高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

許吉敏，張 飛，金英澤，張 帆，袁小陽

(西安交通大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

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高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

許吉敏，張 飛，金英澤，張 帆，袁小陽

(西安交通大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

第二類高溫超導(dǎo)體的磁通釘扎效應(yīng)使得超導(dǎo)體在外加磁場(chǎng)中無需主動(dòng)控制而能穩(wěn)定懸浮。利用這種無源自穩(wěn)定懸浮特性，高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承可以實(shí)現(xiàn)部件之間無機(jī)械摩擦的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械、飛輪儲(chǔ)能和交通運(yùn)輸?shù)确矫嬲宫F(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。近年來，高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的發(fā)展在世界范圍內(nèi)取得了令人矚目的成就，軸承的設(shè)計(jì)思想、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境都得到了相應(yīng)的拓展。從結(jié)構(gòu)特征角度綜述了近年來國(guó)內(nèi)外超導(dǎo)磁懸浮軸承樣機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了西安交通大學(xué)的超導(dǎo)磁液復(fù)合軸承結(jié)構(gòu)及其在液體火箭中的應(yīng)用方案；結(jié)合該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀探討了超導(dǎo)磁懸浮軸承有待研究的問題和應(yīng)用前景，指出超導(dǎo)軸承應(yīng)向復(fù)合支撐方向發(fā)展以利于推進(jìn)應(yīng)用。

釘扎；無源自穩(wěn)定；高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用前景

1 前 言

軸承作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械中關(guān)鍵的功能保障部件之一[1]，其在機(jī)械傳動(dòng)過程中除支撐外，最主要是用來減小部件之間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦和磨損[2]。一般來說，固體與固體之間的摩擦系數(shù)約為0.1～1，固體與液體之間摩擦系數(shù)約為10-4～10-3，固體與氣體之間摩擦系數(shù)小于10-4。根據(jù)已有的基礎(chǔ)摩擦學(xué)知識(shí)可知，磁懸浮軸承通過磁力作用將轉(zhuǎn)子懸浮在空間中，可以最大程度上降低轉(zhuǎn)子和定子系統(tǒng)的摩擦磨損[3]。電磁懸浮軸承是一種吸力型軸承，具有本質(zhì)不穩(wěn)定性，需要一套復(fù)雜的反饋控制系統(tǒng)及算法才能有效解決穩(wěn)定性問題[4]。永磁懸浮軸承雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但單靠永磁體無法保證轉(zhuǎn)子5個(gè)自由度上的穩(wěn)定懸浮，一般需要和主動(dòng)控制軸承配合使用[5]。

近年來，隨著液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)[6]，超導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。以釔鋇銅氧超導(dǎo)體為例，其內(nèi)部存在各種與相干長(zhǎng)度相近的晶體缺陷[7]，磁通線或磁力線束在這些缺陷位置會(huì)出現(xiàn)被捕獲的磁通釘扎現(xiàn)象[8]。利用超導(dǎo)體的抗磁性及這種磁通釘扎特性，高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承(SMB)可以實(shí)現(xiàn)被支撐部件的穩(wěn)定懸浮。由于摩擦小、轉(zhuǎn)速高，SMB在旋轉(zhuǎn)機(jī)械、儲(chǔ)能飛輪和運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用研究非?；钴S，原理模型和全尺寸軸承樣機(jī)推陳出新，成果豐富。1987年，康奈爾大學(xué)首先研制出了SMB，該軸承轉(zhuǎn)子重量為5 g，轉(zhuǎn)速10000 rpm[9]。之后康奈爾大學(xué)與阿貢實(shí)驗(yàn)室對(duì)SMB進(jìn)行了較為系統(tǒng)的基礎(chǔ)性探索工作，涉及超導(dǎo)軸承的材料、結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)化等，在1992年便創(chuàng)下了最高轉(zhuǎn)速520000 rpm的紀(jì)錄[10]，摩擦系數(shù)僅為10-7。目前多個(gè)國(guó)家已經(jīng)宣布研制出了面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的全尺寸SMB樣機(jī)。隨著超導(dǎo)材料性能的改進(jìn)和軸承結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，SMB進(jìn)入實(shí)用化的障礙將愈來愈少。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

SMB的基本原理可以通過一個(gè)高溫超導(dǎo)體和永磁體相互作用的軸對(duì)稱模型來表征，材料特性和軸承結(jié)構(gòu)對(duì)SMB的性能影響較大。

