DE69627564T2

DE69627564T2 - Supraleitende Lagervorrichtung und ihr Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69627564T2
Application number: DE69627564T
Authority: DE
Inventors: Norio Suwa-shi Ito; Junichiro Suwa-shi Shinozaki; Hiroshi Suwa-shi Imaizumi
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-02-17
Filing date: 1996-02-16
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2016-02-17
Also published as: EP0728956A1; JP3675010B2; DE69627564D1; EP0728956B1; US5838082A; JPH08334123A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Lagervorrichtung und ein Verfahren der Herstellung derselben. Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen supraleitende/magnetische Tandemlagerstrukturen und befasst sich im Besonderen mit Verbesserungen bezüglich der sich drehenden magnetischen Platten, welche verwendet werden, um bei einer Lagerlast gegen gegenüberliegende Supraleiter abzustoßen, zu lagern und eine nahezu reibungsfreie Drehung zu gestatten.
In letzter Zeit wurden verschiedene supraleitende Magnetlagervorrichtungen mit einem hohen Wirkungsgrad und einer Fähigkeit zum Hochgeschwindigkeitsbetrieb entwickelt, welche einen abstoßenden Magnetkreis aufweisen, der durch gegenüberliegende Platten von Permanentmagneten und Supraleitern gebildet ist, welche durch einen oder mehrere Räume getrennt sind. Diese Vorrichtungen verstärken die Abstandshaltekraft für den Magnetkreis in einem supraleitenden Zustand, um eine nahezu reibungsfreie Bewegung parallel zu den gegenüberliegenden Magnet-/Supraleiterplatten zu gestatten.
Beispielsweise wurden solche supraleitende Magnetvorrichtungen, welche für Lageranwendungen verwendet werden, in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Hei4-191520 offenbart. Diese supraleitenden Lagervorrichtungen sind im Allgemeinen derart konfiguriert, dass sie eine vertikale Rotorwelle aufweisen mit einem konzentrisch daran angebrachten ringförmigen Permanentmagneten. Dieser Magnet umfasst eine obere und eine untere Fläche entlang der axialen Richtung des Rotors, welche in entgegengesetzte Polaritäten magnetisiert sind, von denen eine oberhalb oder unterhalb eines gegenüberliegenden ringförmigen Supraleiterelements mit einem in der Richtung der Drehachse zwischen diesen gegebenem Raum ruht. Eine ähnliche bekannte supraleitende Lagervorrichtung weist ein ringförmiges Supraleiterelement und einen ringförmigen Permanentmagneten auf, welche einander wechselseitig gegenüberliegen und welche derart positioniert sind, dass sie einen Raum in einer radialen Richtung bereitstellen, um in radialer Richtung nach außen die Steifigkeit zu verbessern. Noch eine weitere bekannte supraleitende Lagervorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Permanentmagneten mit dem gleichen Durchmesser, welche axial zum Motor angeordnet sind, so dass benachbarte ringförmige Permanentmagnete in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind.
Darüber hinaus ist bekannt (siehe z. B. die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift mit der Nummer Hei5-180225, welche der EP 0 575 618 A äquivalent ist), dass derartige supraleitende Vorrichtungen in großen Lageranwendungen verwendet werden. Es ist jedoch kommerziell nicht durchführbar, einfach die Größe oder den Durchmesser des unitären Magnetabschnitts zu vergrößern, um die reibungslose Lagerfläche zu vergrößern, da es nicht einfach ist, einen Einkörpermagneten mit einem großen Durchmesser unter Verwendung bekannter Magnetbautechniken zu erzeugen. Dementsprechend ist der oben beschriebene ringförmige Permanentmagnet aus vielen kleineren kommerziell realisierbaren Magneten gebildet, bei welchen benachbarte ringförmige Permanentmagnete in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind. Die von diesen kleineren Magneten erzeugten resultierenden Magnetflüsse werden wechselseitig abgestoßen, so dass sie stark konzentriert werden und eine magnetische Feldstärke von dem Magnetabschnitt zu dem Supraleiter zusammen mit der magnetischen Schwebkraft und der strukturellen Starrheit des Lagers gegenüber einer unitären Magnetstruktur verbessert wird.
Darüber hinaus wurde in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift mit der Nummer Hei6-81845 und EP 0 629 789 A offenbart, dass magnetische Feldstärke in einer ringförmigen Magnetkompositstruktur verbessert werden kann, indem ein zwischen konzentrischen ringförmigen Permanentmagneten angeordnetes weichmagnetisches Joch eingeführt wird. Das weichmagnetische Joch konzentriert den von jedem Magneten gerichteten Magnetfluss stark und richtet ihn zu dem gegenüberliegenden Supraleiter. Darüber hinaus können beim Aufbau eines mehrlagigen ringförmigen Magnetabschnitts durch Alternieren von konzentrisch angeordneten ringförmigen Permanentmagneten und weichmagnetischen Jochen eine Lagerfestigkeit und eine Starrheit, welche sich einem theoretischen unitären Magneten gleicher Größe annähern, erhalten werden, indem der Innendurchmesser eines jeden weichmagnetischen Jochs soweit verringert wird, dass er geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des vorhergehenden Magnets ist sowie durch Anbringen des Jochs auf den Außenumfang des Magneten mit Kraft.
Für derartige supraleitende Lagervorrichtungen wird im Allgemeinen ein durch ein Heißverarbeitungsverfahren hergestellter Pr-Fe-B-Cu-basierter Permanentmagnet oder ein Nd-Fe-B-basierter gesinterter Magnet verwendet. Weiterhin ist von derartigen Magneten bekannt, dass sie eine vergleichsweise hohe Druckfestigkeit und eine niedrige Zugfestigkeit besitzen. Im Besonderen hat der Erstgenannte eine Zugfestigkeit von bis zu 24 kg/mm² und der Letztgenannte hat eine Zugfestigkeit von bis zu 8 kg/mm². Dementsprechend kann der Magnet oder das Joch unerwarteterweise beschädigt werden, wenn das Joch wie oben diskutiert mit Kraft an der Außenseite des Magnets angebracht wird. Im Besonderen dann, wenn die Lagervorrichtung groß ausgeführt ist, um ihre Haltekraft zu erhöhen, wird der Außenradius des Magnetabschnitts üblicherweise vergrößert und aufgrund der Vergrößerung im Durchmesser wird eine Dehnung lokal an jedem Teil konzentriert. Daher ist es im Besonderen notwendig, zu verhindern, dass die Elemente in ihrer Qualität verschlechtert und beschädigt werden. Da der Rotor oder die Welle dann, wenn die Lagervorrichtung in Betrieb ist, bei einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird, ist es erwünscht, dass jedes Element wie konstruiert Abmessungen hat, so dass eine Rotation in einem guten Gleichgewicht ausgeführt werden kann. Es ist jedoch nicht einfach, die Herstellung derartiger Elemente zu steuern und weist den Nachteil auf, dass es eine Kostenerhöhung mit sich bringt. Darüber hinaus kann selbst dann, wenn die Elemente wie erwartet erzeugt werden, eine gewünschte Betriebsleistung dann nicht erreicht werden, wenn der Zusammenbau nicht mit ausreichender Genauigkeit ausgeführt wird.
Da der Magnetabschnitt durch abwechselndes Anordnen der ringförmigen Magnete und der Joche in der mehrlagigen Struktur konfiguriert ist, sind weiterhin jeder Magnet und jedes Joch durch eine Spannkraft verbunden, welche auf die Verbindungsflächen von den benachbarten Elementen ausgeübt wird. Da diese Spannkraft hauptsächlich durch das radial außerhalb des inneren ringförmigen Magneten angeordnete Joch zugeführt wird, kann weiterhin eine nicht ausreichende Spannkraft einen unerwünschten teilweisen Verlust von Bauteilen bewirken. Dies gilt genauer dann, wenn der Magnetabschnitt an dem Drehelement montiert ist, da eine Zentrifugalkraft aufgrund der Drehung proportional zu einem Radius und dem Quadrat der Drehgeschwindigkeit ist und eine Zentrifugalkraft von dem inneren und dem äußeren Umfang des sich drehenden Magnetbauteils zunimmt. Insbesondere dann, wenn die Lagervorrichtung vergrößertausgeführt ist, um ihre Tragkraft zu erhöhen, wird das Magnetbauteil erheblich größer und sein Radius vergrößert ausgeführt sein. Wenn es bei einer konstanten Rate gedreht wird, wird auf die abwechselnden Ringe von Magneten und Jochen, gemessen von dem zentralen Rotor zum Außenumfang hin, eine schnell anwachsende Zentrifugalkraft ausgeübt. Daher wird das Joch selbst in eine Richtung zur Vergrößerung seines Innendurchmessers gedrückt und eine Spannkraft nimmt üblicherweise ab, wodurch eine Steifigkeit der Struktur bis zu dem Punkt abgesenkt wird, bei welchem die Magnetringe ihre Position verändern und den zwischen ihnen und dem gegenüberliegenden Supraleiter gehaltenen . präzisen Spalt stören können. Eine derartige Magnetringbewegung kann durch Verwendung anderer Materialien zur Stärkung und Unterstützung der verbleibenden Festigkeit der dazwischen liegenden Jochelemente verringert werden, jedoch reduziert ein derartiges Vorgehen die Magnetfeldübertragungseigenschaften des Jochs und kann sogar unerwünschte magnetische "tot"-Punkte in dem Magnetelement erzeugen.
Alternativ hierzu kann ein Bau eines ringförmigen Magneten aus einem Körper bei kleinen Lagervorrichtungsanwendungen ausführbar sein, jedoch nehmen Schwierigkeiten bei der Herstellung und bei der Erzeugung einer adequaten Feldvergrößerung unter Verwendung supraleitender Lagervorrichtung bekannter Herstellverfahren außer bei den kostenisolierenden Anforderungen über ihre praktische Verwertung hinaus zu. Genauer ist es zur Errichtung einer großen Lagervorrichtung notwendig, einen ringförmigen Permanentmagneten aus einem einzigen Körper mit einem großen Durchmesser herzustellen. Im Allgemeinen umfassen bekannte leistungsstarke Magnete mit einem hohen Energieprodukt einen Magnet mit seltenen Erden und ein Nd-Fe-B-Magnet ist als der leistungsstärkste Magnet mit seltenen Erden bekannt. Da jedoch dieser Magnet durch ein Sinterverfahren erzeugt wird, sind eine große Gießmaschine und ein hoher Druck erforderlich, wenn seine Größe erhöht wird. Daher ist eine kommerzielle Herstellung eines ringförmigen Permanentmagneten aus einem einzigen Körper derzeit auf einem Durchmesser von etwa 100 mm begrenzt.
Da ein Pr-Magnet (Pr-Fe-B-Cu) durch ein Warmwalzverfahren hergestellt wird, kann weiterhin ein ringförmiger Permanentmagnet mit einem Durchmesser von 100 mm oder mehr in einem Körper ausgebildet werden. Wenn jedoch ein ringförmiger Permanentmagnet mit einem großen Durchmesser erzeugt wird, kann er aufgrund seiner ihm eigenen hohen magnetischen Kraft und seiner unhandlichen Form nicht einfach an einer vorgeschriebenen Position montiert werden. Um einen ringförmigen Permanentmagneten mit einem großen Durchmesser unter Einsatz eines Umfangsjochelements zu montieren, wird ferner die magnetische Leistung pro Flächeneinheit aufgrund eines inneren Bruchs des Magneten verschlechtert, welcher durch die mechanische Energie bewirkt wird, die beim Magnetisieren generiert wird. Das Joch kann dann brechen, was es in hohem Maße für eine Drehverlagerung und Versagen empfindlich macht.
Angesichts des oben erläuterten wurde auf diesem Fachgebiet vorgeschlagen, eine Mehrzahl von fächerförmigen Magnetstücken in Umfangsrichtung zu verbinden, um einen ringförmigen Permanentmagneten aus einem einzigen Körper zu bilden. Jedoch weist ein solcher ringförmiger Permanentmagnet aufgrund von inhärenten Flußdichteschwankungen zwischen jedem Magnetstück Ungleichförmigkeiten im magnetischen Fluss auf. Die Gleichförmigkeit im Magnetfeld in der Drehrichtung wird an den Verbindungsstellen zwischen den Magnetstücken derart verschlechtert, dass die Ungleichförmigkeit im magnetischen Fluss erzeugt wird. Wenn diese Verbindungsstellen ausgerichtet sind, kumuliert die Ungleichförmigkeit im magnetischen Fluss, wodurch eine Zunahme im Drehenergieverlust der Lagervorrichtung bewirkt wird. Selbst dann, wenn der ringförmige Permanentmagnet tatsächlich zu einem Körper verbunden wird, kann die Ungleichförmigkeit im magnetischen Fluss aufgrund von Unvollkommenheiten, welche durch bekannte Herstellungsverfahren eingeführt werden, immer noch vorhanden sein. In jedem Falle ist bekannt, dass die Ungleichförmigkeit im magnetischen Fluss proportional zum Durchmesser des Permanentmagneten zunimmt.
Da eine supraleitende Lagervorrichtung einfach die Pinning-Wirkung des Permanentmagneten und des Supraleiters, eine hohe Lastkraft zu erzeugen, ausgleichen könnte, liegt eine häufige Anwendung derartiger Vorrichtungen darin, ein schweres Element, wie etwa ein Schwungrad bei einer hohen Drehgeschwindigkeit zu drehen. Somit werden supraleitende Lagervorrichtungen bei Elektrische-Energie-Speicheranwendungen als nützlich erachtet, bei welchen elektrische Energie als die Bewegungsenergie des Schwungrads gespeichert wird. Dementsprechend muss die ideale supraleitende Energiespeicher-Lagervorrichtung eine mechanische Festigkeit aufweisen, welche einer Verschlechterung bei hohen Drehgeschwindigkeiten widersteht und welche einen Drehverlust minimiert, noch dazu eine ausreichende Tragkraft (Schwebkraft) bereitstellen, um ein schweres Energiespeicherelement zu lagern.
Während einer Drehung ist eine auf den Magneten ausgeübte Kraft proportional zu einem Radius und zu dem Quadrat einer Drehgeschwindigkeit, so dass es dann, wenn der Drehabschnitt einen Ring oder ringförmigen Magneten umfasst, notwendig ist, die mechanische Festigkeit des Magneten zu verbessern, um die Drehfestigkeit zu erhöhen. Jedoch reicht eine einfache Verbesserung der inneren Materialfestigkeit nicht aus, um eine angemessene strukturelle Steifigkeit zu verleihen. Somit wird es notwendig, dass es äußere Verstärkungselemente aufweist. Genauer wird üblicherweise ein Eisenelement verwendet, um einen Rahmen zur Aufnahme des Magneten zu schaffen, um eine Verstärkungsstruktur zum Schutz des Magneten vor einer Zentrifugalkraft bei Drehung bereitzustellen, da die Drehung eines Rotors bei hoher Geschwindigkeit eine hohe Zentrifugalkraft auf den Magneten ausübt.
Selbst dann jedoch, wenn eine solche Verstärkungsstruktur angeordnet ist, ist dieses Verstärkungselement bei einer Drehung der Zentrifugalkraft ausgesetzt und wird in die Zentrifugalrichtung gedrückt. Somit ist bei einer Drehung bei einer besonders hohen Geschwindigkeit unter Umständen nicht einmal dieser Typ eines Verstärkungselement in der Lage, den Magneten ausreichend vor einem Bruch aufgrund von Zentrifugalkraft zu schützen.
Wie oben beschrieben wurde, ist dann, wenn der Magnet für die supraleitende Lagervorrichtung einen durch ein Warmverarbeitungsverfahren hergestellten Pr-Fe-B-Cu-basierten Permanentmagneten umfasst, seine Zugfestigkeit auf bis zu 24 kg/mm² begrenzt, und ist dann, wenn es ein Nd-Fe-B-basierter gesinterter Magnet ist, seine Zugfestigkeit auf bis zu 8 kg/mm² begrenzt. Selbst dann, wenn das vorgenannte Verstärkungselement enthalten ist, ist die Magnetkomponente unter Umständen daher immer noch einer Drehbelastung ausgesetzt, welche diese Zugfestigkeiten in Anwendungen mit großen Abmessungen übersteigt, was in einem möglichen Auseinanderfallen des Magnets und einer Zerstörung der Lagerkraft-Speichervorrichtung resultiert.
Im Gegensatz dazu ist es zur Erhöhung der Tragkraft und schließlich der Speicherfähigkeit der Lagervorrichtung auf wünschenswerte Niveaus notwendig, die Magnetfeldstärke des Magnets zu erhöhen, indem die Größe der entgegengesetzten Bereiche des Supraleiters und des Permanentmagneten vergrößert werden. Um solche Bereiche zu sichern, ist es notwendig, den Außendurchmesser des Magnetabschnitts zu erhöhen. Daher wurde es vergleichsweise schwierig, die widerstreitenden Konstruktionskriterien auszugleichen, welche erforderlich sind, um einen soliden, jedoch leistungsfähigen Permanentmagneten zu bilden, welcher für Energiespeichervorgänge geeignet ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine supraleitende Lagervorrichtung und ein zugeordnetes Herstellungsverfahren bereitzustellen, welche den Zusammenbau eines Verbundmagneten erleichtern können, dessen Struktur sich einer Verlagerung von ringförmigen Permanentmagnet- und Jochabschnitten bei hohen Drehgeschwindigkeiten widersetzt.
Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine supraleitende Lagervorrichtung und ein Herstellungsverfahren dafür bereitzustellen, welches einen modularen Magnetabschnitt kennzeichnet, welcher einfach vergrößert werden kann, um die Magnetfeldstärke und Tragfähigkeit zu erhöhen, und die durch Magnetverbundkonstruktionen bewirkte Ungleichförmigkeit im Magnetfluss zu verringern.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine supraleitende Energiespeicher-Lagervorrichtung und ein Herstellungsverfahren dafür bereitzustellen, bei welcher die mechanische Festigkeit des bei einer hohen Geschwindigkeit gedrehten Magneten selbst dann verbessert werden kann, wenn die äußere Größe eines ringförmigen Permanentmagneten erhöht ist und eine hohe Tragkraft ausgeübt wird.
Nach Maßgabe dieser und verwandter Aufgaben betrifft die vorliegende Erfindung eine supraleitende Lagervorrichtung, welche einen Supraleiter umfasst, welcher an ein stationäres Element montiert ist, sowie ein plattenartiges Magnetbauteil umfasst, welches an einem sich drehenden Element anbringbar ist, wobei der Supraleiter und das Magnetbauteil einander bei einem präzisen Spalt gegenüberliegen, wenn das supraleitende Element sich in einem supraleitenden elektromagnetischen Zustand befindet. Minimalerweise umfasst dieser Platten- oder Scheibenmagnetabschnitt eine Mehrzahl kleinerer, kommerziell replizierbarer ringförmiger Permanentmagneten, welche konzentrisch bezüglich einer zentralen Drehachse angeordnet sind.
Genauer ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine supraleitende Lagervorrichtung bereitgestellt, welche umfasst: einen Supraleiter, welcher an ein stationäres Element montiert ist; sowie einen gegenüberliegenden Magnetabschnitt, welcher an ein Drehelement montiert ist, das mit einem Spaltabstand entfernt von dem Supraleiter angeordnet ist, wobei der Magnetabschnitt umfasst: einen ersten und einen zweiten ringförmigen Permanentmagneten, welche konzentrisch um eine zentrale Drehachse des Drehelements herum angeordnet sind; sowie ein schmiedbares magnetisches Jochelement, welches radial zwischen den ringförmigen Permanentmagneten liegt, wobei das Jochelement in Eingriff mit einer radial äußeren Verbindungsfläche des ersten Permanentmagneten und mit einer radial inneren Verbindungsfläche des zweiten Permanentmagneten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsflächen im Wesentlichen zueinander parallel und zu der zentralen Drehachse des Drehelements schräg orientiert sind.
