DE10124193A1 - Magnetlager - Google Patents

Abstract

Das Magnetlager umfasst DOLLAR A a) wenigstens ein inneres Lagerteil (5), DOLLAR A b) wenigstens ein äußeres Lagerteil (11), das das innere Lagerteil umgibt, DOLLAR A c) wenigstens einen Permanentmagneten (6a bis 6f) und wenigstens ein axial zu einer Rotationsachse (A) neben dem oder den Permanentmagneten angeordnetes Flussleitelement (8a bis 8e) zum Leiten des magnetischen Flusses des oder der Permanentmagnete an einem der beiden Lagerteile, DOLLAR A d) wenigstens einen Supraleiter (12, 32) an dem anderen der beiden Lagerteile, DOLLAR A wobei DOLLAR A e) Permanentmagnet(e) und Supraleiter derart miteinander wechselwirken, dass zwischen dem inneren Lagerteil und dem äußeren Lagerteil ein um die Rotationsachse verlaufender Lagerspalt (10) bildbar oder gebildet ist, DOLLAR A f) der oder die Permanentmagnet(e) zum Lagerspalt hin gegenüber dem oder den Flussleitelement(en) in einer senkrecht zur Rotationsachse gerichteten radialen Richtung radial zurückversetzt ist bzw. sind, DOLLAR A g) jeder Permanentmagnet zumindest an der dem Lagerspalt zugewandten Seite von einem zugehörigen radialen Halteelement (9a bis 9f) in radialer Richtung nach innen und/oder außen gehalten ist. DOLLAR A Vorteil: Schutz des Lagers vor Bruchstücken des spröden Permanentmagneten oder abgelösten Magnetpartikeln ohne Beeinträchtigung der Lagertragkraft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetlager.

Magnetische Lager erlauben eine berührungs- und verschleiß­ freie Lagerung von bewegten Teilen. Sie benötigen deshalb keine Schmiermittel und können reibungsarm konstruiert wer­ den. Sogenannte aktive Magnetlager mit Elektromagneten benö­ tigen eine aktive Lageregelung, die über Lagesensoren und ei­ nen Regelkreis die Ströme der Tragemagnete steuert und Abwei­ chungen des Rotorkörpers aus seiner Soll-Lage entgegenwirkt. Sogenannte passive Magnetlager stabilisieren dagegen ihre La­ ge selbsttätig, so dass keine aktive Lageregelung notwendig ist.

Aus der US 4 072 370 A ist eine passive magnetische Lagerung bekannt mit einer Anordnung von Permanentmagneten sowohl am Stator als auch am Rotor.

Ferner sind passive Magnetlager bekannt, bei denen nur eines der Lagerteile mit permanentmagnetischen Elementen gebildet ist und das andere Lagerteil einen Supraleiter umfasst. Die permanentmagnetischen Elemente induzieren bei einer Lageände­ rung als Folge von Feldänderungen in dem Supraleiter Ab­ schirmströme. Die resultierenden Kräfte können abstoßend oder anziehend sein, sind aber immer so gerichtet, dass sie der Auslenkung aus der Soll-Lage entgegenwirken. Somit kann eine inhärent stabile Lagerung erreicht werden und eine aufwendige und störanfällige Regelung entfallen. Es ist aber eine Küh­ lung des Supraleitermaterials erforderlich. Magnetlager mit Supraleiter sind beispielsweise in US 5 196 748 A und EP 0 322 693 A beschrieben.

Aus der DE 44 36 831 C2 ist nun ein weiteres passives Magnet­ lager mit einem Hochtemperatur-Supraleiter bekannt. Dieses bekannte Magnetlager umfasst ein erstes Lagerteil, das mit einer Rotorwelle verbunden ist, und ein zweites Lagerteil, das an einem Stator angeordnet ist und das erste Lagerteil umgibt. Eines der beiden Lagerteile weist den Hochtemperatur- Supraleiter auf. Das andere Lagerteil umfasst eine Anordnung von nebeneinander angeordneten permanentmagnetischen Elemen­ ten. Die Magnetisierung benachbarter permanentmagnetischer Elemente ist entgegengesetzt zueinander. Die Zwischenräume zwischen jeweils zwei permanentmagnetischen Elementen sind mit ferromagnetischem Material ausgefüllt zur Konzentration des aus den permanentmagnetischen Elementen austretenden Mag­ netflusses an der dem anderen Lagerteil zugewandten Seite. Man erhält dadurch eine hohe Lagersteifigkeit (Stabilität).

In einer Ausgestaltung gemäß der DE 44 36 831 C2 sind die Permanentmagnete in hohlzylindrischer Anordnung am inneren Lagerteil vorgesehen und der Supraleiter ist als hohlzylind­ rische Struktur an der Innenseite eine hohlzylindrischen Trä­ gerkörpers des äußeren Lagerteils angeordnet. Im Trägerkörper sind Kühlkanäle zum Durchleiten von flüssigem Stickstoff zur Kühlung des Supraleiters ausgebildet. In einer anderen Aus­ gestaltung ist der Hochtemperatur-Supraleiter am inneren La­ gerteil an der Rotorwelle angeordnet, wobei zur Kühlung des Hochtemperatur-Supraleiters ein Kühlkanal in der Rotorwelle für den flüssigen Stickstoff vorgesehen wird. Die permanent­ magnetischen Elemente mit den ferromagnetischen Zwischenele­ menten können axial zur Rotorwelle hintereinander in Form von dünnen Ringen angeordnet sein oder auch axial langgestreckt sein und in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sein, jeweils mit alternierenden Magnetisierungen.

Als permanentmagnetisches Material wird in der DE 44 36 831 C2 ein Material mit einem Energieprodukt (B.H)_max von wenigs­ tens 20 MGOe vorgeschlagen, insbesondere eine Neodym(Nd)- Eisen(Fe)-Bor(B)-Legierung oder eine Samarium(Sm)-Kobalt(Co)- Legierung. Auch das permanentmagnetische Material kann zur Erhöhung seiner Koerzitivfeldstärke gekühlt werden.

Die in den bekannten Magnetlagern zum Erreichen der hohen Magnetfelder eingesetzten permanentmagnetischen Materialien sind selbst erheblichen Kräften durch die hohen Magnetfelder ausgesetzt. Bei Anordnung der Permanentmagnete am drehenden Lagerteil wirken zusätzlich Fliehkräfte (Zentrifugalkräfte) auf die Permanentmagnete. Diese Kräfte können nun zum Ablösen einzelner Magnetpartikel, insbesondere aus den pulvermetal­ lurgisch durch Sintern oder Pressen hergestellten, spröden Permanentmagneten oder sogar zum Bruch der Permanentmagneten führen, insbesondere bei Dauerbelastung und Materialermüdung. Dies kann aber erhebliche Schäden oder sogar die völlige Zer­ störung des Magnetlagers nach sich ziehen.

