CN1218129C - 磁力轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁力轴承，其包括a)至少一个内轴承部件(5)，b)至少一个围绕内轴承部件的外轴承部件(11)，c)至少一块永久磁铁(6a至6f)和至少一个沿旋转轴线(A)轴向设置在该永久磁铁(6a至6f)旁的磁导元件(8a至8e)，该磁导元件用于导引设在这两个轴承部件之一上的所述永久磁铁(6a至6f)的磁通量，d)至少一个在两个轴承部件中另一个上的耦合装置(12)，其中e)所述永久磁铁与耦合装置按这样的方式彼此相互作用，即，使内轴承部件与外轴承部件之间构成了一个围绕旋转轴线延伸的轴承间隙(10)，f)所述永久磁铁相对于所述磁导元件沿垂直于旋转轴线定向的径向方向面向轴承间隙地径向回缩，g)每块永久磁铁至少在面朝轴承间隙的那一侧被一个所属的径向固定元件(9a至9f)沿径向固定。

Description

磁力轴承
本发明涉及一种磁力轴承。
磁力轴承允许不接触和无磨损地支承运动零件。因此它们不需要润滑剂以及可以设计为低摩擦的。带有电磁铁的所谓主动式磁力轴承需要一个主动的位置调整装置，它通过位置传感器和一个调节回路控制支承磁铁的电流，以及阻止转子体从其额定位置的偏离。反之，所谓从动式磁力轴承自动稳定其位置，所以不需要主动的位置调节装置。
由US 4 072 370 A已知一种从动式磁力轴承，它不仅在定子上而且在转子上设有永久磁铁。
此外已知一些从动式磁力轴承，其中只有一个轴承部件由一些永磁性元件构成，而另一个轴承部件包括一个超导体。在位置改变时这些永磁性元件在超导体内感应出屏蔽电流作为磁场改变的结果。这些合力可以相斥或相吸，但始终定向为使合力对抗从额定位置的偏出。由此可获得一种固有稳定的轴承并可取消麻烦和易发生故障的调节过程。但需要对超导体材料进行冷却。例如在US 5 196 748 A和EP 0 322 693 A中说明了带有超导体的磁力轴承。
由DE 44 36 831 C2已知另一种带有高温超导体的从动式磁力轴承。这种已知的磁力轴承包括一个与转子轴连接的第一个轴承部件以及设在定子上并围绕第一轴承部件的第二轴承部件。这两个轴承部件之一具有高温超导体。另一个轴承部件包括一些并列设置的永磁性元件。这些相邻永磁性元件的磁化彼此反向。在每两个永磁元件之间的空隙充填铁磁性的材料，用于将永磁性元件产生的磁通集中在面朝另一个轴承部件的那一侧上。由此获得高的轴承刚度(稳定性)。
在按DE 44 36 831 C2的设计中，永久磁铁按空心圆柱形结构设在内轴承部件上，以及超导体作为内侧上的空心圆柱体结构设置成一外轴承部件的空心圆柱形支承体。在支承体内设计一些冷却通道用于导通冷却超导体的液氮。按另一项设计，高温超导体设在处于转子轴上的内轴承部件上，其中，为了冷却高温超导体，在转子轴内设用于液氮的冷却通道。具有铁磁性中间元件的这些永磁性元件可沿转子轴的轴向按薄环的形式前后串联设置，或也可沿轴向伸长并沿周向前后串联设置，并总是交替磁化。
在DE 44 36 831 C2中作为永磁性材料建议了一种能量产出(B*H)max至少为20 MGOe的材料，尤其一种钕(Nd)-铁(Fe)-硼(B)合金或钐(Sm)-钴(Co)合金。这种永磁性材料为了提高其矫顽磁场强度也可以进行冷却。
在这些已公知的磁力轴承中为达到高的磁场强度所使用的永磁性材料，本身由于这种高的磁场强度会受到巨大的力。在旋转的轴承部件上设永久磁铁的情况下，在永久磁铁上还受离心力的作用。因为这些力可能导致单颗磁铁颗粒从尤其是通过烧结或压制制成的粉末冶金的脆性永久磁铁上分离下来或甚至导致永久磁铁断裂，这尤其发生在长期受载和材料疲劳的情况下。但这也可能引起严重损伤或甚至磁力轴承彻底破坏。
由EP 0 728 956 A1已知一种磁力轴承，它包括一个在定子上的超导体和一个在转子上的永久磁铁装置以及一个在超导体与永久磁铁之间的轴承间隙。永久磁铁设计成环形并同心于转子的旋转轴线布置。在各环形的永久磁铁之间设环形的软磁体磁导元件。环形的永久磁铁则相反，它们由一种具有高能量产出的磁性烧结材料构成，尤其是一种钐钴或一种钕铁硼磁性材料。为防止尤其在高转速时这种烧结的永久磁铁断裂，所以围绕磁铁装置的最外环设一个由玻璃纤维增强或塑料纤维增强的塑料制增强环，它在受径向压力时与环形永久磁铁装置沿径向接合。
