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Die
Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Magnet- und Supraleiterwerkstoffe
und betrifft eine Magnetschwebevorrichtung, wie sie beispielsweise
bei supraleitenden kontaktfreien Transportvorrichtungen oder linearen
oder radialen Schwebelagern zum Einsatz kommen kann.
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Supraleitende
Magnetschwebevorrichtungen benötigen
einen Führweg
oder festes Widerlager, die ein magnetisches Feld zur Verfügung stellen, welches
entlang der Bewegungsrichtung konstant ist, senkrecht zu diesem
aber einen starken Feldgradienten aufweist. Die im beweglichen Teil
(Transportwagen) angebrachten Supraleiter können in diesem Magnetfeld eine
stabile Position einnehmen, wenn es sich um harte Supraleiter 2.
Art handelt.
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Magnetfelder
können
Supraleiter 2. Art in Form von quantisierten Flussschläuchen durchdringen,
die durch nanoskalige Ausscheidungen oder Baufehler in der supraleitenden
Matrix festgehalten werden können.
Dadurch ist es möglich,
externe Magnetfeldkonfigurationen in einem solchen Supraleiter fest
zu verankern (speichern). Wird das vom Führweg erzeugte Magnetfeld durch
Abkühlen
des Supraleiters in einem festen Abstand zum Führweg vom normal leitenden
in den supraleitenden Zustand im Supraleiter verankert, so beantwortet
der Supraleiter eine Auslenkung aus der Kühlposition mit Rückstellkräften, die
ihn in diese zurückziehen.
Die Rückstellkräfte sind
abhängig
von der Änderung
des Magnetfeldes und damit auch von der Größe der Auslenkung. Je größer die Änderung
des Magnetfeldes ist, desto größer ist
auch die Rückstellkraft.
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Bei
supraleitenden Magnetschwebevorrichtungen in kontaktfreien Transportvorrichtungen
und linearen oder gekrümmten
Schwebelagern ist neben der Tragkraft auch die Stabilität einer
bestimmten Position sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung
von großer
Bedeutung. Ein Maß für die Stabilität ist die
Steifigkeit in einer ausgezeichneten Richtung. Diese wird in N/mm
angegeben, und beschreibt welche Kraft notwendig ist, um den beweglichen
Teil der Magnetschwebevorrichtung um 1 mm zu verschieben. Da die
Kräfte
aber gerade von der Auslenkung um die Abkühlposition abhängen, sind hohe
Anforderungen an die Steifigkeit einer Position bei großem Lastwechsel
nicht realisierbar.
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Bei
Auslenkungen von der Kühlposition wächst die
rücktreibende
Kraft überproportional,
so dass für
größere Auslenkungen
größere Kräfte und Steifigkeiten
erreicht werden können.
Um eine höhere
Steifigkeit für
eine Transportvorrichtung zu erreichen, wird die Schwebevorrichtung „vorgespannt”. Dies
wird nach dem Stand der Technik durch ein hohes Eigengewicht der
Transportvorrichtung im Verhältnis
zur Nutzlast erreicht. Dies führt
jedoch zu einem hohen Energieverbrauch der Antriebseinheit.
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Ein
genereller Überblick
zur Anwendung harter Supraleiter 2. Art in Magnetschwebesystemen und
Radiallagern wird von L. Schultz et al. (Z. Metallkd. 93 (10) 1057–1064 (2002))
gegeben. Von J. Hull et al. (J. Appl. Phys. 86 (11) 6396 (1999))
wird analytisch gezeigt, dass die für eine bestimmte Kühlposition
vorliegende Steifigkeit in lateraler Richtung immer die Hälfte derer
in vertikaler Richtung beträgt. J.
Wang et al. (Physica C 378–381
(1) 809–814 (2002))
beschreiben den Aufbau eines neuen Schwebesystemes auf Basis des
supraleitenden Schwebens, wobei sie auch angeben (Physica C 386,
431–437
(2003)), dass die Seitensteifigkeit des Fahrzeuges mit steigender
Masse zunimmt. C. Navau et al. (Supercond. Sci. Technol. 17 (2004) 828–832) beschreiben
ein Modell zur Berechnung von Gleichgewichtslagen in Abhängigkeit
von der Kühlposition.
Z. Ren et al. (Physica C 378–381
(1) 873–876
(2002)) beschreiben ein Verfahren zur Erhöhung der vertikalen und lateralen
Steifigkeit für
ein lineares Transportsystem durch Zusammenwirken von Supraleitern
und Permanentmagneten im Fahrzeug. Dabei werden die starken abstoßenden Kräfte zwischen
zwei gleichen Magnetpolen ausgenutzt.
