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DE19643844C1 - Superconducting magnetic bearing of modular construction - Google Patents

Superconducting magnetic bearing of modular construction

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Publication number
DE19643844C1
DE19643844C1 DE19643844A DE19643844A DE19643844C1 DE 19643844 C1 DE19643844 C1 DE 19643844C1 DE 19643844 A DE19643844 A DE 19643844A DE 19643844 A DE19643844 A DE 19643844A DE 19643844 C1 DE19643844 C1 DE 19643844C1
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DE
Germany
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ring
cryostat
vacuum chamber
magnetic bearing
superconducting magnetic
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DE19643844A
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German (de)
Inventor
Klaus Weber
Hans Juergen Dr Bornemann
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C37/00—Cooling of bearings
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C32/0436—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
    • F16C32/0438—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
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Abstract

The bearing has a permanent magnet (6) on a rotor (1) and a superconducting ring (4) coaxial to the rotor axis and mounted on a stator. A vacuum chamber (2) contg. a cryostat (3) is mounted on the stator. The superconducting ring on the cryostat is embedded with one end free and both outer surfaces and the other end in thermal contact with the cryostat The region of the vacuum chamber cover (7) between the permanent magnet ring and superconducting ring is thin walled. The width of an air gap (8) formed between the cover and the free end of the superconducting ring is correctable by elastic deformation of thin-walled region by a control ring (17) on an inner tube. The correction can be fixed by a fixing flange (18) on the vacuum chamber base. The cryostat is held in place by fixings (9-12) distributed evenly about the rotor axis outside the thick-walled region of the cover.

Description

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Magnetlager in Modulbauweise.The invention relates to a superconducting magnetic bearing in modular design.

Passive supraleitende Magnetlager finden Einsatz in der berüh­ rungsfreien Schwebetechnik. Ein großes Anwendungspotential liegt dabei im Elektromaschinenbau vor. Insbesondere eignen sich solche Lager für schnelldrehende Maschinen wie Schwungrad- Energiespeicher oder schnelldrehende Rotoren im allgemeinen.Passive superconducting magnetic bearings are used in the touch smooth floating technology. A great application potential is in electrical engineering. Particularly suitable such bearings for high-speed machines such as flywheel Energy storage or high-speed rotors in general.

Supraleitende Magnetlager zeichnen sich gegenüber herkömmlichen Magnetlagern durch ihre inhärente Stabilität aus. Ihre Handhabung ist einfach, da Regeleinrichtungen zur Lagestabili­ sierung wie bei konventionellen Lagern entfallen. Die Ferti­ gungskosten sind verhältnismäßig niedrig.Superconducting magnetic bearings stand out from conventional ones Magnetic bearings are characterized by their inherent stability. Your Handling is easy because control devices for position stabilization There is no need for conventional bearings. The ferti supply costs are relatively low.

Um die supraleitenden Eigenschaften einzustellen, müssen die Lager bis unterhalb der jeweiligen Sprungtemperatur Tc gekühlt werden. In der Regel wird hierzu bei heute einsatzfähigen Hochtemperatursupraleitern flüssiger Stickstoff (Liquid Nitro­ gen = LN) verwendet. Im Laborbetrieb wird der Supraleiter di­ rekt vom flüssigen Stickstoff umspült ("wet cooling"). Diese Technik ist im Laborbereich naheliegend, da dort stets flüssi­ ger Stickstoff zur Verfügung steht.To adjust the superconducting properties, the Bearing cooled to below the respective transition temperature Tc will. As a rule, this becomes operational today High temperature superconductors liquid nitrogen (Liquid Nitro gen = LN) is used. In laboratory operation, the superconductor di directly flushed with liquid nitrogen ("wet cooling"). This Technology is obvious in the laboratory area, since it is always liquid low nitrogen is available.

