小型高温超导直线同步电机样机的设计与测试.pdf

国内图书分类号 U 2 8 4 3 6 国际图书分类号 6 2 9 西南交通大学 研究生学位论文 密级 公开 年 姓 专 二零一一年六月 一苓一一 千 月 C l a s s i f i e dI n d e x U 2 8 4 3 6 U D C 6 2 9 So u t h w e s tJ i a o t o n g U n i v e r s i t y M a s t e rD e g r e eD i s s e r t a t i o n D e s i g na n dm e a s u r e m e n t o fas m a l ls c a l eh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n g l i n e a rs y n c h r o n o u s m o t o r p r o t o t y p e G r a d e 2 0 0 9 C a n d i d a t e S h i j u nZ h e n g A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r M a s t e ro fE n g i n e e r i n g S p e c i a l t y T r a f f i cT r a n s p o r tE n g i n e e r i n g S u p e r v i s o r A s s o c i a t eP r o f F e iY e n J u n 2 0 11 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用 影印 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密占 使用本授权书 请在以上方框内打 学位论文作者签名窀棚 日期 7 眚6 p 8 指导老师签名 晕碡研 日期 如l 免6q d 日 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 1 设计和搭建了直线电机测试平台 该平台专门用于小型高温超导直线同步电机样机 的实验测试 2 设计与绕制了六个超导线圈 所用材料为Y B C O 高温超导涂层带材 并测量了每 一个超导线圈的临界电流 电感 磁场 计算出线圈的刀值与场常数 3 设计与制作了小型高温超导直线同步电机样机 该样机的次级励磁绕组由一个或者 多个高温超导线圈串联组成 初级电枢的结构为铜线圈绕组 并对该样机进行了力 的性能的测试 包括 单个空心线圈 多个空心线圈 多个线圈添加铁磁材料 线 圈在不同气隙高度下与电枢相互作用产生的推进力与法向力的特性 通过实验提出 了样机的最优方案 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说明 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 靴做储群妒 嗍圳耳6 月加目 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 超导体的发现与直线电机的诞生已有一个世纪 超导直线电机也从2 0 世纪中期发 展至今 自从1 9 8 7 年Y B C O 高温超导材料发现后 超导技术的应用也越来越广泛 从 1 9 9 9 年开始 世界各国都已开始高温超导 H T S 直线电机的研制 至今 日本 德 国 美国 葡萄牙 韩国都已有高温超导直线电机的相关报道 本论文提出了一种新 型的高温超导直线电机设计 设计类型为同步直线电机 主要用于磁悬浮系统的推进 该样机使用的是Y B C O 涂层超导体 而不是其他小组使用的B S S C O 多晶复合材料 论文并对该设计进行了样机的制作与实验研究 该样机次级励磁绕组由一个或者多个高温超导线圈串联组成 并按磁极交替的方 式排列 初级电枢则为传统的铜线圈绕组 通入三相交流电后能在气隙中产生行波磁 场 这种结构避免了对超导线圈通入交流电 从而避免了由于交流电而产生的交流损 耗 为了对超导直线同步电机 S L S M 进行静态实验测试 首先设计并搭建了直线电 机测试平台 详细的内容可见第二章 该测试平台所研究的为次级励磁系统受到初级 电枢产生的行波磁场作用时产生的力 即对推进力与法向力进行测试与分析 同时对 影响到直线同步电机性能的其他重要参数也进行了实验与讨论 包括每个线圈的临界 电流 玎值 电感及场常数 除了对单个线圈进行上述的测试外 同样对磁极交替的方式排列的两个线圈及四 个线圈串联的情况进行了实验 研究了线圈加入铁磁材料 如硅钢芯 镝芯 与铁背 板时对直线同步电机推进力与法向力的提升效果 同样 在不同的气隙高度下也进行 了实验测试 通过对实验结果进行讨论和分析 比如通过比较电机在各个情况下所产生的推进 力与法向力的比值 可以对其结构进行优化从而提升电机的性能 并对今后大型超导 直线同步电机的开发提供建议 该论文工作对今后含高温超导部件的高推进力及高功 率密度的超导直线同步电机系统的开发提供了帮助 关键词 高温超导体 直线同步电机 测试平台 超导线圈 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I 页 A b s t r a c t A c e n t u r yh a sp a s s e ds i n c et h