CN1470096A - 具有可承受机械负荷的低温铁磁性构件的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括一个在低温范围内例如在液态空气范围内应用、且具有铁磁性和可承受机械负荷的构件的装置。在此温度范围内，采用镍钢来制造具有所需铁磁特性、且同时可承受高机械负荷的构件。

Description

具有可承受机械负荷的低温铁磁性构件的装置
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的装置。在此优选涉及液态空气的范围。对这种装置中可承受高机械负荷的构件的材料而言，尤其在抗机械负荷变化和/或温度变化以及抗脆化上必须要可靠，除此之外还必须具有用于磁通导引和/或磁通强化所必需的铁磁特性和/或高的导磁性。
从现有技术、例如Reed的“Materials at Low Temperatures(低温材料)”第388/399页中可知，为低温目的，亦即为＜173°K的温度范围可采用镍含量在3.5％至9％之间的镍钢来制造承受机械负荷的构件。这些构件例如是为保存和运输液态气体、例如液态空气所需的箱体。此外，也已开发出镍含量为12％的镍钢用于77°K以下的温度，且专门与温度为4°K的液氦结合起来使用。对于这些材料而言最主要的是，材料从塑性到脆性的过渡温度降低到低于预定的应用温度。从这些现有技术中还可了解到在这种镍钢中可能含有的其它添加物含量。
然而，对于本发明所要采用的一种材料而言，最主要的不仅仅是与温度相关的机械特性，还要求这种在机械方面适合前述温度范围的材料具有铁磁性。后一种特性例如对于将这种材料应用于在含有超导部件的机械和机械构件中以导引磁通和/或强化磁通具有决定意义。例如已公知包含有超导结构部件的无接触式轴承，这些超导结构部件基于磁推斥力可保持一根旋转的机械轴无接触地悬浮在一个轴承套中。对此，例如可参见德国实用新型说明书G 9403202.5“Magnetische Lagerungseinrichtung mitHoch-Tc-Supraleitermaterial(具有高Tc超导材料的磁性轴承装置)”和美国专利说明书US5777420“Superconducting Synchronous Motor Construction(超导同步电动机结构)”。
本发明要解决的技术问题在于采用一种材料来制造上述装置的相关构件，这种材料在必需的低运行温度下对于预计的机械负荷也具有长期足够的强度，例如在低温时也不变脆，此外具有适于磁通量导引和/或强化的铁磁特性。上述技术问题通过权利要求1所述的特征来解决。本发明的其他改进设计由从属权利要求给出。
相应的研究结果已表明，按照德国工业标准DIN 1.5662和美国ASTM标准A353，A553的X8Ni9型镍钢即便在77°K温度以下也具有适合上述目的的铁磁特性。77°K以下温度是本发明优选的温度范围。这种材料即便在这样的低温下也很少倾向于因变脆在承受机械负荷时发生韧性断裂。镍含量在3.5％至8％之间的镍钢对于上述目的具有足够高的铁磁特性，可用来制造磁通导引和/或强化部件。相应地也适用镍含量在12％至13％之间的镍钢。
本发明所采用的具有铁磁特性的材料的机械强度不仅对于承受例如旋转的机械构件所产生的离心力起重要作用，而且在带有高温超导绕组的磁铁情况下该材料还可比较有利地作为机械性能特别稳定的材料来制造包封和固定它们的壳体和固定件。例如当固定件还具有导引磁通的功能时。
下面借助附图所示实施方式对本发明予以详细说明：
图1示出一种电动机转子的横断面，该转子中有超导励磁线圈和一个作为由本发明所采用的材料制成的构件的转子芯；
图2示出一种其原理已由德国专利说明书DE-C-19813211公开的、带有超导磁场线圈的高磁场装置；
图3示出一种其原理已由德国专利说明书DE-C-4436831公开的、采用了高温超导材料的转子轴磁性轴承；
图4示出已由国际专利申请WO-96/08830公开的一种超导磁场线圈。
在图1所示本发明装置中，用附图标记1表示一种带有超导励磁线圈的电动机转子。图1示出该转子垂直于转子轴线的横断面。图1下半部分中的附图标记2则表示阶梯状结构的或阶梯状设置的超导线圈。这些线圈按照已公知的方式由为此采用早已公知的高温超导材料所制成的扁导线绕组构成。在这样一个线圈2中一次激励出的电流产生一个磁场，该磁场在线圈的内部横断面区域内具有沿线圈轴线定向的磁场强度H或磁通密度B。就象用于公知的电动机转子一样，在这种转子中，也比较有利地设置一个导引磁通的转子芯3作为由优选铁磁材料制成的构件。附图标记4表示在该转子芯3中的磁通导引。在如图4所示的这种四极转子的结构中，如已公知的那样，有两个北极N和两个南极S作为转子1或转子芯3的各极。按照本发明，这种转子芯3如前面提到的那样由镍含量在9％至13％的镍钢制成或者由按照德国工业标准DIN 1.5662的X8 Ni9型镍钢制成。
图2示出了带有超导线圈12的、其结构原理已公知的磁铁11。超导线圈12位于一个带有相应的绝热固定件的低温恒温壳体13中。附图标记14和15表示作为本发明这样一种构件的两个钢环，它们用于导引磁通或形成磁通。这些构件承受相当大的磁作用机械力。因此，这些环由前面提到的镍钢制成。通过这样的磁场导引措施可改善磁铁11各极16之间的磁场均匀度。
图3示出由所提到的专利文献所公知的用于转子轴31的一种磁悬浮支承。附图标记34表示设置在转子轴31上的、如图所示的轴向极化的环形永久磁铁。这些永久磁铁34相互间这样布置，使得每两个相邻磁铁34的轴向磁场在这两个磁铁34中有相反的极化方向，而在这两个永久磁铁34之外则共同沿径向定向。
为了沿径向导引由永久磁铁中出来的磁通134，在轴31上设有用附图标记33表示的由铁磁材料制成的环。
附图标记35表示由超导材料制成的一层或套筒。该超导层35固定在套筒状的外轴承套的内侧。这种超导材料借助一种冷却剂例如液氮冷却到超导所需的低温。这种冷却剂流过设置在此处静止外轴承套36中的、用附图标记132表示的冷却通道。。
在转轴和位于其上的永久磁铁一同旋转时在超导材料中产生的屏蔽电流形成磁悬浮支承该转轴所需的磁势力。
如已公知的那样，在这种装置的旋转部件和静止部件之间的间隙可以尽可能地小。但这也会造成永久磁铁和环33被一同冷却到低温。为此规定，这种环33作为承受离心力的机械承载构件用本发明所要求保护的铁磁性镍钢来制造。
图4所示的磁性线圈40由一些沿轴向前后排列的超导线圈42组成。在这些线圈42的两端设置与这些线圈42形状和尺寸相匹配的、由本发明所采用的铁磁性镍钢制成的环43。已公知的由这些线圈42流出的磁通可导致最佳的磁通导引。

