專利名稱：磁性軸承及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁性軸承，其上的一個第一部分相對于一個第二部分是磁性地安置的，第二部分是一種Ⅱ類超導(dǎo)材料，這種材料含有一種各向異性晶體或者多個由這種晶體組成的晶粒，其中，該晶體是各向異性的，所以超導(dǎo)流是在一些截流平面中被引導(dǎo)。本發(fā)明還涉及配有這種磁性軸承的一種電動機(jī)及這種電動機(jī)作為多棱鏡驅(qū)動裝置的應(yīng)用。
利用光束特別是激光束來實現(xiàn)視頻圖象的放映，這是一個在技術(shù)上要求很高的課題，迄今還未能在所有細(xì)節(jié)上得到令人滿意的解決。問題在于要能夠以低于以往的成本來生產(chǎn)出各種組件。
根據(jù)這一技術(shù)，一個平行的光束或激光束要以當(dāng)時一個視頻圖象不同象點的圖象和色彩信息來加載，這些象點利用光束有序地類似于采用電子管的一般視頻圖象顯示地被照射在屏幕上。由于象點的數(shù)量很大，光束所需的掃描速度是非常高的。
為了實現(xiàn)行掃描，通常要使用一種旋轉(zhuǎn)的多棱鏡，多棱鏡的轉(zhuǎn)數(shù)乘以棱邊的邊數(shù)即得出象點的數(shù)目，可以按單位時間表示出來。顧及到常規(guī)的電視標(biāo)準(zhǔn)，這要求多棱鏡必須有大大超過每分鐘100，000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)。
在如此高的轉(zhuǎn)數(shù)條件下，有利的做法是，多棱鏡盡可能無摩擦地安置。為此，從技術(shù)現(xiàn)狀來說，大家所熟知的便是充氣軸承或磁性軸承。
在各種磁性軸承中，大家特別注意的是超導(dǎo)磁性軸承，在這種軸承上磁場在沒有電功率時也能維護(hù)。磁場的駐定即一個磁體在一超導(dǎo)體上的懸浮，與已知的Meiβner-Ochsen-場效應(yīng)相似，允許得到非常簡單的磁性軸承結(jié)構(gòu)。
由于高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，使得這種磁性軸承在液態(tài)氮溫度條件下的運用成為可能，這樣，比起傳統(tǒng)上的以液態(tài)氦進(jìn)行冷卻的超導(dǎo)體來，費用大大降低了。下面對“高溫超導(dǎo)”這一詞只用“超導(dǎo)”。
US 4956571公開了一種帶有一個用一種超導(dǎo)材料做的圓錐形定子部分的超導(dǎo)磁性軸承，與此定子部分相配的是一個同樣呈圓錐形的具有永久磁性的轉(zhuǎn)子部分。定子部分包含一個液體容器以用于盛作為冷卻介質(zhì)使用的液態(tài)氮。
US 5540116介紹一種超導(dǎo)軸承，在該軸承上有一個環(huán)、一個罩或一個圓盤，用于降低磁阻以提高自由懸浮所需的力。
US 5，177，387所介紹的超導(dǎo)磁性軸承具有依徑向分配的永久磁體。一個軸承位所共屬的永久磁體都是彼此反極地安置的，而且與超導(dǎo)材料相適配。各永久磁體的極化在這里都是依軸向取向的。
US 4939120公開過一種超導(dǎo)磁性軸承，其永久磁極都布置在一個棒的兩端。在該棒的兩端附近分別配置了一個由超導(dǎo)材料做的部分。為了驅(qū)動，使用了附加的磁體，它們與固定的驅(qū)動線圈相適配。
在US 5196748中介紹了一種超導(dǎo)磁性軸承，其上的環(huán)狀和圓片狀永久磁體是疊層地同極地布置在一個軸上。在此，這個軸形成軸承的旋轉(zhuǎn)軸，各永久磁體依軸向而磁化。在永久磁體之間布置了由一種高滲透性金屬例如已知的Mu金屬做成的層，磁場線被引導(dǎo)通過這些層。比起前面提到的解決方案來，利用上述金屬可以略微提高軸承的剛性。此外，該專利文件還介紹了一種軸承，該軸承示出了永久磁體的布置和高滲透性層依徑向取向的布置。
按所指出的技術(shù)現(xiàn)狀，一個基本的缺點是缺少一種適用于單個或作為集體的磁體精確布置的理論，如這些軸承應(yīng)怎樣設(shè)計才能適合于多棱鏡的操縱，以及所需的哪些布置是最有利的。在這里作為最佳化所需要的重點首先是承載能力，基本上也就是例如將一電動機(jī)中的一個轉(zhuǎn)子保持在用超導(dǎo)材料做的定子上所需的力；第二，是可以達(dá)到的剛性，即當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸一旦脫離它的靜止位置時，作用于轉(zhuǎn)子的恢復(fù)力的大??；第三，就軸承阻尼來看，在偏離最佳旋轉(zhuǎn)對稱配置的情況下軸承阻尼基本上決定著恢復(fù)時間，而且它應(yīng)該足夠的大以便于在恢復(fù)時避免圍繞旋轉(zhuǎn)軸的振蕩。
例如可以利用中間層如根據(jù)US 5196748的Mu-金屬層來調(diào)制剛性和軸承阻尼，在這種情況下承載能力也許下降。因此，提高承載能力是最重要的最佳化準(zhǔn)則。
為此可以選用特定的材料，利用這些材料原理上也可以達(dá)到高承載能力。
