DE4436831C2 - Magnetische Lagerung einer Rotorwelle unter Verwendung von Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial - Google Patents
Magnetische Lagerung einer Rotorwelle unter Verwendung von Hoch-T¶c¶-SupraleitermaterialInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Lagerung
einer Rotorwelle mit bei deren Auslenkung aus einer Sollage
radial und gegebenenfalls axial rückstellenden magnetischen
Kräften. Eine derartige magnetische Lagerung geht aus der
US-PS 5 196 748 hervor.
Magnetische Lager erlauben eine berührungs- und verschleiß
freie Lagerung von bewegten Teilen. Sie benötigen keine
Schmiermittel und können reibungsarm konstruiert werden. Da
bei läßt sich ein Rotorkörper hermetisch, z. B. vakummdicht
von dem ihn umgebenden Außenraum trennen.
Herkömmliche (konventionelle) Magnetlager benutzen magneti
sche Kräfte zwischen stationären Elektromagneten eines Sta
tors und mitrotierenden ferromagnetischen Elementen eines Ro
torkörpers. Die Magnetkräfte sind bei diesem Lagertyp immer
anziehend. Als Folge davon kann prinzipiell keine inhärent
stabile Lagerung in allen drei Raumrichtungen erzielt werden
(vgl. "Earnshaw′sches Theorem" in "Transactions of the Cam
bridge Philosophical Society", Vol. 7, 1842, Seiten 97 bis
120). Solche Magnetlager benötigen deshalb eine aktive Lage
regelung, die über Lagesensoren und einen Regelkreis die
Ströme der Tragemagnete steuert und Abweichungen des Rotor
körpers aus seiner Sollage entgegenwirkt. Die mehrkanalig
auszuführende Regelung benötigt eine aufwendige Leistungs
elektronik. Gegen einen plötzlichen Ausfall des Regelkreises
muß zusätzlich ein mechanisches Fanglager vorgesehen werden.
Entsprechende Magnetlager werden z. B. bei Turbomolekularpum
pen, Ultrazentrifugen, schnellaufenden Spindeln von Werkzeug
maschinen und Röntgenröhren mit Drehanoden eingesetzt; eine
Verwendung bei Motoren, Generatoren, Turbinen und Kompresso
ren ist beabsichtigt.
Aus der US -A-4 072 370 geht eine Lagerung einer Rotorwelle
aus einem nicht-magnetischen Material hervor. Um die Welle in
axialer und radialer Richtung stabil zu lagern, sind sowohl
an der Welle als auch an einem sie umschließenden Stator be
sondere, entsprechende rückstellende Kräfte erzeugende Ma
gnetanordnungen vorgesehen. Jede dieser Magnetanordnung um
faßt dabei Eisenringe und radial polarisierte Magnetringe,
die jeweils zusammen ein ringscheibenförmiges Element mit in
axialer Richtung gesehen abwechselnder radialer Magnetisie
rung bilden. Zwischen solchen benachbarten Elementen befinden
sich weitere Magnetringe mit abwechselnd axialer Magnetisie
rung. Der konstruktive Aufwand für eine stabile Lagerung ist
dementsprechend groß.
Ferner ist es aus der JP-A-4-290609 prinzipiell bei passiv
stabilisierten magnetischen Lagern bekannt, zur Erhöhung der
magnetischen Flußdichte und zur Realisierung der magnetischen
Sättigung alternierend extrem dünne Lagen aus magnetischem
Material und plattenförmige Permanentmagnete aneinanderzufü
gen. Auf diese Weise ist eine hohe axiale Steifigkeit und ei
ne große passive Stabilität eines Lagers erreichbar.
Supraleiter erlauben einen neuen Typ von Magnetlagern: Einer
der Lagerteile wird hier durch permanentmagnetische Elemente
gebildet, die bei einer Lageänderung als Folge von Feldände
rungen in Supraleiterteilen Abschirmströme induzieren. Die
resultierenden Kräfte können abstoßend oder anziehend sein,
sind aber immer so gerichtet, daß sie der Auslenkung aus der
Sollage entgegenwirken. Im Gegensatz zu konventionellen Ma
gnetlagern kann dabei eine inhärent stabile Lagerung erreicht
werden (vgl. z. B. "Appl. Phys. Lett.", Vol. 53, No. 16, 1988,
Seiten 1554-1556). Im Vergleich zu konventionellen Magnetla
gern entfällt hier die aufwendige und störanfällige Regelung;
es ist aber eine Kühlung des Supraleitermaterials erforder
lich.
