[實(shí)用新型]一種超導(dǎo)飛輪用球形線圈支承結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201520210704.1
• 申請(qǐng)日: 2015-04-09
• 公開（公告）號(hào): CN204559445U
• 公開（公告）日: 2015-08-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李京波;趙尚武;李慶躍;汪林望;吳宗澤;王臻;吳海虹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江東晶電子股份有限公司
• 主分類號(hào): H02N15/00
• 分類號(hào): H02N15/00
• 代理公司: 金華科源專利事務(wù)所有限公司 33103
• 代理人: 胡杰平

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及儲(chǔ)能和導(dǎo)航兩用的超導(dǎo)飛輪轉(zhuǎn)子的磁懸浮系統(tǒng)，尤其是一種超導(dǎo)飛輪用球形線圈支承結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

超導(dǎo)飛輪依靠超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)將超導(dǎo)轉(zhuǎn)子支承在高真空的腔體內(nèi)工作，消除了永磁體支承結(jié)構(gòu)引起的阻力矩干擾，采用低溫超導(dǎo)塊材形成的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子和低溫超導(dǎo)線繞制的支承線圈，減少了磁場(chǎng)耦合、磁通釘扎引起的阻力矩和損耗，使得轉(zhuǎn)子處于完全自由狀態(tài)。超導(dǎo)飛輪的磁支承系統(tǒng)主要由球形轉(zhuǎn)子、球形腔體、勵(lì)磁線圈組成，整個(gè)系統(tǒng)浸泡在液氦中工作。

通過設(shè)定各個(gè)線圈中的勵(lì)磁電流，調(diào)整超導(dǎo)轉(zhuǎn)子表面的磁場(chǎng)分布，能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子在中心位置時(shí)磁壓力的合力與它本身重力平衡，即超導(dǎo)轉(zhuǎn)子在中心位置時(shí)受到的合外力為零。當(dāng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子偏離中心位置時(shí)，氣隙寬度變小的區(qū)域磁場(chǎng)將增加，同時(shí)該區(qū)域的磁壓力也會(huì)增加，使得超導(dǎo)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在中心位置，這是磁懸浮的自穩(wěn)定性。勵(lì)磁線圈以及線圈骨架構(gòu)成球形腔體，球形腔體的半徑比轉(zhuǎn)子半徑略大，它們的半徑差即間隙的寬度根據(jù)工藝的精度和需求的支承剛度而定，一般在0.2mm～0.5mm。

超導(dǎo)體的Meissner效應(yīng)使得轉(zhuǎn)子附近的磁場(chǎng)分布很大程度上依賴于支承結(jié)構(gòu)的腔體形狀。在靠近超導(dǎo)體表面的磁場(chǎng)平行于表面，產(chǎn)生垂直于表面的磁壓力，對(duì)于形狀規(guī)則的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，磁場(chǎng)壓力指向球心而不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。由于構(gòu)成球形腔體的支承結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，當(dāng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子位于球腔的中心位置時(shí)，磁壓力在水平方向上合力為零，沿豎直方向的合力恰好克服超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的重力。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子在高真空的球形腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其表面幾乎沒有阻力作用，因而超導(dǎo)轉(zhuǎn)子可以長(zhǎng)時(shí)間保持勻速旋轉(zhuǎn)，這對(duì)提高超導(dǎo)飛輪的儲(chǔ)能效率和導(dǎo)航精度是極其重要的。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超導(dǎo)飛輪用球形線圈支承結(jié)構(gòu)，從而有效提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的支承剛度，降低超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的阻力矩和干擾力矩，同時(shí)提高超導(dǎo)支承結(jié)構(gòu)的加工工藝性，降低生產(chǎn)成本。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種用于超導(dǎo)飛輪的球形線圈支承結(jié)構(gòu)，其特征在于支承結(jié)構(gòu)包括：環(huán)氧骨架和超導(dǎo)線圈，所述的環(huán)氧骨架，由低溫環(huán)氧樹脂加工而成，呈球冠形狀，用于纏繞超導(dǎo)線圈，一個(gè)支承結(jié)構(gòu)中包括六個(gè)完全相同的環(huán)氧骨架，組成X、Y、Z軸向的三對(duì)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)線圈由低溫超導(dǎo)線在環(huán)氧骨架上繞制而成，在一個(gè)支承結(jié)構(gòu)中包括六個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的線圈，其中位于上半球頂部的線圈為上懸浮線圈，位于下半球底部的線圈為下懸浮線圈，其它四個(gè)為側(cè)向懸浮線圈，其中上懸浮線圈安裝于球形腔體的北極，中心軸線與腔體北極軸線一致；下懸浮線圈安裝于球形腔體的南極，中心軸線與腔體南極軸線一致，與上懸浮線圈對(duì)稱；所述四個(gè)側(cè)向懸浮線圈分別安裝于球形腔體水平方向的對(duì)稱位置，側(cè)向懸浮線圈中心軸線都在球形腔體的赤道面上，且分別相差90度。

