具有轉子和用於無接觸地支承該轉子的磁性軸承的裝置的製作方法
2023-08-05 03:43:06 2
專利名稱：具有轉子和用於無接觸地支承該轉子的磁性軸承的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種裝置，它具有至少一個圍繞一旋轉軸線可旋轉或旋轉的轉子和至少一個磁性軸承，該轉子無接觸地可支承或支承在該磁性軸承中。
美國專利說明書US 5 482 919 A公開了一種具有一個可繞一旋轉軸線旋轉的轉子的裝置，該轉子帶有至少一個用於一個電動機的超導繞組(勵磁線圈)。所述裝置為此還具有一個用於冷卻該超導繞組的低溫冷卻器。該超導繞組可由一種傳統的、其躍變溫度Tc(臨界溫度)低於35°K的、如鈮錫合金那樣的金屬超導材料(低溫超導體)製成，或者由一種其躍變溫度Tc高於35°K的陶瓷金屬氧化物超導材料(高溫超導體)製成，如一種鉍鍶鈣銅氧化物、一種釔鋇銅氧化物或一種汞化合物或鉈化合物製成。這種低溫冷卻器通過一種藉助壓縮機進行壓縮的工作流體(如氦、氖、氮、氫或氧)在如基佛-麥克馬洪(Gifford-McMahon)循環，斯特林循環或一種脈動管(Pulserohren)循環那樣的熱動力循環中迅速膨脹來進行冷卻。該超導繞組通過多個環形的支承元件與該低溫冷卻器的一個隨同轉子轉動的冷卻頭(Kaltkopf)導熱連接，這些支承元件由一種具有高導熱係數的材料製成並通過熱管或傳熱杆相互連接。由此，熱量從超導繞組通過固體的導熱傳遞給冷卻頭。一種如液氦或液氮那樣的液態冷卻介質在這種公知的冷卻系統中是不需要的，從而也不會因冷卻液體而對轉子的轉動造成影響。低溫冷卻器的壓縮機可一同轉動，或者相對於轉子位置固定而藉助一個轉動離合器與所述冷卻頭連接。關於轉子的支承在美國專利說明書US 5 482 919 A中並沒有詳細描述。
對於支承轉子採用磁性軸承是已公知的，它能夠實現無接觸的並因而無磨損的支承。無論是帶有電磁鐵和位置調節器的主動式磁性軸承還是帶有自動位置穩定器的從動式磁性軸承都已公知。
德國專利說明書DE 44 36 831 C2公開了一種用於將轉子軸支承在一個定子上的從動式磁性軸承。它包括一個與轉子軸連接的第一軸承部件和一個設置在定子上、並包繞該第一軸承部件的第二軸承部件。其中一個軸承部件具有一個高溫超導體。另一軸承部件則包括一些並排設置的、由一種釹鐵硼合金或一種釤鈷合金製成的永久磁鐵元件，其中相鄰的永久磁鐵元件相互反向磁化。這些永久磁鐵元件在位置改變時基於磁場改變在超導體中感應出屏蔽電流。由此產生的合力可相互排斥或相互吸引，但始終都定向成能阻止其偏離額定位置。與傳統的主動式磁性軸承不同的是，此時能夠實現內在的穩定支承，同時可以取消一個麻煩且容易引發故障的調節過程。每兩個永久磁鐵元件之間的間隙用鐵磁性材料填充，以便將由永久磁鐵元件出來的磁通集中到朝向另一軸承部件的那一側。由此實現高的軸承剛性(穩定性)。這些永久磁鐵元件和鐵磁性中間元件可以薄環形式沿轉子軸軸線的軸向方向前後設置或者沿軸向延伸而沿環周方向先後設置。
在這種已公知的磁性軸承的一種結構中，這些永久磁鐵按空心圓柱狀布置方式設置在軸承內部件上，所述超導體則作為空心圓柱形結構設置在軸承外部件的一個空心圓柱形支承體的內側。在該支承體內設有一些供冷卻超導體的液氮流過的冷卻通道。
在德國專利說明書DE 44 36 831 C2的另一種結構中，高溫超導體設置在轉子軸的軸承內部件上，其中為冷卻高溫超導體在轉子軸上設有供液氮流過的冷卻通道。這樣一種帶有冷轉子體的結構方式被建議作為一個帶有一深度冷卻的導體繞組或超導繞組的發電機或電動機的部件。
由美國專利說明書US 5 214 981 A公開了一種儲能裝置。該裝置包括一個轉動的飛輪，該飛輪為了傳遞能量在其圓周具有一些與另一些固定的電磁鐵相互作用的永久磁鐵。該飛輪在相對的兩側通過兩個轉子軸分別支承在一個磁性軸承上。在一種結構中(
圖1)，在這兩個轉子軸的端部分別設有一個或多個按圓柱形排列的永久磁鐵。這樣的端部作為第一軸承部件分別伸入到各自的磁性軸承中一個作為第二軸承部件的罐狀超導體內。為被冷卻將這些超導體分別設置在一個液氮冷卻池中。在另一種結構中(圖3)，每個轉子軸作為第一軸承部件在其背離飛輪的端側具有一個凹槽，其中襯砌有一個超導體。該超導體僅僅通過向置於一液氮池中的真空容器進行熱輻射而被冷卻。此外，磁性軸承還包括圓柱形的第二軸承部件，該第二軸承部件的端部伸入到轉子軸的凹槽中，並包括一個或多個按圓柱形排列的永久磁鐵。所述飛輪與兩個磁性軸承一起被封閉在一個壓力被抽真空到低於10-4毫米水銀柱的真空容器中，以避免轉動部件的摩擦及由此帶來的能量損失。所述兩個磁性軸承的軸承間隙構成該真空容器的相鄰抽真空區域之間的連接通道。
