DE19938079C1 - Supraleitendes Magnetlagermodul - Google Patents

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.

Bezugszeichenliste

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.