DE19938079C1 - Supraleitendes Magnetlagermodul - Google Patents
Supraleitendes MagnetlagermodulInfo
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Abstract
Ein supraleitendes Magnetlagermodul besteht aus einer Ringscheibe aus zwei Permanentmagnetringen, die jeweils radial CFK-Bandage verspannt sind und deren beide Magnetfeldachsen antiparallel und koaxial zueinander liegen. Diese Anordnung sitzt auf einem nichtmagnetischen Ring aus hochwertigem Stahl und hat insgesamt eine rechteckige Form, so daß die Stirnseiten der Permanentmagnetringe freiliegen. Als solche wird sie auf die Welle des Rotors aufgezogen. Den beiden Stirnseiten liegt jeweils ein Ring aus hochtemperatursupraleitendem Material unter Spaltbildung gegenüber, der zumindest die beiden Stirnflächen der beiden Permanentmagnete überdeckt. Beide Ringe sind in ein Kühlbett bündig eingebettet und mit ihm am Statorgehäuse verankert.
Description
Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Magnetlagermodul zur
berührungslosen Lagerung des Rotors einer mit hoher Druckzahl umlaufenden elek
trischen Maschine. Sie betrifft insbesondere die Gruppe elek
trischer Maschinen, die im Betrieb mit ihrer Drehachse senk
recht stehen.
Dadurch, daß im Betrieb solcher Maschinen zwi
schen dem Rotor und dem Stator kein mechanischer Kontakt be
steht, gibt es nur sehr geringe Reibung zwischen der rotieren
den und ruhenden Baugruppen. Der Konstruktion der Lager muß
hohe Aufmerksamkeit entgegengebracht werden, einerseits um die
geringe Reibung stets aufrecht zu erhalten, andrerseits um das
Gewicht des Rotors und die Kräfte bei Rotation auffangen zu
können.
In der DE 196 08 099 C1 ist ein Schwungrad-Energiespeicher be
schrieben, dessen Rotorwelle senkrecht steht. Die in der Mitte
der Maschine angeordnete Homopolarmaschine treibt die oberhalb und
unterhalb von ihr auf der Rotorwelle sitzenden Schwungradmassen
auf die vorgesehene Winkelgeschwindigkeit an und prägt damit
kinetische bzw. Rotationsenergie ein. An den beiden Enden der
Rotorwelle befindet sich je eine Lagerhälfte der beiden Magnet
lager, die auf dem Rotor aus je einem Ring aus axial polari
sierten Ringmagneten besteht. Der Gegenpart des Permanentmagne
ten befindet sich unter Spaltbildung mit demselben im Stator
und besteht aus dem supraleitenden Magnetring, in dem der ma
gnetische Fluß des zugehörigen Permanentmagneten unter Supra
leiterbedingungen "gepinnt" wird, wodurch die berührungslose,
zentrierende Lagereigenschaft zustande kommt. Beide Magnetlager
haben die Aufgabe während des Betriebs einerseits bei Berüh
rungslosigkeit trotz des Gewichts des Rotors diesen aufrecht zu erhal
ten und andererseits die Rotorwelle stets zentriert zu halten.
Zur Einstellung der Bedingungen für die Supraleitung sind
beide Supraleiterringe mit ihren beiden Mantelflächen und einer
Stirnfläche in einen Kryostaten unter Bildung eines Spaltes
gleichmäßiger Weite mit der Permanentmagnetanordnung eingebet
tet.
In der DE 196 43 844 C1 ist der supraleitende Teil eines Magnetla
gers beschrieben, das mit flüssigem Stickstoff unter die
Sprungtemperatur TC gekühlt wird. Aus vakuumtechnischen Gründen
ist der Aufbau derart, daß in dem durch Supraleiterring und
Permanentmagnet gebildeten Spalt ein dünnwandiger Bereich des
Kryogehäuses vorhanden ist. Aus mechanischen Gründen kann die
ser dünnwandige Bereich nicht zu dünn ausgeführt werden, so daß
unter Berücksichtigung der Kräfte und der damit verbundenen
Durchbiegung doch ein erheblicher Spalt aufrechterhalten werden
muß. Ferner ist vorgesehen, dieses Teil des Moduls mit dem su
praleitenden Ring nur einseitig auf die Permanentmagnetanord
nung wirken zu lassen.
Die Lager einer elektromechanischen rotierenden Maschine sind von
entscheidender Bedeutung für deren wirtschaftlichen Betrieb.
Insbesondere bei Magnetlagern, bei denen der Supraleitereffekt
ausgenutzt wird, ist die konstruktive Gestaltung für das si
chere, berührungslose Halten des Rotorgewichts und die einwand
freie Zentrierung bis über die höchste Betriebsdrehzahl von
maßgeblicher Bedeutung.