Aus EP 0 728 956 A1 ist nun ein Magnetlager bekannt mit einem Supraleiter auf dem Stator und einer Permanentmagnetanordnung auf dem Rotor sowie einem Lagerspalt zwischen dem Supraleiter und den Permanentmagneten. Die Permanentmagnete sind ringför­ mig ausgebildet und konzentrisch zur Rotationsachse des Ro­ tors angeordnet. Zwischen den einzelnen ringförmigen Perma­ nentmagneten sind ringförmige, weichmagnetische Flussleitele­ mente vorgesehen. Die ringförmigen Permanentmagnete sind da­ gegen aus einem magnetischen Sintermaterial mit einem hohen Energieprodukt, insbesondere einem Samarium-Kobalt- oder ei­ nem Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterial, gebildet. Um einen Bruch dieser gesinterten Permanentmagnete zu verhindern, insbeson­ dere bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten, ist nun um den äu­ ßersten Ring der Magnetanordnung ein Verstärkungsring aus ei­ nem glasfaser- oder kunststofffaserverstärkten Kunststoff an­ geordnet, der die Anordnung der ringförmigen Permanentmagnete radial unter einem radialen Druck zusammenhält.

Eine ähnliche Anordnung ist auch aus Patent Abstracts of Ja­ pan zu JP 09 049 523 A bekannt.

Aus EP 0 4I3 85I A1 ist ein Lagerring für Magnetlager zur Verwendung in magnetgelagerten Vakuumpumpen bekannt mit Per­ manentmagnetanordnungen auf dem Rotor und dem Stator. Als Permanentmagnete werden Eisen-Neodym-Bor-Magnete oder Kobalt- Samarium-Magnete vorgeschlagen. Dieses bekannte Magnetlager umfasst auf der rotierenden Welle Lagerringe, welche jeweils aus einem Nabenring, einem Permanentmagnetring und einem Ar­ mierungsring bestehen. Die Armierungsringe haben die Aufgabe, Zerstörungen der Permanentringe infolge der hohen Fliehkräfte zu vermeiden und bestehen aus Edelstahl.

Aus Patent Abstracts of Japan zu JP 08 200 368 A ist ferner ein Magnetlager mit einem Supraleiter am außenliegenden Sta­ tor und einer Permanentmagnetanordnung am innenliegenden Ro­ tor bekannt. Die Permanentmagnetanordnung besteht aus mehre­ ren in Umfangsrichtung nebeneinander liegenden, ringsegment­ förmigen Permanentmagneten, die einander zu einem geschlosse­ nen Ring ergänzen. Um die äußere Peripherie aller ringseg­ mentartigen Permanentmagnete ist ein Haltering angeordnet, um ein Brechen der Permanentmagnete durch die großen Zentrifu­ galkräfte bei hohen Drehgeschwindigkeiten zu vermeiden. Fer­ ner ist ein Druckring vorgesehen, der den Haltering radial nach innen gegen die Außenflächen der Permanentmagnete drückt. Die Permanentmagnete sind nicht voneinander beabstan­ det, sondern berühren einander. Flussleitelemente zwischen den Permanentmagneten sind nicht vorgesehen.

Bei den genannten bekannten Magnetlagern, bei denen radiale Halteeinrichtungen für die Permanentmagnete vorgesehen sind, werden jedoch die Lagertragkräfte oder die Tragfähigkeit des Lagers verringert. Die radialen Halteeinrichtungen sind näm­ lich bei den bekannten Magnetlagern zwischen den Permanent­ magneten und ggf. den zugehörigen Flussleitelementen einer­ seits und dem Lagerspalt andererseits angeordnet und reduzie­ ren dadurch die in dem Lagerspalt und mit dem Supraleiter wirksame magnetischen Flussdichte, da der Lagerspalt eine be­ stimmte Mindestweite nicht unterschreiten darf.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Magnet­ lager vor einer Zerstörung oder Beschädigung der Permanent­ magnete zu schützen, ohne die Lagertragkraft wesentlich zu schwächen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkma­ len des Anspruchs 1.

Das Magnetlager (magnetische Lager) gemäß Anspruch 1 umfasst wenigstens ein inneres Lagerteil und wenigstens ein äußeres Lagerteil, dass das innere Lagerteil umgibt. An einem der bei­ den Lagerteile sind wenigstens ein Permanentmagnet, insbeson­ dere aus hartmagnetischem Material, und wenigstens ein Fluss­ leitelement zum Leiten des Magnetflusses des Permanentmagne­ ten angeordnet. Das Flussleitelement ist axial (oder: paral­ lel) zur Rotationsachse neben (oder: versetzt zu) dem Perma­ nentmagneten angeordnet, und besteht im Allgemeinen aus mag­ netisch leitendem, insbesondere weichmagnetischem und/oder ferromagnetischem, Material. An dem anderen der beiden Lager­ teile ist dagegen wenigstens ein Kopplungsmittel (Wechselwir­ kungsmittel) angeordnet, das mit dem oder den Permanentmagne­ ten derart (magnetisch) wechselwirkt, dass zwischen dem inne­ ren Lagerteil und dem äußeren Lagerteil ein um die Rotations­ achse verlaufender Lagerspalt (Lagerabstand, Lagerzwischen­ raum) bildbar oder gebildet ist, so dass eine berührungsfreie Rotation der beiden Lagerteile gegeneinander um eine Rotati­ onsachse möglich ist.

Eine radiale Halteeinrichtung (Schutzeinrichtung, Abschirm­ einrichtung) hält und stabilisiert den Permanentmagneten in wenigstens einer radialen Richtung senkrecht zur Rotations­ achse, zumindest jedoch zum Lagerspalt hin, und hält dadurch den Permanentmagneten oder Bruchstücke des Permanentmagneten von einer Bewegung in dieser radialen Richtung zum Lagerspalt hin ab. Durch die radiale Halteeinrichtung ist der Permanent­ magnet somit zum Lagerspalt hin abgeschirmt und kann dadurch in dieser radialer Richtung keine Bruchstücke oder Partikel mehr abgeben. Somit kann der Permanentmagnet auch unter dem Einfluss starker Kräfte, insbesondere infolge hoher Magnetfelder oder hoher Zentrifugalkräfte, und einer dadurch möglichen Auflösung oder Ablösung von Partikeln keine Schädi­ gung des Magnetlagers mehr hervorrufen.

Um die Lagertragkraft des Magnetlagers nicht zu reduzieren, sind nun als weitere Maßnahmen zum einen jeder Permanentmag­ net in radialer Richtung zumindest zum Lagerspalt hin weniger weit ausgedehnt als das oder die Flussleitelemente und zum anderen die radiale Halteeinrichtung mit jeweils einem ein­ zelnen Halteelement für jeden Permanentmagneten gebildet.

