DE102022116463A1 - Superconducting bearing arrangement - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Physik und der Supraleitung und betrifft eine supraleitende Lageranordnung.Die Aufgabe besteht in der Angabe einer supraleitenden Lageranordnung, die einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist, eine verbesserte Kühlung bei gleichzeitiger Verringerung der thermischen Verluste ermöglicht und ein verbessertes und flexibleres Levitationsverhalten des supraleitenden Lagers ermöglicht.Erreicht wird dies durch eine supraleitende Lageranordnung, die mindestens einen Kryostaten aufweist, in dem mindestens eine aus einem supraleitenden Bandmaterial gefertigte und kurzgeschlossene statische Spule mit einer sich aus der statischen Spule erstreckenden supraleitenden Leiterschleife angeordnet ist.Die vorgeschlagene supraleitende Lageranordnung kann beispielsweise in der Antriebstechnik bei Fahrzeugen und Flugzeugen sowie in Windgeneratoren eingesetzt werden.The present invention relates to the technical field of physics and superconductivity and relates to a superconducting bearing arrangement. The object is to provide a superconducting bearing arrangement which has a simple and inexpensive structure, enables improved cooling while simultaneously reducing thermal losses and a improved and more flexible levitation behavior of the superconducting bearing is made possible. This is achieved by a superconducting bearing arrangement which has at least one cryostat, in which at least one short-circuited static coil made of a superconducting strip material is arranged with a superconducting conductor loop extending from the static coil The proposed superconducting bearing arrangement can be used, for example, in drive technology in vehicles and aircraft as well as in wind generators.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Physik und der Supraleitung und betrifft eine neuartige supraleitende Lageranordnung, wie sie beispielsweise in der Antriebstechnik bei Fahrzeugen und Flugzeugen sowie in Windgeneratoren eingesetzt werden kann.The present invention relates to the technical field of physics and superconductivity and relates to a novel superconducting bearing arrangement, such as can be used, for example, in drive technology in vehicles and aircraft as well as in wind generators.
In mechanischen Lagern sind Reibung und der damit verbundene Verschleiß und die dabei auftretende Wärmeentwicklung maßgebliche Ursachen für entstehende Energieverluste und Lagerdefekte. Demgegenüber ermöglichen supraleitende magnetische Lager durch ihren berührungsfreien Aufbau einen reibungsfreien Betrieb, der im Vergleich zur anderen Lagersystemen deutlich energieeffizienter ist. Die Verwendung von supraleitenden Lagern ermöglicht es, bei einer Vielzahl von Anwendungen die Lagerung energieeffizienter und damit wirtschaftlicher zu gestalten.In mechanical bearings, friction and the associated wear and heat generation are the main causes of energy losses and bearing defects. In contrast, superconducting magnetic bearings, thanks to their non-contact design, enable friction-free operation, which is significantly more energy efficient compared to other bearing systems. The use of superconducting bearings makes it possible to make storage more energy efficient and therefore more economical in a variety of applications.
Die charakteristische Besonderheit eines supraleitenden Lagers ist, dass es unter definierten Bedingungen Kräfte in allen Raumrichtungen aufnehmen kann, das bedeutet in einem rotierenden supraleitenden Lager sind sowohl Axial- als auch Radialkräfte in Zug- wie auch in Druckrichtung stabil.The characteristic feature of a superconducting bearing is that it can absorb forces in all spatial directions under defined conditions, which means that in a rotating superconducting bearing, both axial and radial forces in the tensile and compressive directions are stable.
Zur Steigerung der Levitationskraftdichte können vollsupraleitende Lager verwendet werden. Diese werden bisher mit konvektiver Heliumgas-Kühlung betrieben. Eine derartige Heliumgas-Kühlung erfordert zwei verschachtelte Vakuumkammern, eine äußere Kammer zur thermischen Isolation und eine in die äußere Kammer eingesetzte zweite Kammer, in der das Lager mit der Heliumatmosphäre platziert ist. Bekannte vollsupraleitende Lager verbinden zudem supraleitende Spulen mit teuren Massivsupraleiterscheiben.Fully superconducting bearings can be used to increase the levitation force density. These have so far been operated with convective helium gas cooling. Such helium gas cooling requires two nested vacuum chambers, an outer chamber for thermal insulation and a second chamber inserted into the outer chamber in which the bearing with the helium atmosphere is placed. Known fully superconducting bearings also connect superconducting coils with expensive solid superconductor disks.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösung im Zusammenhang mit supraleitenden Lagern bekannt.Various solutions in connection with superconducting bearings are known from the prior art.
