专利名称：具有转子和用于无接触地支承该转子的磁性轴承的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，它具有至少一个围绕一旋转轴线可旋转或旋转的转子和至少一个磁性轴承，该转子无接触地可支承或支承在该磁性轴承中。
美国专利说明书US 5 482 919 A公开了一种具有一个可绕一旋转轴线旋转的转子的装置，该转子带有至少一个用于一个电动机的超导绕组(励磁线圈)。所述装置为此还具有一个用于冷却该超导绕组的低温冷却器。该超导绕组可由一种传统的、其跃变温度Tc(临界温度)低于35°K的、如铌锡合金那样的金属超导材料(低温超导体)制成，或者由一种其跃变温度Tc高于35°K的陶瓷金属氧化物超导材料(高温超导体)制成，如一种铋锶钙铜氧化物、一种钇钡铜氧化物或一种汞化合物或铊化合物制成。这种低温冷却器通过一种借助压缩机进行压缩的工作流体(如氦、氖、氮、氢或氧)在如基佛-麦克马洪(Gifford-McMahon)循环，斯特林循环或一种脉动管(Pulserohren)循环那样的热动力循环中迅速膨胀来进行冷却。该超导绕组通过多个环形的支承元件与该低温冷却器的一个随同转子转动的冷却头(Kaltkopf)导热连接，这些支承元件由一种具有高导热系数的材料制成并通过热管或传热杆相互连接。由此，热量从超导绕组通过固体的导热传递给冷却头。一种如液氦或液氮那样的液态冷却介质在这种公知的冷却系统中是不需要的，从而也不会因冷却液体而对转子的转动造成影响。低温冷却器的压缩机可一同转动，或者相对于转子位置固定而借助一个转动离合器与所述冷却头连接。关于转子的支承在美国专利说明书US 5 482 919 A中并没有详细描述。
对于支承转子采用磁性轴承是已公知的，它能够实现无接触的并因而无磨损的支承。无论是带有电磁铁和位置调节器的主动式磁性轴承还是带有自动位置稳定器的从动式磁性轴承都已公知。
德国专利说明书DE 44 36 831 C2公开了一种用于将转子轴支承在一个定子上的从动式磁性轴承。它包括一个与转子轴连接的第一轴承部件和一个设置在定子上、并包绕该第一轴承部件的第二轴承部件。其中一个轴承部件具有一个高温超导体。另一轴承部件则包括一些并排设置的、由一种钕铁硼合金或一种钐钴合金制成的永久磁铁元件，其中相邻的永久磁铁元件相互反向磁化。这些永久磁铁元件在位置改变时基于磁场改变在超导体中感应出屏蔽电流。由此产生的合力可相互排斥或相互吸引，但始终都定向成能阻止其偏离额定位置。与传统的主动式磁性轴承不同的是，此时能够实现内在的稳定支承，同时可以取消一个麻烦且容易引发故障的调节过程。每两个永久磁铁元件之间的间隙用铁磁性材料填充，以便将由永久磁铁元件出来的磁通集中到朝向另一轴承部件的那一侧。由此实现高的轴承刚性(稳定性)。这些永久磁铁元件和铁磁性中间元件可以薄环形式沿转子轴轴线的轴向方向前后设置或者沿轴向延伸而沿环周方向先后设置。
在这种已公知的磁性轴承的一种结构中，这些永久磁铁按空心圆柱状布置方式设置在轴承内部件上，所述超导体则作为空心圆柱形结构设置在轴承外部件的一个空心圆柱形支承体的内侧。在该支承体内设有一些供冷却超导体的液氮流过的冷却通道。
在德国专利说明书DE 44 36 831 C2的另一种结构中，高温超导体设置在转子轴的轴承内部件上，其中为冷却高温超导体在转子轴上设有供液氮流过的冷却通道。这样一种带有冷转子体的结构方式被建议作为一个带有一深度冷却的导体绕组或超导绕组的发电机或电动机的部件。
由美国专利说明书US 5 214 981 A公开了一种储能装置。该装置包括一个转动的飞轮，该飞轮为了传递能量在其圆周具有一些与另一些固定的电磁铁相互作用的永久磁铁。该飞轮在相对的两侧通过两个转子轴分别支承在一个磁性轴承上。在一种结构中(
图1)，在这两个转子轴的端部分别设有一个或多个按圆柱形排列的永久磁铁。这样的端部作为第一轴承部件分别伸入到各自的磁性轴承中一个作为第二轴承部件的罐状超导体内。为被冷却将这些超导体分别设置在一个液氮冷却池中。在另一种结构中(图3)，每个转子轴作为第一轴承部件在其背离飞轮的端侧具有一个凹槽，其中衬砌有一个超导体。该超导体仅仅通过向置于一液氮池中的真空容器进行热辐射而被冷却。此外，磁性轴承还包括圆柱形的第二轴承部件，该第二轴承部件的端部伸入到转子轴的凹槽中，并包括一个或多个按圆柱形排列的永久磁铁。所述飞轮与两个磁性轴承一起被封闭在一个压力被抽真空到低于10-4毫米水银柱的真空容器中，以避免转动部件的摩擦及由此带来的能量损失。所述两个磁性轴承的轴承间隙构成该真空容器的相邻抽真空区域之间的连接通道。
