Die Projektion von Videobildern mit Hilfe von Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, ist eine technisch anspruchsvolle Aufgabe, die bisher noch nicht in allen Details befriedigt gelöst werden konnte. Ein Problem besteht darin, die einzelnen Komponenten mit noch geringerem Aufwand als bisher fertigen zu können.

Bei dieser Technik wird ein paralleles Lichtbündel, ein Lichtstrahl oder Laserstrahl mit jeweils der Bild-und Farbinformation verschiedener Bildpunkten eines Videobildes beaufschlagt, die mit Hilfe des Lichtbündels sequentiell, analog zur üblichen Darstellung von Videobildern mit Elektronenröhren, auf einem Schirm beleuchtet werden. Die Ablenkgeschwindigkeiten für die Lichtbündel aufgrund der großen Anzahl von Bildpunkten sind außerordentlich hoch.

Für die Zeilenablenkung verwendet man oft einen sich drehenden Polygonspiegel, dessen Drehzahl multipliziert mit der Anzahl der Polygonseiten die Anzahl der Bildpunkte ergibt, die pro Zeiteinheit dargestellt werden können. Im Hinblick auf übliche Fernsehnormen erfordert dies allerdings weit mehr als 100.000 Umdrehungen pro Minute für den Polygonspiegel.

Bei derart hohen Drehzahlen ist es günstig, wenn der Polygonspiegel möglichst reibungsfrei gelagert ist. Dazu sind aus dem Stand der Technik Gaslager oder Magnetlager bekannt.

Unter den Magnetlagern sind insbesondere supraleitende Magnettager interessant, bei denen magnetische Felder ohne elektrische Leistung aufrecht erhalten werden können. Insbesondere laf3t die Verankerung des Magnetfeldes nämlich das Schweben eines Magneten über einem Supraleiter, ähnlich dem bekannten Meißner-Ochsenfeld-Effekt, eine überraschend einfache Konstruktion von Magnetlagern zu.

Durch die Entwicklung von hochtemperatur-supraleitenden Materialien ist der Betrieb derartiger Magnetlager bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffes möglich geworden, wodurch der Aufwand gegenüber herkömmlichen Supraleitern mit einer Kühlung durch flüssiges Helium wesentlich verringert wurde. Im folgenden wird für den Ausdruck"hochtemperatur-supraleitend" nur noch"supraleitend"verwendet.

Aus der US 4 956 571 ist ein supraleitendes Magnetlager mit einem aus einem supraleitenden Material bestehenden konusförmigen Statorteil bekannt, mit dem ein ebenfalls konusförmiger, Dauermagnete aufweisender Rotorteil korrespondiert. Das Statorteil erhalt einen Flüssigkeitsbehälter für den als Kühlmedium verwendeten flüssigen Stickstoff.

Die US 5 540 116 beschreibt ein supraleitendes Lager, bei dem ein Ring, eine Kappe oder eine Scheibe zur Reduzierung des magnetischen Widerstandes zur Erhöhung der Kräfte zum freien Schweben dient.

Das supraleitende Magnetlager aus der US 5,177,387 weist radial verteilte Permanentmagnete auf. Jeweils zusammengehörige Permanentmagnete einer Lagerstelle sind gegenpolig angeordnet und korrespondieren mit supraleitenden Materialteilen. Die Polung der Permanentmagnete ist dabei axial ausgerichtet.

Aus der US 4 939 120 ist ein supraleitendes Magnetlager bekannt, dessen Permanentmagnetpole an den Enden eines Stabes angeordnet sind. In der Nähe der Enden des Stabes ist jeweils ein Teil aus supraleitendem Material vorgesehen. Zum Antrieb werden zusätzliche Magnete eingesetzt, die mit feststehenden Antriebsspulen korrespondieren.

In der US 5 196 748 wird ein supraleitendes Magnetiager beschrieben, bei dem ring-und scheibenförmige Permanentmagnete auf einer Achse gleichpolig geschichtet angeordnet sind. Dabei bildet diese Achse die Drehachse des Lagers und die Permanentmagnete sind in axialer Richtung magnetisiert. Zwischen den Permanentmagneten sind Lagen aus einem hoch- permeablen Metall angeordnet, wie z. B. dem bekannten Mu-Metall, durch welche die magnetischen Feldlinien geführt werden. Mit Hilfe dieser Metalle kann die Steifigkeit des Lagers gegenüber den vorgenannten Lösungen etwas erhöht werden. Ferner ist in dieser Druckschrift auch ein Lager beschrieben, welches die Anordnung der Permanentmagnete und der hoch-permeablen Lagen in radialer Ausrichtung zeigt.

Ein grundsätzlicher Mangel bei dem aufgezeigten Stand der Technik ist das Fehlen einer Lehre für eine exakte Anordnung von Magneten einzeln oder als Kollektiv, wie diese Lager geeignet zum Ansteuern von Polygonspiegeln ausgelegt werden sollten und welche Anordnungen dafür

am günstigsten sind. Als Größen für eine Optimierung werden hier erstens die Tragfähigkeit, also im wesentlichen die Kraft zur Halterung, beispielsweise eines Rotors in einem Motor über einem Stator aus supraleitenden Material, zweitens die erreichbare Steifigkeit, d. h. das Maß der auf den Rotor wirkenden Rückstellkräfte, wenn die Rotationsachse aus ihrer Ruhelage gerät, und drittens die Lagerdämpfung angesehen, die im wesentlichen die Rückstelizeit beim Ausweichen aus der optimal rotationssymmetrischer Konfigurationen bestimmt und die genügend groß sein sollte, um beim Rückstelien ein Schwingen um die Rotationsachse zu vermeiden.

