DE60222944T2

DE60222944T2 - Supraleitendes magnetisches lager

Info

Publication number: DE60222944T2
Application number: DE60222944T
Authority: DE
Inventors: Kenzo Koganei-shi MIYA; Kazuyuki Naka-gun DEMACHI; Hironori Osaka-shi KAMENO; Ryouichi Osaka-shi TAKAHATA
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2022-08-03
Also published as: US7466051B2; EP1548301B1; EP1548301A1; EP1548301A4; US20060103249A1; DE60222944D1; WO2004013504A1

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein supraleitendes magnetisches Lager mit einem festen Lagerbereich mit einer ringförmigen Supraleiter-Einheit, die auf einem festen Bereich angebracht ist, und einem drehbaren Lagerbereich mit einer ringförmigen Dauermagneteinheit, die auf einem drehbaren Bereich der Supraleiter-Einheit gegenüberliegend angeordnet ist, wobei der drehbare Bereich gegenüber dem festen Bereich berührungslos durch den Pinning-Effekt eines Supraleiters gelagert wird, der die Supraleiter-Einheit bildet, und wobei die Supraleiter-Einheit eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten Supraleiter-Teilen umfasst.
Das Dokument JP 05 248 436 A , Japan-Patent-Zusammenfassung Band 018, Nr. 006 (M-1537), beschreibt ein supraleitendes magnetisches Lager der vorbeschriebenen Art.
Stand der Technik
Zu den supraleitenden magnetischen Lagern der vorerwähnten und vorbekannten Art gehören solche, die einen festen Lagerbereich mit einer ringförmigen Supraleiter-Einheit, die auf einem festen Bereich angebracht ist, und einen drehbaren Bereich mit einem auf einem drehbaren Abschnitt der Supraleiter-Einheit gegenüberliegend angeordneten ringförmigen Dauermagneten umfasst. Zu diesen supraleitenden magnetischen Lagern gehören weiterhin supraleitende magnetische Lager in radialer Ausführung, bei denen zwei Lagerbereiche in radialer Richtung des Lagers gegenüberliegend angeordnet sind, sowie in axialer Ausführung mit zwei in Achsrichtung des Lagers gegenüberliegend angeordneten Lagerbereichen.
1 zeigt ein Beispiel eines konventionellen supraleitenden magnetischen Lagers in radialer Ausführung.
In 1 sind ein fester Bereich 1 in Form einer Welle sowie ein drehbarer Bereich 2 in Form eines um den festen Bereich 1 herum drehbaren Hohlzylinders dargestellt. Der feste Bereich 1 ist mit einem festen Lagerabschnitt 3 und der drehbare Bereich 2 mit einem drehbaren Lagerabschnitt 4 versehen.
Der feste Lagerbereich 3 ist mit einer Supraleiter-Einheit 5 in Form eines Hohlzylinders versehen. Wie aus 2 ersichtlich, weist die Supraleiter-Einheit eine Anzahl von Supraleiter-Teilen 6 in Form von in Umfangsrichtung geteilten Segmenten eines Hohlzylinders auf. Jedes dieser Supraleiter-Teile 6 umfasst einen Supraleiter der zweiten Art, in dem feine normal leitende Teilchen gleichmäßig angeordnet sind. Die Supraleiter-Teile 6 werden beispielsweise mit Flüssigstickstoff gekühlt.
Der drehbare Lagerbereich 4 umfasst zwei hohlzylindrische Dauermagneteinheiten 7, 8, die in Achsrichtung des Lagers Seite an Seite angeordnet sind, sowie drei ringförmige Joche 9 aus magnetischem Material mit Anordnung zwischen den benachbarten Endflächen der beiden Magneteinheiten 7, 8 sowie über die anderen Endflächen derselben hinweg. Wenngleich nicht im Detail dargestellt, weist jeder der Magneteinheiten 7 (8) eine Anzahl von Dauermagnetelementen 10 (11) in der Form von in Umfangsrichtung geteilten Segmenten eines Hohlzylinders auf. Je de der Dauermagneteinheiten 7, 8 besitzt Magnetpole an axial (oben und unten) gegenüberliegenden Enden. Die benachbarten Enden der beiden Dauermagneteinheiten 7, 8 haben gleiche Polarität. In diesem Falle weisen die obere Einheit 7 einen N-Pol an ihrem oberen und einen S-Pol an ihrem unteren Ende und die untere Einheit einen S-Pol an ihrem oberen und einen N-Pol an ihrem unteren Ende auf.
Die obere Dauermagneteinheit 7 erzeugt ein durch den Pfeil A in 1 bezeichnetes Magnetfeld zwischen der Magneteinheit 7 und dem oberen Abschnitt der Supraleiter-Einheit 5. Entsprechend wird von der unteren Dauermagneteinheit 8 ein durch den Pfeil B in 1 dargestelltes Magnetfeld zwischen der Magneteinheit 8 und dem unteren Abschnitt der Supraleiter-Einheit 5 aufgebaut. Wird die Supraleiter-Einheit 5 durch Kühlen in den supraleitenden Zustand überführt, so werden die die Einheit 5 durchdringenden Magnetfelder in normal leitenden Bereichen (Pinning-Punkten) der normal leitenden Teilchen im Innern der Einheit 5 gefangen und wird der drehbare Lagerbereich 4 durch diesen Pinning-Effekt in der axialen und radialen Richtung relativ zum festen Lagerbereich 3 gelagert.
