一种高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦及其使用方法与流程

1.本发明涉及机械制造和杜瓦技术领域，具体而言，涉及一种高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦及其使用方法。


背景技术：

2.目前，磁悬浮轴承是高速转子的重要组件，在高速运行的系统中为转轴提供支撑，并且能够极大地减少运行摩擦损耗，在飞轮储能等领域有广泛应用。
3.随着高温超导材料的出现，超导技术得到了快速发展，高温超导磁悬浮轴承具有独特的无源自稳定性受到关注，高温超导磁悬浮轴承通常由永磁转子和超导定子组成，超导体在77k液氮温区进入超导态，永磁转子在冷却过程中对超导体进行磁化，受迈斯纳效应和磁通钉扎的影响，高温超导轴承形成稳定的悬浮状态，无需额外的控制，但这种悬浮状态受永磁体和超导体的气隙影响较大，距离越近悬浮力越强，距离越远悬浮力越弱。因此展开对高温超导磁悬浮轴承悬浮力的研究，如何有效地缩短悬浮气隙提高悬浮力，具有重要的意义。
4.为了维持超导体的77k温区，使用低温杜瓦进行保温，杜瓦由杜瓦壁、真空夹层、液氮腔和超导块材组成，通常采用双层杜瓦结构，杜瓦壁之间抽取真空夹层，瓦杜内部安装液氮腔和超导块材，双层杜瓦增加了超导块材和永磁体之间的气隙，减少了轴承悬浮力和悬浮刚度，为了减少双层杜瓦对气隙的影响，对薄壁杜瓦的加工提出了更高的要求，但目前薄壁杜瓦的加工技术并不成熟，能够缩短的气隙有限，往往不能达到轴承制作的设计需求；这就需要轴承通过在径向长度上延长提高悬浮力，额外增加超导块材的数量来达到原有的悬浮性能，但轴承径向长度过长十分影响动力学稳定。
5.综上所述，存在如下至少一个技术问题：
6.现有高温超导磁悬浮轴承双壁杜瓦气隙大；现有高温超导磁悬浮轴承双壁杜瓦悬浮力不高；现有高温超导磁悬浮轴承双壁杜瓦悬浮刚度不高。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的在于提供一种高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦及其使用方法，以解决现有技术中高温超导磁悬浮轴承双壁杜瓦气隙大；高温超导磁悬浮轴承双壁杜瓦悬浮力不高；高温超导磁悬浮轴承双壁杜瓦悬浮刚度不高中至少一个技术问题。
8.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦，包括：杜瓦，所述杜瓦为单壁结构，所述杜瓦内设有液氮腔，所述液氮腔为半边封闭结构，所述液氮腔具有液氮腔外壁和液氮腔内壁，所述液氮腔内壁设有若干超导块材，所述液氮腔连通有液氮进出口，所述杜瓦两端设有杜瓦支撑，所述杜瓦一端还设有杜瓦盖和真空口。
9.优选的，所述若干超导块材呈环形结构拼接在液氮腔内壁中，当超导块材完成冷却后进入超导态，该状态下超导块材与高温超导磁悬浮轴承的永磁转子部分产生悬浮力，
形成超导磁悬浮系统
10.优选的，所述杜瓦为圆筒形结构，所述圆筒形结构中间是空心结构。
11.优选的，所述真空口和液氮进出口均安装载杜瓦盖上。
12.优选的，当高温超导磁悬浮轴承杜瓦工作时，通过真空口抽取真空，使杜瓦内部呈现真空状态，通过液氮进出口通入液氮。
13.优选的，所述液氮腔为铜材质，所述液氮通过液氮腔传递热量为超导块材冷却。
14.优选的，所述超导块材冷却后进入超导态，所述超导块材与高温超导磁悬浮轴承的永磁转子之间产生悬浮力，形成超导磁悬浮系统。
15.优选的，所述液氮腔构成杜瓦内壁，通过消除双层杜瓦的内壁结构，减少超导体和永磁体的气隙，提高了悬浮力，杜瓦采用单壁结构，对比传统的双壁杜瓦结构，省去了杜瓦的内壁，新结构将液氮腔作为杜瓦内壁，从而缩短了永磁体和超导体之间的间隙，提高了悬浮力和悬浮刚度。
16.优选的，所述杜瓦与液氮腔之间抽取真空，形成保温层，所述液氮腔包裹在真空中，在杜瓦壁和液氮腔之间抽取真空，形成保温层，整个液氮腔被包裹在真空中，该结构无需双层杜瓦的支撑保护，利用内杜瓦壁和杜瓦壁与液氮腔形成真空夹层，将真空包裹在其中，结构简单，气隙更小，能够很好地提高超导轴承悬浮力。
17.根据本发明的另一方面提供了一种高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的使用方法，包括：
18.工作时，通过真空口抽取真空，使内部呈现真空状态，通过液氮进出口通入液氮；
19.液氮留存在液氮腔中，液氮通过铜制液氮腔传递热量，为超导块材提供冷却；
20.液氮腔通过前后杜瓦支撑形成支撑，杜瓦支撑同时提供液氮腔的定位和真空与外界大气压之间的压力支撑；
