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Title:
SUPERCONDUCTING ROLLING BEARING AND ROLLING BEARING ARRANGEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/088993
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a rolling bearing and to an arrangement comprising two or more such rolling bearings. The substantial components of the rolling bearing, for example an inner ring, an outer ring, and the rolling elements by means of which the rings are rotatable with respect to one another, are superconducting, such that electrical current can be transmitted largely without losses via said components of the bearing. The rolling bearing arrangement has two such superconducting rolling bearings and a rotor having a superconducting conductor and a stator having means for generating a magnetic field. The conductor of the rotor is connected to the rotatable components of the rolling bearing, such that electrical current can be transmitted. The arrangement can also be designed as a direct current or unipolar machine.

Inventors:
FILIPENKO, Mykhaylo (Ginsterweg 23, Erlangen, 91058, DE)
Application Number:
EP2016/069229
Publication Date:
June 01, 2017
Filing Date:
August 12, 2016
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
International Classes:
F16C32/04; F16C33/62; F16C41/00; H01R39/28; H01R39/64; H02K7/08; H02K13/00; H02K13/02; H02K55/02; H02K55/04; H02K55/00
Domestic Patent References:
WO2003019735A12003-03-06
Foreign References:
US3560773A1971-02-02
US20020190598A12002-12-19
DE19901201A12000-08-17
US5030863A1991-07-09
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Claims:
Patentansprüche

1. Supraleitendes Wälzlager (100, 100 mit einer ersten Komponente (110, 110 und einer an der ersten Komponente (110, 110 mit Hilfe von Wälzkörpern (130, 130 rotierbar gelagerten zweiten Komponente (120, 120 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (110, 110 , die zweite Komponente (120, 120 und die Wälzkörper (130, 130 supraleitend und elektrisch miteinander verbunden sind, so dass ein elekt- rischer Strom zwischen der ersten (110, 110 und der zweiten Komponente (120, 120 über die Wälzkörper (130, 130 übertragbar ist.

2. Wälzlager (100, 100 nach Anspruch 1, wobei die Wälzkör- per (130, 130 eine supraleitende Beschichtung (131) aufweisen .

3. Wälzlager (100, 100 nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die erste Komponente (110, 110 eine erste supralei- tende elektrische Leiteranordnung (115) aufweist und die zweite Komponente (120, 120 eine zweite supraleitende elektrische Leiteranordnung (125) aufweist, wobei der elektrische Strom zwischen der ersten (115) und der zweiten elektrischen Leiteranordnung (125) über die Wälzkörper (130, 130 übertragbar ist.

4. Wälzlager (100, 100 nach Anspruch 3, wobei die erste

(115) und die zweite supraleitende elektrische Leiteranordnung (125) jeweils einen supraleitenden Abschnitt (113, 123) an einer Kontaktbahn der jeweiligen Komponente (110, 110 120, 120 mit den Wälzkörpern (130, 130 aufweist.

5. Wälzlager (100, 100 nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die erste Komponente (110, 110 und die zweite Kompo- nente (120, 120 jeweils einen elektrischen Anschluss (112, 122) aufweisen, wobei der jeweilige elektrische Anschluss

(112, 122) mit der jeweiligen supraleitenden elektrischen Leiteranordnung (115, 125) elektrisch verbunden ist.

6. Wälzlageranordnung (200) mit

- zumindest einem ersten (100) und einem zweiten supraleitenden Wälzlager (100 nach Anspruch 1,

- einem gegenüber den ersten Komponenten (110, 110 der supraleitenden Wälzlager (100, 100 um eine Rotationsachse (ROT) rotierbaren Rotor (200) , wobei der Rotor (200) zumindest einen supraleitenden elektrischen Leiter (221) aufweist, der bei Rotation des Rotors (200) mitrotiert, wobei

- sich der supraleitende elektrische Leiter (221) des Rotors (200) zwischen einem ersten Leiterabschnitt (222) und einem zweiten Leiterabschnitt (223) erstreckt, wobei sich zwischen dem ersten (222) und dem zweiten Leiterabschnitt (223) ein mittlerer Leiterabschnitt (224) befindet, der den ersten (222) und den zweiten Leiterabschnitt (223) elektrische miteinander verbindet,

und

- der erste Leiterabschnitt (222) mit der zweiten Komponente (120) des ersten Wälzlagers (100) elektrisch verbunden ist und der zweite Leiterabschnitt (223) mit der zweiten Komponente (120 des zweiten Wälzlagers (100 elektrisch verbunden ist. 7. Wälzlageranordnung (200) nach Anspruch 6, weiterhin aufweisend einen Stator (230), der Mittel (231, 232) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes (235) aufweist, wobei

- der Rotor (220) mit dem supraleitenden elektrischen Leiter (221) des Rotors (220) gegenüber dem Stator (230) um die Rotationsachse (ROT) rotierbar ist, wobei der supraleitende elektrische Leiter (221) des Rotors (220) derart am Rotor (20) und im magnetischen Feld (235) angeordnet ist, dass bei Rotation des Rotors (220) eine Lorentzkraft auf Ladungen im supraleitenden elektrischen Leiter (221) des Rotors (220) wirkt,

- der Stator (230) , die erste Komponente (110) des ersten

Wälzlagers (100) und die erste Komponente (110 des zwei- ten Wälzlagers (100 derart angeordnet sind, dass sie keine gegenseitigen Rotationen ausführen.

8. Wälzlageranordnung (200) nach Anspruch 7, wobei der Stator (230) zur Erzeugung des magnetischen Feldes (235) eine supraleitende Spulenanordnung (231, 232) aufweist.

9. Wälzlageranordnung (200) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende elektrische Leiter (221) des Rotors (220) derart ausgeprägt und am Rotor (220) angeordnet ist, dass

- der erste Leiterabschnitt (222) im Bereich eines zentralen Punktes des Rotors (220) liegt, durch den sich die Rotationsachse (ROT) erstreckt,

- der zweite Leiterabschnitt (223) ringförmig ist und in einem in radialer Richtung vom zentralen Punkt beabstandet liegenden Randbereich des Rotors (220) liegt,

- der Rotor (220) und der supraleitende elektrische Leiter (221) des Rotors (220) bezüglich des Stators (230) und des erzeugbaren magnetischen Feldes (235) derart angeordnet und orientiert sind, dass Ladungen im Leiter (221) des Rotors (220) bei Rotation des Rotors (220) im magnetischen Feld (235) eine in radialer Richtung zwischen dem zentralen Punkt und dem Randbereich des Rotors (220) orientierte Lorentzkraft erfahren,

wobei

- ein auf einer Querschnittsfläche des supraleitenden elektrischen Leiters (221) des Rotors (220) senkrecht stehender Normalenvektor parallel zur Rotationsachse orientiert ist und

- die Rotationsachse weitestgehend parallel zu den Feldlinien des magnetischen Feldes orientiert ist.

10. Wälzlageranordnung (200) nach Anspruch 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass der mittlere Leiterabschnitt (224) eine Vielzahl von im Wesentlichen radial verlaufenden Leiterbahnen (227) aufweist, die den ersten (222) und den zweiten Leiterabschnitt (223) elektrisch miteinander verbinden.

11. Wälzlageranordnung (200) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich des Rotors (220) selbst die zweite Komponente (120 des zweiten Wälzlagers (100 darstellt .

12. Wälzlageranordnung (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (220) eine Welle (210) aufweist, die die Rotation des Rotors (210) unterstützt, wobei die Welle (210) die zweite Komponente (120) des ersten Wälzlagers (100) darstellt.

13. Wälzlageranordnung (200) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Leiterabschnitt (224) in Form einer angeordnet ist, insbesondere in Form einer Spule, die bei Rotation des Rotors (220) im magnetischen Feld (235) des Stators (1230) rotiert, wobei

- die Leiterschleife (224) derart orientiert ist, dass ein auf einer Querschnittsfläche der Leiterschleife (224) senkrecht stehender Normalenvektor senkrecht auf der Rotationsachse (ROT) steht und

- die Rotationsachse (ROT) senkrecht auf den Feldlinien des magnetischen Feldes (235) steht.

14. Wälzlageranordnung (200) nach einem der Ansprüche 6 bis

13, wobei der Rotor (220), die zweite Komponente (120) des ersten Wälzlagers (100) und die zweite Komponente (120 des zweiten Wälzlagers (100 derart angeordnet sind, dass sie gemeinsam rotieren.

15. Wälzlageranordnung (200) nach einem der Ansprüche 6 bis

14, wobei zumindest ein konventionelles, nicht supraleitendes Wälzlager (211, 212) zum Tragen der mechanischen Last des Rotors (220) vorgesehen ist, wobei die supraleitenden Wälzlager (100, 100 im Wesentlichen nur zur Übertragung des elektrischen Stroms zwischen den jeweiligen ersten (110, 110 und zweiten elektrischen Komponenten (120, 120 über die Wälzkörper (130, 130 dienen.

