高温超导磁悬浮径向轴承悬浮特性分析

高温超导磁悬浮轴承凭借无源自稳定的优良特性,在飞轮储能系统中拥有巨大的应用潜能,其主要结构由高温超导定子和永磁转子组成。而轴承的悬浮特性直接决定飞轮转子的设计和飞轮储能系统的容量大小。本文基于磁通冻结镜像法的思想,对高温超导径向磁悬浮轴承的悬浮特性进行分析,并对轴承轴向/径向悬浮力和刚度参数进行计算。结果表明:轴承的悬浮力和刚度随着初始径向位置、径向位移和轴向位移的变化而变化;在相同的位移条件和研究的位移范围内,径向悬浮力/刚度皆大于轴向的情况,且两者相差约一个数量级。     

高速透平机械超导磁悬浮轴承转子结构设计

高温超导磁悬浮轴承具有运用于大型低温系统高速透平机械复杂工况的显著优点。针对磁通集中式排列的永磁转子结构,利用电磁场分析软件计算和分析了转子结构参数对轴承悬浮性能的影响,并以最大单位面积悬浮力为设计目标,结合转子动力学分析,得到了永磁转子的各项结构参数,为高速透平机械中运用超导磁悬浮轴承的转子结构设计和轴承制作,提供了一定的参考依据。     

空心圆柱形永磁体内径对单畴GdBCO超导块材磁悬浮力的影响

通过对空心圆柱形永磁体与单畴GdBCO超导体磁悬浮力的实验测量,研究了空心圆柱形永磁体内径(d)的变化对超导体磁悬浮力的影响.结果发现,当空心圆柱形永磁体内径从0 mm增加到26 mm时,超导磁悬浮力大小与空心圆柱形永磁体内径有着密切关系(最小测量间距Z=2 mm),所有超导磁悬浮力曲线都存在磁滞现象.随着空心圆柱形永磁体内径的增大,最小间距处超导磁悬浮力逐渐减小,从d=0 mm时的14.8 N减小为d=26 mm时的-0.1 N,d≥20 mm时,最小间距处超导磁悬浮力出现负值;当0 mm≤d5 mm时,超导体最大磁悬浮力出现在最小间距处,d≥5 mm时,超导磁悬浮力先增大后减小,最大超导磁悬浮力产生的位置随着内径的增大而变大.研究表明:只有科学合理地设计永磁体结构参数,才能获得较大的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性.该结果对设计并优化磁悬浮轴承系统、环形轨道和超导体的实际应用具有一定的指导意义.     

基于H-法高温超导轴承悬浮特性的数值仿真研究

当高温超导体处于超导态,永磁体的部分磁力线进入到超导体内,由于磁通钉扎的作用,永磁体无需控制而稳定悬浮,这种悬浮具有无源自稳定的优良特性,利用这种特性的高温超导轴承应运而生.本文通过数值仿真的方法研究高温超导轴承的悬浮特性,建立了基于H-法的有限元模型,采用幂指数函数表示超导体的E-J特性.通过实验数据与仿真数据的对比验证了模型的正确性,讨论了误差产生的原因.数值仿真形象地显示了超导定子在永磁转子轴向运动过程中的电磁行为.     

超导飞轮储能用永磁轴承参数优化

随着近年美、德、日等国研究小组的大容量高温超导飞轮储能系统(HTS FESS)样机的报道,具有控制简单、储能密度大、效率高、寿命长、应用范围广等优点的HTS FESS已经被广泛认可。综合主要研究小组的工作发现,采用高温超导磁悬浮轴承与永磁轴承配合的结构在保证飞轮转子轴向和径向都稳定的同时,具有成本低的优势。针对这种混合轴承布置方式,文中对超导飞轮储能用永磁轴承的承载能力进行了研究,通过有限元仿真分析提出了一种径向型永磁轴承的优化方案,相关结果可为后续样机研究提供一定的参考。     

