用于高速超导轴承的永久磁铁设计 本发明一般涉及用于装有超导轴承的飞轮储能机械或其他转动机械的磁性轴承或超导轴承的转动件上的永久磁铁，特别涉及组合使用永久磁铁和高温超导体(HTSs)、从而提高悬浮压力、降低涡流损耗并提高高转速时的机械整体性的磁性轴承设计。
当把这些轴承使用在飞轮储能装置中时，可大大提高飞轮的效率，从而可把这类飞轮经济地应用于昼间储能或其他必须提高能量转换效率的场合。电能的储存在许多场合下是有用的。为了高效利用基底负载发电厂并满足其用户的变动负载要求，发电厂必须昼间储存有电能。在该例中，基底负载发电厂在夜间用电低峰时对储能装置充电，然后在白天用电高峰时释放储能装置的能量而满足高峰要求。储能在不建或推迟建立大容量电力线方面也起着重要作用。可在夜间低峰时把电力传输给变电站或用户的储能装置，储能装置然后在用电高峰时释放能量。储能装置可设置在配电网中的各处：储存大量能量的公共停车场、与决定于气候的光电或风能发电设施串联、变电站、公司或家庭。本发明也可用于电动车辆的储能，例如电动汽车或电动公共汽车；或用于电动列车或其他长途车的路边加能站。
飞轮常常用于储能。它们的主要优点有模件性、机械简单性(成本低)、储能密度(Wh/kg)高以及电能的输入和输出效率高。高强度飞轮转子的制造和如何高效实现飞轮能量的输入和输出是公知的，因此本发明不再赘述。
现有飞轮地主要缺点是在备用状态时效率低。其原因是支撑飞轮构件的轴承能量损耗大。本发明提供转动损耗极低、使飞轮在备用时的损耗低达0.1％/hr以下的轴承。高温超导轴承在任何方向上都具有无源稳定性；也即，它们不会向任何方向偏离。而且，它们的转动摩擦极低。
本发明的高温超导轴承的一优选实施例在转子上使用FeBNdh或SmCo之类的永久磁铁。对于大轴承来说，如图1A所示，一永久磁铁环或一连串同心永久磁铁环悬浮在HTS件上方。为了尽可能提高悬浮压力，如图1A所示，可把其顶部具有低磁阻回路的两个以上的磁铁环连接在一起。为此可用波明德(permendur)或磁钢之类的高磁导率材料。
HTS轴承的困难之一是对于大轴承来说，各球形或瓦形HTS必须放置在转子上的永久磁铁下方。尚无法把各高品质的大HTS制成一体。每一片HTS都有其自身的磁场而在转动的永久磁铁和转子上生成一相当的交流磁场。这会在与转子一起转动的任何导体中形成涡流。在第一个实验中，一永久磁铁环与装在它上面的一铝制转子一起转动。在第二个实验中，一塑料转子装在该永久磁铁环上。在同样悬浮高度下，铝制转子的旋转阻力要比塑料转子大一个数量级。实验结果示出在图2和图3中。这些实验证明，若要轴承的摩擦小，必须减小HTS瓦在转子中生成的涡流。
在本发明优选实施例中，永久磁铁应有良好的机械整体性。由于这些永久磁铁的机械强度一般较低，本发明包括在中部位置捆绑磁铁而使它们不至于因高速转动时所受到的离心力而散开。而且，如上所述，涡流会造成很大的转动损耗，而这可以通过选择合适的捆绑材料加以减小。
因此本发明的目的是提供一种可用来提高飞轮储能装置的效率的改进的低损耗轴承及其使用方法。
本发明的另一个目的是提供一种用在尽可能减小成列HTS的磁场所生成的涡流的转子上的新颖结构的永久磁铁及其使用方法。
本发明的又一个目的是提供一种可产生大悬浮力的改进的永久磁铁及其使用方法。
本发明的另一个目的是提供一种新颖设计和使用方法，从而永久磁铁可以高转速旋转并保持机械整体性。
本发明的另一个目的是提供一种减小转动构件在超导应用中的转动损耗并提高其结构整体性的改进装置和方法。
本发明的另一个目的是提供一种降低生产成本的新颖的捆绑结构和使用方法，为此，只须简单的切削加工便可制造出能承受大离心力的构件。
本发明的另一个目的是提供一种用于超导轴承的改进的永久磁铁结构，它使用磁铁极性交替的结构而在各组成部件之间形成平衡的磁通。
从下述结合附图的详述中可清楚看出本发明的其他优点和特征以及工作情况，所有附图中的相同部件用同一标号表示。
图1A示出一悬浮在一高温超导构件上的一由两个永久磁铁环构成的转子，转子的顶部有一低磁阻回路，图1B为图1A所示结构的仰视图，示出许多超导构件位于该转子下方；
图2示出铝制转子的反自旋数据；
图3示出塑料转子的反自旋数据；
图4为一未经捆绑的由两个永久磁铁环构成的构件的局部剖面图；
图5示出经中部捆绑的图4的永久磁铁构件；
图6示出本发明各种捆绑实施例；