In den Dauermagneteinheiten 7, 8 des vorbeschriebenen supraleitenden magnetischen Lagers sind die Dauermagnetelemente 10, 11 über den Umfang hinweg in ihrem Magnetfeld gleichmäßig, nicht aber in den Grenzbereichen zwischen benachbarten Magnetelementen 10, 11. Die Joche 9 dienen dazu, diese Ungleichmäßigkeiten des Magnetfelds in Umfangsrichtung auszuschalten und ermöglichen durch ihr Vorhandensein, dass von den Dauermagneteinheiten 7, 8 im Wesentlichen gleichmäßige Magnetfelder aufgebaut werden. Damit bleiben die Magnetfelder unverändert und wird trotz Drehung der Magneteinheiten 7, 8 mit dem mit dem drehbaren Bereich 2 kein Drehwiderstand erzeugt. Die im Umfang gleichmäßigen Magnetfelder werden wie vorbeschrieben an den Pinning-Punkten der Supraleiter-Einheit 5 gefangen.
Da die Supraleiter-Einheit 5 aus einer Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten Supraleiter-Teilen 6 besteht, stellt sich hier andererseits das Problem, dass die von der Einheit 5 aufgebauten Magnetfelder relativ zur Umfangsrichtung ungleichmäßig sind.
Es folgt eine Beschreibung der Supraleiter-Teile 6, in denen die von den Dauermagneteinheiten 7, 8 erzeugten Magnetfelder gefangen sind. Wie aus 2 ersichtlich, wird das Magnetfeld an einer großen Zahl von Pinning-Punkten 12 in jedem Supraleiter-Element 6 gefangen und fließt ein durch einen Pfeil C bezeichneter Abschirmstrom um den Punkt 12. Das durch diesen Abschirmstrom aufgebaute Magnetfeld wird zu einem durch das Element 6 gefangenen Magnetfeld. Im Innern des Elements 6 sind die Pinning-Punkte 12 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt, so dass die eingefangenen Magnetfelder gleichmäßig sind. In dem Grenzbereich zwischen benachbarten Supraleiter-Teilen 6 sind die Verteilung der Magnetfelder und die Magnetfelder selbst ungleichmäßig. Die makroskopische Betrachtung zeigt, dass die gleichmäßig verteilten Abschirmströme um die Pinning-Punkte 12 herum voneinander abgesetzt sind, die Abschirmströme um die äußersten Pinning-Punkte 12 im Grenzbereich zwischen den Supraleiter-Teilen 6 aber nicht mit dem Ergebnis, dass bei Betrachtung des Elements 6 als Ganzes ein Abschirmstrom wie durch die Strichellinie D in 2 bezeichnet fließt. Da ein solcher Abschirmstrom durch jedes Element 6 strömt, wird das Magnetfeld der Supraleiter-Einheit 5 in Umfangsrichtung ungleichmäßig. Werden aber die von der Einheit 5 aufgebauten Magnetfelder in Umfangsrichtung ungleichmäßig, so werden die Dauermagneteinheiten 7, 8 bei einer Drehung mit dem drehbaren Bereich 2 veränderlichen Magnetfeldern ausgesetzt, wodurch Wirbelströme in den Einheiten 7, 8 entstehen und damit Rotationsverluste verursacht werden.
Wirbelströme treten aufgrund umfangsmäßiger Ungleichheit der Magnetfelder in der Supraleiter-Einheit 5 auch in den Jochen 9 auf.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das vorgeschilderte Problem auszuschalten und ein supraleitendes magnetisches Lager bereitzustellen, bei dem die durch Ungleichmäßigkeit der von der Supraleiter-Einheit aufgebauten Magnetfelder bedingten Wirbelströme in den Dauermagneteinheiten und Jochen verringert werden, um einen reduzierten Rotationsverlust sicherzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung wird ein supraleitendes magnetisches Lager nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Die Dauermagnetelemente sind in übereinanderliegenden Schichten in zumindest der axialen oder der radialen Richtung angeordnet.
Beispielsweise werden Dauermagnetelemente in jeweils der Form einer Scheibe mit Loch in axialer Richtung und in jeweils der Form dünner Hohlzylinder in radialer Richtung des Lagers in Schichten übereinander angeordnet. Weiter werden zum Beispiel eine Anzahl von ringförmigen Dauermagnetelementen von jeweils quadratischem oder rechteckigem Querschnitt in sowohl axialer als auch radialer Richtung des Lagers in Schichten übereinander vorgesehen.
Jedes Dauermagnetelement kann einstückig über den gesamten Umfang verlaufend oder in Form einer Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten kreisbogenförmigen Segmenten vorgesehen sein. Damit werden die Dauermagnetelemente in übereinanderliegenden Schichten in zumindest der Axial-, der Radial- oder der Umfangsrichtung angeordnet.
Im Falle eines supraleitenden magnetischen Lagers in radialer Ausführung, bei dem der feste und der drehbare Bereich in Radialrichtung des Lagers gegenüberliegend angeordnet sind, sind beispielsweise eine Anzahl von Dauermagnetelementen in jeweils der Form einer Scheibe mit Loch in axialer Richtung des Lagers in Schichten übereinander vorgesehen. Alternativ sind eine Anzahl ringförmiger Dauermagnetelemente in sowohl der axialen als auch der radialen Richtung des Lagers in Schichten übereinander angeordnet.