Gemäß der Erfindung ist also die radiale Halteeinrichtung zwischen dem Lagerspalt und dem Permanentmagneten angeordnet und damit der besonders störsensible Bereich des Lagerspaltes durch die radiale Halteeinrichtung vor Bruchstücken und abge­ lösten Teilen des Permanentmagneten geschützt. Jedes Fluss­ leitelement dient zum Leiten des magnetischen Flusses der Permanentmagnete sowie im Allgemeinen auch zu dessen Konzent­ ration und Verstärkung im Lagerspalt. Die Lagertragkraft wird durch die Halteeinrichtung gemäß der Erfindung nur geringfü­ gig betroffen. Zum einen sind nämlich die Permanentmagnete zurückversetzt und ragen somit die Haltelemente nicht oder nur wenig in den Lagerspalt, so dass der Lagerspalt deshalb nicht größer gewählt werden muss. Zum anderen führen oder leiten die Flussleitelemente den Magnetfluss auch der zurück­ versetzten Permanentmagnete weiterhin in praktisch gleicher Stärke zum Lagerspalt hin. Die Tragkraft des Lagers entsteht nun überwiegend im Bereich der hohen Magnetflussdichte und Magnetflussdichtegradienten radial außen an den Flussleitele­ menten. Die im Bereich des oder der Permanentmagnete vorgese­ hene radiale Halteeinrichtung stört nicht den Magnetfluss an diesen Austrittsstellen an den Flussleitelementen. Die Erfin­ dung beruht dabei auch auf der Überlegung, dass eine Stabili­ sierung der Flussleitelemente entfallen kann, weil die Fluss­ leitelemente mechanisch stabiler ausge­ führt werden können als die Permanentmagnete.

Das Magnetlager gemäß der Erfindung ist im Allgemeinen für einen um eine Rotationsachse (Drehachse) rotierbaren oder ro­ tierenden Körper (Rotor) vorgesehen. Dazu ist das innere La­ gerteil oder das äußere Lagerteil mit dem Rotor verbunden oder verbindbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Magnet­ lagers gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

In einer ersten Ausführungsform ist die radiale Halteeinrich­ tung an einer von der Rotationsachse abgewandten Außenseite des Permanentmagneten angeordnet und verhindert dadurch ein Austreten von Teilen des Permanentmagneten in der nach außen gerichteten radialen Richtung. Diese Verhinderung einer Bewe­ gung des Permanentmagneten und Bruchstücken daraus zumindest in der nach außen gerichteten radialen Richtung mittels der radialen Halteeinrichtung ist besonders bei einer Ausfüh­ rungsform des Magnetlagers zweckmäßig, bei der wenigstens ein Permanentmagnet am rotierbaren oder rotierenden oder mit dem Rotor verbundenen oder verbindbaren Lagerteil vorgesehen ist. Infolge der Drehung des Lagerteils und des daran befindlichen Permanentmagneten wirken nämlich auf den Permanentmagneten in der nach außen gerichteten radialen Richtung Zentrifugalkräf­ te, die um so größer sind, je schneller sich das Lagerteil dreht. Die radiale Halteeinrichtung hält dann den Permanent­ magneten zumindest in dieser kritischen Richtung der Zentri­ fugalkräfte. Dadurch werden auch Zentrifugalkräfte im rotie­ renden Permanentmagneten nach außen abgefangen und eine Ablö­ sung von Magnetpartikeln nach außen vermieden.

In einer zweiten Ausführungsform ist die radiale Halteein­ richtung an einer der Rotationsachse zugewandten Innenseite des Permanentmagneten angeordnet und verhindert dadurch ein Austreten von Teilen des Permanentmagneten in der nach innen gerichteten radialen Richtung. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn der Permanentmagnet am äußeren Lagerteil ange­ ordnet ist, um den Lagerspalt und das innere Lagerteil vor Bruchstücken des Permanentmagneten zu schützen. Diese zweite Ausführungsform kann auch mit der vorgenannten ersten Ausfüh­ rungsform kombiniert werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt die radiale Hal­ teeinrichtung wenigstens in einem Teilbereich formschlüssig und/oder kraftschlüssig an dem Permanentmagneten an, so dass insbesondere Zwischenräume vermieden werden und der Perma­ nentmagnet mechanisch zusammengehalten und dadurch stabili­ siert wird.

Die radiale Halteeinrichtung kann wenigstens teilweise mit einem flexiblen (biegsamen) Material gebildet sein und kann dann unterschiedlich gestalteten Permanentmagneten und Lager­ teilen leicht angepasst werden. Wenigstens ein Halteelement der radialen Halteeinrichtung ist vorzugsweise bandförmig ausgebildet und dabei im Allgemeinen mit seiner Breitseite dem Permanentmagneten zugewandt.

Die radiale Halteeinrichtung kann aber auch wenigstens teil­ weise mit einem formstabilen (starren) Material gebildet sein.

Das Material der radialen Halteeinrichtung ist im Allgemeinen mechanisch stabil, zug- und reißfest und vorzugsweise nicht­ magnetisch, um die Lagertragkraft möglichst wenig oder gar nicht zu schwächen. Bevorzugte Materialien für die radiale Halteeinrichtung sind Faserwerkstoffe oder Faserverbundwerk­ stoffe. Insbesondere kommen mit Kohlenstoff-Faser oder Glas­ faser oder mineralischer Faser verstärkte Kunststoffe (Poly­ merwerkstoffe), Fasergewebe, Fasergewirke, Fasergelege oder gepresste Faserwerkstoffe in Betracht. Ferner geeignet sind auch unmagnetische Metalle oder Metallegierungen, beispiels­ weise unmagnetische Stähle.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Magnetla­ ger mehrere, axial zur Rotationsachse nebeneinander (oder: stapelförmig) angeordnete Permanentmagnete an einem der La­ gerteile. Die Permanentmagnete können aber auch in einer die Rotationsachse umlaufenden Anordnung, insbesondere in Um­ fangsrichtung, nebeneinander angeordnet sein. Zwischen we­ nigstens zwei der Permanentmagneten und/oder in axialer Rich­ tung an den äußeren Permanentmagneten außen ist nun jeweils ein Flussleitelement angeordnet. Vorzugsweise sind die Magne­ tisierungen der Permanentmagnete alternierend, die Magneti­ sierungen zweier benachbarter Permanentmagnete also entgegen­ gesetzt gepolt.

Über die einzelnen Halteelemente für die Permanentmagnete und die Flussleitelemente kann sich in einer Weiterbildung zur zusätzlichen Verstärkung ein gemeinsames Halteelement erstre­ cken.

Ferner umläuft in einer vorteilhaften Ausgestaltung wenigs­ tens ein radiales Halteelement die Rotationsachse in einer oder mehreren Lagen, bildet also eine geschlossene hohlzylin­ der-, ring-, wirbel- oder schlaufenförmige Gestalt um die Ro­ tationsachse.

Die radiale Dicke (Ausdehnung) des oder der radialen Halte­ elemente(s) gemessen ab dem Permanentmagneten in der betrach­ teten radialen Richtung, beträgt im Allgemeinen höchstens ein Drittel (1/3), insbesondere höchstens ein Viertel (1/4) und vorzugsweise höchstens ein Zehntel (1/10) der radialen Dicke des Permanentmagneten. Außerdem ist die radiale Ausdehnung jedes radialen Halteelements vorzugsweise auch kleiner ge­ wählt als die radiale Abmessung (Spaltbreite) des Lagerspal­ tes.

