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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der magnetischen
Lagerung. Sie betrifft ein magnetisches Traglager gemäss dem Oberbegriff des
Anspruchs.
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Ein
solches Traglager ist z. B. aus der Druckschrift
US 5,557,155 A bekannt.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines
solchen Traglagers.
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STAND DER TECHNIK
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In
der Vergangenheit sind zur berührungsfreien
magnetischen Lagerung von bewegten, insbesondere rotierenden Teilen
die unterschiedlichsten Lösungsvorschläge gemacht
worden. Eine Standardkonfiguration eines solchen magneti schen Traglagers 10 – wie sie
in 1 dargestellt ist – umfasst einen oder mehrere
aktive Magneten 11, insbesondere Permanentmagneten, die
in einem vorbestimmten Abstand, d. h., mit einem Zwischenraum 12, über der Oberfläche 14 einer
supraleitenden Schicht 15 gehalten werden. Die aktiven
Magnete sind dabei in der Regel dem zu lagernden Teil zugeordnet.
Das vom aktiven Magneten 11 erzeugte magnetische Feld B(x, y,
z) wird aus der supraleitenden Schicht 15 verdrängt (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.
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Beim
magnetischen Traglager 10 kommt es darauf an, dass das
magnetische Feld BSL(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 magnetischen Eigenschaften des aktiven Magneten 11 ergibt
sich an der Oberfläche 14 der
supraleitenden Schicht 15 jedoch eine Verteilung BSL(x, y, z) des magnetischen Feldes 13,
die aus unterschiedlichen Gründen
meist inhomogen ist (in 1 angedeutet durch die unterschiedlich
langen Pfeile).
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Es
ist bereits in der eingangs genannten Druckschrift wie auch in der
US 4,072,370 A – die sich
mit einer magnetischen Lagerung ohne Supraleiter beschäftigt – darauf
hingewiesen worden, dass Inhomogenitäten in der Verteilung der magnetischen Induktion
im Lager zu Verlusten führen
und aufgrund von Rastmomenten die Laufruhe des gelagerten Teils
beeinträchtigen
können.
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In
der
US 4,072,370 A wird
zur Homogenisierung der Verteilung des magnetischen Feldes vorgeschlagen,
die aktiven Magnete in geeigneter Weise aus einer Kombination von
radialen und axialen Teilmagneten sowie Eisenringen zusammenzusetzen.
In der
US 5,557,155
A 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. Supraleitern ausgestatteten Lagerstrukturen nur mit hohem Aufwand
durch Zusammenstellung aus einzelnen Teilelementen so ausgebildet
und angepasst werden können,
dass die magnetische Feldverteilung homogenisiert wird. Dies gilt insbesondere
dann, wenn als Supraleiter Hochtemperatursupraleiter verwendet werden.
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Der
WO 199316294 A1 ist
ein supraleitendes Magnetlager zu entnehmen, das zur Drehübertragung
zwischen zwei Komponenten dient und eine, beabstandet zu einem Supraleiter
angeordnete Ringmagnetanordnung vorsieht. Um insbesondere bei leistungsstarken
Ringmagnetanordnungen auftretende Feldinhomogenitäten im Bereich
des Supraleiters zu vermeiden, ist an der dem Supraleiter zugewandten
Ringmagnetoberfläche
ein das Magnetfeld streuendes, scheibenförmig ausgebildetes Mittel angebracht.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein magnetisches Traglager zu schaffen,
welches ohne Eingriff in die magnetischen bzw. supraleitenden Lagerstrukturen
eine vereinfachte und zugleich sehr präzise Homogenisierung der Verteilung
des magnetischen Feldes ermöglicht,
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Traglagers anzugeben.
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Die
Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und
5 gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht darin, zur Homogenisierung eine separate
Homogenisierungsschicht zwischen dem aktiven Magneten und der supraleitenden Schicht
vorzusehen, welche die Verteilung des magnetischen Feldes ortsabhängig 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 Homogenisierungsschicht 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 Massgabe 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.
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Der
aktive Magnet umfasst dabei vorzugsweise wenigstens einen Permanentmagneten.
Es ist aber auch denkbar, dass der aktive Magnet einen Elektromagneten
umfasst.
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Das
erfindungsgemässe
magnetische Traglager eignet sich wegen seiner hervorragenden Eigenschaften
besonders gut für
den Einsatz als Traglager von Wasserkraftgeneratoren. 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 einem Durchmesser von mehr
als einem Meter und Tragkräften
in der Grössenordnung
von 100 t bis zu 6000 t verwirklichen.
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Gemäss einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung weist die Homogenisierungsschicht
eine ortsabhängige
relative magnetische Permeabilität μr aufweist,
derart, dass die Inhomogenitäten
in dem vom aktiven Magneten erzeugten magnetischen Feld an der Oberfläche der
supraleitenden Schicht kompensiert werden. Dies kann beispielsweise
durch eine ortsabhängige
Dichte oder Materialzusammensetzung der Homogenisierungsschicht
erreicht werden. Eine solche ortsabhängige magnetische Permeabilität lässt sich
besonders einfach dadurch erreichen, dass die Homogenisierungsschicht
aus unterschiedlichen horizontalen und/oder vertikalen Teilschichten
aufgebaut ist.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Homogenisierungsschicht und dem aktiven Magneten ein erster
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 kompensiert werden.
