专利名称：采用高温超导体的蓄能飞轮的轴承设计的制作方法
发明的合约基础根据美国能源部与代表阿贡国家实验室的芝加哥大学间的合约No.W-31-109-ENG-38，美国政府在本发明中拥有权利。
背景技术：
本发明一般来说所述及的是吸纳了适于蓄能飞轮的高温超导体的磁性轴承设计。更具体地说，本发明涉及综合应用永磁体及高温超导体的磁性轴承设计。此轴具有大悬浮压力、低回转损失和采用广泛种类高温超导体的能力。每一设计的重要特征在于永磁体结构被用来保证主要的悬浮力，最好在几何上靠近于中性平衡，以致轴承的这一部分的刚度便小了。轴承的高温超导部分提供高的刚度而不是必要的高悬浮压力。当这样的轴承用在蓄能飞轮装置中时，飞轮的效率可变得很高，而且此种形式的飞轮对于高能量效率具重要性的昼夜蓄能和其它应用来说是经济的。涉及飞轮蓄能装置进一步的资料的可在阿贡国家试验室有关专利申请、题为“用于超导轴承的超导块铺放型式之最优化”和“用于高速超导轴承永磁体的改进设计”中找到。
电能之储蓄在很多用途上是有价值的。在电力应用上，电力之储蓄是重要的，为的是有效利用发电厂的基本负荷以及满足其用户变化着的负荷需求。在本例中，基本负荷发电厂可以在晚间需求低时向蓄能单元充电，而在高峰期间可以由蓄能单元输出电力以满足峰值需求。
电能储蓄在省免或推迟大容量动力线的建设方面也起重大作用。当需电量低时动力可以在晚间输向次级站或用户的蓄能单元；然后，在用电高峰期，蓄能单元可以输出。蓄能单元的位置可以设在配电系统的不同部分能储蓄大量电能的蓄电场；与有时间依赖性的光或风能发电装置配合使用；次级电站；以及各公司和家庭个体。能量储蓄的其它潜在用途包括像轿车及公共汽车等电动车辆的应用，及用于电动列车的道旁能量储蓄器。
飞轮往往考虑用于储蓄能量的用途。其基本优点为模块性强，高储能密度(瓦时/千克)和电能输出入的高效率。生产高强度常规飞轮转子的能力及飞轮高效输出、入能量的能力是众所周知的，故毋需在此讨论。
常规飞轮的基本缺点为处于备用状态下的低效率。此低效率是由于支轴飞轮结构的轴承的回转损失怕造成的。根据本发明的一种形式而构成的高温超导轴承大大降低回转损失并使飞轮中的备用损失为0.1％/小时或更少。此高温超导轴承设计提供在所有方向下的受迫稳定性，也即，在一切位移方向保证足够刚度。此种设计也允许以极低的摩擦进行回转。
高温超导轴承的困难之一在于结构上用大多数处理方法所能得出的悬浮压力是低的。要达到高悬浮压力，就必须采用昂贵的处理方法促使高度超导体的晶体能变大。对于相同的临界电流密度，高温超导体的磁化强度正比于晶体的线性尺寸。根据对不同高温超导体材料的研究，发现如果据此计算刚度的振幅相对不大时，也就是说，属于毫米量级时，高温超导体材料的磁性刚度大体上不依赖于晶体尺寸。于是，在此种条件下，如果高温超导体基本用于刚度目的，就可采用较低廉的处理方法。
在进一步试验中，已经明确在永磁体和高温超导体间的回转损失随着悬浮高度增加而降低。由于这些轴承在现场使用时总是要受冷却，在悬浮高度方面可以有范围以供选择。然而，大的悬浮压力要求实现低的悬浮高度。由于本发明的最佳实施例所要求的是相对地低的悬浮压力，通过增加高温超导体上方永磁体的悬浮高度可以降低回转损失。
气体离心式设计也是众所周知的，而且这些设计往往采用磁轴承(见S.Whitlow，″Review of the gas centrifuge until 1962，″Rev.Mod.Phys.，Vol.56，67-97页，1964)。为克服这些轴承中先天的不稳定性，如