Die radiale Ausdehnung des oder der radialen Halteelemente ist vorzugsweise ferner so gewählt, dass sie die Differenz zwischen der radialen Ausdehnung des oder der weiter nach au­ ßen abstehenden Flussleitelement(e) einerseits und der radia­ len Ausdehnung des oder der Permanentmagnete(n) andererseits nicht wesentlich überschreitet und vorzugsweise kleiner ist oder höchstens gleich wie diese Differenz. Dadurch kann der Lagerspalt gering bleiben und wird in seinen radialen Abmes­ sungen nur durch die Flussleitelemente begrenzt. Die Halte­ elemente und die Flussleitelemente können insbesondere in ra­ dialer Richtung bündig miteinander abschließen, so dass eine im Wesentlichen glatte, vorzugsweise zylindrische, gemeinsame Oberfläche gebildet ist, die den Lagerspalt begrenzt.

Da jeder Permanentmagnet des Magnetlagers von dem zugehörigen radialen Halteelement stabilisiert ist, kann jeder Permanent­ magnet aus einem spröden Material bestehen, insbesondere ei­ nem gesinterten oder gepressten Formkörper, oder sogar über­ haupt nicht formstabil sein, insbesondere aus magnetischem Pulver gebildet sein. Dies erlaubt, ohne die Gefahr mechani­ scher Schäden am Lager, den Einsatz der Magnetmaterialien Ne­ odym(Nd)-Eisen(Fe)-Bor(B)-Legierung oder Samarium(Sm)- Kobalt(Co)-Legierung.

Der oder die Permanentmagnet(e) und/oder das oder die Fluss­ leitelement(e) und/oder das oder die Halteelement(e) und/oder die Kopplungsmittel umgeben in einer vorteilhaften Ausgestal­ tung die Rotationsachse in einer (ringsum) geschlossenen Ges­ talt, vorzugsweise in Gestalt eines Ringes. Der Ringquer­ schnitt kann dabei insbesondere kreisförmig, scheibenförmig oder rechteckig sein entsprechend einer hohlzylindrischen bzw. torusförmigen Ringgestalt. Der Ringlängsschnitt senk­ recht zur Rotationsachse kann also insbesondere kreisringför­ mig sein.

Die radial innenliegende oder außenliegende Außenseite wenig­ stens eines Permanentmagneten und/oder der zugehörigen radia­ le Halteeinrichtung ist vorzugsweise im Wesentlichen zylin­ drisch geformt, so dass sich auf der Außenseite dieses Perma­ nentmagneten oder einer Anordnung mehrerer solcher Permanent­ magnete bzw. der daran angeordneten radiale Halteeinrichtung eine Mantelfläche eines Zylinders ergibt. Die Außenseite we­ nigstens eines Permanentmagneten und/oder der zugehörigen ra­ diale Halteeinrichtung kann aber auch, insbesondere nach ei­ ner Richtung, beispielsweise axial und/oder konisch, anstei­ gen. Vorzugsweise wird die radiale Halteeinrichtung der äuße­ ren Gestalt der Permanentmagnete angepasst.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Magnetlagers zeichnet sich dadurch aus, dass als Kopplungsmittel eine sup­ raleitende Struktur vorgesehen ist, die vorzugsweise einen Hochtemperatur-Supraleiter aufweist, also einen Supraleiter, dessen kritische Temperatur über 77 K liegt. Es können als Kopplungsmittel aber auch Elektromagnete, die induktiv ein Magnetfeld erzeugen, oder Permanentmagnete verwendet werden. Insbesondere bei Elektromagneten wird dann im Allgemeinen auch eine automatische Lageregelung vorgesehen.

Ferner ist es vorteilhaft, die Kopplungsmittel an der dem La­ gerspalt zugewandten Seite des Lagerteils anzuordnen, um ei­ nen guten Wirkungsgrad der Kopplung zu erreichen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen weiter erläutert. Dabei wird auf die Zeichnungen Be­ zug genommen, in deren

Fig. 1 ein Magnetlager mit Einzelbandagen für axial ange­ ordnete Permanentmagnete in einer perspektivischen und teilweise geschnittenen Ansicht und

Fig. 2 ein Magnetlager mit Einzelbandagen und einer ge­ meinsamen Bandage für axial angeordnete Permanent­ magnete in einer perspektivischen und teilweise ge­ schnittenen Ansicht
jeweils schematisch veranschaulicht sind. Einander entspre­ chende Teile sind in den Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszei­ chen versehen.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten, mit 2 bezeichneten Magnetlager für eine rotierende Welle 4 als Rotor sind ein mit der rotie­ renden Welle 4 verbundenes Lagerinnenteil mit 5, ein aus La­ gerinnenteil 5 und Welle 4 gebildeter Rotorkörper mit 3 und ein Lageraußenteil mit 11 bezeichnet.

Das Lagerinnenteil 5 ist mit mehreren, beispielsweise sechs, ringscheibenförmigen permanentmagnetischen Elementen (Perma­ nentmagnete) 6a bis 6f versehen. Diese permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f sind jeweils so polarisiert, dass axial, also in Richtung der Wellenachse A gesehen, die Polarisation von Element zu Element entgegengesetzt ist. Die einzelnen Po­ larisationsrichtungen sind in der Figur durch gefeilte Li­ nien 7 angedeutet.

Zwischen den permanentmagnetischen Elementen 6a bis 6f sind ringscheibenförmige Elemente (Zwischenelemente) 8a bis 8e aus einem ferromagnetischen Material wie z. B. Eisen angeordnet. Außerdem sind an den stirnseitigen Außenflächen der äußeren permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f den Elementen 8a bis 8e entsprechende ferromagnetische Elemente 8f und 8g vorgese­ hen. Das ferromagnetische Material dieser ferromagnetischen Elemente 8a bis 8g dient zur Konzentration des Magnetflusses an der zylinderförmigen Außenfläche des Lagerinnenteils 5 und erhöht dadurch die Tragkraft des Lagers 2. Zugleich verstär­ ken die ferromagnetischen Elemente 8a bis 8g auch mechanisch das Lagerinnenteil 5 mit den im Allgemeinen aus sprödem Mate­ rial bestehenden permanentmagnetischen Elementen 6a bis 6f. Die ferromagnetischen Elemente 8a bis 8g haben somit einer­ seits die Funktion von Flussleitelementen zum Führen (Leiten) des Magnetflusses und andererseits die Funktion von axialen Halteelementen.

