DE102021002523B4 - Device and method for winding and twisting fiber material in ring spinning or ring twisting machines - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Aufspulen und Verdrillen von Fasermaterial in Ringspinn- oder Ringzwirnmaschinen mit Statoren, die mindestens ein hochtemperatursupraleitendes Material und eine Statorkühlung aufweisen sowie mit den drehbaren Spindeln koaxial zugeordneten ringförmigen magnetfelderzeugenden Rotoren, die zusammen mit einem verbundenen Läufer zum Führen und Aufwickeln des Fadens auf der jeweiligen Spindel dienen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei hochtemperatursupraleitende Statoren (1) zusammen mit ihren thermisch verbundenen Kühleinrichtungen berührungslos und parallel zueinander entlang des Verlaufes der Spindelreihe angeordnet sind sowie im Magnetfeld des durchgängigen Zwischenraumes zwischen den jeweils benachbarten Statoren (1) die koaxial zur Spindel (3) ausgerichteten magnetfelderzeugenden Rotoren (2) magnetisch schwebend eingebracht sind.Device for winding and twisting fiber material in ring spinning or ring twisting machines with stators, which have at least one high-temperature superconducting material and a stator cooling system, as well as ring-shaped magnetic field-generating rotors coaxially associated with the rotatable spindles, which together with a connected rotor for guiding and winding the thread on the respective Serve the spindle, characterized in that at least two high-temperature superconducting stators (1) together with their thermally connected cooling devices are arranged without contact and parallel to one another along the course of the row of spindles and in the magnetic field of the continuous intermediate space between the respective adjacent stators (1) which are coaxial to the spindle ( 3) aligned magnetic field generating rotors (2) are introduced magnetically floating.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein mittels dieser Vorrichtung anwendbares Verfahren, die zum Aufspulen und Verdrillen von insbesondere Garnen in Ringspinn- und Ringzwirnmaschinen dienen. Die geschaffene Lösung nutzt Anordnungen von hochtemperatursupraleitenden Magnetlagern um bei hohen Geschwindigkeiten Verbrennungen des Garnes durch das Rotieren der koaxial zu den Spindeln angeordneten permanentmagnetischen Rotoren zu verhindern.The invention relates to a device and a method that can be used by means of this device, which are used for winding and twisting yarns in particular in ring spinning and ring twisting machines. The solution created uses arrangements of high-temperature superconducting magnetic bearings to prevent the yarn from being burned at high speeds by the rotation of the permanent-magnetic rotors arranged coaxially to the spindles.

Die Ringspinntechnologie ist die älteste Art des Faserspinnens und wird noch immer eingesetzt. Aufgrund der hochwertigen Qualität des Garns und der Flexibilität ist das Ringspinnverfahren jedoch die dominierende Technik in der Garnherstellung. Weltweit ist das Ringspinnverfahren im Einsatz mit einer Reihe von Vorteilen, die kaum durch andereRing spinning technology is the oldest type of fiber spinning and is still in use. However, due to the high quality of the yarn and its flexibility, the ring spinning process is the dominant technique in yarn production. The ring spinning process is in use worldwide with a number of advantages that are hardly matched by others

Techniken ersetzt werden können. Grundlegende Vorteile sind:

  1. (i) Herstellung von sowohl feinfädigen als auch hochfesten Garnen;
  2. (ii) universelle Anwendung auf eine große Vielfalt sowie auf sehr spezielle Garne;
  3. (iii) Ringspinnen ist flexibel in Bezug auf Mengen, Garnqualität und Gleichmäßigkeit;
techniques can be substituted. Basic advantages are:
  1. (i) manufacture of both fine filament and high tenacity yarns;
  2. (ii) universal application to a wide variety as well as to very specific yarns;
  3. (iii) ring spinning is flexible in terms of quantities, yarn quality and uniformity;

Das Ringspinnen kann die größte Bandbreite an Garnstärken mit der höchsten Festigkeit und Qualität ausführen. Im Gegensatz dazu ist das Ringspinnen langsamer als andere moderne Spinnsysteme wie Rotor-, Friktions-, Düsen- oder Wirbelspinnen und erfordert mehr Verarbeitungsschritte. Die Fertigungsbegrenzung und Produktivität wird durch das konventionelle Ringrotorsystem bestimmt, das bei höheren Geschwindigkeiten eine mechanische Reibung in Verbindung mit einer Erwärmung des Rotors bzw. des Fadenführers verursacht. In der Folge wird das Garn verbrannt, glüht durch und reißt.Ring spinning can perform the widest range of yarn counts with the highest strength and quality. In contrast, ring spinning is slower than other modern spinning systems such as rotor, friction, jet or vortex spinning and requires more processing steps. The production limitation and productivity is determined by the conventional ring rotor system, which at higher speeds causes mechanical friction in connection with heating of the rotor or yarn guide. As a result, the yarn is burned, burns through and tears.

Bekannt ist nach der CH 396 714 A eine Ringvorrichtung, mittels welcher ohne Verwendung eines die hohe Spindeldrehzahl beeinträchtigenden Mechanismus der Produktionswirkungsgrad erhöht werden kann. Diese Ringvorrichtung weist eine einfache Bauart auf, bei der kein Element von der Art eines Läufers erforderlich ist, welches durch Berührung mit anderen Teilen eine Reibung erzeugt und das Garn einer übermäßigen Spannung unterwirft sowie zudem auch Schmiervorgänge erforderlich sind. Dazu weist die Ringvorrichtung einen Ring auf, der in dem innerhalb eines ringförmigen Ringhalters vorhandenen Raumes mittels magnetischer Kraft in einem Schwebezustand gehalten wird. Zwischen dem Ring und dem Ringhalter ist ein ringförmiger Luftspalt vorhanden, welchen das Vorgespinst durchlaufen muss. Dabei können der Ring und der Ringhalter als Dauermagnete ausgebildet sein. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch der begrenzte Einsatz des Ring-Läufersystems bei einer höheren Geschwindigkeit der Spindeln. Die Begrenzung der Geschwindigkeit des Läufers bedeutet, dass die Leistung von Ringspinn- und Ringzwirnmaschinen nicht verbessert werden kann.Is known after CH 396 714 A a ring device by means of which the production efficiency can be increased without using a mechanism affecting the high spindle speed. This ring device is of a simple construction which does not require a traveler-type element which, by contact with other parts, generates friction and subjects the yarn to excessive tension, and also requires lubricating operations. For this purpose, the ring device has a ring which is held in a state of levitation in the space present within an annular ring holder by means of magnetic force. There is an annular air gap between the ring and the ring holder, which the roving must pass through. The ring and the ring holder can be designed as permanent magnets. The disadvantage of this solution, however, is the limited use of the ring traveler system at higher spindle speeds. The limitation of traveler speed means that the performance of ring spinning and ring twisting machines cannot be improved.

Weiterhin bekannt ist nach der US 5 109 659 A ein Magnetring und ein Verfahren für das Spinnen von Textilgarn. Bei dieser Lösung wird Textilgarn unter einem permanentmagnetischen Ring zu einer angetriebenen Spule geführt, wobei ein fester Ring, der auf einer Ringschiene getragen wird und eine Verlängerung, die nach innen unter den permanentmagnetischen Ring ragt, ein physikalisches Gehäuse um den permanentmagnetischen Ring bietet, der eine komplementäre periphere Oberfläche aufweist. Der feste Ring liefert eine abstoßende magnetische Kraft, die den permanentmagnetischen Ring dazu bringt, in einer aufrecht erhaltenen zentrierten Beziehung darin zu schweben. Der feste Ring kann entweder aus Permanentmagneten bestehen, die durch abnehmbare Clips in gestapelter Beziehung gehalten werden, oder aus Elektromagneten, die durch ein Scharnier verbunden sind. Auch bei dieser Lösung ist eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Spindeln durch auftrende Reibungen begrenzt.Also known after U.S. 5,109,659 A a magnetic ring and method for spinning textile yarn. In this solution, textile yarn is passed under a permanent magnet ring to a driven spool, with a fixed ring supported on a ring rail and an extension projecting inward under the permanent magnet ring providing a physical enclosure around the permanent magnet ring, the a having complementary peripheral surface. The fixed ring provides a repulsive magnetic force that causes the permanent magnetic ring to levitate in a maintained centered relationship therein. The fixed ring can consist of either permanent magnets held in stacked relationship by removable clips, or electromagnets connected by a hinge. Also with this solution an increase in the speed of the spindles is limited by occurring friction.

