超导磁轴承在纺纱中的应用

本刊记者 刘雅/译

由德国研究基金会支持，德国金属材料研究所、德国固体和材料研究所与德国纺织机械和高性能材料技术研究所三方研究学者针对“超导磁轴承（SMB）在纺纱上作为加捻元件的应用”课题近期发布于国际性电气和电子工程学报《IEEE Transaction》上。本刊记者特别整理了相关精华内容，带大家了解最尖端的纺纱新技术。

Q:什么是高温超导磁悬浮轴承（以下简称SMB）？它系统工作的原理及组成是什么？

A:SMB最原始的结构是由一块永磁体和高温超导块材，永磁体可稳定悬浮于高温超导块材的上方或下方。液氮温度下，块材进入超导混合态后，针扎中心的磁通线被超导体俘获，当超导体俘获了足够的磁通时，便使转子自由悬浮在某一位置上。

系统主要包括定子、转子和低温装置三部分。由于高温超导体材料需要冷却，一般由高温超导体作定子，永磁体作转子。

由于具有自稳定的优点，使SMB可实现无源的高速无摩擦旋转运行。SMB综合性能明显优于机械轴承和电磁轴承，为大幅度提高现有机器设备的性能及升级换代提供了新的途径。

Q:SMB在纺纱领域有何用途？

A:SMB正被研究用于各种旋转机械（电机、飞轮）中的应用和线性运输系统。纺织机械的高转速频率是SMB的另一个十分有前途的应用领域。在短纤维纱的生产中，环锭纺是最广泛使用的技术。但环锭纺纱的主要问题是，工艺的生产率取决于主轴转速，纱线的生产率不能进一步提高。这是因为随着锭子转速的增加，加捻元件产生大量的摩擦热。这种摩擦热损害了加捻元件，即钢丝圈系统，并降低了成纱质量。为最大程度减小摩擦,磁悬浮轴承成为一种理想的选择。本文提出了一种旋转环形SMB对短纤纱生产纺织机无摩擦加捻元件。

Q:目前SMB作为纺纱加捻元件取得的实验成果有哪些？

普通环锭纺与SMB环锭纺加捻部件对比

A:课题研究SMB作为加捻元件的动机是希望提高环锭细纱机的转速可超过25 000 r/min，以实现更高的产量。所以研究者设计一个简单的原型推力轴承实现在环锭细纱机上实现加捻动作。SMB作为加捻元件，由一个旋转的永磁环驱动钢丝圈和一个固定的超导环组成。超导环（内径46 mm，外径76 mm）是由YBCO的样品组装，并通过熔融加工技术制备。轴向磁化的钕铁硼环（内径42 mm，外径76mm，高6mm）被用作永磁环形。

对纺纱过程的加速，永磁环的第一个障碍是在超过25000转/分钟的高速度下保证钕铁硼拉伸强度。如果有必要的，超导环以及永磁环形的磁场分布可以进一步优化，以提高轴承刚度。实验证明SMB在适度的刚度可充分满足环锭纺纱机的需要，其谐振频率低于环锭细纱机，为5000转/分钟和25000转/分钟。

最终，实验数据表明，在该加捻元件作用下，钢领与钢丝圈之间的摩擦几乎完全消除。普通纱支的纱线在这个新奇的纺捻元件下最高可实现36500转/分钟的速度，且成纱质量与同支数传统的环锭纺成纱质量一致。