专利名称：具有高温超导元件的磁性轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1所述的具有高温超导元件的磁性轴承。
背景技术：
由现有技术公开了一种磁性轴承，在该磁性轴承中，转子可旋转地容纳在定子中 并且在轴向以及径向上得到支承。因为根据厄恩肖原理仅仅用永磁体不能通过定子持续 地支承转子，所以所谓的主动的磁性轴承对定子进行持续的再调整。虽然借此这种主动磁 性轴承可以在一定程度上较少摩擦地支承转子，能够承受较大的轴承力并且具有较高的刚 性，然而却需要较高的控制和调节成本。由现有技术公开了另外的磁性轴承，在这种磁性轴承中，要么为转子要么为定子 配备一个超导元件。JP 01141222AA(摘要)描述了一种磁性轴承，其中将超导材料固定在转子的轴的 柄段上，并且其中定子包括两个同样超导线圈，该超导线圈径向支承转子。为了轴向支承转 子，设置两个另外的由超导材料制成的线圈以及多个传感器，这些传感器检测转子在定子 中的轴向和径向位移。作为传感器的测量值的结果，控制和调节用于轴向支承转子的线圈 以及用于径向支承转子的线圈。由此，该磁性轴承为了径向和轴向的支承包括两个相互独 立的线圈系统，支承需要用于调整的额外的控制和调节。该磁性轴承在总体上需要测量回 路和控制回路，从而不存在自调节。用于超导线圈的电线的材料是超导金属或者其合金，该 材料要求非常低的温度(在大约IOK以下)，从而需要配备复杂的冷却装置，以运行磁性轴 承。JP 01030920AA(摘要)描述了一种磁性轴承，其中在激励线圈的转子上以及在定 子上设置超导材料。如果超导材料处于超导状态并且停止转子，那么在激励线圈中产生直 流电，该直流电引起磁场，该磁场将转子与定子保持距离。在此，磁性轴承用作自激活的定 位器轴承。JP 01026018AA(摘要)描述了一种磁性轴承，其中在转子的罩面上布置了磁体并 且该定子包括高温超导线圈。如果转子振动或者转子从其额定旋转轴线发生位移，那么在 超导线圈中感应出涡流，其磁场将复位力施加到转子上。US 7，012，347B2描述了一种具有冷却装置的超导转子，其中超导转子包括超导场线圈。US 5，256，637A在第一实施例中描述了超导磁性轴承，其中超导的线圈由高温超 导的材料制成，其不仅设置在转子上而且也设置在定子上。第二实施例不仅提出了超导 线圈，而且也提出了正常传导的线圈，其中超导线圈承受基本上静态的力并且正常传导的 线圈承受动态的力例如振动。为此，如在主动的磁性轴承中那样触发和调节正常传导的 (normalleitend)线圈。EP 1 884 671 Al描述了一种磁性轴承，其中转子沿轴向借助于超导线圈得到支 承并且沿径向借助于另一线圈得到支承。另外的线圈与铁磁的区段共同作用，该区段固定地布置在转子的主体上。JP 57083141AA(摘要)描述了一种磁性轴承，其中超导的线圈布置在定子上并且 另一超导的线圈布置在转子上。转子上的超导的线圈只有在转子制动时才过渡到超导状态 中，从而在这种情况下该磁性轴承用作自激活的定位器轴承。JP 07293564AA(摘要)描述了一种磁性轴承，该磁性轴承包括磁性的节流喷嘴， 该节流喷嘴影响转子和定子之间的磁场流，从而能够控制和自动跟踪调节轴承的刚度。DE 102 36 471 Al描述了一种磁性轴承，其中在转子上布置了具有导流元件的永 磁元件并且在定子上布置了高温超导材料。JP 01203715AA(摘要)描述了一种磁性轴承，其中由超导材料制成的电线是定子 的部分，其支承转子，该转子具有永磁的区段。