DE4436831C2 - Magnetische Lagerung einer Rotorwelle unter Verwendung von Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Lagerung einer Rotorwelle mit bei deren Auslenkung aus einer Sollage radial und gegebenenfalls axial rückstellenden magnetischen Kräften. Eine derartige magnetische Lagerung geht aus der US-PS 5 196 748 hervor.

Magnetische Lager erlauben eine berührungs- und verschleiß­ freie Lagerung von bewegten Teilen. Sie benötigen keine Schmiermittel und können reibungsarm konstruiert werden. Da­ bei läßt sich ein Rotorkörper hermetisch, z. B. vakummdicht von dem ihn umgebenden Außenraum trennen.

Herkömmliche (konventionelle) Magnetlager benutzen magneti­ sche Kräfte zwischen stationären Elektromagneten eines Sta­ tors und mitrotierenden ferromagnetischen Elementen eines Ro­ torkörpers. Die Magnetkräfte sind bei diesem Lagertyp immer anziehend. Als Folge davon kann prinzipiell keine inhärent stabile Lagerung in allen drei Raumrichtungen erzielt werden (vgl. "Earnshaw′sches Theorem" in "Transactions of the Cam­ bridge Philosophical Society", Vol. 7, 1842, Seiten 97 bis 120). Solche Magnetlager benötigen deshalb eine aktive Lage­ regelung, die über Lagesensoren und einen Regelkreis die Ströme der Tragemagnete steuert und Abweichungen des Rotor­ körpers aus seiner Sollage entgegenwirkt. Die mehrkanalig auszuführende Regelung benötigt eine aufwendige Leistungs­ elektronik. Gegen einen plötzlichen Ausfall des Regelkreises muß zusätzlich ein mechanisches Fanglager vorgesehen werden. Entsprechende Magnetlager werden z. B. bei Turbomolekularpum­ pen, Ultrazentrifugen, schnellaufenden Spindeln von Werkzeug­ maschinen und Röntgenröhren mit Drehanoden eingesetzt; eine Verwendung bei Motoren, Generatoren, Turbinen und Kompresso­ ren ist beabsichtigt.

Aus der US -A-4 072 370 geht eine Lagerung einer Rotorwelle aus einem nicht-magnetischen Material hervor. Um die Welle in axialer und radialer Richtung stabil zu lagern, sind sowohl an der Welle als auch an einem sie umschließenden Stator be­ sondere, entsprechende rückstellende Kräfte erzeugende Ma­ gnetanordnungen vorgesehen. Jede dieser Magnetanordnung um­ faßt dabei Eisenringe und radial polarisierte Magnetringe, die jeweils zusammen ein ringscheibenförmiges Element mit in axialer Richtung gesehen abwechselnder radialer Magnetisie­ rung bilden. Zwischen solchen benachbarten Elementen befinden sich weitere Magnetringe mit abwechselnd axialer Magnetisie­ rung. Der konstruktive Aufwand für eine stabile Lagerung ist dementsprechend groß.

Ferner ist es aus der JP-A-4-290609 prinzipiell bei passiv stabilisierten magnetischen Lagern bekannt, zur Erhöhung der magnetischen Flußdichte und zur Realisierung der magnetischen Sättigung alternierend extrem dünne Lagen aus magnetischem Material und plattenförmige Permanentmagnete aneinanderzufü­ gen. Auf diese Weise ist eine hohe axiale Steifigkeit und ei­ ne große passive Stabilität eines Lagers erreichbar.

Supraleiter erlauben einen neuen Typ von Magnetlagern: Einer der Lagerteile wird hier durch permanentmagnetische Elemente gebildet, die bei einer Lageänderung als Folge von Feldände­ rungen in Supraleiterteilen Abschirmströme induzieren. Die resultierenden Kräfte können abstoßend oder anziehend sein, sind aber immer so gerichtet, daß sie der Auslenkung aus der Sollage entgegenwirken. Im Gegensatz zu konventionellen Ma­ gnetlagern kann dabei eine inhärent stabile Lagerung erreicht werden (vgl. z. B. "Appl. Phys. Lett.", Vol. 53, No. 16, 1988, Seiten 1554-1556). Im Vergleich zu konventionellen Magnetla­ gern entfällt hier die aufwendige und störanfällige Regelung; es ist aber eine Kühlung des Supraleitermaterials erforder­ lich.

