定中和驅動一體化的超導轉子驅動方法*

張源 胡新寧? 崔春艷 崔旭 牛飛飛 黃興 王路忠 王秋良

1) (中國科學院電工研究所,北京 100190)

2) (中國科學院大學電子電氣與通信工程學院,北京 100049)

3) (中國科學院贛江創新研究院,贛州 341119)

1 引言

高速旋轉的轉子具有定軸性,利用此特性可制作角速度或角位置傳感器.超導轉子磁懸浮裝置利用超導體的完全抗磁性實現超導轉子的懸浮,此時超導轉子幾乎可在沒有能量損失的狀態下,旋轉和移動[1–6],故其可以獲得極高的轉速且實現穩定旋轉.超導低溫下材料的膨脹低、蠕變小、化學活性低,故超導轉子磁浮裝置制成的角速度傳感器具有極高的精度潛力[7,8].美國通用電氣公司從20 世紀60 年代就報道了超導轉子磁懸浮裝置樣機的研究,且其測量精度是0.005 (°)/h[9],美國噴氣推進實驗室也對超導轉子磁懸浮樣機進行了研制,其樣機精度可達到0.013 (°)/h[10].

超導轉子的質量偏心和球面誤差是影響超導轉子測量誤差的主要因素[11].超導轉子結構越復雜,越難加工和裝配出質量偏心小和球面誤差小的超導轉子.而超導轉子的結構主要由其驅動電磁結構限制.已報道的精度最高的是美國通用電氣公司設計制作的超導轉子磁懸浮裝置樣機[12],其制作的樣機均是采用了定子線圈驅動,力矩器線圈定中.而且都采用了轉子內開圓柱孔的結構,然后定子和力矩器置于其中(I 號模型和II 號模型),或只力矩器置于圓柱孔(0 號模型)的形式.此超導轉子驅動裝置的超導轉子結構和電磁驅動結構復雜,很難實現高精度的加工和裝配,這限制了超導轉子磁懸浮裝置測角精度的進一步提升.基于此,本文設計了一種定子線圈置于轉子外部的超導轉子驅動電磁結構,定子線圈同時具有驅動和定中的作用.此結構的超導轉子是一個完整對稱的封閉結構,且轉子球不存在理論質量偏心.與通用電氣報道出來的超導轉子驅動電磁結構相比,簡化了超導轉子的結構和驅動電磁結構,故此驅動電磁結構具有更高的精度潛力.本文主要針對此電磁驅動結構的設計進行了分析.

文獻[13–15]基于有限元方法研究了定子線圈產生的磁場對超導轉子的驅動力矩作用,并給出了對應的控制策略.文獻[16]通過有限元方法和實驗研究了定子線圈對超導轉子的驅動力矩,并給出了有限元方法與實驗的誤差.本文在此基礎上進一步通過有限元方法,分析了所設計超導轉子驅動結構的定子線圈對超導轉子的定中和驅動作用,提出了一種定中和驅動一體化設計的驅動方法,最后對所設計驅動方法的驅動效果進行了評估.分析結果為超導轉子磁懸浮系統的設計、優化和超導轉子驅動效果的評估提供參考

2 超導轉子驅動結構設計

超導體具有完全抗磁性,因為磁場中的超導體會在其表面產生屏蔽電流,屏蔽電流產生的磁場抵消了進入超導體內部的磁場,所以磁場無法穿透超導體.而屏蔽電流產生的磁場也與超導體外部磁場發生作用產生了邁斯納力,即邁斯納效應.由于邁斯納效應,磁場中的超導體受到垂直其表面的磁壓力,磁壓力的大小與超導體表面磁場模值的平方成正比[17].

式中,dF是作用在超導轉子表面微元dS的邁斯納力,B是表面微元dS的磁場,μ0是真空磁導率.