本實(shí)用新型環(huán)氧骨架的內(nèi)表面為精加工的光滑球面，外表面設(shè)有凹槽用于纏繞超導(dǎo)線圈，凹槽的形狀和分布根據(jù)所要產(chǎn)生磁場(chǎng)的需求而設(shè)計(jì)。

本實(shí)用新型超導(dǎo)線圈由低溫超導(dǎo)線繞制而成，超導(dǎo)線圈每匝線圈之間都由低溫環(huán)氧膠粘結(jié)固化，線圈繞制密度以及匝數(shù)的設(shè)計(jì)原則為盡量使得超導(dǎo)轉(zhuǎn)子與支承結(jié)構(gòu)間隙內(nèi)的磁場(chǎng)為均值分布，盡量減少各個(gè)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的耦合性。當(dāng)線圈內(nèi)通入適當(dāng)?shù)碾娏鲿r(shí)，間隙內(nèi)的磁場(chǎng)值接近且小于超導(dǎo)材料的下臨界磁場(chǎng)。

作為上述技術(shù)方案的延伸，還包括組合球形線圈的設(shè)計(jì)方案，即將每一個(gè)懸浮線圈分離為幾個(gè)不同的子線圈，子線圈中的勵(lì)磁電流可以獨(dú)立設(shè)定，同一個(gè)懸浮線圈中不同的子線圈之間都由一定厚度的環(huán)氧骨架分割和加固。

上述每一個(gè)懸浮線圈拆分的子線圈的個(gè)數(shù)越多，則超導(dǎo)支承結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子之間間隙內(nèi)的磁場(chǎng)越均勻，但同時(shí)線圈的繞制工藝就會(huì)越復(fù)雜。由三個(gè)子線圈構(gòu)成的組合球形線圈的繞組結(jié)構(gòu)，每一個(gè)組合線圈都包含三個(gè)獨(dú)立的子線圈，每?jī)蓚€(gè)子線圈之間都增加了一定厚度的環(huán)氧骨架，組合球形線圈的整體尺寸和結(jié)構(gòu)沒有改變。由于子線圈之間增加了環(huán)氧骨架，故每層線圈的匝數(shù)有所減少。這種組合球形線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布可以用同樣的方法計(jì)算，也能保證超導(dǎo)轉(zhuǎn)子與球腔內(nèi)壁的間隙內(nèi)磁場(chǎng)近似均勻分布，進(jìn)而產(chǎn)生最大的支承力和支承剛度。為了使得超導(dǎo)轉(zhuǎn)子表面磁場(chǎng)達(dá)到可能的最大值，三個(gè)子線圈應(yīng)該加載不同的電流值。相對(duì)于，該組合球形線圈能夠產(chǎn)生的支承剛度略大于球形線圈支承結(jié)構(gòu)，但是該組合球形線圈中激磁電流的控制策略比球形線圈相對(duì)復(fù)雜。

本實(shí)用新型能有效提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的支承剛度，降低超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的阻力矩和干擾力矩，同時(shí)提高超導(dǎo)支承結(jié)構(gòu)的加工工藝性，主要包括減小加工、組裝難度，提高支承結(jié)構(gòu)參數(shù)的一致性，降低生產(chǎn)成本。

附圖說明