CN113746299B - 一种超导转子驱动装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超导转子驱动装置及其驱动方法，该装置包括超导转子、定子绕组、光纤探头、光纤束、光纤驱动信号模块和驱动电流源；超导转子为球形结构，超导转子的赤道位置的外表面均匀环设有八个依次连接的施力平面，定子绕组沿超导转子赤道位置处的施力平面环向均匀分布，定子绕组通电后用于驱动超导转子，驱动电流源与定子绕组电连接，光纤探头通过光纤束与光纤驱动信号模块连接，光纤探头能够检测定子绕组相对超导转子施力平面的角度位置。以上述装置为基础的驱动方法，可以实现超导转子的有效驱动，降低驱动结构和装配工艺的复杂度，有利于控制超导转子的整体加工精度，从而提升其测量精度潜力。

Description

一种超导转子驱动装置及其驱动方法

技术领域

本发明涉及转子驱动技术领域，特别是涉及一种超导转子驱动装置及其驱动方法。

背景技术

当一些超导材料处于临界温度以下时会表现出零电阻效应和迈斯纳效应，这样的特点使得用超导材料制作成的转子可以实现长期稳定的无接触悬浮。此外，与常温环境相比，极低温环境还使得材料蠕变大大减小，这些特点使得超导转子在一些精密测量领域具有特殊优势和很大的应用潜力。在实际工程应用中，高速旋转是超导转子实现精密测量的关键基础条件之一。超导转子的驱动旋转基于超导体的完全抗磁性，在低温下，向定子线圈中通入电流后，由于完全抗磁性，超导转子表面会产生磁压力，通过一定的结构设计在超导转子上形成施力作用位置，从而驱动其旋转。专利CN101674042A设计了一种定子线圈位于超导转子内部的驱动方法。这种方法首先在超导转子内部焊接圆柱形铌管，并在圆柱形铌管中间位置沿环向开孔，然后利用定子线圈在开孔位置施加驱动力矩，从而实现超导转子的驱动加转。由于超导转子的内部空间狭小，这种方法虽然可以实现超导转子的有效驱动，但会大幅提高结构设计和装配工艺的复杂度，对于超导转子整体加工精度的控制也有不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种超导转子驱动装置及其驱动方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以实现超导转子的有效驱动，降低驱动结构和装配工艺的复杂度，有利于控制超导转子的整体加工精度，从而提升其测量精度潜力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种超导转子驱动装置，包括超导转子、定子绕组、光纤探头、光纤束、光纤驱动信号模块和驱动电流源；所述超导转子为球形结构，所述超导转子的赤道位置的外表面均匀环设有八个依次连接的施力平面，所述定子绕组沿所述超导转子赤道位置处的施力平面环向均匀分布，所述定子绕组通电后用于驱动所述超导转子，所述驱动电流源与所述定子绕组电连接，所述光纤探头通过所述光纤束与所述光纤驱动信号模块连接，所述光纤探头能够检测所述定子绕组相对所述超导转子施力平面的角度位置，从而产生驱动脉冲信号控制所述驱动电流源的输出状态。

可选的，所述超导转子的赤道位置内表面设有环形加厚部，从而增大超导转子的转动惯量，每个所述施力平面均包括镜面反射部和漫反射部，所述镜面反射部和漫反射部沿其所在施力平面的竖直方向中心线左右对称设置，左半部分为镜面反射部，对激光具有镜面反射特性；右半部分为漫反射部，对激光具有漫反射特性。