In Applied Superconductivity Vol. 2, No. 7/8, 439-447, 1994 berichten H. J. Bornemann et al. über ein Schwungradenergie­ speichersystem mit supraleitenden Magnetlagern. Auslaufexperi­ mente wurden durchgeführt, um die Wirksamkeit eines solchen Systems zu untersuchen. Hierzu war das gesamte Schwungradsystem in eine Vakuumkammer gekapselt (siehe auch die Informa­ tionsschrift des Forschungszentrum Karlsruhe, Technik und Um­ welt, Technologietransfer und Marketing vom Februar 1996 "Flywheel for Efficient Energy Storage 300Wh Prototype Sy­ stem").In Applied Superconductivity Vol. 2, No. 7/8, 439-447, 1994 report H. J. Bornemann et al. about a flywheel energy storage system with superconducting magnetic bearings. Discontinuation experiment Mentions have been carried out to determine the effectiveness of such Systems to investigate. This was the entire flywheel system encapsulated in a vacuum chamber (see also the informa of the Research Center Karlsruhe, Technology and Um world, technology transfer and marketing from February 1996 "Flywheel for Efficient Energy Storage 300Wh Prototype Sy stem ").

Eine Anordnung mit supraleitenden Magnetlagern wird in dem Pa­ tents Abstract of Japan, M-1412 May 19, 1993 Vol. 17/No. 252 vorgestellt. Um die Konstruktion einer Supraleitenden Magnetla­ geranordnung eines Energiespeichers zu vereinfachen, wird die Rotorlage und die Lageregelung des aus einem Supraleiter und einem Permanentmagneten bestehenden Lager stabilisiert und ver­ einfacht. Die gesamte Anordnung ist ebenfalls in einer um­ schließenden Vakuumkammer untergebracht.An arrangement with superconducting magnetic bearings is described in Patents Abstract of Japan, M-1412 May 19 , 1993 Vol. 17 / No. 252 presented. In order to simplify the construction of a superconducting magnetic bearing arrangement of an energy store, the rotor position and the position control of the bearing consisting of a superconductor and a permanent magnet are stabilized and simplified. The entire arrangement is also housed in a closing vacuum chamber.

Für den industriellen Einsatz ist schon allein wegen der gefor­ derten Wartungsfreundlichkeit eine vakuumgekapselte Maschine nicht akzeptierbar, deren Supraleiter unmittelbar mit dem Kühl­ medium angeströmt wird. In der Technik ist die Einsatzreife im Sinne eines "plug & play" anzustreben. Das System soll mit ein­ fachem Netzanschluß zuverlässig betrieben werden können und für Wartungsarbeiten leicht zugänglich sein.For industrial use alone because of the gefor maintenance friendliness of a vacuum-enclosed machine not acceptable, their superconductors directly with the cooling medium flows. In technology, the maturity is To strive for a "plug & play". The system is said to be one specialist mains connection can be operated reliably and for Maintenance work must be easily accessible.

Bei einem Schwungradenergiespeicher wird oder ist in der Regel Luftreibung zu vermeiden. Das bedeutet, daß immer ein gewisser vakuumtechnischer Aufwand getrieben werden muß. Dennoch ist die bauliche Entkopplung des supraleitenden Magnetlagers ein für die Montage und Demontage sowie Justage gewichtiger Punkt. Vor­ teilhaft wäre dies und ist dies auf jeden Fall in anderen Be­ reichen der berührungsfreien Lagerung, wie z. B. langsam lau­ fende Pumpen im Chemie-Verfahrensbereich, wo der Rotor nicht im Vakuum läuft.In the case of a flywheel energy store, it is or is usually Avoid air friction. That means always a certain vacuum technology effort must be driven. Still that is structural decoupling of the superconducting magnetic bearing for the assembly and disassembly as well as adjustment important point. Before this would be a part of it, and it certainly is in other cases range of non-contact storage such. B. slowly tepid Pumps in the chemical process area, where the rotor is not in the Vacuum is running.