由日本JP 09049523 A专利摘要中也已知一种类似的设计。
由EP 0 413 851 A1已知一种磁力轴承的轴承环，此磁力轴承应用在磁力支承的真空泵中，它包括在转子和定子上的永久磁铁装置。作为永久磁铁建议用铁钕硼磁铁或钴钐磁铁。这种已知的磁力轴承包括一些在旋转轴上的轴承环，它们分别由一毂环、一永久磁铁环和一加固环组成。加固环的作用是避免由于高离心力引起磁铁环的破坏并用不锈钢制造。
此外，由日本JP 08200368 A专利摘要已知一种磁力轴承，它包括一个在位于外部的定子上的超导体和一个在位于内部的转子上的永久磁铁装置。永久磁铁装置由多个沿周向并列的圆环扇形段状永久磁铁组成，这些圆环扇形段互相补全成一封闭的环。围绕着所有圆环扇形段状永久磁铁的外圆周设一固定环，以避免由于高转速时大的离心力使永久磁铁破裂。此外设一压环，它将固定环沿径向内压靠在永久磁铁的外表面上。永久磁铁彼此没有间距，而是互相接触。在永久磁铁之间没有设磁导元件。
但在上述已知的那些其中设永久磁铁径向固定装置的磁力轴承中，磁力轴承的支承力或承载能力有所减小。这是因为在这些已知的磁力轴承中，径向固定装置设在永久磁铁及必要时附带的磁导元件和轴承间隙之间，并由此减小了在轴承间隙内通过超导体作用的磁通量，而这又是因为轴承间隙不允许小于规定的最小宽度。
因此本发明要解决的技术问题是保护磁力轴承防止永久磁铁遭破坏或受损，与此同时不明显地削弱轴承支承力。
根据本发明，所述的磁力轴承(磁性轴承)包括至少一个内轴承部件和至少一个围绕内轴承部件的外轴承部件。在两个轴承部件之一上设至少一块尤其用硬磁性材料制的永久磁铁和至少一个用于导引永久磁铁磁通量的磁导元件。该磁导元件沿旋转轴线轴向(或平行于旋转轴线)设置在永久磁铁旁(或与永久磁铁错开)，并且一般用导磁的尤其是软磁性和/或铁磁性的材料制成。在两个轴承部件的另一个上则设至少一个耦合装置(交互作用装置)，它与一块或多块永久磁铁按这样的方式(磁性地)交互作用，即，使内轴承部件与外轴承部件之间构成了一个环绕旋转轴线延伸的轴承间隙(轴承间距，轴承空隙)，所以这两个轴承部件可以不接触地绕旋转轴线相对旋转，其中，一个轴承部件可以旋转，而另一个轴承部件是固定的。
一个径向固定装置(保护装置，屏蔽装置)沿至少一个垂直于旋转轴线的径向方向保持和稳定永久磁铁，但至少在朝轴承间隙的方向上保持和稳定永久磁铁，并由此阻止永久磁铁或永久磁铁碎片沿此径向方向朝轴承间隙运动。因此通过径向固定装置朝轴承间隙方向屏蔽永久磁铁，并由此可以不再有碎片或颗粒沿此径向方向排出。因此永久磁铁也可以处于尤其由于大磁场力或大离心力造成的强力影响下，以及由此可能发生的颗粒解散或分离不再导致磁力轴承的损坏。
为了不减小磁力轴承的轴承支承力，作为另一些措施的其中之一是，每一块永久磁铁沿径向至少朝轴承间隙的方向比一个或多个磁导元件伸展得少一些，以及另一个措施是径向固定装置各由一个用于每一个永久磁铁的单个固定元件构成。
按本发明的径向固定装置因此设置在轴承间隙与永久磁铁之间，并因而通过径向固定装置保护轴承间隙的对于干扰特别敏感的区域免遭永久磁铁的碎片和脱离下来的颗粒的破坏。每个磁导元件用于导引永久磁铁的磁通量，并且通常还用于使磁通集中在轴承间隙内并增强。采用按照本发明的固定装置，轴承支承力只是受微量的影响。这一方面是因为永久磁铁回缩(zurückversetzt)并因而固定元件不伸入或仅少量地伸入轴承间隙内，所以轴承间隙不必选择得更大。另一方面是因为磁导元件将也已回缩的永久磁铁的磁通量继续以实际上相同的强度引向或导向轴承间隙。因此轴承的支承力主要在磁导元件沿径向的外部的高磁通量密度和高磁通量密度梯度的区域内形成。设在一块或多块永久磁铁的区域内的径向固定装置不会影响在磁导元件上磁通量引出部位的磁通量。在这里本发明还基于如下考虑，即，可以取消对于磁导元件的一个稳定化装置，因为磁导元件在机械上可以设计得比永久磁铁更稳定。
按本发明的磁力轴承一般为一个可以绕一条旋转轴线旋转或绕旋转轴线旋转的机体(转子)所设。因此，内轴承部件或外轴承部件与或可与该转子连接。