图7示出一单向极性同心环转子；
图8示出一交替极性同心环转子。
附图、特别是图1A和图1B示出用于飞轮/转子的HTS轴承10的各永久磁铁件。永久磁铁环12(图4和图5中为环22)如上所述装在一包括一波明德18的飞轮转子14上而悬浮在一列HTS件16上方。飞轮转子14的紧在该列HTS件16上方的部分最好(尽可能)用非导电材料制成以减小涡流损耗。图4-6为只示出本发明永久磁铁环12各实施例的剖面图，它们将在下文讨论。虽然图中例示出非限制性的具体方位，但本领域技术人员显然可看出，本发明轴承可以任何方位工作，包括与图中所示相反，永久磁铁悬于超导构件的下方，或永久磁铁与超导构件相邻地位于同一水平面中。而且，本发明甚至可工作在“失重”环境中。
图4示出本发明一优选实施例。所示结构为一对其顶部没有低磁阻回路的永久磁铁环22。在该实施例中，波明德18(见图1A)代之以若干永久磁铁件30。永久磁铁件30最好包括稀土-铁磁性材料，例如钕、铁和硼或镨、铁和硼。专门制造的混合物，
由于HTS轴承10中不使用导电材料，因此涡流减小。永久磁铁件30由于由电绝缘的小颗粒构成而涡流小。图4示出可用五块容易切削而成的永久磁铁件30制成的一种永久磁铁结构。长方形永久磁铁件22为其横截面呈长方形、但最好呈正方形的永久磁铁环。图4示出长方形永久磁铁件22，由长方形永久磁铁件22形成的永久磁铁环同心并只由四边形永久磁铁件24的底边的长度分开。三角形横截面永久磁铁件26所示的两个同心永久磁铁环如图4所示与长方形永久磁铁件22和四边形永久磁铁件24相连。四边形永久磁铁件24把所示同心的长方形永久磁铁件22和三角形永久磁铁件26分开。磁路如图4中箭头所示。为获得最佳磁通量和机械整体性，也可用其他形状的永久磁铁件构成该永久磁铁组件。显然本发明也可使用更多数量的磁铁环，包括交替极性组件或单向极性组件。
除了永久磁铁件容易切削之外，图4所示组件还使转子构件30的磁极表面的磁通大小最佳。图4中示出了各永久磁铁件的磁化，从而示出转子构件中的磁路28。该磁路尽量减少了气隙，从而磁阻减小。该“构件”的容易切削方面在这里特别有用，它使各表面之间紧密无缝。此外，为了使磁通的大小在磁极表面处最佳，三角形横截面永久磁铁件的斜面应与磁路28大致垂直。图4所示磁化通过使该斜面相对于磁路28的斜角接近最佳而实现了这一点。因此，本发明的特别磁化件的这种方向使得本发明大大优于现有结构。
为了使永久磁铁环22在本发明的高转速下保持机械整体性，要求如图5所示用高强度材料捆绑永久磁铁环22。捆绑可使永久磁铁环的较弱件受压缩，直到它们达到所需转速。在优选转速下，受捆绑的永久磁铁环12上的净力小，从而即使机械强度低也能承受得了。捆绑材料最好为有助于减小涡流损耗的纤维加强复合材料。也可使用非磁性材料(例如非磁性钢)或磁性材料(例如磁钢)。由于永久磁铁环22由小永久磁铁件构成，因此这些小永久磁铁件与捆绑材料或其他支撑结构在一起就会增大。各小永久磁铁件之间的空间用作受控裂缝，从而把永久磁铁环22的强度提高到各小永久磁铁件的低抗拉强度以上。
如图5所示，可用捆带38沿径向和与转子构件30的转动轴线40的垂直方向捆绑长方形永久磁铁件22、四边形永久磁铁件24和三角形永久磁铁件26。如上所述，可使用各种非磁性材料和磁性材料，虽然为了减小涡流最好使用非磁性材料。此外，捆带38之间的U形空间42可局部或全部填满环氧树脂之类的刚性材料，以便把力从捆带38和长方形永久磁铁件22的内部传到捆带38的外部。或者，也可在捆带38外套一个结实的套管44来约束转子构件30中的离心力。
为了进一步提高永久磁铁环22的机械刚性，最好把四边形永久磁铁件24(图4所示)分成若干部分24A、24B、24C和24D。永久磁铁环22的其他永久磁铁件需要时也可分成若干部分。图6示出四边形永久磁铁件24的一种分法以及四边形永久磁铁件24的几种捆绑方法。这些捆绑方法可局部或全部用在图5所示转子构件30中。部件32表示凯夫勒(Kevlar)或碳纤维复合材料带。部件34表示钢带。部件36表示一串钢丝。部件36的涡流比钢带部件34小。非导电Kevlar部件没有涡流，因此是捆绑带的最优选实施例。所有部件32、34、36都可以包括不止一层。