Alle Elemente 6a bis 6f und 8a bis 8g sind stapelförmig axial hintereinander an der Welle 4 befestigt. Die Welle 4 besteht vorteilhaft aus einem nicht-magnetischen oder nicht magneti­ sierbaren Material wie z. B. aus einem besonderen Stahl. Der Stapel von permanentmagnetischen Elementen kann aber auch auf einem rohrförmigen Trägerkörper aus unmagnetischem Material aufgebracht sein, der seinerseits einen gegebenenfalls sogar ferromagnetischen Wellenteil umschließt. Die Wandstärke die­ ses dann einen hohlzylindrischen Randbereich der Welle 4 dar­ stellenden Trägerkörpers sollte in diesem Falle mindestens die halbe axiale Dicke der Magnetpole, d. h. (d1 + d2)/2, betragen. Im Allgemeinen besteht jedoch die gesamte Rotorwel­ le 4 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, beispielsweise durch eine Ver­ klebungstechnik bewirkten, Fixieren, beispielsweise durch Schleifen oder Drehen in eine gleichmäßige zylindrische Form gebracht. Durch das ferromagnetische Material der Elemente 8a bis 8g wird das Magnetfeld rotationssymmetrisch, wobei zugleich Inhomogenitäten im Feld der permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f ausgeglichen werden.

Die radiale Ausdehnung a der ringscheibenförmigen permanent­ magnetischen Elemente 6a bis 6f sollte vorteilhaft mindestens das Zweifache ihrer Dicke d1 in axialer Richtung betragen. Demgegenüber wird vorteilhaft die axiale Dicke d2 jedes der ferromagnetischen Elemente 8a bis 8g kleiner als die axiale Dicke d1 der permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f ge­ wählt; beispielsweise liegt die Dicke d2 bei ein bis zwei Zehntel der Dicke d1.

Das Lagerinnenteil 5 ist durch einen Lagerspalt 10 getrennt von einem hohlzylinderförmigen, ortsfesten Lageraußenteil 11 umgeben. Die Spaltweite (radiale Abmessung) w des Lagerspal­ tes 10 zwischen Lagerinnenteil 5 und Lageraußenteil 11 liegt vorzugsweise in der Größenordnung der axialen Dicke d2 der ferromagnetischen Zwischenelemente 8a bis 8g. Typische Werte für die Spaltweite w und die axiale Dicke d2 liegen zwischen 0,1 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 1,5 mm.

Das einen Stator bildende Lageraußenteil 11 weist auf seiner dem Lagerinnenteil 5 zugewandten Innenseite eine supraleiten­ de Struktur 12 auf, vorzugsweise aus einem der bekannten Hochtemperatur-Supraleiter-Materialien (Hoch-T_c-Supraleiter-Ma­ terialien), die eine Flüssig-Stickstoff(LN₂)-Kühltechnik erlauben.

Als Supraleitermaterial für die supraleitende Struktur 12 kommt insbesondere texturiertes YBa₂Cu₃O_7-x in Frage. Vorteil­ haft sind dabei die kristallinen a-b-Ebenen von mindestens einem großen Teil des Supraleitermaterials im Wesentlichen parallel zur Außenfläche des Lagerinnenteils 5 ausgerichtet. In dem Supraleitermaterial können vorteilhaft fein verteilte Ausscheidungen von Y₂BaCuO₅ vorhanden sein. Ein entsprechen­ des Material lässt sich z. B. nach der sogenannten Quench- Melt-Growth-Methode (vgl. Superconductor Science Technology, Vol. S. 1992, Seiten 185 bis 203) herstellen und sollten bei 77 K eine kritische Stromdichte von einigen 10⁴ A/cm² aufwei­ sen: Die mittlere Korngröße (Korndurchmesser) der Kristallite (Körner) des Supraleiters sollte dabei größer als die axiale Dicke d1 der permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f sein, wobei die Korngröße in den kristallinen a-b-Ebenen betrachtet wird.

Der von benachbarten permanentmagnetischen Elementen (z. B. 6d, 6e) am Lagerinnenteil 5 hervorgerufene Magnetfluss wird weitgehend in dem gemeinsamen ferromagnetischen Zwischenele­ ment (8d) konzentriert und tritt so mit hoher Flussdichte über dieses Zwischenelement in den Lagerspalt 10 aus. In dem Lagerspalt 10 schließt sich der Fluss zu jeweils benachbarten Zwischenelementen (8c bzw. 8e) hin. In der das Lagerinnenteil 5 umschließenden, den Lagerspalt 10 begrenzenden und ortsfes­ ten supraleitenden Struktur 12 induziert der von den einzel­ nen Magnetpolen erzeugte Magnetfluss entsprechende Ströme, die wiederum eine magnetische Kopplung oder Gegenkopplung be­ wirken. Auf der Seite der Rotorwelle 4 schließt sich der mag­ netische Fluss im Bereich des nicht-magnetischen Materials der Welle 4. Damit wird dort vorteilhaft ein magnetischer Kurzschluss vermieden, der zu einer Reduzierung des in den Lagerspalt 10 austretenden Magnetflusses führen würde.

Bezüglich der Ausgestaltung und weiterer Einzelheiten der Ma­ terialien, Ausgestaltungen, Bemessungen und Funktion des Mag­ netlagers wird auch auf die DE 44 36 831 C2 verwiesen, deren Inhalt in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung mitein­ bezogen wird.

Das permanentmagnetische Material der Elemente 6a bis 6f soll ein maximales Energieprodukt (B.H)_max von wenigstens 20 MGOe aufweisen, um die erforderlichen Lagerkräfte und Lagerstabi­ lität aufzubringen. Geeignete Materialien mit einem solch ho­ hen Energieprodukt sind insbesondere eine Neodym(Nd)- Eisen(Fe)-Bor(B)-Legierung oder eine Samarium(Sm)-Kobalt(Co)- Legierung.

Der maximale Lagerdruck wird nicht durch das für den Stator vorgesehene Supraleitermaterial, sondern durch das maximal erreichbare Magnetfeld H im Lagerspalt 10 vorgegeben. Dafür ist der relevante Parameter die Koerzitivfeldstärke H_c des permanentmagnetischen Materials. Als permanentmagnetisches Material kommt deshalb insbesondere NdFeB in Frage, da es ei­ ne verhältnismäßig hohe Koerzitivfeldstärke H_c hat. SmCo hat gegenüber Raumtemperatur bei 77 K eine um 10% höhere Koerzi­ tivfeldstärke H_c, die dann mit der von NdFeB vergleichbar wird. Gegebenenfalls kommt deshalb auch eine Kühlung des per­ manentmagnetischen Materials in Frage.

Die genannten Legierungen NdFeB und SmCo werden im Allgemei­ nen pulvermetallurgisch aus einem Pulver hergestellt, insbe­ sondere gepresst und anschließend geglüht, heißgepresst oder gesintert. Beispielsweise können die in Applied Physics Let­ ters, Vol. 46 (8), 15 April 1985, Seiten 790 und 791 sowie in Applied Physics Letters, Vol. 53 (4) 25 July 1988, Seiten 342 und 343 beschriebenen Herstellverfahren zum Herstellen der Permanentmagnete verwendet werden.