Description:
Beschreibung

Supraleitendes Wälzlagerlager und Wälzlageranordnung Die Erfindung betrifft ein Wälzlager sowie eine Anordnung, die zwei oder mehr derartige Wälzlager aufweist.

Die Funktionsweise einer elektrischen Maschine beruht auf einer Bewegung eines elektrischen Leiters in einem Magnetfeld, einhergehend mit dem Auftreten der sog. Lorentzkraft . Je nach Betriebszustand der elektrischen Maschine als Generator oder aber als Elektromotor wird entweder die Bewegung des Leiters von außen veranlasst, so dass die Lorentzkraft auf die Ladungen im Leiter wirkt und somit ein Stromfluss generiert wird, oder aber ein Stromfluss wird von außen mit einer entsprechenden Stromquelle in den Leiter eingespeist, so dass die Lorentzkraft die Bewegung des Leiters selbst auslöst.

In beiden Betriebszuständen ist die Bewegung des Leiters in der Regel eine Rotationsbewegung, wobei sich bspw. eine Spule in einem äußeren Magnetfeld eines Permanent- oder eines

Elektromagneten dreht. Es stellt sich in beiden Betriebszuständen der elektrischen Maschine als problematisch dar, dass elektrischer Strom zwischen einem statischen und einem rotie- renden Bauteil übertragen werden muss. Typischerweise werden hierfür Schleif- oder Bürstenkontakte verwendet. Diese Lösung ist jedoch mit vergleichsweise hohen Verlusten behaftet. Damit über den Schleifkontakt hohe Ströme fließen können, muss ein hoher Anpressdruck gewährleistet werden, wodurch wiederum ein hoher Reibwiderstand entsteht, was sich negativ auf den Wirkungsgrad der entsprechenden Maschine auswirkt.

Alternativ können Wälzlager verwendet werden, um eine Übertragung von Strom zwischen statischem und rotierendem Bauteil zu ermöglichen. Wälzlager sind Lager, mit denen eine erste gelagerte Komponente, bspw. ein Innenring, und eine zweite gelagerte Komponente, bspw. ein Außenring relativ zueinander verdrehbar bzw. rotierbar sind. Wohlbekannte Untergruppen der Wälzlager sind bspw. Kugellager oder Rollenlager, wobei auch kombinierte Bauformen möglich sind, wie bspw. in der

DE102006044802A1 beschrieben. Bei einem Radialwälzlager sind Innenring und Außenring typischerweise konzentrisch angeord- net mit einem in radialer Richtung zwischen Innenring und Außenring liegenden Ringspalt. In dem Ringspalt befinden sich zwischen der radialen Innenfläche des Außenrings und der radialen Außenfläche des Innenrings Wälzkörper, so dass Innenring und Außenring relativ zueinander verdrehbar sind, indem sie auf den Wälzkörpern rollen. Je nach Art des Wälzlagers können die Wälzkörper bspw. als Kugeln oder Rollen bzw. Walzen ausgebildet sein. Der Aufbau und die Funktionsweise derartiger Wälzlager sind hinlänglich bekannt, werden daher nicht weiter erläutert. Eine entsprechende Anordnung ergibt sich bei einem Axialwälzlager, bei dem die erste und die zweite Komponente in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Beide Komponenten sind hierbei ringförmig mit im Wesentlichen gleichen Radien. Die Wälzkörper befinden sich auch hier in einem Spalt, der sich in axialer Richtung zwi- sehen den beiden Komponenten befindet.

Mit derartigen Wälzlagern ist eine Übertragung von Strom möglich, aufgrund der geringen Kontaktflächen zwischen den Wälz- körpern und den ersten und zweiten Komponenten sind aber die übertragbaren Stromdichten vergleichsweise gering.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, hohe Ströme zwischen statischen und beweglichen Komponente zu übertragen.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Wälzlager sowie durch die in Anspruch 6 beschriebene Wälzlageranordnung gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen .

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept liegt darin, das Wälzlager mit supraleitenden Komponenten auszustatten. Das Wälzlager ist ein kryogenes Wälzlager, insbesondere ein supraleitendes Wälzlager, das kryogene Komponenten aufweist, welche mittels eines zum Wälzlager und damit zu den Komponenten zuführbaren Kühlmittels auf eine kryogene Temperatur ab- gekühlt werden können. Die kryogenen Komponenten weisen bei der kryogenen Temperatur eine Leitfähigkeit auf, die gegenüber ihrer Leitfähigkeit bei Raumtemperatur oder bspw. bei 0°C um zumindest eine Größenordnung erhöht bzw. verbessert ist .

Hierbei und im Folgenden meint der Begriff kryogenes Wälzlager, dass einige Komponenten des Wälzlagers, bspw. die Wälzkörper sowie elektrische Leiter, die auf den gegeneinander rotierbaren Komponenten des Wälzlagers angebracht sind, kryogen gekühlt sind und sich dementsprechend auf einer kryogenen, d.h. auf einer extrem niedrigen Temperatur befinden, bei der die Leitfähigkeit gegenüber der Raumtemperatur bspw. um einen Faktor 3 oder mehr verbessert ist. In analoger Weise ist auch bspw. der Begriff kryogene Komponente so zu verstehen, dass diese Komponente kryogen gekühlt ist.

Bspw. ist es denkbar, die kryogene Komponente aus Kupfer oder Aluminium herzustellen und sie auf eine Temperatur von 21K zu kühlen. Diese Metalle sind bei dieser Temperatur zwar noch nicht superleitend, aber ihr Widerstand sinkt bei geeigneter Reinheit um bis zu drei Größenordnungen gegenüber dem Widerstand bei Raumtemperatur, was sich bereits als enormer Vorteil darstellt. Weiterhin ist es Bestandteil der Erfindung die kryogenen Komponenten aus einem supraleitenden Material auszuführen. Solche Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei Unterschreiten der für dieses Material typischen Sprungtemperatur in den supraleitenden Zustand übergehen. Im supraleiten- den Zustand kann ein Gleichstrom durch Supraleiter widerstandsfrei fließen und es treten dabei keine elektrischen Wärmeverluste auf. Dementsprechend meint der Begriff supraleitendes Wälzlager, dass einige Komponenten des Wälzlagers, bspw. wieder die Wälzkörper sowie die elektrischen Leiter, supraleitend sind bzw. aus einem Material bestehen, das bei Unterschreiten der für dieses Material typischen Sprungtemperatur in den supraleitenden Zustand übergeht. In analoger Weise ist auch bspw. der Begriff supraleitende Komponente so zu verstehen, dass diese Komponente aus einem Material besteht, das bei Unterschreiten der für dieses Material typischen Sprungtemperatur in den supraleitenden Zustand übergeht .

Weiterhin soll der Begriff supraleitende Komponente sowohl den Fall beinhalten, dass die betroffene Komponente selbst und als Ganzes supraleitend ist bzw. aus dem entsprechenden Material besteht oder ein solches aufweist, als auch den Fall, dass an dieser Komponente ein Bauteil befestigt ist, welches supraleitend ist, bzw. dass die Komponente ein solches Bauteil aufweist. Letzterer Fall kann bspw. in Form einer Beschichtung der jeweiligen Komponente mit einem supraleitenden Material realisiert werden.

Konkret wird ein supraleitendes Wälzlager mit einer ersten, statischen Komponente und einer an der ersten Komponente mit Hilfe von Wälzkörpern des Wälzlagers rotierbar gelagerten zweiten Komponente vorgeschlagen, wobei die erste Komponente, die zweite Komponente und die Wälzkörper supraleitend und elektrisch miteinander verbunden sind, so dass ein elektrischer Strom zwischen der ersten und der zweiten Komponente über die Wälzkörper übertragbar ist. Dabei soll der auf die Komponenten bzw. auf die Wälzkörper bezogene Begriff „supra- leitend" sowohl den Fall beinhalten, dass das betroffene Bauteil selbst und als Ganzes supraleitend ist bzw. aus dem entsprechenden Material besteht oder ein solches aufweist, als auch den Fall, dass an diesem Bauteil ein Objekt befestigt ist, welches supraleitend ist, bzw. dass die Komponente ein solches Objekt aufweist. Ein solches Objekt kann bspw. ein Draht, eine Leiterbahn oder eine spezielle Schicht in der entsprechenden Komponente sein. Die Wälzkörper können eine supraleitende Beschichtung aufweisen, während das Innere der Wälzkörper jeweils aus einem nicht-supraleitenden Material besteht. Zur Realisierung der Supraleitung der Komponenten weist die erste Komponente eine erste supraleitende elektrische Leiteranordnung auf und die zweite Komponente weist eine zweite supraleitende elektrische Leiteranordnung auf. Der elektrische Strom ist zwischen der ersten und der zweiten elektri- sehen Leiteranordnung über die Wälzkörper übertragbar. Dabei kann die jeweilige Komponente selbst die supraleitende elektrische Leiteranordnung darstellen, wenn die Komponente als Ganzes aus einem supraleitenden Material besteht bzw. ein solches aufweist. Alternativ kann die jeweilige Komponente bspw. eine integrierte Leiterbahn oder eine Drahtverbindung aufweisen .

