DE10104698A1

DE10104698A1 - Magnetisches Traglager sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen Traglagers

Info

Publication number: DE10104698A1
Application number: DE2001104698
Authority: DE
Inventors: Hans Werner Lorenzen; Daniel Schafer; Richard Zickermann
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2021-02-03
Also published as: DE10104698B4

Abstract

Ein magnetisches Traglager (19) umfasst eine supraleitende Schicht (15) mit einer Oberfläche (14) sowie einen aktiven Magneten (11), welcher durch einen Zwischenraum (12) getrennt oberhalb der Oberfläche (14) der supraleitenden Schicht (15) angeordnet ist. DOLLAR A Bei einem solchen Traglager werden die Lagereigenschaften dadurch verbessert, dass zur Homogenisierung des vom aktiven Magneten (11) erzeugten magnetischen Feldes (13) an der Oberfläche (14) der supraleitenden Schicht (15) im Zwischenraum (12) zwischen dem aktiven Magneten (11) und der Oberfläche (14) eine das magnetische Feld beeinflussende Homogenisierungsschicht (17) angeordnet ist. DOLLAR A Ein solches Traglager eignet sich insbesondere für die Anwendung in Wasserkraftgeneratoren.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der magnetischen Lage rung. Sie betrifft ein magnetisches Traglager gemäss dem Oberbegriff des An spruchs.

Ein solches Traglager ist z. B. aus der Druckschrift US-A-5,557,155 bekannt.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Traglagers.

STAND DER TECHNIK

In der Vergangenheit sind zur berührungsfreien magnetischen Lagerung von be wegten, insbesondere rotierenden Teilen die unterschiedlichsten Lösungsvorschläge gemacht worden. Eine Standardkonfiguration eines solchen magneti schen Traglagers 10 - wie sie in Fig. 1 dargestellt ist - umfasst einen oder mehrere aktive Magneten 11, insbesondere Permanentmagneten, die in einem vorbe stimmten Abstand, d. h., mit einem Zwischenraum 12, über der Oberfläche 14 ei ner supraleitenden Schicht 15 gehalten werden. Die aktiven Magnete sind dabei in der Regel dem zu lagernden Teil zugeordnet. Das vom aktiven Magneten 11 er zeugte magnetische Feld B(x, y, z) wird aus der supraleitenden Schicht 15 ver drängt (Supraleiter 1. Art) oder vermag teilweise einzudringen (Supraleiter 2. Art). Die Folge ist eine abstossende Wirkung auf den aktiven Magneten 11, in dem eine mechanische Spannung σ(x, y, z) in vertikaler Richtung entsteht.

Beim magnetischen Traglager 10 kommt es darauf an, dass das magnetische Feld B_SL(x, y, z) des aktiven Magneten 11 an der Oberfläche 14 der supraleitenden Schicht 15 möglichst homogen verläuft, damit bei einer Bewegung des aktiven Magneten 11 relativ zur supraleitenden Schicht 15 ein ruhiger Lauf gewährleistet ist und keine störenden Rastmomente zu überwinden sind. Durch die magneti schen Eigenschaften des aktiven Magneten 11 ergibt sich an der Oberfläche 14 der supraleitenden Schicht 15 jedoch eine Verteilung B_SL(x, y, z) des magnetischen Feldes 13, die aus unterschiedlichen Gründen meist inhomogen ist (in Fig. 1 an gedeutet durch die unterschiedlich langen Pfeile).

Es ist bereits in der eingangs genannten Druckschrift wie auch in der US-A- 4,072,370 - die sich mit einer magnetischen Lagerung ohne Supraleiter beschäftigt - darauf hingewiesen worden, dass Inhomogenitäten in der Verteilung der magne tischen Induktion im Lager zu Verlusten führen und aufgrund von Rastmomenten die Laufruhe des gelagerten Teils beeinträchtigen können.

