（電機與電器專業(yè)論文）超導磁力軸承懸浮力的有限元分析.pdf

浙江大學碩士論文 a b s t r a c t a h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i cb e a r i n g c o n s t r u c t e db yh i 曲t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o r sa n dp e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l i saf l e wk i n do fb e a r i n g w h i c hi s u n t o u c h e db e t w e e ni t ss t a t o r sa n dr o t o r s s i n c ei ti sas t a b l es y s t e ma n dd o e s n tn e e d c o n 仃o l i e r s s ot h eh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i cb e a r i n gi su s e di ns o m er o t a t i n g m a c h i n e r y b a s e do l lt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r ya n dt h ec r i t i c a ls t a t em o d e lo fh i g h t e m p e r u t u r e s u p e r c o n d u c t o rm a t e r i a l a na n a l y s i ss y s t e mf o rt h eh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gb e a r i n g s u s i n gv bl a n g u a g eo nc o m m e r c i a lf e ms o f ta n s y s i sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h es t a t i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c 6 n gb e a r i n ga l ea n a l y s e da n dt h ef l u x d e n s i qv e c t o r m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t ya n dl e v i t a t i o nf o r c ea r eo b t a i n e d t h ee f f e c to fb e a r i n g s t y p e a n db e a r i n g ss t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i n gb e a r i n g si sd i s c u s s e d l e v i t a t i o nf o r c ei saf u n c t i o no fd i s t a n c eb e t w e e np e r m a n e n tm a g n e ta n ds u p e r c o n d u c t o r w h i c hi sr e l a t e dw i t ht h eb e a t i n g sc o t l s m i c t i o n f o rat h r u s ts u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i cb e a r i n g t h el e v i t a t i o nf o r c ei st h el a r g e s tw h e np e r m a n e n tm a g n e t sd i a m e t e ro rw i d t ha p p r o x i m a t e s s u p e r c o n d u c t o r sd i a m e t e r f o rar a d i a ls u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i cb e a r i n g a x i a ll e v i t a t i o nf o r c e i c o r r e l a t i v et os u p e r c o n d u c t o r sa x i a ld i s p l a c e m e n ta n dr a d i a ll e v i t a t i o nf o r c ei sc o r r e l a t i v et o t h er a d i a ld i s p l a c e m e n tb e t w e e nt h es t a t o ra n dt h er o t a t o r r e s u l t ss h o wt h a ta tt h es a m e d i s t a n c eb e t w e e np e r m a n e n tm a g n e ta n ds u p e r c o n d u