ed i s c o v e r yo fs u p e r c o n d u c t i v i t ya n dt h eb i r t ho ft h el i n e a r m o t o r 耐mt h es u p e r c o n d u c t i n gl i n e a rm o t o rh a v i n gb e e nd e v e l o p e ds t a r t i n gf r o mt h e m i d 一2 0 t nc e n t u r yt o n o w a d a y s A f t e rt h ed i s c o v e r y o ft h eY B C Oh i g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o ri n19 8 7 s u p e r c o n d u c t i n ga p p l i c a t i o n sh a v eb e e nr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d m o r ea n dm o r ee x t e n s i v e V a r i o u sc o u n t r i e sh a v es t u d i e da n dc o n s t r u c t e dh i g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i n g H T S l i n e a rm o t o r sb e g i n n i n gf r o m19 9 9w h i c hi n c l u d eJ a p a n G e r m a n y U n i t e dS t a t e s P o r t u g a l a n dK o r e a m sm a n u s c r i p ts t u d i e s t h ed e s i g n f a b r i c a t i o na n d e x p e r i m e n t a t i o no fan o v e lH T Sl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o rt a r g e t e dm a i n l yt o w a r d st h eu s e f o rm a g l e vl e v i t a t i o nd r i v es y s t e m sa n dm a k i n gu s eo fY B C Oc o a t e dc o n d u c t o rw i r ew h i c h d i s t i n g u i s h e so u rr e s u l t ss i n c eo t h e r sh a v eo n l yu s e dB S S C Om u l t i f i l a m e n t a r yc o m p o s i t e w i r e I nt h ee n d ap r o t o t y p eW a sf a b r i c a t e da n ds t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n da n a l y t i c a l l y c o m p a r e dt ot h e o r y n es t r u c t u r eo ft h ep r o t o t y p ec o n s i s t e do fo n eo r m u l t i p l eH T Sr a c e t r a c kc o i l s p o s i t i o n e da d j a c e n tt oe a c ho t h e rw i t ho p p o s i t es u b s e q u e n tm a g n e t i cp o l e sa st h ee x c i t a t i o n s y s t e m n l ea r m a t u r ew a sm a d eo fc o p p e rw i r ew i n d i n g st h a tg e n e r a t e dat r a v e l i n gw a v e m a g n e t i cf i e l dw h e na l t e r n a t i n gc u r r e n tW a Sc o n d u c t e d T l l i ss t r u c t u r ew a sc h o s e nt oa v o i d u s eo f a l t e r n a t i n gc u r r e n ti nt h es u p e r c o n d u c t i n gc o i l st oa v o i dp a r a s i t i cA Cl o s s e s At e s t i n gp l a t f o r mf o rs u p e r c o n d u c t i n gl i n e a r s y n c h r o n o u sm o t o r s S L S M W a s d e s i g n e da n dc o n s t r u c t e di