Solche supraleitenden Lagerteile können eines der ersten Ein­ satzfelder für die seit 1987 bekannten metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien wie z. B. auf Basis des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O sein, die mit flüssigem Stickstoff auf etwa 77 K gekühlt werden. In massiver Form können entsprechende Mate­ rialien bisher nur polykristallin hergestellt werden.

Bei der aus der eingangs genannten US-PS 5 196 748 zu entneh­ menden Lagerung sind an einer Rotorwelle eine Vielzahl von in Achsrichtung hintereinanderliegenden ringscheibenförmigen permanentmagnetischen Elementen befestigt. Diese Elemente sind so magnetisch polarisiert, daß sich in Achsrichtung ge­ sehen eine alternierende Magnetisierung ergibt. Zwischen be­ nachbarten Elementen sind jeweils vergleichsweise dünnere me­ tallische (Shim-) Elemente angeordnet. Diesen Zwischenelemen­ ten kommt in erster Linie die Aufgabe zu, die magnetischen Flußlinien benachbarter permanentmagnetischer Elemente räum­ lich und magnetisch zu trennen, so daß an jedem Zwischenele­ ment an seiner dem Lagerspalt zugewandten Seite ein praktisch feldfreier Spalt entsteht. Der so aufgebaute Rotorkörper ist von einer ortsfesten, hohlzylinderförmigen Struktur aus Hoch-T_c-Supraleitermaterial wie z. B. YBa₂Cu₃O_x umschlossen. Diese Struktur wird mit flüssigem Stickstoff (LN₂) auf etwa 77 K gehalten. Die US-PS zeigt ferner eine Rotorwelle aus einem ferromagnetischen Material mit einem hohen Permeabilitäts­ koeffizienten. Es wurde erkannt, daß sich deshalb der von den permanentmagnetischen Elementen hervorgerufene magneti­ sche Fluß zu einem großen Teil über diese Rotorwelle schließt. Dies hat zur Folge, daß der im wesentlichen an der Trennlinie zwischen den permanentmagnetischen Elementen und ihren jeweils zugeordneten Zwischenelementen austretende, mit der hohlzylindrischen Struktur aus dem Hoch-T_c-Supraleiterma­ terial wechselwirkende Magnetfluß entsprechend geschwächt ist. Es besteht dann die Gefahr, daß die in der supraleiten­ den Struktur hervorzurufenden Abschirmströme zu gering sind, um eine stabile Lagerung insbesondere von Rotorkörpern mit größerem Gewicht zu gewährleisten.