图1A所示，往往用了一个枢轴式轴承。在此设计中，磁力轴承提供大部分悬浮力，但在径向稳定的同时，轴向是不稳定的。底部的机械式枢轴轴承既提供轴向又提供某些径向稳定度。此设计将转子放在靠近支承处使磁力轴承的间隙很小，而又不能太靠近以免少许扰动就使转子跳上靠在磁铁上。此枢轴刚度很够，然而，在高速机械上，轴承要摩耗，而且形成一摩擦损失源。
此缺点妨碍将超导轴承用于昼夜能量储蓄和能量的其它高效用途方面的经济可行性。
因此，本发明的目的就是提出一种新颖的低耗轴承和使用方法使能用于实现高效的飞轮蓄能装置。
本发明的另一目的是提供一种改进了的绝对稳定的轴承及使用方法，其中悬浮力的主体部分由二个或二个以上的永磁体间的交互作用力来承担，与之同时稳定力的主体部分由高温超导结构来提供。
本发明还有一个目的是在由一永磁体与一高温超导体组成的新颖磁力轴承中提供低的摩擦力。
本发明尚有一个目的是提供一种减低回转损失、改进了的磁力轴承及使用方法。
本发明的又一个目的是提出一种新颖磁力轴承和使用方法，它包含有一相对于转子来说距离较大的高温超导结构以提供稳定力，同时还降低回转损失。
本发明仍还有一个目的，即提供一种改进了的超导磁力轴承和使用方法，它包含一种吸引和排斥转子结构的永磁体的组合以提供悬浮力。
本发明还有另一目的即提供一种新颖超导磁力轴承和使用方法，它把超导结构单单作为与转子相隔一足够距离的、在其上提供稳定力的被动式稳定器而没有悬浮转子。
本发明的另一个目标是提出一种改进了一超导磁力轴承和使用方法，它降低由于磁场不均造成的回转损失。
本发明的其它优点和特征与构成和操作方式从下述结合附图的详细说明将变得明显，其中附图的相同的元件都用同一标号。
附图的简短说明图1A表示包含有机械式枢轴轴承的现有技术的磁力轴承的正视图，而图1B表示包含有高温超导枢轴轴承的磁力轴承的正视图；图2表示包含有高温超导结构的另一个磁力轴承；
图3表示一个把超导结构用作被动式稳定器的磁力轴承；图4表示具有同心磁铁及磁力线回路被分接的磁力轴承设计；图5表示采用另一种悬浮结构的磁力轴承设计。
优选实施例的详细说明参阅附图，特别是图1B，用10来表示一种优选的飞轮系统，它装有利用永磁体及高温超导体的磁力轴承。在此高温超导轴承系统10(此后就称为“轴承系统10”)中，一个高温超导体12和永磁体14取代了基本气体离心式设计中的枢轴轴承。高温超导体轴承系统10既保证轴向也保证径向的稳定，同时又消除了常规枢轴轴承中的一切摩擦损失特性。高温超导轴承系统10在此实例中也能提供小份额的悬浮载荷。
为一个实施例示于图2，其中高温超导体12及永磁体14再一次取代了枢轴轴承。重要的是，一组采用带有一个或更多机械式枢轴轴承的磁力轴承总是能够以被高温超导轴承所取代的枢轴轴承来运行。然而，常规的高温超导轴承设计仍招致因涡流引起的回转损失。此种损失可依靠根据本发明而构成的高温超导轴承而减至最低。
本发明形式之一的一种优选实施例示于图3中的飞轮系统38。飞轮40最好是由一非磁转子50、一环状永磁体60、及一圆柱形永磁体70所组成。转子50可由不锈钢、诸如凯芙拉或碳-碳复合物之类的复合材料或其它耐久材料所组成。上永磁体16与转子永磁体70以吸力相互作用并悬起飞轮40。另一永磁体20与转子永磁体70以斥力相互作用并浮起飞轮40。此种永磁体的设置被标记为推斥/拉吸轴承75。环形永磁体60稳定地悬浮在一高温超导结构30之上。环形永磁体60和高温超导体结构30受场冷却，并如果需要可以在稳定力之外提供某些悬浮力。此时在讨论了飞轮系统38中采用永磁体情况的同时，其它形式的磁铁一般地也可被等价地采用。应当指出的是，在图3中，固定部件(上永磁体16，下永磁体20及高温超导结构30)的支承装置未显示出，功率的输出/输入装置及飞轮系统其它辅助部件也均未显示出，因为对于普通技术熟练的人员来说，这些部件是众所周知的。
