DE4232869C2 - Supraleitende Lagereinheit und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Lagereinheit und ein Verfahren zu ihrem Betrieb, wobei die supraleitende Lagereinheit zur Drehlagerung in Vorrichtungen, wie z. B. in Hochgeschwindigkeits-Zentrifugen, Schwungrädern zum Speichern von Energie und Turbo-Molekular-Pumpen für ein superhohes Vakuum verwendet werden kann. Um in verschiedenen Versuchs-Vorrichtungen und Herstellungsmaschinen ein besonders hohes Vakuum zu erzielen, ist bisher eine Turbo- Molekularpumpe verwendet worden, wie sie beispielsweise in Fig. 11 dargestellt ist.

Diese Turbo-Molekularpumpe umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 1, eine innerhalb des zylindrischen Gehäuses 1 drehbar gelagerte Welle 2, einen Motor 3 zum Antreiben der Welle 2, einen von der Welle 2 abgestützten Rotor 4, mehrere Flügel 5, die am oberen Ende des Außenumfanges des Rotors 4 vorgesehen sind, ein zylindrisches Gehäuse 7, welches das Gehäuse 1 außen umschließt und einen Sauganschluß 6 an seinem einen Ende hat, mehrere Stator-Blätter 9, die an der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 7 angebracht sind und die zusammen mit den Rotor-Flügeln eine Pumpe 8 darstellen sowie einen Auslaßanschluß 10 zum Auslassen der Luft, die mit Hilfe der Pumpe 8 in den Sauganschluß 6 eingesaugt worden ist.

Oben und unten an der äußeren Umfangsfläche der Welle 2 sind jeweils ein oberer, magnetischer Ring 11 und ein unterer magnetischer Ring 12 fest angebracht. Am Innenumfang des oberen Abschnittes des Gehäuses 1 ist an einer Stelle, die dem oberen, magnetischen Ring gegenüberliegt, ein oberer, radialer Elektromagnet 13 vorgesehen, wobei diese beiden Teile das obere, radiale, magnetische Lager 14 darstellen. Am Innenumfang des unteren Abschnittes des Gehäuses 1 ist an einer Stelle, die dem unteren, magnetischen Ring 12 gegenüberliegt, ein unterer, radialer Elektromagnet 15 vorgesehen, der zusammen mit dem magnetischen Ring 12 das untere, radiale Magnetlager 16 ausmacht.

Am mittleren Außenumfang der Welle 2 ist ferner ein Flansch 20 aus magnetischem Material angeordnet und ein Paar von oberen und unteren Elektro-Druckmagneten 21 sind an einer Innenfläche des Gehäuses 1 befestigt und liegen dem magnetischen Flansch 20 gegenüber, wobei sie ein Magnet- Drucklager 22 bilden.

Die Stellung der Welle 2 in radialer Richtung wird durch obere und untere radiale Sensoren 17 und 18 gemessen, die jeweils an oberen und unteren Stellen der Innenfläche des Gehäuses 1 angebracht sind. In ähnlicher Weise wird die Stellung der Welle 2 in axialer Richtung (Druckrichtung) durch einen Drucksensor 19 gemessen, der zwischen einer unteren Stirnfläche der Welle 2 und einer Bodenfläche im Gehäuse 1 vorgesehen ist. Signale, die den gemessenen Werten von den jeweiligen Sensoren 17 bis 19 entsprechen, werden in eine in der Figur nicht dargestellte Steuereinheit eingegeben, die ihrerseits die Kraft der Elektromagnete 13, 15 und 21 auf der Grundlage der Signale von den jeweiligen Sensoren 17 bis 19 so steuert, daß die Welle 2 in einem berührungslosen ("schwimmenden") Zustand gehalten wird. Dies führt dazu, daß die Welle 2 in der Lage ist, sich mit extrem hohen Drehzahlen zu drehen, ohne daß sie mit irgendwelchen Teilen Berührung hätte. Beim Betreiben der üblichen Turbo- Molekularpumpe, wie sie oben beschrieben worden ist, wird die Welle 2 mit Hilfe der Signale von der Steuereinheit in einem schwimmenden Zustand gehalten und der Motor 3 wird angeschaltet. Die Welle 2 und der Rotor 4 laufen dann bis zu sehr hohen Drehzahlen, die von der Leistung abhängen, die in den Motor 3 eingespeist wird und die Luft, die von der Pumpe 8, die ihrerseits aus den angetriebenen Flügeln 5 und den Statorblättern 9 besteht, in den Sauganschluß 6 eingesaugt wird, wird aus dem Auslaßanschluß 10 ausgeblasen; auf diese Weise können die Bauteile, die mit dem Sauganschluß 6 verbunden sind, in einem Zustand eines besonders hohen Vakuums gehalten werden.

Zum Verhindern einer beträchtlichen Reibung zwischen den Teilen, die mit der Welle 2 umlaufen und denjenigen Teilen, die am Gehäuse 1 befestigt sind, wenn die Kraft der jeweiligen Elektromagneten 13, 15, 21 beispielsweise bei einem Stromausfall unterbrochen wird, sind Berührungslager 23 vorgesehen. Darüber hinaus ist ein Stecker 24 vorgesehen, um den jeweiligen Elektromagneten 13, 15, 21 in Energie zuführen zu können und um die gemessenen Signale von den jeweiligen Sensoren 17 bis 19 ableiten zu können.

Da bei der üblichen Turbo-Molekularpumpe, die so gebaut und betrieben wird, wie dies oben beschrieben ist, steuerbare magnetische Lager 14, 16, 22 dazu verwendet werden, um die Welle 2 in einem schwimmenden Zustand zu halten, ist es schwierig, aufgrund der komplizierten Art der Konstruktion hohe Herstellungskosten zu vermeiden.

Da bei dieser Konstruktion der schwimmende Zustand der Welle 2 durch eine Steuerung der Leistung der Elektromagnete 13, 15, 21 aufrechterhalten wird, werden präzise Sensoren mit sehr hohen Ansprecheigenschaften für die Sensoren 17 bis 19 benötigt. Die Steuereinheit zum Steuern der Leistung, die den jeweiligen Elektromagneten 13, 15, 21 aufgrund der Signale von den jeweiligen Sensoren 17 bis 19 zugeleitet wird, muß darüber hinaus eine besonders hohe Ansprechgenauigkeit aufweisen. Die Herstellkosten sind demzufolge hoch.

Um mit diesem Problem fertig zu werden, wurde eine Lagereinheit entwickelt, bei der eine Welle mit einem Permanentmagneten, der an ihr befestigt ist, dadurch in einem schwimmenden Zustand gehalten wird, daß die abstoßenden Kräfte zwischen einem supraleitenden Körper und dem Permanentmagnet aufgrund des Meißner-Effektes ausgenutzt wurden. Die Forschung mit dieser sogenannten supraleitenden Lagereinheit dauert noch an; die Kraft, mit der die Welle in ihrem schwimmenden Zustand gehalten wird, ist jedoch klein, so daß es nicht möglich ist, eine schwer belastete Welle zu lagern. Dies beruht darauf, daß die Ansprechschwelle des magnetischen Feldes, in dem der Meißner-Effekt entsteht, extrem klein ist. Wenn für den supraleitenden Körper beispielsweise YBa₂Cu₃O₇ verwendet wird, hat dies eine magnetische Intensität von etwa 200 Oersted, wenn das Material in flüssigem Stickstoff (77 Grad K) gekühlt wird. Wenn die Welle mit Hilfe des Meißner-Effektes in ihrem schwimmenden Zustand gehalten wird, kann demzufolge das Gewicht der Welle für eine praktische Größe einer supraleitenden Lagereinheit nicht größer als 1 kg sein.

