专利名称：磁性轴承及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁性轴承，其上的一个第一部分相对于一个第二部分是磁性地安置的，第二部分是一种Ⅱ类超导材料，这种材料含有一种各向异性晶体或者多个由这种晶体组成的晶粒，其中，该晶体是各向异性的，所以超导流是在一些截流平面中被引导。本发明还涉及配有这种磁性轴承的一种电动机及这种电动机作为多棱镜驱动装置的应用。
利用光束特别是激光束来实现视频图象的放映，这是一个在技术上要求很高的课题，迄今还未能在所有细节上得到令人满意的解决。问题在于要能够以低于以往的成本来生产出各种组件。
根据这一技术，一个平行的光束或激光束要以当时一个视频图象不同象点的图象和色彩信息来加载，这些象点利用光束有序地类似于采用电子管的一般视频图象显示地被照射在屏幕上。由于象点的数量很大，光束所需的扫描速度是非常高的。
为了实现行扫描，通常要使用一种旋转的多棱镜，多棱镜的转数乘以棱边的边数即得出象点的数目，可以按单位时间表示出来。顾及到常规的电视标准，这要求多棱镜必须有大大超过每分钟100，000转的转数。
在如此高的转数条件下，有利的做法是，多棱镜尽可能无摩擦地安置。为此，从技术现状来说，大家所熟知的便是充气轴承或磁性轴承。
在各种磁性轴承中，大家特别注意的是超导磁性轴承，在这种轴承上磁场在没有电功率时也能维护。磁场的驻定即一个磁体在一超导体上的悬浮，与已知的Meiβner-Ochsen-场效应相似，允许得到非常简单的磁性轴承结构。
由于高温超导材料的发展，使得这种磁性轴承在液态氮温度条件下的运用成为可能，这样，比起传统上的以液态氦进行冷却的超导体来，费用大大降低了。下面对“高温超导”这一词只用“超导”。
US 4956571公开了一种带有一个用一种超导材料做的圆锥形定子部分的超导磁性轴承，与此定子部分相配的是一个同样呈圆锥形的具有永久磁性的转子部分。定子部分包含一个液体容器以用于盛作为冷却介质使用的液态氮。
US 5540116介绍一种超导轴承，在该轴承上有一个环、一个罩或一个圆盘，用于降低磁阻以提高自由悬浮所需的力。
US 5，177，387所介绍的超导磁性轴承具有依径向分配的永久磁体。一个轴承位所共属的永久磁体都是彼此反极地安置的，而且与超导材料相适配。各永久磁体的极化在这里都是依轴向取向的。
US 4939120公开过一种超导磁性轴承，其永久磁极都布置在一个棒的两端。在该棒的两端附近分别配置了一个由超导材料做的部分。为了驱动，使用了附加的磁体，它们与固定的驱动线圈相适配。
在US 5196748中介绍了一种超导磁性轴承，其上的环状和圆片状永久磁体是叠层地同极地布置在一个轴上。在此，这个轴形成轴承的旋转轴，各永久磁体依轴向而磁化。在永久磁体之间布置了由一种高渗透性金属例如已知的Mu金属做成的层，磁场线被引导通过这些层。比起前面提到的解决方案来，利用上述金属可以略微提高轴承的刚性。此外，该专利文件还介绍了一种轴承，该轴承示出了永久磁体的布置和高渗透性层依径向取向的布置。
按所指出的技术现状，一个基本的缺点是缺少一种适用于单个或作为集体的磁体精确布置的理论，如这些轴承应怎样设计才能适合于多棱镜的操纵，以及所需的哪些布置是最有利的。在这里作为最佳化所需要的重点首先是承载能力，基本上也就是例如将一电动机中的一个转子保持在用超导材料做的定子上所需的力；第二，是可以达到的刚性，即当旋转轴一旦脱离它的静止位置时，作用于转子的恢复力的大小；第三，就轴承阻尼来看，在偏离最佳旋转对称配置的情况下轴承阻尼基本上决定着恢复时间，而且它应该足够的大以便于在恢复时避免围绕旋转轴的振荡。
例如可以利用中间层如根据US 5196748的Mu-金属层来调制刚性和轴承阻尼，在这种情况下承载能力也许下降。因此，提高承载能力是最重要的最佳化准则。
