CN109114111B - 磁悬浮结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁悬浮结构，包括：主轴，主轴具有磁性段，磁性段上设置有磁性结构；冷却装置，环绕磁性段设置，冷却装置与主轴间隔设置以使主轴相对于冷却装置转动，冷却装置具有冷却室和环绕冷却室设置的隔温结构，以使冷却室通过隔温结构与主轴隔温；超导线圈组，设置在冷却室内。通过本发明提供的磁悬浮结构，能够解决现有技术中不能通过磁悬浮技术使主轴超高速转动的技术问题。

Description

磁悬浮结构

技术领域

本发明涉及超导磁悬浮技术领域，具体而言，涉及一种磁悬浮结构。

背景技术

目前，超高速主轴一般采取气浮主轴，这样可以达到极高转速，但是主轴的刚性较低。而对于常导磁悬浮而言，由于受到线圈电阻、电流大小及发热的影响，磁场强度较低，使得主轴刚性与扭矩较弱，进而无法实现高速运转，也无法满足强度要求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁悬浮结构，以解决现有技术中不能通过磁悬浮技术使主轴超高速转动的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种磁悬浮结构，包括：主轴，主轴具有磁性段，磁性段上设置有磁性结构；冷却装置，环绕磁性段设置，冷却装置与主轴间隔设置以使主轴相对于冷却装置转动，冷却装置具有冷却室和环绕冷却室设置的隔温结构，以使冷却室通过隔温结构与主轴隔温；超导线圈组，设置在冷却室内。

进一步地，隔温结构为隔热腔，冷却装置包括冷却外壳和冷却内壳，冷却内壳用于围成冷却室，冷却外壳与冷却内壳间隔设置以形成隔热腔，隔热腔为真空腔，以对超导线圈组进行隔温。

进一步地，隔温结构为隔热垫，冷却装置包括冷却壳体，冷却壳体用于围成冷却室，隔热垫设置在冷却壳体上，以对超导线圈组进行隔温。

进一步地，磁性段包括第一磁性面、第二磁性面和第三磁性面，第二磁性面位于第一磁性面和第三磁性面之间，第二磁性面为圆柱面，超导线圈组套设在第一磁性面、第二磁性面和第三磁性面上。

进一步地，第一磁性面和第三磁性面均为圆锥面，超导线圈组包括第一超导线圈和第二超导线圈，第一超导线圈包括第一锥形线圈段和第一圆柱线圈段，第二超导线圈包括第二锥形线圈段和第二圆柱线圈段；第一锥形线圈段套设在第一磁性面上，第二锥形线圈段套设在第三磁性面上，第一圆柱线圈段和第二圆柱线圈段均套设在第二磁性面上。

进一步地，冷却装置包括第一冷却件和第二冷却件，第一冷却件和第二冷却件套设在磁性段上；第一冷却件具有第一冷却腔，第二冷却件具有第二冷却腔；第一超导线圈位于第一冷却腔内，第二超导线圈位于第二冷却腔内。

进一步地，第一冷却腔具有第一锥筒腔和第一圆筒腔，第一锥形线圈段位于第一锥筒腔内，第一圆柱线圈段位于第一圆筒腔内；和/或，第二冷却腔具有第二锥筒腔和第二圆筒腔，第二锥形线圈段位于第二锥筒腔内，第二圆柱线圈段位于第二圆筒腔内。

进一步地，第一冷却件具有第一容纳腔，第一容纳腔包括第一圆锥腔和第一圆柱腔，第二冷却件具有第二容纳腔，第二容纳腔包括第二圆锥腔和第二圆柱腔；第一冷却件和第二冷却件均套设在磁性段上，以使第一磁性面位于第一圆锥腔内、第三磁性面位于第二圆锥腔内、第二磁性面位于第一圆柱腔和第二圆柱腔内。

进一步地，第一磁性面和第三磁性面均为平面，第一磁性面和第三磁性面均为圆环状；超导线圈组包括第三超导线圈和第四超导线圈，第三超导线圈包括第一盘形线圈段和第三圆柱线圈段，第四超导线圈包括第二盘形线圈段和第四圆柱线圈段；第一盘形线圈段套设在第一磁性面上，第二盘形线圈段套设在第三磁性面上，第三圆柱线圈段和第四圆柱线圈段均套设在第二磁性面上。