可选的，所述定子绕组包括A相定子绕组和B相定子绕组，所述A相定子绕组包括四个结构相同且串联连接的A相驱动线圈；所述B相定子绕组包括四个结构相同且串联连接的B向驱动线圈，所述A相定子绕组的四个A相驱动线圈和B相定子绕组的四个B向驱动线圈均沿着所述超导转子的赤道位置环向均匀分布，且任意相邻两个所述A相驱动线圈间隔90°，任意相邻两个所述B向驱动线圈间隔90°，相邻的A相驱动线圈和B向驱动线圈分别间隔22.5°或67.5°。由于对称，每相定子绕组的四个驱动线圈相对超导转子邻近作用平面的角度位置相同。给驱动线圈通电时，由于超导体的迈斯那效应，驱动线圈会在超导转子施力平面产生磁压力，在一定的角度范围内，会对超导转子产生转矩，驱动超导转子加速或者减速。驱动线圈相对超导转子施力平面的角度位置不同，对超导转子产生的转矩大小和方向也不同。以超导转子顺时针旋转时的旋转轴为正方向，经过转矩分析，当驱动线圈扫过施力平面镜面反射部时，会产生正转矩，当驱动线圈扫过施力平面漫反射部时，会产生负转矩。

可选的，所述A相驱动线圈呈正方形结构，所述A相驱动线圈的尺寸为10mm×10mm×4mm，所述A相驱动线圈厚度为0.5mm；所述A相驱动线圈采用直径为0.15mm的超导线材绕制在环氧骨架上制作而成，所述B相驱动线圈结构与所述A相驱动线圈结构相同；所述A相驱动线圈和B向驱动线圈的两条竖直边均分别与所述超导转子的虚拟旋转轴平行，所述A相驱动线圈和B向驱动线圈的两条水平边均分别指向所述超导转子的虚拟旋转轴，所述A相驱动线圈和B向驱动线圈距所述超导转子的施力平面的最小距离为0.5mm。

可选的，所述光纤驱动信号模块包括激光电路和光电转换电路；所述激光电路能够产生激光信号，所述光电转换电路能够将光信号转成电信号，用来控制驱动电流源的输出。

可选的，所述光纤束包括发射光纤束和接收光纤束；所述发射光纤束用来传输激光电路产生的光信号，并通过所述光纤探头将此光信号发射至所述超导转子表面，所述接收光纤束能够通过所述光纤探头接收从所述超导转子表面反射回的光信号，并将此光信号传输给光电转换电路。

可选的，所述光纤探头呈圆柱形结构，所述光纤探头的中心线穿过所述超导转子赤道位置处的施力平面，并指向超导转子球心；所述光纤探头的端面距离所述超导转子的施力平面最小距离为2mm；所述光纤探头与邻近的两个所述A相驱动线圈的角度距离均为45°，所述光纤探头与邻近的两个所述B相驱动线圈的角度距离分别为22.5°和67.5°。

可选的，所述驱动电流源包括A路输出电流源和B路输出电流源，所述A路输出电流源能够给所述A相驱动线圈供电，所述B路输出电流源能够给所述B相驱动线圈供电，驱动电流源两路的输出状态受光纤驱动信号模块的输出信号控制。

本发明还提供一种超导转子驱动方法，包括如下步骤：

在超导转子旋转时，利用光纤驱动信号模块实时检测出A相驱动线圈和B相驱动线圈相对超导转子施力平面的角度位置关系，然后将识别结果以高低电平的形式输出，并结合加速减速控制指令，控制驱动电流源的A路输出电流源和B路输出电流源的打开关闭状态，从而控制A相驱动线圈和B相驱动线圈的通电时序，最终实现对超导转子的驱动控制。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明将定子绕组设计于超导转子外部，可以有效驱动超导转子，驱动结构装配简单，解决了定子绕组位于超导转子内部时驱动结构复杂导致整体加工精度难以控制的问题。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明超导转子驱动装置的结构示意图；