Kurz nach der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) im Jahre 1986/87 wurde die Kombination eines Permanentmagneten (PM) mit den neuen Supraleitern vorgeschlagen, die eine nahezu reibungsfreie Levitation und Rotation demonstriert. Später wurde die SMB-Technik für den Einsatz in Zentrifugen bereits 2001 in der Literatur beschrieber. Es konnte gezeigt werden, dass der neue Magnetlagertyp extrem hohe Umdrehungen pro Minute (U/min) über 105 ermöglicht. Die Vorteile und der Nutzen der HTS-Magnetlager sind für viele Anwendungen, insbesondere in High-Tech-Lösungen, nützlich.Shortly after the discovery of the high-temperature superconductors (HTS) in 1986/87, the combination of a permanent magnet (PM) with the new superconductors was proposed, demonstrating almost friction-free levitation and rotation. The SMB technology for use in centrifuges was later described in the literature as early as 2001. It could be shown that the new type of magnetic bearing enables extremely high revolutions per minute (rpm) of over 10 5 . The advantages and benefits of the HTS magnetic bearings are useful for many applications, especially in high-tech solutions.

Durch den nahezu reibungsfreien Betrieb sind hohe Drehzahlen ohne Schmierung, kein Abrieb und keine Partikelbildung auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen wie Hitze, Kälte , Dampf, Vakuum und aggressiven Chemikalien möglich.Due to the almost friction-free operation, high speeds without lubrication, no abrasion and no particle formation are possible even under difficult environmental conditions such as heat, cold, steam, vacuum and aggressive chemicals.

Gleichzeitig lernte man die Rotordynamik mit selbstregulierendem Unwuchtausgleich, die Überwindung kritischer Drehzahlen im Hochgeschwindigkeitsbetrieb und die Erhöhung von Rotordrehzahlen sowie gleichzeitig die Verschiebung von supraleitenden Magnetlager (SMB) in den Lastbereich von Tonnen, wie beim Einsatz in Schwungrad-Energiespeichern, zu verstehen.At the same time, one learned to understand the rotor dynamics with self-regulating imbalance compensation, overcoming critical speeds in high-speed operation and increasing rotor speeds, as well as the shifting of superconducting magnetic bearings (SMB) into the load range of tons, such as when used in flywheel energy storage systems.

Erste Experimente und Anwendungen der SMB in der Ringspinntechnik begannen im Jahr 2010 Später untersuchte die Dresdner Gruppe von Hussain, de Haas und Schultz ausführlich die signifikanten Vorteile des Ersatzes der konventionellen Ringspinnmethode durch den Einsatz eines rotierenden SMB. Dabei folgte das SMB-Design dem koaxialen PM-Ring-zu-HTS-Ring-Design, das in einen Edelstahl-Vakuumkryostaten integriert wurde. Nachteilig ist der große Aufwand an der Supraleiter-Ring- Geometrie.First experiments and applications of the SMB in ring spinning technology started in 2010. Later, the Dresden group of Hussain, de Haas and Schultz investigated in detail the significant advantages of replacing the conventional ring spinning method with the use of a rotating SMB. The SMB design followed the coaxial PM ring-to-HTS ring design integrated into a stainless steel vacuum cryostat. A disadvantage is the great effort involved in the superconductor ring geometry.

Aus dem Stand der Technik ist durch die WO 2010/ 070 562 A2 eine Vorrichtung zum Stützen und Drehen eines scheibenartigen Gegenstands bekannt, die aus einem ersten Rotor besteht, der eine Stütze zur Abstützung des scheibenartigen Gegenstands umfasst, wobei sich der erste Rotor in einer Prozesskammer befindet. Einem zweiten Rotor, der mit einem Antriebsmechanismus zum Drehen des zweiten Rotors verbunden ist, wobei der zweite Rotor durch magnetische Kräfte mit dem ersten Rotor gekoppelt ist, ohne den ersten Rotor zu berühren. Der zweite Rotor befindet sich dabei außerhalb der Prozesskammer. Zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor ist eine Wand angeordnet und mindestens ein magnetisches Paar, wobei das Paar einen ersten Kupplungsteil und einen zweiten Kupplungsteil umfasst. Der erste Kupplungsteil umfasst einen am ersten Rotor montierten Kupplungsmagneten (z.B. Permanentmagnet) und der zweite Kupplungsteil ein supraleitendes Hochtemperaturmaterial (HTS). Das/die magnetische(n) Paar(e) sind so angeordnet und/oder geformt, dass kein Freiheitsgrad zwischen dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor verbleibt, so dass sich der erste Rotor zusammen mit dem zweiten Rotor bewegt. Eine Anwendung dieser Lösung an Ringspinn- oder Ringzwirnmaschinen würde einen hohen technischen Aufwand erfordern. Zudem sind die Anordnungen der Vorrichtungsbestandteile für die Realisierung der geforderten Höchstgeschwindigkeiten der Spindeln ungeeignet.From the prior art by the WO 2010/070 562 A2 discloses a device for supporting and rotating a disk-like object, consisting of a first rotor comprising a support for supporting the disk-like object, the first rotor being located in a process chamber. A second rotor connected to a drive mechanism for rotating the second rotor, the second rotor being coupled to the first rotor by magnetic forces without contacting the first rotor. The second rotor is located outside of the process chamber. Disposed between the first rotor and the second rotor is a wall and at least one magnetic pair, the pair including a first coupling portion and a second coupling portion. The first clutch part comprises a clutch magnet (eg permanent magnet) mounted on the first rotor and the second clutch part comprises a high temperature superconducting material (HTS). The magnetic pair(s) are arranged and/or shaped such that no degree of freedom is left between the first rotor and the second rotor, so that the first rotor moves together with the second rotor. An application of this solution to ring spinning or ring twisting machines would require a high level of technical complexity. In addition, the arrangements of the device components are unsuitable for realizing the required maximum speeds of the spindles.

