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Die
vorliegende Erfindung betrifft Hochtemperatursupraleiterlager mit
einem Rotor, der von einem Stator mit einem Hochtemperatursupraleiter umgeben
ist, wobei der Rotor durch magnetische Kräfte in einem
schwebenden Zustand gehalten wird.
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HTS-Lager
zeichnen sich durch einen stirnseitig in alle Raumrichtungen selbststabilen
berührungsfreien Betrieb aus und bieten dadurch eine große
Laufruhe und Wartungsarmut.
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Die
Nutzung des Levitationseffektes zwischen einem Magnetfeld (Erregung
durch Dauermagnete oder Stromspulen) und einem Hochtemperatursupraleiter
(HTS) zum Aufbau einer berührungsfreien Lagerung (superconductor
magnetic bearing, SMB) von linearen bzw. rotierenden Systemen ist
seit einigen Jahren bekannt.
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Prinzipiell
enthält ein solches Hochtemperatur-Supraleiterlager (HTS-Lager)
eine Permanentmagnetanordnung als Erregersystem sowie einen Hochtemperatursupraleiter,
wobei der Hochtemperatursupraleiter von dem magnetischem Fluss der
Permanentmagnetanordnung durchdrungen wird. Wird nun der Hochtemperatursupraleiter
auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur Tc gekühlt,
wird der ihn durchdringende magnetische Fluss eingefroren. Im Falle
einer Lageveränderung werden Kräfte erzeugt, die
der Lageveränderung entgegen wirken. Diese Kräfte
können abstoßend oder anziehend sein, sind jedoch
auf jeden Fall derart gerichtet, dass sie gegen eine Lageveränderung
aus der Einkühlposition heraus entgegenwirken. Da die Größe
dieser Kräfte mit zunehmenden Abstand von Erregersystem und
Hochtemperatursupraleiter abnimmt, sollte dieser Abstand zur Erzielung
von möglichst hohen Kräften möglichst
klein gehalten werden.
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Zur
Erhöhung der magnetischen Flussdichte kann die Permanentmagnetanordnung
als so genannte Sammleranordnung ausgestaltet sein, wobei zwischen
den einzelnen Permanentmagneten ferromagnetische Flussleiterstücke,
z. B. Eisenpole, angeordnet sind.
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HTS-Lager
können zur berührungsfreien Lagerung von rotierenden
Systemen eingesetzt werden. Diese Lager bestehen prinzipiell aus
einem feststehenden Teil, dem Stator, und einem rotierenden Teil,
dem Rotor. Üblicherweise enthält der Stator den Hochtemperatursupraleiter
und der Rotor ist mit der Permanentmagnetanordnung versehen, die
als Erregersystem wirkt. Die Magnetisierung der Permanentmagnete
ist so gewählt, dass die Verteilung des magnetischen Flusses
um die Drehachse herum bei der Rotation unverändert bleibt,
d. h. durch die Rotation werden keine Kräfte erzeugt.
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Der
Hochtemperatursupraleiter befindet sich zur Kühlung in
einem Kryostat oder einer ähnlichen Kühlvorrichtung.
Zur thermischen Isolierung der gekühlten Elemente des Stators,
insbesondere des Hochtemperatursupraleiters, wird Vakuum an den Kryostaten
angelegt. Beispielhaft für Aufbau und Funktionsweise von
HTS-Lagern wird auf die europäische Patentanmeldung
EP 1 767 798 A1 sowie
auf
WO 02/06688 A1 verwiesen,
auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird.
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Prinzipiell
können HTS-Lager mit zylindrischer bzw. planarer Anordnung
unterschieden werden.
