余志強(qiáng)，張國(guó)民，邱清泉，胡 磊，張文峰，3

(1．中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190;2．中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190; 3．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100190;4．石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北石家莊050043)

高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的研究進(jìn)展

余志強(qiáng)1，2，3，4，張國(guó)民1，2，邱清泉1，2，胡 磊1，2，張文峰1，2，3

(1．中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190;2．中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190; 3．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100190;4．石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北石家莊050043)

當(dāng)永磁體在高溫超導(dǎo)體附近時(shí)，部分磁力線進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)，由于磁通釘扎作用，永磁體無(wú)需控制而穩(wěn)定懸浮，這種懸浮特性稱為無(wú)源自穩(wěn)定性。這種特性的重要應(yīng)用之一就是高溫超導(dǎo)軸承。由于具有無(wú)源自穩(wěn)定性、無(wú)摩擦、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，高溫超導(dǎo)軸承越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用在飛輪儲(chǔ)能、高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械等重要領(lǐng)域。本文介紹了高溫超導(dǎo)懸浮軸承的工作原理，比較了軸向型和徑向型高溫超導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，詳細(xì)地說(shuō)明了國(guó)外研究進(jìn)展和國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了高溫超導(dǎo)軸承當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

無(wú)源自穩(wěn)定性;高溫超導(dǎo)軸承;軸向型;徑向型

1 引言

軸承在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用廣泛。工業(yè)生產(chǎn)中使用較多的有機(jī)械軸承(MB)、電磁軸承(AMB)和永磁軸承(PMB)。機(jī)械軸承的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是易磨損，需要維護(hù)。由于摩擦力大，限制了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速。電磁軸承是一種懸浮軸承，它的摩擦力比機(jī)械軸承小，但是需要外部電源和控制系統(tǒng)，增加了使用的復(fù)雜度。永磁軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是缺乏自穩(wěn)定性，無(wú)法單獨(dú)使用。

近年來(lái)，隨著高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，超導(dǎo)技術(shù)得到了快速發(fā)展。由于高溫超導(dǎo)磁懸浮具有獨(dú)特的無(wú)源自穩(wěn)定性［1，2］，應(yīng)用也越來(lái)越多。其重要的應(yīng)用之一為高溫超導(dǎo)軸承，已成為超導(dǎo)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前，國(guó)際上已經(jīng)研制出能夠懸浮噸量級(jí)的大型高溫超導(dǎo)軸承，并已應(yīng)用到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(FESS)中［3］。

2 高溫超導(dǎo)軸承工作原理及類型

2.1 高溫超導(dǎo)軸承的工作原理

高溫超導(dǎo)軸承的定轉(zhuǎn)子一般為超導(dǎo)定子和永磁轉(zhuǎn)子，當(dāng)超導(dǎo)定子進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，永磁轉(zhuǎn)子的磁通被超

其中，φ為磁通鏈;S為基本環(huán)路面積;x為移動(dòng)距離。式(1)和式(2)為高溫超導(dǎo)軸承懸浮力的基本計(jì)算方法。

2.2 高溫超導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)與類型

高溫超導(dǎo)軸承的主要結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部導(dǎo)定子俘獲，并被釘扎在釘扎中心處。由于釘扎力的作用，轉(zhuǎn)子在軸向和徑向上保持穩(wěn)定，形成穩(wěn)定懸浮。當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子上安裝了驅(qū)動(dòng)設(shè)備(通常為電機(jī))，處于磁懸浮狀態(tài)的永磁轉(zhuǎn)子就可以實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)。

高溫超導(dǎo)軸承的定轉(zhuǎn)子之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)后，超導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出電流，電流在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生了洛倫茲力，所以高溫超導(dǎo)軸承的懸浮力為:

