DE102007036603A1 - Planar high temperature superconducting bearing for e.g. electric motor, has high temperature superconductor and permanent magnet arrangement whose front sides are set opposite to each other, and axially movable stator connected with guide - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Hochtemperatursupraleiterlager mit einem Rotor, der von einem Stator mit einem Hochtemperatursupraleiter umgeben ist, wobei der Rotor durch magnetische Kräfte in einem schwebenden Zustand gehalten wird.The The present invention relates to high temperature superconductor bearings a rotor surrounded by a stator with a high temperature superconductor is, wherein the rotor by magnetic forces in one floating state is maintained.
HTS-Lager zeichnen sich durch einen stirnseitig in alle Raumrichtungen selbststabilen berührungsfreien Betrieb aus und bieten dadurch eine große Laufruhe und Wartungsarmut.HTS bearings are characterized by a front side in all directions self-stable non-contact operation, thereby offering a great Smooth running and low maintenance.
Die Nutzung des Levitationseffektes zwischen einem Magnetfeld (Erregung durch Dauermagnete oder Stromspulen) und einem Hochtemperatursupraleiter (HTS) zum Aufbau einer berührungsfreien Lagerung (superconductor magnetic bearing, SMB) von linearen bzw. rotierenden Systemen ist seit einigen Jahren bekannt.The Use of the levitation effect between a magnetic field (excitation by permanent magnets or current coils) and a high-temperature superconductor (HTS) to build a non-contact bearing (superconductor magnetic bearing, SMB) of linear or rotating systems known for several years.
Prinzipiell enthält ein solches Hochtemperatur-Supraleiterlager (HTS-Lager) eine Permanentmagnetanordnung als Erregersystem sowie einen Hochtemperatursupraleiter, wobei der Hochtemperatursupraleiter von dem magnetischem Fluss der Permanentmagnetanordnung durchdrungen wird.in principle contains such a high-temperature superconductor bearing (HTS bearing) a permanent magnet arrangement as excitation system and a high-temperature superconductor, wherein the high temperature superconductor of the magnetic flux of Permanent magnet arrangement is penetrated.
Wird nun der Hochtemperatursupraleiter auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur Tc gekühlt, wird der ihn durchdringende magnetische Fluss eingefroren. Im Falle einer Lageveränderung werden Kräfte erzeugt, die der Lageveränderung entgegen wirken. Diese Kräfte können abstoßend oder anziehend sein, sind jedoch auf jeden Fall derart gerichtet, dass sie gegen eine Lageveränderung aus der Einkühlposition heraus entgegenwirken.Becomes now the high-temperature superconductor to a temperature below cooled to its critical temperature Tc, it becomes pervasive frozen magnetic flux. In case of a change of position Forces generated, which counteract the change in position Act. These forces can be disgusting or attractive, but in any case are directed that they are against a change in position from the cooling position Counteract out.
Da die Größe dieser Kräfte mit zunehmenden Abstand von Erregersystem und Hochtemperatursupraleiter abnimmt, sollte dieser Abstand zur Erzielung von möglichst hohen Kräften möglichst klein gehalten werden.There the size of these forces increasing Distance from excitation system and high-temperature superconductor decreases, This distance should be as high as possible to achieve Forces are kept as small as possible.
Zur Erhöhung der magnetischen Flussdichte kann die Permanentmagnetanordnung als so genannte Sammleranordnung ausgestaltet sein, wobei zwischen den einzelnen Permanentmagneten der Permanentmagnetanordnung ferromagnetische Flussleiterstücke, z. B. Eisenpole, angeordnet sind.to Increasing the magnetic flux density may be the permanent magnet arrangement be designed as a so-called collector arrangement, with between the individual permanent magnets of the permanent magnet arrangement ferromagnetic flux guide pieces, z. B. iron poles are arranged.