在下面的論文中“YBaCuO Large Scale Melt Texturing in aTemperature Gradient”，Von F.N.Werfel，U.Fl  gel-Delor，D.Wippich，Inst.Phys.Conf.Ser.No.158 IOP Publishing Ltd，1997，821-824頁，例如介紹了一種晶體材料，這種材料的晶體取向由于它的各向異性的特性之故可以用一種特定溫度法來定向。這種材料在它的超導(dǎo)性質(zhì)和低溫磁性質(zhì)上也是各向異性的，于此，在超異狀態(tài)下，超導(dǎo)流主要在平行的CuO-平面中流動。利用這種材料根據(jù)實驗制出了一種磁性軸承，但對此沒有做更詳細(xì)的介紹。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種磁性軸承，其構(gòu)造簡單，并具有高的承載能力，特別是這種承載能力也是如此之大，足以使剛性和軸承阻尼以簡單方式實現(xiàn)最佳化。此外，應(yīng)提供一種有磁性軸承的電動機(jī)，這種電動機(jī)按照磁性軸承的理論就承載能力、剛性和軸承阻尼而言，可以實現(xiàn)最佳化，確切說特別是可以高轉(zhuǎn)數(shù)和高穩(wěn)定性地運用光束掃描用的多棱鏡來顯示視頻圖象。
在文首述及的那種磁性軸承上，上述任務(wù)是通過采用以下措施加以解決的第一部分具有由磁體構(gòu)成的配置，超導(dǎo)材料與這些磁體處于相互作用之中，單個的晶體或者多個晶粒以載流平面上的法線指向該第一部分。
但本任務(wù)的另一個解決方案也是通過一種磁性軸承來實現(xiàn)的，在這種軸承上，一個第一部分包含一種由磁體構(gòu)成的配置，而且相對于一個第二部分是磁性地被安置的，其中，第二部分是一種Ⅱ類超導(dǎo)材料，具有高的臨界流密度，這種材料利用一個相連的冷卻系統(tǒng)可以明顯地冷卻到它的臨界溫度以下，其中，超導(dǎo)材料含有多個分別由一種各向異性的晶體組成的晶粒，在超導(dǎo)狀態(tài)下在每個晶粒中流動的流(“超導(dǎo)流”)然后在晶粒的一個載流平面(所謂的“a-b”平面)中流動；而且在此條件下，超導(dǎo)材料就其組織而言是一種熔體結(jié)構(gòu)的多晶粒材料，其粒度在2mm至20mm范圍內(nèi)，并且如此調(diào)定載流平面的優(yōu)選方向，使得由磁體組成的配置的磁流線的外磁流方向平行于晶粒的載流平面上的法線延伸。
對具有超導(dǎo)流主要沿著一定空間方向流動這一性質(zhì)的材料的選擇，并不是容易的事。令人驚奇的正是這類材料一般地都能產(chǎn)生較高的承載能力，這是因為在那里的一個自由度即載流平面上的法線的方向相對于其它各向同性的具有三個自由度的材料來說，是超導(dǎo)流輸送所沒有的。為了解釋這一情況我們假定進(jìn)入超導(dǎo)材料中的磁場線在附著中心線或阻塞中心如缺陷、析出點或界面上的駐定性提高了。但在這方面主要起決定性作用的仍是通過外磁場，在載流平面中的環(huán)流受到了感應(yīng)，它們產(chǎn)生了逆極磁場。其結(jié)果是，由于通過載流平面而得到改善的抗磁性質(zhì)之故導(dǎo)致獲得提高的承載能力。
根據(jù)本發(fā)明的一項優(yōu)選的改進(jìn)，可以下述措施來提高承載能力磁體的配置具有多個沿著一個軸排列的磁體，其中，總是一個磁體對排列中后繼的那個磁體是逆極的，而且載流平面上的法線指向上述的軸，其中，在第一部分和第二部分之間設(shè)定出的間距至少為0.1mm。
由于這一間距的下限為0.1mm，所以磁體布置和超導(dǎo)材料被可靠地斷開。出乎意料的是，在間距大于0.1mm時總會出現(xiàn)一種明顯的浮動效應(yīng)，這種浮動效應(yīng)在試驗中甚至可以讓我們觀察到直至4cm的間距。
眾所周知，只有在一種臨界的磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)，超導(dǎo)才是可能的。兩個磁體的逆極可以將作用于超導(dǎo)體的整個磁場提高大約一個系數(shù)2，所帶來的另一個后果是，從兩個磁體的接合點依徑向發(fā)出的磁流基本上沿著載流平面上的法線的方向延伸。
本發(fā)明的磁性軸承可以特別用作為轉(zhuǎn)換軸承和/或旋轉(zhuǎn)軸承。就旋轉(zhuǎn)軸承來說，例如用于多棱鏡驅(qū)動的電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸承，按本發(fā)明的優(yōu)選改進(jìn)，第一部分相對于第二部分是可以旋轉(zhuǎn)地安置的，其中，各磁體被排列在其上的軸便是旋轉(zhuǎn)軸，而且載流平面上的法線依徑向指向該旋轉(zhuǎn)軸。
根據(jù)本發(fā)明的一項優(yōu)選的改進(jìn)，可達(dá)到的承載能力、剛性和阻尼之間的一種良好協(xié)調(diào)可通過下述措施來取得第一部分和第二部分之間的最小間距大小在1mm和10mm之間，特別是在2mm和7mm之間。出乎意料的是，事實證明上述界限實際上與所選用的材料和軸承的其它尺寸都沒有關(guān)系。