图2为本发明超导转子驱动装置的结构俯视图；

图3为本发明超导转子和施力平面的结构示意图；

图4为本发明超导转子驱动线圈的结构示意图；

图5为本发明超导转子顺时针旋转时加速控制时序图；

图6为本发明超导转子顺时针旋转时减速控制时序图；

其中，1为超导转子、2为A相驱动线圈、3为B相驱动线圈、4为光纤探头、5为光纤束、6为镜面反射部、7为漫反射部、8为光纤驱动信号模块、9为驱动电流源。

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。

本发明的目的是提供一种超导转子驱动装置及其驱动方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以实现超导转子的有效驱动，降低驱动结构和装配工艺的复杂度，有利于控制超导转子的整体加工精度，从而提升其测量精度潜力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、图2和图3所示，本发明提供一种超导转子驱动装置，包括超导转子1、定子绕组、光纤探头4、光纤束5、光纤驱动信号模块8和驱动电流源9。超导转子1是旋转机构，定子绕组通电后用于驱动超导转子1，驱动电流源9给定子绕组供电，光纤探头4、光纤束5和光纤驱动信号模块8用于检测定子绕组相对超导转子1施力平面的角度位置从而产生驱动脉冲信号控制驱动电流源9的输出状态。

如图1、图2和图3所示，超导转子1由纯铌材料加工而成，整体呈球形，在超导转子1赤道位置处的内表面有环形加厚部，从而增大超导转子1的转动惯量。在超导转子1赤道位置处的外表面有8个连续施力平面，每个施力平面沿竖直方向中心线对称分成左右两部分。左半部分为施力平面的镜面反射部6，对激光具有镜面反射特性；右半部分为施力平面的漫反射部7，对激光具有漫反射特性。

如图1和图2所示，定子绕组包括八个相同的驱动线圈，其中四个驱动线圈为A相驱动线圈2，串联组成A相定子绕组；另外四个驱动线圈为B相驱动线圈3，串联组成B相定子绕组。每相定子绕组中的四个驱动线圈均沿着超导转子1赤道位置处的施力平面环向均匀分布，同相绕组中任意相邻两个驱动线圈间隔90°，不同相绕组中相邻的两个驱动线圈分别间隔22.5°或67.5°。由于对称，每相定子绕组的四个驱动线圈相对超导转子1邻近作用平面的角度位置相同。给驱动线圈通电时，由于超导体的迈斯那效应，驱动线圈会在超导转子1施力平面产生磁压力，在一定的角度范围内，会对超导转子1产生转矩，驱动超导转子1加速或者减速。驱动线圈相对超导转子1施力平面的角度位置不同，对超导转子1产生的转矩大小和方向也不同。以超导转子1顺时针旋转时的旋转轴为正方向，经过转矩分析，当驱动线圈扫过镜面反射部6时，会产生正转矩，当驱动线圈扫过漫反射部7时，会产生负转矩。

如图1、图2和图4所示，驱动线圈呈正方形，尺寸为10mm×10mm×4mm，驱动线圈厚度为0.5mm，由直径为0.15mm的超导线材绕制在环氧骨架上制作而成，驱动线圈两条竖直边与超导转子1旋转轴平行，驱动线圈两条水平边指向超导转子1旋转轴，驱动线圈距超导转子1施力平面的最小距离为0.5mm。

如图2所示，光纤驱动信号模块8包括激光电路、光电转换电路。激光电路用来产生一定波长的激光信号，光电转换电路可以将光信号转成电信号，用来控制驱动电源的输出。

如图1和图2所示，光纤束5包括发射光纤束和接收光纤束，发射光纤束用来传输激光电路产生的光信号并通过光纤探头4将此光信号发射至超导转子1表面，接收光纤束通过光纤探头4接收从超导转子1表面反射回的光信号并将此光信号传输给光电转换电路。

如图1、图2和图3所示，光纤探头4呈圆柱形，光纤探头4中心线位于超导转子1赤道平面内，指向超导转子1球心，光纤探头4端面距离超导转子1施力平面最小距离为2mm。光纤探头4与邻近的两个A相驱动线圈2的角度距离均为45°，与邻近的两个B相驱动线圈3的角度距离分别为22.5°和67.5°。在超导转子1旋转时，这样的角度位置关系决定了，当光纤探头4扫过施力平面的漫反射部分时，四个A相驱动线圈2均扫过漫反射部7，同时四个B相驱动线圈3均扫过镜面反射部6。当光纤探头4扫过镜面反射部6时，四个A相驱动线圈2均扫过镜面反射部6，同时四个B相驱动线圈3均扫过漫反射部7。利用光纤驱动信号模块8，通过光纤探头4检测施力平面两个部分的反射特性，可以间接识别出A相驱动线圈2和B相驱动线圈3相对超导转子1施力平面的角度位置关系。

