CN204553559U - 一种低温超导飞轮用变间隙支承结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及储能和导航两用的超导飞轮领域，具体是一种低温超导飞轮用变间隙支承结构，其特征在于：主要包括上极瓦、上侧瓦、下侧瓦、下极瓦、转子、上悬浮线圈、上侧悬浮线圈、下侧悬浮线圈、下悬浮线圈；上极瓦、上侧瓦、下侧瓦、下极瓦都是由低温超导棒材加工制成，组装后形成一个近似球形腔体，腔体与转子的间隙宽度随极角而变化，在不同极角处间隙的沿垂直于极角方向的截面面积相等，使得间隙内磁场沿极角和方位角方向的分布都相等。本实用新型通过设定球形转子与腔体内表面的间隙宽度随极角变化，使得转子表面的磁场沿极角方向均匀分布，提高了低温超导飞轮的加速能力、抗扰动能力，减小了超导转子的阻力矩，提高了感测精度和能量转换效率。

Description

一种低温超导飞轮用变间隙支承结构

技术领域

本实用新型涉及储能和导航两用的超导飞轮领域，尤其是一种低温超导飞轮用变间隙支承结构。

背景技术

具有储能和导航两用的超导飞轮，其基本原理是利用转子高速旋转储存能量，同时高速旋转的转子具有定轴性实现导航功能。基于低温超导体的迈斯纳效应，在低温超导飞轮的支承系统中超导转子和腔体都具有理想的抗磁性。在低温超导飞轮中球形超导转子表面的磁场方向总是与表面平行，产生指向球心的悬浮力，使得转子能够稳定悬浮在腔体内，而且在旋转时磁场的阻力矩可以忽略。低温超导飞轮的支承结构包括励磁线圈和磁场整形部件，这些零部件的结构形式将直接决定转子表面的磁场分布，也决定了转子悬浮、旋转的稳定性和可靠性。中国专利CN200510027930.7描述了高温超导体悬浮支承永磁体转子的微陀螺结构，在该结构中转子能够实现稳定悬浮，但是高温超导体本身固有的磁通钉扎效应，产生了阻力矩和干扰力矩，若作为储能和导航使用，将会影响能量的转换效率和导航的精度。在论文[球形腔内超导陀螺转子的支承特性分析，弹箭与制导学报，2004，24(4)：136-151]中设计了球形腔体作为支承结构，球形腔体的半径比转子半径略大，腔体与转子间隙内的磁场产生转子的悬浮力。该支承结构能够实现转子的稳定悬浮，但是在该结构中转子表面的磁场分布不均匀。当转子悬浮于中心位置时，随着励磁电流的增加转子表面的磁场总是在某些部位首先达到下临界磁场B_c1，而其它大部分面积上的磁场都小于B_c1，这种磁场值的不均匀性不能充分利用超导材料较高的B_c1，影响了转子的悬浮力和支承刚度。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，基于超导体的完全抗磁性和磁通守恒定律设计出了低温超导飞轮用变间隙支承结构，解决了现有技术超导磁悬浮系统的干扰力矩大、支承刚度小的问题。

本实用新型变间隙支承结构工作原理是基于低温超导体的完全抗磁性，在低温超导转子表面的磁场方向总是严格平行于转子表面，磁压力总是指向球形转子的球心，水平方向合力为零，竖直方向的合力等于转子的重力。当超导转子偏离中心位置时，气隙宽度变小的区域磁场将增加，同时该区域的磁压力也会增加，使得超导转子稳定在中心位置，这是磁悬浮的自稳定性。由磁通守恒定律可知在间隙内不同截面处磁通量相等，设定间隙内的磁场沿径向均匀分布，则间隙内不同极角处的磁场满足：

$\frac{B_i}{B_{i+1}}=\frac{S_{i+1}}{S_i},$

其中，i和i+1表示不同极角的位置，B_i和B_i+1分别为i和i+1极角处磁感应强度，S_i和S_i+1分别为i和i+1极角处截面面积，为了使得间隙内的磁场沿极角方向也均匀分布，要求不同极角处的截面面积相等，据此计算得出不同极角处的间隙宽度。

本实用新型的变间隙支承结构关于极轴旋转对称，故间隙内磁场也关于极轴旋转对称，即沿方位角相等。本实用新型变间隙支承结构的创新点在于间隙宽度沿极角方向变化，以保证在不同极角处间隙的沿垂直于极角方向的截面面积相等，间隙内的磁场沿极角方向为恒值。