為了多棱鏡的驅(qū)動，最好做如下設(shè)定第一部分設(shè)計為電動機(jī)的轉(zhuǎn)子，第二部分設(shè)計為電動機(jī)的定子。
阻尼和剛性基本上還取決于這樣一點，即晶體是否是單晶體或者具有一種粒狀結(jié)構(gòu)。若是單晶體，則剛性和懸浮力都很大，而阻尼則小。若晶粒界限很小，則情況正好相反。對軸承各項性質(zhì)來說，下述做法已證明是合宜的調(diào)節(jié)出一種剩余狀態(tài)，就是說使已凍結(jié)的磁流達(dá)到盡可好的駐定。晶粒界限或內(nèi)界面都能驚人地影響到一種強(qiáng)的駐定和一種高的阻尼二者。事實證明當(dāng)晶粒的粒度在2mm至20mm范圍內(nèi)時，可獲得特別良好的阻尼性質(zhì)和剛性性質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的一項優(yōu)選方案，最好采用一種晶體作超導(dǎo)材料，這種晶體含有一種X-鋇-銅氧化合物(以X表示Y、Sm、Nd、Tb族中的一種稀土金屬)，或者由這種化合物組成。采用上述材料時，可以毫無問題地實現(xiàn)本發(fā)明所要求的晶體取向。尤其是按本發(fā)明的一項優(yōu)選的改進(jìn)，這項改進(jìn)就是晶體含有一種化合物YxBa2Cu3O(7-δ)以1≤x≤1.6和0.01＜δ＜0.10，或由這種化合物組成。
如所周知，只在低溫條件下才產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng)，低溫一般是通過用液態(tài)氮進(jìn)行冷卻達(dá)到的，液態(tài)氮在用完后須再灌注。但根據(jù)本發(fā)明的一項優(yōu)選的改進(jìn)，可配置一種微型冷卻機(jī)作為冷卻系統(tǒng)，最好是一種Stirling機(jī)，這種機(jī)器由于其效率高，所以是特別有利的。
一種實驗上使用的Stirling機(jī)具有2.5瓦制冷功率，在溫度為80°K條件下，足以滿足第二部分冷卻的要求。它具有的電功率為大約40W，這例如對于多棱鏡所用軸承的運行是完全夠的。這樣，可以實現(xiàn)連續(xù)運轉(zhuǎn)，而不須頻繁地再灌注氮了。在視頻圖象放映時若使用這種磁性軸承來操作多棱鏡的話，就會取得明顯的優(yōu)點。此外，與采用液態(tài)氮條件下的77°K相比，冷卻機(jī)允許定子在更低溫度下工作。
為了提高穩(wěn)定性，已證實下述做法是特別有利的根據(jù)本發(fā)明的一項優(yōu)選改進(jìn)，第一部分和第二部分用一個氣密的外殼包起來，該外殼最好被抽空到小于10-4Pa(巴)的壓力。
按下述做法便可進(jìn)一步減小分子摩擦改變外殼中的氣體成分，于此最好用一種其分子量小于28的氣體例如用氧來灌注外殼。
根據(jù)本發(fā)明的另一項優(yōu)選的改進(jìn)，第一部分中的磁體都是永久磁體，這樣，在軸承工作時所備用的冷卻能力小于使用自身加熱的電磁鐵時所需的冷卻能力。
本發(fā)明提出的帶有這種磁性軸承的電動機(jī)，其上的一個轉(zhuǎn)子是與一個定子磁體相對支承的，這種電動機(jī)的特征在于作為磁性軸承的第二部分的定子是Ⅱ類超導(dǎo)材料中的一種，這種材料含有一個各向異性晶體或多個由這種晶體組成的晶粒，其中，超導(dǎo)流在晶體的或晶粒的載流平面中流動，所以晶體(或者在有多個晶粒時所有的晶體)平行于載流平面上的法線而朝向作為磁性軸承的第一部分的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸定向。
這種電動機(jī)特別適合于作多棱鏡的驅(qū)動裝置，多棱鏡被固定在電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上。在此情況下，最好配置一個外殼，其中，將多棱鏡插置在一個視頻系統(tǒng)中，周期地在該系統(tǒng)上以一束光掃描，而且在這里該外殼既包住軸承，也包住多棱鏡，它有一個或兩個窗口用于被掃描光束的進(jìn)出。
本發(fā)明提供一種超導(dǎo)磁性軸承，這種軸承既可用作為轉(zhuǎn)換軸承也可用作為旋轉(zhuǎn)軸承或軸向軸承，主要由以下元件構(gòu)成·一個第一元件即所述的第二部分，和一種超導(dǎo)材料，這種超導(dǎo)材料利用與之相連的冷卻系統(tǒng)可以被冷卻到明顯低于臨界溫度。
·一個第二元件即所述的第一部分，至少在局部具有永磁性質(zhì)，其中，第一元件的超導(dǎo)材料至少與第二元件的一個表面在其具有永磁性質(zhì)的部位上處于磁性相互作用中。
在此情況下，超導(dǎo)體應(yīng)是一種具有高的臨界超導(dǎo)流密度的熔體結(jié)構(gòu)的材料，這種材料就其結(jié)構(gòu)而言是一種多晶粒材料，就其磁性質(zhì)而言是一種多疇材料(Vieldomnen material)，其粒度在2mm至20mm范圍內(nèi)，其中疇域(Domnen)的取向是依照各向異性超導(dǎo)材料上的載流a-b-平面執(zhí)行的，而且如此調(diào)定出一個優(yōu)選取向，使得永磁材料的磁流線平行于載流a-b-平面上的法線。
