CN103795224A

CN103795224A - 一种超导隔磁式调磁装置

Info

Publication number: CN103795224A
Application number: CN201410025823.XA
Authority: CN
Inventors: 杨超君; 孔令营; 罗永鑫; 吕蕾
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: CN103795224B

Abstract

本发明涉及一种超导隔磁式调磁装置，属于机械工程传动技术领域。其特征在于：调磁装置由调磁铁块、超导衬底、隔热层、支撑架、输冷管、回路管及制冷器组成。利用超导材料的“迈斯纳效应”，当导体材料的温度低于临界温度而进入超导态后，超导材料就会将磁力线完全排斥于体外，使得外界磁场的磁力线无法从超导体材料内穿过，从而改变磁力线的走向，全部经过调磁铁块。外界磁场经过调磁铁块的调制之后形成的调制磁场，与原磁场具有不同的转速和分布，从而使得磁力传动装置具有了调速的功能。

Description

一种超导隔磁式调磁装置

技术领域

本发明涉及一种超导隔磁式调磁装置，属于机械工程传动技术领域。

背景技术

磁力传动是传动技术、制造技术与科技材料的集成，它以现代磁学为基础理论，利用永磁材料产生的磁力来实现力或转矩无接触传递的一种新技术；磁力传动技术不但解决了特殊行业传动过程中的泄露问题，还具备一些传统传动形式所没有的独特优点：1）磁力驱动器的主从动件之间无刚性连接，能实现传统机械设备无法实现的无接触传动，同时可以减小机械噪声和振动；2）由于主从部件之间没有机械接触，因此在传动过程中，无需润滑，机械摩擦、磨损少，减少维护，增加了系统的可靠性；3）过载保护功能，磁力传动具有确定的峰值转矩，若从动件部分过载，则主动件与从动件之间产生滑脱，从而避免其他零件损坏；4）可避免振动传递，实现力或扭矩的平稳传递，可靠性高。

调磁式磁力传动机构利用调磁装置将永磁体磁场的转速与分布进行调制，形成的调制磁场具有与原磁场不同的转速与分布，因此使得磁力传动装置在工作过程中具有变速的功能，弥补以往异步磁力传动机构的不足，拓展了磁力传动的应用范围，因此对调磁结构的研究有着重要的学术意义与社会意义。

在中国发明专利201020669057.8中提到了一种用于同轴磁性齿轮的定子，包括支撑机构和调磁机构，调磁机构包括环形护套和若干个轴向分布的调磁铁芯块，每相邻两个调磁铁芯块间为空气槽；该发明的调磁铁芯块与环形护套机械连接，确保了在大转矩的作用下调磁铁块不会因此而移动，使整个装置的机械强度得到了提高；在中国发明专利201210432030.0中提到了一种工字型复合式调磁装置，它采用调磁极片与非导磁衬底一体化的机构设计，调磁极片为工字形结构，增加了与非导磁衬底的接触面积，克服了因径向或轴向磁力而引起的位移，从而提高了整个调磁装置的机构刚度和强度；但以上两个发明专利，空气槽与非导磁衬底均不能实现绝对隔磁，存在较为明显的漏磁现象，削弱了调制磁场的强度，降低了装置的传动性能。

综合考虑上述专利设计的优缺点，本发明提出一种超导隔磁式调磁装置，采用调磁铁块与超导衬底为一体化的结构设计，利用超导材料的“迈斯纳效应”，当导体材料的温度低于临界温度而进入超导态后，超导材料就会将磁力线完全排斥于体外，磁力线无法从超导体内通过，提高了调制磁场的磁密强度，且永磁体与超导材料的抗磁力、永磁体与调磁铁块的吸力，两力方向相反，相互削弱，克服了因径向磁力而引起的位移，保证了装置工作过程中的稳定性；此外，调磁装置的杯状隔热层还可以起到隔离套的作用，大大拓展了该调磁装置的应用范围，具有良好的市场前景。