Die derart hergestellten Formkörper für die permanentmagneti­ schen Elemente 6a bis 6f sind spröde und können unter der Einwirkung hoher Kräfte wie der hohen Magnetfelder im Magnet­ lager und der im Lager wirkenden Zentrifugalkräfte Magnetpar­ tikel oder sogar größere Bruchstücke abgeben, insbesondere aufgrund Materialermüdung oder Dauerbelastung. Das Problem der Sprödigkeit der Permanentmagneten wird durch die tiefen Temperaturen im Magnetlager 2 noch verschärft. Die abgelösten Magnetpartikel oder größeren Stücke aus den permanentmagneti­ schen Elementen 6a bis 6f können in den Lagerspalt 10 gelan­ gen und dort zu erheblichen Schäden bis zum Totalausfall füh­ ren.

Um dies zu verhindern ist nun gemäß der Erfindung für die permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f eine radiale Halte­ einrichtung vorgesehen, die die permanentmagnetischen Elemen­ te 6a bis 6f in radialer Richtung bezüglich der Drehachse (Rotationsachse) oder Wellenachse A zusammenhält. Besonders kritisch sind dabei die Bereiche oder Seiten der permanent­ magnetischen Elemente 6a bis 6f, die dem Lagerspalt 10 zuge­ wandt sind. Die radiale Halteeinrichtung kann dazu flexible Halteelemente oder auch formstabile Halteelemente umfassen.

In Fig. 1 ist nun jedes der ringförmigen permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f mit jeweils einem zugehörigen Halteelement 9a bis 9f in einer oder mehreren Lagen umwickelt oder um­ spannt. Jedes Halteelement 9a bis 9f ist vorzugsweise in Form eines flexiblen Bandes (Haltebandes) aus einem reißfesten und zugfesten Material ausgestaltet.

Als Material für die Halteelemente (Haltebänder) 9a bis 9f ist ein Faserverbundwerkstoff, ein reiner Faserwerkstoff oder ein anderes stabiles Bandagiermaterial, beispielsweise ein Metall oder eine Matallegierung, zweckmäßig. Als Faserver­ bundwerkstoffe können insbesondere mit Fasern, insbesondere mit Kohlenstoff-Fasern und/oder Glasfasern, verstärkte Kunst­ stoffe oder Kunstharze verwendet werden, und als Faserwerk­ stoffe insbesondere gewebte, gewirkte oder gepresste Werk­ stoffe aus Fasern, vorzugsweise Kunststoff-Fasern oder Glas­ fasern oder mineralischen Fasern, insbesondere Aramid, Kev­ lar, Bor oder ähnliche Materialien, wobei in allen Fällen die Fasern unidirektional oder auch im Winkel zueinander verlau­ fen können. Der Faserverbundwerkstoff oder Faserwerkstoff kann insbesondere vorgespannt sein, um thermische Spannungs­ unterschiede zu kompensieren.

Jedes Halteelement 9a bis 9f wird um das zugehörige perma­ nentmagnetische Element 9a bis 9f unter einer vorgegebenen Zugspannung gespannt und insbesondere an einem oder beiden Enden mit sich selbst verbunden, um eine ringsum geschlossene Halterung zu erhalten.

Die radialen Dicken (Ausdehnungen) der permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f und der radial an deren Außenseite ange­ ordneten Halteelemente 9a bis 9f sind im Allgemeinen so ge­ wählt, dass die Summe der radialen Dicke der Elemente 6a bis 6f und der radialen Dicken der Halteelemente 9a bis 9f im We­ sentlichen der radialen Dicke (Ausdehnung) a der ferromagne­ tischen Elemente 8a bis 8f entspricht oder kleiner ist als diese, wobei die radiale Dicke gemessen ist als Abstand zwi­ schen der der Rotationsachse zugewandten Innenfläche und der entsprechend abgewandten Außenfläche. Dadurch ist an der dem Lagerspalt 10 zugewandten Außenseite des Lagerinnenteils 5 wieder eine einheitliche, im Wesentlichen zylindrische Ober­ fläche durch die Oberflächen der ferromagnetischen Elemente 8a bis 8f einerseits und die Halteelemente 9a bis 9f anderer­ seits gebildet. Außerdem werden die Halteelemente 9a bis 9f durch jeweils zwei der permanentmagnetischen Elemente 8a bis 8g seitlich an einem axialen Verrutschen gehindert.

Diese Ausbildung mit gegenüber den ferromagnetischen Elemen­ ten 8a bis 8g an der Außenseite radial nach innen zurückver­ setzten (radial eingesenkten) permanentmagnetischen Elementen 6a bis 6f und jeweils einem zugehörigen Halteelement 9a bis 9f hat den Vorteil, dass die Lagerkraft durch die radiale Halteeinrichtung (Bandagierung) mit den Halteelementen 9a bis 9f nur unwesentlich vermindert wird. Die Tragkraft des Lagers 2 wird nämlich hauptsächlich in den Bereichen hoher magneti­ scher Flussdichte und Flussdichtegradienten radial außerhalb der ferromagnetischen Elemente 8a bis 8g erzeugt. Die nur an den permanentmagnetischen Elementen 6a bis 6f vorgesehenen Halteelemente 9a bis 9f beeinflussen den Magnetfluss in und an den ferromagnetischen Elementen 9a bis 8g jedoch nur ge­ ringfügig.

Die radiale Dicke der Halteelemente 9a bis 9f ist im Allge­ meinen deutlich kleiner als die radiale Dicke der zugehörigen permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f und beträgt im All­ gemeinen höchstens 33,3%, insbesondere höchstens 25% und vorzugsweise höchstens 10% der radialen Dicke der permanent­ magnetischen Elemente 6a bis 6f, um die Lagertragkraft nicht zu sehr zu reduzieren. Vorzugsweise ist die radiale Dicke der Halteelemente 9a bis 9f auch kleiner als die Spaltweite w des Lagerspaltes 10. Die Werte für die radiale Dicke der Halte­ elemente 9a bis 9f werden im Allgemeinen aus einem Bereich zwischen 0,1 mm und 4 mm, insbesondere zwischen 0,2 mm und 3 mm und vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 1 mm gewählt.

Die axiale Dicke (Länge) d1 der permanentmagnetischen Elemen­ te 6a bis 6f entspricht der axialen Dicke (Breite) der Halte­ elemente 9a bis 9f, so dass die permanentmagnetischen Elemen­ te 6a bis 6f an ihrer dem Lagerspalt 10 zugewandten Außensei­ te komplett von den Halteelementen 9a bis 9f abgedeckt sind und keine Partikel in den Lagerspalt 10 abgeben können. Typi­ scherweise liegt die axiale Dicke d1 der permanentmagneti­ schen Elemente 6a bis 6f und damit die axiale Dicke (Breite) der Halteelemente 9a bis 9f in einem Bereich zwischen etwa 0,5 mm und etwa 5 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 4 mm.