In der bisherigen Forschung (siehe z. B. "Cryogenics Engineering Journal" Vol. 26. 1991, Chapter 26, Seite 70) ist andererseits mit supraleitenden Materialien eines YBaCuO- Verbundwerkstoffen ein Erfolg beim Induzieren aus Pinning- Punktes erzielt worden (das ist der Punkt, der bei supraleitenden Materialien besteht, und bei dem eine Pinningkraft entsteht). Die Pinningkraft entsteht als Ergebnis einer Abtrennung oder eines Abschirmens eines Stromes, der innerhalb eines supraleitenden Körpers fließt, der in der Richtung wirkt, daß er diejenigen magnetischen Kraftströme unterdrückt, die durch den Permanentmagneten erzeugt worden sind und in den supraleitenden Körper eindringen. Die Pinningkraft wirkt so, daß sie eine Veränderung des Abstandes zwischen dem supraleitenden Körper und dem Permanentmagneten dann verhindert, wenn sich dieser Abstand ändern will. Das heißt, daß zwischen dem supraleitenden Körper und dem Permanentmagneten eine abstoßende Kraft dann wirkt, wenn der supraleitende Körper dazu neigt, sich an den Permanentmagneten anzunähern und daß eine anziehende Kraft zwischen dem supraleitenden Körper und dem Permanentmagneten dann wirkt, wenn der supraleitende Körper dazu neigt, sich vom Permanentmagneten zu entfernen.

Die abstoßende Kraft, die der Pinningkraft entsprechend der obigen Beschreibung zuzuschreiben ist, ist viel größer als die abstoßende Kraft aufgrund des Meißner-Effektes und durch eine geeignete Auswahl des Permanentmagneten kann eine Kraft von ungefähr 10 N/cm² erreicht werden. Darüber hinaus besteht eine neue Betätigungskraft in Form einer Anziehungskraft, die einem Pinning-Effekt zuzuschreiben ist und die bisher in supraleitenden Körpern nicht entstanden ist. Durch eine geeignete Auswahl des Permanentmagenten kann bei dieser Kraft, genauso wie bei der oben erwähnten abstoßenden Kraft, eine Kraft von ungefähr 10 N/cm² erreicht werden. Wenn demzufolge eine supraleitende Lagereinheit unter Benutzung dieser Pinning-Kraft hergestellt wird, dann kann eine Welle praktikabler Größe und eines üblichen Baugewichtes gelagert werden.

Obwohl supraleitende Lagereinheiten, die im Stand der Technik vorgeschlagen worden sind, bereits so ausgebildet worden sind, daß die Welle durch Anwendung von abstoßenden Kräften aufgrund des Meißner-Effektes schwimmend gelagert ist, sollte festgestellt werden, daß Konstruktionen, bei denen die Welle durch eine Arbeitskraft gelagert ist, die der Pinningkraft (anziehende und abstoßende Kräfte) zuzuschreiben ist, im Stand der Technik nicht vorhanden sind.

Aus der US 4 939 120 ist eine supraleitende Magnetlagereinheit bekannt, bei der eine Welle, an der Permanentmagneten angebracht sind, in Kombination mit gehäuseseitigen supraleitenden Abschnitten aufgrund von abstoßenden, durch den Pinningeffekt hervorgerufenen Kräften gegen die Schwerkraft gelagert wird.

Auch aus der EP 0 322 693 ist eine Lagerung eines Rotors in einem Stator bekannt, wobei der Rotor aus einem magnetischen Material und der Stator aus einem supraleitenden Material besteht. Zur Kühlung des supraleitenden Materials weist der Stator Bohrungen auf. Die Lagerung des Rotors in dem Stator basiert auf abstoßenden, durch den Pinningeffekt hervorgerufenen Kräften.

Aus der DE 25 37 367 ist ein Magnetlager sowie ein mechanisches Hilfslager bekannt, wobei das mechanische Hilfslager beim Versagen des Magnetlagers als Notlauflager dient.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Lagereinheit bereitzustellen, die den hohen Regelaufwand . eines Magnetlagers über Sensoren und eine Steuereinheit vermeidet und gleichzeitig sowohl anziehende als auch abstoßende Kräfte, die auf dem Pinningeffekt beruhen, zur Lagerung einer Welle entgegen der Schwerkraft zu verwenden. Die Lagereinheit soll dabei so gestaltet sein, daß der supraleitende Zustand der Lagereinheit leicht erreicht werden kann. Ferner soll ein Verfahren zum Betrieb einer supraleitenden Magnetlagereinheit bereitgestellt werden.

Dieses technische Problem wird mit einer Lagereinheit nach den Ansprüchen 1 oder 2 und einem Verfahren nach Anspruch 5 gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß durch einen mechanischen Hilfslagerabschnitt, der aus konischen Flächen besteht, die Welle beim Auflaufen auf einen Lagerring automatisch zentrisch ausgerichtet wird. Zudem wird ein supraleitender Lagerabschnitt vorgesehen, der die Schwerkraft der Welle durch die aufgrund des Pinningeffekts auftretenden Kräfte bei einem Magnetlagerspalt größer Null kompensiert, wenn der supraleitende Körper auf eine Temperatur unterhalb oder gleich der Sprungtemperatur des supraleitenden Körpers gekühlt wird.

Eine derartige supraleitende Lagereinheit wird erfindungsgemäß betrieben, indem eine vorbestimmte Lagebeziehung mit Magnetlagerspalt Null zwischen einem supraleitenden Körper in einem nicht supraleitenden Zustand und einem Magnet durch mechanische Kompensation der Schwerkraft an einer Welle geschaffen wird. Der supraleitende Körper wird gekühlt, bis dieser seinen supraleitenden Zustand erreicht. Daraufhin wird die Stellungsbeziehung in geeigneter Weise geändert, so daß zwischen dem supraleitenden Körper und dem Magnet eine Anziehungskraft oder eine Abstoßungskraft bei Magnetlagerspalt größer Null gebildet wird, die der Pinningkraft zuzuschreiben ist, und den Körper oder den Magnet entgegen der Schwerkraft bei nicht vorhandener mechanischer Kompensation der Schwerkraft in einer vorbestimmten Position hält.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B sind schematische Seitenansichten, die eine erste Ausführungsform der Erfindung, jeweils im aufgesetzten Zustand und im Betriebszustand zeigen;

Fig. 2A und 2B sind jeweils perspektivische Ansichten, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung darstellen;

Fig. 3A und 3B sind schematische Seitenansichten, die ähnlich sind wie Fig. 1 und eine dritte Ausführungsform der Erfindung darstellen.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine vierte Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 5 ist eine schematische Seitenansicht, die eine fünfte Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine sechste Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 7 ist eine schematische Seitenansicht, die eine siebte Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, die eine achte Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 9 ist eine schematische Seitenansicht, die eine neunte Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 10 ist eine senkrecht geschnittene Ansicht, die eine zehnte Ausführungsform der Erfindung im Betriebszustand darstellt;

Fig. 11 ist eine senkrechte Schnittansicht, die eine Turbo- Molekularpumpe üblicher Bauart darstellt.

Die Fig. 1A und 1B zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung. Eine Welle 25, die innerhalb eines nicht dargestellten Gehäuses liegt, soll sich in senkrechter Richtung frei drehen. Durch festes Anbringen eines ringförmigen oder zylindrischen Permanentmagneten 26 am äußeren Umfang der Welle 25 und durch festes Anbringen eines ringförmigen oder zylindrischen supraleitenden Körpers 27 an der Innenumfangsfläche des Gehäuses ist ein supraleitender Lagerabschnitt entstanden. Der Permanentmagnet 26 und der supraleitende Körper 27 sind aufeinander zu und voneinander wegbewegbar. Innerhalb des Gehäuses ist an einem Abschnitt, der mit dem supraleitenden Körper 27 in Verbindung steht, ferner ein in der Zeichnung nicht dargestellter Kühlmittelmantel vorgesehen, um einen freien Fluß eines Kühlmittels, wie z. B. von flüssigem Stickstoff, zu ermöglichen.

