CN108006084B - 一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置,利用超导悬浮原理以及超导悬浮存在的自稳定的功能,一旦转子偏离后可自行恢复到初始位置,无需非接触式位置传感器来检测转子的位移,大大减小了磁悬浮轴承的尺寸,降低了制造成本,且增加了可靠性,设计简洁,并且采用自行研制的起悬制动为转子提供初始悬浮位置和启动力,当整个系统处于真空环境时,可实现转子的启动与制动,更好的进行控制实验及观察。
Description
技术领域
本发明涉及轴承技术领域,更具体的说是涉及一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置。
背景技术
磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中,是转子与定子之间没有机械接触,与传统的滑动轴承或滚动轴承相比,具有高转速、高精度、功耗低、无机械接触、无需润滑等优点。随着磁悬浮轴承的不断改进,目前在很多领域都得到广泛的应用。而随着超导技术的发展、设备制造工艺和系统建设水平的提高,磁悬浮技术的应用能力得到了更快速的提升。
传统的磁悬浮轴承需要5个或10个非接触式位置传感器来检测转子的位移。由于传感器的存在,使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低,且成本高、可靠性低。同时由于受结构的限制,传感器不能装在磁悬浮轴承的中间,使系统的控制方程相互耦合,导致控制器设计更为复杂。此外,由于传感器的价格较高,导致磁悬浮轴承的售价很高,这大大限制了它在工业上的推广应用。
因此,如何提供一种控制器结构简单且成本低廉的磁悬浮轴承,是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置来解决现有技术中磁悬浮轴承结构复杂制作工艺难以及成本昂贵的问题。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置,包括:平台、支腿,其中支腿与平台底面垂直连接,其特征在于,还包括:第一电机、联轴器、第一齿轮、第二电机、丝杆、第二齿轮、超导盘、超导块、托盘、转子、托盘导轨;
所述第一电机与所述第一齿轮通过所述联轴器连接;
所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合;
所述第二电机与所述丝杆连接;
所述丝杆的顶端设置有外螺纹,所述丝杆通过外螺纹与所述托盘导轨连接;
所述超导盘位于所述平台顶端;所述超导块置于所述超导盘内;
所述托盘导轨贯穿所述托盘底端,使所述托盘固定在托盘导轨上;
所述转子置于所述托盘上;
所述第二齿轮包括:旋转平面、套筒;所述套筒与所述旋转平面一体式连接,并且所述套筒位于所述旋转平面的中心位置,并且与所述旋转平面垂直;
所述套筒以非接触的方式套设在所述丝杆的外表面,并且所述套筒的顶端与所述托盘导轨相连接;
所述第一电机、所述第二电机、所述第一齿轮、所述旋转平面均设置在所述平台的底端。
上述方案的有益效果是:利用超导体磁悬浮自稳定的特性,无需使用非接触式位置传感器来检测转子的位移进而调整转子,不仅节约了制造成本,而且使轴承装置结构简单,并且搭配双电机起悬制动系统使用,更有利于轴承的控制,有利于工业推广。
优选的,还包括:电机固定座,所述第一电机与所述第二电机分别嵌入式固定在所述电机固定座两端。
采用上述优选方案的有益效果是:可以更好地固定电机,减弱电机运行时产生的振动,避免因电机振动传递至超导悬浮部分对其带来影响。
优选的,所述超导块为YBCO低温超导块。
优选的,所述超导块为扇形超导块拼接而成的永磁环。
采用上述优选方案的有益效果是:
超导环加工难度较大,尤其是大尺寸超导环更难以加工甚至无法加工,采取扇形拼接方法不仅易加工而且成本低,同时拼接后还能具备超导环原有的功能。其中最优选为8个扇形块,8个扇形加工最为简单,其角度为45°,同时8个扇形超导块每个超导大小合适,如果扇形个数再小会显得每个超导块都很大且加工难度较大,其他个数的话加工起来由于角度的问题难度相对较大。
优选的,所述转子为永磁环转子。
采用上述优选方案的有益效果是:永磁环转子与超导体配合使用,提高了转子的自稳定性能。
优选的,所述永磁环转子上开设有3个以上凹槽。
采用上述优选方案的有益效果是:便于观察旋转的效果。
优选的,所述永磁环转子上开设的所述凹槽内连接有扇叶。
优选的,所述扇叶包括:叶片、叶片杆,所述叶片是通过叶片杆插设在所述凹槽内与所述永磁环转子连接的。
采用上述优选方案的有益效果是:通过直接插在凹槽内,既可以避免旋转时叶片会发生偏移,同时避免了用螺丝等固定带来的质量等问题,减轻质量,转子质量越轻,悬浮越稳定。