c t o r t h el e v i t a t i o nf o r c ei sl a r g e rw h e nt h e p e r m a n e n tm a g n e ti sa p p r o a c h i n gt os u p e r c o n d u c t o rt h a nt h a tw h e nt h ep e m l a n e n tm a g n e ti s l e a v i n gs u p e r c o n d u c t o r k e y w o r d s m a g n e l i cb e a r i n g h i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gb e a r i n g l e v i t a t i o nf o r c e f e m a n s y s t h e s i s 耐p c a p p l i c a t i o nb a s i s 浙江大學碩士論文超導磁力軸承的有限元分析 第一章緒論 1 1 超導現(xiàn)象 1 1 1 超導現(xiàn)象與超導材料 1 9 11 年o n n e s 發(fā)現(xiàn)汞在低溫下具有 零 電阻 從此人們把這種導體出現(xiàn)零電阻的現(xiàn) 象稱為超導現(xiàn)象 3 把這種導體完全沒有電阻的狀態(tài)稱作超導態(tài) 處于超導狀態(tài)的導體叫 做超導材料 材料必須達到一定的低溫才能產生超導現(xiàn)象 這個使材料導電性能產生突變 的溫度稱為臨界溫度t o 或叫轉變溫度 任何超導材料在超導狀態(tài)下所能夠承受的磁場強 度和電流是有限的 通常把能夠破壞超導體超導電性最小的磁場稱為臨界磁場b 能夠破 壞超導體超導電性的電流稱為臨界電流k 事實上 很多金屬都有超導特性 只是臨界溫 度比較低 實際應用起來比較困難 表1 1 給出了幾種超導材料的臨界溫度 表1 1 幾種超導體的臨界溫度 材料 r e k 材料 t c k a 1 鋁 1 2 n b 鈮 9 2 6 i n 銦 3 4 v 3 c a 釩三鎵 1 4 4 s n 錫 3 7 2 n b 3 s n 鈮三錫 1 8 h g f 汞 4 1 5 n b 3 a i 鈮三鋁 1 8 6 a u 金 4 1 5 n b 3 g e 鈮三鍺 2 3 2 v 釩 5 3 鋇基氧化物 9 0 p b 鉛 7 1 9 1 1 2 低溫超導與高溫超導 根據(jù)i f 缶界溫度t c 的高低 超導材料可以分為低溫超導材料與高溫超導材料 低溫超 導材料的臨界轉變溫度比較低 只有幾k 或十幾k 實際應用起來比較困難 1 9 0 8 年荷 蘭物理學家o n n e s 液化氦氣成功 人們才首次獲得4 2 k 的低溫 此后 人們一直在為提 高超導材料的臨界溫度而努力 然而在數(shù)十年中進展卻十分緩慢 1 9 7 3 年所創(chuàng)立的記錄 n b 3 g e t c 2 3 2 k 就保持了1 2 年 1 9 8 6 年一種臨界溫度高于3 0 k 的鋇斕銅氧化物超導 材料的出現(xiàn)掀起了波及全世界關于超導材料的研究熱潮 在此后短短的幾年時間里就把超 導材料的臨界溫度提高到了1 1 0 k 到1 9 9 3 年已達到1 3 4 k 3 這一突破使得超導材料的 使用溫區(qū)從液氦溫區(qū) 4 2 k 提高到液氮溫區(qū) 7 7 4 k 超導材料從此也就被冠以 高溫超導 5 浙江大學碩士論文超導磁力軸承的有限元分析 材料 之名 1 雖然低溫超導材料具有較高的臨界磁場和臨界電流密度 但是實際應用中 一般使用高溫超導材料 其原因主要是 低溫超導材料所需的液氦冷卻成本遠遠高于 液氮冷卻 低溫超導材料在變化磁場中的穩(wěn)定性較差 低溫超導材料難以制成高均 勻度的塊材 在低溫超導研究方面 研究主要集中n b n 鈮鈦 等常規(guī)超導材料和新型低溫超導 m g b 2 二硼化鎂 3 低溫超導體n b t i 具有良好的超導性能 較高的i 笛界磁場 臨界電流密 度 優(yōu)異的機械性能和低廉的制造成本 因此在今后一段時間內仍將被廣泛地被使用 m g b 2 在簡單的金屬化合物中具有較高的臨界溫度 而且m g b 2 容易制成薄膜或線帶材 且 硼 鎂元素和包覆材料 f e 等 的價格低廉 因此 m g b 2 具有較好的應用前景 目前 世 界上許多國家的實驗室都在開展新型超導體m g b 2 的研究工作 各種實驗及理論分析結果 不斷涌現(xiàn) 日本國家材料科學研究所超導材料中心 1 研究了p r r 技術d p m g i 2 先驅粉對 m g a s 帶材臨界電流密度的影響 美 雪c a l i f o r n i a 大學 1 采用一種以熱等靜壓工藝 冊 為基 礎的致密材料冷壓工藝 d m c u p 用從商家買來的粒度4 5 9 m 純度為9 8 的m g b 2 粉作 原始材料 在2 0 0 m p a 壓力下 用h i p 方法制備了塊狀樣品 并對樣品進行了傳輸電流 磁 化率 以及比熱測量 我國西北有色金屬研究院 用p r r 技術制作出c u t a m g b 2 c u n b m g c u n i m g b 2 c u f e m g b 2 c u n b z r m g p 和c u m g 一等單芯和多芯復合超 導線 研究了不同復合體加工工藝特點和超導性能 在高溫超導體研究方面 1 9 8 6 年4 月 m u l l e r 和b e d n o r z 1 宣布發(fā)現(xiàn)了一種臨界溫度 高于3 0 k 的鋇斕銅氧化物超導材料 