Aus der
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Weiterhin ist aus der
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist, dass aufgrund der bei supraleitenden Lagern erforderlichen Kühlung die Lageranordnung komplex ist und durch die verschiedenen Komponenten der Lageranordnung und deren Verbindungen hohe thermische Verluste entstehen. Zudem ist nachteilig, dass bekannte supraleitende Lager durch den Einsatz von Permanentmagneten in ihrer erreichbaren Levitationskraft pro Lagerfläche eingeschränkt sind und durch das Material der Permanentmagneten kostenintensiv sind.The disadvantage of the solutions known from the prior art is that due to the cooling required for superconducting bearings, the bearing arrangement is complex and high thermal losses arise due to the various components of the bearing arrangement and their connections. Another disadvantage is that known superconducting bearings are limited in their achievable levitation force per bearing surface due to the use of permanent magnets and are cost-intensive due to the material of the permanent magnets.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer neuen supraleitenden Lageranordnung, mit der die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.The object of the present invention is to provide a new superconducting bearing arrangement with which the aforementioned disadvantages of the prior art are eliminated.
Die Aufgabe wird mit den technischen Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen Unteransprüche im Sinne einer und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.The task is solved with the technical features of the main claim. Advantageous refinements are the subject of the subclaims, with the invention also combining the individual subclaims in the sense of an and combination function as long as they are not mutually exclusive.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer supraleitenden Lageranordnung gelöst, die mindestens einen Kryostaten aufweist, in dem mindestens eine aus einem supraleitendem Bandmaterial gefertigte und kurzgeschlossene statische Spule mit einer sich aus der statischen Spule erstreckenden Leiterschleife, mindestens ein supraleitendes Bandmaterial aufweisender und schwebend lagerbarer Körper, mindestens eine Strahlung emittierende Kühleinrichtung mit verbundenem Kühlelement, mindestens ein Koppelelement und mindestens ein außerhalb des Kryostaten angeordneter elektrischer Generator vorhanden sind, wobei der schwebend lagerbarer Körper mit dem Koppelelement in Verbindung steht und mindestens teilweise im Spulenkern und im Bereich der Stirnseite der statischen Spule angeordnet ist, und wobei die statische Spule durch den elektrischen Generator über die Leiterschleife kontaktlos bestrombar ist.The object is achieved according to the invention with a superconducting bearing arrangement which has at least one cryostat, in which at least one body made of a superconducting strip material and short-circuited with a conductor loop extending from the static coil, at least one body having superconducting strip material and which can be stored in a floating manner, at least a radiation-emitting cooling device with a connected cooling element, at least one coupling element and at least one electrical generator arranged outside the cryostat are present, the floating body being connected to the coupling element and being at least partially arranged in the coil core and in the area of the end face of the static coil, and the static coil can be energized in a contactless manner by the electrical generator via the conductor loop.
Vorteilhafterweise ist zwischen dem Koppelelement und dem schwebend lagerbaren Körper ein Strukturelement angeordnet, das von einer gleichartig ausgebildeten Kühlungsstruktur umgeben ist.Advantageously, a structural element is arranged between the coupling element and the floating body, which is surrounded by a similarly designed cooling structure.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Strukturelement und die Kühlungsstruktur meanderförmig ausgebildet sind.It is also advantageous if the structural element and the cooling structure are designed to meander.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn mindestens der schwebend lagerbare Körper aus Segmenten des supraleitenden Bandmaterials gebildet ist.It is also advantageous if at least the floating body is formed from segments of the superconducting strip material.
Und auch vorteilhafterweise ist das Kühlelement ein Kaltkopfbauelement.And also advantageously, the cooling element is a cold head component.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der supraleitenden Lageranordnung weist das supraleitende Bandmaterial des schwebend lagerbaren Körpers mindestens teilweise eine erste Oberflächenbeschichtung und das supraleitende Bandmaterial der statischen Spule und/oder das Kühlelement mindestens teilweise eine zweite Oberflächenbeschichtung auf, deren Emissionsgrade unterschiedlich sind, wobei besonders vorteilhaft ist, wenn der Emissionsgrad der ersten Oberflächenbeschichtung gegenüber dem Emissionsgrad der zweiten Oberflächenbeschichtung größer ist.In an advantageous embodiment of the superconducting bearing arrangement, the superconducting strip material of the floating body at least partially has a first surface coating and the superconducting strip material of the static coil and / or the cooling element at least partially has a second surface coating, the emissivities of which are different, it being particularly advantageous if the emissivity of the first surface coating is greater than the emissivity of the second surface coating.
