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Vorrichtung zur Übertragung großer Kräfte Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zur Ubertragung großer Kräfte von einem Wicklungsgehäuse, in dem eine
auf Tieftemperatur gekühlte elektrische Wicklung angeordnet ist, auf ein das Wicklungsgehäuse
umschließendes Außengehäuse, das sich auf Normaltemperatur befindet, mit mindestens
einem Stützelement.
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Zur Erzeugung starker Magnetfelder mit großer räumlicher Ausdehnung
können Magnetwicklungen mit tiefgekühlten Leitern, insbesondere mit Supraleitern
verwendet werden. Wenn die Supraleiter dieser Magnetwicklungen mit Hilfe eines Kühlmittels,
im allgemeinen mit Hilfe von flüssigem Helium, auf eine Temperatur unterhalb der
sogenannten kritischen Temperatur des für die Leiter verwendeten Supraleitermaterials
abgekühlt werden, verschwindet praktisch der ohm'sche Widerstand des Supraleitermaterials.
Infolge des entsprechend verringerten Energiebedarfs bieten deshalb Supraleitungsmagnete
gegenüber konventionellen Magneten mit Wicklungen aus elektrisch normalleitendem
Material wie beispielsweise Kupfer den Vorteil, daß mit ihnen stärkere Magnetfelder
und somit stärkere Magnetfeldgradienten erreicht werden können. Derartige supraleitende
Magnetwicklungen werden beispielsweise für Fusionsreaktoren benötigt, deren starke
Magnetfelder dazu dienen, ein heißes Plasma mittels magnetischer Kräfte zusammenzuhalten
und damit einen Fusionsvorgang im Plasma zu ermöglichen.
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Entsprechende supraleitende Magnetwicklungen können auch in Trag-und
Seitenführungsmagneten eines Magnetschwebesystems vorgesehen sein, das nach dem
elektrodynamischen Abstoßungsprinzip eine berührungsfreie Führung eines Fahrzeugs
längs einer ortsfesten Fahrbahn ermöglicht.
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Elektrische Wicklungen, insbesondere supraleitende Wicklungen, die
von einem kryogenen Medium auf Tieftemperatur gekUhlt werden, müssen im allgemeinen
gegenüber ihrer Umgebung gut wärmeisoliert sein. Sie sind deshalb in einem Wicklungsgehäuse
angeordnet und zweckmäßig innerhalb eines Außengehäuses von einem Vakuum umgeben.
Gegebenenfalls kann zwischen dem Wicklungs- und dem Außengehäuse ein sogenanntes
Strahlungsschild zur Verminderung der Wärmeeinleitung auf die gektihlte Wicklung
vorgesehen werden.
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Zur Übertragung der auf die elektrischen Wicklungen einwirkenden Kräfte
auf das Außengehäuse können beispielsweise Abstützungsvorrichtungen mit besonderen
Stützelementen zwischen dem Wicklungs- und Außengehäuse verwendet werden. Die Kräfte
können verhältnismäßig groß sein und liegen beispelsweise bei Bahnmagneten in der
Größenordnung von 105 kN. Die Kraftübertragungsvorrichtungen müssen somit dementsprechend
dimensioniert werden. Beim Abkühlen der Wicklungen auf die Temperatur eines kryogenen
Mediums besteht jedoch die Gefahr, daß diese Ubertragungsvorrichtungen keine formschlüssige
Verbindung zwischen dem Wicklungsgehäuse und dem Außengehäuse mehr darstellen, da
eine Schrumpfung des Wicklungsgehäuses auftritt, während das Außengehäuse, das sich
im allgemeinen auf Raumtemperatur befindet, seine Abmessungen beibehält. Zur Aufrechterhaltung
eines Formschlusses zwischen dem Außen- und dem Wicklungsgehäuse müssen deshalb
besondere Maßnahmen ergriffen werden.