no r d e rt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eL S Mp r o t o t y p ei nt h es t a t i c m o d ed e t a i l e di nc h a p t e r2 1 1 1 et e s t i n gp l a t f o r ma l l o w e df o rt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ef o r c e s e x p e r i e n c e db yt h ee x c i t a t i o ns y s t e mo ft h eL S M w h e ns u b j e c tt oac h a n g i n gm a g n e t i cf i e l d g e n e r a t e db yt h es t a t o r T h ef o r w a r da n dn o r m a lf o r c e sw e r em e a s u r e da n da n a l y z e d O t h e r i m p o r t a n tp a r a m e t e r st h a ta f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eL S Mw e r ea l s oe x p e r i m e n t a l l y m e a s u r e da n dd i s c u s s e di nt h et h e s i si n c l u d i n g t h ec r i t i c a lc u r r e n t n v a l u e i n d u c t i o n a n d f i e l dc o n s t a n to fa l lo ft h es u p e r c o n d u c t i n gc o i l s A p a r tf r o mt e s t i n ga l lo ft h ea b o v e m e n t i o n e dp a r a m e t e r sf o ri n d i v i d u a ls u p e r c o n d u c t i n g c o i l s t h es a m ee x p e r i m e n t sw e r ea l s op e r f o r m e do na na r r a yo ft w oa n df o u rc o i l sc o n n e c t e d i ns e r i e s 析n 1o p p o s i t ea d j a c e n tp o l a r i t y F e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l sw e r ea l s oa d d e dt ot h e c o i l ss u c ha ss i l i c o ns t e e lc o r e s d y s p r o s i u mc o r e sa n di r o nb a c kp l a t e st os t u d yt h e i re f f e c t s o nt h ee n h a n c e m e n to ft h r u s ta n dn o r m a lf o r c e so ft h eL S M 1 1 1 es a m ee x p e r i m e n t a l p r o c e d u r e sw e r ea l s oc o n d u c t e d o nt h es y s t e ma td i f f e r e n tm a g n e t i cg a p s n l er e s u l t so fa l lt h eo b t a i n e de x p e r i m e n t sa r ed i s c u s s e da n da n a l y z e ds u c ha s c o m p a r i s o no f 也et h r u s tt on o r m a lf o r c er a t i o sf o re a c hc a s e s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nf o r i n c r e a s e dp e r f o r m a n c ea n ds u g g e s t i o n st o w a r dt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fl a r g e rs c a l e S L S Ms y s t e m s T h ew o r kw i t h i ni Sac o n t r i b u t i o nt o w a r d 也ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fh i g h e r t h r u s td e n s i t ya n dp o w e rd e n s i t yS L S Ms y s t e m sw i t