日本專利申請公開說明書JP平04-370417 A及其摘要公開了另一種儲能裝置，它帶有一個支承在兩個磁性軸承中的飛輪。該飛輪和這兩個磁性軸承一同設置在一個共同的抽真空腔室中。每個磁性軸承包括一個設置在飛輪上的中央永久磁鐵環和兩個沿軸向相隔一定距離的超導體環。這兩個超導體環設置在有液態冷卻介質流過的固定的支承盤上。
最後在德國專利申請公開說明書DE 197 10 501 A1中描述了一種電機，它具有一個帶有一用於產生旋轉磁場的多相繞組的定子和一個隨該旋轉磁場一同轉動的轉子。該定子具有一個構成轉子外殼的回流磁軛。該轉子則具有一根被導引通過外殼和回流磁軛上一個未密封孔的軸。該轉子全部或至少在其外側由一種高溫超導體製成。利用該超導體和在兩個位置上設置的環狀永久磁鐵構成用於無接觸地支承轉子的磁性軸承。為了冷卻轉子的超導體，整個電機設計具有一個小的結構尺寸並完全浸沒在一個裝有液氮的深度冷卻池中工作。
這些已公知的磁性軸承因無接觸式支承始終具有一個貫通的軸承間隙，並因而在通過該軸承間隙相互連通的兩側之間可供氣體和蒸氣流過。這樣一來，環境大氣和其中所含有的溼汽可進入軸承間隙中或通過該軸承間隙到達轉子。這就隱含著如下危險空氣中所含溼氣在磁性軸承的冷構件上凍結，或者當轉子被冷卻時也會在轉子的冷構件上凍結，並通過這樣一種凍結會使磁性軸承的功能受到限制，甚至完全損壞。此外，僅僅對前述現有技術的磁性軸承的超導體採用液態冷卻劑(低溫冷卻劑，通常是液態氮)進行冷卻，除了通常會造成滲透進入的溼氣在所要求的低溫冷卻劑輸送處凍結這一問題外，還會帶來在敏感的磁性軸承區內的密封問題，這個問題又會增大凍結的危險或增大磁性軸承發生其他功能故障的可能性。
本發明所要解決的技術問題在於保護所述用於支承轉子的磁性軸承免受這樣的功能影響或被損壞。
按照本發明，上述技術問題通過權利要求1所述的技術特徵來解決。
為此，所述裝置具有一個圍繞一旋轉軸線可旋轉或旋轉的轉子和至少一個磁性軸承，該轉子無接觸地(或者說無磨損地)可支承或支承在該磁性軸承中，並且該磁性軸承具有至少一個超導體(或一個超導結構)。
按照本發明，所述轉子連同所屬磁性軸承設置在一個共同的氣室(或充氣腔室)中，該氣室被一氣密的壁環繞。轉子和磁性軸承因此位於相同的氣體氛圍中，該氣體氛圍通過不透氣的壁與外界大氣隔離屏蔽開來。採用這樣的措施，每個磁性軸承的軸承間隙由該氣室中所充有的氣體來填充，並通過該氣室壁來避免外界溼氣的滲入。此外，壓力波動、例如由於氣體損失引起的壓力波動在一定範圍內是可以容忍的，因為這樣的壓力波動同時涉及氣室內的所有部件。
作為本發明的另一些措施，現在為冷卻各磁性軸承的超導體設置一個帶有至少一個冷卻頭的冷卻裝置，該冷卻頭與超導體熱耦合，並主要通過導熱這樣的傳熱機理將超導體的熱量散發出去。本發明建議採用一個本身基本上已公知的、用於間接冷卻磁性軸承的冷卻頭，相對於現有技術中利用一種液態冷卻介質的直接冷卻而言，是一個結構上更簡單且操作上更方便的技術方案。一個作為傳熱連接件的冷卻頭可方便地安裝在磁性軸承上。此外，採用一個或多個冷卻頭可保證對磁性軸承中的超導體進行有針對性的冷卻，並避免了從來就沒有完全避免的低溫冷卻液體溢出這一問題和由此導致的、不可控制且危險的熱狀況，在這樣的熱狀況中，因氣體氛圍中的殘餘溼氣或汽化的低溫冷卻劑中所含有的溼氣結冰而導致磁性軸承凍結。
本發明裝置優選的改進設計和改進結構由從屬於權利要求1的從屬權利要求給出。
所述用於對冷卻頭進行冷卻並進而間接冷卻磁性軸承的冷卻裝置優選具有一個低溫冷卻器系統，尤其是採用電能運行、且與冷卻頭結合而無需使用低溫技術液態氣體的低溫冷卻器系統。不同的冷卻頭可分別與一個所屬的低溫冷卻器連接或者按照任意組合的方式與共同的低溫冷卻器連接。每個冷卻頭優選從外面沿一條基本上垂直於旋轉軸線的方向通往磁性軸承的超導結構。
所述裝置的磁性軸承一般包括至少一個軸承內部件和至少一個軸承外部件，其中，該軸承外部件包圍所述軸承內部件，並在它們之間形成一個圍繞旋轉軸線延伸的軸承間隙，以及兩軸承部件之一與轉子、尤其是與轉子軸可連接或相連接。