基于上述创新原理，本实用新型技术方案如下：

一种低温超导飞轮用变间隙支承结构，其特征在于：主要包括上极瓦、上侧瓦、下侧瓦、下极瓦、转子、上悬浮线圈、上侧悬浮线圈、下侧悬浮线圈、下悬浮线圈；上极瓦、上侧瓦、下侧瓦、下极瓦都是由低温超导棒材加工制成，组装后形成一个近似球形腔体，腔体与转子的间隙宽度随极角而变化，在不同极角处间隙的沿垂直于极角方向的截面面积相等，使得间隙内磁场沿极角和方位角方向的分布都相等。

本实用新型所述上极瓦、上侧瓦、下侧瓦、下极瓦都是关于极轴旋转对称的环状结构。为了使得磁场能够穿过超导体的中心孔，上极瓦、上侧瓦、下侧瓦、下极瓦分别被等分为四分之一圆环，然后再由电绝缘胶粘结为环状结构；组装后构成近似球面腔体内表面的半径由转子赤道面向两极逐渐增加，使得腔体与转子的间隙宽度由转子赤道面向两极逐渐增加，所述上极瓦与下极瓦关于转子赤道面对称，上侧瓦与下侧瓦也关于转子赤道面对称。上极瓦、上侧瓦、下侧瓦、下极瓦组装成的近似球形腔体优化了超导转子表面的磁场分布，使得转子表面的磁场分布较强且均匀，转子表面的磁场等于转子与腔体之间气隙内的磁场，相同的励磁电流时产生较大的悬浮力和悬浮刚度。

本实用新型所述的上悬浮线圈安装于上极瓦的上端面，激磁电流为顺时针流向，上悬浮线圈产生的磁通线大部分都穿过上极瓦形成闭环，在上极瓦对应间隙内的磁场产生悬浮力，为有效磁通；还有部分磁通线未穿过上极瓦，未对转子产生悬浮力，为无效磁通。下悬浮线圈安装于下极瓦的下端面，激磁电流为逆时针流向。下悬浮线圈的结构和磁场都与上悬浮线圈关于转子赤道面对称。

本实用新型所述的上侧悬浮线圈呈圆环状，套在上侧瓦的外侧。上侧悬浮线圈产生的磁通线部分穿过上侧瓦形成闭环，在上侧瓦对应间隙内的磁场产生悬浮力。下侧悬浮线圈的结构和磁场都与上侧悬浮线圈关于转子赤道面对称。

上述上悬浮线圈、下悬浮线圈、上侧悬浮线圈、下侧悬浮线圈各自产生的磁场不存在耦合，各自的激磁电流和产生的磁场大小可独立设定。

本实用新型所述的转子由低温超导体加工而成，呈球形空心结构，内部安装有驱动电机，驱动电机的绕组由低温超导线绕制。当上悬浮线圈、下悬浮线圈、上侧悬浮线圈、下侧悬浮线圈分别按照要求加载励磁电流后，转子可以稳定悬浮于腔体中心位置。此时，驱动电机上电驱动转子加速旋转，直至达到预设转速值，完成了动能储存，同时利用高速旋转的转子的定轴性，可以测量运动载体的姿态和位置，实现能量储存和导航的作用。

本实用新型通过设定球形转子与腔体内表面的间隙宽度随极角变化，使得转子表面的磁场沿极角方向均匀分布，提高了低温超导飞轮的加速能力、抗扰动能力，减小了超导转子的阻力矩，提高了低温超导飞轮系统的感测精度和能量转换效率。

附图说明

图1为本实用新型的变间隙支承结构剖面图。

图2为上侧悬浮线圈的剖面图；

图3为上极瓦、上侧瓦对应间隙的间隙宽度随极角变化的曲线图；

图4为上极瓦、上侧瓦对应间隙内磁感应强度随极角变化的曲线图；

图5为匀间隙支承结构中间隙内磁感应强度随极角变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的实质内容，但本实用新型的内容并不限于此。

如图1所示，本实用新型的变间隙支承结构主要包括：上极瓦1、上侧瓦2、下侧瓦3、下极瓦4、转子5、上悬浮线圈6、上侧悬浮线圈7、下侧悬浮线圈8、下悬浮线圈9。

本实用新型的变间隙支承结构为轴对称旋转结构，上极瓦1、上侧瓦2、下侧瓦3、下极瓦4都是由低温超导棒材加工制成，组装后形成一个近似球形腔体，腔体与转子5的间隙宽度随极角而变化，以保证间隙内的磁场沿方位角和极角方向都是均匀分布的，在不同极角处间隙的沿垂直于极角方向的截面面积相等，使得间隙内磁场沿极角和方位角方向的分布都相等，这样可以产生较大的悬浮力和支承刚度。上悬浮线圈6、上侧悬浮线圈7、下侧悬浮线圈8、下悬浮线圈9各自产生的磁场不存在耦合，各自的激磁电流和产生的磁场大小可独立设定。

