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Patent Searching and Data


Title:
COIL FOR A SUPERCONDUCTING MAGNET BEARING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/094262
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a coil (1) for a superconducting magnet bearing, comprising a current-carrying conductor (6) consisting of a superconducting material. The aim of the invention is to provide a superconducting magnet bearing having improved bearing properties. To this end, the conductor (6) is embodied in sections as an essentially radially extending winding (2) surrounding the coil axis (5). The invention also relates to a superconducting magnet bearing comprising such a coil (1).

Inventors:
GLÜCK, Stefan (Wilhelm-Bechert-Strasse 20, Schweinfurt, 97424, DE)
SCHWARZ, Sergej (Oedenbergerstrasse 150, Nürnberg, 90491, DE)
Application Number:
DE2010/000150
Publication Date:
August 26, 2010
Filing Date:
February 10, 2010
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG (Industriestrasse 1-3, Herzogenaurach, 91074, DE)
GLÜCK, Stefan (Wilhelm-Bechert-Strasse 20, Schweinfurt, 97424, DE)
SCHWARZ, Sergej (Oedenbergerstrasse 150, Nürnberg, 90491, DE)
International Classes:
H01F6/06; F16C32/04
Domestic Patent References:
WO2008036073A2
Foreign References:
US5173678A
US4384265A
US5659277A
US5604473A
JPH01141222A
Other References:
Y. TACHI, N. UEMURA, K. SAWA, Y. IWASA, K. NAGASHIMA, T. MIYAMOTO, M. TOMITA, M. MURAKAMI: "Force measurements for levitated bulk superconductors" PHYSICA C: SUPERCONDUCTIVITY, Bd. 357-360, part 1, 30. September 2001 (2001-09-30), Seiten 771-773, XP002592148 Elsevier Science DOI: 10.1016/S0921-4534(01)00385-9
Ken NAGASHIMA, Hiroshi SEINO, Yoshiki MIYAZAKI, Yuuki ARAI, Naomichi SAKAI and Masato MURAKAMI: "Force Density of Magnetic Bearings Using Superconducting Coils and Bulk Superconductors" Quarterly Report of RTRI (Railway Technical Research Institute) Bd. 49 (2008), Nr. 2, 13. Juni 2008 (2008-06-13), Seiten 127-132, XP002592149 Gefunden im Internet: URL:http://www.jstage.jst.go.jp/article/rtriqr/49/2/127/_pdf [gefunden am 2010-07-15] in der Anmeldung erwähnt
K. NAGASHIMA ET AL.: 'Force Density of Magnetic Bearings Using Superconducting Coils and Bulk Superconductors' QR OF RTRI Bd. 49, Nr. 2, 20 August 0500, Seiten 127 - 132
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Claims:
Patentansprüche

1. Spule (1 ) für ein supraleitendes Magnetlager, umfassend einen stromtragenden Leiter (6) aus einem supraleitenden Material, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (6) abschnittsweise als sich im wesentlichen radial erstreckende, die Spulenachse (5) umlaufende Wicklung (2) ausgebildet ist.

2. Spule nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (2) eine erste Teilwicklung (3) und eine zweite, mit der ersten Teilwicklung (3) elektrisch leitend verbundene und axial beabstandete Teilwicklung (4) umfasst.

3. Spule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teil- Wicklung (3) und die zweite Teilwicklung (4) axial unmittelbar benachbart sind.

4. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Flussleitelemente (15) vorgesehen sind.

5. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (6) als Band ausgebildet ist.

6. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule zu einer axialen Mittelebene (14) symmetrisch ist.

7. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule bei der Sprungtemperatur des Typ-2-Supraleiters normalleitende Anschlüsse aufweist.

8. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule bei der Sprungtemperatur des Typ-2-Supraleiters sup- raleitende Anschlüsse aufweist.

9. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule als in sich geschlossene, anschlusslose Schleife ausgebildet ist.

10. Spule nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine bei der Sprungtemperatur des Typ-2-Supraleiters supraleitende Brücke aufweist.