Steifigkeit und Lagerdämpfung könnte man beispielsweise mit Zwischenschichten, wie die Mu- Metallschichten gemäß der US 5 196 748, beeinflussen, wobei dann gegebenenfalls auch die Tragfähigkeit absinkt. Deswegen sollte die Erhöhung der Tragfähigkeit wichtigstes Optimierungskriterium sein.

Hierzu könnten spezielle Materialien ausgewählt werden, mit denen grundsätzlich auch hohe Tragfähigkeiten erreichbar sind.

In dem Artikel"YBaCuO Large Scale Melt Texturing in a Temperature Gradient"von F. N.

Werfel, U. Flögel-Delor, D. Wippich, Inst. Phys. Conf. Ser. No. 158 IOP Publishing Ltd, 1997, Seiten 821 bis 824, wird beispielsweise ein kristallines Material beschrieben, dessen Kristallorientierung sich aufgrund seines anisotropen Verhaltens mit einem speziellen Temperaturverfahren ausrichten 1ARt. Dieses Material ist auch in seinen supraleitenden und kryomagnetischen Eigenschaften anisotrop, wobei im supraleitenden Zustand die Ströme vorwiegend in parallelen CuO-Ebenen fließen. Mit Hilfe dieses Materials wurde versuchsweise ein Magnetlager aufgebaut, das aber nicht näher beschrieben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Magnetlager zu schaffen, das einfach im Aufbau ist und eine hohe Tragfähigkeit besitzt, die insbesondere auch so groß ist, daß sich Steifigkeit und Lagerdämpfungen in einfacher Weise optimieren lassen. Weiter soll ein magnetgelagerter Motor geschaffen werden, der sich gemäß der Lehre für das Magnetlager bezüglich Tragfähigkeit, Steifigkeit und Lagerdämpfung optimieren faßt, und zwar insbesondere so, daß Polygonspiegel zum Rastern von Lichtbündeln zur Darstellung von Videobildern mit hoher Drehzahl und großer Stabilität betrieben werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Magnetlager der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das erste Teil eine Konfiguration aus Magneten aufweist, mit denen das supraleitende Material in Wechselwirkung steht, und der Kristall einzeln oder in der Mehrzahl der Körner mit der/den Normalen auf die stromtragenden Ebenen auf das erste Teil weist/weisen.

Eine weitere Lösung dieser Aufgabe wird aber auch durch ein Magnetlager erreicht, bei dem ein erstes Teil eine Konfiguration aus Magneten umfaßt und gegenüber einem zweiten Teil magnetisch gelagert ist, wobei das zweite Teil ein supraleitendes Material II. Art mit hoher kritischer Stromdichte ist, das mittels eines angeschlossenen Kühisystems deutlich unter seine kritische Temperatur abkühlbar ist, wobei das supraleitende Material mehrere jeweils aus einem anisotropen Kristall bestehende Körner enthalt, im supraleitenden Zustand der dann in ihm fließende Strom ("supraleitender Strom") in jedem Korn in einer stromtragenden Ebene desselben (sogenannte"a-b"-Ebenen) fließt, und wobei das supraleitende Material, bezogen auf sein Gefüge, ein schmeiztexturiertes Vielkornmaterial mit Korngrößen im Bereich von 2 mm bis 20 mm ist und eine Vorzugsrichtung der stromtragenden Ebenen so eingestellt ist, daß eine äußere Magnetflußrichtung der Magnetflußlinien der Konfiguration aus Magneten parallel zu den Normalen auf die stromtragenden Ebenen der Körper verlaufen.

Die Auswahl eines Materials mit der Eigenschaft, daß Strom vorwiegend in bestimmte Raumrichtungen fließt, ist nicht selbstverständlich. Daß gerade derartige Materialien aligemein eine höhere Tragfähigkeit ergeben, ist überraschend, da dort ein Freiheitsgrad, nämlich die Richtung der Normalen auf die stromtragenden Ebenen, gegenüber anderen isotropen Materialien mit drei Freiheitsgraden für den Stromtransport nicht zur Verfügung steht. Zur Erklärung dessen nimmt man an, daß eine Verankerung von Magnetfeldlinien, die in das Material eindringen, an Haft-oder Pinningszentren wie Defekten, Ausscheidungen oder Grenzflächen erhöht ist. Dabei ist aber vor allem auch entscheidend, daß durch das äußere Magnetfeld Kreisströme in den stromtragenden Ebenen induziert werden, die ein gegengepoltes Magnetfeld erzeugen. Das führt zu einer erhöhten Tragfähigkeit aufgrund der durch die stromtragenden Ebenen verbesserten diamagnetischen Eigenschaften.

Die Tragfähigkeit kann bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dadurch erhöht werden, daß die Konfiguration von Magneten mehrere langs einer Achse aufgereihte Magnete aufweist, wobei jeweils ein Magnet bezüglich des in der Reihe nachfolgenden Magneten gegengepolt ist, und die Normalen auf die stromtragenden Ebenen zu dieser Achse weisen, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Teil ein Abstand von wenigstens 0,1 Millimeter vorgesehen ist.

