CN101191748A - 高温超导磁悬浮或电机准静态力测试装置 - Google Patents

Abstract

高温超导磁悬浮或电机准静态力测试装置属于超导电工技术领域，可用于精确测试高温超导块在永磁体或者直流线圈磁场中的准静态悬浮力和导向力，精确测试高温超导块在三相交流线圈磁场中产生的准静态排斥力和推力。高温超导块固定于平底液氮低温保持器中，低温保持器通过十字轴万向节、直线轴承、水平和竖直力传感器等结构固定于测试系统的竖直电机平台上，永磁体、直流线圈或交流线圈等磁场源固定于测试系统的水平电机平台上。通过两个电机平台改变被测件与磁场源的相对位置，两个传感器分别采集被测件在不同状态下的竖直方向和水平方向作用力。通过采用杠杆作用原理，有效提高水平方向作用力的测试精度，并实现竖直力和水平力的同时测量。

Description

高温超导磁悬浮或电机准静态力测试装置

技术领域

本发明涉及超导电工技术领域。

背景技术

熔融织构生长(MTG)的强磁浮YBaCuO块状超导材料具有完全抗磁效应和磁通钉扎效应等特性，使其在许多领域具有很好的应用前景。例如，超导磁悬浮轴承(包括大功率飞轮储能系统和特殊用途的无摩擦轴承)、超导无摩擦输运(包括磁悬浮车、航天器或舰船的磁悬浮推进)、超导直线电机、超导磁分离(用于污水处理)、低损耗的液氢储存和输送系统等，都是高温超导材料在各个领域可能的应用目标。

磁悬浮力是高温超导磁悬浮系统的主要使用性能，沿竖直方向的悬浮力和沿水平方向的导向力是衡量磁悬浮系统自稳定悬浮性能的两个主要性能指标，因此精确测试高温超导体在不同外磁场条件下的悬浮力和导向力，可以为高温超导磁悬浮系统的理论分析和数值计算提供可靠的实验依据，将有效推动磁悬浮系统的实用化研制。

高温超导直线电机相对于永磁直线电机有利于实现更大的推力和作用气隙，使直线电机技术水平上升一个台阶。精确测试高温超导直线电机在不同作用气隙和不同外磁场条件下的排斥力和推力，对于高温超导直线电机的研制也具有重要的推动作用。

因此，鉴于这两种系统在作用方式上的相似性，本专利阐述了一种能够实现磁悬浮系统的悬浮力、导向力同时测试，或超导电机系统排斥力、推力同时测试的一体化准静态力测试装置。

发明内容

1.发明目的

早期的超导块材磁浮力研究，主要通过超导样品的研制和生产单位来进行，例如北京有色金属研究院和西北有色金属研究院都自行设计出用于分析单块超导体悬浮力的测试装置，但这些装置只能进行单块超导块材的悬浮力测试内容，无法进行超导块材横向移动的回复力(或称为导向力)测量。西南交通大学在研制高温超导磁悬浮试验车过程中，设计了一种能够初步模拟磁浮车运行状态的磁悬浮力测试系统，采用低温容器固定超导块并可以实现超导块的多排列方案，永磁导轨实现强磁场更接近实际应用需要，通过其二轴数控电机位移装置改变低温容器与永磁导轨的相对位置，并通过竖直力传感器测量产生的悬浮力，悬浮力测试精度较高。该测试装置的导向力测试方案采取在水平驱动平台和永磁导轨之间连接水平力传感器实现，当永磁导轨相对低温容器水平运动时，水平力传感器测试高温超导体对永磁导轨的水平作用力，由于永磁导轨在滚动滑轨上的摩擦力，而且摩擦力的值也不是固定不变的，给导向力测试带来了很大误差。同时由于永磁导轨在滑轨上的静摩擦力较大，在低温容器下降产生悬浮力的过程中，很难观察高温超导体对永磁导轨水平方向的作用力状态。因此，需要对这种导向力测试方法进行改进。

本专利的测试装置正是针对改进水平方向力的测试方法而提出的，而且可以实现竖直方向力和水平方向力的同时观察和测量。该测试装置可以快速有效地应用于高温超导磁悬浮系统或高温超导电机系统的准静态悬浮力、导向力和推力测试研究中。