2.1 超導(dǎo)材料懸浮力和摩擦性能的相關(guān)研究

單塊永磁體和單塊超導(dǎo)體之間的電磁相互作用力是SMB穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，相關(guān)研究一直是超導(dǎo)領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究主題并得到了廣泛的關(guān)注。蘭州大學(xué)張興義對(duì)各種條件下的超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的電磁作用力進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，涉及準(zhǔn)靜態(tài)情形下系統(tǒng)懸浮力和橫向力時(shí)間弛豫特性[11,12]以及懸浮系統(tǒng)在外加激勵(lì)作用下懸浮體受力和懸浮中心隨時(shí)間漂移的特征[13]。相對(duì)于理論模型預(yù)測(cè)精度的限制，高精度磁力測(cè)試儀所獲取的結(jié)果更有應(yīng)用價(jià)值。特別是超導(dǎo)體晶疇生長(zhǎng)的隨機(jī)性，理論模型分析結(jié)果往往相差甚遠(yuǎn)。構(gòu)建SMB時(shí)大多選擇單疇超導(dǎo)體并保證足夠的實(shí)測(cè)磁懸浮力密度。以目前的發(fā)展水平，磁懸浮力密度應(yīng)保證在10 N/cm2(零場(chǎng)冷，1 mm左右最小間隙，0.5 T外磁場(chǎng))以上。用于磁力測(cè)試的儀器從最初的一維已發(fā)展到三維，楊萬民小組研發(fā)的三維測(cè)試儀，可同時(shí)測(cè)量垂直方向懸浮力和側(cè)向回復(fù)力，并能通過霍爾探頭實(shí)現(xiàn)捕獲磁通的測(cè)量[14]。對(duì)于微小間隙下的超導(dǎo)塊材磁力測(cè)試需求，袁小陽小組提出并制作了適用于100 μm以下間隙的磁力測(cè)試儀[15,16]，采用手動(dòng)代替伺服電機(jī)來精細(xì)調(diào)節(jié)小范圍內(nèi)超導(dǎo)體和永磁體之間的間隙。

若SMB進(jìn)入工程應(yīng)用，其載荷狀況將數(shù)倍惡劣于樣機(jī)和試驗(yàn)裝置，因沖擊載荷或失超[17]導(dǎo)致的軸承碰磨現(xiàn)象將不可忽視。目前關(guān)于高溫超導(dǎo)材料摩擦學(xué)性能的研究鮮有報(bào)道，其摩擦學(xué)機(jī)理尚需深入研究。超導(dǎo)體在臨界轉(zhuǎn)變溫度上下的摩擦學(xué)特性呈現(xiàn)出了奇特的現(xiàn)象，大氣環(huán)境下YBCO摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定，而在液氮環(huán)境中摩擦系數(shù)會(huì)急劇降低[18]。Dayo等[19]認(rèn)為摩擦以電子-空穴對(duì)的擴(kuò)散散射和聲子產(chǎn)生兩種能量耗散的形式存在，當(dāng)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，電阻為零，電子對(duì)摩擦的貢獻(xiàn)降到最低，因而摩擦系數(shù)會(huì)急劇降低。李長(zhǎng)生小組[20,21]對(duì)Y系和Bi系高溫超導(dǎo)體的常溫和低溫摩擦學(xué)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，提出摻雜Ag來提高超導(dǎo)體摩擦學(xué)性能的方法。Ag添加到超導(dǎo)體中可以抑制裂紋萌生和擴(kuò)展，并可在摩擦作用下向表面轉(zhuǎn)移形成Ag的轉(zhuǎn)移膜，起到減摩的作用。

超導(dǎo)材料的基礎(chǔ)性理論和實(shí)驗(yàn)研究支撐了SMB樣機(jī)的研發(fā)，在這方面國(guó)內(nèi)外的發(fā)展水平相當(dāng)。

2.2 典型結(jié)構(gòu)SMB的發(fā)展現(xiàn)狀

典型結(jié)構(gòu)SMB主要由超導(dǎo)定子和永磁轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成，按照懸浮力方向與轉(zhuǎn)子軸線方向是否平行，SMB可以分為軸向型和徑向型兩種，如圖1所示[22]。

圖1 軸向型SMB(a)和徑向型SMB(b)[22]Fig.1 Schematic of axial-type SMB (a) and radial-type SMB (b) [22]

表1對(duì)兩種類型SMB結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了比較。軸向型SMB的平板式結(jié)構(gòu)使超導(dǎo)定子可以由多塊超導(dǎo)塊材幾何組合而成，制作相對(duì)容易。徑向型SMB中超導(dǎo)定子的制備工藝要復(fù)雜的多，原因在于超導(dǎo)材料的機(jī)械加工性能差，需要采用多個(gè)圓弧瓦塊拼裝成環(huán)形定子。

表1 軸向和徑向型SMB結(jié)構(gòu)和性能比較

2.2.1 軸向型SMB

軸向型SMB的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、研制門檻較低，樣機(jī)的研制非?；钴S。其中以美國(guó)波音公司與阿貢實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制的樣機(jī)最具代表性[23,24]，如圖2所示。該軸承定子由若干六邊形塊狀YBCO塊材拼湊而成，塊材的邊長(zhǎng)約為36 mm、厚度4.5 mm，捕獲磁通3900～4600 Gs(77 k)。波音將其應(yīng)用于10 kWh級(jí)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速最高達(dá)到了23675 rpm，整個(gè)系統(tǒng)損耗低于總儲(chǔ)能的0.1%/h，軸向剛度144 N/mm、徑向剛度69 N/mm，在同級(jí)別飛輪儲(chǔ)能占領(lǐng)先地位。