若超導轉子表面是完整球面,轉子球受到的邁斯納力均過球心,此時邁斯納力無法對轉子球產生轉矩.故定子線圈置于超導轉子外部時,超導轉子驅動結構采取了在轉子赤道處切削平面的方式.綜合考慮超導轉子的對稱性和加工難度,本文主要考慮了超導轉子赤道四切面和八切面兩種方案,如圖1.

首先分析超導轉子四切面和八切面的驅動力矩.理論上說定子線圈數量越多,超導轉子的驅動效率越高,但實際裝配難度越大,控制電路越復雜.所以考慮到實際的裝配條件,以及為了使定子線圈產生的磁場充分作用在轉子切削面上,定子線圈設計為四個盤型線圈,其和超導轉子的位形如圖2.由結構的對稱性可知,四切面超導轉子的驅動角周期是90°,驅動角周期指超導轉子繞豎直軸旋轉時,對應驅動力矩的變化周期.則八切面超導轉子的驅動角周期是45°.

圖2 超導轉子四切面和八切面的驅動結構圖Fig.2.Structure of four cutting planes and eight cutting planes of superconducting rotor.

接下來計算不同切削深度d的情況,超導轉子切面深度示意圖如圖3.本文主要通過有限元方法對超導轉子的磁力矩進行計算,即基于矢量磁勢A方程在有限元軟件Ansoft 對超導轉子驅動系統進行建模分析[2,3].其中超導體的相對磁導率設置10–7,電導率設置10–7;遠大于所建模型計算域設置Dirichlet 邊界條件,其他邊界條件設置自然邊界條件.然后通過有限元軟件Ansoft 模擬定子線圈同時通電,四切面超導轉子和八切面超導轉子繞豎直軸旋轉90°的驅動力矩,如圖4 和圖5.其中超導轉子的半徑25 mm,定子線圈外徑10 mm,內徑6 mm,厚度3.9 mm,定子線圈中心到轉子球心距離是28.15 mm.圖4 表明在驅動過程中,四切面超導轉子在d＞ 0.4 mm 以后,隨切削深度d增加,超導轉子的驅動力矩和驅動力矩的作用范圍逐漸增大,“死區”逐漸減小.“死區” 是指在一個連續的角位置區間,其驅動力矩方向反復變化且大小接近零.但四切面的超導轉子切削深度2 mm 后,其在角位置40°—50°的范圍仍然存在“死區”,“死區”的存在是不利于超導轉子的啟動的.八切面超導轉子在d>0.4 mm 以后,在整個驅動角區間不存在“死區”,如圖5.所以從超導轉子啟動來說,八切面超導轉子的驅動性能優于四切面超導轉子,所以超導轉子設計為赤道八切面結構.

圖3 超導轉子切削深度示意圖Fig.3.Schematic of cutting depth of superconducting rotor.

圖4 四切面不同切削深度下的驅動力矩Fig.4.Driving torque under four cutting with different d.

圖5 八切面不同切削深度下的驅動力矩Fig.5.Driving torque under eight cutting with different d.

超導轉子在驅動時,施加一個方向的力矩,以此維持其加速或者減速過程,一個驅動角周期中其有效的驅動力矩范圍是半周期,故可用半個周期的平均驅動力矩來評估超導轉子的驅動效果,如圖6.在切削深度d≤ 1.6 mm 時,八切面方案的驅動效果大于四切面方案,切削深度d繼續增大,四切面方案的驅動效果可超過八切面方案的驅動效果.但超導轉子的切削深度d越大,對轉子球面的破壞越大,且加工難度越大.故綜合超導轉子的“啟動”要求和驅動效果,選擇八切面方案.八切面超導轉子在d=1 mm 以后隨著切削深度的增加,平均驅動力矩開始緩慢增加,到d=1.2 mm 平均驅動力矩達到最大值.綜合考慮,超導轉子的切削深度d設置為1 mm.

圖6 四切面和八切面的平均驅動力矩對比Fig.6.Comparison of driving torque of rotor with four cutting surfaces and those with eight cutting surfaces.