Solche supraleitenden Lagerteile können eines der ersten Ein
satzfelder für die seit 1987 bekannten metalloxidischen
Hoch-Tc-Supraleitermaterialien wie z. B. auf Basis des Stoffsystems
Y-Ba-Cu-O sein, die mit flüssigem Stickstoff auf etwa 77 K
gekühlt werden. In massiver Form können entsprechende Mate
rialien bisher nur polykristallin hergestellt werden.
Bei der aus der eingangs genannten US-PS 5 196 748 zu entneh
menden Lagerung sind an einer Rotorwelle eine Vielzahl von in
Achsrichtung hintereinanderliegenden ringscheibenförmigen
permanentmagnetischen Elementen befestigt. Diese Elemente
sind so magnetisch polarisiert, daß sich in Achsrichtung ge
sehen eine alternierende Magnetisierung ergibt. Zwischen be
nachbarten Elementen sind jeweils vergleichsweise dünnere me
tallische (Shim-) Elemente angeordnet. Diesen Zwischenelemen
ten kommt in erster Linie die Aufgabe zu, die magnetischen
Flußlinien benachbarter permanentmagnetischer Elemente räum
lich und magnetisch zu trennen, so daß an jedem Zwischenele
ment an seiner dem Lagerspalt zugewandten Seite ein praktisch
feldfreier Spalt entsteht. Der so aufgebaute Rotorkörper ist
von einer ortsfesten, hohlzylinderförmigen Struktur aus
Hoch-Tc-Supraleitermaterial wie z. B. YBa₂Cu₃Ox umschlossen. Diese
Struktur wird mit flüssigem Stickstoff (LN₂) auf etwa 77 K
gehalten. Die US-PS zeigt ferner eine Rotorwelle aus einem
ferromagnetischen Material mit einem hohen Permeabilitäts
koeffizienten. Es wurde erkannt, daß sich deshalb der von
den permanentmagnetischen Elementen hervorgerufene magneti
sche Fluß zu einem großen Teil über diese Rotorwelle
schließt. Dies hat zur Folge, daß der im wesentlichen an der
Trennlinie zwischen den permanentmagnetischen Elementen und
ihren jeweils zugeordneten Zwischenelementen austretende, mit
der hohlzylindrischen Struktur aus dem Hoch-Tc-Supraleiterma
terial wechselwirkende Magnetfluß entsprechend geschwächt
ist. Es besteht dann die Gefahr, daß die in der supraleiten
den Struktur hervorzurufenden Abschirmströme zu gering sind,
um eine stabile Lagerung insbesondere von Rotorkörpern mit
größerem Gewicht zu gewährleisten.
Aus der EP-A-0 322 693 ist eine magnetische Lagerung eines
Rotors innerhalb eines Stators zu entnehmen, der aus
Hoch-Tc-Supraleitermaterial besteht. Der Rotor ist dabei aus mehreren
scheiben- oder zylinderförmigen Permanentmagneten gebildet,
die hinsichtlich ihrer Magnetfeldrichtung (bzw. Magnetisie
rung) alternierend hintereinander angeordnet sind. Zu einer
axialen Stabilisierung des Rotors befinden sich solche Perma
nentmagnete mit gleichem Außendurchmesser in einer entspre
chenden zylindrischen Sackbohrung des Stators; oder aber es
sind in dem Stator zylinderförmige Bereiche mit unterschied
lichen Durchmessern vorgesehen, in denen sich Permanentmagne
te des Rotors mit entsprechenden unterschiedlichen Durchmes
sern befinden. Die bekannte Lagerung ist für eine verhältnis
mäßig geringe Tragkraft ausgelegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die magnetische
Lagerung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend
auszubilden, daß eine inhärent axial und radial stabile, be
rührungs- und verschleißfreie, reibungsarme Lage einer Rotor
welle bewirkt wird. Dabei soll die Tragkraft und die Lager
steifigkeit ausreichend sein, um mechanische Lager in Maschi
nen wie Motoren, Generatoren, Pumpen, Zentrifugen, Schwungra
denergiespeicher usw. ersetzen zu können. Ferner soll bei
Ausfall der Kühlung die Lagerung Notlaufeigenschaften aufwei
sen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 an
gegebenen Maßnahmen gelöst.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß der aus
den permanentmagnetischen Elementen austretende Magnetfluß
weitgehend über die ferromagnetischen Elemente zu führen ist,