有磁性作用的疇域在與第二元件的永磁材料的相互作用中產(chǎn)生一種迄今尚不知道的高阻尼，而且是在磁性軸承同時具有足夠承載能力的情況下產(chǎn)生的，這一點對于技術(shù)上的可應(yīng)用性尤其在不大的轉(zhuǎn)子方面是特別有利的。
由于超導(dǎo)材料的晶體結(jié)構(gòu)及其各向異性的電磁性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)，取得了許多本質(zhì)上的優(yōu)點。在這里尤其可以采用Werfel等人的文章中提出的專用制造方法，根據(jù)這一方法，通過局部溫度梯度的設(shè)立便為超導(dǎo)材料中的晶體提供一個優(yōu)先的方向，這個方向在晶格的載流a-b-平面上定向，而且按本發(fā)明是這樣確定的，使得晶體的載流a-b-平面的法線，即所謂的c-軸，繼續(xù)平行于第二元件的外磁流方向。實際上可能表明超導(dǎo)材料的近乎90％的晶?？梢杂小?0度的對c-軸的偏差對準(zhǔn)。將個別培養(yǎng)的單晶按照它們的取向加以接合，或者對處于基片上的單晶進(jìn)行結(jié)構(gòu)腐蝕，這種做法也是可行的。
按本發(fā)明，旋轉(zhuǎn)軸承中，與最好軸向極化的永久磁體相結(jié)合，這樣可以得到比已知的軸承高得多的磁流駐定作用，借此可以顯著提高磁性軸承的剛性，大約可提高一個系數(shù)3(在特定結(jié)構(gòu)條件下加以測量的)。于此，還可觀察到比較高的阻尼。上述這些性質(zhì)可以特別歸因于材料的有關(guān)組織結(jié)構(gòu)，關(guān)于其晶體界面或疇域界限均已在前面的說明中做了描述，所以可借此調(diào)定出超導(dǎo)磁性軸承的一種最佳的并適用于多棱鏡的阻尼性能。對旋轉(zhuǎn)軸承來說，第一元件例如可以是柱狀或空心柱狀的，或者具有一個空心柱狀的銑出的孔例如郁金香花狀的。
用于第二元件的是一永磁部分，它可以制成具圓盤形結(jié)構(gòu)，最好具有軸向磁化，其中這種圓盤形和環(huán)形的永磁體的制造和磁化都比較簡單和/或比較經(jīng)濟(jì)。
為此，以下的設(shè)計是特別適宜的·永久磁體是一個永磁性環(huán)；·多個軸向極化的、徑向?qū)ΨQ的永磁性環(huán)沿軸向彼此層疊；·多個軸向極化的、徑向?qū)ΨQ的永磁性環(huán)沿軸向逆極地彼此層疊。
為了改善軸承的剛性，可以在層疊的永磁性環(huán)之間安置可滲透的環(huán)形墊圈，以用于磁流的均化和導(dǎo)引。適合此目的的例如有Mu-金屬，這種金屬對旋轉(zhuǎn)軸承的回轉(zhuǎn)性能也是一種特別有利的金屬。上述環(huán)形墊圈的厚度應(yīng)該在0.5mm至5mm的范圍內(nèi)，其厚度隨定子部分和轉(zhuǎn)子部分之間的間隙的大小而增大。
由于所要求的轉(zhuǎn)速很高，所以合適的做法是轉(zhuǎn)子部分用一種密度小而抗拉強(qiáng)度大的材料制造。適合于這一目的的例如有鋁、鈦及其合金。
以下一些有利的結(jié)構(gòu)是可取的具有永久磁體的第二元件可以設(shè)計為轉(zhuǎn)子部分，它由一個非磁性的中心部分和固定在其上的若干個永磁性的環(huán)組成。為此，中心部位是用一種很堅固的材料做的，該材料是不可磁化的，例如鈦。但也可以使用可磁化的材料，例如鋼合金。為了獲得高的斷裂強(qiáng)度，特別有利的做法是永磁性的環(huán)用一種以碳纖維增強(qiáng)的硬磁性材料做成，特別是SmCo或NdFeB做成。
所有上述設(shè)計也都可以有利地用在本發(fā)明提出的電動機(jī)上。這種電動機(jī)的驅(qū)動線圈系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)子的支承所需的永磁性部位如此地加以布置，使得該部位同線圈產(chǎn)生相互作用，其中，轉(zhuǎn)子部分中的永久磁場和/或渦流的不對稱性便用于轉(zhuǎn)矩傳送。在此情況下，定子部分的驅(qū)動線圈系統(tǒng)可以同轉(zhuǎn)子部分的永久磁場形成一種無整流子的直流驅(qū)動或一種交流驅(qū)動，例如作為鼠籠轉(zhuǎn)子或磁滯驅(qū)動。
下面將參照附圖在原理上以實例來詳細(xì)說明本發(fā)明。附圖表示

圖1一個示意圖，用于解釋軸向幾何圖形中一永久磁體同一超導(dǎo)體的相互作用；圖2一超導(dǎo)磁性軸承同組織結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)材料的幾何圖形的原理示意圖；圖3徑向磁性軸承的一個結(jié)構(gòu)實例，具有符合技術(shù)現(xiàn)狀的超導(dǎo)定子部分；圖4如圖3所示的結(jié)構(gòu)實例，但具有最佳化的承載能力、軸承剛性和阻尼；圖5熔體組織結(jié)構(gòu)的YBaCuO超導(dǎo)體的各向異性磁化曲線的示意圖；圖6用具有徑向晶體或晶粒組織結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)材料做成的圓柱體的晶體方向調(diào)定示意圖；圖7具有特別大軸承剛性的超導(dǎo)徑向軸承和軸向軸承的示意圖；圖8用于驅(qū)動多棱鏡的電動機(jī)上的一個超導(dǎo)軸承；圖9與圖8中所示相似的一個超導(dǎo)軸承，但此軸承是作為兩側(cè)式徑向軸承設(shè)計的；圖10按層疊式幾何圖形繪出的帶有多棱鏡的一個兩側(cè)式徑向軸承。
