靜電輔助懸浮支承的超導磁懸浮支承裝置制造方法
【專利摘要】一種靜電輔助懸浮支承的超導磁懸浮支承裝置，其六個支承模塊(10)對稱分布在以轉子腔(8)中心為原點的正交坐標系坐標軸上。支承模塊(10)的超導線圈(11)通電后產(chǎn)生的磁場經(jīng)過超導整形塊(12)與超導轉子(9)之間的間隙，處于超導態(tài)的超導轉子(9)受到超導整形塊(12)與超導轉子(9)之間間隙磁場產(chǎn)生的磁斥力。通過對支承模塊(10)中的支承電極(14)施加高電壓可在支承電極(14)和超導轉子(9)之間產(chǎn)生靜電場。超導轉子(9)受到靜電場產(chǎn)生的引力。超導轉子(9)受到的懸浮力為超導線圈(11)產(chǎn)生的磁斥力和支承電極(14)產(chǎn)生的靜電引力的合力。
【專利說明】靜電輔助懸浮支承的超導磁懸浮支承裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超導磁懸浮支承裝置，特別涉及一種靜電輔助懸浮支承的超導磁懸浮支承裝置。

【背景技術】
[0002]隨著低溫技術的發(fā)展和新型超導材料的發(fā)現(xiàn)，超導技術獲得了越來越廣泛的應用?；诔瑢w各種特性研制的超導儀器儀表在經(jīng)濟領域、國防建設以及科學探索中發(fā)揮著重要的作用。超導磁懸浮支承系統(tǒng)是基于低溫超導體邁斯納效應研制的一種無摩擦懸浮軸承，其在慣性導航、精密儀器等領域有著廣泛的應用。超導磁懸浮支承系統(tǒng)工作在低溫環(huán)境下，材料的化學活動性、膨脹系數(shù)都非常低，且超導體的完全抗磁性、無電阻的特性使得超導磁懸浮支承系統(tǒng)的運行功耗極低，因此超導磁懸浮支承系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強和損耗低等優(yōu)點。某些特殊應用環(huán)境對超導磁懸浮支承系統(tǒng)提出了高可靠性和高支承剛度的要求。中國專利201210023048.5給出了一種的超導磁懸浮支承裝置，超導轉子在懸浮狀態(tài)只受到磁懸浮力，當磁懸浮裝置載體受到劇烈的沖擊干擾時，超導轉子周圍的磁場可能會瞬時超過超導轉子的臨界磁場而使超導轉子失超，從而造成支承系統(tǒng)的失效。因此，單一的超導磁懸浮支承由于受到超導材料臨界磁場的限制，單純的增加支承面積和改進超導轉子表面處理技術并不能顯著的提高懸浮支承系統(tǒng)的支承剛度，且當受到強磁場干擾時懸浮支承系統(tǒng)會有支承失效的危險，所以單一的超導磁懸浮支承系統(tǒng)并不能滿足某些特殊應用環(huán)境提出高可靠性和高支承剛度的要求。中國專利201310145719.X給出了一種超導磁浮和靜電懸浮的混合懸浮支承裝置，其在支承模塊上專門分割了電極區(qū)域，通過高壓供電來形成靜電懸浮力。雖然該懸浮支承系統(tǒng)實現(xiàn)了靜電懸浮和超導磁浮的混合懸浮支承系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性，但是電極的劃分還是占用了部分超導磁浮的支承面積，使得支承系統(tǒng)在增加靜電支承力的同時減少了部分磁浮力，同時由于支承電極和磁懸浮部件之間是組裝在一起的，支承電極的加入增加了裝配難度。


【發(fā)明內容】

[0003]為了提高單一超導磁懸浮支承系統(tǒng)的支承剛度，本發(fā)明提出一種帶有靜電輔助懸浮支承的超導磁懸浮支承裝置。本發(fā)明具有懸浮支承剛度大和可靠性高的特點。
[0004]本發(fā)明裝置包括制冷機、一級冷頭、二級冷頭、低溫容器、冷屏、液氦容器、安裝蓋、超導轉子、轉子腔以及支承模塊，其中支承模塊又包括超導環(huán)、超導整形塊、超導線圈、支承電極、高壓線柱以及支承基座。
[0005]所述的低溫容器上端蓋上面安裝有制冷機，低溫容器上端蓋內面有安裝孔，安裝孔上裝有高強度、低熱導率的拉桿，拉桿下端固定在冷屏的上端面。冷屏的上端面與制冷機的一級冷頭緊固在一起。制冷機的一級冷頭用來冷卻冷屏，冷屏的作用是將冷屏外部和冷屏內部的熱交換進行阻斷，起到熱屏蔽的作用。冷屏的上端面下部安裝有高強度、低熱導率的拉桿，拉桿的下端固定在液氦容器的上端蓋上。液氦容器的上端面與制冷機的二級冷頭緊固在一起。
