DE102007036603B4 - High temperature superconductor bearing with improved bearing tracking - Google Patents

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Abstract

The bearing has a rotor (1) mounted on a shaft (2), and a permanent magnet arrangement (3) provided at a front side of the rotor, where the magnet arrangement concentrically surrounds the shaft. A high temperature superconductor (6) is arranged in a stator (4) fixed opposite to the magnet arrangement. Planar front sides of the superconductor and the magnet arrangement are fixed opposite to each other, and distance between the superconductor and the magnet arrangement forms a magnetically active bearing gap (8). The stator is axially moved and connected with a guide (10) i.e. linear guide. An independent claim is also included for a method for compensating thermal linear expansion of a shaft of a rotor.

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 EP 1 767 798 A1 sowie auf WO 02/06688 A1 verwiesen, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird.The high-temperature superconductor is located in a cryostat or similar cooling device for cooling. For thermal insulation of the cooled elements of the stator, in particular the high-temperature superconductor, vacuum is applied to the cryostat. An example of the structure and mode of operation of HTS bearings is given in the European patent application EP 1 767 798 A1 as well as on WO 02/06688 A1 referred to, which is incorporated herein by reference.

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.

EP 1 767 798 A1 beschreibt eine planare Lagerkonfiguration, wobei die Aktivierung des Lagers unter Ausnutzung lateraler Kräfte erfolgt. Zur Aktivierung ist eine Veränderung der Lagebeziehung des Hochtemperatursupraleiters und der Permanentmagnetanordnung in der Kühlphase gegenüber der Lagebeziehung in der Betriebsphase erforderlich. Diese Veränderung der Lagebeziehung erfolgt hier, indem der Stator mit dem Hochtemperatursupraleiter durch radiale Verschiebung in die Kühlposition gebracht wird. Es erfolgt keine automatische Nachführung der Statorbestandteile bei einer Veränderung der Lagebeziehung des Hochtemperatursupraleiters zu dem Permanentmagneten in Folge thermischer Ausdehnung der Rotorwelle im Betrieb. EP 1 767 798 A1 describes a planar bearing configuration, wherein the activation of the bearing takes place by utilizing lateral forces. To activate is a change in the positional relationship of the high-temperature superconductor and the permanent mag Netanordnung in the cooling phase against the positional relationship in the operating phase required. This change in the positional relationship takes place here by the stator is brought with the high-temperature superconductor by radial displacement in the cooling position. There is no automatic tracking of the stator components in a change in the positional relationship of the high-temperature superconductor to the permanent magnet as a result of thermal expansion of the rotor shaft during operation.

WO 2002/06688 A1 betrifft eine zylindrische Hochtemperatursupraleiteranordnung, wobei der Hochtemperatursupraleiter koaxial den Rotorteil mit Permanentmagnetanordnung umgibt. Die zur Aktivierung erforderliche Lageveränderung wird hier erzielt, indem der Hochtemperatursupraleiterzylinder in zwei Halbschalen ausgeführt ist, wobei die beiden Halbschalen in die Kühlposition gebracht werden, indem sie radial mittels eines Aktuators voneinander weg bewegt werden. Eine automatische Nachführung der Statorbestandteile bei einer Veränderung der Lagebeziehung im Betrieb ist nicht vorgesehen. WO 2002/06688 A1 relates to a cylindrical high-temperature superconductor arrangement, wherein the high-temperature superconductor coaxially surrounds the rotor part with permanent magnet arrangement. The required for activation positional change is achieved here by the high-temperature superconducting cylinder is carried out in two half-shells, wherein the two half-shells are brought into the cooling position by being moved radially away from each other by means of an actuator. An automatic tracking of the stator components in a change of the positional relationship during operation is not provided.