进一步地，冷却装置包括第三冷却件和第四冷却件，第三冷却件和第四冷却件套设在磁性段上；第三冷却件具有第三冷却腔，第四冷却件具有第四冷却腔；第三超导线圈位于第三冷却腔内，第四超导线圈位于第四冷却腔内。

进一步地，第三冷却腔包括第三圆筒腔和第四圆筒腔，第三圆筒腔的内径小于第四圆筒腔的内径；第四冷却腔包括第五圆筒腔和第六圆筒腔，第五圆筒腔的内径小于第六圆筒腔的内径；第一盘形线圈设置在第三圆筒腔内，第三圆柱线圈设置在第四圆筒腔内，第二盘形线圈设置在第五圆筒腔内，第四圆柱线圈设置在第六圆筒腔内。

进一步地，第三冷却件具有第三圆柱腔，第四冷却件具有第四圆柱腔；第三冷却件和第四冷却件套设在磁性段上，以使磁性段位于第三圆柱腔和第四圆柱腔内。

进一步地，磁悬浮结构还包括套筒组件，套筒组件套设在冷却装置上。

进一步地，冷却装置为杜瓦瓶。

应用本发明的技术方案，超导线圈组设置在冷却室内，隔温结构环绕冷却室内以对冷却室进行隔温，同时通过冷却室对超导线圈组进行制冷，以使超导线圈组处于低温状态。这样，能够保证足够的磁场强度，并通过极高的磁场强度保证主轴有较高的输出扭矩，从而能够使得超导线圈组高速转动。因此，采用本发明提供的磁悬浮结构，能够解决现有技术中不能通过磁悬浮技术使主轴超高速转动的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例一提供的磁悬浮结构的结构示意图；以及

图2示出了图1中B-B向视图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、主轴；11、第一磁性面；12、第二磁性面；13、第三磁性面；21、第一超导线圈；211、第一锥形线圈段；212、第一圆柱线圈段；22、第二超导线圈；221、第二锥形线圈段；222、第二圆柱线圈段；31、第一冷却件；311、第一冷却腔；32、第二冷却件；321、第二冷却腔；40、套筒组件；41、套筒主体；42、套筒盖。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种磁悬浮结构，该磁悬浮结构包括：主轴10、冷却装置和超导线圈组。其中，主轴10具有磁性段，磁性段上设置有磁性结构。具体的，磁性结构可以为磁铁。本实施例中的主轴10为空心结构，以便于与其他结构进行连接，例如将刀具或工件与主轴10进行连接。冷却装置环绕磁性段设置，冷却装置与主轴10间隔设置以使主轴10相对于冷却装置转动，冷却装置具有冷却室和环绕冷却室设置的隔温结构，以使冷却室通过隔温结构与主轴10隔温。

本实施例中的主轴10与冷却装置之间没有机械接触，以便于使主轴10达到极高的转速。超导线圈组设置在冷却室内，以提供极高的磁场强度，驱动带有永磁转子的主轴10转动，同时使永磁转子的主轴10的位置不发生变化，并确保磁性段的轴向和径向的刚性强度以及较高的输出扭矩。本实施例中的超导线圈组由低温超导材料制成，该超导线圈组为定子线圈。

应用本发明实施例提供的磁悬浮结构，超导线圈组设置在冷却室内，隔温结构环绕冷却室内以对冷却室进行隔温，同时通过冷却室对超导线圈组进行制冷，以使超导线圈组处于低温状态。这样，能够保证足够的磁场强度，并通过极高的磁场强度保证主轴10有较高的输出扭矩，从而能够使得超导线圈组高速转动。因此，采用本发明提供的磁悬浮结构，能够解决现有技术中不能通过磁悬浮技术使主轴10超高速转动的技术问题。具体的，可以在冷却室内通入液氮以对超导线圈组进行制冷，以保证超导线圈组处于低温状态。

