DE4234524A1 - Hybride supraleitende lagervorrichtung und dafuer vorgesehenes betriebsverfahren - Google Patents
Hybride supraleitende lagervorrichtung und dafuer vorgesehenes betriebsverfahrenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei
supraleitenden Lagern, die dafür vorgesehen sind, um
Wellen sowie Rotoren und dergleichen, die sich um feste
Wellen drehen, in einem berührungsfreien Zustand zu
halten, und damit sie sich bei extrem hoher
Geschwindigkeit drehen.
Wellen, die sich bei extrem hohen Geschwindigkeiten
drehen, können nicht von gewöhnlichen Gleit- oder
Rollagern gelagert werden. Sie müssen in einem
berührungsfreien Zustand gehalten werden. Vor kurzem sind
Forschungsarbeiten für supraleitende Lagereinheiten als
Lagereinheiten zum Halten einer Drehwelle in einem
berührungsfreien Zustand durchgeführt worden. Diese
supraleitenden Lagereinheiten verwenden den Pinning-Effekt
des supraleitenden Körpers, wobei die Drehwelle in einem
schwebenden Zustand gehalten werden kann.
Eine derartige supraleitende Lagereinheit ist auf Seite 18
des Vortragsverzeichnisses der 1991 Spring Cryogenic
Engineering and Superconducting Symposium beschrieben.
Diese herkömmliche supraleitende Lagereinheit ist primär
für eine axiale Halterung in einer Schubrichtung
vorgesehen, wie im Prinzip in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt.
In Fig. 5 umfaßt sie einen ringförmigen oder kreisförmigen
Permanentmagneten 1 und eine Vielzahl aus einem
supraleitenden Material hergestellten Plättchen 2, die dem
Permanentmagneten 1 gegenüberliegend angeordnet sind. Der
Permanentmagnet 1 und die Plättchen 2 sind in jeweilige
Kupferscheiben 3 und 4 eingebettet. Außerdem sind die
Plättchen 2, die aus einem supraleitenden Oxid aus einer
Yttrium-Legierung (beispielsweise YBa2 Cu3 Ox)
hergestellt sind, in einem konzentrischen Kreis angeordnet.
Die Plättchen 2 nehmen einen supraleitenden Zustand an,
wenn die Scheibe 4 in die sie eingebettet sind, gekühlt
wird. Als Folge davon wird eine Kraft in der Richtung, die
eine Änderung des Abstandes zwischen den jeweiligen
Plättchen 2 und den Permanentmagneten 1 verhindert, auf
Grund des Pinning-Effekts der zwischen den jeweiligen
Plättchen 2 und dem Permanentmagneten 1 ausgeübt wird,
erzeugt. Das heißt, daß eine Pinning-Kraft erzeugt wird,
wenn die Plättchen 2 supraleitend werden, die den von dem
Permanentmagneten 1 ausgehenden magnetischen Fluß in den
Plättchen 2 beschränkt.
Wenn der Abstand oder der Spalt zwischen dem
Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 dazu tendiert sich
zu öffnen oder länger zu werden, wirkt eine anziehende
Kraft auf Grundlage der Pinning-Kraft zwischen dem Paar
von Elementen 1 und 2. In ähnlicher Art, wirkt eine
abstoßende Kraft auf Grund der Pinning-Kraft zwischen dem
Paar von Elementen 1 und 2 wenn der Abstand zwischen dem
Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 eine Tendenz
aufweist sich zu verringern. Der Abstand zwischen dem
Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 wird mittels
dieser anziehenden und abstoßenden Kräfte konstant
aufrecht erhalten. Außerdem verhindert die Pinning-Kraft
eine Abweichung der Lagebeziehung zwischen
dem Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 in einer
Oberflächenrichtung. Falls dementsprechend der
Permanentmagnet 1 an einer Drehwelle befestigt ist, kann
die Drehwelle in einem sich frei drehenden schwebenden
Zustand bezüglich der Scheibe 4 gehalten werden.
Fig. 6 zeigt eine Drehwelle 5 die mittels einer
supraleitenden Lagereinheit wie im Prinzip oben
beschrieben, in einem sich frei drehenden Zustand gehalten
wird. Eine Vielzahl von Plättchen 2 sind in einem Paar von
jeweiligen Scheiben 4a eingebettet. Das Paar von Scheiben
4a sind voneinander beabstandet und parallel angeordnet.