Der Magnetabschnitt umfasst wenigstens ein weichmagnetisches Joch, welches zwischen einer Mehrzahl von konzentrisch angeordneten ringförmigen Permanentmagneten liegt. Jedes Joch ist gemeinsam mit den entsprechenden Permanentmagnetflächen bezüglich der zentralen Drehachse derart abgeschrägt, dass die relative Verlagerung minimiert wird, welche den während einer Hochgeschwindigkeitsdrehung (über 10.000 Umin) präzise beibehaltenen Magnetabschnitt-Supraleiter-Spalt beeinflusst und ebenso dem Magnetabschnitt selbst eine Gesamtsteifigkeit verleiht. Beispielsweise kann bei einer vertikalen supraleitenden Lageranwendung ein sich drehender Magnetabschnitt die allgemeine Form einer kreisförmigen Platte annehmen, welche über einem aktivierten Supraleiter schwebt. In diesem Fall wird der Magnetabschnitt vorzugsweise konzentrische Ringe von Permanentmagneten umfassen, welche durch ein oder mehrere dazwischen liegende weichmagnetische Jochringe getrennt sind, um eine magnetische Verbund-"Platte" zu bilden.
Gemäß der Erfindung sind die jeweiligen Verbindungsflächen zur zentralen Drehachse schräg geneigt. In dem Fall des oben diskutierten Beispiels eines vertikalen supraleitenden Lagers werden die Flächen vorzugsweise bezüglich der zentralen Drehachse und entlang der Magnet-Joch-Einführrichtung radial nach innen abgeschrägt sein. Diese Anordnung gestattet dann, wenn der Grad an Presseinpassung des Jochs in der axialen (vertikalen) Richtung während eines Zusammenbaus eingestellt wird, dass die benötigte Kraft zum Festziehen des Magnets an der Innenumfangsseite durch ein davorliegendes Joch in einer radialen Richtung optimal eingestellt werden kann. Genauer kann diese abgeschrägte Magnet-Joch-Mehrfachringstruktur optimal den Belastungszustand einer jeden Verbindungsfläche während einer Montage einstellen.
Da die Abweichung in einer Außenabmessungsgenauigkeit der ringförmigen Permanentmagnete und der weichmagnetischen Joche durch Einstellen der Spanntoleranz mittels des weichmagnetischen Jochs aufgenommen werden kann, werden die gewährbaren Abmessungsfehler der ringförmigen Permanentmagnete und der weichmagnetischen Joche somit erhöht, was eine Produktionssteuerung/-regelung erleichtert und Herstellkosten verringert.
Darüber hinaus werden dann, wenn die Einführseite des magnetischen Segments die Lagerfläche bildet und die abwechselnden Magnet-Joch-Ringe radial nach außen eingefügt sind, wie im Fall der ersten bevorzugten Ausführungsform, zuvor eingefügte Magnet- und Jochringe durch seinen unmittelbar angrenzenden Nachbar gehalten, um eine weitere Bewegung in der Einfügerichtung zu verhindern. Weiterhin verhindert das Lagergewicht, wenn es auf den Magnetabschnitt ausgeübt wird, dass die zusammengebauten Ringe "rückwärts austreten", um sie vor einer axialen Verlagerung während einer Drehung zu sichern und dadurch eine Störung des präzisen supraleitenden Spalts ohne äußere Stütze zu verhindern.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform würde ein Querschnitt dieses Magnetplattenbeispiels zeigen, dass die schräggeneigten Kontaktflächen zwischen jedem Permanentmagneten und seinem jeweiligen angrenzenden weichmagnetischen Joch (seinen jeweiligen angrenzenden weichmagnetischen Jochen) bezüglich der vertikalen Drehachse der Platte gekrümmt sind. Genauer kann im Falle von gekrümmten Kontaktflächen die äußere radiale Verbindungsfläche eines jeden Permanentmagneten zur vertikalen Drehachse konvex gekrümmt sein, um die entsprechende konkave radiale Verbindungsfläche seines in Umfangsrichtung größeren benachbarten Jochs in Eingriff zu nehmen. Andersherum kann die innere radiale Verbindungsfläche eines jeden Permanentmagneten relativ zu der vertikalen Drehachse der Platte konkav gekrümmt sein, um die entsprechende konvexe radiale Verbindungsfläche seines in Umfangsrichtung kleineren benachbarten Jochs aufzunehmen. Wenn man so vorgeht, greifen die abwechselnden Magnet- und Jochringe, welche den Magnetplattenabschnitt umfassen, mit konkaven Flächen ineinander, welche entsprechende konkave Abschnitte sichern, um deren vertikale Verlagerung zu verhindern.
Gemäß dem in Anspruch 14 definierten Verfahren zur Bildung eines Magnetabschnitts, bei welchem die Verbindungsflächen zwischen Magnet- und Jochringen gekrümmt oder gewölbt sind, folgt man dem folgenden Herstellungsprozess. Genauer wird eine äußere Kraft auf ein ringförmiges Joch ausgeübt, um es elastisch in die Gestalt eines Oval zu verformen, ein innerer Magnet wird in den Teil der größeren Achse des ovalen Jochs eingepasst und ein äußerer Magnet wird auf die Außenseite des Teils der kleineren Achse angepasst. Weiterhin, die ausgeübte äußere Kraft ist aufgehoben, um das Joch zu seiner normalen Gestalt zurückkehren zu lassen, werden die entsprechenden inneren und äußeren Elemente mit der großen und der kleinen Achse des Jochs in der ovalen Gestalt als dem Drehzentrum gedreht, um die Joch-Endflächen mit den Endflächen der jeweiligen Elemente auf dem gleichen Niveau übereinstimmen zu lassen, um eine Montage zu vollenden. In diesem Falle, da die Joche stets dazwischen angeordnet sind, sind eine Druckkraft und eine Zugkraft, welche beim Montieren auf die Magnete ausgeübt werden, durch elastisches Verformen der Joche verringert, so dass ein unerwarteter Schaden an den Magneten verhindert werden kann. Wenn die drei vollständig montierten ringförmigen Elemente als eine einzelne Magnetanordnung behandelt werden, kann diese Prozedur ferner wiederholt werden, um innen und außen zusätzliche Magnete diesem Basismagnet-Joch hinzuzufügen, wodurch ein Zusammenbau einer gewünschten Anzahl an Sätzen von Jochen und Magneten an der inneren und der äußeren Seite der ursprünglichen Jochanordnung nach Bedarf gestattet wird. Weiterhin kann jedes Magnet- und Jochelement auseinander gebaut werden, indem man lediglich der obigen Prozedur in umgekehrter Reihenfolge folgt: d. h. durch Drehung mit einer gegebenen Achse als dem Zentrum. Somit kann verhindert werden, dass jedes Joch- oder Magnetelement unbeabsichtigterweise in der axialen Richtung beim Drehen verlagert wird.
Ferner kann der Magnetabschnitt alternativ oder zusätzlich ein Umfangsverstärkungselement umfassen, um die abwechselnden konzentrischen ringförmigen Joch- und Permanentmagnetelemente Druck einzupassen und die Steifigkeit zu erhöhen und eine präzise Supraleitungsspalttrennung zwischen den Permanentmagnetelementen und dem Supraleiter bei hohen Drehgeschwindigkeiten zu realisieren.
Ferner können die ringförmigen Permanentmagnete des Magnetabschnitts selbst aus einfach herstellbaren bogenförmigen Magnetabschnitten gebildet sein, welche miteinander verbunden werden, um größere, ringförmige Permanentmagnete zu bilden, welche in den Magnetabschnitt konzentrisch angeordnet sind. In diesem Fall sind die Verbindungen zwischen den einzelnen bogenförmigen Magnetabschnitten in der radialen und der axialen Richtung versetzt, um die Möglichkeit einer Ausrichtung benachbarter Magnetverbindungen zu eliminieren bzw. zu reduzieren und einen Verlust durch ein ungleichförmiges Magnetfeld zu dissipieren, wenn der Magnetabschnitt gedreht wird.
Daher können die Magnetflüsse von den Nordpolen der benachbarten ringförmigen Permanentmagneten durch die ringförmigen weichmagnetischen Joche hindurch treten und zu den Südpolen der jeweiligen ringförmigen Permanentmagnete zurückkehren. Die Magnetflüsse von den jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten werden durch die ringförmigen weichmagnetischen Joche eingeengt und konzentriert, so dass eine auf den Supraleiter wirkende Magnetflussdichte wesentlich erhöht werden kann. Außerdem kann ein ringförmiges Verstärkungselement, welches an dem Außenumfang des ringförmigen Permanentmagneten montiert ist, einen Zugbruch in den ringförmigen Permanentmagneten aufgrund von Zentrifugalkraft verhindern.
Weiterhin kann ein Magnetabschnitt aus einem Einzelkörper gebildet sein, indem eine Mehrzahl von ringförmigen Permanentmagneten in der axialen Richtung verbunden wird, oder indem eine Mehrzahl von ringförmigen Permanentmagneten mit einem unterschiedlichen Durchmesser verbunden wird, wobei jeder ringförmige Permanentmagnet durch Verbinden von bogenförmigen Magnetabschnitten gebildet wird, welche in der radialen Richtung geteilt sind und die jeweiligen ringförmigen Permanentmagnete um einen gewissen Grad in der Umfangsrichtung verlagert verbunden werden, so dass die Verbindungen zwischen den Magnetstücken, die jeden ringförmigen Permanentmagneten bilden, nicht mit jenen der benachbarten Magnetstücke ausgerichtet sind. Dies ermöglicht dadurch eine Verringerung einer nachteiligen Wirkung der Ungleichförmigkeit im Magnetfluss aufgrund der Verbindungen der obigen Verbindungsstruktur zu ermöglichen.
Weiter kann das vorgenannte ringförmige Verstärkungselement ferner verwendet werden, um die ringförmigen Permanentmagnete in der radialen- und der Umfangsrichtung fest zu ziehen und es ist an dem Außenumfang der ringförmigen Permanentmagnete montiert. Vorzugsweise ist das Verstärkungselement aus einem Material in einer geringeren spezifischen Schwere und einer höheren Zugbruchfestigkeit als die ringförmigen Permanentmagnete hergestellt und vorzugsweise sind die Druckkräfte durch das Verstärkungselement in der radialen und der Umfangsrichtung der ringförmigen Permanentmagnete kleiner als die Druckbruchbelastung der Magnete, wenn sich der Magnetabschnitt nicht dreht.
Ein ideales Material für das Verstärkungselement ist kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFRP = "carbon fiber reinforced plastic") und kann um die ringförmigen Permanentmagnete gewickelt werden, während diese zusammengedrückt werden, um ein ringförmiges Verstärkungselement am Außenumfang des Magnetabschnitts zu bilden. Genauer kann der konzentrische Permanentmagnet (und mögliche Jochelemente) wie oben beschrieben presseingepasst sein, um den betriebsfähigen Teil des Magnetabschnitts der Lagervorrichtung zu bilden.
Ein aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFRP) hergestelltes ringförmiges Verstärkungselement kann an dem Außenumfang der ringförmigen Permanentmagnete angeordnet sein. Die auf die ringförmigen Permanentmagnete durch das Verstärkungselement ausgeübte Druckkraft sollte dann, wenn sich das Drehelement gerade nicht dreht, kleiner sein als die Druckbruchbelastung der Magnete. Weiterhin wird die Zugbruchbelastung, welche die Magnete dann zerbricht, wenn das Verstärkungselement nicht angeordnet ist, wenn das Drehelement sich dreht, zuvor bestimmt und die spezifische Schwere und Zugbruchfestigkeit des Verstärkungselements werden derart gewählt, dass eine Zentrifugalzugkraft durch das Vorhandensein des Verstärkungselements auf die Magnete ausgeübt wird, welche kleiner als die Zugbruchbelastung ist. Da das Verstärkungselement in Faserform auf den Magnetabschnitt gesponnen wird, ist es einfach, derartige Faktoren zu steuern. Dementsprechend kann die mechanische Festigkeit der Magnete gegen die Drehung bei einer hohen Geschwindigkeit selbst dann verbessert werden, wenn dem ringförmigen Permanentmagneten eine große äußere Gestalt gegeben wird. Als Folge kann eine supraleitende Lagervorrichtung mit einer hohen Tragkraft erhalten werden.
Ferner kann ein verstärkter Magnetabschnitt zusätzlich einen magnetisch neutralen Keilring umfassen, um eine größere Kraft beim Zusammendrücken der ringförmigen Permanentmagneten in der radialen und der Umfangsrichtung aufzubringen. Vorzugsweise ist dieser Keilring dem Innenumfang des Halteelements benachbart angeordnet, um in optimaler Weise das Halteelement beim Zusammendrücken der Magnetabschnitte zu ergänzen, um eine axiale Magnetverlagerung bei hohen Drehgeschwindigkeiten zu vermeiden.
Andere Aufgaben und Errungenschaften gemeinsam mit einem vollständigeren Verständnis der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und Ansprüche in Zusammenschau mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich und verstanden werden.
7 bis 12 zeigen Ausführungsformen der Erfindung. Die verbleibenden Figuren dienen Zwecken der Veranschaulichung.
In den Zeichnungen, bei welchen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile beziehen, stellt dar:
1 eine vertikale Querschnittsansicht eines Elektrische-Energie-Speichersystems nach Maßgabe der Erfindung;
2 eine perspektivische Explosionsansicht, teilweise im Vertikalschnitt, welche aktive Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
3 eine vergrößerte Vertikalschnittansicht der in 2 gezeigten aktiven Lagerabschnitte;
4 zeigt den Beginn eines Zusammenbaus eines Jochs und eines ringförmigen Permanentmagneten für den in 2 gezeigten Magnetabschnitt;
5 eine perspektivische Ansicht, welche den in 2 gezeigten Magnetabschnitt während eines Zusammenbaus zeigt;
6 eine Draufsicht, welche , den in 2 gezeigten Magnetabschnitt zusammengebaut zeigt;
7 eine perspektivische Explosionsansicht, teilweise im Vertikalschnitt, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 eine vergrößerte Vertikalschnittansicht der in 7 gezeigten aktiven Lagerabschnitte;
9 eine perspektivische Ansicht, welche den Beginn eines Zusammenbaus eines Jochs und eines ringförmigen Permanentmagneten für den in 7 gezeigten Magnetabschnitt als das Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 eine vergrößerte Vertikalschnittansicht, welche den zusammengebauten Magnetabschnitt zeigt, um die Einstellung einer Belastung durch ein Innenumfangsjoch der in 7 gezeigten vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen;
11 eine vergrößerte Vertikalschnittansicht, welche den zusammengebauten Magnetabschnitt der in 7 gezeigten vorliegenden Erfindung zeigt, wobei sie die Einstellung einer Belastung durch ein Außenumfangsjoch veranschaulicht.
12 eine vergrößerte Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte gemäß einem weiteren spezifischen Beispiel der Erfindung zeigt;
13 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
14 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
15 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
16 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
17 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
18 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
19 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
20 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
21 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
22 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
23 eine allgemeine perspektivische Ansicht, welche einen in 22 gezeigten ringförmigen Permanentmagneten zeigt;
24 eine perspektivische Teilexplosionsansicht eines in 22 gezeigten diskreten bogenförmigen Magneten;
25 eine Draufsicht, welche den in 22 gezeigten ringförmigen Permanentmagneten zeigt;
26 eine Draufsicht, welche einen anderen in 22 gezeigten ringförmigen Permanentmagneten zeigt;
27 eine Draufsicht, welche noch einen weiteren in 22 gezeigten ringförmigen Permanentmagneten zeigt;
28 eine allgemeine perspektivische Ansicht, welche einen zylindrischen Permanentmagneten zeigt;
29 eine Draufsicht, welche den in 28 gezeigten zylindrischen Permanentmagneten zeigt;
30 eine perspektivische Ansicht eines in 28 gezeigten einzelnen bogenförmigen Magnetabschnitts;
31A repräsentiert eine Draufsicht eines weiteren in 28 gezeigten zylindrischen Permanentmagneten;
31B repräsentiert eine perspektivische Ansicht des Permanentmagneten von 31 A;
32 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
33 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
34 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
35 ein Diagramm einer beispielhaften Belastungsverteilung, welche eine Umfangsbelastung bei jeder radialen Position zeigt, wenn sich das Drehelement nicht dreht;
36 ein Diagramm einer beispielhaften Belastungsverteilung, welches eine radiale Belastung bei jeder radialen Position zeigt, wenn sich das Drehelement nicht dreht;
37 ein Diagramm einer beispielhaften Belastungsverteilung, welche eine Umfangsbelastung bei jeder radialen Position zeigt, wenn sich das Drehelement bei 40.000 Umin dreht;
38 ein Diagramm einer beispielhaften Belastungsverteilung, welches eine radiale Belastung bei jeder radialen Position zeigt, wenn sich das Drehelement bei 40.000 Umin dreht;
39 eine vertikale Schnittansicht, welche einen teilweise zusammengebauten aktiven Lagerabschnitt einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
40 und 41 repräsentative Vertikalschnittansichten des spezifischen Beispiels von 39 nach einem Zusammenbau;
42 eine Vertikalschnittansicht, welche die aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt;
43 eine teilweise geschnittene schematische perspektivische Explosionsansicht, welche ein Drehelement gemäßdem in 42 gezeigten Beispiel zeigt;
44 eine Vertikalschnittansicht des in 42 gezeigten Beispiels, welche einen Keilring darstellt, der zwischen einen Magnetabschnitt und ein Verstärkungselement getrieben wird; sowie
45 eine Vertikalschnittansicht der aktiven Lagerabschnitte einer supraleitenden Lagervorrichtung.
Nun wird Bezug auf 1 genommen, welche eine schematische Strukturansicht eines Elektrische-Energie-Speicher-Systems zeigt, an welchem eine supraleitende Lagervorrichtung der Erfindung angewendet wird. Dieses Elektrische-Leistung-Speicher-System hat ein Vakuumgefäß31, welches einen an einem stationären Element A zu montierenden Supraleiter 1 und ein an einem rotierenden Element B zu montierenden Permanentmagnetabschnitt 2 enthält. Der Supraleiter 1 und der Magnetabschnitt 2 sind derart angeordnet, dass sie einander mit einem Spalt zwischen sich gegenüberliegen. Der Supraleiter 1 ist in einem Kühlgehäuse aufgenommen, durch welches ein Kühlmedium 32 zirkuliert wird, um das Kühlgehäuseinnere auf eine vorgeschriebene Temperatur zu kühlen, um den Supraleitungszustand aufrecht zu erhalten. Ein ringförmiges Lagerelement aus Kupfer oder einem anderen metallischen Werkstoff ist an dem Außenumfang des Kühlgehäuses befestigt. Das Lagerelement weist den Supraleiter 1 darin in der Form eines Rings oder Keilrings eingebettet auf.
Das drehende Element B weist den Magnetabschnitt 2 an ein aus hochzugfestem Stahl gebildeten Schwungrad 33 angebracht auf. Das Drehelement B wird in dem Vakuumgefäß 31 gedreht, welches durch eine (nicht dargestellte) Vakuumpumpe über ein Rohr 34 auf ein hohes Vakuum evakuiert ist, um Luftwiderstandsverluste auf ein so geringes Maß wie möglich zu reduzieren.