Im Falle eines supraleitenden magnetischen Lagers in axialer Ausführung, bei dem der feste und der drehbare Bereich in axialer Richtung des Lagers gegenüberliegend angeordnet sind, sind beispielsweise eine Anzahl von Dauermagnetelementen in jeweils der Form dünner Hohlzylinder in Radialrichtung des Lagers in Schichten übereinander vorgesehen. Alternativ sind eine Anzahl ringförmiger Dauermagnetelemente in sowohl der Axial- als auch der Radialrichtung des Lagers in Schichten übereinander angeordnet.
Bei dem erfindungsgemäßen supraleitenden magnetischen Lager umfasst die Dauermagneteinheit eine Anzahl von Dauermagnetelementen, die in aufeinanderliegenden Schichten angeordnet sind, wobei eine elektrisch isolierende Schicht zwischen jedem benachbarten Paar von Magnetelementen vorgesehen ist, so dass die in den Magneteinheiten erzeugten Wirbelströme selbst dann verringert werden, wenn die Dauermagneteinheit veränderlichen Magnetfeldern ausgesetzt ist, wodurch ein reduzierter Rotationsverlust gewährleistet wird.
Damit lassen sich bei dem erfindungsgemäßen supraleitenden magnetischen Lager die erzeugten Wirbelströme und damit der Rotationsverlust reduzieren.
Vorzugsweise erstreckt sich die Supraleiter-Einheit über den gesamten Umfang, wobei diese unter dem Gesichtspunkt einer vereinfachten Herstellung üblicherweise eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten Supraleiter-Teilen aufweist.
In dem Falle, wo die Supraleiter-Einheit eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten Supraleiter-Teilen umfasst, werden die aufzubauenden Magnetfelder in Umfangsrichtung ungleichmäßig mit dem Ergebnis, dass die Magneteinheit bei ihrer Drehung mit dem drehbaren Bereich veränderlichen Magnetfeldern ausgesetzt ist. Bei dem erfindungsgemäßen supraleitenden magnetischen Lager jedoch umfasst die Dauermagneteinheit eine Anzahl von in aufeinanderliegenden Schichten angeordneten Dauermagnetelementen mit einer Isolierschicht zwischen jedem benachbarten Dauermagnetenpaar. Durch diese Konstruktion werden die in der Magneteinheit erzeugten Wirbelströme und der durch die Wirbelströme bedingte Rotationsverlust reduziert.
Damit werden aufgrund der vorbeschriebenen konstruktiven Gestaltung die durch Ungleichmäßigkeit der von der Supraleiter-Einheit aufgebauten Magnetfelder in der Dauermagneteinheit erzeugten Wirbelströme und der im anderen Falle sich ergebende Rotationsverlust reduziert.
Beispielsweise umfasst der drehbare Lagerbereich die ringförmige Dauermagneteinheit und ein ringförmiges Joch, das zu der Dauermagneteinheit benachbart ist und der Supraleiter-Einheit gegenüberliegt, welches Joch eine Anzahl von Jochelementen aus einem magnetischen Material aufweist, die in aufeinanderliegenden Schichten angeordnet sind, wobei zwischen jedem benachbarten Jochelementenpaar eine isolierende Schicht einliegt.
Als Magnetmaterial für die Jochelemente wird beispielsweise Siliziumstahlblech verwendet.
Bei einem supraleitenden magnetischen Lager in radialer Ausführung sind beispielsweise Jochelemente in Form von jeweils einer Scheibe mit Loch in axialer Richtung des Lagers in übereinanderliegenden Schichten angeordnet, während bei einem solchen in axialer Ausführung Jochelemente in Form von jeweils einer Scheibe mit Loch in radialer Richtung des Lagers in übereinanderliegenden Schichten vorgesehen sind.
Der drehbare Lagerbereich weist mindestens eine Dauermagneteinheit auf.
Im Falle der Anordnung einer einzigen Dauermagneteinheit wird das Joch vorzugsweise an zwei Stellen auf gegenüberliegenden Seiten der Magneteinheit vorgesehen.
Vorzugsweise ist der drehbare Lagerbereich mit mehreren Dauermagneteinheiten ausgestattet, und zwar weiter bevorzugt mit zwei Dauermagneteinheiten. Im Falle der Anordnung von zwei Magneteinheiten in dem drehbaren Lagerbereich wird das Joch vorzugsweise an drei Stellen, nämlich zwischen den beiden Magneteinheiten und auf gegenüberliegenden Seiten der Dauermagnetanordnung, vorgesehen.
Bei dem supraleitenden magnetischen Lager in radialer Ausführung sind beispielsweise zwei Dauermagneteinheiten in axialer Richtung des Lagers und das Joch an drei Stellen, nämlich zwischen diesen Magneteinheiten und auf axial gegenüberliegenden Seiten der Dauermagnetanordnung, vorgesehen.
Bei dem supraleitenden magnetischen Lager in axialer Ausführung sind beispielsweise zwei Dauermagneteinheiten in radialer Richtung des Lagers und das Joch an drei Stellen, nämlich zwischen diesen Magneteinheiten und auf radial gegenüberliegenden Seiten der Dauermagnetanordnung, vorgesehen.
