高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承的特性研究.pdf

1、高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承具有結(jié)構(gòu)緊湊、旋轉(zhuǎn)損耗小、應(yīng)用前景好等優(yōu)點，本論文面向其實用化，開展優(yōu)化設(shè)計、剛度特性、旋轉(zhuǎn)特性和動態(tài)特性的研究。
　　對超導(dǎo)軸承的優(yōu)化設(shè)計，通常采用實驗測試的方法比較不同條件下超導(dǎo)軸承的剛度特征，選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)和各個參數(shù)的最優(yōu)值。這種方法的所需時間長、投入成本高且不具有通用性。為此，本論文提出采用高溫超導(dǎo)磁懸浮三維數(shù)值計算程序進行優(yōu)化設(shè)計的方法。首先采用高溫超導(dǎo)磁懸浮三維數(shù)值計算程序，分析永磁轉(zhuǎn)子磁極與超導(dǎo)塊

2、材籽晶相對排布結(jié)構(gòu)對超導(dǎo)軸承剛度特性的影響，由此得到一種較優(yōu)的結(jié)構(gòu)。依據(jù)這種結(jié)構(gòu)，由仿真計算得到聚磁鐵環(huán)厚度、永磁環(huán)徑向厚度、工作間隙、超導(dǎo)定子工作溫度在不同取值時的剛度特性。結(jié)合實際運行狀況，選取這四個參數(shù)的最優(yōu)值而對超導(dǎo)軸承進行優(yōu)化設(shè)計。以仿真計算為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計，其優(yōu)化結(jié)果可作為理論和實驗研究的參考。
　　高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承剛度特性的研究對象包括軸向剛度、徑向剛度、偏轉(zhuǎn)角剛度、交叉剛度、綜合剛度。測試表明超導(dǎo)定子冷卻效率

3、越高，超導(dǎo)軸承軸向剛度受永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響越小。根據(jù)單塊高溫超導(dǎo)塊材與永磁轉(zhuǎn)子在相對位移時的作用力，推導(dǎo)出計算精度為98.6％的徑向剛度計算方程；分析永磁轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)與由此引起的永磁轉(zhuǎn)子各部分徑向偏移的關(guān)系，推導(dǎo)出高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承的偏轉(zhuǎn)角剛度計算方程；對交叉剛度進行理論分析，并討論交叉剛度在應(yīng)用中的影響。根據(jù)上述結(jié)果研究綜合剛度特性，推導(dǎo)出永磁轉(zhuǎn)子受徑向力、軸向力和力矩作用時的位移和偏轉(zhuǎn)角計算方程組。
　　穩(wěn)定性、旋轉(zhuǎn)損耗和在旋

4、轉(zhuǎn)機械中應(yīng)用的特性研究是高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承旋轉(zhuǎn)特性的研究內(nèi)容。永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)自由衰減和變轉(zhuǎn)速實驗，表明提高超導(dǎo)塊材性能、永磁轉(zhuǎn)子磁場均勻性、轉(zhuǎn)子動平衡性有助于提高旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和減小旋轉(zhuǎn)損耗，采用渦流阻尼器可提高旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性但需降低旋轉(zhuǎn)損耗。利用剛度特性研究的結(jié)果，分析了采用超導(dǎo)軸承的旋轉(zhuǎn)機械實驗樣機設(shè)計的合理性。國際上首次把高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承應(yīng)用于液氮泵樣機，該樣機運行穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速達到2245 rpm。搭建采用超導(dǎo)軸承的高速電機樣機，運

5、行轉(zhuǎn)速達到9901 rpm，為目前國內(nèi)超導(dǎo)磁懸浮軸承的最高轉(zhuǎn)速。
　　高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承動態(tài)特性研究圍繞豎直振動中和長期運行時的穩(wěn)定性，以及在移動載體中應(yīng)用的力學(xué)問題開展研究。高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承在豎直振動中表現(xiàn)出振動隔離性，可維持運行的穩(wěn)定性。針對長期運行的穩(wěn)定性，探討動態(tài)條件下高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承轉(zhuǎn)子下降問題的解決方案。采用修正法恢復(fù)軸向力以此達到修正轉(zhuǎn)子高度下降的目的。理論分析表明修正法實施的過程中，超導(dǎo)軸承保持徑向