CN112087162A - 一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温超导磁悬浮领域，是一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，主要包括超导平动磁悬浮结构、标定装置和测量装置。具体分为超导平面铺层、永磁浮台、冷却剂容器、小球、圆弧导轨、图像采集设备、支架。利用超导体零场冷下的完全抗磁性，消除了磁通钉扎，使永磁浮台平动不受阻碍；超导平面铺层采用叠层超导带和拼接超导体结合的两层结构，在保证悬浮力的同时降低了超导体拼接缝隙对平动阻尼的影响，结构简单且可行性高；永磁浮台尺寸远小于超导平面尺寸，降低了超导体的边缘效应，保证悬浮力稳定。本发明将解决现有气浮台半实物仿真方法的结构复杂、质量大、摩擦阻尼较大等问题。

Description

一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统

技术领域

本发明涉及微小卫星物理仿真以及阻尼力测量等领域，具体是一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统。

背景技术

随着航天科技的不断进步以及航天任务要求的日益提高，微小卫星开始广泛使用。用于微小卫星的微推力器推力小、比冲高，能够对卫星的轨道和姿态进行精确调整。为避免推力器故障，确保卫星在轨运行的可靠性，有必要对其进行地面半实物仿真测试。然而，微小卫星的推重比非常小，对其地面测试提出了很高的要求。

目前常见的半实物仿真设备通常采用气浮平台，然而，气浮平台对于气体工质具有强依赖性，无法在真空环境下运行，结构复杂且体积庞大，大大限制了半实物仿真平台的测量精度和灵敏度，不利于微推力器的地面半实物仿真。

超导磁悬浮轴承结构简单，无需特定的工质即可实现悬浮，可以在真空条件下使用，此外，其摩擦系数小且承载能力强，可以有效模拟太空微重力、低摩擦的工作环境。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，其整体结构简单，可以实现无源悬浮，无需复杂的悬浮控制系统；承载能力高，可以实现至少5kg的有效载荷，可以满足微小卫星的半实物仿真需求；系统运行阻尼小，摩擦损耗系数可达到10^-5量级以下。

所述的超导平动磁悬浮系统包括超导平动悬浮结构、阻尼标定装置、平动轨迹采集装置。超导平动磁悬浮结构包括超导平面铺层、永磁浮台、冷却结构；阻尼标定装置包括圆弧导轨、小球、测速光栅；平动轨迹采集装置包括图像传感器、相机支架。

超导平面铺层采用双层铺设结构，下层的超导块拼接层提供大部分的悬浮力，上层的叠层超导带可以降低超导块拼接缝隙带来的磁滞，降低永磁浮台运动中的阻尼和磁滞损耗，整个超导平面水平放置于样本架的槽内，尽量减小拼接间隙。

永磁浮台位于超导平面铺层上方，包括永磁体和负载平台。四块圆柱形钕铁硼永磁体分别固定于负载平台下方的四个角；负载平台上方承载微推力器，下方为永磁体提供限位结构，为避免永磁体磁场干扰推进器，平台也提供磁场屏蔽的作用。

冷却结构包括冷却剂和冷却容器，液氮作为冷却剂，可以满足高温超导体的冷却需求，液氮容器为方形泡沫盒，低温下不易变形，保温性能良好。

标定装置中的圆弧导轨，采用圆弧沟槽结构，小球释放段和出口段的高度差为20mm，导轨通过两个支撑杆与实验平台连接。

测速光栅位于圆弧导轨出口段，用于负责测量小球在出口段的速度。

图像传感器用于采集永磁浮台的运动轨迹，核心设备为CCD相机，相机主要参数为：分辨率为1280×960dpi，像素为水平3.75μm，垂直3.75μm，帧速率为30fps，最小曝光时间10^-6s。采用相机的灰度模式采集图像，存储到计算机中进行处理。

相机支架用于支撑相机和调整相机的位置，保证相机的拍摄范围能够完全覆盖永磁浮台的运动范围。

本发明的优点

1)一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，利用超导体零场冷下的完全抗磁性，在保证悬浮力的同时确保永磁浮台在水平方向可以自由平动，具有低损耗、高承载的特点，可在真空条件下使用。

2)一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，超导平面铺层采用了叠层超导带与拼接超导块相结合的结构。叠层超导带削减了超导块拼接间隙所带来的悬浮力损失和磁滞阻尼，结构简单，容易实现。

3)一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，超导平面的尺寸远大于永磁体浮台尺寸，可以有效降低超导体的边缘效应，使悬浮力在运动过程中保持稳定。

本发明的有益效果是：将零场冷下的超导磁悬浮技术应用于微小卫星的半实物仿真平台中，在满足大承载的同时实现接近零阻尼平动，使整个浮台不需要依靠控制系统即可实现磁悬浮，有效模拟了太空低摩擦、微重力的环境，实现了一种航天半实物仿真新方法。

附图说明

图1是本发明一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统的示意图；

1-小球，2-圆弧导轨，3-测速光栅，4-液氮容器，5-超导平面铺层，6-永磁浮台，7-微推力器，8-支架，9-CCD相机。

图2是本发明超导平面铺层的结构示意图；

501-叠层超导带，502-拼接超导体，503-超导体架。

图3是本发明永磁浮台的结构示意图；

601-磁屏蔽板，602-背板，603-圆柱永磁体

具体实施方式

下面将结合附图和实施要领对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，利用零场冷条件下超导体的完全抗磁性实现平动悬浮，没有磁通钉扎现象，在超导平面接近无限大的情况下，使永磁体仅受到竖直方向上的悬浮力，几乎没有水平方向阻尼力。该装置结构简单，操作方便，可以实现对于微小卫星的平动控制的半实物仿真。

