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Die
Erfindung betrifft eine Zentrifuge mit einer zur Aufnahme von Zentrifugiergut
vorgesehenen Rotoranordnung, die wenigstens ein Lager aufweist und
mittels einer Antriebsvorrichtung um eine Rotor-Achse drehbar angeordnet
ist, wobei auf wenigstens einen Teil der Rotoranordnung magnetische Kräfte einwirken.
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Die
Rotoranordnung besteht in der Praxis aus einem Rotorkopf, welcher
das Zentrifugiergut aufnimmt, und aus einem Rotor-Teil zur Bildung
eines Lagers, das beispielsweise als wellen- oder hohlwellenförmiges Teil ausgebildet ist
und zu einem supraleitenden Magnet-Stator benachbart angeordnet
ist.
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Aus
der
DE 23 14 436 A1 ist
eine Lagerungs- und Dämpfungseinrichtung
zur Stabilisierung der Rotorbewegung schnell umlaufender Zentrifugen
bekannt, die ohne eine mechanische Verbindung zwischen Rotor und
Umgebung zu erfordern, den Rotor bei Abweichungen von der gewünschten
Rotations-Achse in diese zurückführt. Dabei
werden statische Rückführkräfte zwischen
Rotor und Umgebung durch ein Magnetsystem und mindestens eine Dämpfungseinrichtung
erzeugt, wobei die erforderliche Dämpfung nicht allein über Magnetkräfte sondern
teilweise oder vollständig
auch über
mechanische hydraulische bzw. hydropneumatische Kräfte auf
den Rotor erfolgt.
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Als
problematisch erweist es sich, dass die Dämpfungseinrichtungen nicht
allein über
Magnetkräfte
sondern auch über
mechanische und hydraulische bzw. hydropneumatische Kräfte an den
Rotor angekoppelt werden, so dass mit einem verhältnismäßig hohen technischen Aufwand
zu rechnen ist.
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Weiterhin
ist aus der
US 51 96
748 A eine Laminatstruktur für ein supraleitendes Lager
bekannt, bei dem wenigstens zwei Magnete mit gegenläufiger Polarität auf einer
Achse zusammengesteckt sind, wobei aufgrund eines hohen Flussdichtegradienten eine
hohe Steifigkeit erzielt wird. Die Struktur ist innerhalb eines
Hohlzylinders aus supraleitendem Werkstoff untergebracht.
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Weiterhin
ist aus der
DE 42 32
869 A1 eine supraleitende Lagereinheit und ein Verfahren
zu ihrem Betrieb bekannt, wobei die Lagereinheit einen auf einer
Drehwelle befestigten Permanentmagneten aufweist und ein supraleitender
Körper
an ihrem Umfang eines Gehäuses
befestigt ist, der den Permanentmagneten umgibt. Der supraleitende
Körper
ist so gestaltet, dass er bei aufwärts bewegter Drehweile so lange
gekühlt
werden kann, bis er einen supraleitenden Zustand erreicht, so dass
die Drehwelle während
des Betriebes in einem Gleichgewichtszustand zwischen ihrem Gewicht
und den hängenden
Teilen und einer aufgrund des Pinning Effektes auftretenden Kraft
gehalten wird, die durch den Permanentmagneten und den supraleitenden
Körper
hervorgerufen wird.
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Als
problematisch erweist sich die verhältnismäßig komplizierte Inbetriebnahme,
wobei die Drehwelle zunächst
so angehoben werden muss, dass die Oberseite des Permanentmagneten
mit der Unterseite des zur Supraleitung vorgesehenen Körpers in
Berührung
geht. Anschließend
wird ein Kühlmittel
zugeführt,
so dass der Körper
supraleitend wird. Es handelt sich somit um eine verhältnismäßig aufwendige Inbetriebnahme
der beschriebenen Anordnung.
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In
JP 05-10328 A Abstract
ist eine Zentrifuge offenbart, bei der eine Rotorordnung durch ein
Magnetlager gelagert ist. Ein supraleitender Stator umgibt Permanentmagnete,
die sowohl in radialer als auch in axialer Richtung zum Stator benachbart
angeordnet sind. Das massive Gehäuse
weist einen relativ großen
Außenumfang
auf, so dass zur thermischen Isolation Umgebungswärme von
dem gekühlten
Magnetlager fern gehalten werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Zentrifuge zu schaffen, bei der der
Rotor während
des Zentrifugierens magnetisch beabstandet in ein oder zwei supraleitenden
Magnetlagern berührungslos
und reibungslos rotiert, wobei die thermische Isolation des Supraleiters
verbessert werden soll. Weiterhin soll der bei einer aktiven Regelung
hohe technische Aufwand durch Einsatz von passiven supraleitenden Magnetlagern
möglichst
gering gehalten werden.