具体的，隔温结构可以为隔热腔，冷却装置包括冷却外壳和冷却内壳，冷却内壳用于围成冷却室，冷却外壳与冷却内壳间隔设置以形成隔热腔。本实施例中的隔热腔为真空腔，以通过真空腔对超导线圈组进行隔温。

具体的，隔温结构可以为隔热垫，冷却装置包括冷却壳体，冷却壳体用于围成冷却室，隔热垫设置在冷却壳体上，以通过隔热垫对超导线圈组进行隔温。

在本实施例中，磁性段包括第一磁性面11、第二磁性面12和第三磁性面13，第二磁性面12位于第一磁性面11和第三磁性面13之间，第二磁性面12为圆柱面，超导线圈组套设在第一磁性面11、第二磁性面12和第三磁性面13上。采用这样的设置，在超导线圈组与第一磁性面11、第二磁性面12和第三磁性面13的相互作用下以使主轴10高速转动，并提高主轴10的轴向方向和径向方向上的刚性。

在实施例一中，第一磁性面11和第三磁性面13均为圆锥面，超导线圈组包括第一超导线圈21和第二超导线圈22。第一超导线圈21包括第一锥形线圈段211和第一圆柱线圈段212，第二超导线圈22包括第二锥形线圈段221和第二圆柱线圈段222。第一锥形线圈段211套设在第一磁性面11上，第二锥形线圈段221套设在第三磁性面13上，第一圆柱线圈段212和第二圆柱线圈段222均套设在第二磁性面12上。采用这样的设置，第一锥形线圈和第二锥形线圈用于提供带有永磁转子的主轴10的悬浮力，同时第一锥形线圈和第二锥形线圈还能够提高主轴10的轴向方向和径向方向上的刚度。第一圆柱线圈段212和第二圆柱线圈段222主要用于提供带有永磁转子的主轴10的转动扭矩。

在本实施例中，冷却装置包括第一冷却件31和第二冷却件32，第一冷却件31和第二冷却件32套设在磁性段上。第一冷却件31具有第一冷却腔311，第二冷却件32具有第二冷却腔321。第一超导线圈21位于第一冷却腔311内，以使第一冷却腔311对第一超导线圈21进行隔温和制冷。第二超导线圈22位于第二冷却腔321内，以使第二冷却腔321对第二超导线圈22进行隔温和制冷。第一冷却腔311和第二冷却 腔共同形成冷却室。

具体的，第一冷却腔311具有第一锥筒腔和第一圆筒腔，第一锥形线圈段211位于第一锥筒腔内，第一圆柱线圈段212位于第一圆筒腔内。或者，第二冷却腔321具有第二锥筒腔和第二圆筒腔，第二锥形线圈段221位于第二锥筒腔内，第二圆柱线圈段222位于第二圆筒腔内。或者，第一冷却腔311具有第一锥筒腔和第一圆筒腔，第一锥形线圈段211位于第一锥筒腔内，第一圆柱线圈段212位于第一圆筒腔内，同时，第二冷却腔321具有第二锥筒腔和第二圆筒腔，第二锥形线圈段221位于第二锥筒腔内，第二圆柱线圈段222位于第二圆筒腔内。

在本实施例中，第一冷却腔311具有第一锥筒腔和第一圆筒腔，第一锥形线圈段211位于第一锥筒腔内，第一圆柱线圈段212位于第一圆筒腔内。同时，第二冷却腔321具有第二锥筒腔和第二圆筒腔，第二锥形线圈段221位于第二锥筒腔内，第二圆柱线圈段222位于第二圆筒腔内。采用这样的设置，以便于使第一超导线圈21和第二超导线圈22更好地与磁性段相对设置，以更好地在磁悬浮的作用下带动主轴10高速转动。

具体的，第一冷却件31具有第一容纳腔，第一容纳腔包括第一圆锥腔和第一圆柱腔，第二冷却件32具有第二容纳腔，第二容纳腔包括第二圆锥腔和第二圆柱腔。第一冷却件31和第二冷却件32均套设在磁性段上，以使第一磁性面11位于第一圆锥腔内、第三磁性面13位于第二圆锥腔内、第二磁性面12位于第一圆柱腔和第二圆柱腔内。采用这样的设置，能够更好地使冷却装置套设在磁性段上，以进一步使主轴10在磁悬浮作用下高速转动。