Aus der EP-A-0 322 693 ist eine magnetische Lagerung eines Rotors innerhalb eines Stators zu entnehmen, der aus Hoch-T_c-Supraleitermaterial besteht. Der Rotor ist dabei aus mehreren scheiben- oder zylinderförmigen Permanentmagneten gebildet, die hinsichtlich ihrer Magnetfeldrichtung (bzw. Magnetisie­ rung) alternierend hintereinander angeordnet sind. Zu einer axialen Stabilisierung des Rotors befinden sich solche Perma­ nentmagnete mit gleichem Außendurchmesser in einer entspre­ chenden zylindrischen Sackbohrung des Stators; oder aber es sind in dem Stator zylinderförmige Bereiche mit unterschied­ lichen Durchmessern vorgesehen, in denen sich Permanentmagne­ te des Rotors mit entsprechenden unterschiedlichen Durchmes­ sern befinden. Die bekannte Lagerung ist für eine verhältnis­ mäßig geringe Tragkraft ausgelegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die magnetische Lagerung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszubilden, daß eine inhärent axial und radial stabile, be­ rührungs- und verschleißfreie, reibungsarme Lage einer Rotor­ welle bewirkt wird. Dabei soll die Tragkraft und die Lager­ steifigkeit ausreichend sein, um mechanische Lager in Maschi­ nen wie Motoren, Generatoren, Pumpen, Zentrifugen, Schwungra­ denergiespeicher usw. ersetzen zu können. Ferner soll bei Ausfall der Kühlung die Lagerung Notlaufeigenschaften aufwei­ sen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 an­ gegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß der aus den permanentmagnetischen Elementen austretende Magnetfluß weitgehend über die ferromagnetischen Elemente zu führen ist, so daß sich dann der Vorteil eines verhältnismäßig großen ma­ gnetischen Flusses an den der supraleitenden Struktur zuge­ wandten Enden dieser ferromagnetischen Elemente ergibt. Die Lagersteifigkeit ist deshalb entsprechend hoch. Die magneti­ sche Lagerung wirkt dabei zumindest als ein Ra­ diallager. Außerdem braucht für die Lagerung vor­ teilhaft nur magnetisch-granulares Hoch-T_c-Supraleitermate­ rial vorgesehen zu werden. Dessen magnetische Eigenschaften sind durch die innerhalb der Kristallkörner zirkulierenden Kreisströme bestimmt, die zu einer irreversiblen Magnetisie­ rung führen (vgl. z. B. DE-OS 38 25 710). Damit können Pro­ bleme eines nicht befriedigenden Stromtransportes über die kristallinen Korngrenzen hinweg umgangen werden. Es wurde er­ kannt, daß hierzu die Kristallkörner einen hinreichend großen mittleren Korndurchmesser haben müssen. Der mittlere Korndurchmesser wird dabei in den kristallinen a-b-Ebenen des Hoch-T_c-Supraleitermaterials betrachtet, die vorzugsweise we­ nigstens annähernd parallel zu der dem Lagerspalt zugewandten Oberfläche der supraleitenden Struktur ausgerichtet sein sollten. Unter einem "Korn" (oder gleichbedeutend: "Kristal­ lit") wird dabei ein kristalliner Bereich des Supraleiterma­ terialgefüges mit einheitlicher kristalliner Ordnung verstan­ den, der an seinem Rand mit benachbarten Bereichen Korngren­ zen bildet. Die Korngröße bzw. -ausdehnung ist dabei durch den mittleren Durchmesser des einzelnen Korns in einem ebenen Schliff gekennzeichnet.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Lagerung soll der erste, mit der Rotorwelle verbundene Lagerteil die Struktur mit dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthalten. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Lagerung Teil eines Generator- oder Motorläu­ fers mit einer tiefgekühlten normalleitenden oder supralei­ tenden Wicklung ist, wobei sich auch die Welle auf tiefer Temperatur befindet. Infolge der Berührungsfreiheit entfällt dabei eine Wärmeeinströmung über die Welle.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Lagerung sind in Richtung der Achse der Welle langge­ streckte permanentmagnetische Elemente mit einer in Umfangs­ richtung gesehen alternierenden Polarisation vorgesehen. Mit einer derartigen Lagerung kann eine Welle radial gelagert und dabei ein Drehmoment berührungsfrei übertragen werden. Eine solche Ausgestaltung der Lagerung ist also dann von besonderem Vorteil, wenn über die Welle eine Antriebsleistung übertragen werden soll. D.h., die Lage­ rung besitzt Kupplungseigenschaften. Vorteilhaft wird dabei mit den permanentmagnetischen Elementen der den Rotorkörper umgebende, ortsfeste Lagerteil gebildet. Eine entsprechende Ausgestaltung ist jedoch auch für den Rotorkör­ per möglich. Die spezielle Lagerung mit den in axialer Richtung langgestreckten permanentmagnetischen Ele­ menten kann ebenfalls vorteilhaft für eine gekühlte Welle eines Generator- oder Motorläufers mit gekühlter Wicklung vorgesehen werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Un­ teransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird nachfol­ gend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen schema­ tisch

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Lagerung als Aufriß in Schrägansicht,

Fig. 2 den magnetischen Feldlinienverlauf in einem Teil dieser Lagerung,

Fig. 3 eine supraleitende Struktur dieser Lagerung,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer Lagerung in Schrägansicht mit drehmomentübertragenden Kupplungseigenschaften und