11. Supraleitendes Magnetlager, umfassend eine Spule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

Description:
Bezeichnung der Erfindung

Spule für ein supraleitendes Magnetlager

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Spule nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für ein supraleitendes Magnetlager nach Anspruch 11.

Aus dem Stand der Technik sind supraleitende Magnetlager bekannt, die ein Korpus aus einem Material eines Typ-2-Supraleiters an einem der beiden Lagerringe umfassen, wobei im Bereich des Korpus ein Magnetfeld wirkt, das in dem Korpus Vortizes hervorruft, die von einem widerstandslos flie- ßenden Strom umgeben sind, sofern der Typ-2-Supraleiter des Korpus in den supraleitenden Zustand überführt ist. Damit das Magnetlager gute Lagereigenschaften, insbesondere starke Rückstellkräfte in axialer und radialer Richtung, entfalten kann und gleichzeitig eine Drehung der gelagerten Welle ermöglicht, ist zu fordern, dass das Magnetfeld im Bereich des Korpus an der Welle in Umlaufrichtung der Welle homogen ist und in axialer sowie in radialer Richtung bezogen auf die Welle möglichst einen starken Gradienten aufweist. Es ist bekannt, das Magnetfeld mittels normalleitenden Spulen bzw. mittels Permanentmagneten bereitzustellen. Die erreichbaren Magnetfelder bzw. Gradienten sind jedoch begrenzt, zudem weisen normalleitende Spulen im Dauerbetrieb einen hohen Energieverbrauch auf, während Permanentmag- neten einen hohen Bauraum beanspruchen.

Es ist weiter bekannt, das Magnetfeld mittels supraleitender Spulen bereitzustellen.

JP 01141222 AA (Abstract) beschreibt ein supraleitendes Magnetlager, bei dem ein Korpus aus einem supraleitenden Material an einem Schaftabschnitt einer Welle eines Rotors angebracht ist, und wobei der Stator zwei supraleitende Spulen umfasst, die den Rotor radial lagern. Zur axialen Lagerung des Rotors sind zwei zusätzliche Spulen aus einem supraleitenden Material vor- gesehen. Die supraleitenden Spulen umfassen ein stromtragendes Material, das sehr tiefe Temperaturen (weniger als ca. 10 K) erforderlich macht.

Der Aufsatz .Force Density of Magnetic Bearings Using Superconducting Coils and BuIk Superconductors' von K. Nagashima et al., QR of RTRI, vol. 49, No. 2 (May 2008), S. 127 bis 132 beschreibt ab S. 132 unter ,3.2 Confi- guration of the superconducting coil' mit Bezug auf Abb. 8 und 9 eine Anordnung zur schwebenden Lagerung eines Schwungrades, bei dem eine erste und eine axial beabstandete zweite Spule vorgesehen sind, deren Magnetfelder entgegengesetzt sind, so dass axial mittig zwischen den beiden Spu- len das resultierende Magnetfeld verschwindet und nahe der axial mittigen Position ein starker Gradient entsteht. Beide Spulen umfassen einen stromtragenden Leiter aus einer Niob-Titan-Legierung, also einen Tieftemperatur- Supraleiter, der Temperaturen von wenigen Kelvin erforderlich macht, um in den supraleitenden Zustand überführt zu werden. Nachteilig ist weiter, dass der starke Gradient des resultierenden Magnetfeldes in einem axial nur sehr begrenzten Bereich von wenigen Millimetern auftritt. Die Lagerung eines längeren Abschnittes ist kaum möglich. Aufgabe der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein supraleitendes Magnetlager mit verbesserten Lagereigenschaften anzugeben.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für das supraleitende Magnetlager nach Anspruch 11 mit einer supraleitenden Spule nach Anspruch 1 gelöst.

Weil der stromführende Leiter abschnittsweise als sich im wesentlichen radial erstreckende, die Spulenachse umlaufende Wicklung ausgebildet ist, verstärkt sich das Magnetfeld, das den Leiter im Bereich der Wicklung umgibt, beispielsweise angenähert mit der Anzahl der Wicklungen, mit denen der Leiter die gedachte Spulenachse umläuft.

