[其他]使用高温超导体的高性能磁轴承系统

说明书

一种磁轴承装置和方法,用于在具有超导磁装置(12,42,82,102)和磁装置(30,60,92,112)的磁轴承结构中,通过在具有几个磁畴(18,54,86,106)的超导磁装置中,提供超导磁部件(14,46,844,104),并这样排列所述超导磁部件,使得至少一个磁畴具有相对于磁装置中的磁部件的参考轴(38,66,96,118)呈一定角度配置的磁畴C轴矢量定向,从而提供至少一个稳定力。

本发明一般涉及磁轴承设计。更详细地说，本发明涉及一种具有超导装置的动轴承系统，超导装置相对于磁装置的参考轴具有至少一个磁畴C轴矢量的特定定向。磁畴定向能够提供稳定力，从而避免产生不平行于悬浮的轴承装置所需运动方向的速度。

磁轴承结构是一种被动轴承系统，其中一个轴承装置通过至少一个另外的轴承装置被悬浮着。一种已知的磁轴承结构是超导磁轴承，其中包括永磁体和高温超导体(HTS)的组合。超导磁轴承一般包括直线磁轴承和旋转磁轴承。直线磁轴承系统包括第一磁装置(承载装置)，它被第二磁装置(导向装置)悬浮着，其中承载装置相对于导向装置能够作直线运动并被其引导。HTS材料可用于承载装置或导向装置中。在电动悬浮(EDL)磁悬浮车辆(Mag-Lev)中，承载装置通常含有HTS材料(Moon，Francis C.，超导悬浮27(John WileySons Inc.1994))。第三类超导磁轴承是一种在轴承装置之间基本上没有相对运动的轴承系统。这种轴承为灵敏的仪器提供一个稳定的悬浮平台。第三类轴承的应用包括为光学设备提供平台，并为电子显微镜提供载物台。

直线磁轴承的应用包括用于清洁房间或真空处理系统的直线运送机托板。旋转磁轴承例如包括能够相对于至少一个其它的磁装置(定子装置)转动的悬浮磁装置。一般地说，旋转磁轴承包括轴颈轴承和止推轴承。轴颈轴承可以包括装在定子装置内部的具有空心圆柱结构的由HTS制成的悬浮磁装置。止推轴承可以包括在定子装置上方的由HTS材料制成的悬浮磁装置。

旋转磁轴承的应用包括飞轮能量存储装置，陀螺器件，高速机床，空间飞行器的角动量轮，用于光学和红外装置的旋转扫描仪，高速光学快门，离心机，微型机械轴承，低温冷却涡轮机，用于火箭，飞船，基于地面系统的低温泵，飞机工程轴承，地下气体管道泵，纺织工业的高速锭子，粒子束断续器以及计算机盘存储装置。这种轴承可以在不同的重力方位上操作：在止推轴承中，如上所述，磁装置可以悬浮在定子装置的上方，或者磁装置也可以悬浮在定子装置的下方。

高温超导轴承由于其寿命长，可靠性高，和低的固有轴承功率损失而被注意。II类超导材料通常用于旋转轴承系统。一种特定的II类超导材料是1-2-3相钇-钡-铜氧化物(YBCO)熔融制成的材料，例如YBa₂Cu₃O_x。在II类超导材料例如YBCO中，每个静态磁畴被分为由A，B，C表示的三个正交的轴(例如参见Moon，Francis C.，超导悬浮，90，Figure 3-11(John WileySons Inc.1994))。一般地说，在超导状态下在每个平面中可以维持的最大电流被称为临界电流或J_c。J_c是磁畴平面，温度的函数，并在某种程度上是磁场的函数。在特定超导平面A-B，A-C，B-C中的临界电流基本上在每个方向都相同。磁矢量和平面内的电流正交，遵守电磁学的“右手法则”。因此，磁矢量方向被定义为和超导电流正交的方向，并符合右手法则。最大的磁场矢量是当磁畴平面电流为J_c时发生的矢量。磁畴C轴矢量指的是平行于由在A-B平面内的超导电流J_c产生的磁畴的C方向的磁场矢量。一些材料例如HTS YBCO趋向于在A-B平面内相对于A-C或B-C平面内具有提高的数量级的J_c。因为磁矢量和超导电流正交，所以最大的磁镜和磁针沿着C轴发生。这也是在沿着C方向的磁场加速期间提供最大能量耗散的方向。由此断定，借助于沿着被弹跳或被阻尼的方向定向C轴可以达到最大的阻尼和稳定性。