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Darüber hinaus
sollen bei Drehzahlen bis zu 180.000 U/min hohe Lagersteifigkeiten,
gute Dämpfungseigenschaften,
ein vibrationsarmer Lauf, geringen Antriebsleistung sowie eine günstige Unwuchttoleranz
erzielt werden. Die Dämpfung
soll frequenzunabhängig
sein.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Als
besonders vorteilhaft erweist es sich, dass auf eine verhältnismäßig aufwendige
aktive Regelung der Lagerung verzichtet werden kann; darüber hinaus
lässt die
Lagerung eine verhältnismäßig robusten
Betrieb in Labor und Fertigung zu.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Zentrifuge sind in den Ansprüchen 2 bis 25 angegeben.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung treten aus der Permanentkonfiguration
austretende Feldlinien wenigstens näherungsweise senkrecht in wenigstens
eine benachbarte Oberfläche
eines Magnet-Stators ein.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt die Rotor-Achse
bezogen auf eine horizontale Ebene einen Winkel im Bereich von 0
bis 90° ein.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Rotoranordnung
wenigstens eine ring- oder zylinderförmige Permanentmagnetkonfiguration
auf, die in radialer Richtung gesehen zu wenigstens einem passiven,
supraleitenden Magnet-Stator benachbart angeordnet ist.
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In
einer ersten vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung umgibt der Magnet-Stator wenigstens teilweise die
Permanentmagnetkonfiguration der Rotoranordnung.
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In
einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung umgibt die Permanentmagnetkonfiguration
der Rotoranordnung den Magnet-Stator.
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Die
Rotoranordnung weist vorzugsweise wenigstens eine Permanentmagnetkonfiguration
auf, die in axialer Richtung gesehen zu wenigstens einem passiven
supraleitenden Magnet-Stator benachbart ist; dabei ist in einer
vorteilhaften Ausgestaltung die Permanentmagnetkonfiguration auf
einem entlang der Rotorachse verlaufenden, wellenförmigen Teil befestigt
oder als Teil der Rotoranordnung entlang der Rotorachse ausgebildet,
wobei bei mehreren Magnetlagern wenigstens ein Stator das wellenförmige Teil
wenigstens teilweise umgibt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Zentrifuge ist die
Permanentmagnetkonfiguration in einem hohlwellenförmigen Teil
der Rotoranordnung befestigt oder als hohlwellenförmiger Teil
der Rotoranordnung ausgebildet, wobei bei mehreren Magnetlagern
das hohlwellenförmige
Teil wenigstens einen Stator umgibt.
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Darüber hinaus
ist auch eine Kombination möglich,
bei der die Rotoranordnung wenigstens eine Permanentkonfiguration
aufweist, die in radialer Richtung gesehen zu einem Magnet-Stator
benachbart angeordnet ist und wenigstens eine Permanentkonfiguration
aufweist, die in axialer Richtung gesehen zu wenigstens einem Magnet-Stator
benachbart angeordnet ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Stator der Zentrifuge mit
einer angeschlossenen Kühleinheit
versehen; dabei ist der Stator von der Antriebswelle aus gesehen
wenigstens zum Teil als Hohl-Zylinder ausgebildet. Vorzugsweise
weist der Stator einen monolithischen Hohl-Zylinder aus schmelztexturiertem YBaCuO-Supraleiter-Werkstoff auf,
wobei dieser Werkstoff unterhalb einer Temperatur von 92 K bzw. –181°C supraleitend
wird. Der Stator weist zudem polykristallines schmelztexturiertes Vieldomänenmaterial
zur Erzeugung von Dämpfungseigenschaften
des Magnetlagers auf.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
weist der Stator Dämpfungsringe
aus Kupfer, Aluminium oder deren Basislegierungen auf; dabei ist
es möglich,
die Dämpfungsringe
zwischen den Supraleitern eines Stators anzuordnen oder in die Supraleiter
einzulassen.
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Der
Stator ist vorzugsweise direkt an eine im Zentrifugengehäuse integrierte
Kühlmaschine zwecks
Kühlung
des Supraleiters unter seine kritische Sprungtemperatur angeschlossen.