发明内容

一种超导隔磁式调磁装置，为筒式调磁装置，其特征在于：所述筒式调磁装置由调磁铁块、超导衬底、隔热层、支撑架、输冷管、回路管和制冷器组成；调磁铁块与超导衬底沿圆周方向间隔紧密排布组成调磁环，调磁环固定在支撑架上；环状隔热层卡在调磁环上，并固定在支撑架上；隔热层上开有两圆形孔，分别为输冷孔和回路孔，输冷孔与输冷管连接，回路孔与回路管连接；制冷器通过输冷管和回路管与隔热层连接。

调磁铁块为通过冲压成型和线切割的方法加工成扇形或矩形并通过连接桥连接且厚度为0.3~0.5mm的调磁铁片叠加在相邻超导衬底的间隙里，一直叠加到设计所要求的轴向厚度而构成；亦可通过浇铸的方式直接铸造成工字型调磁铁块，舍去连接桥，将工字型调磁铁块直接插在超导衬底的卡槽里进行固定，舍去连接桥，可减小永磁转子气隙磁场漏磁，增大了工作气隙磁感应强度，提高设备传动性能。

带有连接桥的调磁铁块，其连接桥相对位置能够变动，既可位于内气隙侧，亦可位于外气隙侧；连接桥的厚度h=0.5～1mm，为整个调磁铁块厚度的1/5-1/7；带有连接桥的硅钢片还是沿轴向方向一片一片地叠加在相邻超导衬底的间隙中。

隔热层亦可加工成杯状结构，罩在调磁环上，将整个调磁环密封起来，然后通过胶结的方法固定在支撑架上，在磁力传动装置的工作过程中，可以起到隔离套的作用；胶结可选择结构胶粘剂，这类胶粘剂在常温下抗剪强度高，经受一般高、低温或化学作用不降低其性能，胶接件能承受较大的载荷，例如酚醛-缩醛-有机硅胶粘剂、环氧-酚醛胶粘剂等。

调磁铁块与超导衬底交替间隔排列组成调磁环，调磁铁块的弧度角α与调磁铁块和超导衬底的总弧度角β的比值0.3≤α/β≤0.8，；调磁铁块与磁体间存在吸力，而超导材料与磁体间存在抗磁力，两力相互削弱；调磁铁块与超导衬底这种交替间隔排列保证了调磁装置在工作过程中的稳定性。

调磁铁块与超导衬底为一体化机构组成调磁环，衬底选择超导体材料，超导体材料选择氧化物超导体、非晶超导材料、复合超导材料、重费米子超导体或有机超导材料；调磁铁块选择导磁性能良好的软磁材料，譬如铁硅合金（硅钢片）或各种软磁铁氧体；隔热层选择RFC异形隔热件，制冷器的制冷介质为氮或氦；利用超导体材料的“迈斯纳效应”，当导体材料的温度低于临界温度而进入超导态后，超导材料就会将磁力线完全排斥于体外，磁力线无法从超导体内通过，从而提高了调制磁场的磁感应强度，软磁材料可以用最小的磁场实现最大的磁化强度。

调磁装置也可做成盘式结构，即盘式调磁装置，调磁铁块沿径向叠加于相邻超导衬底的间隙中，与超导衬底形成调磁环，调磁环固定在空心圆柱形隔热层内，

空心圆柱形隔热层固定在支撑架上；空心圆柱形隔热层上同样开有两孔，分别为输冷孔和回路孔，输冷孔与输冷管相连，回路孔与回路管相连；制冷器通过输冷管和回路管与空心圆柱形隔热层连接。

进一步地，所述调磁环固定在空心圆柱形隔热层内指：空心圆柱形隔热层内圈部分沿周向均匀开有四个卡槽；与之对应的是调磁环沿周向均匀设有四个凸起物，将四个凸起物放入卡槽中，并用螺栓螺母固定。