DE 198 50 421 A1 betrifft ebenfalls eine zylindrische Lageranordnung, wobei ein zylinderförmiger Hochtemperatursupraleiter koaxial die Permanentmagnetanordnung auf der Rotorwelle umgibt. Gegenstand ist hier eine Justiereinrichtung zum Justieren der Achse der Rotorwelle auf die geometrische Achse der inneren Bohrung eines Ständers und zur Einstellung des zur berührungslosen Lagerung erforderlichen Luftspalts. DE 198 50 421 A1 also relates to a cylindrical bearing assembly wherein a cylindrical high temperature superconductor coaxially surrounds the permanent magnet assembly on the rotor shaft. The object here is an adjusting device for adjusting the axis of the rotor shaft on the geometric axis of the inner bore of a stator and for adjusting the air gap required for non-contact storage.

EP 0 858 691 B1 betrifft passive Magnetlager, die aus Permanentmagneten aufgebaut sind. Wie sich aus EP 0 858 691 ergibt, ist eine vollständige passive Lagerung eines Körpers nichts stabil. Mindestens ein Freiheitsgrad muss auf andere Art gesperrt werden. Diese „Sperrung” erfolgt mittels weiterer Kräfte erzeugender Komponenten, die das Gleichgewicht aufrecht erhalten. Durch eine spezielle Anordnung der Permanentmagnete wird verhindert, dass der gelagerte Gegenstand, zum Beispiel aufgrund von Temperaturänderungen, aus der Gleichgewichtsposition abgelenkt wird. Es handelt sich hierbei um ein herkömmliches Magnetlager, wobei die Auslenkung aus einer Gleichgewichtsposition durch Vorsehen entsprechender Elemente verhindert wird. EP 0 858 691 B1 relates to passive magnetic bearings, which are composed of permanent magnets. As it turned out EP 0 858 691 results in a complete passive storage of a body is nothing stable. At least one degree of freedom must be blocked in another way. This "blocking" is done by means of other forces-generating components that maintain the balance. By a special arrangement of the permanent magnets is prevented that the stored object, for example due to temperature changes, is deflected from the equilibrium position. It is a conventional magnetic bearing, the deflection from an equilibrium position by providing corresponding elements is prevented.

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

1 schematisch ein erfindungsgemäßes planares HTS-Lager im Längsschnitt; 1 schematically a longitudinal HTS bearing according to the invention in a longitudinal section;

2 schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit Festlager/Loslager-Anordnung. 2 schematically an embodiment of the invention with fixed bearing / movable bearing arrangement.

Das in 1 gezeigte HTS-Lager mit planarem Aufbau weist einen Rotor 1 mit planaren Stirnseiten auf, der konzentrisch auf eine Welle 2 aufgesetzt ist. Die Stirnseiten weisen Permanentmagnete 3 auf, die konzentrisch um den Rotor 1 herum angeordnet sind, und wobei die Permanentmagnete 3 radial hintereinander angeordnet sind.This in 1 shown HTS bearing with a planar structure has a rotor 1 with planar faces on, concentric to a wave 2 is attached. The faces have permanent magnets 3 on, concentrically around the rotor 1 are arranged around, and wherein the permanent magnets 3 are arranged radially one behind the other.

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 2 herum laufen. Die Ringe können einstückig sein. Im Allgemeinen können sie aber aus gebogenen Segmentstücken zusammengesetzt sein.The permanent magnets can have the shape of rings around the shaft 2 to run around. The rings can be one-piece. In general but they can be composed of curved segment pieces.

In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Permanentmagnete 3 entgegengesetzt magnetisiert, wobei N für den Nordpol und S für den Südpol steht.In the embodiment shown here are the permanent magnets 3 magnetized opposite, where N stands for the North Pole and S for the South Pole.

Der Rotor 1 mit den Permanentmagneten 3 ist von einem Stator 4 umgeben, der gleichfalls um die Welle 2 angeordnet ist.The rotor 1 with the permanent magnets 3 is from a stator 4 surrounded, which also around the wave 2 is arranged.

Der Stator 4 weist eine Vakuumhülle 5 auf. Innerhalb der Vakuumhülle 5 befinden sich Hochtemperatursupraleiter 6, deren planare Stirnseiten den planaren Stirnseiten der Permanentmagnetanordnung 3 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Hochtemperatursupraleiter 6 sind auf einer Trägerkonstruktion 7 aufgebracht.The stator 4 has a vacuum envelope 5 on. Inside the vacuum envelope 5 are high-temperature superconductors 6 whose planar end faces the planar end faces of the permanent magnet arrangement 3 are arranged opposite one another. The high-temperature superconductors 6 are on a support structure 7 applied.