为此可以选用特定的材料，利用这些材料原理上也可以达到高承载能力。
在下面的论文中“YBaCuO Large Scale Melt Texturing in aTemperature Gradient”，Von F.N.Werfel，U.Fl gel-Delor，D.Wippich，Inst.Phys.Conf.Ser.No.158 IOP Publishing Ltd，1997，821-824页，例如介绍了一种晶体材料，这种材料的晶体取向由于它的各向异性的特性之故可以用一种特定温度法来定向。这种材料在它的超导性质和低温磁性质上也是各向异性的，于此，在超异状态下，超导流主要在平行的CuO-平面中流动。利用这种材料根据实验制出了一种磁性轴承，但对此没有做更详细的介绍。
本发明的任务是提供一种磁性轴承，其构造简单，并具有高的承载能力，特别是这种承载能力也是如此之大，足以使刚性和轴承阻尼以简单方式实现最佳化。此外，应提供一种有磁性轴承的电动机，这种电动机按照磁性轴承的理论就承载能力、刚性和轴承阻尼而言，可以实现最佳化，确切说特别是可以高转数和高稳定性地运用光束扫描用的多棱镜来显示视频图象。
在文首述及的那种磁性轴承上，上述任务是通过采用以下措施加以解决的第一部分具有由磁体构成的配置，超导材料与这些磁体处于相互作用之中，单个的晶体或者多个晶粒以载流平面上的法线指向该第一部分。
但本任务的另一个解决方案也是通过一种磁性轴承来实现的，在这种轴承上，一个第一部分包含一种由磁体构成的配置，而且相对于一个第二部分是磁性地被安置的，其中，第二部分是一种Ⅱ类超导材料，具有高的临界流密度，这种材料利用一个相连的冷却系统可以明显地冷却到它的临界温度以下，其中，超导材料含有多个分别由一种各向异性的晶体组成的晶粒，在超导状态下在每个晶粒中流动的流(“超导流”)然后在晶粒的一个载流平面(所谓的“a-b”平面)中流动；而且在此条件下，超导材料就其组织而言是一种熔体结构的多晶粒材料，其粒度在2mm至20mm范围内，并且如此调定载流平面的优选方向，使得由磁体组成的配置的磁流线的外磁流方向平行于晶粒的载流平面上的法线延伸。
对具有超导流主要沿着一定空间方向流动这一性质的材料的选择，并不是容易的事。令人惊奇的正是这类材料一般地都能产生较高的承载能力，这是因为在那里的一个自由度即载流平面上的法线的方向相对于其它各向同性的具有三个自由度的材料来说，是超导流输送所没有的。为了解释这一情况我们假定进入超导材料中的磁场线在附着中心线或阻塞中心如缺陷、析出点或界面上的驻定性提高了。但在这方面主要起决定性作用的仍是通过外磁场，在载流平面中的环流受到了感应，它们产生了逆极磁场。其结果是，由于通过载流平面而得到改善的抗磁性质之故导致获得提高的承载能力。
根据本发明的一项优选的改进，可以下述措施来提高承载能力磁体的配置具有多个沿着一个轴排列的磁体，其中，总是一个磁体对排列中后继的那个磁体是逆极的，而且载流平面上的法线指向上述的轴，其中，在第一部分和第二部分之间设定出的间距至少为0.1mm。
由于这一间距的下限为0.1mm，所以磁体布置和超导材料被可靠地断开。出乎意料的是，在间距大于0.1mm时总会出现一种明显的浮动效应，这种浮动效应在试验中甚至可以让我们观察到直至4cm的间距。
众所周知，只有在一种临界的磁场强度范围内，超导才是可能的。两个磁体的逆极可以将作用于超导体的整个磁场提高大约一个系数2，所带来的另一个后果是，从两个磁体的接合点依径向发出的磁流基本上沿着载流平面上的法线的方向延伸。
本发明的磁性轴承可以特别用作为转换轴承和/或旋转轴承。就旋转轴承来说，例如用于多棱镜驱动的电动机的旋转轴承，按本发明的优选改进，第一部分相对于第二部分是可以旋转地安置的，其中，各磁体被排列在其上的轴便是旋转轴，而且载流平面上的法线依径向指向该旋转轴。