In der Nachrichtenelektronik geht der Trend der angewandten Su­ praleitung heute schon dahin, daß Filter und Resonatoren für den Mobilfunk unter "cryogen free cooling" -Einsatz betrieben werden. Hierunter versteht man die Kühlung über ein mit einem Kühlaggregat verbundenen Kaltfinger, der nur noch an den zu kühlenden Supraleiter angelegt werden muß. Das unmittelbare Be­ spülen mit flüssigem Stickstoff hat den Nachteil, daß eine De­ gradierung des Supraleitermaterials damit einhergeht. Das zieht nach sich, daß der Supraleiter zum Erhalt seiner Leitereigen­ schaften für den Langzeiteinsatz nur über Wärmeleitung gekühlt werden kann.The trend in applied electronics is in communications electronics praleitung today that filters and resonators for the mobile phone operated under "cryogen free cooling" use will. This is understood to mean cooling via one with one Cooling unit connected cold fingers, which only to the cooling superconductor must be created. The immediate loading flushing with liquid nitrogen has the disadvantage that a De gradation of the superconductor material is associated with this. That pulls result in the superconductor owning its conductors for long-term use only cooled by heat conduction can be.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein supraleitendes Magnetlager in Modulbauweise derart weiterzubilden, daß eine Vereisung des supraleitenden Bereichs wirksam verhindert werden kann.The invention has for its object a superconducting Develop magnetic bearings in modular design such that a  Icing of the superconducting region can be effectively prevented can.

Die Aufgabe wird durch ein supraleitendes Magnetlager-Modul ge­ mäß Anspruch 1 gelöst. Hierzu ist nur der stillstehende Lager­ bereich in eine Vakuumkammer eingeschlossen, indem ein Kryostat zur Kühlung des Supraleiters untergebracht ist. In das Kryostatgehäuse ist von außen ein Supraleiterring bündig oder leicht überstehend mit gutem Wärmeübergang eingebettet, dessen frei liegende Stirnseite mit zum Permanentmagneten hinweisenden Stirnseite der Vakuumkammer einen ringförmigen Spalt bildet. Im Bereich des Kryostaten hat der innere Deckel der Vakuumkammer eine kleinere Wandstärke, so daß der Permanentmagnet am Rotor mit dem Supraleiterring einen kleinst möglichen Ringspalt bildet.The task is ge by a superconducting magnetic bearing module solved according to claim 1. For this is only the stationary camp area enclosed in a vacuum chamber by a cryostat for cooling the superconductor. In the From the outside, the cryostat housing is flush with a superconductor ring slightly protruding with good heat transfer, whose free face with the permanent magnet pointing End face of the vacuum chamber forms an annular gap. in the The area of the cryostat has the inner cover of the vacuum chamber a smaller wall thickness so that the permanent magnet on the rotor the smallest possible annular gap with the superconductor ring forms.

Der Kryostat ist über Kryo-Befestigungen - das sind nicht wär­ meleitende oder allenfalls schlecht wärmeleitende, mechanisch stabile Befestigungen - an der Vakuumkammer verankert und, wie auch die Vakuumkammer selber, axial in Grenzen verstellbar. Da­ durch kann der Spalt zwischen dem Supraleiterring und dem Dec­ kel der Vakuumkammer fein eingestellt werden, so daß die vorge­ gebenen Schwebeeigenschaften der Magnetlager eingestellt werden können.The cryostat is over cryo attachments - that are not conductive or at best poorly conductive, mechanical stable attachments - anchored to the vacuum chamber and how also the vacuum chamber itself, axially adjustable within limits. There the gap between the superconductor ring and the Dec kel of the vacuum chamber can be adjusted so that the pre given levitation properties of the magnetic bearings can be set can.

Durch den Aufbau des Moduls werden die Verluste durch Minimie­ rung der zu kühlenden passiven (nicht supraleitenden) Masse ge­ ring gehalten. Irreversible Klebetechniken werden vermieden. Das Modul ist auch dadurch leicht handhabbar.By building the module, the losses are minimized the passive (non-superconducting) mass to be cooled held ring. Irreversible adhesive techniques are avoided. This also makes the module easy to use.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsform erläutert.The invention is illustrated below with reference to the drawing provided embodiment explained.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 den axialen Schnitt durch das supraleitende Magnetlager in Modulbauweise, Fig. 1 shows the axial section of the superconductive magnetic bearing in modular construction,

Fig. 2 den axialen Schnitt durch einen herkömmlichen Schwung­ rad-Energiespeicher. Fig. 2 shows the axial section through a conventional swing wheel energy storage.