图1所示转子5由低温超导体加工制成，呈球形空心结构，内部安装有驱动电机，驱动电机的绕组由低温超导线绕制。在变间隙支承结构组装时，首先组装下侧瓦3和下极瓦4，再将转子5放置于腔体内，之后再组装上侧瓦2和上极瓦1，随后安装上悬浮线圈6、上侧悬浮线圈7、下侧悬浮线圈8、下悬浮线圈9，在转子5开始工作时，首先给下悬浮线圈通电并逐渐上调电流值，比如以0.1A/s的速度增加电流值，使得转子5缓慢上浮；当转子悬浮至腔体中心位置时，将下悬浮线圈9和上悬浮线圈6同时加载电流，并保证转子始终位于球腔的中心位置。下悬浮线圈9和上悬浮线圈6的电流增加至设定的最大值时就保持恒定。此时，开始给上侧悬浮线圈7和下侧悬浮线圈8同时加载电流，直至增加到设定的最大值后保持恒定。这样超导转子达到了最大的支撑刚度和稳定性。此时，驱动电机通电驱动转子加速旋转，直至达到预设转速值，完成了动能储存，同时利用高速旋转的转子的定轴性，可以测量运动载体的姿态和位置，实现能量储存和导航的作用。

图1所示上极瓦1是由高纯度的低温超导棒材通过精车、研磨加工成形的，是关于极轴旋转对称的环状结构。将棒材精车为要求的环状结构后，再沿轴向将环状的上极瓦等分切割为四个四分之一环，再用低温电绝缘胶将切割后的四分之一环粘结为整体，恢复切割前的环状。用电绝缘胶粘结是为了避免外磁场激发的屏蔽电流沿上极瓦1圆环全圆周流通，若存在全圆周流通的屏蔽电流将会抑制磁场穿过上极瓦1的中心孔。粘结之后要对上极瓦1的内表面进行抛光，去除毛刺。上侧瓦2、下侧瓦3、下极瓦4都是采用与上极瓦1相同的材料和工艺加工而成。

图1所示上悬浮线圈6由低温超导线在环氧骨架上绕制而成，呈圆饼状，线圈的孔径与上极瓦1的孔径一致。上悬浮线圈6安装于上极瓦1的上端面，激磁电流为顺时针流向，激磁电流值需与下悬浮线圈协同，保证总悬浮力在竖直方向的分量与转子重力平衡。上悬浮线圈6的匝数和励磁电流的大小依据转子的重量和所需支承刚度而设定。下悬浮线圈9的性能参数与上悬浮线圈6完全相同，安装位置与上悬浮线圈6关于转子赤道面对称，励磁电流为逆时针流向。

图2所示为上侧悬浮线圈7沿垂直于轴向的截面图，上侧悬浮线圈7由四个圆环状线圈12组成，四个圆环状线圈12都是由低温超导线在环氧骨架上绕制而成，结构、参数以及加载的励磁电流完全相同，沿圆周排布，套在上侧瓦的外侧。激磁电流为逆时针流向，线圈的匝数和励磁电流的大小依据所需支承刚度而设定。下侧悬浮线圈8的结构和参数与上侧悬浮线圈7完全相同，所加载的励磁电流与上侧悬浮线圈7大小相同，但方向为顺时针流向，所安装位置与上侧悬浮线圈7关于转子赤道面对称。

图3所示曲线说明了在不同极角位置的间隙宽度值，横坐标为间隙对应的极角值，纵坐标为间隙的宽度，曲线10表示上极瓦1对应间隙的宽度变化，曲线11表示上侧瓦对应间隙的宽度值。由于低温超导体的完全抗磁性，在上极瓦1与转子5的间隙内不同极角处的磁通量守恒；同理，上侧瓦2与转子5的间隙内不同极角处的磁通量守恒。为了实现不同极角处间隙内的磁场值相同，只需要求不同极角处间隙的截面面积相等。在任意极角处间隙的横截面都可等效于一个圆台的侧面积，根据几何关系可以计算出满足截面面积相等要求的不同极角处的间隙宽度，具体如图3曲线所示。下侧瓦3、下极瓦4对应间隙在不同极角处的间隙宽度与上侧瓦2、上极瓦1分别关于转子赤道面对称分布。间隙宽度与球形转子半径之和即为对应极角处腔体的半径。

