專利名稱：高溫超導磁懸浮或電機準靜態力測試裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及超導電工技術領域。
背景技術：
熔融織構生長(MTG)的強磁浮YBaCuO塊狀超導材料具有完全抗磁效應和磁通釘扎效 應等特性，使其在許多領域具有很好的應用前景。例如，超導磁懸浮軸承(包括大功率飛輪 儲能系統和特殊用途的無摩擦軸承)、超導無摩擦輸運(包括磁懸浮車、航天器或艦船的磁懸 浮推進)、超導直線電機、超導磁分離(用于污水處理)、低損耗的液氫儲存和輸送系統等， 都是高溫超導材料在各個領域可能的應用目標。
磁懸浮力是高溫超導磁懸浮系統的主要使用性能，沿豎直方向的懸浮力和沿水平方向的 導向力是衡量磁懸浮系統自穩定懸浮性能的兩個主要性能指標，因此精確測試高溫超導體在 不同外磁場條件下的懸浮力和導向力，可以為高溫超導磁懸浮系統的理論分析和數值計算提 供可靠的實驗依據，將有效推動磁懸浮系統的實用化研制。
高溫超導直線電機相對于永磁直線電機有利于實現更大的推力和作用氣隙，使直線電機 技術水平上升一個臺階。精確測試高溫超導直線電機在不同作用氣隙和不同外磁場條件下的 排斥力和推力，對于高溫超導直線電機的研制也具有重要的推動作用。
因此，鑒于這兩種系統在作用方式上的相似性，本專利闡述了一種能夠實現磁懸浮系統 的懸浮力、導向力同時測試，或超導電機系統排斥力、推力同時測試的一體化準靜態力測試 裝置。
發明內容
1.發明目的
早期的超導塊材磁浮力研究，主要通過超導樣品的研制和生產單位來進行，例如北京有 色金屬研究院和西北有色金屬研究院都自行設計出用于分析單塊超導體懸浮力的測試裝置， 但這些裝置只能進行單塊超導塊材的懸浮力測試內容，無法進行超導塊材橫向移動的回復力 (或稱為導向力)測量。西南交通大學在研制高溫超導磁懸浮試驗車過程中，設計了一種能 夠初步模擬磁浮車運行狀態的磁懸浮力測試系統，采用低溫容器固定超導塊并可以實現超導 塊的多排列方案，永磁導軌實現強磁場更接近實際應用需要，通過其二軸數控電機位移裝置 改變低溫容器與永磁導軌的相對位置，并通過豎直力傳感器測量產生的懸浮力，懸浮力測試 精度較高。該測試裝置的導向力測試方案采取在水平驅動平臺和永磁導軌之間連接水平力傳 感器實現，當永磁導軌相對低溫容器水平運動時，水平力傳感器測試高溫超導體對永磁導軌
的水平作用力，由于永磁導軌在滾動滑軌上的摩擦力，而且摩擦力的值也不是固定不變的，
給導向力測試帶來了很大誤差。同時由于永磁導軌在滑軌上的靜摩擦力較大，在低溫容器下 降產生懸浮力的過程中，很難觀察高溫超導體對永磁導軌水平方向的作用力狀態。因此，需 要對這種導向力測試方法進行改進。
本專利的測試裝置正是針對改進水平方向力的測試方法而提出的，而且可以實現豎直方 向力和水平方向力的同時觀察和測量。該測試裝置可以快速有效地應用于高溫超導磁懸浮系 統或高溫超導電機系統的準靜態懸浮力、導向力和推力測試研究中。
2.技術方案
本發明的目的可以由下列技術方案來實現
本測試裝置由臺架、二軸數控電機平臺、應變式拉壓力傳感器、十字軸萬向節、球軸承、 直線光軸、固定超導樣品的低溫保持器和數據采集分析系統組成。
二軸數控電機平臺由兩套步進直線電機及控制器、豎直電機平臺和水平電機平臺組成。 豎直和水平電機平臺分別通過兩條平行直線導軌豎直或水平地定位于臺架上，驅動由步進直 線電機自行提供動力，豎直或水平定位的直線導軌可以保證兩個電機平臺高精度的豎直和水 平移動。
液氮低溫保持器通過直線光軸、十字軸萬向節和豎直力傳感器固緊于豎直電機平臺上， 與直線光軸光滑緊密接觸的球軸承通過水平力傳感器也與豎直電機平臺連接。由于精度設計 得當，在連接過程中，豎直和水平力傳感器上預緊力很小。直線光軸與球軸承配合形成直線 軸承，摩擦系數很小(<0.01)，因此對豎直方向力的采集影響很小。另一方面直線光軸與球 軸承的緊密接觸又有效保證了水平方向力的傳遞。