Das Joch weist Jochelemente auf, die in aufeinanderliegenden Schichten zumindest in axialer oder radialer Richtung, vorzugsweise in vielen Richtungen, wenn dies konstruktiv möglich ist, angeordnet sind.
Werden Joche beim Drehen mit dem drehbaren Lagerbereich veränderlichen Magnetfeldern ausgesetzt, so werden auch in diesen Wirbelströme erzeugt, während im Falle von Jochanordnungen, bei denen jedes Joch eine Anzahl von Jochelementen aus magnetischen Material aufweist, die in übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind und bei denen zwischen jedem Paar von Jochelementen eine Isolierschicht vorgesehen ist, welche die in dem Joch erzeugten Wirbelströme verringert, um den im anderen Falle durch die Wirbelströme verursachten Rotationsverlust zu reduzieren.
Die vorbeschriebene konstruktive Gestaltung reduziert also die Wirbelströme, die aufgrund von Ungleichmäßigkeit der von der Supraleiter-Einheit aufgebauten Magnetfelder erzeugt werden, und verringert somit den Rotationsverlust.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Vertikalschnittansicht, die in schematischer Darstellung ein Beispiel eines konventionellen supraleitenden magnetischen Lagers in radialer Ausführung zeigt;
2 eine Perspektivansicht eines Teils einer Supraleiter-Einheit gemäß 1;
3 eine Vertikalschnittansicht eines supraleitenden magnetischen Lagers in radialer Ausführung in einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine teilweise weggebrochen gezeichnete Teil-Perspektivansicht des drehbaren Lagerbereichs gemäß 3;
5 eine teilweise weggebrochen gezeichnete Teil-Perspektivansicht des drehbaren Lagerbereichs gemäß 3 in auseinandergezogener Darstellung;
6 eine teilweise weggebrochen gezeichnete Teil-Perspektivansicht einer in der ersten Ausführungsform enthaltenen abgewandelten Dauermagneteinheit;
7 eine Vertikalschnittansicht eines supraleitenden magnetischen Lagers in axialer Ausführung in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
8 eine teilweise weggebrochen gezeichnete Teil-Perspektivansicht des drehbaren Lagerbereichs gemäß 7; und
9 eine teilweise weggebrochen gezeichnete Teil-Perspektivansicht des drehbaren Lagerbereichs gemäß 7 in auseinandergezogener Darstellung.
Beste Ausführungsformen der Erfindung
Es folgt eine Beschreibung von zwei Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf 3 bis 6.
3 bis 5 zeigen die erste dieser Ausführungsformen.
In 3 ist ein supraleitendes magnetisches Lager 22 in radialer Ausführung dargestellt, in dem ein drehbarer Körper 21 als relativ zu einem festen Abschnitt 20 drehbarer Bereich berührungslos gelagert ist. Das supraleitende magnetische Lager 22 weist einen auf dem festen Bereich 20 angeordneten festen Lagerbereich 23 und einen auf dem drehbaren Körper 21 angeordneten drehbaren Lagerbereich 24 auf.
Der feste Abschnitt 20 weist einen ringförmigen Kühlbehälter 25 auf, der zentral um dessen Senkrechtachse herum angeordnet ist. Der feste Lagerbereich 23 befindet sich an einem äußeren Umfangsabschnitt im Innern des Behälters 25.
Der feste Lagerbereich 23 umfasst eine Supraleiter-Einheit 26 in Form eines Hohlzylinders, der konzentrisch am äußeren Umfangsabschnitt im Innern des Behälters 25 angebracht ist. Die Supraleiter-Einheit 26 weist eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten Supraleiter-Teilen 27 auf, die jedoch nicht im Einzelnen dargestellt sind. Jedes dieser Supraleiter-Teile umfasst einen Supraleiter der zweiten Art, in dem feine normal leitende Teilchen gleichmäßig angeordnet sind. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform bestehen die Supraleiter-Teile 27 aus einem Supraleiter auf Yttrium-Basis, d. h. Yttrium 123 (YBa₂Cu3O_7-x), in dem normal leitende Teilchen auf Yttrium-Basis, d. h. Yttrium 211 (Y₂BaCu) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Der Behälter 25 ist über eine Kühlmedium-Zuführleitung 46 und eine Kühlmedium-Abführleitung 47 mit einer nicht dargestellten geeigneten Kühleinrichtung verbunden. Ein Kühlmedium wie beispielsweise Flüssigstickstoff wird von der Kühleinrichtung durch den Behälter 25 umgewälzt, wobei die Supraleiter-Einheit 26 durch das im Behälter 25 eingefüllte Kühlmedium gekühlt wird.
Der drehbare Körper 21 umfasst einen über dem mit diesem konzentrischen festen Abschnitt 20 angeordneten senkrechten Wellenbereich 21a, einen am unteren Ende des Wellenbereichs 21a konzentrisch mit diesem angebrachten Scheibenbereich 21b und einen an der Unterseite des Scheibenbereichs 21b konzentrisch mit diesem angeordneten hohlzylindrischen Tragbereich 21c. Der drehbare Lagerbereich 24 ist auf dem inneren Umfangbereich des zylindrischen Bereichs 21c vorgesehen.