so daß sich dann der Vorteil eines verhältnismäßig großen ma
gnetischen Flusses an den der supraleitenden Struktur zuge
wandten Enden dieser ferromagnetischen Elemente ergibt. Die
Lagersteifigkeit ist deshalb entsprechend hoch. Die magneti
sche Lagerung wirkt dabei zumindest als ein Ra
diallager. Außerdem braucht für die Lagerung vor
teilhaft nur magnetisch-granulares Hoch-Tc-Supraleitermate
rial vorgesehen zu werden. Dessen magnetische Eigenschaften
sind durch die innerhalb der Kristallkörner zirkulierenden
Kreisströme bestimmt, die zu einer irreversiblen Magnetisie
rung führen (vgl. z. B. DE-OS 38 25 710). Damit können Pro
bleme eines nicht befriedigenden Stromtransportes über die
kristallinen Korngrenzen hinweg umgangen werden. Es wurde er
kannt, daß hierzu die Kristallkörner einen hinreichend großen
mittleren Korndurchmesser haben müssen. Der mittlere
Korndurchmesser wird dabei in den kristallinen a-b-Ebenen des
Hoch-Tc-Supraleitermaterials betrachtet, die vorzugsweise we
nigstens annähernd parallel zu der dem Lagerspalt zugewandten
Oberfläche der supraleitenden Struktur ausgerichtet sein
sollten. Unter einem "Korn" (oder gleichbedeutend: "Kristal
lit") wird dabei ein kristalliner Bereich des Supraleiterma
terialgefüges mit einheitlicher kristalliner Ordnung verstan
den, der an seinem Rand mit benachbarten Bereichen Korngren
zen bildet. Die Korngröße bzw. -ausdehnung ist dabei durch
den mittleren Durchmesser des einzelnen Korns in einem ebenen
Schliff gekennzeichnet.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Lagerung
soll der erste, mit der Rotorwelle verbundene Lagerteil die
Struktur mit dem Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthalten. Eine
solche Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn
die Lagerung Teil eines Generator- oder Motorläu
fers mit einer tiefgekühlten normalleitenden oder supralei
tenden Wicklung ist, wobei sich auch die Welle auf tiefer
Temperatur befindet. Infolge der Berührungsfreiheit entfällt
dabei eine Wärmeeinströmung über die Welle.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Lagerung
sind in Richtung der Achse der Welle langge
streckte permanentmagnetische Elemente mit einer in Umfangs
richtung gesehen alternierenden Polarisation vorgesehen. Mit
einer derartigen Lagerung kann eine Welle radial
gelagert und dabei ein Drehmoment berührungsfrei übertragen
werden. Eine solche Ausgestaltung der Lagerung
ist also dann von besonderem Vorteil, wenn über die Welle
eine Antriebsleistung übertragen werden soll. D.h., die Lage
rung besitzt Kupplungseigenschaften. Vorteilhaft
wird dabei mit den permanentmagnetischen Elementen der den
Rotorkörper umgebende, ortsfeste Lagerteil gebildet. Eine
entsprechende Ausgestaltung ist jedoch auch für den Rotorkör
per möglich. Die spezielle Lagerung mit den in
axialer Richtung langgestreckten permanentmagnetischen Ele
menten kann ebenfalls vorteilhaft für eine gekühlte Welle
eines Generator- oder Motorläufers mit gekühlter Wicklung
vorgesehen werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Un
teransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird nachfol
gend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen schema
tisch
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Lagerung
als Aufriß in Schrägansicht,
Fig. 2 den magnetischen Feldlinienverlauf in einem Teil
dieser Lagerung,
Fig. 3 eine supraleitende Struktur dieser Lagerung,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer Lagerung
in Schrägansicht mit drehmomentübertragenden
Kupplungseigenschaften
und
Fig. 5 eine andere Ausführungsform einer Lagerung
als Querschnitt mit Kupplungseigenschaften.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben
Bezugszeichen versehen.