圖2中的永磁轉(zhuǎn)子包含3個(gè)拼裝永磁環(huán)，永磁環(huán)由多個(gè)徑向磁化的永磁弧段拼接而成，是一種磁通型(FS)轉(zhuǎn)子。巴西里約熱內(nèi)盧大學(xué)提出了一種軸向磁化型(AM)永磁轉(zhuǎn)子[25]，拼接的永磁弧段軸向磁化，如圖3所示。相鄰兩磁環(huán)之間同極相配以提高軸向磁通梯度，從而提高懸浮力和剛度。但相比之下，F(xiàn)S型轉(zhuǎn)子質(zhì)量要輕，磁通連續(xù)規(guī)則、損耗低。

圖2 波音SMB的定子(a)和轉(zhuǎn)子(b)[24]Fig.2 Stator (a) and rotor (b) of Boeing SMB[24]

圖3 軸向磁化型永磁轉(zhuǎn)子[25]Fig.3 Axial-magnetization type permanent rotor stator[25]

日本鐵路技術(shù)研究所提出利用超導(dǎo)線圈和塊材構(gòu)建SMB的設(shè)想并制作了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚26]。定子由直徑120 mm的NbTi超導(dǎo)線圈構(gòu)成，由4K-GM制冷機(jī)直接冷卻，最大磁場(chǎng)5 T。轉(zhuǎn)子由兩塊D60 mm×h20 mm的GdBCO組成，由旋轉(zhuǎn)杜瓦中的液氮直接冷卻。1000 rpm時(shí)軸向承載力可達(dá)2500 N，遠(yuǎn)大于同尺寸永磁-超導(dǎo)型SMB的承載力。Arai等[27]制作了一個(gè)類似的小型超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖4所示。其轉(zhuǎn)子由2個(gè)SMB支撐，通過磁力聯(lián)軸器與電機(jī)聯(lián)接。SMB的定子是采用BSCCO線材繞制的電感線圈。轉(zhuǎn)子由直徑140 mm/80 mm的GdBCO塊材構(gòu)成。定子和轉(zhuǎn)子的溫度維持在12 K以下，懸浮力最大為73 N，超導(dǎo)線圈中的電流最大達(dá)到了60 A，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過2000 rpm。這種獨(dú)特的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想對(duì)于發(fā)展全超導(dǎo)磁懸浮軸承、充分利用冷卻源、提高超導(dǎo)軸承承載力有較為突出的參考價(jià)值。

圖4 采用超導(dǎo)線圈和塊材的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[27]Fig.4 Flywheel energy storage system using superconducting coil and bulk superconductors[27]

國(guó)內(nèi)關(guān)于SMB的研究起步較晚，比較有代表性的軸向SMB是2009年西南交通大學(xué)研制的雙軸向SMB飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)[28,29]，如圖5所示。2.4 kg的轉(zhuǎn)子通過上置式SMB和下置式SMB同時(shí)懸浮支撐。兩軸向SMB的定子均由7塊直徑30 mm、厚度18 mm的圓柱形YBCO塊材組成，轉(zhuǎn)子為3塊軸向磁化的圓柱形永磁體重疊構(gòu)成。轉(zhuǎn)速最高3000 rpm，軸向懸浮力和側(cè)向回復(fù)力分別為79.2 N、9.7 N。

圖5 雙軸向型SMB樣機(jī)[28]Fig.5 Double-axial superconducting bearing prototype[28]

2.2.2 徑向型SMB

徑向型SMB主要面向于臥式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的承載，其研制難度大于軸向型。原因在于圓環(huán)超導(dǎo)定子制備困難，如何將脆性的高溫超導(dǎo)塊材通過加工、拼接成圓環(huán)是關(guān)鍵之一。德國(guó)、日本、韓國(guó)、英國(guó)、中國(guó)等都有相應(yīng)的徑向SMB軸承樣機(jī)問世，面向電機(jī)、飛輪儲(chǔ)能、低溫液體泵等應(yīng)用場(chǎng)所。

2006年德國(guó)耐克森公司、布倫瑞克大學(xué)及西門子公司合作研制了應(yīng)用于4MVA超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的高溫超導(dǎo)徑向磁力軸承[30]。該軸承直徑300 mm、懸浮剛度5.1 kN/mm，其超導(dǎo)定子是由270塊YBCO正方形塊材拼接而成。徑向承載力和轉(zhuǎn)速分別達(dá)到了6900 N、3600 rpm，第一次實(shí)現(xiàn)了SMB的工業(yè)級(jí)應(yīng)用。