Vorteilhafterweise weist der elektrische Generator eine Halbach-Magnetanordnung auf.The electrical generator advantageously has a Halbach magnet arrangement.
Auch vorteilhafterweise ist das Koppelelement aus einem faserverstärktem Verbundwerkstoff hergestellt.The coupling element is also advantageously made from a fiber-reinforced composite material.
Und weiterhin ist vorteilhafterweise zwischen dem schwebend lagerbaren Körper und der Kühleinrichtung mindestens ein thermisches Isolationselement angeordnet.And furthermore, at least one thermal insulation element is advantageously arranged between the floating body and the cooling device.
Erfindungsgemäß wird eine supraleitende Lageranordnung bereitgestellt, die einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist, eine verbesserte Kühlung bei gleichzeitiger Verringerung der thermischen Verluste ermöglicht und ein verbessertes und flexibleres Levitationsverhalten des supraleitenden Lagers ermöglicht.According to the invention, a superconducting bearing arrangement is provided which has a simple and cost-effective structure, enables improved cooling while reducing thermal losses and enables improved and more flexible levitation behavior of the superconducting bearing.
Erreicht wird dies durch eine supraleitende Lageranordnung, die mindestens einen Kryostaten aufweist, in dem mindestens eine aus einem supraleitenden Bandmaterial gefertigte und kurzgeschlossene statische Spule mit einer sich aus der statischen Spule erstreckenden supraleitenden Leiterschleife angeordnet ist.This is achieved by a superconducting bearing arrangement which has at least one cryostat, in which at least one short-circuited static coil made of a superconducting strip material is arranged with a superconducting conductor loop extending from the static coil.
Die vorgeschlagene statische Spule, die aus einem supraleitenden Bandmaterial gefertigt und kurzgeschlossen ist, wird als aktives System zur Magnetfelderzeugung verstanden, während im Gegensatz dazu passive Systeme Permanentmagnete zur Magnetfelderzeugung verwenden.The proposed static coil, which is made of a superconducting strip material and short-circuited, is understood as an active system for generating magnetic fields, while, in contrast, passive systems use permanent magnets for generating magnetic fields.
Zur Herstellung der statischen Spule wird ein supraleitendes Bandmaterial verwendet, dass teilweise mittig längs aufgeschnitten wird, wobei die Enden des Bandmaterials intakt bleiben, sodass ein Leiterschleife entsteht. Zur Herstellung der statischen Spule wird das supraleitende Bandmaterial auf mehreren Spulenkerne aufgewickelt und zusätzliche eine Leiterschleife aus dem supraleitenden Bandmaterial der statischen Spule gebildet, die sich zur Wandung des Kryostaten erstreckt.To produce the static coil, a superconducting strip material is used that is partially cut lengthways in the middle, with the ends of the strip material remaining intact, so that a conductor loop is created. To produce the static coil, the superconducting strip material is wound onto several coil cores and an additional conductor loop is formed from the superconducting strip material of the static coil, which extends to the wall of the cryostat.
Der Austausch von aus dem Stand der Technik bekannten supraleitende Massivmaterialien durch supraleitendes Bandmaterial in einer supraleitenden Lageranordnung hat den Vorteil, dass bei guter magnetischer Wirkung die Herstellungskosten des Gesamtsystems entscheidend reduziert sind. Darüber hinaus ermöglichen supraleitende Bandmaterialien eine größere Flexibilität in der Lagergestaltung und deutlich höhere Levitationskraftdichten.Replacing superconducting solid materials known from the prior art with superconducting strip material in a superconducting bearing arrangement has the advantage that, with a good magnetic effect, the manufacturing costs of the entire system are significantly reduced. In addition, superconducting strip materials enable greater flexibility in bearing design and significantly higher levitation force densities.