在实施例二中，第一磁性面11和第三磁性面13均为平面，第一磁性面11和第三磁性面13均为圆环状。超导线圈组包括第三超导线圈和第四超导线圈，第三超导线圈包括第一盘形线圈段和第三圆柱线圈段，第四超导线圈包括第二盘形线圈段和第四圆柱线圈段。第一盘形线圈段套设在第一磁性面11上，第二盘形线圈段套设在第三磁性面13上，第三圆柱线圈段和第四圆柱线圈段均套设在第二磁性面12上。采用这样的设置，第一盘形线圈和第二盘形线圈用于给主轴10增加轴向方向上的刚性，第三圆柱线圈段和第四圆柱线圈段主要用于提高扭矩和增加径向方向上的刚性。

具体的，冷却装置包括第三冷却件和第四冷却件，第三冷却件和第四冷却件套设在磁性段上。第三冷却件具有第三冷却腔，第四冷却件具有第四冷却腔。第三超导线圈位于第三冷却腔内，第四超导线圈位于第四冷却腔内，以使第三冷却腔对第三超导线圈进行隔温和制冷、，第四冷却腔对第四超导线圈进行隔温和制冷。

在本实施例中，第三冷却腔包括第三圆筒腔和第四圆筒腔，第三圆筒腔的内径小于第四圆筒腔的内径；第四冷却腔包括第五圆筒腔和第六圆筒腔，第五圆筒腔的内径小于第六圆筒腔的内径；第一盘形线圈设置在第三圆筒腔内，第三圆柱线圈设置在第四圆筒腔内，第二盘形线圈设置在第五圆筒腔内，第四圆柱线圈设置在第六圆筒腔内。

具体的，第三冷却件具有第三圆柱腔，第四冷却件具有第四圆柱腔；第三冷却件和第四冷却件套设在磁性段上，以使磁性段位于第三圆柱腔和第四圆柱腔内。采用这样的设置，能够更好地使冷却装置套设在磁性段上，以便于提高主轴10的转速。

在实施例一和实施例二中，磁悬浮结构还包括套筒组件40，套筒组件40套设在冷却装置上。具体的，冷却装置安装在套筒组件40内，通过套筒组件40可以与机床连接。本实施例中的套筒组件40包括套筒主体41和套筒盖42，套筒盖42盖设在套筒主体41上。

具体的，冷却装置可以为杜瓦瓶，杜瓦瓶用于隔热保温，以使超导线圈组保持低温。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：采用超导磁悬浮技术，通过内部超强磁场实现高刚性与高扭矩，非接触的支撑结构实现超高速，以达到高速高刚性高扭矩的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种磁悬浮结构，其特征在于，包括：

主轴（10），所述主轴（10）具有磁性段，所述磁性段上设置有磁性结构；

冷却装置，环绕所述磁性段设置，所述冷却装置与所述主轴（10）间隔设置以使所述主轴（10）相对于所述冷却装置转动，所述冷却装置具有冷却室和环绕所述冷却室设置的隔温结构，以使所述冷却室通过所述隔温结构与所述主轴（10）隔温；