进一步地，所述空心圆柱形隔热层固定在支撑架上指：空心圆柱形隔热层外圈部分沿周向均匀设有四个凸起物，将四个凸起物放入支撑架四个支撑腿的卡槽中，并用螺栓螺母固定。

调磁装置的支撑架与外部基座连接，从而固定调磁装置，调磁装置介于输入装置和输出装置之间，调磁装置有两种可供实施的方案，其一为筒式调磁装置，主要用于筒式磁力传动装置中，筒式调磁装置套在内转子上，并与内转子基座固定连接，让后将外转子套在筒式调磁装置上，形成均匀的内外气隙，进行径向调磁；其二为轴向复合式调磁装置，即盘式调磁结构，主要用于盘式磁力传动装置中，盘式调磁装置通过支撑架与转子盘的基座固定连接，用以形成均匀的左右气隙，进行轴向调磁，这两种结构调磁装置的磁场调制机理类似。

本发明的优点：

（1）采用超导材料与调磁铁块复合式的机构，利用超导材料的“迈斯纳效应”，当导体材料的温度低于临界温度而进入超导态后，超导材料就会将磁力线完全排斥于体外，因此，其体内的磁感应强度总为零；使得外界磁场全部经过调磁铁块，大大提高了调制磁场的磁感应强度。

（2）超导材料与磁体间存在抗磁力，调磁铁块与磁体间存在吸力，两力方向相反，相互削弱，减小了整个装置沿径向的位移，确保了整个调磁装置在工作中的稳定性。

（3）调磁装置中的杯状隔热层还起到了密封隔离的作用，即起到了隔离套的作用，使得其应用范围得到了拓展。

附图说明

图1为筒式调磁装置的二维平面整体结构图。

图2为筒式调磁装置的局部放大图。

图3为筒式调磁装置三维局部剖分图。

图4为杯状隔热层结构的调磁装置。

图5为超导材料“迈斯纳效应”原理图。

图6为线切割加工带有连接桥的调磁铁块，连接桥位于外气隙侧。

图7为线切割加工带有连接桥的调磁铁块，连接桥位于内气隙侧。

图8为浇铸式无连接桥工字型调磁铁块结构示意图。

图9为超导衬底与支撑架一体化结构。

图10为筒式调磁装置在筒式异步磁力联轴器中的应用二维平面结构示意图。

图11为筒式调磁装置在筒式异步磁力联轴器中的应用三维立体剖视图。

图12为盘式调磁装置结构示意图。

图13为盘式调磁装置在盘式磁力联轴器中的应用二维平面结构示意图。

图中，1-调磁铁块，2-超导衬底，3-隔热层，4-支撑架，5-输冷管，6-回路管，7-制冷器，8-基座。

具体实施方式

本发明的一种超导隔磁式调磁装置，其总体结构由调磁铁块1、超导衬底2、隔热层3、支撑架4、输冷管5、回路管6及制冷器7组成，调磁铁块1与超导衬底2采用一体化的结构设计，调磁铁块1选择导磁性能良好的软磁材料，可以用最小的磁场实现最大的磁化强度，应用最多的是铁硅合金（硅钢片）以及各种软磁铁氧体；超导衬底2的材料可选择氧化物超导体、非晶超导材料、复合超导材料、重费米子超导体或有机超导材料；隔热层3与支撑架4为非导磁材料，隔热层3选择RFC异形隔热件。