Fig. 5 eine andere Ausführungsform einer Lagerung als Querschnitt mit Kupplungseigenschaften. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten, allgemein mit 2 bezeichneten Lagerung ist eine Ausführungsform mit einem Ro­ torkörper 3 zugrundegelegt, der einen ersten, mit einer ro­ tierenden Welle 4 verbundenen Lagerteil 5 mit mehreren, bei­ spielsweise sechs ringscheibenförmigen permanentmagnetischen Elementen 6a bis 6f enthält. Diese Elemente sind jeweils so polarisiert, daß in Richtung der Wellenachse A gesehen die Polarisation von Element zu Element entgegengesetzt ist. Die einzelnen Polarisationsrichtungen sind in der Figur durch ge­ pfeilte Linien 7 angedeutet. Zwischen den permanentmagneti­ schen Elementen 6a bis 6f sind ringscheibenförmige Elemente 8a bis 8e aus einem ferromagnetischen Material wie z. B. Eisen angeordnet. Außerdem sind an den stirnseitigen Außenflächen der äußeren permanentmagnetischen Elemente 6a und 6f den Elementen 8a bis 8e entsprechende ferromagnetische Elemente 8f und 8g vorgesehen. Das ferromagnetische Material dieser Elemente 8a bis 8g dient zur Konzentration des Magnetflusses an der zylinderförmigen Außenfläche des Rotorkörpers 3 und erhöht dadurch die Tragkraft der Lagerung 2. Zu­ gleich verstärken die Elemente 8a bis 8g auch mechanisch den Rotorkörper 3 mit den im allgemeinen aus sprödem Material bestehenden permanentmagnetischen Elementen 6a bis 6f. Alle Elemente 6a bis 6f und 8a bis 8g sind stapelförmig hinterein­ ander an der Welle 4 befestigt. Die Welle besteht vorteilhaft aus einem nicht-magnetischen Material wie z. B. aus einem be­ sonderen Stahl.

Der Stapel von permanentmagnetischen Elementen kann aber auch auf einem rohrförmigen Trägerkörper aus unmagnetischem Mate­ rial aufgebracht sein, der seinerseits einen gegebenenfalls sogar ferromagnetischen Wellenteil umschließt. Die Wandstärke dieses dann einen hohlzylindrischen Randbereich der Welle darstellenden Trägerkörpers sollte in diesem Falle mindestens die halbe axiale Dicke der Magnetpole, d. h. (d1 + d2)/2, be­ tragen. Im allgemeinen besteht jedoch die gesamte Rotorwelle aus dem nicht-magnetischen Material.

Die Außenkontur der ferromagnetischen Elemente 8a bis 8g und gegebenenfalls die der permanentmagnetischen Elemente 6a bis 6f wird nach dem Stapeln und Fixieren, beispielsweise durch eine Verklebungstechnik, beispielsweise durch Schleifen oder Drehen in eine gleichmäßige zylindrische Form gebracht. Durch das ferromagnetische Material wird das Magnetfeld rotations­ symmetrisch, wobei zugleich Inhomogenitäten im Feld der per­ manentmagnetischen Elemente ausgeglichen werden.

Das permanentmagnetische Material der Elemente 6a bis 6f soll ein maximales Energieprodukt (B * H)_max von wenigstens 20 MGOe aufweisen und besteht insbesondere aus einer Neodym(Nd)- Eisen(Fe)-Bor(B)- oder gegebenenfalls aus einer Samarium(Sm)- Cobalt (Co)-Legierung. Der höchstmögliche magnetische Lager­ druck p_m beträgt unter der Annahme eines idealen Supraleiters und einer Weite Null des zwischen dem Rotorkörper 3 und einem ihn umschließenden Stator ausgebildeten Lagerspaltes 10: p_m = µ₀ * H²/2.

Dieser Lagerdruck wird nicht durch das für den Stator vorge­ sehene Supraleitermaterial sondern durch das maximal erreich­ bare Magnetfeld H im Lagerspalt 10 vorgegeben. Dafür ist der relevante Parameter die Koerzitivfeldstärke H_c des perma­ nentmagnetischen Materials. Als permanentmagnetisches Mate­ rial kommt deshalb insbesondere NdFeB in Frage, da es eine verhältnismäßig hohe Koerzitivfeldstärke H_c hat. SmCo hat ge­ genüber Raumtemperatur bei 77 K eine um 10% höhere Koerzi­ tivfeldstärke H_c, die dann mit der von NdFeB vergleichbar wird. Gegebenenfalls kommt deshalb auch eine Kühlung des permanentmagnetischen Materials in Frage.

