[发明专利]低温超导球转子驱动装置及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及超导转子旋转的驱动装置及其驱动方法，特别涉及一种低温超导球形转子旋转的驱动结构及方法。

背景技术

低温超导转子悬浮和旋转驱动原理都是基于超导体的迈斯纳效应。迈斯纳效应可以理解为处于超导态的超导体的电阻和磁导率均为零，可把它看成为理想的反磁体，外磁场磁力线无法穿入到超导体的内部。外磁场的磁力线平行于超导体表面，在超导体表面感生出的超导电流产生的磁场方向恰好与外磁场方向相反，两个磁场相互作用产生磁作用力表现为非接触式的机械力的形式使超导转子悬浮和旋转起来。迈斯纳效应的特点是设计超导转子旋转方法和仪器装置的理论基础和出发点。对于超导体表面磁压力的大小和方向，有以下两个结论：第一，磁场中的超导体表面受到的磁压力的方向垂直于超导体表面向里。第二，单位面积上磁压力的大小与超导体表面的磁感应强度的平方成正比，即f＝B²/2μ₀。另外，转子旋转加速度与转子受到的转动合力矩和转子的转动惯量有关，即a＝M/J。

超导材料和低温技术的不断发展，对新型精密仪器装置设备的研制起着巨大的推动作用。超导体独特的物理特性能有着其它材料不可比拟的应用优势，尤其是超导磁悬浮技术越来越受到广泛关注。超导转子的旋转要有超导转子的稳定悬浮作为前提条件，超导磁悬浮技术有很多优点：首先整个悬浮系统工作在低温环境下，材料的化学活动性、膨胀系数等都大大降低；其次超导体的零电阻和迈斯纳效应使其能量损耗几乎为零。此外超导磁悬浮具有自适应稳定性，转子可承受较高的过载能力。把超导电性和经典力学理论相结合可得到稳定的超导磁悬浮，同时这种非接触式的悬浮可以在无能量损失的情况下稳定运行。超导磁悬浮技术的这些特点为发展高精度器件和仪器装置奠定了基础。

国内文献【光纤传感测量系统在超导球形转子中的应用，胡新宁等，光学精密工程，2008，16(11)：2092-2097】中设计用于驱动的电机控制信号图形为八个，驱动时A、B两相电机间隔性交替通电驱动转子旋转，不是两相电机绕组交替连续通电，驱动作用时间少，效率低、因此以上所述的驱动方法不能满足简便、稳定、加速效率高的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，实现球形转子的稳定快速加速旋转。本发明提出一种超导球形转子驱动方法。该驱动方法能够满足超导球形转子驱动简便、稳定、加速效率高的要求。

本发明的球形转子由超导金属材料制作，并有圆柱形内孔，孔内装入带有超导线圈的中心柱作为电机的定子。球形转子内孔壁中部一周带有等间隔的4个环形窗口，用来做电机电磁推力的作用面。球形转子套在中心柱上，中心柱内电机的定子上有八组线圈，其中四组串联在一起作为A相，另外四组串联在一起作为B相。

本发明低温超导球形转子驱动装置还包括一个起始位置信号图形和四个电机控制信号图形，每个图形均为梯形；起始位置信号图形是在超导球形转子顶部平面上的梯形漫反射图形，其梯形两腰延长线交角成45°；四个电机控制信号图形是在超导球形转子顶部平面上的梯形漫反射图形，其梯形两腰延长线交角成45°，四个电机控制信号图形在一周内等间隔分布。起始位置信号图形与其相邻的电机控制信号图形相位相差22.5度。

本发明采用非接触式方法驱动超导球形转子高速旋转。利用起始位置传感器探测起始位置图形后输出的波形与电机控制传感器输出的波形比较，判别转子的旋转方向。利用安装在球形转子顶部上方的电机控制传感器检测球形转子旋转时的窗口位置信息，通过电机控制传感器的逻辑处理电路将信号处理变换得到控制转子加速的时序信号，该时序信号通过信号线传给直流脉冲电源进行功率放大，直流脉冲电源输出脉冲电流供给电机两相绕组。电机两相绕组产生的磁场在球形转子的窗口侧壁面上形成电磁转动力矩推动转子旋转。