带开口磁环的周期永磁聚焦系统的轴向磁场

 基于磁环的元电流模型,分析了永磁磁环的轴向磁场分布规律。理论计算和测试结果表明:轴向磁化磁环中心轴上的磁感应强度不存在径向分量,只有轴向分量;但磁环开口后,轴向磁场降低,而径向磁场增加,其中心轴上的合成磁感应强度体现出非轴对称性,不利于其在周期永磁（PPM）聚焦系统中的应用。根据磁场的轴向分量和径向分量的分布特点,设计和优化了带开口磁环的PPM系统,实现了轴向磁场的周期化。     

高温超导磁悬浮轴承选择与设计

新型无摩擦高速高温超导磁悬浮轴承是高温超导磁悬浮技术最有潜力的应用之一,具有巨大的工业应用前景。文中分析比较了轴向型和径向型两种高温超导磁悬浮轴承的特点,并利用轴向型高温超导磁悬浮轴承结构简单、制作容易的优点,设计制作了一台双轴向型高温超导磁悬浮轴承样机。实验结果显示,上、下两高温超导磁悬浮轴承完全实现了2.4kg转轴的稳定悬浮及无接触旋转运行,目前受驱动电机转速限制,最高试验转速为3000 rpm。在稳定运行的基础上,该轴承样机将最终用于高温超导飞轮储能系统的原理演示。     

永磁导轨上高温超导块材排布方式与悬浮力关系的研究

本文研究了YBCO块材排布方式与其在永磁导轨上悬浮力的关系.实验结果表明:悬浮力与随悬浮间距成指数关系.而YBCO块材在导轨上方排列方式的不同,导致沿轨道横截面方向,每块超导块获得的悬浮力平均值差异较大.当超导块集中分布于轨道上方磁场强度最大的区域时,超导块平均悬浮力最大.这意味着,与其他排布方式相比,在获得同等悬浮力情况下,这种排布方法的超导块用量最少.这一结果对于超导磁悬浮系统的设计具有指导意义。     

永磁导轨上组合与单块YBCO的悬浮力关系研究

受现有块材尺寸与性能的限制,实际应用中总是将许多超导块组合以满足实际需求.因此,研究组合样品与单个样品悬浮力之间的关系对设计磁悬浮系统具有实际意义.本文研究了永磁导轨上组合样品与单块样品悬浮力之间的关系.组合样品由3块矩形融熔织构YBCO块材组成,实验分两种方式进行,即组合样品平行于永磁导轨和垂直于永磁导轨两种情况.两种情况的实验结果均表明,组合样品的悬浮力与单个样品悬浮力的总和相当,平行时的最大悬浮力偏差为14.0N,垂直时的最大悬浮力偏差为4.9N.30mm悬浮间距内的最大悬浮力偏差百分比不超过6%.因此,我们可以根据单个样品的悬浮力来估算各种组合情况时的悬浮力.     

2kWh/100kW超导飞轮转子动态悬浮耦合特性研究

轴承是支承轴颈和轴上回转零件旋转的关键部件,也是高速电机设备的核心组成部分,高温超导磁悬浮轴承特有的自稳定性,克服了机械轴承磨损发热等问题,也无需主动控制,具有载重比大、抗干扰、无噪音等优点,可实现转子高载重比下的超高速运行,非常适合飞轮储能器应用。本文设计了一款用于2 kWh/100 kW超导飞轮储能器的高速转子。通过飞轮转子与超导轴承的耦合计算,实现了较高的径向刚度,并优化了永磁辅助轴承结构,分析了转子的振动模态,得到了转子的特征频率,可使飞轮能稳定运行在15 000 r/min以上的转速。     