根据本发明的一项优选的改进，可达到的承载能力、刚性和阻尼之间的一种良好协调可通过下述措施来取得第一部分和第二部分之间的最小间距大小在1mm和10mm之间，特别是在2mm和7mm之间。出乎意料的是，事实证明上述界限实际上与所选用的材料和轴承的其它尺寸都没有关系。
为了多棱镜的驱动，最好做如下设定第一部分设计为电动机的转子，第二部分设计为电动机的定子。
阻尼和刚性基本上还取决于这样一点，即晶体是否是单晶体或者具有一种粒状结构。若是单晶体，则刚性和悬浮力都很大，而阻尼则小。若晶粒界限很小，则情况正好相反。对轴承各项性质来说，下述做法已证明是合宜的调节出一种剩余状态，就是说使已冻结的磁流达到尽可好的驻定。晶粒界限或内界面都能惊人地影响到一种强的驻定和一种高的阻尼二者。事实证明当晶粒的粒度在2mm至20mm范围内时，可获得特别良好的阻尼性质和刚性性质。
根据本发明的一项优选方案，最好采用一种晶体作超导材料，这种晶体含有一种X-钡-铜氧化合物(以X表示Y、Sm、Nd、Tb族中的一种稀土金属)，或者由这种化合物组成。采用上述材料时，可以毫无问题地实现本发明所要求的晶体取向。尤其是按本发明的一项优选的改进，这项改进就是晶体含有一种化合物YxBa2Cu3O(7-δ)以1≤x≤1.6和0.01＜δ＜0.10，或由这种化合物组成。
如所周知，只在低温条件下才产生超导效应，低温一般是通过用液态氮进行冷却达到的，液态氮在用完后须再灌注。但根据本发明的一项优选的改进，可配置一种微型冷却机作为冷却系统，最好是一种Stirling机，这种机器由于其效率高，所以是特别有利的。
一种实验上使用的Stirling机具有2.5瓦制冷功率，在温度为80°K条件下，足以满足第二部分冷却的要求。它具有的电功率为大约40W，这例如对于多棱镜所用轴承的运行是完全够的。这样，可以实现连续运转，而不须频繁地再灌注氮了。在视频图象放映时若使用这种磁性轴承来操作多棱镜的话，就会取得明显的优点。此外，与采用液态氮条件下的77°K相比，冷却机允许定子在更低温度下工作。
为了提高稳定性，已证实下述做法是特别有利的根据本发明的一项优选改进，第一部分和第二部分用一个气密的外壳包起来，该外壳最好被抽空到小于10-4Pa(巴)的压力。
按下述做法便可进一步减小分子摩擦改变外壳中的气体成分，于此最好用一种其分子量小于28的气体例如用氧来灌注外壳。
根据本发明的另一项优选的改进，第一部分中的磁体都是永久磁体，这样，在轴承工作时所备用的冷却能力小于使用自身加热的电磁铁时所需的冷却能力。
本发明提出的带有这种磁性轴承的电动机，其上的一个转子是与一个定子磁体相对支承的，这种电动机的特征在于作为磁性轴承的第二部分的定子是Ⅱ类超导材料中的一种，这种材料含有一个各向异性晶体或多个由这种晶体组成的晶粒，其中，超导流在晶体的或晶粒的载流平面中流动，所以晶体(或者在有多个晶粒时所有的晶体)平行于载流平面上的法线而朝向作为磁性轴承的第一部分的转子的旋转轴定向。
这种电动机特别适合于作多棱镜的驱动装置，多棱镜被固定在电动机的旋转轴上。在此情况下，最好配置一个外壳，其中，将多棱镜插置在一个视频系统中，周期地在该系统上以一束光扫描，而且在这里该外壳既包住轴承，也包住多棱镜，它有一个或两个窗口用于被扫描光束的进出。
本发明提供一种超导磁性轴承，这种轴承既可用作为转换轴承也可用作为旋转轴承或轴向轴承，主要由以下元件构成·一个第一元件即所述的第二部分，和一种超导材料，这种超导材料利用与之相连的冷却系统可以被冷却到明显低于临界温度。
·一个第二元件即所述的第一部分，至少在局部具有永磁性质，其中，第一元件的超导材料至少与第二元件的一个表面在其具有永磁性质的部位上处于磁性相互作用中。
在此情况下，超导体应是一种具有高的临界超导流密度的熔体结构的材料，这种材料就其结构而言是一种多晶粒材料，就其磁性质而言是一种多畴材料(Vieldomnen material)，其粒度在2mm至20mm范围内，其中畴域(Domnen)的取向是依照各向异性超导材料上的载流a-b-平面执行的，而且如此调定出一个优选取向，使得永磁材料的磁流线平行于载流a-b-平面上的法线。