Bei der in Fig. 1 gezeigten, allgemein mit 2 bezeichneten
Lagerung ist eine Ausführungsform mit einem Ro
torkörper 3 zugrundegelegt, der einen ersten, mit einer ro
tierenden Welle 4 verbundenen Lagerteil 5 mit mehreren, bei
spielsweise sechs ringscheibenförmigen permanentmagnetischen
Elementen 6a bis 6f enthält. Diese Elemente sind jeweils so
polarisiert, daß in Richtung der Wellenachse A gesehen die
Polarisation von Element zu Element entgegengesetzt ist. Die
einzelnen Polarisationsrichtungen sind in der Figur durch ge
pfeilte Linien 7 angedeutet. Zwischen den permanentmagneti
schen Elementen 6a bis 6f sind ringscheibenförmige Elemente
8a bis 8e aus einem ferromagnetischen Material wie z. B. Eisen
angeordnet. Außerdem sind an den stirnseitigen Außenflächen
der äußeren permanentmagnetischen Elemente 6a und 6f den
Elementen 8a bis 8e entsprechende ferromagnetische Elemente
8f und 8g vorgesehen. Das ferromagnetische Material dieser
Elemente 8a bis 8g dient zur Konzentration des Magnetflusses
an der zylinderförmigen Außenfläche des Rotorkörpers 3 und
erhöht dadurch die Tragkraft der Lagerung 2. Zu
gleich verstärken die Elemente 8a bis 8g auch mechanisch den
Rotorkörper 3 mit den im allgemeinen aus sprödem Material
bestehenden permanentmagnetischen Elementen 6a bis 6f. Alle
Elemente 6a bis 6f und 8a bis 8g sind stapelförmig hinterein
ander an der Welle 4 befestigt. Die Welle besteht vorteilhaft
aus einem nicht-magnetischen Material wie z. B. aus einem be
sonderen Stahl.
Der Stapel von permanentmagnetischen Elementen kann aber auch
auf einem rohrförmigen Trägerkörper aus unmagnetischem Mate
rial aufgebracht sein, der seinerseits einen gegebenenfalls
sogar ferromagnetischen Wellenteil umschließt. Die Wandstärke
dieses dann einen hohlzylindrischen Randbereich der Welle
darstellenden Trägerkörpers sollte in diesem Falle mindestens
die halbe axiale Dicke der Magnetpole, d. h. (d1 + d2)/2, be
tragen. Im allgemeinen besteht jedoch die gesamte Rotorwelle
aus dem nicht-magnetischen Material.
Die Außenkontur der ferromagnetischen Elemente 8a bis 8g und
gegebenenfalls die der permanentmagnetischen Elemente 6a bis
6f wird nach dem Stapeln und Fixieren, beispielsweise durch
eine Verklebungstechnik, beispielsweise durch Schleifen oder
Drehen in eine gleichmäßige zylindrische Form gebracht. Durch
das ferromagnetische Material wird das Magnetfeld rotations
symmetrisch, wobei zugleich Inhomogenitäten im Feld der per
manentmagnetischen Elemente ausgeglichen werden.
Das permanentmagnetische Material der Elemente 6a bis 6f soll
ein maximales Energieprodukt (B * H)max von wenigstens 20
MGOe aufweisen und besteht insbesondere aus einer Neodym(Nd)-
Eisen(Fe)-Bor(B)- oder gegebenenfalls aus einer Samarium(Sm)-
Cobalt (Co)-Legierung. Der höchstmögliche magnetische Lager
druck pm beträgt unter der Annahme eines idealen Supraleiters
und einer Weite Null des zwischen dem Rotorkörper 3 und einem
ihn umschließenden Stator ausgebildeten Lagerspaltes 10:
pm = µ₀ * H²/2.
Dieser Lagerdruck wird nicht durch das für den Stator vorge
sehene Supraleitermaterial sondern durch das maximal erreich
bare Magnetfeld H im Lagerspalt 10 vorgegeben. Dafür ist der
relevante Parameter die Koerzitivfeldstärke Hc des perma
nentmagnetischen Materials. Als permanentmagnetisches Mate
rial kommt deshalb insbesondere NdFeB in Frage, da es eine
verhältnismäßig hohe Koerzitivfeldstärke Hc hat. SmCo hat ge
genüber Raumtemperatur bei 77 K eine um 10% höhere Koerzi
tivfeldstärke Hc, die dann mit der von NdFeB vergleichbar
wird. Gegebenenfalls kommt deshalb auch eine Kühlung des
permanentmagnetischen Materials in Frage.
