DE4234524A1 - Hybrid superconductive bearing for rotor shaft - uses auxiliary non-superconductive bearing supporting shaft until critical velocity for superconductive bearing - Google Patents
Hybrid superconductive bearing for rotor shaft - uses auxiliary non-superconductive bearing supporting shaft until critical velocity for superconductive bearingInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei supraleitenden Lagern, die dafür vorgesehen sind, um Wellen sowie Rotoren und dergleichen, die sich um feste Wellen drehen, in einem berührungsfreien Zustand zu halten, und damit sie sich bei extrem hoher Geschwindigkeit drehen.The present invention relates to improvements in superconducting bearings designed to Shafts as well as rotors and the like, which are fixed Rotate shafts in a non-contact condition hold, and thus they are at extremely high Turn speed.
Wellen, die sich bei extrem hohen Geschwindigkeiten drehen, können nicht von gewöhnlichen Gleit- oder Rollagern gelagert werden. Sie müssen in einem berührungsfreien Zustand gehalten werden. Vor kurzem sind Forschungsarbeiten für supraleitende Lagereinheiten als Lagereinheiten zum Halten einer Drehwelle in einem berührungsfreien Zustand durchgeführt worden. Diese supraleitenden Lagereinheiten verwenden den Pinning-Effekt des supraleitenden Körpers, wobei die Drehwelle in einem schwebenden Zustand gehalten werden kann.Waves moving at extremely high speeds can not rotate from ordinary sliding or Roller bearings are stored. You have to be in one be kept in a non-contact condition. Recently Research work for superconducting bearing units as Bearing units for holding a rotating shaft in one non-contact condition. These superconducting bearing units use the pinning effect of the superconducting body, the rotating shaft in one floating state can be maintained.
Eine derartige supraleitende Lagereinheit ist auf Seite 18 des Vortragsverzeichnisses der 1991 Spring Cryogenic Engineering and Superconducting Symposium beschrieben. Diese herkömmliche supraleitende Lagereinheit ist primär für eine axiale Halterung in einer Schubrichtung vorgesehen, wie im Prinzip in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt. Such a superconducting bearing unit is described on page 18 of the lecture directory of the 1991 Spring Cryogenic Engineering and Superconducting Symposium. This conventional superconducting bearing unit is primarily intended for axial support in a thrust direction, as shown in principle in Fig. 5 and Fig. 6.
In Fig. 5 umfaßt sie einen ringförmigen oder kreisförmigen Permanentmagneten 1 und eine Vielzahl aus einem supraleitenden Material hergestellten Plättchen 2, die dem Permanentmagneten 1 gegenüberliegend angeordnet sind. Der Permanentmagnet 1 und die Plättchen 2 sind in jeweilige Kupferscheiben 3 und 4 eingebettet. Außerdem sind die Plättchen 2, die aus einem supraleitenden Oxid aus einer Yttrium-Legierung (beispielsweise YBa2 Cu3 Ox) hergestellt sind, in einem konzentrischen Kreis angeordnet.In Fig. 5 it comprises an annular or circular permanent magnet 1 and a plurality of plates 2 made of a superconducting material, which are arranged opposite the permanent magnet 1 . The permanent magnet 1 and the plate 2 are embedded in respective copper disks 3 and 4 . In addition, the plates 2 , which are made of a superconducting oxide made of an yttrium alloy (for example YBa 2 Cu 3 O x ), are arranged in a concentric circle.
Die Plättchen 2 nehmen einen supraleitenden Zustand an, wenn die Scheibe 4 in die sie eingebettet sind, gekühlt wird. Als Folge davon wird eine Kraft in der Richtung, die eine Änderung des Abstandes zwischen den jeweiligen Plättchen 2 und den Permanentmagneten 1 verhindert, auf Grund des Pinning-Effekts der zwischen den jeweiligen Plättchen 2 und dem Permanentmagneten 1 ausgeübt wird, erzeugt. Das heißt, daß eine Pinning-Kraft erzeugt wird, wenn die Plättchen 2 supraleitend werden, die den von dem Permanentmagneten 1 ausgehenden magnetischen Fluß in den Plättchen 2 beschränkt.The platelets 2 assume a superconducting state when the disk 4 in which they are embedded is cooled. As a result, a force is generated in the direction that prevents the distance between the respective plates 2 and the permanent magnets 1 from changing due to the pinning effect exerted between the respective plates 2 and the permanent magnet 1 . That is, a pinning force is generated when the plates 2 become superconducting, which restricts the magnetic flux in the plates 2 from the permanent magnet 1 .
Wenn der Abstand oder der Spalt zwischen dem Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 dazu tendiert sich zu öffnen oder länger zu werden, wirkt eine anziehende Kraft auf Grundlage der Pinning-Kraft zwischen dem Paar von Elementen 1 und 2. In ähnlicher Art, wirkt eine abstoßende Kraft auf Grund der Pinning-Kraft zwischen dem Paar von Elementen 1 und 2 wenn der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 eine Tendenz aufweist sich zu verringern. Der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 wird mittels dieser anziehenden und abstoßenden Kräfte konstant aufrecht erhalten. Außerdem verhindert die Pinning-Kraft eine Abweichung der Lagebeziehung zwischen dem Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 in einer Oberflächenrichtung. Falls dementsprechend der Permanentmagnet 1 an einer Drehwelle befestigt ist, kann die Drehwelle in einem sich frei drehenden schwebenden Zustand bezüglich der Scheibe 4 gehalten werden.If the distance or gap between the permanent magnet 1 and the plates 2 tends to open or become longer, an attractive force acts based on the pinning force between the pair of elements 1 and 2 . Similarly, a repulsive force acts due to the pinning force between the pair of elements 1 and 2 when the distance between the permanent magnet 1 and the plates 2 tends to decrease. The distance between the permanent magnet 1 and the plate 2 is constantly maintained by means of these attractive and repulsive forces. In addition, the pinning force prevents the positional relationship between the permanent magnet 1 and the plates 2 from deviating in a surface direction. Accordingly, if the permanent magnet 1 is fixed to a rotating shaft, the rotating shaft can be kept in a freely rotating floating state with respect to the disk 4 .
Fig. 6 zeigt eine Drehwelle 5 die mittels einer supraleitenden Lagereinheit wie im Prinzip oben beschrieben, in einem sich frei drehenden Zustand gehalten wird. Eine Vielzahl von Plättchen 2 sind in einem Paar von jeweiligen Scheiben 4a eingebettet. Das Paar von Scheiben 4a sind voneinander beabstandet und parallel angeordnet. Jede der Scheiben 4a wird mittels flüssigen Stickstoffs gekühlt, der in einer Kühlummantelung 7 in einem Gehäuse 6 gespeichert ist. Eine weitere Scheibe 3a ist zwischen dem Paar Scheiben 4a an einem Mittelabschnitt der Drehwelle 5 fest befestigt, die durch das Innere des Paars von Scheiben 4a läuft. Die Permanentmagneten 1 sind in unteren und oberen Stirnflächen der Scheibe 3a eingebettet. Die Permanentmagneten 1 sind so angeordnet, daß sie den Plättchen 2 gegenüberliegen. Ein magnetischer Motor 8 ist an einem Endabschnitt der Drehwelle 5 für ihre Umdrehung vorgesehen. Fig. 6 shows a rotating shaft 5 which is held as described above, in principle, by means of a superconducting bearing unit in a freely-rotating condition. A plurality of plates 2 are embedded in a pair of respective disks 4 a. The pair of disks 4 a are spaced apart and arranged in parallel. Each of the disks 4 a is cooled by means of liquid nitrogen, which is stored in a cooling jacket 7 in a housing 6 . Another disc 3 a is fixed between the pair of discs 4 a at a central portion of the rotary shaft 5 , which runs through the interior of the pair of discs 4 a. The permanent magnets 1 are embedded in the lower and upper end faces of the disk 3 a. The permanent magnets 1 are arranged so that they face the plates 2 . A magnetic motor 8 is provided on an end portion of the rotary shaft 5 for its rotation.