Das Schwungrad 33 ist mit einem Permanentmagneten 35 zur gemeinsamen Drehung versehen, und ein Generatormotor 36 ist derart angeordnet, dass er zu den Permanentmagneten hinweist. Der Generatormotor 36 dient als eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, bei welcher Energie akkumuliert und zugeführt wird. In 1 bezeichnet Bezugszeichen 37 einen Leistungswandler, welcher als eine Black box dargestellt ist, da eine weitere Beschreibung für den ausführlichen Betrieb für einen Durchschnittsfachmann auf dem betreffenden Gebiet nicht notwendig sind, um ein korrektes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erlangen.
2 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Explosionsansicht, welche die aktiven Lagerbauteile zeigt, nämlich den Supraleiter 1 und den Permanentmagnetabschnitt 2 einer beispielhaften supraleitenden Lagervorrichtung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 ist eine Vertikalquerschnittsansicht derselben. Wie oben beschrieben wurde, ist die supraleitende Lagervorrichtung mit dem an dem stationären Element A zu montierenden Supraleiter und dem an dem drehenden Element B zu montierenden Permanentmagnetabschnitt 2 versehen, und der Supraleiter 1 und der Magnetabschnitt 2 sind derart angeordnet, dass sie einander mit einem präzisen Spalt zwischen sich gegenüberliegen.
Der Supraleiter 1 weist eine herkömmliche bekannte Struktur auf und ist in einem Kühlgehäuse aufgenommen, welches hier nicht dargestellt ist. Wie oben beschrieben wurde, ist ein ringförmiges Lagerelement aus Kupfer oder einem anderem metallischen Werkstoff an dem Außenumfang des Kühlgehäuses befestigt. Das Lagerelement weist den Supraleiter in der Form eines darin liegenden Rings eingebettet auf. Weiterhin wird in dem Kühlgehäuse ein Kühlmedium zirkuliert, um das Kühlgehäuseinnere auf eine vorbestimmte Temperatur zu kühlen, um einen Supraleitungszustand aufrecht zu erhalten.
Vorzugsweise ist der Supraleiter 1 gebildet, indem man normal leitende Partikel Y5Ba1Cu1 gleichmäßig in einen Yttrium-Hochtemperatur-Supraleiter (z. B. ein Substrat aus Yba2Cu30x), gleichmäßig mischt, und weist eine Charakteristik auf, den Eindringungsweg von Magnetflüssen zu begrenzen, welche von ringförmigen Permanentmagneten 3 erzeugt werden, die unten ausführlicher beschrieben werden. Der Supraleiter 1 weist eine Länge auf, die in einer radialen Richtung (normal zur zentralen Drehachse 1000) derart bestimmt ist, dass sie länger ist als eine Gesamtsumme radialer Längen der ringförmigen Permanentmagnete 3 von der ganz innersten Fläche zu der ganz äußersten Fläche.
Der Supraleiter 1 ist derart angeordnet, dass er den ringförmigen Permanentmagneten 3 mit einem vorbestimmten Spalt zwischen diesen in der axialen Richtung (parallel zu der zentralen Drehachse 1000) gegenüberliegt. Genauer ist der Spalt zwischen dem Supraleiter 1 und dem ringförmigen Permanentmagneten 3 derart bestimmt, dass man eine vorbestimmte Menge an Magnetflüssen von dem ringförmigen Permanentmagneten 3 den Supraleiter 1 durchdringen lässt und sich der verteilte Zustand der eingedrungenen Magnetflüsse selbst dann nicht ändert, wenn das Drehelement gedreht wird.
Bezugnehmend auf 2 und 3 besteht das Drehelement B aus einem Rotor 5 mit einem hohlen zentralen Abschnitt, um eine zentrale drehende Schwungradwelle (nicht dargestellt) von oben oder unten aufzunehmen, sowie dem vorgenannten an dem Rotor 5 befestigten Magnetabschnitt 2. Der Magnetabschnitt 2 ist zur Achse 1000 des Drehelements B konzentrisch und weist die mehreren ringförmigen Permanentmagnete 3 auf, welche wechselseitig derart magnetisiert sind, dass benachbarte Magnete 3 in der radialen Richtung abgestoßen werden, und zwischen den jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten 3 ist ein ringförmiges weichmagnetisches Joch 4 angeordnet.
In diesem besonderen Beispiel verwenden die ringförmigen Permanentmagnete 3 z. B. einen Pr-Fe-B-Cu-basierten Permanentmagneten, welcher durch bekannte Warmverarbeitungsmethoden erzeugt wird und das ringförmige weichmagnetische Joch 4 ist aus weichem schmiedbarem Eisen hergestellt. In dieser Struktur treten die Magnetflüsse von den Nordpolen der ringförmigen Permanentmagnete 3 durch das ringförmige weichmagnetische Joch 4 und kehren zu den Südpolen der ringförmigen Permanentmagnete 3 zurück. Somit werden die Magnetflüsse von den ringförmigen Permanentmagneten 3 durch ihre zwischenangeordneten ringförmigen weichmagnetischen Joche 4 eingeengt und konzentriert, so dass eine auf den Supraleiter 1 wirkende Magnetdichte deutlich erhöht werden kann.
Diese supraleitende Magnetlagervorrichtung weist ihren Supraleiter durch das Kühlmedium gekühlt auf, welches in dem Kühlgehäuse zirkuliert, um ihn in dem Supraleitungszustand zu halten. In dem Supraleitungszustand durchdringen die Magnetflüsse von den ringförmigen Permanentmagneten 3 des Drehelements B derart, dass sie selektiv durch die normal leitenden Partikel treten, welche gleichmäßig in den Supraleiter gemischt sind, und ein supraleitender Strom verläuft derart um die eingedrungenen Magnetflüsse herum, dass er den Eindringungsweg der Magnetflüsse konstant hält. Daher fallen das Drehelement B und die ringförmigen Permanentmagnete 3 in einen Zustand, welcher als "Pinning"-Erscheinung bekannt ist, in welchem sie durch den Supraleiter durch die Magnetflüsse zwangsfestgelegt sind. Jedoch werden die Magnete durch den Supraleiter nicht von einer Bewegung in eine Richtung abgehalten, in welche die Flussdichte nicht verändert wird, und die ringförmigen Permanentmagnete 3, welche durch einen in axialer Richtung symmetrischen Magnetkreis konfiguriert sind, können ruhig drehen, ohne im Geringsten durch magnetische Wechselwirkung mit dem Supraleiter 1 eingeschränkt zu sein.
Wenn die supraleitende Lagervorrichtung ein großes Lager aufweist und ein ringförmiger Einzelkörper-Permanentmagnet nicht hergestellt werden kann, werden eine Mehrzahl von Permanentmagneten verbunden, um die ringförmigen Permanentmagnete 3 zu bilden. In diesem Falle sind der ringförmige Permanentmagnet 3 und das ringförmige weichmagnetische Joch 4 abwechselnd angeordnet, die Ungleichförmigkeit im Magnetfluss, welche an den Verbindungsflächen der Magnete erzeugt wird, die jeweilige ringförmige Permanentmagnete 3 bilden, kann verringert werden, was ermöglicht, eine Lagervorrichtung mit großen Abmessungen zu erzeugen.
Bezugszeichen 6 bezeichnet ein Verstärkungselement, welches an dem äußersten Ende des Magnetabschnitts angebracht ist und welches dazu dient, zu verhindern, dass der Magnetabschnitt 2 einem Zugbruch aufgrund von durch hohe Drehzahlen erzeugter Zentrifugalkraft ausgesetzt wird.
Wie in 3 gezeigt ist, nehmen darüber hinaus die Verbindungsflächen eines jeden ringförmigen Permanentmagneten 3 und eines jeden weichmagnetischen Jochs 4 eine gekrümmte oder sphärische Gestalt an, welche von dem Zentrum des Magnetabschnitts 2 und der zentralen Drehachse 1000 nach außen gewölbt ist. Genauer kann die äußere radiale Verbindungsfläche eines jeden Permanentmagneten 3 konvex zur zentralen Drehachse 1000 gekrümmt sein, um in Eingriff mit der entsprechenden konkaven radialen Verbindungsfläche seines in Umfangsrichtung größeren benachbarten Jochs 4 zu sein. Umgekehrt kann die innere radiale Verbindungsfläche eines jeden Permanentmagneten 3 relativ zur zentralen Drehachse 1000 konkav gekrümmt sein, um die entsprechende konvexe radiale Verbindungsfläche seines in Umfangsrichtung kleineren benachbarten Jochs 4 aufzunehmen. Wenn man so vorgeht, greifen die abwechselnden Magnet- und Jochringe, welche den Magnetplattenabschnitt umfassen, mit konkaven Flächen ineinander, die entsprechende konkave Abschnitte derart sichern, dass eine axiale Verlagerung derselben verhindert wird.
Bei einer Montage vom Innenumfang zum Außenumfang nach Maßgabe dieser Prozedur kann der Magnetabschnitt mit einer großen Größe ruhig zusammengebaut werden. Bezugnehmend auf 4 wird genauer der Magnetabschnitt 2 der supraleitenden Lagervorrichtung dieses besonderen Beispiels zusammengebaut, indem eine äußere Kraft F gegen das weichmagnetische Joch 4 angelegt wird, um es elastisch in die Form eines Ovals zu verformen, und indem ein ringförmiger Permanentmagnet mit dem entsprechenden Innen- und Außenumfang bei rechten Winkeln bezüglich der großen und der kleinen Achse des ovalen Jochs 4 angebracht wird. Mit anderen Worten wird der innere ringförmige Permanentmagnet 3 an dem Abschnitt der größeren Achse mit dem maximalen Innenumfangsabstand des ovalen weichmagnetischen Jochs 4 angebracht, und der äußere ringförmige Permanentmagnet 3 wird derart angebracht, dass er den Abschnitt der kleineren Achse mit dem minimalen Außenumfangsabstand des ovalen weichmagnetischen Jochs 4 abdeckt. Dann, wenn die angelegte äußere Kraft F entfernt wird, um das weichmagnetische Joch 4 zu einer normalen runden Gestalt zurückkehren zu lassen, werden der innere und der äußere ringförmige Permanentmagnet bei rechten Winkeln, wie in 5 gezeigt, an dem Joch 4 angebracht. Dann, wobei die große und die kleine Achse des Jochs 4 in der ovalen Gestalt als das Drehzentrum fungieren, werden der entsprechende innere und äußere ringförmige Permanentmagnet 3 derart gedreht, dass ihre Endflächen mit den Endflächen des weichmagnetischen Jochs 4 übereinstimmen, wobei somit die Montage wie in 6 gezeigt ist, abgeschlossen wird.
Aufgrund des Vorhandenseins des weichmagnetischen Jochs 4 werden eine Druckkraft und eine Zugkraft, welche auf die Magneten 3 bei der Montage ausgeübt werden, reduziert, indem sie durch die elastische Verformung des weichmagnetischen Jochs absorbiert werden, so dass eine unerwartete Beschädigung der Magnete 3 verhindert werden kann. Außerdem kann diese Prozedur wiederholt werden, um zusätzliche weichmagnetische Joche 4 und Magnete 3 zu einer beliebigen gewünschten Anzahl an Kombinationen in Richtung nach außen zu montieren.
Wie oben beschrieben wurde, können bei der supraleitenden Lagervorrichtung dieses besonderen Beispiels das weichmagnetische Joch und der innere und der äußere ringförmige Permanentmagnet ruhig zusammengebaut werden, indem durch Anlegen einer äußeren Kraft an das Joch sie elastisch in eine ovale Gestalt verformt werden, da die supraleitende Lagervorrichtung, bei welcher der Magnetabschnitt des Drehelements die Mehrzahl von konzentrisch um die Achse 1000 des Drehelements angeordneten ringförmigen Permanentmagneten 3 und die zwischen den ringförmigen Permanentmagneten 3 angeordneten weichmagnetischen Joche 4 umfasst und da die Verbindungsflächen eines jeden Magneten und eines jeden Jochs gekrümmt sind, wobei sie im allgemeinen einer sphärischen oder bogenförmigen Fläche bezüglich dem Zentrum des Magnetabschnitts folgen. Darüber hinaus können dann, wenn diese Prozedur wiederholt wird, d. h. wenn der obige zusammengebaute Körper als ein ringförmiger Permanentmagnet betrachtet wird und ein weiteres weichmagnetisches Joch verwendet wird, das Joch und der innere und der äußere Magnet zu einer gewünschten Anzahl an Kombinationen zusammengebaut werden.
Die jeweiligen Magnet- und Jochelemente können dadurch auseinandergebaut werden, dass man der obigen Zusammenbauprozedur in umgekehrter Reihenfolge folgt, d. h. indem man die Magnet- und Jochringe unter Verwendung der Achse 1000 als Zentrum dreht. Somit kann sicher verhindert werden, dass irgendein Element in der axialen Richtung entfernt wird, wenn es in einer einzigen Ebene normal zur zentralen Drehachse 1000 dreht.
Nun wird mit Bezugnahme auf 7 bis 11 im Folgenden eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden.
7 ist eine perspektivische schematische Schnitt-Explosionsschnittansicht, welche die allgemeine Struktur der aktiven Lagerkomponente einer supraleitenden Lagervorrichtung gemäß diesem besonderen Beispiel zeigt. 8 ist eine Vertikalschnittansicht derselben. Die supraleitende Lagervorrichtung hat dieselbe Basisstruktur wie das oben beschriebene spezifische Beispiel und ist mit einem an einem stationären Element A montierten Supraleiter 1 und einem an einem Drehelement B montierten Permanentmagnetabschnitt 2 versehen, wobei der Supraleiter 1 und der Magnetabschnitt 2 einander mit einem Spalt zwischen sich gegenüberliegen.
In diesem besonderen Beispiel sind Verbindungsflächen von jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten 3 und zwischen diesen angeordneten weichmagnetischen Jochen 4 des Magnetabschnitts 2 derart geformt, dass sie eine geneigte Fläche in einer Richtung aufweisen, in welche diese Elemente 3, 4 eingeführt werden. Wie in 8 gezeigt ist, sind diese Flächen in einer Richtung geneigt, dass eine Ausdehnung des Rings nach außen und nach oben gestattet wird. Genauer werden die Elemente 3, 4 in vertikaler Richtung entlang der vertikalen Drehachse der Lagervorrichtung angebracht. Wenn somit der Magnetabschnitt 2 von innen nach außen gemäß der vorliegenden Prozedur zusammengebaut wird, kann der Magnetabschnitt mit einem großen Durchmesser ruhig zusammengebaut werden.
Genauer wird nun eine Prozedur zum Zusammenbauen des Magnetabschnitts 2 der supraleitenden Lagervorrichtung dieses spezifischen Beispiels beschrieben. Wie in 9 gezeigt ist, ist ein Block, welcher durch aufeinander folgendes Anbringen des weichmagnetischen Jochs 4 und des ringförmigen Permanentmagneten 3 an dem Außenumfang des innersten Elements oder des Rotors 5 gebildet wird, an einer Montagevorrichtung 13 angebracht. Die Montagevorrichtung 13 weist einen Außenradius auf, welcher geringfügig kleiner als der Außenradius des Blocks ausgebildet ist, so dass dann, wenn das Joch 4 zwangsweise auf dem äußersten Umfang des im folgenden zu beschreibenden Blocks angebracht wird, der Block als Ganzes im Durchmesser zusammengedrückt und verformt werden kann.
Dann wird das ringförmige weichmagnetische Joch 4 unter Kraft an dem Außenumfang des ringförmigen Permanentmagneten 3 des Blocks angebracht. Das Joch 4 weist vor dem Anbringen unter Kraft eine Länge in der Einführrichtung auf, welche derart bestimmt ist, dass sie geringfügig länger als die Dicke des Blocks ist. Das vordere und das hintere Ende des Jochs 4 sind dazu ausgebildet, von den Enden des Blocks vorzuragen, wenn das Joch an den Block angebracht ist. Bei dem Prozess dieses Anbringens weist die Innenumfangsfläche des weichmagnetischen Jochs 4 eine konische Fläche auf, so dass sie sich nach oben ausdehnt und die Außenumfangsfläche des ringförmigen Permanentmagneten 3 ist derart gebildet, dass sie eine konische Fläche aufweist, um mit der Innenumfangsfläche des weichmagnetischen Jochs 4 zusammenzupassen. Somit kann ein Zusammenbau erleichtert werden, da die Öffnung des Jochs 4 erweitert wird, wenn mit dem Einführen begonnen wird. Die konische Fläche mit einer geneigten Querschnittsgestalt dient als eine Führungsfläche.
Zu dieser Zeit kann die Einstellung eines Presssitzgrades des weichmagnetischen Jochs 4 optimal eine Kraft zum Zusammendrücken des Magneten 3 durch das Joch 4 einstellen. Dies bedeutet, dass die Joch-Druckkraft dann erhöht wird, wenn das Joch 4 in der durch Pfeil Y angezeigten Richtung, wie in 10 dargestellt ist, gedrückt wird. Umgekehrt wird die Joch-Druckkraft reduziert, wenn das Joch 4 in der durch Pfeil X angezeigten Richtung positioniert wird wie in der Figur gezeigt ist. Da die Joch-Druckkraft beim Zusammenbauen optimal eingestellt werden kann, kann daher die Abweichung in der Genauigkeit der äußeren Abmessung der ringförmigen Permanentmagneten 3, 3 und der weichmagnetischen Joche 4, 4 durch Einstellen der Drucktoleranz durch das weichmagnetische Joch 4 aufgenommen werden.
Wenn das weichmagnetische Joch 4 mit einer optimalen Druckbelastung montiert ist, wird die Montagevorrichtung 13 entfernt, das nicht notwendige Vorragen des weichmagnetischen Jochs 4 von der Endfläche des ringförmigen Permanentmagneten 3 wird durch Schleifen der Fläche beseitigt, um die Endfläche gleichförmig zu machen.
Dann werden an dem Außenumfang des an dem ringförmigen Permanentmagneten 3 montierten weichmagnetischen Jochs 4 ein weiterer ringförmiger Permanentmagnet 3 und ein weiteres weichmagnetisches Joch 4 nacheinander durch die gleiche Prozedur wie sie oben beschrieben ist, montiert. Dies bedeutet, wie in 10 gezeigt ist, dass ein ringförmiger Permanentmagnet 3 an den Außenumfang des weichmagnetischen Jochs 4 montiert wird, welches an dem ringförmigen Permanentmagneten 3 montiert ist. Dass eine weitere Montagevorrichtung 13 montiert wird mit einem Außenumfangsradius, welcher geringfügig kleiner als der gesamte Außenumfangsradius in dem Zustand ist, in welchem der ringförmige Permanentmagnet 3 montiert wird, und dass ein weiteres ringförmiges weichmagnetisches Joch 4 auf den Außenumfang des ringförmigen Permanentmagneten 3 aufgepresst wird. Da die Innenumfangsfläche des weichmagnetischen Jochs 4 in einer konischen Fläche mit einer geneigten Gestalt ausgebildet ist, dient diese konische Fläche zu dieser Zeit in der gleichen Art und Weise wie oben als eine Führungsfläche, um das Anbringen unter Kraft zu erleichtern. Wenn das Joch 4 durch das Anbringen unter Kraft festgelegt ist, so dass eine optimale Druckbelastung vorliegt, in der gleichen Weise wie oben, wird das Vorstehen des weichmagnetischen Jochs 4 entlang der Endflächen des inneren Magneten 3 und Jochs 4, welche kombiniert sind, entfernt. Dann werden ein weiterer Magnet 3 und ebenso eine weitere Montagevorrichtung 13 an dem Außenumfang angebracht und ein weiteres Joch 4 wird aufgepresst.