Der Abstand zwischen der Stirnseite des Hochtemperatursupraleiters 6 und der Stirnseite der jeweils gegenüberliegenden Permanentmagnetanordnung 3 bildet den die Lagerkräfte bestimmenden magnetisch wirksamen Spalt 8.The distance between the front of the high-temperature superconductor 6 and the end face of the respective opposite permanent magnet arrangement 3 forms the magnetic forces acting on the bearing forces 8th ,

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 1 in radialer Richtung erzeugt damit eine entsprechende rückstellende Kraft in entgegen gesetzter Richtung, so dass der Rotor 1 sicher in seiner radialen Position gehalten wird. Die Rotation des Rotors 1 um die Welle 2 herum führt zu keiner Veränderung des magnetischen Flusses, so dass durch die Rotation selbst keine Kräfte erzeugt werden, die der Rotation entgegenwirken würden.In the bearing shown here, the magnetization of the permanent magnets is selected such that the bearing has a high radial rigidity. A possible position change of the rotor 1 in the radial direction thus generates a corresponding restoring force in the opposite direction, so that the rotor 1 securely held in its radial position. The rotation of the rotor 1 around the shaft 2 around it leads to no change of the magnetic flux, so that by the rotation itself no forces are generated, which would counteract the rotation.

Im Betrieb kommt es zu einer thermischen Längenausdehnung des Rotors 2 in axialer Richtung und in Folge dieser thermischen Längenausdehnung der Welle 2 zu einer axialen Verschiebung des Rotors 1 und damit zu einer Annäherung der Stirnseite der Permanentmagnetanordnung 3 an die Außenwand der Vakuumhülle 5 des Stators 4.In operation, there is a thermal expansion of the rotor 2 in the axial direction and as a result of this thermal expansion of the shaft 2 to an axial displacement of the rotor 1 and thus to an approximation of the end face of the permanent magnet assembly 3 to the outer wall of the vacuum envelope 5 of the stator 4 ,

Da der Betrag der thermischen Längenausdehnung im Allgemeinen größer ist als der Luftspalt 9 zwischen Stirnseite der Permanentmagnetanordnung 3 und Außenwand der Vakuumhülle 5, kommt es zu einem Kontakt zwischen Permanentmagnet 3 und Vakuumhülle 5 und damit zur Störung des Lagers.Since the amount of thermal expansion is generally greater than the air gap 9 between the end face of the permanent magnet arrangement 3 and outer wall of the vacuum envelope 5 , there is a contact between the permanent magnet 3 and vacuum envelope 5 and thus to the disturbance of the camp.

Eine Vergrößerung des Luftspaltes 9 ist unter praktischen Gesichtspunkten unerwünscht, da dadurch die Lagerkräfte erheblich beeinträchtigt werden würden. Um dennoch ausreichende Lagerkräfte bei einem vergrößerten Luftspalt 9 erhalten zu können, müsste entsprechend mehr Supraleitermaterial eingesetzt werden, was zu einer erheblichen Kostensteigerung führen würde.An enlargement of the air gap 9 is undesirable from a practical point of view, as it would significantly affect the bearing forces. Nevertheless, sufficient bearing forces at an enlarged air gap 9 To be able to, would be used according to more superconducting material, which would lead to a significant increase in costs.

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 1 in Folge einer thermischen Längenausdehnung der Welle 2 bewirkt damit die Ausbildung einer entsprechenden axialen Rückstellkraft.However, the magnetization of the permanent magnet arrangement not only leads to a change in the radial position, but also in the axial position change to a change of the magnetic field and thus to generate corresponding restoring forces, which counteract the respective position change. An axial displacement of the rotor 1 due to a thermal expansion of the shaft 2 thus causes the formation of a corresponding axial restoring force.

