栓与主轴进行轴向定位。

所述强电滑环包括刷架、碳刷和滑环；滑环通过螺栓套合固定于主轴上，实现与主轴的同步转动；刷架通过螺栓固定于机架上，并与滑环保持同轴；碳刷通过弹簧与刷架连接，碳刷的末端与滑环的外表面接触，碳刷通过弹簧保持与滑环之间的压紧力。连接强电线路时，强电线路首先从刷架引入经过碳刷，通过碳刷与滑环之间的接触面连接到滑环，再通过滑环的输出端子将强电线路引入主轴，并与主轴末端的实验设备连接。

所述弱电滑环包括转动环和固定于转动环外部的固定环；转动环套接主轴上，通过螺栓轴向定位，实现与主轴同步转动；固定环套接于转动环外部，通过定位销与轴承支撑系统的轴承座定位，从而保持固定环的静止状态。连接弱电线路时，弱电线路从固定环的进线端子引入，通过固定环与转动环配合将弱电电流引入转动环，通过转动环的出线端子将弱电线路引入主轴，并与主轴末端的实验设备连接。

所述驱动装置包括大齿轮、小齿轮、减速器和电机，减速器固定于机架上，电机的输出轴与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴与小齿轮键连接，同轴配合，减速器带动小齿轮转动；大齿轮与小齿轮齿轮啮合传动；大齿轮与主轴键连接，同轴配合，大齿轮将动力传输给主轴。所述电机首先经过减速器减速，然后经过大小齿轮带动主轴转动，即通过大小齿轮传动驱动主轴转动。

所述超导低温旋转实验台可以支撑待实验的超导转子，带动超导转子转动，为超导转子提供压缩氦气作为冷却介质，提供超导转子与配套设备之间的强弱电线路传输。

本发明的有益效果如下：

本发明可进行超导电机冷却系统的测试实验，其作用为支撑和驱动超导电机转子，并为超导电机提供压缩氦气作为冷却介质，提供超导转子与配套设备之间的强弱电线路连接（包括强弱电供电及传感线路）；

本发明与超导转子的连接方式为法兰连接，连接位置为轴的悬臂端，方便超导转子的拆卸和更换，可为不同类型转子提供实验需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为图1的主视结构示意图

图3为本发明的主轴的结构示意图

图4为本发明的磁流体密封设备的结构示意图

图5为本发明的强电滑环的结构示意图

图6为本发明的弱电滑环的结构示意图

图7为本发明的轴承支撑系统的结构示意图

图8为本发明的驱动装置的结构示意图

图9为本发明的机架的结构示意图

其中，附图标记为：1主轴，2轴承支撑系统，3强电滑环，4弱电滑环，5磁流体密封设备，6驱动装置，7机架，8超导转子，9法兰接口，10强电出线口，11强电进线口，12压缩氦气出气口，13压缩氦气管，14轴承支撑系统配合轴颈，15强电滑环配合轴颈，16驱动装置配合轴颈，17弱电滑环配合轴颈，18弱电出线口，19弱电进线口，20压缩氦气进气口，21联轴器，22静止端端盖，23静止端主体，24旋转端主体，25支承座，26旋转端连接轴，27静止端进气口，28旋转端出气口，29静止端出气口，30旋转端进气口，31左锁紧螺圈，32左轴承端盖，33左轴承支座，34圆柱滚子轴承，35右锁紧螺圈，36右轴承端盖，37右轴承支座，38圆锥滚子轴承，39刷架，40碳刷，41滑环，42固定环，43转动环，44大齿轮，45小齿轮，46减速器，47电机，48吊装环，49轴承支撑系统安装接口，50驱动装置安装接口，51磁流体密封设备安装接口。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明。

如图1-2所示，超导低温旋转实验台，包括主轴1、轴承支撑系统2、强电滑环3、弱电滑环4、磁流体密封设备5、驱动装置6和机架7；主轴1通过轴承与轴承支撑系统2连接，实现轴向定位和转动功能；主轴1的一端采用悬臂方式连接支撑待实验的超导转子8，通过螺栓固定；主轴1的另一端连接磁流体密封设备5，通过螺栓固定；强电滑环3、弱电滑环4均套装在主轴1上，强电滑环3靠近待实验的超导转子8安装于主轴1上，弱电滑环4靠近磁流体密封设备5端安装于主轴1上。