HTS-Lager können zur berührungsfreien Lagerung von rotierenden Systemen eingesetzt werden. Diese Lager bestehen prinzipiell aus einem feststehenden Teil, dem Stator, und einem rotierenden Teil, dem Rotor. Üblicherweise enthält der Stator den Hochtemperatursupraleiter und der Rotor ist mit der Permanentmagnetanordnung versehen, die als Erregersystem wirkt. Die Magnetisierung der Permanentmagnete ist so gewählt, dass die Verteilung des magnetischen Flusses um die Drehachse herum bei Rotation unverändert bleibt und durch die Rotation selbst keine Kräfte bewirkt werden.HTS bearings can be used for non-contact storage of rotating Systems are used. These bearings are made in principle a fixed part, the stator, and a rotating part, the rotor. Usually, the stator contains the high-temperature superconductor and the rotor is provided with the permanent magnet assembly which acts as a pathogen system. The magnetization of the permanent magnets is chosen so that the distribution of the magnetic flux remains unchanged around the axis of rotation during rotation and no forces are caused by the rotation itself.
Der
Hochtemperatursupraleiter befindet sich zur Kühlung in
einem Kryostat oder einer ähnlichen Kühlvorrichtung.
Zur thermischen Isolierung der gekühlten Elemente des Stators,
insbesondere des Hochtemperatursupraleiters, wird Vakuum an den Kryostaten
angelegt. Beispielhaft für Aufbau und Funktionsweise von
HTS-Lagern wird auf die europäische Patentanmeldung
Prinzipiell können HTS-Lager mit zylindrischer bzw. planarer Anordnung unterschieden werden.in principle can be HTS bearings with a cylindrical or planar arrangement be differentiated.
In einer zylindrischen Anordnung sind die Permanentmagnete koaxial entlang der Rotorwelle angeordnet. Die Rotorwelle mit den darauf angeordneten Permanentmagneten wird zylinderförmig von dem Hochtemperatursupraleiter umgeben, wobei sich der zylinderförmige Hochtemperatursupraleiter in einem gleichfalls zylinderförmigen Kryostaten befindet. Die Rotorwelle mit dem Permanentmagneten befindet sich in der so genannten Warmbohrung des Kryostaten. In einer zylindrischen Anordnung sind die sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Hochtemperatursupraleiters und der Permanentmagnetanordnung gekrümmt.In a cylindrical arrangement, the permanent magnets are coaxial arranged along the rotor shaft. The rotor shaft with the on it arranged permanent magnet is cylindrical of the Surrounded by high-temperature superconductor, with the cylindrical High-temperature superconductor in a likewise cylindrical Cryostat is located. The rotor shaft is located with the permanent magnet in the so-called warm bore of the cryostat. In a cylindrical Arrangement are the opposite ends the high temperature superconductor and the permanent magnet assembly curved.
In einer planeren Anordnung ist ein Rotor mit planaren Stirnseiten konzentrisch auf einer Rotorwelle angeordnet. Die Stirnseiten des Rotors weisen Permanentmagnete auf, die konzentrisch um die Welle herum angeordnet sind. Der Stator des Lagers weist Hochtemperatursupraleiter und ein diese umgebendes Kryostatgehäuse mit Vakuumhülle auf. Die Hochtemperatursupraleiter sind den Stirnseiten des Rotors mit der Permanentmagnetanordnung gegenüberliegend angeordnet und umgeben parallel zu den Permanentmagneten konzentrisch die Rotorwelle.In a planar arrangement is a rotor with planar end faces arranged concentrically on a rotor shaft. The front sides of the Rotors have permanent magnets concentrically around the shaft are arranged around. The stator of the bearing has high temperature superconductors and a surrounding cryostat housing with vacuum envelope on. The high-temperature superconductors are the end faces of the rotor arranged opposite to the permanent magnet arrangement and concentrically surround the rotor shaft parallel to the permanent magnets.