Die erste und die zweite supraleitende elektrische Leiteranordnung weisen jeweils einen supraleitenden Abschnitt an ei- ner Kontaktbahn der jeweiligen Komponente mit den Wälzkörpern auf. Damit kann also der elektrische Strom von den Wälzkörpern auf die jeweilige Komponente übertragen werden. Die erste Komponente und die zweite Komponente sind nach Art eines Wälzlagers derart konzentrisch zueinander angeordnet, dass sich zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente ein Spalt befindet, in dem die Wälzkörper angeordnet sind. Die Wälzkörper sind mit einer ersten Oberfläche der ersten Komponente und mit einer zweiten Oberfläche der zweiten Komponente in Kontakt, wobei die erste und die zweite Oberfläche einander gegenüberliegen und einander zugewandt sind. Bei Rotation der zweiten Komponente rotieren die Wälzkörper ebenfalls und rollen dabei jeweils über eine Bahn auf der ersten und der zweiten Oberfläche. Diese Bahnen repräsentieren demzufolge die genannten Kontaktstellen der Wälzkörper mit der ersten und der zweiten Komponente. Die Kontaktbahnen liegen demnach an jeweils an einer den Wälzkörpern zugewandten Oberfläche der jeweiligen Komponente. Die erste Komponente und die zweite Komponente weisen jeweils einen elektrischen Anschluss zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit einem oder mehreren weiteren elektrischen Vorrichtungen auf, bspw. mit einem elektrischen Ver- braucher oder mit einer Quelle elektrischer Energie. Dabei ist der jeweilige elektrische Anschluss mit der jeweiligen supraleitenden elektrischen Leiteranordnung der Komponenten elektrisch verbunden. Sämtliche erwähnten elektrischen Verbindungen des Wälzlagers sind konsequenterweise ebenfalls supraleitend.

Eine erfindungsgemäße Wälzlageranordnung weist zumindest ein erstes und ein zweites derartiges supraleitendes Wälzlager auf. Weiterhin umfasst die Wälzlageranordnung einen gegenüber den ersten Komponenten der supraleitenden Wälzlager um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor, wobei der Rotor zumindest einen supraleitenden elektrischen Leiter aufweist, der bei Rotation des Rotors mitrotiert. Der elektrische Leiter des Rotors erstreckt sich zwischen einem ersten Leiterabschnitt und einem zweiten Leiterabschnitt, wobei sich zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterabschnitt des elektrischen Leiters des Rotors ein mittlerer Leiterabschnitt befindet, der den ersten und den zweiten Leiterabschnitt elektrische mitei- nander verbindet. Darüber hinaus ist der erste Leiterabschnitt mit der zweiten supraleitenden Leiteranordnung der zweiten Komponente des ersten Wälzlagers elektrisch verbunden, während der zweite Leiterabschnitt mit der zweiten supraleitenden Leiteranordnung der zweiten Komponente des zwei- ten Wälzlagers elektrisch verbunden ist. Somit kann elektrischer Strom zwischen der ersten Komponente des ersten Wälzlagers und der ersten Komponente des zweiten Wälzlagers übertragen werden. Dieser elektrische Strom zwischen den ersten Komponenten der beiden Wälzlager fließt in dieser oder in um- gekehrter Reihenfolge über die Wälzkörper des ersten Wälzlagers, die zweite Komponente des ersten Wälzlagers, den ersten Leiterabschnitt, den mittleren Leiterabschnitt, den zweiten Leiterabschnitt, die zweite Komponente des zweiten Wälzlagers und die Wälzkörper des zweiten Wälzlagers. Der elektrische Leiter des Rotors ist also mit den supraleitenden Wälzlagern derart elektrisch verbunden, dass die zweite Komponente des ersten Wälzlagers, der erste Leiterabschnitt, der mittlere Leiterabschnitt, der zweite Leiterabschnitt und die zweite Komponente des zweiten Wälzlagers, in Reihe geschaltet sind. Da all diese Bauteile supraleitend sind, ergeben sich nur minimale Verluste und damit ein sehr hoher Wirkungsgrad der Wälzlageranordnung, die in dieser Ausführungsform als elekt- rische Maschine Anwendung finden kann.

Die Wälzlageranordnung weist weiterhin einen Stator auf, der Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes umfasst, wobei der Rotor mit dem elektrischen Leiter des Rotors gegenüber dem Stator um die Rotationsachse rotierbar ist, wobei der elektrische Leiter des Rotors derart am Rotor und im magnetischen Feld angeordnet ist, dass bei Rotation des Rotors eine Lorentzkraft auf Ladungen im elektrischen Leiter des Rotors wirkt. Der Stator, die erste Komponente des ersten Wälzlagers und die erste Komponente des zweiten Wälzlagers sind dagegen derart angeordnet und ggf. starr miteinander verbunden, dass sie keine gegenseitigen Rotationen ausführen können. Mit dieser Konstellation realisiert die Wälzlageranordnung eine elektrische Maschine, die wahlweise in einem Generatorbetrieb oder als Elektromotor betreibbar ist.

Der Stator weist zur Erzeugung des magnetischen Feldes eine supraleitende Spulenanordnung auf. Demnach sind sämtliche stromführenden Teile der elektrischen Maschine supraleitend, so dass ein hoher Wirkungsgrad sowie eine hohe Leistungsdichte erzielt werden können.

Gleichstrom bietet gegenüber Wechselstrom den Vorteil, dass einige Verlustmechanismen, wie der Skin-Effekt,

Hystereverluste , der Proximity-Effekt u.a. entfallen. Bei einem Supraleiter treten quasi gar keine Verluste auf, was vor allem für die Erzeugung und Übertragung von hohen Leistungen ein bedeutender Vorteil sein kann. Dementsprechend kann die Wälzlageranordnung in einer Ausführungsform derart aufgebaut sein, dass der supraleitende elektrische Leiter des Rotors derart ausgeprägt und am Rotor angeordnet ist, dass der erste Leiterabschnitt kreis- oder ringförmig ist und im Bereich ei- nes zentralen Punktes des Rotors liegt, durch den sich die Rotationsachse erstreckt. Der zweite Leiterabschnitt ist ringförmig und liegt in einem in radialer Richtung vom zentralen Punkt beabstandet liegenden Randbereich des Rotors, so dass der erste und der zweite Leiterabschnitt konzentrisch angeordnet sind und sich der supraleitende Leiter des Rotors in radialer Richtung zwischen dem zentralen Bereich und dem Randbereich des Rotors erstreckt. Der Rotor und der elektrische Leiter des Rotors sind bezüglich des Stators und des erzeugbaren magnetischen Feldes derart angeordnet und orien- tiert, dass Ladungen im Leiter des Rotors bei Rotation der Scheibe im magnetischen Feld eine in radialer Richtung zwischen dem zentralen Punkt und dem Randbereich des Rotors orientierte Lorentzkraft erfahren. Dabei ist ein auf einer

Querschnittsfläche des elektrischen Leiters des Rotors senk- recht stehender Normalenvektor parallel zur Rotationsachse orientiert und die Rotationsachse ist weitestgehend parallel zu den Feldlinien des magnetischen Feldes orientiert, zumindest bzgl . Feldlinien in dem Raumbereich, in dem die Feldlinien weitestgehend parallel zueinander sind, was bspw. in der Nähe der Rotationsachse der Fall ist. Dabei bedeutet „weitestgehend parallel", dass zumindest eine Komponente desjenigen Vektors, der die Ausrichtung der Rotationsachse beschreibt, parallel zu den Feldlinien des magnetischen Feldes ist. Um einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten, schließen die Rotationsachse und die Feldlinien jedoch idealerweise einen Winkel von höchstens 10° ein. Die grundsätzliche Funktion ist jedoch auch bei größeren Winkeln gewährleistet, solange Rotationsachse und Feldlinien nicht senkrecht zueinander stehen. Die Querschnittsfläche wird durch diejenige Ebene defi- niert, die durch die radialen Leiterbahnen des mittleren Leiterabschnitts aufgespannt wird. Auch entspricht die

Querschnittsfläche der Ebene, in der der kreisringförmige zweite Leiterabschnitt liegt. Der mittlere Leiterabschnitt weist eine Vielzahl von im Wesentlichen radial verlaufenden dünnen Leiterbahnen auf, die den ersten und den zweiten Leiterabschnitt elektrisch mitei- nander verbinden. Die Leiterbahnen sind demnach im Wesentlichen sternförmig um den ersten Leiterabschnitt angeordnet. Da in dieser Ausführungsform bei rotierendem Rotor die

Lorentzkraft in radialer Richtung wirkt, gewährleistet die radiale Orientierung der Leiterbahnen eine ideale Geometrie.