Im Bereich der Wicklung erstreckt sich der Leiter im wesentlichen nur radial fortschreitend um die Spulenachse, während bei bekannten, spiralförmigen Spulen der Leiter sich im wesentlichen axial fortschreitend um die Spulen- achse erstreckt und meistens einen konstanten radialen Abstand zu der Spulenachse einhält. Sind mehrere Dutzend, einige Hundert oder bis zu Tausend oder mehr Wicklungen vorgesehen, verstärkt sich das Magnetfeld des Leiters im Bereich der Wicklungen um einen Faktor von mindestens einer Größenordnung. Auf diese Weise lässt sich nicht nur ein Magnetfeld von hoher Stärke erreichen, das im wesentlichen im Umfangsrichtung der Spulenachse homogen ist, sondern ebenfalls ein starker Gradient des Magnetfeldes erzielen, beispielsweise zwischen einem ersten Abschnitt des Leiters, an dem eine Wicklung vorgesehen ist, und einem zweiten Abschnitt, an der der Leiter sich nicht radial fortschreitend, sondern axial fortschreitend um die Spulenachse erstreckt. Auf diese Weise lässt sich durch das Vorsehen bzw. Fortlassen der Wicklungen an der Spule ein starker radialer und auch axialer Gradient des erzeugten Magnetfeldes sicherstellen, während zugleich das Magnetfeld in Umlaufrichtung um die Spulenachse im wesentlichen homogen ist.

Die Anzahl der Windungen, mit denen der Leiter im Bereich einer Wicklung die Spulenachse umläuft, der Abstand der innersten Windung zu der Spulenachse sowie der Abstand benachbarter Wicklungen in axialer Richtung stellen zusätzliche Freiheitsgrade bei der Auslegung der Spule für das supraleitende Magnetlager dar, die eine genaue Modulierung des von der Spule erzeugten Magnetfeldes ermöglicht.

Die Ausbildung des stromführendes Leiters durch einen Typ-2-Supraleiter stellt sicher, dass das Magnetlager im supraleitenden Zustand einen vernachlässigbaren elektrischen Widerstand hat und daher keine bzw. nur sehr kleine elektrische Verluste aufweist. Leiter aus einem Typ-2-supraleitenden Material, wie sie beispielsweise aus der WO 2008/036073 A2, auf deren Inhalt insoweit Bezug genommen wird, grundsätzlich bekannt sind, weisen bei hohen Wicklungszahlen eine hohe Wärmekapazität auf, was insbesondere auch für das supraleitende Magnetlager selbst gilt, das die Spule mit dem radial gewickelten Leiter aus dem Typ-2-supraleitenden Material um- fasst. Fällt die Kühlung der Spule bzw. des supraleitenden Magnetlagers insgesamt aus, erwärmt sich die Spule bzw. das supraleitende Magnetlager aufgrund der hohen Wärmekapazität nur mit einer langen Zeitkonstanten, so dass geeignete Maßnahmen zur Sicherung des Lagers getroffen werden können, im Gegensatz zu dem Fall einer normalleitenden Spule bzw. einer nicht gewickelten, sondern spiralförmig fortschreitenden Leiterspule, wo bei Ausfall des Stromes die Haltekraft des Lagers kurzfristig abfällt.