所述主轴1上分布设置有轴承支撑系统配合轴颈14、强电滑环配合轴颈15、驱动装置配合轴颈16、弱电滑环配合轴颈17，用于配合安装轴承、传动齿轮和强电滑环3、弱电滑环4；所述主轴1用于连接待实验的超导转子8的一端为法兰接口9，另一端安装有联轴器21。轴承支撑系统配合轴颈14与轴承支撑系统2的轴承配合；强电滑环配合轴颈15与强电滑环的滑环进行配合，并采用螺栓顶紧主轴1进行固定。

所述主轴1为中空结构，中空结构的空腔用于布置高压氦气回路和强弱电连接电缆。

如图3所示，主轴1上还设置有强电出线口10、弱电出线口18、压缩氦气出气口12、强电进线口11、弱电进线口19、压缩氦气进气口20；连接超导转子8和强电滑环3的强电线缆从强电进线口11进入主轴1的空腔内，经过空腔从强电出线口10引出主轴1并连接至超导转子8；主轴1的空腔内还设置有压缩氦气管13，压缩氦气管13的一端连接压缩氦气进气口20，压缩氦气管13的另一端连接压缩氦气出气口12，压缩氦气出气口12连接至超导转子8。

如图4所示，所述磁流体密封设备5包括静止端端盖22、静止端主体23、旋转端主体24、支承座25和旋转端连接轴26；静止端主体23与支承座25连接，支承座25通过螺栓与机架7连接，以固定静止端主体23和静止端端盖22；静止端主体23套接于旋转端主体24外部，静止端主体23和旋转端主体24同轴配合；静止端端盖22通过螺栓与静止端主体23连接，静止端端盖22与静止端主体23之间设置有确保密封的密封圈；旋转端主体24通过螺旋连接旋转端连接轴26，旋转端连接轴26与主轴1的联轴器21连接，通过主轴1的转动带动旋转端主体24的同步转动；当旋转端主体24转动时，因为静止端主体23固定于机架7上，静止端主体23和旋转端主体24可相对转动。

所述静止端主体23和静止端端盖22固定连接后形成静止端整体，静止端整体与旋转端主体24之间形成有传输压缩氦气的两条气路，其中一条气路包括静止端进气口27和旋转端出气口28，另一条气路包括静止端出气口29和旋转端进气口30；所述旋转端出气口28与主轴1的压缩氦气进气口20连通，旋转端进气口30与超导转子8的压缩氦气出气端连通；压缩氦气从静止端进气口27进入磁流体密封设备5，从旋转端出气口28出来并通过主轴1的压缩氦气进气口20、压缩氦气管13和压缩氦气出气口12进入超导转子8进行冷却作业，然后，压缩氦气经旋转端进气口30返回磁流体密封设备5，再从静止端出气口29流出返回压缩泵。所示磁流体密封设备5内采用磁流体密封技术使压缩氦气在传输中不发生泄露。

如图7所示，轴承支撑系统包括左锁紧螺圈31、左轴承端盖32、左轴承支座33、圆柱滚子轴承34、右锁紧螺圈35、右轴承端盖36、右轴承支座37和圆锥滚子轴承38；圆柱滚子轴承34与主轴1同轴配合，并依靠左锁紧螺圈31与主轴1的螺纹配合实现轴向定位；左轴承支座33与机架7螺纹连接，并与圆柱滚子轴承34同轴配合；左轴承端盖32与左轴承支座33依靠螺栓连接，从而实现左轴承支座33与圆柱滚子轴承34的定位；圆锥滚子轴承38共两个，成对安装，并与主轴同轴配合，依靠右锁紧螺圈35与主轴的螺纹配合实现轴向定位；右轴承支座37与机架螺纹连接，并与圆锥滚子轴承38同轴配合；右轴承端盖36与右轴承支座37依靠螺栓连接，从而实现右轴承支座37与圆锥滚子轴承38的定位。

如图5所示，强电滑环3包括刷架39、碳刷40和滑环41组成。滑环41通过螺栓套合固定于主轴1上，并依靠螺栓与主轴1相对固定；刷架39与机架7螺栓连接，并与滑环41保持同轴；碳刷40与刷架39之间采用弹簧连接，碳刷40的末端与滑环41接触，依靠与刷架39之间的连接弹簧保持其与滑环41之间的压紧力；强电线路从刷架39引入并与碳刷40连接，通过碳刷40与滑环41之间的接触面连接到滑环41，并通过滑环41的输出端子将强电线路引入主轴1，与主轴1末端的实验设备连接。