日本专利申请公开说明书JP平04-370417 A及其摘要公开了另一种储能装置，它带有一个支承在两个磁性轴承中的飞轮。该飞轮和这两个磁性轴承一同设置在一个共同的抽真空腔室中。每个磁性轴承包括一个设置在飞轮上的中央永久磁铁环和两个沿轴向相隔一定距离的超导体环。这两个超导体环设置在有液态冷却介质流过的固定的支承盘上。
最后在德国专利申请公开说明书DE 197 10 501 A1中描述了一种电机，它具有一个带有一用于产生旋转磁场的多相绕组的定子和一个随该旋转磁场一同转动的转子。该定子具有一个构成转子外壳的回流磁轭。该转子则具有一根被导引通过外壳和回流磁轭上一个未密封孔的轴。该转子全部或至少在其外侧由一种高温超导体制成。利用该超导体和在两个位置上设置的环状永久磁铁构成用于无接触地支承转子的磁性轴承。为了冷却转子的超导体，整个电机设计具有一个小的结构尺寸并完全浸没在一个装有液氮的深度冷却池中工作。
这些已公知的磁性轴承因无接触式支承始终具有一个贯通的轴承间隙，并因而在通过该轴承间隙相互连通的两侧之间可供气体和蒸气流过。这样一来，环境大气和其中所含有的湿汽可进入轴承间隙中或通过该轴承间隙到达转子。这就隐含着如下危险空气中所含湿气在磁性轴承的冷构件上冻结，或者当转子被冷却时也会在转子的冷构件上冻结，并通过这样一种冻结会使磁性轴承的功能受到限制，甚至完全损坏。此外，仅仅对前述现有技术的磁性轴承的超导体采用液态冷却剂(低温冷却剂，通常是液态氮)进行冷却，除了通常会造成渗透进入的湿气在所要求的低温冷却剂输送处冻结这一问题外，还会带来在敏感的磁性轴承区内的密封问题，这个问题又会增大冻结的危险或增大磁性轴承发生其他功能故障的可能性。
本发明所要解决的技术问题在于保护所述用于支承转子的磁性轴承免受这样的功能影响或被损坏。
按照本发明，上述技术问题通过权利要求1所述的技术特征来解决。
为此，所述装置具有一个围绕一旋转轴线可旋转或旋转的转子和至少一个磁性轴承，该转子无接触地(或者说无磨损地)可支承或支承在该磁性轴承中，并且该磁性轴承具有至少一个超导体(或一个超导结构)。
按照本发明，所述转子连同所属磁性轴承设置在一个共同的气室(或充气腔室)中，该气室被一气密的壁环绕。转子和磁性轴承因此位于相同的气体氛围中，该气体氛围通过不透气的壁与外界大气隔离屏蔽开来。采用这样的措施，每个磁性轴承的轴承间隙由该气室中所充有的气体来填充，并通过该气室壁来避免外界湿气的渗入。此外，压力波动、例如由于气体损失引起的压力波动在一定范围内是可以容忍的，因为这样的压力波动同时涉及气室内的所有部件。
作为本发明的另一些措施，现在为冷却各磁性轴承的超导体设置一个带有至少一个冷却头的冷却装置，该冷却头与超导体热耦合，并主要通过导热这样的传热机理将超导体的热量散发出去。本发明建议采用一个本身基本上已公知的、用于间接冷却磁性轴承的冷却头，相对于现有技术中利用一种液态冷却介质的直接冷却而言，是一个结构上更简单且操作上更方便的技术方案。一个作为传热连接件的冷却头可方便地安装在磁性轴承上。此外，采用一个或多个冷却头可保证对磁性轴承中的超导体进行有针对性的冷却，并避免了从来就没有完全避免的低温冷却液体溢出这一问题和由此导致的、不可控制且危险的热状况，在这样的热状况中，因气体氛围中的残余湿气或汽化的低温冷却剂中所含有的湿气结冰而导致磁性轴承冻结。
本发明装置优选的改进设计和改进结构由从属于权利要求1的从属权利要求给出。
所述用于对冷却头进行冷却并进而间接冷却磁性轴承的冷却装置优选具有一个低温冷却器系统，尤其是采用电能运行、且与冷却头结合而无需使用低温技术液态气体的低温冷却器系统。不同的冷却头可分别与一个所属的低温冷却器连接或者按照任意组合的方式与共同的低温冷却器连接。每个冷却头优选从外面沿一条基本上垂直于旋转轴线的方向通往磁性轴承的超导结构。
所述装置的磁性轴承一般包括至少一个轴承内部件和至少一个轴承外部件，其中，该轴承外部件包围所述轴承内部件，并在它们之间形成一个围绕旋转轴线延伸的轴承间隙，以及两轴承部件之一与转子、尤其是与转子轴可连接或相连接。
所述磁性轴承的两轴承部件之一现在优选具有至少一个永久磁铁，而另一个轴承部件包括超导结构。该超导结构与所述永久磁铁相互(通过感应)电磁作用，使得在轴承内部件和轴承外部件之间形成或保持轴承间隙。在多个永久磁铁的情况下，这些永久磁铁通常并列设置，尤其是沿旋转轴线的轴向前后设置，且优选以一种四周封闭的结构(尤其为一环形结构)分别围绕该旋转轴线，或者也可以沿着围绕旋转轴线方向并列设置。所述永久磁铁按照一种有利的改进设计以一种四周封闭的结构、优选以环形结构围绕该旋转轴线。在此，该环的横断截面尤其可以是圆形、盘形或相应于一种空心圆柱形或圆环形的环形结构的矩形。该环垂直于旋转轴线的纵截面也可以尤其为圆环形。直接相邻的永久磁铁优选相互间基本上反向磁化，至少在中间通过可能存在的磁畴(Domnen)反向磁化。