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Aus
dem bekannten Stand der Technik sind somit Ansatzpunkte erkennbar,
dass einerseits das Problem der Steifigkeit für praktische Anwendungen erkannt
worden ist, andererseits aber weder ausreichende Überlegungen
noch tatsächliche
Lösungen des
Problems aufgezeigt worden sind.
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Weiterhin
ist aus der
US 5 521
570 A eine supraleitende Magnetschwebeanordnung bekannt,
bei der alle Supraleiter sich auf der gleichen Höhe über einem magnetischen Führweg befinden
und die dortige Magnetfeldkonfiguration speichern. Dann können alle
Supraleiter auf eine andere Höhe
eingestellt und dort gehalten werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer Magnetschwebevorrichtung,
durch die eine verbesserte Steifigkeit der Spurführung auch beim Be- und Entladen
der Magnetschwebevorrichtungen oder eine stabile Lagerführung erreicht
wird.
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Die
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegeben Erfindung gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Magnetschwebevorrichtung
besteht aus mindestens zwei Supraleiterformkörpern mit gespeicherten Magnetfeldkonfigurationen über einem
magnetischen Führweg.
Dabei weisen die mindestens zwei Supraleiterformkörper
- a) eine bei unterschiedlichem vertikalen Abstand zum
Führweg
und/oder
- b) eine bei unterschiedlicher in Bewegungsrichtung der Magnetschwebevorrichtung
seitlicher Lage gegenüber
dem magnetischen Führweg
gespeicherte Magnetfeldkonfiguration auf und sie sind in einer von
ihrer Speicherposition im Fall a) vertikal abweichenden Position
und/oder im Fall b) in Bewegungsrichtung seitlich abweichenden Position über dem
magnetischen Führweg
mechanisch gehalten und miteinander verbunden.
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Vorteilhafterweise
weisen jeweils zwei oder drei Supraleiterformkörper die gleiche gespeicherte Magnetfeldkonfiguration
auf.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise sind die Supraleiterformkörper massive Körper.
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Weiterhin
vorteilhafterweise sind die Supraleiterformkörper harte Supraleiter 2. Art.
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Von
Vorteil ist es auch, wenn mindestens ein Supraleiterformkörper eine
unterhalb der Position, an der die mindestens zwei Supraleiterformkörper mechanisch
gehalten werden, verankerte Magnetfeldkonfiguration aufweist und
der mindestens andere Supraleiterformkörper ein oberhalb der Position,
an der die mindestens zwei Supraleiterformkörper mechanisch gehalten werden,
verankerte Magnetfeldkonfiguration aufweist, wobei es besonders
vorteilhaft ist, wenn die Abstände
der Positionen ober- und unterhalb der Position, an der die mindestens
zwei Supraleiterformkörper
mechanisch gehalten werden, gegenüber dieser Position gleich
groß sind.
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Und
auch von Vorteil ist es, wenn mindestens ein Supraleiter eine unterhalb
und seitlich in Bewegungsrichtung der Magnetschwebevorrichtung nach
rechts verschobenen Position, an der die mindestens zwei Supraleiterformkörper mechanisch
gehalten werden, verankerte Magnetfeldkonfiguration aufweist und
der mindestens andere Supraleiterformkörper ein oberhalb und seitlich
in Bewegungsrichtung der Magnetschwebevorrichtung nach links verschobenen
Position, an der die mindestens zwei Supraleiterformkörper mechanisch
gehalten werden, verankerte Magnetfeldkonfiguration aufweist, wobei es
wiederum besonders vorteilhaft ist, wenn die Abstände der
Positionen ober- und unterhalb und rechts und links der Position,
an der die mindestens zwei Supraleiterformkörper mechanisch gehalten werden, gegenüber dieser
Position bezüglich
ober- und unterhalb und bezüglich
rechts und links gleich jeweils groß sind.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung wird eine
neue Möglichkeit
des „Vorspannens” einer
Magnetschwebevorrichtung oder eines Schwebelagers realisiert.