按第一种实施形式，径向的固定装置设在永久磁铁背对旋转轴线的外侧上，并由此防止永久磁铁的碎块沿径向向外飞出。这种借助于径向固定装置防止永久磁铁和它的碎块至少沿向外的径向方向运动，尤其在这样一种实施形式的磁力轴承中是恰当的，即，其中至少一块永久磁铁设在可旋转的或旋转的或与转子连接的或可与转子连接的那个轴承部件上。也就是说，由于此轴承部件和处于此轴承部件上的永久磁铁的旋转，在永久磁铁上作用有沿径向向外的离心力，轴承部件旋转得越快，离心力越大。因此，所述径向固定装置至少沿此离心力的主要作用方向保持固定该永久磁铁。由此阻截旋转的永久磁铁向外的离心力，并避免磁铁颗粒向外脱离。
按第二种实施形式，径向固定装置设在永久磁铁面朝旋转轴线的内侧上，并由此防止永久磁铁的碎块沿径向向内排出。这例如在永久磁铁安置在外部轴承部件上的情况下是有利的，以便保护轴承间隙和内部轴承部件免遭永久磁铁碎块的影响。此第二种实施形式也可以与上述第一种实施形式组合。
按一种有利的实施形式，径向固定装置至少在部分区域内形状封闭和/或力传递地贴靠在永久磁铁上，从而尤其避免空隙，并使永久磁铁机械地被结合并因而稳定化。
径向固定装置可至少部分用一种柔性(可弯曲)的材料构成，并因而能轻易地适应不同造型的永久磁铁和轴承部件。径向固定装置中的至少一个固定元件优选地设计为带状，并通常以其宽侧面向永久磁铁。
但径向固定装置也可以至少部分用一种形状稳定的(刚性的)材料构成。
径向固定装置的材料一般是机械稳定的、抗拉且耐磨的并优选为非磁性的，以便尽可能少地或甚至根本不削弱轴承支承能力。径向固定装置优选的材料是纤维材料或纤维复合材料。尤其可考虑采用碳纤维或玻璃纤维或矿物纤维增强的塑料(聚合材料)、纤维织物、纤维针织物、斜向对刺针刺织物(Fasergelege)或压制的纤维材料。此外也适用的是非磁性金属或金属合金，例如非磁性的钢。
按一种有利的实施形式，磁力轴承包括多块在轴承部件之一上沿旋转轴线轴向并列地(或堆叠状)设置的永久磁铁。但这些永久磁铁也可以环绕旋转轴线，尤其沿周向并列地设置。在至少其中两块永久磁铁之间和/或沿轴向在外部的永久磁铁外面，分别设一磁导元件。这些永久磁铁优选交替地变换磁化方向，亦即两块相邻永久磁铁的磁化方向相反。
按一项扩展设计，为了辅助性地加强固定，沿用于各永久磁铁的各固定元件和磁导元件延伸一个公共的固定元件。
此外，按一项有利的设计，至少一个径向固定元件按一层或多层缠绕旋转轴线，亦即构成一个围绕旋转轴线的封闭的空心圆柱形、环形、旋涡形或线圈形的结构。
一个或多个径向固定元件从永久磁铁起沿径向方向测得的径向厚度(尺寸)，最多是永久磁铁径向厚度的三分之一(1/3)，尤其最多是四分之一(1/4)以及优选地最多是其十分之一(1/10)。此外，每个径向固定元件的径向尺寸优选地还选择为小于轴承间隙的径向尺寸(间隙宽度)。
此外，一个或多个径向固定元件的径向尺寸优选地选择为，使此径向尺寸不明显地超过且最好小于一个或多个更多地向外伸出的磁导元件的径向尺寸与一块或多块永久磁铁径向尺寸之间的差值，或最多与此差值相等。轴承间隙由此可保持较小，且其径向尺寸只受到磁导元件的限制。固定元件和磁导元件可尤其沿径向彼此齐平地结束，由此构成一个基本上平滑的，优选圆柱形的公共的表面，这一表面构成轴承间隙的边界。
因为磁力轴承的每块永久磁铁被所属的径向固定元件稳定，所以各永久磁铁可以由一种脆性材料制成，尤其由一种烧结或压制的成型件制成，或甚至根本没有形状稳定性，尤其由磁性粉末构成。这就允许在不存在对轴承造成机械损坏危险的情况下使用磁性材料钕(Nd)-铁(Fe)-硼(B)合金或钐钴合金。
一块或多块永久磁铁和/或一个或多个磁导元件和/或一个或多个固定元件和/或耦合装置按一项有利的设计，按一种(周围)封闭的形式，优选环状地围绕旋转轴线。在这种情况下，环的横截面相应于一种空心圆柱形或环面形的环形结构，可尤其是圆形、盘形或直角形。因此垂直于旋转轴线的环纵剖面可尤其是圆环形的。
至少一块永久磁铁和/或所属的径向固定装置沿径向位于内部或位于外部的外侧优选基本上成圆柱形，所以在该永久磁铁的外侧或由多块这种永久磁铁和设在永久磁铁上的径向固定装置构成的结构的外侧形成一个圆柱形表面。但至少一块永久磁块和/或所属的径向固定装置的外侧也可以尤其向一个方向(例如沿轴向)倾斜和/或成锥状地倾斜。所述径向的固定装置优选与永久磁铁的外部形状相配。