圖1中示明一個依軸向磁化的永久磁體1同一個用超導(dǎo)材料2做成的部分3的相互作用原理。部分3中不同方向的短線條示意地表明該處的晶體方向按統(tǒng)計法分布。
為此，永久磁體1被布置在超導(dǎo)材料2的一個表面上方，在軸承工作時即在圖1所示的狀態(tài)中時，該超導(dǎo)材料被冷卻到其臨界溫度以下。永久磁體1的磁場線產(chǎn)生構(gòu)成磁場的流，此磁場與永久磁體1是反向的。也就產(chǎn)生一種力作用，它讓永久磁體1懸浮在超導(dǎo)材料2的上方。
被感應(yīng)的磁場產(chǎn)生一個力，這個力大于永久磁體1的重力，而且將該磁體保持在離超導(dǎo)材料2的一定距離上。在磁體1和材料2的合適定型條件下，圍繞旋轉(zhuǎn)軸的側(cè)向運動和旋轉(zhuǎn)運動都是可能的。
在圖1所示的實例中，當(dāng)然是通過永久磁體1的磁場和磁場線駐定的旋轉(zhuǎn)對稱來唯一確定圍繞一旋轉(zhuǎn)軸的一種旋轉(zhuǎn)自由度的。于此，永久磁體1形成一個轉(zhuǎn)子部分，而超導(dǎo)材料2則形成一個定子部分3，它們彼此由間隙4分開。該間隙的寬度是由所謂的凍結(jié)場條件確定的，這樣，即使在冷卻超導(dǎo)體時也能長久地保持調(diào)定好的間隙大小。
永久磁體1根據(jù)外力的作用幾乎無摩擦地在超導(dǎo)材料2上方旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然，在較高轉(zhuǎn)速情況下空氣摩擦可能造成摩擦損耗。特別對于高轉(zhuǎn)速來說，為了減小氣體摩擦，在靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分之間有一優(yōu)于10-1Pa(巴)的真空度是合宜的。此外，為了減小空氣摩擦，也可將永久磁體1和超導(dǎo)部分3安置在一個外殼中，該外殼填充了一種氣體，此氣體所具有的高速高于空氣。用于此目的的氣體首先是那些具有低的分子量的氣體，在這方面氦已被證明是特別有利的。
下面所有的實例，例如當(dāng)用于驅(qū)動視頻技術(shù)上的多棱鏡時，都可以安置在一個此處沒有繪示出來的外殼中。然后有利的做法是，也可以將一個由軸承支承的多棱鏡安置在外殼中，在達(dá)到減小摩擦的目的，其中，在外殼上配置一些窗口以用于被偏轉(zhuǎn)的光束的射入和射出。為此所需的窗口在費用上比起多棱鏡被安置在外殼外面的情況來固然是較高的，但是在多棱鏡上的摩擦損耗也較小這個優(yōu)點以及有關(guān)運動過程與環(huán)境空氣無關(guān)這一點總起來說已證明是一個很大的優(yōu)點。大于120000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速甚至要求一個抽成真空的環(huán)境。
現(xiàn)在按圖2來更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。其中，超導(dǎo)材料2是一種具有高臨界超導(dǎo)流密度的熔體組織結(jié)構(gòu)的多疇域材料。此外，在圖2中繪出了晶體軸a、b和c，在這里由晶體軸a和b所展開的面承載著超導(dǎo)流，并允許實現(xiàn)最高磁化。如在圖2中以材料2中的短線條所表示的，超導(dǎo)材料2中的晶粒是如此定向的，使得載流平面上的法線平行于旋轉(zhuǎn)軸5。
由于超導(dǎo)材料2的各向異性物理性質(zhì)，超導(dǎo)流最好在晶體的大致沿同一方向定向的a-b平面中產(chǎn)生。為此已表明與技術(shù)現(xiàn)狀相比，可以達(dá)到較高的磁化，這種磁化相對于那些具有無序晶體的磁性軸承而言既可提高磁性軸承的承載能力，又可提高磁性軸承的剛性，如以后還將參照圖5加以詳細(xì)說明的。
若晶粒很小，超導(dǎo)流會受到晶粒界限的阻尼，所以通過晶粒的平均粒度也可以調(diào)節(jié)磁性軸承的相應(yīng)阻尼。這樣一個阻尼是符合目的的，以便在偏離預(yù)定位置和起始位置的旋轉(zhuǎn)軸情況下，特別在達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時，基于決定著剛性的力，不產(chǎn)生或者只產(chǎn)生一種很快衰減的振蕩。前面已述及過晶粒的相應(yīng)粒度。特別是已指出過有利的阻尼應(yīng)在8mm這一數(shù)量級中，尤其在把圖4中所示意地示明的軸承用在一個用于驅(qū)動多棱鏡的電動機(jī)上時，更應(yīng)如此。