Jede der Scheiben 4a wird mittels flüssigen Stickstoffs
gekühlt, der in einer Kühlummantelung 7 in einem Gehäuse 6
gespeichert ist. Eine weitere Scheibe 3a ist zwischen dem
Paar Scheiben 4a an einem Mittelabschnitt der Drehwelle 5
fest befestigt, die durch das Innere des Paars von
Scheiben 4a läuft. Die Permanentmagneten 1 sind in unteren
und oberen Stirnflächen der Scheibe 3a eingebettet. Die
Permanentmagneten 1 sind so angeordnet, daß sie den
Plättchen 2 gegenüberliegen. Ein magnetischer Motor 8 ist
an einem Endabschnitt der Drehwelle 5 für ihre Umdrehung
vorgesehen.
Beim Einlassen von flüssigem Stickstoff in die
Kühlummantelung 7, werden die Plättchen 7 die in die
jeweiligen Scheiben 4a eingebettet sind, supraleitend. Als
Folge davon wird verhindert, daß sich die Scheibe 3a, die
fest an dem Mittelabschnitt der Drehwelle 5 befestigt ist,
oder von den jeweiligen Scheiben 4a zu weit entfernt oder
sich zu nahe an sie heranbeugt, so daß die Drehwelle 5 in
einem schwebenden Zustand gehalten wird, in dem sie
gedreht werden kann.
Bei einer herkömmlichen supraleichten Lagereinheit mit der
obigen herkömmlichen Konstruktion, ist es leicht möglich,
daß die radiale Festigkeit oder Stabilität niedriger ist,
als die Festigkeit oder Stabilität in der Schubrichtung.
Bei der supraleitenden Lagereinheit wie beispielsweise in
der Fig. 6 gezeigt, sind die radiale Festigkeit oder
Stabilität und die Lastlagerungskapazität besonders
niedrig, da die Plättchen 2 aus supraleitendem Material
und der Permanentmagnet 1 in der Schubrichtung einander
gegenüber liegen. Bei einer supraleitenden Lagereinheit,
bei der ein supraleitender Körper und ein Permanentmagnet
einander gegenüber in der Radialrichtung angeordnet sind,
kann die radiale Festigkeit oder Stabilität und
Lastkapazität im Vergleich mit der supraleitenden
Lagereinheit aus Fig. 6 erhöht werden, doch ist es im
allgemeinen schwierig, eine ausreichende radiale
Festigkeit oder Stabilität und Lastlagerungskapazität
sicher zu stellen.
Als Folge davon ist es, bei herkömmlichen supraleitenden
Lagereinheiten bei denen eine Drehwelle innerhalb eines
Lagergehäuses gelagert ist oder ein Rotor so gelagert ist,
daß er sich frei um eine Achse drehen kann, nicht möglich,
die Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle oder des
Rotors über die kritische Geschwindigkeit zu heben,
welcher im folgenden noch näher ausgeführt wird.
Das bedeutet, daß das drehende Material der Drehwelle oder
des Rotors eine bestimmte charakteristische
Resonanzfrequenz besitzt, die der Lagerfestigkeit oder
Stabilität und dergleichen zugeordnet ist. Wenn sich die
Umdrehungsgeschwindigkeit des sich drehenden Materials bis
zu diesem Punkt erhöht, stimmt die
Umdrehungsgeschwindigkeit mit der Resonanzfrequenz
überein, welches ein sogenanntes Wirbelphänomen zur Folge
hat, welches eine heftige positionsmäßige Änderung des sich
drehenden Körpers in der radialen Richtung bewirkt. Die
Umdrehungsgeschwindigkeit, bei der dieses Wirbelphänomen
auftritt, wird als die gefährliche oder kritische
Geschwindigkeit des sich drehenden Systems bezeichnet. Der
Ausdruck "kritische Geschwindigkeit" wird in dieser
Beschreibung verwendet. Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit
des sich drehenden Körpers niedriger als die "kritische
Geschwindigkeit" ist, oder wenn sie die "kritische
Geschwindigkeit" überschreitet, hört das Wirbeln des sich
drehenden Körpers auf und der sich drehende Körper dreht
sich gleichmäßig.
Lagereinheiten wie Gleitlager, Flüssigkeitslager und
Rollager, die ganz allgemein bis jetzt verwendet worden
sind, besitzen eine radiale Festigkeit oder Stabilität und
Lastlagerungskapazität die ausreichend groß ist, so daß
sich die "kritische Geschwindigkeit" in einem Bereich
höherer Umdrehungsgeschwindigkeiten befindet. Wenn
Betriebsgeschwindigkeiten unterhalb der kritischen
Geschwindigkeit eingestellt sind, besitzen die
Lagereinheiten dementsprechend eine ausreichende
Betriebslebensdauer.