Aufgrund des hohen Magnetfeldes der Spule im Bereich der Wicklung lässt sich das Lager kurzfristig ansteuern und erreicht mit einem nur geringen Steuerstrom hohe Halte- bzw. Rückstellkräfte. Damit lässt sich die Steifigkeit des supraleitenden Magnetlagers mit einem nur geringen Steuerstrom sehr schnell auf einen hohen Wert einstellen bzw. nachführen. Weiter kann die Position des Rotors, an dem das Korpus mit dem Typ-2-Supraleiter, in dessen Magnetfeld die Vortizes ausgebildet sind, relativ zu dem Stator, an dem die Spule mit der abschnittsweise vorgesehenen Wicklung angeordnet ist, genau einstellen, was insbesondere bei der Inbetriebnahme des supraleiten- den Magnetlagers vorteilhaft ist. Die Spule mit der abschnittsweise vorgesehenen Wicklung des stromführenden Leiters bietet weiter die Möglichkeit einer Notabschaltung des Magnetlagers durch ein einfaches Abschalten der Spule.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Wicklung eine erste Teilwicklung und eine zweite, mit der ersten Teilwicklung elektrisch leitend verbundene und axial beabstandete Teilwicklung umfasst. Die beiden Teilwicklungen können gleichsinnig gewickelt sein, so dass die resultierenden Magnetfelder in die gleiche Richtung weisen, oder gegensinnig gewickelt sein, so dass die resul- tierenden Magnetfelder in entgegengesetzte Richtungen weisen, insbesondere antiparallel orientiert sind. In letzterem Fall entsteht ein starker Gradient in axialer und radialer Richtung, speziell dann, wenn die erste Teilwicklung und die zweite Teilwicklung axial unmittelbar benachbart sind. Unabhängig von Wicklungssinn bietet sich der Vorteil, die Zuleitung des Stromes in die erste Teilwicklung und die Ableitung des Stromes aus der zweiten Teilwicklung an der gleichen Seite, bezogen auf die Spulenachse, ausbilden zu können, so dass eine Durchführung der Stromzuleitung durch die Wicklungen der Spule hindurch vermeidbar wird.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Flussleitelemente vorgesehen sind. Flussleitelemente umfassen dabei ringförmige Teile aus einem metallischen, magnetisierbaren Material, wobei die ringförmigen Teile konzentrisch zu der Spulenachse entweder zwischen axial benachbarten Wicklungen bzw. Teilwicklungen angeordnet sind, oder Abschnitte begrenzen, in denen mehrere Wicklungen bzw. Teilwicklungen unmittelbar axial benachbart sind. Die Flussleitelemente führen das von der Spule erzeugte Magnetfeld in insbesondere radialer Richtung und ermöglichen der Spule insbesondere im Be- reich der bezogen auf die Spulenachse innersten Wicklung einen Abstand zu dem Korpus mit dem Typ-2-Supraleitermaterial einzuhalten. Eine Ausgestaltung der Spule mit Wicklungen, ohne Flussleitelemente, ermöglicht zwar die Ausbildung eines starken Magnetfeldes, das allerdings in radialer Richtung stark abfällt, so dass in diesem Fall die Spule mit der bezogen auf die Spulenachse innersten Wicklung nahe an das Korpus mit dem Typ-2- Supraleitermaterial heranreichen muss. Als Material für die Flussleitelemente, die auch als Abstandhalter für die Wicklungen bzw. Teilwicklungen der Spule in radialer bzw. axialer Richtung vorgesehen sind, kommt Eisen, eine Eisen-Kobalt-Legierung oder ein anderes ferromagnetisches, also magneti- sierbares Material, in Frage. Die axiale und / oder radiale Erstreckung eines Flussleitelementes kann so gestaltet werden, dass die Ausbildung eines Gradienten des Magnetfeldes der Spule in axialer und / oder radialen Richtung verstärkt wird.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Leiter als Band ausgebildet ist. Bei der Wicklung liegen die flachen Seiten des Bandes aneinander an, so dass die Ausbildung einer hohen Anzahl von Wicklungen auf einem radial begrenzten Raum leicht möglich ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Spule zu einer axialen Mittelebene symmetrisch ist. Hierbei entsteht ein nur geringes Streufeld, das die Spule in axialer Richtung verlässt, wobei sich das Magnetfeld im wesentlichen in dem von der Spule umschlossenen Bereich konzentriert. Eine bezogen auf die axiale Mittelebene symmetrisch ausgebildete Spule lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass eine gerade Anzahl von vorgesehen ist, die in einem gleichen axialen Abstand so angeordnet sind, dass die Magnetfelder zweier axial benachbarter Wicklungen entgegengerichtet sind. Ist dagegen ein starker Gradient des Magnetfeldes erforderlich, kann alternativ hierzu vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Spule zu der axialen Mittelebene im wesentlichen asymmetrisch ausgebildet ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Spule bei der Sprungtemperatur des Typ-2-Supraleiters normaileitende Anschlüsse aufweist. Die Anschlüsse können mit einer nur gering wärmeleitenden Stromdurchführung zu einer außerhalb eines Kühlmantels der Spule angeordneten Stromversorgung in Verbindung stehen, so dass nur ein geringer Wärmeeintrag in die Spule resultiert.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Spule bei der Sprungtemperatur des Typ-2-Supraleiters supraleitende Anschlüsse aufweist. Die supraleitenden Anschlüsse können mit einer Stromdurchführung in Verbindung stehen, die ebenfalls supraleitend ist, so dass die Stromversorgung nur einen minimalen Verbrauch an elektrischer Energie erforderlich macht.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Spule als in sich geschlossene, an- schlusslose Schleife ausgebildet ist. Die Spule wird, ggf. durch einen die