關(guān)于這方面的情況下，還要再一次指出特別有利的安排，就是以永久磁體1作為轉(zhuǎn)子部分，以超導(dǎo)材料2作為定子部分，基于此，定子部分可以特別簡單地加以冷卻。在這些結(jié)構(gòu)實例中，還可為此使用一種微型冷卻機(jī)，如具有2.5瓦(Watt)/80°K的Stirling型冷卻機(jī)，或者使用一種以液態(tài)氮操作的冷卻裝置。
此外從圖2還可看出轉(zhuǎn)子部分是由三個圓筒形的、逆極地布置的永磁環(huán)6、7、8組成的。由此得出的磁場配置在超導(dǎo)體2中產(chǎn)生高的處于極性界面NS和SN上的磁場梯度。上述磁場梯度首先對于所希望得到的剛性是特別有利的，也就是說對于轉(zhuǎn)子1由于干擾之故而偏離后再復(fù)位到所要求的旋轉(zhuǎn)軸5上來說是特別有利的。
作為另一個實例，在圖3中以徑向幾何圖形示明一個旋轉(zhuǎn)的軸承，表明它可以按照技術(shù)現(xiàn)狀用磁性材料設(shè)計而成。于此，超導(dǎo)材料2形成定子部分10，定子部分由一個超導(dǎo)筒體或環(huán)構(gòu)成，而且加以冷卻。由層疊的永磁環(huán)11、12、13、14和中間環(huán)16組成的一個系統(tǒng)被固定在軸18上，并形成帶有旋轉(zhuǎn)軸5的轉(zhuǎn)子部分20。如從圖3中可以看出的，軸向磁化的永磁環(huán)11、12、13、14是彼此相鄰地逆極的，從而將徑向磁流提高到單一磁體的大約兩倍的值。
在所示的結(jié)構(gòu)實例中，中間環(huán)16是用可高滲透的材料特別是用軟鐵制成的，這種材料可促使永磁體11、12、13、14的磁場實現(xiàn)場導(dǎo)向和均化。軸18是用一種非磁性材料做成的。中間環(huán)16的最佳厚度基本上取決于本實例中所有的間隙4的大小。已經(jīng)證明這些實例中，中間環(huán)16的厚度應(yīng)大約是間隙4的一半。這就是說，在通常所用的間隙4其大小為1mm時，為中間環(huán)16所設(shè)定的厚度最好為大約0．5mm。
與圖3不同，圖4表示本發(fā)明提出的一種超導(dǎo)徑向軸承，在此軸承上的超導(dǎo)定子部分10具有徑向?qū)ΨQ的超導(dǎo)晶粒定向。在制造作為圓筒狀型部的定子部分10時，如同在Werfel的文章中所介紹的，通過設(shè)立正的和負(fù)的局部溫度梯度，便可實現(xiàn)超導(dǎo)材料2的一種徑向c-軸-結(jié)構(gòu)。即使在這里也可通過c-軸對旋轉(zhuǎn)軸5的從優(yōu)定向而達(dá)到比圖3所示實例更高的磁化，這種磁化比起已知的各種解決方案來可以為轉(zhuǎn)子部分20的支承獲得比定子部分10更高的承載能力和剛性。較高的磁流駐定特別允許實現(xiàn)無接觸的無源超導(dǎo)磁性軸承的微型化。
通過中間環(huán)16的對稱的和循環(huán)的布置的改變及其厚度的選擇，便可在超導(dǎo)體中如此調(diào)定磁流導(dǎo)向及其駐定，使得在兩軸端出現(xiàn)一個較高的徑向剛性，這一剛性相當(dāng)于一個可能存在的兩點支承。這樣，可使轉(zhuǎn)子6獲得一特別高的傾覆剛性。
圖5示明一種YBaCuO超導(dǎo)體的磁化，以磁化m與一外磁場H的關(guān)系的校準(zhǔn)曲線來表示，這一校準(zhǔn)曲線既平行于相應(yīng)于曲線22的晶體學(xué)c-軸，又垂直于相應(yīng)于曲線24的晶體學(xué)c-軸。為一個平行于c-軸定向的磁場按曲線22測得的較高最大磁化表示一個實驗上獲得的結(jié)果，這一結(jié)果在這里可優(yōu)先用于本發(fā)明提出的超導(dǎo)磁性軸承的高剛性。在試驗結(jié)構(gòu)上已證明在所述的各種值下可以達(dá)到的超導(dǎo)磁性軸承的阻尼是如此之高，以至于非強(qiáng)力的轉(zhuǎn)子部分的固有頻率在加速時即使在有到0.3mm的重心移位條件下也能可靠地被通過。
在圖6中再次示明了用于具有徑向結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)徑向軸承的一種圓筒狀定子部分10。各個晶粒26在這里是通過培育利用一種梯度熔體結(jié)構(gòu)來加以定向。
圖7中所示的是一個帶有轉(zhuǎn)子部分20的超導(dǎo)磁性軸承，該轉(zhuǎn)子部分具有逆極布置的永磁環(huán)30、31、32、33、34。超導(dǎo)定子部分10有一個圓筒狀的空隙36，永磁環(huán)30、31、32、33、34以小間隙4而被安置在該空隙中。定子10的超導(dǎo)材料沿著永磁環(huán)30、31、32、33、34的徑向方向具有如圖6中所示依徑向定向的晶粒結(jié)構(gòu)。此外，在定子部分10的區(qū)域38中，在圓筒狀空隙的底部則有一種軸向結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)徑向軸承同附屬的軸向軸承組件的這樣一種組合能確保特別高的磁性軸承力和剛性。