Andererseits erscheinen bei den supraleitenden
Lagereinheiten, bei denen die radiale Festigkeit oder
Stabilität und Lastlagerungskapazität klein ist, die
"kritischen Geschwindigkeiten" in dem Bereich niedrigerer
Umdrehungsgeschwindigkeiten. Falls ein von einer
supraleitenden Lagereinheit gehaltenes Element die
niedrige "kritische Geschwindigkeit" umgehen könnte,
könnte somit die Umdrehungsgeschwindigkeit des sich
drehenden Elementes sehr hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten
erreichen.
Mit einem Gleitlager oder Rollager, ist eine ausreichende
Lebensdauer auf Grund der Wärme, die erzeugt wird, wenn
sich die Geschwindigkeit dem Bereich mit extrem hoher
Umdrehungsgeschwindigkeit annähert, nicht möglich.
Andererseits kann mit magnetischen Lagern vom steuerbaren
Typ die aus magnetischen Materialien bestehen, die mit
einem Elektromagneten zusammengesetzt sind, ein
schwebender Zustand des sich drehenden Elementes durch
Steuern der Energie des Elektromagneten aufrechtgehalten
werden. Obwohl diese Art von steuerbaren magnetischen
Lagern die obigen Probleme beseitigt, erfordert sie einen
höchstgenauen Positionssensor und eine Steuereinrichtung
mit einem hervorragenden Reaktionsverhalten, welches einen
komplizierten Aufbau und hohe Herstellungskosten zur Folge
hat.
Die hybride supraleitende Lagereinheit der vorliegenden
Erfindung wurde angesichts der oben erwähnten Umstände
durchgeführt.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Welle, ein um die
Welle angeordnetes Eingriffselement, das bezüglich der
Welle und des Eingriffselement 3 frei drehbar ist, ein
supraleitendes Lager, ein Hilfslager und eine
Einrück/Ausrück-Einrichtung. Das supraleitende Lager ist
mit einem Permanentmagneten und einem supraleitenden
Körper versehen und befindet sich zwischen dem
Eingriffselement und der Welle. Das Hilfslager ist ein
anderes Lager als ein supraleitendes Lager und ist
vorgesehen um zwischen der Welle und dem Eingriffselement
frei einzurücken / auszurücken. Die Einrück/Ausrück-
Einrichtung rückt das Hilfslager ein und aus.
Bei der vorliegenden ist das Hilfslager zwischen der Welle
und dem Eingriffselement eingerückt bis die
Umdrehungsgeschwindigkeit des Drehelements (das heißt, die
Welle bei dem Fall, bei dem das Eingriffselement stationär
ist, oder das Eingriffselement bei dem Fall, bei dem die
Welle stationär ist) die "kritische Geschwindigkeit" N0
des supraleitenden Lagers übersteigt. Als Folge davon,
werden die Welle und das Eingriffselement so gehalten,
daß sie relativ zueinander mittels des Hilfslagers frei
drehbar sind. Da das Hilfslager eine ausreichend große
radiale Festigkeit oder Stabilität oder
Lastlagerungskapazität besitzt, ist die "kritische
Geschwindigkeit" N1 aus Grundlage der Lagerfestigkeit oder
Stabilität des Hilfslagers zu einem ausreichenden Maße
größer als die "kritische Geschwindigkeit" N0. Als Folge
davon ist es möglich, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit
des sich drehenden Elements die "kritische
Geschwindigkeit" N0 des supraleitenden Lagers
überschreiten kann, ohne das Wirbelphänomen zu unterlaufen.
Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit die "kritische
Geschwindigkeit" N0 übersteigt, löst die
Einrück/Ausrück-Einrichtung den Eingriff des Hilflagers
von dem sich drehenden Element, das von dem supraleitenden
Lager gehalten wird. Da das sich drehende Element allein
durch das supraleitende Lager gehalten wird, tritt die
Situation, bei der die Geschwindigkeit des sich drehenden
Elements die "kritische Geschwindigkeit" N1 bezüglich des
Hilfslagers erreicht nicht auf, so daß die "kritische
Geschwindigkeit" N1 durchlaufen werden kann, wodurch eine
Drehung mit extrem hoher Geschwindigkeit oberhalb der
"kritischen Geschwindigkeit" N1 erreicht werden kann.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt eines ersten
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine vertikale Teilquerschnittsansicht eines
zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 3 eine vertikale Teilquerschnittsansicht eines
dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 4 ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer
Steuerschaltung zeigt;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, die das grundlegende
Prinzip einer herkömmlichen supraleitenden
Lagereinheit zeigt; und
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht, die die supraleitende
Lagereinheit der Fig. 5 zum drehbaren Halten einer
Welle zeigt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, das in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Drehkörper
10 so gehalten, daß er sich frei innerhalb eines Gehäuses
9 bewegen kann. Das Gehäuse 9 ist das in den Ansprüchen
erwähnte Eingriffselement. Das Gehäuse 9 besitzt eine
zylindrische Wand 11, deren obere und untere Enden mit
einer oberen Platte 12 bzw. einer unteren Platte 13
abgedeckt sind. Die Drehwelle 10 wird zur zylindrischen
Wand 11 innerhalb des Gehäuses 9 konzentrisch gehalten.