如图2所示，驱动电流源9共有A路和B路两路输出，A路输出用来给A相驱动线圈2供电，B路输出用来给B相驱动线圈3供电，驱动电流源9两路的输出状态受光纤驱动信号模块8的输出信号控制。

如图1、图2、图5和图6所示，本发明还提供一种超导转子的驱动方法，其包括如下步骤：

在超导转子1旋转时，利用光纤驱动信号模块8实时检测出A相驱动线圈2和B相驱动线圈3相对超导转子1施力平面的角度位置关系，然后将识别结果以高低电平的形式输出，并结合加速减速控制指令，控制驱动电流源9两路输出的打开关闭状态，从而控制A相驱动线圈2和B相驱动线圈3的通电时序，最终实现对超导转子1的驱动控制。

如图1、图2、图5和图6所示，在超导转子1旋转一周的过程中，以超导转子1一个施力平面的漫反射部7和镜面反射部6的分界线作为旋转标记线，如图3所示，旋转标记线采用图3中的竖直虚线指代，以旋转标记线经过光纤探头4时为起始位置，对应旋转角度为0°，在超导转子1旋转一周的过程中，旋转标记线由0°旋转至360°，其中每隔45°为一个小周期，旋转一周共有八个小周期。

在超导转子1顺时针旋转一周的过程，A相驱动线圈2和B相驱动线圈3的通电控制时序为：

(1)超导转子1由0°旋转至22.5°：光纤探头4扫过漫反射部7，则A相驱动线圈2扫过漫反射部7，B相驱动线圈3扫过镜面反射部6，光纤驱动信号模块8输出低电平，若此时为加速指令，则驱动电流源A路输出关闭，不给A相驱动线圈2通电，驱动电流源B路输出打开，给B相驱动线圈3通电；若此时为减速指令，则驱动电流源A路输出打开，给A相驱动线圈2通电，驱动电流源B路输出关闭，不给B相驱动线圈3通电。

(2)超导转子1由22.5°旋转至45°：光纤探头4扫过下一个镜面反射部6，则A相驱动线圈2扫过镜面反射部6，B相驱动线圈3扫过漫反射部7，光纤驱动信号模块8输出高电平，若此时为加速指令，则驱动电流源A路输出打开，给A相驱动线圈2通电，驱动电流源B路输出关闭，不给B相驱动线圈3通电；若此时为减速指令，则驱动电流源A路输出关闭，不给A相驱动线圈2通电，驱动电流源B路输出打开，给B相驱动线圈3通电。

(3)超导转子1在45°～67.5°、90°～112.5°、135°～157.5°、180°～202.5°、225°～247.5°、270°～292.5°、315°～337.5°旋转角度内，对A相驱动线圈2、B相驱动线圈3的加速和减速控制时序同0°～22.5°旋转角度一样。

(4)超导转子1在67.5°～90°、112.5°～135°、157.5°～180°、202.5°～225°、247.5°～270°、292.5°～315°、337.5°～360°旋转角度内，对A相驱动线圈2、B相驱动线圈3的加速和减速控制时序同22.5°～45°旋转角度一样。

