Vorrichtung und Verfahren zum gedämpften, berührungslosen La ^¬ gern einer Kühlmittelzuführung für supraleitende Maschinen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lagern einer Kühlmittelzuführung für supralei ^¬ tende Maschinen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfin ^¬ dung eine Vorrichtung zum Lagern einer langen Kühlmittelzu- führung für supraleitende Maschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff ist aus der DE 103 58 341 AI bekannt.

Supraleitende Maschinen, wie beispielsweise Synchron-Motoren oder Generatoren, mit einer supraleitenden Rotorwicklung sind seit der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung bei Mate ^¬ rialien wie YBCO und BiSCO, die bei einer Arbeitstemperatur von 77K ihre supraleitende Wirkung entfalten, wirtschaftlich einsetzbar. Eine solche supraleitende Maschine ist beispiels- weise aus der DE 103 58 341 AI bekannt.

Figur 1 zeigt einen möglichen Aufbau einer solchen supralei ^¬ tenden Maschine 100 mit angeschlossener Kälteeinheit 200. Da ^¬ mit die supraleitende Maschine 100 als solche arbeitet, muss die in der Maschine vorhandene supraleitende Wicklung zuvor auf seine Arbeitstemperatur von 77 K oder weniger herunterge ^¬ kühlt werden. Dazu wird ein geeignetes Kühlmittel in einen Innenraum des als Welle ausgebildeten Rotors 110 der Maschine 100 eingebracht. Dieser Innenraum des Rotors ist dazu über entsprechende Mittel 300 mit der Kälteeinheit 200 verbunden. Die Kälteeinheit 200 kann nicht direkt mit der Maschine 100 verbunden werden. Vielmehr muss eine geeignete Abdichtung des Rotorinnenraumes gegen die Umgebung sichergestellt sein, so dass kein Wärmeleck und damit verbunden eine Beeinflussung der supraleitenden Wirkung entsteht. Zudem muss auch eine ge ^¬ eignete Abdichtung zwischen der, sich um ihre Achse, drehen ^¬ den Rotorwelle 110 und der feststehenden Kälteeinrichtung 200 vorgesehen werden. Dies wird durch eine entsprechend ausge- bildete Hohlwelle 320 erreicht. Zur Vermeidung eines Wärme ^¬ lecks muss diese Hohlwelle 320 bei gegebenem Querschnitt aber entsprechend lang ausgebildet sein. Innerhalb der Hohlwelle 320 befindet sich die Kühlmittelzuführung 310, die fest mit der Kälteeinheit 200 verbunden ist und das Kühlmittel von der Kälteeinheit 200 in den Hohlraum des Rotors 110 führt. Die Hohlwelle 320 ist dabei auf der einen Seite 320 ^{λ λ} fest mit der sich drehenden Rotorwelle 110 verbunden. Auf der anderen Seite 320 ^λ ist eine geeignete Dichtungseinrichtung zwischen der sich drehenden Hohlwelle 320 und der feststehenden Kühl ^¬ mittelzuführung 310 vorgesehen. Innerhalb der Kühlmittelzu ^¬ führung 310 können beispielsweise so genannte Wärmerohre 311 vorgesehen sein, die den eigentlichen Transport des Kühlmit ^¬ tels übernehmen.