圖8表示一個帶有多棱鏡40的超導(dǎo)徑向磁性軸承的例子，在軸承的一端上是多棱鏡，在軸承的另一端上是電動驅(qū)動機(jī)構(gòu)42。于此，磁性軸承包含一個超導(dǎo)定子部分10，該定子部分由一個與之相連的微型冷卻機(jī)44進(jìn)行冷卻。轉(zhuǎn)子部分20將一個多棱鏡40承載在一個用高強(qiáng)度材料做的軸45上，永磁環(huán)50、51、52、53就逆極地層疊布置在該軸上，在這些永磁環(huán)之間配置了中間環(huán)16以用于磁場的徑向均化。永磁環(huán)50、51、52、53和中間環(huán)16都是為高轉(zhuǎn)速設(shè)計的，所以最好用碳纖維或Kevlar纖維增強(qiáng)，以使這些部件能夠在高轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)離心力的情況下保持穩(wěn)定。
在轉(zhuǎn)子部分20的與多棱鏡40相對的端上，設(shè)計了一個為電動驅(qū)動機(jī)構(gòu)42而設(shè)置的轉(zhuǎn)子部分，以之作為鼠籠轉(zhuǎn)子或磁性轉(zhuǎn)子56。轉(zhuǎn)子部分20的相應(yīng)區(qū)域由一定子線圈60所包繞。
圖9表示一個具有特別大支承剛性的雙重徑向支承的多棱鏡40的例子，這一剛性是通過下述做法獲得的，即將多棱鏡40對稱地安置在圖8所示的兩個軸承部分之間。
圖10表示一個裝配有多棱鏡40的掃描器，呈夾層式，連同一個旋轉(zhuǎn)式的超導(dǎo)磁性軸承，其原理如圖2中所示。但這里為此配置了一個電動機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)46，并且直接在轉(zhuǎn)子部分20上設(shè)計了一個多棱鏡。為此，在轉(zhuǎn)子部分20的外圓周上安置了一個環(huán)，這個環(huán)在外面支承著多棱鏡40的鏡體元件。此外，與圖2所示的不同，配置了兩個用超導(dǎo)材料2做成的圓片，與圓盤狀的轉(zhuǎn)子部分的永磁體相對映。超導(dǎo)材料2、轉(zhuǎn)子20以及相對映地安置的定子線圈46都被容納在一個密封的外殼62中。
由于定子部分相對于轉(zhuǎn)子部分的正面而言是平行對稱安置的，所以在一個徑向膨脹的軸承情況下創(chuàng)造了特別穩(wěn)定的軸承和驅(qū)動條件。圖中所示的裝置也特別適合于大量生產(chǎn)。
前面的例子表明，本發(fā)明提出的磁性軸承的設(shè)計是很多樣的。于此，各向異性超導(dǎo)材料關(guān)系到最大磁流駐定的定向?qū)μ岣叱休d能力具有重要的意義，最大磁流駐定是由c-軸決定的。如所指出的，剛性和阻尼可以借助晶粒大小、間隙4的大小以及借助中間環(huán)16而在很大程度上加以改變。多晶粒結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點是在于對外磁場的強(qiáng)大駐定效應(yīng)，這樣，磁性轉(zhuǎn)子相對于定子的精確定位和/或復(fù)位可以達(dá)到0.1μm的范圍內(nèi)，這一點要歸因于晶粒界面在超導(dǎo)體的剩磁凍結(jié)狀態(tài)中所產(chǎn)生的影響。
權(quán)利要求
1．磁性軸承，其中的一個第一部分(1，20)相對于一個第二部分(3，10)是磁性地安置的，而第二部分(3，10)是一種Ⅱ類超導(dǎo)材料(2)，這種材料含有一個各向異性晶體或多個由這一晶體組成的晶粒，其中，這種晶體是各向異性的，所以超導(dǎo)流在載流平面中流動，而且第一部分(1，20)包含一種由磁體(1；6，7，8；11，12，13，14；30，31，32，34；50，51，52，53)組成的配置，超導(dǎo)材料與這些磁體處于相互作用之中，而且晶體本身或者以若干個晶粒形式表示的晶體以載流平面(a-b)上的法線指向第一部分(1，20)。
2．磁性軸承，其中的一個第一部分(1，20)包含一個由磁體(1，6，7，8，11，12，13，14，30，31，32，34，50，51，52，53)組成的配置，而且相對于一個第二部分(3，10)是磁性地安置的，其中，該第二部分(3，10)是一種Ⅱ類超導(dǎo)材料(2)，這種材料可以利用一個與之相連的冷卻系統(tǒng)冷卻到它的臨界溫度以下，其中，超導(dǎo)材料(2)含有多個各由一種各向異性晶體組成的晶粒，在超導(dǎo)狀態(tài)下流動的超導(dǎo)流在每個晶粒中都分別在該晶粒的一個載流平面(a-b)上流動，而且超導(dǎo)材料(2)就其結(jié)構(gòu)而言是一種其粒度范圍為2mm至20mm的熔體結(jié)構(gòu)的多晶粒材料，晶粒的載流平面(a-b)的從優(yōu)定向是如此調(diào)定的，使得由磁體(1，6-8，11-14，30-32，34，50 53)組成的配置的磁流線(B)的外磁流方向平行于晶粒的載流面(a-b)上的法線延伸。
3．按權(quán)利要求1或2所述的磁性軸承，其特征在于所述配置具有若干個沿著一個軸排列的磁體(1；6，7，8；11，12，13，14；30，31，32，34；50，51，52，53)，其中，每個磁體(1；6，7，8；11，12，13，14；30，31，32，34；50，51，52，53)分別與行列中后繼的磁體(1；6，7，8；11，12，13，14；30，31，32，34；50，51，52，53)是逆極的；載流平面上的法線垂直于上述的軸而取向，其中，在第一部分(1，20)和第二部分(3，10)之間的間距大于0.1mm。