Aus der WO 2012/ 100 964 A2 und der WO 2017/178196 A1 sind Aufwickel- und Ringzwirnvorrichtungen einer Ringspinn- oder Ringzwirnmaschine bekannt. Bei diesen Vorrichtungen wird die Reibung zwischen Ring und Rotor durch magnetisches Schweben aufgehoben, wodurch die wirkenden Reibungskräfte reduziert werden. Es wird ein ringförmiger Stator aus einem supraleitenden Material mit einer entsprechenden Stator-Kühlvorrichtung verwendet. Außer dem ringförmigen Stator kommt ein ringförmiger permanentmagnetischer Rotor zur Anwendung, der relativ zum Stator drehbar sowie koaxial um die Spindel mit einem ösenförmigen Fadenführungselement angeordnet ist. Dabei wird zwischen dem Stator und den Rotor ein ringförmiger axialer Spalt gebildet. Wenn das supraleitende Material des Stators unter die Sprungtemperatur abgekühlt wird, wird der magnetische Fluss des Rotors in den gekühlten Stator eingekoppelt und magnetisch gefangen. Durch diese Kopplung ist der Rotor über bzw. innerhalb des Stators eigenstabil. Der Faden wird durch den axialen Spalt zwischen Stator und Rotor von außen um den Rotor geführt und auf die Spule gewickelt. Der Stator und der Rotor besitzen besonders abgerundeten Formen, damit der Faden keine Kanten findet, die die Zirkulation des Fadens im Spalt behindern. Vor der Magnetisierung und Kühlung des HTS-Stators dient eine mechanische Abstützung der optimierten Arbeitsposition. Die berührungslose Lagerung des rotierenden Rotors eliminiert das klassische, Reibungswärme erzeugende RingRotor-System als produktivitätsbegrenzende Komponente. Vorteilhafterweise wird nun der gesamte Rotor mit dem Fadenführungselement in eine schnelle Rotation versetzt, die bis auf eine geringe magnetische Reibung im Wesentlichen reibungsfrei ist und damit deutlich höhere Spindeldrehzahlen erlaubt.From the WO 2012/100 964 A2 and the WO 2017/178196 A1 winding and ring twisting devices of a ring spinning or ring twisting machine are known. In these devices, the friction between ring and rotor is eliminated by magnetic levitation, which reduces the acting frictional forces. An annular stator made of a superconducting material is used with a corresponding stator cooling device. In addition to the ring-shaped stator, a ring-shaped permanent-magnetic rotor is used, which is rotatable relative to the stator and is arranged coaxially around the spindle with an eyelet-shaped thread guide element. An annular axial gap is formed between the stator and the rotor. When the superconducting material of the stator is cooled below the transition temperature, the magnetic flux of the rotor is coupled into the cooled stator and is magnetically trapped. Due to this coupling, the rotor is inherently stable above or within the stator. The thread is guided through the axial gap between the stator and rotor from the outside around the rotor and wound onto the spool. The stator and the rotor have particularly rounded shapes so that the thread does not find any edges that impede the circulation of the thread in the gap. Prior to the magnetization and cooling of the HTS stator, a mechanical support is used to ensure the optimized working position. The non-contact bearing of the rotating rotor eliminates the classic RingRotor system, which generates frictional heat, as a productivity-limiting component. Advantageously, the entire rotor with the thread-guiding element is now made to rotate rapidly, which is essentially friction-free apart from a small amount of magnetic friction and thus allows significantly higher spindle speeds.

Der als Magnetring ausgeführte Rotor hat jedoch ein erhebliches Eigengewicht, das beim Anfahren der Spindel ebenfalls beschleunigt werden muss. Außerdem kann der frei schwebende Magnetring nicht gekapselt werden, so dass der mit hohen Drehzahlen von ca. 20.000 bis 30.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) laufende Rotor ein Sicherheitsrisiko für den Bediener der Anlage darstellen. Schließlich stellt das Fadenführungselement am Magnetringrotor eine Unwucht dar, die mit zunehmender Drehzahl der Spindel schwingungsbedingt immer problematischer wird.However, the rotor, which is designed as a magnetic ring, has a considerable weight that must also be accelerated when the spindle is started. In addition, the freely floating magnetic ring cannot be encapsulated, so that the rotor, which runs at high speeds of approx. 20,000 to 30,000 revolutions per minute (rpm), poses a safety risk for the operator of the system. Finally, the thread guide element on the magnetic ring rotor represents an imbalance that becomes more and more problematic as the spindle speed increases due to vibration.

Mit der WO 2019/ 037 836 A1 wird ein supraleitendes Magnetlager als Stützsystem zwischen zwei relativ beweglichen Teilen offenbart. Einer der Teile umfasst eine supraleitende Einheit, die mindestens ein supraleitendes Element und einen Kryostaten mit einem Gehäuse umfasst. Das mindestens eine supraleitende Element befindet sich dabei im Inneren des Gehäuses des Kryostaten. Der andere Teil umfasst mindestens ein ein Magnetfeld erzeugendes Element. Die mindestens ein supraleitende Einheit und das magnetfelderzeugende Element sind so angeordnet, dass eine der supraleitenden Einheiten und das magnetfelderzeugende Element durch Wechselwirkung des supraleitenden Elements und eines vom Magnetfeld erzeugenden Elements erzeugten Magnetfeldes berührungslos unterstützt werden kann. Zur Dämpfung von Schwingungen und zur Verringerung der Wärmeentwicklung im supraleitenden Element ist zwischen dem mindestens einen supraleitenden Element und dem Magnetfelderzeugungselement mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht als Wirbelstromdämpfer angeordnet. Neben dem erforderlichen hohen technischen Aufwand ist die auftrende Wärmeentwicklung bei einem Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Rotors weiterhin zu hoch.With the WO 2019/037 836 A1 discloses a superconducting magnetic bearing as a support system between two relatively moving parts. One of the parts includes a superconducting unit including at least one superconducting element and a cryostat with a housing. The at least one superconducting element is located inside the housing of the cryostat. The other part comprises at least one element that generates a magnetic field. The at least one superconducting unit and the magnetic field generating element are arranged such that one of the superconducting units and the magnetic field generating element can be supported without contact by interaction of the superconducting element and a magnetic field generated by the magnetic field generating element. At least one electrically conductive layer is arranged as an eddy current damper between the at least one superconducting element and the magnetic field generating element in order to dampen vibrations and to reduce heat generation in the superconducting element. In addition to the required high level of technical effort, the rising trend in heat development remains too high for high-speed operation of the rotor.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Aufspulen und Verdrillen von faserförmigen Material in Ringspinn- und Ringzwirnmaschinen, mit denen die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschinen wesentlich erhöht, eine höhere Produktivität beim Ringspinnen erzielt sowie der zeitliche und materielle Aufwand für Montage und Service der Vorrichtung gesenkt werden kann.The object of the invention is therefore to create a device and a method for winding and twisting fibrous material in ring spinning and ring twisting machines, with which the operating speed of the machines is significantly increased, higher productivity is achieved in ring spinning and the time and material expenditure for assembly and service of the device can be lowered.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die beschreibenden Merkmale der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung werden von den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 12 gekennzeichnet. Das geschaffene Verfahren beschreiben die Merkmale des Patentanspruchs 13. Eine effiziente Ausgestaltung des Verfahrens wird durch Patentanspruch 14 beansprucht.This object is achieved by the descriptive features of the device according to patent claim 1. Advantageous developments of the device are characterized by the features of patent claims 2 to 12. The created method describes the features of patent claim 13. An efficient embodiment of the method is claimed by patent claim 14.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein supraleitendes Magnetlager (SMB) vorgeschlagen, das einen permanentmagnetischen (PM) Ring als Rotor umfasst, der über einem Supraleiter als Stator mit Kühlung berührungslos aber stabil schwebt. Dabei ist der jeweilige Rotor zur zugeordneten Spindel koaxial angeordnet und der aufzuwickelnde Faden wird in dem Spalt zwischen Rotor und Stator zum Umlauf gebracht. Eine effiziente und variabel anpassbare Ausbildung der Vorrichtung wird dadurch erzielt, indem mindestens zwei hochtemperatursupraleitende Statoren zusammen mit ihren thermisch verbundenen Kühleinrichtungen berührungslos und parallel zueinander entlang des Verlaufes der Spindelreihe angeordnet sind sowie im Magnetfeld des durchgängigen Zwischenraumes zwischen den jeweils benachbarten Statoren die koaxial zur Spindel ausgerichteten magnetfelderzeugenden Rotoren magnetisch schwebend eingebracht sind. Eine zusätzliche Erhöhung der Stabilisierung der Position im Magnetlager wird erreicht, wenn die magnetfelderzeugenden Rotoren mit ferromagnetischen Magnetflusssammlern versehen sind, die zur Erhöhung der Feldstärke und Führung des Magnetfeldes zum Hochtemperatur-Supraleiter hin dienen. Eine kostenmäßige Senkung für den materiellen Aufwand wird vorteilhaft erreicht, wenn die hochtemperatursupraleitenden Statoren aus jeweils mindestens zwei HTS-Bulk-Elementen bestehen, die entlang der Längenausdehnung der Statoren abschnittsweise getrennt voneinander ausgebildet und den jeweiligen magnetfelderzeugenden Rotoren zugeordnet sind.With the solution according to the invention, a superconducting magnetic bearing (SMB) is proposed, which comprises a permanent magnet (PM) ring as a rotor, which levitates without contact but stably over a superconductor as a stator with cooling. The respective rotor is arranged coaxially to the associated spindle and the thread to be wound up is made to circulate in the gap between the rotor and the stator. An efficient and variably adaptable design of the device is achieved by arranging at least two high-temperature superconducting stators together with their thermally connected cooling devices without contact and parallel to one another along the course of the row of spindles and in the magnetic field of the continuous space between the respective adjacent stators that are aligned coaxially to the spindle Magnetic field generating rotors are introduced magnetically floating. An additional increase in the stabilization of the position in the magnetic bearing is achieved if the rotors that generate the magnetic field are provided with ferromagnetic magnetic flux collectors, which serve to increase the field strength and guide the magnetic field towards the high-temperature superconductor. A cost reduction for the material expenditure is advantageously achieved if the high-temperature superconducting stators each consist of at least two HTS bulk elements, which are formed separately from one another in sections along the length of the stators and are assigned to the respective rotors that generate the magnetic field.