有磁性作用的畴域在与第二元件的永磁材料的相互作用中产生一种迄今尚不知道的高阻尼，而且是在磁性轴承同时具有足够承载能力的情况下产生的，这一点对于技术上的可应用性尤其在不大的转子方面是特别有利的。
由于超导材料的晶体结构及其各向异性的电磁性质和机械性质，取得了许多本质上的优点。在这里尤其可以采用Werfel等人的文章中提出的专用制造方法，根据这一方法，通过局部温度梯度的设立便为超导材料中的晶体提供一个优先的方向，这个方向在晶格的载流a-b-平面上定向，而且按本发明是这样确定的，使得晶体的载流a-b-平面的法线，即所谓的c-轴，继续平行于第二元件的外磁流方向。实际上可能表明超导材料的近乎90％的晶粒可以有±10度的对c-轴的偏差对准。将个别培养的单晶按照它们的取向加以接合，或者对处于基片上的单晶进行结构腐蚀，这种做法也是可行的。
按本发明，旋转轴承中，与最好轴向极化的永久磁体相结合，这样可以得到比已知的轴承高得多的磁流驻定作用，借此可以显著提高磁性轴承的刚性，大约可提高一个系数3(在特定结构条件下加以测量的)。于此，还可观察到比较高的阻尼。上述这些性质可以特别归因于材料的有关组织结构，关于其晶体界面或畴域界限均已在前面的说明中做了描述，所以可借此调定出超导磁性轴承的一种最佳的并适用于多棱镜的阻尼性能。对旋转轴承来说，第一元件例如可以是柱状或空心柱状的，或者具有一个空心柱状的铣出的孔例如郁金香花状的。
用于第二元件的是一永磁部分，它可以制成具圆盘形结构，最好具有轴向磁化，其中这种圆盘形和环形的永磁体的制造和磁化都比较简单和/或比较经济。
为此，以下的设计是特别适宜的·永久磁体是一个永磁性环；·多个轴向极化的、径向对称的永磁性环沿轴向彼此层叠；·多个轴向极化的、径向对称的永磁性环沿轴向逆极地彼此层叠。
为了改善轴承的刚性，可以在层叠的永磁性环之间安置可渗透的环形垫圈，以用于磁流的均化和导引。适合此目的的例如有Mu-金属，这种金属对旋转轴承的回转性能也是一种特别有利的金属。上述环形垫圈的厚度应该在0.5mm至5mm的范围内，其厚度随定子部分和转子部分之间的间隙的大小而增大。
由于所要求的转速很高，所以合适的做法是转子部分用一种密度小而抗拉强度大的材料制造。适合于这一目的的例如有铝、钛及其合金。
以下一些有利的结构是可取的具有永久磁体的第二元件可以设计为转子部分，它由一个非磁性的中心部分和固定在其上的若干个永磁性的环组成。为此，中心部位是用一种很坚固的材料做的，该材料是不可磁化的，例如钛。但也可以使用可磁化的材料，例如钢合金。为了获得高的断裂强度，特别有利的做法是永磁性的环用一种以碳纤维增强的硬磁性材料做成，特别是SmCo或NdFeB做成。
所有上述设计也都可以有利地用在本发明提出的电动机上。这种电动机的驱动线圈系统应根据转子的支承所需的永磁性部位如此地加以布置，使得该部位同线圈产生相互作用，其中，转子部分中的永久磁场和/或涡流的不对称性便用于转矩传送。在此情况下，定子部分的驱动线圈系统可以同转子部分的永久磁场形成一种无整流子的直流驱动或一种交流驱动，例如作为鼠笼转子或磁滞驱动。
下面将参照附图在原理上以实例来详细说明本发明。附图表示
图1一个示意图，用于解释轴向几何图形中一永久磁体同一超导体的相互作用；图2一超导磁性轴承同组织结构的超导材料的几何图形的原理示意图；图3径向磁性轴承的一个结构实例，具有符合技术现状的超导定子部分；图4如图3所示的结构实例，但具有最佳化的承载能力、轴承刚性和阻尼；图5熔体组织结构的YBaCuO超导体的各向异性磁化曲线的示意图；图6用具有径向晶体或晶粒组织结构的超导材料做成的圆柱体的晶体方向调定示意图；图7具有特别大轴承刚性的超导径向轴承和轴向轴承的示意图；图8用于驱动多棱镜的电动机上的一个超导轴承；图9与图8中所示相似的一个超导轴承，但此轴承是作为两侧式径向轴承设计的；图10按层叠式几何图形绘出的带有多棱镜的一个两侧式径向轴承。