鋇斕銅氧化物超導材料的出現(xiàn)在世界范圍內掀起了 高溫超導材料的研究熱潮 現(xiàn)己發(fā)現(xiàn)的高溫超導材料較多 其中較為典型的高溫超導材料 有y b a c u o 體系 簡稱y 系或y b c o b i s r c a c u o 體系 簡稱b i 系 等 近些年來 的高溫超導材料的研究主要體現(xiàn)在y b c o 塊材 b i 系塊材等實用超導材料的基礎研究方 面 b i 系超導體容易制成線材 但是 其結晶顆粒較小 而且在磁場作用下臨界電流 密度下降較快 與此相對應 y 系的高溫超導體臨界磁場高 而且容易獲得臨界電流密度 高 幾何尺寸較大的晶粒 y 系超導體一般為塊狀 1 9 8 7 年 f a r r e l 等 在常溫下將 y b a c u 3 0 x 單晶研磨成2 鈾m 的粉末與環(huán)氧混合 在9 4 t 的磁場中固化 得到的臨界溫 度為9 0 i 的超導材料 1 9 9 1 年 r a n g o 等人 將y b a c u 0 5 b a c u 0 2 和c u o 混合物置于 5 t 的磁場中 在1 0 5 0 0 c 溫度下退火兩個小時 最后在磁場中冷卻 通過實驗測量發(fā)現(xiàn) 其臨界溫度為7 0 左右 磁場不僅提高了材料的織構度 而且改善了晶界連接性 1 9 9 3 年 國際超導技術中心 日本東京 5 1 采用c z o c h r a l s k i 法成功地生產出了單晶超導 y b a 2 c u 3 0 2 國際超導產業(yè)技術研究中心超導工學研究所 6 3 日前成功合成了在液體氮的 沸點溫度7 7 k 約 1 9 6 c 下具有1 4 t 磁場強度的高溫超導體比目前使用的永久磁鐵的磁場 強度 最大約為1 t 高出1 個數(shù)量級 日美 7 1 聯(lián)合開發(fā)出長度大于1 0 0 m 臨界溫度為7 7 k 臨界電流大于1 0 0 a 的超導體 最近日本 還生產出2 0 0 m 級 臨界電流為2 5 0 a 的超導 線材 6 浙江大學碩士論文 超導磁力軸承的有限元分析 自從高溫超導被發(fā)現(xiàn)以來 我國也開始了對高溫超導材料的進行了研究 1 八五 期間重點研究用銀套管法制備b i 系超導材料 九五 期間西北有色金屬研究院和北京 金屬有色金屬研究總院分別制備了1 9 芯 1 7 芯 6 1 芯和8 5 芯的b i 系帶材 短樣的最高 臨界電流達8 1 a 7 7 k 自場 工程臨界電流密度高于7 0 0 0 a e r a 2 目前西北金屬有色金 屬研究院的1 0 m 長b i 帶臨界電流值達1 2 5 a 對應工程電流密度以為l x l 0 4 a c m 2 3 0 0 m 長的b i 帶的臨界電流值達8 5 a 對應工程電流密度l 為7 5 x 1 0 3 a c m 2 北京英納超導公 司已經(jīng)可生產供應百米以上b i 系帶材 其臨界電流 7 7 k 自場 可達8 0 a 八五 和 九 五 期間 北京有色金屬研究總院 西北有色金屬研究院 中科院物理所國家超導實驗室 中科院上海冶金所等單位還積極開展y b c o 高溫超導塊材的研究 九五 結束時 北 京有色金屬研究總院已基本建成設備配套的 包括粉制 成材 測量等工序 年制各能力 達5 0 0 8 0 0 塊直徑約3 0 m m 的單疇y b c o 系高溫塊材的研制基地 所研制的塊材7 0 以上的懸浮力大于9 s n c m 2 7 7 k 0 s t 最高達1 5 1 n c m 2 目前北京有色金屬研究總院 研制的5 0 m m 直徑的y b c o 塊材的懸浮力最大達1 6 0 n c m 2 達到國際先進水平 1 2 超導磁力軸承 1 2 1 超導磁力軸承的工作原理及基本形式 通常 理想的塊狀超導體放在磁場中 會表現(xiàn)出磁通線或磁通束被完全排出 體內無 磁通的現(xiàn)象 這種抗磁現(xiàn)象通常被稱為m e i s s n e r 邁斯納 效應 只有由高純元素組成的 第一類超導材料才顯示出完全的抗磁性或理想的m e i s s n e r 效應 而一般由合金或化合物 組成的第二類超導材料 并不完全顯示出這種完全的抗磁性或理想的m e i s s n e r 效應 實 際上 由于超導材料內部存在著一定的缺陷 所以在外磁場作用下 磁通線或磁通束在這 些缺陷位置會出現(xiàn)被譜獲的磁通釘扎現(xiàn)象 第二類超導材料具有明顯的磁通釘扎現(xiàn)象 有 實際應用價值的超導磁懸浮需要利用超導體的釘扎性 在超導體中 有些地方磁力線容易通過 而其他地方磁力線難以通過 磁力線容易通 過的地方叫釘扎中心 這種磁力線通過難易的差異使得磁力線在超導材料中的運動受到阻 力形成釘扎力 因此超導體與永磁體之間的懸浮力為抗磁力與釘扎力的合力 懸浮力不僅 可以為阻礙兩者接近的斥力 也可以為阻礙兩者分離的吸力 自從超導現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以后 人們就開始了超導磁懸浮方面的研究 但人們對超導磁力 軸承的研制始于五十年代 超導磁力軸承一般是由塊狀超導體和永磁體構成 利用超導體 的抗磁性和磁通釘扎性提供一個穩(wěn)定的懸浮力 永磁體與超導體之間的作用力可表示為 滬 f u m h d h d v u o m h d 等iv 式中 日為超導體內的磁場強度 m 為超導體內的磁化強度 y 為超導體的有效磁化 體積 7 浙江大學碩士論文超導磁力軸承的有限元分析 超導體的主要作用是為推力軸承或者徑向軸承提供一個沿軸向或徑向方向上穩(wěn)定的 懸浮力 超導體的磁化是由流動在體內的宏觀電流產生 它總是阻礙外部磁場的變化 這 就是超導磁力軸承穩(wěn)定懸浮的內在機制 