Dementsprechend wird das untere Element B erzeugt durch Anbringen des Magnetabschnitts 2, welcher die mehrfachen Sätze von ringförmigen Permanentmagneten 3 und weichmagnetischen Joche 4 und das Verstärkungselement 6 umfasst, welches an dem äußersten Umfang des Magnetabschnitts 2 angebracht ist, um ein Auftreten eines Zugbruchs aufgrund von Zentrifugalkraft beim Drehen, wie in 8 gezeigt ist, zu verhindern. In der Figur bezeichnet Bezugszeichen 14 ein Verzug verhinderndes Element, welches unmagnetisch ist und eine ausreichende Starrheitsfestigkeit aufweist. Wenn eine magnetische Schwebkraft von dem Supraleiter 1 nicht gleichmäßig ist, dient das verzugverhindernde Element 14 dazu, zu verhindern, dass sich die ringförmigen Permanentmagnete 3 und der Magnetabschnitt 2 in einen verformten Zustand verziehen.
In diesem besonderen Beispiel, da die ringförmigen Permanentmagnete und weichmagnetischen Joche mit einer konischen oder geneigten Fläche versehen sind, kann ein Anbringen mit einer geringen Drucktoleranz durch die weichmagnetischen Joche vollzogen werden, und die Druckverteilungsbelastung an dem Magneten in der Innenumfangsfläche kann gleichmäßig gemacht werden. Wenn die Verteilung einer Druckkraft gegen den Magneten gleichmäßig gemacht ist, ist die Streuung einer gegebenen Druckbelastung eliminiert, so dass verhindert werden kann, dass der Drehbetrieb fehlschlägt, und die Vorrichtung kann in Punkto Sicherheit und Zuverlässigkeit verbessert werden.
In den obigen spezifischen Beispiel sind die konischen ober geneigten Flächen zur Verbindung des Magnetabschnitts 2 und der jeweiligen Elemente 3, 4 in einer Richtung geneigt, so dass sie sich nach außen und nach oben erweitern, wie in einer Schnittansicht gezeigt ist. Es soll jedoch verstanden werden, dass sie derart ausgebildet sein können, dass sie sich nach außen und nach unten erweitern, wie in 12, gezeigt. In diesem Falle werden die Elemente 3, 4, um sie zusammenzubauen, bezüglich der Lagervorrichtung nach unten hin angebracht. Der Rotor 5 an dem innersten Umfang ist fest an dem verzugverhindernden Element 14 mit Schrauben 15 festgelegt, um zu verhindern, dass die Elemente 3, 4 von dem Magnetabschnitt 2 nach unten fallen. Gleichzeitig, da der Magnetabschnitt 2 an dem verzugverhindernden Element 14 durch die in den Rotor 5 an der innersten Seite, bei welcher die Zentrifugalkraft beim Drehen relativ gering ist, eingedrehten Schrauben 15 festgelegt ist, kann eine nachteilige Wirkung auf die Schraubverbindung aufgrund einer Zentrifugalkraft verhindert werden.
Die Verbindungsflächen der Elemente 3, 4 können je nach Wunsch zwischen den zwei geneigten Richtungen kombiniert sein. Genauer kann das Element an der Innenumfangsseite derart geneigt sein, dass es sich nach unten erweitert, und das Element an der Außenumfangsseite kann derart geneigt sein, dass es sich nach oben erweitert.
Darüber hinaus weisen die Verbindungsflächen der ringförmigen Permanentmagnete und der weichmagnetischen Joche in diesem spezifischen Beispiel den gleichen Neigungswinkel auf, können jedoch nach Wunsch geändert werden. Beispielsweise kann der Neigungswinkel von den inneren zu den äußeren Umfängen hin abnehmen. Weiterhin können diese Verbindungsflächen gekrümmt sein und können je nach Wunsch kombiniert werden.
Gemäßden spezifischen Beispielen der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann, wie oben beschrieben wurde, bei der supraleitenden Lagervorrichtung, bei welcher der Magnetabschnitt des Drehelements die Mehrzahl von zu der Achse des Drehelements konzentrischen ringförmigen Permanentmagneten und das zwischen den ringförmigen Permanentmagneten positionierten weichmagnetische Joch umfasst, eine Kraft zum Zusammendrücken des Magneten an der Innenumfangsseite durch das Joch in einer radialen Richtung optimal eingestellt werden, da die Verbindungsflächen jeweiliger Magnete und Joche derart ausgebildet sind, dass sie die konische oder geneigte Fläche in ihren Einführrichtungen aufweisen, wenn der Presssitzgrad des Jochs in der axialen Richtung beim Zusammenbauen eingestellt wird. Somit kann die Magnet-Joch-Mehrfachringstruktur den Belastungszustand einer jeden Verbindungsfläche beim Zusammenbauen optimal einstellen. Da die Abweichung in der Genauigkeit der Außenabmessung der ringförmigen Permanentmagnete und der weichmagnetischen Joche durch Einstellen der Drucktoleranz mittels des weichmagnetischen Jochs aufgenommen werden kann, sind die gewährbaren Abmessungsfehler der ringförmigen Permanentmagnete und der weichmagnetischen Joche erhöht, was eine Produktionssteuerung/-regelung erleichtert und Produktionskosten verringert.
Da die Magnete und Joche des Magnetabschnitts sich nicht in der Richtung bewegen können, in welcher die Joche beim Zusammenbauen eingeführt werden, wenn die Einführrichtung zu einer Richtung nach unten wirkt, wenn die Lagervorrichtung vollendet ist, können die konischen oder geneigten Verbindungsflächen der benachbarten Elemente sicher verhindern, dass die jeweiligen Elemente sich nach unten entlang der Drehwelle herauslösen. Wenn die Einführrichtung derart bestimmt ist, dass sie nach oben weist, kann das Element an dem innersten Umfang lediglich fest an dem oberhalb positionierten Element festgelegt werden, wie etwa dem verzugverhindernden Element, um zu verhindern, dass jeweilige Elemente, welche zum äußersten Umfang hin angeordnet sind, nach unten fallen, und da das Element am innersten Umfang zur Verbindung verwendet wird, kann eine nachteilige Wirkung auf diese Verbindung aufgrund von Zentrifugalkraft verringert werden.
In den zuvor genannten spezifischen Beispielen wurde als ein Magnet ein Pr-Fe-B-Cu-basierter Magnet verwendet, jedoch ist der Magnet nicht darauf begrenzt und beliebige Permanentmagnete, wie etwa Ferrit, Alnico, Neodymbasierte oder Samarium-basierte können verwendet werden. Außerdem wurde der Supraleiter unter Verwendung des Yttrium-Hochtemperatur-Supraleiters als ein Beispiel beschrieben, jedoch kann jeder Supraleiter, wie etwa ein (Re-Ba-Cu-O)-basierter verwendet werden, welcher z. B. Elemente enthält, die auf seltenen Erden basieren, welche eine rückstellende Kraft gegen Magnete haben können. Das obige RE ist eines oder mehrere Elemente, welche aus der Gruppe von Elementen ausgewählt sind, die besteht aus Y, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er und Yb.
13 ist eine vertikale Schnittansicht, welche den Hauptteil einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt. Diese supraleitende Lagervorrichtung ist mit einem Supraleiter 1 versehen, welcher an einem stationären Element A anzubringen ist, das an der Vorrichtung festgelegt ist, und ist weiter mit einem Permanentmagnetabschnitt 2 versehen, welcher an einem Drehelement B anzubringen ist, das an einer Drehwelle festgelegt ist. Der Supraleiter 1 und der Permanentmagnetabschnitt 2 sind derart angeordnet, dass sie einander mit einem vorgeschriebenen Spalt zwischen sich gegenüberliegen.
Der Supraleiter 1 weist eine herkömmliche bekannte Struktur auf und ist in einem Kühlgehäuse aufgenommen, welches nicht dargestellt ist. An dem Außenumfang des Kühlgehäuses ist ein ringförmiges Lagerelement aus Kupfer oder einem anderen metallischen Material befestigt. Das Lagerelement weist in sich einen ringförmigen Supraleiter eingebettet auf. Das Kühlgehäuse ist ebenso mit einer Kühlmaschine (nicht dargestellt) über ein Rohr verbunden, um ein Kühlmedium von der Kühlmaschine zu erhalten. Somit wird der Supraleiter in dem Kühlgehäuse durch das Kühlmedium gekühlt, welches in dem Kühlgehäuse bei einer niedrigen Temperatur zirkuliert wird, so dass der Supraleitungszustand erhalten werden kann.
In der gleichen Art und Weise wie in dem vorgenannten Beispiel ist der Supraleiter 1 gebildet, durch gleichmäßiges Einmischen von normalleitenden Partikeln Y2Ba1Cu1 in einen Yttrium-Hochtemperatur-Supraleiter, z. B. ein Substrat aus YBa2Cu30x, und er weist eine Charakteristik auf, den Eindringungsweg von Magnetflüssen einzudämmen, welche von ringförmigen Permanentmagneten 3 eines Permanentmagnetabschnitts 2 erzeugt werden, welcher unten beschrieben wird. Der Supraleiter 1 weist eine Länge in einer radialen Richtung auf, welche derart bestimmt ist, dass sie länger ist als eine Gesamtsumme von radialen Längen von dem innersten Ende zum äußersten Ende der ringförmigen Permanentmagnete 3 des Magnetabschnitts 2, welcher dem Supraleiter 1 gegenüberliegt.
Der Supraleiter 1 ist derart angeordnet, dass er den ringförmigen Permanentmagneten 3 mit einem vorgeschriebenen Spalt dazwischen in der axialen Richtung gegenüberliegt. Genauer ist der Spalt zwischen dem Supraleiter 1 und den ringförmigen Permanentmagneten 3 derart bestimmt, dass er gestattet, dass eine vorgeschriebene Menge an Magnetflüssen von den ringförmigen Permanentmagneten 3 in den Supraleiter 1 eindringt und dass der verteilte Zustand der eingedrungenen Magnetflüsse sich selbst dann nicht ändert, wenn das Drehelement B bei hohen Geschwindigkeiten gedreht wird.
Das Drehelement B besteht aus einem Rotor 5 mit einem hohlen zentralen Abschnitt, um eine drehende Schwungradwelle (nicht dargestellt) aufzunehmen. Der vorstehend genannte Magnetabschnitt 2 ist an dem Rotor 5 befestigt. Der Magnetabschnitt 2 ist zur zentralen Achse 1000 des Drehelements B konzentrisch und weist mehrere ringförmige Permanentmagnete 3 auf, welche wechselseitig magnetisiert sind, so dass die benachbarten Magnete 3 in der radialen Richtung abgestoßen werden und ein ringförmiges weichmagnetisches Joch 4 ist zwischen den jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten 3 sowohl am innersten als auch am äußersten Umfang angeordnet. In diesem besonderen Beispiel verwenden die ringförmigen Permanentmagnete 3 z. B. einen durch ein Warmverarbeitungsverfahren hergestellten Pr-Fe-B-Cu-basierten Permanentmagneten und das ringförmige weichmagnetische Joch ist aus weichem schmiedbarem Eisen hergestellt. In dieser Struktur treten Magnetflüsse von den Nordpolen der zwei ringförmigen Permanentmagneten 3 durch die ringförmigen weichmagnetischen Joche 4 und kehren zu den Südpolen der ringförmigen Permanentmagnete 3 zurück. Somit werden die Magnetflüsse von den ringförmigen Permanentmagneten 3 durch die ringförmigen weichmagnetischen Joche 4 eingeengt und konzentriert, so dass eine auf den Supraleiter 1 wirkende Magnetdichte deutlich erhöht werden kann. Wenn diese supraleitende magnetische Lagervorrichtung in Betrieb ist, wird ihr Supraleiter 1 durch das in dem Kühlgehäuse zirkulierende Kühlmedium gekühlt, um ihn in dem supraleitenden Zustand zu halten. In dem supraleitenden Zustand durchdringen die Magnetflüsse von den ringförmigen Permanentmagneten 3 des Drehelements B derart, dass sie selektiv durch die normalleitenden Partikel hindurchtreten, welche gleichförmig in den Supraleiter eingemischt sind, und ein supraleitenden Strom verläuft um die eingedrungenen Magnetflüsse herum, um den Eindringungsweg der Magnetflüsse als eine Konstante festzulegen. Daher werden die ringförmigen Permanentmagnete 3, in der gleichen Art und Weise wie oben beschrieben, durch die "Pinning"-Erscheinung gedreht.
Wenn die supraleitende Lagervorrichtung eine große Lagerfläche aufweist und ein ringförmiger Einzelkörper-Permanentmagnet nicht hergestellt werden kann, wird eine Mehrzahl von Permanentmagneten verbunden, um die ringförmigen Permanentmagnete 3 zu bilden. In diesem Fall werden der ringförmige Permanentmagnet 3 und das ringförmige weichmagnetische Joch 4 abwechselnd angeordnet, die Ungleichförmigkeit in den Magnetflüssen, welche an den Verbindungsflächen der Magnete erzeugt werden, die die jeweiligen ringförmigen Permanentmagnete 3 bilden, kann verringert werden, was es ermöglicht, eine Lagervorrichtung mit großer Abmessung zu erzeugen.
Immer noch bezugnehmend auf 13 bezeichnet Bezugszeichen 6 ein Verstärkungselement, welches an dem äußersten Ende des Magnetabschnitts angebracht ist. Genauer ist das ringförmige Verstärkungselement 6 an dem Außenumfang der ringförmigen Permanentmagnete 3 angebracht, um die ringförmigen Permanentmagnete in einer radialen Umfangsrichtung zusammenzudrücken. Das Verstärkungselement 6 ist aus einem Material mit einer kleineren relativen Dichte als die ringförmigen Permanentmagnete und mit einer hohen Zugbruchfestigkeit hergestellt. Die Druckkraft durch das Verstärkungselement 6 in der radialen Richtung und der Umfangsrichtung der ringförmigen Permanentmagnete ist derart ausgelegt, dass sie kleiner als eine Druckbruchfestigkeit der Magnete ist, wenn sich das Drehelement nicht dreht. Vorzugsweise ist das Verstärkungselement ein Ring, welcher beispielsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFRP = "carbon fiber reinforced plastic") hergestellt ist.
Dementsprechend kann ein Zugbruch aufgrund von Zentrifugalkraft an den ringförmigen Permanentmagneten verhindert werden. Als Folge, selbst wenn die ringförmigen Permanentmagnete eine große äußere Größe aufweisen, kann ihre mechanische Festigkeit gegen die Drehung bei einer hohen Geschwindigkeit verbessert werden und kann eine supraleitende Lagervorrichtung mit hoher Tragkraft bereitgestellt werden.
Weiterhin ist in diesem besonderen Beispiel das Umfangsende des weichmagnetischen Jochs 4, welches zwischen die ringförmigen Permanentmagnete 3 und an dem innersten und an dem äußersten Umfang montiert ist, derart ausgebildet, dass es von der Fläche des Magnetabschnitts zum Supraleiter hin vorsteht, was eine Verbesserung der Magnetfeldintensität ermöglicht, wie in dem Fachgebiet bekannt ist. Genauer treten die von den Nordpolen der ringförmigen Permanentmagnete 3 erzeugten Magnetflüsse, bei einer wie oben beschriebenen Struktur, durch die ringförmigen weichmagnetischen Joche und kehren zu den Südpolen der ringförmigen Permanentmagnete 3 zurück. In diesem Falle werden die Magnetflüsse von den Nordpolen zu den Südpolen der ringförmigen Permanentmagnete 3 durch die ringförmigen magnetischen Joche eingeengt, so dass eine auf den Supraleiter wirkende Magnetflussdichte deutlich erhöht werden kann.
In diesem Falle ist hinsichtlich der Verteilung von Oberflächenmagnetflüssen die Magnetflussdichte in der Nähe der Fläche des ringförmigen weichmagnetischen Jochs 4 hoch. Die Spitze der Magnetflussdichte kann verändert werden, durch Ändern der Breite in der radialen Richtung der ringförmigen Permanentmagnete 3 und der ringförmigen weichmagnetischen Joche 4. Um jedoch andere wünschenswerte Wirkungen der unten diskutierten zweiten Ausführungsform der Erfindung zu erreichen, ist es ein Konstruktionserfordernis, dass die Breite des ringförmigen weichmagnetischen Jochs 4 kleiner als jene der ringförmigen Permanentmagnete 3 ist.
In diesem besonderen Beispiel kann die Spitze der Magnetflussdichte erhöht werden, indem das zwischen den ringförmigen Permanentmagneten 3 wie oben beschrieben angeordnete weichmagnetische Joch 4 eingesetzt wird. Daher kann dann, wenn die auf den Supraleiter 4 wirkende Magnetflussdichte erhöht ist, eine Starrheit zum Halten des Spalts zwischen dem Magnetabschnitt 2 und dem Supraleiter 1 verbessert sein.
Zusätzlich dient das ringförmige weichmagnetische Joch 4 dazu, die Ungleichförmigkeit in den Magnetflüssen von den ringförmigen Permanentmagneten 3 zu mindern. Genauer weisen die ringförmigen Permanentmagnete 3 eine Ungleichförmigkeit im Magnetfluss an ihren Oberflächen auf, welche von ihrem Herstellungsprozess stammt, und die Ungleichförmigkeit im Magnetfluss in der Drehrichtung wird zu einem Hystereseverlust in dem Supraleiter 4, welcher einen Verlust an Drehenergie bewirkt, was zu einem Drehverlust des Lagers führt. Da jedoch die Ungleichförmigkeit im Magnetfluss der ringförmigen Permanentmagnete 3 durch ein Schließen des ringförmigen weichmagnetischen Jochs 4 gleichförmig gemacht werden kann, kann die Ungleichförmigkeit im Magnetfluss in der Drehrichtung verringert werden und der Drehverlust des Lagers kann verringert werden.
Darüber hinaus ist in diesem besonderen Beispiel die Breite des ringförmigen weichmagnetischen Jochs 4 in der radialen Richtung derart bestimmt, dass die Magnetflüsse von den ringförmigen Permanentmagneten 3 in dem ringförmigen weichmagnetischen Joch gesättigt sind. Genauer ist die Magnetflussdichte in dem ringförmigen weichmagnetischen Joch 4 abhängig von einer Gesamtmenge an Magnetflüssen von den benachbarten ringförmigen Permanentmagneten 3 und ihrem entsprechenden Radial variabel. Es wurde jedoch für dieses besondere dargestellte Beispiel nach Maßgabe bekannter Methoden bestimmt, dass die Breite eines jeden ringförmigen magnetischen Jochs 4 den Magnetfluss, welcher durch das ringförmige weichmagnetische Joch 4 hindurchtritt, dazu zwingt, in einen gesättigten Zustand zu fallen. Wie in dem Fachgebiet bekannt ist, wird die Oberflächenmagnetflussdichte eines ringförmigen weichmagnetischen Jochs 4, welches einen gesättigten Magnetfluss aufweist, nicht sehr erhöht, wenn seine radiale Breite weiter verringert wird, und die Magnetfelder der ringförmigen Permanentmagneten 3, welche dem ringförmigen weichmagnetischen Joch 4 wechselseitig gegenüberliegen, werden verringert. Umgekehrt, wenn die Breite des ringförmigen weichmagnetischen Jochs 4 in der radialen Richtung erhöht wird, wird die Spitze der Magnetflussdichte an der Oberfläche gesenkt und die Steifigkeit der Lagerung wird verringert, jedoch wird die Wirkung zur Milderung der Ungleichförmigkeit im Magnetfluss verbessert.
Die ringförmigen Permanentmagnete 3 in diesem besonderen Beispiel sind in der radialen Richtung magnetisiert und können in einfacher Weise in einer bekannten Art und Weise magnetisiert werden. Wenn die supraleitende Lagervorrichtung ein großes Lager aufweist und ein ringförmiger Einzelkörper-Permanentmagnet nicht hergestellt werden kann, werden eine Mehrzahl von Magnetstücken verbunden, um die ringförmigen Permanentmagnete 3 zu bilden. In diesem Falle kann gemäß der Struktur dieses besonderen Beispiels, in welchem das ringförmige weichmagnetische Joch 4 zwischen den ringförmigen Permanentmagneten 3 angeordnet ist, ein großes Lager erzeugt werden, wobei die Ungleichförmigkeit im Magnetfluss verringert ist.