Mit der Untergrenze von 0,1 mm für diesen Abstand werden die Magnetanordnung und das supraleitende Material sicher entkoppelt. Unerwarteterweise tritt bei Abständen größer als 0,1 mm noch immer ein ausgeprägter Schwebeeffekt auf, der sich bei Versuchen sogar bis zu Abständen von 4 cm beobachten ließ.

Bekanntlich ist Supraleitung nur unterhalb einer kritischen Magnetfeldstärke mögtich. Die Gegenpolung zweier Magnete erhöht das gesamte auf den Supraleiter wirkende Magnetfeld um nahezu den Faktor 2, mit der weiteren Konsequenz, daß der aus an den Stoßstellen der Magnete radial austretende Magnetfluß im wesentlichen in Richtung der Normalen auf die stromtragenden Ebenen verläuft.

Die erfindungsgemäßen Magnetlager können insbesondere als Translations-und/oder Rotationslager eingesetzt werden. Bei einem rotatorischen Lager, z. B. für einen Motor zum Antrieb eines Polygonspiegels, ist in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung das erste Teil gegenüber dem zweiten Teil drehbar gelagert, wobei die Achse, auf der die Magnete aufgereiht sind, die Drechachse ist und die Normalen auf die stromtragenden Ebenen radial auf diese Drehachse weisen.

Ein guter Kompromiß zwischen der erreichbaren Tragfähigkeit, Steifigkeit und Dämpfung ergibt sich gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß der minimale Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Teil eine Größe von zwischen 1 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 7 mm, hat. Unerwarteterweise hat sich herausgestellt, daß die angegebenen Grenzen praktisch unabhängig von den gewählten Materialien und sonstigen Abmessungen des Lagers gelten.

Für den Antrieb eines Polygonspiegels wird vorteilhafterweise vorgesehen, daß das erste Teil als Rotor und das zweite Teil als Stator eines eiektrischen Motors ausgebildet ist.

Die Dämpfung und die Steifigkeit sind im wesentlichen auch davon abhängig, ob die Kristalle Einkristalle sind oder eine körnige Struktur haben. Bei Einkristallen sind die Steifigkeit und Levitationskraft sehr groß, jedoch die Dämpfung klein. Bei sehr kleinen Korngrenzen ergibt sich genau der umgekehrte Fall. Für die Lagereigenschaften hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß ein remanenter Zustand eingestellt wird, d. h. eine möglichst gute Verankerung des eingefrorenen Magnetflusses erreicht wird. Korngrenzen oder innere Grenzflächen können überraschenderweise sowohl für eine starke Verankerung als auch für eine hohe Dämpfung sorgen. Es hat sich gezeigt, daß besonders gute Dämpfungs-und Steifigkeitseigenschaften erreicht werden, wenn die Körner eine Korngröße im Bereich von 2 mm bis 20 mm haben.

Vorteilhafterweise wird für das supraleitende Material in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ein Kristall eingesetzt, der eine X-Barium-Kupfer-Sauerstoff-Verbindung (mit X einem Seltenenerdmetall aus der Gruppe Y, Sm, Nd, Tb) enthält oder daraus besteht. Bei diesen Materialien ist die erfindungsgemäß geforderte Ausrichtung der Kristalle unproblematisch durchführbar. Dies gilt insbesondere, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der

Erfindung der Kristall eine Verbindung Yx Ba2Cu30 (7 s) mit 1< x < 1,6 und 0,01< â < 0,10 enthält oder daraus besteht.

Bekanntlicherweise entsteht der supraleitende Effekt erst bei tiefen Temperaturen, die üblicherweise durch Kühlen mit flüssigem Stickstoff erreicht werden, der, nachdem er aufgebraucht ist, nachgefüllt wird. Gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung ist jedoch als Kühtsystem eine Kleinkühimaschine vorgesehen, bevorzugt eine Stirlingmaschine, die wegen ihres hohen Wirkungsgrades besonders vorteilhaft ist.

Eine versuchsweise eingesetzte Stirlingmaschine mit 2,5 Watt Kälteleistung bei einer Temperatur von 80° K genügte zur Kühlung des zweiten Teils. Sie hatte eine elektrische Leistungsaufnahme von etwa 40 W, was z. B. für den Betrieb eines Lagers für einen Polygonspiegel völlig ausreichend ist. Damit wird ein kontinuierlicher Betrieb möglich, ohne daß ständig Stickstoff nachgefüllt werden muß. Wird ein derartiges Magnetlager zum Betrieb eines Polygonspiegels bei einer Videoprojekton eingesetzt, bildet dies einen merklichen Vorteil.

Zudem erlaubt eine Kältemaschine einen Betrieb des Stators bei geringeren Temperaturen, verglichen mit den 77° K bei flüssigem Stickstoff.

Zur Erhöhung der Stabilität hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das erste und das zweite Teil in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung von einem luftdichten Gehäuse umgeben sind, das bevorzugt bis zu einem Druck kleiner als 10 Pa evakuiert wird.

Die molekulare Reibung kann weiter verringert werden, wenn die Gaszusammensetzung im Gehäuse verändert wird, wobei bevorzugt das Gehäuse mit einem Gas eines Molekulargewichts kleiner als 28 gefüllt ist, z. B. mit Helium.