In der US-A-4,072,370 wird zur Homogenisierung der Verteilung des magneti schen Feldes vorgeschlagen, die aktiven Magnete in geeigneter Weise aus einer Kombination von radialen und axialen Teilmagneten sowie Eisenringen zusam menzusetzen. In der US-A-5,557,155 wird demgegenüber u. a. vorgeschlagen, den Supraleiter, der dem aktiven Magneten gegenüberliegt, nach Art einer Mauer aus einzelnen (überlappenden) Bausteinen aufzubauen, um Inhomogenitäten im ma gnetischen Feld zu verringern oder ganz zu beseitigen. In beiden Fällen besteht der wesentliche Nachteil darin, dass die mit Permanentmagneten bzw. Supralei tern ausgestatteten Lagerstrukturen nur mit hohem Aufwand durch Zusammen stellung aus einzelnen Teilelementen so ausgebildet und angepasst werden kön nen, dass die magnetische Feldverteilung homogenisiert wird. Dies gilt insbeson dere dann, wenn als Supraleiter Hochtemperatursupraleiter verwendet werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein magnetisches Traglager zu schaffen, wel ches ohne Eingriff in die magnetischen bzw. supraleitenden Lagerstrukturen eine vereinfachte und zugleich sehr präzise Homogenisierung der Verteilung des ma gnetischen Feldes ermöglicht, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Traglagers anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 9 ge löst. Der Kern der Erfindung besteht darin, zur Homogenisierung eine separate Homogenisierungsschicht zwischen dem aktiven Magneten und der supraleiten den Schicht vorzusehen, welche die Verteilung des magnetischen Feldes ortsab hängig beeinflusst, und die für sich genommen bearbeitet bzw. an die Verhältnisse so angepasst werden kann, dass homogene Feldverhältnisse erreicht werden. Da eine von den übrigen Lagerstrukturen unabhängige Bearbeitung der Homogenisie rungsschicht ausreicht, kann ein solches Traglager besonders einfach dadurch hergestellt werden, dass in einem ersten Schritt die inhomogene Verteilung des magnetischen Feldes an der Oberfläche der supraleitenden Schicht ausgemessen wird, und dass in einem zweiten Schritt die Homogenisierungsschicht nach Mass gabe der gemessenen Verteilung so ausgestaltet wird, dass die Inhomogenitäten in dem vom aktiven Magneten erzeugten magnetischen Feld an der Oberfläche der supraleitenden Schicht kompensiert werden.

Der aktive Magnet umfasst dabei vorzugsweise wenigstens einen Permanentma gneten. Es ist aber auch denkbar, dass der aktive Magnet einen Elektromagneten umfasst.

Das erfindungsgemässe magnetische Traglager eignet sich wegen seiner hervor ragenden Eigenschaften besonders gut für den Einsatz als Traglager von Wasser kraftgeneratoren. Während bis anhin Traglager mit Durchmessern von weniger als 300 mm und bescheidenen Tragkräften von einigen kN bekannt sind, lassen sich mit der Erfindung für die Anwendung in Wasserkraftgeneratoren Traglager mit ei nem Durchmesser von mehr als einem Meter und Tragkräften in der Grössenord nung von 100 t bis zu 6000 t verwirklichen.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Homo genisierungsschicht eine ortsabhängige relative magnetische Permeabilität µ_r aufweist, derart, dass die Inhomogenitäten in dem vom aktiven Magneten erzeugten magnetischen Feld an der Oberfläche der supraleitenden Schicht kom pensiert werden. Dies kann beispielsweise durch eine ortsabhängige Dichte oder Materialzusammensetzung der Homogenisierungsschicht erreicht werden. Eine solche ortsabhängige magnetische Permeabilität lässt sich besonders einfach da durch erreichen, dass die Homogenisierungsschicht aus unterschiedlichen hori zontalen und/oder vertikalen Teilschichten aufgebaut ist.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Homogenisierungsschicht und dem aktiven Magneten ein er ster Luftspalt vorhanden ist, und dass der erste Luftspalt eine ortsabhängige Dicke d1 aufweist, derart, dass die Inhomogenitäten in dem vom aktiven Magneten erzeugten magnetischen Feld an der Oberfläche der supraleitenden Schicht kom pensiert werden.

Ebenso ist es denkbar, dass zwischen der Homogenisierungsschicht und der Oberfläche der supraleitenden Schicht ein zweiter Luftspalt vorhanden ist, und dass der zweite Luftspalt eine ortsabhängige Dicke d3 aufweist, derart, dass die Inhomogenitäten in dem vom aktiven Magneten erzeugten magnetischen Feld an der Oberfläche der supraleitenden Schicht kompensiert werden.

Weiterhin ist es möglich, dass die Homogenisierungsschicht eine ortsabhängige Dicke d2 aufweist, derart, dass die Inhomogenitäten in dem vom aktiven Ma gneten erzeugten magnetischen Feld an der Oberfläche der supraleitenden Schicht kompensiert werden.