從結構上劃分 高溫超導磁力軸承一般可以分為 高溫超導推力軸承 高溫超導徑向 磁力軸承和高溫超導混合磁力軸承 高溫超導推力軸承一般由單塊或多塊的高溫超導塊與 永磁塊組成 1 超導體作為推力軸承的定子被置于液氮容器中 高溫超導徑向軸承中 永磁環(huán)與硅鋼片疊加在一起組成徑向軸承的轉子部分 而定子部分通常由單塊超導環(huán)所構 成 1 由于超導磁力軸承存在承載能力低 剛度低 阻尼小 工作位置不確定以及磁通 蠕動等問題 制約了其發(fā)展 通常的解決方法 一種是提高材料的特性 通過提高高溫超 導材料的抗磁性和釘扎中心的密度來提高軸承的承載能力和解決磁通蠕動對軸承性能的 影響 另一種是結構設計方法 通過改變軸承中超導體或永磁體的結構來提高懸浮力 然 而 目前比較有效的解決方法是采用高溫超導混合軸承的形式 高溫超導混合軸承有多種 形式 它可能是高溫超導磁力軸承與永磁軸承的混合 高溫超導磁力軸承與主動電磁軸承 的混合 或者高溫超導磁力軸承與永磁軸承以及主動電磁軸承的混合等 其中采用主動電 磁軸承和高溫超導磁力軸承的混合軸承是最有效的解決方案 3 中國科學院電工研究所 提出了一種立式的高溫超導混合磁懸浮軸承的研究方案 該方案包括高溫超導磁力軸 承 有源磁懸浮軸承和永磁磁懸浮軸承三部分 圖l l 圖l 2 分別為該立式高溫超導混 合磁懸浮軸承樣機試驗裝置和高溫超導混合磁懸浮軸承樣機剖視圖 圖1 1 高溫超導混合磁懸浮軸承樣 機試驗系統(tǒng)裝 1 2 2 超導磁力軸承的特性及測試 圖1 2 高溫超導混合磁懸浮軸承 樣機剖視圖 超導磁力軸承的特性可以分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性 靜態(tài)特性主要包括磁力軸承的懸 浮力 磁力線分布 磁場強度等 動態(tài)特性主要包括磁力軸承的剮度 阻尼以及磁滯損耗 等 懸浮力 剛度 磁滯損耗 阻尼等都是高溫超導磁力軸承的重要特性和性能指標 如 何提高懸浮力 提高剛度 減少磁滯損耗 是分析和設計高溫超導磁力軸承時必須要考慮 的問題 8 浙江大學碩士論文 超導磁力軸承的有限元分析 超導磁力軸承中不僅存在阻礙兩者接觸或吸引的懸浮力 而且還存在與懸浮力垂直的 恢復力 根據(jù)超導體進入超導態(tài)的方式不同 通常有場冷 f i e l dc o o l i n g 和零場冷 z e r o f i e l dc o o l i n g 之分 場冷過程是指超導體在外加磁場的作用下被冷卻至臨界溫度以下進入 超導態(tài)的過程 零場冷過程是指超導體在無外加磁場的作用下 先被冷卻至臨界溫度以下 進入超導態(tài)后再施加外加磁場的過程o 超導磁力軸承中超導材料進入超導態(tài)的方式對超 導磁力軸承的特性有明顯的影響 場冷條件下超導體與永磁體之間產生的懸浮力大 且其 磁滯損耗小 更接近于超導磁力軸承的實際工作狀態(tài) 超導磁力軸承的剛度是指物體在外 力的作用下抗變形的能力 剛度越大軸承表現(xiàn)就越 硬 懸浮力和剛度的大小是衡量超 導磁力軸承優(yōu)劣的一個重要標準 超導磁力軸承的懸浮力越大說明軸承的承載能力越強 但承載力大并不意味著軸承的剛度就高 通常超導磁力軸承的承載能力很大 但是剛度往 往很低 這就大大限制了超導的發(fā)展和應用 為了使超導磁力軸承能夠在實際中得到更廣 泛的應用 因此研究并提高超導磁力軸承的剛度是必須的 超導磁力軸承的阻尼特性指軸 承在振動過程中要不斷克服阻力做功 逐漸損耗振動的能量使振幅不斷減小直至振動停 止 超導磁力軸承的阻尼特性主要取決于磁場強度 梯度 均勻性以及超導塊材的臨界電 流密度等1 3 阻尼越大 振幅衰減就越快 系統(tǒng)越穩(wěn)定 超導磁力軸承的阻尼不僅與零場 冷或場冷條件有關 而且還與定轉子之間的問間隙有關 間隙越大 阻尼系數(shù)越小 對于 給定的超導塊材 可以通過研究永磁與超導體結構的布局來提高磁場強度和梯度 從而提 高系統(tǒng)的剛度和阻尼 超導磁力軸承的工作主要集中在高溫超導磁力軸承的研究方面 m a 等 1 通過試驗 研究了零場冷和場冷條件下永磁體和高溫超導體之間的作用力 q i n 等 對高溫超導體與 永磁體之間的懸浮力進行了研究 k a z u y u k i 等 1 對高溫超導磁力軸承在旋轉過程中的損 耗進行了分析 k o m o r i 3 o k a n o 等人 1 為提高高溫超導磁力軸承剛度和阻尼進行了大量 的研究 對不同結構的超導磁力軸承進行研究 分析了超導磁力軸承負載的變化以及軸承 振動或旋轉對超導磁力軸承特性的影響 y o u 1 c o o m b s 等 1 不僅研究了超導磁力軸承 的靜態(tài)特性 而且還對超導磁力軸承的動態(tài)特性進行了研究 高溫超導磁力軸承的特性可以歸納如下 1 懸浮力是永磁體與超導體之間間隙的函 數(shù) 具有磁滯特性 2 存在場冷和零場冷問題以及高溫超導磁力軸承初始定位問題 3 高溫超導磁力軸承為一個自穩(wěn)定系統(tǒng) 4 由釘扎性產生的釘扎力是高溫超導體與磁體之 間距離的函數(shù) 與磁通密度的不均勻性有關 5 高溫超導磁力軸承的剛度與間距有關 懸浮間距越小 剛度越大 6 可以通過增加高溫超導的磁通釘扎力和磁化強度 加大磁 場強度及改進高溫超導體外的磁場強度梯度來提高高溫超導磁力軸承的承載能力 圖1 3 為高溫超導推力軸承懸浮力和恢復力的測試裝置 測量時 將永磁體置于一 定位置后 注入液氮容器 使y b c o 處于超導狀態(tài) 然后轉動旋轉螺桿 帶動絲桿 使 永磁體連續(xù)慢慢低上下或左右運動 并回到初始位置 在永磁體上下運動的不同位置 用 垂直方向的力傳感器來測量永磁體所受懸浮力的大小 