所述磁性軸承的兩軸承部件之一現在優選具有至少一個永久磁鐵，而另一個軸承部件包括超導結構。該超導結構與所述永久磁鐵相互(通過感應)電磁作用，使得在軸承內部件和軸承外部件之間形成或保持軸承間隙。在多個永久磁鐵的情況下，這些永久磁鐵通常並列設置，尤其是沿旋轉軸線的軸向前後設置，且優選以一種四周封閉的結構(尤其為一環形結構)分別圍繞該旋轉軸線，或者也可以沿著圍繞旋轉軸線方向並列設置。所述永久磁鐵按照一種有利的改進設計以一種四周封閉的結構、優選以環形結構圍繞該旋轉軸線。在此，該環的橫斷截面尤其可以是圓形、盤形或相應於一種空心圓柱形或圓環形的環形結構的矩形。該環垂直於旋轉軸線的縱截面也可以尤其為圓環形。直接相鄰的永久磁鐵優選相互間基本上反向磁化，至少在中間通過可能存在的磁疇(Domnen)反向磁化。
在對於磁性軸承的一種有利的改進結構中，分別在至少兩個永久磁鐵之間設置一個磁通集中件和/或在沿軸向位於外部的永久磁鐵的外側分別設置一個磁通集中件。每個磁通集中件用於導引永久磁鐵的磁通量，並且通常還用於將磁通量集中在軸承間隙中並增強，為此該磁通集中件至少部分由一種導磁材料、尤其是如鐵那樣的鐵磁性材料例製成。
所述超導結構優選以一種封閉的結構、尤其是環形結構環繞旋轉軸線，和/或至少在其面向軸承間隙的一側大致成型為圓柱形。此外比較有利的是，將所述超導結構設置在軸承部件面向軸承間隙的那一側，以實現良好的耦合效率。
為了達到更高的矯頑磁場強度，通常為每個磁性軸承分別設置至少一個用於冷卻超導結構以及相宜地也用來冷卻永久磁鐵的冷卻頭。
至少一個無接觸式磁性軸承的軸承間隙現在優選與所述氣室連通，允許氣體交換。這樣一來，軸承間隙就處於與氣室氣氛相同的氣氛中。
所述氣室的壁通常相對於轉子位置固定，也就是說在轉子轉動時其相對於轉子軸線的位置保持不變。
所述轉子優選通過一根與轉子相連接或可與轉子連接的轉子軸支承在磁性軸承中。這根轉子軸優選穿過氣室壁上的一個用一轉動密封件密封的孔伸到外面。
在所述裝置的一個特別有利的實施方式中，所述轉子優選通過轉子軸支承在至少兩個磁性軸承中，這兩個磁性軸承設置在該轉子沿旋轉軸線的軸向相對置的兩側。由此實現對轉子兩側的支承並進而實現特別穩定的支承。
轉子的一種有利的改進結構在於具有至少一個通常圍繞所述旋轉軸線、並優選由一種超導體製成的繞組(線圈)。
作為用於磁性軸承和/或轉子上繞組的超導體可考慮採用所有的低溫超導體以及高溫超導體。該超導體可以是一種傳統的、其躍變溫度低於35°K的低溫超導體，例如一種如鈮錫合金那樣的金屬合金，或優選一種其躍變溫度高於35°K、尤其優選高於77°K(即液氮沸點)的高溫超導體，例如一種金屬氧化物或陶瓷高溫超導材料，如鉍鍶鈣銅氧化物、釔鋇銅氧化物或一種汞化合物或鉈化合物。超導材料的躍變溫度越高，冷卻所需能量就越小。
在尤其是高溫超導體僅僅是有限地自支撐時，按照一種有利的改進結構，可將磁性軸承的超導結構或轉子的超導繞組設置在一個支承體或繞組架上，或者設置在一個支承體或繞組架中。為了冷卻超導體，所述支承體或繞組架優選具有良好導熱性能，例如其由金屬來製成。
在一種特別有利的實施方式中，轉子的繞組架具有一個沿旋轉軸線延伸的空腔(內腔)。對於繞組的冷卻現在可比較有利地按節省位置的方式由此空腔來完成，此時，在空腔中或空腔上將一個傳熱單元與繞組架熱耦合、優選通過空腔中的一種接觸氣體與繞組架熱耦合。
傳熱單元現在優選與一個用於轉子的冷卻裝置熱耦合或可與其熱耦合。該冷卻裝置可按本身已公知的方式構造，例如按照前面提到過的美國專利說明書US 5 482 919 A中所述方式來構造。這篇專利文獻的所有公開內容均被本發明吸收。所述用於轉子的冷卻裝置和/或傳熱單元也可用一種如液氦或液氮那樣的液態冷卻劑來工作或者也可象磁性軸承的冷卻系統一樣具有一個包含至少一個冷卻頭的低溫冷卻器系統。
按照一種特別的結構，所述傳熱單元具有一個伸入繞組架空腔中的、優選為圓柱形結構的傳熱體。在該傳熱體和繞組架之間形成了一個圍繞旋轉軸線的、用一種接觸氣體填充的中間間隙。從繞組上將熱量散走或者對繞組進行冷卻現在基本上通過固體和接觸氣體的導熱來實現。
但作為替代的或作為補充的傳熱機理也可以對具有一相應選擇的汽化焓能的傳熱氣體進行汽化、冷凝循環來實現。所述傳熱單元尤其可以包括一根熱管。
在一個利用所述導熱和汽化兩種傳熱機理的實施方式中，所述繞組架的空腔至少部分用傳熱氣體來充填，這樣該傳熱氣體也可作為導熱的接觸氣體。
所述繞組架的空腔或傳熱體與繞組架之間的間隙也可與所述氣室以可允許交換氣體的方式相連通。這樣在轉子內部和外部都形成一個統一的氣體氛圍，而不必採取特殊措施來密封這些氣室。