Ein Paar von oberen und unteren Permanentmagneten 14a und
14b sind mit einem Abstand an zwei Positionen auf der
äußeren Umfangsfläche
der Drehwelle fest angebracht.
Ein Paar supraleitende Körper 15a und 15b sind fest direkt
über dem Permanentmagneten 14a bzw. direkt unterhalb des
Permanentmagneten 14b auf der inneren Umfangsfläche der
zylindrischen Wand 11 angeordnet. Die untere Fläche des
supraleitenden Körpers 15a liegt der oberen Fläche des
unteren Permanentmagneten 14a mit einem Lagerspalt 16b
dazwischen gegenüber. Eine (in der Figur nicht gezeigte)
Kühlummantelung ist auf der inneren Umfangsfläche der
zylindrischen Wand 11 so vorgesehen, daß sie einen Teil
jedes supraleitenden Körpers 15a und 15b umgibt. Ein (in
der Figur nicht gezeigtes) Zuführungs/Auslass-Tor ist auf
einem Abschnitt des Gehäuses 9 vorgesehen, so daß ein
flüssiges Stickstoff-Kühlmittel über das
Zuführungs/Auslass-Tor an die Ummantelung zugeführt bzw.
dadurch ausgestoßen werden kann.
Konische Vorsprünge 17a und 17b, die zur Drehwelle 10
konzentrisch angeordnet sind an oberen bzw. unteren Enden
der Drehwelle 10 gebildet. Ein oberes Lager 18a ist auf
einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der oberen Platte
12 an einem Abschnitt gebildet, der dem oberen Ende der
Drehwelle 10 entspricht. Ein unteres Lager 18b ist auf
einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der unteren
Platte 13 an einem Abschnitt vorgesehen, der dem unteren
Ende der Drehwelle 10 entspricht. Eine konische Aufnahme
19a die den konischen Vorsprung 17a bündig aufnimmt ist
auf einer unteren Fläche des oberen Lagers 18a gebildet,
während eine konische Aufnahme 19b, die den konischen
Vorsprung 17b bündig aufnimmt auf einer unteren Fläche des
unteren Lagers 18b gebildet ist.
Der konische Vorsprung 17a und/oder die konische Aufnahme
19a und der konische Vorsprung 17b und/oder die konische
Aufnahme 19b ist mit einem trockenen Gleitmittel,
beispielsweise Graphit oder Molybden-Disulfid oder mit
einem feuchten Gleitmittel beispielsweise Fett bestrichen
oder geschmiert. Wenn die konischen Vorsprünge 17a und 17b
mit den konischen Aufnahmen 19a bzw. 19b in Kontakt
gebracht werden, erzeugt dies ein Hilfslager in Form eines
Gleitlagers.
Bei dem Hilfslager kann es sich um einen dynamischen
Flüssigkeits- oder statischen Druckflüssigkeits- Typ
handeln. Ein dynamisches Flüssigkeitslager ist so
konstruiert, daß eine dynamische Ausnehmung in wenigstens
einer der Flächen der konischen Vorsprünge 17a (17b) und
der konischen Aufnahmen 19a (19b), die den Vorsprüngen 17a
(17b) gegenüberliegen, gebildet ist, derart, daß ein Luft
oder Ölfilm zwischen jeweiligen Paaren von Flächen 17a
(17b) und 19a (19b) gebildet wird, wenn sich die Drehwelle
dreht. Bei einem Lager vom statischen Flüssigkeitstyp wird
eine verdichtete Flüssigkeit zwischen den jeweiligen
Paaren vom Flächen 17a (17b) und 19a (19b) mittels einer
(in der Figur nicht gezeigten) Zuführungseinrichtung für
verdichtete Flüssigkeit geleitet.