在对于磁性轴承的一种有利的改进结构中，分别在至少两个永久磁铁之间设置一个磁通集中件和/或在沿轴向位于外部的永久磁铁的外侧分别设置一个磁通集中件。每个磁通集中件用于导引永久磁铁的磁通量，并且通常还用于将磁通量集中在轴承间隙中并增强，为此该磁通集中件至少部分由一种导磁材料、尤其是如铁那样的铁磁性材料例制成。
所述超导结构优选以一种封闭的结构、尤其是环形结构环绕旋转轴线，和/或至少在其面向轴承间隙的一侧大致成型为圆柱形。此外比较有利的是，将所述超导结构设置在轴承部件面向轴承间隙的那一侧，以实现良好的耦合效率。
为了达到更高的矫顽磁场强度，通常为每个磁性轴承分别设置至少一个用于冷却超导结构以及相宜地也用来冷却永久磁铁的冷却头。
至少一个无接触式磁性轴承的轴承间隙现在优选与所述气室连通，允许气体交换。这样一来，轴承间隙就处于与气室气氛相同的气氛中。
所述气室的壁通常相对于转子位置固定，也就是说在转子转动时其相对于转子轴线的位置保持不变。
所述转子优选通过一根与转子相连接或可与转子连接的转子轴支承在磁性轴承中。这根转子轴优选穿过气室壁上的一个用一转动密封件密封的孔伸到外面。
在所述装置的一个特别有利的实施方式中，所述转子优选通过转子轴支承在至少两个磁性轴承中，这两个磁性轴承设置在该转子沿旋转轴线的轴向相对置的两侧。由此实现对转子两侧的支承并进而实现特别稳定的支承。
转子的一种有利的改进结构在于具有至少一个通常围绕所述旋转轴线、并优选由一种超导体制成的绕组(线圈)。
作为用于磁性轴承和/或转子上绕组的超导体可考虑采用所有的低温超导体以及高温超导体。该超导体可以是一种传统的、其跃变温度低于35°K的低温超导体，例如一种如铌锡合金那样的金属合金，或优选一种其跃变温度高于35°K、尤其优选高于77°K(即液氮沸点)的高温超导体，例如一种金属氧化物或陶瓷高温超导材料，如铋锶钙铜氧化物、钇钡铜氧化物或一种汞化合物或铊化合物。超导材料的跃变温度越高，冷却所需能量就越小。
在尤其是高温超导体仅仅是有限地自支撑时，按照一种有利的改进结构，可将磁性轴承的超导结构或转子的超导绕组设置在一个支承体或绕组架上，或者设置在一个支承体或绕组架中。为了冷却超导体，所述支承体或绕组架优选具有良好导热性能，例如其由金属来制成。
在一种特别有利的实施方式中，转子的绕组架具有一个沿旋转轴线延伸的空腔(内腔)。对于绕组的冷却现在可比较有利地按节省位置的方式由此空腔来完成，此时，在空腔中或空腔上将一个传热单元与绕组架热耦合、优选通过空腔中的一种接触气体与绕组架热耦合。
传热单元现在优选与一个用于转子的冷却装置热耦合或可与其热耦合。该冷却装置可按本身已公知的方式构造，例如按照前面提到过的美国专利说明书US 5 482 919 A中所述方式来构造。这篇专利文献的所有公开内容均被本发明吸收。所述用于转子的冷却装置和/或传热单元也可用一种如液氦或液氮那样的液态冷却剂来工作或者也可象磁性轴承的冷却系统一样具有一个包含至少一个冷却头的低温冷却器系统。
按照一种特别的结构，所述传热单元具有一个伸入绕组架空腔中的、优选为圆柱形结构的传热体。在该传热体和绕组架之间形成了一个围绕旋转轴线的、用一种接触气体填充的中间间隙。从绕组上将热量散走或者对绕组进行冷却现在基本上通过固体和接触气体的导热来实现。
但作为替代的或作为补充的传热机理也可以对具有一相应选择的汽化焓能的传热气体进行汽化、冷凝循环来实现。所述传热单元尤其可以包括一根热管。
在一个利用所述导热和汽化两种传热机理的实施方式中，所述绕组架的空腔至少部分用传热气体来充填，这样该传热气体也可作为导热的接触气体。
所述绕组架的空腔或传热体与绕组架之间的间隙也可与所述气室以可允许交换气体的方式相连通。这样在转子内部和外部都形成一个统一的气体氛围，而不必采取特殊措施来密封这些气室。
当传热单元和绕组架应相互机械地脱耦，亦即在转子转动时传热单元需保持固定时，将传热单元无接触地设置在绕组架中特别有利。这样一种固定的、不随同转动的传热单元以及可能与之相连接的冷却头是合乎需要的，因为该冷却系统中的转动部件不必相互间密封。
