CN105927666B - 能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统及方法。通过在超导球转子赤道上下45°的位置，分别左右对称设有矩形槽作为交变磁场感应槽；转子腔的内壁上，对应交变磁场感应槽的位置分别设有加热线圈，加热线圈与上金属块和下金属块之间设有绝缘隔膜。当磁力线被冻结在超导球转子内部，关闭上下悬浮线圈的电源，向通气管道通入氦气使超导球转子悬浮，并由进气孔向转子腔通入氦气使超导球转子旋转，悬浮间隙内的磁场在遇到交变磁场感应槽时的变化，使得加热线圈处在交变磁场中而感应出涡流导致加热线圈温度升高，加热超导球转子，当超导球转子的温度高于临界温度后，其内部的磁力线排出，使超导球转子快速恢复迈斯纳超导悬浮状态。

Description

能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统及方法
技术领域
本发明属于超导磁悬浮技术领域，特别涉及一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统及方法。
背景技术
磁悬浮系统一般为非接触电磁力支承转子悬浮，具有无摩擦损耗，能耗小等优点，而超导磁悬浮系统更是具有长期稳定性，利用超导磁悬浮研制的测量仪器具有噪声低、稳定性好、漂移小、能耗小和灵敏度高等特点。
超导磁悬浮通常利用超导体的迈斯纳效应(超导体磁导率为零)实现，当悬浮系统温度低于超导体的临界温度时，具有迈斯纳效应的超导体内部磁场为零，超导体表面产生的感应电流产生的磁场与外磁场大小相等、方向相反，相互作用表现为电磁排斥力，此时超导体具有完全抗磁性，表现出最稳定的悬浮。
当超导体由于材料缺陷产生的涡流损耗，或者超导体与悬浮腔发生剐蹭，或者系统制冷失效，使得超导悬浮系统温度高于超导材料的临界温度时，超导体的磁导率不为零，外界磁力线进入超导体内部。此时超导悬浮不遵循迈斯纳效应，超导磁悬浮稳定性下降，导致测量系统误差增大，甚至磁悬浮转子不能正常工作等情况。若超导体温度很快又降回到超导材料的临界温度以下，则穿透到超导体内部的磁力线被冻结在超导体的内部，此时超导体可被看做成一个永磁体，其产生的磁力线回路与外界悬浮磁场磁力线回路方向相反，因此通电悬浮线圈与超导体之间产生吸引力，并且通电电流与电磁力无固定函数关系，表现为非稳定悬浮。一般采用停止低温系统制冷及悬浮线圈电流使温度恢复到超导材料临界温度以上，使得冻结在超导转子内部的磁力线从超导转子内部排出，但此种方法低温系统回温时间长，并且回温后还需再次启动制冷，因此过程较长，操作繁琐，不利于超导磁悬浮系统出现故障时的快捷恢复，影响了系统测量的简便操控性，提高了维护成本。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统及方法。
一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统，该系统包括圆柱状的密封腔体13、悬浮线圈、上金属块6、下金属块7、由所述上金属块6和下金属块7的内表面形成的转子腔1、超导球转子4、进气孔10和出气孔11；其特征在于，
在超导球转子4赤道上下45°的位置，分别左右对称设有矩形槽作为交变磁场感应槽5；上金属块6和下金属块7的内表面上，对应交变磁场感应槽5的位置分别设有加热线圈9，加热线圈9与上金属块6和下金属块7之间设有绝缘隔膜；在超导球转子4的下侧，正对超导球转子4的悬浮中心设有悬浮气体的通气管道17，以及在密封腔体13的上下两侧分别设有一个温度计8，用于监测温度变化。
所述超导球转子4为采用铌或铅制成的空心薄壁球。
当超导球转子4需要0.001-1N/m的较弱支撑刚度时，上金属块6和下金属块7采用普通金属导体，包括铝或铜；当超导球转子4需要1-1000N/m的较强支撑刚度时，上金属块6和下金属块7采用对磁场具有整形作用的超导材料，包括铌或铅，此时，在上金属块6和下金属块7的中心开有通孔供磁力线穿过。
所述上金属块6和下金属块7之间设有环氧树脂绝缘层12将两者绝缘，环氧树脂绝缘层12上左右对称设有进气孔10和出气孔11，进气孔10和出气孔11的轴心线和超导球转子4的悬浮中心在一条直线上。
所述加热线圈9为螺旋形内球面形状的闭环金属丝。
在密封腔体13外部设有一个液氦容器14，密封腔体13通过左右拉杆15悬挂在液氦容器14中。
上述一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的方法，包括以下步骤：