Der die Lagerkräfte bestimmende Abstand, auch magnetisch wirksamer Spalt genannt, zwischen dem Erregersystem und dem Hochtemperatursupraleiter setzt sich damit aus dem Isolierspalt im Kryostaten zwischen Innenwandung des Kryostaten und Stirnseite des Hochtemperatursupraleiters, der Wanddicke des Kryostaten sowie dem Luftspalt zwischen Außenwandung des Kryostaten und Stirnseite des Erregersystems zusammen. In heutigen Anordnungen beträgt die Dimension des magnetisch wirksamen Spaltes einer solchen Lageranordnung ca. 3 mm, wobei die Dimension der vorstehend genannten Teilabstände jeweils ca. 1 mm beträgt.Of the the bearing forces determining distance, also magnetically effective Called gap between the excitation system and the high-temperature superconductor sets itself from the insulating gap in the cryostat between the inner wall of the cryostat and face of the high-temperature superconductor, the wall thickness of the cryostat and the air gap between the outer wall of the cryostat and front of the exciter system together. In today Arrangements is the dimension of the magnetically effective Gap of such a bearing assembly about 3 mm, the dimension the above-mentioned part distances each about 1 mm is.
In einem planeren Lager der vorstehend genannten Anordnung rotiert der Rotor radial um die Welle, wobei einer radialen Ablenkung des Rotors durch entsprechend radiale Magnetisierung der Permanentmagnete entgegen gewirkt wird.In a plain bearing of the above ge The arrangement rotates the rotor radially about the shaft, wherein a radial deflection of the rotor is counteracted by correspondingly radial magnetization of the permanent magnets.
Generell kommt es in Lagern mit einem auf einer Rotorwelle montierten Rotors im Betrieb zu einer thermischen Längenausdehnung der Rotorwelle. Das Ausmaß der Längenausdehnung hängt dabei unter anderem von der Wellentemperatur ab.As a general rule it comes in bearings with a rotor mounted on a rotor shaft in operation to a thermal expansion of the rotor shaft. The Extent of length expansion depends on it other from the shaft temperature.
In einer 3 Meter langen Welle mit einer Wellentemperatur von 100 bis 150°C beträgt die thermische Längenausdehnung typischerweise 5 bis 10 mm.In a 3 meter long wave with a wave temperature of 100 to 150 ° C is the thermal expansion typically 5 to 10 mm.
Dies hat zur Folge, dass in einem feststehenden Lager der magnetisch wirksame Spalt entsprechend vergrößert werden muss, um einen Kontakt der Permanentmagnetanordnung mit der Außenwand des Kryostatgehäuses zu vermeiden. Eine derartig drastische Vergrößerung des magnetisch wirksamen Spaltes würde zu einer erhebliche Reduktion der spezifischen Tragkraft des Lagers bzw. zu einer Erhöhung des Einsatzes an supraleitenden Material für die Beibehaltung der Tragkraft führen.This As a result, in a fixed bearing of the magnetic effective gap can be increased accordingly must be to contact the permanent magnet assembly with the outer wall of the cryostat housing. Such a drastic Magnification of the magnetically effective gap would lead to a significant reduction in specific load capacity of the camp or to increase the use of superconducting Material to maintain the carrying capacity.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein planares Hochtemperatursupraleiterlager zur Verfügung zu stellen, das eine einfache Kompensation der Längenausdehnung der Rotorwelle erlaubt, ohne dass eine Vergrößerung des magnetisch wirksamen Spaltes erforderlich ist.It It was therefore an object of the present invention to provide a planar high-temperature superconductor bearing for To provide a simple compensation of the Length expansion of the rotor shaft allows without a Magnification of the magnetically effective gap is required.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem in einem planaren HTS-Lager der Stator axial verschieblich auf einer Führung aufgesetzt ist, und der Stator durch die Axialkräfte, die aufgrund der axialen Verschiebung der Welle auftreten, axial nachgeführt wird.According to the invention solved this task by putting in a planar HTS bearing the stator mounted axially displaceable on a guide is, and the stator due to the axial forces due to the axial displacement of the shaft occur, axially tracked becomes.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der anliegenden Figuren, die Ausführungsformen der Erfindung zeigen, näher verdeutlicht.following the present invention with reference to the accompanying figures, which Embodiments of the invention show, closer clarified.
