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AB - 旋转超导转子的氦气阻尼特性研究* 张源 1)2) 胡新宁 1)2) 崔春艳 1) 崔旭 3) 牛飞飞 1)2) 王路忠 1)2) 王秋良 1)2） 1）（中国科学院电工研究所，北京 1000190） 2)（中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京 100049） 3)（中国科学院赣江创新研究院，赣州 341119） 摘 要 超导转子磁悬浮装置可制作角速度传感器，超导转子的高速驱动是实现 超导转子磁悬浮装置高精度的基础。超导转子的热损耗和径向质量偏心会使 超导转子在驱动过程中热失超和共振，所以在超导转子的驱动过程中需要在 超导球腔中保持定量的氦气，以此传递超导转子的产热和抑制超导转子的共 振。但氦气同时会对超导转子产生阻力，影响超导转子的驱动过程。基于此 开展了超导转子在氦气中的阻力矩研究，首先引入了范德瓦尔斯方程分析了 低温氦气的性质，提出了一种低温氦气对超导转子阻力矩的研究方法，并进 行了实验验证。然后基于有限元方法分析了超导转子旋转驱动的电磁结构和 电磁力矩。并分析了氦气对超导转子加速过程的影响，包括临界驱动速度、 超导转子的加速时间和氦气对超导转子的摩擦热等。研究结果提供了一种低 温气体对旋转超导体阻力矩的研究方法，为进一步优化超导转子的驱动过程 提供了参考。 关键词：超导磁悬浮，超导转子，氦气阻力矩，电磁驱动 PACS：84.71.Ba, 85.70.Rp, 45.20.Da 基金: 国家自然科学基金(批准号：51721005)资助的课题． † 通讯作者.E-mail: xininghu@mail.iee.ac.cn 第一作者.E-mail: yuanz@mail.iee.ac.cn 1 引 言 超导体的迈斯纳效应和零电阻特性可使磁场中的超导体实现近乎零损耗的 [1-4] 非接触支撑 。超导转子在极低的温度下工作，其材料具有膨胀系数小、蠕变小 [5,6] 和化学活性低的优势 ，因此应用超导磁悬浮技术的仪器具有极高的精度潜力。 高速旋转转子的极轴在惯性坐标系中具有固定的方位，基于此原理，超导转子磁 1 悬浮装置可制作高精度角速度传感器。超导转子的转速越高，其极轴的定向性越 好，即超导转子的高转速是实现超导转子磁悬浮装置高精度测量的基础。高速旋 转的超导转子由悬浮线圈产生的磁场悬浮，并由定子线圈产生的脉冲磁场驱动。 超导转子在驱动过程中存在各种热损耗，同时超导转子的径向质量偏心会使超导 [7] 转子在驱动过程发生共振 。所以超导转子在加速过程中，超导球腔需要保持足 够量的氦气，传递超导转子的产热以及抑制超导转子的共振。 然而，超导球腔中的氦气也会对旋转的超导转子产生阻力矩，从而影响超导 转子的加速过程。关于气体在旋转转子上的阻力矩已有许多研究。文献[8]测量了 [9-12] 低密度气流中的阻力。文献 研究了自由旋转转子在稀薄气体的阻力矩。文献 [13]给出了超导转子在中等压强氦气的阻力矩公式，但该公式中不含压强参数， 因此在高压条件下误差较大。以上研究大都是属于稀薄气体领域的氦气对自由旋 转超导转子的阻力矩，而属于较高压强的氦气对超导转子阻力矩的研究很少。为 确保超导转子加速过程的可靠性，超导球腔在驱动前需要充入足够量的氦气，最 高可达到一个大气压。因此研究属于非稀薄气体领域的氦气对超导转子的阻力矩 对优化超导转子的驱动过程具有重要意义。 本文在上述研究基础上，开展了超导转子在属于非稀薄气体的氦气中转动的 阻尼特性研究，引入了范德瓦尔斯方程分析了超导低温下气体的克努森数，结合 斯托克斯第一问题和雷诺定律分析了超导转子的阻力矩并进行了实验验证，然后 通过有限元方法分析了超导转子的驱动电磁力矩，最后研究了超导转子驱动过程 中氦气阻力矩的影响，如驱动临界转速、加速时间和摩擦热等。分析结果为超导 低温下非稀薄气体对旋转体的阻力研究，以及超导转子驱动结构的优化提供参考。 2 超导转子的氦气阻力矩分析 2.1超导球腔的氦气流分析 2 气体可划分为非稀薄气体和稀薄气体，非稀薄气体符合连续介质假设，而稀 薄气体可分为滑流、过渡流和自由分子流。克努森数 K 可作为划分气体种类的依 据，克努森数小于 0.01的气体属于非稀薄气体，克努森数大于 0.01 的气体属于 [14,15] 稀薄气体。克努森数是分子平均自由程λ与流动特征长度 L 的比值 ，克努森 数 K 的公式：  1 K  (1) 2 d nL 式中，d 是气体分子直径，n 是分子数密度，L 是流动特征尺寸。 本文主要研究了属于非稀薄气体领域的氦气在 4.2 K温度下对超导转子的阻 力矩。超导球腔的分子数密度 n，由超导球腔的压强 P 决定。在 4.2K的超低温下， [16,17] 理想气态方程不能正确的反映超导球腔的分子数密度和超导球腔压强的关系 , 此时需要引入范德瓦尔斯方程分析超导球腔的气体特性：  n  nn  (2) P  a 1  b  RT    N N N  A  A  A 式中 N 是 1 摩尔分子中的分子数，a 和 b 是范德瓦尔斯方程常数，R 是理想气体 2 2 常数，T 是绝对温度。氦气的范德瓦尔斯方程常数 a 等于 0.03412 atm•L /mol， [18] -10 b 等于 0.0237 L/mol 。氦气的分子直径 2.18×10 m，特征尺寸由超导转子磁 悬浮系统的标称间隙决定。 图 1.超导转子磁悬浮结构示意图 3 Fig.1. Magnetic suspension structure diagram of the superconducting rotor 图 1 是超导转子磁悬浮装置的结构示意图，超导转子磁悬浮结构由超导转 子、整形铌块、悬浮线圈和中心柱组成，其中定子线圈和力矩线圈绕制在中心柱 上。超导体的迈斯纳效应使得悬浮线圈产生的磁场无法穿透超导转子和整形铌块， 
TI - Helium damping characteristics of rotating superconducting rotor
JF - Acta Physica Sinica
DO - 10.7498/aps.73.20232011
DA - 2024-01-01
UR - https://www.deepdyve.com/lp/unpaywall/helium-damping-characteristics-of-rotating-superconducting-rotor-2heNfBmbGk
DP - DeepDyve
ER -