Die vorliegende Erfindung macht sich die Tatsache zu Nutze, dass auch die axiale Verschiebung des rotierenden Teiles zu einer Kraftübertragung auf den Stator 4 mit den Hochtemperatursupraleitern führt. Hierzu wird der Stator 4 axial verschieblich mit einer Führung 10 verbunden. Aufgrund der axialen Verschiebbarkeit des Stators 4 führen die Axialkräfte, die mit einer Verschiebung der Welle verbunden sind, zu einer axialen Verschiebung des Stators 4 bis zum Ausgleich. Der Luftspalt 9 kann damit auf das für Fertigungstoleranzen notwendige Minimum beschränkt bleiben, ohne dass eine möglicherweise auftretende axiale Verschiebung des Rotors 1 berücksichtigt werden muss.The present invention takes advantage of the fact that also the axial displacement of the rotating part to a power transmission to the stator 4 with the high-temperature superconductors leads. For this purpose, the stator 4 axially displaceable with a guide 10 connected. Due to the axial displaceability of the stator 4 The axial forces, which are associated with a displacement of the shaft, lead to an axial displacement of the stator 4 until the balance. The air gap 9 can thus be limited to the minimum necessary for manufacturing tolerances without a possibly occurring axial displacement of the rotor 1 must be taken into account.

Die Führung 10 kann wie in der Figur schematisch dargestellt, als Linearführung mit Kugelbüchse ausgebildet sein.The leadership 10 can be formed as a linear guide with ball bush as shown schematically in the figure.

2 zeigt eine Anwendungsform einer erfindungsgemäßen Hochtemperatursupraleiterlageranordnung. 2 shows an application form of a high-temperature superconductor bearing assembly according to the invention.

Die in 2 gezeigte Anwendungsform weist zwei Hochtemperatursupraleiterlager 14, 15 auf, die im Bereich der gegenüberliegenden Enden der Welle 2 angeordnet sind. In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Hochtemperatursupraleiterlager aus axial auf der Welle 2 abwechselnd hintereinander angeordneten Rotoren 2 mit Permanentmagnetanordnung 3 und Statoren 4 mit Kryostatbehälter und Hochtemperatursupraleiter ausgebildet.In the 2 shown application form has two high-temperature superconductor bearings 14 . 15 on that in the area of the opposite ends of the shaft 2 are arranged. In the embodiment shown here, the high temperature superconductor bearings are made axially on the shaft 2 alternately arranged in succession rotors 2 with permanent magnet arrangement 3 and stators 4 formed with cryostat and high temperature superconductor.

Die Rotoren 1 in der hier gezeigten Ausführungsform sind Magnetrotoren, die aus der Permanentmagnetanordnung beziehungsweise der Sammleranordnung gebildet sind.The rotors 1 In the embodiment shown here are magnetic rotors, which are formed from the permanent magnet assembly and the collector assembly.

Das in der 2 links gezeigte Hochtemperatursupraleiterlager 14 ist als Festlager ausgebildet und ist damit axial nicht verschieblich.That in the 2 High-temperature superconductor bearing shown on the left 14 is designed as a fixed bearing and is therefore not axially displaceable.

Im Gegensatz hierzu ist das in 2 rechts abgebildete Hochtemperatursupraleiter 15 als Loslager ausgebildet und ist axial verschieblich.In contrast, this is in 2 right high-temperature superconductor 15 designed as a floating bearing and is axially displaceable.

Das Loslager 15 ist fest mit einer Führung 10 verbunden. Die Führung 10 ist in der hier gezeigten Ausführungsform als Linearführung ausgeführt und weist einen Lagerbock 11, eine Welle 12 sowie eine Schiebhülse 13 auf. Die Schiebehülse 13 wiederum ist mit dem Kryostatgehäuse der Statoren 4 verbunden.The floating bearing 15 is stuck with a guide 10 connected. The leadership 10 is designed in the embodiment shown here as a linear guide and has a bearing block 11 , a wave 12 and a sliding sleeve 13 on. The sliding sleeve 13 Again, with the cryostat housing of the stators 4 connected.