被測高溫超導體固定在液氮低溫保持器內部，其籽晶生長面與液氮低溫保持器的底部內 壁緊貼。本專利采用能放置高溫超導塊材的薄底液氮低溫保持器，使高溫超導體定位于磁場 源之上。低溫保持器采用真空絕熱結構，容器采用無磁不銹鋼材料的內外膽焊接而成，底部 無焊縫，內外膽的底部真空夾層采用玻璃鋼絕熱材料支撐，有利于增強底部結構的強度。最 終實現的低溫保持器可連續工作1小時，底厚僅4mm，能夠實現高溫超導體與磁場之間5mm 的近距離測量，可以保證測試結果更切合實際應用的需要。
永磁體、直流線圈或交流線圈等磁場源固定于水平電機平臺上。最終實現低溫保持器底 面與磁場源上表面保持平行，且兩者的中心線投影保持重疊。拉壓力傳感器分別測量豎直方 向和水平方向的力學量。
通過該測試系統可以精確快速地測量由單塊或多塊高溫超導體與各種磁場源組成的磁懸 浮系統或直線電機系統的磁浮力和電機推力。由工控機(數據采集卡以及電機控制卡)和系 統軟件實現對系統的全自動測量和控制，根據測試要求軟件同時釆集豎直和水平兩個方向的
力。釆用可視化用戶界面，用戶可直接在計算機上進行操作。 3.有益效果
本發明與現有技術相比具有下列效果和優點-
液氮低溫保持器連接采用了十字軸萬向節、球軸承和直線光軸，保證僅有豎直方向的力 作用在豎直力傳感器上，同時十字軸萬向節不會限制低溫保持器在X-Z平面內的擺動，球輛 承與直線光軸之間的光滑接觸作用將約束低溫保持器的擺動，并把水平約束力傳遞給在水平 方向力傳感器。在被測件的導向力或推力測試過程中，采用了杠桿作用原理，使水平力的測 試精度得到進一步提高。
懸浮力測試過程中，電機驅動豎直電機平臺做豎直運動，完成懸浮力隨懸浮間距變化的 測量，同時也可以監測懸浮力測試過程中水平方向的力變化。導向力測試過程中，超導體保 持在磁場上方某一位置，水平電機平臺驅動磁場源沿水平方向運動，實現導向力隨水平位移 變化的測量，同時也可以監測導向力測試過程中懸浮力隨水平位移的變化。因此，此系統也 實現了懸浮力和導向力的同時測量，這對于預示超導磁浮系統或超導電機在實際運行過程不 同狀態下的懸浮力、導向力或推力的變化特性具有重要的指導作用。
圖l.高溫超導磁懸浮或電機準靜態力測試裝置原理示意圖。
圖2.水平電機平臺上的直流線圈繞組布置示意圖。
圖3.水平電機平臺上的直線電機三相交流線圈繞組布置示意圖。
見圖1， i為豎直電機平臺，2為豎直力測試傳感器，3為十字軸萬向節，4為水平力測 試傳感器，5為球軸承，6為直線光軸，7為液氮低溫保持器，8為高溫超導塊，9為永磁導 軌，IO為水平電機平臺，il為臺架。
見圖2， 12為可控直流線圈繞組。
見圖3, 13為直線電機三相交流線圈繞組。
具體實施例方式
實施例l:高溫超導磁懸浮系統的磁浮力測量
豎直直線電機平臺1和水平電機平臺10通過直線導軌固定在測試臺架11上。放置超導 塊材的低溫保持器7通過銷接結構連接于直線光軸6 —端，直線光軸6再通過十字軸萬向節 3與豎直力傳感器2相連。永磁導軌9、直流線圈12等磁場源在不同的測試要求下固定于水 平電機平臺10上，其長度方向垂直于XZ平面，低溫保持器7與磁場源9、 12的上表面垂直 并保持截面對稱。水平力傳感器4也固定于豎直電機平臺2上，通過球軸承5與直線光軸6 之間的光滑配合作用，用來傳遞水平力。
當處于實驗測試條件中，高溫超導塊8固定在液氮低溫保持器7內部，其籽晶生長面與 保持器7的底部內壁緊貼。豎直電機平臺1帶動低溫保持器7相對磁場源作上下移動，使低 溫保持器到達磁場源上方某一個需要測試的磁場位置。然后通過管路系統給低溫保持器7中 加注液氮，低溫保持器設計有排氣孔可以使氣氮正常排出，而不會造成容器內壓力過大。觀 察氣氮排出的狀態，待氣體呈穩定態時，表明低溫容器內部己實現液氮低溫環境(77K)，超 導塊實現超導狀態，可以開始測試過程。
當低溫保持器7在豎直電機平臺帶動下相對永磁體9或直流線圈12上下移動，或者磁場 源9、 12在水平電機平臺IO帶動下沿X軸方向水平移動時，對應每個豎直位移點或者每個 水平位移點，豎直和水平力傳感器將實時記錄高溫超導體8與磁場源9、 12作用產生的豎直 力和水平力的結果，豎直方向和水平方向的運動位移量分別由豎直和水平步進電機的脈沖數 計算得出。在被測件的導向力測試過程中，如圖l所示，根據杠桿作用原理，水平力傳感器