Bei einer supraleitenden Lagereinheit nach der Erfindung, wie sie oben dargestellt worden ist, wird die Welle 25 durch die folgenden Schritte in einem schwimmenden Zustand gehalten: bevor der supraleitende Körper 27 supraleitend wird, das heißt bevor das Kühlmittel dem Kühlmantel zugeführt wird, wird zunächst die Welle gemäß Fig. 1A so angehoben, daß die Oberseite des Permanentmagneten 26 mit der Unterseite des supraleitenden Körpers 27 in Berührung steht.

In diesem Zustand wird dann ein Kühlmittel zum Kühlmantel zugeführt, so daß der supraleitende Körper 27 supraleitend wird. Die Kraft, die die Welle 25 nach oben hält, wird dann entfernt, und wie dies in der Fig. 1B dargestellt ist, neigt die Welle 25 und der an ihr befestigte Permanentmagnet 26 dazu, unter ihrem eigenen Gewicht so herabzufallen, daß der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 26 und dem supraleitenden Körper 27 sich vergrößern möchte.

Dies führt dazu, daß eine Anziehungskraft, die einer Pinningkraft zuzuschreiben ist, zwischen dem Permanentmagneten 26 und dem supraleitenden Körper 27 so wirkt, daß die Lagebeziehung zwischen den jeweiligen Körpern 26 und 27 in den Ausgangszustand zurückkehrt; der Ausgangszustand ist derjenige Zustand, bevor die Kraft entfernt wurde, die die Welle 25 hochgehalten hatte. Der Raum zwischen dem Permanentmagneten 26 und dem supraleitenden Körper 27 kann zwischen der Anziehungskraft und dem Gewicht der Welle 25 und des Permanentmagneten 26 in einem ausgeglichenen Zustand gehalten werden. Wenn die Größe der Anziehungskraft und das Gewicht der Welle 25 und so weiter dann in geeigneter Weise bestimmt ist, kann die Welle 25 in einem schwimmenden Zustand gehalten werden.

Bei der ersten Ausführungsform ist die Welle 25 so beschrieben worden, daß sie sich innerhalb des Gehäuses dreht. Für ein Teil, wie z. B. einen Rotor, ist es jedoch möglich, daß der supraleitende Körper daran befestigt ist und um eine feststehende Achse umläuft. Um in diesem Fall den supraleitenden Körper 27 zu kühlen, der am rotierenden Teil angebracht ist, ist es möglich, mit Hilfe eines mehrstufigen Kühlsystems die gesamte Einheit zu kühlen.

Beispielsweise dann, wenn die Lagereinheiten bei der Raumfahrt benutzt werden, ist es darüber hinaus nicht notwendig, Kühlvorrichtungen vorzusehen. Anstelle einer Kühlvorrichtung kann in dieser Lage eine Heizvorrichtung vorgesehen werden und die Lagebeziehung zwischen der Welle 25 und dem supraleitenden Körper 27 wird dadurch gesteuert, daß der supraleitende Körper 27 durch die Heizvorrichtung erhitzt wird. Danach kann die Wirkung der Heizvorrichtung angehalten werden. Da die Temperatur im Raum niedrig ist, wird der supraleitende Körper 27 dann supraleitend, so daß das Teil, wie z. B. die Welle 25 oder der Rotor usw. in einem schwimmenden Zustand gehalten wird. Wenn jedoch vor dem Start eines bemannten Satelliten, der solche Lagereinheiten enthält, die Lagebeziehung zwischen der Welle 25 und dem supraleitenden Körper 27 auf der Erde gesteuert wird und wenn eine Vorkehrung dahingehend getroffen wird, daß diese Steuerung in der kalten Raumumgebung entfällt, dann wird die Heizvorrichtung unnötig.

Wenn die Lagereinheit darüber hinaus im schwerelosen Raum verwendet wird, dann muß im Unterschied zu dem Zustand, wenn sie auf der Erde benutzt wird, wo die Schwerkraft eine Wirkung hat, die Lagebeziehung zwischen der Welle 25 und dem supraleitenden Körper 27 in eine Lagebeziehung gesteuert werden, die derjenigen Lagebeziehung entspricht oder annähernd entspricht, in der das Lager während der Drehung verwendet wird. In diesem Fall wird die lagemäßige Beziehung gegenüber der Umlaufbedingung während des Gebrauches leicht verschoben und wenn der supraleitende Körper 27 einmal supraleitend geworden ist, dann wird der Umlaufzustand während des Gebrauches durch leichtes Bewegen der Stellungbeziehung zwischen dem Permanentmagneten 26 und dem supraleitenden Körper 27 erreicht. Als Folge davon werden die abstoßenden und anziehenden Kräfte, die zwischen dem Paar von Teilen 26 und 27 wirken und die der Pinning-Kraft zuzuschreiben sind, größer, so daß der Schwimmzustand stabiler wird im Vergleich zu dem Fall, wo er am Beginn der Drehung in seinem Drehzustand gesteuert wird. In diesem Fall ist es demzufolge notwendig, eine Vorspannvorrichtung zwischen dem Teil mit dem Permanentmagneten 26 und dem Teil vorzusehen, das am supraleitenden Körper 27 vorgesehen ist, um auf diese Weise eine Bewegung oder Verschiebung in der stellungsmäßigen Beziehung zwischen diesen beiden Teilen zu erzielen.

Es sollte festgehalten werden, daß bei der supraleitenden Lagereinheit nach der vorliegenden Erfindung ein Teil, das an der Welle oder am Lager angeordnet ist, ohne Verwendung eines komplizierten Steuerschaltkreises in einem schwimmenden Zustand gehalten werden kann.

Um bei der supraleitenden Lagereinheit gemäß der Erfindung ein Teil, das entweder an der Welle oder am Lager vorgesehen ist, in einem schwimmenden Zustand zuhalten, wird zunächst, bevor der supraleitende Körper supraleitend wird, die Stellung entweder der Welle oder des Teiles so gesteuert, daß der Magnet so nahe wie möglich am supraleitenden Körper auf derjenigen Seite liegt, wo die Anziehungskraft beim Betrieb wirkt und auf derjenigen Seite, auf der im Betrieb die abstoßende Kraft wirkt, wird eine Lücke vorgesehen, die so groß wie möglich ist. In diesem Zustand wird der supraleitende Körper supraleitend gemacht. Danach wird die stellungsmäßige Beziehung verändert und wenigstens eine anziehende Kraft von den anziehenden und abstoßenden Kräften, die der Pinningkraft zuzuschreiben sind, wird zwischen dem supraleitenden Körper und dem Magneten erzeugt, so daß das Teil, welches an der Welle oder am Lager vorgesehen ist, in schwimmendem Zustand gehalten wird, in dem sein Gewicht und diese Kraft sich ausgleichen.

Die Fig. 2A und 2B zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Es solle festgehalten werden, daß bei der ersten Ausführungsform die Welle in vertikaler Richtung angeordnet ist und daß der supraleitende Körper und der Permanentmagnet axial angeordnet sind, während bei der zweiten Ausführungsform im Gegenteil dazu der supraleitende Lagerabschnitt eine Welle 25 umfaßt, die in horizontaler Richtung angeordnet ist, wobei der supraleitende Körper 27 und der Magnet 26 radial dazu angeordnet sind.

Wie dies in Fig. 2A dargestellt ist, ist ein halbzylindrischer, supraleitender Körper 27 radial oberhalb des Permanentmagneten 26 angeordnet, der seinerseits am äußeren Umfang der Welle 25 in deren Mittelabschnitt angeordnet ist. Der supraleitende bzw. supraleitfähige Körper 27 ist axial in derselben Lage angeordnet wie der Permanentmagnet 26. Der supraleitende Körper 27 hat einen Krümmungsradius einer ausreichenden Größe, so daß zwischen seiner Innenfläche und der äußeren Umfangsfläche des Permanentmagneten 26 in radialer Richtung eine Lücke gebildet ist.