So wurde herausgefunden, dass mit einer statischen Spule, die aus supraleitendem Bandmaterial gebildet ist, deutlich höhere Magnetfelder erzeugt werden, als dies beispielsweise mit dem Einsatz von Permanentmagneten erreicht werden kann. Mit der vorgeschlagenen statischen Spule, die aus einem supraleitendenden Material gefertigt ist, kann die Levitationskraft sowohl über die aktive Lagerfläche als auch durch die erzeugte magnetische Flussdichte wesentlich gesteigert werden, wodurch deutlich höhere Magnetfelder im Spulenkern bereitgestellt werden. Die Levitationskräfte steigen dabei quadratisch mit dem Spulenstrom.It was found that with a static coil made of superconducting strip material, significantly higher magnetic fields are generated than can be achieved, for example, with the use of permanent magnets. With the proposed static coil, which is made of a superconducting material, the levitation force can be significantly increased both via the active bearing surface and through the generated magnetic flux density, thereby providing significantly higher magnetic fields in the coil core be provided. The levitation forces increase as the square of the coil current.
Zudem besteht ein weiterer Vorteil darin, dass die ohmschen Verluste reduziert werden, da aufgrund des als Leiterschleife ausgebildeten Bandmaterials die Spule nahtlos und damit ohne Lötstellen ausgeführt ist.Another advantage is that the ohmic losses are reduced, since the coil is seamless and therefore has no solder joints due to the strip material designed as a conductor loop.
Als besonders vorteilhafter Werkstoff für das supraleitende Bandmaterial hat sich Seltenerd-Barium-Kupferoxid (RebCo) herausgestellt. ReBCO-Supraleiter weisen die Eigenschaft auf, besonders starken Magnetfelder zu widerstehen und aufgrund ihres stärkeren Magnetfeldes und ihrer relativ hohen supraleitenden kritischen Temperatur für einen sehr kompakten und kostengünstigen Einsatz zur Verfügung stehen zu können.Rare earth barium copper oxide (RebCo) has proven to be a particularly advantageous material for the superconducting strip material. ReBCO superconductors have the property of withstanding particularly strong magnetic fields and, due to their stronger magnetic field and their relatively high superconducting critical temperature, can be available for very compact and cost-effective use.
Erfindungsgemäß weist die supraleitende Lageranordnung mindestens eine Kühleinrichtung mit verbundenem Kühlelement auf. Das Kühlelement kann vorteilhafterweise ein im Kryostaten angeordnetes Kaltkopfbauelement sein und derart in die Anordnung eingebunden sein, dass sie mindestens mit einem Koppelelement und/oder mit der Kühlungsstruktur verbunden ist, um den Gesamtsystem Wärme zu entziehen und mindestens den schwebend lagerbaren Körper und die statische Spule auf die erforderliche kritische Sprungtemperatur des supraleitenden Bandmaterials einzustellen.According to the invention, the superconducting bearing arrangement has at least one cooling device with a connected cooling element. The cooling element can advantageously be a cold head component arranged in the cryostat and integrated into the arrangement in such a way that it is connected to at least one coupling element and/or to the cooling structure in order to remove heat from the entire system and at least to the floating body and the static coil to set the required critical transition temperature of the superconducting strip material.
Zur Vermeidung einer konvektiven Heliumgaskühlung wird vorgeschlagen, dass der schwebend lagerbare Körper im Betrieb per Strahlungskühlung unter seiner kritischen Sprungtemperatur eingestellt wird. Dazu kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der schwebend lagerbare Körper aus einem supraleitenden Bandmaterial eine erste Oberflächenbeschichtung aufweist, die einen hohen Emissionsgrad aufweist. Im Gegensatz dazu kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die statische Spule und/oder das Kühlelement eine zweite Oberflächenbeschichtung aufweist, die gegenüber der ersten Oberflächenbeschichtung des schwebend lagerbaren Körpers einen geringeren Emissionsgrad aufweist. Dadurch wird erreicht, dass eine möglichst hohe Wärmestrahlung vom schwebend lagerbaren Körper durch das Kühlelement und der mit dem Kühlelement verbundenen statischen Spule absorbiert wird.To avoid convective helium gas cooling, it is proposed that the floating body be set below its critical transition temperature during operation using radiation cooling. For this purpose, it can advantageously be provided that the floating body made of a superconducting strip material has a first surface coating which has a high emissivity. In contrast, it can advantageously be provided that the static coil and/or the cooling element has a second surface coating which has a lower emissivity compared to the first surface coating of the floating body. This ensures that the highest possible heat radiation is absorbed by the floating body through the cooling element and the static coil connected to the cooling element.