Die radiale Ausdehnung a der ringscheibenförmigen permanent
magnetischen Elemente sollte vorteilhaft mindestens das Zwei
fache ihrer Dicke d1 in axialer Richtung betragen. Demgegen
über wird vorteilhaft die axiale Dicke d2 jedes der ferroma
gnetischen Zwischenelemente 8a bis 8g kleiner als die Dicke
d1 gewählt; beispielsweise liegt die Dicke d2 bei ein bis
zwei Zehntel der Dicke d1.
Fig. 2 zeigt in einem Längsschnitt durch einen Teil des Ro
torkörpers 3 nach Fig. 1 den Verlauf von an einzelnen Ma
gnetpolen der Polbreite L erzeugten magnetischen Feldlinien
f. Wie aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, wird der von benach
barten permanentmagnetischen Elementen (z. B. 6d, 6e) hervor
gerufene Magnetfluß weitgehend in dem gemeinsamen ferroma
gnetischen Zwischenelement (8d) konzentriert und tritt so mit
hoher Flußdichte über dieses Zwischenelement in den Lager
spalt 10 der Weite w aus. In diesem Lagerspalt schließt sich
der Fluß zu jeweils benachbarten Zwischenelementen (8c bzw.
8e) hin. Eine den Rotorkörper 3 umschließende, den Lagerspalt
10 begrenzende, ortsfeste supraleitende Struktur, in der der
von den einzelnen Magnetpolen erzeugte Magnetfluß
entsprechende Ströme induziert, ist mit 12 bezeichnet. Auf
der Seite der Rotorwelle 4 schließt sich der magnetische Fluß
im Bereich des nicht-magnetischen Materials der Welle. Damit
wird dort vorteilhaft ein magnetischer Kurzschluß vermieden,
der zu einer Reduzierung des in den Lagerspalt 10 austreten
den Magnetflusses führen wurde. Für den in Fig. 2 gezeigten
Feldlinienverlauf wurden permanentmagnetische Elemente aus
NdFeB (Hc ≈ 9 * 10⁵ A/m) mit einer axialen Dicke d1 von
3,4 mm und einer radialen Ausdehnung a von 15 mm, ferner Zwi
schenelemente aus Weicheisen mit einer axialen Dicke d2 von
0,6 nun sowie eine Spaltweite w von 0,4 nun angenommen. Die su
praleitende Struktur 12 hatte dabei eine kritische Strom
dichte jc in ihren Kristalliten (Körnern) von etwa 10⁵A/cm².
Der Rotorkörper 3 ist, durch den Lagerspalt 10 getrennt, von
einem zweiten, hohlzylinderförmigen, ortsfesten Lagerteil 11
umgeben, wobei die Spaltweite w in der Größenordnung der
Dicke d2 der ferromagnetischen Zwischenelemente 8a bis 8g
liegt. Der den Stator bildende Lagerteil 11 weist auf seiner
dem Rotorkörper 3 zugewandten Innenseite supraleitendes Ma
terial aus einem der bekannten Hoch-Tc-Supraleitermaterialien
auf, die eine LN₂-Kühltechnik erlauben.
Eine endliche Korngröße der Kristallite des Hoch-Tc-Supralei
termaterials und dessen kritische Stromdichte, eine unvoll
kommene Kristalltextur im Supraleitermaterial sowie eine be
grenzte radiale Ausdehnung der permanentmagnetischen Elemente
können die magnetischen Lagerkräfte begrenzen. Eine maximale
Tragkraft ist nur dann zu erreichen, wenn für die kritische
Intragrain-Stromdichte (Stromdichte innerhalb der einzelnen
Körner) jc des Supraleitermaterials die folgenden beiden Be
dingungen gelten:
- 1) jc » Hc/L. Hierbei ist L die Polbreite, die von der Mitte eines ferro magnetischen Zwischenelementes zur Mitte des zu ihm benach barten Elementes gemessen wird. Es ist deshalb L = d1 + d2.