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明提供了一种零摩擦超导磁悬浮轴承,其采用超导磁悬浮自稳定的特性,无需使用非接触式位置传感器来调整转子位置,简化了器件结构同时降低了制造成本,并且搭载起悬制动系统为转子提供启动力及制动力,更便于试验观察。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的结构示意图;
图2附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的转子结构示意图;
图3附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的具体实施方式采用的带扇叶的转子结构示意图;
图4附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的具体实施方式实验数据记录图;
图5附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的具体实施方式中残余阻力分析实验1结果图;
图6附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的具体实施方式中残余阻力分析实验1结果图对应的动力学方程解的拟合结果图;
图7附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的具体实施方式中残余阻力分析实验2结果图;
图8附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的具体实施方式中残余阻力分析实验2结果图对应的动力学方程解的拟合结果图;
图9附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的具体实施方式中残余阻力分析实验3结果图;
图10附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的具体实施方式中残余阻力分析实验3结果图对应的动力学方程解的拟合结果图;
图11附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的具体实施方式中残余阻力分析实验4结果图;
图12附图为本发明一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置的具体实施方式中残余阻力分析实验4结果图对应的动力学方程解的拟合结果图。
其中,1、第一电机,2、第二电机,3、电机固定台,4、联轴器,5、丝杆,6、超导盘,7、托盘,8、永磁环转子,9、平台,10、支腿,11、超导块,12、托盘导轨,13、第一齿轮,14、第二齿轮,141、旋转平面,142、套筒,15、螺纹段。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置,包括:平台9,与平台9底面垂直连接的支腿10,还包括:第一电机1、联轴器4、第一齿轮 13、第二电机2、丝杆5、第二齿轮14、超导盘6、超导块11、托盘7、转子 8、托盘导轨12;丝杆顶端部分设置有螺纹段15;第二齿轮14包括一体式连接的旋转平面部分141与垂直于旋转平面141且位于旋转平面中心的套筒 142;第一电机1、第二电机2、第一齿轮13、第二齿轮14旋转平面部分141 均设置在平台9底端;超导盘6置于平台9顶端;超导块11放置在超导盘6 内;第一电机1与第一齿轮13通过联轴器4连接;第一齿轮13与第二齿轮 14啮合,且第二齿轮14的旋转平面与第一齿轮13旋转平面在同一平面;第二齿轮14通过套筒142非接触式的与丝杆5套连,且齿轮套筒142贯穿平台 9和超导盘6底端;丝杆5顶端与托盘导轨12通过丝杆5顶端的螺纹段15连接;托盘7与托盘导轨12套连在一起,且托盘7可沿托盘导轨12上下滑动;转子8置于托盘7上且与托盘导轨12无接触。
在具体使用时,首先,打开第二电机2,控制使第二电机2正传,第二电机2带动丝杆5转动,从而使托盘7载有转子8沿托盘导轨12上升,到达所能到达的最高位置后,关闭第二电机2,使转子8具有一个初始 悬浮高度;然后,在超导盘6内放入液氮,使超导块11进入超导状态;接着,同时打开第一电机1和第二电机2,使第一电机1正传,第二电机2倒转,第一电机1带动第一齿轮13正传,进而带动第二齿轮14倒转,与第二齿轮2相连的托盘导轨12随之转动,托盘7及转子8随托盘导轨12转动起来,此时第二电机2 倒转,使托盘7及转子8旋转下降,观察转子8与托盘7分离后,关闭第一电机1与第二电机2,此时转子8即在一定高度悬浮且转动,在此期间,需要在超导盘6中补充液氮。
根据上述方案,通过实验分析,转子8所受的阻力很小,在真空环境中可一直旋转下去。
但是在实际应用中,很难达到真空环境的应用,故需要一个最小力矩的阈值克服各种非理想条件。其中残余力矩(理想悬浮、理想真空下,超导系统无阻力。但是在非理想情况下,由于超导体的缺陷、缝隙、不均匀等均造成了残余阻力矩,需要对大小进行掌握,该指标影响最小启动力矩。根据残余阻力矩再计算出阻力是否小于1μN。)最为突出,可以直接并且主要影响最小启动力,以下为本发明需要的最小启动力的测试实验及结果:
一、试验流程
残余 阻力矩测量:
开启设备使转子获得初始速度,在残余阻力矩下进入减速阶段,记录每转一圈的时间,以计算残余阻力矩。
二、实验结果及分析
1.实验记录
详见附图4。
2.残余阻力矩分析:
通过电磁启动,给定一个初始转动速度ω0,而后不提供任何动力,在阻力的作用下转子将会逐渐变慢,其运动规律的动力学方程为:
解微分方程,得到解为:
其中,b为空气阻力系数f=阻力矩M/旋转子转动惯量J。
转子惯量估计:
注:本实施例采用带12个叶片的转子
(1)悬浮环:铷铁硼,密度~7.5g/cm3,重量43.71g,转动惯量3.1229 ×10-3kgm2。
(2)杆:钛合金,密度~4.43g/cm3,重量0.709g/个,转动惯量2.3229× 10-6kgm2/个。
(3)叶片:铝,密度~2.7g/cm3,重量0.110g/个,转动惯量7.6650×10-7 kgm2/个。
总的转动惯量计算:6.8302×10-5kgm2。
注:实测杆+叶片=1.1g/套,与计算有偏差。
四组实验的结果(左),以及对动力学方程解的拟合结果(右)参见附图5-附图12,获得参数f和b,结果分析见下表:
实验结果看,w线性良好,验证了理论分析简化的合理性,四组结果为:
分析和结论:四组结果得到残差都很小,R-square值均大于0.95,说明动力学方程和现实情况符合的很好。四组得到的f值和b值的标准差都较小,说明结果接近。f的均值为负值,第一组、第二组的置信区间跨越零值,第三组、第四组的置信区间都在负值侧,四组综合看倾向推断f接近0/s2。我们按照4 组里95%区间的最大值0.01125/s2,做最保守估计,可以概括本实验测得的残余阻力矩为-3.1e-7±4.9e-7Nm。叶片导致的空气阻力比常磁环大1-2个数量,一方面证实一次项确实从物理机制上有空气动力学阻力提供,一方面证实叶片的空气阻力为主要项,可进一步通过真空系统的引入而降低。
残余阻力F=M/d=2.48e-6N,叶片导致的空气阻力比常磁环大1-2个数量,故而磁的相互作用产生阻力远远小于残余阻力F,大约为e-7~e-8数量级,远小于1uN。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置,包括:平台、支腿,其中支腿与平台底面垂直连接,其特征在于,还包括:第一电机、联轴器、第一齿轮、第二电机、丝杆、第二齿轮、超导盘、超导块、托盘、转子、托盘导轨;
所述第一电机与所述第一齿轮通过所述联轴器连接;
所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合;
所述第二电机与所述丝杆连接;
所述丝杆的顶端设置有外螺纹,所述丝杆通过外螺纹与所述托盘连接;
所述超导盘位于所述平台顶端,所述超导块置于所述超导盘内;
所述托盘导轨贯穿所述托盘底端,使所述托盘固定在托盘导轨上;
所述转子置于所述托盘上;
所述第二齿轮包括:旋转平面、套筒;所述套筒与所述旋转平面一体式连接,并且所述套筒位于所述旋转平面的中心位置,并且与所述旋转平面垂直;
所述套筒以非接触的方式套设在所述丝杆的外表面,并且所述套筒的顶端与所述托盘导轨相连接;
所述第一电机、所述第二电机、所述第一齿轮、所述旋转平面均设置在所述平台的底端。
2.根据权利要求1所述的一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置,其特征在于,还包括:电机固定座,所述第一电机与所述第二电机以嵌入式固定在所述电机固定座两端。
3.根据权利要求1所述的一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置,其特征在于,所述超导块为YBCO低温超导块。
4.根据权利要求1所述的一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置,其特征在于,所述超导块为扇形超导块拼接而成的永磁环。
5.根据权利要求1所述的一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置,其特征在于,所述转子为永磁环转子。
6.根据权利要求5所述的一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置,其特征在于,所述永磁环转子上开设有3个以上凹槽。
7.根据权利要求6所述的一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置,其特征在于,所述永磁环转子上开设的所述凹槽内连接有扇叶。
8.根据权利要求7所述的一种零摩擦超导磁悬浮轴承装置,其特征在于,所述扇叶包括:叶片、叶片杆,所述叶片是通过叶片杆插设在所述凹槽内与所述永磁环转子连接的。
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