其中，J為超導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電流密度;B為永磁體產(chǎn)生的磁通密度;F的方向垂直于J與B所在的平面。從微觀的角度看，超導(dǎo)塊可以被分成有限數(shù)量的基本環(huán)路，每個(gè)環(huán)路具有相同的電流密度和面積。在永磁轉(zhuǎn)子移動(dòng)的過(guò)程中，環(huán)路中感應(yīng)出電流并與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生懸浮力［4］?？偟膽腋×?分，為了減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，一般情況下，設(shè)計(jì)成超導(dǎo)定子和永磁轉(zhuǎn)子。超導(dǎo)定子主要由超導(dǎo)體(一般為超導(dǎo)塊材)、低溫杜瓦和熱沉等部分組成。超導(dǎo)塊材是超導(dǎo)定子的重要部分，其他兩部分都是為其服務(wù)的。一般情況下，超導(dǎo)塊材用添加了高熱導(dǎo)率的氧化鋁或氮化鋁的環(huán)氧樹(shù)脂粘在熱沉上。熱沉由導(dǎo)熱性好的銅板或不銹鋼板制成，低溫通過(guò)熱沉傳導(dǎo)到超導(dǎo)塊上。低溫杜瓦是低溫容器，起到保溫和絕熱的作用。永磁轉(zhuǎn)子主要由不導(dǎo)磁軸、永磁體和軟鐵組成。永磁體一般為NdFeB等稀土永磁材料制成，經(jīng)充磁后可產(chǎn)生較強(qiáng)磁場(chǎng)。軟鐵的作用為聚集磁通，提高定轉(zhuǎn)子之間氣隙磁密梯度。

按照定轉(zhuǎn)子之間氣隙磁場(chǎng)方向與懸浮力方向是否平行的原則，高溫超導(dǎo)軸承可分為軸向型和徑向型兩類，如圖1所示。

圖1 高溫超導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)圖［3］Fig．1 Structure chart of HTSB

軸向型高溫超導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)特征是定轉(zhuǎn)子均做成碟形或盤(pán)型平行相對(duì)，兩者幾何軸線重合。超導(dǎo)定子放置在低溫杜瓦中，永磁轉(zhuǎn)子與軸相連。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)圖如圖1(a)所示。軸向型高溫超導(dǎo)軸承的工作原理為:永磁轉(zhuǎn)子在面向超導(dǎo)定子移動(dòng)的過(guò)程中，由于超導(dǎo)體的抗磁性，受到向上的斥力的作用，使其在垂直自由度上達(dá)到平衡;當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子由于振動(dòng)等其他原因在橫向發(fā)生偏移時(shí)，導(dǎo)向力使其回到原來(lái)的平衡位置，則軸向型高溫超導(dǎo)軸承達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行。

徑向型高溫超導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)特征為:定轉(zhuǎn)子都采用環(huán)繞主軸的環(huán)形結(jié)構(gòu)。永磁環(huán)與軟鐵環(huán)交疊層堆排列，永磁環(huán)沿軸向充磁，充磁方向相反的永磁環(huán)相鄰，磁力線被聚集在軟鐵中并沿徑向擠出。高溫超導(dǎo)塊粘在圓柱形銅壁上，銅壁起支撐和傳導(dǎo)冷卻的作用，超導(dǎo)塊表面貼有絕熱材料層，其結(jié)構(gòu)圖如圖1(b)所示。其工作原理為:轉(zhuǎn)子在軸向上受到超導(dǎo)塊上導(dǎo)向力的作用懸浮自身及負(fù)載;當(dāng)徑向振動(dòng)或發(fā)生偏心時(shí)，受到超導(dǎo)塊斥力的作用，保證永磁轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。以上兩種軸承結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 軸向型與徑向型高溫超導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)比較表Tab．1 Comparison of axial-type and radial-type HTSB

3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

國(guó)外研究高溫超導(dǎo)軸承的時(shí)間可追溯到20世紀(jì)90年代。從研究的進(jìn)程可以看出，高溫超導(dǎo)軸承的研制過(guò)程往往伴隨著超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制過(guò)程，兩者相輔相成。下面介紹典型公司或研究機(jī)構(gòu)的研制情況。