Beim Einlassen von flüssigem Stickstoff in die Kühlummantelung 7, werden die Plättchen 7 die in die jeweiligen Scheiben 4a eingebettet sind, supraleitend. Als Folge davon wird verhindert, daß sich die Scheibe 3a, die fest an dem Mittelabschnitt der Drehwelle 5 befestigt ist, oder von den jeweiligen Scheiben 4a zu weit entfernt oder sich zu nahe an sie heranbeugt, so daß die Drehwelle 5 in einem schwebenden Zustand gehalten wird, in dem sie gedreht werden kann. When liquid nitrogen is admitted into the cooling jacket 7 , the platelets 7 which are embedded in the respective disks 4 a become superconducting. As a result, it is prevented that the disc 3 a, which is fixedly attached to the central portion of the rotary shaft 5 , or from the respective discs 4 a too far away or bent too close to them, so that the rotary shaft 5 in a floating State is maintained in which it can be rotated.
Bei einer herkömmlichen supraleichten Lagereinheit mit der obigen herkömmlichen Konstruktion, ist es leicht möglich, daß die radiale Festigkeit oder Stabilität niedriger ist, als die Festigkeit oder Stabilität in der Schubrichtung. Bei der supraleitenden Lagereinheit wie beispielsweise in der Fig. 6 gezeigt, sind die radiale Festigkeit oder Stabilität und die Lastlagerungskapazität besonders niedrig, da die Plättchen 2 aus supraleitendem Material und der Permanentmagnet 1 in der Schubrichtung einander gegenüber liegen. Bei einer supraleitenden Lagereinheit, bei der ein supraleitender Körper und ein Permanentmagnet einander gegenüber in der Radialrichtung angeordnet sind, kann die radiale Festigkeit oder Stabilität und Lastkapazität im Vergleich mit der supraleitenden Lagereinheit aus Fig. 6 erhöht werden, doch ist es im allgemeinen schwierig, eine ausreichende radiale Festigkeit oder Stabilität und Lastlagerungskapazität sicher zu stellen.In a conventional super light bearing unit having the above conventional construction, it is easily possible that the radial strength or stability is lower than the strength or stability in the thrust direction. In the case of the superconducting bearing unit, for example as shown in FIG. 6, the radial strength or stability and the load bearing capacity are particularly low since the platelets 2 made of superconducting material and the permanent magnet 1 lie opposite one another in the direction of thrust. In a superconducting bearing unit in which a superconducting body and a permanent magnet are opposed to each other in the radial direction, the radial strength or stability and load capacity can be increased compared to the superconducting bearing unit shown in Fig. 6, but it is generally difficult to find one to ensure sufficient radial strength or stability and load bearing capacity.
Als Folge davon ist es, bei herkömmlichen supraleitenden Lagereinheiten bei denen eine Drehwelle innerhalb eines Lagergehäuses gelagert ist oder ein Rotor so gelagert ist, daß er sich frei um eine Achse drehen kann, nicht möglich, die Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle oder des Rotors über die kritische Geschwindigkeit zu heben, welcher im folgenden noch näher ausgeführt wird.As a result, conventional superconducting Bearing units where a rotating shaft within a Bearing housing or a rotor is mounted so that it can turn freely around an axis, not possible, the rotational speed of the rotary shaft or the To lift the rotor above the critical speed which will be explained in more detail below.
Das bedeutet, daß das drehende Material der Drehwelle oder des Rotors eine bestimmte charakteristische Resonanzfrequenz besitzt, die der Lagerfestigkeit oder Stabilität und dergleichen zugeordnet ist. Wenn sich die Umdrehungsgeschwindigkeit des sich drehenden Materials bis zu diesem Punkt erhöht, stimmt die Umdrehungsgeschwindigkeit mit der Resonanzfrequenz überein, welches ein sogenanntes Wirbelphänomen zur Folge hat, welches eine heftige positionsmäßige Änderung des sich drehenden Körpers in der radialen Richtung bewirkt. Die Umdrehungsgeschwindigkeit, bei der dieses Wirbelphänomen auftritt, wird als die gefährliche oder kritische Geschwindigkeit des sich drehenden Systems bezeichnet. Der Ausdruck "kritische Geschwindigkeit" wird in dieser Beschreibung verwendet. Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des sich drehenden Körpers niedriger als die "kritische Geschwindigkeit" ist, oder wenn sie die "kritische Geschwindigkeit" überschreitet, hört das Wirbeln des sich drehenden Körpers auf und der sich drehende Körper dreht sich gleichmäßig.This means that the rotating material of the rotating shaft or a certain characteristic of the rotor Has resonance frequency that the shelf life or Stability and the like is assigned. If the Speed of rotation of the rotating material up to raised to this point, that's right Rotational speed with the resonance frequency agree, which results in a so-called vortex phenomenon which has a violent change in position rotating body in the radial direction. The Rotational speed at which this vortex phenomenon occurs, is considered the most dangerous or critical Speed of the rotating system. The Expression "critical speed" is used in this Description used. If the rotation speed of the rotating body lower than the "critical Speed "is, or if it is the" critical Speed ", the whirling of the hears itself rotating body and the rotating body rotates themselves evenly.
Lagereinheiten wie Gleitlager, Flüssigkeitslager und Rollager, die ganz allgemein bis jetzt verwendet worden sind, besitzen eine radiale Festigkeit oder Stabilität und Lastlagerungskapazität die ausreichend groß ist, so daß sich die "kritische Geschwindigkeit" in einem Bereich höherer Umdrehungsgeschwindigkeiten befindet. Wenn Betriebsgeschwindigkeiten unterhalb der kritischen Geschwindigkeit eingestellt sind, besitzen die Lagereinheiten dementsprechend eine ausreichende Betriebslebensdauer.Bearing units such as plain bearings, liquid bearings and Roller bearings that have been used in general until now are radial strength or stability and Load storage capacity that is large enough so that the "critical speed" in an area higher rotational speeds. If Operating speeds below the critical Speed are set, have the Adequate storage units accordingly Operating life.