在磁力轴承的一种特别有利的设计中，采用一个超导结构作为耦合装置，它优选地具有一个高温超导体，亦即一种其临界温度超过77K的超导体。但作为耦合装置也可以使用产生感应磁场的电磁铁或永久磁铁。在采用电磁铁的情况下一般还设置一个自动的位置调节器。
另外比较有利的是，耦合装置设在轴承部件面朝轴承间隙的那一侧，以便达到高效率的耦合。
下面借助附图所示实施方式进一步说明本发明，附图中：
图1是一个磁力轴承局部剖切开后的立体视图，它带有用于沿轴向排列的一些永久磁铁的各单个箍带；
图2也是一个磁力轴承局部剖切开后的立体视图，但它除了带有用于沿轴向排列的一些永久磁铁的各单个箍带之外还带有一公共箍带。
在图1和2中相互对应的部件用相同的附图标记表示。
在图1中用2表示的用于作为转子的旋转轴4的磁力轴承中，用5表示一个与旋转轴4连接的轴承内部件、用3表示由轴承内部件5和轴4构成的一个转子体以及用11表示一个轴承外部件。
轴承内部件5设有多个例如六个环盘形永磁性元件(永久磁铁6a至6f)。这些永磁性元件6a至6f总是这样极化，即，沿轴向，亦即沿轴4的轴线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。
在永磁性元件6a至6f之间设用一种铁磁性材料(例如铁)制的环盘形元件(中间元件)8a至8e。此外，在外部的永磁性元件6a至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还在机械上增强含有通常用脆性材料制的永磁性元件6a至6f的轴承内部件5。因此，铁磁性元件8a至8g一方面有用于导引(传导)磁通量的磁导元件的功能，以及另一方面有轴向固定元件的功能。
所有元件6a至6f和8a至8g呈堆叠状地沿轴向前后固定在轴4上。轴4优选地用非磁性或不能磁化的材料，例如用一种特殊的钢制成。但永磁性元件的堆叠也可以装在一个由非磁性材料制的管形支架上，该支架本身则围绕着一个可能甚至为铁磁性的轴段。这样一个因而意味着是轴4的一个空心圆柱形边缘区的支架在这种情况下的壁厚至少为磁极轴向厚度的一半，亦即(d1+d2)/2。但通常整个转子轴4用非磁性材料制成。
铁磁性元件8a至8g的外轮廓形状以及必要时永磁性元件6a至6f的外轮廓形状，在堆叠并例如采用粘结技术固定后，例如通过磨削或车削制成一种均匀的圆柱状。通过元件8a至8g的铁磁性材料，磁场是旋转对称的，与此同时补偿永磁性元件6a至6f磁场的不均匀性。
环盘形永磁元件6a至6f的径向尺寸a比较有利地应至少是其沿轴向的厚度d1的两倍。相比之下，每个铁磁性元件8a至8g的轴向厚度d2优选地选择为小于永磁性元件6a至6f的轴向厚度d1；例如厚度d2约为厚度d1的1/10至2/10。
轴承内部件5隔开一个轴承间隙10地被一空心圆柱形的位置固定的轴承外部件11围绕。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，优选地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和轴向厚度d2的典型值在0.1mm与5mm之间，优选地在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，它优选地由已公知的高温超导体材料(高Tc超导体材料)中的一种构成，这些材料允许采用液氮(LN2)冷却技术。
作为用于超导结构12的超导体材料尤其考虑起纹理的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。在超导体材料中可比较有利地存在Y2BaCuO5精细分布的析出。一种相应的材料可例如按所谓的淬火-熔融-生长-方法(Quench-Melt-Growth-Methode，参见Superconductor ScienceTechnology，Vol.5，1992，185至203页)制成，并在77K时临界电流密度应有几个104A/cm2。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磁性元件6a至6f的轴向厚度dl，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上相邻的永磁性元件(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排入轴承间隙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并构成轴承间隙10边界的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，此电流又促使磁耦合或负回授。在转子轴4的那一侧，磁通量在轴4非磁性材料的区域内合上。由此在那里有利地避免磁短路，磁短路会导致排入轴承间隙10内的磁通量减少。