图4所示曲线为本实用新型的变间隙支承结构中上极瓦1和上侧瓦2对应间隙内的磁场分布，其中上极瓦1对应间隙的极角范围为31°～58°，上侧瓦2对应间隙的极角范围为69°～84°。在本实用新型的变间隙支承结构中转子5与腔体间隙内的磁场总是均匀分布，即间隙内磁场分布的均匀性是本实用新型的变间隙支承结构的结构特点，而与激磁电流大小无关。改变各个激磁线圈中的电流大小可以改变间隙内磁场值的大小。通过调整上悬浮线圈6和上侧悬浮线圈7中的激磁电流值，可实现上极瓦1和上侧瓦2对应间隙内的磁场值相等，都为所设定的最大值，如图4中曲线所示。同理，可实现下侧瓦3、下极瓦4对应间隙内的磁场值都为最大值。当所有间隙内的磁场均匀，且都为最大值时转子5的支承刚度达到最大值。

为了与本实用新型的变间隙支承结构中的磁场进行对比，图5给出了匀间隙支承结构的间隙内的磁场分布曲线。图5中所用的匀间隙支承结构中腔体与转子之间的间隙宽度为0.5mm的恒值，除此之外的结构参数与本实用新型的变间隙支承结构完全相同。由图5曲线可知，匀间隙支承结构的间隙内磁场非均匀分布，总是在上极瓦的31°角处和上侧瓦的69°角处磁场值较大，首先达到允许的最大值，而其它区域磁场值较小，故所能产生的最大支承刚度小于本实用新型所述的变间隙支承结构。

Claims (7)

1.一种低温超导飞轮用变间隙支承结构，其特征在于：主要包括上极瓦、上侧瓦、下侧瓦、下极瓦、转子、上悬浮线圈、上侧悬浮线圈、下侧悬浮线圈、下悬浮线圈；上极瓦、上侧瓦、下侧瓦、下极瓦都是由低温超导棒材加工制成，组装后形成一个近似球形腔体，腔体与转子的间隙宽度随极角而变化，在不同极角处间隙的沿垂直于极角方向的截面面积相等，使得间隙内磁场沿极角和方位角方向的分布都相等。

2.根据权利要求1所述的低温超导飞轮用变间隙支承结构，其特征在于：上悬浮线圈、上侧悬浮线圈、下侧悬浮线圈、下悬浮线圈各自产生的磁场不存在耦合，各自的激磁电流和产生的磁场大小可独立设定。

3.根据权利要求2所述的低温超导飞轮用变间隙支承结构，其特征在于：上悬浮线圈安装于上极瓦的上端面，激磁电流为顺时针流向，上悬浮线圈产生的磁通线大部分都穿过上极瓦形成闭环；下悬浮线圈安装于下极瓦的下端面，激磁电流为逆时针流向，下悬浮线圈的结构和磁场都与上悬浮线圈关于转子赤道面对称。

4.根据权利要求2所述的低温超导飞轮用变间隙支承结构，其特征在于：上侧悬浮线圈呈圆环状，套在上侧瓦的外侧，上侧悬浮线圈产生的磁通线部分穿过上侧瓦形成闭环，在上侧瓦对应间隙内的磁场产生悬浮力；下侧悬浮线圈的结构和磁场都与上侧悬浮线圈关于转子赤道面对称。

5.根据权利要求1或2所述的低温超导飞轮用变间隙支承结构，其特征在于：上极瓦、上侧瓦、下侧瓦、下极瓦都是关于极轴旋转对称的环状结构。

6.根据权利要求5所述的低温超导飞轮用变间隙支承结构，其特征在于：上极瓦、上侧瓦、下侧瓦、下极瓦分别被等分为四分之一圆环，然后再由电绝缘胶粘结为环状结构；组装后构成近似球面腔体内表面的半径由转子赤道面向两极逐渐增加，使得腔体与转子的间隙宽度由转子赤道面向两极逐渐增加。

7.根据权利要求5所述的低温超导飞轮用变间隙支承结构，其特征在于：所述上极瓦与下极瓦关于转子赤道面对称，上侧瓦与下侧瓦也关于转子赤道面对称。