Den prinzipiellen Aufbau eines Schwungrad-Energiespeichers zeigt Fig. 2. Ein solcher Speicher besteht aus dem Mo­ tor/Generator 20 im mittleren Bereich, mit dem im Motorbetrieb die Einrichtung auf die vorgegebene Drehzahl bzw. Nenndrehzahl hochgefahren wird. Die damit aufgeprägte kinetische Energie (Rotationsenergie), die dann im wesentlichen in den beiden Schwungrädern 21 gespeichert ist, kann in Form von elektrischer Energie jetzt vom Generator 20 abgegriffen werden. Dabei verringert sich die Drehzahl entsprechend.The basic structure of a flywheel energy store is shown in FIG. 2. Such a store consists of the motor / generator 20 in the middle region, with which the device is ramped up to the predetermined speed or nominal speed during engine operation. The kinetic energy (rotational energy) thus impressed, which is then essentially stored in the two flywheels 21 , can now be tapped off by the generator 20 in the form of electrical energy. The speed decreases accordingly.

In den beiden Endbereichen der Rotorachse 1, unmittelbar hinter dem jeweiligen Schwungrad 21 sitzt das Magnetlager 22. Der Per­ manentmagnet 6 sitzt auf der Rotorachse 1 und ist gegen die auftretende, drehzahlabhängige radiale und tangentiale Spannung über eine auf seinem Umfang anliegende Armierung 23 vorge­ spannt. Im feststehenden Teil des Magnetlagers sitzt, durch ei­ nen schmalen ringförmigen Spalt getrennt, der supraleitende Teil mit seinem zugehörigen Kryostaten 3. In die äußere Stirn­ wand des Kryostatgehäuses ist der ringförmige Supraleiter 4 oder die ringförmige Supraleiteranordnung eingelassen. Im In­ nern des Kryostaten 3 fließt das Kühlmittel, das den Supralei­ ter indirekt über Wärmeleitung unter die Sprungtemperatur Tc von flüssigem Stickstoff kühlt.The magnetic bearing 22 is seated in the two end regions of the rotor axis 1 , immediately behind the respective flywheel 21 . The per manentmagnet 6 sits on the rotor axis 1 and is pre-tensioned against the occurring, speed-dependent radial and tangential tension via a reinforcement 23 lying on its circumference. The superconducting part with its associated cryostat 3 sits in the fixed part of the magnetic bearing, separated by a narrow annular gap. In the outer end wall of the cryostat housing, the annular superconductor 4 or the annular superconductor arrangement is embedded. In the interior of the cryostat 3 , the coolant flows, which cools the super conductor indirectly via heat conduction below the transition temperature Tc of liquid nitrogen.

An beiden Enden der Rotorachse 1 ist je ein Notlager 24, daß im Ausnahmefall auf das zugehörige Achsende drückt. Der gesamte Schwungrad-Energiespeicher ist gasdicht gekapselt, so daß das Innere evakuierbar ist. Einerseits gibt es dann im Vakuum keine Luft oder Gasreibung für den rotierenden Teil, andererseits besteht damit eine Wärmeisolation, so daß der Kryostat 3 in seiner Leistung kleiner gehalten werden kann.At both ends of the rotor axle 1 there is an emergency bearing 24 , which in exceptional cases presses on the associated axle end. The entire flywheel energy storage device is encapsulated gas-tight, so that the interior can be evacuated. On the one hand, there is no air or gas friction for the rotating part in a vacuum, on the other hand there is thermal insulation so that the performance of the cryostat 3 can be kept lower.

Abgesehen von der Vermeidung der Luftreibung und der Eisbildung an kälteren Stellen ist mit diesem Aufbau für Montage und Demontage ein Aufwand zu treiben, der dem Bedürfnis nach War­ tungsfreundlichkeit nicht entgegenkommt.Apart from avoiding air friction and ice formation in colder places with this construction is for assembly and Disassembly to do an effort that was the need for war friendliness does not meet.

Für die unmittelbare Umgebung problematisch sind die beiden su­ praleitenden Lagerbereiche. Sie vereisen, falls sie sich direkt in Luft befinden.The two su are problematic for the immediate surroundings leading warehouse areas. They freeze in case they are direct  in the air.