Die statische Spule weist erfindungsgemäß eine sich aus ihr erstreckende supraleitende Leiterschleife aus einem supraleitenden Bandmaterial auf. Über die vorgeschlagene Leiterschleife wird es möglich, dass die Spule durch die Wandung des Kryostat, über den in unmittelbarer Nähe und außerhalb des Kryostaten angeordneten elektrischen Generator kontaktlos bestromt wird. Durch die Verwendung des supraleitenden elektrischen Generators kann die Spule durch die Wandung des Kryostaten in einfacher Weise bestromt und geladen werden. Dadurch werden thermische Verluste durch üblicherweise erforderliche elektrische Zuleitung und Verbindungen zwischen statischer Spule und elektrischem Generator vermieden.According to the invention, the static coil has a superconducting conductor loop made of a superconducting strip material extending from it. The proposed conductor loop makes it possible for the coil to be energized in a contactless manner through the wall of the cryostat via the electrical generator arranged in the immediate vicinity and outside of the cryostat. By using the superconducting electrical generator, the coil can be easily energized and charged through the wall of the cryostat. This avoids thermal losses caused by the electrical supply lines and connections between the static coil and the electrical generator that are usually required.
Zur Maximierung der erzeugten magnetischen Flussdichte kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der elektrische Generator eine Halbach-Magnetanordnung aufweist. Bei einer Hallbach-Magnetanordnung wird insbesondere durch die rotationssymmetrische und die gezielte Ausrichtung der Pole der Permanentmagnete eine magnetische Konzentration und damit Verstärkung der magnetischen Flussdichte im Bereich der im Kryostaten angeordneten supraleitenden Leiterschleife ermöglicht, wodurch die Bestromung der statischen Spule verbessert wird.In order to maximize the magnetic flux density generated, it can advantageously be provided that the electrical generator has a Halbach magnet arrangement. In a Hallbach magnet arrangement, the rotationally symmetrical and targeted alignment of the poles of the permanent magnets enables a magnetic concentration and thus amplification of the magnetic flux density in the area of the superconducting conductor loop arranged in the cryostat, thereby improving the current supply to the static coil.
Durch die Kombination einer nahtlos ausgeführten statischen Spule mit einem supraleitenden elektrischen Generator wird es möglich, dass aufgrund der sehr geringen ohmschen Verluste nach Erreichen des gewünschten Spulenstroms oder der gewünschten Levitationskraft oder des benötigten Schwebezustandes und Schwebeabstandes der elektrische Generator abgeschaltet werden kann und nur zum Ändern des Spulenstroms erneut eingeschalten werden muss. Dadurch wird ein kostensparende und effiziente supraleitende Lageranordnung mit hohem Wirkungsgrad bereitgestellt.By combining a seamless static coil with a superconducting electrical generator, it is possible that, due to the very low ohmic losses, the electrical generator can be switched off after reaching the desired coil current or the desired levitation force or the required floating state and floating distance and only to change the Coil current must be switched on again. This provides a cost-saving and efficient superconducting bearing arrangement with high efficiency.
Die erfindungsgemäße Lageranordnung weist zudem mindestens einen schwebend lagerbaren Körper auf, der aus einem supraleitenden Material und vorteilhafterweise aus Segmenten eines supraleitenden Bandmaterial gefertigt ist. Der schwebend lagerbare Körper ist mindestens teilweise im erzeugten Magnetfeld der statischen Spule angeordnet, insofern im Spulenkern und im Bereich der Stirnseite der statischen Spule.The bearing arrangement according to the invention also has at least one floating body which is made of a superconducting material and advantageously of segments of a superconducting strip material. The floating body is arranged at least partially in the magnetic field generated by the static coil, in this respect in the coil core and in the area of the end face of the static coil.