超导线圈组，设置在所述冷却室内；

所述磁性段包括第一磁性面（11）、第二磁性面（12）和第三磁性面（13），所述第二磁性面（12）位于所述第一磁性面（11）和所述第三磁性面（13）之间，所述第二磁性面（12）为圆柱面，所述超导线圈组套设在所述第一磁性面（11）、所述第二磁性面（12）和所述第三磁性面（13）上。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述隔温结构为隔热腔，所述冷却装置包括冷却外壳和冷却内壳，所述冷却内壳用于围成所述冷却室，所述冷却外壳与所述冷却内壳间隔设置以形成所述隔热腔，所述隔热腔为真空腔，以对所述超导线圈组进行隔温。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述隔温结构为隔热垫，所述冷却装置包括冷却壳体，所述冷却壳体用于围成所述冷却室，所述隔热垫设置在所述冷却壳体上，以对所述超导线圈组进行隔温。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述第一磁性面（11）和所述第三磁性面（13）均为圆锥面，所述超导线圈组包括第一超导线圈（21）和第二超导线圈（22），所述第一超导线圈（21）包括第一锥形线圈段（211）和第一圆柱线圈段（212），所述第二超导线圈（22）包括第二锥形线圈段（221）和第二圆柱线圈段（222）；所述第一锥形线圈段（211）套设在所述第一磁性面（11）上，所述第二锥形线圈段（221）套设在所述第三磁性面（13）上，所述第一圆柱线圈段（212）和所述第二圆柱线圈段（222）均套设在所述第二磁性面（12）上。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述冷却装置包括第一冷却件（31）和第二冷却件（32），所述第一冷却件（31）和所述第二冷却件（32）套设在所述磁性段上；所述第一冷却件（31）具有第一冷却腔（311），所述第二冷却件（32）具有第二冷却腔（321）；所述第一超导线圈（21）位于所述第一冷却腔（311）内，所述第二超导线圈（22）位于所述第二冷却腔（321）内。

6.根据权利要求5所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述第一冷却腔（311）具有第一锥筒腔和第一圆筒腔，所述第一锥形线圈段（211）位于所述第一锥筒腔内，所述第一圆柱线圈段（212）位于所述第一圆筒腔内；和/或，所述第二冷却腔（321）具有第二锥筒腔和第二圆筒腔，所述第二锥形线圈段（221）位于所述第二锥筒腔内，所述第二圆柱线圈段（222）位于所述第二圆筒腔内。

7.根据权利要求5所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述第一冷却件（31）具有第一容纳腔，所述第一容纳腔包括第一圆锥腔和第一圆柱腔，所述第二冷却件（32）具有第二容纳腔，所述第二容纳腔包括第二圆锥腔和第二圆柱腔；所述第一冷却件（31）和所述第二冷却件（32）均套设在所述磁性段上，以使所述第一磁性面（11）位于所述第一圆锥腔内、所述第三磁性面（13）位于所述第二圆锥腔内、所述第二磁性面（12）位于所述第一圆柱腔和所述第二圆柱腔内。

8.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述第一磁性面（11）和所述第三磁性面（13）均为平面，所述第一磁性面（11）和所述第三磁性面（13）均为圆环状；所述超导线圈组包括第三超导线圈和第四超导线圈，所述第三超导线圈包括第一盘形线圈段和第三圆柱线圈段，所述第四超导线圈包括第二盘形线圈段和第四圆柱线圈段；所述第一盘形线圈段套设在所述第一磁性面（11）上，所述第二盘形线圈段套设在所述第三磁性面（13）上，所述第三圆柱线圈段和所述第四圆柱线圈段均套设在所述第二磁性面（12）上。

9.根据权利要求8所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述冷却装置包括第三冷却件和第四冷却件，所述第三冷却件和所述第四冷却件套设在所述磁性段上；所述第三冷却件具有第三冷却腔，所述第四冷却件具有第四冷却腔；所述第三超导线圈位于所述第三冷却腔内，所述第四超导线圈位于所述第四冷却腔内。

10.根据权利要求9所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述第三冷却腔包括第三圆筒腔和第四圆筒腔，所述第三圆筒腔的内径小于所述第四圆筒腔的内径；所述第四冷却腔包括第五圆筒腔和第六圆筒腔，所述第五圆筒腔的内径小于所述第六圆筒腔的内径；所述第一盘形线圈设置在所述第三圆筒腔内，所述第三圆柱线圈设置在所述第四圆筒腔内，所述第二盘形线圈设置在所述第五圆筒腔内，所述第四圆柱线圈设置在所述第六圆筒腔内。

11.根据权利要求9所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述第三冷却件具有第三圆柱腔，所述第四冷却件具有第四圆柱腔；所述第三冷却件和所述第四冷却件套设在所述磁性段上，以使所述磁性段位于所述第三圆柱腔和所述第四圆柱腔内。

12.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述磁悬浮结构还包括套筒组件（40），所述套筒组件（40）套设在所述冷却装置上。

13.根据权利要求1所述的磁悬浮结构，其特征在于，所述冷却装置为杜瓦瓶。