3.1 美國(guó)波音公司軸向型高溫超導(dǎo)軸承

波音公司研制的高溫超導(dǎo)軸承是軸向型高溫超導(dǎo)軸承的典型代表，如圖2所示。高溫超導(dǎo)軸承的永磁轉(zhuǎn)子由3個(gè)徑向充磁的同心永磁環(huán)組成。為了減少離心負(fù)荷，永磁環(huán)由多弧段拼接而成，相鄰兩個(gè)磁環(huán)之間放置鐵磁鋼片，用來(lái)增強(qiáng)磁場(chǎng)梯度，使磁通導(dǎo)向軸向。由于高速旋轉(zhuǎn)，磁體受到很大的離心力，要求轉(zhuǎn)子必須有堅(jiān)固的支撐結(jié)構(gòu)。磁體支撐結(jié)構(gòu)包括箍套在磁裝置外徑的增強(qiáng)纖維環(huán)，以及傳遞中心軸與磁體之間負(fù)荷的玻璃纖維層壓輪轂結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)子中央有一個(gè)著陸軸承，它的作用有兩方面，一是當(dāng)超導(dǎo)塊回溫時(shí)擎住轉(zhuǎn)子，二是旋轉(zhuǎn)時(shí)限制轉(zhuǎn)子位置的偏離。轉(zhuǎn)子面向YBCO塊材，氣隙為mm級(jí)。超導(dǎo)定子中的超導(dǎo)塊材由六邊形瓦片狀的YBCO塊材組成，塊材維度為36mm×4.5mm，采用閉環(huán)液氮冷卻。波音把這種高溫超導(dǎo)軸承安裝在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，經(jīng)測(cè)試，每小時(shí)整個(gè)系統(tǒng)損耗低于總儲(chǔ)能的0.1%，最高轉(zhuǎn)速為23675rpm。在目前同等級(jí)別的超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，仍保持著損耗最低、轉(zhuǎn)速最高的記錄。

圖2 波音高溫超導(dǎo)軸承［5］Fig．2 HTSB in Boeing Company

在2009年研制的小型5kW·h/3kW超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中［5］，波音對(duì)超導(dǎo)定子的冷卻方式做了重要改進(jìn):超導(dǎo)定子中的YBCO塊材完全采用制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻方式，冷卻裝置如圖2(c)所示。采用制冷機(jī)冷卻超導(dǎo)塊材不僅能夠使塊材溫度降到更低，大幅提高了懸浮特性，而且節(jié)約了能量，提高了系統(tǒng)效率。波音還致力于超導(dǎo)軸承的損耗和高速轉(zhuǎn)子的研究，其設(shè)計(jì)的雙超導(dǎo)軸承轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速達(dá)114000rpm［5，6］，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

3.2 德國(guó)ATZ公司徑向型高溫超導(dǎo)軸承

2001年，ATZ公司研制出采用徑向型高溫超導(dǎo)軸承的激光偏轉(zhuǎn)多邊形檢測(cè)儀，最高轉(zhuǎn)速達(dá)174000rpm［7］。公司從2005年開(kāi)始研制5kW·h/ 250kW等級(jí)的超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，2008～2009年完成了裝配和測(cè)試［3］，在此期間對(duì)徑向型高溫超導(dǎo)軸承進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)和研究，其結(jié)構(gòu)和樣機(jī)如圖3所示。超導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)尺寸為205mm×120mm，超導(dǎo)定子采用55塊YBCO超導(dǎo)塊材粘接在銅環(huán)上，每塊YBCO的維度為65mm×35mm×13mm。ATZ把超導(dǎo)軸承的熱沉設(shè)計(jì)成雙壁環(huán)形容器結(jié)構(gòu)，既可在外壁安裝冷頭傳導(dǎo)冷卻YBCO，也可以在環(huán)形容器中通入液氮冷卻，使用時(shí)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件或運(yùn)行條件靈活選擇。永磁轉(zhuǎn)子中的每個(gè)永磁環(huán)的尺寸為200mm×150mm×8mm，永磁轉(zhuǎn)子總的外表面積為768cm2，定轉(zhuǎn)子間留有2.5mm的氣隙，轉(zhuǎn)子徑向有2mm的自由度。超導(dǎo)軸承的總重量為55kg。軸承座采用G10材料制成，為了防止漏熱，其內(nèi)壁上貼有超級(jí)絕熱材料。