Es ist jedoch auch möglich,
die zur Supraleitung erforderliche Temperatur durch Verdampfung
einer Flüssigkeit
mit niedrigem Siedepunkt – beispielsweise
durch Verdampfung von flüssigem
Stickstoff bei –196°C – zu erzeugen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der supraleitende Stator von
der Rotorachse aus gesehen wenigstens zum Teil als Hohl-Zylinder
oder Ring ausgebildet, wobei der wenigstens eine Stator wenigstens
eine Segment- oder Sektor-Öffnung
aufweist.
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Die
Permanentmagnetkonfiguration ist vorzugsweise ring- oder zylinderförmig ausgebildet
und koaxial zur Rotor-Achse angeordnet.
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Vorteilhafterweise
ist die Permanentmagnetkonfiguration als ein ring- oder zylinderförmiger Permanentmagnet
oder eine Gruppe aus koaxialen Ringen oder Hohlzylindern ausgebildet,
die direkt oder mit einem anderen Material als Zwischenlage radial ineinander
und/oder axial aneinander gefügt
sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Zentrifuge ist die
Permanentmagnetkonfiguration aus axial magnetisierten Ringen aufgebaut,
die in axialer Richtung gestapelt sind, wobei gleiche Pole aufeinander
liegen und eine höhe
lokale Flussdichte in radialer Richtung erzeugen.
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Darüber hinaus
ist in einer weiteren Ausgestaltung der Zentrifuge vorgesehen, dass
die Permanentkonfiguration wenigstens zwei ringförmige Permanentmagnete aufweist,
die konzentrisch in einer Ebene angeordnet sind, wobei der Innen-Umfang
eines äußeren Ringes
den Außen-Umfang eines inneren
Ringes berührt,
dabei können
die ineinander gefügten
Permanentmagnetringe in radialer Richtung gesehen eine gleiche oder
alternierende axiale Magnetisierung aufweisen.
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In
einer zweckmäßigen Ausgestaltung
ist die Permanentmagnetkonfiguration als Unterteil eines Rotorbechers
ausgebildet.
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Die
Permanentmagnetkonfiguration kann auch nur aus einem einzigen ring-
oder zylinderförmigen
Permanentmagneten bestehen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Stator wenigstens
einen zylindrischen Aluminium- oder Kupfer-Finger mit aufgesetztem Hohl-Zylinder
aus Supraleiter-Werkstoff auf, wodurch die Antriebswelle mit ihren
innenliegenden Permanentmagneten Magneten magnetisch stabil getragen wird.
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In
einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Zentrifuge weist der
Rotor ein Rotor-Gehäuse auf,
das an einem oberen Ende einer Antriebswelle mit vertikaler Rotations-Achse
angeordnet ist, wobei die Antriebswelle wenigstens ein Paar axial
angeordneter ring- oder zylinderförmiger Permanentmagnete enthält. Die
Permanentmagnete sind vorzugsweise entlang der Rotations-Achse im Abstand
zueinander angeordnet, wobei diese in radialer Richtung gesehen
von wenigstens einem passiven supraleitenden Magnetlager als Stator
umgeben sind.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Antriebswelle für den Rotor
als Hohlwelle aus einem Werkstoff, vorzugsweise aus einem Werkstoff
hoher Zugfestigkeit wie beispielsweise Legierun gen auf der Basis
von Aluminium, Titan, Stahl oder Kohlefaser gebildet, wobei ein
Verhältnis
von Zugfestigkeit zu Dichte im Bereich von 106 Pa
cm3/g bis 3 × 109 Pa cm3/g vorgesehen ist.
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Die
Antriebswelle ist in dieser Ausführungsform
vorzugsweise mit Permanentmagneten versehen, die eine radiale Flussverteilung
erzeugen und entweder in Gruppen axial geschichtet mit Fluss-Sammlern
angeordnet sind oder radial magnetisierte Ringe aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung dient die Permanentmagnet-Konfiguration
gleichzeitig als Lagerkomponente und als Antrieb des Rotors durch
einen äußeren Stator.
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Es
ist jedoch auch möglich,
eine berührungsfreie
Antriebsvorrichtung auf der Basis einer Induktionsmaschine einzusetzen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Stator Kryomagnetlager
auf, in denen Kupferdämpfungsringe
zwischen Supraleiter-Zylindern den sich drehenden Permanentmagneten
gegenüberstehen,
wobei über
drehzahlabhängige
Wirbelströme
eine zusätzliche
Lagerdämpfung
sowohl durch die Cu-Ringe als auch die HTS-Nachbarbereiche infolge
Erwärmung
erzeugt wird. Die Breite des Spalts zwischen den ringförmigen Permanentmagneten
der Rotorantriebswelle und dem Stator liegt im Bereich von 1 bis
5 mm.
