高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承具有結(jié)構(gòu)緊湊、旋轉(zhuǎn)損耗小、應(yīng)用前景好等優(yōu)點(diǎn),本論文面向其實(shí)用化,開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)、剛度特性、旋轉(zhuǎn)特性和動(dòng)態(tài)特性的研究。 對(duì)超導(dǎo)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì),通常采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法比較不同條件下超導(dǎo)軸承的剛度特征,選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)和各個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值。這種方法的所需時(shí)間長(zhǎng)、投入成本高且不具有通用性。為此,本論文提出采用高溫超導(dǎo)磁懸浮三維數(shù)值計(jì)算程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。首先采用高溫超導(dǎo)磁懸浮三維數(shù)值計(jì)算程序,分析永磁轉(zhuǎn)子磁極與超導(dǎo)塊材籽晶相對(duì)排布結(jié)構(gòu)對(duì)超導(dǎo)軸承剛度特性的影響,由此得到一種較優(yōu)的結(jié)構(gòu)。依據(jù)這種結(jié)構(gòu),由仿真計(jì)算得到聚磁鐵環(huán)厚度、永磁環(huán)徑向厚度、工作間隙、超導(dǎo)定子工作溫度在不同取值時(shí)的剛度特性。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況,選取這四個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值而對(duì)超導(dǎo)軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以仿真計(jì)算為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì),其優(yōu)化結(jié)果可作為理論和實(shí)驗(yàn)研究的參考。 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承剛度特性的研究對(duì)象包括軸向剛度、徑向剛度、偏轉(zhuǎn)角剛度、交叉剛度、綜合剛度。測(cè)試表明超導(dǎo)定子冷卻效率越高,超導(dǎo)軸承軸向剛度受永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響越小。根據(jù)單塊高溫超導(dǎo)塊材與永磁轉(zhuǎn)子在相對(duì)位移時(shí)的作用力,推導(dǎo)出計(jì)算精度為98.6%的徑向剛度計(jì)算方程；分析永磁轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)與由此引起的永磁轉(zhuǎn)子各部分徑向偏移的關(guān)系,推導(dǎo)出高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承的偏轉(zhuǎn)角剛度計(jì)算方程；對(duì)交叉剛度進(jìn)行理論分析,并討論交叉剛度在應(yīng)用中的影響。根據(jù)上述結(jié)果研究綜合剛度特性,推導(dǎo)出永磁轉(zhuǎn)子受徑向力、軸向力和力矩作用時(shí)的位移和偏轉(zhuǎn)角計(jì)算方程組。 穩(wěn)定性、旋轉(zhuǎn)損耗和在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用的特性研究是高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承旋轉(zhuǎn)特性的研究?jī)?nèi)容。永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)自由衰減和變轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn),表明提高超導(dǎo)塊材性能、永磁轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)均勻性、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡性有助于提高旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和減小旋轉(zhuǎn)損耗,采用渦流阻尼器可提高旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性但需降低旋轉(zhuǎn)損耗。利用剛度特性研究的結(jié)果,分析了采用超導(dǎo)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。國(guó)際上首次把高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承應(yīng)用于液氮泵樣機(jī),該樣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速達(dá)到2245rpm。搭建采用超導(dǎo)軸承的高速電機(jī)樣機(jī),運(yùn)行轉(zhuǎn)速達(dá)到9901rpm,為目前國(guó)內(nèi)超導(dǎo)磁懸浮軸承的最高轉(zhuǎn)速。 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承動(dòng)態(tài)特性研究圍繞豎直振動(dòng)中和長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性,以及在移動(dòng)載體中應(yīng)用的力學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究。高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承在豎直振動(dòng)中表現(xiàn)出振動(dòng)隔離性,可維持運(yùn)行的穩(wěn)定性。針對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性,探討動(dòng)態(tài)條件下高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承轉(zhuǎn)子下降問(wèn)題的解決方案。采用修正法恢復(fù)軸向力以此達(dá)到修正轉(zhuǎn)子高度下降的目的。理論分析表明修正法實(shí)施的過(guò)程中,超導(dǎo)軸承保持徑向穩(wěn)定性。在考慮加速情況下,探討了移動(dòng)式高溫超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中飛輪轉(zhuǎn)子的質(zhì)量和質(zhì)心排布問(wèn)題。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類(lèi)】：TH133.3
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 各種軸承的比較
        1.2.1 非超導(dǎo)軸承
        1.2.2 高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承
    1.3 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承和高溫超導(dǎo)磁懸浮軸向軸承的特性研究
        1.3.1 剛度特性和穩(wěn)定性研究
        1.3.2 旋轉(zhuǎn)損耗的研究
        1.3.3 轉(zhuǎn)子高度下降問(wèn)題
        1.3.4 新型結(jié)構(gòu)超導(dǎo)磁懸浮軸承的特性研究
    1.4 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承和高溫超導(dǎo)磁懸浮軸向軸承的應(yīng)用研究
        1.4.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)
        1.4.2 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)支撐軸承
        1.4.3 衛(wèi)星姿態(tài)控制及儲(chǔ)能一體化飛輪系統(tǒng)
        1.4.4 其它應(yīng)用
    1.5 問(wèn)題提出及論文主要研究?jī)?nèi)容
        1.5.1 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)
        1.5.2 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建