Das supraleitende Magnetlager-Modul gemäß Fig. 1 entkoppelt den supraleitenden Teil des Magnetlagers hinsichtlich der Mon­ tage und Demontage des Schwungrad-Energiespeichers, es ist un­ mittelbar zugänglich.The superconductive magnetic bearing module according to Fig. 1 decouples the superconducting portion of the magnetic bearing with respect to the Mon and disassembly of the flywheel energy storage device, it is un indirectly accessible.

Das Modul besteht äußerlich im wesentlichen aus der kreisring­ förmigen Vakuumkammer 2 mit dem Rohrstutzen 25 für das Evaku­ ieren und Fluten des Innenraums sowie den beiden Durchführungen 14 (nur eine eingezeichnet) am äußeren Mantel für die Kühl­ mittelleitungen 19. Die Durchführungen 14 sind aus der Mantel­ wand der Vakuumkammer 2 herausgezogen, damit der Wärmeweg von der sehr kleinflächig berührten Kühlmittelleitung 19 zur Wand der Vakuumkammer 2 groß ist, wodurch dort der Wärmeübergang verschlechtert wird.The module consists externally essentially of the annular vacuum chamber 2 with the pipe socket 25 for evacuating and flooding the interior and the two bushings 14 (only one shown) on the outer jacket for the cooling medium lines 19th The bushings 14 are pulled out of the jacket wall of the vacuum chamber 2 so that the heat path from the very small-area touched coolant line 19 to the wall of the vacuum chamber 2 is large, whereby the heat transfer is deteriorated there.

Am eingebauten, supraleitenden Magnetlager-Modul ist zunächst von außen her der in der Fig. 1 untere Deckel 16 zugänglich. Er flanscht an der äußeren Mantelwand vakuumdicht an. An der unteren Stirnseite des koaxialen Rohres 26 ist der axial ver­ stellbare Stellring 17 mit Innengewinde aufgeschraubt. Der Dec­ kel 16 und der Stellring 17 werden über den Spannring 18 zusam­ mengezogen, dabei wird der O-Ring 27, gasdicht abschließend, an die drei Wände des dreieckförmigen Ringraums gepreßt. Der dünnwandige Teil (Membran) des Deckels 7 wird bei gelöstem Zu­ stand des Feststellflansches 18 durch entsprechendes Verdrehen des Stellrings 17 angehoben oder gesenkt. Danach wird der Fest­ stellflansch 18 wieder festgezogen.On the built-in superconducting magnetic bearing module, the lower cover 16 shown in FIG. 1 is initially accessible from the outside. It flanges to the outer jacket wall in a vacuum-tight manner. On the lower end of the coaxial tube 26 , the axially adjustable adjusting ring 17 is screwed with an internal thread. The Dec kel 16 and the collar 17 are pulled together by the clamping ring 18 , the O-ring 27 , gas-tight, is pressed against the three walls of the triangular annular space. The thin-walled part (membrane) of the cover 7 is raised or lowered when the locking flange 18 is released by a corresponding rotation of the adjusting ring 17 . Then the fixed flange 18 is tightened again.

An der in der Fig. 1 oberen Stirnseite des Innenrohrs 26 ist der andere stirnseitige Deckel 7 der Vakuumkammer 2 ange­ schweißt. Er hat im Bereich des Kryostaten 3 mit eingebettetem Supraleiterring 4 eine kleine Wandstärke, die zur äußeren Man­ telwand der Vakuumkammer 2 hin wieder stärker ist. Dort ist dieser Deckel 7 ebenfalls vakuumdicht verschweißt. Die Wände der Vakuumkammer sind metallisch, im Durchführungsbeispiel aus Edelstahl. On the upper end face in FIG. 1 of the inner tube 26 , the other end cover 7 of the vacuum chamber 2 is welded. It has in the area of the cryostat 3 with an embedded superconductor ring 4 a small wall thickness, which towards the outer wall of the vacuum chamber 2 is stronger again. There, this cover 7 is also welded in a vacuum-tight manner. The walls of the vacuum chamber are metallic, made of stainless steel in the example.