Bei einer supraleitenden Lagereinheit nach der vorliegenden Erfindung, die so aufgebaut ist, wie dies oben beschrieben ist, wird die Welle 25 durch die folgenden Schritte in einem schwimmenden Zustand gehalten: bevor der supraleitende bzw. supraleitfähige Körper 27 supraleitfähig wird, wird die Welle 25 zunächst in radialer Richtung so angehoben, daß die äußere Umfangsfläche des Permanentmagneten mit der inneren Umfangsfläche des supraleitenden Körpers 27 in Berührung kommt.

In diesem Zustand wird der supraleitende Körper 27 so gekühlt, daß er supraleitend wird und die Kraft, die dazu benutzt worden war, die Welle 25 anzuheben, wird entfernt, so daß die Welle 25 und der Permanentmagnet 26 dazu neigen, unter ihrem eigenen Gewicht herunterzufallen. Die Welle 25 wird dann in einer Stellung in schwimmendem Zustand gehalten, in der ihr Gewicht mit der Anziehungskraft, die der Pinningkraft zuzuschreiben ist, im Gleichgewicht ist.

Anstelle dessen, daß der Permanentmagnet 26 und der supraleitende Körper 27 in einer Mittellage der Welle 25 angeordnet ist, wie dies in Fig. 2A dargestellt ist, können sie auch an einem Endabschnitt der Welle 25 angeordnet sein, wie dies in Fig. 2B dargestellt ist. Die Anordnung eines Permanentmagneten 26 und eines supraleitenden Körpers 27 an jedem Ende der Welle 25 (in Fig. 2B ist ein Ende der Welle weggelassen) kann zu einem Ansteigen der Steifheit oder der Starrheit führen, um denjenigen Kräften zu widerstehen, die eine Verschiebung der Welle 25 bewirken wollen. Alternativ kann die Anordnung dieser Teile nur an einem Ende einen Anstieg des Freiheitsgrades erbringen, um andere Bauteile an der Welle 25 anzuordnen. Es ist auch eine Anordnung möglich, bei der die Konstruktionen nach den Fig. 2A und 2B miteinander kombiniert werden. Wie bei der ersten Ausführungsform kann ein Rotor usw., der einen supraleitenden Körper 27 aufweist, so angeordnet werden, daß er um eine feste Achse herum rotiert.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, bei der das Lager einen supraleitenden Körper hat und der Permanentmagnet an der Welle befestigt ist, hat bei dieser Ausführungsform das Lager einen Permanentmagneten 26 und der supraleitende Körper 27 ist an der Welle 25 befestigt. Anstelle der Welle 25 kann jede feste Achse benutzt werden. Wenn der supraleitende Körper 27 an einer feststehenden Achse vorgesehen ist, dann kann der Kühlmantel für den supraleitenden Körper 27 innerhalb der Achse vorgesehen sein.

Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zur zweiten Ausführungsform, bei der das Lager einen supraleitenden Körper hat und der Permanentmagnet an der Welle befestigt ist, hat bei dieser Ausführungsform das Lager den Permanentmagneten 26 und der supraleitende Körper 27 ist an der Welle 25 befestigt. Wie bei der zweiten Ausführungsform können der Permanentmagnet 26 und der supraleitende Körper 27 an einem Endabschnitt der Welle 25 angeordnet sein.

Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung. Mehrere Permanentmagnete 26a, 26b und 26c sind am äußeren Umfang der sich vertikal erstreckenden Welle 25 in gegenseitigen Abständen fest angebracht. Zwischen den Permanentmagneten 26a und 26b ist ein zylindrischer, supraleitender Körper 27a vorgesehen und zwischen den Permanentmagneten 26b und 26c ist ein zylindrischer, supraleitender Körper 27b vorgesehen, wobei die Welle durch diese supraleitenden Körper hindurchreicht; diese supraleitenden Körper sind am Innenumfang des Gehäuses fest angebracht, so daß die jeweiligen Teile 26a, 26b, 26c und 27a, 27c einen supraleitenden Lagerabschnitt darstellen. Innerhalb des Gehäuses ist ferner ein Kühlmantel an einer Stelle vorgesehen, die mit den supraleitenden Körpern 27a und 27b in Berührung steht.

Bei der obigen Konstruktion der supraleitenden Lagereinheit nach der Erfindung wird die Welle mit Hilfe der folgenden Schritte in einem schwimmenden Zustand gehalten: zunächst wird die Welle 25 so angehoben, daß die Permanentmagnete 26b und 26c, die an der Welle 25 befestigt sind, so nah wie möglich an den supraleitenden Körpern 27a und 27b liegen.

In diesem Zustand werden danach die jeweiligen supraleitenden Körper 27a und 27b gekühlt, um supraleitend zu werden. Die Kraft, mit der die Welle 25 angehoben worden ist, wird dann entfernt, so daß die Welle 25 und die Permanentmagnete 26a, 26b und 26c dazu neigen, unter ihrem eigenen Gewicht soweit herabzufallen, bis die Welle 25 in schwimmendem Zustand in einer Stellung gehalten wird, in der ihr zusammengefaßtes Gewicht durch die anziehenden und abstoßenden Kräfte, die der Pinningkraft zuzuschreiben sind, im Gleichgewicht gehalten wird.

In diesem Fall wirkt zwischen der Unterseite des Permanentmagneten 26a und der Oberseite des supraleitenden Körpers 27a eine abstoßende Kraft und zwischen der Oberseite des Permanentmagneten 26b und der Unterseite des supraleitenden Körpers 27a wirkt eine anziehende Kraft, während zwischen der Unterseite des Permanentmagneten 26b und der Oberseite des supraleitenden Körpers 27b eine abstoßende Kraft wirkt und während schließlich zwischen der Oberseite des Permanentmagneten 26c und der Unterseite des supraleitenden Körpers 27b eine anziehende Kraft wirkt. Aufgrund dieser Kräfte wird die Welle 25 in einem schwimmenden Zustand in einer Lage gehalten, in der die Kräfte mit dem Gesamtgewicht der Welle im Gleichgewicht sind. Wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen kann es darüber hinaus für einen Teil, wie einen Rotor, auf dem die supraleitenden Körper 27a, 27b befestigt sind, möglich sein, um eine Achse zu rotieren, die durch das Teil hindurchgeht.

Fig. 6 zeigte eine sechste Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zur fünften Ausführungsform, bei der die Welle vertikal verläuft, sind bei der genannten sechsten Ausführungsform der supraleitende Körper und die Permanentmagnete in Axialrichtung angeordnet, die Welle 25 liegt in horizontaler Richtung und die jeweiligen halbzylindrisch geformten supraleitenden Körper 27a, 27b sind in bezug auf den zylindrischen Permanentmagneten 26 radial angeordnet.

Bei der supraleitenden Lagereinheit nach der sechsten Ausführungsform, die so aufgebaut ist, wie dies oben beschrieben ist, wird die Welle in radialer Richtung nach oben angehoben, bevor die supraleitenden Körper 26a und 27a supraleitend werden. Die supraleitenden Körper 27a und 27b werden dann gekühlt, um supraleitend zu werden. Danach wird die Kraft, die die Welle 25 radial nach oben hält, entfernt.