當傳熱單元和繞組架應相互機械地脫耦，亦即在轉子轉動時傳熱單元需保持固定時，將傳熱單元無接觸地設置在繞組架中特別有利。這樣一種固定的、不隨同轉動的傳熱單元以及可能與之相連接的冷卻頭是合乎需要的，因為該冷卻系統中的轉動部件不必相互間密封。
在一種特別有利的改進結構設計中，至少一個支承在相對應的磁性軸承中的轉子軸被設計為空心軸。該空心軸內現在至少部分容裝傳熱單元和/或一個在氣室與轉子的一個內腔、尤其是與繞組架中的空腔之間的連接通道。
為保護繞組，將該繞組優選設置在轉子的一個容器的內腔中。該內腔優選抽真空，並相對於氣室的其餘部分和繞組架的空腔密封。
所述裝置的裝有轉子和磁性軸承的氣室中，通常由一種氣體或氣體混合物來充滿。該氣體或氣體混合物在冷卻需要冷卻的部件時用於導熱，並為此與這些部件接觸，因此也稱為接觸氣體。這些氣體通常在裝置運行期間保留在氣室中。因此，這種接觸氣體在一種有利的實施方式中是一種惰性氣體或由多種惰性氣體組成的混合氣體，在此優選採用氦氣或氖氣，但在相應高的運行溫度下也可採用氮氣。此外，氫氣或氧氣原則上也適合，儘管在使用上存在一些麻煩。
在氣室中充入的氣體優選實際上不含水份或只含有低於臨界值的水份，這樣不可能有水在氣室中的冷部件上凍結。為此，應當製備具有一相應純度的氣體和/或對氣體進行乾燥處理。
氣室中的氣體壓力在一個比較有利的實施方式中優選調節成至少和在圍繞該氣室壁的外腔室中的氣體壓力(通常是大氣壓力)一樣高，且優選更高。由此即便在氣室壁範圍內出現密封問題或洩漏情況時，也能可靠地阻止潮溼空氣進入及由此可能引起的在冷區內結冰。
本發明的裝置優選用於如電動機與發電機那樣的電機。
下面藉助附圖所示實施方式對本發明予以詳細說明
圖1為本發明帶有一個支承在兩個磁性軸承中的轉子的裝置沿一個包含該轉子的旋轉軸線的平面的縱剖圖；圖2為本發明裝置的磁性軸承的一種實施方式的局剖透視圖；圖3為本發明裝置的磁性軸承的另一種實施方式的的縱剖圖；圖4為本發明裝置的磁性軸承的又一種實施方式沿一個與旋轉軸線正交的平面的橫剖圖；圖5為本發明帶有一個支承在兩個磁性軸承中的轉子和一根熱管的裝置的縱剖圖。
圖1至5中相互對應的部件用相同的附圖標記來表示。
圖1示出一個帶有一個轉子20的裝置，該轉子沿其旋轉軸線(轉動軸線)A的軸向在兩端側分別可旋轉地支承在一個磁性軸承2和3中。為此，在圖1中的左側在轉子20上構造有或固定有一個設計為空心軸(空心管)34的第一轉子軸。該轉子軸34無接觸地支承在磁性軸承2中。此外，該空心軸34在圖示實施方式中還具有一個用於補償長度的長度補償器36，尤其是一個伸縮波紋管。在圖1中與此相對的右側在轉子20上構造有或固定有一個例如實心的第二轉子軸4，且該轉子軸無接觸地支承在磁性軸承3中。這兩根軸，亦即空心軸34和轉子軸4優選相對於旋轉軸線A旋轉對稱，且尤其構造成空心圓柱形和圓柱形或者也可至少略帶錐形。
優選具有基本相同結構的磁性軸承2和3中的每一個具有一個與所屬空心軸34或轉子軸4結合的軸承內部件5和一個圍繞該軸承內部件5、且在其間形成一軸承間隙10的軸承外部件11。該軸承內部件5在其朝向軸承間隙10的外側具有多個在圖1中沒有詳細示出的永久磁鐵。在軸承外部件11面向軸承間隙10的內側具有一個與該永久磁鐵相對的超導結構12，該超導結構的外側支承在一個支承體13上。該超導結構12分別與一個從外面穿過支承體13伸入的用於冷卻的冷卻頭22或23相接觸。磁性軸承2和3的結構下面還要藉助圖2至4詳細說明。現在首先對圖1所示裝置中的其它部件予以說明。
轉子20具有至少一個由一種超導材料製成的繞組25，優選為一匝或多匝以基本相同半徑圍繞該旋轉軸線A的繞組。該繞組25裝在一個繞組架26上或繞組架26中，該繞組架26以空心體結構形式、優選以空心圓柱形的結構形式圍繞該旋轉軸線A。該繞組架26由一種具有良好導熱性能的材料、如一種金屬製成。
在繞組架26的內部形成一個中央空腔30，旋轉軸線A穿過其中。該空腔30在朝向轉子軸4的一側被繞組架26封閉，而在朝向空心軸34的一側則敞開。一個圓柱形的傳熱體35在這一側穿過繞組架26上的開口伸入空腔30中，並一直延伸到接近其相對側的端部。該傳熱體35由一種具有良好導熱性能的材料、例如一種如鋁或銅那樣的金屬來製造，或者為避免產生渦流，也可以由一種如陶瓷(例如氧化鋁或氮化鋁)那樣的介電的熱傳導材料或單晶藍寶石製成。
在傳熱體35和繞組架26之間形成一個環狀的中間間隙39。傳熱體35向外穿過一個在這一側與繞組架26相毗鄰的懸掛件48的中央空腔進入空心軸34的空腔中，由此分別形成一個間隙38或37。通過屬於空心軸34的間隙37、屬於懸掛件48的間隙38以及屬於繞組架26的間隙39，傳熱體35相對於這些旋轉部件以及轉子20總體上位置固定，亦即不隨同一起轉動。