Hierbei kann der Randbereich des Rotors selbst die zweite Komponente des zweiten Wälzlagers darstellen. Alternativ wäre eine separate zweite Komponente vonnöten, die mit dem Rotor mitrotiert und die elektrisch mit dem Randbereich des Rotors bzw. mit dem zweiten Leiterabschnitt verbunden sein müsste. Die hier vorgeschlagene Maßnahme erlaubt es, auf eine derartige separate Komponente zu verzichten.

Der Rotor weist weiterhin eine Welle auf, die die Rotation des Rotors unterstützt und in dieser Funktion je nach Betriebszustand der elektrischen Maschine als Elektromotor bzw. als Generator ein Drehmoment von bzw. auf den Rotor überträgt, also die mechanische Last des Rotors trägt, wobei die Welle die zweite Komponente des ersten Wälzlagers darstellt.

In einer alternativen Ausführungsform ist der mittlere Leiterabschnitt in Form einer Leiterschleife angeordnet, insbesondere in Form einer Spule, die bei Rotation des Rotors im magnetischen Feld des Stators rotiert. Die Leiterschleife ist derart orientiert, dass ein auf einer Querschnittsfläche der Leiterschleife senkrecht stehender Normalenvektor senkrecht auf der Rotationsachse steht. Die Rotationsachse steht ihrerseits senkrecht auf den Feldlinien des magnetischen Feldes steht, wiederum zumindest bzgl . Feldlinien in dem Raumbe- reich, in dem die Feldlinien weitestgehend parallel zueinander sind, was bspw. in der Nähe der Rotationsachse der Fall ist . Der Rotor, die zweite Komponente des ersten Wälzlagers und die zweite Komponente des zweiten Wälzlagers sind derart angeordnet und ggf. mechanisch miteinander verbunden sind, dass sie gemeinsam rotieren.

Zusätzlich kann zumindest ein konventionelles, nicht supraleitendes Wälzlager zum Tragen der mechanischen Last des Rotors vorgesehen ist, wobei die supraleitenden Wälzlager im Wesentlichen nur zur Übertragung des elektrischen Stroms zwi- sehen den jeweiligen ersten und zweiten elektrischen Komponenten über die Wälzkörper dienen. Das konventionelle Wälzlager kann bspw. die Welle lagern.

Das hier vorgestellte Konzept offenbart eine Vielzahl von Vorteilen. Es wird ermöglicht, Strom mit geringen Verlusten zwischen einem rotierenden und einem ruhenden Körper zu übertragen. Während Supraleiter bis zu einer sehr hohen kritischen Stromdichte insbesondere Gleichströme weitestgehend verlustfrei leiten können, erlauben Wälzlager eine weitestge- hend verlustfreie Ausführung einer Rotationsbewegung zweier

Körper gegeneinander. Um möglichst geringe Verluste bei Wälzlagern zu ermöglichen, sollte der Reibungskoeffizient klein gehalten werden, was durch eine geringe Berührfläche zwischen Wälzkörpern und Ringen des Wälzlagers realisiert werden kann. Da Supraleiter große Stromdichten in Größenordnungen von

>lkA/mm2 erlauben, genügt bereits eine kleine Berührfläche, um große Strommengen transportieren zu können.

Wesentliche Vorteile des vorgestellten Konzepts sind das ge- ringere Gewicht und die stark reduzierten mechanischen und elektrischen Verluste eines supraleitenden Kugellagers, insbesondere gegenüber der Verwendung von Bürsten. Die mechanischen Verluste eines Wälzlagers liegen unter den Reibungsverlusten von Bürsten. Eine Gewichtsreduktion ergibt sich da- durch, dass der Supraleiter hohe Stromdichten übertragen kann, weshalb deutlich weniger Material zum Bau des Lagers benötigt wird. Ein derartiges supraleitendes Wälzlager erlaubt die Nutzung großer elektrischer Maschinen insbesondere mit Gleichstrom, was zu einer Reduzierung der Blindleistung, der Wechselstromverluste und der Übertragungsverluste bei Hochleistungslei - tungen führt .

Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager in einer

Frontalansicht ,

FIG 2 das Kugellager in einer ersten Ausführungsform in ei- ner Seitenansicht,

FIG 3 einen Wälzkörper in einer ersten Ausführungsform in einer Seiten- bzw. Schnittansicht,

FIG 4 eine Draufsicht auf eine radial innen liegende Oberfläche eines Außenrings des Kugellagers,

FIG 5 das Kugellager in einer zweiten Ausführungsform in einer Seitenansicht,

FIG 6 eine Wälzlageranordnung in einer ersten Ausführungsform,

FIG 7 eine Wälzlageranordnung in einer zweiten Ausführungs- form,

FIG 8 eine Draufsicht auf eine supraleitende Leiterscheibe, FIG 9 eine erste Variante eines Rotors,

FIG 10 eine zweite Variante eines Rotors. Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren kennzeichnen gleiche Komponenten. Weiterhin sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial" und „radial" auf die im jeweils beschriebenen Beispiel bzw. in der jeweiligen Figur zum Einsatz kommende Rotationsachse ROT beziehen.

Die FIG 1 und 2 zeigen ein Wälzlager 100, welches in den im Rahmen der folgenden Figurenbeschreibung insbesondere als Kugellager ausgebildet ist. Dementsprechend sind Wälzkörper 130 des Wälzlagers 100 als Kugeln 130 ausgebildet. Die FIG 1 zeigt das Kugellager 100 in einer Frontansicht, während es in der FIG 2 in einem seitlichen Schnitt dargestellt ist, entsprechend der Linie II in FIG 1.

Das Kugellager 100 weist eine erste, statische Komponente 110 sowie eine an der ersten Komponente 110 mit Hilfe der Kugeln 130 rotierbar gelagerte zweiten Komponente 120 auf. Die erste 110 wie auch die zweite Komponente 120 sind ringförmig und dabei konzentrisch um eine Rotationsachse ROT angeordnet. Dabei hat die erste, statische Komponente 110 im hier dargestellten Fall einen größeren Radius als die zweite,

rotierbare Komponente 120. In axialer Richtung befinden sich die erste und die zweite Komponente 110, 120 an derselben Position. Die zweite, rotierbare Komponente 120 ist also innerhalb der ersten, statischen Komponente 110 angeordnet. Demzufolge kann die zweite Komponente 120 als Innenring bezeichnet werden, während die erste Komponente 110 ein Außenring ist. Entsprechend der an sich bekannten Funktionsweise eines Kugellagers kann die zweite Komponente 120 bezüglich der ersten Komponente 110 rotieren, wobei die zweite Komponente 120 mit ihrer radial außen liegenden Oberfläche 121 auf den Kugeln 130 abrollt und wobei die Kugeln 130 ihrerseits auf der radial innen liegenden Oberfläche 111 der ersten Komponente 110 rollen. Wie in den in den FIG 2 und 5 dargestellten Schnitten zu erkennen ist, haben sowohl die erste 110 als auch die zweite Komponente 120 jeweils an den Oberflächen 111, 121, auf denen die Ku- geln 130 rollen, eine konkave Form, wodurch bewirkt wird, dass die Kugeln 130 auch bei Rotation im Kugellager 100 gehalten werden. Dieses Konzept eines Wälz- bzw. Kugellagers ist an sich bekannt, wird daher im Folgenden nicht näher beschrieben .

Je nach Anwendung und ggf. günstigerer Geometrie kann das Kugellager 100 auch derart aufgebaut sein, dass die erste, statische Komponente 110 als Innenring und die zweite, rotierbare Komponente 120 als Außenring ausgebildet ist, wobei in diesem Fall die erste Komponente 110 einen geringeren Radius aufweist als die zweite Komponente 120. Demnach wäre die erste Komponente 110 innerhalb der zweiten Komponente 120 angeordnet .