ht h eu s eo fH T S c o m p o n e n t s K e y w o r d s H T S l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r t e s tp l a t f o r m s u p e r c o n d u c t i n gc o i l s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I I 页 目录 第1 章绪论 1 1 1 引言 1 1 2 高温超导体与直线同步电机 1 1 2 1 高温超导体 1 1 2 2 直线同步电机 2 1 3 高温超导直线电机研究现状 3 1 4 本论文研究的目的 内容及方法 6 第2 章直线电机测试平台 7 2 1 直线电机测试平台的机械结构 7 2 1 1 支架 7 2 1 2 支撑板 9 2 1 3 导轨与滑块 9 2 2 直线电机测试平台的其他硬件与软件 1 0 2 2 1 力传感器 1 0 2 2 2 信号放大器 一1O 2 2 3 数字万用表 一10 2 2 4 直流电源 1 1 2 2 5 变频器与高斯计 11 2 2 6L a b V 正W 软件 1 1 2 3 直线电机测试平台的安装与实验过程 1 2 2 3 1 平台的安装 1 2 2 3 2 测试平台的实验测试过程 一1 4 2 4 小结 15 第3 章高温超导线圈的结构及性能 1 6 3 1 第二代Y B C O 高温超导带材 1 6 3 2 高温超导线圈的结构 1 7 3 3 高温超导线圈的性能 1 8 3 3 1 临界电流 1 8 3 3 2 刀值 2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第 页 3 3 3 电感 2 0 3 3 4 线圈中心的磁感应强度及场常数 2 1 3 4 小结 2 2 第4 章样机的结构及性能研究 2 3 4 1 引言 2 3 4 2 样机的结构及测试方法 2 3 4 3 空心线圈的测试 2 6 4 3 1 单个线圈的情况 2 6 4 3 2 多个线圈串联的情况 2 7 4 4 引入铁磁材料的影响 2 8 4 4 1 镝芯与铁芯的比较 2 9 4 4 2 添加硅钢芯与铁背板的影响 3 1 4 5 气隙高度的影响 3 4 4 6d 结 3 6 结论 3 8 致谢 4 0 参考文献 4 1 攻读硕士期间研究成果 一4 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 超导现象的发现至今已经有1 0 0 年 l J 随着科学技术的发展以及新型超导材料的产 生 超导体的应用也越来越广泛 涉及到交通运输 能源 信息 生物医学 高能物 理等方面 1 9 8 6 年发现了高温超导体后 大大降低了对低温条件的要求以及成本 超 导体也展现了新的应用前景 2 0 世纪中期 超导体己经应用在了电机中 直线电机是 从传统旋转电机中而来的一种新型电机 已经发展了1 7 0 年的历史 在2 0 世纪7 0 年 代进入了实用商品阶段 随着新型磁性材料以及冷却技术的出现 这为直线电机向更 高动力与更经济使用的方向发展创造了条件 因此 将高温超导体应用在直线电机上 也成为了一门新的研究方向 1 2 高温超导体与直线同步电机 1 2 1 高温超导体 1 9 1 1 年 荷兰科学家卡末林 昂内斯 K a m e r l i n g h O n n e s 在成功将氦气液化后 用液氦将汞冷却至温度下降到4 1 5K 时 汞的电阻陡降为零 这种现象称为超导电性 具有这种性质的材料称为超导体 在外磁场为零的条件下 超导体由正常态过渡到超 导态的那个转变温度叫做这个超导体的临界温度 用瓦来表示 1 9 3 3 年 迈斯纳 M e i s s n e r 和奥克森菲尔德 O c h s e n f e l d 两位科学家发现 如 果把超导体放在磁场中冷却 当材料进入超导态时 磁感应线将从超导体中排出 超 导体内磁场强度总是等于零 这种现象称为超导体的抗磁性 或称为迈斯纳效应 超 导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性 根据临界温度的不同 超导体又可分为低温超导体和高温超导体 高温超导体是 指临界温度在3 0K 以上的超导材料 从1 9 1 1 年发现超导体后 科学家们一直在寻求 高温超导材料 直到1 9 7 3 年才发现了临界温度为2 3 2K 的超导合金材料 锟锗合金 1 9 8 6 年 柏诺兹和缪勒发现了一种氧化物 镧一钡一铜一氧 1 2 临界温度为3 5K 的 高温超导体 打破了传统 氧化物陶瓷是绝缘体 的观念 引起科学界的轰动 此后 科学家们争分夺秒地攻关 几乎每隔几天 就有新的研究成果出现 1 9 8 6 年底 美国 贝尔实验室邝细成研究的氧化物超导材料 其临界超导温度达到4 0K 液氢的 温度 壁垒 4 0K 被跨越 1 9 8 7 年2 月 美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继 在钇一钡一铜一氧系材料上把临界超导温度提高到9 0K 以上p 儿引 液氮的禁区 7 7K 也奇迹般地被突破了 1 9 8 7 年底 铊一钡一钙一铜一氧系材料又把临界超导温度的记 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 录提高到1 2 5K 从1 9 8 6 1 9 8 7 