Für eine einfache und zeitreduzierende Montage ist es von Vorteil, wenn die hochtemperatursupraleitenden Statoren aus schichtförmig zusammengefügtem Material bestehen und in ihrer Längenausdehnung band- oder kabelförmig ausgebildet sind. Effektiv wird ein einfacher und materialsparender Aufbau der Vorrichtung erreicht, indem die hochtemperatursupraleitenden Statoren aus einer thermisch isolierten Rohr-in-RohrKonfiguration gebildet werden, bei der das innere, mit dem HTS-Stator verbundene „kalte“ Rohr eine Temperatur aufweist, die unterhalb der supraleitenden kritischen Temperatur liegt und das äußere Rohr die umgebende Raumtemperatur annimmt. Günstig erweist sich die Ausbildung der Vorrichtung für die Anwendung hoher Arbeitsgeschwindigkeiten, wenn das äußere Rohr aus einem Material gebildet wird, das eine zur Erzeugung von Wirbelströmen geeignete hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und dadurch eine zusätzliche magnetische Stabilisierung während des Drehspinn- und Verdrillungsbetriebes bewirkt. Eine stabile magnetische Lagerung der Rotoren bei einem gleichzeitig geringen Kostenaufwand wird vorteilhaft dadurch erreicht, indem die Statoren aus jeweils einem YBaCuO - Kristall der Zusammensetzung Y1Ba2Cu3Ox (Y123) oder einem Einkristall der REBaCuO - Gruppe der Zusammensetzung RE1Ba2Cu3Ox (RE-Seltene Erden) sowie der Supraleiter der Wismut-Familie BiSrCaCuO gebildet werden.For simple and time-saving assembly, it is advantageous if the high-temperature superconducting stators consist of material joined together in layers and are designed in the form of strips or cables in terms of their length. Effectively, a simple and material-saving construction of the device is achieved by forming the high-temperature superconducting stators from a thermally insulated tube-in-tube configuration, in which the inner "cold" tube connected to the HTS stator has a temperature below that of the superconducting critical temperature and the outer tube assumes the ambient room temperature. The design of the device for the application of high operating speeds proves to be favorable if the outer tube is formed from a material which has a high electrical conductivity suitable for generating eddy currents and thereby causes additional magnetic stabilization during rotary spinning and twisting operations. A stable magnetic bearing of the rotors at a simultaneously low cost is advantageously achieved by the stators each consisting of a YBaCuO crystal of the composition Y 1 Ba 2 Cu 3 O x (Y123) or a single crystal of the REBaCuO group of the composition RE 1 Ba 2 Cu 3 O x (RE rare earths) and the superconductor of the bismuth family BiSrCaCuO are formed.

Mit der vorliegenden Erfindung werden technische und wirtschaftliche Verbesserungen der Maschinen durch die Verwendung von neuen linearen, wie supraleitende HTS Bulk-Stator-Anordnungen erzielt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt einen nahezu reibungslosen Hochgeschwindigkeitsbetrieb der Rotoren. Erreicht wird dies durch die stark vereinfachte Stator-Aufhängung und der möglichen simultanen Kühlung aller beteiligten Statoren.With the present invention, technical and economic improvements in the machines are achieved through the use of new linear, such as superconducting HTS bulk stator assemblies. The device according to the invention allows almost smooth high-speed operation of the rotors. This is achieved through the greatly simplified stator suspension and the possibility of simultaneous cooling of all stators involved.

Die geschaffene Lösung ebnet den Weg für eine modulare Bauweise und kollektiver Kühlung mittels flüssigem Stickstoff LN2. Zudem werden die HTS Material- und Maschine-Kosten signifikant reduziert.The solution created paves the way for a modular design and collective cooling using liquid nitrogen LN2. In addition, the HTS material and machine costs are significantly reduced.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den Wiedergaben der Zeichnung zeigen dazu erläuternd

  • 1: die schematische Vergleichsdarstellung der bisherigen zur neuen Magnetlagerung der Rotoren,
  • 2: die perspektivische Darstellung der Magnetlagerung mit drei Statoren,
  • 3: die Querschnittsdarstellung der Magnetlagerung mit drei Statoren,
  • 4: die perspektivische Darstellung der Magnetlagerung mit zwei Statoren,
  • 5: die Querschnittsdarstellung der Magnetlagerung mit zwei Statoren,
  • 6: der schematische Innenaufbau des Stators,
  • 7: die prinzipielle Darstellung der zusätzlichen Stabilisierung des Rotors und
  • 8: die Umfassungsbandage des Rotors zwecks Ausgleich der dynamischen Kräfte.
The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the reproductions of the drawing show this explanatory
  • 1 : the schematic comparison of the previous to the new magnetic bearing of the rotors,
  • 2 : the perspective view of the magnetic bearing with three stators,
  • 3 : the cross-section of the magnetic bearing with three stators,
  • 4 : the perspective view of the magnetic bearing with two stators,
  • 5 : the cross-section of the magnetic bearing with two stators,
  • 6 : the schematic internal structure of the stator,
  • 7 : the basic representation of the additional stabilization of the rotor and
  • 8th : the enclosing bandage of the rotor in order to balance the dynamic forces.

Mit der 1 wird schematisch ein Vergleich zwischen der konventionellen Ring-Einfachgarnverzwirnung (a) und des HTS-Hochgeschwindigkeits-Ringspinnverfahrens mittels einer magnetisch reibungsfrei aufgehängten Wickelring- und Läuferkonstruktion (b) wiedergegeben. Dazu sind die Spindeln 3 zusammen mit dem zu Spulen 5 aufgewickelten Garn zwischen zwei parallel angeordneten Hochtemperatursupraleiter-Statoren 1 magnetisch gelagert. In beiden Anordnungen kommen ringförmige magnetisch gelagerte magnetfelderzeugende Rotoren 2 zur Anwendung. Die Zuführung des aufzuwickelnden Garnes erfolgt durch das Zuführungssystem 16 der Maschine. Der Unterschied zwischen beiden Lösungen besteht in der Ausbildung des Magnetlagers und dem jeweils erforderlichen Kühlsystem des Hochtemperatursupraleiters. Konventionell ist das HTS-Magnetlager koaxial zu jeder Spindel 3 angeordnet und das Kühlsystem an jedes einzelne Lager in aufwendiger Form angepasst. Bei der erfindungsgemäßen Magnetlagerung hingegen erfolgt die magnetische Lagerung zwischen zwei benachbarten und sich entlang der Spindelreihe erstreckenden HTS-Statoren. Das erforderliche Kühlungssystem ist dabei so ausgebildet, dass eine simultane Kühlung aller Statoren auf einfache Weise ermöglicht wird.With the 1 A schematic comparison is given between conventional ring singles yarn twisting (a) and the HTS high speed ring spinning process using a magnetically suspended winding ring and traveler design (b). For this purpose, the spindles 3 are magnetically mounted together with the yarn wound into coils 5 between two parallel high-temperature superconductor stators 1 . Ring-shaped, magnetically supported rotors 2 that generate a magnetic field are used in both arrangements. The yarn to be wound is fed by the feed system 16 of the machine. The difference between the two solutions is the design of the magnetic bearing and the cooling system required for the high-temperature superconductor. Conventionally, the HTS magnetic bearing is arranged coaxially with each spindle 3 and the cooling system is adapted to each individual bearing in a complex manner. With the magnetic bearing according to the invention, on the other hand, the magnetic bearing takes place between two adjacent HTS stators that extend along the row of spindles. The required cooling system is designed in such a way that simultaneous cooling of all stators is made possible in a simple manner.