Dehnt sich nun die Welle 2 im Betrieb in axialer Richtung kann die Längenausdehnung durch automatische Nachführung des Loslagers 15 kompensiert werden.Now the shaft is stretching 2 in operation in the axial direction, the length can be extended by automatic tracking of the floating bearing 15 be compensated.

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 5 und Oberfläche des Hochtemperatursupraleiters 6 ein oder mehrere Abstandshalter vorgesehen sein, die eine mögliche Verbiegung der Vakuumhülle 5 in Folge der Druckdifferenzen, die beim Evakuieren des Kryostaten entstehen, verhindern.According to a further embodiment, in the intermediate space between the inner wall of the vacuum envelope 5 and surface of the high-temperature superconductor 6 one or more spacers may be provided which allow for possible bending of the vacuum envelope 5 due to the pressure differences that occur during evacuation of the cryostat, prevent.

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 8 beizubehalten. D. h. bei einem auf der Motorwelle 2 fixierten Rotor 1, welcher dem Stator 4 mit den Supraleitern 6 im eingekühlten Zustand gegenüber steht, hält das erfindungsgemäße HTS-Lager mit beweglich aufgebautem Stator diesen Spalt 8 bei. Durch die Ausbildung von zumindest einem HTS-Wellenlager als Loslager, so dass sich der Stator 4 bei fixiertem Rotor selbst ausrichten kann, kompensiert die Lageranordnung die in der Welle 2 generierte Längenausdehnung selbst.The present invention is based on the fact that an HTS bearing is a self-aligning assembly, which bearing tries to maintain the magnetically effective gap set during the cooling process 8th maintain. Ie. at one on the motor shaft 2 fixed rotor 1 which is the stator 4 with the superconductors 6 is opposite in the cooled state holds the HTS bearing according to the invention with movably constructed stator this gap 8th at. By training at least one HTS shaft bearing as a floating bearing, so that the stator 4 can align itself with the rotor fixed, compensated for the bearing assembly in the shaft 2 generated linear expansion itself.

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

Claims (3)