Das Kugellager 100 weist neben den gängigen, oben beschriebenen Bauteilen 110, 120, 130 desweiteren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung des Kugellagers 100 mit einer elekt- rischen Vorrichtung 300 einen ersten elektrischen Anschluss 112 und einen zweiten elektrischen Anschluss 122 auf. Eine derartige elektrische Vorrichtung 300 ist in den FIG 6, 7 exemplarisch aufgeführt. Der erste Anschluss 112 ist an der ersten, statischen Komponente 110 angebracht und elektrisch mit dieser verbunden, während der zweite Anschluss 122 an der zweiten, rotierbaren Komponente 120 angebracht und mit dieser verbunden ist, so dass der zweite Anschluss 122 bei Rotation der zweiten Komponente 120 mitrotiert. Die erste und die zweite Komponente 110, 120 sowie die Kugeln 130 sind elektrisch leitend, so dass es durch die beschriebene Konstellation möglich wird, einen elektrischen Strom zwischen dem ersten Anschluss 112 und dem zweiten Anschluss 122 über die erste statische Komponente 110, die Kugeln 130 und die zweite Komponente 120 zu übertragen. Demnach kann das Kugellager 100 dazu dienen, elektrischen Strom zwischen einem mit dem ersten Anschluss 112 elektrisch verbundenen statischen Bauteil und einem mit dem zweiten Anschluss 122 verbundenen, gegenüber dem statischen Bauteil rotierenden Bauteil zu übertragen. Das statische Bauteil kann bspw. die bereits erwähnte elektrische Vorrichtung 300 sein, während das rotierende Bauteil bspw. ein Rotor einer elektrischen Maschine sein kann. Eine derartige Konstellation ist ebenfalls in den FIG 6, 7 dargestellt.

Das Kugellager 100 bzw. die erste Komponente 110, die zweite Komponente 120 und die Kugeln 130 sind zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit als supraleitende Bauteile konzi- piert . Dabei soll der auf die Komponenten 110, 120 bzw. auf die Kugeln 130 bezogene Begriff „supraleitend" sowohl den Fall beinhalten, dass das betroffene Bauteil 110, 120, 130 selbst und als Ganzes supraleitend ist bzw. aus dem entspre- chenden Material besteht oder ein solches aufweist, als auch den Fall, dass dieses Bauteil 110, 120, 130 ein Objekt aufweist, welches supraleitend ist, bzw. dass an dem Bauteil ein solches Objekt befestigt ist. Ein solches Objekt kann bspw. ein Draht, eine Leiterbahn oder eine spezielle Schicht in dem entsprechenden Bauteil sein.

Bei den in den FIG 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen bestehen die Kugeln 130 sowie auch die erste und die zweite Komponente 110, 120 und mit ihnen ihre Oberflächen 111, 121 aus dem supraleitenden Material. Konsequenterweise sind auch die Anschlüsse 112, 122 supraleitend bzw. bestehen aus einem derartigen Material, so dass der elektrische Strom weitestgehend verlustlos zwischen den Anschlüssen 112, 122 übertragen werden kann.

Formal weist die erste Komponente 110 des Kugellagers 100 zur Realisierung der Supraleitung der ersten Komponente 110 eine erste supraleitende elektrische Leiteranordnung 115 auf, während die zweite Komponente 120 dementsprechend eine zweite supraleitende elektrische Leiteranordnung 125 aufweist. In einer ersten Ausführungsform des Kugellagers 100 bestehen die Komponenten 110, 120 selbst aus einem supraleitenden Material bzw. weisen ein solches auf. Dementsprechend stellen die erste 110 und die zweite Komponente 120 in der ersten Ausfüh- rungsform des Kugellagers 100 selbst die entsprechenden supraleitenden Leiteranordnungen 115, 125 dar. Die supraleitenden Leiteranordnungen 115, 125 bzw. die erste und die zweite Komponenten 110, 120 sind zum Einen mit den supraleitenden Kugeln 130 und zum Anderen mit den supraleitenden elektri- sehen Anschlüssen 112, 122 in elektrischem Kontakt, so dass der elektrische Strom weitestgehend verlustlos zwischen den Anschlüssen 112, 122 übertragen werden kann. Die FIG 3 zeigt eine alternative mögliche Ausführungsform einer der Kugeln 130 des supraleitenden Kugellagers 100. Die Kugel 130 besteht hier nicht vollständig aus supraleitendem Material, sondern sie weist eine supraleitende Beschichtung 131 auf. Das Innere 132 der Kugel 130 besteht aus einem nicht-supraleitenden, wobei die supraleitende Beschichtung 131 das Innere 132 vollständig umgibt. Das nichtsupraleitende Material kann bspw. eine Keramik oder eine Metalllegierung sein.

Die FIG 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform des supraleitenden Kugellagers 100, bei der die Komponenten 110 bzw. 120 nicht vollständig aus supraleitendem Material bestehen, bei der die Komponenten also zusätzlich zu den supraleitenden elektrischen Leiteranordnungen 115, 125 weiteres, nichtsupraleitendes Material aufweisen, bspw. wieder eine Keramik oder eine Metalllegierung. Bspw. kann die erste Komponente 110 einen Träger 116 aus derartigem, nicht-supraleitendem Material aufweisen, in den bzw. an dem eine erste supraleitende Leiteranordnung 115 eingebettet bzw. befestigt ist. Die zweite Komponente 120 weist einen dem ersten Träger 116 entsprechenden zweiten Träger 126 aus nicht-supraleitendem Material sowie eine zweite supraleitende Leiteranordnung 125 auf. Die Funktionen derartiger Träger 116, 126 können darin bestehen, das Kugellager 100 zu stabilisieren und ihm eine erhöhte mechanische Festigkeit zu verleihen.

Die supraleitenden Leiteranordnungen 115, 125 sind derart aufgebaut und an dem jeweiligen Träger 116, 126 angebracht, dass sie zum Einen mit den supraleitenden Kugeln 130 und zum Anderen mit den supraleitenden elektrischen Anschlüssen 112, 122 in elektrischem Kontakt sind, so dass der elektrische Strom weitestgehend verlustlos zwischen den Anschlüssen 112, 122 übertragen werden kann.

Hierzu weist die erste supraleitende Leiteranordnung 115 einen ersten supraleitenden Abschnitt 113 auf, der an der Oberfläche 111 der ersten Komponente 110 im Bereich einer Kon- taktbahn der Kugeln 130 mit der Oberfläche 111 angeordnet ist. Die erste Komponente 110 sowie auch die zweite Komponente 120 sind wie bereits erwähnt derart konzentrisch zueinander angeordnet, dass sich zwischen der ersten Komponente 110 und der zweiten Komponente 120 ein Spalt befindet, in dem die Kugeln 130 angeordnet sind. Die Kugeln 130 sind mit der ersten Oberfläche 111 der ersten Komponente 110 und mit der zweiten Oberfläche 121 der zweiten Komponente 120 in Kontakt, wobei die erste 111 und die zweite Oberfläche 121 einander gegenüberliegen und einander zugewandt sind. Bei Rotation der zweiten Komponente 120 gegenüber der ersten Komponente 110 rotieren die Kugeln 130 ebenfalls und rollen dabei jeweils über eine Bahn auf der ersten 111 und der zweiten Oberfläche 121. Diese Bahnen repräsentieren demzufolge die genannten Kontaktbahnen der Kugeln mit der ersten 110 und der zweiten Komponente 120.

Idealerweise erstreckt sich der erste supraleitende Abschnitt 113 entlang des vollständigen Umfangs der Kontaktbahn auf der ersten Oberfläche 111 der ersten Komponente 110. In analoger Weise weist die zweite supraleitende Leiteranordnung 125 ebenfalls einen zweiten supraleitenden Abschnitt 123 auf, der an der Oberfläche 121 der zweiten Komponente 120 im Bereich der Kontaktbahn der Kugeln 130 mit der zweiten Oberfläche 121 angeordnet ist. Wie erwähnt rollen die Kugeln 130 bei Rotation der zweiten Komponente bezüglich der ersten Komponente auf den Kontaktbahnen bzw. auf dem ersten und dem zweiten supraleitenden Abschnitt 113, 123. Der erste 113 sowie der zweite supraleitende Abschnitt 123 können bspw. in Form einer Be- Schichtung mit einem supraleitenden Material auf der ersten 111 und zweiten Oberfläche 121 realisiert werden.

Die FIG 4 zeigt in diesem Zusammenhang exemplarisch die in der FIG 1 mit dem Pfeil IV angedeutete Sicht, also eine

Draufsicht auf die radial innen liegende erste Oberfläche 111 der ersten Komponente 110. Dabei ist in der FIG 4 lediglich ein Ausschnitt der genannten Oberfläche 111 dargestellt. Zusätzlich zu dem ersten supraleitenden Abschnitt 113 weist die erste supraleitende Leiteranordnung 115 eine erste supraleitende Verbindung 114 auf, die den ersten Abschnitt 113 mit dem ersten Anschluss 112 elektrisch verbindet. Dementspre- chend weist die zweite supraleitende Leiteranordnung 125 eine zweite supraleitende Verbindung 124 auf, die ihrerseits den zweiten Abschnitt 123 mit dem zweiten Anschluss 122 elektrisch verbindet. Dabei erstrecken sich die erste und die zweite supraleitende Verbindung 114, 124 von den Oberflächen 111, 121 durch die jeweiligen Träger 116, 126 bis zu den Anschlüssen 112, 122. Die Verbindungen 114, 124 können bspw. als Draht oder auch als flächiger Leiter ausgebildet sein.