德國(guó)ATZ公司2001年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，最大轉(zhuǎn)速達(dá)到了17400 rpm[31]。之后2009年研制出了采用55塊超導(dǎo)體的徑向超導(dǎo)軸承[8]，徑向負(fù)載力達(dá)到了4700 N(72 K)、剛度達(dá)到了1.8 kN/mm(72 K)；軸向負(fù)載力達(dá)到了10080 N、剛度達(dá)到了4.5 kN/mm(72 K)。該軸承的熱沉設(shè)計(jì)成了雙壁環(huán)形容器結(jié)構(gòu)，既可以在外壁安裝冷卻頭傳導(dǎo)冷卻，也可填充液氮冷卻。該軸承具有占用空間小、懸浮力和剛度大、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，基本代表了徑向型SMB的發(fā)展水平。韓國(guó)電力研究院對(duì)徑向SMB在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。2001年設(shè)計(jì)的SMB使飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到了67000 rpm[32]。2007年更使飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到了驚人的51000 rpm[33]，儲(chǔ)能337 J，能夠在無電壓輸入的情況下正常運(yùn)行3.33 h。2007年韓國(guó)在歐洲應(yīng)用超導(dǎo)會(huì)議上首次公開了迄今最大飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目100 kWh級(jí)徑向SMB的研究[34]，該軸承定子由80塊矩形超導(dǎo)體拼接而成。英國(guó)劍橋大學(xué)[35]提出了一種新型全超導(dǎo)徑向軸承，如圖6所示，轉(zhuǎn)子和定子均為超導(dǎo)材料。超導(dǎo)轉(zhuǎn)子通過脈沖線圈先行磁化，捕獲磁通梯度達(dá)到了1.5 T，遠(yuǎn)大于永磁體磁場(chǎng)梯度，超導(dǎo)定子和超導(dǎo)轉(zhuǎn)子之間的懸浮力密度達(dá)到了100 N/cm2。

圖6 劍橋大學(xué)的全超導(dǎo)徑向型SMB [35]Fig.6 A novel fully superconducting radial-type SMB in Cambridge University[35]

在國(guó)內(nèi)，2011年西南交通大學(xué)研制出了用于低溫液體泵的徑向SMB[36]，超導(dǎo)定子由6塊長(zhǎng)方形YBCO構(gòu)成，轉(zhuǎn)速最高達(dá)到了3801 rpm，徑向剛度約為80 N/mm。中國(guó)科學(xué)院電工研究所張國(guó)民小組2014年為超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研制了徑向型超導(dǎo)軸承[37]，如圖7所示。其定子由32塊弧形瓦拼接成4條超導(dǎo)環(huán)，并內(nèi)嵌在兩層銅壁之間，采用液氮冷卻。最大懸浮力約為100 N，徑向剛度約為25 N/mm。

圖7 中科院的徑向型SMB定子(a)和轉(zhuǎn)子(b)[37]Fig.7 Stator (a) and rotor (b) of radial-type SMB in Chinese Academy of Sciences[37]

整體來說，國(guó)內(nèi)在SMB的應(yīng)用方面與國(guó)際先進(jìn)水平有一定差距，關(guān)鍵性能指標(biāo)并不出色，很大程度上受限于先進(jìn)機(jī)械加工手段的應(yīng)用。

2.3 超導(dǎo)混合磁力軸承的發(fā)展現(xiàn)狀

SMB是一個(gè)低阻尼系統(tǒng)，共振頻率低。通常希望SMB工作在較高的轉(zhuǎn)速下，如飛輪儲(chǔ)能、低溫泵等。因此需要提高SMB系統(tǒng)的阻尼及剛度，使其順利通過共振頻率且具有較好的抗沖擊能力。有研究者提出將SMB與PMB(永磁懸浮軸承)或AMB(電磁懸浮軸承)相組合，形成超導(dǎo)混合磁力軸承系統(tǒng)，以提高軸承承載性能和剛度特性。

日本Komori等制作了2AMB+2SMB樣機(jī)[38]，徑向SMB提供懸浮力以支撐轉(zhuǎn)子，AMB用以提高剛度抑制振動(dòng)。轉(zhuǎn)速最高可達(dá)63000 rpm，徑向振動(dòng)小于30 μm。Murakami等提出了一種PMB+SMB組合的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[39]，如圖8所示。該系統(tǒng)可儲(chǔ)能10.6 J，轉(zhuǎn)速可達(dá)5000 rpm。

圖8 PMB+SMB組合飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[39]Fig.8 Flywheel energy storage system using PMB and SMB[39]

中國(guó)科學(xué)院電工研究所在20世紀(jì)90年代末便開展了超導(dǎo)混合磁力軸承的研究，與國(guó)際基本保持了同步。方家榮等[40]提出了一種立式永磁有源超導(dǎo)混合磁力軸承(PASMB)，采用PMB用以軸向卸載，一個(gè)SMB提供穩(wěn)定懸浮力，一個(gè)AMB提高徑向剛度和阻尼，從而滿足大載荷、高剛度、高阻尼的工業(yè)級(jí)應(yīng)用需求。此外，2006年國(guó)家“863”課題“基于主動(dòng)電磁和高溫超導(dǎo)組合軸承的高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)”也面向發(fā)展超導(dǎo)混合磁力軸承。

整體來說，超導(dǎo)混合磁力軸承還是利用同性質(zhì)的磁力來提高軸承性能。由于磁場(chǎng)固有的遲滯特性，軸承的剛度性能難以得到大幅的提升。此外，這種靠增加軸承數(shù)目的方法，一定限度上也增加了系統(tǒng)復(fù)雜性同時(shí)也減低了可靠性。