Immer noch bezugnehmend auf 13, weisen die ringförmigen Permanentmagnete 3 und das ringförmige magnetische Joch 4 bezüglich der gegenüberliegenden Flächen eines Supraleiters 1 und eines Magnetabschnitts 2 einen unterschiedlichen Spalt bezüglich des Supraleiters 1 auf, und der Spalt zwischen dem ringförmigen magnetischen Joch 4 und dem Supraleiter 1 ist kleiner als jener zwischen dem ringförmigen Permanentmagneten 3 und dem Supraleiter 1. Wie oben angemerkt wurde, dient das ringförmige weichmagnetische Joch 4 dazu, die Magnetflüsse von den ringförmigen Permanentmagneten 3 zu konzentrieren und streut die Magnetflüsse gleichmäßig. Die meisten Magnetflüsse, welche in die Umgebung abgestrahlt werden, stammen von dem ringförmigen weichmagnetischen Joch 4. Genauer sind die direkt von den ringförmigen Permanentmagneten 3 erzeugten Magnetflüsse an den Verbindungen zwischen den Magneten nicht gleichmäßig. Jedoch können die Wirkungen durch die direkt von den ringförmigen Permanentmagneten 3 erzeugten Magnetflüsse verringert werden, indem das ringförmige weichmagnetische Joch 4 von den Magnetflächen vorsteht.
Selbst dann, wenn der Spalt zwischen dem Supraleiter 1 und dem ringförmigen Permanentmagneten 3 größer als jener zwischen dem Supraleiter 1 und dem ringförmigen weichmagnetischen Joch 4 gemacht ist, sind die tatsächlich auf den Supraleiter 1 wirkenden Magnetflüsse nicht deutlich reduziert, wenn nicht der Spalt zwischen dem Supraleiter 1 und dem ringförmigen weichmagnetischen Joch 4 schwankt, so dass kein wahrnehmbarer Drehverlust erfahren wird, wenn die Jochausdehnungen gleichmäßig sind, wie dargestellt ist.
Gemäß diesem besonderen Beispiel können die Innendurchmesser der ringförmigen Permanentmagnete 3 und des ringförmigen weichmagnetischen Jochs 4 gesondert verarbeitet werden, wodurch die Genauigkeit für eine Bearbeitung des Innendurchmessers des ringförmigen weichmagnetischen Jochs 4 verbessert werden kann. In diesem Fall beeinflusst ein magnetischer Streufluss von den ringförmigen Permanentmagneten 3 kaum den Wirkungsgrad des Supraleiters 1. Daher ist ein Drehenergieverlust im Supraleiter 1 im Wesentlichen null, selbst dann, wenn die von den ringförmigen Permanentmagneten 3 gestreuten Magnetflüsse nicht gleichmäßig sind. Genauer kann ein magnetischer Weg im Raum, welcher von den ringförmigen Permanentmagneten 3 zum Supraleiter 1 der supraleitenden Lagervorrichtung gemäß diesem besonderen Beispiel zurückkehrt, verkürzt werden. Als Folge kann die Feldpermeanz des Magnetabschnitts 2 als Ganzes erhöht werden und die Magnetflussdichte zum Supraleiter kann weiter verbessert werden.
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß diesem besonderen Beispiel in der supraleitenden Lagervorrichtung, bei welcher der Magnetabschnitt des Drehelements die Mehrzahl von ringförmigen Permanentmagneten konzentrisch zur Achse des Drehelements umfasst und das zwischen den ringförmigen Permanentmagneten und am innersten und am äußersten Umfang positionierte weichmagnetische Joch umfasst, eine Magnetfeldstärke durch das Joch verbessert werden, welches die Magnetflüsse von den Magneten leitet, die Ungleichförmigkeit im Magnetfluss kann verringert werden und eine Hochleistungs-Lagervorrichtung kann erzeugt werden, da das Joch von dem Magnetabschnitt zur Supraleiterseite verlängert ist.
Ein ringförmiges Verstärkungselement, welches die ringförmigen Permanentmagnete in einer radialen und einer Umfangsrichtung zusammendrückt, ist an dem Außenumfang des ringförmigen Permanentmagneten angebracht, um einen Zugbruch in den ringförmigen Permanentmagneten aufgrund von Zentrifugalkraft zu verhindern. Daher kann selbst dann, wenn die ringförmigen Permanentmagnete eine große äußere Größe aufweisen, ihre mechanische Festigkeit gegen die Drehung bei einer hohen Geschwindigkeit verbessert werden. Als Folge kann eine supraleitende Lagervorrichtung mit einer hohen Tragkraft erzeugt werden.
In diesen Ausführungsformen weisen Magnete für die supraleitende Lagervorrichtung eine maximale Zugfestigkeit von 24 kg/mm² auf, wenn ein Pr-Fe-B-Cu-basierter und durch ein Heißverarbeitungsverfahren erzeugter Permanentmagnet verwendet wird, bzw. eine maximale Zugfestigkeit von 8 kg/mm² auf, wenn ein Nd-Fe-B-basierter gesinterter Magnet verwendet wird. Selbst dann, wenn ein herkömmliches, ein Anheben verhinderndes Element angeordnet ist, ist daher ein Brechen der Magnete nur schwer zu verhindern, da in den Magneten bei einer Drehung bei hoher Geschwindigkeit eine Belastung erzeugt wird, welche die obige Zugfestigkeit übersteigt.
Andererseits ist es zur Erhöhung einer Tragkraft notwendig, die gegenüberliegenden Flächenbereiche des Supraleiters und der Permanentmagnete zu vergrößern. Um diesen Bereich zu gewährleisten, ist es notwendig, den Außendurchmesser des Magnetabschnitts zu vergrößern, jedoch ist der Außendurchmesser des Magnetabschnitts in hohem Maße aufgrund der Begrenzung der Drehfestigkeit begrenzt, wie oben beschrieben wurde. Genauer weisen die an dem Drehelement angebrachten Magnete eine sehr niedrige Zugfestigkeit auf, während ihre Druckfestigkeit etwa 100 kg/mm² hoch ist. Im Bewusstsein der obigen Tatsache schlagen die Erfinder eine Struktur vor, welche das Ausüben einer Druckkraft durch das Verstärkungselement ebenso wie die Verringerung der ausgeübten Druckkraft oder der durch das Verstärkungselement aufgrund der Zentrifugalkraft beim Drehen ausgeübten Kraft so weit wie möglich verhindert.
Gemäß diesem besonderen Beispiel ist wenigstens der Magnetabschnitt 2 des Drehelements mit zur Achse des Drehelements konzentrischen ringförmigen Permanentmagneten versehen und ein ringförmiges Verstärkungselement, welches die ringförmigen Permanentmagnete in einer radialen und einer Umfangsrichtung zusammendrückt, ist an dem Außenumfang des ringförmigen Permanentmagneten angebracht. Daher kann die mechanische Festigkeit der Magnete gegen die Drehung bei einer hohen Geschwindigkeit selbst dann verbessert werden, wenn dem ringförmigen Permanentmagneten eine große äußere Größe gegeben ist. Als Folge kann eine supraleitende Lagervorrichtung mit einer hohen Tragkraft erhalten werden.
14 zeigt eine Vertikalschnittansicht des Hauptteils einer supraleitenden Lagervorrichtung. Diese supraleitende Lagervorrichtung ist mit einem an einem stationären Element A anzubringenden Supraleiter 1 und einem an einem Drehelement B anzubringenden Permanentmagnetabschnitt 2 versehen, und der Supraleiter 1 und der Permanentmagnetabschnitt 2 sind derart angeordnet, dass sie einander mit einem Spalt zwischen sich gegenüberliegen. Somit ist die Grundstruktur die gleiche wie in dem ersten besonderen Beispiel der zweiten bevorzugten Ausführungsform, welche oben diskutiert wurde. In den folgenden besonderen Beispielen wird die Beschreibung, soweit sie die gleiche wie in dem ersten besonderen Beispiel ist, weggelassen werden und es werden die Hauptpunkte der praktischen Struktur beschrieben werden.
In diesem besonderen Beispiel ragen die Umfangsenden der weichmagnetischen Joche 4, welche zwischen den jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten 3 des Magnetabschnitts 2 angebracht sind, zum Supraleiter 1 hin vor und ihre Querschnittsformen sind in der Form eines Bogens ausgebildet.
In 15 weisen die Umfangsenden der weichmagnetischen Joche 4, welche zu dem Supraleiter 1 hin vorragen, angefaste Querschnittsformen auf. Daher werden im Wesentlichen die gleichen Wirkungen wie in dem vorhergehenden Beispiel bereitgestellt und die Querschnittsgestalt in der radialen Richtung kann im Vergleich zu der Verarbeitung zur Formgebung in ein bogenförmiges Ende durch eine ebene Bearbeitung ausgeformt werden.
In 16 weisen weichmagnetische Joche 4 eine Querschnittsform in der radialen Richtung derart auf, dass der Teil auf der Seite eines Supraleiters 1 (untere Seite in der Figur) breit ist, der Teil an der dem Supraleiter 1 gegenüberliegenden Seite (obere Seite in der Figur) eingeengt und keilförmig ist und der Teil auf der Seite des Supraleiters 1 eine Querschnittsform aufweist, welche in der Form eines Bogens vorragt. Daher ist die Menge an Magnetflüssen, welche von den jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten 3 erzeugt und zu den Jochen 4 geleitet werden, dann hoch, und wenn sie zu dem Supraleiter hin geleitet werden, ist sie höher. Besonders wird die von einer Gesamtmagnetflussmenge der ringförmigen Permanentmagnete 3 durch den Raum auf der Seite des Supraleiters hindurchtretenden Menge höher als die Menge, welche durch den Raum auf der dem Supraleiter gegenüberliegenden Seite hindurchtritt. Als Folge werden die Magnetflüsse von den Magneten effizienter genutzt, um eine Verbesserung einer Magnetfeldstärke bezüglich des Supraleiters zu ermöglichen, was somit ermöglicht, eine hocheffiziente Magnetlagerung bereitzustellen.
In 17 sind ringförmige Permanentmagnete 3 in radialer Richtung in gekrümmten und unterschiedlichen Richtungen bezüglich der inneren radialen Richtung in einer in dem Fachgebiet bekannten Magnetisierungsmethode magnetisiert. Daher ist die Menge von von den ringförmigen Permanentmagneten 3 zu dem Supraleiter gerichteten Magnetflüssen höher. Genauer wird unter einer Gesamtmagnetflussmenge der ringförmigen Permanentmagnete 3 die Menge, welche durch den Raum auf der Seite des Supraleiters hindurchtritt höher als die Menge, welche durch den Raum, auf der dem Supraleiter gegenüberliegenden Seite hindurchtritt. Als Folge werden die Magnetflüsse von den Magneten effizienter genutzt, um die Verbesserung einer Magnetfeldstärke bezüglich des Supraleiters zu ermöglichen, was somit ermöglicht, eine effiziente Magnetlagerung bereitzustellen.
In 18 bestehen jeweilige ringförmige Permanentmagnete 3 aus einem Paar von Magneten 3A, 3B, welche in der radialen Richtung in entgegengesetzter Richtung geneigt magnetisiert sind, so dass die magnetisierte Richtung ähnlich jener der ringförmigen Permanentmagnete 3 in dem vorhergehenden Beispiel wird. Daher sind die zu erhaltenden Wirkungen nahezu die gleichen wie jene, wenn die im Inneren verwendeten Magnete in den gekrümmten und unterschiedlichen Richtungen magnetisiert sind und es ist nicht notwendig, einen einzelnen Magneten in den gekrümmten und unterschiedlichen Richtungen zu magnetisieren, was verhältnismäßig schwieriger zu erreichen ist.
In 19 besteht jeder ringförmige Permanentmagnet aus drei Magneten 3A, 3B, 3C, welche in der radialen Richtung im Schnitt schräg magnetisiert sind, so dass eine stärker angenäherte magnetisierte Richtung im Zusammenhang mit der gekrümmten Magnetisierung erhalten werden kann, verglichen mit der magnetisierten Richtung der ringförmigen Permanentmagneten, welche in dem vorhergehenden Beispiel verwendet werden. Genauer weist der schräg magnetisierte Magnet 3A einen Nordpol auf, welcher schräg zu dem Supraleiter hin magnetisiert ist, der schräg magnetisierte Magnet 3B weist einen Nordpol auf, welcher schräg in einer Richtung von dem Supraleiter weg magnetisiert ist und der zwischen Magnet 3C, welcher in radialer Richtung parallel zu dem Supraleiter magnetisiert ist, ist zwischen den Magneten 3A und 3B angeordnet.
Daher kann die Herstellung in der gleichen Weise wie in dem vorhergehenden Beispiel vereinfacht werden und eine stärker angenäherte magnetisierte Richtung ähnlich dem Beispiel von 17 kann erhalten werden, was die Verbesserung einer Magnetfeldstärke ermöglicht.
In 20 weisen weichmagnetische Joche 4 eine dreieckige Keilschnittform in der radialen Richtung derart auf, dass die dem Supraleiter 1 nächst und gegenüberliegende Fläche breit und der Teil, auf der dem Supraleiter 1 gegenüberliegenden Seite verengt ist. Drei schrägmagnetisierte Magnetabschnitte 3A, 3B, 3C umfassen jeweils einen ringförmigen Permanentmagneten und weisen jeweils einen trapezförmigen Querschnitt auf und sind schräg magnetisiert, wie in 20 dargestellt ist. Folglich ist die Menge an Magnetflüssen, welche von den jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten 3A, 3B und 3C erzeugt wird und zu den Jochen 4 hin geleitet wird, dann hoch, wenn sie zu dem Supraleiter hin gerichtet ist. Genauer, da 1) der Magnetfluss von dem Nordpol des Magneten 3 zu dem Supraleiter 1 hin gerichtet ist; und 2) das Joch 4 zur Führung des Magnetflusses derart gebildet ist, dass es einen keilförmigen Querschnitt mit einer breiten Endfläche zum Supraleiter hin aufweist, wird der Betrag an auftretendem Magnetfluss, welcher durch den Raum auf der Seite des Supraleiters hindurchtritt, höher als die Menge, welche durch den Raum auf der dem Supraleiter gegenüberliegenden Seite hindurchtritt. Als Folge werden die Magnetflüsse von den Magneten effizienter genutzt, um die Verbesserung einer Magnetfeldstärke bezüglich des Supraleiters zu ermöglichen, was somit ermöglicht, eine hocheffiziente Magnetlagerung bereitzustellen.
In 21 wie im Falle des in 20 gezeigten besonderen Beispiels weisen weichmagnetische Joche 4 einen dreieckigen Keil-Radialquerschnitt auf, welchen die breite Seite dem stationären Supraleiter gegenüberliegt und auf diesen hinweist, wobei der Teil auf der dem Supraleiter gegenüberliegenden Seite (obere Seite in der Figur) verjüngt ist. Anders als das in 20 dargestellte Beispiel ragt die breite Fläche der Joche 4, welche zum Supraleiter 1 hinweisen, in der Form eines Bogens zum Supraleiter hin, wie in 21 gezeigt ist. Jeder ringförmige Permanentmagnet 3 zwischen den Jochen 44 besteht aus drei schräg magnetisierten Magneten 3A, 3B, 3C, welche sich in einem Satz von 3 befinden und derart ausgebildet sind, dass sie einen trapezförmigen Querschnitt in der gleichen Art und Weise wie in dem obigen achten besonderen Beispiel aufweisen, so dass der ringförmige Permanentmagnet 3 schräg in einer gekrümmten Richtung magnetisiert ist, so dass der innerste und der äußerste Umfang dem Supraleiter angenähert und der Zwischenteil von dem Supraleiter getrennt ist. Folglich können in der gleichen Weise wie in dem vorhergehenden Beispiel die Magnetflüsse von den ringförmigen Permanentmagneten 3 effizient zum Supraleiter hingeleitet werden und ein Magnetweg für die Magnetflüsse in dem Raum, welche von den ringförmigen Permanentmagneten 3 zu dem Supraleiter 1 zurückkehren, kann kurz ausgeführt werden. Als Folge kann die Permeanz des Magnetabschnitts 2 als Ganzes erhöht werden und die Magnetflussdichte des Supraleiters 1 kann weiter verbessert werden.
22 ist eine Vertikalschnittansicht, welche den Hauptteil einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt. Diese supraleitende Lagervorrichtung umfasst einen Supraleiter 1, welcher an einem stationären Element A montiert ist, das an dem Vorrichtungskörper festgelegt ist, und umfasst einen Permanentmagnetabschnitt 2, welcher an einem Drehelement B montiert ist, das an einer Drehwelle 16 festgelegt ist, wobei der Supraleiter 1 und der Magnetabschnitt 2 weiterhin in radialer Richtung derart angeordnet sind, dass sie einander mit einem vorbeschriebenen Spalt zwischen sich gegenüberliegen.
Das Drehelement B umfasst einen am Boden geschlossenen zylindrischen Rotor 5, dessen Boden an einer Drehwelle 16 festgelegt ist, und umfasst den Magnetabschnitt 2, welcher an der Innenwand des Rotors 5 festgelegt ist. Der Magnetabschnitt 2 ist in der Gestalt eines Hohlzylinders ausgebildet, welcher zu der Welle 16 des Drehelements B konzentrisch ist, und umfasst eine Mehrzahl von kreisförmigen Permanentmagneten 8 und eine Mehrzahl von kreisförmigen weichmagnetischen Jochen 10, welche abwechselnd gestapelt sind. Jeder kreisförmige Permanentmagnet 8 ist in axialer Richtung magnetisiert, wobei die magnetisierte Richtung abwechselnd geändert wird. Genauer ist jeder kreisförmige Permanentmagnet 8 in einer Richtung magnetisiert, das der gleiche Pol wechselseitig gegenüberliegt, wobei das kreisförmige Joch 10 zwischen ihnen liegt, so dass die Magnetflüsse, welche von den benachbarten Magneten erzeugt werden, wechselseitig abgestoßen werden, wodurch die Magnetflussdichte des von dem Joch 10 zum Raum hingerichteten Magnetflusses erhöht wird.
In dem Magnetabschnitt 2 dieses besonderen Beispiels tritt der Magnetfluss von dem kreisförmigen Permanentmagneten 8 durch das kreisförmige weichmagnetische Joch 10 hindurch, dessen Umfangsende zum Supraleiter hin vorsteht, so dass ein Magnetweg in dem Raum kurz ist. Daher kann in der gleichen Weise wie in dem Beispiel von 13 die Permeanz des Magnetabschnitts 2 als Ganzes erhöht werden und die auf den Supraleiter einwirkende Magnetflussdichte kann weiter verbessert werden.
Wenn die Anzahl an den gestapelten kreisförmigen Permanentmagneten 8 und kreisförmigen weichmagnetischen Jochen 10 je nach Wunsch nach Maßgabe einer dem Supraleiter 1 gegenüberliegenden Fläche geändert wird, kann die Lagersteifigkeit variiert werden, wobei der Magnetabschnitt 8 in dem optimierten Zustand gehalten ist, und eine Konstruktionsflexibilität kann in hohem Maße erhöht werden. Da die radiale Steifigkeit des Lagers verbessert ist und eine Veränderung im Magnetfeld in der axialen Richtung erhöht ist, kann eine in axialer Richtung auf das Lager ausgeübte Kraft oder eine Tragkraft des Lagers erhöht werden.