Erfindungsgemäß ist der schwebend lagerbare Körper mit einem Koppelelement verbunden. Das Koppelelement dient insbesondere als Verbindungsmöglichkeit zwischen dem schwebend lagerbaren Körper und mindestens einem weiteren Bauelement, beispielsweise mit einem Schwungmassenspeicher. Es kann vorgesehen sein, dass das Koppelelement durch den Kryostaten durchgeführt ist und außerhalb des Kryostaten die Verbindung mit einem weiteren Bauelement ermöglicht. Vorstellbar ist auch, dass das Koppelelement innerhalb im Kryostat im Vakuum vorgesehen ist.According to the invention, the floating body is connected to a coupling element. The coupling element serves in particular as a connection option between the floating body and at least one further component, for example with a flywheel memory. It can be provided that the coupling element is passed through the cryostat and enables connection to another component outside the cryostat. It is also conceivable that the coupling element is provided within the cryostat in a vacuum.
Zur Vermeidung von thermischen Verlusten und einer unerwünschten Wärmeleitung vom Koppelelement auf den schwebend lagerbaren Körper ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass insbesondere bei einem aus dem Kryostaten herausgeführten Koppelement dieses aus einem faserverstärktem Verbundwerkstoff hergestellt ist, der eine geringe thermische Wärmeleitfähigkeit aufweist und damit den thermischen Eintrag in den Kryostaten behindert.To avoid thermal losses and undesirable heat conduction from the coupling element to the floating body It is advantageously provided that, in particular in the case of a coupling element led out of the cryostat, this is made of a fiber-reinforced composite material which has a low thermal conductivity and thus hinders the thermal input into the cryostat.
Zur zusätzlichen Verbesserung der Kühlung des schwebend lagerbaren Körpers kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass zwischen dem Koppelelement und dem schwebend lagerbaren Körper ein Strukturelement mit einer gleichartig ausgebildeten Kühlungsstruktur angeordnet ist. Das Strukturelement und die gleichartig ausgebildete Kühlungsstruktur können zur Vergrößerung ihrer Oberfläche vorteilhafterweise meanderförmig ausgebildet sein, um eine besonders effektive Kühlung des Strukturelementes und damit des schwebend lagerbaren Körpers mittels vorgeschlagener Strahlungskühlung zu ermöglichen. Mit dem Strukturelement soll erreicht werden, dass dem unerwünschten thermischen Eintrag, der möglicherweise über das Koppelelement in den Kryostaten erfolgt, entgegengewirkt und eine längere Kühlung und Funktion des schwebend lagerbaren Körpers erreicht wird.To further improve the cooling of the floating body, it can advantageously be provided that a structural element with a similarly designed cooling structure is arranged between the coupling element and the floating body. The structural element and the similarly designed cooling structure can advantageously be designed in a meandering shape to increase their surface area in order to enable particularly effective cooling of the structural element and thus of the floating body by means of the proposed radiation cooling. The aim of the structural element is to counteract the undesirable thermal input that may occur via the coupling element in the cryostat and to achieve longer cooling and function of the floating body.
Die vorgeschlagene supraleitende Lageranordnung kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein thermisches Isolationselement vorgesehen sein, das zwischen dem schwebend lagerbaren Körper und der Kühleinrichtung positioniert ist. Die technische Wirkung eines thermischen Isolationselementes besteht darin, dass die Kühlung des schwebend lagerbaren Körpers gegenüber der statischen Spule verzögert wird, sodass in der Reihenfolge zuerst die statische Spule den supraleitenden Zustand erreicht und erst nachfolgend die schwebend lagerbare Körper.In an advantageous embodiment, the proposed superconducting bearing arrangement can be provided with a thermal insulation element which is positioned between the floating body and the cooling device. The technical effect of a thermal insulation element is that the cooling of the floating body is delayed compared to the static coil, so that the static coil first reaches the superconducting state and only then do the floating bodies.
Die erfindungsgemäße supraleitende Lageranordnung hat zusammenfassend die technischen Vorteile und Wirkungen, dass
- - ein supraleitendes Bandmaterial sowohl für die statische Spule wie auch den schwebend lagerbaren Körper eingesetzt wird, wodurch die Lageranordnung kostengünstig ist,
- - thermische und ohmsche Verluste stark reduziert werden, da im Wesentlichen elektrische Verbindungsleitungen und Kontakte vermieden werden,
- - über die kontaktlose Bestromung der statischen Spule über den elektrischen Generator der Schwebezustand des schwebend lagerbaren Körpers variabel beeinflusst und eigestellt werden kann,
- - durch den erstmaligen Einsatz einer Strahlungskühlung auf eine aufwendige und kostenintensive Helium-Kühlvorrichtung verzichtet wird,
- - durch den Einsatz einer nahtlosen statischen Spule, deren Wicklungen aus einem supraleitenden Bandmaterial gefertigt sind, eine signifikante Steigerung der Levitationskraftdichte und der magnetischen Flussdichte erreicht und auf kostenintensive Permanentmagnete verzichtet werden kann.