超導轉子驅動裝置除超導轉子和定子線圈,還包括超導球腔和懸浮線圈.懸浮線圈和超導球腔完成對超導轉子的懸浮功能,并形成一定的剛度.整形鈮塊和轉子采用的是純度99.5%的高純鈮,其下臨界磁場0.14 T,臨界溫度9.12 K[18];鈮鈦合金超導體在4.2 K 時臨界磁場近似11 T.鈮鈦線的臨界磁場有足夠裕度,故在驅動結構設計時主要考慮金屬鈮球表面臨界磁場的限制.

超導轉子的詳細結構如圖7,轉子是由上、下兩個半球殼組成的赤道加厚的空心薄壁球,轉子質量84 g,極軸轉動慣量3.72×10–5kg·m2,半徑為25 mm,切除平面圓的直徑14 mm.

圖7 超導轉子結構圖Fig.7.Superconducting rotor structure.

3 超導轉子驅動結構的轉矩分析

3.1 超導轉子驅動轉矩分析

定子系統采用四個定子線圈串聯,通過光纖傳感器檢測轉子切削面相對定子線圈的位置,然后對定子線圈電流的通斷進行控制,從而實現對轉子的驅動.定子線圈通電25 A,其磁場模值分布如圖8所示,定子線圈在轉子球產生的最大磁場0.13 T左右.綜合考慮鈮材料的臨界磁場、轉子的驅動穩定性和電流漏熱[3],定子線圈允許通的電流不超過25 A.

圖8 通電25 A 定子線圈產生磁場模值分布圖Fig.8.Magnetic flux density generated by stator coils energized 25 A.

定子線圈通電10 A,轉子繞其豎直軸轉過360°,其驅動力矩的大小如圖9,定子線圈與轉子切削面正對的位置設為起始位置0°.轉子在0°—22.5°,45°—67.5°,90°—112.5°,135°—157.5°,180°—202.5°,225°—247.5°,270°—292.5°,315°—337.5°力矩方向為負,作用效果使轉子順時針加速;在22.5°—45°,67.5°—90°,112.5°—135°,157.5°—180°,202.5°—225°,247.5°—270°,292.5°—315°,337.5°—360°力矩方向為正,使轉子逆時針加速.光纖檢測系統檢測轉子的旋轉角度,通過邏輯電路在對應的角區間控制定子線圈電流的通斷即可對超導轉子始終施加同一方向的力矩,實現對超導轉子的加減速.

圖9 通電10 A 轉子驅動力矩分布Fig.9.Distribution of torque to rotor generated by stator coil energized 10 A.

3.2 超導轉子的定中轉矩分析

超導轉子由靜止狀態實現加轉,必須在起轉及加轉過程保證超導轉子的旋轉主軸處于豎直狀態,即“定中”,這樣才能保證超導轉子旋轉主軸與驅動力矩的方向一致[19],實現超導轉子的穩定高效的驅動.在定子線圈通電的情況下,超導球在沿任意赤道軸偏轉,均受到一個回復力矩.圖10 是超導轉子沿任意赤道軸偏轉示意圖,設超導轉子切削面與定子線圈正對的位置是起始位置0°,任意赤道軸與零位置的夾角為θ.由驅動結構的對稱性,超導轉子沿θ=0°到θ=90°區間的赤道軸旋轉的受到的定中力矩,可以表征超導轉子沿任意赤道軸旋轉受到的定中力矩.如圖11 是定子線圈通電10 A,超導轉子沿任意赤道軸旋轉0°到10°的定中力矩效果圖,θ=45°定中力矩最大,在θ=22.5°和θ=67.5°定中力矩最小.

圖10 超導轉子赤道平面示意圖Fig.10.Diagram of the superconducting rotor equatorial plane.

