CN113296036A - 一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其包括底座、台架、主三轴移动平台、辅助三轴移动平台和制冷系统；所述主三轴移动平台的Z轴平台上连接有由其驱动的Z轴悬臂，该Z轴悬臂的自由端固定有三维力传感器和磁场源；所述辅助三轴移动平台的Y轴悬臂的自由端固定有霍尔传感器，该Y轴悬臂的自由端固定有霍尔传感器；所述制冷系统设于磁场源的下方，该制冷系统包括真空室、超导体和制冷机，超导体设于真空室内部，所述制冷机置于真空室的下方，用于给超导体制冷。本发明通过制冷系统对超导体进行制冷，采用三轴移动平台控制磁场源、传感器及超导体间的空间位置，测量系统不同温度下的磁性与力学性能。
Description
技术领域
本发明属于超导磁悬浮技术与超导磁悬浮系统性能测试装置应用领域，特别涉及一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置。
背景技术
随着科学技术的进步与发展，超导体在科研和日常生活中发挥着越来越重要的作用，在磁悬浮轴承、飞轮储能、超导电缆、轨道交通、高场实验等领域具有广泛的应用前景。其中，对于超导体的电磁学和力学特征研究是影响磁悬浮技术发展应用的关键因素，因此，只有弄清超导结构电磁场分布及其演化规律、力学特征及其相互关联，才能深入理解它的性能表现，更好的保证超导设备安全可靠运行。现有超导体的基本特性测试方法，多停留于对悬浮力和导向力的宏观力学研究，对于体现超导体某些局部微观现象了解还不够充分，测试环境大多基于液氮或者固氮环境下测量，难以满足未来在更低温度下对超导体电磁学和力学特征的研究。
发明内容
本发明为了使现有超导磁悬浮系统性能测试装置在真空低温环境下测量，提出了一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，在不减小系统性能的前提下，使测试装置在真空低温的环境下，实现对超导体性能的准确测量。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其包括底座、台架、主三轴移动平台、辅助三轴移动平台和制冷系统；
所述台架固定在底座上；
所述主三轴移动平台设置于台架的顶部，辅助三轴移动平台设于台架的侧部，所述主三轴移动平台和辅助三轴移动平台均由X轴平台、Y轴平台和Z轴平台组成，X轴平台和Y轴平台在水平面内相互垂直移动，Z轴平台沿竖直方向移动；
所述主三轴移动平台的Z轴平台上连接有由其驱动的Z轴悬臂，该Z轴悬臂的自由端固定有三维力传感器和磁场源；
所述辅助三轴移动平台的Y轴悬臂的自由端固定有霍尔传感器，该Y轴悬臂的自由端通过夹具固定有霍尔传感器；
所述制冷系统设于磁场源的下方，该制冷系统包括真空室、超导体和制冷机，超导体设于真空室内部，所述制冷机置于真空室的下方，用于给超导体制冷，实现4-300 K范围内的温度调节；
通过主三轴移动平台和辅助三轴移动平台来分别控制磁场源、三维力传感器、霍尔传感器与超导体间的空间位置关系，测量系统不同温度下的磁性与力学性能。
进一步的，所述主三轴移动平台为龙门式三轴滑台，主三轴移动平台的X轴平台、Y轴平台和Z轴平台分别由步进电机驱动运动，所述主三轴移动平台上设有感应Z轴悬臂位置的位置传感器，该位置传感器固定在三维力传感器上方。
进一步的，所述磁场源固定于三维力传感器下方，三维力传感器通过连接轴固定在主三轴移动平台的Z轴悬臂上。
进一步的，所述磁场源为永磁体、电磁体、超导线（带）材线圈磁体的单一磁体组合结构或任意二种及以上的组合结构。
进一步的，所述制冷系统还包括冷头和加热装置，所述制冷机通过管线与冷头底座相连接，冷头封装于真空室内，加热装置固定在冷头顶部，超导体固定在加热装置顶部，所述加热装置由加热线圈和导热铜块组成，通过加热装置与冷头实现对超导体的实时控温。
进一步的，所述辅助三轴移动平台通过三轴单侧悬臂连接于台架的侧部。
进一步的，所述制冷系统上设有减震器，减震器为耐低温的减震材料，以免制冷机工作时的震动对系统磁浮性能测量产生干扰。
进一步的，所述超导体为YBCO超导体、MgB2超导体、NbTi超导体、Nb3Sn超导体或其它超导材料的块材、带材堆叠、线（带）圈的单一结构或任意二种及以上的组合结构。
进一步的，所述的永磁体为钕铁硼永磁体、铁氧永磁体、铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。