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用液氮和亞冷液氮(72K)分別冷卻YBCO，冷卻時(shí)間為3h。測(cè)量特性如下:在72K時(shí)，3.2mm軸向位移處最大徑向力為4.7kN，3.3mm處軸向負(fù)載力達(dá)到10080N(1t重軸向力);在72K和79K時(shí)，徑向剛度分別為1.8kN/mm、1.4kN/mm; 72K和78.5K時(shí)的軸向剛度分別為4.5kN/mm、3kN/mm;熱量損耗小于20W，旋轉(zhuǎn)摩擦小于5× 10－4N·m。通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以看出，ATZ設(shè)計(jì)的徑向型超導(dǎo)軸承具有占用空間小、軸向懸浮力和徑向剛度大、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，代表了當(dāng)前徑向型超導(dǎo)軸承的發(fā)展水平。

圖3 ATZ高溫超導(dǎo)軸承［3］Fig．3 HTSB in ATZ

3.3 日本超導(dǎo)工學(xué)研究所(ISTEC)徑向型高溫超導(dǎo)軸承

圖4 ISTEC高溫超導(dǎo)軸承［8］Fig．4 HTSB in ISTEC

2004年ISTEC制造出一套10kW·h/400kW超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并完成了測(cè)試。在該系統(tǒng)中，ISTEC采用第一階段提出的外永磁轉(zhuǎn)子內(nèi)超導(dǎo)定子的徑向型高溫超導(dǎo)軸承方案，如圖4所示。同ATZ設(shè)計(jì)的外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)相比，這種方案的特點(diǎn)是:減少了超導(dǎo)塊材用量，降低了旋轉(zhuǎn)損耗，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子機(jī)械特性;YBCO能夠通過(guò)中心軸內(nèi)的液氮循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻，簡(jiǎn)化了真空腔體內(nèi)的結(jié)構(gòu)。為保證旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的一致性，降低 YBCO上的渦流損耗，ISTEC選出了捕獲能力和排斥力相似的40塊YBCO組成5層定子單元。整個(gè)超導(dǎo)定子內(nèi)徑93.2mm、外徑123.2mm、高60.0mm，放置在外徑125.2mm、厚度1.0mm的低溫不銹鋼容器中，每?jī)蓪訂卧g留有4mm的間隙確保超導(dǎo)塊充分冷卻。在靜態(tài)測(cè)試中［8］，最大懸浮力為8700N，最小軸向移動(dòng)距離時(shí)懸浮力為7000N;懸浮力密度達(dá)到11N/cm2(77K)，最高轉(zhuǎn)速為11250rpm。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了預(yù)載法和過(guò)冷法能夠有效地抑制懸浮高度弛豫。

3.4 韓國(guó)電力研究院徑向型高溫超導(dǎo)軸承

2001年，韓國(guó)電力研究院(KEPRI)在徑向型高溫超導(dǎo)軸承的技術(shù)上取得進(jìn)展，研制出采用2個(gè)徑向型高溫超導(dǎo)軸承的臥式超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)67000rpm［9］。

KEPRI研制的用于10kW·h超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)軸承［10］，其超導(dǎo)定子由8塊單晶體YBCO組成，每塊尺寸為38mm×38mm×12.5mm。永磁轉(zhuǎn)子由一個(gè)Φ88.8mm×70mm的環(huán)形永磁體構(gòu)成。為減少低溫耗散，在軸承上方增加了用絕熱材料做成的支撐體，結(jié)構(gòu)圖如圖5(a)所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到，當(dāng)轉(zhuǎn)子在軸向±0.2～±1mm振動(dòng)時(shí)，由于超導(dǎo)磁滯效應(yīng)，軸向懸浮力呈滯回特性，軸向懸浮剛度從267N/mm減少到215N/mm。此外，KEPRI還在優(yōu)化高溫超導(dǎo)軸承的氣隙磁密分布、100kW級(jí)冷卻軸承技術(shù)等方面做了深入研究［11］。