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In
einer zylindrischen Anordnung sind die Permanentmagnete koaxial
entlang der Rotorwelle angeordnet. Die Rotorwelle mit den darauf
angeordneten Permanentmagneten wird zylinderförmig von dem
Hochtemperatursupraleiter umgeben, wobei sich der zylinderförmige
Hochtemperatursupraleiter in einem gleichfalls zylinderförmigen
Kryostaten befindet. Die Rotorwelle mit dem Permanentmagneten befindet
sich in der so genannten Warmbohrung des Kryostaten. Der die Lagerkräfte
bestimmende Spalt, auch magnetisch wirksamer Spalt bezeichnet, verläuft
damit konzentrisch zwischen den gekrümmten Oberflächen
von Supraleiter und Permanentmagnet mit der dazwischen befindlichen
gleichfalls gekrümmten Vakuumhülle des Kryostaten.
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In
einer planaren Anordnung ist ein Rotor konzentrisch auf einer Rotorwelle
angeordnet. Die Stirnseiten des Rotors sind planar und weisen Permanentmagnete
auf, die konzentrisch um die Welle herum angeordnet sind. Den Stirnseiten
des Rotors mit der Permanentmagnetanordnung gegenüberliegend
sind Hochtemperatursupraleiter angeordnet, die parallel zu der Permanentmagnetanordnung
konzentrisch um die Rotorwelle herum verlaufen.
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Die
Hochtemperatursupraleiter und das diese umgebende Kryostatgehäuse
mit Vakuumhülle sind Bestandteile des Stators des Lagers.
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Der
die Lagerkräfte bestimmende Spalt befindet sich auch hier
zwischen Hochtemperatursupraleiter und Permanentmagnetanordnung.
Anders als in der zylindrischen Anordnung sind die Flächen
des Hochtemperatursupraleiters und der Permanentmagnete, die sich
gegenüber stehen, jedoch planar.
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Um
den magnetisch wirksamen Luftspalt zwischen dem Hochtemperatursupraleiter
und der Permanentmagnetanordnung möglichst klein zu halten,
sollte die Stärke der Vakuumhülle sowie der Abstand
zwischen Hochtemperatursupraleiter und Innenwand der Vakuumhülle
so gering wie möglich sein.
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Wird
nun der Kryostat zur Wärmeisolation evakuiert, entsteht
eine Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Kryostaten und dessen äußerer Umgebung,
so dass entsprechende Kräfte auf die Vakuumhülle
ausgeübt werden. In einer zylindrischen Anordnung wirkt
die im magnetischen Spalt gewölbte Fläche der
Vakuumhülle der äußeren Krafteinwirkung entgegen,
wodurch eine Verbiegung der Hülle, auch bei geringer Stärke
der Vakuumhülle, nach innen aufgrund der Druckdifferenz
verhindert wird.
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Bauartbedingt
ist dies bei der planaren Anordnung nicht gegeben und die planare
Stirnseite der Vakuumhülle in einer planaren Lageranordnung
biegt sich aufgrund der Druckdifferenz nach Innen durch und legt
sich an die kalten Oberflächen des Stators an. Eine Isolationswirkung
des Vakuums ist damit nicht mehr gegeben.
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Um
den Abstand zwischen kalter Oberfläche und Vakuumhülle
sowie die Strärke der Vakuumhülle, und damit den
magnetisch wirksamen Spalt, so gering wie möglich halten
zu können, wird erfindungsgemäß ein Abstandshalter
vorgesehen, der nicht nur eine hohe mechanische Festigkeit aufweist,
sondern mit dem auch die erforderliche Isolationswirkung erzielt
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
daher eine Stützanordnung vorgesehen, die nicht nur der
Vakuumhülle ausreichende Stabilität verleiht,
sondern die materialbedingt und/oder anordnungsbedingt eine Wärmeübertragung
in das Kühlsystem möglichst unterbindet und die
Isolationseigenschaften des Vakuums im Wesentlichen nicht beeinträchtigt.