有关磁力轴承的材料、结构、尺寸和功能的设计和其他详情也可参见德国专利DE 44 36 831 C2，它所公开的内容吸收在本申请公开的内容中。
元件6a至6f的永磁性材料应有至少为20 MGOe的最大能量产出(B*H)max，以便赋予所需的轴承承载力和轴承稳定性。具有这种高能量产出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。
最大轴承压力不是由用于定子的超导材料而是由轴承间隙10内可达到的最大磁场强度H所确定。相关的重要参数是永磁性材料的矫顽磁场强度Hc。因此，作为永磁性材料尤其考虑采用NdFeB，因为它有比较高的矫顽磁场强度Hc。SmCo在77K时与室温相比其矫顽磁场强度Hc提高约10％，这一矫顽磁场强度便与NdFeB的相当。因此必要时也可考虑对永磁性材料进行冷却。
上述合金NdFeB和SmCo一般用一种粉末通过粉末冶金法制成，尤其通过压制并接着锻烧、热压或烧结而成。例如可以使用在Applied PhysicsLetters Vol.46(8)，1985年4月15日，第790和791页以及在Applied PhysicsLetters Vol.53(4)，1988年7月25日，第342和343中说明的用于制造永久磁铁的制造方法。
如此制成的用于永磁性元件6a至6f的成型件是脆性的，并可能在大的力，如磁力轴承内高磁场强度和作用在轴承内的离心力的作用下，尤其由于材料疲劳或长期承载，排出磁铁颗粒或甚至较大的碎块。这种永久磁铁脆性的问题，由于在磁力轴承2内的低温进一步尖锐化。从永磁性元件6a至6f分离下来的磁铁颗粒或较大的碎块进入轴承间隙10后，会在那里导致该磁力轴承严重损伤直至彻底失效。
为了防止发生这种情况，现在按照本发明为永磁性元件6a至6f设一径向固定装置，它使永磁性元件6a至6f相对于旋转轴线或轴4的轴线A沿径向被束缚住。在这里特别关键的是永磁性元件6a至6f面朝轴承间隙10的那些区域或那些侧。该径向固定装置为此可包括柔性的固定元件或者也可包括形状稳定的固定元件。
因此在图1中每个环形的永磁性元件6a至6f各用一个所属的固定元件9a至9f按一层或多层卷绕或绕紧。每个固定元件9a至9f优选地设计为用一种耐磨和抗拉的材料制的柔性带(固定带)。
作为固定件(固定带)9a至9f用的材料，相宜的是一种纤维复合材料、一种纯纤维材料或另一种稳定的箍带材料，例如一种金属或合金。作为纤维复合材料可尤其使用借助纤维，尤其是碳纤维和/或玻璃纤维增强的塑料或合成树脂，以及作为纤维材料尤其采用由纤维，优选由塑料纤维或玻璃纤维或矿物纤维，尤其是聚酰胺、凯夫拉(Kevlar)、硼或类似材料经纺织、针织或挤压制成的材料，其中，在任何情况下这些纤维可以单向或也可互成角度地延伸。纤维复合材料或纤维材料尤其可以预紧，以补偿热应力差。
每个固定元件9a至9f绕所属的永磁性元件6a至6f按预定的拉应力拉紧，并尤其在一端或两端与自己连接，以获得一种周围封闭的固定。
永磁性元件6a至6f以及沿径向设在它们外侧的固定元件9a至9f的径向厚度(尺寸)通常选择为，使元件6a至6f的径向厚度与固定元件9a至9f径向厚度之和，基本上等于铁磁性元件8a至8f的径向厚度(尺寸)a或比它小(在此，这些径向厚度均按面朝旋转轴线的内表面与相应地背对该旋转轴线的外表面之间的距离计量)。由此在轴承内部件5面朝轴承间隙10的外侧，一方面通过铁磁性元件8a至8f的表面另一方面则通过固定元件9a至9f的表面构成一个统一的基本上圆柱形的表面。此外，固定元件9a至9f分别通过永磁性元件8a至8g中的两个从侧面防止轴向滑移。