Die in 2 dargestellte perspektivische Ansicht zeigt das supraleitende Magnetlager mit drei Statoren 1. Die Rotoren 2 sind als permanentmagnetische Ringe mit integriertem Läufer (z.B. Ösen) ausgebildet. Die mit Hochtemperatursupraleitern (HTS) versehenen Statoren 1 verlaufen parallel zueinander und entlang der Spindelreihe. Im Zwischenraum zwischen jeweils zwei benachbarten Statoren 1 sind die Rotoren 2 magnetisch gelagert. Weiterhin besteht die Möglichkeit nach Bedarf auch weitere Statoren 1 parallel anzuordnen. Im Inneren der als Rohr 9 ausgebildeten Statoren 1 ist ein kleineres Rohr 8 mit darauf angeordneten HTS-Supraleitern eingebracht. Diese supraleitenden Materialien 4 sind entlang der Längsausdehnung des Rohres 8 abschnittsweise derart aufgebracht, dass sie die vorgesehene Lageposition des jeweiligen Rotors 2 herbeiführen. Die geschaffene Lösung ist in Aufbau und Design den herkömmlichen Ringspinnmaschinen angepasst. Aufgrund der linearen Struktur folgt die Innovation dem traditionellen Ringspinnmaschinen-Design und eliminiert die Notwendigkeit für große Ringspinnmaschinenänderungen, wenn konventionelle Ringläufergeräte durch supraleitende Magnetlager (SMB) in Serie ersetzt werden. Dabei arbeitet das System berührungslos und weist eine extrem geringe Rotationsreibung auf.In the 2 The perspective view shown shows the superconducting magnetic bearing with three stators 1. The rotors 2 are designed as permanent magnetic rings with an integrated rotor (eg eyelets). The stators 1 provided with high-temperature superconductors (HTS) run parallel to one another and along the row of spindles. In the space between two adjacent stators 1, the rotors 2 are magnetically mounted. Furthermore, there is the possibility of arranging additional stators 1 in parallel as required. A smaller tube 8 with HTS superconductors arranged on it is introduced inside the stators 1 designed as a tube 9 . These superconducting materials 4 are applied in sections along the longitudinal extent of the tube 8 in such a way that they bring about the intended position of the respective rotor 2 . The solution created is adapted to the conventional ring spinning machines in structure and design. Due to the linear structure, the innovation follows the traditional ring spinning machine design and eliminates the need for major ring spinning machine modifications when replacing conventional ring traveler devices with superconducting magnetic bearings (SMB) in series. The system works contact-free and has extremely low rotational friction.

Durch die freie Aufhängung der Rotor-Kombination oberhalb des HTS-Stators 1 und dessen Rotation mit nahezu Spindeldrehzahl kann die Reibungswärme des Rotors 2 auch bei weiterer Erhöhung der Rotorgeschwindigkeit deutlich eliminiert werden. Dabei wird im dynamischen Prozess nur eine geringe Reibungskraft zwischen Faden und Läufer erzeugt. Durch die generierte Drehung des Rotors 2 wird die Faden-Läufer-Reibungswechselwirkung erheblich reduziert, wodurch ein großer Teil der Wärmequelle ausgeschaltet wird. Der Rotor 2 und der Stator 1 sind dabei so gestaltet, dass zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 1 axial beabstandet und koaxial zur Spindel 3 jeweils ein kreisrunder Luftspalt gebildet wird. Der Faden wird durch den rotierenden Läufer geführt und kann auf den rotierenden Spulenkörper gewickelt werden. Im Gegensatz zu bisherigen Lagerlösungen, bei denen benachbarte Spindeln 3 bei Raumtemperaturbedingungen in der Durchführung eines Kryostaten laufen, sind bei der neuen Lösung die Spindeln 3 nicht getrennt und haben einen offenen Raum entlang der Spindelreihe. Durch diese Konstruktion wird eine gemeinsame LN2-Kühlung einer Reihe von entsprechenden Statoren 1 mit einem großen Freiraum möglich. Weiterhin können auf diese Weise Spindeln 3 und Spulen viel einfacher gewartet oder ausgetauscht werden.Due to the free suspension of the rotor combination above the HTS stator 1 and its rotation at almost spindle speed, the frictional heat of the rotor 2 can be significantly eliminated even if the rotor speed is further increased. In the dynamic process, only a small amount of friction is generated between the thread and the runner. The generated rotation of the rotor 2 significantly reduces the thread-traveller frictional interaction, as a result of which a large part of the heat source is switched off. The rotor 2 and the stator 1 are designed in such a way that a circular air gap is formed between the rotor 2 and the stator 1 at an axial distance and coaxial to the spindle 3 . The thread is fed through the rotating runner and can be wound onto the rotating bobbin. In contrast to previous bearing solutions, where adjacent spindles 3 run at room temperature conditions in the passage of a cryostat, in the new solution the spindles 3 are not separated and have an open space along the row of spindles. With this construction, common LN2 cooling of a number of respective stators 1 becomes possible with a large clearance. Furthermore, spindles 3 and coils can be serviced or replaced much more easily in this way.

Mit 3 wird der schematische Querschnittaufbau der aus drei Statoren 1 gebildeten Magnetlagerung wiedergegeben. Ersichtlich wird die Anordnung der inneren Rohre 8 im jeweiligen äußeren Rohr 9. Im Zwischenraum zwischen jeweils zwei benachbarten Statoren 1 sind die Rotoren 2 mit den jeweils zugehörigen Spindeln 3 magnetisch aufgehangen. Zwischen den Rohren (8;9) wird die simultane Kühlung aller Supraleiter durch eine Kühlung mittels flüssigem Stickstoff (LN2) durchgeführt.With 3 the schematic cross-sectional structure of the magnetic bearing formed from three stators 1 is reproduced. The arrangement of the inner tubes 8 in the respective outer tube 9 can be seen. The rotors 2 with the respectively associated spindles 3 are magnetically suspended in the space between two adjacent stators 1 in each case. The simultaneous cooling of all superconductors between the tubes (8; 9) is carried out by cooling with liquid nitrogen (LN2).

Die Darstellung der 4 zeigt die perspektivische Ansicht einer aus zwei Statoren 1 bestehenden Magnetlagerung. Auch bei dieser Ausführung sind die HTS-Supraleiter 4 abschnittsweise entlang des Längsverlaufes der Statoren 1 auf dem inneren Rohr 8 aufgebracht und lagemäßig so positioniert, dass sie die einzunehmenden Position der Spindeln 3 magnetisch herbeiführen. Darüberhinaus ist auch die Möglichkeit vorgesehen, den HTS-Supraleiter 4 band- oder kabelförmig zu gestalten, der bei der Montage über die gesamte Länge des Stators 1 auf dem inneren Rohr 8 aufgebracht wird. An den jeweiligen vorgesehenen magnetischen Lagerstellen des Rotors 2 wird der in der Regel schichtweise aufgebaute HTS-Supraleiter bereits in der Vorfertigung den zu erzeugenden Magnetstärken angepasst.The representation of 4 shows the perspective view of a magnetic bearing consisting of two stators 1 . In this embodiment, too, the HTS superconductors 4 are applied in sections along the longitudinal course of the stators 1 on the inner tube 8 and positioned in such a way that they bring about the position to be assumed by the spindles 3 magnetically. In addition, the possibility is also provided of designing the HTS superconductor 4 in the form of a strip or cable, which is applied to the inner tube 8 over the entire length of the stator 1 during assembly. At the respective intended magnetic bearing points of the rotor 2, the HTS superconductor, which is usually built up in layers, is already adapted to the magnet strengths to be produced during prefabrication.