Die radiale Ausdehnung a der ringscheibenförmigen permanent­ magnetischen Elemente sollte vorteilhaft mindestens das Zwei­ fache ihrer Dicke d1 in axialer Richtung betragen. Demgegen­ über wird vorteilhaft die axiale Dicke d2 jedes der ferroma­ gnetischen Zwischenelemente 8a bis 8g kleiner als die Dicke d1 gewählt; beispielsweise liegt die Dicke d2 bei ein bis zwei Zehntel der Dicke d1.

Fig. 2 zeigt in einem Längsschnitt durch einen Teil des Ro­ torkörpers 3 nach Fig. 1 den Verlauf von an einzelnen Ma­ gnetpolen der Polbreite L erzeugten magnetischen Feldlinien f. Wie aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, wird der von benach­ barten permanentmagnetischen Elementen (z. B. 6d, 6e) hervor­ gerufene Magnetfluß weitgehend in dem gemeinsamen ferroma­ gnetischen Zwischenelement (8d) konzentriert und tritt so mit hoher Flußdichte über dieses Zwischenelement in den Lager­ spalt 10 der Weite w aus. In diesem Lagerspalt schließt sich der Fluß zu jeweils benachbarten Zwischenelementen (8c bzw. 8e) hin. Eine den Rotorkörper 3 umschließende, den Lagerspalt 10 begrenzende, ortsfeste supraleitende Struktur, in der der von den einzelnen Magnetpolen erzeugte Magnetfluß entsprechende Ströme induziert, ist mit 12 bezeichnet. Auf der Seite der Rotorwelle 4 schließt sich der magnetische Fluß im Bereich des nicht-magnetischen Materials der Welle. Damit wird dort vorteilhaft ein magnetischer Kurzschluß vermieden, der zu einer Reduzierung des in den Lagerspalt 10 austreten­ den Magnetflusses führen wurde. Für den in Fig. 2 gezeigten Feldlinienverlauf wurden permanentmagnetische Elemente aus NdFeB (H_c ≈ 9 * 10⁵ A/m) mit einer axialen Dicke d1 von 3,4 mm und einer radialen Ausdehnung a von 15 mm, ferner Zwi­ schenelemente aus Weicheisen mit einer axialen Dicke d2 von 0,6 nun sowie eine Spaltweite w von 0,4 nun angenommen. Die su­ praleitende Struktur 12 hatte dabei eine kritische Strom­ dichte j_c in ihren Kristalliten (Körnern) von etwa 10⁵A/cm².

Der Rotorkörper 3 ist, durch den Lagerspalt 10 getrennt, von einem zweiten, hohlzylinderförmigen, ortsfesten Lagerteil 11 umgeben, wobei die Spaltweite w in der Größenordnung der Dicke d2 der ferromagnetischen Zwischenelemente 8a bis 8g liegt. Der den Stator bildende Lagerteil 11 weist auf seiner dem Rotorkörper 3 zugewandten Innenseite supraleitendes Ma­ terial aus einem der bekannten Hoch-Tc-Supraleitermaterialien auf, die eine LN₂-Kühltechnik erlauben.

Eine endliche Korngröße der Kristallite des Hoch-T_c-Supralei­ termaterials und dessen kritische Stromdichte, eine unvoll­ kommene Kristalltextur im Supraleitermaterial sowie eine be­ grenzte radiale Ausdehnung der permanentmagnetischen Elemente können die magnetischen Lagerkräfte begrenzen. Eine maximale Tragkraft ist nur dann zu erreichen, wenn für die kritische Intragrain-Stromdichte (Stromdichte innerhalb der einzelnen Körner) j_c des Supraleitermaterials die folgenden beiden Be­ dingungen gelten:

• 1) j_c » H_c/L. Hierbei ist L die Polbreite, die von der Mitte eines ferro­ magnetischen Zwischenelementes zur Mitte des zu ihm benach­ barten Elementes gemessen wird. Es ist deshalb L = d1 + d2.
• 2) Der größere Teil der Kristallkörner aus dem Hoch-T_c-Supra­ leitermaterial sollte in seinen mittleren Korndurchmessern zumindest annähernd parallel zu der dem Lagerspalt 10 zuge­ wandten Oberfläche der supraleitenden Struktur 12 größer als die Dicke d1, vorzugsweise größer als die Polbreite L im Stapel der permanentmagnetischen Elemente sein, damit sich das gewünschte Suprastrommuster ausbilden kann. An­ dernfalls begrenzt das supraleitende Material und nicht das permanentmagnetische Material die Tragkraft. Wegen der Be­ dingung 2) wird vorteilhaft für die erfindungsgemäße Lage­ rung ein Hoch-T_c-Supraleitermaterial vorgese­ hen, bei dem die Mehrzahl (d. h.: mehr als 50%) der Kri­ stallite (Körner) eine Ausdehnung wenigstens annähernd parallel zum Lagerspalt 10 hat, die zumindest größer als die axiale Dicke d1 der permanentmagnetischen Elemente ist. Vorzugsweise ist die Ausdehnung der Kristallite größer als L = d1 + d2.