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Diese Maßnahmen können beispielsweise darin bestehen, daß man mechanische
Nachstellvorrichtungen verwendet. Auch können Abstützungsvorrichtungen vorgesehen
werden, die bei Raumtemperatur mit einer solchen Vorspannung belegt werden, daß
der Formschluß zwischen dem AuBen- und Wicklungsgehäuse über diese Abstützungsvorrichtung
auch bei einem Abkühlungsvorgang nicht aufgehoben wird. Die senkrecht zur Kraftrichtung
auStretende Wärmekontraktion des Wicklungsgehäuses muß jedoch über solche Abstützungsvorrichtungen
aufgefangen werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine einfache Abstützungsvorrichtung
zu schaffen, die eine derartige Bewegung des Wicklungsgehäuses relativ zum Außengehäuse
insbesondere auch unter Einwirkung
einer großen Kraft ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird für eine Kraftübertragungsvorrichtung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Stützelement einsitig mit
dem Wicklungsgehäuse oder dem Außengehäuse starr verbunden ist und ein Lagerteil
enthält und daß unter Krafteinwirkung mittels dieses Lagerteils das Wicklungsgehäuse
relativ zu dem Außengehäuse senkrecht zur Kraftrichtung verschiebbar ausgebildet
ist. Als reibungsarmes Lager kann vorteilhaft ein Wälzlager, insbesondere ein Rollen-
oder Kugellager vorgesehen sein.
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Die Vorteile dieser Ausbildung einer Kraftübertragungsvorrichtung
gemäß der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß verhältnismäßig große Schrumpfungsunterschiede
zwischen dem Außen- und dem Wicklungsgehäuse senkrecht zur Kraftrichtung auch unter
Krafteinwirkung ausgeglichen werden können. Dennoch lassen sich verhältnismäßig
große Kräfte übertragen. Die Wärmeeinleitung über diese Vorrichtung auf das gekühlte
Wicklungsgehäuse kann verhältnismäßig kleingehalten werden, da die Abstützungsflächen
der Rollen oder Kugeln ihres Lagerteils klein sind. Eine zusätzliche Belastung durch
reibungsbedingte Querkräfte wird praktisch vermieden. Die kraftleitenden Elemene
brauchen deshalb nur so ausgelegt zu werden, daß sie Kräfte in Abstützungarichtung
aufnehmen. Darüber hinaus sind bei dieser Kraftübertragungsvorrichtung Nachjustierarbeiten
beim Abkühlen des Wicklungsgehäuses nicht erforderlich.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteranspruche
gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
Figuren 1 bis 3 Ausführungsbeispiele von Kraftübertragungsvorrichtungen gemäß der
Erfindung schematisch veranschaulicht sind. In den Figuren sind gleiche Teile mit
gleichen Bezugsziffern versehen.
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In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Supraleitungsmagneten teilweise
dargestellt. Dieser Magnet kann beispielsweise als Trag- oder Seitenführungsmagnet
eines Magnetschwebesystems dienen, das nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip
eine berührungsfreie
Führung eines Fahrzeugs längs einer ortsfesten
Fahrbahn ermöglicht. Der Supraleitungsmagnet enthält ein beispielsweise annähernd
rechteckig gestaltetes Wicklungsgehäuse 2, in dem in der Figur nicht näher dargestellte,
tiefgekühlte Wicklungen angeordnet sind. Das Wicklungsgehäuse 2 dient deshalb zugleich
als Kryostat für die Leiter dieser Wicklung, die beispielsweise aus einem Hochfeldsupraleitungsmaterial
bestehen und von flüssigem Helium gekühlt werden,das sich auf einer Temperatur nahe
dem-obsoluten Nullpunkt befindet. Das somit auf dem Temperaturniveau dieser Leiter
liegende Wicklungsgehäuse 2 ist von einem Außengehäuse 3 vakuumdicht umschlossen.
