CN110441056B - 一种非接触式机械能传递试验台及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了非接触式机械能传递试验台及其试验方法，利用超导磁通钉扎效应实现“隔空传动”，即通过被超导体捕获的、不可见的磁通线联接超导主动件与永磁从动件，进而传递动力及运动。试验台主要由超导组件、永磁组件、转速传感器、扭矩仪等构成，永磁组件由嵌装于从动轴端圆盘上的偶数个永磁球组成；通过伺服电机为超导主动件提供回转运动的动力，与从动轴联接的扭矩仪获取传递的扭矩大小，由转速传感器获取传递的转速大小，调节机构实现超导主动件与永磁从动件之间的间隙调节。本发明所提出的非接触式机械能传递模式是一种自稳定的“隔空传动”模式，能够满足密闭空间、有毒物质搅拌、对洁净度要求高等场所的机械能传递要求。

Description

一种非接触式机械能传递试验台及其试验方法

技术领域

本发明涉及机械能传递模式及测试仪器技术领域，具体涉及一种基于超导磁通钉扎效应的非接触式机械能传递试验台及其试验方法。

背景技术

机械能的传递在工程中随处可见，一般特指利用机械方式来传递动力和运动。具体可分为两类：一类是靠机件间的摩擦力实现传递，如带传动；另一类是靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合实现传递，如齿轮传动、链传动等。这些传统的机械能传递方式都是机械接触式的，即主动件与从动件之间直接接触或通过中间机件联接为一体，因此不可避免地存在机械磨损、磨屑污染等问题。在一些特殊应用情况下，例如密闭空间、有毒物质搅拌及洁净度要求高的场所，上述接触式机械能传递模式将难以采用或存在难以忽视的安全风险。较好的解决途径是采用非接触式机械能传递方式，取消主动件与从动件之间的机械联接，从而实现密封空间的“隔空传动”、阻断危险介质或超洁净环境与外界环境的接触，同时能避免接触式机械能传递方式中产生的磨屑污染问题。

目前已有的非接触式机械能传递方式都是基于永磁场或电磁场之间的相互作用实现的，从动件与主动件之间呈现主动控制的悬浮状态，控制方式或系统复杂、可靠性低。实际上，永磁悬浮和电磁悬浮是本质非稳定的悬浮状态，存在随时失稳的可能性。这些已有的非接触式机械能传递方式难以确保特殊场所的安全可靠性性。因此，发展一种新型的、稳定性优越的非接触式机械传动模式及试验台具有工程迫切性。

发明内容

本发明旨在针对传统接触式及已有的非接触式机械能传递方式的缺点，提出一种基于超导磁通钉扎效应的非接触式机械能传递试验台及其试验方法，实现一种稳定的“隔空传动”，满足密闭空间、有毒物质搅拌、洁净度要求高等场所的机械能传递要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种非接触式机械能传递试验台，其结构特点是：

超导组件、永磁组件与扭矩仪呈自下向上逐层安装于所述试验台上，所述超导组件的超导主动件、所述永磁组件的从动轴以及所述扭矩仪的测量头共轴设置；

以所述超导组件为主动件，所述超导组件的超导主动件呈同轴内置并紧固于冷却容器内腔中，与所述冷却容器形成同步回转构件，由驱动装置驱动能够绕中轴线回转，所述冷却容器由带孔的封盖封装；

以安装在高度位置可调的中层平台上的所述永磁组件为从动件，所述永磁组件的从动轴由轴承支承呈竖向贯穿所述中层平台，底部露出端具有圆盘，悬伸于所述超导主动件的正上方，偶数个永磁球呈周向间隔均布、嵌装于所述圆盘盘体上；所述中层平台上设有用于测量从动轴转速的转速传感器，所述转速传感器的探头与从动轴之间的径向间距可调；