至少在傳熱體35和繞組架26之間的間隙39內裝有一種接觸氣體，它在繞組架26和傳熱體35之間建立起一種熱耦合。這些間隙39、38和37優選如圖示那樣相互連通，使得在所有的間隙37至39中都存在接觸氣體。作為接觸氣體優選採用氦氣或氖氣。
傳熱體35在其背離位於繞組架26空腔30中的端部的另一端以熱耦合方式與一個冷卻頭24的一端相連接。該冷卻頭24沿旋轉軸線A的軸向從相對側延伸到空心軸34中。通過這個與一個圖中未示出的冷卻裝置、尤其是一個本身已公知的低溫冷卻器相連接的冷卻頭24，使傳熱體35得到冷卻。由此，再通過接觸氣體的導熱間接地對繞組架26以及由於其具有良好導熱性能而對原本要冷卻的超導繞組25進行冷卻。這樣一來，一個旋轉的部件、即繞組25通過一個固定的部件、即傳熱體35實現了冷卻。
帶有繞組25的繞組架26設置在一個容器21的內腔中，並在兩個端側分別通過一個帶有一個金屬套筒和一個由絕熱材料製成的空心芯體的懸掛件48懸掛在該容器21的壁上。繞組架26的外側(外周表面)與該容器21的內壁間隔一定距離。所述在容器21的內腔中形成的、位於繞組架26和容器壁之間的間隙優選被抽真空到一期望的殘餘壓力，以便儘可能地使繞組架26對外良好絕熱。該容器21內抽真空的區域通過繞組架26本身以及兩個懸掛件48與圍繞傳熱體35的間隙39和38氣密地隔離開來。
現在這個帶有兩個轉子軸34和4的轉子20與兩個磁性軸承2和3就被一起設置在一個由不透氣的壁61以氣密方式包圍的氣室60中。該氣室60內充有一種具有預定組分的氣體50，尤其是一種抗化學反應的(惰性)氣體，如氖氣或氦氣或者是它們的混合物。
轉子20上的空心軸34現在優選如圖所示在其由轉子20使用的一端通入氣室60中，從而氣室60的外部區域與所述間隙37、38和39之間存在著氣體連通。此外，磁性軸承2和3的軸承間隙10也分別在兩側向氣室60敞開。這樣一來，間隙37、38和39，軸承間隙10以及氣室60其餘部分中充有相同的氣體50。因而，該氣體50同時是用於冷卻繞組25的接觸氣體和一種用於磁性軸承2和3的保護氣體，因此具備多項功能作用。
用於冷卻繞組2的冷卻頭24和用於冷卻磁性軸承2和3的冷卻頭22和23穿過氣室60的壁61，並相宜地保持或固定其上。此外，磁性軸承2和3的軸承外部件11通過固定件52及53固定在壁61上。壁61和固定其上的部件優選位置固定，不隨轉子20一起轉動。
所述支承在磁性軸承3中的轉子軸4在氣室60壁61上與冷卻頭24相對置的端側穿過一個開孔。轉子軸4在穿過氣室60的壁61時用一個位於外部的轉動密封件40、尤其是一個滑環密封件或封口圈密封件、一個徑向軸封、一個填料盒密封件或一個鐵磁流體密封件(Ferrofluiddichtung)進行密封以防止空氣從外面進入或者從內部洩漏出接觸氣體50。
氣室60內的氣體50壓力一般至少調節到大氣壓力(約1巴)，優選高於大氣壓力。由此可以獲得一個相對於壓力波動不敏感的、且可特別好地防止溼氣從外面進入以及防止洩漏的裝置。
所述氣體50在位於轉子20和磁性軸承2和3之外的氣室60區域(外腔室)內通常至少接近於環境溫度。在轉子20和磁性軸承2和3內部的低溫技術溫度與氣室60外腔室中明顯更高的溫度之間所存在的溫度梯度被保持在相當窄的、充有氣體50的間隙(由間隙37至39以及軸承間隙10構成)上。為了將該溫度梯度保持在由空心軸34和冷卻頭24之間的間隙37構成的氣隙中，可以另外將圖中未示出的環形刷(例如3至5個刷)沿軸向堆疊地設置在該氣隙中，以避免或減小通過對流將熱量傳入。
在容器21的外部，一個設置在一個定子支座46上的定子繞組45圍繞繞組26。定子繞組45和定子支座46連同一個兩端封閉的外殼構成一個電動機(尤其是同步電動機)或發電機的定子。這屬於本發明裝置的優選應用，但並非是唯一的應用方式。
圖2是一種磁性軸承的放大透視圖。該磁性軸承尤其可用作圖1中所示的磁性軸承。軸承內部件5配備有多個、例如六個環片形的永久磁鐵元件(永久磁鐵)6a至6f。這些永久磁鐵元件6a至6f分別這樣進行極化，使得其沿軸向(即沿旋轉軸線A的方向看)從一個元件到另一個元件反向極化。在圖中用箭頭7示意地表示各極化方向。在永久磁鐵元件6a至6f之間設置了一種由鐵磁性材料(例如鐵)製成的環盤形元件(中間元件)8a至8e。此外，在外部的永久磁鐵元件6a和6f端側的外表面上相應於元件8a至8e也設有鐵磁性元件8f和8g。這些鐵磁性元件8a至8g的鐵磁性材料用於將磁通量均勻地集中到軸承內部件5的圓柱形外表面上，並由此提高軸承2的承載能力。與此同時，鐵磁性元件8a至8g還在機械上增強了帶有通常由脆性材料製成的永久磁鐵元件6a至6f的軸承內部件5。所有元件6a至6f和8a至8g呈堆疊狀地沿軸向前後固定在轉子軸4上。轉子軸4優選由一種非磁性或不能磁化的材料製成，例如由一種特殊的鋼製成。