Gemäß einer anderen vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung sind die Magnete im ersten Teil Permanentmagnete, wodurch bei Betrieb des Lagers eine geringere Kühlleistung als beim Einsatz von sich erwärmenden Elektromagneten bereitgestellt werden muß.

Ein erfindungsgemäßer Motor mit einem derartigen Magnetlager, bei dem ein Rotor gegenüber einem Statormagneten gelagert ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stator als zweites Teil des Magnetlagers ein supraleitendes Material II. Art ist, das einen anisotropen Kristall oder mehrere aus diesem bestehende Körner enthält, wobei der supraleitende Strom in stromtragenden Ebenen des Kristalls bzw. der Körner fließt und der Kristall (oder bei Vorliegen von mehreren Körnern : alle Kristalle) parallel zu der bzw. den Normalen auf die

stromtragende (n) Ebene (n) zur Drehachse des Rotors als erstem Teil des Magnetenlagers ausgerichtet ist/sind.

Ein derartiger Motor ist besonders als Antrieb für einen Polygonspiegel geeignet, der auf der Drehachse des Motors befestigt ist. Dabei wird vorteilhafterweise ein Gehäuse vorgesehen, wobei der Polygonspiegel in einem Videosystem eingesetzt ist, bei dem zeitlich periodisch ein Lichtbündel abgelenkt wird, und wobei das Gehäuse sowohl das Lager als auch den Polygonspiegel umgibt und ein oder zwei Fenster zum Ein-und Auslassen des abzulenkenden Lichts aufweist.

Die Erfindung schafft ein supraleitendes Magnetlager, das sowohl als Translationslager, wie auch als Rotations-oder Achsiallager einsetzbar ist und im wesentlichen aus folgenden Elementen besteht : einem ersten Element, dem erwähnten zweiten Teil und einem supraleitenden Material, das mit einem angeschlossenen Kühtsystem deutlich unter die kritische Temperatur abgekühlt werden kann, sowie 'einem zweiten Element, dem erwähnten ersten Teil, mit zumindest in Teilbereichen permanentmagnetischen Eigenschaften, wobei das supraleitende Material des ersten Elements mit mindestens einer Flache des zweitens Elements in dessen Bereich mit permanentmagnetischen Eigenschaften in magnetischer Wechselwirkung steht.

Dabei sollte der Supraleiter ein schmeiztexturiertes Material mit hoher kritischer Stromdichte sein, das bezogen auf sein Gefüge ein Vielkornmaterial und bezogen auf seine magnetischen Eigenschaften ein Vieldomänenmaterial mit Korngrößen im Bereich von 2 Millimetern bis 20 Millimeter ist, wobei eine Ausrichtung der Domänen nach stromtragenden a-b-Ebenen an dem anisotropen supraleitenden Material vorgenommen und eine Vorzugsausrichtung so eingestellt wird, daß die Magnetflußlinien des permanentmagnetischen Materials parallel zu den Normalen auf die stromtragenden a-b-Ebenen stehen.

Die magnetisch wirksamen Domänen erzeugen in Wechselwirkung mit dem permanentmagnetischen Material des zweiten Elementes eine bisher nicht bekannte hohe Dämpfung bei gleichzeitig ausreichender Tragfähigkeit des Magnetlagers, was für die technische Anwendbarkeit, insbesondere bei unwuchtigen Rotoren, äußerst vorteilhaft ist.

Durch die kristalline Struktur des supraleitenden Materials und seine anisotropen elektromagnetischen und mechanischen Eigenschaften ergeben sich wesentliche Vorteile.

Insbesondere ist hier das spezielle Herstellungsverfahren aus dem Artikel von Werfel et al. anwendbar, nach dem den Kristallen im supraleitenden Material durch Anlegen lokaler Temperaturgradienten eine Vorzugsrichtung gegeben wird, die an den stromtragenden a-b- Ebenen des Kristallgitters orientiert und erfindungsgemäß dadurch bestimmt ist, daß die Normale der stromtragenden a-b-Ebenen der Kristalle, die sogenannte c-Achse, weitestgehend parallel zur äußeren Magentflußrichtung des zweiten Elements gelegt wird. In der Praxis konnte gezeigt werden, daß nahezu 90 % der Kristallite eines supraleitenden Materials mit einer Abweichung von 10 Grad bezüglich der c-Achse ausgerichtet werden können. Möglich wäre auch ein Zusammenfügen von individuell gezüchteten Einzelkristallen gemäß ihrer Orientierung oder ein Ätzen von Strukturen in einen auf einem Substrat befindlichen Einkristall.

Bei rotatorischen Lagern hat sich mit der Erfindung in Verbindung mit vorzugsweise axial polarisierten Permanentmagneten eine gegenüber bekannten Lagern sehr vie höhere Magnetflußverankerung ergeben, mit der die Steifigkeit des Magnetlagers erheblich, etwa um den Faktor 31 (gemessen bei einem speziellen Aufbau) erhöht werden konnte. Dabei ist auch eine vergleichsweise hohe Dämpfung beobachtbar. Diese Eigenschaften lassen sich insbesondere auf die entsprechende Gefügeausbildung des Materials bezüglich der Kristall- bzw. Domänengrenzen in dem weiter oben angegebenen Bereich zurückführen und es kann dadurch ein ausgezeichnetes und für Polygonspiegel geeignetes Dämpfungsverhalten des supraleitenden Magnetlagers eingestellt werden. Für ein rotatorisches Lager kann das erste Element beispielsweise zylinderförmig oder hohizylinderförmig sein oder eine hohlzylinderförmige Ausfräsung, beispielsweise tulpenförmig, haben.