在永磁體左右運動的不同位置 用 水平方向的力傳感器來測量永磁體所受恢復力的大小 9 浙江大學碩士論文 超導磁力軸承的有限元分析 一盥二j 龕 麓毒鼉 l 玉 齟 整釋r 石卜 j 窶到 r 磊i e a 懸浮力測試裝置 b 徑向恢復力測試裝置 圖1 3 高溫超導測量裝置框圖 超導磁力軸承的動態(tài)特性主要取決于系統(tǒng)的剛度和阻尼 動態(tài)特性關系掰轉學系統(tǒng)盼 穩(wěn)定性 振動和抗干擾能力等 超導磁力軸承的動態(tài)特性通常采用結構模態(tài)試驗或頻響 函數(shù)試驗的方法來研究 通過對結構模態(tài)特性參數(shù)的識別得到系統(tǒng)的剛度和阻尼系數(shù) 圖1 4 為測試系統(tǒng)的結構框圖 主要由激振力錘 傳感器 前置放大器 數(shù)據(jù)采集及頻譜 分析儀等部分組成 贛向鼻甓檉籽 圖1 4 錘擊法測試系統(tǒng) 1 2 3 超導磁力軸承的工業(yè)應用及發(fā)展現(xiàn)狀 超導磁力軸承作為一種無源磁懸浮軸承 在無需加任何控制的情況下即可實現(xiàn)穩(wěn)定懸 浮 因此無論是在理論上還是技術上都是一種新的突破 超導磁力軸承作為一種新型軸承 被廣泛地應用到飛輪儲能 高速電機 空間工業(yè)等現(xiàn)代工業(yè)的各個領域 有著一定的應用 前景 自從1 9 8 6 年發(fā)現(xiàn)高溫超導塊材以后 很多實驗室開始研究高溫超導磁力軸承的原理 模型 1 9 8 7 年 在c o m e l l 3 3 大學制造了轉子重5 9 的高溫超導磁力軸承 轉速達l o 0 0 0 r p m 次年的改進型轉速達到1 2 0 0 0 0 r p m 1 0 浙江大學碩士論文超導磁力軸承的有限元分析 超導磁力軸承與飛輪儲能相結合構成超導磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)是高溫超導磁力軸承 研究最多的一個方向 美國阿貢國家實驗室 研制了采用超導磁力軸承以及碳纖維飛輪的 低損耗飛輪儲能系統(tǒng) 飛輪重1 0 k g 轉子重1 2 5 k g 飛輪損耗每小時大約1 t e x a s 1 超 導中心研制了一臺用超導混合磁力軸承實現(xiàn)的飛輪儲能系統(tǒng)的樣機 懸浮重量為1 9 k g 在 真空條件下 儲能容量為2 k w h 當轉速為2 0 0 0 r p m 時 超導磁力軸承的動能損耗每小時 小于l 德l 垂l b o m e m a r m 8 研制了一臺超導磁力軸承飛輪儲能樣機 軸承采用了六片 y b c o 塊材 采用一臺三相同步電機驅動 飛輪轉子直徑為1 9 0 m m 高3 0 m m 重量3 k g 轉速能安全升至j j l 5 0 0 0 r p m 最大儲能4 8 w h 摩擦系數(shù)接近為零 試駐顯示了超導磁力軸 承在高效動能儲能系統(tǒng)中的可行性 此后b o m m a n n 1 設計了一套由1 0 臺超導磁力軸承飛 輪儲能組成的5 m w h 1 0 0 m w 飛輪儲能站 每臺儲能樣機重3 0 t 樣機直徑為3 5 m 高6 5 m 轉子裝有四個圓盤 每個重達3 t 儲能1 2 5 k w h 轉速范圍為2 2 5 0 4 5 0 0 r p m 日本在超 導磁懸浮飛輪儲能裝置的開發(fā)方面做了較多的研究工作 已有多臺試驗樣機 日本超導技 術研究所和精工公司 在8 0 q z 代末就共同研制了儲能7 0 0 j 0 2 w h 的實驗裝置 飛輪在空 氣中以1 2 0 0 r p m 的速度旋轉 采用的超導體為熔融法制造的y b c o 高溫超導塊材 其幾何 尺寸為4 0 m m x 4 0 m m x l 5 m m 共用了1 9 塊 日本四國電力公司 四國綜合研究所以及三 菱電機公司 3 共同制做的超導磁懸浮儲能裝置 直徑2 5 c m 重量2 7 5 k g 的飛輪在真空中以 1 7 0 0 0 r p m 的轉速高速旋轉 儲能1 9 8 k j 日本東京電力公司和日立公司 共同研制了儲能 1 8 0 k j 輸出功率2 k w 的實驗裝置 直徑為1 m 重量為1 4 0 k g 的飛輪以1 4 0 0 r p m 一2 0 0 0 r p m 的 速度旋轉 使用了1 1 5 塊4 0 m m 4 0 m m 1 5 m m 的y 系高溫超導塊材 中部電力公司也研制 了飛輪直徑6 0 c m 重量8 0 k g 儲能1 k w h 的試驗樣機 日本s u z u k i 1 研制了一臺超導磁力 軸承環(huán)形飛輪發(fā)電機 采用1 1 6 片m p m g y b c o 4 0 x 4 0 x 1 5 m m 懸浮直徑l m 重1 4 0 k g 的轉子 轉速1 4 0 0 2 0 0 0 r p m 發(fā)電機輸出功率為2 k w 儲能5 0 w h 法國t i x a d o r 研制 了一臺混合超導磁力軸承飛輪儲能系統(tǒng) 混合超導磁力軸承是由永磁和超導兩種磁力軸承 組成 超導磁力軸承安裝在轉子的中心位置 用于穩(wěn)定轉子 永磁磁力軸承安裝在轉子的 外環(huán) 提供懸浮力 我國中科院電工研究所以及國內部分高校就超導磁力軸承飛輪儲能也 開展了研究工作 1 9 9 9 年電工研究所 1 研制成功我國第一臺微型超導飛輪儲能樣機 目前 在中國科學院知識創(chuàng)新工程的支持下 正在開展2 5 m j 1 m w 超導儲能系統(tǒng)的研究開發(fā) 為了解決超導磁力軸承承載力低 剛度小等問題 人們提出了高溫超導混合磁力軸承 的方案 超導混合磁力軸承充分地發(fā)揮了超導軸承 永磁軸承和主動電磁軸承各自的優(yōu)勢 