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Die
Antriebswelle für
den Rotor besitzt an ihrem unteren Ende ein mechanisches Notlager,
welches bei zu geringer Kraft der magnetischen Wirkung einen störungsfreien
Anlauf bzw. Bremsvorgang der Antriebswelle bzw. des Rotors ermöglicht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Rotor-Gehäuse an einem
oberen Ende einer Antriebswelle mit vertikaler Rotor-Achse angeordnet,
wobei die Antriebswelle wenigstens zwei ring- oder zylinderförmige Permanentmagnete
aufweist, die in axialer Richtung gesehen im Abstand zu ebenfalls
axial angeordneten passiven supraleitenden Magneten angeordnet sind;
hier wird im Gegensatz zur ersten bevorzugten Ausgestaltung die
magnetische Wirkung nicht mehr durch radial sondern durch axial
wirkende Kräfte
erzielt.
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Dabei
sind die passiven supraleitenden Magnete in einer praxisgerechten
Ausführung
zum Teil in Form eines Ringes oder Zylinders ausgebildet, wobei
ein – ggf.
verschließbarer – Spalt
in jedem der supraleitenden Magneten vorgesehen ist, durch den die Antriebswelle
zusammen mit den Permanentmagneten einführbar ist. Der Abstand der
Permanentmagnete zueinander ent spricht im Wesentlichen dem Abstand
der supraleitenden Magneten, wobei der axiale Minimal-Abstand zwischen
Permanentmagnet und supraleitendem Magneten im Bereich von 1 bis
5 mm liegt.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, das obere Lager durch
Erweiterung des Abstandes zwischen Permanentmagnet und supraleitendem
Magnet weicher zu gestalten, so dass selbst eine große Rest-Unwucht
des Rotors (verglichen mit dem Stand der Technik) unproblematisch
ist.
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In
einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der
Rotor an seinem zum Lager bzw. Antrieb gerichteten Ende einen Hohlzylinder auf,
der an seiner Innenseite wenigstens einen ring- oder zylinderförmigen Permanentmagneten
enthält, der
wenigstens einen supraleitenden Magnet-Stator umgibt, der entlang
der Rotor-Achse angeordnet ist. Der supraleitende Magnet ist mit
einem Kühlfinger verbunden,
der in einer bevorzugten Ausführungsform
an eine Kühleinheit
anschließbar
ist. Der Hohlzylinder ist an seiner Außenseite mit einer metallischen
Läuferstruktur
eines Induktionsmotors als Antriebsmaschine versehen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung gemäß 6 weist
der Kühlfinger
einen entlang der Rotorachse nach oben verlaufenden Bolzen 41 aus
einem Werkstoff hoher linearer Wärmeausdehnung – vorzugsweise
aus Aluminium und Stahl – für das Notlager
auf; durch die vom Supraleiter ausgehende Abkühlung zieht sich der Bolzen
aus dem Notlager zurück,
sobald der Supraleiter den Rotor magnetisch fixiert hat.
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In
einer bevorzugten vierten Ausführungsform
der Erfindung weist der Rotor im unteren Gehäuseteil ringförmige Permanentmagnete
auf, welche an ihrer Oberseite bzw. Unterseite jeweils mit gleichpoligen
Permanentmagneten benachbart angeordnet sind. Die ringförmigen Permanentmagnete bilden
somit mit dem Rotor eine bauliche Einheit. Unterhalb des Rotors
ist axialsymmetrisch zu den ringförmigen Permanentmagneten ein
ebenfalls weitgehend axialsymmetrischer supraleitender Magnet-Stator
angeordnet, welcher auf seiner Oberseite eine ebene Fläche aufweist,
die zur Rotorunterseite gerichtet ist. Die konzentrisch und koplanar
angeordneten ringförmigen
Permanentmagnete sind in axialer Richtung, d. h. parallel zur Rotor-Achse magnetisiert, wobei
deren Feldlinien nahezu senkrecht in den darunter liegenden Magnet-Stator
eintreten. Aufgrund des Supraleitereffekts des Magnet-Stators wird
der Rotor mit Hilfe der ringförmigen
Permanentmagnete im Abstand oberhalb des Magnet-Stators schwebend gehalten,
so dass eine praktisch reibungslose Lagerung möglich ist.
