[发明专利]超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置

权利要求书

1.一种超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其特征在于所述的装置包括制冷机（1）、低温容器（4）、冷屏（5）、液氦容器（6）、安装盖（7）、转子腔（8）、支承模块（9），以及超导转子（10）；制冷机（1）安装在低温容器（4）的上端，制冷机（1）的一级冷头（2）位于低温容器（4）内部；冷屏（5）位于低温容器（4）内部，为卷筒形状，通过拉杆固定在低温容器（4）的上端盖下面，冷屏（5）的上端面与制冷机（1）的一级冷头的下端面通过螺栓固定在一起；液氦容器（6）位于冷屏内部，由拉杆固定在冷屏（5）的上端面下部；制冷机（1）的二级冷头（3）位于冷屏内部，并通过螺栓固定在液氦容器（6）的上端面；安装盖（7）为定位安装板，位于液氦容器（6）内部，通过螺栓紧固在液氦容器（6）的上端盖下面；转子腔（8）位于液氦容器（6）内部，为球腔结构，在以转子腔（8）中心为原点的直角坐标轴上对称分布有六个圆形豁口；支承模块（9）共有六个，结构相同，通过螺栓分别安装在转子腔（8）的六个圆形豁口上，六个支承模块（9）对称分布在以转子腔（8）中心为原点的正交坐标系的坐标轴上，为超导转子（10）提供竖直方向和水平方向上的支承力；位于竖直方向上部的支承模块（9）通过螺栓与安装盖（7）的下端面固定在一起；超导转子（10）位于转子腔（8）内；支承模块（9）和转子腔（8）所构成的球形腔体空间为超导转子（10）的活动空间；超导转子（10）为低温超导材料制作的表面闭合的空心球体，其内壁赤道位置附近加厚，用以增加旋转轴的转动惯量。

2.按照权利要求1所述的超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其特征在于所述的支承模块（9）包括内超导环（13）、外超导环（15）、超导整形块（12）、超导线圈（11）、支承电极（14）和黄铜基座（16）；所述的内超导环（13）和外超导环（15）均为无缝圆柱状；所述的超导整形块（12）位于内超导环（13）和外超导环（15）之间，为环状，与内超导环（13）和外超导环（15）同轴布置，超导整形块（12）在轴向方向上加工有一道裂纹；所述的超导线圈（11）为螺管线圈，与超导整形块（12）同轴布置，位于超导整形块（12）的下面，在内超导环（13）和外超导环（15）之间；超导线圈（11）励磁后所产生的磁场经超导整形块（12）和内超导环（13）之间的间隙进入超导整形块（12）和超导转子（10）之间的支承间隙，然后从超导整形块（12）和外超导环（15）之间的间隙经超导线圈（11）的下方返回至超导整形块（12）和内超导环（13）之间的间隙，形成闭合磁路；支承电极（14）为凹圆面结构，与内超导环（13）同轴，由内超导环（13）包围；内超导环（13）、外超导环（15）、超导整形块（12）、超导线圈（11）和支承电极（14）均安装在圆柱形的黄铜基座（16）上；支承电极（14）与黄铜基座（16）之间做电气绝缘处理；液氦容器（6）内充满液氦，超导转子（10）、内超导环（13）、外超导环（15）、超导整形块（12）和超导线圈（11）均置于液氦容器（6）内，处在超导态。

3.按照权利要求1或2所述的超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其特征在于所述的超导转子（10）、内超导环（13）、外超导环（15）和超导整形块（12）由同一种低温超导材料制作。

4.按照权利要求3所述的超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其特征在于所述的超导转子（10）、超导整形块（12）、内超导环（13）和外超导环（15）均由铌制作。

5.按照权利要求1或2所述的超导磁浮和静电悬浮的混合悬浮支承装置，其特征在于所述的超导转子（10）沿Z坐标轴反方向移动δ时，超导转子（10）受到的沿Z坐标轴正方向总的悬浮力为FZ=FmZ(δ,I0)+FeZ(δ,ΔU);]]>

为超导转子（10）受到的指向Z坐标轴正方向的磁悬浮力，

FmZ(δ,I0)=FZ+(d0-δ,I0)-FZ-(d0+δ,I0),]]>

式中：F^Z+(d₀-δ,I₀)为超导转子（10）受到Z坐标轴方向下部超导线圈（24）的指向Z坐标轴正方向的磁斥力，F^Z-(d₀+δ,I₀)为超导转子10受到Z坐标轴方向上部超导线圈（19）的指向Z坐标轴反方向的磁斥力，I₀为Z坐标轴方向上部超导线圈（19）和下部超导线圈（24）串联后通的励磁电流，d₀为下部支承电极（25）和超导转子（10）之间的标称间隙，δ为超导转子（10）沿Z坐标轴反方向的位移，超导转子（10）的位移通过测量下部支承电极（25）和超导转子（10）之间的间隙电容来获得；

为超导转子（10）受到的指向Z坐标轴正方向的静电悬浮力，

FeZ(δ,ΔU)=K[(U0+ΔU)2(d0+δ)2-(U0-ΔU)2(d0-δ)2],]]>

式中：为Z坐标轴方向上部支承电极（20）对超导转子（10）的沿Z坐标轴正方向的静电引力，为Z坐标轴方向下部支承电极（25）对超导转子（10）的沿Z坐标轴反方向的静电引力，K为静电出力系数，ΔU为静电悬浮支承部分的反馈电压；

超导转子（10）在X坐标轴方向和Y坐标轴方向受到的悬浮力分析与此相同。