2.4 西安交通大學(xué)提出的超導(dǎo)磁液復(fù)合軸承

目前所發(fā)展的SMB大部分面向于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用前景，限制其發(fā)展的原因一方面是軸承性能本身的缺陷，另一方面是SMB穩(wěn)定工作所需的低溫環(huán)境帶來能量的入不敷出。如果系統(tǒng)中具有天然低溫環(huán)境，則可大大節(jié)省冷卻成本。20世紀(jì)90年代，美國(guó)NASA工作人員[41]和日本部分研究者[42]對(duì)SMB應(yīng)用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性進(jìn)行了研究。1993年Decher R撰文討論了將SMB與滑動(dòng)軸承組合應(yīng)用于火箭渦輪泵的可行性[43]。日本超導(dǎo)國(guó)際技術(shù)研究中心于2006年9月27日公布的一份產(chǎn)業(yè)化報(bào)告書“プロジェクトの詳細(xì)説明資料事業(yè)化について(超電導(dǎo)バルク製造)”中提到，超導(dǎo)將應(yīng)用于火箭的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。目前火箭渦輪泵中所用軸承主要為滾動(dòng)軸承，由于滾動(dòng)軸承自身結(jié)構(gòu)的影響，渦輪泵的最高轉(zhuǎn)速也受到一定的限制，制約了火箭運(yùn)載能力的提升。因此采用新型軸承來替代滾動(dòng)軸承是一種發(fā)展趨勢(shì)。

近年來，西安交通大學(xué)袁小陽課題組在國(guó)家自然科學(xué)基金“超導(dǎo)磁斥力與液膜力復(fù)合新型軸向徑向聯(lián)合軸承的建模和實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目的資助下，以新一代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為應(yīng)用前景，提出了一種超導(dǎo)磁液復(fù)合軸承方案[44,45]，如圖9所示。

該軸承最大特色在于一種可稱為“超導(dǎo)可傾瓦”的結(jié)構(gòu)，即圓形或扇形超導(dǎo)瓦，其安裝方式不同于典型SMB中的固定安裝方式，它安裝在可產(chǎn)生彈性變形的碟簧和可傾支點(diǎn)上?？蓛A瓦軸承結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用廣泛，一般認(rèn)為其具有天然穩(wěn)定性，可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)子高速穩(wěn)定性。工作時(shí)，低溫燃料被泵入軸系中，浸泡在低溫介質(zhì)中的超導(dǎo)復(fù)合軸承在高速旋轉(zhuǎn)的永磁體推力盤的作用下，除了超導(dǎo)磁力，還有因瓦塊輕微擺動(dòng)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力。

圖9 超導(dǎo)磁液復(fù)合軸向(a)和徑向(b)軸承方案[44]Fig.9 Structural diagram of axial-type (a) and radial-type (b) superconducting compound bearing[44]

火箭的燃料一般以過冷狀態(tài)儲(chǔ)存在燃料箱中，液氧和液氫溫度分別約為70 K和30 K，能使高溫超導(dǎo)體冷卻良好。此外液體燃料作為潤(rùn)滑介質(zhì)，在超導(dǎo)瓦與推力盤之間形成液膜以承載。基于此，該軸承實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)磁力與動(dòng)壓液膜力的復(fù)合。超導(dǎo)磁力可保證在火箭啟停階段無接觸摩擦(超導(dǎo))，動(dòng)壓液膜力則可保證穩(wěn)定運(yùn)行階段的高剛度要求。

圖10為超導(dǎo)磁液復(fù)合軸承在火箭渦輪泵中的應(yīng)用方案。該軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用超平衡設(shè)計(jì)，即正常狀態(tài)下平衡裝置平衡力Fp大于軸承力Fz與葉輪力Fy之和。優(yōu)勢(shì)在于：當(dāng)火箭啟動(dòng)瞬間，產(chǎn)生一個(gè)向上的加速度(5 g)，平衡力不能平衡這個(gè)沖擊載荷，雙向推力軸承的軸承力反向，以避免直接碰磨。該軸系軸向采用一個(gè)雙向推力超導(dǎo)磁液復(fù)合軸承，徑向采用2個(gè)徑向型超導(dǎo)磁液復(fù)合軸承，不再采用存在機(jī)械摩擦的滾動(dòng)軸承。

圖10 超導(dǎo)磁液復(fù)合軸承在火箭渦輪泵中的應(yīng)用[44]Fig.10 Application scheme of superconducting compound bearing in rocket engine[44]

復(fù)合軸承兼具了超導(dǎo)軸承摩擦小和動(dòng)壓液膜軸承剛度大的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于發(fā)展新一代高速火箭渦輪泵有價(jià)值。值得注意的是，超導(dǎo)磁液復(fù)合軸承還存在一個(gè)“尺寸”問題：由于低溫燃料的低粘特性，高速下動(dòng)壓液膜軸承的膜厚經(jīng)計(jì)算在20～50 μm左右，而高溫超導(dǎo)材料是一種金屬陶瓷，機(jī)械加工性差，所能達(dá)到的表面粗糙度與膜厚數(shù)量級(jí)相同，使得這種超導(dǎo)磁液復(fù)合軸承的應(yīng)用存在一定的困難。因此提出采用添加銅套來解決這個(gè)問題，將超導(dǎo)瓦塊安裝在銅套之中。由于銅是非磁性材料，不會(huì)影響磁通線的分布，對(duì)超導(dǎo)磁場(chǎng)的影響有限。銅的加工性能優(yōu)良，表面粗糙度可以做到遠(yuǎn)低于膜厚數(shù)值，并使得可傾支點(diǎn)的安裝更方便。

