[發明專利]一種用于測量球形轉子極軸偏角的磁懸浮裝置及測量方法

無效

• 申請號: 200710119972.2
• 申請日: 2007-08-06
• 公開（公告）號: CN101113896A
• 公開（公告）日: 2008-01-30
• 發明（設計）人: 崔春艷;胡新寧;王秋良;趙尚武
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26;G01B7/30;G01D5/353;G01D5/14
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 關玲;成金玉

技術領域

本發明涉及一種用于測量轉子極軸偏角的磁懸浮裝置及其轉子極軸偏角的測量方法，特別涉及低溫超導球形轉子磁懸浮裝置及球形轉子極軸偏角的測量方法。

背景技術

球形轉子在懸浮力的作用下，繞極軸高速旋轉而具有一定的角動量，力圖保持其自轉軸相對慣性空間的方位不變，??這種特性廣泛應用在定位定向等系統中。目前測量球形轉子的極軸偏角采用光電讀取方案，一種是極軸-赤道D型刻線方案，即在轉子表面與極軸的交點即球面極點一側刻劃寬約1mm，長約4mm的一組細線，對稱于赤道處刻長約10mm，寬約1mm的一組細線，這樣的刻線表面對光有漫反射的作用。在球轉子頂部極點處和側面赤道處分別配置光纖傳感器。極軸光纖傳感器的光點對準轉子極點處的刻線區域，輸出轉子自轉軸相對于球腔的位置信號；赤道光纖傳感器對準赤道處的脈沖刻線，輸出轉子轉速脈沖信號作為旋轉軸位置分離的基準。還有一種是數字式讀取方案，在轉子赤道處刻制三角形漫反射圖譜，由沿赤道分布且相互正交的四個光纖傳感器讀取漫反射圖形，獲取角度。這些方法都需要在轉子表面即球面上刻制漫反射圖形，技術難度較高，且球面對光的反射效果也較差。第二種方法要求刻線對稱于赤道刻制，難度更大，且需要使用四個光纖傳感器相互正交放置，對安裝精度要求較高，且成本較高。

靜電懸浮方式是目前廣泛應用的一種球形轉子懸浮方式，金屬的球形轉子放置在帶有電極的陶瓷球腔內。電極成凹球面形，至少有三對；在電極上接通高電壓，由于電極與轉子之間的間隙很小，因此便產生相當高的電場強度。在這樣高的場強之下，3對電極通過靜電感應對轉子產生足夠大的靜電吸力，把球形轉子支懸起來。已經懸浮的轉子被驅動線圈的旋轉磁場帶轉到額定轉速，然后依靠慣性持續自轉。通過角度讀取系統讀取轉子極軸相對殼體的位置信息反饋給支承控制回路控制電極電壓，使轉子極軸始終保持方向不變。

然而靜電懸浮是一種不穩定的懸浮方式，靜電力是一個發散的吸力，轉子任何方向的位移將導致該方向上更大的吸引力，需要敏感元件檢測位移，并由控制裝置反饋一個調整平衡的力，剛度較低，很小的擾動就會使轉子偏移而碰到球腔電極，毀壞轉子，因此系統是不穩定的。

發明內容

為了克服現有技術的缺點，實現球形轉子的穩定懸浮，本發明提出了一種低溫超導球形轉子磁懸浮裝置及球形轉子極軸偏角的測量方法。本發明超導磁懸浮裝置的剛度大大高于現有技術的靜電懸浮系統，抗沖擊的能力也遠強于靜電懸浮系統。而且由于處于低溫環境，采用磁屏蔽，干擾力矩降低很多，轉子能更穩定地懸浮和高速旋轉。

本發明超導磁懸浮裝置的工作原理是基于超導體的完全抗磁特性——邁斯納效應，也就是超導體進入超導狀態后，外磁場無法貫穿到它的內部。超導體的表面感生了一個無損耗的超導電流，這是由于超導體的電阻為零，同時超導體的磁導率為零，可把它看成為理想的反磁體。在靠近超導體表面，磁場的磁力線是嚴格平行于表面的。超導電流產生的磁場方向恰好與原來的磁場方向相反，兩個磁場相互作用產生支承力，使超導轉子懸浮起來。

本發明球形轉子低溫超導磁懸浮裝置包括低溫杜瓦、兩個超導線圈、兩個鈮瓦、超導鈮球轉子、中心柱、超導電機，力矩器，銅板，極軸光纖傳感器和轉速光纖傳感器。低溫杜瓦是整個超導磁懸浮裝置的最外層，采用低溫液體液氦冷卻，為超導磁懸浮裝置提供4.2K的低溫環境。鈮瓦內面呈球面，兩個鈮瓦上下相對布置，形成一個球形腔。中空的鈮球轉子位于球形腔內，套在中心柱上。轉子與球形腔之間的間隙在0.5mm-1.5mm之間。上下兩個圓形的超導線圈分別粘連固定在上下兩個鈮瓦的端面上。中心柱內同軸安裝了超導電機和兩個力矩器，超導電機位于中部，兩個力矩器分別置于超導電機上部和下部，對稱布置。圓形的銅板固定在上超導線圈的上面，在銅板的中部用螺紋連接固定了極軸光纖傳感器和轉速光纖傳感器，兩個傳感器的光軸垂直于超導轉子的頂部圓形平面。

超導線圈通入一定的電流后產生磁場，磁力線強迫流入轉子和球形腔之間的狹窄的間隙內形成磁壓，實現轉子的懸浮。當轉子穩定懸浮在球形腔的中心位置時，給超導電機通入一定的電流，中心柱內的超導電機驅動超導轉子在球形腔中心高速旋轉。在高速旋轉過程中，轉子由于質量不平衡或磁干擾會受到干擾力矩的作用而使轉子極軸發生偏移，因此在轉子旋轉過程中，測量轉子極軸偏角的大小及方向，反饋給力矩器，由力矩器進行調節，使轉子極軸回到起始的中心線位置。