Der drehbare Lagerbereich 24 umfasst zwei hohlzylindrische Dauermagneteinheiten 28, 29 und drei hohlzylindrische Joche 30, die der Supraleiter-Einheit 26 gegenüberliegend sowie von dieser radial nach außen verlaufend und im geringen Abstand hiervon angeordnet sind. Die beiden Magneteinheiten 28, 29 sind in axialer Richtung der Einheit 26 Seite an Seite (nach oben und unten) montiert. Die Joche 30 sind den gegenüberliegenden oberen und unteren Endflächen der oberen und unteren Magneteinheiten 28, 29, der oberen Endfläche der oberen Magneteinheit 28 und der unteren Endfläche der unteren Magneteinheit 29 benachbart angeordnet. Jede Magneteinheit 28, 29 ist an ihren oberen und unteren Enden mit Magnetpolen versehen, wobei die benachbarten Enden der beiden Magneteinheiten 28, 29 die gleiche Polarität aufweisen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist die obere Magneteinheit 28 an ihrem oberen Ende mit einem N-Pol und an ihrem unteren Ende mit einem S-Pol versehen, während die untere Magneteinheit 29 einen S-Pol am oberen und einen N-Pol am unteren Ende aufweist.
Der drehbare Lagerbereich 24 ist im Einzelnen in 4 und 5 dargestellt. 4 ist eine teilweise weggebrochen gezeichnete Teil-Perspektivansicht des drehbaren Lagereichs 24 und 5 eine teilweise weggebrochen gezeichnete Teil-Perspektivansicht, welche den Lagerbereich 24 im zerlegten Zustand zeigt.
Jedes der Joche 30 umfasst eine Anzahl von Jochelementen 32 aus einem magnetischen Material, die jeweils die Form einer Scheibe mit Loch aufweisen und in axialer Richtung des Lagers in übereinanderliegenden Schichten mit einer Isolierschicht 32 zwischen jedem benachbarten Paar von Jochelementen 32 angeordnet sind. Jedes der Jochelemente 32 ist eine beispielsweise aus Siliziumstahlblech einstückig über den gesamten Umfang verlaufend ausgebildet. Das Jochelement 32 ist mit einer Isolierbeschichtung auf jeweils seiner Ober- und Unterseite versehen, welche die Isolierschicht 31 bildet.
Jede Dauermagneteinheit 28 (29) weist eine Anzahl von Dauermagnetelementen 35 (36) jeweils in Form einer Scheibe mit Loch auf, die in axialer Richtung in übereinanderliegenden Schichten mit einer Isolierschicht zwischen jedem benachbarten Paar von Magnetelementen 35 (36) angeordnet sind. Jedes Magnetelement 35 (36) ist mit einer Isolierbeschichtung auf seiner Ober- und Unterseite versehen, welche die Isolierschicht 33 (34) bildet.
Jedes der Dauermagnetelemente 35, 36 kann einstückig über den gesamten Umfang verlaufend ausgebildet sein oder eine Anzahl geteilter kreisbogenförmiger Segmente umfassen, die in Umfangsrichtung angeordnet sind. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform weist das Dauermagnetelement 35 (36) eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten kreisbogenförmigen Segmenten 35a (36a) auf.
Wie aus der 5 ersichtlich, umfasst die obere Dauermagneteinheit 28 eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten segmentartigen zylindrischen Blocks 37. Jeder Block 37 weist eine Anzahl von kreisbogenförmigen Segmenten 35a, die in axialer Richtung in übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind auf. Jedes kreisbogenförmige Segment 35a hat beispiels weise eine Dicke von ca. 0,5 mm nach oben oder unten. Auf die gesamten Ober- und Unterseiten des kreisbogenförmigen Segments 35a ist eine isolierende Beschichtung aufgebracht, welche die Isolierschicht 33 bildet. Das kreisbogenförmige Segment 35a ist an seinen jeweiligen Ober- und Unterseiten mit Magnetpolen ausgestattet, nämlich einem N-Pol an der Ober- und einem S-Pol an der Unterseite. Bei Anordnung dieser kreisbogenförmigen Segmente 35a in übereinanderliegenden Schichten weist der Block 37 als Ganzes einen N-Pol an seinem oberen und einen S-Pol an seinem unteren Ende auf. Die Dauermagneteinheit 28 wird durch Anordnen einer Anzahl von Blocks 37 in Umfangsrichtung zwischen den oberen und unteren Jochen 30 gebildet.
Die untere Dauermagneteinheit 29 umfasst ebenfalls eine Anzahl von segmentförmigen zylindrischen Blocks 38, von denen jeder eine Anzahl von in der axialen Richtung in übereinanderliegenden Schichten angeordneten kreisbogenförmigen Segmenten 36a aufweist. Im Falle der unteren Magneteinheit 29 ist das kreisbogenförmige Segment 36a mit einem S-Pol an seiner Oberseite und einem N-Pol an seiner Unterseite versehen und weist der Block 38 als Ganzes einen S-Pol an seinem oberen und einen N-Pol an seinem unteren Ende auf. Abgesehen von diesen Merkmalen ist die untere Magneteinheit 29 gleich der oberen Magneteinheit 28.