所述扭矩仪由高度位置可调的上层平台支撑，测量头向下悬伸于从动轴顶部露出端的正上方，并能够与从动轴顶部露出端形成同轴装配，实现对从动轴扭矩的测量。

本发明的结构特点也在于：

所述超导主动件由第二类高温超导材料制成，内部均匀掺杂非超导相粒子。

所述冷却容器整体为轴对称结构，内胆围设形成顶端开口的内腔，与外壁之间填充有隔热层，带有出气孔的封盖螺纹封装于冷却容器顶端；

所述内腔底端中部凸起形成顶部开口的安装槽，所述超导主动件呈柱状结构，插设于安装槽中，由多个沿周向间隔均布的径向螺钉紧固；

所述冷却容器的底端中部下凸形成主动轴，所述主动轴由滚动轴承支承于试验台的下层平台上，与伺服电机的输出轴通过联轴器相连。

所述永磁球是通过粘胶嵌装于所述圆盘盘体上。

所述转速传感器通过调节螺栓安装于中层平台上的传感器安装座上，探头沿径向朝向从动轴设置，与从动轴之间的径向间距通过所述调节螺栓可调。

所述转速传感器为KH-441S一体化电涡流传感器，所述扭矩仪为WN-2型数显扭矩仪。

所述中层平台与上层平台是通过相同结构形式的调节机构实现于试验台上的高度位置可调，用于所述中层平台的调节机构为：

在试验台上呈对称设置一对竖向直线导轨，中层平台的两端固连于一对竖向直线导轨的滑块上。

本发明同时还提出了一种基于上述非接触式机械能传递试验台的试验方法，包括不同驱动转速条件下或不同冷却间隙条件下对从动轴转速特性的试验，以及不同驱动转速条件下或不同冷却间隙条件下对从动轴扭矩特性的试验，分别是：

第一组、不同驱动转速条件下对从动轴转速特性的试验是按如下步骤进行：

步骤a1、通过中层平台的调节机构调节永磁组件上永磁球与超导主动件之间的竖向间距为初始冷却间隙后，给试验台通电；

步骤a2、向冷却容器内腔中倒入液氮，使液氮面高于超导主动件上表面，充分冷却后，封装封盖；

步骤a3、启动伺服电机至达到初始驱动转速，通过转速传感器测量获得该初始冷却间隙下的从动轴转速值，然后逐渐升速，获取不同驱动转速下的从动轴转速值；

步骤a4、完成第一组试验，伺服电机停机；

第二组、不同冷却间隙条件下对从动轴转速特性的试验是按如下步骤进行：

步骤b1、完成第一组试验后，通过中层平台的调节机构逐次调节永磁球与超导主动件之间的竖向间距，每次调节完成后启动伺服电机以相同的驱动转速运行，通过转速传感器测量，获取不同冷却间隙下的从动轴转速值；

步骤b2、完成第二组试验，伺服电机停机；

第三组、不同驱动转速条件下对从动轴扭矩特性的试验是按照如下步骤进行：

步骤c1、通过上层平台的调节机构调节扭矩仪的高度位置，使扭矩仪的测量头与从动轴的顶部露出端形成同轴装配；

步骤c2、按照第一组试验步骤，通过扭矩仪测量，获取不同驱动转速下从动轴的扭矩值；

步骤c3、完成第三组试验，伺服电机停机；

第四组、不同冷却间隙条件下对从动轴扭矩特性的试验是按照如下步骤进行：

步骤d1、通过上层平台的调节机构调节扭矩仪的高度位置，使扭矩仪的测量头与从动轴的顶部露出端形成同轴装配；

步骤d2、按照第二组试验步骤进行，通过扭矩仪测量，获取不同冷却间隙下从动轴的扭矩值；

步骤d3、完成第四组试验，伺服电机停机，试验台断电。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明提出了全新的非接触式机械能传递试验台及其试验方法，填补了基于超导钉扎效应的非接触式机械能传递效率测量方面的空白，具有一定的工程应用价值，给出了一种基于超导磁通钉扎特性的非接触式机械能传递方式，是一种全新的隔空传动模式，通过被超导体捕获的、不可见的磁通线将超导主动件与永磁从动件联接起来，进而传递动力及运动；相比于已有的基于永磁、电磁场的非接触传动模式，最大优点在于其优越的自稳定性；