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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.
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Weiterhin
ist es möglich,
dass die Homogenisierungsschicht eine ortsabhängige Dicke d2 aufweist, derart,
dass die Inhomogenitäten
in dem vom aktiven Magneten erzeugten magnetischen Feld an der Oberfläche der
supraleitenden Schicht kompensiert werden.
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Schliesslich
können
die verschiedenen Möglichkeiten
der ortsabhängigen
Ausgestaltung der Homogenisierungsschicht auch in beliebiger Weise
miteinander kombiniert werden.
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KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit der Zeichnung näher
erläutert
werden. Es zeigen
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1 in
einer schematisierten Darstellung den Aufbau eines herkömmlichen
magnetischen Traglagers mit einem aktiven Magneten und einer gegenüberliegenden
supraleitenden Schicht;
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2 in
einer zu 1 vergleichbaren Darstellung
ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein magnetisches
Traglager nach der Erfindung mit einer Homogenisierungsschicht mit
ortsabhängiger
relativer Permeabilität;
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3 in
einer zu 1 vergleichbaren Darstellung
ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
für ein
magnetisches Traglager nach der Erfindung mit einer aus unterschiedlichen
horizontalen Teilschichten aufgebauten Homogenisierungsschicht;
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4 in
einer zu 1 vergleichbaren Darstellung
ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein magnetisches
Traglager nach der Erfindung mit einer aus unterschiedlichen vertikalen
Teilschichten aufgebauten Homogenisierungsschicht;
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5 in
einer zu 1 vergleichbaren Darstellung
ein viertes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein magnetisches
Traglager nach der Erfindung mit einer ortsabhängigen Dicke des Luftspaltes
zwischen dem aktiven Magneten und der Homogenisierungsschicht; und
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6 in
einer zu 1 vergleichbaren Darstellung
ein fünftes
bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein magnetisches
Traglager nach der Erfindung mit einer ortsabhängigen Dicke des Luftspaltes
zwischen der supraleitenden Schicht und der Homogenisierungsschicht.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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In 2 ist
in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung
ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
für ein
magnetisches Traglager 19 nach der Erfindung wiedergegeben.
Die in 2 dargestellte Konfiguration ist zugleich die
auch für
die weiteren Ausführungsbeispiele
gültige
Grundkonfiguration. In ihr ist im Zwischenraum 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 zusammen gegen Null gehen.
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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 BSL(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 μr(x,
y, z) aufweist, die so ausgelegt ist, dass sie die Inhomogenitäten in der
Feldverteilung B(x, y, z) gerade kompensiert. Dies kann beispielsweise
durch eine (kontinuierlich variierende) ortsabhängige Dichte oder Materialzusammensetzung
der Homogenisierungsschicht 17 erreicht werden.
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Es
ist aber für
viele Anwendungsfälle
ausreichend und in der Herstellung wesentlich einfacher, wenn die
Homogenisierungsschicht 17 diskontinuierlich bzw. abschnittsweise
sich ändernde
magnetische Eigenschaften aufweist. Gemäss dem in 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 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies erreicht
durch einen Aufbau der Homogenisierungsschicht 17 aus einzelnen
vertikalen Teilschichten 22, 23 mit unterschiedlichen
magnetischen Eigenschaften. Es versteht sich von selbst, dass im
Rahmen der Erfindung vertikalen und horizontale Teilschichten auch
miteinander kombiniert werden können.
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Weitere
Möglichkeiten
der Ausgestaltung der Homogenisierungsschicht 17 sind in
den Ausführungsbeispielen
der 5 und 6 verwirklicht. In 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 ortsabhängige Beeinflussung
des Magnetfeldes erreicht werden. Dasselbe gilt für eine ortsabhängige Dicke d3(x,
z) des zweiten Luftspaltes 18 gemäss 6, die durch
eine entsprechende Bearbeitung der anderen Oberfläche der
Homogenisierungsschicht 17 herbeigeführt wird. In direktem Zusammenhang
mit einer ortsabhängigen
Dicke der Luftspalte 16, 18 steht die ortsabhängige Dicke
d2(x, z) der Homogenisierungsschicht 17, die ebenfalls
zur Homogenisierung herangezogen werden kann.
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Die
Herstellung der Homogenisierungsschicht 17 erfolgt erfindungsgemäss dadurch,
dass in einem ersten Schritt mittels einer geeigneten Messeinrichtung
die inhomogene Verteilung des magnetischen Feldes an der Oberfläche 14 der
supraleitenden 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 Materials so hergestellt oder bearbeitet
wird, dass die Inhomogenitäten
in dem vom aktiven Magneten 11 erzeugten magnetischen Feld 13 an
der Oberfläche 14 der
supraleitenden Schicht 15 kompensiert werden.
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- 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