Dieses Außengehäuse 3 befindet sich auf Raumtemperatur. Wicklungs- und Außengehäuse
2 bzw. 3 können zweckmäßig an einer in der Figur nicht ausgeführten Stelle starr
miteinander über Elemente mit geringer Wärmeleitfähigkeit verbunden sein. Bei einem
Abkühlungsvorgang des Wicklungsgehäuses 2 zieht sich dieses dann in Richtung auf
diese starre Verbindung hin zusammen, während das Außengehäuse 3 auf Raumtemperatur
seine Größe unverändert beibehält. Es kommt somit zu einer relativen Verschiebung
von einander gegenüber liegenden Teilen des Außen-und Wicklungsgehäuses. Um auch
an solchen Stellen Kräfte in senkrechter Richtung zwischen parallel zueinander verlaufenden
Wicklungs- und Außengehäuseteilen übertragen zu können, ist eine Kraftübertragungsvorrichtung
gemäß der Erfindung vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die von
dem kalten Wicklungsgehäuse 2 auf das warme Außengehäuse 3 zu übertragende Kraft
liediXlich in einer Richtung wirkt. Eine derartige Kraft, die durch =lt K bezeichneten
Pfeil angedeutet ist, kann beispielsweise die von der Magnetwicklung erzeugte Hubkraft
sein, die auf ein mit dem Außengehäuse v serbundenes Fahrzeug übertragen werden
soll.
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Zur Übertragung dieser Kraft K ist eine hohlzylinderförmige Druckstütze
5 vorgesehen, deren obere Stirnfläche an einem Gehäuseteil 6 befestigt ist, das
beispielsweise das mittlere, von der Wicklung umscAossene Teil des Wicklungsgehäuses
darstellt. Das untere Ende der Druckstütze 5 ist von einer Platte 7 abgeschlossen.
Von dieser Platte, die etwas größer als die Bodenfläche der Druckstütze 5 ist, stützt
sich ein Stützelement 9 einer Kraftübertragungsvorrichtung
gemäß
der Erfindung ab. Dieses Stützelement 9 enthält eine weitere, hohlzylinderförmige
Druckstütze 10, die an ihrem unteren Ende starr mit dem Außengehäuse 3 verbunden
ist.
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Auf der Drucksttttze 10 ist ein Lagerbock 11 befestigt, der als Träger
für eine Rolle 12 dient, die in Kontraktionsrichtung des Wicklungsgehäuses 2 längs
der PlabS 7 beweglich ist. Ein solches Rollenlager weist verhältnismäßig geringe
Reibungskräfte auf und ermöglicht dennoch eine Übertragung hoher Kräfte K. Die Kraftübertragung
vom Wicklungsgehäuse 2 auf das Außengehäuse 3 erfolgt somit von dem Gehäuseteil
6 aus über die Druckstütze 5, über das Rollenlager mit der Platte 7, der Rolle 12
und dem Lagerbock 11 sowie über die weitere Druckstütze 10.
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Da im allgemeinen zwischen dem Wicklungsgehäuse 2 und dem Außengehäuse
3 ein Vakuum zur Verringerung der ärmeeinleitung auf die in dem Wicklungsgehäuse
angeordneten tiefgekühlten Leitr vorgesehen ist, werden zweckmäßig auch die Teile
des Außen- und Wicklungsgehäuses gegenelnander abgestützt, zwischen denen keine
Übertragung der Kraft K erfolgt. Es kann so beispielswese eine Einbeulung des als
Vakuingehäuse dienenden Außengehäuses vermieden werden. In der Figur ist deshalb
auch eine Abstützungsvorrichtung zwischen dem Gehäuseteil 6 und dem oberen Teil
des Außengehäuses 3 angedeutet. Diese. Abstützungsvorrichtung besteht im wesentlichen
aus einer entgegen der Richtung der Kraft K verlaufenden Stütze 16, deren Fußteil
mit dem Gehäuseteil 6 starr verbunden und mit einem Gelenk 17 ausgestattet ist,
um eine geringfügige Verkantung der Stiitze 16 bei einer Schrumpfung des Wicklungsgehäuses
2 zu ermöglichen.
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In der Figur ist ferner ein Strahlungsschild 19 zwischen dem Außengehäuse
3 und dem Wicklungsgehäuse 2 angedeutet. Dieses StraT1ungsE schild kann von einem
weiteren Kühlmittei, beispielsweise flüssigem Stickstoff,ekühlt werden. In dem in
der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Strahlungsschild an der Platte
7 und über ein flexibles Verbindungsteil 20 mit der Stütze 16 verbunden.
