高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

0磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域未來，航空航天發(fā)射將朝著降低成本、高可靠的方向發(fā)展，水平誘導(dǎo)的空天飛機(jī)概念已成為研究的熱點(diǎn)，越來越受到重視。資料表明,采用地面助推發(fā)射方式承載空天飛機(jī)高速起飛,可以有效減小其推進(jìn)劑消耗量和翼型、起落架等結(jié)構(gòu)質(zhì)量,而磁懸浮助推發(fā)射技術(shù)以其無摩擦損耗、高安全可靠、操作方便和運(yùn)行成本低等特點(diǎn),被視為一種最有效的地面助推發(fā)射技術(shù),在多個國家已得到研究和發(fā)展。磁懸浮技術(shù)作為磁懸浮助推發(fā)射裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一,其性能優(yōu)劣直接決定了磁懸浮助推發(fā)射裝置的成敗。目前磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域主要存在常導(dǎo)電磁懸浮EMS(electromagneticsuspension)、高溫超導(dǎo)EMS、低溫超導(dǎo)電動懸浮EDS(electrodynamicsuspension)、高溫超導(dǎo)體EDS和永磁懸浮PMS(permanentmagnetsuspension)等5種磁懸浮系統(tǒng)類型。其中,高溫超導(dǎo)體EDS系統(tǒng)在低速懸浮能力、控制系統(tǒng)要求、低溫系統(tǒng)技術(shù)、運(yùn)行能耗和成本等方面都具有明顯優(yōu)勢,適合作為磁懸浮發(fā)射裝置的磁懸浮系統(tǒng)方案。本文針對高溫超導(dǎo)體EDS系統(tǒng)進(jìn)行作用機(jī)理分析和方案設(shè)計(jì),并通過建立磁懸浮單元準(zhǔn)靜態(tài)測試系統(tǒng)和磁懸浮發(fā)射縮比研究試驗(yàn)平臺,研究該磁懸浮系統(tǒng)的懸浮特性。1材料的高溫超導(dǎo)體的設(shè)計(jì)方案高溫超導(dǎo)體EDS系統(tǒng)采用非理想第二類超導(dǎo)體,它在液氮溫區(qū)(77k)具有排磁通和俘獲磁通實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮的能力。高溫超導(dǎo)體在外磁場中的懸浮力F可以通過下式描述:F∝Jc?d?dH/dz(1)F∝Jc?d?dΗ/dz(1)式中Jc為超導(dǎo)體臨界電流密度,d為超導(dǎo)體中感應(yīng)電流回路大小,dH/dz為超導(dǎo)體所處位置的磁場梯度。Jc和d為超導(dǎo)體材料屬性,受制作工藝水平限制,目前Jc一般在1×104A/cm2左右,d一般在50mm以內(nèi),因此目前提高懸浮力的主要途徑是通過設(shè)計(jì)具有高梯度的外磁場型式。圖1所示為設(shè)計(jì)的一種高溫超導(dǎo)體EDS系統(tǒng)方案示意圖。高溫超導(dǎo)體固定在液氮低溫保持器內(nèi)部,其籽晶生長面與保持器的底部內(nèi)壁緊貼。由于目前制備單晶大塊高溫超導(dǎo)體具有一定難度,實(shí)驗(yàn)中采用Φ30mm×18mm的熔融織構(gòu)YBaCuO高溫超導(dǎo)塊材。為了保持長時間的液氮低溫環(huán)境,低溫保持器采用真空絕熱結(jié)構(gòu)和無磁不銹鋼材料焊接而成,容器底部無焊縫。為了保證磁懸浮系統(tǒng)的有效懸浮高度,容器底部厚度(包括真空夾層)越小越好,經(jīng)過合理設(shè)計(jì)和試制,低溫保持器底部厚度為5mm,可以持續(xù)工作1小時以上。圖1中永磁導(dǎo)軌是勵磁源,它通過磁極相對的NdFeB永磁體和聚磁作用的工業(yè)純鐵板組裝而成,有利于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場。