本申请要求2016年6月13日提交的u.s.s.n.15/181,317的优先权并要求其权益，其通过引用而合并到本文中。关于联邦政府资助的研究或开发的声明美国政府根据美国能源部与劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司之间的针对劳伦斯利弗莫尔国家实验室的运作的号码为de-ac52-07na27344的合同，拥有本发明中的权利。背景【
技术领域：
：】本技术涉及一种动态稳定、无源、全磁激励的轴承/悬架系统，其不需要电激活的伺服控制系统以在操作速度下达到稳定的平衡，并且更具体地，本技术涉及用于调节无源磁轴承刚度的部件。本技术涉及海尔贝克阵列(halbach-array)悬浮无源磁轴承配置。
背景技术：
：：申请号为5,495,221的美国专利描述了一项发明，该发明通过使用一组无源元件来在临界速度之上实现稳定平衡的状态，该组无源元件使用永磁体来提供它们的磁动力激励。当这些元件一起作用时，由这些元件所施加的磁力使旋转物体抵抗外力而悬浮在平衡状态中，外力诸如是重力或由加速度而产生的力。同时，通过使用元件的组合，平衡实现稳定以抵抗旋转物体从其平衡位置的移位，元件的组合具备如此的大小和符号的力导数，使得它们可以满足对于旋转体由磁轴承系统在这些移位的有限范围内被稳定支撑所需要的条件。该在先发明可以描述为包含至少两个分立子系统的磁轴承系统，至少一个子系统由永磁材料激励。(更典型地，将采用三到四个子系统)。当几何上适当地布置时，这些子系统一起作用以支撑动态平衡状态中的旋转元件。然而，由于由恩绍定理(earnshaw’stheorem)施加的限制，磁轴承系统在零旋转速度下不具备稳定的平衡。因此，提供了使悬挂系统保持在平衡中的部件，直到其速度超过其中动态效应所接管的低临界速度为止，并且由此允许实现针对旋转物体的稳定的平衡。想要的是提供用于在小间隙处调节无源轴承的刚度的大小和/或反转其符号的技术。本发明提供了这样的技术。技术实现要素：本技术代表了美国专利no.5,495,221“dynamicallystablemagneticsuspension/bearingsystem”中描述的一般类型的无源轴承元件的不同的可能更好的设计。不同点牵涉使用初级和一个或多个次级海尔贝克阵列来为轴承系统提供悬浮力。美国专利no.5,847,480描述了用于轴承系统的示例稳定技术。次级阵列的目的是提供一种用于在小间隙处调节无源轴承的刚度的大小和/或反转其符号的部件。与先前的无源磁性轴承组件相比新配置的优点之一是其可以局部地反转有吸引力的轴承元件的刚度的符号，而实质上不降低其悬浮力。另一方面是它提供了一种“微调”轴承对的吸引力的部件，用于在选定的小间隙处匹配负载的目的，包括补偿轴承由其制成的永磁材料的强度的温度变化的可能性。【附图说明】合并到本公开中并形成本公开的一部分的随附的附图图示了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。图1是无源磁轴承配置的示意图，该配置采用外部初级(吸引)海尔贝克阵列和在排斥模式(“repellingmode”)中操作的较短的径向波长的内部次级阵列。图2a示出了在小间隙处具有刚度符号的反转的双海尔贝克阵列对悬浮无源磁轴承悬的悬浮力。图2b示出了在小间隙处具有刚度符号的反转的双海尔贝克阵列对悬浮无源磁轴承的刚度。图3a示出了在小间隙处具有减小的负刚度的海尔贝克阵列对悬浮无源磁轴承的的悬浮力。图3b示出了使在小间隙处具有减小的负刚度的海尔贝克阵列对悬浮无源磁轴承的刚度。图4示出了针对单个吸引海尔贝克阵列对的刚度与间隙的曲线图，其示出了与在使用新的悬浮阵列的情况下获得的刚度值相比更大的刚度值。图5是采用外部初级(吸引)海尔贝克阵列的无源磁轴承配置的示意图，其中在阵列上方是具有可变的间隙的次级阵列，该可变间隙允许吸引力的“微调”以匹配负载和/或提供温度补偿，例如通过使用双金属的金属条支撑件来改变间隙，并且还示出了具有较短径向波长并以排斥模式操作的内部次级阵列对。