Andererseits erscheinen bei den supraleitenden Lagereinheiten, bei denen die radiale Festigkeit oder Stabilität und Lastlagerungskapazität klein ist, die "kritischen Geschwindigkeiten" in dem Bereich niedrigerer Umdrehungsgeschwindigkeiten. Falls ein von einer supraleitenden Lagereinheit gehaltenes Element die niedrige "kritische Geschwindigkeit" umgehen könnte, könnte somit die Umdrehungsgeschwindigkeit des sich drehenden Elementes sehr hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten erreichen.On the other hand, appear in the superconducting Bearing units where the radial strength or Stability and load storage capacity is small "critical speeds" in the lower range Rotation speeds. If one of one superconducting bearing unit held the could handle low "critical speed" could thus change the rotational speed of the rotating element very high rotational speeds to reach.
Mit einem Gleitlager oder Rollager, ist eine ausreichende Lebensdauer auf Grund der Wärme, die erzeugt wird, wenn sich die Geschwindigkeit dem Bereich mit extrem hoher Umdrehungsgeschwindigkeit annähert, nicht möglich. Andererseits kann mit magnetischen Lagern vom steuerbaren Typ die aus magnetischen Materialien bestehen, die mit einem Elektromagneten zusammengesetzt sind, ein schwebender Zustand des sich drehenden Elementes durch Steuern der Energie des Elektromagneten aufrechtgehalten werden. Obwohl diese Art von steuerbaren magnetischen Lagern die obigen Probleme beseitigt, erfordert sie einen höchstgenauen Positionssensor und eine Steuereinrichtung mit einem hervorragenden Reaktionsverhalten, welches einen komplizierten Aufbau und hohe Herstellungskosten zur Folge hat.With a plain bearing or roller bearing, is sufficient Lifetime due to the heat that is generated when the speed the area with extremely high Approximate speed of rotation, not possible. On the other hand, magnetic bearings can be used to control Type which are made of magnetic materials with are composed of an electromagnet floating state of the rotating element Controlling the energy of the electromagnet maintained will. Although this type of controllable magnetic If the above problems are eliminated, it requires one highly accurate position sensor and a control device with an excellent reaction behavior, which one complicated structure and high manufacturing costs Has.
Die hybride supraleitende Lagereinheit der vorliegenden Erfindung wurde angesichts der oben erwähnten Umstände durchgeführt.The hybrid superconducting bearing unit of the present Invention was made in view of the above-mentioned circumstances carried out.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Welle, ein um die Welle angeordnetes Eingriffselement, das bezüglich der Welle und des Eingriffselement 3 frei drehbar ist, ein supraleitendes Lager, ein Hilfslager und eine Einrück/Ausrück-Einrichtung. Das supraleitende Lager ist mit einem Permanentmagneten und einem supraleitenden Körper versehen und befindet sich zwischen dem Eingriffselement und der Welle. Das Hilfslager ist ein anderes Lager als ein supraleitendes Lager und ist vorgesehen um zwischen der Welle und dem Eingriffselement frei einzurücken / auszurücken. Die Einrück/Ausrück- Einrichtung rückt das Hilfslager ein und aus.The present invention includes a shaft, an engaging member disposed around the shaft which is freely rotatable with respect to the shaft and the engaging member 3 , a superconducting bearing, an auxiliary bearing and an engaging / disengaging device. The superconducting bearing is provided with a permanent magnet and a superconducting body and is located between the engagement element and the shaft. The auxiliary bearing is a different bearing than a superconducting bearing and is intended to freely engage / disengage between the shaft and the engagement element. The engagement / disengagement device moves the auxiliary bearing in and out.
Bei der vorliegenden ist das Hilfslager zwischen der Welle und dem Eingriffselement eingerückt bis die Umdrehungsgeschwindigkeit des Drehelements (das heißt, die Welle bei dem Fall, bei dem das Eingriffselement stationär ist, oder das Eingriffselement bei dem Fall, bei dem die Welle stationär ist) die "kritische Geschwindigkeit" N0 des supraleitenden Lagers übersteigt. Als Folge davon, werden die Welle und das Eingriffselement so gehalten, daß sie relativ zueinander mittels des Hilfslagers frei drehbar sind. Da das Hilfslager eine ausreichend große radiale Festigkeit oder Stabilität oder Lastlagerungskapazität besitzt, ist die "kritische Geschwindigkeit" N1 aus Grundlage der Lagerfestigkeit oder Stabilität des Hilfslagers zu einem ausreichenden Maße größer als die "kritische Geschwindigkeit" N0. Als Folge davon ist es möglich, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit des sich drehenden Elements die "kritische Geschwindigkeit" N0 des supraleitenden Lagers überschreiten kann, ohne das Wirbelphänomen zu unterlaufen.In the present case, the auxiliary bearing is between the shaft and the engagement element indented until the Rotational speed of the rotating element (that is, the Shaft in the case where the engaging element is stationary is, or the engaging element in the case where the Shaft is stationary) the "critical speed" N0 of the superconducting bearing. As a consequence of this, the shaft and the engagement element are held so that they are free relative to each other by means of the auxiliary camp are rotatable. Because the auxiliary camp is sufficiently large radial strength or stability or Has load storage capacity is the "critical Speed "N1 based on shelf life or Stability of the auxiliary camp to a sufficient degree greater than the "critical speed" N0. As a result of which it is possible that the rotational speed of the rotating element the "critical Speed "N0 of the superconducting bearing can exceed without undermining the vortex phenomenon.
Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit die "kritische Geschwindigkeit" N0 übersteigt, löst die Einrück/Ausrück-Einrichtung den Eingriff des Hilflagers von dem sich drehenden Element, das von dem supraleitenden Lager gehalten wird. Da das sich drehende Element allein durch das supraleitende Lager gehalten wird, tritt die Situation, bei der die Geschwindigkeit des sich drehenden Elements die "kritische Geschwindigkeit" N1 bezüglich des Hilfslagers erreicht nicht auf, so daß die "kritische Geschwindigkeit" N1 durchlaufen werden kann, wodurch eine Drehung mit extrem hoher Geschwindigkeit oberhalb der "kritischen Geschwindigkeit" N1 erreicht werden kann.If the rotational speed is the "critical Speed "exceeds N0, the Engagement / disengagement device the intervention of the auxiliary bearing from the rotating element, from the superconducting element Stock is held. Because the rotating element alone is held by the superconducting bearing, which occurs Situation where the speed of the spinning Elements the "critical speed" N1 with respect to the Auxiliary camp does not reach, so the "critical Speed "N1 can be traversed, creating a Extremely high speed rotation above the "critical speed" N1 can be achieved.
In den Zeichnungen zeigen:The drawings show:
Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 is a vertical cross section of a first embodiment of the present invention;
Fig. 2 eine vertikale Teilquerschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 is a partial vertical cross-sectional view of a second embodiment of the present invention;
Fig. 3 eine vertikale Teilquerschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 is a partial vertical cross-sectional view of a third embodiment of the present invention;
Fig. 4 ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer Steuerschaltung zeigt; Fig. 4 is a block diagram showing an example of a control circuit;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, die das grundlegende Prinzip einer herkömmlichen supraleitenden Lagereinheit zeigt; und Fig. 5 is a perspective view showing the basic principle of a conventional superconducting bearing unit; and
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht, die die supraleitende Lagereinheit der Fig. 5 zum drehbaren Halten einer Welle zeigt. Fig. 6 is a perspective view showing the superconducting bearing unit of Fig. 5 for rotatably holding a shaft.
In einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Drehkörper 10 so gehalten, daß er sich frei innerhalb eines Gehäuses 9 bewegen kann. Das Gehäuse 9 ist das in den Ansprüchen erwähnte Eingriffselement. Das Gehäuse 9 besitzt eine zylindrische Wand 11, deren obere und untere Enden mit einer oberen Platte 12 bzw. einer unteren Platte 13 abgedeckt sind. Die Drehwelle 10 wird zur zylindrischen Wand 11 innerhalb des Gehäuses 9 konzentrisch gehalten. Ein Paar von oberen und unteren Permanentmagneten 14a und 14b sind mit einem Abstand an zwei Positionen auf der äußeren Umfangsfläche der Drehwelle fest angebracht.In a first embodiment of the present invention, which is shown in FIG. 1, a rotating body 10 is held so that it can move freely within a housing 9 . The housing 9 is the engagement element mentioned in the claims. The housing 9 has a cylindrical wall 11 , the upper and lower ends of which are covered with an upper plate 12 and a lower plate 13 , respectively. The rotary shaft 10 is held concentrically with the cylindrical wall 11 within the housing 9 . A pair of upper and lower permanent magnets 14 a and 14 b are fixed at a distance at two positions on the outer peripheral surface of the rotary shaft.
Ein Paar supraleitende Körper 15a und 15b sind fest direkt über dem Permanentmagneten 14a bzw. direkt unterhalb des Permanentmagneten 14b auf der inneren Umfangsfläche der zylindrischen Wand 11 angeordnet. Die untere Fläche des supraleitenden Körpers 15a liegt der oberen Fläche des unteren Permanentmagneten 14a mit einem Lagerspalt 16b dazwischen gegenüber. Eine (in der Figur nicht gezeigte) Kühlummantelung ist auf der inneren Umfangsfläche der zylindrischen Wand 11 so vorgesehen, daß sie einen Teil jedes supraleitenden Körpers 15a und 15b umgibt. Ein (in der Figur nicht gezeigtes) Zuführungs/Auslass-Tor ist auf einem Abschnitt des Gehäuses 9 vorgesehen, so daß ein flüssiges Stickstoff-Kühlmittel über das Zuführungs/Auslass-Tor an die Ummantelung zugeführt bzw. dadurch ausgestoßen werden kann.A pair of superconducting bodies 15 a and 15 b are firmly arranged directly above the permanent magnet 14 a or directly below the permanent magnet 14 b on the inner peripheral surface of the cylindrical wall 11 . The lower surface of the superconducting body 15 a is opposite the upper surface of the lower permanent magnet 14 a with a bearing gap 16 b in between. A (not shown in the figure) cooling jacket is provided on the inner peripheral surface of the cylindrical wall 11 so that it surrounds a part of each superconducting body 15 a and 15 b. A supply / discharge port (not shown in the figure) is provided on a portion of the housing 9 so that a liquid nitrogen coolant can be supplied to or discharged from the casing through the supply / discharge port.
Konische Vorsprünge 17a und 17b, die zur Drehwelle 10 konzentrisch angeordnet sind an oberen bzw. unteren Enden der Drehwelle 10 gebildet. Ein oberes Lager 18a ist auf einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der oberen Platte 12 an einem Abschnitt gebildet, der dem oberen Ende der Drehwelle 10 entspricht. Ein unteres Lager 18b ist auf einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der unteren Platte 13 an einem Abschnitt vorgesehen, der dem unteren Ende der Drehwelle 10 entspricht. Eine konische Aufnahme 19a die den konischen Vorsprung 17a bündig aufnimmt ist auf einer unteren Fläche des oberen Lagers 18a gebildet, während eine konische Aufnahme 19b, die den konischen Vorsprung 17b bündig aufnimmt auf einer unteren Fläche des unteren Lagers 18b gebildet ist. Conical projections 17 a and 17 b, which are arranged concentrically with the rotary shaft 10 , are formed at upper and lower ends of the rotary shaft 10 . An upper bearing 18 a is formed on a central portion of the lower surface of the upper plate 12 at a portion which corresponds to the upper end of the rotary shaft 10 . A lower bearing 18 b is provided on a central portion of the lower surface of the lower plate 13 at a portion corresponding to the lower end of the rotating shaft 10 . A conical receptacle 19 a which receives the conical projection 17 a flush is formed on a lower surface of the upper bearing 18 a, while a conical receptacle 19 b which receives the conical projection 17 b flush on a lower surface of the lower bearing 18 b is formed is.
Der konische Vorsprung 17a und/oder die konische Aufnahme 19a und der konische Vorsprung 17b und/oder die konische Aufnahme 19b ist mit einem trockenen Gleitmittel, beispielsweise Graphit oder Molybden-Disulfid oder mit einem feuchten Gleitmittel beispielsweise Fett bestrichen oder geschmiert. Wenn die konischen Vorsprünge 17a und 17b mit den konischen Aufnahmen 19a bzw. 19b in Kontakt gebracht werden, erzeugt dies ein Hilfslager in Form eines Gleitlagers.The conical projection 17 a and / or the conical receptacle 19 a and the conical projection 17 b and / or the conical receptacle 19 b is coated or lubricated with a dry lubricant, for example graphite or molybdenum disulfide or with a moist lubricant, for example grease. If the conical projections 17 a and 17 b are brought into contact with the conical receptacles 19 a and 19 b, this produces an auxiliary bearing in the form of a plain bearing.
Bei dem Hilfslager kann es sich um einen dynamischen Flüssigkeits- oder statischen Druckflüssigkeits- Typ handeln. Ein dynamisches Flüssigkeitslager ist so konstruiert, daß eine dynamische Ausnehmung in wenigstens einer der Flächen der konischen Vorsprünge 17a (17b) und der konischen Aufnahmen 19a (19b), die den Vorsprüngen 17a (17b) gegenüberliegen, gebildet ist, derart, daß ein Luft oder Ölfilm zwischen jeweiligen Paaren von Flächen 17a (17b) und 19a (19b) gebildet wird, wenn sich die Drehwelle dreht. Bei einem Lager vom statischen Flüssigkeitstyp wird eine verdichtete Flüssigkeit zwischen den jeweiligen Paaren vom Flächen 17a (17b) und 19a (19b) mittels einer (in der Figur nicht gezeigten) Zuführungseinrichtung für verdichtete Flüssigkeit geleitet.The auxiliary bearing can be a dynamic fluid or static hydraulic fluid type. A dynamic liquid bearing is constructed in such a way that a dynamic recess is formed in at least one of the surfaces of the conical projections 17 a ( 17 b) and the conical receptacles 19 a ( 19 b), which lie opposite the projections 17 a ( 17 b). such that an air or oil film is formed between respective pairs of surfaces 17 a ( 17 b) and 19 a ( 19 b) when the rotary shaft rotates. In a bearing of the static liquid type, a compressed liquid is passed between the respective pairs of the surfaces 17 a ( 17 b) and 19 a ( 19 b) by means of a supply device for compressed liquid (not shown in the figure).