Wie in 23 gezeigt ist, ist der kreisförmige Permanentmagnet 8 dieses besonderen Beispiels dadurch konfiguriert, dass eine Mehrzahl von ringförmigen Permanentmagneten 9A, 9B, 9C, 9D mit einem unterschiedlichen Durchmesser von innen zu Außenumfängen verbunden werden. Die ringförmigen Permanentmagneten 9A, 9B, 9C, 9D sind jeweils dadurch konfiguriert, dass 8 Magnetstücke 9a, 9b, 9c, 9d verbunden werden, welche hier gleichmäßig geteilt sind. Verbindungen zwischen den Magnetstücken 9a, 9b, 9c, 9d von benachbarten ringförmigen Permanentmagneten 9A, 9B, 9C, 9D sind in der Umfangsrichtung verlagert, so dass die Verbindungen nicht in der radialen Richtung linear ausgerichtet sind, oder die Verbindungen zwischen den Magnetstücken, welche die jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten bilden, nicht mit jenen der benachbarten Magnetstücke fluchten. Somit ist der kreisförmige Permanentmagnet 8 als Ganzes hinsichtlich einer nachteiligen Wirkung aufgrund der Ungleichförmigkeit im Magnetfluss verringert, welche durch die Verbindungen in der obigen Verbindungskonfiguration bewirkt wird.
Genauer ist die axiale Dicke eines jeden ringförmigen Permanentmagneten 9A, 9B, 9C, 9D derart bestimmt, dass sie die Gleiche ist und der Innen- und der Außenumfang des ringförmigen Permanentmagneten 9A sind derart bestimmt, dass sie auf einem vorbestimmten Niveau liegen, und die Innenumfänge der ringförmigen Permanentmagneten 9B, 9C, 9D, welche an dem Außenumfang des ringförmigen Permanentmagneten 9A angeordnet sind, sind derart bestimmt, dass sie gleich den Außenumfängen der ringförmigen Permanentmagneten 9A, 9B, 9C sind, welche ihren Innenumfängen benachbart sind. Jeder ringförmige Permanentmagnet 9A, 9B, 9C, 9D ist in radialer Richtung in mehrere Anzahlen unterteilt (acht Stücke in diesem Beispiel) und gebildet, indem diese Magnetstücke 9a, 9b, 9c, 9d, welche die gleiche Gestalt aufweisen, verbunden werden. Diese Magnetstücke 9a, 9b, 9c, 9d sind in der gleichen Gestalt eines zusammenlegbaren, in der Hand gehaltenen Fächers, welcher sich zum Boden der Figur hin erweitert, wie in 24 gezeigt ist, ausgebildet und im Vorhinein magnetisiert. Diese Magnetstücke 9a, 9b, 9c, 9d sind aus einem leistungsstarken anisotropischen Pr-Magneten hergestellt.
25 zeigt, dass die benachbarten ringförmigen Permanentmagnete 9A bis 9D derart verbunden sind, dass sie in der Umfangsrichtung um ca. 22,5° ,einer Hälfte des Teilungswinkels von 45° der Magnetstücke 9a, 9b, 9c, 9d verlagert sind. Daher sind die Verbindungen zwischen den Magnetstücken 9a, 9b, 9c, 9d, welche die ringförmigen Permanentmagnete 9A, 9B, 9C, 9D bilden, derart ausgelegt, dass sie nicht mit jenen der benachbarten Magnetstücke fluchten, so dass die Ungleichförmigkeit im Magnetfluss aufgrund der Verbindungen zwischen den Magnetstücken 9a, 9b, 9c, 9d gleichmäßig gestreut werden, wodurch eine nachteilige Wirkung aufgrund der Ungleichförmigkeit im Magnetfluss reduziert wird, welche aus kombinierten Verbindungsbereichen resultieren.
Weiterhin können die Verbindungen zwischen den Magnetstücken der obigen benachbarten ringförmigen Permanentmagnete entlang einer Spirallinie von dem Innen- zum Außenumfang verlagert sein. Genauer, wie in 26 gezeigt ist, können die ringförmigen Permanentmagnete 9A, 9B, 9C, 9D, welche in einem Satz von Dreien vom Innen- zum Außenumfang angeordnet sind, in der Umfangsrichtung um einen vorbestimmten Winkel verlagert sein.
Ferner können die ringförmigen Permanentmagnete in schmalere Stücke von dem Innen- zum Außenumfang geteilt sein und die Verbindungen zwischen den Magnetstücken der ringförmigen Permanentmagnete können derart verlagert sein, dass sie nicht mit jenen der benachbarten Magnetstücke fluchten, wodurch die Ungleichförmigkeit im Magnetfluss verringert wird, welche möglicherweise durch die Verbindungsstruktur bewirkt wird. Beispielsweise wie in 27 gezeigt ist, kann die Anzahl an den geteilten Magnetstücken 9a, 9b, 9c, 9d, welche die ringförmigen Permanentmagnete 9A, 9B, 9C, 9D bilden, zu den ringförmigen Permanentmagneten 9A, 9B, 9C, 9D am Außenumfang hin vergrößert sein und die ringförmigen Permanentmagnete 9A, 9B, 9C, 9D können derart verbunden sein, dass die Verbindungen zwischen den Magnetstücken 9a, 9b, 9c, 9d der ringförmigen Permanentmagnete 9A, 9B, 9C, 9D in der radialen Richtung nicht linear fluchten, wodurch ein kreisförmiger Einzelkörper-Permanentmagnet 8 gebildet wird. Dementsprechend können die gleichen Wirkungen wie in dem vorhergehenden Beispiel erzielt werden, und da die Umfangslänge des ringförmigen Permanentmagneten zum Außenumfang hin erhöht ist, verhindert die Zunahme in der Anzahl an geteilten Magnetstücken, dass jedes Magnetstück unausführbar groß gemacht wird und erleichtert die Handhabung der Magnetstücke, und eine Bearbeitbarkeit zur Magnetisierung der Magnetstücke und zur Montage zu den ringförmigen Permanentmagneten kann verbessert werden.
Wie oben beschrieben wurde sind gemäß dem Beispiel von 22 bis 27 in der supraleitenden Lagervorrichtung, welche konfiguriert ist durch radiales Verbinden der mehreren ringförmigen Permanentmagnete mit einem unterschiedlichen Durchmesser derart, dass sie einen einzelnen Magnetabschnitt bilden und durch Verbinden der radial geteilten Magnetstücke derart, dass sie jeden ringförmigen Permanentmagneten bilden, da die ringförmigen Permanentmagnete derart verlagert sind, dass sie in einer vorgeschriebenen Drehrichtung verbunden sind, die Verbindungen zwischen den Magnetstücken zur Konfiguration der ringförmigen Permanentmagnete nicht mit jenen der benachbarten Magnetstücke ausgerichtet, so dass die nachteilige Wirkung aufgrund der Ungleichförmigkeit im Magnetfluss, welche durch die Verbindungen in der obigen Verbindungskonfiguration bewirkt wird, reduziert werden können.
Wie in 28 gezeigt ist, umfasst ein Magnetabschnitt 2 einen zylindrischen Permanentmagneten 11, welcher zur Welle eines Drehelements B konzentrisch ist und dieser zylindrische Permanentmagnet 11 ist in radialer Richtung magnetisiert. Im Besonderen ist der zylindrische Permanentmagnet 11 derart magnetisiert, dass der Innenumfang der Nordpol und der Außenumfang der Südpol ist, wie in 29 dargestellt ist.
Der zylindrische Permanentmagnet 11 ist gebildet durch Stapeln einer Mehrzahl von ringförmigen Permanentmagneten 12A, 12B, 12C, 12D, welche vorbereitet sind durch axiales Teilen in die gleiche Dicke und welche die gleichen Innen- und Außendurchmesser aufweisen. Diese ringförmigen Permanentmagnete 12A, 12B, 12C, 12D sind jeweils gebildet durch Verbinden von acht in gleicherweise geteilten Magnetstücke 12a... Die Verbindungen zwischen den Magnetstücken 12a... des ringförmigen Permanentmagneten 12 sind derart verlagert, dass sie nicht mit jenen der benachbarten Magnetstücke aufgerichtet sind, wodurch die Ungleichförmigkeit im Magnetfluss aufgrund der Verbindungen in dieser Verbindungskonfiguration verringert werden.
Diese ringförmigen Permanentmagnete 12A, 12B, 12C, 12D weisen die gleichen Innen- und Außenumfänge und die gleiche axiale Dicke auf. Die ringförmigen Permanentmagnete 12A, 12B, 12C, 12D sind in radialer Richtung in mehrere Anzahlen (acht Stücke in diesem Beispiel) geteilt und durch Verbinden der Magnetstücke 12a... mit der gleichen Gestalt gebildet, wie in 30 gezeigt ist. Jedes Magnetstück 12a ist aus einem leistungsstarken anisotropen Pr-Magneten hergestellt. Im Besonderen ist die Leistung eines bestimmten Magneten durch einen Maximalwert aus Energieprodukt (Bh) bestimmt, welches der Magnet pro Einheitsvolumen aufweisen kann, bzw. einem so genannten maximalen Energieprodukt (BH) max. Daher wird gewünscht, dass die Restmagnetflussdichte Br und die Haltekraft Hc des Magneten selbst verbessert sind und die Magnetisierungskurve des Magneten ist vorzugsweise eine Kurve, welche im zweiten Quadranten gehalten wird oder eine Entmagnetisierungskurve in der Gestalt eines Quadrats. Ein Magnet mit einer scharfquadratischen Entmagnetisierungskurve wird als anisotroper Magnet bezeichnet und einer mit einer abgerundet quadratischen Entmagnetisierungskurve als ein isotroper Magnet.
Die benachbarten ringförmigen Permanentmagnete sind derart verbunden, dass sie um 22,5° verlagert sind, einem halben Teilungswinkel von 45° des Magnetstücks 12a. Daher sind die Verbindungen zwischen den Magnetstücken 12a mit den ringförmigen Permanentmagneten 12A, 12B, 12C, 12D derart ausgebildet, dass sie nicht mit jenen der benachbarten Magnetstücke ausgerichtet sind, und die Ungleichförmigkeit im Magnetfluss aufgrund der Verbindungen zwischen den Magnetstücken 12a ist derart ausgeführt, dass sie gleichmäßig gestreut wird, wodurch die nachteilige Wirkung aufgrund der Ungleichförmigkeit im Magnetfluss reduziert wird.
Die Verbindungen zwischen den Magnetstücken, welche von den obigen benachbarten ringförmigen Permanentmagneten 12 besessen werden, können entlang der Spirallinie in der Längsrichtung der Welle der zylindrischen Magneten verlagert sein. Beispielsweise können die ringförmigen Permanentmagnete 12A, 12B, 12D, welche sich in einem Satz von Dreien entlang der axialen Richtung befinden, zur Konfiguration um einen vorbestimmten Winkel verlagert sein, wie in 31A und 31 B dargestellt. Die gleiche Wirkung kann ebenso erhalten werden, indem ringförmige Permanentmagnete mit einer unterschiedlichen Teilungszahl in der axialen Richtung gestapelt werden.
Wie oben mit Bezug auf 28 bis 31 beschrieben wurde, sind bei der supraleitenden Lagervorrichtung, welche durch axiales Verbinden der Mehrzahl von ringförmigen Permanentmagneten zur Bildung eines Einzelkörper-Magnetabschnitts und durch Verbinden der in radialer Richtung geteilten Magnetstücke zur Bildung eines jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten konfiguriert ist, da die ringförmigen Permanentmagnete derart verlagert sind, dass sie in einer vorbestimmten Drehrichtung verbunden werden, die Verbindungen zwischen den Magnetstücken zur Konfiguration der ringförmigen Permanentmagnete nicht mit jenen der benachbarten Magnetstücke ausgerichtet, so dass die nachteilige Wirkung aufgrund der Ungleichförmigkeit im Magnetfluss, welche durch die Verbindungen in der obigen Verbindungskonfiguration bewirkt wird, reduziert werden kann.
Wie Fachleuten offensichtlich sein wird, können die obigen besonderen Beispiele je nach Wunsch kombiniert werden, um die Konstruktionskriterien einer besonderen Lageranwendung auszuführen. Darüber hinaus können die Methoden dieser besonderen Beispiele von 13 bis 31 ebenso an einer Einzelkörper-Lagervorrichtung mit ähnlichen Wirkungen angewendet werden. Obwohl das Pr-Fe-B-Cu-Magnetmaterial in den jeweiligen besonderen Beispielen von 13 bis 31 zum Aufbau der Magnete verwendet wird, wird ferner von Fachleuten verstanden werden, dass das Basismagnetmaterial nicht darauf begrenzt ist. Tatsächlich können beliebige Permanentmagnete, wie etwa Ferrit, Alnico, Neodym-basierte oder Samarium-basierte verwendet werden. Darüber hinaus wurde der Supraleiter unter der Verwendung des Yttrium-Hochtemperatur-Supraleiters als ein Beispiel beschrieben, jedoch kann jeder beliebige Supraleiter, wie etwa (Re-Ba-Cu-O)- oder ähnliche Supraleiter-basierte, welche z. B. auf seltenen Erden basierende Elemente enthalten, verwendet werden, welche eine Rückstellkraft gegen Magnete aufweisen.
32 ist eine vertikale Querschnittsansicht, welche die aktiven Lagerkomponenten einer supraleitenden Lagervorrichtung zeigt. Diese supraleitende Lagervorrichtung umfasst einen Supraleiter 1, welcher an einem stationären Element A anzubringen ist, sowie einen Magnetabschnitt 2, welcher an einem Drehelement B anzubringen ist, und zwar in der gleichen Weise wie in den oben beschriebenen Beispielen. Der Supraleiter 1 und der Magnetabschnitt 2 sind derart angeordnet, dass sie einander mit einem Spalt zwischen sich gegenüberliegen.
Der Supraleiter 1 ist gebildet, indem man normal leitende Partikel Y2Ba1Cu1 in einen Yttrium-Hochtemperatur-Supraleiter, z. B. in ein aus Yba2Cu30x hergestelltes Substrat, gleichmäßig einmischt und er weist eine Charakteristik auf, das Eindringen von Magnetflüssen einzudämmen, welchen von unten beschriebenen ringförmigen Permanentmagneten 3 erzeugt werden. Die Länge des Supraleiters 1 ist in einer radialen Richtung derart bestimmt, dass sie näherungsweise gleich einer Gesamtsumme von radialen Längen der ringförmigen Permanentmagneten 3 ist.
Der Supraleiter 1 ist derart angeordnet, dass er den ringförmigen Permanentmagneten 3 in der axialen Richtung gegenüberliegt und ist von diesen derart mit einem Abstand angeordnet, dass bei einer Position, bei welcher den Supraleiter eine vorgeschriebene Menge von Magnetflüssen von dem ringförmigen Permanentmagneten 3 durchdringt und die Verteilung der eingedrungenen Magnetflüsse durch die Drehung des Drehelements nicht geändert wird.
Das Drehelement B besteht aus einem ringförmigen Rotor 5 und dem an den Rotor 5 festgelegten zuvor genannten Magnetabschnitt 2. Der Magnetabschnitt 2 ist zur zentralen Drehachse 1000 des Drehelements B koaxial oder konzentrisch und weist die Mehrzahl von ringförmigen Permanentmagneten 3 auf, welche wechselseitig derart magnetisiert sind, dass die benachbarten Magnete in der radialen Richtung abgestoßen werden, und zwischen den jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten 3 ist ein ringförmiges weichmagnetisches Jochelement 4 angeordnet.
In diesem besonderen Beispiel verwenden die ringförmigen Permanentmagnete 3 z. B. einen durch ein Warmverarbeitungsverfahren erzeugten Pr-Fe-B-Cu-basierten Permanentmagneten und das ringförmige weichmagnetische Element 4 ist aus einem weichen schmiedbaren Eisen hergestellt. In dieser Struktur treten die Magnetflüsse von den Nordpolen der zwei ringförmigen Permanentmagneten 3 durch die ringförmigen weichmagnetischen Elemente 4 hindurch und kehren zu den Südpolen der ringförmigen Permanentmagnete 3 zurück. Somit werden die Magnetflüsse von den ringförmigen Permanentmagneten 3 durch die ringförmigen weichmagnetischen Jochelemente 4 verengt, so dass eine auf den Supraleiter 1 wirkende Magnetdichte deutlich erhöht werden kann.
Diese supraleitende Lagervorrichtung weist einen Supraleiter 1 auf, welcher mit einem Kühlmedium gekühlt wird, das in dem Kühlgehäuse (nicht dargestellt) zirkuliert, um ihn in dem supraleitenden Zustand zu halten. In dem supraleitenden Zustand dringen die Magnetflüsse von dem ringförmigen Permanentmagneten des Drehelements B in den Supraleiter ein, wo die gleichförmig eingemischten normalleitenden Partikel die Verteilung des eingedrungenen Magnetflusses in den Supraleiter gleichmäßig machen und die ringförmigen Permanentmagnete 3, 3 werden durch die oben beschriebene Pinning-Erscheinung gedreht.
Wenn die supraleitende Lagervorrichtung ein großes Lager aufweist und ein einzelner ringförmiger Permanentmagnet nicht hergestellt werden kann, wird eine Mehrzahl von Permanentmagneten verbunden, um die ringförmigen Permanentmagnete 3 zu bilden. In diesem Falle kann dann, wenn das ringförmige magnetische Element 4 abwechselnd mit den ringförmigen Permanentmagneten 3 angeordnet ist, ein großes Lager erzeugt werden, welches keine Ungleichmäßigkeit im Magnetfluss bewirkt.
In diesem besonderen Beispiel sind ringförmige Verstärkungselemente 6 an dem Außenumfang der ringförmigen Permanentmagnete 3 angebracht, um diese in der radialen und der Umfangsrichtung zusammenzudrücken. Das Verstärkungselement 6 ist aus einem Material hergestellt, welches eine kleinere relative Dichte und eine höhere Zugbruchfestigkeit als die verwendeten ringförmigen Permanentmagnete aufweist.
Dieses Beispiel zielt darauf ab, dass die ringförmigen Verstärkungselemente 6 zum Zusammendrücken der ringförmigen Permanentmagnete 3 an ihren Außenumfängen angebracht werden, wenn sich das Drehelement nicht dreht, und wenn das Drehelement B bei einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird, wird eine auf die ringförmigen Permanentmagnete 3 ausgeübte Zugfestigkeit soweit wie möglich reduziert. Daher ist das Verstärkungselement 6 aus einem Material hergestellt, welches eine kleinere relative Dichte und eine höhere Zugbruchfestigkeit als die ringförmigen Permanentmagnete 3 aufweist, um eine angemessene auf die ringförmigen Permanentmagnete 3 ausgeübte Druckkraft aufrecht zu erhalten. Mit anderen Worten kann die Auswahl eines Materials mit einer kleinen relativen Dichte und einer hohen Zugbruchfestigkeit ein Verstärkungsmaterial bereitstellen, welches Eigenschaften geringer Längung und hoher Steifigkeit für die verwendeten Magnete vorweist. Dieses besondere Beispiel verwendet kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFRP) als das Verstärkungselement. Dieser CFRP hat eine Dichte von 1,6 [g/cm³], eine Querkontraktionszahl von 0,3 und ein Elastizitätsmodul von 1,72 × 10¹¹ Pa, während der Pr-Magnet in diesem besonderen Beispiel eine Dichte von 7,4 g/cm³, eine Querkontraktionszahl von 0,24 und ein Elastizitätsmodul von 1,34 × 10¹¹ Pa aufweist. Wie oben beschrieben wurde, müssen die Druckkräfte des Verstärkungselements 6 in der radialen und der Umfangsrichtung der ringförmigen Permanentmagnete 3 100 kg/mm² oder weniger betragen, wenn das Drehelement B sich nicht dreht, da die Magnete leichter durch eine Druckbelastung zerbrochen werden, wenn die Druckkraft 100 kg/mm² übersteigt. Mit anderen Worten ist die statische Druckkraft durch das Verstärkungselement 6 in der radialen und der Umfangsrichtung der ringförmigen Permanentmagnete 3, 3 derart bestimmt, dass sie kleiner als die Druckbruchbelastung der Magnete sind.