Das obere Lager 18a ist fest an der unteren Fläche der
unteren Platte 12 angebracht, während das untere Lager 18b
über der unteren Platte 13 so gehalten wird, daß es sich
frei heben und senken kann. Eine Ausdehnungsmanschette 20
wird in Eingriff stehend gehalten, indem ihr unterer Rand
mit einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der unteren
Platte 13 im Eingriff steht. Das untere Lager 18b ist auf
einem oberen Rand der
Ausdehnungsmanschette 20 in Eingriff stehend gehalten.
Eine Zuführungsöffnung 21 und eine Auslaßöffnung 22 sind
in einem Mittelabschnitt der unteren Platte 13 vorgesehen,
der von der Ausdehnungsmanschette 20 umgeben ist.
Druckluft wird mittels der Zuführungsöffnung 21 oder der
Auslaßöffnung 22 der Ausdehnungsmanschette 20 zugeführt
bzw. von ihr abgegeben. Die Ausdehnungsmanschette 20, die
Zuführungsöffnung 21 und die Auslaßöffnung 22 bilden die
Eingriffs/Ausrückeinrichtung, wodurch das untere Lager 18b
angehoben oder abgesenkt werden kann, um das Hilfslager
einzurücken oder auszurücken. Das untere Lager 18b greift
in einen (nicht gezeigten) Führungsabschnitt ein, der
innerhalb des Gehäuses 9 vorgesehen ist, so daß ermöglicht
wird, daß sich das untere Lager 18b frei nach oben und
unten bewegen kann, aber verhindert wird, daß das untere
Lager 18b eine radiale positionsmäßige Anderung erfährt.
Außerdem ist ein Rotor 23 auf einer äußeren Umfangsfläche
an einem unteren Endabschnitt der Drehwelle 11 befestigt,
während ein Stator 24 auf einer inneren Umfangsfläche der
zylindrischen Wand 11 an einer dem Stator 23
entsprechenden Position vorgesehen ist. Der Rotor 23 und
der Stator 24 bilden einen elektrischen Motor 25 um die
Drehwelle 10 zu drehen. Durch die folgende Betriebsweise
kann, mit der wie oben beschrieben konstruierten hybriden
supraleitenden Lagereinheit der vorliegenden Erfindung die
Drehwelle 10 mit einer hohen Geschwindigkeit oberhalb der
"kritischen Geschwindigkeit" N0 gedreht werden.
Bevor dem elektrischen Motor 25 Energie zugeführt wird,
wird der Ausdehnungsmanschette 20 Druckluft über die
Zuführungsöffnung 21 zugeführt, wodurch das untere
Lager 18b zusammen mit der Drehwelle 10 gehoben wird. Als
Folge davon paßt der konische Vorsprung 17a bündig in die
konische Aufnahme 19a des oberen Lagers 18a und der
konische Vorsprung 17b paßt bündig in die konische
Aufnahme 19b des unteren Lagers 18b. Mittels des Paars von
oberen und unteren Gleitlagern wird in diesem Zustand die
Drehwelle 10 so gehalten, daß sie sich frei innerhalb des
Gehäuses 9 drehen kann. Außerdem werden in diesem Zustand
das Paar von oberen und unteren Permanentmagneten 14a und
14b und supraleitenden Körpern 15a und 15b jeweils
zueinander konzentrisch gehalten. Zugleich werden die
Lagerspalte 16a und 16b variiert, so daß der untere
Lagerspalt 16a kleiner wird (so nahe am Minimum wie
möglich) während der untere Lagerspalt 16b größer wird.
Danach wird die Energieversorgung für den elektrischen
Motor 25 eingeschaltet und die Drehwelle 10 beginnt sich
zu drehen. Die "kritische Geschwindigkeit" N0 des
supraleitenden Lagers ist durch die Masse der Drehwelle 10
und die daran befestigten Elemente und durch die
Lagerfestigkeit oder Stabilität des supraleitenden Lagers
bestimmt. Jedoch besteht mit dem Gleitlager, das aus
sowohl dem oberen Lager 18a als auch dem unteren Lager 18b
gebildet ist, eine ausreichende Lastlagerungskapazität und
Festigkeit oder Stabilität in der radialen Richtung, so
daß die "kritische Geschwindigkeit" N1, die durch die
Lagerfestigkeit oder Stabilität des Gleitlagers bestimmt
wird, im Vergleich mit der "kritischen Geschwindigkeit" N0
des supraleitenden Lagers ausreichend hoch. Sogar wenn die
Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle 10 allmählich
ansteigt, bis die Umdrehungsgeschwindigkeit die "kritische
Geschwindigkeit" N0 des supraleitenden Lagers erreicht,
tritt dementsprechend ein Wirbeln der
Drehwelle 10 nicht auf.
Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle 10 steigt dann
über die "kritische Geschwindigkeit" N0 an. Nach
Überschreiten der "kritischen Geschwindigkeit" N0 wird die
Druckluft in der Ausdehnungsmanschette 20 über die
Auslaßöffnung 22 abgegeben und das untere Lager 18b senkt
sich ab. In dem Zeitabschnitt, nachdem Druckluft an die
Ausdehnungsmanschette 20 über die Zuführungsöffnung 21
zugeführt worden ist und bevor die Druckluft über die
Auslaßöffnung 22 abgegeben wird, wird flüssiger Stickstoff
in die (nicht gezeigte) in dem Gehäuse 9 vorgesehene
Kühlummantelung geleitet. Als Folge davon wird das Paar
von supraleitenden Körpern 15a und 15b in einen
supraleitenden Zustand gebracht.
Dadurch wird die Haltekraft auf der Drehwelle 10, die
durch das untere Lager 18b vorgesehen wird, durch Absenken
des unteren Lagers 18b beseitigt, sobald die
supraleitenden Körper 15a und 15b supraleitend geworden
sind. Die Drehwelle 10 und das obere und untere Paar von
Permanentmagneten 14a und 14b weisen eine Tendenz auf, daß
sie unter ihrem Gewicht als Folge einer Beseitigung der
Haltekraft fallen. Außerdem wird der Lagerspalt 16a
größer, während der Lagerspalt 16b kleiner wird.
In diesem Zustand erzeugt der von dem Paar von
Permanentmagneten 14a und 14b ausgehende magnetische Fluß
einen Pinning-Effekt innerhalb der supraleitenden Körper
15a und 15b. Als Folge davon erhöht sich eine Kraft
zwischen den gegenüberliegenden Elementen 14a und 14b, 15a
und 15b in einer Richtung, um die gegenseitige
positionsmäßige Änderung der Permanentmagneten 14a und 14b
und den supraleitenden Körpern 15a und 15b zu verhindern.
Das heißt, mit der Tendenz der Drehwelle 10 etc. unter
ihrem Eigengewicht zu fallen, wirft eine anziehende Kraft
auf Grund der Pinning-Kraft zwischen dem oberen
Permanentmagneten 14a und dem supraleitenden Körper 15a
und eine abstoßende Kraft auf Grund der Pinning-Kraft
wirkt zwischen dem unteren Permanentmagneten 14b und dem
supraleitenden Körper 14b. Als Folge davon wird das Fallen
der Drehwelle 10 gestoppt, wobei das Eigengewicht durch
die anziehenden und abstoßenden Kräfte ausgeglichen wird.
Außerdem wird eine positionsmäßige Änderung der Drehwelle
10 in der radialen Richtung mittels einer Kraft auf Grund
der Pinning-Kraft verhindert.
Dementsprechend wird nach Verlust der durch das untere
Lager 18b vorgesehenen Haltekraft, die Drehwelle 10 zu dem
Gehäuse 9 konzentrisch in einem schwebenden Zustand
gehalten. Dementsprechend üben Reibungskräfte bezüglich
der Umdrehung der Drehwelle 10 keine Wirkung mehr aus. In
diesem Zustand hat die Umdrehungsgeschwindigkeit der
Drehwelle 10 bereits die "kritische Geschwindigkeit" N0
überschritten. Dementsprechend wird ein Wirbeln der
Drehwelle 10 vermieden, wodurch ermöglicht wird, daß sich
die Drehwelle 10 bei einer extrem hohen Geschwindigkeit
dreht.
Die "kritische Geschwindigkeit" N0 der Drehwelle 10, die
durch die Lagerfestigkeit oder Stabilität des
supraleitenden Lagers bestimmt wird, variiert in
Abhängigkeit von Parametern wie beispielsweise des
Materials, Durchmessers und der Länge der
Drehwelle 10 und des Gewichts und Positionierung von
Elementen die an der Drehwelle 10 befestigt werden. Falls
die Drehwelle 10 beispielsweise als eine Lagerspindel
einer Zentrifugal - Abscheidevorrichtung verwendet wird,
ist die "kritische Geschwindigkeit" ungefähr 2000-3000
Umdrehungen pro Minute. Außerdem ist die Zeit, die die
Drehwelle 10 benötigt um aus dem stationären Zustand, wenn
der elektrische Motor 25 gestartet wird, auf oberhalb der
"kritischen Geschwindigkeit" N0 der Drehwelle 10 zu
beschleunigen, extrem kurz und in der Größenordnung
einiger Sekunden bis einiger Zehntelsekunden.
