TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft supraleitende Lagervorrichtungen, z.B. zur
Verwendung in hydraulischen Maschinen und Werkzeugmaschinen, die eine
Hochgeschwindigkeitsdrehung erfordern, oder
Energie-Speicher-Vorrichtungen zur Speicherung überschüssiger elektrischer Energie, die in
kinetische Energie eines Schwungrades umgewandelt wird.
STAND DER TECHNIK
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Supraleitende Lagervorrichtungen sind bereits bekannt, einschließlich der
supraleitenden Lagervorrichtungen, die zum Beispiel in den Beschreibungen
der US-Patente Nr.4,886,778 und Nr.4,892,863 offenbart sind.
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Diese supraleitende Lagervorrichtungen enthalten einen Typ II-Supraleiter,
d.h. einen Supraleiter, der das Eindringen des magnetischen Flusses eines
Permanentmagneten in einer Temperaturumgebung erlaubt, die einen Typ II-
supraleitenden Zustand realisiert. Die supraleitende Lagervorrichtung weist
einen Permanentmagneten auf, der an einem drehbaren Körper befestigt ist,
und einen Typ II-Supraleiter, der dem Magneten gegenüberliegend an einem
festen Bereich befestigt ist. Die supraleitende Lagervorrichtung hat Jedoch
das Problem, daß der Wirkungsgrad im Betrieb gering ist, da die Vorrichtung
keine Einrichtung zur Bestimmung der Position des Supralelters und des
Permanentmagneten relativ zueinander aulweist, wenn die Vorrichtung in
Betrieb genommen wird. Ferner besteht ein Problem bei der Vorrichtung darin,
daß der drehbare Körper und umliegende Teile beschädigt oder zerstört
werden können, wenn der Supraleiter normal-leitend wird (quenched).
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine supraleitende
Lagervorrichtung zu schaffen, bei der diese Probleme nicht vorhanden sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft eine supraleitende Lagervorrichtung, die
angepaßt ist zum drehbaren Abstützen eines drehbaren Körpers durch ein
supraleltendes Lager ohne Berührung, welcher drehbare Körper so
angeordnet ist, daß er beweglich ist in bezug auf einen festen Bereich in Richtung der
Drehachse und in einer Richtung, die senkrecht ist zu der Richtung der
Drehachse, welcher drehbare Körper in bezug auf den festen Bereich drehbar
ist, welches supraleitende Lager einen Permanentmagneten umfaßt, der an
dem drehbaren Körper angebracht ist, und einen Typ II-Supraleiter, der dem
Magneten gegenüberliegend an dem festen Bereich angebracht ist, welcher
Permanentmagnet so am drehbaren Körper angebracht ist, daß die Drehung
des drehbaren Körpers nicht die magnetische Flußverteilung um die
Drehachse des drehbaren Körpers herum verändert, welcher Typ II-Supraleiter
das Eindringen des magnetischen Flusses des Permanentmagneten in einer
Temperaturumgebung erlaubt, die einen Typ II-supraleitenden Zustand
realisiert, und so am festen Bereich befestigt ist, daß er in einer Position
angeordnet ist, die im Abstand zum Magneten liegt, welcher Abstand das Eindringen
einer vorgegebenen Menge des magnetischen Flusses erlaubt und der nicht
die Drehung des drehbaren Körpers zur Veränderung der Verteilung des
eindringenden magnetischen Flusses erlaubt, welche supraleitende
Lagervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Anordnung des festen Bereichs
unterhalb des drehbaren Körpers zwischen dem festen Bereich und dem
drehbaren Körper gegenüberliegende Bereiche vorgesehen sind, wobei ein
mechanisches Fanglager an den gegenüberliegenden Bereichen angeordnet
ist und ein Lagerelement am festen Bereich aufweist, und eine Einrichtung
zur Bestimmung der Anfangsposition ist zwischen dem festen Bereich und
dem drehbaren Körper zur Anhebung des Lagerelements vorgesehen, so daß
die Position des festen Bereichs und des drehbaren Körpers relativ
zueinander bestimmbar ist.
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Vorzugsweise ist das mechanische Fanglager ein Axialkugellager, das
konzentrisch zum drehbaren Körper vorgesehen ist, welches Axialkugellager einen
am festen Bereich angebrachten Tragring und einen weiteren, am drehbaren
Körper angebrachten Tragring aufweist, wobei der Tragring am festen
Bereich aufwärts und abwärts beweglich ist.