在一种特别有利的改进结构设计中，至少一个支承在相对应的磁性轴承中的转子轴被设计为空心轴。该空心轴内现在至少部分容装传热单元和/或一个在气室与转子的一个内腔、尤其是与绕组架中的空腔之间的连接通道。
为保护绕组，将该绕组优选设置在转子的一个容器的内腔中。该内腔优选抽真空，并相对于气室的其余部分和绕组架的空腔密封。
所述装置的装有转子和磁性轴承的气室中，通常由一种气体或气体混合物来充满。该气体或气体混合物在冷却需要冷却的部件时用于导热，并为此与这些部件接触，因此也称为接触气体。这些气体通常在装置运行期间保留在气室中。因此，这种接触气体在一种有利的实施方式中是一种惰性气体或由多种惰性气体组成的混合气体，在此优选采用氦气或氖气，但在相应高的运行温度下也可采用氮气。此外，氢气或氧气原则上也适合，尽管在使用上存在一些麻烦。
在气室中充入的气体优选实际上不含水份或只含有低于临界值的水份，这样不可能有水在气室中的冷部件上冻结。为此，应当制备具有一相应纯度的气体和/或对气体进行干燥处理。
气室中的气体压力在一个比较有利的实施方式中优选调节成至少和在围绕该气室壁的外腔室中的气体压力(通常是大气压力)一样高，且优选更高。由此即便在气室壁范围内出现密封问题或泄漏情况时，也能可靠地阻止潮湿空气进入及由此可能引起的在冷区内结冰。
本发明的装置优选用于如电动机与发电机那样的电机。
下面借助附图所示实施方式对本发明予以详细说明
图1为本发明带有一个支承在两个磁性轴承中的转子的装置沿一个包含该转子的旋转轴线的平面的纵剖图；图2为本发明装置的磁性轴承的一种实施方式的局剖透视图；图3为本发明装置的磁性轴承的另一种实施方式的的纵剖图；图4为本发明装置的磁性轴承的又一种实施方式沿一个与旋转轴线正交的平面的横剖图；图5为本发明带有一个支承在两个磁性轴承中的转子和一根热管的装置的纵剖图。
图1至5中相互对应的部件用相同的附图标记来表示。
图1示出一个带有一个转子20的装置，该转子沿其旋转轴线(转动轴线)A的轴向在两端侧分别可旋转地支承在一个磁性轴承2和3中。为此，在图1中的左侧在转子20上构造有或固定有一个设计为空心轴(空心管)34的第一转子轴。该转子轴34无接触地支承在磁性轴承2中。此外，该空心轴34在图示实施方式中还具有一个用于补偿长度的长度补偿器36，尤其是一个伸缩波纹管。在图1中与此相对的右侧在转子20上构造有或固定有一个例如实心的第二转子轴4，且该转子轴无接触地支承在磁性轴承3中。这两根轴，亦即空心轴34和转子轴4优选相对于旋转轴线A旋转对称，且尤其构造成空心圆柱形和圆柱形或者也可至少略带锥形。
优选具有基本相同结构的磁性轴承2和3中的每一个具有一个与所属空心轴34或转子轴4结合的轴承内部件5和一个围绕该轴承内部件5、且在其间形成一轴承间隙10的轴承外部件11。该轴承内部件5在其朝向轴承间隙10的外侧具有多个在图1中没有详细示出的永久磁铁。在轴承外部件11面向轴承间隙10的内侧具有一个与该永久磁铁相对的超导结构12，该超导结构的外侧支承在一个支承体13上。该超导结构12分别与一个从外面穿过支承体13伸入的用于冷却的冷却头22或23相接触。磁性轴承2和3的结构下面还要借助图2至4详细说明。现在首先对图1所示装置中的其它部件予以说明。
转子20具有至少一个由一种超导材料制成的绕组25，优选为一匝或多匝以基本相同半径围绕该旋转轴线A的绕组。该绕组25装在一个绕组架26上或绕组架26中，该绕组架26以空心体结构形式、优选以空心圆柱形的结构形式围绕该旋转轴线A。该绕组架26由一种具有良好导热性能的材料、如一种金属制成。
在绕组架26的内部形成一个中央空腔30，旋转轴线A穿过其中。该空腔30在朝向转子轴4的一侧被绕组架26封闭，而在朝向空心轴34的一侧则敞开。一个圆柱形的传热体35在这一侧穿过绕组架26上的开口伸入空腔30中，并一直延伸到接近其相对侧的端部。该传热体35由一种具有良好导热性能的材料、例如一种如铝或铜那样的金属来制造，或者为避免产生涡流，也可以由一种如陶瓷(例如氧化铝或氮化铝)那样的介电的热传导材料或单晶蓝宝石制成。
在传热体35和绕组架26之间形成一个环状的中间间隙39。传热体35向外穿过一个在这一侧与绕组架26相毗邻的悬挂件48的中央空腔进入空心轴34的空腔中，由此分别形成一个间隙38或37。通过属于空心轴34的间隙37、属于悬挂件48的间隙38以及属于绕组架26的间隙39，传热体35相对于这些旋转部件以及转子20总体上位置固定，亦即不随同一起转动。