軸承內部件5被一位置固定的空心圓柱形軸承外部件11圍繞，在其間形成一個軸承間隙10將它們隔開。在軸承內部件5與軸承外部件11之間的軸承間隙10的間隙寬度(徑向尺寸)w優選處於鐵磁性中間元件8a至8g軸向厚度d2的數量級內，間隙寬度w的典型值在0.1mm與5mm之間，優選在0.3mm與1.5mm之間。
構成一個定子的軸承外部件11在其面朝軸承內部件5的內側有一超導結構12，該超導結構12外側支承在一個例如由金屬、尤其是銅(Cu)製成的支承體13上。作為用於超導結構12的超導體材料可考慮各種已公知的超導材料，尤其是經過結構處理的YBa2Cu3O7-x。在這裡，至少大部分超導體材料的結晶的a-b面優選基本上平行於軸承內部件5的外表面定向。超導體晶粒(顆粒)的平均粒度(顆粒直徑)在這種情況下應大於永久磁鐵元件6a至6f的軸向厚度d1，在這裡所關注的是在結晶的a-b平面內的粒度。
由軸承內部件5上相鄰的永久磁鐵元件(例如6d、6e)引起的磁通量在很大程度上集中在公共的鐵磁性中間元件(8d)內，並因而以高的磁通量密度經此中間元件進入軸承間隙10內。在該軸承間隙10內磁流去往各相鄰的中間元件(8c及8e)。在圍繞軸承內部件5、構成軸承間隙10邊界的、且位置固定的超導結構12內，由各磁極產生的磁通量感應出相應的電流，此電流又起到一個磁耦合或反向耦合的作用。在轉子軸4的那一側，磁通量終止在轉子軸4非磁性材料的區域。由此在那裡有利地避免了會導致排(進？)入軸承間隙10內的磁通量減少的磁短路。
元件6a至6f的永磁性材料應有至少為20MGOe的最大能量乘積(B*H)max，以便賦予所需的軸承承載力和軸承穩定性。具有這種高能量乘積的適用材料尤其是一種釹(Nd)-鐵(Fe)-硼(B)合金或一種釤(Sm)-鈷(Co)合金。該永磁性材料為提高其矯頑磁場強度必要時也可被冷卻。
在軸承內部件5所在區域的外部，磁性軸承3有一個可升降的固定和定心裝置15，只要超導材料處於其工作溫度之上，該固定和定心裝置便承受靜止狀態下的軸承力。與此同時軸承位置通過在轉子軸4的一個槽17和在裝置15上的一個刀刃狀支座18實現沿軸向和橫向的定心。通過電磁感應在軸承內部件5與圍繞軸承內部件5的軸承外部件11(定子)之間產生電磁力，該電磁力與運動方向反向作用，並導致軸承內部件5與轉子軸4大體在軸承間隙10的中央自由懸浮。採用這種軸承，軸承承載壓力可達10bar並可獲得相當大的剛性，以阻止轉子軸4和轉子20沿徑向和軸向移動。
在圖3中示出磁性軸承的另一種實施方式，該磁性軸承適宜用作圖1中所示的磁性軸承3(或2)。永久磁鐵元件6j和鐵磁性元件8i交替地堆疊設置在軸承內部件5上。這樣一種由元件6j和8i交替堆疊的成疊組件按照圖3固定在一個支承體54上。該支承體54通過由絕熱的機械穩定材料(例如一種纖維增強塑料、尤其是玻璃纖維增強塑料)製成的夾持支承盤57和位於該夾持支承盤57之間的絕熱材料55與轉子軸4相隔開。軸承外部件11同樣也具有一個超導結構12和一個用於該超導結構12的支承體13。
在該支承體13上又垂直地、從外向內延伸地連接有一個冷卻頭23，從而形成熱耦合。該冷卻頭23抵靠在或固定在磁性軸承3的外殼體19上。所述支承體13通過夾持支承盤57和夾在它們之間的絕熱材料56與所述外殼體19相連接。
在圖3的特定構造設計中，在帶有支承體13的超導結構12和帶有磁性成疊組件的軸承內部件5沿旋轉軸線的軸向的兩端側的前面分別有一個從外殼體19向內對著旋轉軸4伸出的絕熱體14或14′。在絕熱體14和旋轉軸4之間形成了一個平行於旋轉軸線A延伸的第一軸承部分間隙41。在絕熱體14向內面對軸承內部件5的一側與軸承內部件5之間形成了一個與旋轉軸線A相垂直的第二軸承部分間隙42。類似地，在另一絕熱體14′向內面對軸承內部件5的一側與軸承內部件5之間形成了一個也垂直於旋轉軸線A的第三軸承部分間隙43，同時在該絕熱體14′和旋轉軸4之間也形成了一個平行於旋轉軸線A延伸的第四軸承部分間隙41。