高温超导磁悬浮轴承的研究进展-论文.pdf

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1、第33卷第7期电工电能新技术Vo1．33，No．72014年7月AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyJu1．2014高温超导磁悬浮轴承的研究进展余志强，，张国民，邱清泉，胡磊，张文峰(1．中国科学院应用超导重点实验室，北京100190；2．中国科学院电工研究所，北京100190；3．中国科学院大学，北京100190；4．石家庄铁道大学电气与电子工程学院，河北石家庄050043)摘要：当永磁体在高温超导体附近时，部分磁力线进入超导体肉，由于磁通钉扎作用，永磁体无需控制而稳定

2、悬浮，这种悬浮特性称为无源自稳定性。这种特性的重要应用之一就是高温超导轴承。由于具有无源自稳定性、无摩擦、低损耗等优点，高温超导轴承越来越受到国内外关注，成为研究的热点，已经应用在飞轮储能、高速旋转机械等重要领域。本文介绍了高温超导悬浮轴承的工作原理，比较了轴向型和径向型高温超导轴承的结构特点，详细地说明了国外研究进展和国内的发展现状，探讨了高温超导轴承当前的研究热点和应用领域。关键词：无源自稳定性；高温超导轴承；轴向型；径向型中图分类号：0511．9文献标识码：A文章编号：1003—3076(2014)07-0055-07导定子俘获

3、，并被钉扎在钉扎中心处。由于钉扎力1引言的作用，转子在轴向和径向上保持稳定，形成稳定悬轴承在旋转机械中应用广泛。工业生产中使用浮。当永磁转子上安装了驱动设备(通常为电机)，较多的有机械轴承(MB)、电磁轴承(AMB)和永磁处于磁悬浮状态的永磁转子就可以实现高速旋转。轴承(PMB)。机械轴承的结构简单，但是易磨损，高温超导轴承的定转子之间发生相对运动后，需要维护。由于摩擦力大，限制了旋转机械的转速。超导体内感应出电流，电流在磁场的作用下产生了电磁轴承是一种悬浮轴承，它的摩擦力比机械轴承洛伦兹力，所以高温超导轴承的悬浮力为：小，但是需要外

4、部电源和控制系统，增加了使用的复F=J二．，×Bd(1)杂度。永磁轴承结构简单，但是缺乏自稳定性，无法单独使用。其中，．，为超导体内的感应电流密度；B为永磁体产近年来，随着高温超导材料的出现，超导技术得生的磁通密度；F的方向垂直于．，与所在的平面。到了快速发展。由于高温超导磁悬浮具有独特的无从微观的角度看，超导块可以被分成有限数量的基源自稳定性¨’，应用也越来越多。其重要的应用本环路，每个环路具有相同的电流密度和面积。在之一为高温超导轴承，已成为超导领域的研究热点永磁转子移动的过程中，环路中感应出电流并与磁之一。目前，国际上已经研制出

5、能够悬浮吨量级的场相互作用产生悬浮力。总的悬浮力为：大型高温超导轴承，并已应用到飞轮储能系统F2霄riBdgo‘一^=sff．(2)z_J(FESS)中⋯。100口s100口s⋯。tOOps其中，为磁通链；S为基本环路面积；为移动距2高温超导轴承工作原理及类型离。式(1)和式(2)为高温超导轴承悬浮力的基本2．1高温超导轴承的工作原理计算方法。高温超导轴承的定转子一般为超导定子和永磁2．2高温超导轴承的结构与类型转子，当超导定子进入超导态，永磁转子的磁通被超高温超导轴承的主要结构包括定子和转子两部收稿日期：2013—10—10基金项目

6、：国家自然科学基金(50977092)、中国科学院“百人计划”资助项目作者简介：余志强(1977一)，男，四川籍，博士研究生，研究方向为应用超导；张国民(1964一)，男，河南籍，研究员，博士，研究方向为高温超导物理特性与应用技术(通信作者)。56电工电能新技术第33卷分，为了减少设计的复杂度，一般情况下，设计成超表1轴向型与径向型高温超导轴承结构比较表Tab．1Comparisonofaxial—typeandradial—typeHTSB导定子和永磁转子。超导定子主要由超导体(一般为超导块材)、低温杜瓦和热沉等部分组成。超导块材是

7、超导定子的重要部分，其他两部分都是为其服务的。一般情况下，超导块材用添加了高热导率的氧化铝或氮化铝的环氧树脂粘在热沉上。热沉由导热性好的铜板或不锈钢板制成，低温通过热沉传导到超导块上。低温杜瓦是低温容器，起到保温和绝热的作用。永磁转子主要由不导磁轴、永磁体和软铁组成。永磁体一般为NdFeB等稀土永磁材料制成，经充磁后可产生较强磁场。软铁的作用为聚集磁通，提高定转子之间气隙磁密梯度。按照定转子之间气隙磁场方向与悬浮力方向是否平行的原则，高温超导轴承可分为轴向型和径向型两类，如图1所示。磁图1高温超导轴承结构图Fig．1Structure

8、chartofHTSB3国内外研究进展轴向型高温超导轴承的结构特征是定转子均做成碟形或盘型平行相对，两者几何轴线重合。超导国外研究高温超导轴承的时间可追溯到20世定子放置在低温杜瓦中，永磁转子与轴相连。其结纪90年代。从