圖11 超導轉子繞任意赤道軸定中力矩分布圖Fig.11.Distribution diagram of the torque to make superconducting rotor erect.

超導轉子驅動時,超導轉子的的定中性能主要由定中力矩、質量偏心和超導轉子的轉速決定.其中加轉前的定中性能直接決定超導轉子的“起轉”能否順利進行,起轉后的定中性能影響超導轉子的驅動力矩.首先分析加轉前的定中性能,超導轉子的質量偏心有兩種情況,如圖12,其中O是轉子形心,C是轉子質心,OZ是轉子極軸,OK是豎直方向,α0是質量偏心轉子球心連線與轉子極軸的夾角,α 是轉子極軸與豎直方向的夾角.

圖12 超導轉子的兩種類型質量偏心圖Fig.12.Two types of mass eccentricity model diagram for superconducting rotor.

首先分析轉子質量偏心在上半球,如圖12(a),則動力學方程:

式中,m是轉子質量,g是重力加速度,l是質量偏心量,T定中力矩,Je是赤道軸轉動慣量.

當α0=0°,α|t=0=0°時,由結構對稱性得出,定子繞組對超導轉子的定中力矩T=0,則由方程(2)得出超導轉子始終保持在豎直狀態;當α0與α 不同時為0,則超導轉子在豎直方向無法保持穩定,此時求解方程(2),可得出超導轉子的定中特性.由圖11 知,超導轉子定中效果在θ=45°最好,在θ=22.5°定中效果最差,下面主要分析超導轉子繞這兩位置的赤道軸偏轉時,超導轉子的定中效果,以此評價整個系統的定中效果.圖13 是定子線圈通電10 A,赤道軸在θ=22.5°和θ=45°角位置的定中力矩T和極偏角α 的擬合曲線.

圖13 超導轉子的定中力矩分布 (a) θ=22.5°;(b) θ=45°Fig.13.Torque distribution to make superconducting rotor erect: (a) θ=22.5°;(b) θ=45°.

可得超導轉子在繞θ=22.5°和θ=45°角位置的赤道軸旋轉時,定中力矩T與極軸偏角α 有很好的線性關系:

式中,kθ和b是擬合系數.將α 取小角度對(2)式進行化簡,將(3)式中的α 單位化成弧度,然后代入(2)式:

要使方程(4)有穩定解,必須使m1<0,設方程(4)的初始條件:

其中ε 是初始極軸偏角,則方程(4)的解為

根據方程(7)可以確定定子作用下,超導轉子極軸的極偏范圍(–2m2/m1– ε,ε),由于阻尼的存在,超導轉子最終的平衡位置是–m2/m1,則可以用–m2/m1衡量超導轉子的定中效果,m2/m1值越小,其定中效果越好,超導轉子的軸向質量偏心通常遠大于其徑向質量偏心,即α0=0°,同時設ε=1°.將超導轉子的參數代入方程及其約束條件,即m1<0,可以得出超導轉子在繞θ=22.5°赤道軸偏轉時,質量偏心l<1.067 mm,可以對超導轉子進行定中;在繞θ=45°處的赤道軸偏轉時,質量偏心l<4.450 mm,可以對超導轉子進行定中.圖14 是力矩線圈通電10 A,質量偏心l與其極軸平衡位置–m2/m1及振動范圍(–2m2/m1– ε,ε)的關系圖.

圖14 超導轉子定中 范圍及平衡位置 (a) θ=22.5°;(b) θ=45°Fig.14.Centering range and balance position for superconducting rotor: (a) θ=22.5°;(b) θ=45°.