Daraus ergibt sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde
liegt, nämlich ein verbessertes supraleitendes Magnetlager be
reitzustellen, mit dem die Gewichtskraft und die auftretenden
Kräfte bei Rotation des Rotors sowie die Rotorzen
trierung während des Betriebs noch zuverlässiger und wirt
schaftlich beherrscht werden.
Die Aufgabe wird durch ein supraleitendes Magnetlagermodul für
eine mit ihrem Rotor senkrecht stehende elektrische Maschine
gemäß Anspruch 1 gelöst:
Der jeweilige permanentmagnetische Lagerteil auf dem Rotor be
steht aus zwei koaxial zu der Rotorachse liegenden Ringmagne
ten, deren beide magnetische Achsen auf der Rotorachse liegen
und antiparallel zueinander sind. Der innere Ringmagnet ist mit
bekannter Aufziehtechnik auf einen nichtmagnetischen Stahlring
hoher Festigkeit aufgezogen und über eine hochzugfeste Ringban
dage radial nach innen verspannt. Darauf wird der zweite Ring
magnet in bekannter Manier aufgezogen und ebenfalls mit, einer
solchen Ringbandage radial nach innen verspannt. Diese radiale
Verspannung ist mindestens so stark, daß die höchste zu erwar
tende Fliehkraft auf jeden Fall mit Sicherheit kompensiert
wird. Die so zusammengesetzte permanentmagnetische Anordung ist
ringförmig mit rechteckigem Querschnitt und hat dadurch bündige
Stirnflächen. Als solche wird sie auf die Rotorwelle aufgezogen
und links und rechts über Hülsen (Anspruch 4) in Position zu
den übrigen Baugruppen auf der Welle gehalten. Als Ringbandage
bewährt sich ein CFK-Ring (Anspruch 3).
Auf der Statorseite befinden sich der supraleitende Teil des
Lagers, der dem permanentmagnetischen Teil gegenübersteht. Bei
den Stirnflächen der Permanentmagnetanordnung steht unter Bil
dung des minimal möglichen Spalts je ein Supraleiterring mit
seiner einen freien Stirnfläche gegenüber. Die beiden Mantel
flächen und die entgegengesetzte Stirnfläche sind in einem
ringförmigen Gehäuse aus gut wärmeleitendem Material bündig
eingebettet. Beide Gehäuse werden über ein Koppelelement
aus eben solchem Material mit gut wärmeleitendem Übergang zu
sammen und in Position gehalten.
Die beiden hochtemperatursupraleitenden Ringe bestehen jeweils
aus einem massiven Ring oder aus einem zu einem solchen Ring
zusammengesetzten Segmenten, die in das zugehörige Gehäuse bün
dig eingelassen sind. Das Koppelelement ist am Statorgehäuse veran
kert.
Anspruch 2 kennzeichnet das Material NdFeB oder Samarium, aus
dem die Peramentmagnetringe bestehen.
Die supraleitenden Ringe sind, aus hochtemperatursupraleitendem
Volumenmaterial oder aus zu diesem Ring zusammengesetzten Seg
menten ist oder sind schmelztexturiert oder eindomänig
(Anspruch 5 und 6).
Als Bett für den Supraleiterring hat sich Kupfer bewährt, aber
auch Silber oder Messing oder Aluminium oder ein anderes, aus
reichend wärmeleitendes Material wäre geeignet (Anspruch 7).
Die Kühlung kann einerseits mit einem Kühlmittel, wie flüssiger
Stickstoff, durchgeführt werden, sofern in der Supraleiterkap
selung Strömungskanäle dafür vorhanden sind, die an eine Kühl
mittelzufuhr ankoppeln. (Anspruch 8).
Die Kühlung der Supraleiterringe kann andrerseits mit am Außen
mantel anliegenden Kältefingern, die von einem Kälteaggregat,
wie einer Stirlingmaschine, einer Gifford MacMahon Maschine
oder einem Pulsrohrkühler, abgehen, durchgeführt werden
(Anspruch 9).
Der Vorteil dieses Aufbaus ist die pro Lagermodul radial nach
innen gerichtete Verspannung der beiden permanentmagnetischen
Ringe durch die Kohlefaserarmierung. Eine zusätzliche axiale
Fixierung der beiden Permanentmagnetringe ist so nicht mehr
notwendig, so daß die Spalte zwischen den beiden Supraleiterin
gen und den beiden Permanentmagneten auf ein Minimum reduzier
bar sind. Dies ist auch möglich, weil das Lagermodul auf eine
separate Vakuumkammer verzichtet. Dadurch, daß die rotierende
Permanentmagnetanordnung von zwei Supraleiterringen unter Bil
dung eines minimalen Spaltes umgeben ist, kann die Steifigkeit
um mehr als den Faktor 2 gegenüber dem Stand der Technik erhöht
werden.