圖5 KEPRI高溫超導(dǎo)軸承［10］Fig．5 HTSB in KEPRI

3.5 巴西里昂聯(lián)邦大學(xué)電工系軸向型高溫超導(dǎo)軸承

在軸向型高溫超導(dǎo)軸承的研究中，巴西里昂聯(lián)邦大學(xué)電工系(UFRJ)對(duì)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提出了兩種設(shè)計(jì)方案:磁通型(FS)和軸向磁化型(AMR)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。在FS拓?fù)渲?，永磁體采用徑向磁化，使用小段拼成圓環(huán)，徑向相鄰永磁體極性相反，磁通由中間的鋼環(huán)導(dǎo)向軸向，結(jié)構(gòu)類似于波音的設(shè)計(jì)。在AMR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，永磁環(huán)沿軸向磁化，采用后磁軛降低磁阻［12］。比較兩種結(jié)構(gòu)的永磁轉(zhuǎn)子在場(chǎng)冷和零場(chǎng)冷時(shí)懸浮力和導(dǎo)向力的情況，在相同維度和懸浮特性時(shí)，F(xiàn)S具有明顯優(yōu)勢(shì):質(zhì)量輕(FS的質(zhì)量為1.84kg，AMR的質(zhì)量為2.43kg)、磁通連續(xù)規(guī)則、損耗低。

圖6 UFRJ設(shè)計(jì)的FS永磁轉(zhuǎn)子和AMR永磁轉(zhuǎn)子Fig．6 FS rotor and AMR rotor made by UFRJ

3.6 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

2000年中國(guó)科學(xué)院電工研究所提出基于高溫超導(dǎo)混合軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)方案［13］，即高溫超導(dǎo)軸承為軸向型，位于系統(tǒng)底部，由內(nèi)嵌式永磁環(huán)和7塊YBCO組成，液氮冷卻。經(jīng)測(cè)試，徑向靜態(tài)剛度大于1MN/mm，軸向靜態(tài)剛度大于50N/mm。2001在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)混合磁懸浮軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)，最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速為 9600rpm，具有大范圍穩(wěn)定性［14］。2008年，西南交通大學(xué)研制出一套演示用的超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)［15］。該系統(tǒng)采用雙軸向型高溫超導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)方案，兩個(gè)軸向型超導(dǎo)軸承上下分置，每個(gè)超導(dǎo)定子均由7塊圓柱形YBCO組成，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000rpm。2011年，西南交通大學(xué)研制出用于低溫液體泵的徑向型高溫超導(dǎo)軸承［23］，超導(dǎo)定子由6塊長(zhǎng)方形 YBCO組成，工作轉(zhuǎn)速達(dá)到3801rmp。2012年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所開(kāi)始研究徑向型高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，并對(duì)徑向型高溫超導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)和懸浮特性進(jìn)行了研究［24］。

4 當(dāng)前的研究熱點(diǎn)

通過(guò)對(duì)高溫超導(dǎo)軸承的調(diào)研和分析，當(dāng)前研究熱點(diǎn)主要集中在兩個(gè)方面，即提高高溫超導(dǎo)軸承的性能和拓展高溫超導(dǎo)軸承的應(yīng)用，具體可歸納如下:

(1)優(yōu)良性能高溫超導(dǎo)材料的研制。高溫超導(dǎo)軸承中使用的高溫超導(dǎo)塊材是超導(dǎo)定子的重要組成部分，它的制備工藝直接影響到塊材中釘扎中心的數(shù)量和密度，從而影響塊材的磁場(chǎng)俘獲能力和臨界電流密度等重要指標(biāo)［16，17］。磁通釘扎力與超導(dǎo)材料中的空位、內(nèi)應(yīng)力、雜質(zhì)、脫溶相、位錯(cuò)等缺陷有關(guān)［18］。超導(dǎo)塊材的一致性(或均勻性)直接影響到超導(dǎo)軸承的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，所以塊材的一致性是提高超導(dǎo)軸承性能重要因素之一［19，20］。研制優(yōu)良性能的高溫超導(dǎo)材料對(duì)提高高溫超導(dǎo)軸承懸浮性能至關(guān)重要，這一直是研究的熱點(diǎn)之一。