Darüber hinaus stellt dieses besondere Beispiel die Verstärkungselemente 6 in einer mehrlagigen Struktur angeordnet dar. Wenn die Verstärkungselemente 6 mehrlagig sind, kann jedes Verstärkungselement 6 mit einer geringeren Interferenz angebracht werden, so dass die Verteilung einer Druckbelastung gegen die Magnete gleichmäßiger ausgebildet werden kann. Wenn die Druckbelastungsverteilung gegen die Magnete grob gleichmäßig gemacht ist, kann die abweichende Ausübung einer Druckbelastung vermieden werden. Da die Druckbelastung gleichförmig ausgeübt wird, kann der Bruch der drehenden Magnete aufgrund des Fehlens der auszuübenden Druckbelastung verhindert werden und die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Vorrichtung kann verbessert werden. Wie oben beschrieben wurde, verwendet dieses besondere Beispiel CFRP als das Verstärkungselement 6, welches an den ringförmigen Permanentmagneten angebracht ist, während es sie in ihrer radialen und ihrer Umfangsrichtung zusammendrückt, wodurch das ringförmige Verstärkungselement 6 an dem Außenumfang des Magnetabschnitts 2 gebildet wird. Wie oben beschrieben wurde, ist in diesem besonderen Beispiel die statische Druckkraft derart bestimmt, dass sie 100 kg/mm² oder weniger beträgt, wenn sich das Drehelement B nicht dreht.
In 33 sind Verstärkungselemente 6 in der mehrlagigen Struktur in der gleichen Weise wie in dem obigen Beispiel angebracht und die axiale Dicke eines jeden Verstärkungselements 6 ist größer als jene der Magnete 3. In 33 ist die vertikale Breite des Verstärkungselements 6 derart bestimmt, dass sie größer ist als jene des Magneten 3. Da das Verstärkungsmaterial in der axialen Richtung dick ist, kann seine Dicke in der radialen Richtung verringert werden, so dass eine Verstärkung gegen Taumeln und axiale Verlagerung bei hoher Geschwindigkeit stabilisiert und eine Gesamtstandfestigkeit der Vorrichtung verbessert werden kann. Bezugszeichen 18 bezeichnet ein vorzugsweise magnetisch neutrales Zwischenelement zur Korrektur eines Abstandsunterschieds zwischen den Magneten 3 und dem Verstärkungselement 6.
In 35 sind Verstärkungselemente 6 in der mehrlagigen Struktur in der gleichen Art und Weise wie in dem obigen besonderen Beispiel montiert und ein ringförmiges Element 7 mit einem kleineren Elastizitätsmodul als das Verstärkungselement ist an dem Innenumfang eines jeden Verstärkungselements 6 montiert. Dieses Element 7 ist aus einem Material, wie etwa Aluminium, mit einem geringen Elastizitätsmodul hergestellt, so dass eine Druckkraft, welche auf die Magnete durch das Verstärkungselement 6 ausgeübt wird, derart eingestellt wird, dass sie gleichförmig auf die radialen Umfänge eines jeden Permanentmagneten ausgeübt wird.
Wie unten mit Bezug auf ein besonderes Beispiel beschrieben werden wird, kann auf ein Verfahren, welches spezifiziert, dass das Verstärkungselement zuvor in der Gestalt eines Rings geformt wird, und dann mit Kraft am Außenumfang des ringförmigen Permanentmagneten angebracht wird, wenn das ringförmige Element 7 montiert worden ist, das ringförmige Verstärkungselement einfach angebracht werden.
35 bis 38 zeigen die Ergebnisse einer Analyse, welche durch die Erfinder an einer Belastungsverteilung in radialer und in Umfangrichtung entlang unterschiedlicher Teile des Drehelements B, wie es in 34 gezeigt ist, durchgeführt wurde, wenn es stationär ist und bei 40.000 U/min gedreht wird.
35 zeigt eine Umfangsbelastungsverteilung, wenn das Drehelement B stationär ist bezüglich einer jeden Position in der radialen Richtung vom Zentrum des Magnetabschnitts 2 an der horizontalen Richtung. In 35 verläuft der Außenumfang des ringförmigen Rotors 5 bis etwa 50 mm an der horizontalen Achse, der Magnetabschnitt 2 verläuft bis etwa 90 mm und die vierlagigen Verstärkungselemente 6 verlaufen über die 90 mm-Marke hinaus. 36 zeigt eine radiale Belastungsverteilung wenn das Drehelement B stationär ist bezüglich einer jeden Position in der radialen Richtung auf der gleichen in 35 gezeigten horizontalen Achse. 37 und 38 zeigen jeweils eine Umfangs- und eine radiale Belastungsverteilung wenn sich das Drehelement B bei 40.000 U/min dreht.
Somit wurde bestätigt, dass dann, wenn die Druckkraft zuvor durch das Verstärkungselement auf die Magnete ausgeübt wird, wenn diese nicht drehen, selbst dann, wenn der ringförmige Permanentmagnet einen Radius über 50 mm hinaus aufweist, kein Bruch in diesem besonderen Beispiel bei 10.000 U/min hervorgerufen wird, bei welchem ein Zugbruch üblicherweise aufgrund von Zentrifugalkraft hervorgerufen wird, und die Druckkraft ist selbst dann noch an den Magneten effektiv, wenn sie bei 40.000 U/min gedreht werden. Diese Vorteile über den Stand der Technik sind bemerkenswert. Genauer wird in einer herkömmlichen Verstärkungsstruktur, welche ein Eisenelement verwendet, um einen Rahmen zu bilden, um die Magnete aufzunehmen, um sie bei einer Drehung vor Zentrifugalkraft zu schützen, der Eisenrahmen selbst nach außen aufgrund von Zentrifugalkraft aufgeweitet, wenn sie über 10.000 U/min hinaus gedreht wird, wobei sie augenblicklich eine Schutzwirkung der Magnete vor Verformung und Verlagerung verliert. In dem vorliegenden besonderen Beispiel werden die gleichen Magnete verwendet, jedoch wird das Verstärkungselement 6 aus den zuvor genannten CFRP an Stelle des Eisenrahmens verwendet, was es ermöglicht, die Drehgeschwindigkeit von 10.000 auf 40.000 U/min zu erhöhen. In diesem Zusammenhang ist zu sehen, dass die Struktur, der Betrieb und die Wirkung dieses besonderen Beispiels im Hinblick auf die Tatsache, dass die auf die Magnete ausgeübte Zentrifugalkraft proportional zum Quadrat des Radius ist, ausgezeichnet sind.
39 bis 41 zeigen ein weiteres besonderes Beispiel, bei welchem Verstärkungselemente 6 in der mehrlagigen Struktur in der gleichen Art und Weise wie in dem obigen besonderen Beispiel angebracht sind, und bei welchem ein ringförmiges Element 7 mit einem kleineren Elastizitätsmodul als das Verstärkungselement an dem Innenumfang eines jeden Verstärkungselements 6 angebracht ist.
Wie in 39 gezeigt ist, bringt dieses besondere Beispiel das ringförmige Element 7 an dem Außenumfang des Magneten 7 an. Die Rückseite dieses Elements 7 ragt in der axialen Richtung vor und dieser vorragende Teil weist eine geneigte Fläche 7a auf, welche gebildet ist, um den Radius von dem vorragenden Umfangsende aus größer werden zu lassen und um als eine Führung zu dienen, wenn das Verstärkungselement eingeführt wird. In der Zeichnung bezeichnet Bezugszeichen 17 eine Vorrichtung zur Verstärkung des vorragenden Teils des ringförmigen Elements 7.
In diesem besonderen Beispiel wird das ringförmige Verstärkungselement 6 aus CFRP zuvor geformt, während der Magnetabschnitt 2 durch Zusammenfügen von ringförmigen Permanentmagneten 3 gebildet wird. Als nächstes werden das ringförmige Element 7 und die Vorrichtung 17 an dem Außenumfang der ringförmigen Permanentmagnete 3 montiert und das ringförmige Verstärkungselement wird durch Kraft oder Reibsitz an dem Außenumfang des Elements 7 angebracht. Wenn das Verstärkungselement 6 mit Kraft angebracht wird, kann es in einfacher Weise mittels der an dem ringförmigen Element 7, welches als eine Führung dient, ausgebildeten geneigten Fläche 7a eingefügt werden.
Nach einem Montieren eines Verstärkungselements 6 wird die Vorrichtung 17 entfernt und der vorragende Teil des ringförmigen Elements 7 wird derart entfernt, dass er bündig mit dem Magneten und dem Verstärkungselement ist. Dann, wie in 40 gezeigt ist, werden ein weiteres ringförmiges Element 7 und eine weitere Vorrichtung 17 an dem Außenumfang des Verstärkungselements 6 angebracht und ein weiteres ringförmiges Verstärkungselement wird unter Kraft an dem äußeren Umfang des Elements 7 angebracht. In der gleichen Art und Weise wie oben, wenn das Verstärkungselement 6 unter Kraft angebracht wird, kann es in einfacher Weise mittels der geneigten Fläche 7a, welche an dem ringförmigen Element 7 ausgebildet ist, das als eine Führung dient, eingeführt werden. Nach einem Montieren des Verstärkungselements 6 in der gleichen Art und Weise wie oben wird der vorragende Teil des ringförmigen Elements 7 derart entfernt, dass es bündig mit dem Magnet und dem Verstärkungselement ist. Dann wird ein weiteres ringförmiges Element 7 und eine weitere Vorrichtung ebenso an dem Außenumfang des Verstärkungselements 6 montiert und ein weiteres ringförmiges Verstärkungselement wird unter Kraft angebracht.
Somit wird, wie in 41 gezeigt ist, das Drehelement B, welches einen Satz aus dem ringförmigen Element 7 und dem Verstärkungselement 6 in mehrfacher Anzahl montiert aufweist, erhalten. In der Zeichnung bezeichnet Bezugszeichen 14 ein nichtmagnetisches verzugverhinderndes Element, welches dazu dient, zu verhindern, dass die ringförmigen Permanentmagnete 3, 3 aufgrund von Verzug verformt werden, welcher durch Abstoßung im Zusammenhang mit einem Supraleiter 1 hervorgerufen wird.
In diesem besonderen Beispiel, wenn das Verstärkungselement 6 mit Kraft angebracht ist, ist die statische Druckkraft in der radialen und der Umfangsrichtung der ringförmigen Permanentmagneten ebenso in der gleichen Art und Weise wie oben derart bestimmt, dass sie 100 kg/mm² oder weniger beträgt. Wie in der Zeichnung gezeigt ist und oben diskutiert wurde, ist der Satz aus dem ringförmigen Element 7 und dem Verstärkungselement 6 in der mehrlagigen Struktur nach Bedarf angebracht. Wenn das ringförmige Element 7 verwendet wird, kann eine vorgeschriebene Größe einer Kraftschlusstoleranz präzise sichergestellt werden, wenn das ringförmige Verstärkungselement 6 angebracht wird und die Belastungsverteilung einer gegebenen Last kann korrekt erhalten werden. Selbst dann, wenn die Kraftschlusstoleranz groß ist, kann daher das Verstärkungselement 6 in stabiler Art und Weise kraftschlüssig angebracht werden, eine Belastung aufgrund des Verstärkungselements kann eingestellt werden und eine korrekte Belastungsverteilung kann erhalten werden, so dass ein Verstärkungselement mit einer hohen Druckkraft verwendet werden kann. Dementsprechend können die Magnete vor einem Bruch bei Drehung geschützt werden und das Drehelement B kann bei einer hohen Geschwindigkeit gedreht werden.
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß den jeweiligen besonderen Beispielen von 32 bis 41 die axiale Tragkraft durch den ringförmigen Permanentmagneten 3 erhöht werden, indem die mehrlagige Anzahl der ringförmigen Permanentmagnete erhöht wird, und selbst dann, wenn der Radius durch die vergrößerten Lagen von ringförmigen Permanentmagneten vergrößert wird, verhindert das Vorhandensein der Verstärkungselemente zur Anwendung einer Druckkraft, dass die Magnete aufgrund einer kritischen Zugkraft zerbrochen werden. Somit stellt dieses besondere Beispiel eine optimale Struktur für eine supraleitende Lagervorrichtung für ein Elektrische-Energie-Speicher-System bereit, welches ein schweres Schwungrad bei einer hohen Geschwindigkeit dreht, um eine elektrische Energie durch die Drehenergie zu speichern. Daher ist dies die am meisten bevorzugte Ausführungsform für derartige Anwendungen.
Obwohl in den jeweiligen besonderen Beispielen von 32 bis 41 der Pr-Fe-B-Cu-Magnet als die Magnete verwendet werden, soll verstanden werden, dass sie nicht darauf begrenzt sind und beliebige Permanentmagnete, wie Ferrit, Alnico, Neodym-basierte oder Samariumbasierte verwendet werden können. Weiterhin wurde der Supraleiter beispielhaft als Yttrium-Hochtemperatur-Supraleiter beschrieben, jedoch kann jeder Seltene-Erden-Supraleiter, wie etwa (Re-Ba-Cu-O)-basierte verwendet werden, welche eine Rückstellkraft gegen die Magnete aufweisen.
In diesen besonderen Beispielen von 32 bis 41 ist die Druckkraft durch das Verstärkungselement 6 derart bestimmt, dass sie 100 kg/mm² oder weniger beträgt, wenn das Drehelement stationär ist, jedoch sollte ein Fachmann realisieren, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, und man jede beliebige Druckkraft ausüben kann, welche die Druckbruchbelastung eines bestimmten verwendeten Magneten nicht übersteigt. Als das Verstärkungselement 6 für die Magnete kann beispielsweise glasfaserverstärktes Plastik (GFRP = "Glass fiber reinforced plastic") an Stelle von CFRP verwendet werden, und Materialien mit einer kleineren relativen Dichte und einer höheren Zugbruchfestigkeit als ein verwendeter Magnet können verwendet werden.
42 ist eine Vertikalschnittansicht des Hauptteils einer supraleitenden Lagervorrichtung. Diese supraleitende Lagervorrichtung umfasst einen an einem stationären Element A zu montierenden Supraleiter 1 und einen an einem Drehelement B zu montierenden Magnetabschnitt 2, und der Supraleiter 1 und der Magnetabschnitt 2 sind derart angeordnet, dass sie einander mit einem Spalt zwischen sich in der gleichen Art und Weise wie in den oben beschriebenen Beispielen gegenüberliegen.
Der Supraleiter 1 ist gebildet durch gleichmäßiges Mischen von normalleitenden Partikeln Y2Ba1Cu1 in einem Yttrium-Hochtemperatur-Supraleiter z. B. ein Substrat aus Yba2Cu30x, und weist eine Charakteristik auf, das Eindringen von Magnetflüssen einzudämmen, welche von ringförmigen Permanentmagneten erzeugt werden, die unten beschrieben werden sollen. Die Länge des Supraleiters 1 in einer radialen Richtung ist derart bestimmt, dass sie näherungsweise gleich einer Gesamtsumme von radialen Längen der ringförmigen Permanentmagnete 3 ist.
Der Supraleiter 1 ist derart angeordnet, dass er den ringförmigen Permanentmagneten 3 in der axialen Richtung gegenüberliegt und ist so mit Abstand von ihnen angeordnet, dass bei einer Position, bei welcher eine vorgeschriebene Menge an Magnetflüssen von den ringförmigen Permanentmagneten 3 eindringt, die Verteilung des eingedrungenen Magnetflusses nicht durch die Drehung des Drehelements B geändert wird.
Das Drehelement B besteht aus einem ringförmigen Rotor 5 und dem vorstehend genannten Magnetabschnitt 2, welcher an dem Rotor 5 festgelegt ist. Der Magnetabschnitt 2 ist zu der Achse des Drehelements B koaxial und weist die Mehrzahl von ringförmigen Permanentmagneten 3, 3 auf, welche wechselseitig derart magnetisiert sind, dass die benachbarten Magnete in der radialen Richtung abgestoßen werden, und ein ringförmiges magnetisches Jochelement 4 ist zwischen den jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten 3 angeordnet.
In diesem besonderen Beispiel verwenden die ringförmigen Permanentmagnete 3, 3 z. B. einen durch ein Warmverarbeitungsverfahren erzeugten Pr-Fe-B-Cu-basierten Permanentmagneten und das ringförmige magnetische Jochelement 4 ist aus weichem schweißbarem Stahl hergestellt. Wie oben beschrieben wurde, treten in dieser Struktur die Magnetflüsse von den Nordpolen der zwei ringförmigen Permanentmagnete 3 durch die ringförmigen magnetischen Elemente 4 hindurch und kehren zu den Südpolen der ringförmigen Permanentmagnete 3 zurück. Somit werden die Magnetflüsse von den ringförmigen Permanentmagneten 3 durch die ringförmigen magnetischen Jochelemente 4 eingeengt, so dass eine auf den Supraleiter einwirkende magnetische Dichte deutlich erhöht werden kann.
Der Supraleiter 1 dieser supraleitenden Lagervorrichtung ist mit einem Kühlmedium gekühlt, welches in einem Kühlgehäuse (nicht dargestellt) zirkuliert, um ihn in der gleichen Art und Weise wie oben beschrieben in dem supraleitenden Zustand zu halten. In dem supraleitenden Zustand dringen die Magnetflüsse von den ringförmigen Permanentmagneten 3 des Drehelements B ein, um selektiv durch die gleichmäßig gemischten normalleitenden Partikel in den Supraleiter hindurch zu treten und sind in dem Eindringungsweg durch einen supraleitenden Strom festgelegt, welcher um die eingedrungenen Magnetflüsse herum verläuft, wodurch die Pinning-Erscheinung induziert wird.
Wenn die supraleitende Lagervorrichtung ein großes Lager aufweist und ein ringförmiger Einzelkörper-Permanentmagnet nicht hergestellt werden kann, wird eine Mehrzahl von Permanentmagneten verbunden, um die ringförmigen Permanentmagnete 3 zu bilden. Wenn die ringförmigen magnetischen Jochelemente 4 und die ringförmigen Permanentmagnete 3 abwechselnd angeordnet sind, kann in diesem Fall ein großes Lager erzeugt werden, welches die Ungleichmäßigkeit im Magnetfluss nicht erzeugt.
In diesem besonderen Beispiel werden ringförmige Verstärkungselemente 6 an dem Außenumfang der ringförmigen Permanentmagnete 3 angebracht, um sie in der radialen und der Umfangsrichtung zusammenzudrücken. Das Verstärkungselement 6 ist aus einem Material hergestellt, welches eine kleinere relative Dichte und eine höhere Zugbruchfestigkeit als die verwendeten ringförmigen Permanentmagnete aufweist.