氦气冷压机应用超导磁悬浮轴承技术分析

大型超流氦制冷系统在大科学工程上起着重要的作用,氦气冷压机轴承技术仍是面临的关键技术问题。高温超导磁悬浮轴承具备无接触承载且自控稳定的优势,但尚无将超导磁悬浮轴承应用在氦气冷压机特定工况的研究报道。以成功应用的主动式磁悬浮轴承离心式冷压机结构和运行参数为参考,计算了在相近尺寸下超导磁悬浮轴承单位面积下的最大悬浮性能,进行了典型径向型超导磁悬浮轴承研究现状分析,从理论计算和工程应用两个角度论证了超导磁悬浮轴承具备了应用于冷压机系统的可行性,并对超导磁悬浮轴承应用于冷压机面临的关键技术进行了简要分析。     

离心式冷压机系统超导磁悬浮轴承优化设计

离心式冷压机是大型低温超流氦制冷系统的核心部件,其低温、负压环境以及高速条件使得轴承工作寿命受到挑战。高温超导磁悬浮轴承具有载重大、抗干扰性强、无需主动控制等优点,因此应用潜力巨大。针对磁悬浮力与转子动力学性能的综合考虑,提出了一种优化设计方法和悬浮载重比优化指标,基于ANSYS磁场有限元软件,设计并优化完成一款小型高速超导磁悬浮轴承,悬浮刚度达到5.21×10~5N/m。相关结果表明,通过合理优化,超导磁悬浮轴承具备足够的悬浮刚度,可以满足相关应用需求。     

空间高频交变磁场对超导块材悬浮力影响研究

高温超导磁悬浮装置,如磁悬浮列车和磁悬浮轴承在高速运行时,空间磁场交变及不均匀性扰动会引发超导块材内部损耗并影响性能,传统均匀时变磁场实验研究及仿真模拟无法满足实际工程应用情况.本文通过设计不同永磁阵列得到不同波形,在高速系统驱动下得到不同交变频率下超导块材损耗特性,发现全波型损耗较半波型损耗高,并研究了不同磁场构型悬浮力衰减特性,可为高速超导磁浮应用提供实验依据.     

微粗糙圆柱的各向异性散斑特性研究

分析了高斯光束照射微粗糙圆柱在菲涅尔衍射区形成的散斑图像统计特性,给出了强度起伏自相关函数与表面曲率及粗糙程度等参数之间的关系.根据强度起伏自相关函数的离散化定义,实验并计算了圆柱轴向与径向结构有差异情况下的散斑强度起伏相关函数.结果表明,对于C1和C2圆柱沿垂直于圆柱轴向的散斑尺寸变长,强度起伏自相关函数沿平行和垂直于圆柱轴两个方向的波动相差较大;对于C3和C4圆柱两个方向上的散射特性基本相同;测量C1和C3的结果表明,散斑尺寸和形状依赖于圆柱表面的皱褶和圆柱表面曲率两个因素.研究结果对于如柱型管道、轴承等方面的机械制造的质量控制有重要的应用价值.     

特殊结构超导球形转子气浮平衡装置的气膜分析（英文）

本文设计了一种六孔侧吹式静压气体球轴承,利用气浮法对非完整球形的超导转子进行静平衡检测.由于转子采用超导铌制成,薄壁空心,在4.2K极低温条件下工作,并高速旋转,要求转子具有较高的平衡精度,针对本文提出的测量方法,在测量过程中,转子自由悬浮,作用于转子表面的支撑力引起守恒干扰力矩,以及作用于转子表面的粘性剪应力引起非守恒干扰力矩,都是静平衡装置设计过程中不容忽视的关键部分,所以本文就此问题进行分析.在一定假设条件下,根据气体润滑理论和粘性流体动力学中的Navier-Stokes方程,推导得出垂直于转子表面的支撑力的计算公式以及流体粘性剪应力的计算公式,以及与轴承各设计参数之间的关系,根据静压气体球轴承设计尺寸得出各作用力的大小.     