这种相对于铁磁性元件8a至8g在外侧沿径向向内回缩(径向沉入)的永磁性元件6a至6f和各自的一个固定元件9a至9f的设计，其优点在于轴承支承能力通过具有固定元件9a至9f的径向固定装置(箍带式装置)只有不明显的减小。因为轴承2的承载能力主要在铁磁性元件8a至8g沿径向的外部高磁通量密度和高磁通量密度梯度的区域内产生。仅仅设在永磁性元件6a至6f上的固定元件9a至9f对铁磁性元件8a至8g内和上的磁通量只有微量的影响。
固定元件9a至9f的径向厚度一般明显地小于所属永磁性元件6a至6f的径向厚度，以及通常最多为永磁性元件6a至6f径向厚度的33.3％，尤其最多25％和优选地最多10％，以便不过多地降低轴承承载能力。优选地，固定元件9a至9f的径向厚度也小于轴承间隙10的间隙宽度W。固定元件9a至9f径向厚度的值一般在一个在0.1mm与4mm之间，尤其是在0.2mm与3mm之间和优选地在0.3mm与1mm之间的区域内选择。
永磁性元件6a至6f的轴向厚度(长度)与固定元件9a至9f的轴向厚度(宽度)一致，所以永磁性元件6a至6f在其面朝轴承间隙10的外侧处可完全被固定元件9a至9f覆盖并因而不会有颗粒排入轴承间隙10内。永磁性元件6a至6f的轴向厚度d1并因而固定元件9a至9f的轴向厚度(宽度)比较典型地处于一个约0.5mm与约5mm之间的区域内，尤其在1mm与4mm之间的范围内。
通过上述借助于带状固定元件9a至9f的箍带式装置，由脆性材料制的永磁性元件6a至6f相对于轴承间隙10被有效地包封，而不再会有任何磁铁颗粒排入轴承间隙10内，从而使轴承2本身在轴4高速旋转并因而产生高的离心力的情况下得到有效的保护。
设在永磁性元件6a至6f之间的铁磁性元件8a至8e以及沿轴向设在位于外侧的永磁性元件6a和6f外侧的另外的两个铁磁性元件8f和8g，在图1所示的实施形式中没有用箍带箍住，也就是说在其外侧没有固定元件。这是因为铁磁性元件8a至8g一般而言即使受较大的力仍比永磁性元件6a至6f稳固，因而可以免除防止由其分裂出碎块或个别颗粒的保险装置。
在图2中除了只针对永磁性元件6a至6f所设的固定元件9a至9f外，还设有一个沿整个轴承内部件5在其外侧延伸的固定件(固定带)9，它不仅用作永磁性元件6a至6f和固定元件9a至9f的附加保险装置也用作铁磁性元件8a至8g的附加保险装置。在这里此借助于固定件9的外箍带装置应尽可能薄，以便不过多削弱轴承2的承载能力。因此，固定件9的径向厚度应不超过固定元件9a至9f的径向厚度。
也可以与图1和2所示实施形式不同，还设置一个也在内侧围绕着各个永磁性元件6a至6f的箍带装置。在这种实施形式中，永磁性元件6a至6f完全卷绕在一条带内并因而通常只安装在轴承内部件5上。
取代用柔性固定带的箍带装置，径向固定装置也可以包括永磁性元件6a至6f形状稳定的包壳或外套。例如采用空心圆柱形或环形的从外面套上或放上的固定件，或将永磁性元件6a至6f嵌入外套内，或由该外套围铸出这些永磁性元件6a至6f或压注在该外套周围。
由图1或图2还可看出，在结构12外侧上的超导材料通过在支承体13内的冷却通道14用来自一个外部储存罐的液氮(LN2)冷却。
在轴承内部件5所在区域的外部，磁力轴承2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，它便承受静止状态下的轴承力。此装置提升轴4，直至轴承内部件5在一个上部的顶点几乎或完全与超导结构12接触。与此同时轴承位置沿轴向和横向定心。如图1所示，这种定心可例如通过在轴4的一个槽17和在装置15上的一个刀刃状支座18实现。在冷却后，装置15使轴4下降。与此相联系地在超导材料内的磁场发生改变，进而导致在超导材料中感应出电流。这便导致在轴承内部件5与围绕轴承内部件5的轴承外部件11(定子)之间增加的电磁力，它与运动方向反向作用，直至轴承内部件5与轴4大体在轴承间隙10的中央自由悬浮。在这种情况下磁力在下部轴承区内起排斥作用，而在上部轴承区吸力增加。采用这种轴承，轴承承载压力可达10bar以及轴承获得防止转子沿径向和轴向移动的高的刚度。