Eine Querschnittsdarstellung der aus zwei Statoren 1 gebildeten Magnetlagerung kann der 5 entnommen werden. Neben den bereits geschilderten Lagerungen des Rotors 2 können der schematischen Darstellung die in den Innenraum der Statoren 1 hinein- und herausführende Kühlleitungen 15 entnommen werden.A cross-sectional view of the magnetic bearing formed from two stators 1 can be seen in FIG 5 be removed. In addition to the bearings of the rotor 2 already described, the cooling lines 15 leading into and out of the interior of the stators 1 can be seen from the schematic representation.

Der konstruktive Innenaufbau des Stators 1 wird aus der bildlichen Wiedergabe der 6 ersichtlich. Dabei stellt das quadratische äußere Rohr 9 die Vakuumkammer für das innere ebenfalls quadratische Rohr 8 dar. Der HTS-Supraleiter 4 ist auf den inneren kalten Rohr 8 geklebt. In das innere Rohr 8 wird flüssiger Stickstoff als Kühlmittel eingeführt. Die mechanische Fixierung des mit dem HTS-Supraleiter 4 verbundenen inneren Rohres 8 erfolgt durch aus Glasfaserstrukturen bestehende abstandshaltende Baugruppen 10. Diese sind so gestaltet, dass sie lediglich an den punktförmigen Auflagen 11, 12 eine wärmeleitende Verbindung mit dem äußeren Rohr 9 aufweisen. Dadurch wird eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem „kalten“ inneren Rohr 8 und den an die Raumtemperatur angepassten äußeren Rohr 9 weitestgehend verhindert. Da die Balken aus einer leichten Al-Legierung bestehen, kann das Design sehr kompakt und mit geringem Gewicht aufgebaut werden. Zudem wird durch das AL-Legierungsmaterial des Kryostaten eine hohe thermische Verbindung zwischen dem inneren Rohr 8 und dem HTS-Supraleiter 4 erreicht. Allerdings muss der hohe thermische Ausdehnungskoeffizient der Al-Legierung bei Raumtemperatur bei der Bestimmung und Fixierung der genauen longitudinalen Position der supraleitenden Statoren 1 in den 4-5 m langen Trägerelementen berücksichtigt werden.The structural internal structure of the stator 1 is from the pictorial representation of 6 apparent. The square outer tube 9 represents the vacuum chamber for the inner tube 8 , which is also square. The HTS superconductor 4 is glued to the inner cold tube 8 . Liquid nitrogen is introduced into the inner tube 8 as a coolant. The inner tube 8 connected to the HTS superconductor 4 is mechanically fixed by spacer assemblies 10 made of glass fiber structures. This largely prevents a thermally conductive connection between the “cold” inner tube 8 and the outer tube 9, which is adapted to the room temperature. Since the beams are made of a light Al alloy, the design can be made very compact and light in weight. In addition, a high thermal connection between the inner tube 8 and the HTS superconductor 4 is achieved by the AL alloy material of the cryostat. However, the high thermal expansion coefficient of the Al alloy at room temperature must be taken into account when determining and fixing the exact longitudinal position of the superconducting stators 1 in the 4-5 m long support elements.

Die prinzipielle Darstellung einer zusätzlichen Stabilisierung der Lageposition des Rotors 2 ist aus 7 ersichtlich. Neben der Levitation des fadenführenden ringförmig ausgebildeten Rotors 2 erfolgt innovativ eine zusätzliche Stabilisierung durch elektrische Wirbelströme 17, die im Kryostat- und und den Statoren 1 induziert werden. Das innere und äußere Rohr bestehen aus einer elektrisch leitfähigen Aluminiumlegierung. Dadurch wird der rotierende Rotor 2 über einem metallischen Al-Blech schweben. Zwei Effekte können dadurch zur Stabilisierung des rotierenden Rotors 2 beitragen. Nach der Lenz'schen Regel ist die Richtung jeder magnetischen Induktionswirkung derart, dass sie der Ursache der Wirkung entgegengesetzt wirkt. Somit ist die Richtung der magnetischen Kraft auf den bewegten Magneten entgegengesetzt zu seiner Bewegung. Der induzierte Strom versucht, den aktuellen Status „quo“ zu erhalten, indem er der Bewegung oder einer Flussänderung entgegenwirkt. Oberhalb der Statoren 1 existieren eine Auftriebskraft in normaler Richtung zur leitenden Ebene und eine Widerstandsbremskraft entgegen der Drehrichtung. Entsprechend tragen beide Kräfte zu einem zusätzlichen Halten und Stabilisieren des rotierenden Rotors 2 beim Wickeln und Verdrehen bei. Eine weitere Ausführungsform ist die erzeugte Bremskraft, die durch die Veränderung der Umfangsmagnetisierung des ringförmigen Rotors 2 eine schnelle Abbremsung des rotierenden Rotors 2 bewirkt. Bei niedriger Geschwindigkeit ist die Widerstandskraft proportional zur Geschwindigkeit v= w/r und sie ist größer als die Auftriebskraft, die proportional zu v2 ist.The basic representation of an additional stabilization of the position of the rotor 2 is over 7 apparent. In addition to the levitation of the thread-guiding ring-shaped rotor 2 , an additional stabilization is provided by electrical eddy currents 17 , which are induced in the cryostat and the stators 1 . The inner and outer tubes are made of an electrically conductive aluminum alloy. As a result, the rotating rotor 2 will float above a metallic Al sheet. As a result, two effects can contribute to the stabilization of the rotating rotor 2 . According to Lenz's law, the direction of any magnetic induction effect is such that it acts opposite to the cause of the effect. Thus, the direction of the magnetic force on the moving magnet is opposite to its motion. The induced current attempts to maintain the current status quo by counteracting movement or a change in flow. Above the stators 1 there is a lift force in the direction normal to the conductive plane and a drag force opposite to the direction of rotation. Accordingly, both forces contribute to additional holding and stabilization of the rotating rotor 2 during winding and twisting. Another embodiment is the generated braking force, which causes rapid deceleration of the rotating rotor 2 by changing the circumferential magnetization of the annular rotor 2 . At low speed, the drag force is proportional to the speed v= w/r and it is greater than the lift force, which is proportional to v 2 .

Mit zunehmender Geschwindigkeit des Rotors 2 erreicht die Widerstandskraft ein Maximum und nimmt mit 1/(v)1/2 ab. Die Auftriebskraft, die den Rotor 2 stabilisiert, nimmt dagegen bei niedriger Geschwindigkeit mit v2 zu und überholt die Widerstandskraft mit zunehmender Geschwindigkeit. Das Verhältnis von Auftriebs- zu Widerstandskräften ist von großer praktischer Bedeutung und ergibt sich zu fL/fD= v/vi, wobei v und vi die Geschwindigkeiten des magnetischen Dipols über dem leitenden Blech und das entsprechende positive und negative Bild sind, das sich mit der Geschwindigkeit vi nach unten ausbreitet.With increasing speed of the rotor 2, the drag force reaches a maximum and decreases with 1/(v) 1/2 . The lift force that stabilizes the rotor 2, on the other hand, increases with v 2 at low speed and overtakes the drag force with increasing speed. The ratio of buoyancy to drag forces is of great practical importance and is given by f L /f D = v/vi, where v and v i are the velocities of the magnetic dipole across the conductive sheet and the corresponding positive and negative image, the propagates downwards with the velocity v i .