(2)大懸浮力/剛度的徑向型高溫超導(dǎo)軸承的研究。在大容量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要求系統(tǒng)不僅容量(或功率)大，而且結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、安裝便利。軸向型高溫超導(dǎo)軸承占用體積較大，當(dāng)系統(tǒng)增加容量時(shí)需加大超導(dǎo)軸承的直徑(包括永磁轉(zhuǎn)子和超導(dǎo)定子);而且因?yàn)橹睆酱?，所以?dāng)轉(zhuǎn)速較快時(shí)，轉(zhuǎn)子所受離心力大，因而對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有較高要求。而徑向型高溫超導(dǎo)軸承通過(guò)增加沿軸向的永磁體和超導(dǎo)塊材層數(shù)來(lái)提高系統(tǒng)承載力和穩(wěn)定度，不占用多余的橫向空間，非常適合大容量系統(tǒng)［3，8，10］。研制大懸浮力/剛度的徑向型高溫超導(dǎo)軸承是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，也是市場(chǎng)化的要求。

(3)高溫超導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在永磁體和超導(dǎo)塊總體積不變的情況下，通過(guò)改變永磁體和超導(dǎo)塊的形狀與排列方式，提高氣隙磁密分布，最終達(dá)到提高軸向和徑向剛度，提高高溫超導(dǎo)軸承懸浮力和穩(wěn)定性的目的［11，21］。優(yōu)化高溫超導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)還涉及冷卻、減振等輔助設(shè)備的合理設(shè)計(jì)與布置。

(4)旋轉(zhuǎn)損耗的研究。高溫超導(dǎo)軸承損耗包括超導(dǎo)定子的磁滯、渦流損耗以及永磁轉(zhuǎn)子中軟鐵部分的渦流損耗，由于這些損耗是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生，所以又稱之為旋轉(zhuǎn)損耗。減少旋轉(zhuǎn)損耗，提高高溫超導(dǎo)軸承的效率具有非常重要的意義，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一［5，6］。

5 高溫超導(dǎo)軸承主要的應(yīng)用領(lǐng)域

由于高溫超導(dǎo)軸承具有的無(wú)源自穩(wěn)定、非接觸、無(wú)摩擦以及無(wú)污染等突出優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域:

(1)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。用高溫超導(dǎo)軸承代替常規(guī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電磁軸承，省去控制系統(tǒng)和勵(lì)磁電源，使系統(tǒng)損耗大幅降低，提高了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率［3，5］。其潛在應(yīng)用領(lǐng)域有電力系統(tǒng)調(diào)峰、電動(dòng)汽車以及UPS電源等領(lǐng)域。

(2)高速轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)機(jī)械。摩擦阻力、溫升以及轉(zhuǎn)子振動(dòng)是限制旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行速度的重要因素。摩擦阻力可直接引起旋轉(zhuǎn)機(jī)械溫度升高，這不僅限制轉(zhuǎn)子速度，還會(huì)影響機(jī)械性能，縮短其壽命。高溫超導(dǎo)軸承代替機(jī)械軸承應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，可使定轉(zhuǎn)子達(dá)到真正意義上的無(wú)接觸，摩擦系數(shù)非常低，是機(jī)械軸承的千分之一，具有巨大的優(yōu)勢(shì)。目前高溫超導(dǎo)軸承已經(jīng)應(yīng)用于離心機(jī)、渦輪機(jī)、偏轉(zhuǎn)多邊形激光束掃描器等旋轉(zhuǎn)機(jī)械中［7］。潛在應(yīng)用領(lǐng)域還有大型電機(jī)/發(fā)電機(jī)組、船舶推進(jìn)器等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝備的升級(jí)改造。