Der Kryostat 3 ist koaxial zur Achse 1 im Innern der Vakuum­ kammer 2 über Kryobefestigungen aufgehängt, und zwar aus Bolzen 9 aus Kunstharz-verklebten Glasfasern, die die Wärme nicht oder allenfalls sehr schlecht leiten. Es gibt somit keinen Wärmepfad von der Kryostatkammer zu den Wänden der Vakuumkammer 2. Es sind hier drei, um die Rotorachse 1 gleichverteilte Ge­ windebolzen 11 an dem Deckel 7 eingeschraubt. An der in das Kammerinnere zeigenden Stirnseite der Bolzen 9 sitzt je eine Fahne 10 rechtwinkelig, die radial nach innen weist. Durch ih­ ren freien Endbereich gehen zwei Gewindebolzen 11, die über je zwei Muttern an der Fahne festgestellt sind. Die Bolzen 11 set­ zen an der freien stirnseitigen Kryostatwand an. Mit ihnen wird das Kryostatgehäuse gehalten und die Größe des Ringspaltes 8 vom Supraleiterring 4 zum dünnwandigen Bereich des Deckels 7 eingestellt.The cryostat 3 is suspended coaxially to the axis 1 inside the vacuum chamber 2 via cryogenic fasteners, namely from bolts 9 made of resin-bonded glass fibers, which do not conduct the heat or at most very poorly. There is therefore no heat path from the cryostat chamber to the walls of the vacuum chamber 2 . There are three, about the rotor axis 1 evenly distributed Ge threaded bolt 11 screwed onto the cover 7 . On the front side of the bolt 9 pointing into the chamber there is a right-angled flag 10 , which points radially inwards. Through their free end area go two threaded bolts 11 , which are fixed by two nuts on the flag. The bolts 11 start on the free front cryostat wall. The cryostat housing is held with them and the size of the annular gap 8 is adjusted from the superconductor ring 4 to the thin-walled area of the cover 7 .

Die Wand des Kryostatgehäuses 3 ist aus einem Material, hier Kupfer, das die Wärme sehr gut leitet, zumindest dort wo der eingebettete Supraleiterring 4 die Wände außen unmittelbar be­ rührt. Zur optimalen Wärme- bzw. Kälteleitung sind an der In­ nenwand des Kryostatgehäuses, dort wo der Supraleiterring ein­ gelassen ist, Nuten 13 eingefräst, so daß das durch die Kryo­ statkammer 3 strömende Kühlmittel, hier flüssiger Stickstoff (LN), dort gut die Wärmemenge aus dem Supraleiterring aufnehmen kann. Des weiteren ist zwischen dem Supraleiterring 4, der hier ein Hochtemperatursupraleiter ist, und den anliegenden Kryostatwänden Wärmeleitpaste für einen- leichten Wärmeübergang. Der Supraleiterring ist über gleichmäßig um die Achse verteilte Schrauben 15, die in der Wand der Kryostatkammer 3 schräg zur Achse 1 eingeschraubt sind, einerseits radial und gleichzeitig axial verspannt, so daß er in sein Bett in der Kryostatwand gepreßt wird.The wall of the cryostat housing 3 is made of a material, here copper, which conducts the heat very well, at least where the embedded superconductor ring 4 directly touches the walls outside. For optimal heat and cold conduction, grooves 13 are milled on the inner wall of the cryostat housing, where the superconductor ring is left, so that the coolant flowing through the cryo stat chamber 3 , here liquid nitrogen (LN), is good for the amount of heat can accommodate the superconductor ring. Furthermore, between the superconductor ring 4 , which is a high-temperature superconductor here, and the adjoining cryostat walls, there is thermal paste for easy heat transfer. The superconductor ring is on the one hand radially and at the same time axially braced so that it is pressed into its bed in the cryostat wall by means of screws 15 which are evenly distributed around the axis and which are screwed into the wall of the cryostat chamber 3 at an angle to the axis 1 .

Sollten sich in dem Bereich des Magnetlagermoduls, dort wo der Permanentmagnet 6 gegenüberliegt, lokale Vereisungen bilden, dann berührt dort der Deckel 7 den Supraleiterring oder ist der Spalt zu klein. Durch entsprechendes Verdrehen des Einstell­ rings 17 kann der Deckel 7 rotationssymmetrisch hochgedrückt und damit die Spaltweite vergrößert werden, so daß lokale Ver­ eisungen nicht mehr auftreten können. Da mit der Spaltvergöße­ rung auch das Schwebeverhalten verschlechtert wird, ist eine solche Maßnahme sehr sorgfältig durchzuführen.Should local icings form in the area of the magnetic bearing module, where the permanent magnet 6 lies opposite, then the cover 7 touches the superconductor ring there or the gap is too small. By appropriately turning the setting ring 17 , the lid 7 can be pushed up rotationally symmetrically and thus the gap width can be increased, so that local icing can no longer occur. Since the suspension behavior also deteriorates with the gap enlargement, such a measure must be carried out very carefully.