[0006]所述的安裝蓋通過螺栓緊固在液氦容器的上端蓋，安裝蓋的下端面與支承模塊通過螺栓緊固在一起。六個支承模塊的結構相同，通過螺栓安裝在轉子腔上，對稱分布在以轉子腔中心為原點的正交坐標系的坐標軸上。超導轉子位于轉子腔內。超導轉子為低溫超導材料制作的表面閉合的空心球體。
[0007]所述的支承模塊包括超導環(huán)、超導整形塊、超導線圈、支承電極、高壓線柱以及支承基座。其中超導環(huán)為低溫超導材料制作的有一定高度和厚度的無縫管狀結構，其功能是保持通過超導環(huán)中孔的磁通量為零。超導整形塊為超導環(huán)所包圍，是與超導環(huán)同軸的軸對稱結構，采用與超導環(huán)同一種類的低溫超導材料制作。超導整形塊的結構雖然也是旋轉軸對稱結構并有中孔，但是超導整形塊的壁在軸向方向有一道人為加工的裂痕，其目的是防止其形成超導環(huán)從而造成磁通無法通過其中孔。所述超導整形塊的作用是讓所述超導線圈產(chǎn)生的磁場從超導整形塊和超導轉子之間的間隙通過，從而達到為磁場整形的目的。所述超導線圈位于超導整形塊的下面，超導線圈勵磁后所產(chǎn)生的磁場經(jīng)超導線圈中孔至超導整形塊的中孔然后進入超導整形塊和超導轉子之間的支承間隙，后從超導整形塊和超導環(huán)之間的間隙經(jīng)超導線圈的下方返回至超導線圈的中孔，形成閉合磁路。超導轉子、超導環(huán)和超導整形塊采用鈮制作。所述支承電極是在超導整形塊和支承基座所形成的凹球面上噴涂銅鎳合金形成的，由于銅鎳合金的相對磁導率接近于1，所以支承電極并不影響超導磁懸浮的磁路。支承電極的幾何中心與高壓線柱電氣連接，支承電極上的高電壓通過高壓線柱施力口。所述的超導環(huán)、超導整形塊、超導線圈、支承電極和高壓線柱都安裝在圓柱形的支承基座上。支承電極、高壓線柱和超導整形塊與支承基座之間高壓絕緣。液氦容器內充滿液氦，超導轉子、超導環(huán)、超導整形塊和超導線圈置于液氦容器內，浸泡于液氦中，均處在超導態(tài)。超導轉子的位移通過測量支承電極和超導轉子之間的間隙電容來獲得。
[0008]本發(fā)明以轉子腔幾何中心為原點建立直角坐標系，以液氦容器軸向方向為Z坐標軸，以垂直于紙面方向為Y坐標軸，同時垂直于Z坐標軸和Y坐標軸的為X坐標軸。因為超導磁懸浮力是一種斥力，因此超導磁懸浮支承系統(tǒng)是一種自穩(wěn)定懸浮支承系統(tǒng)，這里超導磁懸浮采用無源懸浮。Z坐標軸方向兩個超導線圈串聯(lián)并通以勵磁電流Itl，當超導轉子沿Z
坐標軸移動δ時，超導轉子受到的磁懸浮力為:
[0009]F1^(SJfl)
[0010]若施加在支承電極上的支承電壓為U，則超導轉子受到的靜電懸浮力Zf為:
[0011]Ff = Ff(SM)
[0012]由于靜磁場和靜電場互不耦合，所以超導轉子在Z坐標軸方向受到的總懸浮力Fz為:
[0013]Fz =+ , AU為支承電極上電壓U的變化量。
[0014]超導轉子在X坐標軸方向和Y坐標軸方向受到的懸浮力分析與此相同。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:在不改變超導轉子受到的超導磁懸浮力的情況下，引入了支承電極來提供靜電懸浮力，顯著地提高了超導轉子受到的懸浮力，增加了懸浮支承系統(tǒng)的冗余度，提高了懸浮支承系統(tǒng)的支承剛度和可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明裝置的結構示意圖，圖中:1制冷機，2—級冷頭，3 二級冷頭，4低溫容器，5冷屏，6液氦容器，7安裝蓋，8轉子腔，9超導轉子，10支承模塊；
[0017]圖2為支承模塊的結構示意圖，圖中:11超導線圈，12超導整形塊，13超導環(huán)，14支承電極，15高壓線柱，16支承基座。

