CN108988689A - 适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，包括密封杜瓦，贯穿安装在密封杜瓦中的转轴、套设在转轴中段外侧且与转轴紧密贴合的永磁体、套设在永磁体中段外侧且与永磁体间隙配合的超导块材环以及粘接在超导块材环外侧壁上的导热环。所述永磁体与超导块材环之间的间隙大于0。所述永磁体包括若干永磁环和若干铁磁环，永磁环与铁磁环交替排列，且相邻永磁环的充磁方向相反。本发明所述的适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构具有最佳轴向力和径向力，能提供强而稳定的外磁场强度，从而增强了悬浮效率，提高了超导磁悬浮系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及高温超导磁悬浮系统技术领域，具体涉及适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构。
背景技术
基于超导体的完全抗磁特性和磁通钉扎的现象，高温超导材料制备的块材可以稳定地悬浮(悬挂)在永磁体上方或下方，施加给永磁体一个初始的扭矩后，它就会围绕和块材相互作用力的对称轴旋转起来，利用这一原理制作的高温超导磁悬浮轴承(SMB)，应用于飞轮储能系统中，具有无机械接触、自稳定、结构简单等优点。
飞轮储能要提高其储能效率（包括储能密度、转换效率），就必须不断提高飞轮的转速，减少轴承及空气摩擦的能量损耗，有效的办法就是实现飞轮转子的悬浮高速旋转，一种办法是采用电磁力悬浮，另一种则是采用超导磁悬浮技术，其基本机理为超导体的完全抗磁特性，即超导体处于超导态之后，任何磁场都不能穿透其体内，无需任何外部力，永磁体能悬浮在超导材料之上。
超导飞轮储能就是利用超导磁悬浮实现无摩擦轴承实现高速旋转的一种高效储能技术，相对于电磁斥力悬浮来说，它有两大明显技术优势：一是它无需能量消耗及电磁力大小精确控制就能实现永久悬浮（只要处于超导态）；二是它具有自稳定特性，即悬浮在超导体上的转子当受到横向的作用力偏转时，超导体一种特有的叫做磁通钉扎的现象将产生反作用力使得偏转修正，因此高速旋转时稳定性极高，而电磁悬浮不具备这种能力，高速旋转时消除来自侧向的冲击力等动量控制难度非常大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，该机构能够增强悬浮效率，提高超导磁悬浮系统的稳定性。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，包括密封杜瓦，贯穿安装在密封杜瓦中的转轴、套设在转轴中段外侧且与转轴紧密贴合的永磁体、套设在永磁体中段外侧且与永磁体间隙配合的超导块材环以及粘接在超导块材环外侧壁上的导热环。所述永磁体与超导块材环之间的间隙大于0。所述永磁体包括若干永磁环和若干铁磁环，永磁环与铁磁环交替排列，且相邻永磁环的充磁方向相反。
进一步的，所述永磁体、超导块材环和导热环均位于密封杜瓦内，使得组件工作在真空环境；所述转轴的中段位于密封杜瓦内，上下两端分别从密封杜瓦的顶部和底部穿出且密封。
进一步的，所述转轴采用合金钢材料。
进一步的，所述永磁环采用NdFeB （钕铁硼）材料。
进一步的，所述超导块材环采用非理想第二类高温超导YBa2Cu3O7-Δ材料，其具有钉扎效应，实现自稳定。
进一步的，所述导热环采用无氧铜材料，导热环通过低温环氧胶粘接在超导块材环的外侧壁上。
进一步的，所述密封杜瓦采用无磁不锈钢材料。
由以上技术方案可知，通过采用高温超导磁悬浮三维数值计算程序，研究永磁转子磁极与高温超导块材籽晶相对排布结构、聚磁铁环厚度、永磁环内外半径差、工作间隙、工作温度对高温超导磁悬浮径向轴承刚度特性的影响，选取最优的结构和参数的最优值(区间)，从而达到对高温超导磁悬浮径向轴承优化，使得本发明所述的机构具有最佳轴向力和径向力，能提供强而稳定的外磁场强度，从而增强了悬浮效率，提高了超导磁悬浮系统的稳定性。采用本发明所述的适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，能够使超导磁浮轴承工作在60K温度下，轴线偏移10mm的悬浮力大于3000N，提供的悬浮力大于6000N。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视图。
其中：