具有廣泛的應用前景 是今后磁力軸承發(fā)展的主要方向 中國科學院電工研究所 設計了 臺由高溫超導磁力軸承 永磁軸承和主動電磁軸承組成的立式永磁有源超導混合軸承 采用永磁卸載 高溫超導提供穩(wěn)定的立軸旋轉機構 徑向剛度大于3 n m m 徑向振動小 于1 0 p r n 日本九卅i 理工學院k o m o r i 2 1 設計并研制一個五自由度主動電磁軸承和高溫超導 磁力軸承兩種組成的有源超導混合磁懸浮軸系統(tǒng) 采用一套超導磁力軸承以克服重力 提 供穩(wěn)定懸浮力 另一套主動電磁軸承用以提高剛度 抑制振動 轉子重量為0 3 7 k g 轉速 最高轉速達6 3 0 0 0 r p m 徑向振動小于3 0 9 m 日本t a k a h a t a 3 設計并研制了一個雙超導磁 浙江大學碩士論文 超導磁力軸承的有限元分析 力軸承一主動電磁軸承結構 每個超導磁力軸承采用五片y b c o t 直徑5 0 r a m 高1 8 n u n 轉子重量2 5 k g 超導磁力軸承除了在飛輪儲能和一般地面機械中的應用外 還被應用于其他它具有低 溫環(huán)境的工業(yè)領域 如用于空間小衛(wèi)星低功率損耗反應輪 3 和太空望遠鏡等設備上 在制 冷機 低溫液體流量計 制導陀螺儀等方面都是超導磁力軸承潛在的應用領域 目前超導磁力軸承的發(fā)展面臨某些瓶頸 首先是如何將超導磁力軸承的價格降低 超 導體必須被冷卻至臨界溫度以下才能獲得超導狀態(tài) 這一過程消耗的能量十分巨大 第二 現(xiàn)有的高溫超導材塊產生的磁懸浮力不夠大 且又有磁滯特性 剛度低 整個超導磁力軸 承系統(tǒng)的價格之高 維護之難遠甚于其他傳統(tǒng)軸承 若能克服這些瓶頸 超導磁力軸承也 將會普遍應用于各個領域 1 3 論文工作和章節(jié)安排 1 3 1 論文主要工作 本文首先對什么是超導體以及超導現(xiàn)象進行了簡單的概述 接著闡述了超導磁力軸承 的研究現(xiàn)狀 工業(yè)中的應用與發(fā)展前景 介紹了超導推力軸承和超導徑向軸承中幾種常見 的結構以及這些軸承的結構參數(shù) 然后 論述了超導磁力軸承的理論基礎和各種分析方法 介紹了基于超導材料的b e a n 臨界態(tài)模型和電磁場理論 利用v b 工具開發(fā)的基于a n s y s 有限元分析軟件的超導推力和徑向磁力軸承靜態(tài)特性分析系統(tǒng) 并對該系統(tǒng)的使用方法和 功能進行了簡單的介紹 最后 利用所開發(fā)的分析軟件著重分析了軸承的結構參數(shù) 如超 導體的半徑 永磁體的半徑 永磁體和超導體的厚度 以及其他一些參數(shù) 如超導體l f 缶界 電流密度 永磁體的剩余磁場強度 等對超導推力和徑向磁力軸承靜態(tài)特性的影響 尤其 是對懸浮力的影響 1 3 2 論文章節(jié)安排 第一章 概述了什么是超導現(xiàn)象 簡單介紹超導磁力軸承的工作原理 特性以及超導 磁力軸承在工業(yè)中的應用與發(fā)展現(xiàn)狀等 第二章 簡要介紹了高溫超導推力軸承 高溫超導徑向軸承的結構以及一些基本的參 數(shù) 第三章 論述了高溫超導磁力軸承的研究理論及分析方法 并介紹了利用v b 語言開 發(fā)的基于a n s y s 的超導磁力軸承靜態(tài)特性分析系統(tǒng) 第四章 采用有限元法對超導推力和徑向磁力軸承的靜態(tài)懸浮力特性進行了計算與分 析 第五章 對本文工作進行了總結 浙江大學碩士論文超導磁力軸承的有限元分析 第 章高溫超導磁力軸承的基本結構及其參數(shù) 由單塊或多塊高溫超導體與永磁體組成的高溫超導磁力軸承利用超導材料的抗磁性 和釘扎性提供一個穩(wěn)定的懸浮力 實現(xiàn)轉子的穩(wěn)定懸浮 塊狀高溫超導材料一般選擇在液 氮狀態(tài)下就可以進入超導態(tài)的第二類超導材料釔鋇銅氧 y b c o 考慮到超導體的冷卻問 題 永磁體一般固定在轉子上 而高溫超導體固定在定子上 本章主要介紹了由永磁體和 高溫超導體構成的超導磁懸浮推力軸承和徑向軸承的幾種常見結構及參數(shù) 2 1 高溫超導推力軸承的基本結構及參數(shù) 高溫超導推力軸承一般由單個或多個圓柱 環(huán)形高溫超導體和永磁體組成 超導推力 軸承常見的結構有以下幾種 單塊永磁體與單塊超導體 單塊永磁體與多塊超導體 多塊永磁體與單塊超導體 多塊永磁體與多塊超導體 如圖2 1 2 4 所示 永磁體 圈2 1 由單塊永磁體和單塊超導體 構成的推力軸承 導體 圖2 3 由多塊永磁體和單塊超導體 構成的推力軸承 圖2 2 由單塊永磁體和多塊超導體 構成的推力軸承 圖2 4 由多塊永磁體和多塊超導體 構成的推力軸承 圖2 一l 為最簡單的高溫超導推力軸承的結構圖 它由單塊圓柱高溫超導塊和單塊圓柱 永磁體組成 其參數(shù)主要包括 超導體和永磁體的高度 直徑 超導體與永磁體之間的間 隙和相對位置等 這種軸承結構雖然簡單 但是由于現(xiàn)階段塊狀超導體制造工藝的限制 不可能創(chuàng)造出大塊的超導體來提高軸承的承載力 因此 為了提高超導推力軸承的承載力 浙江大學碩士論文超導磁力軸承的有限元分析 用多塊高溫超導體和永磁體構成超導推力軸承 其結構如圖2 2 圖2 4 所示 在圖2 2 中 超導推力軸承由多塊的超導圓柱體和單塊永磁環(huán)構成 其參數(shù)主要包括 超導體直徑 超導體高度 超導體塊數(shù) 永磁環(huán)的內徑 外徑以及超導體和永磁體兩者之間的間隙和相 對位置等 圖2 3 中的超導推力軸承由單塊超導體和多塊永磁環(huán)構成 其參數(shù)主要包括 超導體的直徑 超導體厚度 