图1中示明一个依轴向磁化的永久磁体1同一个用超导材料2做成的部分3的相互作用原理。部分3中不同方向的短线条示意地表明该处的晶体方向按统计法分布。
为此，永久磁体1被布置在超导材料2的一个表面上方，在轴承工作时即在图1所示的状态中时，该超导材料被冷却到其临界温度以下。永久磁体1的磁场线产生构成磁场的流，此磁场与永久磁体1是反向的。也就产生一种力作用，它让永久磁体1悬浮在超导材料2的上方。
被感应的磁场产生一个力，这个力大于永久磁体1的重力，而且将该磁体保持在离超导材料2的一定距离上。在磁体1和材料2的合适定型条件下，围绕旋转轴的侧向运动和旋转运动都是可能的。
在图1所示的实例中，当然是通过永久磁体1的磁场和磁场线驻定的旋转对称来唯一确定围绕一旋转轴的一种旋转自由度的。于此，永久磁体1形成一个转子部分，而超导材料2则形成一个定子部分3，它们彼此由间隙4分开。该间隙的宽度是由所谓的冻结场条件确定的，这样，即使在冷却超导体时也能长久地保持调定好的间隙大小。
永久磁体1根据外力的作用几乎无摩擦地在超导材料2上方旋转。当然，在较高转速情况下空气摩擦可能造成摩擦损耗。特别对于高转速来说，为了减小气体摩擦，在静止部分和旋转部分之间有一优于10-1Pa(巴)的真空度是合宜的。此外，为了减小空气摩擦，也可将永久磁体1和超导部分3安置在一个外壳中，该外壳填充了一种气体，此气体所具有的高速高于空气。用于此目的的气体首先是那些具有低的分子量的气体，在这方面氦已被证明是特别有利的。
下面所有的实例，例如当用于驱动视频技术上的多棱镜时，都可以安置在一个此处没有绘示出来的外壳中。然后有利的做法是，也可以将一个由轴承支承的多棱镜安置在外壳中，在达到减小摩擦的目的，其中，在外壳上配置一些窗口以用于被偏转的光束的射入和射出。为此所需的窗口在费用上比起多棱镜被安置在外壳外面的情况来固然是较高的，但是在多棱镜上的摩擦损耗也较小这个优点以及有关运动过程与环境空气无关这一点总起来说已证明是一个很大的优点。大于120000转/分钟的转速甚至要求一个抽成真空的环境。
现在按图2来更详细地解释本发明。其中，超导材料2是一种具有高临界超导流密度的熔体组织结构的多畴域材料。此外，在图2中绘出了晶体轴a、b和c，在这里由晶体轴a和b所展开的面承载着超导流，并允许实现最高磁化。如在图2中以材料2中的短线条所表示的，超导材料2中的晶粒是如此定向的，使得载流平面上的法线平行于旋转轴5。
由于超导材料2的各向异性物理性质，超导流最好在晶体的大致沿同一方向定向的a-b平面中产生。为此已表明与技术现状相比，可以达到较高的磁化，这种磁化相对于那些具有无序晶体的磁性轴承而言既可提高磁性轴承的承载能力，又可提高磁性轴承的刚性，如以后还将参照图5加以详细说明的。
若晶粒很小，超导流会受到晶粒界限的阻尼，所以通过晶粒的平均粒度也可以调节磁性轴承的相应阻尼。这样一个阻尼是符合目的的，以便在偏离预定位置和起始位置的旋转轴情况下，特别在达到临界转速时，基于决定着刚性的力，不产生或者只产生一种很快衰减的振荡。前面已述及过晶粒的相应粒度。特别是已指出过有利的阻尼应在8mm这一数量级中，尤其在把图4中所示意地示明的轴承用在一个用于驱动多棱镜的电动机上时，更应如此。
关于这方面的情况下，还要再一次指出特别有利的安排，就是以永久磁体1作为转子部分，以超导材料2作为定子部分，基于此，定子部分可以特别简单地加以冷却。在这些结构实例中，还可为此使用一种微型冷却机，如具有2.5瓦(Watt)/80°K的Stirling型冷却机，或者使用一种以液态氮操作的冷却装置。