圖14 表明隨著質量偏心的增大,其定中效果減弱,定子線圈通電10 A,初始極偏角ε=1°時,質量偏心500 μm 的超導轉子繞θ=22.5°位置的赤道軸偏轉時其振動范圍是(–2.86°,1°),最終在α=–0.93°的位置平衡;繞θ=45°位置的赤道軸偏轉時其振動范圍是(–1.24°,1°),最終在α=–0.12°的位置平衡.同理可以分析超導轉子質量偏心在下半球的情況,如圖12(b),此時設α0=0°,同時設ε=1°,則重力矩方向與定中力矩是同方向,超導轉子是自穩定的,振動范圍(–1°,1°),振動極偏角主要與其初始極偏角ε 有關.綜上,在初始極偏角為1°時,定子線圈通電10 A,定中力矩最差的偏轉方向也可使質量偏心500 μm 的超導轉子定中在2.86°極偏角的范圍內,最終在0.93°極偏角位置平衡.實際超導轉子質量偏心遠小于500 μm,故力矩線圈通電10 A,可以將超導轉子定中在1°以內.在超導轉子極軸偏角一定時,定中力矩與電流平方成正比,按照上述的分析方法,可以計算力矩線圈通其他電流時超導轉子的定中效果.

如力矩線圈通電5 A,由m1<0 可以得出超導轉子在繞θ=22.5°赤道軸偏轉時,質量偏心l<0.267 mm,可以對超導轉子定中.當超導轉子的質量偏心是200 μm,初始極偏角是1°,超導轉子的定中范圍是(–4.96°,1°),平衡位置是α=–1.98°.通過Ansoft 仿真超導轉子在極偏0°—8°的情況下,極軸偏角α 對超導轉子驅動力矩的影響.如圖15,極軸偏角8°以內,相同角區間對應的驅動力矩方向一致,故定子線圈的定中效果可滿足控制系統的要求.

圖15 超導轉子在不同極偏角下的驅動力矩分布Fig.15.Driving torque distribution with different inclination angles for superconducting rotor.

4 定中和驅動一體化的超導轉子驅動方法

上述分析表明定子線圈可同時滿足超導轉子的驅動和定中要求.基于此,本文提出了一種定中驅動一體化的超導轉子驅動方法.定子線圈采用雙繞,一路始終通電用來維持轉子的定中效果-定中路,另一路通過邏輯電路控制通斷驅動超導轉子-驅動路.

4.1 超導轉子驅動過程力矩分析

定子線圈單路通電1—10 A 時,其驅動力矩在一個驅動周期的力矩分布如圖16.轉子驅動力矩T與轉子角速度w的關系為

圖16 單路定子線圈通電的驅動力矩Fig.16.Driving torque of the single-circuit stator coil energized with current.

可以推出:

式中,Jz是轉子的旋轉主軸轉動慣量,θ 是轉子旋轉主軸(Z軸)的轉動角度.故T對θ 的積分可以反映出系統的驅動效果.在一個驅動角周期45°中,有效驅動是半個周期,對半個周期內單路定子線圈依次通電1—10 A,并對半個有效角周期積分,結果如圖17.

圖17 半驅動角周期力矩積分與驅動電流的關系Fig.17.Relationship between half cycle torque integration and driving current.

有效力矩T對旋轉角度θ 的積分與驅動電流I的平方成正比.由此可計算設計線圈的驅動力矩,設一路線圈始終通電I1,主要用來保證轉子的定中效果,一路線圈按驅動時序通電I2用來實現轉子的驅動.則在一個加轉周期中,驅動路和定中路同時作用是,驅動力矩對角度積分為

在定中路單獨作用的半周期,力矩對角度的積分為

則轉子在一個驅動角周期的總的驅動力矩積分:

所以定子線圈中定中路一直通電會增強驅動路對超導轉子的驅動效果,同時驅動路通電時也會增強定中路對超導轉子的定中效果,即二者是相互增強的.在實際通電過程中要保證定中路和驅動路的電流方向相同,否則二者相互消弱.當定中路和驅動路各10 A,對超導轉子進行順時針加轉,其驅動力矩分布如圖18.

圖18 定中驅動一體化結構的驅動過程力矩分布Fig.18.Torque distribution during the driving process.