2.技术方案

本发明的目的可以由下列技术方案来实现：

本测试装置由台架、二轴数控电机平台、应变式拉压力传感器、十字轴万向节、球轴承、直线光轴、固定超导样品的低温保持器和数据采集分析系统组成。

二轴数控电机平台由两套步进直线电机及控制器、竖直电机平台和水平电机平台组成。竖直和水平电机平台分别通过两条平行直线导轨竖直或水平地定位于台架上，驱动由步进直线电机自行提供动力，竖直或水平定位的直线导轨可以保证两个电机平台高精度的竖直和水平移动。

液氮低温保持器通过直线光轴、十字轴万向节和竖直力传感器固紧于竖直电机平台上，与直线光轴光滑紧密接触的球轴承通过水平力传感器也与竖直电机平台连接。由于精度设计得当，在连接过程中，竖直和水平力传感器上预紧力很小。直线光轴与球轴承配合形成直线轴承，摩擦系数很小(＜0.01)，因此对竖直方向力的采集影响很小。另一方面直线光轴与球轴承的紧密接触又有效保证了水平方向力的传递。

被测高温超导体固定在液氮低温保持器内部，其籽晶生长面与液氮低温保持器的底部内壁紧贴。本专利采用能放置高温超导块材的薄底液氮低温保持器，使高温超导体定位于磁场源之上。低温保持器采用真空绝热结构，容器采用无磁不锈钢材料的内外胆焊接而成，底部无焊缝，内外胆的底部真空夹层采用玻璃钢绝热材料支撑，有利于增强底部结构的强度。最终实现的低温保持器可连续工作1小时，底厚仅4mm，能够实现高温超导体与磁场之间5mm的近距离测量，可以保证测试结果更切合实际应用的需要。

永磁体、直流线圈或交流线圈等磁场源固定于水平电机平台上。最终实现低温保持器底面与磁场源上表面保持平行，且两者的中心线投影保持重叠。拉压力传感器分别测量竖直方向和水平方向的力学量。

通过该测试系统可以精确快速地测量由单块或多块高温超导体与各种磁场源组成的磁悬浮系统或直线电机系统的磁浮力和电机推力。由工控机(数据采集卡以及电机控制卡)和系统软件实现对系统的全自动测量和控制，根据测试要求软件同时采集竖直和水平两个方向的力。采用可视化用户界面，用户可直接在计算机上进行操作。

3.有益效果

本发明与现有技术相比具有下列效果和优点：

液氮低温保持器连接采用了十字轴万向节、球轴承和直线光轴，保证仅有竖直方向的力作用在竖直力传感器上，同时十字轴万向节不会限制低温保持器在X-Z平面内的摆动，球轴承与直线光轴之间的光滑接触作用将约束低温保持器的摆动，并把水平约束力传递给在水平方向力传感器。在被测件的导向力或推力测试过程中，采用了杠杆作用原理，使水平力的测试精度得到进一步提高。

悬浮力测试过程中，电机驱动竖直电机平台做竖直运动，完成悬浮力随悬浮间距变化的测量，同时也可以监测悬浮力测试过程中水平方向的力变化。导向力测试过程中，超导体保持在磁场上方某一位置，水平电机平台驱动磁场源沿水平方向运动，实现导向力随水平位移变化的测量，同时也可以监测导向力测试过程中悬浮力随水平位移的变化。因此，此系统也实现了悬浮力和导向力的同时测量，这对于预示超导磁浮系统或超导电机在实际运行过程不同状态下的悬浮力、导向力或推力的变化特性具有重要的指导作用。

附图说明

图1.高温超导磁悬浮或电机准静态力测试装置原理示意图。

图2.水平电机平台上的直流线圈绕组布置示意图。

图3.水平电机平台上的直线电机三相交流线圈绕组布置示意图。

见图1，1为竖直电机平台，2为竖直力测试传感器，3为十字轴万向节，4为水平力测试传感器，5为球轴承，6为直线光轴，7为液氮低温保持器，8为高温超导块，9为永磁导轨，10为水平电机平台，11为台架。

见图2，12为可控直流线圈绕组。

见图3，13为直线电机三相交流线圈绕组。

具体实施方式

实施例1：高温超导磁悬浮系统的磁浮力测量

竖直直线电机平台1和水平电机平台10通过直线导轨固定在测试台架11上。放置超导块材的低温保持器7通过销接结构连接于直线光轴6一端，直线光轴6再通过十字轴万向节3与竖直力传感器2相连。永磁导轨9、直流线圈12等磁场源在不同的测试要求下固定于水平电机平台10上，其长度方向垂直于XZ平面，低温保持器7与磁场源9、12的上表面垂直并保持截面对称。水平力传感器4也固定于竖直电机平台2上，通过球轴承5与直线光轴6之间的光滑配合作用，用来传递水平力。

