永磁型高温超导磁力轴承转子系统 【技术领域】
本发明涉及一种转子系统，特别是一种永磁型高温超导磁力轴承转子系统。这是一种具有加载主动磁悬浮轴承对中装置、利用高温超导材料的本质钉扎特点，将装入其内部的转子悬浮于高温超导磁力轴承中心的旋转机械机构。其关键技术涉及到高温超导材料在轴承领域内的应用技术；永磁材料在轴承领域内的应用及其充磁技术；以及主动磁悬浮轴承及其对中技术。本发明中的主动磁悬浮轴承可以保证转子在高速旋转时获得高精度的定位，而高温超导磁力轴承则能够使得转子的运转更加稳定可靠。本发明的另外一个特点是能耗非常小，是一种低耗、节能、可靠、高效、环保的高精尖旋转驱动设备。
本发明可应用于特种工程设备中。
背景技术
永磁型高温超导磁力轴承(Permanent High Temperature Superconductor MagneticBearing，简称PHTSMB)由永磁体(permanent magnet，简称PM)和高温超导体HTS构成，这是一种继主动电磁轴承(active magnetic bearing，简称AMB)、永磁偏置磁力轴承(permanentflxial magnetic bearing，简称PFMB)以及全永磁悬浮轴承(entire permanent magneticbearing，简称EPMB)之后出现的一种非接触型支承部件。
AMB是依靠电磁铁产生的电磁力使得转子实现稳定非接触悬浮的一种支承部件。它出现于上个世纪四十年代，其关键部件是电子控制器与位移传感器。这两种部件的技术指标直接影响到了AMB的机械性能，因此一直是研究者的兴趣所在。随着AMB研究的不断深入，智能磁力轴承(smart magnetic bearing，简称SMB)的构思也一直在科学家的头脑中徘徊，然而由于各种原因，这个构思也仅仅存在于科学家头脑中。AMB的缺点是体积大，价格高，结构相对复杂。
与AMB相比，永磁偏置的磁力悬浮轴承体积相对小一些。但在安装方面却有很大的难度。并且由于永磁体的存在，对环境的影响也不可忽视。另外一种磁悬浮轴承的类型是全永磁悬浮轴承，这种轴承可以获得最小的体积，最小的功耗以及最简单的结构。但是目前还在研究中，并且其安装的难度与技术指标等也都有待于验证。
【发明内容】
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷提供一种应用超导材料与永磁材料组合构成的悬浮轴承转子系统，该系统带有主动磁悬浮对中装置，可应用于相关工程项目。
为达到上述目的，本发明的构思是：本发明利用了高温超导体的超导特性，通过合理地安放超导体与永磁体，使之转子能在高温超导轴承的支承下稳定悬浮。由于高温超导体存在磁通钉扎，因此本身具有自稳定性。与主动磁轴承AMB相比，超导磁轴承是无需主动电子控制系统的被动磁悬浮轴承，不仅节省了电力消耗，还减少了可能失效的复杂控制部件，使系统更加可靠，使用寿命更长，是一种低摩擦高转速的高技术新型轴承，主要应用于高精尖工业领域，如舰船的主轴支承、以及航空航天、能源等领域中的相关设备。
本发明中的高温超导磁悬浮装置，包括主动磁悬浮对中装置、永磁型轴向超导轴承和永磁型径向超导轴承，其特征在于所述永磁型高温超导磁力轴承转子系统中的对中装置采用了主动磁悬浮结构，并可以实现自动与手动微调对中方式，即使用中，可以依据主动磁悬浮对中装置完成转子设计的对中过程，而在必要的时候，也能通过手动实现转子对中精度的微调，使之达到更高的精度，以便使得转子在高温超导磁力轴承工作时获得更加稳定与可靠的特性。
上述永磁型高温超导磁力轴承转子系统中的永磁型高温超导磁力轴承是：永磁型径向与轴向高温超导磁力轴承中的超导材料都与充满液氮的管道连通，液氮是本永磁型高温超导磁力轴承转子系统的冷却媒体，提供高温超导材料工作时必需的环境温度。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种永磁型高温超导磁力轴承转子系统，由对中装置、轴向轴承、径向轴承以及转子组成，其特征在于所述对中装置为主动型电磁轴承对中装置，所述轴向轴承为永磁型轴向高温超导磁力轴承，所述径向轴承为永磁型径向高温超导磁力轴承。
上述永磁型轴向高温超导磁力轴承是由轴向高温超导体与轴向永磁体组合而成；轴向高温超导体安装于轴向轴承固接件内；并与固接件实现无缝连接。
上述永磁型径向高温超导磁力轴承是由径向高温超导体与径向永磁体组合而成；径向高温超导体安装于径向轴承固接件内；并与固接件实现无缝连接。
上述轴向永磁体与径向永磁体分别采用了轴向磁化与径向磁化方式；且相应之轴承固接件中均有高温超导工作媒体循环槽、工作循环媒体隔热槽以及高温超导体隔热槽。