Um die vorgenannten Bedingungen 1 und 2) zumindest im wesent­ lichen zu erfüllen, kommt als Supraleitermaterial insbeson­ dere texturiertes YBa₂Cu₃O_7-x in Frage. Vorteilhaft sind da­ bei die kristallinen a-b-Ebenen von mindestens einem großen Teil des Supraleitermaterials im wesentlichen parallel zur Außenfläche des Rotorkörpers 3 ausgerichtet. In dem Supra­ leitermaterial können vorteilhaft feinverteilte Ausschei­ dungen von Y₂BaCuO₅ vorhanden sein. Ein entsprechendes Mate­ rial läßt sich z. B. nach der sogenannten Quench-Melt-Growth- Methode (vgl. "Supercond. Sci. Technol.", Vol. 5, 1992, Sei­ ten 185 bis 203) herstellen und sollte bei 77 K eine kriti­ sche Stromdichte von einigen 10⁴ A/cm² aufweisen. Die mittle­ re Korngröße (Korndurchmesser) der Kristallite sollte dabei größer als die axiale Dicke d1 der permanentmagnetischen Ele­ mente sein, wobei die Korngröße in den kristallinen a-b-Ebe­ nen betrachtet wird.

Der supraleitende Teil des Lagerteils 11 kann gemäß der Dar­ stellung nach Fig. 3 aus mehreren sektorartigen Hohlzylin­ derteilen in einem Trägerkörper zu einer Struktur 12 zusam­ mengesetzt und so bearbeitet werden, daß seine Innenkontur die Zylinderform des Lagerspaltes 10 bildet. Bei dem in der Figur gezeigten Querschnitt sind 8 Sektoren 12i (mit 1 i 8) aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial als ein Stator vorge­ sehen. Die kristallographischen Basalebenen der supraleiten­ den Kristalle sind dabei innerhalb eines Winkels von etwa ± 30° ausgerichtet, so daß sie in den einzelnen Sektoren etwa parallel zur Oberfläche des Lagerspalts 10 orientiert sind. Infolge hoher, über die Enden der ferromagnetischen Zwi­ schenelemente 8a bis 8g in dem supraleitenden Material indu­ zierter Abschirmströme dringt das Magnetfeld in das supra­ leitende Material nur wenig ein und führt so zu einer ent­ sprechend hohen Lagerkraft und hohen Steifigkeit der Lage­ rung. Das supraleitende Material erfährt bei gleichmäßiger Rotation der Rotorwelle um ihre Achse durch das ferromagne­ tische Material nur eine verhältnismäßig kleine Wechsel­ feldamplitude ΔH; dies führt zu entsprechend begrenzten Ma­ gnetisierungsverlusten P <= proportional zu ΔH³) und somit zu einer entsprechend geringen Lagerreibung.

Wie ferner aus Fig. 1 hervorgeht, wird das supraleitende Ma­ terial in den Sektoren 12i an der Außenseite der Struktur 12 über Kühlkanäle 14 in dem Trägerkörper 13 mit flüssigem Stickstoff (LN₂) aus einem externen Vorratsbehälter gekühlt. Ein Füllstandsmelder gibt bei Absinken des Kühlmittels unter eine vorgegebene Schwelle ein Signal zum Abschalten, bevor die Tragwirkung der Lagerung infolge Erwärmung abnimmt.