Das obere Lager 18a ist fest an der unteren Fläche der unteren Platte 12 angebracht, während das untere Lager 18b über der unteren Platte 13 so gehalten wird, daß es sich frei heben und senken kann. Eine Ausdehnungsmanschette 20 wird in Eingriff stehend gehalten, indem ihr unterer Rand mit einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der unteren Platte 13 im Eingriff steht. Das untere Lager 18b ist auf einem oberen Rand der Ausdehnungsmanschette 20 in Eingriff stehend gehalten. Eine Zuführungsöffnung 21 und eine Auslaßöffnung 22 sind in einem Mittelabschnitt der unteren Platte 13 vorgesehen, der von der Ausdehnungsmanschette 20 umgeben ist.The upper bearing 18 a is fixedly attached to the lower surface of the lower plate 12 , while the lower bearing 18 b is held above the lower plate 13 so that it can rise and fall freely. An expansion sleeve 20 is held in engagement by its lower edge engaging a central portion of the lower surface of the lower plate 13 . The lower bearing 18 b is held in engagement on an upper edge of the expansion sleeve 20 . A supply opening 21 and an outlet opening 22 are provided in a central portion of the lower plate 13 surrounded by the expansion sleeve 20 .
Druckluft wird mittels der Zuführungsöffnung 21 oder der Auslaßöffnung 22 der Ausdehnungsmanschette 20 zugeführt bzw. von ihr abgegeben. Die Ausdehnungsmanschette 20, die Zuführungsöffnung 21 und die Auslaßöffnung 22 bilden die Eingriffs/Ausrückeinrichtung, wodurch das untere Lager 18b angehoben oder abgesenkt werden kann, um das Hilfslager einzurücken oder auszurücken. Das untere Lager 18b greift in einen (nicht gezeigten) Führungsabschnitt ein, der innerhalb des Gehäuses 9 vorgesehen ist, so daß ermöglicht wird, daß sich das untere Lager 18b frei nach oben und unten bewegen kann, aber verhindert wird, daß das untere Lager 18b eine radiale positionsmäßige Anderung erfährt.Compressed air is supplied to or released from the expansion sleeve 20 by means of the supply opening 21 or the outlet opening 22 . The expansion sleeve 20 , the supply opening 21 and the outlet opening 22 form the engagement / disengagement device, whereby the lower bearing 18 b can be raised or lowered to engage or disengage the auxiliary bearing. The lower bearing 18 b engages in a guide portion (not shown) which is provided inside the housing 9 , so that the lower bearing 18 b can be freely moved up and down, but is prevented from the lower Bearing 18 b undergoes a radial change in position.
Außerdem ist ein Rotor 23 auf einer äußeren Umfangsfläche an einem unteren Endabschnitt der Drehwelle 11 befestigt, während ein Stator 24 auf einer inneren Umfangsfläche der zylindrischen Wand 11 an einer dem Stator 23 entsprechenden Position vorgesehen ist. Der Rotor 23 und der Stator 24 bilden einen elektrischen Motor 25 um die Drehwelle 10 zu drehen. Durch die folgende Betriebsweise kann, mit der wie oben beschrieben konstruierten hybriden supraleitenden Lagereinheit der vorliegenden Erfindung die Drehwelle 10 mit einer hohen Geschwindigkeit oberhalb der "kritischen Geschwindigkeit" N0 gedreht werden.In addition, a rotor 23 is fixed on an outer peripheral surface to a lower end portion of the rotating shaft 11 , while a stator 24 is provided on an inner peripheral surface of the cylindrical wall 11 at a position corresponding to the stator 23 . The rotor 23 and the stator 24 form an electric motor 25 to rotate the rotary shaft 10 . By the following operation, with the hybrid superconducting bearing unit of the present invention constructed as described above, the rotating shaft 10 can be rotated at a high speed above the "critical speed" N0.
Bevor dem elektrischen Motor 25 Energie zugeführt wird, wird der Ausdehnungsmanschette 20 Druckluft über die Zuführungsöffnung 21 zugeführt, wodurch das untere Lager 18b zusammen mit der Drehwelle 10 gehoben wird. Als Folge davon paßt der konische Vorsprung 17a bündig in die konische Aufnahme 19a des oberen Lagers 18a und der konische Vorsprung 17b paßt bündig in die konische Aufnahme 19b des unteren Lagers 18b. Mittels des Paars von oberen und unteren Gleitlagern wird in diesem Zustand die Drehwelle 10 so gehalten, daß sie sich frei innerhalb des Gehäuses 9 drehen kann. Außerdem werden in diesem Zustand das Paar von oberen und unteren Permanentmagneten 14a und 14b und supraleitenden Körpern 15a und 15b jeweils zueinander konzentrisch gehalten. Zugleich werden die Lagerspalte 16a und 16b variiert, so daß der untere Lagerspalt 16a kleiner wird (so nahe am Minimum wie möglich) während der untere Lagerspalt 16b größer wird.Before the electric motor 25 is supplied with energy, the expansion sleeve 20 is supplied with compressed air via the supply opening 21 , as a result of which the lower bearing 18 b is lifted together with the rotary shaft 10 . As a result, the conical projection 17 a fits flush into the conical receptacle 19 a of the upper bearing 18 a and the conical projection 17 b fits flush into the conical receptacle 19 b of the lower bearing 18 b. In this state, the rotary shaft 10 is held by means of the pair of upper and lower slide bearings in such a way that it can rotate freely within the housing 9 . In addition, in this state, the pair of upper and lower permanent magnets 14 a and 14 b and superconducting bodies 15 a and 15 b are each kept concentric with one another. At the same time, the bearing gaps 16 a and 16 b are varied, so that the lower bearing gap 16 a becomes smaller (as close to the minimum as possible) while the lower bearing gap 16 b becomes larger.
Danach wird die Energieversorgung für den elektrischen Motor 25 eingeschaltet und die Drehwelle 10 beginnt sich zu drehen. Die "kritische Geschwindigkeit" N0 des supraleitenden Lagers ist durch die Masse der Drehwelle 10 und die daran befestigten Elemente und durch die Lagerfestigkeit oder Stabilität des supraleitenden Lagers bestimmt. Jedoch besteht mit dem Gleitlager, das aus sowohl dem oberen Lager 18a als auch dem unteren Lager 18b gebildet ist, eine ausreichende Lastlagerungskapazität und Festigkeit oder Stabilität in der radialen Richtung, so daß die "kritische Geschwindigkeit" N1, die durch die Lagerfestigkeit oder Stabilität des Gleitlagers bestimmt wird, im Vergleich mit der "kritischen Geschwindigkeit" N0 des supraleitenden Lagers ausreichend hoch. Sogar wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle 10 allmählich ansteigt, bis die Umdrehungsgeschwindigkeit die "kritische Geschwindigkeit" N0 des supraleitenden Lagers erreicht, tritt dementsprechend ein Wirbeln der Drehwelle 10 nicht auf.Then the power supply for the electric motor 25 is switched on and the rotary shaft 10 begins to rotate. The "critical speed" N0 of the superconducting bearing is determined by the mass of the rotary shaft 10 and the elements attached to it and by the stability or stability of the superconducting bearing. However, with the slide bearing, which is formed from both the upper bearing 18 a and the lower bearing 18 b, sufficient load bearing capacity and strength or stability in the radial direction, so that the "critical speed" N1 by the bearing strength or Stability of the plain bearing is determined, in comparison with the "critical speed" N0 of the superconducting bearing sufficiently high. Accordingly, even if the rotational speed of the rotating shaft 10 gradually increases until the rotating speed reaches the "critical speed" N0 of the superconducting bearing, the rotating shaft 10 does not whirl.
Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle 10 steigt dann über die "kritische Geschwindigkeit" N0 an. Nach Überschreiten der "kritischen Geschwindigkeit" N0 wird die Druckluft in der Ausdehnungsmanschette 20 über die Auslaßöffnung 22 abgegeben und das untere Lager 18b senkt sich ab. In dem Zeitabschnitt, nachdem Druckluft an die Ausdehnungsmanschette 20 über die Zuführungsöffnung 21 zugeführt worden ist und bevor die Druckluft über die Auslaßöffnung 22 abgegeben wird, wird flüssiger Stickstoff in die (nicht gezeigte) in dem Gehäuse 9 vorgesehene Kühlummantelung geleitet. Als Folge davon wird das Paar von supraleitenden Körpern 15a und 15b in einen supraleitenden Zustand gebracht.The rotational speed of the rotary shaft 10 then increases above the "critical speed" N0. After exceeding the "critical speed" N0 the compressed air is released into the expansion sleeve 20 through the discharge port 22 and the lower bearing 18 b lowers. In the period after compressed air has been supplied to the expansion sleeve 20 via the supply opening 21 and before the compressed air is discharged via the outlet opening 22 , liquid nitrogen is passed into the cooling jacket (not shown) provided in the housing 9 . As a result, the pair of superconducting bodies 15 a and 15 b is brought into a superconducting state.
Dadurch wird die Haltekraft auf der Drehwelle 10, die durch das untere Lager 18b vorgesehen wird, durch Absenken des unteren Lagers 18b beseitigt, sobald die supraleitenden Körper 15a und 15b supraleitend geworden sind. Die Drehwelle 10 und das obere und untere Paar von Permanentmagneten 14a und 14b weisen eine Tendenz auf, daß sie unter ihrem Gewicht als Folge einer Beseitigung der Haltekraft fallen. Außerdem wird der Lagerspalt 16a größer, während der Lagerspalt 16b kleiner wird.As a result, the holding force on the rotary shaft 10 , which is provided by the lower bearing 18 b, is eliminated by lowering the lower bearing 18 b as soon as the superconducting bodies 15 a and 15 b have become superconducting. The rotary shaft 10 and the upper and lower pair of permanent magnets 14 a and 14 b have a tendency to fall under their weight as a result of eliminating the holding force. In addition, the bearing gap 16 a is larger, while the bearing gap 16 b is smaller.
In diesem Zustand erzeugt der von dem Paar von Permanentmagneten 14a und 14b ausgehende magnetische Fluß einen Pinning-Effekt innerhalb der supraleitenden Körper 15a und 15b. Als Folge davon erhöht sich eine Kraft zwischen den gegenüberliegenden Elementen 14a und 14b, 15a und 15b in einer Richtung, um die gegenseitige positionsmäßige Änderung der Permanentmagneten 14a und 14b und den supraleitenden Körpern 15a und 15b zu verhindern.In this state, the magnetic flux emanating from the pair of permanent magnets 14 a and 14 b produces a pinning effect within the superconducting bodies 15 a and 15 b. As a result, a force increases between the opposite elements 14 a and 14 b, 15 a and 15 b in one direction to prevent the mutual change in position of the permanent magnets 14 a and 14 b and the superconducting bodies 15 a and 15 b.
Das heißt, mit der Tendenz der Drehwelle 10 etc. unter ihrem Eigengewicht zu fallen, wirft eine anziehende Kraft auf Grund der Pinning-Kraft zwischen dem oberen Permanentmagneten 14a und dem supraleitenden Körper 15a und eine abstoßende Kraft auf Grund der Pinning-Kraft wirkt zwischen dem unteren Permanentmagneten 14b und dem supraleitenden Körper 14b. Als Folge davon wird das Fallen der Drehwelle 10 gestoppt, wobei das Eigengewicht durch die anziehenden und abstoßenden Kräfte ausgeglichen wird. Außerdem wird eine positionsmäßige Änderung der Drehwelle 10 in der radialen Richtung mittels einer Kraft auf Grund der Pinning-Kraft verhindert.That is, with the tendency of the rotary shaft 10 etc. to fall under its own weight, an attractive force due to the pinning force between the upper permanent magnet 14 a and the superconducting body 15 a and a repulsive force due to the pinning force acts between the lower permanent magnet 14 b and the superconducting body 14 b. As a result, the falling of the rotary shaft 10 is stopped, and the dead weight is compensated by the attractive and repulsive forces. In addition, a change in position of the rotary shaft 10 in the radial direction by means of a force due to the pinning force is prevented.
Dementsprechend wird nach Verlust der durch das untere Lager 18b vorgesehenen Haltekraft, die Drehwelle 10 zu dem Gehäuse 9 konzentrisch in einem schwebenden Zustand gehalten. Dementsprechend üben Reibungskräfte bezüglich der Umdrehung der Drehwelle 10 keine Wirkung mehr aus. In diesem Zustand hat die Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle 10 bereits die "kritische Geschwindigkeit" N0 überschritten. Dementsprechend wird ein Wirbeln der Drehwelle 10 vermieden, wodurch ermöglicht wird, daß sich die Drehwelle 10 bei einer extrem hohen Geschwindigkeit dreht.Accordingly, the rotary shaft after loss of b through the lower bearing 18 provided for retaining force, held for 10 concentrically in a floating state to the housing. 9 Accordingly, frictional forces no longer have any effect on the rotation of the rotary shaft 10 . In this state, the rotational speed of the rotary shaft 10 has already exceeded the "critical speed" N0. Accordingly, swirling of the rotating shaft 10 is avoided, thereby allowing the rotating shaft 10 to rotate at an extremely high speed.
