CN104779841A - 一种超导飞轮用球形线圈支承结构及其超导转子的悬浮方法 - Google Patents
一种超导飞轮用球形线圈支承结构及其超导转子的悬浮方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及储能和导航两用的超导飞轮转子的磁悬浮系统，尤其是一种超导飞轮用球形线圈支承结构及其超导转子的悬浮方法，支承结构包括环氧骨架和超导线圈，环氧骨架由低温环氧树脂加工而成，呈球冠形状，用于缠绕超导线圈，一个支承结构中包括六个完全相同的环氧骨架，组成X、Y、Z轴向的三对对称结构，超导线圈由低温超导线在环氧骨架上绕制而成，在一个支承结构中包括六个结构完全相同的线圈，其中位于上半球顶部的线圈为上悬浮线圈，下半球底部的线圈为下悬浮线圈，其它四个为侧向悬浮线圈。本发明能有效提高超导转子的支承刚度，降低超导转子的阻力矩和干扰力矩，同时提高超导支承结构的加工工艺性，主要包括减小加工、组装难度，提高支承结构参数的一致性，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及储能和导航两用的超导飞轮转子的磁悬浮系统，尤其是一种超导飞轮用球形线圈支承结构及其超导转子的悬浮方法。
背景技术
超导飞轮依靠超导磁悬浮技术将超导转子支承在高真空的腔体内工作，消除了永磁体支承结构引起的阻力矩干扰，采用低温超导块材形成的超导转子和低温超导线绕制的支承线圈，减少了磁场耦合、磁通钉扎引起的阻力矩和损耗，使得转子处于完全自由状态。超导飞轮的磁支承系统主要由球形转子、球形腔体、励磁线圈组成，整个系统浸泡在液氦中工作。
通过设定各个线圈中的励磁电流，调整超导转子表面的磁场分布，能够实现超导转子在中心位置时磁压力的合力与它本身重力平衡，即超导转子在中心位置时受到的合外力为零。当超导转子偏离中心位置时，气隙宽度变小的区域磁场将增加，同时该区域的磁压力也会增加，使得超导转子稳定在中心位置，这是磁悬浮的自稳定性。励磁线圈以及线圈骨架构成球形腔体，球形腔体的半径比转子半径略大，它们的半径差即间隙的宽度根据工艺的精度和需求的支承刚度而定，一般在0.2mm～0.5mm。
超导体的Meissner效应使得转子附近的磁场分布很大程度上依赖于支承结构的腔体形状。在靠近超导体表面的磁场平行于表面，产生垂直于表面的磁压力，对于形状规则的超导转子，磁场压力指向球心而不产生旋转力矩。由于构成球形腔体的支承结构的旋转对称性，当超导转子位于球腔的中心位置时，磁压力在水平方向上合力为零，沿竖直方向的合力恰好克服超导转子的重力。超导转子在高真空的球形腔体内旋转，其表面几乎没有阻力作用，因而超导转子可以长时间保持匀速旋转，这对提高超导飞轮的储能效率和导航精度是极其重要的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种超导飞轮用球形线圈支承结构及其超导转子悬浮的方法，从而有效提高超导转子的支承刚度，降低超导转子的阻力矩和干扰力矩，同时提高超导支承结构的加工工艺性，降低生产成本。
本发明的技术方案如下：
一种用于超导飞轮的球形线圈支承结构，其特征在于支承结构包括：环氧骨架和超导线圈，所述的环氧骨架，由低温环氧树脂加工而成，呈球冠形状，用于缠绕超导线圈，一个支承结构中包括六个完全相同的环氧骨架，组成X、Y、Z轴向的三对对称结构，超导线圈由低温超导线在环氧骨架上绕制而成，在一个支承结构中包括六个结构完全相同的线圈，其中位于上半球顶部的线圈为上悬浮线圈，位于下半球底部的线圈为下悬浮线圈，其它四个为侧向悬浮线圈，其中上悬浮线圈安装于球形腔体的北极，中心轴线与腔体北极轴线一致；下悬浮线圈安装于球形腔体的南极，中心轴线与腔体南极轴线一致，与上悬浮线圈对称；所述四个侧向悬浮线圈分别安装于球形腔体水平方向的对称位置，侧向悬浮线圈中心轴线都在球形腔体的赤道面上，且分别相差90度。