永磁環(huán)個數(shù) 永磁環(huán)的內外徑 永磁體的磁極方向以及超導 體與永磁懸浮間的間隙等 在圖2 4 中 超導推力軸承由多塊圓柱超導體和多塊永磁環(huán)體 構成 其參數(shù)主要包括 永磁環(huán)的內外徑 永磁環(huán)的高度 磁極方向 超導體的直徑 高 度以及超導體與永磁體懸浮間的間隙和相對位置等 2 2 高溫超導徑向軸承的基本結構及參數(shù) 設計超導徑向軸承時 高溫超導徑向軸承的轉子和定子軸心在同一直線上 定子由單 塊高溫超導環(huán)構成 轉子由環(huán)狀永磁體和環(huán)狀硅鋼片疊加在一起組成 通常相鄰的永磁體 的磁極方向相反 如按照n s s n n s 的順序排列 從而在徑向方向產生較強的磁場和磁 場密度陸5 根據(jù)高溫超導徑向軸承轉子和定子的位置不同 可以分為內轉子結構和外轉子 結構 其結構如圖2 5 和2 7 所示 圖2 5 高溫超導徑向軸承 外轉子結構圖 圖2 7 高溫超導徑向軸承 內轉子結構圖 體 圖2 6 高溫超導徑向軸承 外轉子結構剖面圖 圖2 8 高溫超導徑向軸承 內轉子結構剖面圖 徑向軸承的主要參數(shù)包括 轉子的內徑 轉子外徑 定子內徑 定子外徑 定轉子的 1 4 閡露闌圜 浙江大學碩士論文超導磁力軸承的有限元分析 高度 永磁體的磁極方向 硅鋼片的厚度以及定轉子之間的間隙和相對位置等 2 3 本章小結 本章介紹了超導推力軸承和超導徑向軸承中幾種常見的結構 通常推力軸承的結構有 單塊永磁體與單塊超導體結構 單塊永磁體與多塊超導體結構 多塊永磁體與單塊超導體 結構以及多塊永磁體與多塊超導體結構 超導徑向軸承的結構包括 內轉予結構和外轉子 結構 定子由單塊高溫超導環(huán)構成 轉子一般由磁極方向相反的永磁環(huán)和環(huán)狀的硅鋼片疊 加在一起組成 推力軸承參數(shù)包括 超導體的半徑 超導體的厚度 超導體的塊數(shù) 永磁 體的半徑或內外徑 永磁體的厚度 永磁體的磁極方向 永磁體的塊數(shù)以及超導體和永磁 體之間的間隙和相對位置 徑向軸承的參數(shù)包括 轉子的內徑 轉子外徑 定子內徑 定 子外徑 定轉子的高度 永磁體的磁極方向 硅鋼片的厚度以及定轉子之間的間隙和相對 位置 浙江大學碩士論文 超導磁力軸承的有限元分析 第三章基于a n s y s 的超導磁懸浮軸承分析系統(tǒng) 電磁場理論和有限元分析方法是分析高溫超導磁力軸承特性的理論基礎 因此本節(jié)簡 單地介紹了電磁場理論和有限元分析方法 然后在此基礎上利用 語言工具開發(fā)了基于 商業(yè)有限元軟件a n s y s 的高溫超導磁懸浮軸承靜態(tài)特性分析系統(tǒng) 并對此分析系統(tǒng)的使 用和功能進行了介紹 3 1 電磁場的基本方程 宏觀電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律可以非常簡潔地用m a x w e l l 方程組來表示 電磁場基本方 程組的基本變量為四個場向量 電場強度e v i m 磁感應強度曰r 刁 電位移向量 d c m 3 和磁場強度 a m 以及兩個源量 電流密度j a m 2 和電荷密度p c i m 3 在靜止媒質中m a x w e l l 方程組的微分形式可以表示為 鉑1 v x h 罌 3 1 優(yōu) v e 一摯 3 2 d f v d 口 3 3 v b 0 3 4 為表征在電磁場作用下媒質的宏觀電磁特性 需要給出以下三種媒質的構成關系式 b 3 5 d ee 3 6 r y e 3 7 應當注意 式 3 5 一 3 7 中分別引入的媒質宏觀特征參數(shù)一介質常數(shù)g 磁導率 和 電導率y 只有在線性且各向同性媒質情況下 才是簡單的常數(shù) 超導材料在零場冷過程 中 曰一日曲線呈現(xiàn)為含有磁滯效應的非線性 此時 b g h 為依賴于場量變化的某個 函數(shù)表達式 此外 f 和 還可以描述各向異性材料 這時由于材料中磁通密度方向與場 強方向并不一致 它們應分別記作張量 在s i 單位制中 對應于自由空間的介電常數(shù) 島 8 8 5 4 x 1 0 1 2 f i m 導磁率 4 l r x l o t h m 滿足在真空中光速c 島 的基本 關系 m a x w e l l 方程組描述了場源 電荷 電流 激發(fā)電磁場的一般規(guī)律 而從全面分析電磁 場問題的需要出發(fā) 還常引用另一基本方程 即電荷守恒定律 v 挈 0 3 8 1 6 浙江大學碩士論文超導磁力軸承的有限元分析 這一表征時變電荷與全電流密度之問的連續(xù)性方程可以由m a x w e l l 方程組直接導出 此外 為描述電磁場對電荷與電流 運動電荷 的作用 其規(guī)律歸結為l o r e n t z 公式 f q e v x b 3 9 根據(jù)基本方程中四個場向量及兩個源量的性質 一般的電磁場問題通常簡化為以下幾 種情況加以分析 1 靜態(tài)場 對應于電量不隨時間變化的靜止電荷所產生的靜態(tài)電場 或由恒定電流所產生的恒定 電磁場 稱為靜態(tài)電場或靜態(tài)磁場問題 描述靜態(tài)場的m a x w e l l 方程組可以歸結為 v x e 0 f 3 1 0 v d p 3 一1 1 v x h j 3 1 2 v b 0 3 13 式中 場量僻 曰 d 奶和源量 p 均為不隨時間而變化的空間坐標的函數(shù) 這時 靜態(tài)電磁場的物理現(xiàn)象將呈現(xiàn)為單一的電場或磁場效應 2 準靜態(tài)場 在分析時變電磁場時 若場域中各處位移電流密度遠小于電流密度即 l 一 o 則可 o t 