4.2 超導轉子的驅動控制時序設計

通過轉子頂部貼花紋,使光纖探測系統在轉子旋轉0°—22.5°,45°—67.5°,90°—112.5°,135°—157.5°,180°—202.5°,225°—247.5°,270°—292.5°,315°—337.5°時,輸出低電平(邏輯“0”);在22.5°—45°,67.5°—90°,112.5°—135°,157.5°—180°,202.5°—225°,247.5°—270°,292.5°—315°,337.5°—360°時,輸出高電平(邏輯“1”);邏輯電路輸出“0”表示受控電源停止對定子線圈供電,輸出“1”表示受控電源對定子線圈供電,則其逆時針轉動過程的加減速邏輯時序信號如圖19,順時針轉動過程的加減速邏輯時序信號如圖20.

圖19 逆時針旋轉邏輯電路時序信號Fig.19.Counterclockwise logic circuit control.

圖20 順時針旋轉邏輯電路時序信號Fig.20.Clockwise logic circuit control signal.

驅動系統主要依靠光纖傳感器和花紋圖案對超導轉子的旋轉角位置進行探測,花紋圖案與轉子頂部的光纖傳感器的相對位置如圖21,兩個黑色的原點表示光纖探頭在花紋上的投影,探測光纖中有激光發射光纖和接收光纖.激光在花紋上發生漫反射,在轉子面發生鏡面反射,從而實現對轉子的旋轉位置檢測[20].八花紋的功能是對超導轉子的旋轉位置進行測量,從而完成對超導轉子的驅動;轉速花紋對超導轉子的轉速進行測量;轉速花紋和八花紋輸出電平的相對相位關系用來判斷轉子的轉向,如圖22.

圖21 轉子花紋圖案Fig.21.Rotor pattern.

圖22 轉速信號和八花紋信號的相位關系 (a) 逆時針旋轉;(b) 順時針旋轉Fig.22.Phase relationship between rotational speed signal and eight pattern signal: (a) Counterclockwise;(b) clockwise.

花紋圖案外圍八花紋包括8 個圓心角為22.5°的無頂角扇形圖案,八花紋圖案都有一個邊正對著赤道切削平面的中心線,另一條邊正對兩個相鄰切削平面之間的分界線;轉速花紋是一個圓心角22.5°的扇形圖案,轉速花紋的外緣與八花紋的內緣相切,轉速花紋的一條邊和與其相切的無頂角扇形圖案的角平分線重合.

5 驅動結構的驅動效果評估

5.1 定子系統的響應特性分析

超導轉子驅動效果主要指超導轉子加轉到額定轉速需要的時間.為了避免超導轉子失超,上述定子線圈在驅動過程的驅動路和定中路的總電流I定中+I驅動要求不超過25 A.上面已經計算出定中路通電10 A 和5 A 可以對轉子定中,定中路分別通電10 A 和5 A,驅動路通電1—10 A,平均驅動力矩如圖23.驅動路電流一定時,定中路電流越大,平均驅動力矩越大,即驅動效果越好.

圖23 定中電流10 A 和5 A 時,不同驅動電流的平均驅動力矩圖Fig.23.Average drive moment of different driving currents with another circuit energized 10 A and 5 A.

接下來分析超導轉子的驅動過程.定子回路通電過程可簡化成一階電路,如圖24,定子回路電感主要由定子線圈電感L決定,定子回路電阻r主要由常溫區到低溫區的引線電阻決定.通過有限元軟件可以模擬出定子線圈電感69.8 μH,定子回路電阻設為2 Ω,則可以得到超導定子線圈定中路電流的響應方程[21]:

圖24 定子回路系統示意圖Fig.24.Schematic diagram of stator circuit system.

式中,I0是驅動電源設置電流;I(t)定子回路在激勵過程的響應.