2、本发明提出的非接触式机械能传递方式是已有超导磁悬浮体系的逆向设计，超导磁场的作用将不仅仅局限于悬浮功能，还有联接超导主动件与永磁从动件的作用，进而传递动力及运动；

3、本发明中的永磁组件具有创新性，不同于普通的圆柱形永磁体，是采用偶数个永磁球组装而成，这是基于原理实验结果所做的创新设计，能够保证动力传递的可靠性。

附图说明

图1是本发明的剖视结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大示意图；

图3是本发明的立体剖视结构示意图；

图4是图4另一视角的结构示意图；

图5是图5中B处的局部放大示意图；

图6是本发明的控制系统原理图。

图中，1试验台；2下层平台；3中层平台；4上层平台；5冷却容器；6内胆；7外壁；8隔热层；9安装槽；10超导主动件；11径向螺钉；12主动轴；13联轴器；14伺服电机；15封盖；16出气孔；17从动轴；18圆盘；19永磁球；20转速传感器；21传感器安装座；22调节螺栓；23扭矩仪；24测量头；25直线导轨；26滚动轴承a；27轴承座a；28滚动轴承b；29轴承座b。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。

请参照图1至图6，本实施例的非接触式机械能传递试验台给出了一种非接触式机械能传递模式，核心原理是基于超导磁通钉扎效应，结构如下：

超导组件、永磁组件与扭矩仪23呈自下向上逐层安装于试验台1上，超导组件的超导主动件10、永磁组件的从动轴17以及扭矩仪23的测量头24共轴设置；

以超导组件为主动件，超导组件的超导主动件10呈同轴内置并紧固于冷却容器5内腔中，与冷却容器5形成同步回转构件，由驱动装置驱动能够绕中轴线回转，冷却容器5由带孔的封盖15封装；

以安装在高度位置可调的中层平台3上的永磁组件为从动件，永磁组件的从动轴17由高精度滚动轴承b 28支承于轴承座b 29上，呈竖向贯穿中层平台3，底部露出端具有圆盘18，悬伸于超导主动件10的正上方，偶数个永磁球19呈周向间隔均布、嵌装于圆盘18盘体上，构成永磁从动件；中层平台3上设有用于测量从动轴17转速的转速传感器20，转速传感器20的探头与从动轴17之间的径向间距可调；

扭矩仪23由高度位置可调的上层平台4支撑，测量头24向下悬伸于从动轴17顶部露出端的正上方，并能够与从动轴17顶部露出端形成同轴装配，实现对从动轴17扭矩的测量。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

超导主动件10由第二类高温超导材料制成，通过在内部均匀掺杂211非超导相粒子增强钉扎效应。

在第二类高温超导材料内部人为制造一些晶体缺陷，使得永磁从动件的磁通线处于这些缺陷位置时能量最低，磁通线被超导主动件10束缚住，使永磁从动件与超导主动件10之间通过不可见的磁通线联接起来。永磁从动件处于一种量子锁定状态下的悬浮，是一种自稳定性悬浮状态。在普通的超导磁悬浮系统中，通常的结构是：超导组件静止、永磁组件在原动机带动下运动，超导磁场只起到悬浮的作用。在本发明中进行了逆向设计，超导组件在驱动装置带动下运动、永磁组件从动，超导磁场不仅起到悬浮作用还起到了联接超导主动件10与永磁从动件的作用。永磁从动件的设计具有创新性，采用偶数个永磁球19均匀安装在圆盘18上构成，这是基于原理实验结果的设计改进，使得钉扎效应的总效果是产生绕圆盘18中心的力矩，动力传递效果较广泛采用的圆柱形永磁体要突出的多。