如图6所示，弱电滑环4包括转动环43和固定于转动环43外部的固定环42。转动环43套接主轴1上，通过螺栓轴向定位，实现与主轴1同步转动；固定环42套接于转动环43外部，通过定位销与轴承支撑系统2的轴承座定位，从而保持固定环42的静止状态。连接弱电线路时，弱电线路从固定环42的进线端子引入，通过固定环42与转动环43配合将弱电电流引入转动环43，通过转动环43的出线端子将弱电线路引入主轴1，并与主轴1末端的实验设备连接。

如图8所示，驱动装置6包括大齿轮44、小齿轮45、减速器46和电机47；减速器46固定于机架7上，电机47的输出轴与减速器46的输入轴连接，减速器46的输出轴与小齿轮45键连接，同轴配合，减速器46带动小齿轮45转动；大齿轮44与小齿轮45齿轮啮合传动；大齿轮44与主轴1键连接，同轴配合，大齿轮44将动力传输给主轴1。所述电机47首先经过减速器46减速，然后经过大齿轮44、小齿轮45带动主轴1转动，即通过大齿轮44、小齿轮45传动驱动主轴1转动。

根据上述结构，所述驱动装置配合轴颈16与驱动装置6的大齿轮44、小齿轮45配合并依靠平键定位；弱电滑环配合轴颈17与弱电滑环4的滑环进行配合，并采用螺栓顶紧主轴1进行固定；联轴器21与磁流体密封设备5的旋转端主体24连接，从而实现同步转动。

如图9所示，机架7为型材组成的桁架结构，包含吊装环48、轴承支撑系统安装接口49、驱动装置安装接口50和磁流体密封设备安装接口51。吊装环48由四个吊装螺栓组成，方便设备的吊装转运；轴承支撑系统安装接口49与轴承支撑系统2的轴承座采用螺栓连接；驱动装置安装接口50与驱动装置6的减速器46采用螺栓连接；磁流体密封设备安装接口51与磁流体密封设备5的支承座25采用螺栓连接。

Claims (10)

1.超导低温旋转实验台，其特征在于：包括主轴（1）、轴承支撑系统（2）、强电滑环（3）、弱电滑环（4）、磁流体密封设备（5）、驱动装置（6）和机架（7），轴承支撑系统（2）、驱动装置（6）均固定于机架（7）上，主轴（1）通过轴承与轴承支撑系统（2）连接；主轴（1）的一端采用悬臂方式连接支撑待实验的超导转子（8），主轴（1）的另一端连接磁流体密封设备（5）；强电滑环（3）靠近待实验的超导转子（8）套接安装于主轴（1）上，弱电滑环（4）靠近磁流体密封设备（5）端套接安装于主轴（1）上。

2.根据权利要求1所述的一种超导低温旋转实验台，其特征在于：所述主轴（1）上分布设置有轴承支撑系统配合轴颈（14）、强电滑环配合轴颈（15）、驱动装置配合轴颈（16）、弱电滑环配合轴颈（17），用于配合安装轴承、传动齿轮和强电滑环（3）、弱电滑环（4）；所述主轴（1）用于连接待实验的超导转子（8）的一端为法兰接口（9），另一端安装有联轴器（21）。

3.根据权利要求1或2所述的一种超导低温旋转实验台，其特征在于：所述主轴（1）为中空结构，中空结构的空腔用于布置高压氦气回路和强弱电连接电缆；主轴（1）上还设置有强电出线口（10）、弱电出线口（18）、压缩氦气出气口（12）、强电进线口（11）、弱电进线口（19）、压缩氦气进气口（20）；超导转子（8）和强电滑环（3）之间通过强电线缆连接；强电线缆从强电进线口（11）进入主轴（1）的空腔内，经过空腔从强电出线口（10）引出主轴（1）并连接至超导转子（8）；主轴（1）的空腔内还设置有压缩氦气管（13），压缩氦气管（13）的一端连接压缩氦气进气口（20），压缩氦气管（13）的另一端连接压缩氦气出气口（12），压缩氦气出气口（12）连接至超导转子（8）。