Die ringscheibenförmige Permanentmagnetanordnung mit ihren bei
den auf der Scheibenachse antiparallel zueinander liegenden Ma
gnetfeldachsen läßt auf eine einfache Weise das symmetrische
Aufziehen mindestens zwei solcher auf der Rotorwelle zu. Eine
Erweiterung auf über zwei Lager ist eine konstruktives Problem,
die Welle und das Statorgehäuse können in ihren Maßen entspre
chend geplant und hergestellt werden. Damit werden auf die An
wendungen einer praxisrelevanten Baugröße eines Schwungmassen
speichers die notwendigen Anforderungen erfüllt, das betrifft
insbesondere die zu kompensierende negative Steifigkeit der
elektrischen Antriebsmaschine.
Im folgenden soll das supraleitende Magnetlagermodul anhand ei
nes Durchführungsbeispiels für den Schwungrad-Energiespeicher
gemäß der Zeichnung mit der einzigen Fig. 1 näher erläutert
werden. Sie zeigt im Schnitt den Bereich des Lagermoduls, die
lagerseitige Schwungscheibe 12 und den Ansatz der Homopolarma
schine des Schwungrad-Energiespeichers.
Die Welle 1 des Rotors hat auf ihrem mittleren Bereich den dre
henden elektromotorischen Teil der Maschine sitzen, der in der
Figur nur noch mit seiner oberen Stirn erscheint. Dem Rotor 1
sitzen dort unter Bildung des Luftspalts die Spulen mit ihren
Eisenpaketen radial gegenüber. Die Welle 1 ragt aus diesem Be
reich links und rechts nach außen und hat symmetrisch dazu die
beiden Schwungmassen 12 sitzen, die durch einen verjüngten Teil
der Welle auf Position dazu gehalten werden.
Im folgenden soll der symmetrische Aufbau nur noch einseitig
weiter beschrieben werden:
Auf der andern Seite der Schwungscheibe 12 ist ebenfalls eine
Distanzhülse auf die Welle 1 gezogen und drückt die Schwung
masse an. Sie ist die Stütze bzw. der Anschlag für die aufge
schobene, scheibenförmige Permanentmagnetanordnung 7, 8, 9, 10,
11. Der stoßende Ring 11 aus hochfestem Stahl mit größerem
Durchmesser als die links und rechts aufgezogenen Distanzhülsen
schließt sich an.
Axial, in der Figur weiter nach oben folgt die weitere, aufge
zogene Hülse aus wie die anderen ebenfalls aus hochfestem Stahl
und trägt zur Positionierung auf der Rotorwelle 1 bei. Die ge
samte Permanentanordnung 7, 8, 9, 10, 11 dieses einen Magnetla
germoduls auf dem Rotor 1 ist damit so mechanisch über die Hül
sen verankert.
Unter gleichmäßiger Spaltbildung umgibt der komplementäre Teil
des Lagermoduls auf der Statorseite die Permanentanordnung 7,
8, 9, 10, 11. Den beiden frei liegenden Stirnflächen der perma
nentmagnetischen Magnetanordnung 7, 8, 9, 10, 11 liegt jeweils
der Ring 3 aus Supraleitersegmenten mit seiner freien Stirn ge
genüber. Er überbrückt mindestens beide Stirnflächen der Perma
nentmagnetringe 8, 10 mit dem dazwischen liegenden ersten CFK-
Ring 9. Beide Supraleiterringe 3, 5 liegen in dem ringförmigen
Bett 6 aus Kupfer gut wärmeleitend und bündig ein. Das eben
falls aus Kupfer bestehende Koppelelement 4 umfaßt beide Gehäuse 6 für
den jeweiligen Supraleiterring 3 gut wärmeleitend und ist am
Statorgehäuse verankert. An seiner äußeren Mantelfläche, in der
Figur rechts befindet sich eine vorbereitete Flächen, an der
der Kältefinger der außerhalb des Rotorgehäuses liegenden Gif
ford McMahon Kältemaschine anliegt, um die Wärme abzuleiten.
Bei erhöhtem Kühlleistungsbedarf können gleichverteilt um den
Umfang an weiteren, dafür vorgesehenen Andockflächen weiter
Kühlfinger angebracht werden.