Genauer zielt dieses Beispiel in der gleichen Art und Weise wie in 32 bis 41 darauf ab, dass die ringförmigen Verstärkungselemente 6 für ein Zusammendrücken der ringförmigen Permanentmagnete 3 an ihren Außenumfängen montiert werden, wenn sich das Drehelement B nicht dreht, und wenn das Drehelement B bei einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird, wird die auf die ringförmigen Permanentmagnete 3, 3 ausgeübte Zugfestigkeit soweit wie möglich reduziert. Daher ist das Verstärkungselement 6 aus einem Material hergestellt, welches eine kleinere relative Dichte und eine höhere Zugbruchfestigkeit als die ringförmigen Permanentmagnete 3 aufweist, um eine auf die ringförmigen Permanentmagnete ausgeübte Druckkraft so weit wie möglich zu halten. In der gleichen Art und Weise wie in dem obigen besonderen Beispiel verwendet dieses besondere Beispiel kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFRP) als das Verstärkungselement. Der verwendete CFRP weist eine Dichte von 1,6 g/cm³, eine Querkontraktionszahl von 0,3 und ein Elastizitätsmodul von 1,72 × 10¹¹Pa auf, während der Pr-Magnet in diesem besonderen Beispiel eine Dichte von 7,4 g/cm³, eine Querkontraktionszahl von 0,24 und ein Elastizitätsmodul von 1,34 × 10¹¹Pa aufweist.
Bei diesem besonderen Beispiel ist das Verstärkungselement 6 in einer mehrlagigen Struktur angeordnet, welche oben in Bezug auf die dritte bevorzugte Ausführungsform diskutiert wurde. Ferner kann das Element 6 mit einer geringeren Störung montiert werden, so dass die Druckbelastungsverteilung gegen die Magnete gleichmäßig gemacht werden kann. Wenn die Verteilung von Druckbelastung gegen die Magnete gleichmäßig gemacht ist, kann die abgewichene Ausübung einer Druckbelastung vermieden werden. Da die Druckbelastung gleichförmig ausgeübt wird, kann der Bruch der drehenden Magnete aufgrund des Fehlens der auszuübenden Druckbelastung verhindert werden und die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Vorrichtung kann verbessert werden.
Wie oben beschrieben wurde, verwendet dieses besondere Beispiel den CFRP als das Verstärkungselement 6, und um den CFRP anzubringen, würde das erste alternative Verfahren umfassen, ihn um die ringförmigen Permanentmagnete herumzuwickeln, während er sie in ihrer radialen und Umfangsrichtung zusammendrückt, wodurch das ringförmige Verstärkungselement 6 am Außenumfang des Magnetabschnitts 2 gebildet wird. Das zweite alternative Verfahren formt zuvor das ringförmige Verstärkungselement 6 und bringt es am Außenumfang des Magnetabschnitts 2 an. In beiden Verfahren ist die Druckbelastung, wie oben beschrieben wurde, derart eingestellt, dass sie 100 kg/cm² oder weniger beträgt.
Nun wird weiter ein ringförmiges Element 7 mit einem kleineren Elastizitätsmodul als das Verstärkungselement 6 am Innenumfang eines jeden Verstärkungselements 6 montiert. Dieses Element 7 ist aus einem Material, wie etwa Aluminium, hergestellt mit einem geringen Elastizitätsmodul, so dass eine Druckkraft, welche auf die Magnete durch das Verstärkungselement 6 ausgeübt wird, derart eingestellt wird, dass sie gleichmäßig auf den Umfang ausgeübt wird.
Im Falle einer Anwendung des Verfahrens, das das Verstärkungselement 6 zuvor in der Gestalt eines Rings geformt und dann am Außenumfang des ringförmigen Permanentmagneten zwangsweise angebracht wird, kann das ringförmige Verstärkungselement 6 in einfacher Art und Weise angebracht werden, wenn das ringförmige Element 7 mit einem verjüngten Vorsprung zur Führung versehen ist. In diesem Fall wird der verjüngte Teil nach einem Anbringen des Verstärkungselements 6 entfernt.
In 42 ist ein Keilring 21 zum Zusammendrücken der ringförmigen Permanentmagnete 3, 3 in der radialen und der Umfangsrichtung an dem Drehelement B angebracht. In dem in 42 gezeigten besonderen Beispiel wird der Keilring 21 zwischen dem Magnetabschnitt 2 und das Verstärkungselement 6 hineingetrieben. In diesem besonderen Beispiel wird der Keilring 21 hineingetrieben, nachdem zuvor ein Führungsring 24, welcher einen verjüngten Innenumfang aufweist, an dem Innenumfang des Verstärkungselements 6 angebracht wurde. Genauer wird der Keilring 21 mit seiner dünnen Seite zuerst zwischen das am Außenumfang des äußersten ringförmigen Permanentmagneten 3 angebrachte ringförmige magnetische Element 4 und den Führungsring 24 hineingetrieben. Da der Außenumfang des Keilrings 21 einen verjüngten Querschnitt aufweist, stellt das vorherige Anbringen des Führungsrings 24 mit dem verjüngten Innenumfang einen Spalt zwischen dem ringförmigen magnetischen Element 4 und dem Führungsring 24 bereit, und der Keilring 21 wird in diesen Spalt eingeführt.
Da der Führungsring 24 den eingetriebenen Keilring 21 durch seinen Innenumfang aufnimmt, ist es zu bevorzugen, für ihn ein plastisch verformbares Material zu verwenden, d. h. ein nicht zerbrechliches Material, z. B. ein sehr elastisches Material, wie etwa eine spezielle Aluminiumlegierung, Titanlegierung oder CFRP.
Da der Keilring 21 angebracht wird, wobei beide verjüngte Flächen des Keilrings und des Führungsrings in Gleitkontakt stehen, ist der Keilring vorzugsweise klein, so dass eine Belastung in radialer Richtung ohne großen Widerstand aufgebracht wird, wenn der Keilring 21 eingetrieben wird.
Somit ist das Drehelement B mit dem Keilring 21 zum Zusammendrücken der ringförmigen Permanentmagnete 3 in der radialen und der Umfangsrichtung versehen, so dass die intrinsische Druckwirkung des Verstärkungselements 6 durch den Keilring 21 ergänzt wird.
In 43 umfasst der Keilring 21 einen Führungskeilring 22 und einen Einführkeilring 23, welcher größer als der Führungskeilring 22 ist, wobei beide anfänglich verbunden sind. Genauer sind der Führungskeilring 22 und der Einführkeilring 23 direkt miteinander verbunden, um einen Keilring 21 zu bilden, wobei der Führungskeilring 22 zuvor zwischen das ringförmige magnetische Element 4 und den Führungsring 24 eingetrieben wird, wie in 44 gezeigt ist, und der Führungskeilring 22 wird durch den Einführkeilring 23 herausgeschoben, was den Einführkeilring 23 zwischen das ringförmige magnetische Element 4 und den Führungsring 24 zwangsweise einführt. Der Führungskeilring 22 und der Einführkeilring 23 sind aus der gleichen Materialart hergestellt, wie etwa Eisen oder nichtrostender Stahl.
Der Führungskeilring 22 und der Einführkeilring 23 sind wechselseitig durch ihre Aufnehmung und ihren Vorsprung verbunden, und wenn der Einführkeilring 23 zwischen das ringförmige magnetische Element 4 und dem Führungsring 24 eingetrieben wird, wird ein von der Fläche des Drehelements B abstehender Vorsprung 23a entfernt.
In diesem besonderen Beispiel ist der Keilring 21 durch direktes Verbinden des Führungskeilrings 22 und des Einführkeilrings 23 gebildet, welcher größer als der Keilring 22 ist, und nach einem vorherigen Eintreiben des Führungskeilrings 22 wird der Führungskeilring 22 durch den Einführkeilring 23 herausgedrückt, was den Einführkeilring 23 zwangsweise zwischen dem ringförmigen magnetischen Element und dem Verstärkungselement 6 einführt (wobei der Führungsring 24 neben dem Verstärkungselement 6 in diesem besonderen Beispiel liegt. Daher kann der Neigungswinkel des Keils klein ausgeführt sein, eine Belastung durch die zwangsweise Einführung kann in radialer Richtung ohne großen Widerstand ausgeübt werden, um das zwangsweise Einfügen zu erleichtern, und wenn eine geeignete Anzahl an Keilringen direkt verbunden und eingeführt wird, kann eine gewünschte Druckkraft erreicht werden.
Das in 45 gezeigte besondere Beispiel zeigt eine supraleitende Lagervorrichtung, welche einen an einem stationären Element A anzubringenden Supraleiter 1 und einen an einem Drehelement B anzubringenden Magnetabschnitt 2 aufweist, in der gleichen Art und Weise, wie in dem oben beschriebenen Beispiel, und der Supraleiter 1 und der Magnetabschnitt 2 sind derart angeordnet, dass sie einander mit einem Spalt zwischen sich gegenüberliegen. Der Magnetabschnitt 2 ist gebildet durch Anbringen von ringförmigen Permanentmagneten 3, welche zur Achse des Drehelements B konzentrisch sind, und ein ringförmiges weichmagnetisches Jochelement 4, welches die Gestalt eines Rings aufweist, ist zwischen den jeweiligen ringförmigen Permanentmagneten 3 angeordnet. Ein ringförmiges Verstärkungselement 6 aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFRP) ist an dem Außenumfang des Magnetabschnitts 2 angebracht und ein Keilring 21 ist zwischen dem Magnetabschnitt 2 und das Verstärkungselement 6 eingetrieben. In diesem besonderen Beispiel ist der Keilring 21 von der zum vorhergehenden Beispiel gegenüberliegenden Seite aus eingetrieben. Auch in diesem besonderen Beispiel kann der Verjüngungswinkel des Keils klein ausgeführt sein, um die zwangsweise Einführung zu erleichtern, und wenn eine geeignete Anzahl von Keilringen verbunden und eingeführt ist, kann eine gewünschte Druckkraft erhalten werden.
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß den jeweiligen besonderen Beispielen von 42 bis 45 die axiale Tragkraft durch den ringförmigen Permanentmagneten 6 erhöht werden, indem die Anzahl der ringförmigen Permanentmagnetlagen erhöht wird und selbst dann, wenn der Radius aufgrund der Zunahme der Lage der mehrlagigen ringförmigen Permanentmagneten ansteigt, verhindert das Vorhandensein der Verstärkungselemente zur Ausübung einer Druckkraft auf die Magnete und den stützenden Keilring, dass die Magnete aufgrund einer kritischen Zugkraft zerbrochen werden.
Obwohl in den jeweiligen besonderen Beispielen von 42 bis 45 der Pr-Fe-B-Cu-Magnet als die Magnete verwendet werden, soll verstanden werden, dass sie nicht darauf begrenzt sind und es kann jeder beliebige Permanentmagnet, wie etwa Ferrit, Alnico, ein Neodym-basierter oder ein Samarium-basierter verwendet werden. Außerdem wurde der Supraleiter unter der Verwendung des Yttrium-Hochtemperatur-Supraleiters als ein Beispiel beschrieben, jedoch kann jeder beliebige Seltene-Erden-Supraleiter, wie etwa (RE-Ba-Cu-O)-basierte Materialien verwendet werden, welcher eine Rückstellkraft gegen Magnete aufweisen kann.
Ferner ist in dem besonderen Beispiel die Wicklungs-Druckkraft durch das Verstärkungselement 6 derart bestimmt, dass sie 100 kg/mm² oder weniger beträgt, wenn das Drehelement sich nicht dreht, ein Fachmann wird erkennen, dass sie nicht beschränkt ist, und man eine Druckkraft ausüben kann, welche die Zugbruchbelastung des bestimmten verwendeten Permanentmagnetmaterials nicht übersteigt. Weiterhin kann als das Verstärkungselement 6 für die Magnete beispielsweise glasfaserverstärkter Kunststoff (GFRP) anstelle des CFRP verwendet werden, und es können Materialien mit einer kleineren relativen Dichte und einer höheren Zugbruchfestigkeit als die Magnete verwendet werden.
In den besonderen Beispielen ist der Keilring 21 zwischen den Magnetabschnitt 2 und das Verstärkungselement 6 eingetrieben, jedoch sind diese nicht darauf beschränkt. Ebenso kann ein einzelner Keilring oder eine Mehrzahl von Keilringen 21 zwischen den ringförmigen Permanentmagneten 3 und zwischen den Verstärkungselemente 6 angebracht werden.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit mehreren besonderen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für Fachleute offensichtlich, dass zahlreiche weitere Alternativen, Modifikationen und Variationen im Lichte der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich sein werden. Daher soll die hierin beschriebene Erfindung alle solchen Alternativen, Modifikationen und Variationen umfassen, wenn sie in den Rahmen der angehängten Ansprüche fallen.

Claims

Supraleitende Lagervorrichtung, umfassend: einen Supraleiter (1), welcher an ein stationäres Element (A) montiert ist; sowie einen gegenüberliegenden Magnetabschnitt (2), welcher an ein Drehelement (B) montiert ist, das mit einem Spaltabstand entfernt von dem Supraleiter angeordnet ist, wobei der Magnetabschnitt umfasst: einen ersten und einen zweiten ringförmigen Permanentmagneten (3), welche konzentrisch um eine zentrale Drehachse des Drehelements herum angeordnet sind; sowie ein schmiedbares magnetisches Jochelement (4), welches radial zwischen den ringförmigen Permanentmagneten liegt, wobei das Jochelement in Eingriff mit einer radial äußeren Verbindungsfläche des ersten Permanentmagneten und mit einer radial inneren Verbindungsfläche des zweiten Permanentmagneten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsflächen im Wesentlichen zueinander parallel und zu der zentralen Drehachse des Drehelements schräg orientiert sind.
Supraleitende Lagervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsflächen von der zentralen Drehachse des Drehelements radial nach außen gekrümmt und gebogen sind.
Supraleitende Lagervorrichtungen nach Anspruch 2, wobei: die radial äußere Verbindungsfläche des ersten Permanentmagneten bezüglich der zentralen Drehachse des Drehelements konvex ist; wobei die radial innere Verbindungsfläche des zweiten Permanentmagneten bezüglich der zentralen Drehachse des Drehelements konkav ist; und wobei das Jochelement mit der radial äußeren Verbindungsfläche des ersten Permanentmagneten an einer konkaven Fläche desselben bezüglich der zentralen Drehachse des Drehelements in Eingriff ist und mit der radial inneren Verbindungsfläche des zweiten Permanentmagneten an einer konvexen Fläche desselben bezüglich der zentralen Drehachse des Drehelements in Eingriff ist.
Supraleitende Lagervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Permanentmagnet jeweils einen geschlossenen Kreis von bei gleichmäßig beabstandeten Umfangsverbindungsintervallen untereinander verbundenen gekrümmten Magnetstücken umfassen, welche in jedem jeweiligen Permanentmagneten angeordnet sind.
Supraleitende Lagervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Umfangsverbindungsintervalle des ersten Permanentmagneten nicht mit den Umfangsverbindungsintervallen des zweiten Permanentmagneten ausgerichtet sind, um ungleichmäßige Magnetflussdichten zu dissipieren, welche bei den Verbindungsintervallen über den Magnetabschnitt hinweg auftreten.
Supraleitende Lagervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Umfangsverbindungsintervalle des ersten Permanentmagneten relativ zu den Umfangsverbindungsintervallen des zweiten Permanentmagneten in Umfangsrichtung versetzt sind.
Supraleitende Lagervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die jeweiligen Anzahlen an Umfangsverbindungsintervallen in jedem des ersten und des zweiten Permanentmagneten gleich sind.
Supraleitende Lagervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Anzahl an Umfangsverbindungsintervallen in dem ersten Permanentmagneten sich von der Anzahl an Umfangsverbindungsintervallen in dem zweiten Permanentmagneten unterscheidet.
Supraleitende Lagervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: ein ringförmiges Verstärkungselement (6), welches den ersten und den zweiten ringförmigen Permanentmagneten und das Jochelement konzentrisch umschreibt, um jeden der ringförmigen Permanentmagneten und das Jochelement in radialer Richtung und in Umfangsrichtung zusammenzudrücken und um eine axiale Verlagerung derselben bei hohen Drehgeschwindigkeiten zu verhindern.
Supraleitende Lagervorrichtung nach Anspruch 9, wobei das ringförmige Verstärkungselement ein magnetisch neutrales Material umfasst mit einer geringeren spezifischen Dichte und einer höheren Zugfestigkeit als ein magnetisches Material, welches den ersten und den zweiten ringförmigen Permanentmagneten umfasst. 1 1. Supraleitende Lagervorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei der erste und der zweite ringförmige Permanentmagnet jeweils eine erste axiale Dicke aufweisen; und wobei das Verstärkungselement eine zweite axiale Dicke aufweist, welche größer als die erste axiale Dicke ist, um eine Drehstabilität des Magnetabschnitts zu erhöhen.
Supraleitende Lagervorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, ferner umfassend einen magnetisch neutralen ringförmigen Keil, welcher zwischen dem zweiten ringförmigen Permanentmagneten und dem ringförmigen Verstärkungselement angeordnet ist, um eine zusätzliche radiale Kraft und Umfangskraft gegen die ringförmigen Permanentmagnete und gegen das Jochelement auszuüben.
Supraleitende Lagervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das ringförmige Verstärkungselement eine Mehrzahl von konzentrisch angeordneten ringförmigen Verstärkungselementen umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines magnetischen drehbaren Elements zur Verwendung in einer supraleitenden Lagervorrichtung, wie sie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist, wobei die Verbindungsflächen von der zentralen Drehachse des Drehelements radial nach außen gekrümmt und gebogen sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten ringförmigen Permanentmagneten und eines schmiedbaren ringförmigen magnetischen Jochelements, welche um eine zentrale Achse drehbar sind, wobei der erste Permanentmagnet eine axiale Breite und eine Außenfläche mit einem Durchmesser aufweist, welcher geringfügig größer als ein Durchmesser einer Innenfläche des Jochelements ist; Axiales Schwenken des Jochelements um 90° relativ zu dem ersten Permanentmagneten und zur zentralen Achse; Ausüben von äußerem Druck auf das Jochelement, um das Jochelement relativ zu der Innenfläche desselben durch Druck in einen Ellipsoid zu verformen, welcher eine große Achse und eine kleine Achse definiert, wobei die große Achse des verformten Jochelements den Durchmesser einer Außenfläche des ersten Permanentmagneten übersteigt und wobei die kleine Achse des verformten Jochelements die axiale Breite des ersten Permanentmagneten übersteigt; Positionieren des verformten Jochelements derart, dass es die Außenfläche des ersten Permanentmagneten umschreibt; Lösen des äußeren Drucks, welcher auf das verformte Jochelement ausgeübt wird, um die Innenfläche des Jochelements zwangsweise mit der Außenfläche des ersten Permanentmagneten in Eingriff zu bringen; sowie Schwenken des Jochelements um 90°, um es axial mit dem ersten Permanentmagneten auszurichten, um einen konzentrischen Magnetabschnitt zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend den Schritt eines Einpassens eines zweiten ringförmigen Permanentmagneten unter Kraft in Umfangsrichtung um den konzentrischen Magnetabschnitt herum.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend ein Anbringen eines Verstärkungselements mit einer niedrigeren spezifischen Dichte und einer höheren Zugfestigkeit als der erste und der zweite Permanentmagnet an einem Außenumfang des zweiten Permanentmagneten, um jeden der Permanentmagnete und das Jochelement in radialer Richtung und in Umfangsrichtung zusammenzudrücken und um eine axiale Verlagerung derselben bei hohen Drehgeschwindigkeiten zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend den Schritt eines Treibens eines Keilrings zwischen den zweiten Permanentmagneten und das umschreibende Verstärkungselement, um den ersten und den zweiten Permanentmagneten und das Jochelement in der radialen Richtung und in der Umfangsrichtung zusammenzudrücken.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Keilring gebildet wird durch direktes Verbinden eines Führungskeilrings und eines Einführungskeilrings, welcher größer als der Führungskeilring ist, nach einem Eintreiben des Führungskeilrings, wobei der Führungskeilring durch den Einführungskeilring herausgedrückt wird, was den Einführungskeilring zwangsweise zwischen den Magnetabschnitt und das Verstärkungselement einführt.