调磁装置的调磁铁块1与超导衬底2交替间隔排布，且调磁铁块1的弧度角α与调磁铁块1和超导衬底2的总弧度角β的比值0.3≤α/β≤0.8，调磁铁块1与磁体间存在吸力，而超导衬底2与磁铁间存在抗磁力，两力方向相反，相互削弱，减小了因径向磁力而引起的位移，确保调磁装置在工作过程中的稳定性；调磁铁块1中的硅钢片可通过冲压成型和线切割加工而成，采用轴向叠加结构，目的是为了减小磁力传动结构在运行时硅钢片上的涡流损耗；亦可通过浇铸的方式直接铸造成工字型调磁铁块1，舍去连接桥，减小漏磁，增大了内气隙磁感应强度，提高了传动性能；隔热层3通过输冷孔和回路孔与制冷器7的输冷管5和回路管6连接，用以形成超导体工作所需的液氮环境。

根据应用的场合，若需要隔离内外转子，实现无泄漏输送重要零件时，可将调磁装置中的环状隔热层3设计成杯状结构，从而将整个调磁装置用作密封件，既起到调磁变速功能又具有隔离套的作用。

装置的调磁原理：当驱动装置以一定速度带动磁体旋转，形成旋转磁场时，磁力线无法从超导衬底2内通过，从而全部经过调磁铁块1，经过调磁铁块1调制之后得到的调制磁场，其磁场转速与分布均发生了变化，调制磁场与输出装置产生的磁场进行耦合，从而带动从动装置转动，实现了磁力传动的变速功能。

实施例1的工作原理：筒式调磁装置位于内外转子之间，通过支撑架4与外部基座8连接固定，筒式调磁装置需与内外转子保证良好的同轴度，以形成均匀的内外气隙；（1）调磁式磁力齿轮的工作原理：当驱动转子以转速n₁带动磁极对数为P₁的磁体转动时，将产生转速为n₁、磁极对数为P₁的旋转磁场，经数量为R调磁铁块1调制之后，将形成磁极对数为P₂=R-P₁次的谐波磁场，谐波磁场的转速为n₂=n₁×P₁/P₂，该谐波磁场与磁极对数为P₂的内转子上的永磁体产生的磁场相互耦合，使得内转子以转速n₂转动；（2）调磁式异步磁力联轴器的工作原理：当驱动转子以转速n₁带动磁极对数为P₁的磁体转动时，将产生转速为n₁、磁极对数为P₁的旋转磁场，经数量为R调磁铁块1调制之后，将形成磁极对数为P₂=R-P₁次的谐波磁场，谐波磁场的转速为n₂=n₁×P₁/P₂，从动转子上的导体切割调制磁场的磁力线，产生感应电流，感应电流产生的感应磁场与调制磁场相互耦合，从而带动从动转子以转速n₂×s转动，s为转差率。

实施例2的工作原理：盘式调磁装置需与驱动盘、从动盘保证良好的平行度，以形成均匀的双侧气隙；盘式调磁装置运用于盘式磁力联轴器中，此种调磁装置的磁场调磁机理与径向复合式调磁装置类似，不同之处为后者为径向调磁，而前者为轴向调磁，同样都可以实现变速的功能。

Claims

1.一种超导隔磁式调磁装置，其特征在于：所述装置由调磁铁块、超导衬底、隔热层、支撑架、输冷管、回路管和制冷器组成；调磁铁块与超导衬底沿圆周方向间隔紧密排布组成调磁环，调磁环固定在支撑架上；环状隔热层卡在调磁环上，并固定在支撑架上；隔热层上开有两圆形孔，分别为输冷孔和回路孔，输冷孔与输冷管连接，回路孔与回路管连接；制冷器通过输冷管和回路管与隔热层连接。

2.如权利要求1所述的一种超导隔磁式调磁装置，其特征在于：调磁铁块为通过冲压成型和线切割的方法加工成扇形或矩形并通过连接桥连接且厚度为0.3~0.5mm的调磁铁片叠加在相邻超导衬底的间隙里，一直叠加到设计所要求的轴向厚度而构成；或通过浇铸的方式直接铸造成工字型调磁铁块，舍去连接桥。