Spule umgebenden Kühlmantel hindurch, berührungslos mit Strom versorgt, beispielsweise derart, dass in der supraleitenden Spule ein Strom induziert bzw. influenziert wird. Das ist insbesondere dann günstig, wenn die Spule mittels einer supraleitenden Brücke kurzgeschlossen und als im wesentli- chen anschlusslose, in sich geschlossene Schleife ausgebildet ist. Hierbei treten nur sehr geringe Kühlverluste im Bereich der Stromdurchführungen auf.

Unabhängig von der Ausgestaltung der Anschlüsse der Spule als normallei- tende oder supraleitende Anschlüsse bzw. der Spule als in sich geschlossene, anschlusslose supraleitende Leiterschleife ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Spule eine bei der Sprungtemperatur des Typ-2-Supraleiters supraleitende Brücke aufweist. Mittels dieser supraleitenden Brücke ist ein Kurzschließen der supraleitenden, bestromten Spule möglich. Der in der Spule gespeicherte Strom bleibt dann in der aus supraleitender Spule und supraleitender Brücke gebildete geschlossene Leiterschleife erhalten, ohne dass eine Stromversorgung von außen notwendig ist. Dazu ist die supraleitende Brücke so auszulegen, daß sie von außen, z.B. mittels einer Heizwendel, gezielt über die kritische Temperatur des Supraleiters gebracht werden kann. So ist ein Ein- und Ausschalten der Brücke möglich, um die Spule von außen mit Strom zu beschicken und / oder den Strom in der Spule zu unterbinden.

Die mittels der supraleitenden Brücke kurzgeschlossene Spule verbraucht im supraleitenden Zustand einen allenfalls sehr geringen Anteil an elektrischer Energie. Die supraleitende Brücke verkürzt dabei die Länge der Spule und schließt dabei einen Bereich der Spule aus, in dem dann eine zusätzliche Kühlung nicht mehr erforderlich ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Hg. 1 zeigt ausschnittsweise eine geschnittene perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spule, und

Fig. 2 zeigt ausschnittsweise eine geschnittene perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines supraleitenden Magnetlagers mit der Spule aus Fig. 1. Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

Rg. 1 zeigt abschnittsweise eine Spule für ein supraleitendes Magnetlager. Der dargestellte Abschnitt der Spule 1 weist eine Wicklung 2 auf, die eine erste Teilwicklung 3 und eine zweite, der ersten Teilwicklung 3 in axialer Richtung, also in Richtung der Spulenachse 5, benachbarte Teilwicklung 4 umfasst.

Die Spule 1 umfasst einen elektrischen, stromtragenden Leiter 6, der im Bereich der Wicklung 2, insbesondere im Bereich der beiden Teilwicklungen 3, 4 derart um die Spulenachse 5 gewunden ist, dass der Leiter 6 sich radial von der Spulenachse 5 bewegt, allerdings in Richtung der Spulenachse 5, also in axialer Richtung, nicht fortschreitet.

Der Leiter 6 umfasst ein bandförmiges Material aus einem Typ-2-Supraleiter, der in einer nicht dargestellten Umhüllung aufgenommen ist. Alternativ kann das Band ein Trägermaterial mit einer Beschichtung aus einem Typ-2- Supraleiter umfassen. Das Band des Leiters weist einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die lange Seite des Bandes auf die Spulenachse 5 und damit auf die benachbarte Lage der Wicklung 2 weist.