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Beispiele
für geeignete Stützanordnungen sind Stützanordnungen
aus Aerogelen sowie Strukturen aus faserverstärktem Kunststoff
mit reduziertem Querschnitt und reduzierter Auflagefläche.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der anliegenden Figuren näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1a,
b schematisch eine zylindrische HTS-Lageranordnung;
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2 schematisch
eine planare HTS-Lageranordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung im Längsschnitt; und
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3 einen
Ausschnitt der erfindungsgemäßen Lageranordnung
nach 2
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In 1a ist
schematisch ein Längsschnitt durch ein Hochtemperatursupraleiterlager
mit zylindrischem Aufbau gezeigt. Der Rotor 1 ist konzentrisch auf
einer Welle 2 aufgebracht, wobei sich an den beiden Enden
der Welle 2 ein Erregersystem befindet. Das Erregersystem
ist eine Sammleranordnung mit von Permanentmagneten 3 und
dazwischen angeordneten Flussleiterstücken 4.
Das Erregersystem ist von einem zylinderförmigen Hochtemperatursupraleiter 5 umgeben.
Zwischen Erregersystem und Hochtemperatursupraleiterlager 5 befindet
sich der magnetisch wirksame Spalt 6.
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Die
zylinderförmige Anordnung von Erregersystem 3, 4 und
Hochtemperatursupraleiter 5 ist in 1b verdeutlicht,
die einen Aufriss des zylinderförmigen Erregersystems 3, 4 und
des das Erregersystem umgebenden Hochtemperatursupraleiters 5 zeigt.
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Ein
Hochtemperatursupraleiterlager mit planarem Aufbau ist schematisch
in 2 dargestellt. Gezeigt ist ein Rotor 1,
der mit einer Welle 2 verbunden ist und diese im Wesentlichen
konzentrisch umgibt. Die Stirnseiten des Rotors weisen konzentrisch angeordnete
Permanentmagnete 3 auf, die radial hintereinander angeordnet
und hier entgegengesetzt magnetisiert sind. Die Magnetisierung ist
durch N für den Nordpol und S für den Südpol
angedeutet.
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Zwischen
den Permanentmagneten 3 befinden sich vorzugsweise Flussleiterstücke,
zum Beispiel Eisenpole.
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Der
Rotor 1 mit den Permanentmagneten 3 ist von einem
Stator 7 umgeben, der gleichfalls um die Welle 2 angeordnet
ist.
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Der
Stator 7 weist eine Vakuumhülle 8 auf. Innerhalb
der Vakuumhülle 8 verlaufen unterhalb und oberhalb
des Rotors 1 Hochtemperatursupraleiter 5 um die
Welle 2 herum, deren planare Stirnseiten den planaren Stirnseiten
der Permanentmagnetanordnung 3 gegenüberliegend
angeordnet sind. Die Hochtemperatursupraleiter 5 sind hier
auf einer Trägerkonstruktion 9 aufgebracht.
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Die
Magnetisierung der Permanentmagnetanordnung 3 des Rotors 1 ist
so gewählt, dass die Rotation des Rotors 1 zu
keinen Feldveränderungen und damit nicht zu Kräften
führt, und der rotierende Rotor 1 berührungsfrei
in seiner Position relativ zu dem Stator gehalten wird.
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Je
nach Anwendung können auf der Rotorwelle 2 auch
zwei oder mehrere Hochtemperatursupraleiterlager mit Rotor 1 und
Stator 7 angeordnet sein.
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Zur
mechanischen Stabilisierung der Vakuumhülle 8 ist
mindestens ein Abstandshalter 10 zwischen Vakuumhülle 8 und
Hochtemperatursupraleiter 5 vorgesehen. Durch das Vorsehen
des mindestens einen Abstandshalters 10 wird eine Verbiegung der
Vakuumhülle nach Innen und ein Anlegen an den Hochtemperatursupraleiter
im evakuierten Zustand aufgrund der Druckdifferenzen verhindert.
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Eine
Detailansicht des Stators mit Abstandshalter 10 ist in 3 dargestellt.
Der Abstandshalter 10 wird zwischen HTS-Fläche
und Vakuumhülle 8 platziert. Unter Vakuum legen
sich die Stirnseiten der Vakuumhülle an die Abstandshalter
an. Um ein Anlegen der Zwischenbereiche der Stirnwand an die Oberfläche
des Hochtemperatursupraleiters 5 zu vermeiden, wird die
Spannweite der Stirnwand zwischen den Abstandshaltern 10 bzw.
deren Kontaktpunkten mit der Vakuumhülle 8 so
gewählt, dass eine möglicherweise auftretende
Wölbung der Vakuummhülle 8 ausreichend
klein bleibt und ein Anlegen an den Hochtemperatursupraleiter vermieden
wird.