JP 01055038AA(摘要)描述了一种轴向的磁性轴承，其中该转子具有线圈，并且 其中定子包括由金属的合金制成的超导体。在此，迈斯纳-奥克斯场效应引起转子线圈的 磁场与超导的定子之间的碰撞力。EP 1 835 188 Al描述了一种磁性轴承，其中在转子上布置了径向可移动的永磁 区段，并且其中定子由高温超导的尤其陶瓷材料制成，该材料总地具有圆柱形的形状。JP 07091447AA (摘要)描述了一种磁性轴承，该磁性轴承径向借助于永磁体之间 的相互作用得到支撑并且轴向借助于永磁体和超导体之间的相互作用得到支撑。在此，将 永磁体布置在转子上，并且将超导体布置在定子上。JP 10306824AA(摘要)描述了一种轴向作用的磁性轴承，其中超导体布置在定子 上并且转子沿径向支撑在气压轴承中。转子上的永磁元件在轴向支撑方面与超导体共同作用。DE 692 27 161 T2描述了一种磁性轴承，其中永磁体固定在转子上，该永磁体与 定子上的超导区段共同作用，从而形成径向和轴向的支承。从WO 2008/036073A2中普遍公开了超导线圈或者说电线，该线圈或者说电线的 核心材料尤其是陶瓷基的高温超导体。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有高温超导元件的磁性轴承，该磁性轴承在不需要额 外的主动调节的同时具有较高的承载能力和刚性。该目的根据本发明通过根据权利要求1所述的磁性轴承来实现，尤其通过根据权 利要求8的将具有由高温超导的陶瓷材料制成的铁芯的线圈作为磁性轴承中的定子的应 用来实现。由高温超导的材料制成的线圈作为磁性轴承的定子实现了较高的电流密度，从而 在定子和转子之间形成强大的磁场。在该磁场中，第二类超导体、尤其转子上的高温超导体的主体仅仅不完全地显示 了迈斯纳-奥克斯场效应；该磁场特别以正常传导的流动软管(漩涡)的形式分段地进入 第二类超导体的主体中，该流动软管(漩涡)由超导区域包围。在转子相对于磁场运动时， 该漩涡运动，直至其保持在主体中的缺陷上(所谓的阻塞)。固定的漩涡就阻碍转子在定子 中其它径向或者轴向的运动，从而形成稳定的自定向的支承，因为转子运动得越强烈或者说存在的漩涡越多，那么固定的漩涡的保持力就越大。当作用在第二类超导体的主体位置 上的磁场由于超导线圈而变强时，也就是尤其在转子朝定子运动时，也就是特别在额外的 力将转子相对于定子从其额定位置中偏转出来时，该漩涡的数量增加了。总之，获得了转子相对于定子的自控制以及自调节的支承，其中尤其在将具有由 高温超导的陶瓷材料制成的铁芯的线圈用于磁性轴承中的定子时，定子的超导线圈使得高 温超导的陶瓷的特别高的临界电流密度变得有效，由于该电流密度形成了定子和转子之间 特别大的磁场，该磁场也在静态情况下在定子上的超导主体上再次产生大量漩涡。尤其可 以通过由高温超导陶瓷制成的线圈产生磁场，该磁场仅仅通过正常传导的线圈或者说借助 于永磁体是不能实现的。优选的是，转子上的第二类超导体的主体的材料、特别优选的是，定子的超导线圈 的铁芯的材料是高温超导体，如其目前用于陶瓷基的高温超导体的一样。高温超导体的、在 液体氮的沸点之上的较高的跃变温度实现了对磁性轴承的有效的节省能量的冷却。优选的是，转子上的第二类超导体的主体的材料的跃变温度和线圈的材料的跃变 温度是可比较的，从而能够为转子和定子设置共同的冷却循环。优选的是，定子包括铁磁体。在此，铁磁体的磁场与线圈的磁场叠加，从而例如在 转子的端部段上通过铁磁体的磁场增强线圈的磁场，并且转子上主体中的额外的漩涡实现 了端部段上特别高的保持力，其中在所述端部段上出现了从静止位置中偏转出来。