Demzufolge erlaubt das Kugellager 100 in seiner zweiten Aus- führungsform eine weitestgehend verlustfreie Übertragung von elektrischem Strom zwischen dem ersten Anschluss 112 und dem zweiten Anschluss 122 über die erste supraleitende Verbindung 114, den ersten supraleitenden Abschnitt 113, die Kugeln 130, den zweiten supraleitenden Abschnitt 123 und die zweite sup- raleitende Verbindung 124.

Um das Kugellager 100 bzw. zumindest seine entsprechenden Bauteile auf eine für den Eintritt und das Aufrechterhalten der Supraleitung ausreichend niedrige Temperatur zu bringen, kann es bspw. in einem Stickstoffbad betrieben werden.

Die FIG 6 zeigt eine erste Ausführungsform einer Wälzlageranordnung 200, die bspw. als elektrische Maschine Anwendung finden kann. Diese Wälzlageranordnung bzw. die elektrische Maschine weist ein erstes 100 sowie ein zweites supraleitendes Kugellager 100' auf, wobei beide Kugellager 100, 100' gemäß der in den FIG 1 bis 5 beschriebenen supraleitenden Wälz- bzw. Kugellager 100, 100' ausgebildet sind. Bei den in FIG 6 dargestellten Kugellagern 100, 100' handelt es sich insbeson- dere um Kugellager gemäß der ersten Ausführungsform, bei der die ersten Komponenten 110, 110' und zweiten Komponenten 120, 120' selbst aus einem supraleitenden Material bestehen bzw. ein solches aufweisen. Natürlich ist es aber auch denkbar, dass in dieser Anwendung Kugellager 100, 100' gemäß der zweiten Ausführungsform zum Einsatz kommen.

Das erste und das zweite Kugellager 100, 100' der Wälzlager- anordnung 200 weisen jeweils eine erste, statische Komponente 110, 110' auf, die gegenüber einer Umgebung der Wälzlageranordnung 200 nicht rotierbar sind. Die Wälzlageranordnung 200 weist weiterhin eine Welle 210 auf, die gegenüber der Umgebung rotierbar gelagert ist. Zur Lagerung können bspw. zu- sätzliche Kugellager 211, 212 eingesetzt werden, die die mechanische Last der Gesamtanordnung tragen. Dies hat zum Vorteil, dass die supraleitenden Kugellager 100, 100' weitestgehend von mechanischer Last befreit sein können und im Wesentlichen nur zur Übertragung eines elektrischen Stroms zwischen den jeweiligen ersten 110, 110' und zweiten elektrischen Komponenten 120, 120' über die Kugeln 130, 130' dienen.

Die zweite Komponente 120 des ersten Kugellagers 100 sowie die zweite Komponente 120' des zweiten Kugellagers 100' sind fest mit der Welle 210 verbunden, so dass sie bei einer Drehung der Welle 210 mitrotieren. An der Welle 210 ist weiterhin ein Rotor 220 befestigt, der ebenfalls mit der Welle 210 rotiert, so dass im Falle des Auftretens einer Rotation die Welle 210, der Rotor 220 sowie die zweiten Komponenten 120, 120' der Kugellager 100, 100' gemeinsam rotieren.

Der Rotor 220 trägt einen supraleitenden elektrischen Leiter 221, der bei Rotation des Rotors 220 ebenfalls mitrotiert. Der elektrische Leiter 221 des Rotors 220 erstreckt sich zwi- sehen einem ersten supraleitenden Leiterabschnitt 222 und einem zweiten supraleitenden Leiterabschnitt 223, wobei sich zwischen dem ersten 222 und dem zweiten Leiterabschnitt 223 ein mittlerer supraleitender Leiterabschnitt 224 befindet. Der mittlere Leiterabschnitt 224 ist in Form einer Leiter- schleife angeordnet, insbesondere in Form einer Spule, die bei Rotation des Rotors 220 mitrotiert, wobei ein auf einer Querschnittsfläche der Leiterschleife 224 senkrecht stehender Normalenvektor senkrecht auf der Rotationsachse ROT steht. Der erste Leiterabschnitt 222 ist seinerseits mit dem zweiten elektrischen Anschluss 122 der zweiten Komponente 120 des ersten Kugellagers 100 elektrisch verbunden, während der zweite Leiterabschnitt 223 mit dem zweiten elektrischen Anschluss 122' der zweiten Komponente 120' des zweiten Kugellagers 100' elektrisch verbunden ist, so dass elektrischer Strom zwischen der ersten Komponente 110 des ersten Kugellagers 100 und der ersten Komponente 110' des zweiten Kugella- gers 100' übertragbar ist.

Dieser elektrische Strom zwischen den ersten Komponenten 110, 110' der beiden Kugellager 100, 100' fließt in dieser oder in umgekehrter Reihenfolge über die Kugeln 130 des ersten Kugel- lagers 100, die zweite Komponente 120 des ersten Kugellagers 100, den zweiten Anschluss 122 des ersten Kugellagers 100, den ersten Leiterabschnitt 222, den mittleren Leiterabschnitt 224, den zweiten Leiterabschnitt 223, den zweiten Anschluss 122' des zweiten Kugellagers 100', die zweite Komponente 120' des zweiten Kugellagers 100' und die Kugeln 130' des zweiten Kugellagers 100'.

Die Wälzlageranordnung 200 weist weiterhin einen Stator 230 mit Mitteln 231, 232 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes mit magnetischen Feldlinien 235 auf. Der Stator 230, die erste Komponente 110 des ersten Kugellagers 100 und die erste Komponente 110' des zweiten Kugellagers 100' sind derart angeordnet, dass sie keine gegenseitigen Rotationen ausführen. Hierzu können sie ggf. starr miteinander verbunden sein.

Der Rotor 220 mit dem elektrischen Leiter 221 ist innerhalb des Stators 230 angeordnet und gegenüber dem Stator 230 um die Rotationsachse ROT rotierbar. Dabei rotiert der elektrische Leiter 221 des Rotors 220 und insbesondere dessen mitt- lerer Abschnitt 224 bzw. die Leiterschleife 224 im magnetischen Feld, so dass bei Rotation des Rotors 220 eine

Lorentzkraft auf Ladungen im mittleren Leiterabschnitt 224 und damit im elektrischen Leiter 221 des Rotors 220 wirkt. 2 Q

Hierzu sind der Rotor 220 und der mittlere Leiterabschnitt 224 derart angeordnet, dass der auf der Querschnittsfläche der Leiterschleife 224 senkrecht stehende Normalenvektor senkrecht auf der Rotationsachse ROT steht und die Rotation- sachse ROT senkrecht auf den Feldlinien des magnetischen Feldes 235 steht, zumindest bzgl . Feldlinien in demjenigen Raumbereich, in dem die Feldlinien weitestgehend parallel zueinander sind.

Die Mittel zur Erzeugung des magnetischen Feldes können bspw. permanentmagnetische Pole 231, 232 sein. Alternativ kann der Stator 230 einen Elektromagneten zur Erzeugung des magnetischen Feldes aufweisen (nicht dargestellt) . Idealerweise ist dieser Elektromagnet mit supraleitenden Spulen ausgestattet.

Der elektrische Leiter 221 des Rotors 220 ist also mit den supraleitenden Kugellagern 100, 100' derart elektrisch verbunden, dass die zweite Komponente 120 des ersten Kugellagers 100, der erste Leiterabschnitt 222, der mittlere Leiterabschnitt 224, der zweite Leiterabschnitt 223 und die zweite Komponente 120' des zweiten Kugellagers 100' in Reihe geschaltet sind. Da all diese Bauteile supraleitend sind, ergeben sich nur minimale Verluste und damit ein sehr hoher Wirkungsgrad der Wälzlageranordnung 1, die in dieser Ausführungsform als elektrische Maschine Anwendung finden kann.

Zu diesem Zweck ist die Wälzlageranordnung 200 elektrisch mit der bereits erwähnten elektrischen Vorrichtung 300 verbunden. Die Vorrichtung 300 weist einen ersten 301 und einen zweiten elektrischen Anschluss 302 auf. Der erste Anschluss 301 ist mit dem ersten elektrischen Anschluss 112 der ersten, statischen Komponente 110 des ersten Kugellagers 100 elektrisch verbunden, während der zweite Anschluss 302 mit dem ersten elektrischen Anschluss 112' der ersten Komponente 110' des zweiten Kugellagers 100' elektrisch verbunden ist, so dass elektrischer Strom zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 301, 302 der elektrischen Vorrichtung fließen kann. In einer Anwendung der elektrischen Vorrichtung 300 mit der Wälzlageranordnung 200 als Generator, repräsentiert die elektrische Vorrichtung 300 einen elektrischen Verbraucher. Die Welle 210 und mit ihr der Rotor 220 sowie die zweiten Komponenten 120, 120' der Kugellager 100, 100' werden in Rotation versetzt. Durch das Zusammenwirken mit dem magnetischen Feld des Stators 230 wird in die Leiterschleife 224 eine elektrische Spannung induziert, die schließlich der elektrischen Vorrichtung 300 bzw. dem elektrischen Verbraucher an dessen Anschlüssen 301, 302 zur Verfügung gestellt wird.

