超導磁軸承在紡紗中的應用

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械和高性能材料技術研究所三方研究學者針對“超導磁軸承（SMB）在紡紗上作為加捻元件的應用”課題近期發布于國際性電氣和電子工程學報《IEEE Transaction》上。本刊記者特別整理了相關精華內容，帶大家了解最尖端的紡紗新技術。

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

A:SMB最原始的結構是由一塊永磁體和高溫超導塊材，永磁體可穩定懸浮于高溫超導塊材的上方或下方。液氮溫度下，塊材進入超導混合態后，針扎中心的磁通線被超導體俘獲，當超導體俘獲了足夠的磁通時，便使轉子自由懸浮在某一位置上。

系統主要包括定子、轉子和低溫裝置三部分。由于高溫超導體材料需要冷卻，一般由高溫超導體作定子，永磁體作轉子。

由于具有自穩定的優點，使SMB可實現無源的高速無摩擦旋轉運行。SMB綜合性能明顯優于機械軸承和電磁軸承，為大幅度提高現有機器設備的性能及升級換代提供了新的途徑。

Q:SMB在紡紗領域有何用途？

A:SMB正被研究用于各種旋轉機械（電機、飛輪）中的應用和線性運輸系統。紡織機械的高轉速頻率是SMB的另一個十分有前途的應用領域。在短纖維紗的生產中，環錠紡是最廣泛使用的技術。但環錠紡紗的主要問題是，工藝的生產率取決于主軸轉速，紗線的生產率不能進一步提高。這是因為隨著錠子轉速的增加，加捻元件產生大量的摩擦熱。這種摩擦熱損害了加捻元件，即鋼絲圈系統，并降低了成紗質量。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環形SMB對短纖紗生產紡織機無摩擦加捻元件。

Q:目前SMB作為紡紗加捻元件取得的實驗成果有哪些？

普通環錠紡與SMB環錠紡加捻部件對比

A:課題研究SMB作為加捻元件的動機是希望提高環錠細紗機的轉速可超過25 000 r/min，以實現更高的產量。所以研究者設計一個簡單的原型推力軸承實現在環錠細紗機上實現加捻動作。SMB作為加捻元件，由一個旋轉的永磁環驅動鋼絲圈和一個固定的超導環組成。超導環（內徑46 mm，外徑76 mm）是由YBCO的樣品組裝，并通過熔融加工技術制備。軸向磁化的釹鐵硼環（內徑42 mm，外徑76mm，高6mm）被用作永磁環形。

對紡紗過程的加速，永磁環的第一個障礙是在超過25000轉/分鐘的高速度下保證釹鐵硼拉伸強度。如果有必要的，超導環以及永磁環形的磁場分布可以進一步優化，以提高軸承剛度。實驗證明SMB在適度的剛度可充分滿足環錠紡紗機的需要，其諧振頻率低于環錠細紗機，為5000轉/分鐘和25000轉/分鐘。

最終，實驗數據表明，在該加捻元件作用下，鋼領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現36500轉/分鐘的速度，且成紗質量與同支數傳統的環錠紡成紗質量一致。