进一步的，所述磁场源为多个永磁体的排列组合时，其横向结构按Halbach阵列进行排列。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：将磁场源、三维力传感器和霍尔传感器分别固定在三轴移动平台上，可以通过控制平台的三轴移动，测量磁浮系统的动态性能；对制冷机和台架采用减震器可以有效抑制制冷机本身的震动对磁浮系统性能测量的影响；采用多种超导体可以满足多样化的测量需求。
附图说明
本附图说明是对本发明的进一步补充说明，不对本发明实施例的限定，在附图说明中：
图1 为本发明的侧视图；
图2 为本发明的俯视图；
图3 为本发明的正视图；
附图中标号的名称：
1-主三轴移动平台，11-步进电机，12-Z轴悬臂，13-位置传感器，15三维力传感器，16-磁场源，2-制冷系统，21-超导体，22-铜块，23-加热线圈，24-冷头，25-真空室，26-制冷机，3-辅助三轴移动平台，31-Y轴悬臂，32-霍尔传感器，33-夹具，34-三轴单侧悬臂，4-台架，41-减震器，5-底座。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其包括底座5、台架4、主三轴移动平台1、辅助三轴移动平台3和制冷系统2；
所述台架4固定在底座5上；
所述主三轴移动平台1通过连接件设置于台架4的顶部，辅助三轴移动平台3通过三轴单侧悬臂34连接于台架4的侧部，所述主三轴移动平台1和辅助三轴移动平台3均由X轴平台、Y轴平台和Z轴平台组成，X轴平台和Y轴平台在水平面内相互垂直移动，Z轴平台沿竖直方向移动；
所述主三轴移动平台1的Z轴平台上连接有由其驱动的Z轴悬臂12，该Z轴悬臂12的自由端固定有三维力传感器15和磁场源16；
所述辅助三轴移动平台3的Y轴悬臂31的自由端固定有霍尔传感器32，该Y轴悬臂31的自由端通过夹具33固定有霍尔传感器32；
所述制冷系统2设于磁场源16的下方，该制冷系统2包括真空室25、超导体21和制冷机26，超导体21设于真空室25内部，所述制冷机26置于真空室25的下方，用于给超导体21制冷，实现4-300 K范围内的温度调节；
通过主三轴移动平台1和辅助三轴移动平台3来分别控制磁场源16、三维力传感器15、霍尔传感器32与超导体21间的空间位置关系，测量系统不同温度下的磁性与力学性能。
所述主三轴移动平台1为龙门式三轴滑台，主三轴移动平台1的X轴平台、Y轴平台和Z轴平台分别由步进电机11驱动运动，所述主三轴移动平台1上设有感应Z轴悬臂12位置的位置传感器13，该位置传感器13固定在三维力传感器15上方。
所述磁场源16固定于三维力传感器15下方，三维力传感器15通过连接轴固定在主三轴移动平台1的Z轴悬臂12上。
所述磁场源16为永磁体、电磁体、超导线（带）材线圈磁体的单一磁体组合结构或任意二种及以上的组合结构。
所述制冷系统2还包括冷头24和加热装置，所述制冷机26通过管线与冷头24底座5相连接，冷头24封装于真空室25内，加热装置固定在冷头24顶部，超导体21固定在加热装置顶部，所述加热装置由加热线圈23和导热铜块22组成，通过加热装置与冷头24实现对超导体21的实时控温。
所述制冷系统2上设有减震器41，减震器41为耐低温的减震材料，以免制冷机26工作时的震动对系统磁浮性能测量产生干扰。
本发明中的主三轴移动平台1和辅助三轴移动平台3均为数控机床中常见的三轴运动系统，详细的结构不再详细说明。
所述超导体21为YBCO超导体21、MgB2超导体21、NbTi超导体21、Nb3Sn超导体21或其它超导材料21的块材、带材堆叠、线（带）圈的单一结构或任意二种及以上的组合结构。
所述的永磁体为钕铁硼永磁体、铁氧永磁体、铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。
所述磁场源16为多个永磁体的排列组合时，其横向结构按Halbach阵列进行排列。
本发明将磁场源16、三维力传感器15和霍尔传感器分别固定在三轴移动平台上，可以通过控制平台的三轴移动，测量磁浮系统的磁性能与力学性能；
对制冷机26和台架4采用减震器41可以有效抑制制冷机本身的震动对磁浮系统性能测量的影响；采用多种超导体21可以满足多样化的测量需求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其特征在于：其包括底座、台架、主三轴移动平台、辅助三轴移动平台和制冷系统；
所述台架固定在底座上；
所述主三轴移动平台设置于台架的顶部，辅助三轴移动平台设于台架的侧部，所述主三轴移动平台和辅助三轴移动平台均由X轴平台、Y轴平台和Z轴平台组成，X轴平台和Y轴平台在水平面内相互垂直移动，Z轴平台沿竖直方向移动；