3.如权利要求2所述的一种超导隔磁式调磁装置，其特征在于：带有连接桥的调磁铁块，其连接桥相对位置能够变动，或位于内气隙侧，或位于外气隙侧；连接桥的厚度h=0.5～1mm，为整个调磁铁块厚度的1/5-1/7；带有连接桥的硅钢片沿轴向方向一片一片地叠加在相邻超导衬底的间隙中。

4.如权利要求1所述的一种超导隔磁式调磁装置，其特征在于：隔热层加工成杯状结构，罩在调磁环上，将整个调磁环密封起来，然后通过胶结的方法固定在支撑架上，在磁力传动装置的工作过程中，起到隔离套的作用；胶结选择结构胶粘剂，具体为酚醛-缩醛-有机硅胶粘剂或环氧-酚醛胶粘剂。

5.如权利要求1所述的一种超导隔磁式调磁装置，其特征在于：调磁铁块与超导衬底交替间隔排列组成调磁环，调磁铁块的弧度角α与调磁铁块和超导衬底的总弧度角β的比值0.3≤α/β≤0.8；调磁铁块与磁体间存在吸力，而超导材料与磁体间存在抗磁力，两力相互削弱；调磁铁块与超导衬底这种交替间隔排列保证了调磁装置在工作过程中的稳定性。

6.如权利要求1所述的一种超导隔磁式调磁装置，其特征在于：调磁铁块与超导衬底为一体化机构组成调磁环，衬底选择超导体材料，超导体材料选择氧化物超导体、非晶超导材料、复合超导材料、重费米子超导体或有机超导材料；调磁铁块选择导磁性能良好的软磁材料，具体为铁硅合金或各种软磁铁氧体；隔热层选择RFC异形隔热件，制冷器的制冷介质为氮或氦；利用超导体材料的“迈斯纳效应”，当导体材料的温度低于临界温度而进入超导态后，超导材料就会将磁力线完全排斥于体外，磁力线无法从超导体内通过，从而提高了调制磁场的磁感应强度，软磁材料可以用最小的磁场实现最大的磁化强度。

7.一种超导隔磁式调磁装置，其特征在于：所述装置由调磁铁块、超导衬底、隔热层、支撑架、输冷管、回路管和制冷器组成，调磁铁块沿径向叠加于相邻超导衬底的间隙中，与超导衬底形成调磁环，调磁环固定在空心圆柱形隔热层内，空心圆柱形隔热层固定在支撑架上；空心圆柱形隔热层上同样开有两孔，分别为输冷孔和回路孔，输冷孔与输冷管相连，回路孔与回路管相连；制冷器通过输冷管和回路管与空心圆柱形隔热层连接。

8.如权利要求7所述的一种超导隔磁式调磁装置，其特征在于：所述调磁环固定在空心圆柱形隔热层内指：空心圆柱形隔热层内圈部分沿周向均匀开有四个卡槽；与之对应的是调磁环沿周向均匀设有四个凸起物，将四个凸起物放入卡槽中，并用螺栓螺母固定；所述空心圆柱形隔热层固定在支撑架上指：空心圆柱形隔热层外圈部分沿周向均匀设有四个凸起物，将四个凸起物放入支撑架四个支撑腿的卡槽中，并用螺栓螺母固定。

9.如权利要求1或7所述的一种超导隔磁式调磁装置在调磁式磁力传动机构的用途，其特征在于：调磁装置的支撑架与外部基座连接，从而固定调磁装置，调磁装置介于输入装置和输出装置之间，调磁装置有两种实施的方案，其一为筒式调磁装置，用于筒式磁力传动装置中，筒式调磁装置套在内转子上，并与内转子基座固定连接，让后将外转子套在筒式调磁装置上，形成均匀的内外气隙，进行径向调磁；其二为轴向复合式调磁装置，即盘式调磁结构，用于盘式磁力传动装置中，盘式调磁装置通过支撑架与转子盘的基座固定连接，用以形成均匀的左右气隙，进行轴向调磁。