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Alternativ ist das mechanische Fanglager ein Axialgleitlager, das konzentrisch
zum drehbaren Körper vorgesehen ist und einen Gleitring aufweist, der am
festen Bereich angebracht ist. Der Gleitring ist auf seiner Oberseite mit
einem sich aufwärts verjüngenden, ringförmigen Steg ausgebildet und aufwärts
und abwärts bewegbar. Der drehbare Körper weist in einem dem Steg
gegenüberliegenden konzentrischen Bereich einen ausgesparten Bereich auf, der
im Querschnitt im wesentlichen umgekehrt V-förmig ausgebildet ist. Der
Gleitring und der ausgesparte Bereich bilden das Axialgleitlager.
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Bei der beschriebenen Lagervorrichtung werden der Permanentmagnet und
der Typ II-Supraleiter der Lagerung auf einen vorgegebenen Abstand
einander gegenüberliegend gehalten durch die Haltewirkung des Flusses des
Permanentmagneten, der in den Leiter eindringt. In diesem Zustand kann der
drehbare Körper, der den Permanentmagneten trägt, um seine Achse
gedreht werden. Gleichzeitig setzt der magnetische Fluß, der in den Typ
II-Supraleiter eindringt, der Drehung keinen Widerstand entgegen soweit die
magnetische Flußverteilung um die Drehachse herum gleichmsßig ist und
unverändert bleibt. Folglich kann der drehbare Körper in bezug auf die
Axialund Radialrichtung ohne Berührung abgestützt werden lediglich durch die
Positionierung des Permanentmagneten, der am drehbaren Körper relativ
zum Typ II-Supraleiter angeordnet ist.
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Wenn vor der Inbetriebnahme der Lagervorrichtung das Lagerelement des
mechanischen Fanglagers auf der Seite des festen Bereichs durch den die
Anfangsposition bestimmenden Mechanismus angehoben wird, wird der
drehbare Körper zur Positionierung des festen Bereichs und des drehbaren Körpers
an eine Stelle angehoben, die axial ist zum drehbaren Körper und ferner in
bezug auf die Radialrichtung, die senkrecht zu der Drehachse des drehbaren
Körpers liegt, wodurch der Typ II-Supraleiter am festen Bereich und der
Permanentmagnet am drehbaren Körper relativ zueinander in Position
gebracht werden können. Wenn die relative Position geeignet bestimmt wird,
kann das supraleitende Lager effizient betrieben werden.
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Das mechanische Fanglager ist an den gegenüberliegenden Bereichen
angeordnet, die zwischen dem festen Bereich und dem drehbaren Körper
vorgesehen sind, so daß der feste Bereich unterhalb des drehbaren Körpers
angeordnet
ist, wodurch der drehbare Körper und umliegende Teile vor
Beschädigung oder Zerstörung geschützt sind, selbst wenn der Typ II-Supralelter
normal-leitend werden sollte.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt und zeigt schematisch eine
supraleitende Lagervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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Fig. 2 ist ein senkrechter Schnitt und zeigt schematisch eine
supraleitende Lagervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
begleitende Zeichnung näher beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind
gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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Fig. 1 zeigt schematisch den Gesamtaufbau einer ersten Ausführungsform
einer supraleitenden Lagervorrichtung. Die Lagervorrichtung umfaßt ein
Gehäuse (fester Bereich) 1, das vertikal angeordnet ist, und eine vertikale,
drehbare Welle (drehbarer Körper) 2, die ohne Berührung mittig im Gehäuses 1
drehbar abgestützt wird.
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Innerhalb des Gehäuses 1 sind ein Hochfrequenz-Elektromotor 3 zur
Drehung der drehbaren Welle 2 mit einer hohen Geschwindigkeit und ein
supraleitendes Lager 4 angeordnet, das unterhalb des Motors zur Abstützung der
drehbaren Welle 2 angeordnet ist.
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Der Motor 3 umfaßt einen Rotor 5, der an der drehbaren Welle 2 angebracht
ist, und einen Stator 6, der um den Rotor 5 herum angeordnet ist und an
dem Gehäuse 1 durch nicht dargestellte Stützelemente befestigt ist.
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Das supraleitende Leiter 4 weist den folgenden Aufbau auf. Zwei horizontale,
ringförmige Körper 7,8 sind übereinander mit einem vorbestimmten Abstand
an der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 1 befestigt. Die ringförmigen
Körper 7 bzw. 8 weisen Durchgangsbohrungen 9,10 auf, die sich vertikal und
zentrisch durch diese erstrecken. Die drehbare Welle 2 ist mit Spiel durch
diese Bohrungen 9,10 hindurchgeführt Die untere Bohrung 10 ist im
Durchmesser kleiner als die obere Bohrung 9.
