高温超导磁悬浮径向轴承的特性研究

发布时间：2020-10-27 02:35

　　 高温超导磁悬浮径向轴承具有结构紧凑、旋转损耗小、应用前景好等优点,本论文面向其实用化,开展优化设计、刚度特性、旋转特性和动态特性的研究。 对超导轴承的优化设计,通常采用实验测试的方法比较不同条件下超导轴承的刚度特征,选取最优结构和各个参数的最优值。这种方法的所需时间长、投入成本高且不具有通用性。为此,本论文提出采用高温超导磁悬浮三维数值计算程序进行优化设计的方法。首先采用高温超导磁悬浮三维数值计算程序,分析永磁转子磁极与超导块材籽晶相对排布结构对超导轴承刚度特性的影响,由此得到一种较优的结构。依据这种结构,由仿真计算得到聚磁铁环厚度、永磁环径向厚度、工作间隙、超导定子工作温度在不同取值时的刚度特性。结合实际运行状况,选取这四个参数的最优值而对超导轴承进行优化设计。以仿真计算为基础的优化设计,其优化结果可作为理论和实验研究的参考。 高温超导磁悬浮径向轴承刚度特性的研究对象包括轴向刚度、径向刚度、偏转角刚度、交叉刚度、综合刚度。测试表明超导定子冷却效率越高,超导轴承轴向刚度受永磁转子旋转的影响越小。根据单块高温超导块材与永磁转子在相对位移时的作用力,推导出计算精度为98.6%的径向刚度计算方程；分析永磁转子偏转与由此引起的永磁转子各部分径向偏移的关系,推导出高温超导磁悬浮径向轴承的偏转角刚度计算方程；对交叉刚度进行理论分析,并讨论交叉刚度在应用中的影响。根据上述结果研究综合刚度特性,推导出永磁转子受径向力、轴向力和力矩作用时的位移和偏转角计算方程组。 稳定性、旋转损耗和在旋转机械中应用的特性研究是高温超导磁悬浮径向轴承旋转特性的研究内容。永磁转子旋转自由衰减和变转速实验,表明提高超导块材性能、永磁转子磁场均匀性、转子动平衡性有助于提高旋转稳定性和减小旋转损耗,采用涡流阻尼器可提高旋转稳定性但需降低旋转损耗。利用刚度特性研究的结果,分析了采用超导轴承的旋转机械实验样机设计的合理性。国际上首次把高温超导磁悬浮径向轴承应用于液氮泵样机,该样机运行稳定、转速达到2245rpm。搭建采用超导轴承的高速电机样机,运行转速达到9901rpm,为目前国内超导磁悬浮轴承的最高转速。 高温超导磁悬浮径向轴承动态特性研究围绕竖直振动中和长期运行时的稳定性,以及在移动载体中应用的力学问题开展研究。高温超导磁悬浮径向轴承在竖直振动中表现出振动隔离性,可维持运行的稳定性。针对长期运行的稳定性,探讨动态条件下高温超导磁悬浮径向轴承转子下降问题的解决方案。采用修正法恢复轴向力以此达到修正转子高度下降的目的。理论分析表明修正法实施的过程中,超导轴承保持径向稳定性。在考虑加速情况下,探讨了移动式高温超导磁悬浮飞轮储能系统中飞轮转子的质量和质心排布问题。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：TH133.3
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 各种轴承的比较
        1.2.1 非超导轴承
        1.2.2 高温超导磁悬浮轴承
    1.3 高温超导磁悬浮径向轴承和高温超导磁悬浮轴向轴承的特性研究
        1.3.1 刚度特性和稳定性研究
        1.3.2 旋转损耗的研究
        1.3.3 转子高度下降问题
        1.3.4 新型结构超导磁悬浮轴承的特性研究
    1.4 高温超导磁悬浮径向轴承和高温超导磁悬浮轴向轴承的应用研究
        1.4.1 飞轮储能系统
        1.4.2 超导发电机支撑轴承
        1.4.3 卫星姿态控制及储能一体化飞轮系统
        1.4.4 其它应用
    1.5 问题提出及论文主要研究内容
        1.5.1 高温超导磁悬浮径向轴承的优化设计
        1.5.2 高温超导磁悬浮径向轴承实验平台的搭建
        1.5.3 高温超导磁悬浮径向轴承刚度特性研究
        1.5.4 高温超导磁悬浮径向轴承旋转特性研究
        1.5.5 高温超导磁悬浮径向轴承动态特性研究
第2章 高温超导磁悬浮径向轴承的优化设计