Bei dem vorbeschriebenen supraleitenden magnetischen Lager 22 durchdringen die von den Dauermagneteinheiten 28, 29 aufgebauten Magnetfelder die Supraleiter-Einheit 26, wenn sich diese in ihrem normal leitenden Zustand wie beispielsweise bei Umgebungs- bzw. Raumtemperatur befindet. Wird eine in diesem Zustand befindliche Supraleiter-Einheit 26 durch Kühlen in den Supraleitzustand überführt, so werden die die Supraleiter- Einheit 26 durchdringenden Magnetfelder an ihren Pinning-Punkten im Innern der Einheit 26 gefangen und wird der drehbare Lagerbereich 24 relativ zum festen Lagerbereich 23 in axialer und radialer Richtung durch den Pinning-Effekt berührungslos gelagert.
Zwar sind die Dauermagneteinheiten 28, 29 in Umfangsrichtung in Blocks 37, 38 unterteilt, doch machen die vorgesehenen Joche 30 die Magnetfelder der Einheiten 28, 29 in der Umfangsrichtung gleichmäßig. Somit bleiben die Magnetfelder unter Ausschaltung von Rotationswiderstand selbst dann unverändert, wenn die Magnetfelder 28, 29 mit dem drehbaren Körper 21 rotieren. Die in Umfangsrichtung gleichmäßigen Magnetfelder sind an den Pinning-Punkten der Supraleiter-Einheit 26 gefangen.
Da die Supraleiter-Einheit 26 in Umfangsrichtung in eine Anzahl von Supraleiter-Teilen 27 unterteilt ist, werden die von der Einheit 26 aufgebauten Magnetfelder in Umfangsrichtung wie vorbeschrieben ungleichmäßig und die Dauermagneteinheiten 28, 29 sowie die Joche 30 beim Rotieren des drehbaren Lagerbereichs 24 mit dem drehbaren Körper 21 Magnetfeldschwankungen ausgesetzt. Da jedoch die Dauermagneteinheiten 28, 29 zusammen mit dazwischen liegenden Isolierschichten 33, 34 in Schichten übereinander angeordnet sind und weiter die Joche 30 zusammen mit Isolierschichten 31 ebenfalls in übereinanderliegenden Schichten angeordnete Jochelemente aufweisen, werden die in den Magneteinheiten 28, 29 und den Jochen 30 erzeugten Wirbelströme und infolgedessen der Rotationsverlust verringert.
6 zeigt eine Abwandlung der Dauermagneteinheit gemäß der ersten Ausführungsform.
Die dargestellte Dauermagneteinheit 40 umfasst eine Anzahl ringförmiger Dauermagnetelemente 41, die einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen und in sowohl axialer als auch radialer Richtung in übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind, wobei zwischen jedem benachbarten Paar von Magnetelementen eine Isolierschicht 42 vorgesehen ist.
Jedes Dauermagnetelement 41 kann in diesem Falle einstückig über den gesamten Umfang verlaufend ausgebildet sein oder eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten kreisbogenförmigen Segmenten umfassen.
7 bis 9 zeigen eine zweite Ausführungsform.
In 7 ist ein supraleitendes magnetisches Lager 52 in axialer Ausführung vorgesehen, in dem ein drehbarer Körper 51, nämlich ein relativ zu einem festen Bereich 50 drehbares Bauteil, berührungslos gelagert ist. Dieses supraleitende magnetische Lager 52 umfasst einen auf dem festen Bereich 50 angeordneten festen Lagerabschnitt 53 und einen auf dem drehbaren Körper 54 angeordneten drehbaren Lagerabschnitt 51.
Der feste Bereich 50 ist mit einem um seine senkrechte Achse herum mittig angeordneten ringförmigen Kühlbehälter 55 versehen. Der feste Lagerabschnitt 53 befindet sich in einem oberen Endabschnitt im Innern des Behälters 55.
Der feste Lagerabschnitt 53 umfasst eine Supraleiter-Einheit 56 in Form einer relativ dicken Scheibe mit Loch, die im oberen Endabschnitt in dem Behälter 55 konzentrisch mit diesem befestigt ist. Die Supraleiter-Einheit 56 weist eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten Supraleiter-Teilen 57 auf, die nicht im Einzelnen dargestellt sind. Wie im Falle der ersten Ausführungsform auch umfassen die Supraleiter-Teile 57 einen Supraleiter der zweiten Art.
Der Behälter 55 ist über eine Kühlmedium-Zulaufleitung 48 und eine Kühlmedium-Ablaufleitung 49 mit einer nicht dargestellten geeigneten Kühleinrichtung zum Kühlen der Supraleiter-Einheit 56 in gleicher Weise wie für die erste Ausführungsform beschrieben verbunden.
Der drehbare Körper 51 umfasst einen über dem festen Bereich 50 konzentrisch mit diesem angeordneten senkrechten Wellenbereich 51a sowie einen Tragscheibenbereich 51b, der am unteren Ende des Wellenabschnitts 51a konzentrisch mit diesem angebracht ist. Der drehbare Lagerbereich 54 ist um den Scheibenbereich 51b herum angeordnet.