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Zwischen den oberen und unteren ringförmigen Körpern 7,8 ist ein horizon
taler, scheibenförmiger Permanentmagnetbereich 11 konzentrisch an der
drehbaren Welle 2 befestigt. Der Magnetbereich 11 weist eine waagerechte
Scheibe 12 auf, die an der drehbaren Welle 2 befestigt ist. Eine ringförmige
Nut 13, die konzentrisch zu der drehbaren Welle 2 angeordnet ist, ist in der
Unterseite und Oberseite der Scheibe 12 ausgebildet. Ein ringförmiger
Permanentmagnet 14 ist fest in der Nut 13 befestigt. Diese Permanentmagneten
14 sind so vorgesehen, daß die magnetische Flußverteilung um die Drehachse
der drehbaren Welle 2 herum durch die Drehung nicht verändert wird.
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Die zwei ringförmigen Körper 7,8 weisen im Inneren ringförmige
Hohlbereiche 15 bzw. 16 auf. Eine Anzahl von Typ II-Supraleltern 17 ist mit gleichen
Abständen eng aneinander in Jedem Hohlbereich angeordnet. Die Supraleiter
17 weisen ein Substrat auf, das aus Yttrium hochtemperatur-supraleltendem
Material hergestellt ist, wie etwa YBa&sub2;Cu&sub3;Ox, und eingefügten
normal-leitenden Partikeln (Y&sub2;Ba&sub1;Cu&sub1;), das gleichmäßig mit dem Material vermischt ist
und Eigenschaften zum Halten des magnetischen Flusses aufweist, der vom
Permanentmagnet 14 emittiert wird und in das supraleitende Material
eindringt in einer Umgebung, die einen Typ II-supraleitenden Zustand realisiert.
Die Supraleiter 17 sind in einer Position angeordnet, die im Anstand zum
Magneten liegt und es gestattet, daß eine angegebene Menge des
magnetischen Flusses des Magneten eindringt, wobei die Position derart ist, daß die
eindringende Flußverteilung durch die Drehung des drehbaren Körpers 2
unverändert bleibt.
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Die oberen und unteren Hohlbereiche 15,16 sind miteinander durch einen
Kanal 18 verbunden, der im Gehäuse 1 ausgebildet ist. Der Verbindungskanal
18 ist mit einer Kühleinheit 20 verbunden, die eine
Temperatur-Steuereinheit 19 aufweist. Ein Kühlmittel, wie etwa flüssiger Stickstoff, zirkuliert
durch den Kanal 18 und die Hohlbereiche 15,16 durch die Kühleinheit 20, so
daß die Supraleiter 17 vom Kühlmittel gekühlt wird, das in die
Hohlbereichen 15,16 enthalten ist. Folglich werden die Typ II-Supraleiter 17 in den
Typ II-supraleitenden Zustand gebracht, und ein Großteil des magnetischen
Flusses, der von dem Permanentmagneten 14 des Magnetbereichs 11
emittiert wird, dringt in die Supraleiter 17 ein und wird dabei gehalten (Pinning-
Phenomen). Trotz des aus Partikeln bestehenden, normalen Leiters, der
gleichmäßig in den Supraleitern 17 enthalten ist, wird die Verteilung des
magnetischen Flusses, der in die Supraleiter 17 eindringt, mit dem Ergebnis
konstant gehalten, daß der drehbare Körper 2 durch die Supraleiter 17
zusammen mit dem Magnetbereich 11 gehalten wird, als wenn die Magnete 14
von gedachten Stiften durchbohrt wären, die sich vertikal aus den
Supraleitern 17 erstrecken. Aus diesem Grund wird der drehbare Körper 2 in bezug
auf die Radial- und Axialrichtungen abgestützt, da er mit hoher Stabilität
schwebend gehalten wird.