Mit der Grafik der 8 wird das prinzipielle Verhalten der Rotoren 2 bei Hochgeschwindigkeits-Ringspinnanwendungen wiedergegeben. Bei der erfindungsgemäßen Lösung für Hochgeschwindigkeiten sind die Rotationsreibung und die dynamischen Effekte der Magnetlager von besonderer Bedeutung. In diesem Bereich sind die prinzipiellen Vorteile von supraleitenden Lagern gegenüber konventionellen Lagern signifikant. Die supraleitenden passiv-magnetischen Lager weisen eine wesentlich geringere Reibung auf als konventionelle Wälzlager, mindestens um einen Faktor von vier Dekaden. Selbst im Vergleich zu druckbeaufschlagten Luftlagern liegt die Reibung der passiv-magnetischen HTS-Lager im Promillebereich und ist somit überragend klein. Diese extrem geringe Reibung ist die physikalische Grundlage für die innovative Ringspinntechnologie bis hin zu höchsten Spindeldrehzahlen.With the graphic of 8th the basic behavior of the rotors 2 in high-speed ring spinning applications is reproduced. In the solution according to the invention for high speeds, the rotational friction and the dynamic effects of the magnetic bearings are of particular importance. In this area, the fundamental advantages of superconducting bearings over conventional bearings are significant. The superconducting passive-magnetic bearings exhibit significantly lower friction than conventional roller bearings, at least by a factor of four decades. Even compared to pressurized air bearings, the friction of the passive-magnetic HTS bearings is in the per thousand range and is therefore exceptionally low. This extremely low friction is the physical basis for the innovative ring spinning technology up to the highest spindle speeds.

Ein weiterer kritischer Punkt der Ringrotordynamik sind die Fliehkräfte. In der vorliegenden Erfindung stehen Rotationsgeschwindigkeiten des permanentmagnetischen Rotors 2 mit dem Fadenführer bis zu 50 000 U/min im Fokus. Ein Rotor 2 der Größe 60 mm × 40 mm × 10 mm, der als Verdrillungs- und Rotationselement dient, leidet unter den enormen Fliehkräften, die den Arbeitsring zerstören können. In einem ersten Ansatz sollte man die maximale Zugkraft bzw. Kraftdichte durch den Tangentialvektor am Innenradius ri betrachten. σ t = ρ  v 2 = ρ ω 2  r 2

Figure DE102021002523B4_0001
Another critical point of the ring rotor dynamics are the centrifugal forces. In the present invention, the focus is on rotational speeds of the permanent-magnetic rotor 2 with the yarn guide of up to 50,000 rpm. A rotor 2 measuring 60 mm × 40 mm × 10 mm, which serves as a twisting and rotating element, suffers from the enormous centrifugal forces that can destroy the working ring. In a first approach, one should consider the maximum tensile force or force density through the tangential vector at the inner radius r i . σ t = ρ v 2 = ρ ω 2 right 2
Figure DE102021002523B4_0001

Beim Drehen des ringförmigen Rotors 2 entstehen unterschiedliche Fliehkräfte, die den Rotor 2 zerstören können. Die höchsten mechanischen Kräfte treten am Innenradius eines rotierenden Ringes auf. Der Wert der Zugfestigkeit von gesintertem NdFeB liegt bei etwa 80 - 90 MPa (12 000 psi). Bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 50 000 U/min um die Spindeln erleidet ein PM Ring aus NdFeB mit der Größe 60 × 40 × 10 jedoch eine maximale tangentiale Kraftdichte von ~185 MPa, mehr als ein Faktor zwei der intrinsischen Materialzugfestigkeit. Dementsprechend müssen die dynamischen Kräfte durch eine entsprechende Umfassungsbandage 18 in Umfangsrichtung des Rotors 2 ausgeglichen werden.When the ring-shaped rotor 2 rotates, different centrifugal forces arise that can destroy the rotor 2 . The highest mechanical forces occur at the inner radius of a rotating ring. The tensile strength value of sintered NdFeB is about 80 - 90 MPa (12,000 psi). However, at a rotation speed of 50 000 rpm around the spindles, a 60 × 40 × 10 NdFeB PM ring suffers a maximum tangential force density of ~185 MPa, more than a factor of two of the material's intrinsic tensile strength. Accordingly, the dynamic forces must be compensated by a corresponding enclosing bandage 18 in the circumferential direction of the rotor 2 .

Der Bandage-Ring 18 sollte aus Werkstoffen mit hoher Zugfestigkeit bestehen, entweder metallisch wie nichtmagnetischer Edelstahl, hochfesten Al- oder Mg-Legierungen, oder ein nichtmetallischer Ring aus Glas- oder Kohlefaserverbindungen. Im besten und optimalen Fall sorgt die Sicherheitsringverstärkung für einen Vordruck auf den Rotor 2 schon bei Drehzahl Null und verhindert dann jegliche Risse oder Defekte des NdFeB Magnetringes unter den nominalen Betriebsdrehzahlen. Als praktische Lösung wurde eine Sicherheitsringdicke von 3 mm Al-Legierung AL7075 gewählt und mit dem Rotor 2 durch thermisches Aufschrumpfen fest verbunden.The bandage ring 18 should be made of materials with high tensile strength, either metallic such as non-magnetic stainless steel, high-strength Al or Mg alloys, or a non-metallic ring made of glass or carbon fiber compounds. In the best and most optimal case, the safety ring reinforcement provides a pre-pressure on the rotor 2 already at zero speed and then prevents any cracks or defects of the NdFeB magnet ring under the nominal operating speeds. A safety ring thickness of 3 mm Al alloy AL7075 was selected as a practical solution and firmly connected to the rotor 2 by thermal shrinking.

BezugszeichenlisteReference List

11
Statorstator
22
Rotorrotor
33
Spindelspindle
44
HTS-SupraleiterHTS superconductor
55
SpuleKitchen sink
66
Garnyarn
77
Läuferrunner
88th
Inneres Rohrinner tube
99
Äußeres Rohrouter tube
1010
abstandshaltende Baugruppespacer assembly
1111
punktförmige Auflagepunctiform support
1212
punktförmige Auflagepunctiform support
1313
Bandagebandage
1414
Arbeitsgas N2Working gas N2
1515
Kühlleitungencooling lines
1616
Zuführungssystemfeeding system
1717
Elektrischer WirbelstromElectrical eddy current
1818
Bandagebandage

Claims (14)