Der drehbare Lagerbereich 54 weist zwei Dauermagneteinheiten 58, 59 sowie drei Joche 60 mit Anordnung gegenüber der Supraleiter-Einheit 56 auf deren axialer Oberseite sowie im geringem Abstand von dieser Einheit 56 auf. Die beiden Magneteinheiten 58, 59 sind in radialer Richtung zu dem drehbaren Körper 51 mit diesem konzentrisch angeordnet. Die Joche 60 sind den gegenüberliegenden äußeren und inneren Umfängen der entsprechenden inneren und äußeren Magneteinheiten 58, 59, dem inneren Umfang der inneren Magneteinheit 58 und dem äußeren Umfang der äußeren Magneteinheit 59 benachbart. Die Magneteinheiten 58, 59 weisen Magnetpole an ihren inneren und äußeren Umfangsoberflächen auf, wobei die benachbarten Oberflächen der beiden Einheiten 58, 59 gleiche Polarität besitzen. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform sind die innere Magnetein heit 58 mit einem N-Pol auf ihrer inneren und einem S-Pol auf ihrer äußeren Umfangsoberfläche und die äußere Magneteinheit 59 mit einem S-Pol auf der inneren und einem N-Pol auf der äußeren Umfangsoberfläche versehen.
Der drehbare Lagerbereich 54 ist im Einzelnen in 8 und 9 dargestellt. 8 ist eine teilweise weggebrochen gezeichnete Teil-Perspektivansicht des drehbaren Lagerbereichs 54 und 9 eine teilweise weggebrochen gezeichnete Teil-Perspektivansicht, welche den drehbaren Lagerbereich 54 im zerlegten Zustand zeigt.
Jedes Joch 60 umfasst eine Anzahl von Jochelementen 62 aus einem magnetischen Material, die jeweils die Form eines Hohlzylinders aufweisen und in radialer Richtung in übereinanderliegenden Schichten mit einer Isolierschicht 61 zwischen jedem benachbarten Paar von Jochen 61 angeordnet sind. Jedes der Jochelemente 62 ist aus Siliziumstahlblech einstückig über den gesamten Umfang verlaufend ausgebildet. Das Jochelement 62 weist auf seiner inneren und äußeren Oberfläche eine Isolierbeschichtung auf, welche die Isolierschicht 61 bildet.
Jede Dauermagneteinheit 58 (59) besteht aus einer Anzahl von Dauermagnetelementen 65 (66) jeweils in Form eines Hohlzylinders, die in radialer Richtung in übereinanderliegenden Schichten mit einer Isolierschicht (64) zwischen jeden benachbarten Paar von Magnetelementen 65 (66) angeordnet sind. Jedes Magnetelement 65 (66) weist auf seiner inneren und äußeren Oberfläche eine Isolierbeschichtung auf, welche die Isolierschicht 63 (64) bildet.
Jedes der Dauermagnetelemente 65, 66 kann einstückig über den gesamten Umfang verlaufend ausgebildet sein oder eine Anzahl von geteilten kreisbogenförmigen Segmenten aufweisen, die in Umfangsrichtung angeordnet sind. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform umfasst das Dauermagnetelement 65 (66) eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten kreisbogenförmigen Segmenten 65a (66a).
Wie aus 9 ersichtlich, umfasst die innere Dauermagneteinheit 58 eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten segmentartigen zylindrischen Blocks 67. Jeder der Blocks 67 weist eine Anzahl von kreisbogenförmigen Segmenten 65a auf, die in radialer Richtung übereinanderliegend in Schichten angeordnet sind. Jedes kreisbogenförmige Segment 65a ist beispielsweise nach innen oder außen etwa 0,5 mm dick und weist auf seiner entsprechenden inneren und äußeren Oberfläche Magnetpole auf, nämlich einen N-Pol auf der inneren und einen S-Pol auf der äußeren Oberfläche. Bei Anordnung der kreisbogenförmigen Segmente 65a in übereinanderliegenden Schichten besitzt der Block 67 als Ganzes einen N-Pol auf seiner inneren und einen S-Pol auf seiner äußeren Oberfläche. Die Dauermagneteinheit 58 ist durch Anordnen einer Anzahl von Blocks 57 in Umfangsrichtung zwischen den inneren und äußeren Jochen 60 gebildet.
Die äußere Dauermagneteinheit 59 umfasst ebenfalls eine Anzahl segmentartiger zylindrischer Blocks 68 mit jeweils einer Anzahl kreisbogenförmiger Segmente 66a, die in radialer Richtung in übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind. Im Falle der äußeren Magneteinheit 59 weist das kreisbogenförmige Segment 66a einen S-Pol auf seiner inneren und einen N-Pol auf seiner äußeren Oberfläche auf, während der Block 68 als Ganzes mit einem S-Pol an seinem inneren und einem N-Pol an seinem äußeren Ende versehen ist. Abgesehen von diesen Merkmalen ist die äußere Magneteinheit 59 gleich der inneren Magneteinheit 58.
Eine Anzahl ringförmiger Verstärkungselemente 69 sind um den drehbaren Lagerbereich 54 herum konzentrisch mit diesem angeordnet, um ein Ausdehnen der Jochelemente 62 und der Dauermagnetelemente 65, 66 aufgrund der durch hohe Rotationsgeschwindigkeit erzeugten Zentrifugalkraft und ein hieraus resultierendes Zubruchgehen dieser Elemente 62, 65, 66 zu verhindern. Die Verstärkungselemente 69 sind beispielsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFRP) hergestellt.