Claims (9)

1.一种包含有在运行期间被保持在低温范围内的超导材料(2，12，35，42)的装置，该超导材料与一个在该装置中产生的高强度磁场相结合产生机械力，该装置还有一个用来导引磁场的构件(3；14，15；33；43)，该构件在该装置运行时还承受所产生的高机械负荷，其特征在于，所述构件(3；14，15；33；43)由镍含量为9％至13％的钢制成。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述构件(3；14，15；33；43)由按照德国工业标准DIN1.5662镍含量为9％的X8Ni9型镍钢制成。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述构件具有盘或环(14，15；22)的形状，并设置在作为一磁场(34)源的至少一个超导线圈(12，40)上。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述构件(33)和一个作为一磁场(134)源的永久磁铁(34)相邻设置。
5.如权利要求1、2、3或4所述的装置，其特征在于，所述构件(3；14，15；33)在运行时承受一个旋转体的高转速和/或高机械压力。
6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述构件是一个以超导线圈(2)作为转子绕组的电动机转子(1)的转子芯(3)。
7.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述构件(33)设置在对一根轴(31)作磁悬浮支承的装置中(图3)。
8.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述构件(14，15)作为导磁部件也是一个固定件的组成部件。
9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其也用于低于液态空气温度的温度范围内。
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