Durch die beschriebene Bandagierung mittels der bandförmigen Halteelemente 9a bis 9f sind die permanentmagnetischen, aus sprödem Material bestehenden Elemente 6a bis 6f gegenüber dem Lagerspalt 10 wirksam eingekapselt und können keine Magnet­ partikel in den Lagerspalt 10 mehr abgeben, so dass das Lager 2 selbst bei schnell laufenden Wellen 4 und den dabei auftre­ tenden höheren Zentrifugalkräften (Fliehkräften) wirksam ge­ schützt ist.

Die zwischen den permanentmagnetischen Elementen 6a bis 6f angeordneten ferromagnetischen Elemente 8a bis 8e sowie die an den äußeren permanentmagnetischen Elementen 6a bis 6f an deren axialer Außenseite angeordneten weiteren ferromagneti­ schen Elemente 8f und 8g sind in der Fig. 1 gezeigten Ausfüh­ rungsform nicht bandagiert, weisen also an ihrer Außenseite kein Halteelement auf. Die ferromagnetischen Elemente Sa bis 8g sind nämlich in der Regel, auch bei höheren Kräften, sta­ biler als die permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f, so dass auf eine Sicherung gegen Bruch oder Ablösung von einzel­ nen Partikeln verzichtet werden kann.

In Fig. 2 ist zusätzlich zu den Halteelementen 9a bis 9f, die nur für die permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f vorgese­ hen sind, eine über das gesamte Lagerinnenteil 5 an dessen Außenseite verlaufendes Halteelement (Halteband) 9 vorgesehen zur zusätzlichen Sicherung sowohl der permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f mit den Halteelementen 9a bis 9f als auch der ferromagnetischen Elemente 8a bis 8g. Die Außenbandagie­ rung durch das Halteelement 9 sollte dabei möglichst dünn sein, um die Tragkraft des Lagers 2 nicht zu weit herabzuset­ zen. Die radiale Dicke des Halteelements 9 soll deshalb die radiale Dicke der Halteelemente 9a bis 9f nicht überschrei­ ten.

In Abwandlung zu den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsfor­ men kann auch eine Bandagierung der einzelnen permanentmagne­ tischen Elemente 6a bis 6f vorgesehen sein, die die Elemente auch an der Innenseite umgibt. Die permanentmagnetischen Ele­ mente 6a bis 6f werden in dieser Ausführungsform komplett in ein Band eingewickelt und in der Regel erst dann am Lagerin­ nenteil 5 montiert.

Anstelle einer Bandagierung mit flexiblen Haltebändern kann die radiale Halteeinrichtung auch formstabile Umkapselungen oder Umhüllungen der permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f umfassen. Beispielsweise können hohlzylindrische oder ring­ förmige, von außen aufgeschobene oder aufgelegte Haltekörper verwendet werden oder die Elemente in einer Umhüllung einge­ bettet oder von dieser umgossen oder umspritzt werden.

Wie ferner aus Fig. 1 oder Fig. 2 hervorgeht, wird das supra­ leitende Material an der Außenseite der Struktur 12 über Kühlkanäle 14 in dem Trägerkörper 13 mit flüssigem Stickstoff (LN₂) aus einem externen Vorratsbehälter gekühlt.

Außerhalb des Bereichs des Lagerinnenteils 5 weist das Mag­ netlager 2 eine absenkbare Halte- und Zentriervorrichtung 15 auf, die die Lagerkraft bei Stillstand aufnimmt, solange das supraleitende Material über seiner Betriebstemperatur liegt. Diese Vorrichtung hebt die Welle 4 an, bis das Lagerinnenteil 5 an einem oberen Scheitelpunkt nahezu oder ganz die supra­ leitende Struktur 12 berührt. Gleichzeitig wird die Lagerpo­ sition axial und lateral zentriert. Diese Zentrierung kann, wie aus Fig. 1 hervorgeht, beispielsweise durch eine Nut 17 in der Welle 4 und eine schneidenförmige Auflage 18 an der Ein­ richtung 15 geschehen. Nach Abkühlen senkt die Vorrichtung 15 die Welle 4 ab. Infolge der damit verbundenen Feldänderung im Supraleitermaterial werden darin Ströme induziert. Es entwi­ ckelt sich so eine zunehmende elektromagnetische Kraft zwi­ schen Lagerinnenteil 5 und dem es umgebenden Lageraußenteil 11 (Stator), die der Bewegungsrichtung entgegengesetzt wirkt, bis das Lagerinnenteil 5 und die Welle 4 etwa in der Mitte des Lagerspalts 10 frei schweben. Dabei wirken die Magnet­ kräfte im unteren Lagerbereich abstoßend, während sich im oberen Lagerbereich anziehende Kräfte addieren. Mit dieser La­ gerung sind Lagerdrücke von bis zu 10 bar und eine erhebliche Steifigkeit der Lagerung gegen Verschiebungen des Rotors in radialer und axialer Richtung zu erreichen.

Alternativ zu den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbei­ spielen kann in einer nicht dargestellten Ausführungsform das Magnetlager in Gestalt von Hohlzylindersegmenten ausgebildete und in Umfangsrichtung um die Drehachse A nebeneinander ange­ ordneten sowie in Umfangsrichtung gesehen alternierend gepol­ te permanentmagnetische Elemente und dazwischen verlaufende ferromagnetische Elemente aufweisen. Diese Elemente sind dann in Form von achsenparallelen Streifen zu einer Hohlzylinder­ form um die Welle 4 zusammengefügt. Eine solche Lagerung wirkt als Radiallager sowie zugleich als berührungsfreie mag­ netische Kopplung, 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 Radiallager wie vorstehend be­ schrieben auf der Gegenseite, der sich völlig berührungsfrei in einem Stator dreht.

Bei den in den Fig. 1 bis 2 gezeigten Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Lagern 2 bzw. 20 wurde davon ausgegangen, dass jeweils das warme rotierende (innere) Lagerteil von ei­ nem feststehenden kalten (äußeren) Lagerteil als Stator umge­ ben ist. Ebensogut ist es jedoch auch möglich, das kalte La­ gerteil mit dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial mitrotieren zu lassen und das warme Lagerteil mit dem permanentmagnetischen Material als Stator auszubilden. Bei dieser Ausführungsform kann die Rotorwelle 34 aus nicht-magnetischem Material zugleich mindestens einen, insbesondere zentralen, Kühlmit­ telkanal aufweisen. Entsprechende Lagerungen mit kaltem Ro­ torkörper können vorteilhaft Teil eines Generator- oder Mo­ torläufers mit einer Wicklung aus Hoch-T_c-Supraleitermaterial sein, wobei sich auch die Welle auf tieferer Temperatur be­ findet. Infolge der Berührungsfreiheit entfällt die Wärmeein­ leitung über die Welle.

Die Bandagierung oder Halterung gemäß der Erfindung ist nicht auf Magnetlager mit Supraleitern als mit den Permanentmagne­ ten wechselwirkende Kopplungsmittel beschränkt, sondern ist auch bei konventionellen Magnetlagern mit Elektromagneten oder Permanentmagneten als Kopplungsmittel einsetzbar, insbe­ sondere bei den aus den eingangs erwähnten Druckschriften be­ kannten Magnetlagern. Außerdem ist eine Halteeinrichtung ge­ mäß der Erfindung für die spröden Permanentmagneten grund­ sätzlich auch bei nicht oder nicht nur drehenden Magnetlagern denkbar, beispielsweise bei linearen Magnetlagern für trans­ latorische Bewegungen.