圖2為永磁導(dǎo)軌表面上方不同高度的磁場分布計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?越靠近永磁導(dǎo)軌表面,磁場強(qiáng)度越大,豎直和水平磁場梯度越大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試永磁導(dǎo)軌表面磁場達(dá)到1.5T,與計(jì)算結(jié)果有較好的一致性。此外,超導(dǎo)體內(nèi)俘獲磁通多少直接影響其懸浮性能,而超導(dǎo)體相對磁場實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的高度位置(即場冷高度,這里指超導(dǎo)體底面相對永磁導(dǎo)軌表面的高度)是影響其俘獲磁通大小的關(guān)鍵因素。因此,場冷高度影響也是磁懸浮系統(tǒng)性能研究的一個主要內(nèi)容。2標(biāo)準(zhǔn)曲線及分析為了定量測試高溫超導(dǎo)體EDS系統(tǒng)的懸浮特性,建立圖3所示的磁懸浮單元準(zhǔn)靜態(tài)力測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)由臺架、二軸數(shù)控電機(jī)平臺、應(yīng)變式拉壓力傳感器、十字軸萬向節(jié)、直線軸承、固定超導(dǎo)樣品的低溫保持器、提供強(qiáng)磁場的永磁導(dǎo)軌和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等組成。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程中,高溫超導(dǎo)體固定在液氮低溫保持器的內(nèi)壁底部。豎直電機(jī)平臺帶動低溫保持器相對永磁導(dǎo)軌作上下移動,使其到達(dá)永磁導(dǎo)軌上方某一待測試位置。然后通過管路系統(tǒng)給低溫保持器加注液氮,使超導(dǎo)體進(jìn)入穩(wěn)定超導(dǎo)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)測試中,低溫保持器在豎直電機(jī)平臺帶動下相對永磁導(dǎo)軌作上下移動,或者永磁導(dǎo)軌在水平電機(jī)平臺帶動下作水平移動,對應(yīng)每個豎直位移點(diǎn)或水平位移點(diǎn),豎直和水平力傳感器將實(shí)時記錄高溫超導(dǎo)體與磁場作用產(chǎn)生的豎直力和水平力結(jié)果,豎直方向和水平方向的位移量分別由豎直和水平步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)計(jì)算得出。由于永磁導(dǎo)軌上方不均勻的磁場分布狀態(tài),定位于其上不同位置的高溫超導(dǎo)體將顯示不同的懸浮性能,因此實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)測試了圖4所示的三種典型高溫超導(dǎo)體排列組合方案。組合1定位于永磁導(dǎo)軌中心上方,組合2定位于永磁導(dǎo)軌的中心軟鐵上方,組合3為組合1、2的整體形式。通過準(zhǔn)靜態(tài)力測試系統(tǒng),對三種組合在場冷高度35mm下的懸浮力和場冷高度15mm下的導(dǎo)向力分別進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖5和圖6所示。如圖5所示,每個組合的懸浮力測試曲線分為兩支。上支代表超導(dǎo)體接近永磁導(dǎo)軌時的懸浮力特性,懸浮力隨測試高度降低呈反指數(shù)增加。下支代表超導(dǎo)體遠(yuǎn)離永磁導(dǎo)軌時的懸浮力特性,懸浮力隨測試高度升高而遞減,當(dāng)測試高度上升至30mm左右時,懸浮力變?yōu)樨?fù)值,表現(xiàn)為吸引力,而且在40mm左右時吸引力達(dá)到最大值。