图6示出了本发明的实施例，其中转子通过磁轴承从上方悬挂。图7示出了本发明的实施例，其中转子通过磁轴承从下方提升。图8示出了线性海尔贝克阵列段的一个波长。【具体实施方式】海尔贝克阵列稳定器和无源磁轴承系统描述于美国专利no.5,847,480“passivemagneticbearingelementwithminimalpowerlosses”中。本文件描述了改进的悬浮无源磁轴承配置，其有助于稳定器元件的作用，无论它们被设计成使悬浮轴承稳定以防止轴向移位还是抵抗横向移位。使用新的悬浮配置，可以实质上降低稳定器元件的刚度要求和功率损耗两者。采用新的悬浮轴承配置的另一个结果是它可以促进悬浮的负载的精确轴向位置。这种特性在例如采用静电发电机/马达的飞轮储能系统的设计中可能是非常重要的，其中必须严密地控制转子和定子电极之间的间隙。在图1中示出了新的悬浮轴承的可能的几何配置中的一个几何配置。该图的横截面图示出了如由两个环形双海尔贝克阵列组成的新的轴承配置。“初级”双阵列由上环形阵列10和下环形阵列12组成。“次级”阵列由上环形阵列14和下环形阵列16组成。阵列的定子和转子将是彼此链接的，使得旋转部分将作为一个单元而轴向移动，而定子元件保持固定就位。如附图中示意性示出的，初级海尔贝克阵列组件的上部阵列10和下部阵列12被设计成彼此吸引，因此提供悬浮力。次级阵列的上部阵列14和下部阵列16被设计成相互排斥。次级阵列的作用是提供局部控制主要元件的刚度变化和悬浮力的部件。在一些实施例中，这通过提供用于调节阵列14与阵列16之间的间隙的机构来而实现。因此，这两个阵列相互越接近，它们产生的排斥力越大。这种排斥力抵消了初级阵列10与初级阵列12之间存在的一些吸引力。注意，牵涉初级和次级海尔贝克阵列元件的这个新的概念可以应用于通过提升负载的净吸引力来进行悬浮的轴承系统，或通过提供来自初级元件的净排斥悬浮力同时次级元件以吸引模式操作而进行悬浮的系统。几何上，初级阵列和次级阵列可以具有不同的半径，并且因此可以是共面的，或者它们可以具有相当的半径并且可以同轴地定位。在该概念的一个可能实施例中，通过使双次级海尔贝克阵列的波长与双初级阵列的波长相比实质上更短，并且如果需要，使次级阵列的定子元件的下表面从初级阵列的下表面向上移位，当初级阵列的转子元件与定子元件之间的间隙很小时，可以实现负刚度上的局部的减小，而没有伴随的在该间隙处悬浮力上的大幅下降。图8示出了线性海尔贝克阵列段的一个波长，并图示了沿阵列的磁场方向的旋转。在该概念的另一实施例中，可以调节参数，从而可以实现在小间隙处的高度局部化的正刚度区域。在该区域内，可以使用吸引力使选取的负载悬浮，并具有抵抗垂直移位的稳定性。在这种情况下，可以采用径向稳定器。利用单个吸引轴承对不可能实现这种情况，该轴承对将总是表现出负刚度，并且因此在任何间隙处对于抵抗垂直移位都是不稳定的。上述实施例可以产生高度局部化的稳定点，以抵抗针对适当尺寸的负载的轴向移动。然后，径向稳定器将用于稳定以防止径向移位。在图2a和图2b中示出的计算机生成的图形中图示了这种类型的实施例的刚度特性的示例。如示出的那样，吸引力在小间隙处具有最大值，其对应于从较大间隙处的负刚度与针对较小间隙的正刚度的过渡。因此，适当尺寸的负载将稳定地悬浮，其中负载轴向位置保持在该明确限定的区域内。作为另一个示例，新的轴承组件可用于实现轴承组件的负(轴向不稳定的)刚度的大幅减小，因此便于轴向稳定器的设计，诸如美国专利no.5,847,480中描述的那些。在图3a和图3b中的计算机生成的图形中示出了这种类型的实施例的示例，其示出了在小间隙处轴承元件的负刚度，同时仍保持大的悬浮力。减小负刚度降低了对轴向稳定器的设计约束，并且除了其它想要的结果之外，还可以导致该元件中的较低的电阻功率损耗。图4示出了针对具有与图2a至图3b中的初级阵列相同尺寸的常规悬浮海尔贝克阵列对的刚度与间隙的关系图。注意图4中的与图2a至3b中的值相比较更大的刚度值。图4中示出的大刚度值将使稳定器元件的设计要求更高。