21.当超导块材完成冷却后进入超导态，该状态下超导块材与高温超导磁悬浮轴承的永磁转子部分产生悬浮力，形成超导磁悬浮系统。
22.应用本发明的技术方案，具有如下技术效果：
23.通过消除双层杜瓦的内壁结构，减少超导体和永磁体的气隙，提高了悬浮力，杜瓦采用单壁结构，对比传统的双壁杜瓦结构，省去了杜瓦的内壁，新结构将液氮腔作为杜瓦内壁，从而缩短了永磁体和超导体之间的间隙，提高了悬浮力和悬浮刚度。
24.在杜瓦壁和液氮腔之间抽取真空，形成保温层，整个液氮腔被包裹在真空中，该结构无需双层杜瓦的支撑保护，利用内杜瓦壁和杜瓦壁与液氮腔形成真空夹层，将真空包裹在其中，结构简单，气隙更小，能够很好地提高超导轴承悬浮力。
25.缩短了高温超导磁悬浮轴承气隙，提高高温超导磁悬浮轴承悬浮力和悬浮刚度。
26.c型液氮腔结构具有良好的导热性能可以带走超导块材工作热量，侧面可以根据外径要求形成狭长柱面，有利于环境适应性，中间紫铜导热层可以提高径向轴承的延展性。
附图说明
27.构成本技术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：
28.图1示出了根据本发明的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的结构示意图；
29.图2示出了图1中的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的杜瓦结构视图；
30.图3示出了图1中的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的杜瓦壁视图；
31.图4示出了图1中的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的切面视图；
32.图5示出了图1中的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的杜瓦盖结构视图；
33.图6示出了图1中的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的液氮进出口位置图；
34.图7示出了图1中的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的杜瓦支撑安装结构图；
35.图8示出了图1中的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的液态腔及超导块材剖面图；
36.图9示出了图1中的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的c型液态腔剖面视图；
37.图10示出了图1中的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的超导块材排布视图；
38.图11示出了图1中的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的杜瓦支撑结构视图。
39.其中，上述附图包括以下附图标记：
40.杜瓦盖1；杜瓦2；真空口3；液氮进出口4；紧固螺母5；杜瓦壁6；真空7；液氮腔8；液氮9；杜瓦支撑10；超导块材11；内杜瓦壁12；紫铜导热层13；液氮腔外壁14；液氮腔内壁15。
具体实施方式
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术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。
42.如图1至图11所示，本发明实施例提供了一种高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦2，包括杜瓦2，所述杜瓦2为单壁结构，所述杜瓦2内设有液氮9腔8，所述液氮9腔8为半边封闭结构，其中半边封闭结构为c型结构或l型结构，所述液氮9腔8具有液氮腔外壁14和液氮腔内壁15，所述液氮腔内壁15设有若干超导块材11，所述液氮9腔8连通有液氮9进出口4，所述杜瓦2两端设有杜瓦支撑10，所述杜瓦2一端还设有杜瓦盖1和真空7口3，本发明能够缩小超导磁悬浮轴承中永磁超导间隙，提高超导磁悬浮悬浮力和悬浮刚度。
43.本实施例中，高温超导磁悬浮轴承杜瓦2由杜瓦盖1和杜瓦2组成，其中杜瓦盖1上有真空7口3、液氮9进出口4和紧固螺母5，杜瓦2是一个圆筒形结构，圆筒中间是空心结构，杜瓦2内部包含杜瓦壁6、真空7、液氮9腔8、液氮9、杜瓦支撑10、超导块材11和杜瓦2内壁。