此外从图2还可看出转子部分是由三个圆筒形的、逆极地布置的永磁环6、7、8组成的。由此得出的磁场配置在超导体2中产生高的处于极性界面NS和SN上的磁场梯度。上述磁场梯度首先对于所希望得到的刚性是特别有利的，也就是说对于转子1由于干扰之故而偏离后再复位到所要求的旋转轴5上来说是特别有利的。
作为另一个实例，在图3中以径向几何图形示明一个旋转的轴承，表明它可以按照技术现状用磁性材料设计而成。于此，超导材料2形成定子部分10，定子部分由一个超导筒体或环构成，而且加以冷却。由层叠的永磁环11、12、13、14和中间环16组成的一个系统被固定在轴18上，并形成带有旋转轴5的转子部分20。如从图3中可以看出的，轴向磁化的永磁环11、12、13、14是彼此相邻地逆极的，从而将径向磁流提高到单一磁体的大约两倍的值。
在所示的结构实例中，中间环16是用可高渗透的材料特别是用软铁制成的，这种材料可促使永磁体11、12、13、14的磁场实现场导向和均化。轴18是用一种非磁性材料做成的。中间环16的最佳厚度基本上取决于本实例中所有的间隙4的大小。已经证明这些实例中，中间环16的厚度应大约是间隙4的一半。这就是说，在通常所用的间隙4其大小为1mm时，为中间环16所设定的厚度最好为大约0．5mm。
与图3不同，图4表示本发明提出的一种超导径向轴承，在此轴承上的超导定子部分10具有径向对称的超导晶粒定向。在制造作为圆筒状型部的定子部分10时，如同在Werfel的文章中所介绍的，通过设立正的和负的局部温度梯度，便可实现超导材料2的一种径向c-轴-结构。即使在这里也可通过c-轴对旋转轴5的从优定向而达到比图3所示实例更高的磁化，这种磁化比起已知的各种解决方案来可以为转子部分20的支承获得比定子部分10更高的承载能力和刚性。较高的磁流驻定特别允许实现无接触的无源超导磁性轴承的微型化。
通过中间环16的对称的和循环的布置的改变及其厚度的选择，便可在超导体中如此调定磁流导向及其驻定，使得在两轴端出现一个较高的径向刚性，这一刚性相当于一个可能存在的两点支承。这样，可使转子6获得一特别高的倾覆刚性。
图5示明一种YBaCuO超导体的磁化，以磁化m与一外磁场H的关系的校准曲线来表示，这一校准曲线既平行于相应于曲线22的晶体学c-轴，又垂直于相应于曲线24的晶体学c-轴。为一个平行于c-轴定向的磁场按曲线22测得的较高最大磁化表示一个实验上获得的结果，这一结果在这里可优先用于本发明提出的超导磁性轴承的高刚性。在试验结构上已证明在所述的各种值下可以达到的超导磁性轴承的阻尼是如此之高，以至于非强力的转子部分的固有频率在加速时即使在有到0.3mm的重心移位条件下也能可靠地被通过。
在图6中再次示明了用于具有径向结构的超导径向轴承的一种圆筒状定子部分10。各个晶粒26在这里是通过培育利用一种梯度熔体结构来加以定向。
图7中所示的是一个带有转子部分20的超导磁性轴承，该转子部分具有逆极布置的永磁环30、31、32、33、34。超导定子部分10有一个圆筒状的空隙36，永磁环30、31、32、33、34以小间隙4而被安置在该空隙中。定子10的超导材料沿着永磁环30、31、32、33、34的径向方向具有如图6中所示依径向定向的晶粒结构。此外，在定子部分10的区域38中，在圆筒状空隙的底部则有一种轴向结构。超导径向轴承同附属的轴向轴承组件的这样一种组合能确保特别高的磁性轴承力和刚性。
图8表示一个带有多棱镜40的超导径向磁性轴承的例子，在轴承的一端上是多棱镜，在轴承的另一端上是电动驱动机构42。于此，磁性轴承包含一个超导定子部分10，该定子部分由一个与之相连的微型冷却机44进行冷却。转子部分20将一个多棱镜40承载在一个用高强度材料做的轴45上，永磁环50、51、52、53就逆极地层叠布置在该轴上，在这些永磁环之间配置了中间环16以用于磁场的径向均化。永磁环50、51、52、53和中间环16都是为高转速设计的，所以最好用碳纤维或Kevlar纤维增强，以使这些部件能够在高转速时出现离心力的情况下保持稳定。