超導轉子的響應時間即定子電流上升到目標電流的時間:

則超導轉子在驅動過程中,每個脈沖電流的寬度大于0.08 ms,定子線圈電流才能達到預設的目標電流.圖25 中t0是驅動過程中的定子回路的脈沖寬度,隨著超導轉子轉速的增加,脈沖寬度t0越來越小,上升時間占據的比例逐漸增大,定子輸出的有效力矩越來越小.考慮定子系統響應計算超導轉子的驅動時間是十分復雜的,為了簡化計算本文只計算超導轉子驅動到50 Hz 的驅動時間.因為超導轉子轉速50 Hz 對應的定子脈沖寬度1.25 ms,上升時間只占6%.此時可忽略定子電流的響應引起的輸出效率變化.

圖25 定子回路電流響應Fig.25.Current response of stator circuit.

5.2 驅動到50 Hz 的加速時間計算

設定中路通電5 A,驅動路通電1 A,計算順時針加轉超導轉子到3000 r/min 的時間.超導轉子從(n– 1)個驅動角周期,每個驅動角周期45°,到n個加轉周期的起始角速度wn通過(10)式和(13)式可計算:

則可以通過(16)式計算出加轉到3000 r/min 需要的加轉驅動角周期數68528.通過擬合超導轉子在第n個驅動角周期(45°)中的T-θ 曲線:T=f(θ),可以計算超導轉子在每個角加轉周期的加轉時間tn:

式中,wnθ是第n個加轉周期中(0°,45°)中任一角位置的角速度,wnθ表示式為

根據(16)式、(17)式和(18)式可以計算出tn,則總的加轉時間t總:

由(16)—(19)式可以計算出,定中電流5 A,驅動電流1 A 時,可用342 s 將超導轉子驅動到3000 r/min.同理可以計算出任意定中電流和驅動電流對應的加速時間,如圖26.圖26 表明,定中路的電流越大,超導轉子的加轉時間越短.以上驅動時間的計算結果是忽略氣體阻尼及驅動電流源的輸出特性的理想情況下的計算結果.所以在實際驅動過程中要考慮實際的條件,如轉子的質量偏心、低溫系統的傳熱效率、臨界轉速等合理設置I驅動和I定中的大小,以此來調控超導轉子的驅動時間.四個盤形定子線圈也起到對超導轉子側向支撐的作用,可以在一定的范圍內對超導轉子的側向支承剛度進行調控.

圖26 定中電流為10 A 和5 A 時,不同驅動電流加轉到50 Hz的時間Fig.26.Time for the superconducting rotor to be accelerated to 50 Hz by applying different driving currents with centering current of 10 A and 5 A.

6 結論

本文設計了一種結構簡單的超導轉子驅動電磁結構,其中轉子結構完全對稱理論質量偏心為零,并通過有限元方法研究了定子磁場對超導轉子的轉矩作用,定量地分析了定子對超導轉子的驅動和定中效果.

針對所設計的超導轉子驅動電磁結構,提出了一種基于超導體邁斯納效應的定中-驅動一體化的超導轉子驅動方法.即定子線圈雙繞,一路始終通電產生轉矩對超導轉子定中,另一路按一定的控制時序通斷電對超導轉子進行驅動.設計了超導轉子頂部的花紋圖案和定子線圈驅動路的控制時序;分析了此驅動方法驅動過程中定子線圈定中路和驅動路對超導轉子的轉矩分布.

最后分析了定子系統在驅動過程的響應特性,計算了超導轉子驅動到50 Hz 需要的驅動時間.結果表明,此驅動結構的加轉時間由定子線圈的驅動路電流和定中路電流共同決定,兩者電流方向相同時,定中電流可以增強驅動效果,驅動電流同樣可以增強定中效果.本文介紹的超導轉子驅動方法與已經報道出的超導轉子磁浮裝置驅動方法相比,此驅動方法簡化了超導轉子結構和驅動電磁結構,為進一步優化旋轉超導轉子的測角精度提供了參考.