超导磁悬浮支承系统干扰力矩及漂移误差分析

在超导磁悬浮支承系统中, 如果被悬浮的超导球形转子是一个理想的球体, 并且是表现出完全的迈斯纳态, 那么由于球体的对称性, 就不会产生干扰力矩. 但实际的情况并非如此, 一般情况下, 超导球形转子总是存在加工制造误差, 且在高速旋转时总是存在离心变形, 因此转子的表面并不是理想的球面, 当超导转子悬浮在磁场中时, 沿转子表面法线方向的磁悬浮力, 不是完全通过转子质心, 将会产生磁支承干扰力矩, 从而引起转子的漂移误差. 本文从超导转子磁支承干扰力矩的物理机理出发, 对干扰力矩及其引起的漂移误差进行了分析, 包括转子非球形产生的一次干扰力矩、转子非球形与失中度和装配误差产生的二次干扰力矩, 并推导出了磁支承干扰力矩引起的漂移率计算公式, 代入转子参数计算出各种干扰力矩引起的漂移率大小, 为转子漂移测试和系统误差补偿提供了参考, 对于转子的结构优化设计具有指导意义.     

低温容器中超导块材悬浮与导向性能研究

本文主要研究超导磁悬浮系统中超导块材与永磁导轨之间的相互作用力,通过浸于低温容器中的超导块材与三磁峰轨道之间不同排布方式的实验,测试不同悬浮间距的悬浮力,以及在一定场冷距离下超导块材在三磁峰轨道上方不同水平位移段的导向力。结果表明,悬浮间隙越大,超导块材中心与三磁峰轨道中心水平偏移越小,悬浮力越大;在一定悬浮间距下,超导块材与三磁峰轨道之间水平位移越大,导向力越大。     

飞轮储能用磁悬浮轴承研究进展北大核心

磁悬浮轴承已在高速飞轮储能和旋转机械等重要领域得到广泛应用。系统研究了高速飞轮储能用永磁悬浮、电磁悬浮、超导悬浮和混合悬浮轴承的工作原理、结构型式和特点,分析了各种磁悬浮轴承的悬浮力、刚度,并介绍了国内外研究现状以及待解决的关键技术问题,阐述了未来发展趋势。     

小型高速超导磁浮轴承优化设计北大核心

轴承是高速机电设备的核心部件。高温超导磁浮轴承具有载重大、刚度高、抗干扰能力强、无需主动控制等诸多优点,可以实现重载高速运行,因此在高速机电设备中具有巨大应用潜力。文中针对中小型飞轮储能器、离心机、脉冲电机等设备实际工程需求,设计并优化完成了一款小型高速超导磁浮轴承。通过三维仿真程序,对磁浮轴承中超导块材和永磁阵列的组合方式和电磁力进行了计算,并对不同气隙下的轴承性能进行了对比。相较于传统二维仿真计算,三维仿真结果考虑了超导块材的空间位置分布,更贴近实际应用,可以作为工程设计的直接参考。相关设计表明,通过合理优化,小型超导磁浮轴承具备足够悬浮力和导向力刚度,可以满足相关系统的工程应用需求。     

小型高速超导磁浮轴承优化设计

轴承是高速机电设备的核心部件。高温超导磁浮轴承具有载重大、刚度高、抗干扰能力强、无需主动控制等诸多优点,可以实现重载高速运行,因此在高速机电设备中具有巨大应用潜力。文中针对中小型飞轮储能器、离心机、脉冲电机等设备实际工程需求,设计并优化完成了一款小型高速超导磁浮轴承。通过三维仿真程序,对磁浮轴承中超导块材和永磁阵列的组合方式和电磁力进行了计算,并对不同气隙下的轴承性能进行了对比。相较于传统二维仿真计算,三维仿真结果考虑了超导块材的空间位置分布,更贴近实际应用,可以作为工程设计的直接参考。相关设计表明,通过合理优化,小型超导磁浮轴承具备足够悬浮力和导向力刚度,可以满足相关系统的工程应用需求。