当然，作为铁磁体的替代或者补充也可以设置额外的线圈，该线圈构造成正常传 导的或者同样超导的，并且其位于第二类超导体的主体位置上的磁场与定子的线圈的磁场 叠加并且对该定子线圈的磁场进行调整。特别优选的是，定子包括多个线圈匝，并且其中分别在两个相邻的线圈匝之间布 置一个铁磁材料。在此，至少两个线圈匝之间的至少一个铁磁体如此调整至少两个线圈匝 的基本上径向均勻的磁场，使得所产生的磁场沿径向变得不均勻。尤其沿径向的不均勻性 实现了用增强的复位力对转子相对于定子的径向位置的改变作出反应，使得磁性轴承总地 获得更好的刚性。本发明的其它优点和特征从下面对两个实施例的描述中以及从属权利要求中获得。
下面参照附图对本发明进行详细描述和解释。图1示出了根据本发明的磁性轴承的第一实施例的示意性的横截面图，并且图2示出了根据本发明的磁性轴承的第二实施例的示意性的横截面图。
具体实施例方式图1示出了具有定子2和转子3的磁性轴承1，其中该转子3可以相对于定子2旋 转并且在轴向和径向上支承在定子2中。该定子2包括带有电流的区域、铁芯的由超导材 料制成的线圈4，其中在线圈4中仅仅示意性地示出了三个线圈匝。转子3包括环形的包围转子3的主体5，该主体由第二类超导体、尤其由高温超导 体、特别由陶瓷材料例如YBCO制成。该主体5的材料例如相应于线圈4的铁芯的材料，使得线圈4和主体5基本上具有相同的跃变温度。主体5布置在由非磁性的材料制成的插口 6中，其中该插口 6固定在支承在定子2中的轴7上。如此选择主体5的径向延伸，使得线 圈4的磁场能够如此远地进入主体5中，从而能够形成自稳定的作用，尤其也就是在主体5 中构造线圈4的磁场的流动软管(Flussschlauch)(漩涡)。主体5还具有结晶的缺陷，漩 涡保持在该缺陷上，使得漩涡在主体5中不会没有阻力地运动。线圈4处于超导的状态并且带有较高的电流，该电流基本上无损失地在线圈4中 传导并且在转子3上在主体5的位置上产生较大的磁场。通过没有示出的冷却装置在YBCO 的跃变温度下冷却主体5，使得主体5变成超导的。事先冷却的并且超导的线圈4在主体 5的区域内形成了磁场，该磁场在一定程度上是不均勻的并且具有垂直于主体5表面的组 件，从而在主体5中形成漩涡，在转子3相对于定子2进一步运动时在空间上固定漩涡并且 障碍反向于运动。在此，磁性轴承的定子2上的线圈4具有这样的作用，即不仅实现了径向的支承， 而且通过第二类超导体的主体5中的漩涡在转子3上的阻塞也实现了转子3的轴向的支 承。由此，专门用于将转子轴向支承在定子2中的其它装置，尤其用于仅仅轴向支承转子3 的一个或者多个正常的或者超导的线圈是多余的。在图2中示出的第二实施例中，相同的附图标记表示相同的或者在技术效果上类 似的部件。下面尤其列出了与第一实施例的不同之处。图2中的转子3相应于上面关于图1讨论的转子。图2中的定子2的线圈4额外 地在两个相邻的线圈匝8、9之间具有由铁制成的铁磁体10，该铁磁体的磁场与线圈4的磁 场叠加，从而增强了磁场的径向梯度。只要转子3相对于定子2从所示出的额定位置中偏 转出来，那么线圈4的磁场的增强的径向梯度引起了增强的复位力。由此，在图2中示出的第二实施例与图1中示出的第一实施例相比具有更高的刚 性。在第二实施例中，在每两个相邻的线圈匝之间分别布置了铁磁体。当然不必强制 地要求将铁磁体布置在紧接着的线圈匝之间；也可以将铁磁体分别布置在再下一个第三、 第四以及其它的线圈匝中，从而增强径向的梯度。当然还可以将铁磁体仅仅设置在特定的 线圈匝上，专门设置在线圈的端部段上。