不同于在图1和2中表示的实施方式，在一种图中没有表示的实施形式中，磁力轴承可以有结构上设计为空心圆柱体扇形段以及沿周向绕旋转轴线A并列和沿周向看交替变换极化方向的永磁性元件以及在它们之间延伸的铁磁性元件。这些铁磁性元件以平行于轴线的条带形式组合成一个围绕轴4的空心圆柱体形状。这种轴承起径向轴承以及同时起非接触式磁性耦合装置的作用，也就是说同时可以传递轴向扭矩。作为例子可举出一种带有超导线圈的转子，它包括在驱动侧的这样一种轴承以及在相对侧的一个如上所述的完全不接触地在定子内旋转的径向轴承。
图1至2所示的按本发明的轴承2或20的实施形式的出发点在于，总是旋转的热的(内部)轴承部件被一个位置固定的冷的作为定子的(外部)轴承部件围绕。然而也可以同样好地使冷的轴承部件与高Tc超导材料一起旋转，而将带有永磁性材料的热的轴承部件设计为定子。在这样的实施形式中，由非磁性材料制成的转子轴34可同时具有至少一个尤其在中央的冷却剂通道。相应地带有冷的转子体的轴承可比较有利地是具有由高Tc超导材料制的线圈的发电机转子或电动机转子的组成部分，此时轴也处于更低的温度下。基于不接触性取消了经过轴的热传导。
按本发明的箍带装置或固定装置不限于带有作为与永久磁铁交互作用的耦合装置的超导体的磁力轴承，也可用于带有电磁铁或永久磁铁作为耦合装置的传统的磁力轴承，尤其也可用在由本文前面部分提到的文献所公开的磁力轴承中。此外按本发明的用于脆性永久磁铁的一种固定装置，原则上也可以设想使用于不旋转或不仅仅旋转的磁力轴承，例如在用于移动运动的直线磁力轴承中。

Claims (37)

1.一种磁力轴承，其包括
a)至少一个内轴承部件(5)，
b)至少一个围绕内轴承部件的外轴承部件(11)，
c)至少一块永久磁铁(6a至6f)和至少一个沿旋转轴线(A)轴向设置在该永久磁铁(6a至6f)旁的磁导元件(8a至8e)，该磁导元件用于导引设在这两个轴承部件中的一个上的所述永久磁铁(6a至6f)的磁通量，
d)至少一个在两个轴承部件中的另一个上的耦合装置(12)，
其中
e)所述永久磁铁与耦合装置按这样的方式彼此相互作用，即，使内轴承部件与外轴承部件之间构成了一个围绕旋转轴线延伸的轴承间隙(10)，
f)两个轴承部件彼此相对地绕旋转轴线旋转，其中，一个轴承部件可以旋转，而另一个轴承部件是固定的，
g)所述永久磁铁相对于所述磁导元件沿垂直于旋转轴线定向的径向方向面向所述轴承间隙地径向回缩，
以及
h)每块永久磁铁至少在面朝轴承间隙的那一侧被一个所属的径向固定元件(9a至9f)沿径向固定。
2.按照权利要求1所述的磁力轴承，其中，每个径向固定元件至少在一个部分区域内形状封闭和/或力传递地贴靠在所属的永久磁铁上。
3.按照权利要求1所述的磁力轴承，其中，所述至少一块永久磁铁设在内轴承部件上以及所述内轴承部件可以旋转或是旋转的。
4.按照权利要求1所述的磁力轴承，其中，每个径向固定元件按一层或多层绕旋转轴线卷绕。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，至少一个径向固定元件至少部分用一种柔性材料构成。
6.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，至少一个径向固定元件至少部分用一种形状稳定的材料构成或设计为成型件。
7.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，每个径向固定元件用一种非磁性材料构成。
8.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，每个径向固定元件至少部分用一种纤维材料制成。
9.按照权利要求8所述的磁力轴承，其中，每个径向固定元件至少部分用纤维织物、纤维针织物、斜向对刺针刺织物或挤压的纤维材料制成。
10.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，每个径向固定元件至少部分用一种纤维复合材料制成。
11.按照权利要求10所述的磁力轴承，其中，所述纤维复合材料是一种碳纤维或玻璃纤维或矿物纤维增强的聚合材料。
12.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，附加地设置一个沿配属于永久磁铁的各个固定元件(9a至9f)和磁导元件延伸的公共的径向固定件(9)。
13.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，至少一个径向固定元件用固定带构成。