測量結果與實際導向力(&2)存在一定換算關系，艮卩f;f/^ *￡//(1/+丄2」，&2被放
大，換算后測試精度得到進一步提高。通過工控機上的可視化軟件界面，可以直接觀察采集 的結果曲線。
實施例2:高溫超導直線電機的推力測定
當進行由高溫超導體8和三相交流線圈繞組13組成的直線電機系統測試時，豎直電機平 臺1帶動低溫保持器7，使其定位于三相交流線圈繞組13上方不同的作用氣隙位置，然而給 低溫保持器7加注液氮，使高溫超導體8在無磁場條件下進入超導態。然后按照一定的頻率 為三相交流線圈繞組13通電流，同時豎直和水平力傳感器獲得直線電機在不同作用氣隙和外 磁場條件下的排斥力和推力。
研究高溫超導直線電機在高溫超導體俘獲磁場條件下的推力特性，首先通過把直流線圈 繞組12放置在水平電機平臺10上，然后低溫保持器7被驅動到需要測試的作用氣隙位置， 在直流線圈繞組12通電產生磁場的條件下，低溫保持器7加注液氮使高溫超導體8實現超導, 同時超導體內俘獲大量磁場。然后撤去直流線圈繞組12，安裝三相交流線圈繞組13,按照一 定的頻率為三相繞組通電，即可實現高溫超導體在俘獲磁場條件下的直線電機推力測試。
權利要求
1.一種高溫超導磁懸浮或高溫超導電機的準靜態力測試裝置，該裝置含有二軸數控電機平臺、應變式拉壓力傳感器、十字軸萬向節、球軸承、直線光軸、固定超導樣品的液氮平底低溫保持器和數據采集分析系統等，其特征在于通過電機平臺實現高溫超導體的不同磁場冷卻位置，通過調整高溫超導體相對于磁場源的豎直和水平方向位置，精確測試磁懸浮系統的懸浮力和導向力，或者精確測試高溫超導電機在不同作用氣隙下的排斥力和推力。
2. 根據權利要求1所述的高溫超導磁懸浮或電機的準靜態力測試裝置，其特征在于高溫超導 體固定在液氮平底低溫保持器內部，其籽晶生長面與液氮低溫保持器的底部內壁緊貼，低溫 保持器連接采用了十字軸萬向節、球軸承和直線光軸，直線光軸與球軸承配合形成直線軸承， 摩擦系數很小(<0.01)，因此對豎直方向力的采集影響很小。同時十字軸萬向節不會限制低 溫保持器在X-Z平面內的擺動，球軸承與直線光軸之間的光滑接觸作用將約束低溫保持器的 擺動，并把水平約束力傳遞給在水平方向力傳感器。水平力傳感器測量結杲與實際磁懸浮系 統的導向力或者直線電機的推力，符合杠桿作用原理，使導向力或推力的測試精度得到進一 步提高。
3. 根據權利要求1所述的高溫超導磁懸浮或電機的準靜態力測試裝置，其特征在于懸浮力測 試過程中，豎直電機平臺被驅動做豎直運動，完成懸浮力隨懸浮間距變化的測量，同時也可 以監測水平方向的力變化。導向力測試過程中，超導體保持在磁場上方某一位置，水平電機 平臺驅動磁場源沿水平方向運動，實現導向力隨水平位移變化的測量，同時也可以監測懸浮 力隨水平位移的變化。因此，此系統實現了懸浮力和導向力的同時測量。
全文摘要
高溫超導磁懸浮或電機準靜態力測試裝置屬于超導電工技術領域，可用于精確測試高溫超導塊在永磁體或者直流線圈磁場中的準靜態懸浮力和導向力，精確測試高溫超導塊在三相交流線圈磁場中產生的準靜態排斥力和推力。高溫超導塊固定于平底液氮低溫保持器中，低溫保持器通過十字軸萬向節、直線軸承、水平和豎直力傳感器等結構固定于測試系統的豎直電機平臺上，永磁體、直流線圈或交流線圈等磁場源固定于測試系統的水平電機平臺上。通過兩個電機平臺改變被測件與磁場源的相對位置，兩個傳感器分別采集被測件在不同狀態下的豎直方向和水平方向作用力。通過采用杠桿作用原理，有效提高水平方向作用力的測試精度，并實現豎直力和水平力的同時測量。
文檔編號G01L1/00GK101191748SQ20061011463
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月20日 優先權日2006年11月20日
發明者宇 劉, 楊文將, 毅 段, 正 溫, 陳曉東 申請人:北京航空航天大學