Claims (23)

1. Magnetlager mit

• a) wenigstens einem inneren Lagerteil (5),
• b) wenigstens einem äußeren Lagerteil (11), das das innere Lagerteil umgibt,
• c) wenigstens einem Permanentmagneten (6a bis 6f) und we­ nigstens einem axial zu einer Rotationsachse (A) neben dem oder den Permanentmagneten angeordneten Flussleitele­ ment (8a bis 8e) zum Leiten des magnetischen Flusses des oder der Permanentmagnete an einem der beiden Lagerteile,
• d) wenigstens einem Kopplungsmittel (12, 32) an dem anderen der beiden Lagerteile,

wobei

• a) Permanentmagnet(e) und Kopplungsmittel derart miteinander wechselwirken, dass zwischen dem inneren Lagerteil und dem äußeren Lagerteil ein um die Rotationsachse verlau­ fender Lagerspalt (10) bildbar oder gebildet ist,
• b) die beiden Lagerteile gegeneinander um die Rotationsachse rotierbar sind oder rotieren,
• c) der oder die Permanentmagnet(e) zum Lagerspalt hin gegen­ über dem oder den Flussleitelement(en) in einer senkrecht zur Rotationsachse gerichteten radialen Richtung radial zurückversetzt ist bzw. sind und
• d) jeder Permanentmagnet zumindest an der dem Lagerspalt zu­ gewandten Seite von einem zugehörigen radialen Halteele­ ment (9a bis 9f) in radialer Richtung gehalten ist.

2. Magnetlager nach Anspruch 1, bei dem jedes radiale Halte­ element wenigstens in einem Teilbereich formschlüssig und/oder kraftschlüssig an dem zugehörigen Permanentmag­ neten anliegt.

3. Magnetlager nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der wenigstens eine Permanentmagnet am inneren Lagerteil vor­ gesehen ist und das innere Lagerteil rotierbar ist oder rotiert.

4. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes radiale Halteelement die Rotationsachse in ei­ ner oder mehreren Lagen umläuft.

5. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein radiales Halteelement wenigstens teil­ weise mit einem flexiblen Material gebildet ist.

6. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein radiales Halteelement wenigstens teilweise mit einem formstabilen Material oder als Form­ körper gebildet ist.

7. Magnetlager nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem jedes radiale Halteelement mit einem nicht-magnetischen Material gebildet ist.

8. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes radiale Halteelement wenigstens teilweise aus einem Faserwerkstoff, insbesondere einem Fasergewebe, Fa­ sergewirke, Fasergelege oder gepressten Faserwerkstoff, oder einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einem mit Kohlenstoff-Faser oder Glasfaser oder mineralischer Faser verstärkten Polymerwerkstoff, besteht.

9. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich ein sich über die den Permanentmagneten zugeordneten einzelnen Halteelemente (9a bis 9f) und die Flussleitelemente erstreckendes gemeinsames radiales Hal­ teelement (9) vorgesehen ist.

10. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein radiales Halteelement mit einem Halte­ band gebildet ist.

11. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Permanentmagnete vorgesehen sind, die axial zur Rotationsachse hintereinander angeordnet sind und zwischen wenigstens zwei der Permanentmagneten (6a bis 6f) jeweils ein Flussleitelement (8a bis 8e) angeordnet ist, das vorzugsweise den gesamten Zwischenraum zwischen den beiden Permanentmagneten ausfüllt.

12. Magnetlager nach Anspruch 11, bei dem in axialer Richtung zur Rotationsachse außen an den äußersten Permanentmagne­ ten (6a, 6e) ebenfalls jeweils ein Flussleitelement (8f, 8g) angeordnet ist.

13. Magnetlager nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei dem unmittelbar benachbarte Permanentmagnete zueinander im Wesentlichen entgegengesetzt magnetisch gepolt sind.

14. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die radiale Ausdehnung jedes radialen Halteelements gemessen ab dem Permanentmagneten in der entsprechenden radialen Richtung im Allgemeinen um wenigstens einen Fak­ tor 3, insbesondere um wenigstens einen Faktor 4 und vor­ zugsweise um wenigstens einen Faktor 10, kleiner ist als die radiale Ausdehnung des Permanentmagneten.

15. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die radiale Ausdehnung jedes radialen Halteelements, gemessen ab dem Permanentmagneten in der entsprechenden radialen Richtung, kleiner ist als die radiale Abmessung (w) des Lagerspaltes.

16. Magnetlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die radiale Ausdehnung jedes radialen Halteelements kleiner oder gleich der Differenz aus der radialen Aus­ dehnung des wenigstens einen Flussleitelements und der radialen Ausdehnung des wenigstens einen Permanentmagne­ ten ist.

17. Magnetlager nach Anspruch 16, bei dem die dem Lagerspalt zugewandten Seiten des oder der Flussleitelemente(s) und des oder der Halteelemente(s) eine im Wesentlichen zy­ lindrische gemeinsame Oberfläche bilden.

18. Magnetlager nach Anspruch 9 oder einem der auf Anspruch 9 rückbezogenen Ansprüche, bei dem die radiale Ausdehnung des gemeinsamen radialen Halteelements kleiner ist als die radiale Ausdehnung jedes der einzelnen Halteelemente.

19. Magnetlager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der oder die Permanentmagnet(e) aus einem spröden Material besteht bzw. bestehen, insbesonde­ re einem pulvermetallurgisch hergestellten, vorzugsweise gesinterten oder gepressten, Formkörper, oder überhaupt nicht formstabil ist bzw. sind, insbesondere aus magneti­ schem Pulver gebildet ist bzw. sind.

20. Magnetlager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder Permanentmagnet zumindest über­ wiegend aus einem Material mit einem hohen Energiepro­ dukt, vorzugsweise aus einer Neodym(Nd)-Eisen(Fe)-Bor(B)- Legierung oder einer Samarium(Sm)-Kobalt(Co)-Legierung, besteht.

21. Magnetlager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder Permanentmagnet und/oder jedes Flussleitelement und/oder jedes Halteelement und/oder die Kopplungsmittel die Rotationsachse in einer ringsum ge­ schlossenen Gestalt umgeben bzw. umgibt, insbesondere in Gestalt eines Ringes oder Hohlzylinders.

22. Magnetlager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dem Lagerspalt zugewandte Seite wenigstens eines Permanentmagneten und/oder des zugehöri­ gen radialen Halteelements wenigstens teilweise im We­ sentlichen zylindrisch geformt ist.

23. Magnetlager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das oder die Kopplungsmittel jeweils mit einer supraleitenden Struktur gebildet ist, vorzugs­ weise mit einem Hochtemperatur-Supraleiter.