Schliesslich können die verschiedenen Möglichkeiten der ortsabhängigen Ausge staltung der Homogenisierungsschicht auch in beliebiger Weise miteinander kom biniert werden.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in einer schematisierten Darstellung den Aufbau eines herkömmli chen magnetischen Traglagers mit einem aktiven Magneten und einer gegenüberliegenden supraleitenden Schicht;

Fig. 2 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein erstes bevorzug tes Ausführungsbeispiel für ein magnetisches Traglager nach der Erfindung mit einer Homogenisierungsschicht mit ortsabhängiger relativer Permeabilität;

Fig. 3 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein zweites bevor zugtes Ausführungsbeispiel für ein magnetisches Traglager nach der Erfindung mit einer aus unterschiedlichen horizontalen Teil schichten aufgebauten Homogenisierungsschicht;

Fig. 4 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein drittes bevorzug tes Ausführungsbeispiel für ein magnetisches Traglager nach der Erfindung mit einer aus unterschiedlichen vertikalen Teilschichten aufgebauten Homogenisierungsschicht;

Fig. 5 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein viertes bevor zugtes Ausführungsbeispiel für ein magnetisches Traglager nach der Erfindung mit ein er ortsabhängigen Dicke des Luftspaltes zwi schen dem aktiven Magneten und der Homogenisierungsschicht; und

Fig. 6 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein fünftes bevor zugtes Ausführungsbeispiel für ein magnetisches Traglager nach der Erfindung mit einer ortsabhängigen Dicke des Luftspaltes zwi schen der supraleitenden Schicht und der Homogenisierungs schicht.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 2 ist in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein magnetisches Traglager 19 nach der Erfindung wie dergegeben. Die in Fig. 2 dargestellte Konfiguration ist zugleich die auch für die weiteren Ausführungsbeispiele gültige Grundkonfiguration. In ihr ist im Zwischen raum zwischen dem aktiven Magneten 11 und der supraleitenden Schicht 15 eine Homogenisierungsschicht 17 der Dicke d2 angeordnet. Im allgemeinen Fall bildet sich zwischen der Homogenisierungsschicht 17 und dem aktiven Magneten 11 ein erster Luftspalt 16 der Dicke d1, und zwischen der Homogenisierungsschicht 17 und der supraleitenden Schicht 15 ein zweiter Luftspalt 18 der Dicke d3. Die Dicken der Luftspalte 16, 18 können im Extremfall aber auch einzeln oder zusam men gegen Null gehen.

Der aktive Magnet 11 erzeugt eine (inhomogene) magnetische Feldverteilung B(x, y, z), die durch die Homogenisierungsschicht 19 so beeinflusst wird, dass die hinter der Schicht im zweiten Luftspalt 18 auftretende magnetische Feldverteilung B_SL(x, y, z) an der Oberfläche 14 der supraleitenden Schicht 15 praktisch homogen ist. Hierzu wird gemäss dem Ausführungsbeispiel eine Homogenisierungsschicht 17 eingesetzt, die ein ortsabhängige relative Permeabilität µ_r(x, y, z) aufweist, die so ausgelegt ist, dass sie die Inhomogenitäten in der Feldverteilung B(x, y, z) ge rade kompensiert. Dies kann beispielsweise durch eine (kontinuierlich variierende) ortsabhängige Dichte oder Materialzusammensetzung der Homogenisierungs schicht 17 erreicht werden.

Es ist aber für viele Anwendungsfälle ausreichend und in der Herstellung wesent lich einfacher, wenn die Homogenisierungsschicht 17 diskontinuierlich bzw. ab schnittsweise sich ändernde magnetische Eigenschaften aufweist. Gemäss dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies erreicht durch einen Aufbau der Homogenisierungsschicht 17 aus einzelnen horizontalen Teilschichten 20, 21 mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften. Gemäss dem in Fig. 4 darge stellten Ausführungsbeispiel wird dies erreicht durch einen Aufbau der Homogeni sierungsschicht 17 aus einzelnen vertikalen Teilschichten 22, 23 mit unterschiedli chen magnetischen Eigenschaften. Es versteht sich von selbst, dass im Rahmen der Erfindung vertikalen und horizontale Teilschichten auch miteinander kombi niert werden können.

Weitere Möglichkeiten der Ausgestaltung der Homogenisierungsschicht 17 sind in den Ausführungsbeispielen der Fig. 5 und 6 verwirklicht. In Fig. 5 wird die dem aktiven Magneten 11 zugewandte Oberfläche der Homogenisierungsschicht 17 so bearbeitet, dass sich eine ortsabhängige Dicke d1(x, z) des ersten Luftspaltes 16 ergibt. Hierdurch kann bei ansonsten homogenem Schichtmaterial eine ortsab hängige Beeinflussung des Magnetfeldes erreicht werden. Dasselbe gilt für eine ortsabhängige Dicke d3(x, z) des zweiten Luftspaltes 18 gemäss Fig. 6, die durch eine entsprechende Bearbeitung der anderen Oberfläche der Homogenisierungs schicht 17 herbeigeführt wird. In direktem Zusammenhang mit einer ortsabhängigen Dicke der Luftspalte 16, 18 steht die ortsabhängige Dicke d2(x, z) der Homo genisierungsschicht 17, die ebenfalls zur Homogenisierung herangezogen werden kann.