Außerhalb des Bereichs des Rotorkörpers 3 weist die Lage­ rungseinrichtung 2 eine absenkbare Halte- und Zentriervor­ richtung 15 auf, die die Lagerkraft bei Stillstand aufnimmt, solange das supraleitende Material über seiner Betriebstempe­ ratur liegt. Diese Vorrichtung hebt die Welle 4 an, bis der Rotorkörper an einem oberen Scheitelpunkt nahezu oder ganz die supraleitende Struktur 12 berührt. Gleichzeitig wird die Lagerposition axial und lateral zentriert. Diese Zentrierung kann, wie aus Fig. 1 hervorgeht, beispielsweise durch eine Nut 17 in der Achse A und eine schneidenförmige Auflage 18 geschehen. Nach Abkühlen senkt die Vorrichtung die Welle ab. Infolge der damit verbundenen Feldänderung im Supraleiterma­ terial werden darin Ströme induziert. Es entwickelt sich so eine zunehmende elektromagnetische Kraft zwischen Rotorkörper und dem ihn umgebenden Stator, die der Bewegungsrichtung ent­ gegengesetzt wirkt, bis der Rotorkörper etwa in der Mitte des Lagerspalts 10 frei schwebt. Dabei wirken die Magnetkräfte im unteren Lagerbereich abstoßend, während sich im oberen La­ gerbereich anziehende Kräfte addieren. Dies ist ein Vorteil gegenüber bekannten Lagern, bei denen-der Rotorkörper aus größerer Entfernung abgesenkt wird und wo nur abstoßende Kräfte auftreten. Mit der erfindungsgemäßen Lagerung sind Lagerdrücke von bis zu 10 bar und eine erhebliche Steifigkeit der Lagerung gegen Verschiebungen des Ro­ tors in radialer und axialer Richtung zu erreichen.

Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform einer Lage­ rung 2 wurde davon ausgegangen, daß die magneti­ schen Kräfte durch permanentmagnetische Kräfte 6a bis 6f her­ vorgerufen werden, die jeweils die Welle 4 in Ringform um­ schließen. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform einer weiteren erfindungsgemäßen Lagerung 20 sind in Umfangsrichtung gesehen alternierend gepolte permanentmagne­ tische Elemente 21i, 21j (mit 1 i n, 1 j n) und da­ zwischen verlaufende ferromagnetische Elemente 22k (mit 1 k 2n) in Form von achsenparallelen Streifen zu einer Hohlzy­ linderform um die Welle 4 zusammengefügt. Die in Umfangs­ richtung wechselnde Polarisierung zwischen benachbarten per­ manentmagnetischen Elementen 21i und 21j ist in der Figur wiederum durch gepfeilte Linien 7 angedeutet. Der so gebil­ dete, warme Rotorkörper 24 mit erstem Lagerteil 5 aus den Elementen 21i, 21j, 22k ist ebenfalls von einem kalten zwei­ ten Lagerteil 11 mit einer supraleitenden hohlzylinderförmi­ gen Struktur 12 und einem Trägerkörper 13 umgeben. Die ge­ zeigte Lagerung 20 wirkt als Radiallager sowie zugleich als berührungsfreie magnetische Kupplung, d. h., es kann gleichzeitig ein axiales Drehmoment übertragen werden. Als Beispiel ist ein Läufer mit supraleitender Wicklung möglich mit einem solchen Lager auf der Antriebsseite und einem Ra­ diallager wie vorstehend beschrieben auf der Gegenseite, der sich völlig berührungsfrei in einem Stator dreht. Eine dünne Hülle auf der Oberseite der supraleitenden Struktur 12 kann in eine mögliche vakuumdichte Umhüllung einbezogen werden, um eine thermische Isolation gegenüber dem Außenbereich zu ge­ währleisten.