冷却容器5整体为轴对称结构，内胆6围设形成顶端开口的内腔，与外壁7之间填充有隔热层8，带有出气孔16的封盖15螺纹封装于冷却容器5顶端，出气孔16的设置能够防止液氮大量挥发引起安全事故；

内腔底端中部凸起形成顶部开口的安装槽9，超导主动件10呈柱状结构，插设于安装槽9中，是由多个沿周向间隔均布的径向螺钉11实现与安装槽9之间的紧固，这种结构形式能够适应一定尺寸范围内的超导主动件10安装；同时，超导主动件10与冷却容器5之间通过液氮温区粘胶联接为一体，从而实现同步回转；

冷却容器5的底端中部下凸形成主动轴12，主动轴12由高精度滚动轴承a 26支承于试验台1的下层平台2上的轴承座a 27，与伺服电机14的输出轴通过联轴器13相连。通过伺服驱动器和计算机对伺服电机14的转速进行控制，满足不同的试验需求。

永磁球19是通过粘胶嵌装于圆盘18盘体上，圆盘18的盘体底部对应于各永磁球19具有多个凹槽，永磁球19通过粘胶嵌于凹槽中，球体露出于圆盘18外。永磁球19的磁感应线被超导主动件10捕获后联接为一体，产生围绕安装轴中心的扭矩。不能采用普通的圆柱形永磁体，否则由于磁通钉扎的径向约束力过小而不能实现动力传递。

转速传感器20通过调节螺栓22安装于中层平台3上的传感器安装座21上，探头沿径向朝向从动轴17设置，与从动轴17之间的径向间距通过调节螺栓22可调。或，将传感器安装座21以可拆装的形式安装在中层平台3上，通过调整传感器安装座21的位置来实现对转速传感器20与从动轴17之间相对间距的调节亦可。

扭矩仪23为WN-2型数显扭矩仪23，转速传感器20为KH-441S一体化电涡流传感器，使试验台1具有0.0001N.m的扭矩测量精度与0-10kHz的频响特性的转速测量范围。

其中，扭矩仪23的测量头24上具有轴向测量孔，从动轴17的顶部露出端外形尺寸与测量孔相适配，能够装配于测量孔中，形成扭矩特性试验时扭矩仪23与从动轴17的组装。

中层平台3与上层平台4是通过相同结构形式的调节机构实现于试验台1上的高度位置可调，用于中层平台3的调节机构为：

在试验台1上呈对称设置一对竖向直线导轨25，中层平台3的两端固连于一对竖向直线导轨25的滑块上。可以采用手动调整或电动驱动的形式实现滑块的竖向滑移与固定，此部分对于本领域普通技术人员而言是容易理解且易于实现的，属于常规技术手段，不做赘述。

试验台1基础框架及上、中、下层平台以型钢、板材等为材料制作，各框架平台构件之间采用螺栓螺母式安装形式。各回转件分别由轴承支承，轴承安装于对应平台的轴承座上。

本发明实施例同时还给出了基于上述非接触式机械能传递试验台1的试验方法，包括不同驱动转速条件下或不同冷却间隙条件下对从动轴17转速特性的试验，以及不同驱动转速条件下或不同冷却间隙条件下对从动轴17扭矩特性的试验，其中：

第一组、不同驱动转速条件下对从动轴17转速特性的试验是按如下步骤进行：

步骤a1、通过中层平台3的调节机构调节永磁组件上永磁球19与超导主动件10之间的竖向间距为初始冷却间隙后，给试验台1通电；

步骤a2、向冷却容器5内腔中倒入液氮，使液氮面高于超导主动件10上表面，充分冷却后，封装封盖15；

步骤a3、启动伺服电机14至达到初始驱动转速，通过转速传感器20测量获得该初始冷却间隙下的从动轴17转速值，然后逐渐升速，获取不同驱动转速下的从动轴17转速值；

步骤a4、完成第一组试验，伺服电机14停机；

第二组、不同冷却间隙条件下对从动轴17转速特性的试验是按如下步骤进行：

步骤b1、完成第一组试验后，通过中层平台3的调节机构逐次调节永磁球19与超导主动件10之间的竖向间距，每次调节完成后启动伺服电机14以相同的驱动转速运行，通过转速传感器20测量，获取不同冷却间隙下的从动轴17转速值；