本发明环氧骨架的内表面为精加工的光滑球面，外表面设有凹槽用于缠绕超导线圈，凹槽的形状和分布根据所要产生磁场的需求而设计。
本发明超导线圈由低温超导线绕制而成，超导线圈每匝线圈之间都由低温环氧胶粘结固化，线圈绕制密度以及匝数的设计原则为尽量使得超导转子与支承结构间隙内的磁场为均值分布，尽量减少各个线圈产生磁场的耦合性。当线圈内通入适当的电流时，间隙内的磁场值接近且小于超导材料的下临界磁场。
作为上述技术方案的延伸，还包括组合球形线圈的设计方案，即将每一个悬浮线圈分离为几个不同的子线圈，子线圈中的励磁电流可以独立设定，同一个悬浮线圈中不同的子线圈之间都由一定厚度的环氧骨架分割和加固。
上述每一个悬浮线圈拆分的子线圈的个数越多，则超导支承结构与转子之间间隙内的磁场越均匀，但同时线圈的绕制工艺就会越复杂。由三个子线圈构成的组合球形线圈的绕组结构，每一个组合线圈都包含三个独立的子线圈，每两个子线圈之间都增加了一定厚度的环氧骨架，组合球形线圈的整体尺寸和结构没有改变。由于子线圈之间增加了环氧骨架，故每层线圈的匝数有所减少。这种组合球形线圈产生的磁场分布可以用同样的方法计算，也能保证超导转子与球腔内壁的间隙内磁场近似均匀分布，进而产生最大的支承力和支承刚度。为了使得超导转子表面磁场达到可能的最大值，三个子线圈应该加载不同的电流值。相对于，该组合球形线圈能够产生的支承刚度略大于球形线圈支承结构，但是该组合球形线圈中激磁电流的控制策略比球形线圈相对复杂。
本发明利用上述球形线圈支承结构进行超导转子悬浮的方法，其特征在于：下悬浮线圈加载电流，随着电流增加，超导转子逐渐从底部浮起；当超导转子悬浮至球形腔体中心位置时，将下悬浮线圈和上悬浮线圈同时加载电流，并调整电流值，保证超导转子始终位于球形腔体的中心位置，电流增加至设定的最大值时保持恒定；给四个侧向悬浮线圈同时加载电流，直至增加到设定的最大值后保持恒定；各个线圈最大电流值设定的原则是当超导转子在球形腔体内的任意位置时其表面的磁场强度不大于超导转子的下临界磁场。
本发明能有效提高超导转子的支承刚度，降低超导转子的阻力矩和干扰力矩，同时提高超导支承结构的加工工艺性，主要包括减小加工、组装难度，提高支承结构参数的一致性，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明的球形线圈支承结构图；
图2为本发明的组合球形线圈支承结构图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。
如图1所示，上悬浮线圈1、下悬浮线圈2和侧向悬浮线圈3都由线径0.04cm的NbTi绕制而成，在环氧骨架4上绕制超导线圈后，其内表面组成的球腔半径为2.55cm。以上悬浮线圈为例说明其结构参数，线圈绕制区对应的极角范围为10～42度。线圈共绕有3层，总厚度为0.12cm。线圈由内至外每层的匝数分别为35、36、37，在这三层中每匝导线所占用的极角为32/35、32/36、32/37度，每层导线中心所对应的半径分别为2.57、2.61、2.65cm。其它五个线圈的结构完全相同，各线圈中加载的电流值根据需要的磁场值确定。上悬浮线圈1安装于球形腔体的北极，其中心轴线与腔体北极轴线一致；下悬浮线圈2安装于球形腔体的南极，其中心轴线与腔体南极轴线一致，与上悬浮线圈1对称；四个侧向悬浮线圈3分别安装于球形腔体水平方向的对称位置，其中心轴线都在球形腔体的赤道面上，且分别相差90度。本发明的球形线圈支承结构的六个线圈全部绕制完成后，先将下悬浮线圈2和相邻的两个侧向悬浮线圈3组装，之后将超导转子放置于该半球形腔体内，再将上悬浮线圈1和另外两个侧向悬浮线圈3组装。