4.根据权利要求3所述的一种超导低温旋转实验台，其特征在于：所述磁流体密封设备（5）包括静止端端盖（22）、静止端主体（23）、旋转端主体（24）、支承座（25）和旋转端连接轴（26）；静止端主体（23）与支承座（25）连接，支承座（25）通过螺栓与机架（7）连接，以固定静止端主体（23）和静止端端盖（22）；静止端主体（23）套接于旋转端主体（24）外部，静止端主体（23）和旋转端主体（24）同轴配合；静止端端盖（22）通过螺栓与静止端主体（23）连接，静止端端盖（22）与静止端主体（23）之间设置有密封圈；旋转端主体（24）通过螺旋连接旋转端连接轴（26），旋转端连接轴（26）与主轴（1）的联轴器（21）连接，通过主轴（1）的转动带动旋转端主体（24）的同步转动；当旋转端主体（24）转动时，静止端主体（23）和旋转端主体（24）可相对转动。

5.根据权利要求4所述的一种超导低温旋转实验台，其特征在于：静止端主体（23）和静止端端盖（22）固定连接后，与旋转端主体（24）之间形成有传输压缩氦气的两条气路，其中一条气路包括静止端进气口（27）和旋转端出气口（28），另一条气路包括静止端出气口（29）和旋转端进气口（30）；所述旋转端出气口（28）与主轴（1）的压缩氦气进气口（20）连通，旋转端进气口（30）与超导转子（8）连通；压缩氦气从静止端进气口（27）进入磁流体密封设备（5），从旋转端出气口（28）出来并通过主轴（1）的压缩氦气进气口（20）、压缩氦气管（13）和压缩氦气出气口（12）进入超导转子（8）进行冷却作业，然后，压缩氦气经旋转端进气口（30）返回磁流体密封设备（5），再从静止端出气口（29）流出。

6.根据权利要求1所述的一种超导低温旋转实验台，其特征在于：所述轴承支撑系统（2）包括左锁紧螺圈（31）、左轴承端盖（32）、左轴承支座（33）、圆柱滚子轴承（34）、右锁紧螺圈（35）、右轴承端盖（36）、右轴承支座（37）和圆锥滚子轴承（38），圆柱滚子轴承（34）与主轴（1）同轴配合，并通过左锁紧螺圈（31）与主轴（1）的螺纹配合实现轴向定位；左轴承支座（33）与机架（7）螺纹连接，并与圆柱滚子轴承（34）同轴配合；左轴承端盖（32）与左轴承支座（33）通过螺栓连接，从而实现左轴承支座（33）与圆柱滚子轴承（34）的定位；圆锥滚子轴承（38）设置有两个，成对安装，并与主轴（1）同轴配合，通过右锁紧螺圈（35）与主轴（1）的螺纹配合实现轴向定位；右轴承支座（37）与机架（7）螺纹连接，并与圆锥滚子轴承（38）同轴配合；右轴承端盖（36）与右轴承支座（37）通过螺栓连接，从而实现右轴承支座（37）与圆锥滚子轴承（38）的定位。

7.根据权利要求1所述的一种超导低温旋转实验台，其特征在于：所述强电滑环（3）、弱电滑环（4）通过顶紧螺栓与主轴（1）进行轴向定位。

8.根据权利要求1或7所述的一种超导低温旋转实验台，其特征在于：所述强电滑环（3）包括刷架（39）、碳刷（40）和滑环（41）；滑环（41）通过螺栓套合固定于主轴（1）上，实现与主轴（1）的同步转动；刷架（39）通过螺栓固定于机架（7）上，并与滑环（41）保持同轴；碳刷（40）通过弹簧与刷架（39）连接，碳刷（40）的末端与滑环（41）的外表面接触，碳刷（40）通过弹簧保持与滑环（41）之间的压紧力。

9.根据权利要求1所述的一种超导低温旋转实验台，其特征在于：所述弱电滑环（4）包括转动环（43）和固定于转动环（43）外部的固定环（42）；转动环（43）套接主轴（1）上，通过螺栓轴向定位，实现与主轴（1）同步转动；固定环（42）套接于转动环（43）外部，通过定位销与轴承支撑系统（2）的轴承座定位，从而保持固定环（42）的静止状态。

10.根据权利要求1所述的一种超导低温旋转实验台，其特征在于：所述驱动装置（6）包括大齿轮（44）、小齿轮（45）、减速器（46）和电机（47），减速器（46）固定于机架（7）上，电机（47）的输出轴与减速器（46）的输入轴连接，减速器（46）的输出轴与小齿轮（45）键连接，同轴配合，减速器（46）带动小齿轮（45）转动；大齿轮（44）与小齿轮（45）啮合传动；大齿轮（44）与主轴（1）键连接，同轴配合，大齿轮（44）将动力传输给主轴（1）。