Die Herstellung der Homogenisierungsschicht 17 erfolgt erfindungsgemäss da durch, dass in einem ersten Schritt mittels einer geeigneten Messeinrichtung die inhomogene Verteilung des magnetischen Feldes an der Oberfläche 14 der su praleitenden Schicht 15 ausgemessen wird, und dass in einem zweiten Schritt die Homogenisierungsschicht 17 nach Massgabe der gemessenen Verteilung und unter Berücksichtigung der magnetischen Eigenschaften des verwendeten Materi als so hergestellt oder bearbeitet wird, dass die Inhomogenitäten in dem vom akti ven Magneten 11 erzeugten magnetischen Feld 13 an der Oberfläche 14 der su praleitenden Schicht 15 kompensiert werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

,

19

magnetisches Traglager

11

aktiver Magnet (z. B. Permanentmagnet)

12

Zwischenraum

13

magnetisches Feld (SL-Oberfläche)

14

Oberfläche (SL-Schicht)

15

supraleitende Schicht

16

,

18

Luftspalt

17

Homogenisierungsschicht

20

,

21

Teilschicht (horizontal)

22

,

23

Teilschicht (vertikal)
d1, . ., d3 Dicke

Claims

1. Magnetisches Traglager (19), umfassend eine supraleitende Schicht (15) mit einer Oberfläche (14) sowie einen aktiven Magneten (11), welcher durch einen Zwischenraum (12) getrennt oberhalb der Oberfläche (14) der supraleitenden Schicht (15) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Homogenisierung des vom aktiven Magneten (11) erzeugten magnetischen Feldes (13) an der Oberfläche (14) der supraleitenden Schicht (15) im Zwischenraum (12) zwischen dem aktiven Magneten (11) und der Oberfläche (14) eine das magnetische Feld beeinflussende Homogenisierungsschicht (17) angeordnet ist.

2. Magnetisches Traglager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Magnet (11) wenigstens einen Permanentmagneten umfasst.

3. Magnetisches Traglager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Magnet (11) einen Elektromagneten umfasst.

4. Magnetisches Traglager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Homogenisierungsschicht (17) eine ortsabhängige relative magnetische Permeabilität µ_r(x, y, z) aufweist, derart, dass die Inhomogenitäten in dem vom aktiven Magneten (11) erzeugten magnetischen Feld (13) an der Ober fläche (14) der supraleitenden Schicht (15) kompensiert werden.

5. Magnetisches Traglager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierungsschicht (17) aus unterschiedlichen horizontalen und/oder vertikalen Teilschichten (20, . .,23) aufgebaut ist.

6. Magnetisches Traglager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass zwischen der Homogenisierungsschicht (17) und dem aktiven Magneten (11) ein erster Luftspalt (16) vorhanden ist, und dass der erste Luftspalt (16) eine ortsabhängige Dicke d1(x, z) aufweist, derart, dass die Inhomogenitäten in dem vom aktiven Magneten (11) erzeugten magnetischen Feld (13) an der Oberfläche (14) der supraleitenden Schicht (15) kompensiert werden.

7. Magnetisches Traglager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass zwischen der Homogenisierungsschicht (17) und der Oberflä che (14) der supraleitenden Schicht (15) ein zweiter Luftspalt (18) vorhanden ist, und dass der zweite Luftspalt (18) eine ortsabhängige Dicke d3(x, z) aufweist, der art, dass die Inhomogenitäten in dem vom aktiven Magneten (11) erzeugten ma gnetischen Feld (13) an der Oberfläche (14) der supraleitenden Schicht (15) kom pensiert werden.

8. Magnetisches Traglager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Homogenisierungsschicht (17) eine ortsabhängige Dicke d2(x, z) aufweist, derart, dass die Inhomogenitäten in dem vom aktiven Magneten (11) erzeugten magnetischen Feld (13) an der Oberfläche (14) der supraleitenden Schicht (15) kompensiert werden.

9. Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Traglagers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die inhomogene Verteilung des magnetischen Feldes an der Oberfläche (14) der su praleitenden Schicht (15) ausgemessen wird, und dass in einem zweiten Schritt die Homogenisierungsschicht (17) nach Massgabe der gemessenen Verteilung so ausgestaltet wird, dass die Inhomogenitäten in dem vom aktiven Magneten (11) erzeugten magnetischen Feld (13) an der Oberfläche (14) der supraleitenden Schicht (15) kompensiert werden.