BezugszeichenlisteReference list

11

Rotorachse, Achse, Rotor
Rotor axis, axis, rotor

22nd

Vakuumkammer
Vacuum chamber

33rd

Kryostat, Kryostatgehäuse
Cryostat, cryostat housing

44th

Supraleiterring
Superconductor ring

55

Stirnfläche
Face

66

Permanentmagnet
Permanent magnet

77

Deckel
cover

88th

Spalt
gap

99

Bolzen
bolt

1010th

Fahne
banner

1111

Gewindebolzen, Gewindestift
Threaded bolt, grub screw

1212th

Mutter
mother

1313

Nut
Groove

1414

Durchführung
execution

1515

Schraube
screw

1616

Boden
ground

1717th

Stellring
Collar

1818th

Feststellflansch
Locking flange

1919th

Kühlmittelleitung
Coolant line

2020th

Motor/Generator
Motor / generator

2121

Schwungrad
flywheel

2222

Magnetlager
Magnetic bearings

2323

Armierung
reinforcement

2424th

Notlager
Emergency camp

2525th

Rohrstutzen
Pipe socket

2626

Innenrohr
Inner tube

2727

Dichtring, O-Ring
Seal ring, O-ring

Claims (7)

1. Supraleitendes Magnetlager in Modulbauweise mit einem Per­ manentmagneten (6) an einem Rotor und einem koaxial zur Ro­ torachse (1) angeordneten Supraleiterring (4) am Stator, wobei
  • a) am Stator eine Vakuumkammer (2) angebracht ist, in der sich ein Kryostat (3) befindet,
  • b) am Kryostaten (3) der Supraleiterring (4) so eingebettet ist, daß eine Stirnfläche (5) des Supraleiterrings frei­ liegt und seine beiden Mantelflächen sowie seine andere Stirnfläche an der Außenseite des Kryostaten (3) wärme­ leitend anliegen,
  • c) im Bereich der freiliegenden Stirnfläche (5) des Supra­ leiterringes (4) der zwischen Permanentmagnetring (6) und Supraleiterring (4) befindliche Bereich des Deckels (7) der Vakuumkammer (2) dünnwandig ausgebildet ist und dort ein ringscheibenförmiger Spalt (8) zwischen Deckel (7) der Vakuumkammer (2) und freiliegender Stirnfläche (5) des Supraleiterringes (4) besteht, der in seiner Spaltbreite durch eine elastische Deformation des dünn­ wandigen Bereichs des Deckels (7) der Vakuumkammer (2) mit Hilfe eines Stellrings (17) an einem zwischen Boden (16) und Deckel (7) der Vakuumkammer (2) angeordneten Innenrohr (26) korrigierbar und die Korrektur durch ei­ nen Feststellflansch (18) am Boden (16) der Vakuumkammer (2) fixierbar ist,
  • d) um die Rotorachse (1) gleichverteilte, außerhalb des dickwandigen Bereichs des Deckels (7) verankerte Kryo­ befestigungen (9, 10, 11, 12) den Kryostaten (3) in Po­ sition halten.
1. superconducting magnetic bearing in modular design with a permanent magnet ( 6 ) on a rotor and a coaxial to the ro tor axis ( 1 ) arranged superconductor ring ( 4 ) on the stator, wherein
  • a) a vacuum chamber ( 2 ) is attached to the stator, in which there is a cryostat ( 3 ),
  • b) the superconductor ring ( 4 ) is embedded on the cryostat ( 3 ) in such a way that one end face ( 5 ) of the superconductor ring is exposed and its two lateral surfaces and its other end face lie in a heat-conducting manner on the outside of the cryostat ( 3 ),
  • c) in the region of the exposed end surface (5) of the Supra conductor ring (4) of the vacuum chamber (2) is thin-walled, the area of the lid (7) located between the permanent magnet ring (6) and the superconductor ring (4) and there is a ring disc-shaped gap (8) between the cover ( 7 ) of the vacuum chamber ( 2 ) and the exposed end face ( 5 ) of the superconductor ring ( 4 ), the gap width of which is caused by elastic deformation of the thin-walled area of the cover ( 7 ) of the vacuum chamber ( 2 ) with the aid of an adjusting ring ( 17 ) can be corrected on an inner tube ( 26 ) arranged between the bottom ( 16 ) and cover ( 7 ) of the vacuum chamber ( 2 ) and the correction can be fixed by means of a fixing flange ( 18 ) on the bottom ( 16 ) of the vacuum chamber ( 2 ),