Bei dem vorbeschriebenen supraleitenden magnetischen Lager 52 durchdringen die von den Dauermagneteinheiten 58 aufgebauten Magnetfelder in die Supraleiter-Einheit 56 ein, wenn sich diese im normal leitenden Zustand wie beispielsweise bei Umgebungs- bzw. Raumtemperatur befindet. Die in diesem Zustand befindliche Supraleiter-Einheit 56 wird durch Kühlen in den Supraleitzustand überführt, wobei die die Supraleiter-Einheit 56 durchdringenden Magnetfelder an den Pinning-Punkten im Innern der Einheit 56 gefangen werden und der drehbare Lagerbereich 54 relativ zum festen Lagerbereich 53 aufgrund dieses Pinning-Effekts in der axialen und radialen Richtung berührungslos gelagert wird.
Wenngleich die Dauermagneteinheiten 58, 59 in Umfangsrichtung in Blocks 67, 68 geteilt sind, machen die vorgesehenen Joche 60 die Magnetfelder der Einheiten 58, 59 in Umfangsrichtung im Wesentlichen gleichmäßig. Somit bleiben die Magnetfelder selbst dann unverändert und wird ein Rotationsver lust vermieden, wenn die Magneteinheiten 58, 59 mit dem drehbaren Körper 51 rotieren. Die in Umfangsrichtung gleichmäßigen Magnetfelder werden an den Pinning-Punkten der Supraleiter-Einheit 56 gefangen.
Da die Supraleiter-Einheit 56 in Umfangsrichtung in eine Anzahl von Supraleiter-Teilen 57 unterteilt ist, werden die von dieser Einheit 56 aufgebauten Magnetfelder wie vorbeschrieben in Umfangsrichtung ungleichmäßig und die Dauermagneteinheiten 58, 59 sowie die Joche 60 beim Drehen mit dem drehbaren Körper 51 Magnetfeldänderungen ausgesetzt. Weil aber die Dauermagneteinheiten 58, 59 Dauermagnetelemente 65, 66 aufweisen, die zusammen mit dazwischen liegenden Isolierschichten 63, 64 in übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind, und weil außerdem die Joche 60 ebenfalls Jochelemente 62 umfassen, die zusammen mit Isolierschichten 61 in übereinander liegenden Schichten vorgesehen sind, werden in den Magneteinheiten 58, 59 und Jochen 60 erzeugte Wirbelströme und damit Rotationsverluste reduziert.
Die Dauermagneteinheit 58, 59 der zweiten Ausführungsform umfasst eine Anzahl von ringförmigen Dauermagnetelementen von quadratischem oder rechteckigem Querschnitt, die in axialer und radialer Richtung in übereinanderliegenden Schichten angeordnet und zwischen jedem benachbarten Magnetelementenpaar mit einer dazwischen liegenden Isolierschicht versehen sind. Jedes Dauermagnetelement kann in diesem Falle einstückig über den gesamten Umfang verlaufend ausgebildet sein oder eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten kreisbogenförmigen Segmenten aufweisen.
Industrielle Verwendbarkeit
Wie vorbeschrieben wird erfindungsgemäß ein zweckmäßiges supraleitendes magnetisches Lager für die berührungslose Lagerung eines drehbaren Bereichs relativ zu einem festen Bereich durch Heranziehen des Pinning-Effekts eines Supraleiters der zweiten Art bereitgestellt. In Dauermagneteinheiten und Jochen aufgrund der Bildung ungleichmäßiger Magnetfelder durch einen Supraleiter erzeugte Wirbelströme werden reduziert, wodurch Rotationsverluste verringert werden.

Claims

Supraleitendes magnetisches Lager, mit einem stationären Lagerbereich (23, 53) mit einer ringförmigen Supraleiter-Einheit (26, 56), die auf einem festen Bereich angebracht ist, und einem drehbaren Lagerbereich (24, 54) mit einer ringförmigen Dauermagneteinheit (28, 29, 58, 59, 40), die auf einem drehbaren Bereich der Supraleiter-Einheit gegenüberliegend angeordnet ist, welcher drehbare Bereich gegenüber dem festen Bereich berührungslos durch den Pinning-Effekt eines Supraleiters gelagert wird, der die Supraleiter-Einheit bildet, welche Supraleiter-Einheit eine Anzahl von in Umfangsrichtung geteilten Supraleiter-Teilen (27, 57) umfasst, welches supraleitende magnetische Lager dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dauermagneteinheit eine Anzahl von Dauermagnetelementen (35, 36, 65, 66, 41) umfasst, die in aufeinanderliegenden Schichten angeordnet sind, wobei eine elektrisch isolierende Schicht (33, 34, 63, 64, 42) zwischen jedem benachbarten Paar von Magnetelementen vorgesehen ist.
Supraleitendes magnetisches Lager gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare Lagerbereich (24, 54) die ringförmige Dauermagneteinheit (28, 29, 58, 59, 40) und ein ringförmiges Joch (30, 60) umfasst, das zu der Dauermagneteinheit benachbart ist und der Supraleiter-Einheit gegenüber liegt, welches Joch eine Anzahl von Jochelementen (32, 62) aus einem magnetischen Material umfasst, die in aufeinander liegenden Schichten angeordnet sind, wobei zwischen einem benachbarten Paar von Jochelementen eine isolierende Schicht (31, 61) einliegt.