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Ein mechanisches Fanglager 21, das ein Keramik-Axialkugellager aufweist, ist
konzentrisch zur drehbaren Welle 2 vorgesehen zwischen der Unterseite des
Permanentmagnetbereichs 11 und der Oberseite des unteren ringförmigen
Körpers 8 an gegenüberliegenden Bereichen. Das Lager 21 weist einen
oberen Tragring 22 auf, der fest in einer ringförmigen Nut 25 befestigt ist, die in
der Unterseite der Scheibe 12 konzentrisch zu dieser ausgebildet ist, und
einen unteren Tragring 23, der in einer ringförmigen Nut 26 angeordnet ist,
die in der Oberseite des ringförmigen Körpers 8 und der Nut 25
gegenüberliegend ausgebildet ist. Der Tragring 23 ist aufwärts und abwärts beweglich
und geringfügig radial beweglich. Eine Anzahl von Kugeln 24 ist zwischen den
Laufflächen 22a,23a der entsprechenden Tragringe 22,23 angeordnet. Eine
Anhebe-Einrichtung 27 zur Bewegung des Tragrings 23 ist innerhalb der Nut
26 unterhalb des Ringes 23 angeordnet. Die Anhebe-Einrichtung 27 umfaßt
zum Beispiel eine Anzahl von piezoelektrischen Elementen, die in
übereinandergelegten Schichten angeordnet sind. Das mechanische Fanglager 21 und
die Anhebe-Einrichtung 27 bilden einen die Anfangsposition bestimmenden
Mechanismus zur Positionierung des ringförmigen Körpers 8 und des
Magnetbereichs 11 relativ zueinander.
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Wenn die Supraleiter 17 des Lagers 4 normal-leitend werden sollten und
während des Betriebes keine Stützkraft erzeugen, kommt der obere Tragring
22 des mechanischen Fanglagers 21 mit den Kugeln 24 in Berührung, die auf
der Lauffläche 23a des unteren Tragrings 23 angeordnet sind, so daß die
drehbare Welle 2 bei der Drehung abgestützt wird. Dies schließt
Beschädigungen oder eine Zerstörung der drehbaren Welle 2 und umliegender Teile
aus.
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Während des Betriebes verbleibt die Anhebe-Einrichtung 27 in einer
abgesenkten Betriebspositlon, und die drehbare Welle 2 wird, wie bereits
erwähnt, durch das supraleitende Lager 4 abgestützt, wobei der obere Tragring
22 ohne Berührung der Kugeln 24 gehalten wird. Ferner wird die drehbare
Welle 2 während der Drehung näherungsweise in der Mitte des Gehäuses 1
abgestützt, und der Permanentmagnetbereich 11 wird näherungsweise in der
vertikalen Mittelposition zwischen den beiden ringförmigen Körpern 7,8
abgestützt.
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Während die Vorrichtung außer Betrieb ist, ist auch die Zufuhr des die
Kühleinheit 20 bildenden Kühlmittels unterbrochen. Folglich befinden sich die
Supraleiter 17 in einem normal-leitenden Zustand, so daß keine Stützkraft
erzeugt wird. Die drehbare Welle 2 befindet sich daher in einer Ruhestellung,
in der sie durch das mechanische Fanglager 21 auf dem Gehäuse 1 abgestützt
wird.
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Die Lagervorrichtung, die somit außer Betrieb ist, wird in der folgenden Art
und Weise in Betrieb genommen.
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Zuerst wird der untere Tragring 23 des Fanglagers 21 durch die
Anhebe-Einrichtung 27 in eine vorbestimmte Position angehoben. Beim Anheben des
Tragrings 23 berühren die Kugeln die Laufflächen 22a,23a der Ringe 22,23
und heben die drehbare Welle 2 an, so daß der untere ringförmige Körper 8
und der Permanentmagnetbereich 11 in bezug auf die vertikale Richtung
positioniert werden. Gleichzeitig wirken die Laufflächen 22a,23a der Tragringe
22,23 des Fanglagers 21 und die Kugeln 24 zusammen, so daß der
ringförmige Körper 8 und der Magnetbereich 11 in bezug auf die Radialrichtung
positioniert werden. Der obere Permanentmagnet 14 ist jetzt nahe der
Unterselte des oberen, ringförmigen Körpers 7 angeordnet, und der Abstand von der
Unterseite des oberen, ringförmigen Körpers 7 zu der Oberseite des oberen
Magneten 14 ist kleiner als der Abstand von der Oberseite des unteren,
ringförmigen Körpers 8 zu der Unterseite des unteren Magneten 14.