Hochtemperatursupraleiter-Lageranordnung mit planarer Lagerkonfiguration und mindestens zwei planaren Magnetlagern (14, 15), wobei die Magnetlager (14, 15) einen Rotor (1), der auf einer Rotorwelle (2) montiert ist, und einen Stator (4) aufweisen, wobei die Stirnseiten des Rotors (1) jeweils eine Permanentmagnetanordnung (3) aufweisen, die konzentrisch die Rotorwelle (2) umgibt, und wobei im Stator (4), der Permanentmagnetanordnung (3) gegenüber liegend, Hochtemperatursupraleiter (6) angeordnet sind, wobei sich die planaren Stirnflächen der Hochtemperatursupraleiter (6) und der Permanentmagnetanordnung unter Ausbildung eines magnetisch wirksamen Lagerspaltes (8) gegenüberstehen, und wobei ein Magnetlager als ortsfestes Festlager (14) mit ortsfesten Statorbestandteilen und die anderen Magnetlager (15) als Loslager mit beweglichen Statorbestandteilen ausgebildet sind, wobei die Statorbestandteile der als Loslager ausgebildeten Magnetlager (15) im Betriebszustand in Richtung der Rotorwelle (2), in Abhängigkeit einer in Richtung der Rotorwelle (2) erfolgenden Lageänderung der Lagerbestandteile des Rotors (1), unter Beibehaltung einer gleichbleibenden Lagebeziehung der Lagerbestandteile der als Loslager ausgebildeten Magnetlager (15) nachgeführt werden, und wobei der Stator (4) der als Loslager ausgebildeten Magnetlager (15) mit einer Führung (10) verbunden ist.High temperature superconductor bearing assembly with planar bearing configuration and at least two planar magnetic bearings ( 14 . 15 ), the magnetic bearings ( 14 . 15 ) a rotor ( 1 ) mounted on a rotor shaft ( 2 ), and a stator ( 4 ), wherein the end faces of the rotor ( 1 ) each have a permanent magnet arrangement ( 3 ) concentrically the rotor shaft ( 2 ) and where in the stator ( 4 ), the permanent magnet arrangement ( 3 ) opposite, high-temperature superconductors ( 6 ), wherein the planar end faces of the high-temperature superconductors ( 6 ) and the permanent magnet arrangement to form a magnetically active bearing gap ( 8th ), and wherein a magnetic bearing as a fixed fixed bearing ( 14 ) with fixed stator components and the other magnetic bearings ( 15 ) are formed as floating bearing with movable stator components, wherein the stator components of the magnetic bearing designed as a floating bearing ( 15 ) in the operating state in the direction of the rotor shaft ( 2 ), depending on a in the direction of the rotor shaft ( 2 ) positional change of the bearing components of the rotor ( 1 ), while maintaining a constant positional relationship of the bearing components of the trained as a floating bearing magnetic bearing ( 15 ), and wherein the stator ( 4 ) designed as a floating bearing magnetic bearing ( 15 ) with a guided tour ( 10 ) connected is. Hochtemperatursupraleiter-Lageranordnung nach Anspruch 1, wobei die Führung (10) als Linearführung ausgebildet ist.High-temperature superconductor bearing assembly according to claim 1, wherein the guide ( 10 ) is designed as a linear guide. Verfahren zur Kompensation der thermischen Längenausdehnung einer Rotorwelle (2) in einem planaren Hochtemperatursupraleiterlager mit mindestens zwei planaren Magnetlagern (14, 15), wobei die Magnetlager (14, 15) einen Rotor (1), der auf einer Rotorwelle (2) montiert ist, und einen Stator (4) aufweisen, wobei die Stirnseiten des Rotors (1) jeweils eine Permanentmagnetanordnung (3) aufweisen, die konzentrisch die Rotorwelle (2) umgibt, und wobei im Stator (4), der Permanentmagnetanordnung (3) gegenüber liegend, Hochtemperatursupraleiter (6) angeordnet werden, so dass sich die planaren Stirnflächen der Hochtemperatursupraleiter (6) und der Permanentmagnetanordnung unter Ausbildung eines magnetisch wirksamen Lagerspaltes (8) gegenüberstehen, und wobei ein Magnetlager (14) als ortsfestes Festlager mit ortsfesten Statorbestandteilen und die anderen Magnetlager als Loslager (15) mit beweglichen Statorbestandteilen ausgebildet werden, so dass bei axialer Verschiebung der Rotorwelle (2) aufgrund thermischer Längenausdehnung im Betriebszustand, die Statorbestandteile des Loslagers (15) durch die mit der thermischen Längenausdehnung der Rotorwelle (2) verbundenen Axialkräfte unter Beibehaltung einer gleichbleibenden Lagebeziehung der Lagerbestandteile der als Loslager ausgebildeten Magnetlager (15) nachgeführt werden.Method for compensating the thermal expansion of a rotor shaft ( 2 ) in a planar high-temperature superconductor bearing with at least two planar magnetic bearings ( 14 . 15 ), the magnetic bearings ( 14 . 15 ) a rotor ( 1 ) mounted on a rotor shaft ( 2 ), and a stator ( 4 ), wherein the end faces of the rotor ( 1 ) each have a permanent magnet arrangement ( 3 ) concentrically the rotor shaft ( 2 ) and where in the stator ( 4 ), the permanent magnet arrangement ( 3 ) opposite, high-temperature superconductors ( 6 ) to be ordered, so that the planar faces of the high-temperature superconductors ( 6 ) and the permanent magnet arrangement to form a magnetically active bearing gap ( 8th ), and wherein a magnetic bearing ( 14 ) as a fixed bearing with stationary stator components and the other magnetic bearing as a floating bearing ( 15 ) are formed with movable stator components, so that upon axial displacement of the rotor shaft ( 2 ) due to thermal expansion in the operating state, the stator components of the floating bearing ( 15 ) by the with the thermal expansion of the rotor shaft ( 2 ) associated axial forces while maintaining a constant positional relationship of the bearing components of the designed as a floating bearing magnetic bearing ( 15 ) are tracked.
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