【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明裝置包括制冷機1、一級冷頭2、二級冷頭3、低溫容器4、冷屏
5、液氦容器6、安裝蓋7、轉子腔8、超導轉子9以及支承模塊10。低溫容器4的上端蓋上面安裝有制冷機1，低溫容器4的上端蓋下面有安裝孔，安裝孔上裝有高強度、低熱導率的拉桿，拉桿下端固定在冷屏5的上端面。冷屏5的上端面與制冷機I的一級冷頭2緊固在一起。制冷機I的一級冷頭2用來冷卻冷屏5，冷屏5的作用是將冷屏5外部和冷屏5內部的熱交換進行阻斷，起到熱屏蔽的作用。冷屏5的上端面下部安裝有高強度、低熱導率的拉桿，拉桿的下端固定在液氦容器6的上端蓋上。液氦容器6的上端面與制冷機I的二級冷頭3緊固在一起。安裝蓋7通過螺栓緊固在液氦容器6的上端蓋，安裝蓋7的下端面與支承模塊10通過螺栓緊固在一起。六個支承模塊10結構完全相同，通過螺栓安裝在轉子腔8上，對稱分布在以轉子腔8中心為原點的正交坐標系的坐標軸上。超導轉子9位于轉子腔8內。超導轉子9為低溫超導材料制作的表面閉合的空心球體。
[0020]如圖2所示，支承模塊10包括超導線圈11、超導整形塊12、超導環(huán)13、支承電極
14、高壓線柱15以及支承基座16。其中超導環(huán)13為低溫超導材料制作的有一定高度和厚度的無縫管狀結構，其功能是保持通過超導環(huán)13中孔的磁通量為零。超導整形塊12為超導環(huán)13所包圍，是與超導環(huán)13同軸的軸對稱結構，由與超導環(huán)13同種的低溫超導材料制作，其結構雖然也是旋轉軸對稱結構并有中孔，但是超導整形塊12的壁在軸向方向有一道人為加工裂痕，其目的是防止其形成超導環(huán)從而造成磁通無法通過其中孔。所述超導整形塊12的作用是讓所述超導線圈11產(chǎn)生的磁場從超導整形塊12和超導轉子之間的間隙通過，從而達到為磁場整形的目的。所述超導線圈11位于超導整形塊12的下面，超導線圈11勵磁后所產(chǎn)生的磁場經(jīng)超導線圈11中孔至超導整形塊12的中孔然后進入超導整形塊12和超導轉子之間的支承間隙，后從超導整形塊12和超導環(huán)13之間的間隙經(jīng)超導線圈11的下方返回至超導線圈11的中孔，從而形成閉合磁路。所述支承電極14是在超導整形塊12和支承基座16所形成的凹球面上噴涂銅鎳合金形成，由于銅鎳合金的相對磁導率并不高，所以支承電極14并不影響超導磁懸浮的磁路。支承電極14的幾何中心與高壓線柱15電氣連接，支承電極14上的高電壓是通過高壓線柱15來施加的。所述的超導環(huán)13、超導整形塊12、超導線圈11、支承電極14和高壓線柱15都安裝在圓柱形的支承基座16上。支承電極14、高壓線柱15和超導整形塊12與支承基座16之間是高壓絕緣的。液氦容器內充滿液氦，超導轉子、超導環(huán)13、超導整形塊12和超導線圈11置于液氦容器內，浸泡于液氦中，均處在超導態(tài)。
[0021]本發(fā)明以轉子腔8幾何中心為原點建立直角坐標系，以液氦容器6軸向方向為Z坐標軸，以垂直于紙面方向為Y坐標軸，同時垂直于Z坐標軸和Y坐標軸的為X坐標軸。因為超導磁懸浮力是一種斥力，因此超導磁懸浮支承系統(tǒng)是一種自穩(wěn)定懸浮支承系統(tǒng)，這里超導磁懸浮采用無源懸浮。Z坐標軸方向兩個超導線圈11串聯(lián)并通以勵磁電流Itl，當超導轉子9沿Z坐標軸移動δ時，超導轉子9受到的磁懸浮力Fz為:
[0022]=F1^SJ,)
[0023]若施加在支承電極14上的支承電壓為U，則超導轉子9受到的靜電懸浮力Ff為:
[0024]Ff - Ff(SM)
[0025]由于靜磁場和靜電場互不耦合，所以超導轉子9在Z坐標軸方向受到的總懸浮力Fz為:
[0026]FZ=F:(S,/,) + /^(3,AU), AU為支承電極上電壓U的變化量。
[0027]超導轉子9在X坐標軸方向和Y坐標軸方向受到的懸浮力分析與此相同。
【權利要求】