Für das zweite Element wird ein permanentmagnetisches Teil, in einer scheibenförmigen Ausgestaltung mit einer axialen Magnetisierung bevorzugt, bei der sich scheibenförmig und ringförmige Permanentmagnete einfacher und/oder wirtschaftlicher herstellen und magnetisieren lassen.

Dabei sind die folgenden Ausbildungen besonders zweckmäßig : 'der Permanentmagnet ist ein permanentmagnetischer Ring ; . mehrere axial polarisierte, radialsymetrische, permanentmagnetische Ringe sind in axialer Richtung aneinander geschichtet ;

mehrere axial polarisierte, radialsymetrische, permanentmagnetische Ringe sind in Achsenrichtung gegenpolig aneinander liegend geschichtet.

Zur Verbesserung der Steifigkeit des Lagers können zwischen den geschichteten permanentmagnetischen Ringen permeable Ringscheiben zur Homogenisierung und Führung des magnetischen Flusses angeordnet sein. Dazu eignet sich zum Beispiel Mu-Metall, das auch als besonders günstig für die Rundlaufeigenschaften eines rotatorischen Lagers ist. Solche Ringscheiben sollten eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm haben, die mit der Größe des Spaltes zwischen Statorteil und Rotorteil zunimmt.

Wegen der hohen geforderten Umdrehungsgeschwindigkeiten ist es zweckmäßig, das Rotorteil aus einem Material mit großer Zugfestigkeit bei geringer Dichte herzustellen. Dazu eignen sich beispielsweise Aluminium, Titan oder deren Legierungen.

Es sind folgende vorzugsweisen Ausgestaltungen möglich : Das zweite Element mit dem Permanentmagnet kann als Rotorteil aus einem nichtmagnetischen Zentralbereich und darauf befestigten permanentmagnetischen Ringen ausgeführt sein. Dabei sollte der Zentralbereich aus einem sehr festen Material bestehen, welches nicht magnetisierbar ist, wie beispielsweise Titan. Es können aber auch magnetisierbare Materialien eingesetzt werden, wie beispielsweise Stahllegierungen. Für eine erhöhte Zerreißfestigkeit ist es dann auch besonders günstig, wenn die permanentmagnetischen Ringe aus einem mit Kohlefasern armierten hartmagnetischen Material, insbesondere aus SmCo oder NdFeB bestehen.

Alle diese Ausbildungen lassen sich auch vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Motor einsetzten. Ein Antriebsspulensystem eines derartigen Motors wird bezüglich des für die Lagerung des Rotors erforderlichen permanentmagnetischen Bereichs so angeordnet, daß eine Wechselwirkung desselben mit den Spulen entsteht, wobei Asymmetrien des permanentmagnetischen Feldes und/oder Wirbelströme im Rotorteil zur Drehmomentübertragung eingesetzt werden. Dabei kann das Antriebsspulensystem des Statorteils mit den permanentmagnetischen Feldern des Rotorteils einen kommutatorlosen Gleichstromantrieb oder einen Wechselstromantrieb, beispielsweise als Kurzschlußläufer oder Hystereseantrieb, bilden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Prinzip beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen :

Figur 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wechselwirkung eines Permanentmagneten mit einem Supraleiter in Axialgeometrie ; Figur 2 die Prinzipdarstellung für die Axialgeometrie eines supraleitenden Magnetlagers mit texturiertem supraleitendem Material ; Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für ein radiales Magnetlager mit supraleitendem Statorteil gemäß dem Stand der Technik ; Figur 4 ein Ausführungsbeispiel wie in Figur 3, jedoch mit optimierter Tragfähigkeit, Lagersteifigkeit und Dämpfung ; Figur 5 eine Darstellung der anisotropen Magnetisierungskurve für schmeiztexturierte YBaCuO Supraleiter ; Figur 6 eine Darstellung der Einstellung der Kristallrichtung bei einem Zylinder aus supraleitendem Material mit einer radialen Kristall-bzw. Korntextur ; Figur 7 die Darstellung eines supraleitenden Radial-un Axiallagers mit besonders großer Lagersteifigkeit ; Figur 8 ein supraleitendes Lager in einem Motor zum Antrieb eines Polygonspiegels ; Figur 9 ein supraleitendes Lager ähnlich wie in Figur 8, das jedoch als zweiseitiges Radiallager ausgeführt ist, und Figur 10 ein zweiseitiges Radiallager mit Polygonspiegel in einer Sandwich- Geometrie.

! n Figur 1 ist das Prinzip der Wechselwirkung eines in axialer Richtung magnetisierten Permanentmagneten 1 mit einem Teil 3, das aus einem supraleitenden Material 2 hergestellt ist, gezeigt. Die Striche unterschiedlicher Richtung in dem Teil 3 sollen schematisch verdeutlichen, daß dort die Kristallrichtungen statistisch verteilt vorliegen.