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Der
Antrieb erfolgt hierbei ebenfalls berührungslos, beispielsweise durch
Ausgestaltung des Rotor-Gehäuses
als Läufer
einer Induktionsmaschine.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist das Rotor-Gehäuse an seiner Unterseite wenigstens
zwei konzentrisch und koaxial angeordnete ringförmige Permanentmagnete auf,
die auf ihrer Oberseite jeweils gegenpolig axial magnetisiert sind;
dies bedeutet, dass sich die Magnetisierung in radialer Richtung
gesehen jeweils an den Oberkanten bzw. Unterkanten der Permanentmagnet-Konfiguration ändert. Auch
hier schwebt die als Permanentmagnet-Konfiguration ausgebildete Unterseite
des Rotors oberhalb eines supraleitergekühlten Magnet-Stators, welcher
eine ebene Oberfläche
aufweist und vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet ist.
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Für flach
gebaute Zentrifugen als Tischgeräte
hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
eine Ausführungsform
mit hoher Tragfähigkeit
und Kippsteifigkeit des Rotors, die ansonsten nur mit einem beabstandeten
Doppellager zu erreichen ist, einzusetzen. Dabei besteht der supraleitende
Stator aus einem flachen YBCO-Ring von 100 bis 400 mm Durchmesser und
einen oder mehreren flachen konzentrisch angeordneten innen oder
außen
laufenden Permanentmagnet-Ringen, die den Rotor tragen.
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Im
Folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der 1 bis 9 näher erläutert.
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1 zeigt
dabei schematisch einen Rotor, der an einem Ende einer vertikal
angeordneten Antriebswelle befestigt ist, die mit Hilfe von Permanentmagneten
in zwei zueinander beabstandeten Magnetlagern geführt ist;
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2 zeigt
einen Querschnitt durch die Antriebswelle in ihrem unteren Lager,
wobei auch ein Teil des supraleitenden Magnetlagers erkennbar ist.
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Die 3a, 3b zeigen
unterschiedliche Konfigurationen der Permanentmagnete auf der Antriebswelle,
die in axialer Richtung gesehen mit und ohne Flusssammler in unterschiedlichen
Abständen angeordnet
sind.
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4 zeigt
schematisch ein zusätzliches Zentrifugenlager
mit axialem und radialem Notlager für unwuchtige Rotoren.
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5 stellt
ein Zentrifugenlager mit seitlich herausnehmbarem Rotor dar, wobei
in axialer Richtung gesehen alternierend Permanentmagnete und supraleitende
Magnete angeordnet sind.
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6 zeigt
eine Zentrifuge mit äußeren Permanentmagneten,
die einen supraleitenden Magneten umgeben.
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7 stellt
eine Anordnung mit einer im Bereich der Unterseite des Rotors befindlichen
ringförmigen
Anordnung von konzentrisch und koplanar angeordneten Permanentmagneten
mit axialer Magnetisierung dar, die zusammen mit einem darunter
befindlichen supraleitenden Magnet-Stator ein reibungsarmes Magnetlager
bilden.
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8 zeigt
einen ähnliche
Anordnung wie sie in 7 dargestellt ist. Im Gegensatz
dazu sind jedoch benachbarte Ring-Oberkanten bzw. Ring-Unterkanten
jeweils gegenpolig ausgebildet.
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9 zeigt
sich schematisch einen gerätetechnische
Ausgestaltung zur Magnetanordnung nach 8.
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Gemäß 1 ist
der Rotor 1 am oberen Ende einer vertikal verlaufenden
Antriebswelle 2 befestigt, wobei die Antriebswelle 2 in
zwei axial zueinander beanstandeten Lagern 3 und 4 drehbar
angeordnet ist. Zwischen den Lagern 3 und 4 ist
eine Antriebsvorrichtung 5 vorgesehen.
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Jedes
der beiden Magnetlager 3, 4 besteht aus den auf
der Antriebswelle 2 angeordneten ring- oder zylinderförmigen Permanentmagneten 6, 7, 8, 9 des
Lagers 3, sowie 11, 12, 13, 14 des
Lagers 4, wobei die Permanentmagnete in jedem der beiden
Lager 3, 4 im vorgegebenen Abstand von wenigsten
einem passivem supraleitenden Magnet-Stator umgeben sind.