Die "kritische Geschwindigkeit" N0 der Drehwelle 10, die durch die Lagerfestigkeit oder Stabilität des supraleitenden Lagers bestimmt wird, variiert in Abhängigkeit von Parametern wie beispielsweise des Materials, Durchmessers und der Länge der Drehwelle 10 und des Gewichts und Positionierung von Elementen die an der Drehwelle 10 befestigt werden. Falls die Drehwelle 10 beispielsweise als eine Lagerspindel einer Zentrifugal - Abscheidevorrichtung verwendet wird, ist die "kritische Geschwindigkeit" ungefähr 2000-3000 Umdrehungen pro Minute. Außerdem ist die Zeit, die die Drehwelle 10 benötigt um aus dem stationären Zustand, wenn der elektrische Motor 25 gestartet wird, auf oberhalb der "kritischen Geschwindigkeit" N0 der Drehwelle 10 zu beschleunigen, extrem kurz und in der Größenordnung einiger Sekunden bis einiger Zehntelsekunden. Dementsprechend kann die Drehwelle 10 während eines Beschleunigungs zum Durchlaufen der "kritischen Geschwindigkeit" N0 durch die Gleitlager ohne irgendwelche Probleme gehalten werden.The "critical speed" N0 of the rotary shaft 10 , which is determined by the bearing strength or stability of the superconducting bearing, varies depending on parameters such as the material, diameter and length of the rotary shaft 10 and the weight and positioning of elements on the rotary shaft 10 are attached. For example, if the rotary shaft 10 is used as a bearing spindle of a centrifugal separator, the "critical speed" is approximately 2000-3000 revolutions per minute. In addition, the time required for the rotation shaft 10 needed to get out of the stationary state, when the electric motor 25 is started to accelerate above the "critical speed" N0 of the rotary shaft 10 is extremely short and in the order of some seconds to some tenths of a second. Accordingly, the rotary shaft 10 can be held without any problems during acceleration to pass the "critical speed" N0 through the slide bearings.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel sind runde Vorsprünge 26a und 26b an den unteren Endflächen des oberen Lagers 18a bzw. an der Drehwelle 10 gebildet, und konkave Abschnitte 27a und 27b sind an den unteren Endflächen der Drehwelle 10 bzw. des unteren Lagers 18b gebildet. Fig. 2 shows a second embodiment of the present invention. In this example, round projections 26 a and 26 b are formed on the lower end surfaces of the upper bearing 18 a and on the rotary shaft 10 , respectively, and concave portions 27 a and 27 b are on the lower end surfaces of the rotary shaft 10 and the lower bearing 18 b formed.
Die jeweiligen runden Vorsprünge 26a und 26b und die runden konkaven Abschnitte 27a und 27b stehen miteinander im Eingriff, wenn sich das untere Lager 18b hebt, wenn an die Ausdehnungsmanschette 20 Druckluft zugeführt wird. Das obere und untere Paar von Permanentmagneten 14a und 14b bzw. supraleitende Körper 15a und 15b (Fig. 1) werden dann zueinander konzentrisch. Zugleich werden durch Eingriffe zwischen den jeweiligen Vorsprüngen 26a und 26b und runden konkaven Ausnehmungen 27a und 27b obere und untere Paare von Gleitlagern geschaffen. Andere Aspekte der Konstruktion und des Betriebs sind im wesentlichen die gleichen wie für das erste Ausführungsbeispiel. Falls erforderlich , können beispielsweise dynamische Ausnehmungen in den Eingriffsflächen gebildet werden.The respective round projections 26 a and 26 b and the round concave sections 27 a and 27 b are in engagement with each other when the lower bearing 18 b rises when compressed air is supplied to the expansion sleeve 20 . The upper and lower pair of permanent magnets 14 a and 14 b or superconducting body 15 a and 15 b ( Fig. 1) are then concentric with each other. At the same time, upper and lower pairs of slide bearings are created by interventions between the respective projections 26 a and 26 b and round concave recesses 27 a and 27 b. Other aspects of construction and operation are essentially the same as for the first embodiment. If necessary, dynamic recesses can be formed in the engagement surfaces, for example.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem Rollager als die Hilfslager verwendet werden. Eine obere Aufnahme 29a wird auf einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der oberen Platte 12 so gehalten, daß sie sich mittels eines Rillenkugellagers 28a frei drehen kann. Eine untere Aufnahme 29b ist auf einem oberen Endabschnitt der auf dem Mittelabschnitt der unteren Platte 13 vorgesehenen Ausdehnungsmanschette 20 gehalten, um sich mittels eines Tiefnut-Kugellagers 28b frei zu drehen. Fig. 3 shows a third embodiment of the present invention in which roller bearings are used as the auxiliary bearings. An upper receptacle 29 a is held on a central portion of the lower surface of the upper plate 12 so that it can rotate freely by means of a deep groove ball bearing 28 a. A lower receptacle 29 b is held on an upper end portion of the expansion sleeve 20 provided on the central portion of the lower plate 13 to rotate freely by means of a deep groove ball bearing 28 b.
Konische Vorsprünge 17a und 17b sind an oberen und unteren Enden der Drehwelle 10 gebildet und konische Aufnahmen 19a und 19b sind auf der unteren Fläche der Aufnahme 29a am oberen Ende bzw. auf der unteren Fläche der Aufnahme 29b am unteren Ende gebildet. Das Paar von oberen und unteren Permanentmagneten 14a und 14b und supraleitenden Körpern 15a und 15b (Fig. 1) werden zueinander konzentrisch, wenn die Aufnahme 29b am unteren Ende angehoben wird, wenn Druckluft in die Ausdehnungsmanschette 20 geleitet wird. Mit dieser Anordnung ist ein Gleiten zwischen den jeweiligen konischen Vorsprüngen 17a und 17b und konischen Aufnahmen 19a und 19b nicht notwendig. Andere Aspekte der Konstruktion und des Betriebs sind im wesentlichen die gleichen wie für die ersten und zweiten Ausführungsbeispiele.Conical projections 17 a and 17 b are formed at the upper and lower ends of the rotary shaft 10 and conical receptacles 19 a and 19 b are on the lower surface of the receptacle 29 a at the upper end and on the lower surface of the receptacle 29 b at the lower end educated. The pair of upper and lower permanent magnets 14 a and 14 b and superconducting bodies 15 a and 15 b ( Fig. 1) are concentric with each other when the receptacle 29 b is raised at the lower end when compressed air is fed into the expansion sleeve 20 . With this arrangement, sliding between the respective conical projections 17 a and 17 b and conical receptacles 19 a and 19 b is not necessary. Other aspects of construction and operation are essentially the same as for the first and second embodiments.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Steuerschaltung ein hybrides supraleitenden Lagers der vorliegenden Erfindung. Fig. 4 shows an example of a control circuit showing a hybrid superconducting bearing of the present invention.
Ein Erfassungssignal A von einem Umdrehungsgeschwindigkeitssensor 30, der die Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle 10 erfaßt, wird einer Steuereinrichtung 31 eingegeben. Die Steuereinrichtung 31 gibt ein Steuersignal B an die Eingriffs/Ausrück-Einrichtung 32 ab, um das Hilfslager einzurücken und auszurücken.A detection signal A from a rotation speed sensor 30 , which detects the rotation speed of the rotary shaft 10 , is input to a controller 31 . The control device 31 outputs a control signal B to the engagement / disengagement device 32 in order to engage and disengage the auxiliary bearing.