第一軸承部分間隙41、第二軸承部分間隙42、軸承間隙10、第三軸承部分間隙43、第四軸承部分間隙44前後連通形成一個供氣體50通過磁性軸承3的氣體通道。這種特定設計的軸承間隙的優點在於，位於磁性軸承3較熱的端部的第一軸承間隙41和和第四軸承間隙44相對於軸承間隙10更靠近旋轉軸線A，這兩個軸承部分間隙41和44中的氣體50在轉子軸4和軸承內部件5一起轉動時承受一個相應較低的離心力。這還帶來這樣的效果，即，在轉子軸4上的轉子內部件5轉動時，在更靠近旋轉軸線的軸承部分間隙41和44(以及42和43)中隨同被帶動的氣體50的密度較小，而在距離旋轉軸線更遠的軸承間隙10中的氣體50的密度則較大。由於另一方面氣體50的密度基於溫度朝向軸承間隙10急劇降低又重新增大，這兩種相反的效應在一定的程度上相互抵消。因而，在這樣一種結構的磁性軸承3中，氣體50在磁性軸承3中有更均勻的密度分布和更穩定的分層。
圖4示出一個用於圖1中所示裝置的磁性軸承2的變型結構的橫剖面圖。其中，所述永久磁鐵元件設置在磁性軸承2的軸承外部件29上，而一個安設在空心軸34的外側上的空心圓柱形超導結構32作為軸承內部件31。此外，磁性軸承2的永久磁鐵不是沿軸向成疊設置，而是設置一些沿軸向伸展的、空心圓柱體扇形段狀永久磁鐵元件27i，27j(1≤i≤j；1≤j≤n)。這些永久磁鐵元件27i，27j相互間分別通過條帶狀的、同樣空心圓柱體扇形段狀的鐵磁性元件28k(1≤k≤2n)隔開，並與它們共同構成一個封閉的空心圓柱體裝置作為軸承外部件29。位置固定的軸承外部件29環繞可旋轉的軸承內部件31，相互間留有定義為軸承間隙10的寬度w的間距w。空心軸34又在形成間隙寬度為x的中間間隙37的情況下圍繞所述傳熱體35。在圖示橫剖面中很容易看出，這兩個相互同心設置的間隙、即軸承間隙10和中間間隙37用同一種氣體50來填充。
圖5示出本發明裝置一種相對於圖1作了變型設計的實施方式，其中，圖1中示出的由傳熱體35和冷卻頭24構成的傳熱單元被一個在圖5中示出的按照熱管原理工作的傳熱單元所替代。工作液體50′、優選液化的接觸氣體50經一根優選真空絕熱的熱管70，通過一個位於空心軸34的後部並經過懸掛元件48而通往繞組架26空腔30的、逐漸擴寬的錐形內腔38′，進入空腔30中。工作液體受熱汽化並以汽化熱的形式將熱量從繞組架26上帶走。汽化後作為熱管70工作氣體的氣體50按照相反的路徑通過內腔38′和熱管70被運輸到一個位於氣密的壁61之外的冷凝器71中，並在那裡由冷卻頭冷卻直至其重新被液化(冷凝)成工作液體50′。然後又重新開始熱管70內的循環(工作循環)。在這種實施方式中，氣體50不僅僅用作接觸氣體，而且也附加地作為藉助熱管來冷卻的工作氣體。在熱管70和空心軸34之間形成一個狹窄的中間間隙37′。該間隙與氣室60的其餘部分相連通，並可使熱管70與旋轉部件如空心軸34機械脫耦。
關於磁性軸承、尤其是圖1至圖5所示磁性軸承的材料、構造、尺寸設計和功能的其他細節請參見德國專利說明書DE 44 36 831 C2。該申請所公開的內容都屬於本申請文件的公開內容。
權利要求
1.一種裝置，它包括a)一個圍繞一旋轉軸線(A)可旋轉的或旋轉的轉子(20)，b)至少一個磁性軸承(2，3)，所述轉子無接觸地可支承或支承在該磁性軸承中，該磁性軸承包括至少一個超導結構，c)一個冷卻裝置，它具有至少一個用於冷卻所述磁性軸承的至少一個超導結構的冷卻頭(22，23)，其中d)所述轉子和磁性軸承被設置在一個共同的氣室(60)內，該氣室被一個氣密的壁(61)包圍。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述轉子支承在至少兩個磁性軸承中，該至少兩個磁性軸承分別設置在轉子沿旋轉軸線的軸向相互對置的兩側。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其中，所述轉子通過至少一個與該轉子相連接或可連接的轉子軸(4，34)支承在所述磁性軸承中。
4.如權利要求3所述的裝置，其中，所述轉子軸穿過一個設置在氣室壁上的、用一個旋轉密封件(40)密封的開孔向外伸出。
5.如上述任一項權利要求所述的裝置，其中，所述轉子具有至少一個優選圍繞所述旋轉軸線的超導結構的繞組(25)。
6.如權利要求5所述的裝置，其中，所述繞組設置在一個優選為導熱結構的繞組架(26)上，該繞組架具有一個沿旋轉軸線的軸向延伸的空腔(30)。
7.如權利要求6所述的裝置，其中，所述繞組架的空腔與所述氣室可氣體交換地連通。