步骤b2、完成第二组试验，伺服电机14停机；

第三组、不同驱动转速条件下对从动轴17扭矩特性的试验是按照如下步骤进行：

步骤c1、通过上层平台4的调节机构调节扭矩仪23的高度位置，使扭矩仪23的测量头24与从动轴17的顶部露出端形成同轴装配；

步骤c2、按照第一组试验步骤，通过扭矩仪23测量，获取不同驱动转速下从动轴17的扭矩值；试验中转速传感器20不工作；

步骤c3、完成第三组试验，伺服电机14停机；

第四组、不同冷却间隙条件下对从动轴17扭矩特性的试验是按照如下步骤进行：

步骤d1、通过上层平台4的调节机构调节扭矩仪23的高度位置，使扭矩仪23的测量头24与从动轴17的顶部露出端形成同轴装配；

步骤d2、按照第二组试验步骤进行，通过扭矩仪23测量，获取不同冷却间隙下从动轴17的扭矩值；试验中转速传感器20不工作；

步骤d3、完成第四组试验，伺服电机14停机，试验台1断电。

本发明实施例提出的非接触式机械能传递试验台1及其试验方法是全新的，目前暂无该类型的试验台1，其功能是对基于超导钉扎效应的非接触式机械能传递效率进行精确测量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种非接触式机械能传递试验台，其特征是：

超导组件、永磁组件与扭矩仪(23)呈自下向上逐层安装于所述试验台(1)上，所述超导组件的超导主动件(10)、所述永磁组件的从动轴(17)以及所述扭矩仪(23)的测量头(24)共轴设置；

以所述超导组件为主动件，所述超导组件的超导主动件(10)呈同轴内置并紧固于冷却容器(5)内腔中，与所述冷却容器(5)形成同步回转构件，由驱动装置驱动能够绕中轴线回转，所述冷却容器(5)由带孔的封盖(15)封装；

以安装在高度位置可调的中层平台(3)上的所述永磁组件为从动件，所述永磁组件的从动轴(17)由轴承支承呈竖向贯穿所述中层平台(3)，底部露出端具有圆盘(18)，悬伸于所述超导主动件(10)的正上方，偶数个永磁球(19)呈周向间隔均布、嵌装于所述圆盘(18)盘体上；所述中层平台(3)上设有用于测量从动轴(17)转速的转速传感器(20)，所述转速传感器(20)的探头与从动轴(17)之间的径向间距可调；

所述扭矩仪(23)由高度位置可调的上层平台(4)支撑，测量头(24)向下悬伸于从动轴(17)顶部露出端的正上方，并能够与从动轴(17)顶部露出端形成同轴装配，实现对从动轴(17)扭矩的测量。