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Dazu
ist eine Magnetschwebevorrichtung vorhanden, die aus mindestens
zwei Suparleiterformkörper über einem
magnetischen Führweg
besteht. Die mindestens zwei Supraleiterformkörper sind dabei in einem unterschiedlichen
Abstand über dem Führweg positioniert
und werden dort unter ihre kritische Temperatur abgekühlt. Dadurch
wird die an der jeweiligen Position vorhandene Magnetfeldkonfiguration
im jeweiligen Supraleiterformkörper
verankert. Anschließend
werden diese Supraleiterformkörper
durch eine mechanische Vorrichtung auf eine gemeinsame Position über dem
magnetischen Führweg
gebracht, wobei diese Position abweicht von den jeweiligen Positionen über dem
Führweg,
an der die Supraleiterformkörper
abgekühlt
worden sind und an der sie die dortige Magnetfeldkonfiguration verankert haben.
Durch die mechanische Halterung in einer von der Kühlposition
abweichenden Position wirken die Rückstellkräfte der Supraleiterformkörper. Diese Rückstellkräfte bewirken
einen bestimmte Positionierung der gesamten Magnetschwebevorrichtung
in einer Gleichgewichtsposition über
dem Führweg,
an der die Summe der Rückstellkräfte gleich
Null ist, d. h. an der ein Ausgleich der Beträge der wirkenden Kräfte auf
die Magnetschwebevorrichtung über
dem magnetischen Führweg
erreicht ist.
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Damit
ist eine Zone einer größeren Steifigkeit um
die Supraleiterformkörper
realisiert, die auch zu einer größeren Steifigkeit
der gesamten Magnetschwebevorrichtung führt.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
dass mindestens zwei Supraleiterformkörper vorhanden sind, wobei
mindestens ein Supraleiterformkörper
eine unterhalb der Position, an der die mindestens zwei Supraleiterformkörper mechanisch
gehalten werden, gespeicherte Magnetfeldkonfiguration aufweist und
der mindestens andere Supraleiterformkörper ein oberhalb der Position,
an der die mindestens zwei Supraleiterformkörper mechanisch gehalten werden,
gespeicherte Magnetfeldkonfiguration aufweist.
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Durch
die nachfolgende Positionierung in einer Höhe zwischen diesen beiden Speicherpositionen
und dortige mechanische Halterung der mindestens zwei Supraleiterformkörper wird
der eine Supraleiterformkörper
aus seiner Speicherposition in eine örtlich höhere Position und der andere
Supraleiterformkörper
aus seiner Speicherposition in eine örtlich tiefere Position jeweils über dem
magnetischen Führweg
gezwungen. Aufgrund dieser Auslenkung aus der Speicherposition wirken
die jeweiligen Rückstellkräfte gegenüber dem
Führweg
durch den nach oben gezwungenen Supraleiterformkörper anziehend und durch den
nach unten gezwungenen Supraleiterformkörper abstoßend. Sofern die Beträge dieser
gegensätzlich
wirkenden Kräfte
nicht gleich groß sind, wird
die gesamte Magnetschwebevorrichtung in Richtung der Kraft mit dem
größeren Betrag
bewegt, bis ein Ausgleich der Beträge der wirkenden Kräfte gegenüber dem
Führweg
erreicht ist.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Erhöhung
der Steifigkeit ist nicht nur die Realisierung der Speicherpositionen
in unterschiedlichen Höhen über dem Führweg, sondern
auch die Realisierung der Speicherposition in verschiedenen Positionen
in Querrichtung zur Bewegungsrichtung der Magnetschwebevorrichtung über dem
Führweg.
Dabei kann sowohl die Positionierung während der Speicherung der Magnetfeldkonfiguration
nur in unterschiedlichen Höhen
oder nur in unterschiedlichen Querpositionen erfolgen, vorteilhafterweise
aber als Mischung beider Möglichkeiten
sowohl in unterschiedlichen Höhen
als auch gleichzeitig in unterschiedlichen Querpositionen gegenüber dem
Führweg.
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Der
zusätzliche
Vorteil der unterschiedlichen Speicherpositionen in Querrichtung
liegt nicht nur in einer weiteren Verbesserung der Steifigkeit der
gesamten Magnetschwebevorrichtung, sondern auch in einer Erhöhung der
Schwebekraft der Magnetschwebevorrichtung über dem Führweg.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung wird eine
hohe Steifigkeit von Magnetschwebevorrichtungen auch bei hohen Anforderungen
erreicht. Dies betrifft beispielsweise die Beibehaltung der Steifigkeit einer
Transportvorrichtung über
dem Führweg
auch beim Be- und Entladen oder die Einhaltung einer hohen Präzision eines
Linearschweblagers oder Radialschweblagers. Dabei bleiben die wesentlichen Merkmale
einer supraleitenden Magnetschwebevorrichtung, die Reibungsfreiheit,
die Abriebfreiheit und eine nichtmechanische Lagerung erhalten.