In diesem Zustand neigt die Welle 25 dazu, unter ihrem eigenen Gewicht herabzufallen, so daß anziehende und abstoßende Kräfte, die der Pinningkraft zuzuschreiben sind, jeweils zwischen dem Permanentmagneten 26 und dem supraleitenden Körper 27a und zwischen dem Permanentmagneten 26 und dem supraleitenden Körper 27b erzeugt werden. Die Welle 25 ist dann in einem schwimmenden Zustand in einer Lage gelagert, in der die anziehenden und abstoßenden Kräfte mit ihrem Gewicht im Gleichgewicht sind.

Bei dieser Ausführungsform sind die supraleitenden Körper 27a und 27b halbzylindrisch geformt, das heißt, sie stellen zwei Hälften dar. Es kann jedoch auch möglich sein, einen einzigen, zylindrischen supraleitenden Körper anzuwenden, der einen Innendurchmesser hat, der größer ist als der Außendurchmesser des Permanentmagneten 26. Wie bei der vorangegangenen Ausführungsform kann ferner ein Teil, wie z. B. ein Rotor, auf dem supraleitende Körper 27a und 27b angeordnet sind, um eine feste Achse drehbar sein und wie bei der zweiten und vierten Ausführungsform können der Permanentmagnet und die supraleitenden Körper 27a, 27b an einem Endabschnitt der Welle 25 vorgesehen sein.

Fig. 7 zeigt eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zur fünften Ausführungsform, bei der das Lager einen supraleitenden Körper hat und bei der der Permanentmagnet an der Welle befestigt ist, hat bei dieser Ausführungsform das Lager die Permanentmagneten 26a und 26b und die supraleitenden Körper 27a, 27b und 27c sind an der Welle 25 befestigt. Wie bei der oben erwähnten Ausführungsform kann ferner ein Teil, wie z. B. ein Rotor, mit den Permanentmagneten 26a und 26b, die darauf befestigt sind, frei drehbar um die Achse angeordnet sein.

Fig. 8 zeigt eine achte Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zur siebten Ausführungsform, bei der das Lager den supraleitenden Körper hat und bei dem der Permanentmagnet an der Welle befestigt ist, hat bei der achten Ausführungsform das Lager die Permanentmagneten 26a und 26b und der supraleitende Körper 27 ist an der Welle 25 befestigt. Auch bei dieser Ausführungsform, wie bei der bisher erwähnten, ist es möglich, daß ein Teil, wie z. B. ein Rotor, mit daran befestigten Permanentmagneten 26a und 27a, um eine feste Achse umläuft. Darüber hinaus können, wie bei der zweiten, vierten und sechsten Ausführungsform, die Permanentmagnete 26a und 26b und die supraleitenden Körper 27 an einem Endabschnitt der Welle 25 angebracht sein. Ferner kann der Permanentmagnet als eine einzige, zylindrische Form ausgebildet sein.

Fig. 9 zeigt eine neunte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform umfaßt der supraleitende Lagerabschnitt Permanentmagnete 28a und 28b, die an der Welle 25 jeweils oben und unten befestigt sind sowie supraleitende Körper 29a und 29b, die an zwei Stellen an oberen und unteren Innenumfangsflächen des Gehäuses befestigt sind, so daß die inneren Umfangsflächen der supraleitenden Körper 29a und 29b den äußeren Umfangsflächen der Permanentmagnete 28a und 28b gegenüberliegen. Die äußeren Umfangsflächen der Permanentmagneten 28a und 28b sind konische Außenflächen oder konvexe Flächen, während die Innenumfangsflächen der jeweiligen supraleitenden Körper 29a und 29b konische Innenflächen sind oder konkave Flächen. Die konischen Außenflächen der Permanentmagnete 28a und 28b und die konischen Innenflächen der supraleitenden Körper 29a und 29b sind so angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen und zwischen sich eine Lücke aufweisen.

Bei dieser Ausführungsform führt dies dazu, daß die Welle 25 mit einer ausreichend großen radialen Kraft gelagert werden kann und daß sie mit Hilfe der anziehenden und abstoßenden Kräfte, die der Pinningkraft zuzuschreiben sind, die zwischen den jeweiligen Permanentmagneten 28a und 28b und den supraleitenden Körpern 29a, 29b wirkt, auch in Axialrichtung (Druckrichtung) gelagert werden kann. Auch bei dieser Ausführungsform kann, wie bei der vorangegangenen, ein Teil, wie z. B. ein Rotor, mit daran befestigten supraleitenden Körpern 29a und 29b um eine feststehende Achse umlaufen und wie bei der zweiten, vierten, sechsten und achten Ausführungsform können die Permanentmagnete 28a und 28b sowie die supraleitenden Körper 29a und 29b an einem Endabschnitt der Welle 25 angeordnet sein.

Fig. 10 zeigt ein Beispiel einer wirklichkeitsnahen Konstruktion für eine supraleitende Lagereinheit, die gleichzeitig eine zehnte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die jeweiligen Öffnungen am Ober- und Unterende eines vertikalen, zylindrischen Gehäuses 30 sind durch einen oberen Deckel 31 und einen unteren Deckel 32 abgeschlossen.

Mit Hilfe eines Radiallagers ist am unteren Mittelabschnitt des oberen Deckels 31 ein oberer Lagerring 34 gelagert, während am oberen, zylindrischen Mittelabschnitt des unteren Deckels 32 ein Lagerblock 35 so angeordnet ist, daß er sich frei nach oben und unter bewegen kann. Der untere Lagerring 37 ist in einem oberen Mittelbereich des Lagerblockes 35 mit Hilfe eines Radiallagers 36 gelagert.

Bei dieser Konstruktion ist an einem Mittelabschnitt an der Unterseite des oberen Deckels 31 ein zylindrischer oder ringförmiger Abschnitt 38 ausgebildet, so daß der Außenring des Radiallagers 33 fest zwischen dem zylindrischen Abschnitt 38 und einem Haltering 39 eingeklemmt ist, der an der Unterseite des zylindrischen Abschnittes 38 befestigt ist. In den Innenring des Radiallagers 33 ist ferner ein oberer Lagerring 34 fest eingepaßt, dessen unterer Öffnungsrand mit einer oberen, konischen Innenfläche 40 versehen ist, die einen Innendurchmesser hat, der sich nach unten vergrößert.

Der Lagerblock 35 ist so eingepaßt, daß er sich innerhalb eines zylindrisch geformten Lagerringes 41 nach oben und unten bewegen kann, der seinerseits zwischen der Oberseite des unteren Deckels 32 und der unteren Seite des Gehäuses 30 eingeklemmt festgehalten wird. Zwischen dem inneren Umfangsabschnitt an der Unterseite des Lagerringes 41 und der Oberseite eines Flansches 42, der um den äußeren Umfang des Lagerblockes 35 herum ausgebildet ist, sind Druckfedern 43 angeordnet. Die Druckfedern 43 üben eine nach unten gerichtete Kraft auf den Lagerblock 35 aus.

Zwischen dem oberen Mittelbereich des unteren Deckels 32 und einem mittleren Abschnitt auf der Unterseite des Lagerblockes 35 ist ferner ein Balg 44 vorgesehen. Im unteren Deckel 32 sind sowohl ein Zufuhr-Anschluß 45 als auch ein Ablaßanschluß 46 eingeformt. Durch Zuführen und Ablassen von Druckluft zu und aus dem Balg 44 über den Zufuhranschluß 45 und den Ablaßanschluß 46 kann der Lagerblock 35 frei angehoben und abgesenkt werden.

An einem äußeren Umfangsabschnitt der Oberseite des Lagerblockes 35 ist ein zylindrischer oder ringförmiger Abschnitt 47 angeformt. Der Außenring des Radiallagers 36 ist zwischen dem zylindrischen Abschnitt 47 und einem Haltering 48, der seinerseits an der Oberseite des zylindrischen Abschnittes 47 befestigt ist, klemmend befestigt. In den Innenring des Radiallagers 36 ist ein unterer Lagerring 37 fest eingepaßt, der mit einer unteren, konischen Innenfläche 49 versehen ist, die an seinem sich nach oben öffnenden Rand ausgebildet ist. Die untere, konische Innenfläche 49 hat einen Innendurchmesser, der sich in Richtung nach oben vergrößert.