至少在传热体35和绕组架26之间的间隙39内装有一种接触气体，它在绕组架26和传热体35之间建立起一种热耦合。这些间隙39、38和37优选如图示那样相互连通，使得在所有的间隙37至39中都存在接触气体。作为接触气体优选采用氦气或氖气。
传热体35在其背离位于绕组架26空腔30中的端部的另一端以热耦合方式与一个冷却头24的一端相连接。该冷却头24沿旋转轴线A的轴向从相对侧延伸到空心轴34中。通过这个与一个图中未示出的冷却装置、尤其是一个本身已公知的低温冷却器相连接的冷却头24，使传热体35得到冷却。由此，再通过接触气体的导热间接地对绕组架26以及由于其具有良好导热性能而对原本要冷却的超导绕组25进行冷却。这样一来，一个旋转的部件、即绕组25通过一个固定的部件、即传热体35实现了冷却。
带有绕组25的绕组架26设置在一个容器21的内腔中，并在两个端侧分别通过一个带有一个金属套筒和一个由绝热材料制成的空心芯体的悬挂件48悬挂在该容器21的壁上。绕组架26的外侧(外周表面)与该容器21的内壁间隔一定距离。所述在容器21的内腔中形成的、位于绕组架26和容器壁之间的间隙优选被抽真空到一期望的残余压力，以便尽可能地使绕组架26对外良好绝热。该容器21内抽真空的区域通过绕组架26本身以及两个悬挂件48与围绕传热体35的间隙39和38气密地隔离开来。
现在这个带有两个转子轴34和4的转子20与两个磁性轴承2和3就被一起设置在一个由不透气的壁61以气密方式包围的气室60中。该气室60内充有一种具有预定组分的气体50，尤其是一种抗化学反应的(惰性)气体，如氖气或氦气或者是它们的混合物。
转子20上的空心轴34现在优选如图所示在其由转子20使用的一端通入气室60中，从而气室60的外部区域与所述间隙37、38和39之间存在着气体连通。此外，磁性轴承2和3的轴承间隙10也分别在两侧向气室60敞开。这样一来，间隙37、38和39，轴承间隙10以及气室60其余部分中充有相同的气体50。因而，该气体50同时是用于冷却绕组25的接触气体和一种用于磁性轴承2和3的保护气体，因此具备多项功能作用。
用于冷却绕组2的冷却头24和用于冷却磁性轴承2和3的冷却头22和23穿过气室60的壁61，并相宜地保持或固定其上。此外，磁性轴承2和3的轴承外部件11通过固定件52及53固定在壁61上。壁61和固定其上的部件优选位置固定，不随转子20一起转动。
所述支承在磁性轴承3中的转子轴4在气室60壁61上与冷却头24相对置的端侧穿过一个开孔。转子轴4在穿过气室60的壁61时用一个位于外部的转动密封件40、尤其是一个滑环密封件或封口圈密封件、一个径向轴封、一个填料盒密封件或一个铁磁流体密封件(Ferrofluiddichtung)进行密封以防止空气从外面进入或者从内部泄漏出接触气体50。
气室60内的气体50压力一般至少调节到大气压力(约1巴)，优选高于大气压力。由此可以获得一个相对于压力波动不敏感的、且可特别好地防止湿气从外面进入以及防止泄漏的装置。
所述气体50在位于转子20和磁性轴承2和3之外的气室60区域(外腔室)内通常至少接近于环境温度。在转子20和磁性轴承2和3内部的低温技术温度与气室60外腔室中明显更高的温度之间所存在的温度梯度被保持在相当窄的、充有气体50的间隙(由间隙37至39以及轴承间隙10构成)上。为了将该温度梯度保持在由空心轴34和冷却头24之间的间隙37构成的气隙中，可以另外将图中未示出的环形刷(例如3至5个刷)沿轴向堆叠地设置在该气隙中，以避免或减小通过对流将热量传入。
在容器21的外部，一个设置在一个定子支座46上的定子绕组45围绕绕组26。定子绕组45和定子支座46连同一个两端封闭的外壳构成一个电动机(尤其是同步电动机)或发电机的定子。这属于本发明装置的优选应用，但并非是唯一的应用方式。
图2是一种磁性轴承的放大透视图。该磁性轴承尤其可用作图1中所示的磁性轴承。轴承内部件5配备有多个、例如六个环片形的永久磁铁元件(永久磁铁)6a至6f。这些永久磁铁元件6a至6f分别这样进行极化，使得其沿轴向(即沿旋转轴线A的方向看)从一个元件到另一个元件反向极化。在图中用箭头7示意地表示各极化方向。在永久磁铁元件6a至6f之间设置了一种由铁磁性材料(例如铁)制成的环盘形元件(中间元件)8a至8e。此外，在外部的永久磁铁元件6a和6f端侧的外表面上相应于元件8a至8e也设有铁磁性元件8f和8g。这些铁磁性元件8a至8g的铁磁性材料用于将磁通量均匀地集中到轴承内部件5的圆柱形外表面上，并由此提高轴承2的承载能力。与此同时，铁磁性元件8a至8g还在机械上增强了带有通常由脆性材料制成的永久磁铁元件6a至6f的轴承内部件5。所有元件6a至6f和8a至8g呈堆叠状地沿轴向前后固定在转子轴4上。转子轴4优选由一种非磁性或不能磁化的材料制成，例如由一种特殊的钢制成。