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Die
erfindungsgemäße Lösung eignet
sich besonders für
kleine Transportvorrichtungen in sauberer Umgebung, wobei ein nahezu
geräuschfreies Arbeiten
ohne Verunreinigung durch Partikel realisiert werden kann.
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Im
Weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Beispiel 1
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Bei
einem erfindungsgemäßen linearen
Magnetschwebevorrichtungsaufbau ist als magnetischer Führweg eine
magnetische Schiene aus 2 NdFeB-Permanentmagneten
(Höhe 50
mm, Breite 40 mm), die in ein Joch aus weichmagnetischen Platten aus
Automatenstahl (Dicke: Mitte 12 mm, Rand 3 mm) so eingebaut werden,
dass sich gleichnamige Magnetpole gegenüberstehen, vorhanden. Dadurch ist
die Richtung der Bewegung der Magnetschwebevorrichtung über der
Schiene vorgegeben. Daraus ergibt sich eine Breite der Schiene von
98 mm und einer Höhe
von 50 mm. Die Länge
der Schiene beträgt 150
mm. Das weichmagnetische Material wirkt als Sammler und Verstärker für das Magnetfeld
der Permanentmagneten. Über
der Schiene entsteht so ein homogenes Magnetfeld in Bewegungsrichtung
entlang des Führweges
(Längsrichtung).
In die beiden anderen Raumrichtungen über dem Führweg (in Richtung Breite und
Höhe) ist
das jeweilige Magnetfeld stark inhomogen. Der maximale Betrag der
vertikalen Komponente des Magnetfeldes liegt genau über der
Mitte der Breite der magnetischen Schiene entlang des Führweges
und beträgt
0,5 mm über
der Schienenoberfläche
1,1 T und 10 mm über
der Schienenoberfläche
0,5 T.
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Als
Supraleiter werden zwei 90 × 35 × 15 mm3 YBaCuO-Blöcke (harte Supraleiter 2. Art)
verwendet, die im Verfahren der Schmelztexturierung mit jeweils
3 Keimkristallen hergestellt wurden.
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Die
beiden Supraleiter werden im Fahrzeug der Magnetschwebevorrichtung
montiert. Dieses Fahrzeug ist ein Kryostat mit den Innenmaßen 110 × 80 × 60 mm3. Die Supraleiter können nun durch eine mechanische
Vorrichtung im Kryostaten bewegt werden, um eine gewünschte Position
einzustellen. Nun wird ein Supraleiterblock an der mechanischen
Vorrichtung in einer Höhe
von 10 mm über
der Mitte der Schienenoberfläche
positioniert und der andere Supraleiterblock in einer Höhe von 20
mm über
der Mitte der Schienenoberfläche.
In diesen Positionen werden die Supraleiter im Kryostaten auf eine
Temperatur von 77 K (–196°C) abgekühlt und
auf dieser Temperatur gehalten. Bei diesen beiden Speicherpositionen
wird die durch das Magnetfeld der Schiene vorgegebene Magnetfeldkonfiguration
in den Supraleitern verankert. Anschließend werden beide Supraleiterblöcke durch
die mechanische Vorrichtung in eine gemeinsame Position gebracht
und dort permanent befestigt. Aufgrund des Kräfteausgleichs ist die permanente
Höhe des
Fahrzeuges über
der Schienenoberfläche
13 mm.
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Die
Messung der lateralen Steifigkeit ergab einen Wert von 16,7 N/mm.
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Beispiel 2
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Ein
aus dem Stand der Technik bekannter linearer Magnetschwebevorrichtungsaufbau
mit grundsätzlichem
Aufbau gemäß Beispiel
1 enthält ebenfalls
zwei Supraleiterblöcke
deren Speicherpositionen für
die Magnetfeldkonfiguration des Magnetfeldes der Schiene jeweils
20 mm über
der Schienenoberfläche
sind.
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Aufgrund
des Gewichtes des Fahrzeuges werden die beiden Supraleiter auf einer
Höhe von
15 mm über
der Schiene positioniert.
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Die
Messung der lateralen Steifigkeit ergab einen Wert von 12,7 N/mm.