In einer Anwendung der elektrischen Vorrichtung 300 mit der Wälzlageranordnung 200 als Elektromotor zum Antreiben eines Gegenstands, repräsentiert die elektrische Vorrichtung 300 eine Quelle elektrischer Energie, die der Wälzlageranordnung 200 über die Anschlüsse 301, 302 zur Verfügung gestellt wird. Der somit durch die Leiterschleife 224 fließende elektrische Strom bewirkt in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld 235 des Stators 230 eine Lorentzkraft auf die Leiterschleife 224, was sich in einer Rotation des Rotors 220 und der Welle 220 niederschlägt. Die Welle 220 kann mit dem anzutreibenden Gegenstand verbunden sein (nicht dargestellt) , bspw. ein Propeller, so dass dieser ebenfalls in Rotation versetzt wird. Es sei angemerkt, dass die Anordnung und Orientierung der

Leiterschleife 224 in FIG 6 lediglich symbolisch bzw. exemplarisch dafür steht, dass der Rotor 220 eine derartige Leiterschleife 224 trägt, welche einen elektrischen Strom führen kann, so dass in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des

Stators 230 eine Lorentzkraft auftreten kann. Entsprechendes gilt für die angedeuteten magnetischen Feldlinien 235, welche ebenfalls lediglich symbolisch zu verstehen sind, um die Präsenz eines magnetischen Feldes anzudeuten. Die konkrete Anordnung und Orientierung der Leiterschleife 224 hängt auch davon ab, nach welchem Funktionsprinzip die Wälzlageranordnung 200 bzw. die elektrische Maschine arbeiten soll. Bspw. kann die Maschine 200 eine Axial- oder aber eine Radialflussmaschine sein. Auch ist bei der Konstruktion zu beachten, ob die Maschine 200 mit Gleich- oder Wechselstrom arbeitet, wobei ein Gleichstrombetrieb vorzuziehen ist, da die Supraleitung beim Wechselstrombetrieb Verlusten unterliegt. Die FIG 7 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Wälzlageranordnung 200, die ebenfalls bspw. als elektrische Maschine Anwendung finden kann. Diese Wälzlageranordnung 200 bzw. die elektrische Maschine weist ein erstes 100 sowie ein zweites supraleitendes Kugellager 100' auf, wobei beide Kugellager 100, 100' gemäß der in den FIG 1 bis 5 beschriebenen supraleitenden Wälz- bzw. Kugellager 100, 100' ausgebildet sind. Bei den in FIG 7 dargestellten Kugellagern 100, 100' handelt es sich insbesondere um Kugellager gemäß der ersten Ausführungsform, bei der die Kugeln 130, 130', die ersten, stati- sehen Komponenten 110, 110' und zweiten, rotierbaren Komponenten 120, 120' selbst aus einem supraleitenden Material bestehen bzw. ein solches aufweisen. Natürlich ist es aber auch denkbar, dass in dieser Anwendung Kugellager 100, 100' gemäß der zweiten Ausführungsform zum Einsatz kommen.

Das erste und das zweite Kugellager 100, 100' der Wälzlageranordnung 200 weisen jeweils eine erste, statische Komponente 110, 110' auf, die gegenüber einer Umgebung der Wälzlageranordnung 200 nicht rotierbar sind. Die Wälzlageranordnung 200 weist weiterhin eine Welle 210 und einen an der Welle 210 befestigten Rotor 220 auf, die gegenüber der Umgebung gemeinsam um eine Rotationsachse ROT rotierbar gelagert sind. Zur Lagerung können bspw. zusätzliche Kugellager 211, 212 eingesetzt werden, die die mechanische Last der Gesamtanordnung tragen. Dies hat zum Vorteil, dass die supraleitenden Kugellager 100, 100' weitestgehend von mechanischer Last befreit sein können und im Wesentlichen nur zur Übertragung eines elektrischen Stroms zwischen den jeweiligen ersten 110, 110' und zweiten elektrischen Komponenten 120, 120' über die Kugeln 130, 130' dienen. Weiterhin weist die Wälzlageranordnung 200 einen gegenüber der Umgebung unbeweglichen Stator 230 mit Mitteln 231, 232 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes mit Feldlinien 235 auf. Im Falle des Auftretens einer Rotation rotieren die Welle 210, der Rotor 220 sowie die zweiten Komponenten

120, 120' der Kugellager 100, 100' gemeinsam gegenüber der Umgebung und insbesondere gegenüber dem Stator 230 und seinem magnetischen Feld.

Die zweite, rotierbare Komponente 120 des ersten Kugellagers 100 sowie die zweite Komponente 120' des zweiten Kugellagers 100' sind elektrisch leitend und darüber hinaus fest mit der Welle 210 verbunden, so dass sie bei einer Drehung der Welle 210 mitrotieren. In der FIG 7 ist die zweite Komponente 120 des ersten Kugellagers 100 als radialer Überstand an der Welle 210 dargestellt, der an der radial außen liegenden Seite

121, auf den die Kugeln 130 rollen, den oben bereits erwähnten, typischen konkaven Querschnitt aufweist. Bei Bedarf kann auf die Verwendung der radialen Überstände verzichtet werden und die konkave Oberfläche 121 kann direkt in die Welle 210 integriert sein. In diesem Fall stellt also die Welle 210 selbst die zweite, rotierbare Komponente 120 des ersten Kugellagers 100 dar. Diese Maßnahme spart Platz, da das erste Kugellager 100 mit geringerem Radius realisiert werden kann, reduziert aber auch die Stabilität der Welle 210.

In der zweiten Ausführungsform der Wälzlageranordnung 200 ist das zweite Kugellager 100' derart realisiert, dass seine zweite, rotierbare Komponente 120' ein Bestandteil bzw. ein Abschnitt des Rotors 220 ist. Wie in der FIG 7 angedeutet, stellt der Rotor 220 selbst bzw. insbesondere sein radial außen liegender Randbereich die zweite Komponente 120' des zweiten Kugellagers 100' dar, auf der die Kugeln 130' des zweiten Kugellagers 100' rollen. Dementsprechend weist der

Randbereich des Rotors 220 radial außen eine konkave Oberfläche 121' zum Führen der Kugeln 130' auf.

Der Rotor 220 trägt einen supraleitenden elektrischen Leiter 221, der bei Rotation des Rotors 220 ebenfalls mitrotiert und der elektrisch mit der Welle 210 verbunden ist. Der supraleitende Leiter 221, der in der FIG 8 in einer Draufsicht dargestellt ist, erstreckt sich zwischen einem ersten supraleiten- den Leiterabschnitt 222 und einem zweiten supraleitenden Leiterabschnitt 223 des Leiters 221, wobei sich zwischen dem ersten 222 und dem zweiten Leiterabschnitt 223 ein mittlerer supraleitender Leiterabschnitt 224 befindet.

Der erste Leiterabschnitt 222 befindet sich im Bereich eines zentralen Punktes des Rotors 220, durch den sich die Rotationsachse ROT erstreckt, und der zweite Leiterabschnitt 223 liegt in einem in radialer Richtung vom zentralen Punkt beabstandet liegenden Randbereich des Rotors 220, so dass sich der Leiter 221 des Rotors 220 in radialer Richtung zwischen dem zentralen Bereich und dem Randbereich des Rotors 220 erstreckt. Der erste 222 und der zweite Leiterabschnitt 223 sind kreisringförmig. Im Extremfall kann sich die Ausdehnung des zweiten supraleitenden Leiterabschnitts 223 auf eine supraleitende Beschichtung auf der radial außen liegenden Oberfläche 121' des Rotors 220 beschränken, bspw. vergleichbar mit dem supraleitenden Abschnitt 123 in FIG 5, auf dem die Kugeln

130' bei Rotation des Rotors 220 rollen. Auch kann der erste Leiterabschnitt 222 anstelle der Kreisringform die Form eines Vollkreises aufweisen. Der mittlere Leiterabschnitt 224 besteht aus einer Vielzahl von radial verlaufenden, dünnen Lei- terbahnen 227, die den ersten 222 und den zweiten Leiterabschnitt 223 elektrisch miteinander verbinden. Der Übersichtlichkeit wegen sind in der FIG 8 nur einige wenige der Leiterbahnen 227 mit Bezugszeichen versehen. Der erste Leiterabschnitt 222 ist mit der Welle 210 elektrisch verbunden. Da die Welle 210 ihrerseits mit der zweiten Komponente 120 des ersten Kugellagers 100 elektrisch verbunden ist, ergibt sich eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Leiterabschnitt 222 des Leiters 221 des Rotors 220 und der zweiten Komponente 120 des ersten Kugellagers 100. Der zweite Leiterabschnitt 223 ist seinerseits mit der zweiten Komponente 120' des zweiten Kugellagers 100' elektrisch verbunden bzw. stellt diese zweite Komponente 120' selbst dar. Letztlich ergibt sich eine supraleitende, elektrische Verbindung zwischen der ersten, statischen Komponente 110 des ersten Kugellagers 100 und der ersten, statischen Komponente 110' des zweiten Kugellagers 100'.