Eine Welle 50 ist so ausgebildet, daß sie Abschnitte 50a und 50b mit kleinem Durchmesser jeweils am oberen und unteren Ende aufweist, und lose in Öffnungen im oberen Lagerring 34 und im unteren Lagerring 37 eingepaßt ist. Ein Elektromotor 53 zum Antreiben der Welle 50 umfaßt einen Rotor 51, der fest am unteren Abschnitt des Außenumfanges der Welle 50 angebracht ist sowie einen Stator 52, der in einer unteren, inneren Umfangsfläche des Gehäuses 30 so eingepaßt ist, daß er dem äußeren Umfang des Rotors 51 gegenüberliegt.

Jeweils an einer oberen und einer unteren Stelle am Außenumfang der Welle 50 ist ein oberer Flansch 54 und ein unterer Flansch 55 angeformt. Oberhalb des oberen Flansches 54 ist am äußeren Umfangsabschnitt der Welle 50 zur radialen Lagerung ein ringförmiger, oberer Permanentmagnet 56 fest aufgepaßt und unterhalb des unteren Flansches 55 ist auf einem äußeren Umfangsabschnitt der Welle 50 zur radialen Lagerung ein ringförmiger, unterer Permanentmagnet 57 fest aufgepaßt.

Bei dieser Konstruktion ist der obere Permanentmagnet 56 zur radialen Lagerung fest auf einen oberen Abschnitt der Welle 50 aufgepaßt und ist zwischen der Oberseite eines Stufenabschnittes 58, die am äußeren Umfang der Welle 50 ausgebildet ist, und der Unterseite eines Halteringes 59 klemmend gehalten, der auf dem oberen Endabschnitt der Welle 50 fest aufgepaßt ist. Am oberen Umfangsrand des Halteringes 59 ist eine obere, konische oder konvexe Fläche 60 ausgebildet und zwar so, daß dann, wenn die Welle 50 angehoben wird, die obere, konische äußere oder konvexe Fläche 60 genau und eng in die obere, konische Innenfläche 40 des Lagerringes 34 paßt.

Der untere Permanentmagnet 57 zur radialen Lagerung ist an einem Mittelabschnitt der Welle 50 zwischen einem Stufenabschnitt 61 und einem Haltering 62 klemmend festgehalten. Zum Sichern des Rotors 51 des Elektromotors 53 ist am unteren Ende der Welle 50 ein Haltering 63 fest aufgepaßt. An einem Außenumfangs-Randabschnitt am unteren Ende des Halteringes 63 ist eine untere, konische Außen- oder konvexe Fläche 64 so ausgeformt, daß dann, wenn der Lagerblock 35 abgesenkt wird, die untere konische Außen- oder konvexe Fläche 64 genau in die untere, konische Innen- oder konkave Fläche 49 des unteren Lagerringes 37 paßt.

In die Oberseite des oberen Flansches 54 ist ein oberer Permanentmagnet 65 zur axialen Drucklagerung fest eingepaßt und in die Unterseite des unteren Flansches 55 ist ein Permanentmagnet 66 zur unteren, axialen Drucklagerung fest eingepaßt.

Am Innenumfang des Gehäuses 30 sind jeweils oben und unten zylindrische, obere und untere supraleitende Körper 67 und 68 fest angebracht. Ein oberer, supraleitender Radiallagerabschnitt ist mit einer Radiallagerlücke zwischen der inneren Umfangsfläche des oberen, supraleitenden Körpers 67 und der äußeren Umfangsfläche des oberen Permanentmagneten 56 zur Radiallagerung vorgesehen und ein oberer, supraleitender Drucklagerabschnitt ist mit einer oberen Drucklagerlücke 69 zwischen der Unterseite des oberen, supraleitenden Körpers und der Oberseite des oberen Permanentmagneten 65 zur Drucklagerung ausgebildet. In ähnlicher Weise ist ein unterer, supraleitender Radiallagerabschnitt mit einer unteren Radiallagerlücke zwischen der Innenumfangsfläche des unteren, supraleitenden Körpers 68 und der äußeren Umfangsfläche des unteren Permanentmagneten 57 zur Radiallagerung ausgebildet und ein unterer, supraleitender Drucklagerabschnitt ist mit einer unteren Drucklagerlücke 70 zwischen der Oberseite des supraleitenden Körpers 68 und der Unterseite des unteren Permanentmagneten 66 zur Drucklagerung ausgebildet. An der oberen, inneren Umfangsfläche des Gehäuses 30 ist eine obere Abdeckung in Form einer zylindrischen, dünnen Platte, die im Querschnitt L-förmig ist, vorgesehen, um sowohl die Innenumfangsfläche als auch die Unterseite des oberen, supraleitenden Körpers 67 abzudecken. Die obere Abdeckung 71 und das Gehäuse 30 bilden einen ringförmigen Volumenabschnitt für einen oberen Kühlmantel 72 zum Kühlen des oberen, supraleitenden Körpers 67. In ähnlicher Weise ist eine untere Abdeckung in Form einer zylindrischen, dünnen Platte 73, die im Querschnitt eine L-Form aufweist, am unteren, Innenumfang des Gehäuses 30 so angeordnet, daß sie sowohl die Innenumfangsfläche als auch die Oberseite des unteren, supraleitenden Körpers 68 einschließt. Die untere Abdeckung 73 und das Gehäuse 30 bilden einen ringförmigen Volumenabschnitt für einen unteren Kühlmantel 74.

Die äußere Umfangsfläche des oberen Permanentmagneten 56 zur radialen Lagerung liegt der inneren Umfangsfläche der oberen Abdeckung mit einem kleinen Spalt dazwischen gegenüber und die obere Seite des Permanentmagneten 65 zur Drucklagerung liegt der Unterseite der oberen Abdeckung 71 mit einem kleinen Spalt dazwischen gegenüber. In ähnlicher Weise liegt die äußere Umfangsfläche des unteren Permanentmagneten 57 zur radialen Lagerung der Innenumfangsfläche der unteren Abdeckung 73 mit einem kleinen Spalt dazwischen gegenüber und die Unterseite des unteren Permanentmagneten 66 zur Drucklagerung liegt der Oberseite der unteren Abdeckung 73 mit einem kleinen Spalt dazwischen gegenüber.

Die oberen und unteren Kühlmäntel 72 und 74 sind jeweils mit Einlaßanschlüssen 75 und Auslaßanschlüssen 76 versehen, wodurch den jeweiligen Kühlmänteln 72 und 74 ein Kühlmittel, wie z. B. flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium, frei zugeführt werden kann. Das Kühlmittel, wie zum Beispiel flüssiger Stickstoff, kann darüber hinaus mit den jeweiligen supraleitenden Körpern 67 und 68 in Freiräumen in Berührung kommen, die zwischen den jeweiligen Abdeckungen 71 und 73 und den Flächen der supraleitenden Körper 67 und 68 ausgebildet sind, mit Ausnahme an demjenigen Abschnitt, an dem die Außenflächen der supraleitenden Körper 67 und 68 mit dem Gehäuse 30 in Berührung stehen. Auf diese Weise kann verhindert werden, daß ein großer Temperaturgradient in den supraleitenden Körpern 67 und 68 entsteht und dies verhindert auch die Beschädigung der supraleitenden Körper 67 und 68 in dem Fall, daß sie aus Oxiden bestehen. Bei dieser Konstruktion bestehen die jeweiligen oberen und unteren Abdeckungen 71 und 73 vorzugsweise aus einem austhenitischen, rostfreien Stahlblech von 0,3 bis 0,5 mm Dicke.