当超导磁悬浮系统发生故障导致磁力线被冻结在超导球转子4内部，超导球转子4不能按照迈斯纳效应产生完全抗磁力而稳定悬浮，此时关闭悬浮线圈的电源，通过通气管道17通入氦气使超导球转子4悬浮，并由进气孔10向转子腔1通入氦气使超导球转子4旋转，悬浮间隙内的磁场在遇到交变磁场感应槽5时的变化，使得加热线圈9处在交变磁场中而感应出涡流导致加热线圈9温度升高，加热超导球转子4，当超导球转子4的温度高于临界温度后，其内部的磁力线排出，停止超导球转子4旋转，加热线圈9电流逐渐衰减为零，当磁悬浮系统的温度降低至临界温度以下，超导球转子4重新获得超导态，此时超导球转子4内部无磁力线，开启悬浮线圈的电源，超导球转子4处于迈斯纳超导悬浮状态，使超导球转子4获得稳定悬浮，从而使得超导磁悬浮系统能够正常工作。
所述密封腔体13通过左右拉杆15悬挂在液氦容器14中，密封腔体13与液氦容器14的间隙中充满液氦16，防止磁力线排出过程中，磁悬浮系统的温升过高。
本发明的有益效果为：
本发明能够快速消除冻结在超导球转子体内的磁力线，使超导球转子恢复到迈斯纳超导悬浮状态，稳定悬浮，快速恢复超导磁悬浮系统的正常工作。本发明为超导磁悬浮仪器的快速简便操控和维护提供了重要参考。
附图说明
图1为一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统示意图；
图2为加热器示意图；
图3为交变磁场感应槽和加热器配合示意图。
标号说明：1-转子腔、2-上悬浮线圈、3-下悬浮线圈、4-超导球转子、5-交变磁场感应槽、6-上金属块、7-下金属块、8-温度计、9-加热线圈、10-进气孔、11-出气孔、12-绝缘层、13-密封腔体，14-液氦容器，15-拉杆，16-液氦，17-通气管道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
如图1所示一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统，包括圆柱状的密封腔体13，密封腔体13的内部设有圆环状的上悬浮线圈2和下悬浮线圈3，上悬浮线圈2和下悬浮线圈3之间设有上金属块6和下金属块7，上金属块6和下金属块7的内表面形成球形空腔，作为转子腔1，转子腔1内装有超导球转子4，其为铌或铅制成的空心薄壁球。通过上悬浮线圈2和下悬浮线圈3产生悬浮超导球转子4的悬浮力，并通过调节上悬浮线圈2和下悬浮线圈3的电流大小使超导球转子4在垂直方向具有一定的支承刚度。当超导球转子4需要0.001-1N/m的较弱支撑刚度时，上金属块6和下金属块7采用普通金属导体，包括铝或铜；不论系统温度多低，悬浮线圈产生的磁力线可穿过上金属块6和下金属块7，上金属块6和下金属块7对磁力线不具整形作用。当超导球转子4需要1-1000N/m的较强支撑刚度时，上金属块6和下金属块7采用对磁场具有整形作用的超导材料，包括铌或铅，此时，上金属块6和下金属块7的中心开有通孔供磁力线穿过；当上金属块6和下金属块7处于低温超导态时，磁力线不能穿过上金属块6和下金属块7，只能通过其中心的通孔穿过，对磁力线起到整形作用，增大了超导球转子4悬浮间隙内的磁通密度，进而增大了对超导球转子4的支承刚度。上金属块6和下金属块7之间设有环氧树脂绝缘层12将两者绝缘，使磁力线可以从此通过形成闭环回路；环氧树脂绝缘层12上左右对称设有进气孔10和出气孔11，进气孔10和出气孔11的轴心线和超导球转子4的悬浮中心在一条直线上；通过进气孔10向转子腔1内通入一定压强的气体带动超导球转子4加速旋转，当加速到工作转速后从出气口11抽出内部气体，使超导球转子4在真空环境下稳定旋转；若转子腔1内需要换热，则通过向进气孔10通入氦气进行导热。
如图3所示，在超导球转子4赤道上下45°的位置，分别左右对称设有矩形槽作为交变磁场感应槽5，若要加热功率大则矩形槽尺寸设计应相对较大。上金属块6和下金属块7的内表面上，对应交变磁场感应槽5的位置分别设有加热线圈9，加热线圈9的尺寸与交变磁场感应槽5的尺寸相适应。如图2所示，本实施例中采用的加热线圈9为螺旋形内球面形状的闭环金属丝，使得加热线圈9具有较高电阻，增大加热功率。在加热线圈9与上金属块6和下金属块7之间设有绝缘隔膜进行隔热。在超导球转子4的下侧，正对超导球转子4的悬浮中心设有悬浮气体的通气管道17，以及在密封腔体13的上下两侧分别设有一个温度计8，用于监测温度变化。
在密封腔体13外部设有一个液氦容器14，密封腔体13通过左右拉杆15悬挂在液氦容器14中。
本系统消除超导球转子4内部磁力的方法，包括以下步骤：
当超导磁悬浮系统发生故障导致磁力线被冻结在超导球转子4内部，超导球转子4不能按照迈斯纳效应产生完全抗磁力而稳定悬浮，此时关闭上悬浮线圈2和下悬浮线圈3的电源，通过通气管道17通入氦气使超导球转子4悬浮，并由进气孔10向转子腔1通入氦气使超导球转子4旋转，悬浮间隙内的磁场在遇到交变磁场感应槽5时的变化，使得加热线圈9处在交变磁场中而感应出涡流导致加热线圈9温度升高，加热超导球转子4，当超导球转子4的温度高于临界温度后，其内部的磁力线排出，停止超导球转子4旋转，加热线圈9电流逐渐衰减为零，当磁悬浮系统的温度降低至临界温度以下，超导球转子4重新获得超导态，此时超导球转子4内部无磁力线，开启上悬浮线圈2和下悬浮线圈3的电源，超导球转子4处于迈斯纳超导悬浮状态，使超导球转子4获得稳定悬浮，从而使得超导磁悬浮系统能够正常工作。