2.根据权利要求1所述的非接触式机械能传递试验台，其特征是：所述超导主动件(10)由第二类高温超导材料制成，内部均匀掺杂211非超导相粒子。

3.根据权利要求1所述的非接触式机械能传递试验台，其特征是：

所述冷却容器(5)整体为轴对称结构，内胆(6)围设形成顶端开口的内腔，与外壁(7)之间填充有隔热层(8)，带有出气孔的封盖(15)螺纹封装于冷却容器(5)顶端；

所述内腔底端中部凸起形成顶部开口的安装槽(9)，所述超导主动件(10)呈柱状结构，插设于安装槽(9)中，由多个沿周向间隔均布的径向螺钉(11)紧固；

所述冷却容器(5)的底端中部下凸形成主动轴(12)，所述主动轴(12)由滚动轴承支承于试验台(1)的下层平台(2)上，与伺服电机的输出轴通过联轴器(13)相连。

4.根据权利要求1所述的非接触式机械能传递试验台，其特征是：所述永磁球(19)是通过粘胶嵌装于所述圆盘(18)盘体上。

5.根据权利要求1所述的非接触式机械能传递试验台，其特征是：所述转速传感器(20)通过调节螺栓(22)安装于中层平台(3)上的传感器安装座(21)上，探头沿径向朝向从动轴(17)设置，与从动轴(17)之间的径向间距通过所述调节螺栓(22)可调。

6.根据权利要求1所述的非接触式机械能传递试验台，其特征是：所述转速传感器(20)为KH-441S一体化电涡流传感器，所述扭矩仪(23)为WN-2型数显扭矩仪(23)。

7.根据权利要求1所述的非接触式机械能传递试验台，其特征是所述中层平台(3)与上层平台(4)是通过相同结构形式的调节机构实现于试验台(1)上的高度位置可调，用于所述中层平台(3)的调节机构为：

在试验台(1)上呈对称设置一对竖向直线导轨(25)，中层平台(3)的两端固连于一对竖向直线导轨(25)的滑块上。

8.一种基于如权利要求1-7任一项所述的非接触式机械能传递试验台的试验方法，所述试验方法包括不同驱动转速条件下或不同冷却间隙条件下对从动轴(17)转速特性的试验，以及不同驱动转速条件下或不同冷却间隙条件下对从动轴(17)扭矩特性的试验，其特征是：

第一组、不同驱动转速条件下对从动轴(17)转速特性的试验是按如下步骤进行：

步骤a1、通过中层平台(3)的调节机构调节永磁组件上永磁球(19)与超导主动件(10)之间的竖向间距为初始冷却间隙后，给试验台(1)通电；

步骤a2、向冷却容器(5)内腔中倒入液氮，使液氮面高于超导主动件(10)上表面，充分冷却后，封装封盖(15)；

步骤a3、启动伺服电机至达到初始驱动转速，通过转速传感器(20)测量获得该初始冷却间隙下的从动轴(17)转速值，然后逐渐升速，获取不同驱动转速下的从动轴(17)转速值；

步骤a4、完成第一组试验，伺服电机停机；

第二组、不同冷却间隙条件下对从动轴(17)转速特性的试验是按如下步骤进行：

步骤b1、完成第一组试验后，通过中层平台(3)的调节机构逐次调节永磁球(19)与超导主动件(10)之间的竖向间距，每次调节完成后启动伺服电机以相同的驱动转速运行，通过转速传感器(20)测量，获取不同冷却间隙下的从动轴(17)转速值；

步骤b2、完成第二组试验，伺服电机停机；

第三组、不同驱动转速条件下对从动轴(17)扭矩特性的试验是按照如下步骤进行：

步骤c1、通过上层平台(4)的调节机构调节扭矩仪(23)的高度位置，使扭矩仪(23)的测量头(24)与从动轴(17)的顶部露出端形成同轴装配；

步骤c2、按照第一组试验步骤，通过扭矩仪(23)测量，获取不同驱动转速下从动轴(17)的扭矩值；

步骤c3、完成第三组试验，伺服电机停机；

第四组、不同冷却间隙条件下对从动轴(17)扭矩特性的试验是按照如下步骤进行：

步骤d1、通过上层平台(4)的调节机构调节扭矩仪(23)的高度位置，使扭矩仪(23)的测量头(24)与从动轴(17)的顶部露出端形成同轴装配；

步骤d2、按照第二组试验步骤进行，通过扭矩仪(23)测量，获取不同冷却间隙下从动轴(17)的扭矩值；

步骤d3、完成第四组试验，伺服电机停机，试验台(1)断电。

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