轴承内部件5被一位置固定的空心圆柱形轴承外部件11围绕，在其间形成一个轴承间隙10将它们隔开。在轴承内部件5与轴承外部件11之间的轴承间隙10的间隙宽度(径向尺寸)w优选处于铁磁性中间元件8a至8g轴向厚度d2的数量级内，间隙宽度w的典型值在0.1mm与5mm之间，优选在0.3mm与1.5mm之间。
构成一个定子的轴承外部件11在其面朝轴承内部件5的内侧有一超导结构12，该超导结构12外侧支承在一个例如由金属、尤其是铜(Cu)制成的支承体13上。作为用于超导结构12的超导体材料可考虑各种已公知的超导材料，尤其是经过结构处理的YBa2Cu3O7-x。在这里，至少大部分超导体材料的结晶的a-b面优选基本上平行于轴承内部件5的外表面定向。超导体晶粒(颗粒)的平均粒度(颗粒直径)在这种情况下应大于永久磁铁元件6a至6f的轴向厚度d1，在这里所关注的是在结晶的a-b平面内的粒度。
由轴承内部件5上相邻的永久磁铁元件(例如6d、6e)引起的磁通量在很大程度上集中在公共的铁磁性中间元件(8d)内，并因而以高的磁通量密度经此中间元件进入轴承间隙10内。在该轴承间隙10内磁流去往各相邻的中间元件(8c及8e)。在围绕轴承内部件5、构成轴承间隙10边界的、且位置固定的超导结构12内，由各磁极产生的磁通量感应出相应的电流，此电流又起到一个磁耦合或反向耦合的作用。在转子轴4的那一侧，磁通量终止在转子轴4非磁性材料的区域。由此在那里有利地避免了会导致排(进？)入轴承间隙10内的磁通量减少的磁短路。
元件6a至6f的永磁性材料应有至少为20MGOe的最大能量乘积(B*H)max，以便赋予所需的轴承承载力和轴承稳定性。具有这种高能量乘积的适用材料尤其是一种钕(Nd)-铁(Fe)-硼(B)合金或一种钐(Sm)-钴(Co)合金。该永磁性材料为提高其矫顽磁场强度必要时也可被冷却。
在轴承内部件5所在区域的外部，磁性轴承3有一个可升降的固定和定心装置15，只要超导材料处于其工作温度之上，该固定和定心装置便承受静止状态下的轴承力。与此同时轴承位置通过在转子轴4的一个槽17和在装置15上的一个刀刃状支座18实现沿轴向和横向的定心。通过电磁感应在轴承内部件5与围绕轴承内部件5的轴承外部件11(定子)之间产生电磁力，该电磁力与运动方向反向作用，并导致轴承内部件5与转子轴4大体在轴承间隙10的中央自由悬浮。采用这种轴承，轴承承载压力可达10bar并可获得相当大的刚性，以阻止转子轴4和转子20沿径向和轴向移动。
在图3中示出磁性轴承的另一种实施方式，该磁性轴承适宜用作图1中所示的磁性轴承3(或2)。永久磁铁元件6j和铁磁性元件8i交替地堆叠设置在轴承内部件5上。这样一种由元件6j和8i交替堆叠的成叠组件按照图3固定在一个支承体54上。该支承体54通过由绝热的机械稳定材料(例如一种纤维增强塑料、尤其是玻璃纤维增强塑料)制成的夹持支承盘57和位于该夹持支承盘57之间的绝热材料55与转子轴4相隔开。轴承外部件11同样也具有一个超导结构12和一个用于该超导结构12的支承体13。
在该支承体13上又垂直地、从外向内延伸地连接有一个冷却头23，从而形成热耦合。该冷却头23抵靠在或固定在磁性轴承3的外壳体19上。所述支承体13通过夹持支承盘57和夹在它们之间的绝热材料56与所述外壳体19相连接。
在图3的特定构造设计中，在带有支承体13的超导结构12和带有磁性成叠组件的轴承内部件5沿旋转轴线的轴向的两端侧的前面分别有一个从外壳体19向内对着旋转轴4伸出的绝热体14或14′。在绝热体14和旋转轴4之间形成了一个平行于旋转轴线A延伸的第一轴承部分间隙41。在绝热体14向内面对轴承内部件5的一侧与轴承内部件5之间形成了一个与旋转轴线A相垂直的第二轴承部分间隙42。类似地，在另一绝热体14′向内面对轴承内部件5的一侧与轴承内部件5之间形成了一个也垂直于旋转轴线A的第三轴承部分间隙43，同时在该绝热体14′和旋转轴4之间也形成了一个平行于旋转轴线A延伸的第四轴承部分间隙41。第一轴承部分间隙41、第二轴承部分间隙42、轴承间隙10、第三轴承部分间隙43、第四轴承部分间隙44前后连通形成一个供气体50通过磁性轴承3的气体通道。这种特定设计的轴承间隙的优点在于，位于磁性轴承3较热的端部的第一轴承间隙41和和第四轴承间隙44相对于轴承间隙10更靠近旋转轴线A，这两个轴承部分间隙41和44中的气体50在转子轴4和轴承内部件5一起转动时承受一个相应较低的离心力。这还带来这样的效果，即，在转子轴4上的转子内部件5转动时，在更靠近旋转轴线的轴承部分间隙41和44(以及42和43)中随同被带动的气体50的密度较小，而在距离旋转轴线更远的轴承间隙10中的气体50的密度则较大。由于另一方面气体50的密度基于温度朝向轴承间隙10急剧降低又重新增大，这两种相反的效应在一定的程度上相互抵消。因而，在这样一种结构的磁性轴承3中，气体50在磁性轴承3中有更均匀的密度分布和更稳定的分层。