- - a superconducting strip material is used for both the static coil and the floating body, making the bearing arrangement cost-effective,
- - thermal and ohmic losses are greatly reduced, since electrical connecting lines and contacts are essentially avoided,
- - the floating state of the floating body can be variably influenced and adjusted via the contactless current supply to the static coil via the electrical generator,
- - the first use of radiation cooling eliminates the need for a complex and cost-intensive helium cooling device,
- - By using a seamless static coil, the windings of which are made of a superconducting strip material, a significant increase in the levitation force density and the magnetic flux density can be achieved and expensive permanent magnets can be dispensed with.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die dazugehörige
AusführungsbeispielEmbodiment example
Gemäß
Zur Herstellung des schwebenden Zustandes des Lagers kühlt zunächst das Kaltkopf-Kühlelement 7 sowohl die supraleitende statische Spule 3 als auch den schwebend lagerbaren Rotor 4, wobei der schwebend lagerbare Rotor 4 auf dem thermischen Isolationselement 11 aufliegt. Durch das thermische Isolationselement 11 wird die Kühlung des später schwebenden Rotors 4 gegenüber der statischen Spule 3 verlangsamt, so dass die statische Spule 3 zeitlich vor dem Rotor 4 die kritische Sprungtemperatur erreicht und zuerst supraleitend wird. Sobald die kritische Sprungtemperatur in der statischen Spule 3 erreicht ist, kann sie durch das Zusammenwirken von Dynamo 2 und supraleitender Leiterschleife 5 kontaktlos durch die Wand des Kryostaten 1 bestromt werden. Zunächst wird die statische Spule 3 nur mit einem Teil des maximalen möglichen Stroms versorgt. Nachfolgend wird eine weitere Kühlung vorgenommen und der Rotor 4 unter seine Sprungtemperatur abgekühlt, sodass das erzeugte und eingestellte Magnetfeld der statischen Spule 3 gespeichert ist. Nachdem sowohl die statische Spule 3 als auch der Rotor 4 die kritische Sprungtemperatur erreicht haben und supraleitend sind, wird die Drehzahl des Dynamos 2 und damit die Bestromung der Spulenstrom weiter erhöht. Durch die erzeugte Magnetflussdichte der statischen Spule 3 hebt der Rotor 1 vom thermischen Isolationselement 11 ab und schwebt kontaktlos. Der Spalt zwischen Rotor 4 und statischer Spule 3 kann durch die Änderung des Spulenstroms variabel eingestellt werden. Nachdem die erforderliche Schwebehöhe des Rotors 4 oder die gewünschte Levitationskraft erreicht ist, kann der Dynamo 2 abgeschaltet werden. Der schwebende Rotor 4 sowie das meanderförmige Strukturelement 9 wird durch die erzeugte Strahlung zwischen seiner Oberfläche und der statischen Spule 3 über die Kühlungsstruktur 6 gekühlt. Dadurch wird die über das Koppelelement 10 eingetragene Wärme entlang des Strukturelementes 9 vom Rotor 4 durch Strahlung abgeführt, so dass der schwebende Rotor 4 unter seiner kritischen Sprungtemperatur gekühlt bleibt.To produce the floating state of the bearing, the cold
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- KryostatCryostat
- 22
- Elektrischer GeneratorElectric generator
- 33
- Statische SpuleStatic coil
- 44
- Schwebend lagerbarer KörperFloating body
- 55
- LeiterschleifeConductor loop
- 66
- KühlungsstrukturCooling structure
- 77
- KühlelementCooling element
- 88th
- KühleinrichtungCooling device
- 99
- StrukturelementStructural element
- 1010
- KoppelelementCoupling element
- 1111
- Thermisches IsolationselementThermal insulation element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102009049889 A1 [0006]DE 102009049889 A1 [0006]
- DE 102010004904 A1 [0007]DE 102010004904 A1 [0007]
- DE 102017212675 A1 [0008]DE 102017212675 A1 [0008]
- DE 1020182217983 A1 [0009]DE 1020182217983 A1 [0009]
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-
2022
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DE102022116463B4 (en) | 2024-03-21 |
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