Es zeigtIt shows
Das
in
Erfindungsgemäß bevorzugt ist die Permanentmagnetanordnung als Sammleranordnung ausgebildet.According to the invention preferred the permanent magnet arrangement is designed as a collector arrangement.
Die
Permanentmagnete können die Form von Ringen haben, die
um die Welle
In
der hier gezeigten Ausführungsform sind die Permanentmagnete
Der
Rotor
Der
Stator
Der
Abstand zwischen der Stirnseite des Hochtemperatursupraleiters
In
dem hier gezeigten Lager ist die Magnetisierung der Permanentmagnete
derart gewählt, dass das Lager eine hohe radiale Steifigkeit
aufweist. Eine mögliche Positionsänderung des
Rotors
Im
Betrieb kommt es zu einer thermischen Längenausdehnung
des Rotors
Da
der Betrag der thermischen Längenausdehnung im Allgemeinen
größer ist als der Luftspalt
Eine
Vergrößerung des Luftspaltes
Die Magnetisierung der Permanentmagnetanordnung führt jedoch nicht nur bei radialer Positionsänderung, sondern auch bei axialer Positionsänderung zu einer Änderung des magnetischen Feldes und damit zur Erzeugung entsprechender Rückstellkräfte, die der jeweiligen Positionsänderung entgegen wirken.The However, magnetization of the permanent magnet arrangement leads not only with radial position change, but also at axial position change to a change the magnetic field and thus to generate corresponding restoring forces, which counteract the respective position change.
Eine
axiale Verschiebung des Rotors
Die
vorliegende Erfindung macht sich die Tatsache zu Nutze, dass auch
die axiale Verschiebung des rotierenden Teiles zu einer Kraftübertragung
auf den Stator
Die
Führung
Die
in
Die
Rotoren
Das
in der
Im
Gegensatz hierzu ist das in
Das
Loslager
Dehnt
sich nun die Welle
Neben einer Festlager/Loslageranordnung ist die vorliegende Erfindung für Loslager/Loslageranordnungen gleichermaßen geeignet.Next a fixed bearing / floating bearing assembly is the present invention for movable bearings / movable bearing arrangements alike suitable.
Die vorliegende Erfindung eignet sich z. B. zur Anwendung in schnell laufenden Elektromotoren, Verdichtern, etc.The present invention is suitable for. B. for use in fast running electric motors, compressors, etc.
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform können in dem Zwischenraum
zwischen Innenwand der Vakuumhülle
Der Abstandshalter kann beispielsweise aus einem Aerogel wie ienem Silikat-Aerogel oder einer Struktur aus faserverstärktem Kunststoff, wie glas- oder kohlenstoffverstärktem Kunststoff gebildet sein.Of the Spacer can, for example, from an airgel as ienem silicate airgel or a structure of fiber reinforced plastic, such as be formed glass or carbon reinforced plastic.
Die
vorliegende Erfindung basiert auf dem Umstand, dass ein HTS-Lager
eine sich selbst justierende Anordnung darstellt, wobei das Lager
versucht, den während des Einkühlvorganges eingestellten
magnetisch wirksamen Spalt
- 11
- Rotorrotor
- 22
- Wellewave
- 33
- PermanentmagnetanordnungPermanent magnet assembly
- 44
- Statorstator
- 55
- Vakuumhüllevacuum envelope
- 66
- HochtemperatursupraleiterHigh temperature superconductors
- 77
- Trägerkonstruktionsupport structure
- 88th
- Lagerspaltbearing gap
- 99
- Luftspaltair gap
- 1010
- Führungguide
- 1111
- Lagerbock der Linearführungbearing block the linear guide
- 1212
- Welle der Linearführungwave the linear guide
- 1313
- Schiebehülsesliding sleeve
- 1414
- Festlagerfixed bearing
- 1515
- Loslagermovable bearing
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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