- 2) Der größere Teil der Kristallkörner aus dem Hoch-Tc-Supra leitermaterial sollte in seinen mittleren Korndurchmessern zumindest annähernd parallel zu der dem Lagerspalt 10 zuge wandten Oberfläche der supraleitenden Struktur 12 größer als die Dicke d1, vorzugsweise größer als die Polbreite L im Stapel der permanentmagnetischen Elemente sein, damit sich das gewünschte Suprastrommuster ausbilden kann. An dernfalls begrenzt das supraleitende Material und nicht das permanentmagnetische Material die Tragkraft. Wegen der Be dingung 2) wird vorteilhaft für die erfindungsgemäße Lage rung ein Hoch-Tc-Supraleitermaterial vorgese hen, bei dem die Mehrzahl (d. h.: mehr als 50%) der Kri stallite (Körner) eine Ausdehnung wenigstens annähernd parallel zum Lagerspalt 10 hat, die zumindest größer als die axiale Dicke d1 der permanentmagnetischen Elemente ist. Vorzugsweise ist die Ausdehnung der Kristallite größer als L = d1 + d2.
Um die vorgenannten Bedingungen 1 und 2) zumindest im wesent
lichen zu erfüllen, kommt als Supraleitermaterial insbeson
dere texturiertes YBa₂Cu₃O7-x in Frage. Vorteilhaft sind da
bei die kristallinen a-b-Ebenen von mindestens einem großen
Teil des Supraleitermaterials im wesentlichen parallel zur
Außenfläche des Rotorkörpers 3 ausgerichtet. In dem Supra
leitermaterial können vorteilhaft feinverteilte Ausschei
dungen von Y₂BaCuO₅ vorhanden sein. Ein entsprechendes Mate
rial läßt sich z. B. nach der sogenannten Quench-Melt-Growth-
Methode (vgl. "Supercond. Sci. Technol.", Vol. 5, 1992, Sei
ten 185 bis 203) herstellen und sollte bei 77 K eine kriti
sche Stromdichte von einigen 10⁴ A/cm² aufweisen. Die mittle
re Korngröße (Korndurchmesser) der Kristallite sollte dabei
größer als die axiale Dicke d1 der permanentmagnetischen Ele
mente sein, wobei die Korngröße in den kristallinen a-b-Ebe
nen betrachtet wird.
Der supraleitende Teil des Lagerteils 11 kann gemäß der Dar
stellung nach Fig. 3 aus mehreren sektorartigen Hohlzylin
derteilen in einem Trägerkörper zu einer Struktur 12 zusam
mengesetzt und so bearbeitet werden, daß seine Innenkontur
die Zylinderform des Lagerspaltes 10 bildet. Bei dem in der
Figur gezeigten Querschnitt sind 8 Sektoren 12i (mit 1 i
8) aus dem Hoch-Tc-Supraleitermaterial als ein Stator vorge
sehen. Die kristallographischen Basalebenen der supraleiten
den Kristalle sind dabei innerhalb eines Winkels von etwa
± 30° ausgerichtet, so daß sie in den einzelnen Sektoren etwa
parallel zur Oberfläche des Lagerspalts 10 orientiert sind.
Infolge hoher, über die Enden der ferromagnetischen Zwi
schenelemente 8a bis 8g in dem supraleitenden Material indu
zierter Abschirmströme dringt das Magnetfeld in das supra
leitende Material nur wenig ein und führt so zu einer ent
sprechend hohen Lagerkraft und hohen Steifigkeit der Lage
rung. Das supraleitende Material erfährt bei gleichmäßiger
Rotation der Rotorwelle um ihre Achse durch das ferromagne
tische Material nur eine verhältnismäßig kleine Wechsel
feldamplitude ΔH; dies führt zu entsprechend begrenzten Ma
gnetisierungsverlusten P <= proportional zu ΔH³) und somit zu
einer entsprechend geringen Lagerreibung.
Wie ferner aus Fig. 1 hervorgeht, wird das supraleitende Ma
terial in den Sektoren 12i an der Außenseite der Struktur 12
über Kühlkanäle 14 in dem Trägerkörper 13 mit flüssigem
Stickstoff (LN₂) aus einem externen Vorratsbehälter gekühlt.
Ein Füllstandsmelder gibt bei Absinken des Kühlmittels unter
eine vorgegebene Schwelle ein Signal zum Abschalten, bevor
die Tragwirkung der Lagerung infolge Erwärmung
abnimmt.