年的短短一年多的时间里 临界超导温度竟然提高了 1 0 0K 以上 这在材料发展史 乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹12 0 0 1 年日本又 发现了新型超导体二硼化镁 3 9K 5 由于它的特殊性能 引起了世界的广泛关注 高温超导体包括四大类 9 2K 的钇系1 6 1 1 1 0K 的铋系 7 J 1 2 5K 的铊系M J 和1 3 5 K 的汞系1 9 它们都含有铜和氧 因此也统称为铜氧基超导体 它们具有类似的层状结 晶结构 铜氧层是超导层 高温超导体己经取得了实际应用 开始为人类造福 例如 钇钡铜氧超导体和铋系超导体已制成了高质量的超导电缆 而铊钡钙铜氧超导薄膜制 成的装置 早在上世纪末就安装在移动电话的发射塔中 增加容量 减少断线和干扰 1 2 2 直线同步电机 直线电机是2 0 世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理 新理论的新技术 早在 1 8 4 0 年 惠斯登 W h e a t s t o n e 就提出和试制了直线电机 直线电机开始进入探索和 部分实验应用阶段 由于直线电机的成本和效率方面都比不上旋转电机 以及直线电 机在设计方面也没有突破性的成功 所以在这一时期直线电机未能得到真正的应用 1 9 5 5 年以后 随着控制技术与材料的发展 直线电机也进入了全面的开发阶段 应用 直线电机的实用设备被逐步开发出来 1 9 7 1 年后 直线电机进入了独立的应用阶段 直线电机被制成了许多具有实用价值的装置和产品 在旋转电机无能为力的地方 例 如应用于磁悬浮列车 液态金属的输送和搅拌 电子缝纫机和磁头定位装置 直线电 机冲压机等 直线电机显示出了自己独特的优势 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能 而不需任何中间转换机构的 传动装置 它的结构可看作是将一台旋转电机沿径向剖开 然后将电机的圆周展成直 线 如图1 1 所示 由定子演变而来的一侧成为初级 由转子演变而来的一侧成为次 级 图1 1 旋转电机演变成直线电机的关系图 直线电机的基本工作原理如图1 2 所示 在直线电机的初级三相绕组中通入三相 对称的正弦电流后 会产生气隙磁场 这个磁场是平移的 因此称为行波磁场 其速 度为O x 次级与行波磁场的作用下产生电磁推力 10 1 如果初级固定 则次级在推力作 用下做直线运动 速度为D 反之 则初级做直线运动 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 2 直线电机的工作原理图 其中1 为初级 2 为次级 3 为行波磁场 直线同步电机是直线电机的一种 直线同步电机的初级通常由一组多相线圈绕组 构成 该绕组相邻线圈的磁极极性相反 产生气隙中的行波磁场 又称为电枢 次级 为直流励磁系统 该励磁系统可由铜线圈绕组 永磁体或超导线圈绕组组成 如图1 3 所示 次级励磁系统的线圈极距与初级电枢线圈的极距相等 次级产生的静态磁场会 与行波磁场产生磁拉力 使次级随着行波磁场的速度进行同步运动 直线同步电机主 要用于高速地面运输的推进装置以及用于提升装置的动力 比如磁悬浮列车以及电磁 发射等 图1 3 直线同步电机的结构 1 3 高温超导直线电机研究现状 超导电机最早出现于1 9 6 5 年 至今低温超导直线电机已经取得了很大的进展 日 本首先将低温超导直线同步电机应用于推进磁悬浮列车 创下了5 3 1k m h 的运行速度 1 9 9 9 年日本早稻田大学将高温超导技术应用在了直线电机上 设计出了一种短次级的 单边型高温超导直线传动装置 使用Y B C O 高温超导块材进行推进与悬浮 该传动装 置次级由 块Y B C O 块材构成 初级为含铁心的铜线圈绕组 用于推进的一块零场冷 状态下的Y B C O 块材置于驱动装置的中心 四块Y B C O 块材放置在次级的四角 用于 悬浮与导向 其轨道为极性相同 横向极性交替的永磁体 如图1 4 所示 并对该装置 进行了仿真与启动推进力的测试 l 2 0 0 2 年又设计了一种双边型直线传动装置 该装 置由两组铜线圈绕组构成双边的电枢 分别放置在次级的两侧 次级用零场冷状态下 的Y B C O 块材做为推进 没有悬浮与导向装置u 2 J 随后在该双边传动装置上进行了场 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 冷状态下的Y B C O 块材做为推进的实验 并在不同的场冷电流与通入电枢的电流下测 试了该装置产生的同步推进力与负载角之间的关系 1 3 以及次级Y B C O 块材的尺寸形 状与间隔所带来的影响 1 4 1 图1 4 日本早稻田大学研制的单边高温超导直线传动装置 2 0 0 2 年日本九州大学提出了一种用于无绳直线电梯推进的高温超导双边直线同步 电机 l8 1 该设计中初级电枢与次级均为双边型 次级使用高温超导块材 不需要其 他悬浮与导向控制装置 如图1 5 所示 该设计并未研制出样机 但进行了大量的有 限元仿真与分析 仿真得出了该装置在零速度能够产生推进 悬浮与导向力 可以通 过很简单的装置对电机的推进进行控制 2 0 0 5 年对该直线同步电机进行了优化设计 提出了两种高温超导直线磁阻电机的模型 1 9 该直线电机由零场冷状态下的高温超导 块材与双边电枢产生的电磁阻力进行推进 通过高温超导块材的叫特性用有限元方 法计算了推进力的大小 