Vorrichtung zum Aufspulen und Verdrillen von Fasermaterial in Ringspinn- oder Ringzwirnmaschinen mit Statoren, die mindestens ein hochtemperatursupraleitendes Material und eine Statorkühlung aufweisen sowie mit den drehbaren Spindeln koaxial zugeordneten ringförmigen magnetfelderzeugenden Rotoren, die zusammen mit einem verbundenen Läufer zum Führen und Aufwickeln des Fadens auf der jeweiligen Spindel dienen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei hochtemperatursupraleitende Statoren (1) zusammen mit ihren thermisch verbundenen Kühleinrichtungen berührungslos und parallel zueinander entlang des Verlaufes der Spindelreihe angeordnet sind sowie im Magnetfeld des durchgängigen Zwischenraumes zwischen den jeweils benachbarten Statoren (1) die koaxial zur Spindel (3) ausgerichteten magnetfelderzeugenden Rotoren (2) magnetisch schwebend eingebracht sind.Device for winding and twisting fiber material in ring spinning or ring twisting machines with stators, which have at least one high-temperature superconducting material and a stator cooling system, as well as ring-shaped magnetic field-generating rotors coaxially associated with the rotatable spindles, which together with a connected rotor for guiding and winding the thread on the respective spindle, characterized in that at least two high-temperature superconducting stators (1) together with their thermally connected cooling devices are arranged without contact and parallel to one another along the course of the row of spindles and in the magnetic field of the continuous intermediate space between the respective adjacent stators (1) which are coaxial to the spindle ( 3) aligned magnetic field generating rotors (2) are introduced magnetically floating. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugenden Rotoren (2) mit ferromagnetischen Magnetflusssammlern versehen sind, die zur Erhöhung der Feldstärke und Führung des Magnetfeldes zum Hochtemperatur-Supraleiter (4) hin dienen.device after claim 1 , characterized in that the magnetic field generating rotors (2) are provided with ferromagnetic magnetic flux collectors, which are used to increase the field strength and guide the magnetic field to the high-temperature superconductor (4). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperatursupraleitenden Statoren (1) aus jeweils mindestens zwei HTS-Bulk-Elementen bestehen, die abschnittsweise getrennt voneinander ausgebildet und den jeweiligen magnetfelderzeugenden Rotoren (2) zugeordnet sind.device after claim 1 , characterized in that the high-temperature superconducting stators (1) each consist of at least two HTS bulk elements, which are formed separately from one another in sections and are assigned to the respective rotors (2) that generate a magnetic field. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperatursupraleitenden Statoren (1) aus schichtförmig zusammengefügtem Material bestehen und in ihrer Längenausdehnung band- oder kabelförmig ausgebildet sind.device after claim 1 , characterized in that the high-temperature superconducting stators (1) consist of material assembled in layers and are designed in the form of strips or cables in their length extension. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperatursupraleitenden Statoren aus einer thermisch isolierten Rohr-in-RohrKonfiguration gebildet werden, bei der das innere, mit dem HTS-Stator (1) verbundene „kalte“ Rohr (8) eine Temperatur aufweist, die unterhalb der supraleitenden kritischen Temperatur liegt und das äußere Rohr (9) die umgebende Raumtemperatur annimmt.device after claim 1 , characterized in that the high-temperature superconducting stators are formed from a thermally insulated tube-in-tube configuration in which the inner "cold" tube (8) connected to the HTS stator (1) has a temperature below the superconducting critical Temperature is and the outer tube (9) assumes the ambient room temperature. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Rohr (9) aus einem Material gebildet wird, das eine zur Erzeugung von Wirbelströmen geeignete hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und dadurch eine zusätzliche magnetische Stabilisierung während des Drehspinn- und Verdrillungsbetriebes bewirkt.Device according to claims 1 and 5 , characterized in that the outer tube (9) is formed from a material which has a high electrical conductivity suitable for generating eddy currents and thereby brings about additional magnetic stabilization during rotary spinning and twisting operations. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoren (1) aus jeweils einem YBaCuO - Kristall der Zusammensetzung YiBa2Cu3Ox (Y123) oder einem Einkristall der REBaCuO - Gruppe der Zusammensetzung RE1Ba2Cu3Ox (RE-Seltene Erden) sowie der Supraleiter der Wismut-Familie BiSrCaCuO gebildet werden.device after claim 1 , characterized in that the stators (1) each consist of a YBaCuO crystal of the composition Y i Ba 2 Cu 3 O x (Y123) or a single crystal of the REBaCuO group of the composition RE 1 Ba 2 Cu 3 O x (RE rare earth) and the superconductor of the bismuth family BiSrCaCuO. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoren (1) aus jeweils aus mehreren aneinander gereihten oder aneinander gewachsenen Einkristallen bestehen.device after claim 1 , characterized in that the stators (1) each consist of a plurality of single crystals lined up or grown together. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugenden Rotoren (2) zwecks Kompensierung ihrer Fliehkräfte jeweils eine umgebende Bandage (13) aufweisen, die aus einem Material mit hoher Zugfestigkeit besteht.device after claim 1 , characterized in that the magnetic field generating rotors (2) each have a surrounding bandage (13) for the purpose of compensating their centrifugal forces, which consists of a material with high tensile strength. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stator-Kryostat Anordnung zwecks zusätzlicher Stabilisierung ein elektrodynamisch unterstütztes Schweben mittels eines Materials mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie aufgrund einer Wirbelstromerzeugung in der metallischen Oberfläche des Kryostaten bewirkt wird.device after claim 1 , characterized in that in the stator-cryostat arrangement, for the purpose of additional stabilization, an electrodynamically supported levitation is effected by means of a material with a high electrical conductivity and due to an eddy current generation in the metallic surface of the cryostat. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr (8) durch Zuführung von flüssigem Stickstoff gekühlt wird und zwischen dem inneren und äußeren Rohr (8;9) eine thermische Vakuumisolierung sowie durch punktförmige Auflagen (11;12) von zwischen den Rohren (8;9) eingebrachten mechanischen abstandshaltender Baugruppen (10) eine thermische Wärmeleitung zwischen dem inneren und äußeren Rohr (8;9) verhindert wird.Device according to claims 1 and 5 , characterized in that the inner tube (8) is cooled by supplying liquid nitrogen and between the inner and outer tube (8; 9) a thermal vacuum insulation and by punctiform supports (11; 12) from between the tubes (8; 9 ) introduced mechanical spacer assemblies (10) thermal heat conduction between the inner and outer tube (8; 9) is prevented. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr (8) durch eine Verbindung mit einem Kryokühler gekühlt wird.Device according to claims 1 and 5 , characterized in that the inner tube (8) is cooled by connection to a cryocooler. Verfahren zum Aufspulen und Verdrillen von Fasermaterial in Ringspinn- oder Ringzwirnmaschinen, bei dem die Lagerung der als Rotoren dienenden permanentmagnetischen Ringe in Hochtemperatursupraleiter-Magnetlagern erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 12 bereitgestellt wird, und dass die den Spindeln (3) koaxial zugeordneten Rotoren (2) innerhalb eines durchgängigen Zwischenraumes zwischen zwei mit Kryostaten verbundenen sowie parallel und berührungslos entlang der Spindelreihe angeordneten Statoren (1) magnetisch schwebend gelagert werden, wobei durch die mit den Statoren (1) verbundenen und dadurch ebenfalls sich entlang der Spindelreihe erstreckenden Kryostaten eine simultane Kühlung aller Statoren (1) durchgeführt wird.A method for winding and twisting fiber material in ring spinning or ring twisting machines, in which the permanent magnetic rings serving as rotors are stored in high-temperature superconductor magnetic bearings, characterized in that a device according to one of patent claims 1 until 12 is provided, and that the rotors (2) coaxially assigned to the spindles (3) are magnetically suspended within a continuous intermediate space between two stators (1) connected to cryostats and arranged parallel and without contact along the row of spindles, with the 1) connected cryostats that also extend along the row of spindles, a simultaneous cooling of all stators (1) is carried out. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Statoren (1) durch die Zuführung von flüssigem Stickstoff über das sich entlang der Spindelreihe erstreckende innere Rohr (8) einer Rohr-in-Rohr-Verbindung des Kryostaten erfolgt, die thermische Isolierung zwischen innerem und äußerem Rohr (8;9) durch eine Vakuumisolation erfolgt und das rückgeführte „kalte“ Arbeitsgas N2 (14) mittels einer kontinuierlichen maschinellen Rückkühlung kondensiert und verflüssigt sowie dem Kühlkreislauf wieder zugeführt wird.procedure after Claim 13 , characterized in that the stators (1) are cooled by the supply of liquid nitrogen via the inner tube (8) extending along the row of spindles of a tube-in-tube connection of the cryostat, the thermal insulation between the inner and outer tube (8;9) is carried out by vacuum insulation and the returned "cold" working gas N2 (14) is condensed and liquefied by means of continuous mechanical recooling and fed back into the cooling circuit.
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