图3所示飞轮系统38的一个重要优点在于推斥/拉吸轴承75的刚度非常小。高温超导结构30毋需提供高的悬浮压力。在某些可推荐的实施例中，高温超导结构30可以设计成不提供任何悬浮压力。此外，与永磁铁60相互作用的高温超导结构30的刚度，对于小的振幅来说，是不依赖于悬浮压力和高温超导结构30的结晶尺寸大小的。例如，超过约1毫米的振幅，高温超导结构30的刚度将保持为常值而与悬浮压力和材料晶体尺寸无关。就这样，得以使用低性能质量、从而低造价的高温超导材料。高温超导结构30与环形永磁体60的相互作用在一切方向保持着绝对刚度。
非常宜于推荐的实施例所包含的一个悬浮着的飞轮系统38稍大于推斥/拉吸轴承75的最大力，而且飞轮系统38能在径向稳定状态来运行推斥/拉吸轴承75，也就是说，稍高于推斥/拉吸轴承75的中平面。高温超导结构30与环形永磁体60间的相互作用力提供总悬浮力的1％左右。在高温超导结构30及环形永磁铁60间只要求很低悬浮压力的情况下，它们间的间隙就能做得相对地大些。这种结构对磁场不均匀性的控制变得容易并降低了与高温超导结构30有关的回转损失。
如图4所示，基于图3中几何形状的另一实施例包含有一环形推斥/拉吸轴承75。每一个永磁体16、20、60和70可以做成一组同心环的形状(如图4中剖面所示)并带有一铁钴磁性合金帽80或用作永磁体16、20和60磁力线回路的其它高导磁性材料。这样的回路在永磁体70中是不需要的。一种非磁性材料结构80与永磁体60和70相偶合以便在固定永磁体16和20和高温超导结构30相邻处旋转。
本发明实施例的另一变型示于图5之剖面中。每个永磁体16、20、60和70最好都是同心环。非磁偶合结构90将永磁体16、20和60相偶合以便在固定永磁体70及高温超导结构30的相邻处旋转。非磁性的承载结构92在邻近永磁体16和20处支撑着永磁体70。在此实施例中，与图4中所示相反地交替变化的极性(如图5中所示)也具满意结果。
每个永磁体16、20、60和70可以在垂直方向进行分层或其它修正以减低场的不均匀度。发现这样的情况将同心环永磁体16、20及60交替变化的极性用铁钴磁性合金帽80一类的磁分路器或磁力线回路来偶合之会大大增加悬浮力，超过仅采用偶合极性环而不带磁分路器的同样结构的悬浮力达50％。这样，图4中所示交替极性同心环永磁体16、20和60(如有必要可在每个内部“嵌套”)是本发明非常值得推荐的实施例。
相应地，本发明的主要优点是高温超导结构30的材料毋需给出高的悬浮压力。这在高温超导轴承材料制作上使较低廉的处理方法得以采用。如果轴承系统10的高温超导部分不必较多地支承飞轮重量，则环状永磁体60可以在高温超导结构30的上面悬浮得更高些，如果比起高温超导结构30不得不支承飞轮40的全部重量的情况来，使与环形永磁体60中不均匀性有关的回转损失产生得要少。
在披露了此处所涉及的本发明的优选实施例之后得以了解，在不脱离本发明的精神实质和范围、或牺牲本发明的任何优点的情况下，是可以具体地作出各种修改的。
权利要求
1.一种高温超导材料的轴承，它包括一个包含永磁体结构的转子；用来和上述转子的永磁体结构交互作用以提供悬浮力使上述转子悬浮起来的多个永磁体装置；用来和上述转子的永磁体结构交互作用以提供稳定力使上述转子稳定旋转的一个高温超导稳定器装置。
2.权利要求1所定义的一种轴承，其中上述转子的永磁体结构包含有第一部分及第二部分，上述第一部分与上述多个永磁体装置交互作用，而上述第二部分与上述高温超导稳定器装置交互作用。
3.权利要求1中所定义一种轴承，其中上述转子还包含一非磁性结构。
4.权利要求2中所定义的一种轴承，其中非磁性体结构耦合上述第一部分和上述第二部分。