当处于实验测试条件中，高温超导块8固定在液氮低温保持器7内部，其籽晶生长面与保持器7的底部内壁紧贴。竖直电机平台1带动低温保持器7相对磁场源作上下移动，使低温保持器到达磁场源上方某一个需要测试的磁场位置。然后通过管路系统给低温保持器7中加注液氮，低温保持器设计有排气孔可以使气氮正常排出，而不会造成容器内压力过大。观察气氮排出的状态，待气体呈稳定态时，表明低温容器内部已实现液氮低温环境(77K)，超导块实现超导状态，可以开始测试过程。

当低温保持器7在竖直电机平台带动下相对永磁体9或直流线圈12上下移动，或者磁场源9、12在水平电机平台10带动下沿X轴方向水平移动时，对应每个竖直位移点或者每个水平位移点，竖直和水平力传感器将实时记录高温超导体8与磁场源9、12作用产生的竖直力和水平力的结果，竖直方向和水平方向的运动位移量分别由竖直和水平步进电机的脉冲数计算得出。在被测件的导向力测试过程中，如图1所示，根据杠杆作用原理，水平力传感器测量结果(F_x1)与实际导向力(F_x2)存在一定换算关系，即F_x2＝F_x1·L₁/(L₁+L₂)，F_x2被放大，换算后测试精度得到进一步提高。通过工控机上的可视化软件界面，可以直接观察采集的结果曲线。

实施例2：高温超导直线电机的推力测定

当进行由高温超导体8和三相交流线圈绕组13组成的直线电机系统测试时，竖直电机平台1带动低温保持器7，使其定位于三相交流线圈绕组13上方不同的作用气隙位置，然而给低温保持器7加注液氮，使高温超导体8在无磁场条件下进入超导态。然后按照一定的频率为三相交流线圈绕组13通电流，同时竖直和水平力传感器获得直线电机在不同作用气隙和外磁场条件下的排斥力和推力。

研究高温超导直线电机在高温超导体俘获磁场条件下的推力特性，首先通过把直流线圈绕组12放置在水平电机平台10上，然后低温保持器7被驱动到需要测试的作用气隙位置，在直流线圈绕组12通电产生磁场的条件下，低温保持器7加注液氮使高温超导体8实现超导，同时超导体内俘获大量磁场。然后撤去直流线圈绕组12，安装三相交流线圈绕组13，按照一定的频率为三相绕组通电，即可实现高温超导体在俘获磁场条件下的直线电机推力测试。

Claims (3)

1.一种高温超导磁悬浮或高温超导电机的准静态力测试装置，该装置含有二轴数控电机平台、应变式拉压力传感器、十字轴万向节、球轴承、直线光轴、固定超导样品的液氮平底低温保持器和数据采集分析系统等，其特征在于通过电机平台实现高温超导体的不同磁场冷却位置，通过调整高温超导体相对于磁场源的竖直和水平方向位置，精确测试磁悬浮系统的悬浮力和导向力，或者精确测试高温超导电机在不同作用气隙下的排斥力和推力。

2.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮或电机的准静态力测试装置，其特征在于高温超导体固定在液氮平底低温保持器内部，其籽晶生长面与液氮低温保持器的底部内壁紧贴，低温保持器连接采用了十字轴万向节、球轴承和直线光轴，直线光轴与球轴承配合形成直线轴承，摩擦系数很小(＜0.01)，因此对竖直方向力的采集影响很小。同时十字轴万向节不会限制低温保持器在X-Z平面内的摆动，球轴承与直线光轴之间的光滑接触作用将约束低温保持器的摆动，并把水平约束力传递给在水平方向力传感器。水平力传感器测量结果与实际磁悬浮系统的导向力或者直线电机的推力，符合杠杆作用原理，使导向力或推力的测试精度得到进一步提高。

3.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮或电机的准静态力测试装置，其特征在于悬浮力测试过程中，竖直电机平台被驱动做竖直运动，完成悬浮力随悬浮间距变化的测量，同时也可以监测水平方向的力变化。导向力测试过程中，超导体保持在磁场上方某一位置，水平电机平台驱动磁场源沿水平方向运动，实现导向力随水平位移变化的测量，同时也可以监测悬浮力随水平位移的变化。因此，此系统实现了悬浮力和导向力的同时测量。

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