大支承刚度超导静电混合悬浮支承系统的研究

Gyroscope has an vital role in national defense construction and outer space exploration. However, the rotor bearing stiffness and precision are strictly required in some extreme enviromemts, how to design bearing system with high stiffness and precision is the key problem. Superconducting suspension and electrostatic suspension bearings are new generation of non-contact bearing system,usually adopted by high precision gyroscope, but the bearing stiffness is not high enough. Since electrostatic field and static magnetic field do not couple with each other, it is feasible to conbime these two suspension systems to realize suspension bearing system with high stiffness and precision. However, how to combine these two suspension bearing system organically is the key technology to achieve high stiffness bearing system. This project takes the four-axis electrostatic suspension bearing system as a research object, and will study the model of magnetic suspension force, model of the electrostatic force, influence of insulation in bearing gap on performance of the system, anaysis of four-axis displacement measurement, electrostatic suspension bearing at low temperature and so on. Through the suspension experiment of the four-axis electrostatic suspension bearing system and systematical analysis with combination of the superconducting magnetic suspension technology, this project will lay a theoretical and technical foundation for high stiffness hybrid suspension bearing system of superconducting suspension and electrostatic suspension.

陀螺仪在国防建设和外太空探索中具有极为重要的作用，而一些极端应用环境又对转子支承刚度和精度有着苛刻的要求，如何设计高支承刚度和精度的转子支承系统十分关键。超导磁悬浮支承和静电悬浮支承是新一代高精度陀螺仪采用的非接触式支承方案，但支承刚度不太高。因为静电场和静磁场互不耦合，可以考虑将两种悬浮支承方案结合起来以实现高刚度支承和精度的悬浮支承系统。然而，如何将两种悬浮支承系统有机结合起来则是实现大刚度支承系统的关键技术。本项目以易于实现混合悬浮支承的超导磁悬浮支承系统和四轴静电悬浮支承系统为研究对象，对其磁浮力模型、静电力模型、支承间隙绝缘对系统性能的影响、四轴位移测量模型分析、静电支承系统低温化处理等方面进行研究。本项目旨在通过在常温下验证基于电极绝缘的四轴静电悬浮支承系统的可行性，并结合超导磁悬浮支承技术进行系统分析，为实现大刚度混合悬浮支承系统提供理论和技术基础。

本项目根据惯性导航领域的需要，提出一种基于现有超导磁悬浮支承结构的超导静电混合悬浮支承结构，将两种悬浮支承技术方案结合起来，取长补短，力求兼顾精度与支承刚度，实现一种大刚度、高可靠性的混合悬浮支承系统。为实现这一目的，本项目进行了以下研究：1)研究混合悬浮支承系统中超导磁悬浮的力学模型。根据纯铌转子的电磁特性和悬浮支承结构特点，寻求一种求解间隙磁场的解析方法用来求解转子受到的磁悬浮力，并用有限元方法进行验证。2)研究基于电极绝缘的四轴斜交静电支承系统的系统建模问题，包括转子的静电力模型、间隙电容与转子微位移之间的关系、间隙绝缘对静电悬浮力和位移测量模型的影响等。3)设计基于电极绝缘的位移测量电路以及悬浮支承需要的控制系统。研究设计静电支承用线性高压放大器以及相应的控制器并进行静电悬浮支承实验，验证系统模型、测量系统、绝缘等部分是否满足设计要求。4)通过开展上述研究，本项目建立了混合悬浮支承系统中的超导磁悬浮和静电悬浮的力学模型，分析量化了转子四轴位移测量系统中间隙电容与转子位移之间的关系，解决小间隙支承系统的绝缘问题，并设计制作了基于电极绝缘的四轴位移测量传感器。根据悬浮支承系统的需要，设计制作了静电支承用的线性高压放大器以及相应的控制器，并在常温真空条件下实现了转子的稳态悬浮。而后提出了解决低温下转子绝缘问题的方法，为下一阶段混合悬浮支承技术储备。.本项目验证了基于超导磁悬浮系统的四轴斜交静电悬浮支承系统的方案可行性，也证明了通过将静电悬浮和超导磁悬浮结合起来实现大刚度悬浮支承系统是可行的，虽然静电悬浮支承系统低温化以及超导、静电系统整合会带来一些工程难点，但通过持续的技术研发和人力投入是有望快速实现工程化的。