Außerhalb des Bereichs des Rotorkörpers 3 weist die Lage
rungseinrichtung 2 eine absenkbare Halte- und Zentriervor
richtung 15 auf, die die Lagerkraft bei Stillstand aufnimmt,
solange das supraleitende Material über seiner Betriebstempe
ratur liegt. Diese Vorrichtung hebt die Welle 4 an, bis der
Rotorkörper an einem oberen Scheitelpunkt nahezu oder ganz
die supraleitende Struktur 12 berührt. Gleichzeitig wird die
Lagerposition axial und lateral zentriert. Diese Zentrierung
kann, wie aus Fig. 1 hervorgeht, beispielsweise durch eine
Nut 17 in der Achse A und eine schneidenförmige Auflage 18
geschehen. Nach Abkühlen senkt die Vorrichtung die Welle ab.
Infolge der damit verbundenen Feldänderung im Supraleiterma
terial werden darin Ströme induziert. Es entwickelt sich so
eine zunehmende elektromagnetische Kraft zwischen Rotorkörper
und dem ihn umgebenden Stator, die der Bewegungsrichtung ent
gegengesetzt wirkt, bis der Rotorkörper etwa in der Mitte des
Lagerspalts 10 frei schwebt. Dabei wirken die Magnetkräfte im
unteren Lagerbereich abstoßend, während sich im oberen La
gerbereich anziehende Kräfte addieren. Dies ist ein Vorteil
gegenüber bekannten Lagern, bei denen-der Rotorkörper aus
größerer Entfernung abgesenkt wird und wo nur abstoßende
Kräfte auftreten. Mit der erfindungsgemäßen Lagerung
sind Lagerdrücke von bis zu 10 bar und eine erhebliche
Steifigkeit der Lagerung gegen Verschiebungen des Ro
tors in radialer und axialer Richtung zu erreichen.
Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform einer Lage
rung 2 wurde davon ausgegangen, daß die magneti
schen Kräfte durch permanentmagnetische Kräfte 6a bis 6f her
vorgerufen werden, die jeweils die Welle 4 in Ringform um
schließen. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform einer
weiteren erfindungsgemäßen Lagerung 20 sind in
Umfangsrichtung gesehen alternierend gepolte permanentmagne
tische Elemente 21i, 21j (mit 1 i n, 1 j n) und da
zwischen verlaufende ferromagnetische Elemente 22k (mit 1 k
2n) in Form von achsenparallelen Streifen zu einer Hohlzy
linderform um die Welle 4 zusammengefügt. Die in Umfangs
richtung wechselnde Polarisierung zwischen benachbarten per
manentmagnetischen Elementen 21i und 21j ist in der Figur
wiederum durch gepfeilte Linien 7 angedeutet. Der so gebil
dete, warme Rotorkörper 24 mit erstem Lagerteil 5 aus den
Elementen 21i, 21j, 22k ist ebenfalls von einem kalten zwei
ten Lagerteil 11 mit einer supraleitenden hohlzylinderförmi
gen Struktur 12 und einem Trägerkörper 13 umgeben. Die ge
zeigte Lagerung 20 wirkt als Radiallager sowie zugleich
als berührungsfreie magnetische Kupplung, d. h., es kann
gleichzeitig ein axiales Drehmoment übertragen werden. Als
Beispiel ist ein Läufer mit supraleitender Wicklung möglich
mit einem solchen Lager auf der Antriebsseite und einem Ra
diallager wie vorstehend beschrieben auf der Gegenseite, der
sich völlig berührungsfrei in einem Stator dreht. Eine dünne
Hülle auf der Oberseite der supraleitenden Struktur 12 kann
in eine mögliche vakuumdichte Umhüllung einbezogen werden, um
eine thermische Isolation gegenüber dem Außenbereich zu ge
währleisten.
Bei den in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen
von erfindungsgemäßen Lagerungen 2 bzw. 20 wurde
davon ausgegangen, daß jeweils der warme (erste) Lagerteil in
einen Rotorkörper 3 bzw. 24 integriert ist, der von einem
feststehenden kalten (zweiten) Lagerteil als Stator umgeben
ist. Ebensogut ist es jedoch auch möglich, den kalten Lager
teil mit dem Hoch-Tc-Supraleitermaterial mitrotieren zu las
sen und den warmen Lagerteil mit dem permanentmagnetischen
Material als Stator auszubilden. Auch bei einer solchen Aus
gestaltung einer Lagerung können ringscheiben
förmige permanentmagnetische Elemente (entsprechend Fig. 1)
oder axiale permanentmagnetische Elemente (entsprechend Fig.
3) vorgesehen werden. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform
einer Lagerung 26 mit solchen axialen permanent
magnetischen Elementen 27i, 27j (mit 1 i j; 1 j n).