Bei einer erfindungsgemäßen, supraleitenden Lagereinheit obiger Konstruktion wird der Vorgang, mit dessen Hilfe die Welle 50 in einem schwimmenden Zustand gehalten wird, wie folgt ausgeführt: bevor ein Kühlmittel, wie z. B. flüssiger Stickstoff, zu den oberen und unteren Kühlmänteln 72 und 74 zugeführt wird, um sie in einen supraleitenden Zustand herabzukühlen, wird zunächst Druckluft mit Hilfe des Einlaßanschlusses 45 in den Balg 44 eingeführt, so daß der Lagerblock 35 angehoben wird.

Dies führt dazu, daß die untere, innere konische oder konkave Fläche 49 des unteren Lagerringes 37 zwingend mit der unteren, äußeren oder konvexen konischen Fläche 64 des Halteringes 63 in Eingriff gebracht wird, der am unteren Abschnitt der Welle 50 vorgesehen ist, so daß der untere Abschnitt der Welle konzentrisch mit dem Gehäuse 30 ausgerichtet ist, während die Welle 50 angehoben wird.

Als Folge davon wird die obere, konische Außen- oder konvexe Fläche 60 am oberen Randabschnitt des Halteringes 59 zwingend mit der oberen, konischen Innen- oder konkaven Fläche 40 des oberen Lagerringes 34 in Eingriff gebracht, so daß das obere Ende der Welle 50 innerhalb des Gehäuses 30 konzentrisch ausgerichtet wird. Dies wiederum führt dazu, daß das jeweilige obere und untere Paar von Permanentmagneten 56 und 57 zur radialen Lagerung in bezug auf das obere und untere Paar von supraleitenden Körpern 67 und 68 konzentrisch gehalten wird.

Auf das Anheben der Welle 50 hin mit Hilfe des Lagerblockes 35 verändern sich die jeweiligen oberen und unteren Drucklagerlücken 69 und 70 etwas von ihrer in Fig. 10 dargestellten Betriebslücke weg. Diese Änderung hängt von der Größe der supraleitenden Körper 67 und 68 ab sowie vom Gewicht der Welle 50.

In diesem Zustand wird den oberen und unteren Kühlmänteln 72 und 74 ein Kühlmittel, wie z. B. flüssiger Stickstoff, zugeführt, so daß die oberen und unteren, supraleitfähigen Körper 67 und 68 supraleitfähig werden. Die Druckluft im Balg 44 wird dann durch den Auslaßanschluß 46 abgelassen und der Lagerblock 35 senkt sich unter der Druck- oder Vorspannkraft der Druckfedern 43 ab.

Aufgrund davon geht die Kraft des unteren Lagerringes 37 auf die Oberfläche des Lagerblockes 35 zum Lagern der Welle 50 verloren. Die Welle 50 verbleibt jedoch mit Hilfe derjenigen Kraft gelagert, die der Pinningkraft zuzuschreiben ist und die zwischen den oberen und unteren, supraleitenden Körpern 67 und den jeweiligen oberen und unteren Permanentmagneten 56 und 57 zur Radiallagerung und dem oberen und unteren Permanentmagnet 65 und 66 zur Drucklagerung wirkt. Im einzelnen neigt die Welle 50 zusammen mit den an ihr befestigten Teilen beim Absenken des Lagerblockes 35 dazu, unter ihrem Gewicht nach unten abzusinken, so daß die obere Drucklagerlücke 69 dazu tendiert, sich zu vergrößern und die untere Drucklagerlücke 70 dazu tendiert, sich zu verkleinern. Dies wird jedoch durch die oben erwähnte Pinningkraft ausgeglichen.

Da zwischen dem Gewicht der drehenden Teile und der Pinningkraft zwischen den oberen und unteren Permanentmagneten 65 und 66 für die Drucklagerung und den oberen und unteren, supraleitenden Körpern 67 und 68, die dazu neigen, die Welle anzuheben, ein Ausgleich aufrechterhalten werden kann, kann die Welle 50 durch geeignete Auswahl der Welle selbst und der an ihr befestigten Teile und der Größe derjenigen Kraft, die der Pinningkraft zuzuschreiben ist, in einem schwimmenden Zustand gehalten werden.

Die Lücke zwischen der äußeren Umfangsfläche des oberen Permanentmagneten zur radialen Lagerung und der inneren Umfangsfläche des oberen, supraleitfähigen Körpers und die Lücke zwischen der äußeren Umfangsfläche des unteren Permanentmagneten 57 zur radialen Lagerung und der inneren Umfangsfläche des unteren, supraleitenden Körpers 68 wird darüber hinaus in einem Zustand gehalten, wie er bestand, bevor der Lagerblock 35 abgesenkt wurde. Dies wird durch die Wirkung der anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen den jeweiligen oberen und unteren Permanentmagneten 56 und 57 zur radialen Lagerung und den supraleitfähigen Körpern 67 und 68 möglich gemacht. Dies führt dazu, daß die Welle 50 davor bewahrt wird, sich in radialer Richtung zu verschieben.

Die Welle 50 wird auf diese Weise mit Hilfe der anziehenden und abstoßenden Kräfte, die der Pinningkraft der supraleitenden Körper zuzuschreiben ist, an Ort und Stelle gehalten. Da dies automatisch eintritt, kann die Welle 50 in einem schwimmenden Zustand gehalten werden, ohne daß komplizierte Steuerschaltkreise notwendig wären. Spezielle Sensoren zum Messen der Stellung der Welle 50 in radialer und axialer (Druck-) Richtung zusammen mit zugeordneten Elektromagneten und Steuereinrichtungen werden unnötig. Wenn Strom in den Stator 52 eingeleitet wird, während ein Kühlmittel, wie z. B. flüssiger Stickstoff, den jeweiligen Kühlmänteln 72 und 74 zugeleitet wird, kann die Welle 50 demzufolge mit sehr hohen Drehzahlen in einem Zustand umlaufen, in dem sie mit anderen Teilen keine Berührung hat.

Bei der vorliegenden Erfindung können für den supraleitenden Körper der supraleitenden Lagereinheit verschiedene Arten von leitfähigen Materialien verwendet werden, die einen Pinningeffekt haben. Eine große Pinningkraft kann beispielsweise mit einem Yttrium-Verbundstoff erzielt werden, die aus einer gleichförmigen Mischung von feinpulverisiertem Y₂ BACuOn einer nichtleitfähigen Phase, die als 211-Phase bezeichnet wird, mit einer supraleitenden Phase eines YBA₂Cu₃O_n hergestellt ist, die allgemein als 123-Phase bezeichnet wird.

Es sollte festgestellt werden, daß eine Welle 50 von etwa 2,4 kg oder mehr (abhängig von der Größe der Kräfte) durch Anwendung der Anziehungskraft oder sowohl der anziehenden als auch der abstoßenden Kräfte aufgrund des Pinningeffektes, wie bei der vorliegenden Erfindung, gelagert und mit sehr hohen Drehzahlen von etwa 30.000 U/min umlaufen kann. Wenn bei dem Beispiel, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, die supraleitenden Lagereinheiten, die einen oberen und unteren Drucklagerabschnitt aufweisen, so konstruiert werden, daß nur die abstoßenden Kräfte bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs aufgrund des Meißner-Effektes die Welle 50 lagern, könnte nur eine Welle 50 gelagert werden, die ein Gewicht von wenigen Gramm aufweist.