图4示出一个用于图1中所示装置的磁性轴承2的变型结构的横剖面图。其中，所述永久磁铁元件设置在磁性轴承2的轴承外部件29上，而一个安设在空心轴34的外侧上的空心圆柱形超导结构32作为轴承内部件31。此外，磁性轴承2的永久磁铁不是沿轴向成叠设置，而是设置一些沿轴向伸展的、空心圆柱体扇形段状永久磁铁元件27i，27j(1≤i≤j；1≤j≤n)。这些永久磁铁元件27i，27j相互间分别通过条带状的、同样空心圆柱体扇形段状的铁磁性元件28k(1≤k≤2n)隔开，并与它们共同构成一个封闭的空心圆柱体装置作为轴承外部件29。位置固定的轴承外部件29环绕可旋转的轴承内部件31，相互间留有定义为轴承间隙10的宽度w的间距w。空心轴34又在形成间隙宽度为x的中间间隙37的情况下围绕所述传热体35。在图示横剖面中很容易看出，这两个相互同心设置的间隙、即轴承间隙10和中间间隙37用同一种气体50来填充。
图5示出本发明装置一种相对于图1作了变型设计的实施方式，其中，图1中示出的由传热体35和冷却头24构成的传热单元被一个在图5中示出的按照热管原理工作的传热单元所替代。工作液体50′、优选液化的接触气体50经一根优选真空绝热的热管70，通过一个位于空心轴34的后部并经过悬挂元件48而通往绕组架26空腔30的、逐渐扩宽的锥形内腔38′，进入空腔30中。工作液体受热汽化并以汽化热的形式将热量从绕组架26上带走。汽化后作为热管70工作气体的气体50按照相反的路径通过内腔38′和热管70被运输到一个位于气密的壁61之外的冷凝器71中，并在那里由冷却头冷却直至其重新被液化(冷凝)成工作液体50′。然后又重新开始热管70内的循环(工作循环)。在这种实施方式中，气体50不仅仅用作接触气体，而且也附加地作为借助热管来冷却的工作气体。在热管70和空心轴34之间形成一个狭窄的中间间隙37′。该间隙与气室60的其余部分相连通，并可使热管70与旋转部件如空心轴34机械脱耦。
关于磁性轴承、尤其是图1至图5所示磁性轴承的材料、构造、尺寸设计和功能的其他细节请参见德国专利说明书DE 44 36 831 C2。该申请所公开的内容都属于本申请文件的公开内容。
权利要求
1.一种装置，它包括a)一个围绕一旋转轴线(A)可旋转的或旋转的转子(20)，b)至少一个磁性轴承(2，3)，所述转子无接触地可支承或支承在该磁性轴承中，该磁性轴承包括至少一个超导结构，c)一个冷却装置，它具有至少一个用于冷却所述磁性轴承的至少一个超导结构的冷却头(22，23)，其中d)所述转子和磁性轴承被设置在一个共同的气室(60)内，该气室被一个气密的壁(61)包围。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述转子支承在至少两个磁性轴承中，该至少两个磁性轴承分别设置在转子沿旋转轴线的轴向相互对置的两侧。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述转子通过至少一个与该转子相连接或可连接的转子轴(4，34)支承在所述磁性轴承中。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述转子轴穿过一个设置在气室壁上的、用一个旋转密封件(40)密封的开孔向外伸出。
5.如上述任一项权利要求所述的装置，其中，所述转子具有至少一个优选围绕所述旋转轴线的超导结构的绕组(25)。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述绕组设置在一个优选为导热结构的绕组架(26)上，该绕组架具有一个沿旋转轴线的轴向延伸的空腔(30)。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述绕组架的空腔与所述气室可气体交换地连通。