3 有待研究的問題

通過對(duì)SMB發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)，自從1987年康奈爾大學(xué)首先研制出轉(zhuǎn)速10000 rpm的樣機(jī)，近20年來SMB的發(fā)展遲緩，未有重大突破。原因在于SMB的性能沒有提高到可以大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的級(jí)別，軸承材料、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用等方面還有待深入研究，具體來說：

(1)高性能超導(dǎo)軸承材料的研制。對(duì)現(xiàn)有的Y系超導(dǎo)材料來說，制備高性能大尺寸單疇塊材仍是全世界范圍內(nèi)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。雖然法國(guó)報(bào)道其制備了直徑100 mm左右的單疇，但工藝的可重復(fù)性差，距離大批量的制備還很遙遠(yuǎn)，原因在于：YBCO層狀生長(zhǎng)機(jī)制導(dǎo)致生產(chǎn)速度極慢，而YBCO的生長(zhǎng)窗口很小，使得生長(zhǎng)前沿容易再形核破壞晶疇的長(zhǎng)大；制備過程中添加的Y211粒子長(zhǎng)大阻礙了單疇的生長(zhǎng)；生長(zhǎng)前沿液相流失，迫使123單疇停止生長(zhǎng)。此外，高溫超導(dǎo)體中固有的磁通蠕動(dòng)現(xiàn)象會(huì)進(jìn)一步減弱SMB的承載性能，永磁轉(zhuǎn)子中的渦流損耗會(huì)使得轉(zhuǎn)速逐漸減小[46]。因此有必要對(duì)已有高溫超導(dǎo)塊材的制備工藝進(jìn)行改善，并致力于新型超導(dǎo)軸承材料的開發(fā)，同時(shí)提高材料的機(jī)械加工性能；

(2)軸承材料的摩擦學(xué)性能和SMB的失超保護(hù)研究。SMB進(jìn)入工程應(yīng)用后，因沖擊載荷或失超導(dǎo)致的軸承碰磨現(xiàn)象不可忽視。高溫超導(dǎo)材料在液氮溫區(qū)呈現(xiàn)出了減摩效應(yīng)甚至超滑，應(yīng)該得到足夠的重視。SMB的穩(wěn)定運(yùn)行需要極低的低溫，一旦失超，軸承將發(fā)生機(jī)械摩擦，室溫下的超導(dǎo)軸承材料摩擦磨損嚴(yán)重，會(huì)帶來系統(tǒng)安全性的急劇降低，因此有必要加強(qiáng)對(duì)SMB失超保護(hù)的原理、結(jié)構(gòu)等方面的研究；

(3)SMB動(dòng)態(tài)特性表征和高速穩(wěn)定性研究。在傳統(tǒng)的軸承轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)中，軸承的動(dòng)力特性可以通過剛度、阻尼系數(shù)來表征，從而建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，研究轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的高速穩(wěn)定性。SMB雖然有剛度和阻尼系數(shù)的簡(jiǎn)單定義，但一般表述認(rèn)為SMB始終是無源自穩(wěn)定的，很少關(guān)注SMB的高速穩(wěn)定性或者說這種穩(wěn)定性的研究手段缺乏，有必要發(fā)展并深入研究；

(4)復(fù)合型軸承結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。原理上來說SMB與PMB、AMB和液膜軸承的復(fù)合可以提高軸承的性能，但這種復(fù)合有時(shí)候是耦合的，兩兩之間的關(guān)系和影響不夠明確，一方面需要加強(qiáng)理論研究，更多的是需要實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)問題并驗(yàn)證相應(yīng)的理論。

4 應(yīng)用前景

目前所開發(fā)出的SMB樣機(jī)大部分都是面向飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于摩擦系數(shù)極低的SMB可以大大降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量損耗，可以預(yù)見這一熱門應(yīng)用將一直持續(xù)。近年來SMB的應(yīng)用前景范圍在大量研究者的努力下不斷拓寬，總結(jié)來說還有：

(1)具有天然低溫環(huán)境的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、低溫液體泵等[47]。自帶的低溫環(huán)境為SMB的穩(wěn)定運(yùn)行提供了必要的工作溫度，簡(jiǎn)化了軸承結(jié)構(gòu)。在目前超導(dǎo)材料的技術(shù)限制下是一種成本較為低廉的應(yīng)用。此外，這些機(jī)械中的低溫液體可以充當(dāng)液膜軸承的潤(rùn)滑劑，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)磁力與液膜力的復(fù)合，提高軸承的承載性能和動(dòng)力學(xué)性能。理論上說，這種磁液復(fù)合軸承距離應(yīng)用已不遠(yuǎn)；

(2)太空和深空應(yīng)用。太空中固有的低溫環(huán)境也使得SMB具有明顯的優(yōu)勢(shì)。利用SMB實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)可以提供旋轉(zhuǎn)能量和角動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的能量?jī)?chǔ)存與姿態(tài)控制一體化[48]；

(3)其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如紡織機(jī)械[49]等。德國(guó)Sparing等采用SMB來降低紡紗過程中因摩擦產(chǎn)生的熱量，并使轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到了11000 rpm，提高了紡紗效率。