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Beispiel 3
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Ein
erfindungsgemäßer linearer
Magnetschwebevorrichtungsaufbau mit grundsätzlichem Aufbau gemäß Beispiel
1 enthält
3 Supraleiterblöcke gemäß Beispiel
1, die in einer Dreiergruppe entlang des Führweges angeordnet sind. Die
Speicherposition der Supraleiter für die Magnetfeldkonfiguration des
Magnetfeldes der Schiene in der Dreiergruppe ist so, dass der mittlere
Supraleiterblock in einer Höhe von
5 mm und die beiden äußeren Supraleiterblöcke in einer
Höhe von
20 mm über
der Schienenoberfläche
die Magnetfeldkonfiguration des Magnetfeldes der Schiene verankert
haben. Anschließend
werden alle drei Supraleiterblöcke
durch die mechanische Vorrichtung in eine gemeinsame Position gebracht und
dort permanent befestigt. Aufgrund des Kräfteausgleichs ist die permanente
Höhe des
Fahrzeuges über
der Schienenoberfläche
15 mm.
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Die
Messung der lateralen Steifigkeit ergab einen Wert von 16,9 N/mm.
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Beispiel 4
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Bei
einem erfindungsgemäßen linearen
Magnetschwebevorrichtungsaufbau mit grundsätzlichem Aufbau gemäß Beispiel
1 mit 2 Supraleiterblöcken
wird eine Speicherposition eines der Supraleiterblöcke für die Magnetfeldkonfiguration
des Magnetfeldes der Schiene in einer Höhe von 20 mm und die des anderen
Supraleiterblockes in einer Höhe von
5 mm über
der Schienenoberfläche
realisiert. Anschließend
werden die Supraleiterblöcke
durch die mechanische Vorrichtung in eine gemeinsame Position gebracht
und dort permanent befestigt. Aufgrund des Kräfteausgleichs ist die permanente
Höhe des Fahrzeuges über der
Schienenoberfläche
10 mm.
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Die
Messung der lateralen Steifigkeit ergab einen Wert von 19,9 N/mm.
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Beispiel 5
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Für ein aus
dem Stand der Technik bekanntes radiales Schwebelager wird ein supraleitender Hohlzylinder
aus 8 YbaCuO-Blöcken
zusammengesetzt, welcher einen Außendurchmesser von 55 mm, einen
Innendurchmesser von 41 mm und eine Länge von 50 mm aufweist. In
den Innenraum des Hohlzylinders wird das Lager mit einem Durchmesser
von 40 mm und einer Länge
von 50 mm eingebracht. Der Rotor des Lagers besteht aus einem Stapel
aus Permanentmagneten und Eisenscheiben, wobei benachbarte Magneten
eine entgegengesetzte Polarität aufweisen.
Die Eisenscheiben wirken als Sammler für das Magnetfeld. Es entsteht
dadurch ein homogenes Magnetfeld in der Drehrichtung. In die beiden
anderen Raumrichtungen (radial und axial) ist das jeweilige Magnetfeld
stark inhomogen. Vor dem Abkühlen
der Vorrichtung wird in den Spalt zwischen Hohlzylinder und Rotor
ein Abstandshalter so eingebracht, dass um den gesamten Rotorumfang
ein Abstand von 0,5 mm zum Hohlzylinder realisiert ist. Beim Abkühlen der
gesamten Anordnung auf eine Temperatur von 77 K (–196°C) wird das
Magnetfeld in den Supraleiterblöcken
in dieser Position verankert. Die Vorrichtung wird bei dieser Temperatur
gehalten. Nach Entfernen der Abstandshalter bleibt zwischen Hohlzylinder
und Rotor ein Spalt von 0,5 mm bestehen.
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Die
Messung der lateralen Steifigkeit ergab einen Wert von 160 N/mm
in radialer Richtung.
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Beispiel 6
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Bei
einem erfindungsgemäßes radialen Schwebelager
gemäß Beispiel
5 wird der Rotor ebenfalls in einem radialen Abstand von jeweils
0,5 mm vom Hohlzylinder und in einer um 1 mm in axialer Richtung
der hinsichtlich ihrer Längen übereinstimmenden
Lage verschobenen Position gemeinsam mit dem Hohlzylinder, aber
nur die Hälfte
der Supraleiter hinsichtlich der Länge auf eine Temperatur von
77 K (–196°C) abgekühlt und
dort gehalten. Danach wird der Rotor um –1 mm der hinsichtlich ihrer
Längen übereinstimmenden
Lage verschoben und der Rest des Hohlzylinders auf eine Temperatur
von 77 K (–196°C) abgekühlt und
dort gehalten. Die nach Kräfteausgleich
resultierende Position ist die hinsichtlich der Längen übereinstimmenden
Lage des Hohlzylinders und des Rotors und auch die Idealposition.
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Die
Messung der lateralen Steifigkeit ergab einen Wert von 240 N/mm
in radialer Richtung.