14.按照权利要求1所述的磁力轴承，其中，设有多块沿旋转轴线轴向前后排列的永久磁铁。
15.按照权利要求1所述的磁力轴承，其中，分别在至少其中两块永久磁铁(6a至6f)之间设有一磁导元件(8a至8e)，它充填这两块永久磁铁之间的全部空隙。
16.按照权利要求14所述的磁力轴承，其中，沿旋转轴线的轴向在最靠外的永久磁铁(6a、6e)外侧同样各设一磁导元件(8f、8g)。
17.按照权利要求14至16中任一项所述的磁力轴承，其中，彼此直接相邻的永久磁铁是磁性反向极化的。
18.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，每个径向固定元件沿相应的径向从永久磁铁起测得的径向尺寸，是永久磁铁的径向尺寸的至少三分之一。
19.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，每个径向固定元件沿相应的径向从永久磁铁起测得的径向尺寸，是永久磁铁的径向尺寸的至少四分之一。
20.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，每个径向固定元件沿相应的径向从永久磁铁起测得的径向尺寸，是永久磁铁的径向尺寸的至少十分之一。
21.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，每个径向固定元件沿相应的径向从永久磁铁起测得的径向尺寸小于轴承间隙的径向尺寸(w)。
22.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，每个径向固定元件的径向尺寸，小于或等于至少一个的磁导元件的径向尺寸与至少一块的永久磁铁径向尺寸之差。
23.按照权利要求22所述的磁力轴承，其中，所述磁导元件与所述固定元件面对轴承间隙的那一侧构成一个共同的基本上圆柱形的表面。
24.按照权利要求12所述的磁力轴承，其中，所述公共的径向固定件的径向尺寸小于各单个固定元件的径向尺寸。
25.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，所述永久磁铁用脆性材料制成。
26.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，所述永久磁铁由通过粉末冶金法制成的成型件制成。
27.按照权利要求26所述的磁力轴承，其中，所述粉末冶金法制成的成型件通过烧结或压制的成型件制成。
28、按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，所述永久磁铁根本不是形状稳定的。
29.按照权利要求28所述的磁力轴承，其中，所述永久磁铁由磁性粉末构成。
30.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，每块永久磁铁至少主要由一种具有高能量产出的材料制成。
31.按照权利要求30所述的磁力轴承，其中，所述具有高能量产出的材料制成是一种钕Nd-铁Fe-硼B合金。
32.按照权利要求30所述的磁力轴承，其中，所述具有高能量产出的材料制成是一种钐Sm-钴Co合金。
33.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，每块永久磁铁和/或每个磁导元件和/或每个固定元件和/或耦合装置按周围封闭的结构形式围绕所述旋转轴线。
34.按照权利要求34所述的磁力轴承，其中，每块永久磁铁和/或每个磁导元件和/或每个固定元件和/或耦合装置按环形或空心圆柱体形的结构形式围绕所述旋转轴线。
35.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，至少一块永久磁铁和/或所属的径向固定元件面朝轴承间隙的那一侧至少部分基本上成圆柱形。
36.按照权利要求1至4中任一项所述的磁力轴承，其中，所述耦合装置由超导结构构成。
37.按照权利要求36所述的磁力轴承，其中，所述耦合装置由一种高温超导体构成。
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