并通过仿真分析及优化提出了效率最优模型与推力最大模型 2 0 0 2 年韩国首尔大学提出了一种初级使用高温超导材料的直线同步电机瞄u J 该装 置的初级为6 个跑道型双饼线圈 使用B i 2 2 2 3 高温超导带材绕制 每个线圈4 0 匝 次级为4 块永磁体 极距4 5n l l i l 初级超导线圈通过G M 制冷机将工作温度降至3 3K 使用有限元方法计算了该直线电机所产生的最大静态推进力以及其他的参数 并通过 实验得到在工作电流为1 5 0 A 气隙高度1 2m i l l 时的最大静态推进力为5 0 0 N 还分析 比较了该直线电机与传统电机在相同输入功率下不同速度时的推进力情况 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 5 日本九州大学提出的用于无绳直线电梯推进的高温超导双边直线同步电机概念图 2 0 0 4 年美国G S t u m b e r g c r 等人设计了一种用于电磁飞机发射系统的高温超导直线 同步电机 2 1 其次级为Y B C O 高温超导块材 在4 0 K 下能最大产生2T 的磁通密度 整个直线电机系统由四个独立的直线电机组成 任意三个能产生2M N 的推力 用于 防止其中一个电机出现故障 每个直线电机的次级有8 层 每层有1 2 块高温超导块材 并以相邻块材极性相反的方式放置 每层上下的块材极性相同 初级三相绕组置于次 级的两边 其详细结构如图1 6 所示 同样对用于电磁飞机发射系统设计了直线感应 电机与直线永磁同步电机 并对这三种电机进行了比较 发现要使高温超导块材在温 度低于4 0K 的情况下 即要使高温超导块材产生大于2T 的磁通密度 高温超导直线 同步电机的性能才比其他直线电机好 2 0 0 4 年德国B O s w a J d 提出了一种概念上的圆筒形高温超导直线同步电机田J 在 次之前该小组已经做过很多高温超导旋转电机的工作 2 3 2 5 J 该电机的定子为使用高温 超导Y B C O 或B S S C O 带材绕制的双饼线圈 工作温度为7 7 K 或6 5 K 动子为N d F e B 永磁体 并通过有限元方法计算出其推进力为1 0 0 0 0 N 与常规铜线圈电机比较 同样 大小尺寸下 超导电机的力密度能达到传统电机的2 至3 倍 后又使用D y B C O 高温超 导带材绕制的双饼线圈做为定子进行了测试1 2 6 J 以及B S S C O 双饼线圈在大型直线同步 电机中的性胄皂 川J 2 0 0 6 年葡萄牙的J P i n a 等人提出了一种概念上的新型高温超导直线同步电机 2 8 3 0 该电机的初级与次级都使用了超导体 初级电枢使用B S S C O 带材绕制的线圈 次级为两块Y B C O 块材组成 研究了初级线圈不同结构的性能以及次级块材的磁场分 布等 并已搭建了实验测试平台 正在对该直线电机样机进行实验中 2 0 0 9 年本小组的晏飞翔和李婧对高温超导直线同步电机开展了研究 次级使用1 0 0 匝Y B C O 涂层带材绕制的单饼跑道型线圈 初级为传统铜线圈电枢 经过初步的实验 单个线圈达到了4 6 1N 的推进力m J 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 6 一种用于飞机电磁发射系统的高温超导直线同步电机结构图 1 4 本论文研究的目的 内容及方法 本论文主要设计与制作了一种小型高温超导直线同步电机的样机 并对该样机进 行了实验与测试 该样机的初级由三相铜线圈绕组构成 次级由高温超导带材绕制的 线圈构成 首先对单个超导线圈的性能参数进行了测试与实验研究 包括线圈的临界 电流 拧值 f i e l dc o n s t a n t 以及电感与磁场分布的实验与分析 然后对单个线圈做为次 级产生的推进力和法向力进行测试和分析 并改变线圈的结构对线圈进行优化 使之 能产生更大的推进力 随后进行两个超导线圈串联及四个超导线圈的实验与研究 对 其不同结构在不同的条件下所产生的推进力与法向力进行分析 最后提出一种最优化 的设计 并制作成一台实验样机 本论文的实验研究内容为 实验平台的搭建以及实验的方法原理 超导线圈的性能分析 次级超导励磁系统不同结构对所产生的推进力与法向力的影响 次级超导励磁系统在不同条件下对所产生的推进力与法向力的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章直线电机测试平台 本章介绍了该论文实验的测试平台 专门为小型高温超导直线同步电机样机的实 验而设计搭建的一个平台 主要内容包括该测试平台每个部件的结构和作用 以及该 平台的安装与使用说明 最后介绍了实验所要用到的仪器和设备 2 1 直线电机测试平台的机械结构 该平台机械结构由支架 支撑板及导轨滑块组成 2 1 1 支架 支架是整个测试平台的框架 用于保持整个平台的平衡和稳定 支架由两块5 0 0 幸 5 0 0 3 0 0m m 的铝板和四根高5 5 0m i 1 直径3 0m m 的不锈钢螺杆构成 铝板分为上 下两块 分别置于项部和底部 顶部铝板如图2 1 所示 上面的螺孔可用螺钉与导轨 滑块和支撑板固定 所有的部件都安装在项部铝板上 底部铝板如图2 2 所示 置于 最下面 用于稳定整个测试平台 5 0 0 m m JL 一0 3 0 o o O O oo oo o o n o oO oO o 1r n 图2 1 顶部铝板的结构尺寸图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 5 0 