Bei supraleitenden Körpern ist die abstoßende Kraft aufgrund des Pinning-Effektes viel größer als die abstoßende Kraft aufgrund des Meißner-Effektes. Darüber hinaus ist die anziehende Kraft besser als die abstoßende Kraft. Insbesondere bei einer Lagereinheit, die nur diese abstoßende Kraft verwendet, besteht eine Begrenzung für die Anordnung der Bauteile. Das heißt, daß der Abstand zwischen dem Magnet und dem supraleitenden Körper zum Erzielen einer größtmöglichen abstoßenden Kraft im Idealfall vor dem Kühlen des supraleitenden Körpers unendlich sein sollte und daß der Magnet und der supraleitende Körper dann eng zusammengebracht werden sollten. Es ist jedoch nicht möglich, den Abstand zwischen dem Magneten und dem supraleitenden Körper unendlich groß zu machen und in dieser Beziehung ist die Anordnung der Bauteile begrenzt. Um bei einem kleinen Abstand die Anordnung der Bauteile zu verbessern, ist es andererseits nicht möglich, eine ausreichende Lagerbelastungskapazität zu erzielen.

Bei einer supraleitenden Lagereinheit, die die Anziehungskraft benutzt, ist es andererseits möglich, eine supraleitende Lagereinheit einer optimalen Konstruktion zu erhalten, da eine maximale Anziehungskraft dann erhalten werden kann, wenn der supraleitfähige Körper in Berührung mit dem Permanentmagneten gekühlt wird und dann supraleitfähig wird. Wenn die Welle 50 bei der zehnten Ausführungsform konzentrisch im Gehäuse 30 ausgerichtet wird, dann sind die Lücken, die zwischen dem Außenumfang der oberen und unteren Abschnitte 50a, 50b mit dem geringen Durchmesser und den inneren Umfangsflächen der oberen und unteren Lagerringe 34 und 37 geringer als die Lücken zwischen den äußeren Umfangsflächen der oberen und unteren Permanentmagneten 56 und 57 zur Radiallagerung und der inneren Umfangsflächen der oberen und unteren Abdeckungen 71 und 73. Wenn die Lagerungskraft aufgrund der supraleitenden Lagereinheit verloren geht, dann kommen die äußeren Umfangsflächen der Abschnitte 50a und 50b mit dem kleinen Durchmesser demzufolge mit den inneren Umfangsflächen der jeweiligen Lagerringe 34 und 37 in Berührung, um auf diese Weise eine Berührung zwischen den äußeren Umfangsflächen der jeweiligen Permanentmagneten 56 und 57 und den inneren Umfangsflächen der jeweiligen Abdeckungen 71 und 73 zu verhindern.

Da die Anordnung bei der supraleitenden Lagereinheit nach der vorliegenden Erfindung und dem Verfahren zu ihrem Betrieb so ist, daß wenigstens die anziehende Kraft derjenigen Kräfte, die der Pinningkraft des supraleitenden Körpers zuzuschreiben ist, genutzt wird, ist es möglich, die zusammengefaßte Belastung der Bauteile zu beschränken und so aufrecht zu erhalten, daß die Welle oder der Rotor usw. in einem schwimmenden Zustand ist; auf diese Weise können sehr hohe Drehzahlen von einigen 10000 U/min erreicht werden. Darüber hinaus sind teure Sensoren und komplizierte Steuervorrichtungen nicht notwendig, wohingegen eine preisgünstige Konstruktion mit kleinen Baumaßmaßen möglich ist. Die vorliegende Erfindung stellt demzufolge eine supraleitende Lagereinheit mit praktischen Anwendungen auf dem weiten Feld der Technik bereit.

Claims (5)

1. Lagereinheit mit

• 1. zumindest einem mechanischen Hilfslagerabschnitt, der aus einer konischen Fläche (60, 64) an einem Ende einer Welle (50) und einer konischen Fläche (40, 49) eines gehäuseseitigen Lagerrings (34, 37) besteht, wobei die konische Fläche (40, 49) des Lagerrings (34, 37) und die konische Fläche (60, 64) der Welle (50) so aneinander angepaßt sind, daß bei Auflaufen der Welle (50) auf den Lagerring (34, 37) die Welle (50) zentrisch ausgerichtet wird,
• 2. einem supraleitenden Lagerabschnitt, der aus zumindest einem an der Welle (50) angebrachten Magneten (56, 57, 65, 66) und zumindest einem an einem Gehäuse (30) befestigten supraleitenden Körper (67, 68) besteht, wobei die Schwerkraft der Welle (50) durch die aufgrund des Pinning-Effektes auftretenden Kräfte bei einem Magnetlagerspalt größer Null kompensiert wird,
• 3. einer Vorrichtung (44), die die Welle (50) oberhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Körpers (67, 68) in eine vorbestimmte Lagebeziehung bewegen kann, so daß die Welle (50) durch den mechanischen Hilfslagerabschnitt zentriert und der Magnetlagerspalt Null wird,
• 4. einer Vorrichtung (72, 74) zum Kühlen des supraleitenden Körpers (67, 68) auf eine Temperatur unterhalb oder gleich der Sprungtemperatur des supraleitenden Körpers.

2. Lagereinheit mit

• 1. zumindest einem mechanischen Hilfslagerabschnitt, der aus einer konischen Fläche (60, 64) an einem Ende einer Welle (50) und einer konischen Fläche (40, 49) eines gehäuseseitigen Lagerrings (34, 37) besteht, wobei die konische Fläche (40, 49) des Lagerrings (34, 37) und die konische Fläche (60, 64) der Welle (50) so aneinander angepaßt sind, daß bei Auflaufen der Welle (50) auf den Lagerring (34, 37) die Welle (50) zentrisch ausgerichtet wird,
• 2. einem supraleitenden Lagerabschnitt, der aus zumindest einem an der Welle (50) angebrachten supraleitenden Körper (67, 68) und zumindest einem an einem Gehäuse (30) befestigten Magneten (56, 57, 65, 66) besteht, wobei die Schwerkraft der Welle (50) durch die aufgrund des Pinning-Effektes auftretenden Kräfte bei einem Magnetlagerspalt größer Null kompensiert wird,
• 3. einer Vorrichtung (44), die die Welle (50) oberhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Körpers (67, 68) in eine vorbestimmte Lagebeziehung bewegen kann, so daß die Welle (50) durch den mechanischen Hilfslagerabschnitt zentriert und der Magnetlagerspalt Null wird, und
• 4. einer Vorrichtung (72, 74) zum Kühlen des supraleitenden Körpers (67, 68) auf eine Temperatur unterhalb oder gleich der Sprungtemperatur des supraleitenden Körpers.

3. Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine mechanische Hilfslagerabschnitt eine konvexe Fläche (60, 64) an einem Ende der Welle (50) und eine konkave Fläche (40, 49) des gehäuseseitigen Lagerringes (34, 37) aufweist.

4. Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Welle (50) mehrere supraleitende Lagerabschnitte (67, 68) vorgesehen sind, wobei aufgrund des Pinning-Effektes bei einem Teil der supraleitenden Lagerabschnitte die Schwerkraft der Welle durch Anziehungskräfte und bei einem anderen Teil der Lagerabschnitte durch Abstoßungskräfte kompensiert wird.

5. Verfahren zum Betreiben einer supraleitenden Lagereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die folgenden Schritte:

• 1. Schaffen einer vorbestimmten Lagebeziehung mit Magnetlagerspalt Null zwischen einem supraleitenden Körper in einem nicht supraleitenden Zustand und einem Magnet durch mechanische Kompensation der Schwerkraft an einer Welle,
• 2. Kühlen des supraleitenden Körpers, bis dieser seinen supraleitenden Zustand erreicht,
• 3. Ändern der Stellungsbeziehung so, daß zwischen dem supraleitenden Körper und dem Magnet eine Anziehungskraft oder eine Abstoßungskraft bei Magnetlagerspalt größer Null gebildet wird, die der Pinningkraft zuzuschreiben ist und die den Körper oder den Magnet entgegen der Schwerkraft bei nicht vorhandener mechanischer Kompensation der Schwerkraft in einer vorbestimmten Position hält.