注意，可能存在想要在轴承组件中使用多于一个的次级海尔贝克阵列对的情况，以便建立对轴向刚度和悬浮力的更大的控制。以这种方式，例如应该可以更紧密地限制力平衡的轴向位置上的变化，诸如随着温度的变化而可能发生的变化。在图5中示意性地示出了使用附加次级阵列的实施例的一个示例。图5的配置利用了图1的设计，并且进一步包括额外次级阵列18。在该实施例中，额外次级阵列位于初级阵列上方，在它们之间具有间隙。通过改变该间隙，可以增加或减小轴承的吸引力，以允许轴承的“调整”，以便控制具有给定负载的力平衡的位置。然后，如果使初级阵列的上表面与该次级阵列的下表面之间的间隙随温度而变化(例如，通过使用双金属支撑支柱)，则可以使轴向力平衡的位置为对磁铁元件的温度变化不敏感。采用一个以上的次级阵列，其中每个阵列具有不同的波长，并且如果需要的话具有与初级阵列的间隙相比不同的间隙，可以导致更加精确的控制刚度和/或轴向平衡的位置。实际上，它允许设计者利用不同波长和极性的三个或更多个指数函数的总和来近似想要的吸引或排斥的变化。在例如采用静电发电机/马达的飞轮储能系统的设计中可能出现这种情况。这种发电机/马达典型地在他们的定子与转子电极之间需要小且紧密控制的轴向间隙。图6示出了图5的配置的实现。环形初级阵列12和环形次级阵列16附接到转子60的顶部。初级环形阵列10附接到支撑件62，该支撑件62相对于转子60是固定的。次级环形阵列14利用调节部件64而可调节地附接到支撑件62。调节部件64可以是简单的螺纹螺杆型部件，其中旋转螺杆实现次级环形阵列14的移动。替代地，调节部件可以被电激活，诸如将使次能阵列14相对于支撑件62移动的螺线管或其它伺服机构。同样地，额外初级阵列18利用调节部件66可调节地附接到支撑件62。在该实施例中，在转子被向上拉以提供升力时，初级阵列10、12正在吸引。在一操作程序中，对于特定的负载(例如，转子重量)而言，初级阵列具有磁吸引(负刚度)，该磁吸引(负刚度)与在附接到转子的阵列与附接到支撑件62的阵列之间产生想要的间隙所需的磁吸引(负刚度)相比更强。力可能如此的强，以使得两个磁铁接触。移动次级阵列14使得它足够靠近次级阵列16，其中它们的相反的力足以产生想要的间隙。阵列18可相对于支撑件62移动，使得阵列足够接近阵列10，从而其影响阵列10与阵列12之间的整体的吸引力。上述过程的步的骤次序可以变化。图7示出了本发明的实施方式，用于为转子提供升力的目的，其中轴承位于转子下方。在该配置中，升力由双排斥环形海尔贝克阵列70和72提供，其中初级阵列70附接到转子90，并且初级阵列72附接到支撑件92，该支撑件92相对于转子90是静止的。由阵列74和阵列76组成的双次级阵列相互吸引。阵列74附接到转子90的底部，并且阵列76以与图6的部件64相似的方式利用可调节部件78可调节地附接到支撑件92。基于本公开，本领域技术人员将理解，可以利用其他可调节部件将各种次级阵列和额外阵列附接到它们的支撑件。该配置还包括额外阵列80，其也是利用部件82而可调节的，并且可以用于增强向转子90提供升力的排斥力。注意，本文中示出的配置仅是示例性的并且旨在说明本发明的概念。基于本公开，本领域技术人员将理解，利用本发明原理的其它配置是可能的。已经提出了本发明的前述描述，用于说明和描述的目的并且并不意图穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。根据以上教导，许多修改和变化都是可能的。所公开的实施例仅旨在解释本发明的原理及其实际应用，以由此使得本领域的其他技术人员能够在各种实施例中并且利用及适合于预期的特定用途的各种修改来最好地使用本发明。本发明的范围由以下权利要求限定。优选包括本文中描述的所有元件、部分和步骤。要理解的是，这些元件、部分和步骤中的任何一个可以由其它元件、部分和步骤代替，或者完全删除，这对于本领域技术人员来说将是显然的。概括地说，本文至少公开了以下内容：描述了悬浮无源磁轴承配置的新颖的配置。