0 m m JI 一0 3 0 o o n 1 r 量 n 图2 2 底部铝板的结构尺寸图 四根不锈钢螺杆作为支架的支撑柱 固定在地上 将两块铝板支撑起来 每块铝 板的四角都有一个直径3 0i l l m 的孔 可将四根不锈钢螺杆放入 并在上下用螺母将螺 杆与铝板固定 这样就构成了整个支架 如图2 3 所示 支架的中间是实验区 初级 电枢置于底部铝板上方 次级励磁绕组与顶部铝板固定 励磁绕组与电枢的气隙可以 通过项部铝板进行调节 图2 3 支架的构成图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 2 支撑板 支撑板上面通过导轨和滑块与顶部铝板固定 可与滑块一起运动 实验中次级励 磁绕组安装在支撑板下 所产生的力将通过支撑板传导至传感器 支撑板的材料为玻 纤环氧树脂 尺寸大小为4 5 0 1 13 6 0 幸1 0m m 中间有一个直径为2 6 0m m 的圆形通孔 如图2 4 所示 中间的圆形通孔可以减少板的重量 减少滑块与导轨之间的摩擦 2 1 3 导轨与滑块 3 6 0 m m JI o oooo 弋 o n l 0 2 6 0 甘 000 0 0 1r 1 一 耋 一 图2 4 支撑板的尺寸图 导轨与滑块用于传导次级励磁绕组产生的推进力至力传感器 滑块可以在导轨上 做很小摩擦的滑动 滑块的下部与支撑板固定 支撑板与次级励磁绕组固定 使励磁 绕组 支撑板 滑块 力传感器之间形成刚性连接 从而使励磁绕组所产生的 力能很好的传导至力传感器中 导轨长4 0 0I I 吼 直径1 6m n 材料为不锈钢 导轨有两根 分别置于两侧 每根 导轨的两端有两个支撑单元 与项部铝板固定 导轨通过该单元固定在项部铝板的下 方 滑块安置在导轨上 下部与支撑板固定 导轨的两边端口处用螺母封住 使滑块 只能在一定的范围内滑动 如图2 5 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 5 导轨与滑块的位置图 2 2 直线电机测试平台的其他硬件与软件 2 2 1 力传感器 测试平台有四个量程为1 0 0k g 的S 型拉压力传感器 两个用于测试推进力 另外 两个用于测试垂直的法向力 压力传感器是利用压电效应制造而成的 是一种静电容量型压电传感器 工作原 理是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容 当有外力作用在上面时 可动极 发生变形而使静电容量变化 然后转换成电压信号输出 传感器总共有五根线 两根 线为电源线 用于给传感器提供电源 另外两根线为信号输出线 用于输出传感器内 所产生的电压信号 最后一根线为地线 用于屏蔽噪声 2 2 2 信号放大器 信号放大器用于将力传感器输出的电压信号放大 然后将放大后的信号输入至数 字万用表中 本实验中所用的信号放大器型号为A M P V 1 A Q 具有高的线性度 稳定 性 低噪声和高共模抑制比 能将低阻抗传感器输出的直流或低频的毫伏级信号放大 至伏级 2 2 3 数字万用表 本论文实验中所用到的数字万用表有A g i l e n t3 4 4 2 0 A A g i l e n t3 4 4 0 1 A 和A g i l e m U 3 6 0 6 A A g i l e n t3 4 4 2 0 A 为纳伏 微欧表 分辨率为7 5 位 即能测到纳伏级电压值 灵敏度 为1 0 0p W l 0 0I 疵 噪声性能1 3n V r m s 8n V p p 具有高灵敏度低噪声的性能 并有2 个通道低噪声扫描器 可测量电压 电阻和温度 该数字万用表有众多的测量能力 标准特性包括R S 2 3 2 和G P I B 接口 S C P I 和K e i t h l e y1 8 1 编程语言 1 0 2 4 读数存储器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 标度和统计 以及图形记录仪模拟输出 可以很方便的通过电脑获取该数字万用表的 数据及控制 在本论文实验中主要用于测量高温超导线圈的临界电流和电感 A g i l e n t3 4 4 0 1 A 多用表分辨率为6 5 位 基本直流电压精度为0 0 0 1 5 2 4 小时 基本交流电压精度为0 0 5 1 年 能直接接至G P I B 数据读取速度为1 0 0 0 秒 能 够很精确快速得到测量结果 在本实验中主要用于读取力传感器的数据 A g i l e mU 3 6 0 6 A 为数字万用表 直流电源 具有数字万用表和提供直流电源的两重 功能 数字万用变分辨率为5 5 位 数据读取速度为3 7 秒 以及最高0 0 0 2 5 的直流 电压准确度 3 0W 直流电源提供3 0V 1A 和8V 3A 两组输出范围 负载稳压率为0 0 1 3m V 有电压过载和电流过大保护功能 在本论文实验中用于为信号放大器与传感 器提供直流电源 2 2 4 直流电源 直流电源用于给高温超导励磁绕组提供稳定的直流电 在本论文实验中所用到的 直流电源有A g i l e n t6 6 8 0 A 和L a k e s h o r e 6 4 7 A g i l e m6 6 8 0 A 为5 0 0 0W 的直流电源 电压范围0 5V 电流范围0 8 7 5A 电 压精度0 0 4 5m V 电流精度0 1 4 5 0m A 同样具有电压过载和电流过大保护功 能 最大5V 的电压能够很好的保护超导线圈 当超导线圈失超时由于电压的限制而 会使通入的电流迅速下降至安全值 