    2.1 超导轴承刚度特性的主要决定因素
    2.2 高温超导磁悬浮径向轴承的优化设计
        2.2.1 高温超导磁悬浮三维数值计算程序介绍
        2.2.2 优化计算的参数设定
        2.2.3 计算结果及优化方案
            2.2.3.1 永磁转子磁极与高温超导块材籽晶相对排布结构的选择
            2.2.3.2 聚磁铁环厚度的优化
            2.2.3.3 永磁环内外半径差的优化
            2.2.3.4 工作间隙的优化
            2.2.3.5 工作温度的优化
    2.3 小结
第3章 高温超导磁悬浮径向轴承实验平台
    3.1 高温超导磁悬浮径向轴承样机的选型及研究内容
        3.1.1 高温超导磁悬浮径向轴承样机的选型
        3.1.2 高温超导磁悬浮径向轴承特性研究的内容
    3.2 小型高温超导磁悬浮径向轴承样机及实验平台
        3.2.1 小型高温超导磁悬浮径向轴承样机
        3.2.2 位移和振动测试装置
        3.2.3 超导轴承转速自由衰减实验装置
        3.2.4 超导轴承变转速特性研究装置
        3.2.5 高温超导磁悬浮径向轴承旋转测试装置
    3.3 大型高温超导磁悬浮径向轴承性能测试装置
        3.3.1 5kWh飞轮储能系统用高温超导磁悬浮径向轴承
        3.3.2 大型高温超导磁悬浮径向轴承测试装置的结构
        3.3.3 大型高温超导磁悬浮径向轴承测试装置的测试原理和功能
    3.4 小结
第4章 高温超导磁悬浮径向轴承的刚度特性
    4.1 高温超导磁悬浮径向轴承轴向刚度特性
        4.1.1 超导轴承的准静态轴向刚度和动态轴向刚度
        4.1.2 不同转速时超导轴承的轴向刚度
    4.2 高温超导磁悬浮径向轴承径向刚度计算方程及其应用
        4.2.1 径向刚度计算方程
        4.2.2 刚度计算方程的应用
    4.3 高温超导磁悬浮径向轴承偏转角刚度特性
        4.3.1 高温超导磁悬浮径向轴承偏转角刚度计算方程
        4.3.2 高温超导磁悬浮径向轴承的偏转特性
    4.4 高温超导磁悬浮径向轴承交叉刚度特性
    4.5 外作用下永磁转子的位移和偏转角
    4.6 小结
第5章 高温超导磁悬浮径向轴承的旋转特性
    5.1 高温超导磁悬浮径向轴承旋转自由衰减时的旋转特性研究
        5.1.1 永磁转子的旋转自由衰减过程
        5.1.2 超导轴承旋转自由衰减的稳定性和旋转损耗
    5.2 变速过程中的稳定性
    5.3 高温超导磁悬浮径向轴承在液氮泵样机中应用的旋转特性研究
        5.3.1 超导轴承在低温液体泵中应用的背景
        5.3.2 高温超导磁悬浮径向轴承在液氮泵样机中应用的力学特性
        5.3.3 液氮泵样机的运行状况
    5.4 高温超导磁悬浮径向轴承在高速电机样机中应用的旋转特性研究
        5.4.1 高温超导磁悬浮径向轴承在高速电机中应用的可行性
        5.4.2 高速电机样机实验装置的设计及力学特性
        5.4.3 高速电机样机实验装置
        5.4.4 高速电机样机实验运行状况及装置的改进
    5.5 小结
第6章 高温超导磁悬浮径向轴承动态特性研究
    6.1 竖直振动条件下高温超导磁悬浮径向轴承的动态特性研究
    6.2 转子高度修正法
    6.3 载体加速过程中高温超导磁悬浮径向轴承动态特性分析
    6.4 小结
结论
    本论文的主要创新点
    值得进一步开展的工作
致谢
参考文献
攻读学位期间的研究成果
    在学期间发表的论文
    在学期间申请的专利
    在学期间参加的科研项目

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本文编号：2857896