DE102007036603B4 - High temperature superconductor bearing with improved bearing tracking - Google Patents
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- F16C23/00—Bearings for exclusively rotary movement adjustable for aligning or positioning
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 a floating state is held.
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 contactless Operation and thus offer a great quietness 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 Storage (superconductor magnetic bearing, SMB) of linear or rotating systems has been 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. 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. 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.in principle contains such a high temperature superconductor bearing (HTS bearing) a permanent magnet assembly as a pathogen system and a high-temperature superconductor, wherein the High temperature superconductor of the magnetic flux of the permanent magnet assembly is penetrated. Will now the high temperature superconductor to a Temperature is cooled below its critical temperature Tc, the frozen him penetrating magnetic flux. In case of a change of position forces are generated, the change of position counteract. These forces can repulsive or attractive, but in any case are directed that they are against a change of position from the cooling position Counteract out. Because the size of these forces with increasing distance from exciter system and high temperature superconductors decreasing, this distance should be as possible to achieve high forces preferably kept small.
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 increase the magnetic flux density, the permanent magnet arrangement as so-called collector arrangement be designed, being between the individual permanent magnet 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 for non-contact Storage of rotating systems are used. These bearings consist in principle of a fixed part, the stator, and a rotating part, the rotor. Usually, the stator contains the high-temperature superconductor and the rotor is with the permanent magnet arrangement provided that acts as a pathogen system. The magnetization of the permanent magnets is chosen that the distribution of magnetic flux around the axis of rotation unchanged during rotation remains and by the rotation itself no forces are effected.
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 HTS bearings with cylindrical or planar arrangement distinguished become.
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 magnets is cylindrical from the high temperature superconductor surrounded, wherein 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 End faces of the high temperature superconductor and the permanent magnet assembly curved.
In einer planeren Anordnung ist ein Rotor mit planeren 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 flat 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 front sides of the rotor with the permanent magnet arrangement arranged opposite and surrounded concentric with the rotor, the rotor shaft parallel to the permanent magnet.
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 called magnetically effective gap between the Excitation system and the high-temperature superconductor sits down with it 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 Cryostats and the air gap between the outer wall of the cryostat and Front side of the pathogen system together. In today's arrangements is the dimension of the magnetically effective gap of such a bearing assembly about 3 mm, the dimension of the above part distances each about 1 mm.
In einem planeren Lager der vorstehend genannten Anordnungen rotiert der Rotor radial um die Weile, wobei einer radialen Ablenkung des Rotors durch entsprechend radiale Magnetisierung der Permanentmagnete entgegen gewirkt wird.In rotates a planar bearing of the above arrangements the rotor radially around the while, wherein a radial deflection of the Rotor by corresponding radial magnetization of the permanent magnets counteracted.
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 Linear 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 Linear 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 must be increased accordingly to one Contact the permanent magnet assembly with the outer wall of the cryostat to avoid. Such a drastic enlargement of the magnetically effective Split would to a significant reduction of the specific load capacity of the camp or to an increase the use of superconducting material for maintaining the load capacity to lead.
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 disposal to make that a simple compensation of the linear expansion of the rotor shaft allowed without an enlargement of the magnetically effective gap is required.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Unteranspruch betrifft eine bevorzugte Ausführungsform. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Kompensation der thermischen Längenausdehnung einer Rotorwelle in einem planaren Hochtemperatursupraleiterlager.According to the invention this Problem solved by the features of claim 1. The dependent claim a preferred embodiment. Further The present invention relates to a method for compensation the thermal expansion a rotor shaft in a planar high temperature superconductor bearing.
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 in more detail 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. 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 floating bearing / movable bearing arrangements equally 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 einem Silikat-Aerogel oder einer Struktur aus faserverstärktem Kunststoff, wie glas- oder kohlenstoffverstärktem Kunststoff gebildet sein.Of the Spacer may for example consist of an airgel such as a silicate airgel or a structure made of fiber-reinforced Plastic, be formed as 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
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- 2007-08-02 DE DE200710036603 patent/DE102007036603B4/en not_active Expired - Fee Related
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