Dabei ist der Permanentmagnet 1 über einer Fiäche des supraleitenden Materials 2 angeordnet, das beim Betrieb des Lagers, also in dem in der Figur 1 gezeigten Zustand, unter seine kritische Temperatur abgekühit wird. Die Magnetfeldlinien des Permanentmagneten 1

erzeugen Ströme, die ein Magnetfeld aufbauen, das dem des Permanentmagneten 1 entgegengerichtet ist. Es entsteht also eine Kraftwirkung, die den Permanentmagnet 1 oberhalb des supraleitenden Materials 2 schweben ! äßt.

Die induzierten Magnetfelder erzeugen eine Kraft, die größer als das Gewicht des Permanentmagneten 1 ist und diesen auf Abstand zu dem supraleitenden Material 2 hält.

Sowohl seitliche Bewegungen als auch Rotationsbewegungen um eine Drehachse sind bei geeigneter Formgebung von Magnet 1 und Material 2 möglich.

In dem Beispiel gemäß Figur 1 ist allerdings durch die Rotationssymetrie des magnetischen Feldes des Permanentmagneten 1 und der Verankerung der Magnetfeldlinien ausschließlich ein rotatorischer Freiheitsgrad um eine Drehachse bestimmt. Dabei bildet der Permanentmagnet 1 ein Rotorteil und das supraleitende Material 2 ein Statorteil 3, die voneinander durch einen Spalt 4 getrennt sind. Die Spaltbreite wird durch die sogenannte frozen-field-Condition bestimmt, wodurch auch die beim Abkühien des Supraleiters eingestellte Spaltgröße dauerhaft erhalten wird.

Der Permanentmagnet 1 dreht nach der Einwirkung äußerer Kräfte nahezu reibungsfrei über dem supraleitenden Material 2. Die Luftreibung kann bei höheren Drehzahlen allerdings Reibungsveriuste verursachen. Insbesondere für hohe Drehgeschwindigkeiten ist wegen der Verringerung der Gasreibung ein Vakuum besser als 10-1 Pa zwischen stehendem und drehenden Teil zweckmäßig. Weiter kann man den Permanentmagneten 1 und den supraleitenden Teil 3 zur Verringerung der Luftreibung auch in einem Gehäuse lagern, das mit einem Gas gefüllt ist, welches eine höhere Schaligeschwindigkeit als Luft hat. Dazu bieten sich vor allen Dingen Gase mit geringem Molekulargewicht an, wobei sich insbesondere Helium als besonders vorteilhaft herausgestellt hat.

Alle folgenden Ausführungsbeispiele können, wenn sie beispielsweise zum Antrieb eines Polygonspiegels in der Videotechnik eingesetzt werden, in einem Gehäuse, das hier allerdings nicht gezeigt ist, untergebracht werden. Dann ist es vorteilhaft, auch einen durch das Lager gelagerten Polygonspiegel zur Verringerung der Reibung in dem Gehäuse unterzubringen, wobei dann in dem Gehäuse Fenster für das Einfallen und Ausfallen des abzulenkenden Lichtbündels vorgesehen sind. Die hierfür notwendigen Fenster sind zwar aufwendiger als in einem Fall, bei dem der Polygonspiegel außerhalb des Gehäuses gelagert würde, der Vorteil geringerer Reibungsverluste auch am Polygonspiegel und die Unabhängigkeit des Laufs bezüglich Bewegungen der Umgebungsluft haben sich aber insgesamt als großer Vorteil erwiesen. Drehzahlen größer als 120 000 U/min erfordern sogar eine evakuierte Umgebung.

In Figur 2 wird nun die Erfindung näher erläutert. Dabei ist das supraleitende Material 2 ein schmeiztexturiertes Vieldomänenmaterial hoher kritischer Stromdichte. In Figur 2 sind ferner die Kristallachsen a, b und c eingezeichnet, wobei die durch die Achsen a und b aufgespannte FlAche den supraleitenden Strom trägt und die höchste Magnetisierung erlaubt. Wie in Figur 2 durch die Striche im Material 2 angedeutet ist, sind die Kristallite in dem supraleitenden Material 2 so ausgerichtet, daß die Normale auf die stromtragenden Ebenen parallel zur Drehachse 5 liegt.

Wegen des anisotropen physikalischen Verhaltens des supraleitenden Materials 2 werden die supraleitenden Ströme vorzugsweise in den in nahezu der gleichen Richtung ausgerichteten a- b-Ebenen des Kristalls erzeugt. Dabei hat sich gezeigt, daß eine gegenüber dem Stand der Technik höhere erreichbare Magnetisierung möglich ist, die sowohl die Tragfähigkeit als auch die Steifigkeit des Magnetlagers gegenüber solchen mit ungeordneten Kristallen erhöht, wie später näher anhand der Figur 5 deutlicher wird.

Sind die Kristallite sehr klein, werden die supraleitenden Ströme durch die Korngrenzen gedämpft, so daß sich durch die mittleren Korngrößen der Kristallite auch eine entsprechende Dämpfung eines Magnetlagers einstellen faßt. Eine derartige Dämpfung ist zweckmäßig, damit bei ausweichender Rotationsachse aus der vorgegebenen Lage und Rückstellung, insbesondere bei Erreichen kritischer Drehzahlen, aufgrund der die Steifigkeit bestimmenden Kräfte keine oder eine nur schnell abklingende Schwingung entsteht. Entsprechende Korngrößen der Kristallite wurden vorstehend schon angegeben. Insbesondere hat es sich gezeigt, daß vorteilhafte Dämpfungen, insbesondere bei der Anwendung des schematisch in Figur 4 dargestellten Lagers in einem Motor zum Antrieb eines Polygonspiegels, in der Größenordnung von 8 mm liegen sollten.