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Zwischen
den Permanentmagneten 6 und 7, 7 und 8, 8 und 9 sowie
zwischen 11 und 12, 12 und 13, 13 und 14 ist
jeweils einen hochpermeable Scheibe 16 zur Führung des
Magnetflusses derart eingebaut, dass der zugeführte Fluss über den Spalt 17 zwischen
Magnet-Stator 19 und Rotor 1 senkrecht in die
Wandung des Supraleiters eintritt. Die ringförmigen Permanentmagneten 6 bis 9 sowie 11 bis 14 bestehen
aus SmCo oder NdFeB und erzeugen im Supraleiter eine stabile Rotorposition
relativ zur Verschiebung in axialer oder radialer Richtung. Dagegen verursacht
der in den supraleitenden Stator 19 verankerte radiale
Magnetfluss bei Rotation um die Längsachse 21 nahezu
keinen Widerstand. Die Permanentmagnete 6 bis 9 sowie 11 bis 14 sind
wegen der bei hohen Drehzahlen auftretenden dynamischen Kräfte mit
hochfester Kohlefaser und Prepregharzen armiert.
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Vorteilhafterweise
wird die YBCO-Hohlzylindertextur durch geschichtete Magnetkonfigurationen der
Permanent-Magnete auf der Antriebswelle 2 in der Weise
in die maximale Kraftentstehung eingebracht, wobei eine Kombination
von gleich- und/oder gegenpolig angeordneten Magnetringen die absoluten
Werte wie auch den Gradienten des Magnetflusses in radialer Richtung
erhöhen.
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Anhand 2 ist
im Querschnitt zur Antriebsachse entlang einer durch Linie AA (1)
angedeuteten Ebene der Aufbau von Magnetlager 4 erkennbar.
Das Zentrifugenlager weist als Magnet-Stator 20 einen Supraleiter
auf, welcher zwecks guter thermischer Isolation sich in einen mittels
Vakuum gegenüber
der Außenumgebung
evakuierte Gefäß 25 befindet;
zur Abstützung
ist die dem Rotor zugekehrte hohlzylindrische Innenwand 23 des
Stators gegenüber
dem Supraleiter durch Distanzhalter 24 mit geringer thermischer
Leitfähigkeit
abgestützt. Weiterhin
sind im Gehäuse 25 des
Magnet-Stators 20 Aktivkohlebereiche 26 vorgesehen,
die auf einen Kupferboden des Gehäuses 25 angeordnet
sind. Durch den Einsatz von Aktivkohle wird das Isolationsvakuum
durch eine Kryopumpen-Wirkung beim Abkühlen erzeugt. Innerhalb des
Magnet-Stators 20 ist Antriebswelle 2 erkennbar,
wobei einer der Permanentmagnete – beispielsweise Magnet 13 – im Querschnitt
gezeigt ist. Die Antriebswelle ist als Hohlwelle konstruiert und
läuft in
den supraleitenden Ringen bzw. Zylindern des Magnet-Stators 20.
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Gemäß 3a sind
die Permanentmagnete 6 bis 9 bzw. Magnetlager 3, 4 ohne
Abstand geschichtet zueinander benachbart angeordnet, wobei sich
aufgrund der Führung
der Feldlinien eine verhältnismäßige schwache
Verankerung bei praktischen Werten des Luftspaltes von 52 mm im
Supraleiter des Magnet-Stator 19 ergibt. Nur im Nahbereich des
Magnet-Stators-Supraleiters von ca. 20,5 mm ergibt die Anordnung
hohe Kräfte.
Erst durch eine geschichtete Anordnung der Permanentmagnete 6 bis 9 mit
dazwischen liegenden Scheiben 16 als hochpermeable Scheiben
von jeweils 1 bis 2 mm Dicke zur Führung des Magnetflusses gemäß 3b wird der
Stator 19 und den Permanentmagneten der Antriebswelle 2 senkrecht
in die Supraleiterwanderung eingeführt. Da durch die Erhöhung und
Führung
des Magnetflusses auf der Seite der Permanentmagnete und der radialen
Ausrichtung von stromtragenden kristallographischen A-B-Ebenen des
Supraleiters einen hochstabile magnetische Wechselwirkung entsteht,
kann durch eine Verringerung des Luftspaltes auf 1 bis 2 mm durch
Präzisionsbearbeitung
des Stators 19 die Lagersteifigkeit und damit die Lagegenauigkeit
des Rotors bei allen Drehzahlen weiter erhöht werden.