5.权利要求1中所定义一种轴承，其中上述多个永磁体装置中至少有一个垂直地位于上述永磁体结构的上方并施拉吸力于其上；同时在上述多个永磁体装置中至少有另一个垂直地位于上述永磁体结构的下方并施推斥力于其上。
6.权利要求2中所定义的一种轴承，其中各上述第一部分和上述第二部分中至少有一个由与磁分路器相偶合的同心磁环所组成。
7.权利要求2中所定义的一种轴承，其中上述第一部分与上述第二部分包括有同心磁环。
8.一种悬浮转子以在高温超导材料轴承中旋转的方法，它包含的步骤为提供一包括一永磁体结构的转子；将多个永磁体设置在上述永磁体结构的邻近以提供悬浮起上述转子所必需的悬浮力；和离上述永磁体结构某距离处设置高温超导结构，该距离足以在上述高温超导结构上提供稳定力，同时使由于磁场不均匀度造成的回转损失减至最低。
9.权利要求8中所定义的一种方法，其中上述转子的上述永磁体结构包含有第一部分与第二部分，上述第一部分与上述多个永磁体装置交互作用，上述第二部分与上述高温超导稳定装置交互作用。
10.权利要求8中所定义的一种方法，其中上述转子还包括一个非磁性结构。
11.权利要求9中所定义的一种方法，其中一个非磁性结构与上述第一部分及第二部分相偶合。
12.权利要求8中所定义的一种方法，其中上述多个永磁体装置中至少有一个垂直地位于上述永磁体结构的上方并施拉吸力于其上；同时在上述多个永磁体装置中至少有另一个垂直地位于上述永磁体结构的下方并施推斥力于其上。
13.权利要求9中所定义的一种方法，其中上述第一部分和上述第二部分中至少有一个包括有由与磁分路器相偶合的同心磁环。
14.一种悬浮转子以在高温超导材料轴承中旋转的方法，其包含的步骤为在一种非磁性材料结构的内部放置一永磁结构体以形成一转子；将多个永磁体设置在上述永磁体结构的邻近以提供悬浮起上述转子所需的悬浮力的大部分。将第二永磁体结构偶合到上述非磁性结构以便与之一起转动；和将一高温超导结构设置在邻近上述第二永磁体结构处以便在上述高温超导结构上也从而在转子上提供稳定力使转子转动大大地稳定。
15.权利要求14中所定义的一种方法，其中上述转子的上述永磁体结构包含有第一部分与第二部分，上述第一部分与上述多个永磁体装置交互作用；而上述第二部分与上述高温超导结构交互作用。
16.权利要求15中所定义的一种方法，其中每一个上述第一部分与上述第二部分包含有多个同心磁环。
17.权利要求14中所定义的一种方法，其中上述多个永磁体装置中至少有一个垂直地位于上述永磁体结构的上方并施拉吸力于其上；同时在上述多个永磁体装置中至少有另一个垂直地位于上述永磁体结构的下方并施推斥力于其上。
18.权利要求15所定义的一种方法，其中至少上述第一部分与第二部分中之一包括有由与磁分路器相偶合的、交替极性的大体上同心的磁环。
19.权利要求18中所定义的一种方法，其中上述大体上同心的环是嵌套在每个其它环内部的。
20.具有微结构晶体尺寸的一种高温超导轴承，它包含一个包含永磁体结构的转子；用来与上述永磁体结构交互作用的多个永磁体装置；和一个高温超导稳定器装置，它对稳定器装置的位移小于1毫米左右时，能提供大体上不受微结构晶体尺寸影响的磁性刚度。
全文摘要
一高温超导材料轴承系统(38)。此系统(38)包含着具有一个环形永磁体(60)的转子(50);一组用来交互作用以产生供系统(38)之悬浮力的永磁体(16,20和70)。此组磁体为推斥/拉吸轴承(75)。一高温超导结构(30)与环形永磁体(60)交互作用以产生供系统(38)的稳定力。
文档编号F16C39/06GK1171864SQ95193272
公开日1998年1月28日 申请日期1995年5月22日 优先权日1994年5月23日
发明者约翰·R·赫尔, 托马斯·M·马尔卡希 申请人:芝加哥大学