Dementsprechend kann die Drehwelle 10 während eines
Beschleunigungs zum Durchlaufen der "kritischen
Geschwindigkeit" N0 durch die Gleitlager ohne irgendwelche
Probleme gehalten werden.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel sind runde
Vorsprünge 26a und 26b an den unteren Endflächen des
oberen Lagers 18a bzw. an der Drehwelle 10 gebildet, und
konkave Abschnitte 27a und 27b sind an den unteren
Endflächen der Drehwelle 10 bzw. des unteren Lagers 18b
gebildet.
Die jeweiligen runden Vorsprünge 26a und 26b und die
runden konkaven Abschnitte 27a und 27b stehen miteinander
im Eingriff, wenn sich das untere Lager 18b hebt, wenn an
die Ausdehnungsmanschette 20 Druckluft zugeführt wird. Das
obere und untere Paar von Permanentmagneten 14a und 14b
bzw. supraleitende Körper 15a und 15b (Fig. 1) werden dann
zueinander konzentrisch. Zugleich werden durch Eingriffe
zwischen den jeweiligen Vorsprüngen 26a und 26b und runden
konkaven Ausnehmungen 27a und 27b obere und untere Paare
von Gleitlagern geschaffen. Andere Aspekte der
Konstruktion und des Betriebs sind im wesentlichen die
gleichen wie für das erste Ausführungsbeispiel. Falls
erforderlich , können beispielsweise dynamische
Ausnehmungen in den Eingriffsflächen gebildet werden.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, bei dem Rollager als die
Hilfslager verwendet werden. Eine obere Aufnahme 29a wird
auf einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der oberen
Platte 12 so gehalten, daß sie sich mittels eines
Rillenkugellagers 28a frei drehen kann. Eine untere
Aufnahme 29b ist auf einem oberen Endabschnitt der auf dem
Mittelabschnitt der unteren Platte 13 vorgesehenen
Ausdehnungsmanschette 20 gehalten, um sich mittels eines
Tiefnut-Kugellagers 28b frei zu drehen.
Konische Vorsprünge 17a und 17b sind an oberen und unteren
Enden der Drehwelle 10 gebildet und konische Aufnahmen 19a
und 19b sind auf der unteren Fläche der Aufnahme 29a am
oberen Ende bzw. auf der unteren Fläche der Aufnahme 29b
am unteren Ende gebildet. Das Paar von oberen und unteren
Permanentmagneten 14a und 14b und supraleitenden Körpern
15a und 15b (Fig. 1) werden zueinander konzentrisch, wenn
die Aufnahme 29b am unteren Ende angehoben wird, wenn
Druckluft in die Ausdehnungsmanschette 20 geleitet wird.
Mit dieser Anordnung ist ein Gleiten zwischen den
jeweiligen konischen Vorsprüngen 17a und 17b und konischen
Aufnahmen 19a und 19b nicht notwendig. Andere Aspekte der
Konstruktion und des Betriebs sind im wesentlichen die
gleichen wie für die ersten und zweiten
Ausführungsbeispiele.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Steuerschaltung ein
hybrides supraleitenden Lagers der vorliegenden Erfindung.
Ein Erfassungssignal A von einem
Umdrehungsgeschwindigkeitssensor 30, der die
Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle 10 erfaßt, wird
einer Steuereinrichtung 31 eingegeben. Die
Steuereinrichtung 31 gibt ein Steuersignal B an die
Eingriffs/Ausrück-Einrichtung 32 ab, um das Hilfslager
einzurücken und auszurücken.
Die Steuereinrichtung 31 umfaßt eine Einstelleinrichtung
33 zum Einstellen einer Geschwindigkeit über der
"kritischen Geschwindigkeit" N0 und zum Speichern dieser
Einstellung, einem Vergleicher 34 zum Vergleichen eines
Einstellsignals C, das von der Einstelleinrichtung 33
abgegeben wird, mit dem Erfassungssignal A und zum Abgeben
eines Befehlsignals D, wenn das Erfassungssignal A größer
gleich dem Einstellsignal C ist, und einen
Steuerschaltkreis 35 zum Abgeben eines Steuersignals B auf
Grundlage des Befehlssignals D.
