超導(dǎo)磁軸承在紡紗中的應(yīng)用

本刊記者 劉雅/譯

由德國研究基金會支持，德國金屬材料研究所、德國固體和材料研究所與德國紡織機(jī)械和高性能材料技術(shù)研究所三方研究學(xué)者針對“超導(dǎo)磁軸承（SMB）在紡紗上作為加捻元件的應(yīng)用”課題近期發(fā)布于國際性電氣和電子工程學(xué)報《IEEE Transaction》上。本刊記者特別整理了相關(guān)精華內(nèi)容，帶大家了解最尖端的紡紗新技術(shù)。

Q:什么是高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承（以下簡稱SMB）？它系統(tǒng)工作的原理及組成是什么？

A:SMB最原始的結(jié)構(gòu)是由一塊永磁體和高溫超導(dǎo)塊材，永磁體可穩(wěn)定懸浮于高溫超導(dǎo)塊材的上方或下方。液氮溫度下，塊材進(jìn)入超導(dǎo)混合態(tài)后，針扎中心的磁通線被超導(dǎo)體俘獲，當(dāng)超導(dǎo)體俘獲了足夠的磁通時，便使轉(zhuǎn)子自由懸浮在某一位置上。

系統(tǒng)主要包括定子、轉(zhuǎn)子和低溫裝置三部分。由于高溫超導(dǎo)體材料需要冷卻，一般由高溫超導(dǎo)體作定子，永磁體作轉(zhuǎn)子。

由于具有自穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，使SMB可實(shí)現(xiàn)無源的高速無摩擦旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。SMB綜合性能明顯優(yōu)于機(jī)械軸承和電磁軸承，為大幅度提高現(xiàn)有機(jī)器設(shè)備的性能及升級換代提供了新的途徑。

Q:SMB在紡紗領(lǐng)域有何用途？

A:SMB正被研究用于各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械（電機(jī)、飛輪）中的應(yīng)用和線性運(yùn)輸系統(tǒng)。紡織機(jī)械的高轉(zhuǎn)速頻率是SMB的另一個十分有前途的應(yīng)用領(lǐng)域。在短纖維紗的生產(chǎn)中，環(huán)錠紡是最廣泛使用的技術(shù)。但環(huán)錠紡紗的主要問題是，工藝的生產(chǎn)率取決于主軸轉(zhuǎn)速，紗線的生產(chǎn)率不能進(jìn)一步提高。這是因?yàn)殡S著錠子轉(zhuǎn)速的增加，加捻元件產(chǎn)生大量的摩擦熱。這種摩擦熱損害了加捻元件，即鋼絲圈系統(tǒng)，并降低了成紗質(zhì)量。為最大程度減小摩擦,磁懸浮軸承成為一種理想的選擇。本文提出了一種旋轉(zhuǎn)環(huán)形SMB對短纖紗生產(chǎn)紡織機(jī)無摩擦加捻元件。

Q:目前SMB作為紡紗加捻元件取得的實(shí)驗(yàn)成果有哪些？

普通環(huán)錠紡與SMB環(huán)錠紡加捻部件對比

A:課題研究SMB作為加捻元件的動機(jī)是希望提高環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的轉(zhuǎn)速可超過25 000 r/min，以實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量。所以研究者設(shè)計(jì)一個簡單的原型推力軸承實(shí)現(xiàn)在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上實(shí)現(xiàn)加捻動作。SMB作為加捻元件，由一個旋轉(zhuǎn)的永磁環(huán)驅(qū)動鋼絲圈和一個固定的超導(dǎo)環(huán)組成。超導(dǎo)環(huán)（內(nèi)徑46 mm，外徑76 mm）是由YBCO的樣品組裝，并通過熔融加工技術(shù)制備。軸向磁化的釹鐵硼環(huán)（內(nèi)徑42 mm，外徑76mm，高6mm）被用作永磁環(huán)形。

對紡紗過程的加速，永磁環(huán)的第一個障礙是在超過25000轉(zhuǎn)/分鐘的高速度下保證釹鐵硼拉伸強(qiáng)度。如果有必要的，超導(dǎo)環(huán)以及永磁環(huán)形的磁場分布可以進(jìn)一步優(yōu)化，以提高軸承剛度。實(shí)驗(yàn)證明SMB在適度的剛度可充分滿足環(huán)錠紡紗機(jī)的需要，其諧振頻率低于環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，為5000轉(zhuǎn)/分鐘和25000轉(zhuǎn)/分鐘。

最終，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在該加捻元件作用下，鋼領(lǐng)與鋼絲圈之間的摩擦幾乎完全消除。普通紗支的紗線在這個新奇的紡捻元件下最高可實(shí)現(xiàn)36500轉(zhuǎn)/分鐘的速度，且成紗質(zhì)量與同支數(shù)傳統(tǒng)的環(huán)錠紡成紗質(zhì)量一致。