1、转轴，2、永磁体，3、超导块材坏，4、导热环，5、密封杜瓦，6、永磁环，7、铁磁环，8、充磁方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-图2所示的适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，包括密封杜瓦5，贯穿安装在密封杜瓦5中的转轴1、套设在转轴1中段外侧且与转轴1紧密贴合的永磁体2、套设在永磁体2中段外侧且与永磁体2间隙配合的超导块材环3以及粘接在超导块材环3外侧壁上的导热环4。所述永磁体2与超导块材环3之间的间隙大于0。所述永磁体2包括若干永磁环6和若干铁磁环7，永磁环6与铁磁环7交替排列，且相邻永磁环6的充磁方向相反。转轴1、永磁体2和超导块材环3均同轴设置。
进一步的，所述永磁体2、超导块材环3和导热环4均位于密封杜瓦5内，使得组件工作在真空环境；所述转轴1的中段位于密封杜瓦5内，上下两端分别从密封杜瓦5的顶部和底部穿出且密封。具体地说，密封杜瓦5的顶部和底部分别设有通孔，转轴1的上下两端分别从密封杜瓦5的顶部和底部穿过后，转轴1外壁与通孔内壁之间设有密封件，以保证密封杜瓦5内部为真空环境。
进一步的，所述转轴1采用高强度合金钢材料，以便在规定的转速下保持不变形。转轴与永磁体之间的间隙为0，二者无缝配合。
进一步的，所述永磁环6采用NdFeB （钕铁硼）材料。
进一步的，所述超导块材环3采用非理想第二类高温超导YBa2Cu3O7-Δ材料，其具有钉扎效应，实现自稳定。永磁体与超导块材环间具有一定的间隙，永磁体的极性与高温超导块材环相对分布排列结构，超导块材环轴线中心与铁磁环中心一致，超导块材环可由三组或多组构成。永磁体为超导块材环的磁场场源而铁磁环调整磁场分布并提高磁场的均勻性，磁力线在铁磁环处聚集而形成永磁转子的磁极。超导块材环一般由多块高温超导块材拼接而成。
进一步的，所述导热环4采用无氧铜材料，导热环4通过低温环氧胶粘接在超导块材环3的外侧壁上，导热环使得超导块材环具有良好的导热效果。
进一步的，所述密封杜瓦5采用无磁不锈钢材料。
高温超导磁悬浮系统需要一定的空间位移量来激励其悬浮能力，需要对其悬浮性能进行准确计算和优化。轴向刚度和径向刚度是高温超导磁悬浮径向轴承实际应用中最为重要的特性。本发明所述的适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，采用永磁体为超导块材环的磁场场源而铁磁环调整磁场分布并提高磁场的均勻性，磁力线在铁磁环处聚集而形成永磁转子的磁极，利用超导材料的抗磁性和钉扎效应，实现悬浮和自稳定。本发明所述的机构具有强的外磁场强度、轴向和径向承载能力，兼具了轴向轴承和径向轴承的组合作用。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，其特征在于：包括密封杜瓦，贯穿安装在密封杜瓦中的转轴、套设在转轴中段外侧且与转轴紧密贴合的永磁体、套设在永磁体中段外侧且与永磁体间隙配合的超导块材环以及粘接在超导块材环外侧壁上的导热环；所述永磁体与超导块材环之间的间隙大于0；所述永磁体包括若干永磁环和若干铁磁环，永磁环与铁磁环交替排列，且相邻永磁环的充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，其特征在于：所述永磁体、超导块材环和导热环均位于密封杜瓦内；所述转轴的中段位于密封杜瓦内，上下两端分别从密封杜瓦的顶部和底部穿出且密封。
3.根据权利要求1所述的适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，其特征在于：所述转轴采用合金钢材料。
4.根据权利要求1所述的适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，其特征在于：所述永磁环采用NdFeB材料。
5.根据权利要求1所述的适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，其特征在于：所述超导块材环采用非理想第二类高温超导YBa2Cu3O7-Δ材料。
6.根据权利要求1所述的适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，其特征在于：所述导热环采用无氧铜材料，导热环通过低温环氧胶粘接在超导块材环的外侧壁上。
7.根据权利要求1所述的适用于高温超导磁悬浮系统的永磁聚磁机构，其特征在于：所述密封杜瓦采用无磁不锈钢材料。
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