如圖6所示,超導(dǎo)體作相對水平移動達(dá)到位移+5mm或位移-5mm的過程中,導(dǎo)向力正向或反向近似線性增加,對水平移動產(chǎn)生很強(qiáng)的阻礙作用。因此,超導(dǎo)體在永磁導(dǎo)軌上方的排斥、吸引和水平約束作用最終實(shí)現(xiàn)了高溫EDS系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮。此外,圖中懸浮力測試曲線上下支不重合,導(dǎo)向力往返測試曲線也不重合,表明懸浮力和導(dǎo)向力都表現(xiàn)出明顯的磁滯效應(yīng)。這種現(xiàn)象可以解釋為超導(dǎo)體中的釘扎中心俘獲磁通并阻礙磁通正常進(jìn)出,造成超導(dǎo)體內(nèi)磁通分布狀態(tài)產(chǎn)生變化的結(jié)果。由圖5分析,在測試高度15mm處,組合1單塊超導(dǎo)體平均懸浮力為14.0N,而組合2的平均懸浮力為22.9N;由圖6分析,在水平位移5mm處,組合1單塊超導(dǎo)體平均導(dǎo)向力為12.7N,而組合2的平均導(dǎo)向力為10.5N。這些結(jié)果說明在永磁導(dǎo)軌中心軟鐵上方存在較強(qiáng)的豎直方向磁場梯度,而在導(dǎo)軌中心上方存在較強(qiáng)的水平方向磁場梯度,而組合3可以是充分利用永磁導(dǎo)軌豎直和水平方向磁場梯度特性的一種超導(dǎo)體組合優(yōu)化方案。同時由圖5和圖6分析得出,組合1、2的懸浮力合力和導(dǎo)向力合力與組合3的懸浮力、導(dǎo)向力幾乎一致,說明在磁懸浮系統(tǒng)作用過程中,超導(dǎo)體之間的磁場作用很微弱,對超導(dǎo)體組合的懸浮性能影響很小。因此,通過單塊超導(dǎo)體在永磁導(dǎo)軌上方不同位置的懸浮力、導(dǎo)向力測試,可以預(yù)示各種超導(dǎo)體組合的懸浮力、導(dǎo)向力性能,這對于優(yōu)選超導(dǎo)體組合方案具有指導(dǎo)意義。3現(xiàn)場試驗(yàn)平臺為了綜合展示磁懸浮裝置的懸浮性能,建立如圖7所示的磁懸浮發(fā)射縮比研究試驗(yàn)平臺。試驗(yàn)平臺由永磁導(dǎo)軌1、超導(dǎo)單元2、磁懸浮橇體3、場冷高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)4、電機(jī)加速系統(tǒng)5、緩沖制動裝置6、懸浮高度測試傳感器7、導(dǎo)向力測試系統(tǒng)8和地基9等部分組成,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。永磁導(dǎo)軌和超導(dǎo)單元組成高溫超導(dǎo)EDS系統(tǒng)。導(dǎo)軌定位在地基上,采用圖1所示的導(dǎo)軌方案,采用平行雙軌利于使懸浮系統(tǒng)更穩(wěn)定。4個超導(dǎo)單元均勻布置于磁懸浮橇體底部,超導(dǎo)體組合固定于低溫容器中,并采用圖4中的組合3方案。磁懸浮橇體為鋁質(zhì)結(jié)構(gòu),避免與導(dǎo)軌磁場產(chǎn)生吸引作用。場冷高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用兩套步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置作用于磁懸浮橇體底部,以改變磁懸浮系統(tǒng)場冷高度。電機(jī)加速系統(tǒng)采用雙邊直線感應(yīng)電機(jī),電機(jī)初級對稱定位于地基上,電機(jī)次級(鋁板)定位于磁懸浮橇體底部。雙邊感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,作用方式對懸浮氣隙無影響,并利于產(chǎn)生大的起動推力。