超导转子旋转驱动装置的设计

　　1　引　言

　　随着超导材料和低温技术的不断发展,超导磁悬浮技术在各个领域的应用也越来越广泛,例如超导磁悬浮列车、超导磁悬浮轴承、超导飞轮储能、重力加速度仪等[1-4]。由于超导体的完全抗磁性(即迈斯纳效应)可以得到稳定的超导磁悬浮状态,同时这种非接触的悬浮可以在没有能量损失的情况下稳定运行,因此应用超导磁悬浮技术研制生产各类高精度精密仪器有着巨大的潜能和广阔的前景。

　　利用高速旋转的超导转子旋转轴作为测量基准,可以进行角速度和方位的测量。国外20世纪60年代就开始了此方面超导仪器的研制并成功进行了应用,而我国在此方面的工作起步较晚,目前还没有相关较为成熟的研究和报道。本文对基于迈斯纳效应的超导转子旋转驱动原理和装置结构设计进行了讨论,分析了驱动结构的电磁场分布特点以及驱动电流与旋转加速度的关系。通过旋转实验比较了驱动力分析计算结果,并且在驱动装置上使转子转速达到了8 500 r/min以上,证明了此驱动装置设计合理、运行可靠。实验结果及讨论为今后进一步优化旋转装置设计,提高转子旋转的稳定性及转子漂移测试工作提供了参考。

　　2　转子旋转驱动装置的设计

　　处于超导态的理想超导体,不管外加磁场如何变化,超导体内的磁感应强度总是等于零,这个效应称为迈斯纳效应。根据迈斯纳效应可知,磁场不能穿透超导体,处于外磁场中的超导体产生的感应电流仅在超导体表面的穿透层中流过,感应电流产生的感应磁场与外加磁场大小相等而方向相反,因此它们之间便有电磁力的相互作用,这个电磁力即磁压力对外可表现为非接触式的机械力的形式[5]。这即是设计超导转子悬浮旋转方法和仪器装置的理论基础。

　　转子旋转驱动装置主要包括超导球形转子、中心柱定子、球形超导支承腔及超导线圈等。超导球形转子是转子旋转驱动装置的核心部件。其中,超导转子旋转驱动装置工作时,转子依靠电磁力悬浮在超导磁悬浮支承腔内做高速旋转。在理想条件下,超导转子不受任何外力作用,完全工作在自由状态,其旋转轴将保持在惯性空间内永远不动。为了实现这种理想的工作状态,超导球形转子的材料必须是高刚度、高稳定性、质量分布均匀的超导材料,并且这种材料尽可能具有较高的临界磁场和临界温度。转子质心与外球面几何中心重合,转子外球面在旋转状态时应是理想的圆球面。由于超导材料临界磁场的限制,转子的支承力是有限的。在相同支承力条件下,转子能承受的过载加速度与转子质量成反比,因此一般可将转子做成空心来降低转子质量,另外可以适当增大转子半径来降低转子加工精度的高要求。从技术难易程度上考虑,选择空心大球转子方案更可行一些。目前,制作超导球形转子和悬浮支承腔的超导材料均选用高纯金属铌。铌材料的上临界磁场可达0.199 4 T,临界温度达到9.2 K,相比其他较易加工的理想超导金属材料具有较高的临界磁场和临界温度。超导球形转子的结构设计要综合考虑承载能力、支承方式、支承间隙大小、额定转速、离心变形以及电磁干扰力矩等因素。本文设计的驱动装置的超导转子结构如图1所示,转子为赤道加厚的空心薄壁圆球,直径为50mm,质量105.7 g。