1.一種靜電輔助懸浮支承的超導磁懸浮支承裝置，其特征在于:包括制冷機(I)、一級冷頭(2)、二級冷頭(3)、低溫容器(4)、冷屏(5)、液氦容器(6)、安裝蓋(7)、轉子腔(8)、超導轉子(9)，以及支承模塊(10);低溫容器⑷的上端蓋上面安裝有制冷機(I)，低溫容器(4)的上端蓋下面有安裝孔，安裝孔上裝有拉桿；拉桿的下端固定在冷屏(5)的上端面，冷屏(5)的上端面與制冷機(I)的一級冷頭(2)緊固在一起；制冷機(I)的一級冷頭(2)用來冷卻冷屏(5);冷屏(5)上端面的下部安裝有拉桿，拉桿的下端固定在液氦容器(6)的上端蓋上；液氦容器￠)的上端面與制冷機(I)的二級冷頭(3)緊固在一起，其特征在于:安裝蓋(7)通過螺栓緊固在液氦容器￠)的上端蓋上，安裝蓋(7)的下端面與支承模塊(10)通過螺栓緊固在一起；六個支承模塊(10)結構相同，通過螺栓安裝在轉子腔(8)上，對稱分布在以轉子腔(8)中心為原點的正交坐標系的坐標軸上；超導轉子(9)位于轉子腔(8)內；超導轉子(9)為低溫超導材料制作的表面閉合的空心球體。
2.按照權利要求1所述的靜電輔助懸浮支承的超導磁懸浮支承裝置，其特征在于:所述的支承模塊(10)包括超導線圈(11)、超導整形塊(12)、超導環(huán)(13)、支承電極(14)、高壓線柱(15)，以及支承基座(16);所述的超導環(huán)(13)為無縫管狀結構；超導整形塊(12)為超導環(huán)13所包圍，與超導環(huán)(13)同軸；超導整形塊(12)是旋轉對稱結構并有中孔，超導整形塊12的壁在軸向方向有一道人為加工的裂痕；所述超導線圈(11)位于超導整形塊(12)的下面，超導線圈(11)勵磁后所產(chǎn)生的磁場經(jīng)超導線圈(11)中孔至超導整形塊(12)的中孔，然后進入超導整形塊(12)和超導轉子(9)之間的支承間隙，然后從超導整形塊(12)和超導環(huán)(13)之間的間隙經(jīng)超導線圈(11)的下方返回至超導線圈(11)的中孔，形成閉合磁路；所述支承電極(14)是在超導整形塊(12)和支承基座(16)所形成的凹球面上噴涂金屬層形成的；支承電極(14)的幾何中心與高壓線柱(15)電氣連接，高壓線柱(15)向支承電極(14)施加高電壓；所述的超導環(huán)(13)、超導整形塊(12)、超導線圈(11)、支承電極(14)和高壓線柱(15)均安裝在圓柱形的支承基座(16)上；支承電極(14)、高壓線柱(15)和超導整形塊(12)與支承基座(16)之間高壓絕緣；液氦容器￠)內充滿液氦，超導轉子(9)、超導環(huán)(13)、超導整形塊(12)和超導線圈(11)置于液氦容器內，浸泡于液氦中，均處在超導態(tài)。
3.按照權利要求1或2所述的靜電輔助懸浮支承的超導磁懸浮支承裝置，其特征在于:所述的超導轉子(9)、超導環(huán)(13)和超導整形塊(12)采用鈮制作；超導轉子(9)是表面封閉的完整空心球體；超導轉子(9)的位移通過測量支承電極(14)和超導轉子(9)之間的間隙電容來獲得。
4.按照權利要求2所述的一種靜電輔助懸浮支承的超導磁懸浮支承裝置，其特征在于:支承電極(14)采用銅鎳合金制作。
5.按照權利要求1或2所述的靜電輔助懸浮支承的超導磁懸浮支承裝置，其特征在于:以轉子腔8幾何中心為原點建立直角坐標系以液氦容器6軸向方向為Z坐標軸，超導轉子(9)受到的Z坐標軸方向的總懸浮力為廣=/^(占，/。) + /^認八{7); F^(SJ0)為超導轉子(9)受到的Z坐標軸方向的磁懸浮力，為超導轉子(9)受到的Z坐標軸方向的靜電懸浮力；其中Itl為Z軸方向兩個串聯(lián)的超導線圈(11)通的勵磁電流，δ為超導轉子(9)沿Z軸反方向的位移，AU為支承電極上電壓U的變化量；超導轉子(9)在X坐標軸方向和Y坐標軸方向受到的懸浮力分析與此相同。
【文檔編號】F16C32/04GK104179803SQ201410342851
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權日:2014年7月18日
【發(fā)明者】劉建華, 王秋良, 戴銀明, 胡新寧, 崔春艷 申請人:中國科學院電工研究所