DE4234524A1 - Hybride supraleitende lagervorrichtung und dafuer vorgesehenes betriebsverfahren - Google Patents

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 O_x) 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.