为了提高轴承在特定应用场合下的悬浮力或径向刚性，可把多个同心轴承组件组合成图7和8所示合成轴承组件。在一优选实施例中，这些磁极组件布置成沿径向互相相邻的极性相同。超导材料最好覆盖这些同心磁铁组件极面下的整个表面积。每一磁铁组件的两极考虑到径向位置的差别和周围磁铁组件的存在最好设计成磁平衡，这在下文详述。
使用多个同心环46的一个优点是可提高轴承10的径向刚性。各环46的磁通量梯度可提高。这提高了每一环46的刚性，从而提高整个轴承10的刚性。
图8所示极性交替的实施例要优于图7所示的单向极性实施例。图中所示的磁铁环对48包括两个用一波明德相连的相邻永久磁铁环。在图8所示极性交替的设计中，两相邻磁铁环对之间的磁极极性相同，即北极对北极、南极对南极。因此，磁铁环对之间的间隙可减小甚至取消。在图7所示单向设计中，为了防止磁场短路，必须有一较大的间隙。这就加大了轴承的尺寸，而且也无法最有效地使用材料。
为了有效使用磁性材料，同心环46之间的磁通量必须平衡。对于均匀的磁性材料来说，把同样质量的磁性材料放置在各环46中就可实现平衡。因此，离轴承转动轴线40近的环46的径向厚度最好比离轴承转动轴线40远的环46的径向厚度厚。如果需要保持所有环46的厚度都相同，则各环的磁性材料的强度必须不同。
因此，本发明的优点包括：(1)减小了由HTS造成的涡流；(2)提高了永久磁铁在HTS轴承间隙处的磁场强度并从而提高了悬浮压力；以及(3)提高了转动永久磁铁在高转速下的机械整体性。
虽然以上结合用于飞轮储能装置的HTS轴承说明了本发明，但本发明的基本特征可一般地应用于磁性轴承以及涉及转动机械的种种场合。此外，尽管上面示出并说明了各优选实施例，但应看到，可在本发明的对其作出种种变动和修改。本发明的各种特征限定在后附权利要求中。权利要求书
关于条约第19条的声明
根据日期为一九九六年二月二十九日的国际检索报告，申请人按照条约第十九条和细则第四十六条递交上摘要、说明书和权利要求的修改，请予以审查。
本次的所有修改与对相应的美国申请中的摘要、说明书和权利要求的修改是相对应的。其中，权利要求1-10条保持不变，第11-14条由具有相同顺序号的新的权利要求所替代。
所附的修改没有加入新的内容，并且是被原始提交的作为申请文件组成部分的说明书所完全支持的。
申请人在准备本次修改时，已对国际检索报告进行了阅读。报告中所提及的对比文件在相应的美国专利申请审查过程中也被引用。申请人相信经本次修改的权利要求书使本发明与对比文件中的技术相区别并且是有专利性的。
关于对摘要、权利要求书和说明书的具体修改及替换页，请参见后附根据细则46.5(a)要求的信。
按照条约第19条的修改
1、一种高温超导轴承，包括：
一由一高温超导构件悬浮的永久磁铁转子，所述永久磁铁转子包括若干与若干三角形横截面的第一永久磁铁环构件相连的同心永久磁铁环，而第一永久磁铁环构件又与若干四边形横截面的第二永久磁铁环构件相连，所述第一和第二永久磁铁环构件的相贴合交界面使得磁力线大致垂直地穿过所述交界面。
2、按权利要求1所述的轴承，进一步包括抵靠所述永久磁铁环构件的同心捆绑带。
3、按权利要求2所述的轴承，其中，所述同心捆绑带的尺寸做成压缩所述永久磁铁环。
4、按权利要求2所述的轴承，其中，所述同心捆绑带为复合材料带。
5、按权利要求2所述的轴承，其中，所述同心捆绑带为钢带。
6、按权利要求2所述的轴承，其中，所述同心捆绑带为许多钢丝。
7、按权利要求1所述的轴承，其中，所述第一永久磁铁环构件和第二永久磁铁环构件中的至少一个为抵靠同心捆绑带的永久磁铁构件。
8、一种高温超导轴承，包括
一由一高温超导构件悬浮的永久磁铁转子，所述永久磁铁转子包括若干与若干三角形横截面的第一永久磁铁环构件相连的同心永久磁铁环，而第一永久磁铁环构件又与若干四边形横截面的第二永久磁铁环构件相连，该四边形横截面永久磁铁环构件包括若干方形构件和三角形构件。
9、按权利要求8所述的轴承，其中，所述第一永久磁铁环构件和第二永久磁铁环构件中的至少一个为抵靠同心捆绑带的永久磁铁构件。
10、按权利要求8所述的轴承，进一步包括抵靠所述永久磁铁环构件的同心捆绑带。
11、按权利要求10所述的轴承，其中，所述同心捆绑带的尺寸做成压缩所述永久磁铁环。
12、按权利要求10所述的轴承，其中，所述同心捆绑带为复合材料带。
13、按权利要求10所述的轴承，其中，所述同心捆绑带为钢带。
14、按权利要求10所述的轴承，其中，所述同心捆绑带为许多钢丝。