Diesbezüglich sei auch noch einmal auf die besonders günstige Anordnung des Permanentmagneten 1 als Rotorteil und des supraleitenden Materials 2 als Statorteil hingewiesen, aufgrund dessen sich das Statorteil besonders einfach kühlen äßt. Bei den Ausführungsbeispielen wird dazu eine Kleinkühimaschine in Form eines Stirlingkühlers mit 2,5 Watt/80° K oder eine Anordnung, die mit flüssigem Stickstoff betrieben wird, eingesetzt.

Weiter ist aus der Figur 2 erkennbar, daß das Rotorteil aus drei zylindrischen, gegenpolig angeordneten Permanentringen 6,7,8 besteht. Die dadurch gegebene Magnetfeldkonfiguration erzeugt im Supraleiter 2 hohe Feldgradienten an den Polaritätsgrenzen NS und SN. Diese sind vor allen Dingen für die erwünschte Steifigkeit, d. h. die Rückführung des Rotors 1 auf die gewünschte Drehachse 5 nach Ausweichen aufgrund von Störungen, äußerst vorteilhaft.

Als weiteres Beispiel ist in Figur 3 ein rotatorisches Lager in Radialgeometrie gezeigt, wie es mit magnetischen Materialien nach dem Stand der Technik ausgeführt werden kann. Das supraleitende Material 2 bildet dabei das Statorteil 10, das aus einem supraleitenden Zylinder oder Ring besteht und, gekühit wird. Ein System aus geschichteten Permanentmagnetringen 11,12,13,14 und Zwischenringen 16 ist auf einer Achse 18 befestigt und bildet das Rotorteil 20 mit der Drehachse 5. Die axialmagnetisierten Permanentmagnetringe 11,12,13,14 sind, wie aus Figur 3 erkennbar, jeweils zum Nachbarn gegengepolt und erhöhen so den radialen Magnetfluß nahezu auf den zweifachen Wert des einfachen Magneten.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die Zwischenringe 16 aus hochpermeablen Material, insbesondere aus Weicheisen, das eine Feldführung und Homogenisierung des Magnetfelds der Permanentmagnete 11,12,13,14 bewirkt. Die Achse 18 besteht aus einem unmagnetischen Material. Die optimale Dicke der Zwischenringe 16 hängt wesentlich von der Größe des auch in diesem Beispiel vorhandenen Spaltes 4 ab. Es hat sich herausgestellt, daß bei den Ausführungsbeispielen die Dicke der Zwischenringe 16 ungefähr die Hälfte des Spaltes 4 betragen sollte. Das heißt, daß bei einem üblicherweise verwendeten Spalt 4 in Größe von 1 mm zweckmäßigerweise eine Dicke von ungefähr 0,5 mm für die Zwischenringe 16 vorzusehen ist.

Figur 4 zeigt im Unterschied zu Figur 3 ein erfindungsgemäßes supraleitendes Radiallager, bei dem das supraleitende Statorteil 10 eine radialsymetrische Ausrichtung der supraleitenden Kristallite aufweist. Durch Anlegen von positiven und negativen örtlichen Temperaturgradienten bei der Herstellung des Statorteils 10 als zylinderförmiges Formteil wurde, wie im Werfel- Artikel beschrieben, eine radiale c-Achse-Textur des supraleitenden Material 2 realisiert. Auch hier wird durch die Vorzugsrichtung der c-Achsen zur Drehachse 5 hin die gegenüber dem Beispiel von Figur 3 höhere Magnetisierung erreicht, die gegenüber bekannten Lösungen eine noch größere Tragfähigkeit und Steifigkeit für die Lagerung des Rotorteils 20 gegenüber dem Statorteil 10 ermöglicht. Die höhere Flußverankerung erlaubt insbesondere die Miniaturisierung von berührungsiosen passiven supraleitenden Magnetlagern.

Durch Anderung in der symmetrischen und periodischen Anordnung der Zwischenringe 16 und die Wahl deren Dicke kann die magnetische Flußführung und deren Verankerung im Supraleiter so eingestellt werden, daß an den Achsenenden eine höhere radiale Steifigkeit entsteht, die einer virtuelle Zweipunktlagerung entspricht. Auf diese Weise ist eine besonders hohe Kippsteifigkeit des Rotors 6 möglich.

In Figur 5 ist die Magnetisierung eines YBaCuO Supraleiters als Meßkurve der Magnetisierung m in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld H, sowohl parallel zur kristallographischen c-

Achse entsprechend Kurve 22 wie auch senkrecht zur kristallographischen c-Achse entsprechend Kurve 24, dargestellt. Die gemäß Kurve 22 gemessene höhere maximale Magnetisierung für ein parallel zur c-Achse gerichtetes Magnetfeld stellt ein experimentell gewonnenes Ergebnis dar, das hier vorteilhaft für eine hohe Steifigkeit erfindungsgemäßer supraleitender Magnetlager eingesetzt ist. Es hat sich in Versuchsaufbauten gezeigt, daß die bei den angegebene Werten erreichbare Dämpfung des supraleitenden Magnetlagers so hoch ist, daß die Eigenfrequenz unwuchtiger Rotorteile beim Hochfahren, selbst bei einer Schwerpunktverlagerung von bis zu 0,3 mm, sicher durchfahren werden konnte.