Wie oben angedeutet trägt der Rotor 220 den supraleitenden Leiter 221. Der supraleitende Leiter 221 kann in einer ersten Variante des Rotors 220 in einen Trägerkörper 225 des Rotors 220 integriert sein, wobei die elektrische Verbindung des ersten Leiterabschnitts 222 mit der Welle 210 bspw. über eine supraleitende Verbindung 226 bewerkstelligt wird. Diese Variante ist in der FIG 9 in einer seitlichen Schnittansicht dargestellt. In einer zweiten, in der FIG 10 angedeuteten Variante ist der supraleitende Leiter 221 auf einer axialen Ober- fläche 228 des Rotors 220 bzw. des Trägerkörpers 225 platziert. In beiden Varianten dient der Trägerkörper 225 im Wesentlichen dazu, mechanische und thermische Lasten des Rotors zu tragen. In der Folge kann elektrischer Strom zwischen der ersten Komponente 110 des ersten Kugellagers 100 und der ersten Komponente 110' des zweiten Kugellagers 100' übertragen werden. Konkret erfolgt die Übertragung des Stroms zwischen den ersten Komponenten 110, 110' der beiden Kugellager 100, 100 'in dieser oder in umgekehrter Reihenfolge über die Kugeln 130 des ersten Kugellagers 100, die zweite Komponente 120 des ersten Kugellagers 100, die Welle 210, den ersten Leiterabschnitt 222, den mittleren Leiterabschnitt 224, den zweiten Leiterabschnitt 223 bzw. die zweite Komponente 120' des zwei- ten Kugellagers 100' und die Kugeln 130' des zweiten Kugellagers 100'. Der elektrische Leiter 221 des Rotors 220 ist also mit den supraleitenden Kugellagern 100, 100' derart elektrisch verbunden, dass die zweite Komponente 120 des ersten Kugellagers 100, der erste Leiterabschnitt 222, der mittlere Leiterabschnitt 224, der zweite Leiterabschnitt 223 und die zweite Komponente 120' des zweiten Kugellagers 100' in Reihe geschaltet sind. Da all diese Bauteile sowie benötigte Verbindungen supraleitend sind, ergeben sich nur minimale Ver- „ ,

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luste und damit ein sehr hoher Wirkungsgrad der Wälzlageranordnung 200, die in dieser Ausführungsform als elektrische Maschine Anwendung finden kann. Zu diesem Zweck ist die Wälzlageranordnung 200 elektrisch mit der bereits erwähnten elektrischen Vorrichtung 300 verbunden. Die Vorrichtung 300 weist einen ersten 301 und einen zweiten elektrischen Anschluss 302 auf. Der erste Anschluss 301 ist mit dem ersten elektrischen Anschluss 112 der ersten, stati- sehen Komponente 110 des ersten Kugellagers 100 elektrisch verbunden, während der zweite Anschluss 302 mit dem ersten elektrischen Anschluss 112' der ersten Komponente 110' des zweiten Kugellagers 100' elektrisch verbunden ist, so dass elektrischer Strom zwischen dem ersten und dem zweiten An- schluss 301, 302 der elektrischen Vorrichtung fließen kann.

Die Funktionsweise der zweiten Ausführungsform der Wälzlageranordnung 200 beruht auf der Funktionsweise einer Homo- bzw. Unipolarmaschine. Der Rotor 220 und die Leiterscheibe 221 sind bezüglich des Stators 230 und des erzeugbaren magnetischen Feldes 235 derart angeordnet und orientiert, dass ein auf einer Querschnittsfläche der Scheibe 221 senkrecht stehender Normalenvektor N parallel zur Rotationsachse ROT orientiert ist. Weiterhin ist die Rotationsachse ROT parallel zu den Feldlinien 235 des magnetischen Feldes orientiert, zumindest bzgl . der Feldlinien 235 in demjenigen Raumbereich, in dem die Feldlinien 235 weitestgehend parallel zueinander sind, was bspw. in der Nähe der Rotationsachse ROT der Fall ist. Idealerweise erstrecken sich die Mittel 231, 232 des Stators 230 zur Erzeugung des magnetischen Feldes so weit in radialer Richtung, dass die Feldlinien 235 im gesamten Raumbereich, in dem Rotor 220 und die Leiterscheibe 221 liegen, parallel zueinander sind.

In einer Anwendung der elektrischen Vorrichtung 300 mit der Wälzlageranordnung 200 als Generator, repräsentiert die elektrische Vorrichtung 300 einen elektrischen Verbraucher. Die Welle 210 und mit ihr der Rotor 220 nebst Leiterscheibe 221 sowie die zweiten Komponenten 120, 120' der Kugellager 100, 100' werden durch einen Motor (nicht dargestellt) in Rotation versetzt. Durch das Zusammenwirken mit dem magnetischen Feld des Stators 230 erfahren die Ladungen in der Lei- terscheibe 221 eine Lorentzkraft in radialer Richtung, so dass an elektrischen Anschlüssen 112, 112' der ersten Komponenten 110, 110' der Kugellager 100, 100' ein Gleichstrom abgegriffen und dem elektrischen Verbraucher 300 an dessen Anschlüssen 301, 302 zur Verfügung gestellt werden kann.

In einer Anwendung der elektrischen Vorrichtung 300 mit der Wälzlageranordnung 200 als Elektromotor zum Antreiben eines Gegenstands, repräsentiert die elektrische Vorrichtung 300 eine Quelle elektrischer Energie, insbesondere in Form einer Gleichspannung bzw. eines Gleichstromes, die der Wälzlageranordnung 200 über die Anschlüsse 301, 302 zur Verfügung gestellt wird. Der somit durch die Leiterscheibe 221 fließende elektrische Strom bewirkt in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld 235 des Stators 230 eine Lorentzkraft auf die Lei- terscheibe 221, was sich in einer Rotation des Rotors 220 und der Welle 220 niederschlägt. Die Welle 220 kann mit einem anzutreibenden Gegenstand verbunden sein (nicht dargestellt) , bspw. ein Propeller, so dass dieser ebenfalls in Rotation versetzt wird.

In beiden Ausführungsformen der Wälzlageranordnung 200 kann die elektrische Vorrichtung 300 für den Fall, dass die Wälzlageranordnung 1 als elektrische Maschine und insbesondere als Generator eingesetzt wird, ein elektrischer Verbraucher sein. Im anderen Fall, in dem die Wälzlageranordnung 1 bzw. elektrische Maschine als Elektromotor eingesetzt wird, ist die elektrische Vorrichtung 300 eine Quelle von elektrischer Energie . In einer alternativen, aber nicht dargestellten Form kann das Wälzlager 100 bekanntermaßen auch als Rollenlager oder als kombiniertes Kugel -Rollenlager ausgebildet sein. Es sei angemerkt, dass eine Ausbildung als Rollenlager 100 für die hier zu beschreibende Erfindung insofern vorteilhaft sein kann, als dass die Rollen 130 eine größere Kontaktfläche mit der ersten und der zweiten Komponente 110, 120 des Wälzlagers 100 bieten als die Kugeln 130, so dass eine bessere Übertragung von Strom zwischen den Komponenten 110, 120 über die Wälzkörper möglich ist. Andererseits ist im Falle der Verwendung von Rollen an Stelle von Kugeln der Reibungskoeffizient größer, so dass die Rotation erschwert wird, was sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad auswirkt und zudem eine höhere Wärmeent- wicklung verursacht. Es ist daher in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung zu entscheiden, ob das Wälzlager 100 als Kugellager mit Kugeln als Wälzkörpern 130 oder als Rollenlager mit Rollen als Wälzkörpern 130 ausgebildet sein soll. Als supraleitende Materialien kommen bspw. YBCO, BSCCO, MgB2 als Hochtemperatursupraleiter für Anwendungen bei 20K-77K in Frage, wobei die entsprechende Kühlung bspw. mit flüssigem Stickstoff, Neon oder Wasserstoff gewährleistet werden kann. Auch kommen Materialien wie Niob bei Kühlung mit flüssigem Helium in Frage.

Um die zur Erzielung der Supraleitung benötigte Kühlung zu realisieren, könnte bspw. über das innere der Welle 210 Kühlmittel zugeführt werden oder aber die jeweilige zu kühlende Vorrichtung 100, 100 200 wird einem Stickstoffbad gelagert.