整體來說，低摩擦、高速的SMB具有巨大的潛在工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 語

本文從原理和結(jié)構(gòu)特征角度綜述了近年來國(guó)內(nèi)外超導(dǎo)磁懸浮軸承樣機(jī)的典型研究成果，結(jié)合發(fā)展現(xiàn)狀探討了領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)和應(yīng)用前景，形成以下結(jié)論：

(1)高溫超導(dǎo)材料的磁懸浮密度目前最高約18～20 N/cm2(0.5 T，77 K)遠(yuǎn)低于理論預(yù)估最高值，且機(jī)械加工性差，制約了SMB承載性能的提升，需要從制備工藝和新材料開發(fā)角度提高材料性能；

(2)SMB的動(dòng)力特性應(yīng)與轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)結(jié)合研究，對(duì)超導(dǎo)材料的動(dòng)力特性和超導(dǎo)軸系的高速穩(wěn)定性應(yīng)加強(qiáng)重視；

(3)超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能作為目前SMB最熱門的應(yīng)用前景，其發(fā)展趨勢(shì)是功率大型化。發(fā)展大型的超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能電站，具有以極低的能量損耗取代現(xiàn)有成熟技術(shù)的優(yōu)勢(shì)；

(4)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是SMB最有前景的應(yīng)用場(chǎng)所之一，其發(fā)展趨勢(shì)是高速化。SMB與液體支撐技術(shù)的復(fù)合支持發(fā)展新一代高速火箭渦輪泵，在獲取更高轉(zhuǎn)速的同時(shí)兼顧了高速穩(wěn)定性；

(5)單純的超導(dǎo)軸系需要向混合支撐軸系發(fā)展，將SMB與成熟支撐技術(shù)復(fù)合，推進(jìn)SMB的應(yīng)用進(jìn)程。

References

[1] Ouyang Wu(歐陽武), Zhao Zhiming(趙志明), Ge Qing (葛慶),etal.JournalofVibrationandShock(振動(dòng)與沖擊)[J], 2012, 31(S): 231-236.

[2] Zhang F, Ouyang W, Hong H,etal.TribologyInternational[J], 2015, 88: 228-235.

[3] Valiente-Blanco I, Diez-Jimenez E, Cristache C,etal.TribologyLetters[J], 2014, 54(3): 213-220.

[4] Pesch A H, Smirnov A, Pyrh?nen O,etal.IEEE/ASMETransactionsonMechatronics[J], 2015, 20(3): 1448-1457.

[5] Jiang S, Wang H, Wen S.JournalofMechanicalScienceandTechnology[J], 2014, 28(12): 5043-5053.

[6] Wu M K, Ashburn J R, Torng C J,etal,PhysRevLett[J], 1987, 58(9): 908-910.

[7] Zhang Cuiping(張翠萍).ThesisforDoctorate(博士論文)[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2010.

[8] Hou Jiejie(侯潔潔).DissertationforMaster(碩士論文)[D]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University, 2015.

[9] Moon F C.SuperconductingLevitationApplicationstoBearingsandMagneticTransportation[M]. Wiley-Interscience, 1994: 198-212.

[10]Ma K B, Postrekhin Y V, Chu W K.RevSciInstrum[J], 2003, 74(12): 4989-5017.

[11]Zhang X, Zhou Y, Zhou J.IEEETransApplSupercond[J], 2008, 18(3): 1687-1691.

[12]Zhang X, Zhou Y, Zhou J.ModPhysLettB[J], 2008, 22(7): 499-506.

[13]Zhang X, Zhou Y, Zhou J.ModPhysLettB[J], 2008, 22(7): 2659-2666.

[14]Yang W M, Chao X X, Shu Z B,etal.PhysicaC[J], 2006, (445-448): 347-352.

[15]Xu Jimin(許吉敏), Hou Jiejie(侯潔潔), Wu Jiuhui(吳九匯),etal.Engineering&Test(工程與試驗(yàn))[J], 2014, (s): 44-48+65.

[16]Yuan Xiaoyang(袁小陽), Xu Jimin(許吉敏), Ding Defu(丁德甫),etal. China, CN104180750A[P]. 2014-12-10.

[17]Fu Y, Tsukamoto O, Furuse M.IEEETransApplSupercond. [J], 2003, 13(2), 1780-1783.

[18]Kuleba VI, Ostrovskaya Ye L, Pustovalov V V.TribologyInternational[J], 2001, (34): 237-246.

[19]Dayo A, Alnasrallah W, Krim J.PhysRevLett[J], 1998, 80(8): 1690-1693.

[20]Ding Q, Li C, Dong L,etal.Wear[J], 2008, 265: 1136-1141.

[21]Dong Lirong(董麗榮).ThesisisforDoctorate[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2009.

[22]Yu Zhiqiang(余志強(qiáng)), Zhang Guomin(張國(guó)民), Qiu Qingquan(邱清泉),etal.AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy(電工電能新技術(shù))[J], 2014, 33(7): 55-61.

[23]Day A C, Strasik M, McCrary K E,etal.SupercondSciTechnol[J], 2002, 15: 838-841.

[24]Strasik M, Hull J R, Mittleider J A,etal.SupercondSciTechnol[J], 2010, 23: 034021(5pp).