在转子部分20的与多棱镜40相对的端上，设计了一个为电动驱动机构42而设置的转子部分，以之作为鼠笼转子或磁性转子56。转子部分20的相应区域由一定子线圈60所包绕。
图9表示一个具有特别大支承刚性的双重径向支承的多棱镜40的例子，这一刚性是通过下述做法获得的，即将多棱镜40对称地安置在图8所示的两个轴承部分之间。
图10表示一个装配有多棱镜40的扫描器，呈夹层式，连同一个旋转式的超导磁性轴承，其原理如图2中所示。但这里为此配置了一个电动机驱动机构46，并且直接在转子部分20上设计了一个多棱镜。为此，在转子部分20的外圆周上安置了一个环，这个环在外面支承着多棱镜40的镜体元件。此外，与图2所示的不同，配置了两个用超导材料2做成的圆片，与圆盘状的转子部分的永磁体相对映。超导材料2、转子20以及相对映地安置的定子线圈46都被容纳在一个密封的外壳62中。
由于定子部分相对于转子部分的正面而言是平行对称安置的，所以在一个径向膨胀的轴承情况下创造了特别稳定的轴承和驱动条件。图中所示的装置也特别适合于大量生产。
前面的例子表明，本发明提出的磁性轴承的设计是很多样的。于此，各向异性超导材料关系到最大磁流驻定的定向对提高承载能力具有重要的意义，最大磁流驻定是由c-轴决定的。如所指出的，刚性和阻尼可以借助晶粒大小、间隙4的大小以及借助中间环16而在很大程度上加以改变。多晶粒结构的另一优点是在于对外磁场的强大驻定效应，这样，磁性转子相对于定子的精确定位和/或复位可以达到0.1μm的范围内，这一点要归因于晶粒界面在超导体的剩磁冻结状态中所产生的影响。
权利要求
1．磁性轴承，其中的一个第一部分(1，20)相对于一个第二部分(3，10)是磁性地安置的，而第二部分(3，10)是一种Ⅱ类超导材料(2)，这种材料含有一个各向异性晶体或多个由这一晶体组成的晶粒，其中，这种晶体是各向异性的，所以超导流在载流平面中流动，而且第一部分(1，20)包含一种由磁体(1；6，7，8；11，12，13，14；30，31，32，34；50，51，52，53)组成的配置，超导材料与这些磁体处于相互作用之中，而且晶体本身或者以若干个晶粒形式表示的晶体以载流平面(a-b)上的法线指向第一部分(1，20)。
2．磁性轴承，其中的一个第一部分(1，20)包含一个由磁体(1，6，7，8，11，12，13，14，30，31，32，34，50，51，52，53)组成的配置，而且相对于一个第二部分(3，10)是磁性地安置的，其中，该第二部分(3，10)是一种Ⅱ类超导材料(2)，这种材料可以利用一个与之相连的冷却系统冷却到它的临界温度以下，其中，超导材料(2)含有多个各由一种各向异性晶体组成的晶粒，在超导状态下流动的超导流在每个晶粒中都分别在该晶粒的一个载流平面(a-b)上流动，而且超导材料(2)就其结构而言是一种其粒度范围为2mm至20mm的熔体结构的多晶粒材料，晶粒的载流平面(a-b)的从优定向是如此调定的，使得由磁体(1，6-8，11-14，30-32，34，50 53)组成的配置的磁流线(B)的外磁流方向平行于晶粒的载流面(a-b)上的法线延伸。
3．按权利要求1或2所述的磁性轴承，其特征在于所述配置具有若干个沿着一个轴排列的磁体(1；6，7，8；11，12，13，14；30，31，32，34；50，51，52，53)，其中，每个磁体(1；6，7，8；11，12，13，14；30，31，32，34；50，51，52，53)分别与行列中后继的磁体(1；6，7，8；11，12，13，14；30，31，32，34；50，51，52，53)是逆极的；载流平面上的法线垂直于上述的轴而取向，其中，在第一部分(1，20)和第二部分(3，10)之间的间距大于0.1mm。