8.如權利要求6或7所述的裝置，其具有一個傳熱單元(35，24)，該傳熱單元與繞組架、優選通過一種接觸氣體(50)與繞組架熱耦合，並與一個冷卻裝置熱耦合或可與之熱耦合。
9.如權利要求8所述的裝置，其中，所述傳熱單元與轉子機械脫耦，尤其是不隨同轉子一起轉動，和/或位置固定地與所述氣室的壁連接。
10.如權利要求8或9所述的裝置，其中，a)所述傳熱單元包括一個伸入繞組架空腔中的、優選為圓柱形的傳熱體，b)在該傳熱體和繞組架之間形成有一個圍繞旋轉軸線的、用一種接觸氣體充滿的中間間隙，該中間間隙優選與所述氣室連通。
11.如權利要求8至10中任一項所述的裝置，其中，所述傳熱單元(70)通過循環地汽化和冷凝一種傳熱氣體將熱量從繞組架上帶走。
12.如權利要求11所述的裝置，其中，所述繞組架的空腔至少部分用所述傳熱氣體來填充，使得該傳熱氣體用作接觸氣體。
13.如權利要求3或權利要求8至12中任一項所述的裝置，其中，一個支承在所屬磁性軸承中的轉子軸被設計為空心軸(34)，所述傳熱單元和/或一個在所述氣室與轉子的一個內腔、尤其是與繞組架的空腔之間的氣體連接通道至少部分設置在該空心軸內。
14.如權利要求5至13中任一項所述的裝置，其中，所述轉子包括一個氣體密封的容器，所述繞組設置在該容器的一個優選抽真空的內腔中。
15.如上述任一項權利要求所述的裝置，其中，各磁性軸承包括a)至少一個軸承內部件(5)，b)至少一個軸承外部件(11)，c)至少一個設置在所述兩軸承部件之一上的永久磁鐵(6a至6f，27i，27j)和d)至少一個設置在另一個軸承部件上的超導結構，其中e)所述永久磁鐵和超導結構相互發生電磁作用，使得在軸承內部件和軸承外部件之間形成或保持一個圍繞旋轉軸線的軸承間隙。
16.如權利要求15所述的裝置，其中，a)所述兩軸承部件之一、尤其是軸承內部件與轉子、尤其是與轉子軸相連接或可連接，b)所述另一個軸承部件、尤其是軸承外部件具有至少一個超導結構，並與冷卻頭連接。
17.如權利要求15或16所述的裝置，其中，所述各磁性軸承的軸承間隙優選在其沿旋轉軸線的軸向端部與所述共同的氣室相連通。
18.如權利要求17所述的裝置，其中，所述軸承間隙通過一些比軸承間隙更靠近旋轉軸線的連接通道與所述氣室相連通。
19.如權利要求15至18中任一項所述的裝置，其中，至少一個磁性軸承具有多個優選沿旋轉軸線的軸向前後設置或環繞旋轉軸線並列設置的水久磁鐵(6a至6f，27i，27j)。
20.如權利要求19所述的裝置，其中，在至少兩個永久磁鐵(6a至6f)之間分別設置一個至少部分由一種導磁材料、尤其是一種如鐵那樣的鐵磁性材料製成的磁通量集中元件(8a至8c)，以導引永久磁鐵的磁通量。
21.如上述任一項權利要求所述的裝置，其中，所述超導體具有一個高於35°K、優選高於77°K的躍變溫度。
22.如上述任一項權利要求所述的裝置，其中，各個用於冷卻所述磁性軸承、尤其是其超導結構的冷卻裝置具有至少一個與至少一冷卻頭(22，23，24，72)熱耦合的低溫冷卻器系統。
23.如上述任一項權利要求所述的裝置，其中，各冷卻頭沿著一個基本垂直於旋轉軸線的方向從外面伸向所述磁性軸承的超導結構。
24.如上述任一項權利要求所述的裝置，其中，所述氣室用一種預定的氣體、尤其是一種惰性氣體、優選是氦氣或氖氣或氮氣或這些氣體的混合物來充填。
25.如權利要求24所述的裝置，其中，充填在所述氣室中的氣體實際上不含水份或只含有低於一臨界值的水份。
26.如上述任一項權利要求所述的裝置，其中，所述氣室中的氣壓至少和圍繞該氣室壁的外腔室內的氣壓、尤其是大氣壓相同或更高一些。
27.一種採用如上述任一項權利要求所述裝置的電機。
全文摘要
本發明公開了一種裝置，它包括a)一個圍繞一旋轉軸線(A)可旋轉的或旋轉的轉子(20)，b)至少一個磁性軸承(2，3)，所述轉子無接觸地可支承或支承在該磁性軸承中，該磁性軸承包括至少一個超導結構和多個永久磁鐵，c)一個冷卻裝置，它具有至少一個用於冷卻該磁性軸承或每個磁性軸承的至少一個超導結構的冷卻頭(22，23)，其中d)所述轉子和磁性軸承被設置在一個共同的氣室(60)內，該氣室被一個氣密的壁(61)包圍。所述裝置的優點在於防止磁性軸承結冰。
文檔編號F16C37/00GK1484739SQ01817083
公開日2004年3月24日 申請日期2001年9月21日 優先權日2000年10月9日
發明者弗洛裡安·斯坦邁耶, 弗洛裡安 斯坦邁耶 申請人:西門子公司