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Erfindungsgemäß kann
der Abstandshalter 10 aus einem Aerogel bestehen. Aerogele
haben eine hohe Porosität mit einem geringen Feststoffanteil
und weisen damit unter Vakuum eine nur geringe thermische Leitfähigkeit
auf. Gleichzeitig verfügen sie jedoch über vergleichsweise
hohe mechanische Festigkeit, wodurch eine Stabilisierung der Vakuumhülle
gewährleistet wird.
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Ein
Beispiel für ein geeignetes Aerogel sind Silikat-Aerogele.
Diese weisen typischerweise einen Feststoffanteil von weniger als
0,2% auf.
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Aerogele
wie Silikat-Aerogele sowie deren Herstellung sind an sich bekannt.
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Die
geometrische Ausgestaltung von Abstandshaltern auf Basis von Aerogelen
unterliegt im Wesentlichen keinen besonderen Beschränkungen, solange
die vorstehend genannten Rahmenbedingungen eingehalten werden, d.
h. Verhinderung des Anlegens der Vakuumhülle 8 an
die Oberfläche des Hochtemperatursupraleiters 5 bei
möglichst minimalem Wärmeeintrag. Beispielsweise
können die Abstandshalter auf Basis von Aerogelen ringförmig
zwischen Hochtemperatursupraleiter und Vakuumhülle verlaufen.
Je nach Anwendung können auch andere geometrische Ausgestaltungen
zum Einsatz kommen, z. B. eine punktuelle Anordnung oder ein meanderförmiger
oder sonstiger Verlauf.
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Ein
weiteres geeignetes Material für den erfindungsgemäßen
Abstandshalter sind faserverstärkte Kunststoffe. Um den
Wärmeübergang so gering wie möglich zu
halten, sollten Abstandshalter aus faserverstärkten Kunststoffen
einen reduzierten Querschnitt und möglichst kleinflächige
und wenige Kontaktpunkte mit den Hochtemperatursupraleiter bzw. der
Vakuumhülle aufweisen. Im Falle von Abstandshaltern aus
faserverstärkten Kunststoffen können diese ein
dreidimensionales Netzwerk in dem Zwischenraum zwischen Hochtemperatursupraleiter
und Vakuumhülle bilden, um die Vakuumhülle mechanisch
zu stabilisieren.
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„Reduzierter
Querschnitt" bedeutet hierbei, dass der Querschnitt der Streben,
die die Struktur bilden, so gering wie möglich gewählt
wird, um einen möglichst hohen Isolationseffekt zu erzielen
und den Wärmeeintrag so gering wie möglich zu
halten.
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Aus
demselben Grund wird die Kontaktfläche des Abstandshalters,
d. h. die Berührungspunkte mit der Vakuumhülle,
so klein wie möglich gewählt.
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Beispiel
für geeignete faserverstärkte Kunststoffe sind
glas- oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe.
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Erfindungsgemäß ist
es damit möglich, planare Hochtemperatursupraleiterlageranordnungen zu
erhalten, die einerseits nur sehr dünne Kryostatwände
und einen sehr geringen Abstand zwischen Kryostatwand und Hochtemperatursupraleiter
aufweisen können und trotzdem unter Vakuum eine hervorragende
mechanische Stabilierung der Kryostatwand und thermische Isolierung
aufweisen.
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- 1
- Rotor
- 2
- Welle
- 3
- Permanentmagnet
- 4
- Flusspol
- 5
- Hochtemperatursupraleiter
- 6
- magnetisch
wirksamer Spalt
- 7
- Stator
- 8
- Vakuumhülle/Kryostatwand
- 9
- Trägerkonstruktion
- 10
- Abstandshalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1767798
A1 [0007]
- - WO 02/06688 A1 [0007]