44.本实施中，杜瓦2为单壁结构，杜瓦2为圆筒形结构，圆筒形结构中间是空心结构，在杜瓦壁6和液氮9腔8之间抽取真空7，形成保温层，整个液氮9腔8被包裹在真空7中，该结构无需双层杜瓦2的支撑保护，利用内杜瓦壁12和杜瓦壁6与液氮9腔8形成真空7夹层，将真空7包裹在其中，结构简单，气隙更小，能够很好地提高超导轴承悬浮力。
45.本实施中，杜瓦2内设有液氮9腔8，液氮9腔8为c型结构，液氮9腔8具有液氮腔外壁14和液氮腔内壁15，通过设置c型结构的液氮9腔8，该液氮9腔8三面包裹超导块材11，接触面积更大，提供更好的冷却，c型约束中两块超导块材11间增加了紫铜导热层13，可以同时冷却两侧超导块材11，该结构可以延伸到多块超导块材11沿径向并排使用，该结构有利于径向轴承的延展性；受外径约束，本发明中c型液氮9腔8侧面狭长，可以提供冷量的同时减少径向宽度，有利于提高环境适应性。
46.本实施中，液氮腔内壁15设有若干超导块材11，若干超导块材11呈环形结构拼接在液氮腔内壁15中。超导块材11冷却后进入超导态，超导块材11与高温超导磁悬浮轴承的永磁转子之间产生悬浮力，形成超导磁悬浮系统。高温超导块材11是一种特殊的材料，在
77k低温下具有迈斯纳效应，在超导态下，高温超导材料具有符合麦克斯韦电磁学理论，
[0047][0048]
其中，e为电场强度，b为磁感应强度，j为电流密度，μ0是真空磁导率。
[0049]
结合超导体特殊的e-j关系：
[0050][0051]
其中，e为电场强度，b为磁感应强度，j为电流密度；e0是临界电场强度，jc是临界电流密度；n:与超导体材料属性相关的常数。
[0052]
形成超导与永磁体的相互作用力：
[0053][0054]
其中，jsc是超导体的感应电流密度；b为磁感应强度。
[0055]
永磁体距离超导体距离的远近会影响超导体磁环强弱，超导体磁化性能和悬浮力具有一定的关系，缩短磁化距离将有效地提高悬浮力和悬浮刚度，这在高温超导磁悬浮轴承中十分重要。本发明通过消除双层杜瓦2的内壁结构，减少超导体和永磁体的气隙，提高了悬浮力。杜瓦2采用单壁结构，对比传统的双壁杜瓦2结构，省去了杜瓦2的内壁，新结构将液氮9腔8作为杜瓦2内壁，从而缩短了永磁体和超导体之间的间隙，提高了悬浮力和悬浮刚度。
[0056]
本实施中，液氮9腔8连通有液氮9进出口4，液氮9腔8为铜材质，液氮9通过液氮9腔8传递热量为超导块材11冷却，液氮9腔8构成杜瓦2内壁。
[0057]
本实施中，杜瓦2两端设有杜瓦支撑10，液氮9腔8通过前后杜瓦支撑10形成支撑，杜瓦支撑10同时提供液氮9腔8的定位和真空7与外界大气压之间的压力支撑，防止杜瓦壁6受力变形。
[0058]
本实施中，杜瓦2一端还设有杜瓦盖1和真空7口3。真空7口3和液氮9进出口4均安装载杜瓦盖1上。当高温超导磁悬浮轴承杜瓦2工作时，通过真空7口3抽取真空7，使杜瓦2内部呈现真空7状态，通过液氮9进出口4通入液氮9。
[0059]
杜瓦2与液氮9腔8之间抽取真空7，形成保温层，所述液氮9腔8包裹在真空7中。
[0060]
本实施例中，高温超导磁悬浮轴承杜瓦2工作时通过真空7口3抽取真空7，使内部呈现真空7状态，通过液氮9进出口4通入液氮9，真空7口3和液氮9进出口4均安装在杜瓦盖1上，整个杜瓦2密封通过杜瓦盖1完成；液氮9留存在液氮9腔8中，液氮9通过铜制液氮9腔8传递热量，为超导块材11提供冷却；液氮9腔8通过前后杜瓦支撑10形成支撑，杜瓦支撑10同时提供液氮9腔8的定位和真空7与外界大气压之间的压力支撑，防止杜瓦壁6受力变形；当超导块材11完成冷却后进入超导态，该状态下超导块材11与高温超导磁悬浮轴承的永磁转子部分产生悬浮力，形成超导磁悬浮系统。
[0061]
本发明另一实施例中提供了一种高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦2的使用方法，包括：
[0062]
工作时，通过真空7口3抽取真空7，使内部呈现真空7状态，通过液氮9进出口4通入液氮9；
[0063]
液氮9留存在液氮9腔8中，液氮9通过铜制液氮9腔8传递热量，为超导块材11提供冷却；
[0064]
液氮9腔8通过前后杜瓦支撑10形成支撑，杜瓦支撑10同时提供液氮9腔8的定位和真空7与外界大气压之间的压力支撑；
[0065]
当超导块材11完成冷却后进入超导态，该状态下超导块材11与高温超导磁悬浮轴承的永磁转子部分产生悬浮力，形成超导磁悬浮系统。
[0066]
从以上描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
[0067]
通过消除双层杜瓦2的内壁结构，减少超导体和永磁体的气隙，提高了悬浮力，杜瓦2采用单壁结构，对比传统的双壁杜瓦2结构，省去了杜瓦2的内壁，新结构将液氮9腔8作为杜瓦2内壁，从而缩短了永磁体和超导体之间的间隙，提高了悬浮力和悬浮刚度。
[0068]