所述装置如图1所示，包括小球1，圆弧导轨2，测速光栅3，液氮容器4，超导平面铺层5，永磁浮台6，微推力器7，支架8，CCD相机9。

导轨2为圆弧结构，采用不锈钢材质，导轨槽宽度20mm，深度10mm，导轨入口段和出口段高度差为200mm，通过两根支架与实验台连接。在导轨末端安装测速光栅3用来测量小球在出口段的速度。

如图2所示，超导平面铺层5为300mm×300mm方形平面，结构可分为上下两层，上层叠层超导带层501，总厚度1mm，为10层YBCO超导带叠层形成，单根超导带厚度0.1mm，宽度10mm；下层为拼接超导体层502，厚度为15mm，为150块YBCO六方超导块无缝拼接而成，单块厚度15mm，边长15mm。超导平面铺设过程为首先将超导体按照规律在超导体架503的槽内拼接，确保拼接后总体形状为方形，拼接完成后利用碎塑料泡沫填充边缘间隙，使超导块之间尽可能紧密，不易发生移动；然后将超导带分层叠加，将第一层铺满后再铺设第二层，每铺设一层都要利用重物压平压实。超导平面铺设5完成后，水平放置于液氮容器4内。

永磁浮台6采用方形结构，背板602下方开四个圆形槽，槽内放置四个圆柱永磁体603组成的阵列，其中单个圆柱永磁体直径30mm，高度25mm，背板上方为磁屏蔽板601，起到磁屏蔽的作用。

CCD相机9通过相机支架8固定位置，相机处于超导平面中心正上方位置处，其拍摄范围要能够完全包括超导平面；相机支架8采用悬臂结构，下方底座与试验台通过螺栓连接，上方悬臂与相机连接，可以通过调整悬臂高度来调整物距。

工作前超导平面铺层5处于常温状态，此时超导体和永磁体之间没有相互作用力，永磁浮台6抬高至距离超导体较远处，此时超导体可以视为处于零磁场条件下。

工作时像液氮容器4中缓缓注入液氮直至整个超导平面铺层5被完全浸没，由于液氮的蒸发效应，需要在实验中不断加入液氮，整个冷却过程持续10min，此时视作超体内外温度与液氮温度一致；此时逐渐降低永磁浮台6高度，直到浮台受到的悬浮力与重力相互抵消，处于悬浮状态；永磁浮台处于悬浮状态后，启动微推力器7给予浮台一定的起始冲量，同时打开CCD相机9连续拍摄浮台的运动轨迹测量，计算机处理拍摄图像，给出运动轨迹，计算运动速度和加速度，关闭微推力器。

阻尼标定过程为在永磁浮台6悬浮后，移动永磁浮台6至圆弧轨道2的出口不远处；随后释放小球，小球沿轨道下落，在轨道末端，测速光栅7测出小球速度；小球撞击永磁浮台6并给予其初始速度，永磁浮台开始运动，此时CCD相机9连续拍摄浮台运动图像。之后进行重复性实验，标定的运动方向也分为沿着超导带的方向和垂直于超导带的方向。通过阻尼标定可以得出不同位置的阻尼力以及平动阻尼与速度的关系。

实验结束后，关闭舵机电源，停止向液氮容器内添加液氮，使超导平面逐渐恢复至常温，永磁浮台缓慢下降至高度为零，小球置于原位，等待下一次实验。

Claims (3)

1.一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，其特征在于，主要包括三个机构，即超导平动悬浮结构、阻尼标定装置、平动轨迹采集装置，超导平动悬浮结构具体包括超导平面铺层，永磁浮台，液氮容器；阻尼标定装置具体包括小球、圆弧轨道，测速光栅；平动轨迹采集装置包括CCD相机和用于固定相机位置的悬臂支架。

超导平动磁悬浮机构为系统核心结构，底层结构为液氮容器，作为超导体冷却装置；超导铺层水平置于容器中，铺层分为两层，上层为叠层超导带，下层为拼接超导体。永磁浮台悬浮于超导面上方，为方形结构，通过下方四个圆柱永磁体提供悬浮力。

阻尼标定装置和平动轨迹采集装置分别位于系统两侧，标定装置中圆弧导轨末端高度与永磁浮台高度基本持平，测速光栅固定于导轨出口段；平动轨迹采集装置中通过调整支架保证CCD相机的采集范围。

2.如权利要求1所述的一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，其特征在于：设计原理为超导体的完全抗磁性，在零场冷却的条件下，超导体内部没有磁通钉扎现象，在超导平面无限大的情况下，可以使永磁体仅受到竖直方向上的悬浮力，几乎没有水平方向阻尼力，基于该原理，超导平动磁悬浮系统可以模拟零重力、接近零摩擦的太空环境，大大提高了微小卫星的地面仿真水平。

3.如权利要求1所述的一种基于超导体完全抗磁性的超导平动磁悬浮系统，其特征在于：超导平面铺层采用双层结构，下层的超导块拼接层提供大部分的悬浮力，上层的叠层超导带可以降低超导块拼接缝隙带来的磁滞，降低永磁浮台运动中的阻尼和磁滞损耗；超导平面的尺寸远大于永磁体浮台尺寸，可以有效降低超导体的边缘效应，使悬浮力在运动过程中保持稳定。

Images