Die beiden Teilwicklungen 3, 4 sind an der innersten, der Spulenachse 5 zugewandten Lage mittels einer Verbindung 7 elektrisch leitend verbunden, wobei die Verbindung 7 als Bandabschnitt des Leiters 6 ausgestaltet ist, der sich axial, also in Richtung der Spulenachse 5, um ca. einen halben Umlauf um die Spulenachse 5 erstreckt.

Die erste Teilwicklung 3 umfasst eine erste Stromzuführung 8, an der der Strom in der Spule 5 in den Bereich der Wicklung 2 eintritt, und eine zweite Stromzuführung 9, an der der in der Wicklung 2 geführte Strom die Wicklung 2 verlässt. Die beiden Stromzuführungen 8, 9 stellen die elektrische leitende Verbindung mit den übrigen Abschnitten der Spule 5 her. Die beiden Stromzuführungen 8, 9 sind an der bezogen auf die Spulenachse 5 radial äußeren Lage der beiden Teilwicklungen 3, 4 angeordnet, während die die beiden Teilwicklungen 3, 4 verbindende Verbindung 7 an der bezogen auf die Spulenachse 5 inneren Lage der Wicklung 2 angeordnet ist. Es ist damit möglich, die Kontaktierung für den Strom bezogen auf die Spulenachse 5 radial außen an die Wicklung 2 auszugestalten, so dass ein Hindurchführen einer Kontaktierung durch den Bereich der beiden Teilwicklungen 3, 4 vermeidbar ist.

Der Wickelsinn beider Teilwicklungen 3, 4 ist so gewählt, dass beide Teilwicklungen 3, 4 ein Magnetfeld von gleicher Orientierung, etwa in Richtung des Pfeils 10 auf der Spulenachse 5 für den Fall der ersten Teilwicklung 3, bereitstellen. In einer Blickrichtung entlang der Spulenachse 5 ist hierzu der Leiter 6 im Bereich beider Teilwicklungen 3, 4 jeweils im Uhrzeigersinn um die Spulenachse 5 gewickelt.

Es versteht sich, dass der Wickelsinn beider Teilwicklungen 3, 4 auf gegenläufig gewählt sein kann, so dass die erste Teilwicklung 3 ein Magnetfeld liefert, das antiparallel zu dem von der zweiten Teilwicklung 4 gelieferten Magnetfeld orientiert ist. In diesem Fall ist der Leiter 6 im Bereich der ersten Teilwicklung 3 im Uhrzeigersinn und im Bereich der zweiten Teilwicklung 4 im Gegenuhrzeigersinn um die Spulenachse 5 gewickelt.

Fig. 1 stellt den Abschnitt der Spule 1 dar, der im Bereich der Wicklung 2 ca. elfmal um die Spulenachse 5 gewunden ist. In der Praxis ist eine höhere Anzahl von Windungen um die Spulenachse 5 vorgesehen, beispielsweise umläuft der Leiter 6 die Spulenachse 5 im Bereich der beiden Teilwicklungen 3, 4 ca. 280-mal.

Fig. 2 zeigt ein supraleitendes Magnetlager mit der Spule 1 , die an einem Stator 11 des Magnetlagers befestigt ist. Die Spule 1 umfasst sechs axial, also in Richtung der Spulenachse 5, beabstandete Wicklungen 2, deren erste in Fig. 1 näher dargestellt ist. Der ersten Wicklung 2 folgt in axialer Richtung eine zweite Wicklung 12 und eine dritte Wicklung 13. Die Spule 1 ist bezogen auf eine axiale Mittenebene 14 symmetrisch ausgebildet. Das von der ersten Wicklung 2 und der dritten Wicklung 13 bereitgestellte Magnetfeld ist parallel, das von der zweiten Wicklung 12 bereitgestellte Magnetfeld hierzu antiparallel ausgerichtet. Jede der sechs dargestellten Wicklungen 2, 12, 13 umfasst zwei Teilwicklungen, wie sie für die erste Wicklung 2 in Fig. 1 beispielhaft dargestellt und erläutert wurde. Was die Anzahl der Windungen um die Spulenachse 5 jeder Wicklung, die Breite des bandförmigen Leiters 6 sowie der Abstand der inneren bzw. äußeren Lager einer jeden Wicklung betrifft, sind die sechs Wicklungen 2, 12, 13 vergleichbar ausgebildet.