在杜瓦壁6和液氮9腔8之间抽取真空7，形成保温层，整个液氮9腔8被包裹在真空7中，该结构无需双层杜瓦2的支撑保护，利用内杜瓦壁12和杜瓦壁6与液氮9腔8形成真空7夹层，将真空7包裹在其中，结构简单，气隙更小，能够很好地提高超导轴承悬浮力。
[0069]
缩短了高温超导磁悬浮轴承气隙，提高高温超导磁悬浮轴承悬浮力和悬浮刚度。
[0070]
c型液氮9腔8结构具有良好的导热性能可以带走超导块材11工作热量，侧面可以根据外径要求形成狭长柱面，有利于环境适应性，中间紫铜导热层13可以提高径向轴承的延展性。
[0071]
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。

技术特征：
1.一种高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦，其特征在于，包括杜瓦，所述杜瓦为单壁结构，所述杜瓦内设有液氮腔，所述液氮腔为半边封闭结构，所述液氮腔具有液氮腔外壁和液氮腔内壁，所述液氮腔内壁设有若干超导块材，所述液氮腔连通有液氮进出口，所述杜瓦两端设有杜瓦支撑，所述杜瓦一端还设有杜瓦盖和真空口。2.如权利要求1所述的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦，其特征在于，所述若干超导块材呈环形结构拼接在液氮腔内壁中。3.如权利要求1所述的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦，其特征在于，所述杜瓦为圆筒形结构，所述圆筒形结构中间是空心结构。4.如权利要求1所述的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦，其特征在于，所述真空口和液氮进出口均安装载杜瓦盖上。5.如权利要求1所述的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦，其特征在于，当高温超导磁悬浮轴承杜瓦工作时，通过真空口抽取真空，使杜瓦内部呈现真空状态，通过液氮进出口通入液氮。6.如权利要求1所述的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦，其特征在于，所述液氮腔为铜材质，所述液氮通过液氮腔传递热量为超导块材冷却。7.如权利要求1所述的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦，其特征在于，所述超导块材冷却后进入超导态，所述超导块材与高温超导磁悬浮轴承的永磁转子之间产生悬浮力，形成超导磁悬浮系统。8.如权利要求1所述的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦，其特征在于，所述液氮腔构成杜瓦内壁。9.如权利要求1所述的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦，其特征在于，所述杜瓦与液氮腔之间抽取真空，形成保温层，所述液氮腔包裹在真空中。10.一种高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦的使用方法，基于权利要求1-9任意一项所述的高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦，其特征在于，包括：工作时，通过真空口抽取真空，使内部呈现真空状态，通过液氮进出口通入液氮；液氮留存在液氮腔中，液氮通过铜制液氮腔传递热量，为超导块材提供冷却；液氮腔通过前后杜瓦支撑形成支撑，杜瓦支撑同时提供液氮腔的定位和真空与外界大气压之间的压力支撑；当超导块材完成冷却后进入超导态，该状态下超导块材与高温超导磁悬浮轴承的永磁转子部分产生悬浮力，形成超导磁悬浮系统。

技术总结
本发明公开了一种高温超导磁悬浮轴承单壁杜瓦及其使用方法，包括杜瓦，所述杜瓦为单壁结构，所述杜瓦内设有液氮腔，所述液氮腔为半边封闭结构，所述液氮腔具有液氮腔外壁和液氮腔内壁，所述液氮腔内壁设有若干超导块材，所述液氮腔连通有液氮进出口，所述杜瓦两端设有杜瓦支撑，所述杜瓦一端还设有杜瓦盖和真空口。具有能够缩小超导磁悬浮轴承中永磁超导间隙，提高超导磁悬浮悬浮力和悬浮刚度，结构简单、气隙更小，能够很好地提高超导轴承悬浮力，有利于环境适应性，中间紫铜导热层可以提高径向轴承的延展性的优点。向轴承的延展性的优点。向轴承的延展性的优点。


技术研发人员：秦汉阳 刘斌 邹海兵 赵斌 李艳明
受保护的技术使用者：北京机械设备研究所
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/6