本发明的球形线圈支承结构的工作过程如下：首先给下悬浮线圈2加载激磁电流，随着电流增加，超导转子逐渐从底部浮起。当超导转子悬浮至球形腔体中心位置时，将下悬浮线圈2和上悬浮线圈1同时加载电流，并通过调整下悬浮线圈2和上悬浮线圈1中的电流值，保证超导转子始终位于球形腔体的中心位置。下悬浮线圈2和上悬浮线圈1的电流增加至设定的最大值时就保持恒定。此时，开始给四个侧向悬浮线圈3同时加载电流，直至增加到设定的最大值后保持恒定。这样超导转子达到了最大的支承刚度和稳定性。
如图2所示，组合球形线圈的每一个线圈都由三个子线圈5构成，在子线圈之间都增加了0.05cm厚的环氧骨架，各个子线圈5的激磁电流的大小和方向完全独立，组合球形线圈的整体尺寸和结构没有改变。仍以2.55cm球腔半径的支承结构的上悬浮线圈为例说明其结构特点，最内侧线圈对应的极角为10度，最外侧线圈对应的极角为42度，由于填充了环氧骨架使得线圈的匝数减少为每层33匝，每个子线圈的每层为11匝。其它五个线圈的结构和参数与上悬浮线圈完全相同。
本发明的组合球形线圈支承结构的组装过程和工作过程与图1所示的球形线圈完全相同。
Claims (5)
1.一种超导飞轮用球形线圈支承结构，其特征在于支承结构包括：环氧骨架和超导线圈，所述的环氧骨架，由低温环氧树脂加工而成，呈球冠形状，用于缠绕超导线圈，一个支承结构中包括六个完全相同的环氧骨架，组成X、Y、Z轴向的三对对称结构，超导线圈由低温超导线在环氧骨架上绕制而成，在一个支承结构中包括六个结构完全相同的线圈，其中位于上半球顶部的线圈为上悬浮线圈，下半球底部的线圈为下悬浮线圈，其它四个为侧向悬浮线圈，其中上悬浮线圈安装于球形腔体的北极，中心轴线与腔体北极轴线一致；下悬浮线圈安装于球形腔体的南极，中心轴线与腔体南极轴线一致，与上悬浮线圈对称；四个侧向悬浮线圈分别安装于球形腔体水平方向的对称位置，侧向悬浮线圈中心轴线都在球形腔体的赤道面上，且分别相差90度。
2.根据权利要求1所述的超导飞轮用球形线圈支承结构，其特征在于:环氧骨架的内表面为精加工的光滑球面，外表面设有凹槽用于缠绕超导线圈，凹槽的形状和分布根据所要产生磁场的需求而设计。
3.根据权利要求1或2所述的超导飞轮用球形线圈支承结构，其特征在于:超导线圈由低温超导线绕制而成，每匝线圈之间都由低温环氧胶粘结固化，线圈绕制密度以及匝数的设计原则为尽量使得超导转子与支承结构间隙内的磁场为均值分布，尽量减少各个线圈产生磁场的耦合性。
4.根据权利要求1或2所述的超导飞轮用球形线圈支承结构，其特征在于：将上悬浮线圈、下悬浮线圈、侧向悬浮线圈分别分离为几个不同的子线圈，子线圈中的励磁电流可以独立设定，同一个悬浮线圈中不同的子线圈之间都由一定厚度的环氧骨架分割和加固。
5.一种利用权利要求1所述的球形线圈支承结构进行超导转子悬浮的方法，其特征在于：
A.给下悬浮线圈加载电流，随着电流增加，超导转子逐渐从底部浮起；
B.当超导转子悬浮至球形腔体中心位置时，将下悬浮线圈和上悬浮线圈同时加载电流，并调整电流值，保证超导转子始终位于球形腔体的中心位置，电流增加至设定的最大值时保持恒定；
C.给四个侧向悬浮线圈同时加载电流，直至增加到设定的最大值后保持恒定；
D.上悬浮线圈、下悬浮线圈和四个侧向悬浮线圈的最大电流值的设定原则是当超导转子在球形腔体内的任意位置时其表面的磁场强度不大于超导转子的下临界磁场。
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