以忽略位移電流效應的影響 此時 該時變電磁場即為準靜態(tài)情況下的電磁場 磁準靜態(tài) 場 其基本方程除m a x w e l l 方程第一方程 3 一1 可近似表述為 v x h j 之外 其余方程都保持有效 基于式 3 1 4 態(tài)下電荷守恒定律歸結為 3 1 4 因任一向量旋度的散量恒等于零 故在準靜 v j 0 3 1 5 與磁準靜態(tài)場相對應 還存在另一種可忽略電磁感應效應而導出的準靜態(tài)情況下時變 電磁場 電準靜態(tài)場 這類場的基本方程除m a x w e l l 方程 3 2 可近似表述為 v e 0 3 1 6 之外 其余與方程 3 1 3 3 和 3 4 保持一致 電力傳輸系統(tǒng)和裝置中的高壓電場 各種 電子器件 設備和天線近區(qū)的電場等 均屬于這類電準靜態(tài)場的工程應用實例 應該指出 無論是忽略電磁感應效應的電準靜態(tài) 還是忽略位移電流效應的磁準靜態(tài) 它們都滿足所謂準靜態(tài)條件 即電磁波以光速傳播通過電磁系統(tǒng)的最大線度尺寸其所需時 間應遠小于該電磁波的周期 顯然 準靜態(tài)下的源量和場量都是時間和空間的函數(shù) 但電 磁波傳播的滯后效應可以忽略不計 這表明給定某一瞬間的源 即決定同一瞬間準靜態(tài)場 的分布 而該場分布與稍早瞬間的源狀態(tài)并無關聯(lián) 同樣 這也表明 對于給定瞬間準靜 態(tài)場的分析計算 完全等同于相應的靜態(tài)場問題 3 時諧電磁場 正弦穩(wěn)態(tài)情況下的時變電磁場 時諧電磁場 由m a x w e l l 方程組推得對應得相量形式 為 1 7 浙江大學碩士論文 超導磁力軸承的有限元分析 l v x h j j r o d 3 1 7 l v x 雹 一j t o b 3 1 8 l v b 0 3 1 9 式中 以相量形式表征的各場量和源量均僅為空間坐標的函數(shù) 其模為相應正弦量的有效 值 4 動態(tài)電磁場 對應于動態(tài)情況下的時變電磁場 其基本方程即一般形式的m a x w e l l 方程組 此時 式中的場量和源量均為空間坐標伉y z 和時間坐標t 的函數(shù) 應指出 m a x w e l l 方程組的四個方程并不都是獨立的 對于式 3 1 取散度 并帶入連 續(xù)方程 式 3 8 即導得式 3 4 同理 如對式 3 2 取散度 即導得公式 3 3 因此 只 有兩個旋度方程式 3 一1 和式 3 2 是獨立的方程 鑒于每一個旋度方程對場源與相應的定解 條件下 求解時變電磁場時 面對待求場量餌 曰 d 邱共十二個獨立的待求分量 m a x w e l l 方程組必須與媒質的構成關系式相結合 才能完成數(shù)學模型的構造 3 2 超導磁力軸承的有限元分析方法 以變分原理為基礎建立起來的有限元法 f e m 是一種有效的數(shù)值計算方法 這種方 法已經(jīng)被普遍用來解決許多工程領域中的問題 例如熱傳導 滲流 流體力學 空氣動力 學 土壤力學 機械零件強度分析 電磁場等 1 9 6 5 年 w i n s l o w 首先將有限元應用于電氣工程問題 其后1 9 6 9 年s i l v e s t e r 將有限 元法推廣應用于時諧電磁場問題 發(fā)展至今 對于電氣工程領域 有限元法已經(jīng)成為各類 電磁場 電磁波工程問題定量分析與優(yōu)化設計的主導數(shù)值方法 3 2 1 磁場的數(shù)值計算方法 對于簡單形體的永磁體和超導體 如立方體 使用等效磁荷法或等效電流法可以得到 磁場的解析表達式 但對于復雜的形狀 想求出磁場的解析式是非常困難的 只有借助于 數(shù)值方法來求解 電磁場的數(shù)值計算方法主要有 有限差分法 邊界元法和有限元法等 有限差分法是電磁場數(shù)值計算方法中應用最早的一種方法 有限差分法以其概念清 晰 方法簡單直觀等特點 在電磁場數(shù)值分析領域內得到廣泛的應用 但是有限差分法對 較為復雜的問題處理起來很困難 邊界元法是2 0 余年前發(fā)展形成的一種數(shù)值計算方法 該方法現(xiàn)在被廣泛應用于流體力學 熱力學 電磁工程 土木工程等諸多領域 邊界元法 是把邊值問題等價地轉化為邊界積分方程問題 然后利用有限元離散技術所構造的一種方 法 雖然邊界元法較有限元法計算精度較高 但是存在明顯的不足 3 系數(shù)矩陣為非對 稱的滿陣 引發(fā)了應用計算機求解大型離散方程組的困難 從而約束了邊界元方程組的階 數(shù) 系數(shù)矩陣元素需經(jīng)數(shù)值積分處理 故系數(shù)矩陣的建立需要較多的計算時間 不易 1 8 浙江大學碩士論文超導磁力軸承的有限元分析 處理多種媒質共存的問題 以交分原理為基礎建立起來的有限元法 被廣泛地應用于電磁 場計算的各個領域 在電磁場數(shù)值計算方法中 有限元法適用性最強 幾乎能處理所有電 磁場問題 與其它數(shù)值方法相比較 有限元法的突出優(yōu)點是 有限元網(wǎng)格可以很方便地模擬不同形狀的邊界面和交界面 有限元法得到的離散化方程組具有稀疏對稱的系數(shù)矩陣 使方程組的求解得以簡 化 計算存儲量和計算時間也相應地大大減少 邊界條件的處理容易并入有限元數(shù)學模型 便于編寫通用的計算機程序 在超導磁力軸承特性的分析中 上述三種方法都有被使用 u e s a k a s u g i u r a 1 利用 磁場法向量的方法求解m a x w e l l 方程 基于臨界態(tài)模型求解懸浮力 t a k e d a 鼬1 利用邊界元 法求解懸浮力 結果表明在計算場強時 邊界元法較之于有限元法有