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Bei dieser Anordnung der drehbaren Welle 2 zirkuliert das Kühlmittel mittels
der Kühleinheit 20 durch die Hohlbereiche 15,16, so daß die Supraleiter 17
gekühlt werden. Wenn die Supraleiter 17 auf den supraleitenden Zustand
abgekühlt sind, wird, wie bereits beschrieben, eine Stützkraft erzeugt, so daß
der die Anfangsposltion bestimmende Mechanismus 27 in die
Betriebsposition des Mechanismus 27 abgesenkt wird. Es erfolgt keine weitere
Abstützung, so daß die drehbare Welle unter der Schwerkraft leicht absinkt und in
einer Position zum Stand kommt, in der ein Gleichgewicht zwischen der
Kraft der magnetischen Abstoßung und der Pinning-Kraft des supraleitenden
Lagers 4 vorhanden ist. Folglich wird der Magnetbereich 11 zwischen den
beiden ringförmigen Körpern 7 und 8 näherungsweise in der vertikalen
Mittelposition abgestützt, und die drehbare Welle 2 wird, wie es bereits
beschrieben wurde, ohne Berührung abgestützt Die drehbare Welle 2 wird
daher für den Betriebsstart durch den Motor 3 in Drehung versetzt.
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Fig. 2 zeigt schematisch den Gesamtaufbau einer weiteren supraleitenden
Lagervorrichtung, d.h., einer zweiten Ausführungsform. In diesem Fall ist das
mechanische Fanglager 30, das ein Axialgleitlager aufweist, konzentrisch zur
drehbaren Welle 2 zwischen der Unterseite des Permanentmagnetbereichs
11 und der Oberseite des unteren, ringförmigen Körpers 8 angeordnet. Das
Lager 30 weist einen Gleitring 31 auf, der innerhalb der ringförmigen Nut 26
in der Oberseite des ringförmigen Körpers 8 angeordnet und aufwärts und
abwärts beweglich ist und ebenso geringfügig in der Radialrichtung beweglich
ist. Der Gleitring 31 weist auf der Oberseite mit einem sich aufwärts verjün
genden Steg 31a auf, der sich über den gesamten Umfang des Ringes
erstreckt. Die Unterseite der Scheibe 12 weist in einer dem Steg 31a
gegenüberliegenden Position eine ringförmige, im Querschnitt näherungsweise
umgekehrt-V-förmig Nut (ausgesparter Bereich) 32 auf, die konzentrisch zu
der Scheibe angeordnet ist und sich zur Aufnahme des Stegs 31a über den
gesamten Umfang erstreckt. Der Gleitring 31 und die ringförmige Nut 32
bilden das Axialgleitlager. Dieses Lager 30 und die Anhebe-Einrichtung 27
bilden einen die Anfangsposition bestimmenden Mechanismus zur
Positionierung des ringförmigen Körpers 8 und des Permanentmagnetbereichs 11
relativ zueinander.
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Sollten die Supralelter 17 der supraleitenden Lagerung 4 normal-leitend
werden und während des Betriebs keine Stützkraft mehr erzeugen, dann
kommen der Steg 31a auf dem Gleitring 31 des Fanglagers in Gleltkontakt
mit der Oberfläche der ringförmigen Nut 32 in der Unterseite der Scheibe
12, so daß die drehbare Welle 2 bei der Drehung abgestützt wird. Dies
vermeidet Beschädigungen der drehbaren Welle 2 und umliegender Teile.
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Die vorliegende Ausführungsform befindet sich während des Betriebs oder
während des Nichtbetriebs im gleichen Zustand wie die erste
Ausführungsform.
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Wenn die Lagervorrichtung aus dem Nichtbetrieb heraus in Betrieb
genommen werden soll, wird zunächst der Gleitring 31 des mechanischen
Fanglagers 30 durch die Anhebe-Einrichtung 27 angehoben. Beim Anheben des
Gleitrings 31 gelangt der Steg 31a in die ringförmige Nut 32 und hebt die
drehbare Welle 2 an, so daß der untere, ringförmige Körper 8 und der
Permanentmagnetbereich 11 in bezug auf die Vertikalrichtung und als auch in
bezug auf die Radialrichtung positioniert werden. Dies positioniert die
drehbare Welle 2 und das Gehäuse 1 relativ zueinander.
INDUSTRIELLE ANWENDBAKKEIT
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Die Vorrichtung der Erfindung ist zum Beispiel geeignet für die Verwendung
in hydraulischen Maschinen und Werkzeugmaschinen, die eine hohe
Geschwindlgkeitsdrehung erfordern, oder Energie-Speicher-Vorrichtungen zur
Speicherung überschüssiger elektrischer Energie, die in kinetische Energie
eines Schwungrades umgewandelt wird.