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In 3a und
der nachfolgenden 3b kennzeichnet jeweils ein
Pfeil C die radiale kristallographische Vorzugs-C-Richtung (Textur
im Stator) in der Weise, dass die stromführenden kristallographischen
A-B-Ebenen in der Zylinderwanderung liegen, damit besonders hohe
Abschirmströme
bzw. magnetische Kräfte
erzielt werden.
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Zwischen
den ringförmigen
Permanentmagneten werden so die hochpermeablem Scheiben 16 mit
einer Dicke im Bereich von 1 bis 2 mm zur Führung des Magnetflusses derart
eingebaut, dass der magnetische Fluss über den Spalt zwischen Magnet-Stator
und Rotor senkrecht in die Statorleiterwandung eintritt. Gemäß 3b tritt
aufgrund des Einsatzes der hochpermeablen Scheiben 16 zwischen den
Permanentmagneten 6, 7, 8, 9 bzw. 11 bis 14 der magnetische
Fluss praktisch senkrecht in die Innenwand 23 des Magnet-Stators 19 bzw. 20 ein,
so dass eine radiale Ausrichtung der Permanentmagnete der Antriebswelle 2 des
Rotors zusammen mit einer hochstabilen magnetischen Wechselwirkung
entsteht, wobei durch Verringerung des Luftspaltes zwischen den
Permanentmagneten der Antriebswelle 2 (Rotor 1)
und Magnet-Stator 19 bzw. 20 auf 1 bis 2 mm durch
Präzisionsbearbeitung
des Magnet-Stators die Lagerfähigkeit
und damit die Lagegenauigkeit des Rotors bei allen Drehzahlen weiter
erhöht werden
kann.
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4 zeigt
schematisch einen Längsschnitt durch
Rotor 1 und Antriebswelle 2, wobei sich das untere
Ende 29 der Antriebswelle 2 in einem Lager 30 mit
Notlaufeigenschaften befindet. Eine solche Anordnung ist insbesondere
für einen
unwuchtigen Rotor infolge ungleichmäßiger Beladung während des
Anlaufvorganges von Interesse. Das Notlauflager 30 tritt
dabei nur in der Anfangsphase des Zentrifugiervorganges in Aktion,
während
sich die Antriebswelle 2 während des normalen Rotorlaufes
im Zentrifugiervorgang geringfügig
aus dem Notlauflager 30 heraushebt, so dass eine berührungsfreie
Führung der
Antriebswelle 2 möglich
ist.
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Gemäß 5 ist
Rotor 1 am oberen Ende eine entlang einer vertikalen Achse 10 verlaufenden Antriebswelle 2 befestigt,
wobei entlang der Antriebswelle zwei Magnetlager 3', 4' vorgesehen
sind, die jeweils einen mit der Antriebswelle 2 senkrecht
zu ihrer Rotations-Achse 10 in ein Gehäuse 25' einführbar, welches jeweils mit
einem supraleitenden Magnet-Stator entlang der Achse 10 versehen
ist, wobei die beiden Magnet-Statoren 19', 20' jeweils eine sektorförmige Öffnung bzw.
Spalt 31, 32 zur seitlichen Einführung der
Antriebswelle 2 aufweisen. Die supraleitenden Mag net-Statoren 19', 20' werden mit
Hilfe einer ähnlichen
Kühlvorrichtung,
wie sie bereits anhand der 2 beschrieben
ist, gekühlt.
Es ist jedoch auch möglich,
hier zur Kühlung
die Verdampfungswärme
eines Kühlmittels
mit niedrigem Siedepunkt, wie z. B. Stickstoff, einzusetzen. Die
Abstände der
Permanentmagnete 6', 11' entsprechen
dem Abstand der supraleitenden Magnet-Statoren 19', 20', wobei nach
Einbringen der Antriebswelle 2 das Gehäuse 25' durch Schließen eines hier nicht dargestellten
zweiten Gehäuseteiles
so arretiert wird, dass die Antriebswelle 2 auch bei unwirksamer
Magnetlagerung in einer reibungsarmen Führung weiterläuft. Zur
Verbesserung der Notlaufeigenschaften ist weiterhin am unteren Ende
der Antriebswelle 2 ein Lager vorgesehen, wie es beispielsweise
aus der Beschreibung zu 4 bekannt ist.