Ein zylinderförmiges Statorteil 10 für ein supraleitendes Radiallager mit radialer Textur ist noch einmal in Figur 6 schematisch gezeigt. Die einzelnen Kristallite 26 werden dabei durch Züchtung mit Hilfe einer Gradienten-Schmeiztextur ausgerichtet.

In Figur 7 ist ein supraleitendes Magnetlager mit einem Rotorteil 20 gezeigt, das gegenpolig angeordnete permanentmagnetische Ringe 30,31,32,33,34 aufweist. Das supraleitende Statorteil 10 hat dabei eine zylinderförmige Aussparung 36, in der die permanentmagnetischen Ringe 30,31,32,33,34 mit kleinem Spalt 4 angeordnet sind. Das supraleitende Material des Stators 10 weist in radialer Richtung der Ringe 30,31,32,33,34 die in Figur 6 gezeigte radial ausgerichtete Textur der Kristallite auf. Zusätzlich ist im Gebiet 38 des Statorteils 10 am Boden der zylindrischen Aussparung eine axiale Textur vorgesehen. Eine derartige Kombination von supraleitendem Radiallager mit zusätzlichen axialen Lagerkomponenten sichert besonders hohe magnetische Lagerkräfte und Steifigkeiten.

Ein Beispiel eines supraleitenden radialen Magnetlagers mit einem Polygonspiegel 40 an einem Lagerende und einem motorischen Antrieb 42 an seinem anderen Lagerende ist in Figur 8 gezeigt. Dabei besteht das Magnetlager aus einem supraleitenden Statorteil 10, das von einer angeschlossenen Kleinkühimaschine 44 gekühlt wird. Das Rotorteil 20 trägt einen Polygonspiegel 40 auf einer Achse 45 aus hochfestem Material, auf der permanentmagnetische Ringe 50,51,52,53 gegenpolig geschichtet angeordnet sind, zwischen denen Zwischenringe 16 zur radialen Homogenisierungen der Magnetfelder vorgesehen sind.

Die permanentmagnetischen Ringe 50,51,52,53 und die Zwischenringe 16 sind für große Drehzahlen ausgelegt und dazu bevorzugt mit Kohlefasern oder Kevlar armiert, damit die Teile den bei hohen Drehzahlen auftretenden Zentrifugalkräften Stand halten können.

An dem dem Polygonspiegel 40 gegenüberliegenden Ende des Rotorteils 20 ist ein für den motorischen Antrieb 42 angeordnetes Rotorteil als Kurzschiußläufer oder als magnetischer Läufer 56 ausgebildet. Der entsprechende Bereich des Rotorteils 20 ist von einer Statorspule 60 umgeben.

In Figur 9 ist ein Beispiel für einen zweifach radial gelagerten Polygonspiegels 40 mit einer besonders großen Lagersteifigkeit gezeigt, die dadurch bewirkt wird, daß der Polygonspiegel 40 symmetrisch zwischen zwei Lagerteilen gemäß Figur 8 angeordnet ist.

Figur 10 zeigt weiter einen mit einem Polygonspiegel 40 ausgerüsteten Scanner in Sandwichbauweise, mit einem rotatorischen, supraleitenden Magnetlager, wie es im Prinzip in Figur 2 dargestellt ist. Dabei ist hier jedoch ein motorischer Antrieb 46 vorgesehen und ein Spiegelpolygon direkt am Rotorteil 20 ausgebildet. Am äußeren Umfang des Rotorteils 20 ist dazu ein Ring angeordnet, der außen die Spiegelelemente des Polygonspiegels 40 trägt. Weiter sind im Unterschied zu Figur 2 zwei Scheiben aus supraleitendem Material 2 spiegelbildlich zum Permanentmagneten des scheibenförmigen Rotorteils vorgesehen. Das supraleitende Material 2, der Rotor 20 und die spiegelbildlich angeordneten Statorspulen 46 sind in einem dicht schließenden Gehäuse 62 aufgenommen.

Aufgrund der parallelen symmetrischen Anordnung des Statorteils bezüglich. der Stirnfläche des Rotorteils werden besonders stabile Lager und Antriebsverhältnisse bei einem radial ausgedehnten Lager geschaffen. Die gezeigte Anordnung eignet sich auch besonders für die Massenfertigung.

Die vorstehenden Beispiele zeigen, mit welcher Vielfalt sich die erfindungsgemäßen Magnetlager ausbilden lassen. Den wesentlichen Anteil an der erhöhten Tragfähigkeit hat dabei die Ausrichtung des anisotropen supraleitenden Materials bezüglich der maximalen Magnetflußverankerung, die durch die c-Achse bestimmt ist. Steifigkeit und Dämpfung lassen sich, wie dargestellt, mit Hilfe der Kristallitgröße, der Größe des Spalts 4 sowie mit Hilfe von Zwischenringen 16 in großem Maße variieren. Ein weiterer Vorteil des Vielkorngefüges liegt in einem starken Verankerungseffekt für äußere Magnetfelder, wodurch eine exakte Positionierung und/oder Rückpositionierung magnetischer Rotoren in Bezug zum Stator im Bereich von 0,1 pm erreicht wird, was auf den Einfluß der Korngrenzen im remanenten eingefrorenen Zustand des Supraleiters zurückzuführen ist.