Die Steuerschaltung ist mit der hybriden supraleitenden
Lagereinheit der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
Wenn die Drehwelle 10 aus dem stationären Zustand
gestartet wird, wird dann mit dieser Steuerschaltung ohne
irgendwelche speziellen Behandlungserfordernissen, die
Geschwindigkeit der Drehwelle ohne Auftreten eines
Wirbelns in die Nähe der "kritischen Geschwindigkeit" N0
angehoben. Das heißt, daß unmittelbar nach Starten aus dem
Stoppzustand und während eines Zustandes, bei dem die
Umdrehungsfrequenz niedrig ist, die Steuerschaltung
arbeitet, um der Ausdehnungsmanschette 20 der
Eingriffs/Ausrückeinrichtung 32 Druckluft zuzuführen. Wenn
dann die Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle 10 die
"kritische Geschwindigkeit" N0 überschreitet, arbeitet die
Steuerschaltung um automatisch Druckluft aus der
Ausdehnungsmanschette 20 auszulassen, wodurch der Eingriff
der Drehwelle mit dem Gleitlager, Flüssigkeitslager oder
Rollager in dem Hilfslager gelöst wird.
Elemente die mittels der Steuerschaltung B betrieben
werden können, umfassen beispielsweise ein in der
Zuführungs/Auslasschaltung für Druckluft vorgesehenes
Schaltventil vom elektromagnetischen Typ. Außerdem ist es
möglich, die Ausdehnungsmanschette 20 durch ein Solenoid
zu ersetzen. Somit kann mit einer aus diesem Solenoid
gebildeten Eingriffs/Ausrück-Einrichtung 32 das Solenoid
direkt von dem Steuersignal B betätigt werden.
In der obigen Beschreibung dreht sich die Drehwelle 10
innerhalb eines festen Gehäuses 9. Jedoch ist die
vorliegende Erfindung nicht auf diese Erfindung beschränkt
und kann auch auf einem Rotor angewendet werden, der sich
um eine feste Achse dreht.
Mit dem hybriden supraleitenden Lager der vorliegenden
Erfindung ist es möglich, die Umdrehungsgeschwindigkeit
eines sich drehenden Körpers, beispielsweise einer
Drehwelle, über die "kritische Geschwindigkeit" hinaus zu
beschleunigen. Dementsprechend leistet die vorliegende
Erfindung einen beträchtlichen Beitrag für die praktische
Verwendung von hybriden supraleitenden Lagereinheiten mit
niedriger Festigkeit oder radialer Stabilität und
niedriger Lastlagerungskapzität.
Claims (2)
1. Hybride supraleitende Lagereinheit umfassend eine
Welle (10), ein Eingriffselement (9), das frei drehbar
um die Welle (10) herum angeordnet ist, ein
supraleitendes Lager, das einen Permanentmagneten
(14a, 14b), und einen supraleitenden Körper (15a, 15b)
besitzt und zwischen dem Eingriffselement (9) und der
Welle (10) vorgesehen ist, und ein Hilfslager (18a,
18b) , das ein anderes Lager als ein supraleitendes
Lager ist, und vorgesehen ist, um zwischen der Welle
(10) und dem Eingriffselement (9) frei ein- und
auszurücken, und eine Einrück/Ausrück-Einrichtung
(20-22) zum Ein- und Ausrücken des Hilfslagers (18a,
18b).
2. Verfahren zum Betreiben einer hybriden supraleitenden
Lagereinheit für eine Welle (10) und ein
Eingriffselement (9) , das bezüglich der Welle (10)
relativ drehbar ist, umfassend die folgende Schritte:
- - Vorsehen eines supraleitenden Lagers mit einem Permanentmagneten (14a, 14b) und einem supraleitenden Element (15a, 15b) zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9);
- - Vorsehen eines Hilfslagers (18a, 18b) , das kein supraleitendes Lager ist, zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9);
- - Vorsehen einer Einrück/Ausrück-Einrichtung (20-22);
- - Einrücken eines Hilfslagers (18a, 18b) zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9) mittels der Einrück/Ausrück-Einrichtung (20-22) bis zu einem Zeitpunkt, bei dem die relative Geschwindigkeit zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9) die "kritische Geschwindigkeit" (N0) des supraleitenden Lagers übersteigt, so daß das sich drehende Element, das entweder die Welle (10) oder das Eingriffselement (9) ist, von dem sich nicht drehenden Element mittels des Hilfslagers (14a, 14b) gehalten wird, um sich frei zu drehen;
- - Ausrücken des Hilfslagers (14a, 14b) von dem sich drehenden Element mittels der Einrück/Ausrück-Einrichtung (20-22) , so daß das sich drehende Element von dem sich nicht drehenden Element mittels des supraleitenden Lagers gehalten wird, nachdem die relative Geschwindigkeit die "kritische Geschwindigkeit" (Nc) überschritten hat.
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