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In 6 ist
ein Rotor mit einem sogenannten Außenläufer dargestellt, wobei Rotor 1' an seinem unteren
Ende mit einem Hohlzylinder 34 versehen ist, der auf seiner
Innenseite wenigstens einen ring- oder zylinderförmigen Permanentmagneten 35 aufweist; der
hohlzylindrisch – ausgebildete
Permanentmagnet 35 umgibt einen entlang der Rotor-Achse 10 angeordneten
supraleitenden Magnet-Stator 36, welcher mit an seinem
oberen Ende 37 in ein mechanisches Notlauflager 38 des
Rotors 1' hineinragt.
Dabei weist ein Kühlfinger
einen entlang der Rotorachse nach oben verlaufenden Bolzen 41 aus
einem Werkstoff hoher linearer Wärmeausdehnung – vorzugsweise aus
Aluminium und Stahl – für das Notlauflager
auf; durch die vom Supraleiter ausgehende Abkühlung zieht sich der Bolzen 41 aus
dem Notlager zurück, sobald
der Supraleiter den Rotor magnetisch fixiert hat. An der Außenperipherie
von Hohlzylinder 34 befindet sich eine Läuferstruktur,
die zum kontaktlosen Antrieb nach dem Prinzip der Induktionsmaschine vorgesehen
ist, wobei der Stator der Induktionsmaschine mit Ziffer 40 bezeichnet
ist. Die eigentliche Kühlvorrichtung
ist zwecks besserer Übersicht
nicht dargestellt, sie entspricht jedoch im wesentlichen der anhand
in 2 erläuterten
Vorrichtung.
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Gemäß 7 weist
der Stator der Zentrifuge einen scheibenförmigen supraleitenden Magnet-Stator 51 auf,
der mit einer Kühlvorrichtung
innerhalb des Zentrifugengehäuses
verbunden ist. Oberhalb des supraleitenden Magnet-Stators 51 ist
eine Permanentmagnet-Konfiguration aus drei ineinander gefügten ringförmigen Permanentmagneten 52, 53, 54 dargestellt,
welche zueinander koaxial und koplanar angeordnet sind, wobei ihre
Magnetisierung axial zur Rotor-Achse
verläuft.
Die Oberkanten der jeweiligen Permanentmagnete sind jeweils gleichpolig
magnetisiert, so dass beispielsweise an der Oberkante stets der
Nordpol und an der Unterseite stets der Südpol vorherrscht. Die Permanentmagnet-Konfiguration 55 bildet
einen integralen Bestandteil der Unterseite des hier nur schematisch
angedeuteten Rotor-Gehäuses. Wie
an hand 7 erkennbar ist, treten die Feldlinien in gleichsinniger
Richtung aus der Permanentmagnet-Konfiguration in Richtung des Magnet-Stators aus,
wobei dessen scheibenförmige
Oberfläche 58 durch
die Feldlinien nahezu senkrecht geschnitten wird.
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In 8 ist
eine ähnliche
Ausführungsform wie
in 7 dargestellt, wobei jedoch hier die axial-magnetisierten
ringförmigen
Permanentmagnete 62, 63, 64 mit ihren
Oberkanten jeweils gegenpolig polarisiert sind, so dass beispielsweise
Permanentmagnet 62 einen Nordpol, der dazu benachbarte
Permanentmagnet 63 einen Südpol und der hierzu wiederum
benachbarte Permanentmagnet 64 einen Nordpol an seiner
Oberkante aufweist. Die somit gegenläufig von der Permanent-Konfiguration 65 ausgehenden
Feldlinie schneiden die Oberflächen 58 des
Magnet-Stators 51 ebenfalls nahezu in einem senkrechten
Winkel. Auch hier ist das Rotor-Gehäuse nur
schematisch angedeutet, wobei die konzentrisch und koplanar angeordneten
ringförmigen
Permanentmagnete im Bereich der Unterseite des Rotor-Gehäuses angeordnet
sind.
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Es
ist jedoch auch möglich,
in den Ausgestaltungen gemäß 7 und 8 eine
Permanentmagnet-Konfiguration zu bilden, die gegenüber dem
Rotor-Gehäuse
abtrennbar bzw. lösbar
angeordnet ist.
-
9 zeigt
schematisch im Längsschnitt eine
Rotoranordnung mit einer Magnetlager-Konfiguration gemäß 8, wonach
die ringförmigen
Permanentmagnet-Konfiguration 65 mit der Unterseite des
Rotorgehäuses 56 verbunden
ist. Unterhalb der Permanentmagnet-Konfiguration ist der Magnet-Stator 51 angeordnet.