Diese Elemente sind jeweils über streifenartige Elemente 28k
(mit 1 k 2n) aus ferromagnetischem Material beabstandet
und bilden mit diesen den ortsfesten hohlzylindrischen
(zweiten) Lagerteil 29. Dieser Lagerteil umschließt einen Ro
torkörper 30 mit dem anderen (ersten) Lagerteil 31, welcher
eine hohlzylindrische supraleitende Struktur 32 mit dem
Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthält. Bei dieser Ausführungsform
kann die Rotorwelle 34 aus nicht-magnetischem Material zu
gleich mindestens einen, insbesondere zentralen Kühlmittelka
nal 35 aufweisen. Entsprechende Lagerungen mit
kaltem Rotorkörper können vorteilhaft Teil eines Generator-
oder Motorläufers mit einer Wicklung aus Hoch-Tc-Supraleiter
material sein, wobei sich auch die Welle auf tiefer Tempera
tur befindet. Infolge der Berührungsfreiheit entfällt die
Wärmeeinströmung über die Welle.
Claims (9)
1. Magnetische Lagerung einer Rotorwelle (4, 34) gegen einen
Stator mit folgenden Merkmalen:
- a) Ein erster Lagerteil (5, 31) ist mit der Rotorwelle (4, 34) verbunden und von einem zweiten, am Stator angeordne ten Lagerteil (11, 29) umgeben;
- b) die Rotorwelle (4, 34) besteht zumindest in einem dem er sten Lagerteil zugewandten, rohrförmigen Randbereich aus einem nicht-magnetischen Material;
- c) einer der beiden Lagerteile enthält eine Anordnung von ne beneinander angeordneten permanentmagnetischen Elementen (6a bis 6f; 21i, 21j), wobei die Magnetisierung benachbar ter permanentmagnetischer Elemente entgegengesetzt zuein ander ist und der Abstand zwischen den permanentmagneti schen Elementen jeweils mit einem ferromagnetischen Mate rial ausgefüllt ist zur Konzentration des aus den perma nentmagnetischen Elementen austretenden Magnetflusses an der dem anderen der beiden Lagerteile zugewandten Seite;
- d) der andere der beiden Lagerteile weist eine Struktur (12, 32) mit Hoch-Tc-Supraleitermaterial mit Körnern auf, von denen die Mehrzahl jeweils einen mittleren Korndurchmesser hat, der größer als zumindest die axiale Dicke (d1) jedes permanentmagnetischen Elementes (6a bis 6f; 21i, 21j) ist.
2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der mittlere Korndurchmesser der Kör
ner aus dem Hoch-Tc-Supraleitermaterial jeweils größer als
die Summe aus der axialen Dicke (d1) eines permanentmagneti
schen Elementes (6a bis 6f; 21i, 21j) und der axialen Dicke
(d2) eines ferromagnetischen Zwischenelementes (8a bis 8e;
22k) ist.
3. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der erste, mit der Rotorwelle
(4) verbundene Lagerteil (5) die Anordnung der permanentma
gnetischen Elemente (6a bis 6f; 21i, 21j) enthält.
4. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der erste, mit der Rotorwelle
(34) verbundene Lagerteil (31) die Struktur (32) mit dem
Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthält.
5. Lagerung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der Rotorwelle (34) mindestens ein
Kühlmittelkanal (35) für ein das Hoch-Tc-Supraleitermaterial
kühlendes Kühlmedium vorgesehen ist.
6. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn
zeichnet durch ein Supraleitermaterial, dessen kri
stalline a-b-Ebenen im wesentlichen parallel zur Außenfläche
des Rotorkörpers (3, 24, 30) ausgerichtet sind.
7. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn
zeichnet durch in Richtung der Achse (A) der Rotor
welle (4) hintereinander angeordnete permanentmagnetische
Elemente (6a bis 6f).
8. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn
zeichnet durch in Richtung der Achse (A) der Rotor
welle (4) langgestreckte permanentmagnetische Elemente (21i,
21j; 27i, 27j) mit einer in Umfangsrichtung gesehen alternie
renden Magnetisierung.
9. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Rotorwelle (4)
eine Halte- und Zentriervorrichtung (15) vorgesehen ist, die
an der Rotorwelle angreift, wenn sich die supraleitende
Struktur (12, 32) oberhalb ihrer Sprungtemperatur Tc befin
det.
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