当超导转子1逆时针旋转时，光纤探头4扫过施力平面反射特性的时序和顺时针相反，对A相驱动线圈2、B相驱动线圈3的驱动控制时序和顺时针旋转时相同。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种超导转子驱动装置，其特征在于：包括超导转子、定子绕组、光纤探头、光纤束、光纤驱动信号模块和驱动电流源；所述超导转子为球形结构，所述超导转子的赤道位置的外表面均匀环设有八个依次连接的施力平面，所述定子绕组沿所述超导转子赤道位置处的施力平面环向均匀分布，所述超导转子的赤道位置内表面设有环形加厚部，每个所述施力平面均包括镜面反射部和漫反射部，所述镜面反射部和漫反射部沿其所在施力平面的竖直方向中心线左右对称设置；所述定子绕组包括A相定子绕组和B相定子绕组，所述A相定子绕组包括四个结构相同且串联连接的A相驱动线圈；所述B相定子绕组包括四个结构相同且串联连接的B相驱动线圈，所述A相定子绕组的四个A相驱动线圈和B相定子绕组的四个B相驱动线圈均沿着所述超导转子的赤道位置环向均匀分布，且任意相邻两个所述A相驱动线圈间隔90°，任意相邻两个所述B相驱动线圈间隔90°，相邻的两个A相驱动线圈和B相驱动线圈分别间隔22.5°或67.5°；所述定子绕组通电后用于驱动所述超导转子，所述驱动电流源与所述定子绕组电连接，所述光纤探头通过所述光纤束与所述光纤驱动信号模块连接，所述光纤驱动信号模块包括激光电路和光电转换电路；所述激光电路能够产生激光信号，所述光电转换电路能够将光信号转成电信号，用来控制驱动电流源的输出；所述光纤束包括发射光纤束和接收光纤束；所述发射光纤束用来传输激光电路产生的光信号，并通过所述光纤探头将此光信号发射至所述超导转子表面，所述接收光纤束能够通过所述光纤探头接收从所述超导转子表面反射回的光信号，并将此光信号传输给光电转换电路；所述光纤探头呈圆柱形结构，所述光纤探头的中心线穿过所述超导转子赤道位置处的施力平面，并指向超导转子球心；所述光纤探头的端面距离所述超导转子的施力平面的最小距离为2mm；所述光纤探头与邻近的两个所述A相驱动线圈的角度距离均为45°，所述光纤探头与邻近的两个所述B相驱动线圈的角度距离分别为22.5°和67.5°；所述驱动电流源包括A路输出电流源和B路输出电流源，所述A路输出电流源能够给所述A相驱动线圈供电，所述B路输出电流源能够给所述B相驱动线圈供电；所述光纤探头能够检测所述定子绕组相对所述超导转子施力平面的角度位置；驱动电流源与光纤驱动信号模块相连，从而所述光纤驱动信号模块产生驱动脉冲信号控制所述驱动电流源的输出状态。

2.根据权利要求1所述的超导转子驱动装置，其特征在于：所述A相驱动线圈呈正方形结构，所述A相驱动线圈的尺寸为10mm×10mm×4mm，所述A相驱动线圈厚度为0.5mm；所述A相驱动线圈采用直径为0.15mm的超导线材绕制在环氧骨架上制作而成，所述B相驱动线圈结构与所述A相驱动线圈结构相同；所述A相驱动线圈和B相驱动线圈的两条竖直边均分别与所述超导转子的虚拟旋转轴平行，所述A相驱动线圈和B相驱动线圈的两条水平边均分别指向所述超导转子的虚拟旋转轴，所述A相驱动线圈和B相驱动线圈距所述超导转子的施力平面的最小距离为0.5mm。

3.一种使用权利要求1所述的超导转子驱动装置的超导转子驱动方法，其特征在于：包括如下步骤：

在超导转子旋转时，利用光纤驱动信号模块实时检测出A相驱动线圈和B相驱动线圈相对超导转子施力平面的角度位置关系，然后将识别结果以高低电平的形式输出，并结合加速减速控制指令，控制驱动电流源的A路输出电流源和B路输出电流源的打开关闭状态，从而控制A相驱动线圈和B相驱动线圈的通电时序，最终实现对超导转子的驱动控制。

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