本发明与现有技术相比较，是有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明永磁型高温超导磁力轴承转子系统中的主动磁悬浮对中装置既有使得高温超导磁力轴承转子系统的对中功能，又有在其对中装置完成对中后，无需退出对中支承状态，仍然可以在转子工作时提供保护轴承的作用。
【附图说明】
图1本发明一个实施例高温超导磁力轴承转子系统结构示意图。
图2为图1的左视图。
图3转子示意图。
图4径向高温超导磁力轴承结构示意图(其中图(a)为径向剖视图，图(b)为切去的立体图，图(c)为图(a)中“B”的放大图)。
图5轴向高温超导磁力轴承结构示意图(其中图(a)为径向剖视图，图(b)为切去的外形图，图(c)为切去的立体图，图(d)为(a)中“D”的放大图)。
图6对中主动磁悬浮轴承结构示意图(其中图(a)为径向剖视图，图(b)为立体图)。
图7对中主动磁悬浮轴承结构分解示意(其中图(a)为立体图，图(b)、(c)、(d)为分解图)。
图8整体结构安装分解示意图。
【具体实施方式】
本发明的优选实施例子结合附图详述如下：
实施例一：参见图1，本永磁型高温超导磁力轴承转子系统，由对中装置、轴向轴承、径向轴承以及转子组成，其特征在于所述对中装置为主动型电磁轴承对中装置1，所述轴向轴承为永磁型轴向高温超导磁力轴承，所述径向轴承为永磁型径向高温超导磁力轴承。
实施例二：参见图1～图8，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：永磁型高温径向超导轴承由永磁型径向超导轴承壳体7、永磁型径向超导轴承冷媒保持架8、永磁型径向超导轴承冷媒工作腔9、永磁型径向超导轴承冷媒保温腔10，以及永磁型径向高温超导体温度隔离腔11组成。并在壳体7与径向永磁体5之间设计有必需的永磁型径向超导磁力轴承工作气隙12。
永磁型高温轴向超导轴承则由永磁型轴向超导轴承壳体13、永磁型轴向超导轴承冷媒保持架14、永磁型轴向超导轴承冷媒工作腔15、永磁型轴向超导轴承冷媒保温腔16，以及永磁型高温轴向超导体温度隔离腔17组成。并在壳体13与轴向永磁体3之间设计有必需的永磁型轴向超导磁力轴承工作气隙18。
主动磁悬浮对中装置1是由主动磁悬浮轴承内磁环19、主动磁悬浮轴承励磁线圈20、主动磁悬浮轴承锥度定位环21，以及主动磁悬浮轴承外磁环22组成。
转子则需要与上述永磁型高温轴向、径向超导磁力轴承，以及主动磁悬浮对中装置地设计尺寸相配合。其中，为了提高转子的对中精度，转子的两端设计有配套的定位锥度。
本转子系统中使用液氮为高温超导磁力轴承的冷却媒体。液氮的供给设计非本发明范围，故略去。
实施例三：参看图1、图2和图3，本永磁型高温超导磁力轴承转子系统由主动磁悬浮对中装置1、永磁型径向高温超导磁力轴承、永磁型轴向高温超导磁力轴承、以及转子组成。其中：永磁型径向高温超导磁力轴承的永磁环5、永磁型轴向高温超导磁力轴承的永磁环3与转子4固接；主动磁悬浮对中装置1中的锥度定位环21则与转子4上的定位锥度处于临界固接状态。
参看图3和图4，永磁型径向与轴向高温超导磁力轴承中的冷媒保持架8与14分别与轴承外壳7和13固接，其中需要保持一定的气隙作为冷媒保温腔10和16。而在高温超导材料四周，需要构建超导体保温腔10和16。冷媒保温腔与超导体保温腔的宽度不限。超导体2和4应分别与冷媒保持架8和14紧密固接，必要时可以采取相关的导热材料连接，以提高温度的传递能力。
参看图6和图7，主动磁悬浮对中装置中的内磁环19应当与锥度定位环21采取固接方式联接，并保证在工作中不发生相对的移动。内磁环的表面应该做相关的润滑措施处理。而锥度定位环21与转子4上的锥度采取临界固接方式，即：采取一定摩擦阻力的固接，当载荷大于设定值时，两者才会发生相对的移动，这样既可以保证转子4的对中要求，也便于装卸。而外磁环22一般与装置的外壳相连接，其中励磁线圈安放在外磁环磁极上，其数量视主动磁悬浮装置设计而定。
本装置在非工作状态，转子静止于主动磁悬浮对中装置的内磁环上，其重量均有主动磁悬浮对中装置承受。转子工作的程序是：(1)启动主动对中装置，使转子在主动磁悬浮对中装置的作用下稳定悬浮起来，并在主动磁悬浮对中装置的调整下，达到高精度的对中。(2)启动冷媒工作系统(非本专利申请范围)，冷媒分别进入冷媒工作腔9和15，使得温度急剧下降，达到高温超导体的工作温度后采取保持措施。(3)启动转子旋转系统(非本专利申请范围)，这个时候，转子上的永磁体因受超导体的钉扎效应而稳固定位，并在驱动系统的作用下运转。这时，主动磁悬浮对中装置可以断开，但也可以不断开(做临时保护轴承用)。由于主动磁悬浮对中装置的存在，系统的稳定性、可靠性、以及承载能力都会有一定的提高。