在密封腔体13与液氦容器14的间隙中充满液氦16，防止磁力线排出过程中，磁悬浮系统的温升过高。

Claims (8)

1.一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统，该系统包括圆柱状的密封腔体(13)、悬浮线圈、上金属块(6)、下金属块(7)、由所述上金属块(6)和下金属块(7)的内表面形成的转子腔(1)、超导球转子(4)、进气孔(10)和出气孔(11)；其特征在于，
在超导球转子(4)赤道上下45°的位置，分别左右对称设有矩形槽作为交变磁场感应槽(5)；上金属块(6)和下金属块(7)的内表面上，对应交变磁场感应槽(5)的位置分别设有加热线圈(9)，加热线圈(9)与上金属块(6)和下金属块(7)之间设有绝缘隔膜；在超导球转子(4)的下侧，正对超导球转子(4)的悬浮中心设有悬浮气体的通气管道(17)，以及在密封腔体(13)的上下两侧分别设有一个温度计(8)，用于监测温度变化。
2.根据权利要求1所述一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统，其特征在于，所述超导球转子(4)为采用铌或铅制成的空心薄壁球。
3.根据权利要求1所述一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统，其特征在于，当超导球转子(4)需要0.001-1N/m的较弱支撑刚度时，上金属块(6)和下金属块(7)采用普通金属导体，包括铝或铜；当超导球转子(4)需要1-1000N/m的较强支撑刚度时，上金属块(6)和下金属块(7)采用对磁场具有整形作用的超导材料，包括铌或铅，此时，在上金属块(6)和下金属块(7)的中心开有通孔供磁力线穿过。
4.根据权利要求1所述一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统，其特征在于，所述上金属块(6)和下金属块(7)之间设有环氧树脂绝缘层(12)将两者绝缘，环氧树脂绝缘层(12)上左侧设有进气孔(10)，右侧设有出气孔(11)，进气孔(10)和出气孔(11)对称分布，且进气孔(10)和出气孔(11)的轴心线和超导球转子(4)的悬浮中心在一条直线上。
5.根据权利要求1所述一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统，其特征在于，所述加热线圈(9)为螺旋形内球面形状的闭环金属丝。
6.根据权利要求1所述一种能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统，其特征在于，在密封腔体(13)外部设有一个液氦容器(14)，密封腔体(13)通过左右拉杆(15)悬挂在液氦容器(14)中。
7.一种权利要求1所述的能够快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的系统快速消除超导磁悬浮转子内部磁力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
当超导磁悬浮系统发生故障导致磁力线被冻结在超导球转子(4)内部，超导球转子(4)不能按照迈斯纳效应产生完全抗磁力而稳定悬浮，此时关闭悬浮线圈的电源，通过通气管道(17)通入氦气使超导球转子(4)悬浮，并由进气孔(10)向转子腔(1)通入氦气使超导球转子(4)旋转，悬浮间隙内的磁场在遇到交变磁场感应槽(5)时的变化，使得加热线圈(9)处在交变磁场中而感应出涡流导致加热线圈(9)温度升高，加热超导球转子(4)，当超导球转子(4)的温度高于临界温度后，其内部的磁力线排出，停止超导球转子(4)旋转，加热线圈(9)电流逐渐衰减为零，当磁悬浮系统的温度降低至临界温度以下，超导球转子(4)重新获得超导态，此时超导球转子(4)内部无磁力线，开启悬浮线圈的电源，超导球转子(4)处于迈斯纳超导悬浮状态，使超导球转子(4)获得稳定悬浮，从而使得超导磁悬浮系统能够正常工作。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，密封腔体(13)通过左右拉杆(15)悬挂在液氦容器(14)中，密封腔体(13)与液氦容器(14)的间隙中充满液氦(16)，防止磁力线排出过程中，磁悬浮系统的温升过高。
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