8.如权利要求6或7所述的装置，其具有一个传热单元(35，24)，该传热单元与绕组架、优选通过一种接触气体(50)与绕组架热耦合，并与一个冷却装置热耦合或可与之热耦合。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述传热单元与转子机械脱耦，尤其是不随同转子一起转动，和/或位置固定地与所述气室的壁连接。
10.如权利要求8或9所述的装置，其中，a)所述传热单元包括一个伸入绕组架空腔中的、优选为圆柱形的传热体，b)在该传热体和绕组架之间形成有一个围绕旋转轴线的、用一种接触气体充满的中间间隙，该中间间隙优选与所述气室连通。
11.如权利要求8至10中任一项所述的装置，其中，所述传热单元(70)通过循环地汽化和冷凝一种传热气体将热量从绕组架上带走。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述绕组架的空腔至少部分用所述传热气体来填充，使得该传热气体用作接触气体。
13.如权利要求3或权利要求8至12中任一项所述的装置，其中，一个支承在所属磁性轴承中的转子轴被设计为空心轴(34)，所述传热单元和/或一个在所述气室与转子的一个内腔、尤其是与绕组架的空腔之间的气体连接通道至少部分设置在该空心轴内。
14.如权利要求5至13中任一项所述的装置，其中，所述转子包括一个气体密封的容器，所述绕组设置在该容器的一个优选抽真空的内腔中。
15.如上述任一项权利要求所述的装置，其中，各磁性轴承包括a)至少一个轴承内部件(5)，b)至少一个轴承外部件(11)，c)至少一个设置在所述两轴承部件之一上的永久磁铁(6a至6f，27i，27j)和d)至少一个设置在另一个轴承部件上的超导结构，其中e)所述永久磁铁和超导结构相互发生电磁作用，使得在轴承内部件和轴承外部件之间形成或保持一个围绕旋转轴线的轴承间隙。
16.如权利要求15所述的装置，其中，a)所述两轴承部件之一、尤其是轴承内部件与转子、尤其是与转子轴相连接或可连接，b)所述另一个轴承部件、尤其是轴承外部件具有至少一个超导结构，并与冷却头连接。
17.如权利要求15或16所述的装置，其中，所述各磁性轴承的轴承间隙优选在其沿旋转轴线的轴向端部与所述共同的气室相连通。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述轴承间隙通过一些比轴承间隙更靠近旋转轴线的连接通道与所述气室相连通。
19.如权利要求15至18中任一项所述的装置，其中，至少一个磁性轴承具有多个优选沿旋转轴线的轴向前后设置或环绕旋转轴线并列设置的水久磁铁(6a至6f，27i，27j)。
20.如权利要求19所述的装置，其中，在至少两个永久磁铁(6a至6f)之间分别设置一个至少部分由一种导磁材料、尤其是一种如铁那样的铁磁性材料制成的磁通量集中元件(8a至8c)，以导引永久磁铁的磁通量。
21.如上述任一项权利要求所述的装置，其中，所述超导体具有一个高于35°K、优选高于77°K的跃变温度。
22.如上述任一项权利要求所述的装置，其中，各个用于冷却所述磁性轴承、尤其是其超导结构的冷却装置具有至少一个与至少一冷却头(22，23，24，72)热耦合的低温冷却器系统。
23.如上述任一项权利要求所述的装置，其中，各冷却头沿着一个基本垂直于旋转轴线的方向从外面伸向所述磁性轴承的超导结构。
24.如上述任一项权利要求所述的装置，其中，所述气室用一种预定的气体、尤其是一种惰性气体、优选是氦气或氖气或氮气或这些气体的混合物来充填。
25.如权利要求24所述的装置，其中，充填在所述气室中的气体实际上不含水份或只含有低于一临界值的水份。
26.如上述任一项权利要求所述的装置，其中，所述气室中的气压至少和围绕该气室壁的外腔室内的气压、尤其是大气压相同或更高一些。
27.一种采用如上述任一项权利要求所述装置的电机。
全文摘要
本发明公开了一种装置，它包括a)一个围绕一旋转轴线(A)可旋转的或旋转的转子(20)，b)至少一个磁性轴承(2，3)，所述转子无接触地可支承或支承在该磁性轴承中，该磁性轴承包括至少一个超导结构和多个永久磁铁，c)一个冷却装置，它具有至少一个用于冷却该磁性轴承或每个磁性轴承的至少一个超导结构的冷却头(22，23)，其中d)所述转子和磁性轴承被设置在一个共同的气室(60)内，该气室被一个气密的壁(61)包围。所述装置的优点在于防止磁性轴承结冰。
文档编号F16C37/00GK1484739SQ01817083
公开日2004年3月24日 申请日期2001年9月21日 优先权日2000年10月9日
发明者弗洛里安·斯坦迈耶, 弗洛里安 斯坦迈耶 申请人:西门子公司