  • d) around the rotor axis ( 1 ) evenly distributed, outside the thick-walled area of the cover ( 7 ) anchored cryo fastenings ( 9 , 10 , 11 , 12 ) keep the cryostat ( 3 ) in position.
2. Supraleitendes Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kryo-Befestigungen (9, 10) aus einem mechanisch stabilen Bolzen (9) aus schlecht wärmeleitendem Material bestehen, von dessen freier Stirnseite eine Fahne (10) absteht, durch die mindestens ein am Kryostatgehäuse befestigter, parallel zur Rotorachse (1) liegender Gewindebolzen (11) ragt, der jeweils mittels zweier Muttern (12) an der Fahne (10) fixiert ist.2. Superconducting magnetic bearing according to claim 1, characterized in that the cryo-attachments ( 9 , 10 ) consist of a mechanically stable bolt ( 9 ) made of poorly heat-conducting material, from the free end face of which a flag ( 10 ) protrudes through which at least one Threaded bolt ( 11 ) which is attached to the cryostat housing and is parallel to the rotor axis ( 1 ) and which is fixed to the flag ( 10 ) by means of two nuts ( 12 ). 3. Supraleitendes Magnetlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzen aus kunstharzvergossenen Glasfasern bestehen.3. Superconducting magnetic bearing according to claim 2, characterized in that the bolts are made of resin-molded glass fibers. 4. Supraleitendes Magnetlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Innenwand des Kryostatgehäuses (3) im Bereich des eingebetteten Supraleiterrings (4) oberflächenvergrößernde Mittel zum Zwecke eines größeren Kälteenergietransports vom vorbeiströmenden Kühlmittel auf die Innenwand (3) gewährlei­ stet ist.4. Superconducting magnetic bearing according to claim 3, characterized in that in the inner wall of the cryostat housing ( 3 ) in the area of the embedded superconductor ring ( 4 ) surface-enlarging means for the purpose of greater transport of cold energy from the coolant flowing past onto the inner wall ( 3 ) is guaranteed. 5. Supraleitendes Magnetlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächenvergrößernden Mittel Nuten (13) oder Lamellen sind.5. Superconducting magnetic bearing according to claim 4, characterized in that the surface-enlarging means are grooves ( 13 ) or lamellae. 6. Supraleitendes Magnetlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiterring (4) an seiner äußeren Mantelfläche über um die Rotorachse (1) gleichverteilte, durch die Wand des Kryostatgehäuses führende Schrauben (15) in seine dortige Einbettung gedrückt wird, um axiale Zugkräfte aufzunehmen.6. Superconducting magnetic bearing according to claim 5, characterized in that the superconductor ring ( 4 ) on its outer circumferential surface about the rotor axis ( 1 ) equally distributed, through the wall of the cryostat housing leading screws ( 15 ) is pressed into its embedding there to axial tensile forces to record. 7. Supraleitendes Magnetlager nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wärmeleitwegverlängernde Durchführungen (14) zur Durchfüh­ rung der Kühlmittelleitungen (19) für den Kühlmittel-Zufluß und -Abfluß am Gehäuse der Vakuumkammer (2) angebracht sind.7. Superconducting magnetic bearing according to one of the preceding claims, characterized in that heat-conducting passages ( 14 ) for carrying out the coolant lines ( 19 ) for the coolant inflow and outflow on the housing of the vacuum chamber ( 2 ) are attached.
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