(3)衛(wèi)星、太空領(lǐng)域。太空中自有的低溫環(huán)境使高溫超導(dǎo)軸承具有天然的優(yōu)勢(shì)。高溫超導(dǎo)軸承的機(jī)械動(dòng)量矩可以對(duì)航天器精密定位和姿態(tài)進(jìn)行控制［22］，其高速而穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)不僅保證航天器所需足夠的轉(zhuǎn)扭而且使振動(dòng)大幅減小。其潛在應(yīng)用領(lǐng)域有宇宙飛船和宇宙空間站的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)、軌道衛(wèi)星姿勢(shì)控制等領(lǐng)域。

6 設(shè)計(jì)高溫超導(dǎo)軸承需要考慮的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)研制的軸承樣機(jī)的分析，我們認(rèn)為設(shè)計(jì)高溫超導(dǎo)軸承時(shí)需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)在選擇軸承方式時(shí)，kW級(jí)以上大功率超導(dǎo)軸承選擇徑向型，而小功率或微型超導(dǎo)軸承選擇軸向型。

(2)電機(jī)選擇調(diào)控方便、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)子損耗低、散熱少的直流無(wú)刷永磁電機(jī)，套裝在主軸上，內(nèi)置。

(3)冷卻方式采用傳導(dǎo)冷卻，用制冷機(jī)冷卻超導(dǎo)塊材，節(jié)能方便。

(4)采用密閉的不銹鋼杜瓦，增加系統(tǒng)整體機(jī)械強(qiáng)度，減少風(fēng)損。

(5)選擇高性能、一致性相近的高溫超導(dǎo)塊材，提高懸浮剛度，減少由于不對(duì)稱性引起的渦流損耗。

(6)減震系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)裝置布置合理，減少密閉空間體積。

(7)做好絕熱設(shè)計(jì)，減少熱傳導(dǎo)和熱輻射等漏熱，降低能量損耗。

7 結(jié)論

本文在介紹高溫超導(dǎo)懸浮軸承懸浮原理和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，比較兩種不同結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)軸承特點(diǎn)，詳細(xì)說(shuō)明了國(guó)外研究進(jìn)展和國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后探討了高溫超導(dǎo)軸承當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。高溫超導(dǎo)軸承具有無(wú)源自穩(wěn)定的優(yōu)良特性，越來(lái)越受到各國(guó)學(xué)者的重視和關(guān)注。隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)軸承必然會(huì)有更加廣闊的未來(lái)。

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Research progress of high-temperature superconducting bearing

YU Zhi-qiang1，2，3，4，ZHANG Guo-min1，2，QIU Qing-quan1，2，HU Lei1，2，ZHANG Wen-feng1，2，3

(1．Key Laboratory of Applied Superconductivity，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2．Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 3．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;4．College of Electrical and Electronics Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

When the high-temperature superconductor obtains the superconducting state，part of the magnetic flux lines enter into the superconductor and the permanent magnet can levitate stably without control due to flux pinning effect．This levitation characteristic is passive self-stability．One of the important applications of this characteristic is the high-temperature superconducting bearings(HTSB)．Due to the advantages of passive self-stability，noncontact and low-loss，etc．it attracts more and more attention，and has some applications in flywheel energy storage system(FESS)，high-speed rotor and rotating machinery．This paper introduced main structure of HTSB and its basic working principle．The axial-type HTSB is compared with radial-type HTSB in configuration．And the development status of HTSB designing institutions at home and abroad in detail are presented．In the end，the focus on current research and its applications are also discussed．

passive self-stability;high-temperature superconducting bearing(HTSB);axial-type;radial-type

O511+.9

A

1003-3076(2014)07-0055-07

2013-10-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(50977092)、中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”資助項(xiàng)目

余志強(qiáng)(1977-)，男，四川籍，博士研究生，研究方向?yàn)閼?yīng)用超導(dǎo);

張國(guó)民(1964-)，男，河南籍，研究員，博士，研究方向?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)物理特性與應(yīng)用技術(shù)(通信作者)。