Zwischen je zwei benachbarten Wicklungen 2, 12 bzw. 12, 13 ist ein Flussleitelement 15 angeordnet, das als im wesentlichen ringförmige Scheibe aus einem magnetisierbaren, insbesondere ferromagnetischen Metall wie Eisen oder einer Eisen-Kobalt-Legierung, ausgebildet ist, wobei nur eines der sieben im wesentlichen gleichartigen Flussleitelemente mit dem Bezugszeichen ausgewiesen ist.

Die Spule 1 ist an dem Stator 11 innerhalb eines Gehäuses 16 aufgenommen, innerhalb dessen sich ein Kühlmantel 17 aus Aluminium oder Kupfer zur gleichmäßigen Wärmeverteilung befindet, innerhalb derer die Spule 1 angeordnet ist. Die Spule 1 ist mittels eines inneren Isoliermantels 24 radial nach innen, bezogen auf die Spulenachse 5, thermisch isoliert.

Das supraleitende Magnetlager umfasst neben dem Stator 11 einen Rotor 18, der eine Hohlwelle 19 umfasst, an deren äußerer Mantelfläche ein Korpus 20 aus einem Typ-2-Supraleiter, insbesondere aus einem Seltenerd- Barium-Kupferoxid (REBCO, Rare Earth Barium Copper Oxide) angeordnet ist. Zur thermischen Abschirmung ist radial unmittelbar über dem Korpus 20 ein äußerer Isoliermantel 23 angeordnet. Die Hohlwelle 19 ist an der zu lagernden, nicht dargestellten Welle drehfest verbunden, ebenso wie das Gehäuse 16, das den Stator 11 mit der Spule 1 umgibt, an der nicht dargestellten Lageraufnahme für die Welle drehfest angeordnet ist. Der Stator 11 und der Rotor 18 sind derart aufeinander bezogen ausgerichtet, dass das Korpus 20 im Bereich des von der Spule 1 erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist.

Die Hohlwelle 19 weist eine Zuleitung 21 auf, in der ein Kühlmedium, insbesondere flüssiger Stickstoff, vorzugsweise unterkühlter flüssiger Stickstoff, eingeführt werden kann, um das Typ-2-supraleitende Material des Korpus 20 unter dessen Sprungtemperatur kühlen und damit in den supraleitenden Zustand verbringen zu können. Die Spule 1 in dem Stator 11 wird mittels eines Kaltkopfes 22 eines nicht näher dargestellten Kryokühlers gekühlt, wobei der Kaltkopf 22 außen an einem Kühlmantel 17 thermisch leitend anliegt.

Der Rotor 18 und der Stator 11 weisen damit jeder für sich ein eigenes Kühlungssystem auf, wobei der Rotor 18 und der Stator 11 in einem eigenen Kühlgefäß angeordnet sind.

Es versteht sich, dass der Stator 11 mit der Spule 1 auch in einer Badkühlung mit beispielsweise flüssigen Stickstoff, insbesondere mit unterkühlten flüssigen Stickstoff, angeordnet sein kann. Es versteht sich weiter, dass für den Rotor 18 eine weitere, außerhalb des supraleitenden Magnetlagers angeordnete Vorkühlstufe vorgesehen sein kann, beispielsweise mit flüssigen Stickstoff bzw. mit Trockeneis als Kühlmedium.

Anstelle der dargestellten Kühlung des Rotors 18 mit einem flüssigen

Kühlmedium wie Stickstoff, das in die Hohlwelle 19 eingeführt wird, kann die Kühlung mittels eines Maschinenkühlers erfolgen; speziell kann ein von einer

Kältemaschine verflüssigtes Medium über eine Drehverbindung durch eine Siphonanordnung in den Rotor 18 eingeführt werden, oder als Alternative hierzu, kann die Kältemaschine in den Rotor 18 baulich aufgenommen sein.