Bei den in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Lagerungen 2 bzw. 20 wurde davon ausgegangen, daß jeweils der warme (erste) Lagerteil in einen Rotorkörper 3 bzw. 24 integriert ist, der von einem feststehenden kalten (zweiten) Lagerteil als Stator umgeben ist. Ebensogut ist es jedoch auch möglich, den kalten Lager­ teil mit dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial mitrotieren zu las­ sen und den warmen Lagerteil mit dem permanentmagnetischen Material als Stator auszubilden. Auch bei einer solchen Aus­ gestaltung einer Lagerung können ringscheiben­ förmige permanentmagnetische Elemente (entsprechend Fig. 1) oder axiale permanentmagnetische Elemente (entsprechend Fig. 3) vorgesehen werden. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer Lagerung 26 mit solchen axialen permanent­ magnetischen Elementen 27i, 27j (mit 1 i j; 1 j n). Diese Elemente sind jeweils über streifenartige Elemente 28k (mit 1 k 2n) aus ferromagnetischem Material beabstandet und bilden mit diesen den ortsfesten hohlzylindrischen (zweiten) Lagerteil 29. Dieser Lagerteil umschließt einen Ro­ torkörper 30 mit dem anderen (ersten) Lagerteil 31, welcher eine hohlzylindrische supraleitende Struktur 32 mit dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält. Bei dieser Ausführungsform kann die Rotorwelle 34 aus nicht-magnetischem Material zu­ gleich mindestens einen, insbesondere zentralen Kühlmittelka­ nal 35 aufweisen. Entsprechende Lagerungen mit kaltem Rotorkörper können vorteilhaft Teil eines Generator- oder Motorläufers mit einer Wicklung aus Hoch-T_c-Supraleiter material sein, wobei sich auch die Welle auf tiefer Tempera­ tur befindet. Infolge der Berührungsfreiheit entfällt die Wärmeeinströmung über die Welle.

Claims (9)

1. Magnetische Lagerung einer Rotorwelle (4, 34) gegen einen Stator mit folgenden Merkmalen:

• a) Ein erster Lagerteil (5, 31) ist mit der Rotorwelle (4, 34) verbunden und von einem zweiten, am Stator angeordne­ ten Lagerteil (11, 29) umgeben;
• b) die Rotorwelle (4, 34) besteht zumindest in einem dem er­ sten Lagerteil zugewandten, rohrförmigen Randbereich aus einem nicht-magnetischen Material;
• c) einer der beiden Lagerteile enthält eine Anordnung von ne­ beneinander angeordneten permanentmagnetischen Elementen (6a bis 6f; 21i, 21j), wobei die Magnetisierung benachbar­ ter permanentmagnetischer Elemente entgegengesetzt zuein­ ander ist und der Abstand zwischen den permanentmagneti­ schen Elementen jeweils mit einem ferromagnetischen Mate­ rial ausgefüllt ist zur Konzentration des aus den perma­ nentmagnetischen Elementen austretenden Magnetflusses an der dem anderen der beiden Lagerteile zugewandten Seite;
• d) der andere der beiden Lagerteile weist eine Struktur (12, 32) mit Hoch-T_c-Supraleitermaterial mit Körnern auf, von denen die Mehrzahl jeweils einen mittleren Korndurchmesser hat, der größer als zumindest die axiale Dicke (d1) jedes permanentmagnetischen Elementes (6a bis 6f; 21i, 21j) ist.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mittlere Korndurchmesser der Kör­ ner aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial jeweils größer als die Summe aus der axialen Dicke (d1) eines permanentmagneti­ schen Elementes (6a bis 6f; 21i, 21j) und der axialen Dicke (d2) eines ferromagnetischen Zwischenelementes (8a bis 8e; 22k) ist.

3. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste, mit der Rotorwelle (4) verbundene Lagerteil (5) die Anordnung der permanentma­ gnetischen Elemente (6a bis 6f; 21i, 21j) enthält.

4. Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste, mit der Rotorwelle (34) verbundene Lagerteil (31) die Struktur (32) mit dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthält.

5. Lagerung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Rotorwelle (34) mindestens ein Kühlmittelkanal (35) für ein das Hoch-T_c-Supraleitermaterial kühlendes Kühlmedium vorgesehen ist.

6. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch ein Supraleitermaterial, dessen kri­ stalline a-b-Ebenen im wesentlichen parallel zur Außenfläche des Rotorkörpers (3, 24, 30) ausgerichtet sind.

7. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn­ zeichnet durch in Richtung der Achse (A) der Rotor­ welle (4) hintereinander angeordnete permanentmagnetische Elemente (6a bis 6f).

8. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn­ zeichnet durch in Richtung der Achse (A) der Rotor­ welle (4) langgestreckte permanentmagnetische Elemente (21i, 21j; 27i, 27j) mit einer in Umfangsrichtung gesehen alternie­ renden Magnetisierung.

9. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rotorwelle (4) eine Halte- und Zentriervorrichtung (15) vorgesehen ist, die an der Rotorwelle angreift, wenn sich die supraleitende Struktur (12, 32) oberhalb ihrer Sprungtemperatur T_c befin­ det.