Die Steuereinrichtung 31 umfaßt eine Einstelleinrichtung 33 zum Einstellen einer Geschwindigkeit über der "kritischen Geschwindigkeit" N0 und zum Speichern dieser Einstellung, einem Vergleicher 34 zum Vergleichen eines Einstellsignals C, das von der Einstelleinrichtung 33 abgegeben wird, mit dem Erfassungssignal A und zum Abgeben eines Befehlsignals D, wenn das Erfassungssignal A größer gleich dem Einstellsignal C ist, und einen Steuerschaltkreis 35 zum Abgeben eines Steuersignals B auf Grundlage des Befehlssignals D.The control device 31 comprises a setting device 33 for setting a speed above the "critical speed" N0 and for storing this setting, a comparator 34 for comparing a setting signal C which is output by the setting device 33 with the detection signal A and for outputting a command signal D when the detection signal A is greater than or equal to the setting signal C, and a control circuit 35 for outputting a control signal B based on the command signal D.
Die Steuerschaltung ist mit der hybriden supraleitenden Lagereinheit der vorliegenden Erfindung eingeschlossen. Wenn die Drehwelle 10 aus dem stationären Zustand gestartet wird, wird dann mit dieser Steuerschaltung ohne irgendwelche speziellen Behandlungserfordernissen, die Geschwindigkeit der Drehwelle ohne Auftreten eines Wirbelns in die Nähe der "kritischen Geschwindigkeit" N0 angehoben. Das heißt, daß unmittelbar nach Starten aus dem Stoppzustand und während eines Zustandes, bei dem die Umdrehungsfrequenz niedrig ist, die Steuerschaltung arbeitet, um der Ausdehnungsmanschette 20 der Eingriffs/Ausrückeinrichtung 32 Druckluft zuzuführen. Wenn dann die Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle 10 die "kritische Geschwindigkeit" N0 überschreitet, arbeitet die Steuerschaltung um automatisch Druckluft aus der Ausdehnungsmanschette 20 auszulassen, wodurch der Eingriff der Drehwelle mit dem Gleitlager, Flüssigkeitslager oder Rollager in dem Hilfslager gelöst wird.The control circuit is included with the hybrid superconducting bearing unit of the present invention. When the rotary shaft 10 is started from the stationary state, with this control circuit without any special treatment requirements, the speed of the rotary shaft is raised to the vicinity of the "critical speed" N0 without occurrence of swirling. That is, immediately after starting from the stop state and during a state where the rotation frequency is low, the control circuit operates to supply compressed air to the expansion sleeve 20 of the engagement / disengagement device 32 . Then, when the rotational speed of the rotary shaft 10 exceeds the "critical speed" N0, the control circuit operates to automatically discharge compressed air from the expansion sleeve 20 , thereby releasing the rotary shaft from engaging with the slide bearing, liquid bearing or roller bearing in the auxiliary bearing.
Elemente die mittels der Steuerschaltung B betrieben werden können, umfassen beispielsweise ein in der Zuführungs/Auslasschaltung für Druckluft vorgesehenes Schaltventil vom elektromagnetischen Typ. Außerdem ist es möglich, die Ausdehnungsmanschette 20 durch ein Solenoid zu ersetzen. Somit kann mit einer aus diesem Solenoid gebildeten Eingriffs/Ausrück-Einrichtung 32 das Solenoid direkt von dem Steuersignal B betätigt werden.Elements which can be operated by means of the control circuit B include, for example, a switching valve of the electromagnetic type provided in the supply / outlet circuit for compressed air. It is also possible to replace the expansion sleeve 20 with a solenoid. Thus, with an engagement / disengagement device 32 formed from this solenoid, the solenoid can be operated directly by the control signal B.
In der obigen Beschreibung dreht sich die Drehwelle 10 innerhalb eines festen Gehäuses 9. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Erfindung beschränkt und kann auch auf einem Rotor angewendet werden, der sich um eine feste Achse dreht.In the above description, the rotating shaft 10 rotates within a fixed housing 9 . However, the present invention is not limited to this invention and can also be applied to a rotor that rotates around a fixed axis.
Mit dem hybriden supraleitenden Lager der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Umdrehungsgeschwindigkeit eines sich drehenden Körpers, beispielsweise einer Drehwelle, über die "kritische Geschwindigkeit" hinaus zu beschleunigen. Dementsprechend leistet die vorliegende Erfindung einen beträchtlichen Beitrag für die praktische Verwendung von hybriden supraleitenden Lagereinheiten mit niedriger Festigkeit oder radialer Stabilität und niedriger Lastlagerungskapzität.With the hybrid superconducting bearing of the present Invention it is possible to change the speed of rotation a rotating body, for example one Rotary shaft, beyond the "critical speed" too accelerate. Accordingly, the present one does Invention made a significant contribution to the practical Use of hybrid superconducting bearing units with low strength or radial stability and low load bearing capacity.
Claims (2)
- - Vorsehen eines supraleitenden Lagers mit einem Permanentmagneten (14a, 14b) und einem supraleitenden Element (15a, 15b) zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9);
- - Vorsehen eines Hilfslagers (18a, 18b) , das kein supraleitendes Lager ist, zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9);
- - Vorsehen einer Einrück/Ausrück-Einrichtung (20-22);
- - Einrücken eines Hilfslagers (18a, 18b) zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9) mittels der Einrück/Ausrück-Einrichtung (20-22) bis zu einem Zeitpunkt, bei dem die relative Geschwindigkeit zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9) die "kritische Geschwindigkeit" (N0) des supraleitenden Lagers übersteigt, so daß das sich drehende Element, das entweder die Welle (10) oder das Eingriffselement (9) ist, von dem sich nicht drehenden Element mittels des Hilfslagers (14a, 14b) gehalten wird, um sich frei zu drehen;
- - Ausrücken des Hilfslagers (14a, 14b) von dem sich drehenden Element mittels der Einrück/Ausrück-Einrichtung (20-22) , so daß das sich drehende Element von dem sich nicht drehenden Element mittels des supraleitenden Lagers gehalten wird, nachdem die relative Geschwindigkeit die "kritische Geschwindigkeit" (Nc) überschritten hat.
- - Providing a superconducting bearing with a permanent magnet ( 14 a, 14 b) and a superconducting element ( 15 a, 15 b) between the shaft ( 10 ) and the engagement element ( 9 );
- - Providing an auxiliary bearing ( 18 a, 18 b), which is not a superconducting bearing, between the shaft ( 10 ) and the engagement element ( 9 );
- - providing an engagement / disengagement means (20 - 22);
- - Engaging an auxiliary bearing ( 18 a, 18 b) between the shaft ( 10 ) and the engaging element ( 9 ) by means of the engagement / disengagement device ( 20 - 22 ) until a time at which the relative speed between the shaft ( 10 ) and the engaging element ( 9 ) exceeds the "critical speed" (N0) of the superconducting bearing, so that the rotating element, which is either the shaft ( 10 ) or the engaging element ( 9 ), of the non-rotating element by means of the Auxiliary bearing ( 14 a, 14 b) is held to rotate freely;
- - disengagement of the auxiliary bearing (14 a, 14 b) of the rotating element by means of the engagement / disengagement means (20 - 22) so that the rotating member is held by the non-rotating member by means of the superconducting bearing after the relative speed has exceeded the "critical speed" (Nc).
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| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8363 | Opposition against the patent | ||
| 8320 | Willingness to grant licenses declared (paragraph 23) | ||
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