8 7 5A 的最大电流可以很好的满足超导线圈需要通 入较高电流的条件 该电源也可以连接G P I B 接口 可以通过电脑控制电压与电流的输 入 L a k e s h o r e6 4 7 原本为充磁机上的直流电源 但由于其具有独特的功能 可用以测 量电感和磁导率实验中的超导线圈或材料提供电源 该直流电源为2 0 0 0W 电压范围 0 至 3 2V 电流范围0 至 7 2A 该电源能够提供一个恒定的电流变化值 范围从 0 0 1 至9 9 9 9A s 2 2 5 变频器与高斯计 本论文实验所用的变频器为普传P 1 7 1 0 0 用于为初级电枢提供不同频率的三相对 称的交流电 功率范围0 4 3 0 k W 通过该变频器通入初级电枢的交流电k 是影响 直线电机样机推进力与法向力以及实验所研究的重要参数 高斯计用于测量超导线圈的磁场 型号为L a k e s h o r e4 6 0 该高斯计能同时进行x 轴 Y 轴和z 轴三个方向磁场的测试与显示 并能显示矢量场强的数值 量程范围为 0 0 0 1m G 3 0 0 0 0 0k G 通过低温霍尔探头能够测量低至4K 下磁体的磁场 2 2 6L a b V I E W 软件 L a b V I E W L a b o r a t o r yV i r t u a li n s t r u m e n tE n g i n e e r i n gW o r k b e n c h 是一种图形化的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 编程语言的开发环境 由美国国家仪器 N I 公司研制开发的 它广泛地被工业界 学术界和研究实验室所接受 视为一个标准的数据采集和仪器控制软件 L a b V I E W 集 成了与满足G P I B V X I R S 2 3 2 和R S 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能 它还内置了便于应用T C P I P A c t i v e X 等软件标准的库函数 这是一个功能强大且灵 活的软件 利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器 其图形化的界面使得编程及使用 过程都生动有趣 图形化的程序语言 又称为 G 语言 使用这种语言编程时 基本上不写程序代 码 取而代之的是流程图或框图 它尽可能利用了技术人员 科学家 工程师所熟悉 的术语 图标和概念 因此 L a b V I E W 是一个面向最终用户的工具 它可以增强构建 自己的科学和工程系统的能力 提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径 使 用它进行原理研究 设计 测试并实现仪器系统时 可以大大提高工作效率 在本论文实验中 L a b V I E W 是实验数据采集的终端 所有的实验仪器测量到的数 据都通过G P I B 接口传输至电脑的L a b V I E W 中 L a b V I E W 亦可通过软件控制与其相 连的实验仪器 使整个实验更加精确与简便 2 3 直线电机测试平台的安装与实验过程 2 3 1 平台的安装 首先把外层的支架安装好 按照设计图将两块铝板用螺栓固定在四根支撑柱上 底板固定在地上 保证整个支架的稳定 把支撑单元与滑块安装在导轨上 支撑单元置于滑块的内侧 然后将四个支撑单 元与项部的铝板固定好 并将滑块与支撑板固定 使支撑板能随着滑块一起来回运动 安装过程中要保持顶部铝板 导轨与支撑板平行 这样才能使支撑板的力完全传导至 滑块 最后在每根导轨的两边用螺母固定好 使滑块运动时不会脱离出导轨 垂直方向的两个法向力传感器安装在支撑板的下方 在实验过程中与实验用的夹 具直接相连 对实验中的法向力进行测量 推进力方向的力传感器需要两个支撑单元 将其紧密夹在中间 使两个支撑单元的力能完全传导至力传感器中 两个支撑单元分 别与项部铝板和支撑板固定 使力传感器与支撑板 项部铝板成为一体 推进力方向 的力传感器沿着导轨方向安装在支撑板的两端 安装好后 支撑板就已经被固定住 当支撑板下面的夹具受到次级超导励磁绕组所产生的推进力时 使滑块与支撑板产生 轻微的位移 将受到的力作用在侧面的推进力传感器上 从而得到推进力方向力的数 据 安装好的测试平台如图2 6 和2 7 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 7 直线电机测试平台的实物图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 2 测试平台的实验测试过程 首先是直线电机测试平台其他硬件的连接 力传感器安装好后 将其引出的五根 线连接至信号放大器信号输入的一端 力传感器的五根线分别为 激励线为 红线 黑线 信号线为 绿线 白线 屏蔽线为粗黑色的线 信号放大器的传感器接线端为 五芯接口 1 号接口为电源 2 号接口为信号 3 号接口为信号 4 号接口为电源 5 号接口为屏蔽 两个法向力传感器受到的力都是同向的力 所以接线方法为传感器红 线接放大器1 号接口 绿线接2 号接口 白线接3 号接口 黑线接4 号接口 粗黑线 接5 号接口 两个推进力传感器同一时间受到的力为相反的力 即当支撑板的力方向 为左时 左边推进力传感器受到的力为压力 而右边的受到为拉力 所以当推进力传 感器接线时 其中一个接线方法跟法向力传感器一样 另一个的接线方法为 红线接1 号接口 白线接2