4．按权利要求3所述的磁性轴承，其特征在于第一部分(1，20)相对于第二部分(3，10)是可以转动地安置的，其中，轴(8；45)是旋转轴，而且载流平面上的法线依径向指向该旋转轴。
5．按权利要求3或4所述的磁性轴承，其特征在于第一部分(1，20)和第二部分(3，10)之间的间距在1和10mm之间，特别在2和7mm之间。
6．按权利要求1至5的任一项所述的磁性轴承，其特征在于第一部分(1，20)设计为一电动机的转子、第二部分(3，10)设计为一电动机的定子。
7．按权利要求1或按权利要求1结合权利要求3至6中的任一项所述的磁性轴承，其特征在于晶粒具有的粒度在2mm和20mm之间。
8．按权利要求1至7的任一项所述的磁性轴承，其特征在于晶体含有一种X-钡-铜-氧化合物(X表示Y、Sm、Nd、Tb族中的一种稀土金属)或者是由这种化合物组成的。
9．按权利要求8所述的磁性轴承，其特征在于晶体含有一种化合物YxBa2Cu3O(8-X)以1≤x＜2，或者由这种化合物组成。
10．按权利要求1至9的任一项所述的磁性轴承，其特征在于配置了一种具微型冷却机(44)形式的冷却系统，用于冷却第二部分(3，10)。
11．按权利要求10所述的磁性轴承，其特征在于微型冷却机(44)是一种Stirling机。
12．按权利要求1至11的任一项所述的磁性轴承，其特征在于第一部分(1，20)和第二部分(3，10)都由一气密的外壳(62)包住。
13．按权利要求12所述的磁性轴承，其特征在于外壳(62)被抽空到一个小于10-4Pa的压力。
14．按权利要求12所述的磁性轴承，其特征在于外壳(62)充填了一种其分子量小于28的气体，特别是用氦充填。
15．按权利要求1至14的任一项所述的磁性轴承，其特征在于第一部分中的磁体(1；6，7，8；11，12，13，14；30，31，32，33，34；50，51，52，53)都是永磁体。
16．配有按权利要求1至15之一所述的磁性轴承的电动机，其中的一个转子相对于一个定子是磁性地安置的，其中，作为磁性轴承第二部分(3，10)的定子是一种Ⅱ类超导材料(2)，这种材料含有一个各向异性晶体或者含有多个均由这一种晶体组成的晶粒，在超导状态下每个晶粒中流动的超导流分别在晶粒的一个载流平面(a-b)中被导向，而且晶体或者在有多个晶粒情况下的所有晶体均匀地以载流平面(a-b)上的法线对准作为磁性轴承第一部分(1，20)的转子的旋转轴加以定向。
17．按权利要求16所述的电动机的应用是，用于驱动一个多棱镜(40)，该多棱镜被固定在电动机的旋转轴上。
18．按权利要求16所述的电动机的应用，该电动机配有一磁性轴承和一个按权利要求12至14的任一项所述的外壳(62)，该电动机用于驱动视频系统中的多棱镜(40)，利用此多棱镜来按时间周期地偏转一个设定用于显示一视频系统的图象点的光束，其中，外壳(62)既包住该轴承也包住该多棱镜(40)，而且在外壳(62)上有一个或两个窗口用于被偏转的光束的进出。
全文摘要
一种磁性轴承,其中的一个第一部分(1,20)相对于一个第二部分(3,10)是磁性地安置的,而第二部分(3,10)则是一种Ⅱ类超导材料(2),这种材料含有一种各向异性晶体或者含有多个由这种晶体组成的晶粒,其中,这种晶体是各向导性的,所以超导流在载流平面中被引导,在此磁性轴承上设定:第一部分(1,10)包含一个由磁体(1;6,7,8;11,12,13,14;30,31,32,34;50,51,52,53)组成的配置,超导材料(2)与这些磁体处于相互作用之中,其中,晶体本身或者以多个晶粒表示的晶体以载流平面(a－b)上的法线指向第一部分(1,20)。
文档编号H01L39/00GK1287597SQ99801829
公开日2001年3月14日 申请日期1999年10月14日 优先权日1998年10月14日
发明者F·维菲尔, C·德特 申请人:Ldt激光展示技术公司