Alternativ oder ergänzend zu den vorgenannten Varianten der Kühlung des Rotors 18 kann eine Strahlungskühlung erfolgen, bei der der Rotor 18 in der

Montagestellung in der zuvor abgekühlten Anordnung des Stators 11 gehalten wird, bis sich ein thermisches Strahlungsgleichgewicht zwischen dem Kühlmantel 17 des Stators 11 und dem Rotor 18 eingestellt hat. In diesem Falle entfallen der innere Isoliermantel 24 der Spule 1 sowie der äußere Isoliermantel 23 des Korpus 20 an dem Rotor 18, um eine

Wärmeübertragung zwischen dem Rotor 18 und dem Stator 11 zu ermöglichen.

Um eine Kondensation von Luft, insbesondere Luftfeuchtigkeit, zwischen dem Stator 11 und dem Rotor 18 zu verhindern, ist der Spalt mit einem

Inertgas zu füllen bzw. alternativ oder ergänzend hierzu eine Dichtung vorzusehen, die als Vakuum-Dichtung oder Ferrofluid-Dichtung ausgestaltet sein kann. Das Inertgas verdrängt die Luft zwischen dem Stator 11 und dem

Rotor 18 durch ein Medium, dessen Taupunkt geringer ist als der von Wasserdampf.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war das Korpus 20 mit dem Typ-2-supraleitenden Material an dem aus Kupfer ausgebildeten Rotor 18 als zusätzliches Bauteil in einer Haltevorrichtung befestigt. Es versteht sich, dass das Typ-2-supraleitende Material an der äußeren Mantelfläche des Rotors 18 auch als Beschichtung ausgebildet sein kann, die unmittelbar auf die Mantelfläche des Rotors 18 aufgebracht ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Hohlwelle 19 des Rotors 18 aus Kupfer. Es versteht sich, dass die Hohlwelle 19 aus einem anderen Material ausgebildet sein kann, beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff oder einem kohlefaserverstärkten Kunststoff, auf dem ein Zwischenelement aus einem thermisch gut leitfähigen Material wie Kupfer angeordnet ist, wobei in dem Zwischenelement das Korpus 20 aus dem Typ-2-Supraleiter aufgenommen ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Spule 1 an dem Stator 11 angeordnet. Es versteht sich, dass die Spule 1 auch an dem Rotor 18 angeordnet sein kann, wobei dann das Korpus 20 mit dem Typ-2- supraleitenden Material an dem Stator 11 angeordnet ist.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem Flussleitelemente 15 vorgesehen waren, die als metallische, insbesondere magnetische Ringe ausgebildet waren, um das von der Spule 1 erzeugte Magnetfeld zu modulieren. Es versteht sich, dass anstelle oder ergänzend zu den Flussleitelementen 15 auch eine Zusatzspule vorgesehen sein kann, deren stromtragender Leiter normalleitend oder supraleitend sein kann, wobei die Zusatzspule ein zusätzliches Magnetfeld erzeugt, das sich mit dem von der Spule 1 erzeugten Magnetfeld überlagert, so dass das resultierende Magnetfeld in Umfangsrichtung homogen und in axialer sowie in radialer Richtung den erforderlichen Gradienten aufweist.

Bezugszeichenliste

1 Spule

2 Wicklung

3 erste Teilwicklung

4 zweite Teilwicklung

5 Spulenachse

6 Leiter

7 Verbindung

8 erste Stromzuführung

9 zweite Stromzuführung

10 Pfeil Magnetfeld

11 Stator

12 zweite Wicklung

13 dritte Wicklung

14 axiale Mittenebene

15 Russleitelement

16 Gehäuse

17 Kühlmantel

18 Rotor

19 Hohlwelle

20 Korpus

21 Zuleitung

22 Kaltkopf

23 äußerer Isoliermantel

24 innerer Isoliermantel