電機(jī)推力設(shè)計(jì)為600N,初級與次級的作用氣隙設(shè)計(jì)為5mm。緩沖制動采用高分子彈性阻尼材料裝置,可以實(shí)現(xiàn)100kg載荷、6m/s速度的制動。試驗(yàn)平臺懸浮性能測試通過定量砝碼和懸浮高度測試傳感器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)不同質(zhì)量的砝碼加載在磁懸浮橇體上,傳感器將反饋試驗(yàn)平臺的相對懸浮高度。導(dǎo)向力測試系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、拉壓式力傳感器和銷連接結(jié)構(gòu)組成。在試驗(yàn)平臺自由懸浮狀態(tài)下,步機(jī)電機(jī)通過銷接結(jié)構(gòu)帶動試驗(yàn)平臺水平移動,同時力傳感器記錄移動過程中產(chǎn)生的導(dǎo)向力。4冷高度對磁懸浮系統(tǒng)的影響場冷高度是影響高溫超導(dǎo)EDS系統(tǒng)懸浮、導(dǎo)向性能的關(guān)鍵因素,試驗(yàn)測試中選擇零場冷(這里為場冷高度大于90mm)、場冷45mm、35mm和25mm四個典型場冷高度,分別測試這四種條件下試驗(yàn)平臺的加載懸浮性能曲線和空載導(dǎo)向性能曲線,如圖8和圖9所示。可以看出,隨著場冷高度降低,試驗(yàn)平臺相同載荷下的有效懸浮高度下降,說明低場冷高度將導(dǎo)致磁懸浮系統(tǒng)懸浮能力下降,而試驗(yàn)平臺空載下的導(dǎo)向能力卻隨著場冷高度降低明顯增加,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)更高的橫向穩(wěn)定性。因此,在選擇合適的場冷高度方面,懸浮力、導(dǎo)向力具有一定矛盾性。此外,試驗(yàn)平臺不同的載荷變化過程也將影響磁懸浮系統(tǒng)的懸浮導(dǎo)向性能。在某一場冷條件(如場冷35mm)下,對試驗(yàn)平臺連續(xù)進(jìn)行三次100kg載荷的加載/卸載實(shí)驗(yàn),懸浮高度測試曲線如圖10所示?？梢钥闯?第一次加載/卸載過程的測試曲線存在很大的不可逆性,而在第二和第三次測試過程中這種不可逆性大大降低,即加載/卸載過程的測試曲線表現(xiàn)出很好的可重復(fù)性,這說明在第一次磁懸浮系統(tǒng)的承載變化后,超導(dǎo)體內(nèi)的磁通趨于穩(wěn)定,然后隨載荷變化的懸浮性能也將趨于穩(wěn)定。另一方面,在場冷高度35mm條件下,對試驗(yàn)平臺連續(xù)進(jìn)行3個不同載荷下的導(dǎo)向力測試,載荷順序?yàn)?0kg、100kg和0kg,測試曲線如圖11所示?？梢钥闯?隨著載荷增加(40kg→100kg),試驗(yàn)平臺的導(dǎo)向能力增加,但測試曲線表現(xiàn)出更大的磁滯效應(yīng);當(dāng)載荷由100kg下降為0kg時,導(dǎo)向能力并沒有明顯下降,其導(dǎo)向力和磁滯效應(yīng)反而優(yōu)于40kg載荷時的狀態(tài)。這一現(xiàn)象可以解釋為磁懸浮系統(tǒng)在加載下降過程中超導(dǎo)體俘獲更多磁通,這些俘獲磁通將進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的橫向穩(wěn)定性。在磁懸浮助推發(fā)射過程中,發(fā)射裝置受氣動升力和運(yùn)載器分離的影響,磁懸浮裝置的載荷將會大幅度下降。通過以上關(guān)于試驗(yàn)平臺在不同場冷高度和載荷過程的實(shí)驗(yàn)測試,可以得出降低場冷高度有利于提高磁懸浮裝置的橫向穩(wěn)定性,而載荷下降會提高磁懸浮裝置的懸浮高度,但不會降低其橫向穩(wěn)定性。5材料的材料與場冷高度對懸浮性能的影響設(shè)計(jì)了一種由高溫超導(dǎo)體和具有強(qiáng)磁場梯度永磁導(dǎo)軌組成的高溫超導(dǎo)體EDS系統(tǒng)。通過磁懸