1
Antriebswelle
2
Gehäuse
3
Hochtemperatursupraleiterring
4
Koppelelement
5
Hochtemperatursupraleiterring
6
Gehäuse
7
Bandage
8
Permanentmagnetring
9
Bandage
10
Permanentmagnetring
11
Stahlring
12
Schwungscheibe
13
Kältefinger
Claims (9)
1. Supraleitendes Magnetlagermodul zur berührungslosen Lage
rung des Rotors einer mit hoher Drehzahl umlaufenden elektrischen Maschine,
wobei das Magnetlagermodul aus einer auf der Rotorwelle
aufgezogenen koaxialen Permanentmagnetanordnung und einer
unter Spaltbildung am Stator koaxial dazu vorhandenen,
hochtemperatursupraleitenden Anordnung besteht, die an den
nicht zur Permanentmagnetanordnung hin gewandten Seiten von
einem sehr gut wärmeleitenden Gehäuse umgeben ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - ein erster, innerer Permanentmagnetring (10) der Permanent magnetanordnung (8, 10) auf einen nicht magnetischen Stahl ring (11) hoher Festigkeit aufgezogen ist und über eine an der äußeren Mantelfläche bündig anliegenden ersten ringför migen Bandage (9) aus einem hoch zugfesten Material radial darauf verspannt ist,
- - auf der ersten ringförmigen Bandage (9) ein zweiter Perma nentmagnetring (8) aufgezogen und über eine an der äußeren Mantelfläche bündig anliegenden zweiten ringförmigen Ban dage (7) aus eben solchem hoch zugfesten Material radial verspannt ist,
- - wobei diese radial verspannte Permanentmagnetanordnung (8, 10) eine ringförmige Scheibe (7, 8, 9, 10, 11) mit rechtec kigem Querschnitt bildet und als solche bauliche Einheit insgesamt auf die Welle (1) des Rotors aufgezogen ist, den beiden freien Stirnflächen der Permanentmagnetanordnung (8, 10) unter Spaltbildung jeweils die freie Stirn eines Ringes (3, 5) aus hochtemperatursupraleitendem Material oder aus ringförmig angeordneten, hochtemperatursupralei tenden Segmenten gegenüberliegt, die die beiden Stirnflä chen der Permanentmagnete (8, 10) mit dazwischen liegende ersten Bandage (9) überdecken,
- - die beiden hochtemperatursupraleitenden Ringe (3, 5) je weils bündig in ein ringförmiges Gehäuse (2, 6) aus gut wärmeleitendem Material eingebettet und mit diesem gut wär meleitend verbunden sind,
- - und die beiden Gehäuse (2, 6) der hochtemperatursupraleitenden Ringe (3, 5) über ein um den Umfang reichendes Koppelele ment (4) aus gut wärmeleitendem Material gefaßt und darüber am Statorgehäuse verankert sind, so daß im Betrieb zwischen der Permanentmagnetanordnung (8, 10) und der Hochtempera tursupraleiteranordnung der Spalt vorgegeben Breite be steht.
2. Magnetlagermodul nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ringförmigen Perma
nentmagnete (8, 10) aus hochremanentem Material, wie NdFeB
oder einer Samariumlegierung, sind.
3. Magnetlagermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß
das Material der Bandagen (7, 9) für die koaxialen Perma
nentmagnetringe (8, 10) aus CFK-Material sind.
4. Magnetlagermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Peramentmagnetanordnung (8, 10) über Hülsen links
und rechtes des Stahlrings (11) auf der Rotorwelle (1) in
Position und auf Abstand zu benachbarten Baugruppen auf der
Rotorwelle gehalten werden.
5. Magnetlagermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß
das Hochtemperatursupraleitermaterial ein schmelztexturier
tes Material ist.
6. Magnetlagermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß
das Hochtemperatursupraleitermaterial ein eindomäniges, aus
einem Korn gewachsenes Material ist.
7. Magnetlagermodul nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß
die beiden Gehäuse (2, 6) für das hochtemperatursupralei
tende Material und das Koppelelement (4) aus Sil
ber, Kupfer, Messing, Aluminium oder einem an
deren, ausreichend wärmeleitenden Material ist.
8. Magnetlagermodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß
die Gehäuse (2, 6) und das Koppelelement (4) im Zusammenbau von
mindestens einem Strömungskanal mit Zu- und Abgang durchzo
gen sind, durch den Kühlmittel strömen kann.
9. Magnetlagermodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß
das Koppelelement (4) an seinem Außenmantel mindestens eine Auf
lagefläche hat, an der ein Kältefinger einer Kryoanlage mit
gutem Wärmeübergang anliegt.
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