所述主三轴移动平台的Z轴平台上连接有由其驱动的Z轴悬臂，该Z轴悬臂的自由端固定有三维力传感器和磁场源；
所述辅助三轴移动平台的Y轴悬臂的自由端固定有霍尔传感器，该Y轴悬臂的自由端固定有霍尔传感器；
所述制冷系统设于磁场源的下方，该制冷系统包括真空室、超导体和制冷机，超导体设于真空室内部，所述制冷机置于真空室的下方，用于给超导体制冷；
通过主三轴移动平台和辅助三轴移动平台来分别控制磁场源、三维力传感器、霍尔传感器与超导体间的空间位置关系，测量系统不同温度下的磁性与力学性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其特征在于：所述主三轴移动平台为龙门式三轴滑台，主三轴移动平台的X轴平台、Y轴平台和Z轴平台分别由步进电机驱动运动，所述主三轴移动平台上设有感应Z轴悬臂位置的位置传感器，该位置传感器固定在三维力传感器上方。
3.根据权利要求1所述的一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其特征在于：所述磁场源固定于三维力传感器下方，三维力传感器通过连接轴固定在主三轴移动平台的Z轴悬臂上。
4.根据权利要求1所述的一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其特征在于：所述磁场源为永磁体、电磁体、超导线或带材线圈磁体的单一磁体组合结构或任意二种及以上的组合结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其特征在于：所述制冷系统还包括冷头和加热装置，所述制冷机通过管线与冷头底座相连接，冷头封装于真空室内，加热装置固定在冷头顶部，超导体固定在加热装置顶部，所述加热装置由加热线圈和导热铜块组成，通过加热装置与冷头实现对超导体的实时控温。
6.根据权利要求1所述的一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其特征在于：所述辅助三轴移动平台通过三轴单侧悬臂连接于台架的侧部。
7.根据权利要求1所述的一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其特征在于：所述制冷系统上设有减震器，减震器为耐低温的减震材料。
8.根据权利要求1所述的一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其特征在于：所述超导体为YBCO超导体、MgB2超导体、NbTi超导体、Nb3Sn超导体或其它超导材料的块材、带材堆叠、线或带圈的单一结构或任意二种及以上的组合结构。
9.根据权利要求1所述的一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其特征在于：所述的永磁体为钕铁硼永磁体、铁氧永磁体、铝镍钴永磁体或钐钴永磁体。
10.根据权利要求1所述的一种基于制冷机的超导磁悬浮系统性能测试装置，其特征在于：所述磁场源为多个永磁体的排列组合时，其横向结构按Halbach阵列进行排列。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114013695A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-02-08 | 北京航空航天大学 | 一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统 |
| CN114966494A (zh) * | 2022-05-23 | 2022-08-30 | 西南交通大学 | 基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置及其测量方法 |
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2021
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| CN114013695B (zh) * | 2021-12-07 | 2024-05-24 | 北京航空航天大学 | 一种亚mN级超导平面悬浮型真空姿轨控试验系统 |
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