        1.5.3 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承剛度特性研究
        1.5.4 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承旋轉(zhuǎn)特性研究
        1.5.5 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承動(dòng)態(tài)特性研究
第2章 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)
    2.1 超導(dǎo)軸承剛度特性的主要決定因素
    2.2 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)
        2.2.1 高溫超導(dǎo)磁懸浮三維數(shù)值計(jì)算程序介紹
        2.2.2 優(yōu)化計(jì)算的參數(shù)設(shè)定
        2.2.3 計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化方案
            2.2.3.1 永磁轉(zhuǎn)子磁極與高溫超導(dǎo)塊材籽晶相對(duì)排布結(jié)構(gòu)的選擇
            2.2.3.2 聚磁鐵環(huán)厚度的優(yōu)化
            2.2.3.3 永磁環(huán)內(nèi)外半徑差的優(yōu)化
            2.2.3.4 工作間隙的優(yōu)化
            2.2.3.5 工作溫度的優(yōu)化
    2.3 小結(jié)
第3章 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
    3.1 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承樣機(jī)的選型及研究?jī)?nèi)容
        3.1.1 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承樣機(jī)的選型
        3.1.2 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承特性研究的內(nèi)容
    3.2 小型高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
        3.2.1 小型高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承樣機(jī)
        3.2.2 位移和振動(dòng)測(cè)試裝置
        3.2.3 超導(dǎo)軸承轉(zhuǎn)速自由衰減實(shí)驗(yàn)裝置
        3.2.4 超導(dǎo)軸承變轉(zhuǎn)速特性研究裝置
        3.2.5 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承旋轉(zhuǎn)測(cè)試裝置
    3.3 大型高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承性能測(cè)試裝置
        3.3.1 5kWh飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承
        3.3.2 大型高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)
        3.3.3 大型高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承測(cè)試裝置的測(cè)試原理和功能
    3.4 小結(jié)
第4章 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承的剛度特性
    4.1 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承軸向剛度特性
        4.1.1 超導(dǎo)軸承的準(zhǔn)靜態(tài)軸向剛度和動(dòng)態(tài)軸向剛度
        4.1.2 不同轉(zhuǎn)速時(shí)超導(dǎo)軸承的軸向剛度
    4.2 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承徑向剛度計(jì)算方程及其應(yīng)用
        4.2.1 徑向剛度計(jì)算方程
        4.2.2 剛度計(jì)算方程的應(yīng)用
    4.3 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承偏轉(zhuǎn)角剛度特性
        4.3.1 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承偏轉(zhuǎn)角剛度計(jì)算方程
        4.3.2 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承的偏轉(zhuǎn)特性
    4.4 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承交叉剛度特性
    4.5 外作用下永磁轉(zhuǎn)子的位移和偏轉(zhuǎn)角
    4.6 小結(jié)
第5章 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承的旋轉(zhuǎn)特性
    5.1 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承旋轉(zhuǎn)自由衰減時(shí)的旋轉(zhuǎn)特性研究
        5.1.1 永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)自由衰減過(guò)程
        5.1.2 超導(dǎo)軸承旋轉(zhuǎn)自由衰減的穩(wěn)定性和旋轉(zhuǎn)損耗
    5.2 變速過(guò)程中的穩(wěn)定性
    5.3 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承在液氮泵樣機(jī)中應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)特性研究
        5.3.1 超導(dǎo)軸承在低溫液體泵中應(yīng)用的背景
        5.3.2 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承在液氮泵樣機(jī)中應(yīng)用的力學(xué)特性
        5.3.3 液氮泵樣機(jī)的運(yùn)行狀況
    5.4 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承在高速電機(jī)樣機(jī)中應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)特性研究
        5.4.1 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承在高速電機(jī)中應(yīng)用的可行性
        5.4.2 高速電機(jī)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)及力學(xué)特性
        5.4.3 高速電機(jī)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置
        5.4.4 高速電機(jī)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行狀況及裝置的改進(jìn)
    5.5 小結(jié)
第6章 高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承動(dòng)態(tài)特性研究
    6.1 豎直振動(dòng)條件下高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承的動(dòng)態(tài)特性研究
    6.2 轉(zhuǎn)子高度修正法
    6.3 載體加速過(guò)程中高溫超導(dǎo)磁懸浮徑向軸承動(dòng)態(tài)特性分析
    6.4 小結(jié)
結(jié)論
    本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
    值得進(jìn)一步開(kāi)展的工作
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀學(xué)位期間的研究成果
    在學(xué)期間發(fā)表的論文
    在學(xué)期間申請(qǐng)的專(zhuān)利
    在學(xué)期間參加的科研項(xiàng)目

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