4．按權(quán)利要求3所述的磁性軸承，其特征在于第一部分(1，20)相對于第二部分(3，10)是可以轉(zhuǎn)動地安置的，其中，軸(8；45)是旋轉(zhuǎn)軸，而且載流平面上的法線依徑向指向該旋轉(zhuǎn)軸。
5．按權(quán)利要求3或4所述的磁性軸承，其特征在于第一部分(1，20)和第二部分(3，10)之間的間距在1和10mm之間，特別在2和7mm之間。
6．按權(quán)利要求1至5的任一項所述的磁性軸承，其特征在于第一部分(1，20)設(shè)計為一電動機(jī)的轉(zhuǎn)子、第二部分(3，10)設(shè)計為一電動機(jī)的定子。
7．按權(quán)利要求1或按權(quán)利要求1結(jié)合權(quán)利要求3至6中的任一項所述的磁性軸承，其特征在于晶粒具有的粒度在2mm和20mm之間。
8．按權(quán)利要求1至7的任一項所述的磁性軸承，其特征在于晶體含有一種X-鋇-銅-氧化合物(X表示Y、Sm、Nd、Tb族中的一種稀土金屬)或者是由這種化合物組成的。
9．按權(quán)利要求8所述的磁性軸承，其特征在于晶體含有一種化合物YxBa2Cu3O(8-X)以1≤x＜2，或者由這種化合物組成。
10．按權(quán)利要求1至9的任一項所述的磁性軸承，其特征在于配置了一種具微型冷卻機(jī)(44)形式的冷卻系統(tǒng)，用于冷卻第二部分(3，10)。
11．按權(quán)利要求10所述的磁性軸承，其特征在于微型冷卻機(jī)(44)是一種Stirling機(jī)。
12．按權(quán)利要求1至11的任一項所述的磁性軸承，其特征在于第一部分(1，20)和第二部分(3，10)都由一氣密的外殼(62)包住。
13．按權(quán)利要求12所述的磁性軸承，其特征在于外殼(62)被抽空到一個小于10-4Pa的壓力。
14．按權(quán)利要求12所述的磁性軸承，其特征在于外殼(62)充填了一種其分子量小于28的氣體，特別是用氦充填。
15．按權(quán)利要求1至14的任一項所述的磁性軸承，其特征在于第一部分中的磁體(1；6，7，8；11，12，13，14；30，31，32，33，34；50，51，52，53)都是永磁體。
16．配有按權(quán)利要求1至15之一所述的磁性軸承的電動機(jī)，其中的一個轉(zhuǎn)子相對于一個定子是磁性地安置的，其中，作為磁性軸承第二部分(3，10)的定子是一種Ⅱ類超導(dǎo)材料(2)，這種材料含有一個各向異性晶體或者含有多個均由這一種晶體組成的晶粒，在超導(dǎo)狀態(tài)下每個晶粒中流動的超導(dǎo)流分別在晶粒的一個載流平面(a-b)中被導(dǎo)向，而且晶體或者在有多個晶粒情況下的所有晶體均勻地以載流平面(a-b)上的法線對準(zhǔn)作為磁性軸承第一部分(1，20)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸加以定向。
17．按權(quán)利要求16所述的電動機(jī)的應(yīng)用是，用于驅(qū)動一個多棱鏡(40)，該多棱鏡被固定在電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上。
18．按權(quán)利要求16所述的電動機(jī)的應(yīng)用，該電動機(jī)配有一磁性軸承和一個按權(quán)利要求12至14的任一項所述的外殼(62)，該電動機(jī)用于驅(qū)動視頻系統(tǒng)中的多棱鏡(40)，利用此多棱鏡來按時間周期地偏轉(zhuǎn)一個設(shè)定用于顯示一視頻系統(tǒng)的圖象點的光束，其中，外殼(62)既包住該軸承也包住該多棱鏡(40)，而且在外殼(62)上有一個或兩個窗口用于被偏轉(zhuǎn)的光束的進(jìn)出。
全文摘要
一種磁性軸承,其中的一個第一部分(1,20)相對于一個第二部分(3,10)是磁性地安置的,而第二部分(3,10)則是一種Ⅱ類超導(dǎo)材料(2),這種材料含有一種各向異性晶體或者含有多個由這種晶體組成的晶粒,其中,這種晶體是各向?qū)缘?所以超導(dǎo)流在載流平面中被引導(dǎo),在此磁性軸承上設(shè)定:第一部分(1,10)包含一個由磁體(1;6,7,8;11,12,13,14;30,31,32,34;50,51,52,53)組成的配置,超導(dǎo)材料(2)與這些磁體處于相互作用之中,其中,晶體本身或者以多個晶粒表示的晶體以載流平面(a－b)上的法線指向第一部分(1,20)。
文檔編號H01L39/00GK1287597SQ99801829
公開日2001年3月14日 申請日期1999年10月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月14日
發(fā)明者F·維菲爾, C·德特 申請人:Ldt激光展示技術(shù)公司