如果设置两个或者多个铁磁体，当然铁磁体的尺寸 不需要相同，尤其能够在线圈4的端部上设置增强的铁磁体。在前面所描述的第二实施例中，通过具有永久磁化的铁磁性的主体构造铁磁体 10。当然，该铁磁体10同样可以通过例如由正常传导的线圈4制成的另一线圈构成，除了 超导的线圈4还设置正常传导的线圈。额外的线圈的线圈匝之间的或者说与转子3之间的 距离能够沿着额外的线圈的延伸方向改变，使得额外的线圈作为超导线圈4的补充提供不 均勻的磁场。当然，额外的线圈同样能够构造成超导的。在前面所描述的两种实施例中，超导的线圈4由各个线圈组成。当然能够设置两 个或者多个超导的线圈，线圈沿着转子3的延伸方向相邻或者至少分段地布置在彼此之 中，而不会接触。在两个超导线圈布置在彼此之中的区域内，增强了在第二类超导体的主体 5中作用在转子3上的磁场；两个或者多个超导的线圈的所产生的磁场特别能够产生所引 起的磁场的径向不均勻性，该不均勻性改善了磁性轴承的刚性以及承载能力。在前面所述的实施例中，插口 6由非磁性的材料构成。当然该插口 6能够由磁性的或者可磁化的材料制成，从而如此调整超导线圈4的磁场，使得尽可能垂直于主体5表面 的组件获得磁场，从而简化了主体5中漩涡的形成。附图标记列表1 磁性轴承2 定子3 转子4 线圈5 主体6 插口7 轴8第一线圈匝9第二线圈匝10铁磁体
权利要求
1.一种具有高温超导元件的磁性轴承，包括定子( 和被容纳并能相对于所述定子 ⑵旋转的转子(3)，所述转子在所述定子(2)中在轴向和径向上自调节地得到支承，其中 在所述转子C3)上设置有由第二类超导体制成的、尤其由高温超导体制成的主体(5)，并且 其中，所述定子(2)包括由超导材料制成的线圈G)。
2.根据权利要求1所述的磁性轴承，其中，所述线圈⑷的超导材料是高温超导体。
3.根据权利要求1或2所述的磁性轴承，其中，在所述转子(3)上的第二类超导体的所 述主体(5)的材料与线圈⑷的材料分别是高温超导陶瓷。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的磁性轴承，其中，所述转子(3)的所述主体(5) 的材料的跃变温度与线圈的材料的跃变温度基本上相同。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的磁性轴承，其中，所述定子(2)包括多个铁磁体 (10)。
6.根据权利要求5所述的磁性轴承，其中，所述定子(2)包括多个线圈匝(8、9)，并且 其中在两个所述线圈匝(8、9)之间布置一个铁磁体(10)。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的磁性轴承，其特征在于，所述定子(2)包括额外 的线圈。
8.一种将具有由高温超导陶瓷材料制成的铁芯的线圈(4)作为磁性轴承(1)中的定子 (2)的应用。
全文摘要
本发明涉及一种具有高温超导元件的磁性轴承，包括定子(2)和被容纳并能相对于定子(2)旋转的转子(3)，该转子在定子(2)中在轴向和径向上自调节地得到支承，其中在转子(3)上设置了由第二类超导体制成的、尤其由高温超导体制成的主体(5)，并且其中，定子(2)包括由超导材料制成的线圈(4)。根据本发明，该磁性轴承解决了在不需要额外的主动调节的同时还具有较高承载能力和刚性的问题。
文档编号F16C32/04GK102084143SQ200980123360
公开日2011年6月1日 申请日期2009年6月10日 优先权日2008年6月18日
发明者谢尔盖·施瓦茨 申请人:谢夫勒科技有限两合公司