[25]Sotelo G G, Ferreira A C, Andrade R De.IEEETransApplSupercond[J], 2005, 15(2): 2253-2256.

[26]Nagashina K, Seino H, Sakai N,etal.PhysicaC[J], 2009, 469: 1244-1249.

[27]Arai Y, Seino H, Yoshizawa K,etal.PhysicaC[J], 2013, 494: 250-254.

[28]Deng Zigang(鄧自剛), Li Qunxu(李群煦), Wang Jiasu(王家素),etal.ChineseJournalofLowTemperaturePhysics(低溫物理學(xué)報(bào))[J], 2009, 31(4): 311-314.

[29]Deng Z, Li Q, Wang J,etal.Cryogenics[J], 2009, 49: 259-262.

[30]Walter H, Bock J, Frohne C,etal.JournalofPhysics:ConferenceSeries[J], 2006, 43: 995-998.

[31]Werfel F N, Floegel-Delor U, Rothfeld R,etal.IEEETransApplSupercond[J], 2001, 11(1): 1737-1740.

[32]Sung T H, Lee J S, Han Y H,etal.Cryogenics[J], 2001, 41(7): 461-467.

[33]Lee K, Kim B, Ko J,etal.SupercondSciTechnol[J], 2007, 20(7): 634-639.

[34]Hart Y H, Jung S Y, Lee J P,etal. Characteristics of a Superconductor Journal Bearing Substator for a 100 kWh SFES [C]. 8thEuropeanConferenceonAppliedSuperconductivity. Brussels, 2007: 16-20.

[35]Patel A, Palka R, Glowacki B A.SupercondSciTechnol[J], 2011, 24: 015009 (8pp).

[36]Lin Q, Jiang D, Ma G,etal.IEEETransApplSupercond[C], 2012, 22(3): 5201604(4pp).

[37]Yu Z, Zhang G, Qiu Q,etal.IEEETransApplSupercond[J], 2014, 24(3): 5700405(5pp).

[38]Kormori M, Kumamoto M, Kobayashi H.IEEETransApplSupercond[J], 1998, 8(2): 79-83.

[39]Murakami K, Komori M, Mitsude H,etal.Cryogenics[J], 2007, 47: 272-277.

[40]Fang Jiarong(方家榮), Lin Liangzhen(林良真), Xia Pingchou(夏平疇),etal.AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergys(電工電能新技術(shù))[J], 2000, 1: 27-31.

[41]Heinen V O, Sokoloski M M, Aron P R,etal.AdvancesinSuperconductivityIV[J], 1992, pp11-15.

[42]Yoshida K, Ohashi T, Shiraish K,etal.FeasibilityStudyofSuperconductingLSMRocketLauncherSystem[R]. Faculty of Eng, Kyushu Uni, Fukuoka, 1994.

[43]Decher R, Peters P N, Sisk R C,etal.AppliedSuperconductivity[J], 1993, 1(7-9): 1265-1278.

[44]Xu J, Chen R, Hong H,etal.IEEETransApplSupercond[J], 2015, 25(6), 3601908(8pp).

[45]Xu J, Yuan X, Zhang C,etal.IEEETransApplSupercond[J], 2016, 25(3), 3600505(5pp).

[46]Demachi K, Masaie I, Ichihara T,etal.PhysicaC[J], 2005, 426-431: 826-833.

[47]Zhu Shengliang(朱圣良), Yuan Chunyan(袁春燕).Cryo&Supercond(低溫與超導(dǎo))[J], 2010, 39(2): 25-29+80.

[48]Zhang Y, Postrekhin Y, Ma K B,etal.SupercondSciTechnol[J], 2002, 15(5): 823-825.

[49]Sparing M, Hossain M, Berger D,etal.IEEETransApplSupercond[J], 2015, 25(3): 3600504(4pp).

(編輯 蓋少飛)

Development Status and Prospects of High-TcSuperconducting Magnetic Bearing

XU Jimin，ZHANG Fei，JIN Yingze，ZHANG Fan，YUAN Xiaoyang

(Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Pinning effect of flux in type II high temperature superconductor (HTS) can make superconductor be stably suspended in external magnetic field without active controlling. By adopting this passive self-stability, high temperature superconducting magnetic bearing (HTSMB) can realize the high speed relative motion between parts without mechanical friction. HTSMB has been demonstrated fascinating application prospects in rotating machinery, flywheel energy storage system, transportation system, and so on. During the past years, the development of HTSMB has made remarkable achievements worldwide. Design ideas, structures and application environments of HTSMB have been expanded accordingly. This paper summarizes typical HTSMB prototypes from the perspective of structural features. A kind of superconducting compound bearing proposed by Xi’an Jiaotong University and its application scheme in liquid rocket are introduced specially. This novel bearing is a combination of HTSMB and fluid film bearing. Based on the development status, issues to be studied and application prospects of HTSMB are discussed. This paper points out that HTSMB should be developed to compound bearing to advance the application process.

pinning; passive self-stability; HTSMB; development status; application prospects.

2015-12-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175408)

許吉敏，男，1989年生，博士研究生

袁小陽，男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email: xyyuan@mail.xjtu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.05.01

TP391.9

A

1674-3962(2017)05-0321-08