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Bei der Ausführungsform einer Kraftübertragungsvorrichtung gemäß
der
Erfindung nach Fig. 2 ist davon ausgegangen, daß ein Stützelement mit dem Rollenlager
nicht wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 starr mit dem Außengehäuse 3, sondern
mit dem Wicklungsgehäuse 2 verbunden ist. Das mit 22 bezeichnete Stützelement ist
deshalb an einem Gehäuseteil 23, das beispielsweise das mittlere, von der tiefgekühlten
Wicklung umschlossene Teil des Wicklungsgehäuses 2 darstellt, in Richtung einer
zu übertragenden Kraft K befestigt. Das Stützelement 22 umfaßt zwei hohlzylinderförmige
DruckstUtzen 25 und 26 mit gleicher Höhe. Beispielsweise wird die Druckstütze 25
dabei konzentrisch von der Druckstütze 26 umschlossen. Beide DruckstUtzen sind an
ihren unteren Stirnflächen mit einer Trägerplatte 27 starr verbunden. An dieser
Trägerplatte ist ein Lagerteil des Rollenlagers mit einem Lagerbock 28 und einer
Rolle 29 befestigt. Die Rolle des Rollenlagers stützt sich auf einer Platte 30 ab,
die über eine weitere hohlzylinderförmige Druckstütze 31 mit dem Außengehäuse 3
in Kraftrichtung verbunden ist. Eine Kraftübertragung zwischen dem Wicklungsgehäuse
2 und dem Außengehäuse 3 erfolgt somit von dem Gehäuseteil 23 aus über die Druckstützen
25 und 26, die Trägerplatte 27, über das Rollenlager mit dem Lagerbock 28, der Rolle
29 und der Platte 30 sowe über die Druckstütze 31.
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1, Zur Beanstandung des Außengehäuses 3 in Gegenrichtung zur Kraft
K ist eine Abstützungsvorrichtung mit einer Stütze 16 vorgesehen, die der Abstützungsvorrichtung
nach Fig. 1 entspricht.
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Soll zwischen einem Wicklungsgehäuse und einem Außengehäuse nicht
nur eine große Kraft in einer einzigen vorgegebenen Richtung, sondern auch eine
entsprechende Kraft in der Gegenrichtung dazu übertragen werden, so können beispielsweise
zwei Kraftübertgungsvorrichtungen gemäß der Erfindung vorgesehen sein. In dem in
Fig. 3 dargestellten Längsschnitt durch einen Teil eines Magneten, der beispielsweise
dem in Fig. 2 dargestellten Magneten entspricht, sind deshalb eine Kraftübertragungsvorrichtung
für eine Kraft K und eine entsprechende Vorrichtung zur Übertragung einer Gegen-Kraft
K' veranschaulicht. Die beiden Vorrichtungen entsprechen der in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsform. Sie sind spiegelbildlich
zu einem Gehäuseteil 32
angeordnet, das zwischen den die tiefgekühlte Wicklung enthaltenden Teilen des Wicklungsgehäuses
2 verläuft. Die Trägerplatten 27 der Stützelemente 22 der beiden Kraftübertragungsvorrichtungen
sind mittels Schrauben 33, die durch Bohrungen 34 in dem Gehäuseteil 32 hindurchgeführt
sind, untereinander verbunden.
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Neben denin den Figuren dargestellten Ausführungsformen von Rollenlagern
der Kraftübertragungsvorrichtungen gemäß der Erfindung können auch andere Ausführungsformen
von Lagern verwendet werden, falls diese unter Einwirkung großer Kräfte einen verhältnismäßig
geringen Rollwiderstand senkrecht zur Kraftübertragungsrichtung in Kontraktionsrichtung
des Wicklungsgehäuses aufweisen. So können beispielsweise auch andere Wälzlager,
beispie-tss Kugellager vorgesehen sein.
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Die Druckstützen sowie die Stützzylinder 16 können vorteilhaft aus
einem schlecht wärmeleitenden Material bestehen wie beispielsweise aus einem Kunststoff,
der mit Glasfasern verstärkt ist.
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Es kann somit eine Wärmeeinleitung von dem warmen Außengehäuse über
diese Teile auf die tiefgekühlte Wicklung innerhalb des Wicklungsgehäuses bei großer
Kraftaufnahme begrenzt werden.
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6 Patentansprüche 3 Figuren