这种配置可用于精确控制轴承刚度的大小和符号，由此以在传统的吸引或排斥轴承元件的情况下不可能的方式便于系统的整体设计。概念：本文还至少提出了以下概念：1、一种装置，包括：转子；第一初级阵列，其包括附接到所述转子的第一环形海尔贝克阵列；支撑结构，其被配置成相对于所述转子静止；第二初级阵列，其包括附接到所述支撑结构的第二环形海尔贝克阵列，其中所述第一初级阵列和所述第二初级阵列被配置成彼此磁性地相互作用以向所述转子提供悬浮力；第一次级阵列，其包括附接到所述转子的第三环形海尔贝克阵列；以及第二次级阵列，其包括附接到所述支撑结构的第四环形海尔贝克阵列，其中所述第一次级阵列和所述第二次级阵列被配置成彼此磁性地相互作用以向所述转子提供与所述悬浮力相反的力。2、根据概念1和概念3至18中任一概念所述的装置，进一步包括用于将所述第二次级阵列附接到所述支撑结构的第一可调节部件。3、根据概念1或2或概念5至18中任一概念所述的装置，进一步包括额外初级阵列，所述额外初级阵列包括被配置成增强所述悬浮力的第五环形海尔贝克阵列，其中所述额外初级阵列附接到所述支撑结构。4、根据概念3、7或14所述的装置，进一步包括第二可调节部件，用于将所述额外初级阵列附接到所述支撑结构。5、根据概念1至4、6、8至11和15至18中任一概念所述的装置，其中所述第一初级阵列附接到所述转子的上侧，其中所述第一初级阵列和所述第二初级阵列磁性地相互吸引。6、根据概念1至5、7至11和15至18中任一概念所述的装置，其中所述第一次级阵列和所述第二次级阵列磁性地相互排斥。7、根据概念1至4、8至11和15至18中任一概念所述的装置，其中所述第一初级阵列附接到所述转子的上侧，其中所述第一初级阵列和所述第二初级阵列磁性地相互吸引，其中所述第一次级阵列和所述第二次级阵列磁性地相互排斥，其中所述额外初级阵列磁性地吸引到所述第二初级阵列。8、根据概念3、7或14所述的装置，进一步包括：第一可调节部件，用于将所述第二次级阵列附接到所述支撑结构，以及第二可调节部件，用于将所述额外初级阵列附接到所述支撑结构。9、根据概念1至8和10至18中任一概念所述的装置，其中所述第三环形海尔贝克阵列和所述第四环形海尔贝克阵列具有与所述第一环形海尔贝克阵列和所述第二环形海尔贝克阵列的波长相比更短的波长。10、根据概念1至9和11至18中任一概念所述的装置，其中所述第四环形海尔贝克阵列的下表面从所述第三环形海尔贝克阵列的表面移位。11、根据概念3至10和12至18中任一概念所述的装置，其中所述第五环形海尔贝克阵列具有与所述第一环形海尔贝克阵列和所述第二环形海尔贝克阵列的波长相比更短的波长。12、根据概念1至4、8至11、13和15至18中任一概念所述的装置，其中所述第一初级阵列附接到所述转子的底侧，其中所述第一初级阵列和所述第二初级阵列磁性地相互排斥。13、根据概念1至4、8至12和15至18中任一概念所述的装置，其中所述第一次级阵列和所述第二次级阵列磁性地相互吸引。14、根据概念2至4、8至11和15至18中任一概念所述的装置，其中所述第一初级阵列附接到所述转子的底侧，其中所述第一初级阵列和所述第二初级阵列磁性地相互排斥，其中所述第一次级阵列和所述第二次级阵列磁性地相互吸引，其中所述额外初级阵列磁性地吸引到所述第二初级阵列。15、根据概念1至14和16中任一概念所述的装置，其中所述第一初级阵列和所述第二初级阵列包括第一半径，并且其中所述第一次级阵列和所述第二次级阵列包括第二半径，其中所述第一半径与所述第二个半径不同。16、根据概念1至15和17中任一概念所述的装置，其中所述第一初级阵列与所述第二初级阵列是共面的。17、根据概念1至15中任一概念所述的装置，其中所述第一初级阵列和所述第二初级阵列包括第一半径，并且其中所述第一次级阵列和所述第二次级阵列包括第二半径，其中所述第一半径与所述第二半径相同或相当，并且是同轴的。18、根据概念1至15和17中任一概念所述的装置，其中所述第一初级阵列与所述第二初级阵列是同轴的。当前第1页12当前第1页12