Innerhalb der Hohlwelle 320 ist die Kühlmittelzuführung 310 auf einer Seite 320 ^λ durch die Dichtungseinrichtung gelagert und damit räumlich fixiert. Auf der anderen, der Maschinen ^¬ seite 320 ^{λ λ} ist die Kühlmittelzuführung 310 über ein magneti- sches Lager 400 räumlich fixiert. Das magnetische Lager 400 basiert auf einer supraleitenden und/oder permanentmagneti ^¬ schen Lagerung. Supraleitende Lager sind sehr kostenintensiv, da supraleitende Materialien teuer und aufwendig herzustellen sind. Ein weiterer Nachteil ist die notwendige Kühlung auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supralei ^¬ tenden Materials, um die Funktionsfähigkeit des supraleiten ^¬ den Lagers sicher zu stellen. Dies macht das Lager störanfäl ^¬ lig und schränkt seine räumliche Anordnung in der Maschine 100 ein. Permanentmagnetische Lager weisen ein hohes Gewicht auf und sind ebenfalls kostenintensiv. Das Gewicht der Perma ^¬ nentmagnete lastet auf dem Ende der Kühlmittelzuführung 310, welches auf der Maschinenseite 320 ^{λ λ} liegt, und wirkt somit der Stabilisierung des Endes entgegen. Um der Destabilisie- rung entgegenzuwirken, müssen die Kühlmittelzuführung 310 und die Hohlwelle 320 massiv aufgebaut sein. Dies erhöht die Kos ^¬ ten und führt zu einer Verschlechterung der Maschineneigen ^¬ schaften . Eine Maschine 100 ohne ein magnetisches Lager 400 auf der Ma ^¬ schinenseite 320 ^{λ λ} , führt zu einer frei beweglichen Kühlmit ^¬ telzuführung 310 auf der Maschinenseite 320 ^{λ λ} ohne räumliche Fixierung. Dadurch, dass die Kühlmittelzuführung 310 nur ein- seitig fixiert ist, am anderen Ende der Hohlwelle aber frei beweglich ist, kann die Kühlmittelzuführung 310 zu Schwingun ^¬ gen angeregt werden. Gerade bei den geforderten Längen der Hohlwelle 320 bei supraleitenden Maschinen kann die dadurch bewirkte Resonanzfrequenz der Kühlmittelzuführung 310 im Ar- beitsbereich der Drehfrequenzen der Maschine 100 liegen. Ent ^¬ sprechend muss diese Frequenz als Betriebsfrequenz der Ma ^¬ schine 100 explizit ausgeschlossen werden. So kann zwar ver ^¬ sucht werden, durch entsprechende konstruktive Maßnahmen an der Kühlmittelzuführung 310 die Resonanzfrequenz außerhalb des Drehfrequenzbereichs der Rotorwelle 110 und damit außer ^¬ halb des zulässigen Arbeitsbereichs der Maschine 100 zu hal ^¬ ten. Dies wird aber durch die Forderung nach immer kleineren Bauvolumen von supraleitenden Maschinen und damit immer dün ^¬ neren Hohlwellen und dünneren Kühlmittelzuführungen bei gleichzeitigem Wunsch nach höheren Drehzahlen zunehmend schwieriger .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb, eine entspre ^¬ chende Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, welche auch bei kleinen Bauvolumen und höheren Drehzahlen vermeiden, dass der zulässige Arbeitsbereich der supraleitenden Maschine durch die Resonanzfrequenz der Kühlmittelzuführung einge ^¬ schränkt wird, wobei auf Lager mit schweren Permanentmagneten an der Kühlmittelzuführung oder teuren Supraleitern verzich- tet werden soll.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung zum Lagern einer Kühlmittelzuführung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren zur Verwendung der zuvor genannten Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrich ^¬ tung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Lagern einer Kühlmittelzuführung gehen aus den jeweils zugeordneten abhän ^¬ gigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale des Hauptanspruchs mit Merkmalen der Unteransprüche und Merkmale der Unteransprüche untereinander kombiniert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Lagern einer Kühlmittel ^¬ zuführung, insbesondere langer Kühlmittelzuführungen für sup ^¬ raleitende Maschinen, umfasst eine Hohlwelle, die in einem ersten Bereich mit der supraleitenden Maschine verbindbar ist und in deren Innerem die Kühlmittelzuführung zum Führen von Kühlmittel von einer Kälteeinheit zur supraleitenden Maschine angeordnet ist. Dabei ist die Kühlmittelzuführung in einem zweiten Bereich der Hohlwelle mit der Kälteeinheit verbindbar und in dieser Hohlwelle fixiert. Für die Kühlmittelzuführung im ersten Bereich der Hohlwelle ist ein magnetisches Lager vorgesehen und so angeordnet, dass eine radiale und damit dämpfende und/oder zentrierende Kraft auf die Kühlmittelzu ^¬ führung ausgeübt wird. Das magnetische Lager weist einen ers ^¬ ten und einen zweiten Magnetzylinder auf, wobei der erste Magnetzylinder am Außenmantel der Kühlmittelzuführung und der zweite Magnetzylinder an der Innenseite der Hohlwelle so an ^¬ geordnet sind, dass sich erster und zweiter Magnetzylinder in radialer Richtung gegenüberstehen. Der erste Magnetzylinder ist ein Zylinder aus gut elektrisch leitendem Material mit Ohmschen Widerstand.

Grundlage für die Erfindung war die Feststellung, dass eine Dämpfung der Bewegung bzw. Schwingung der Kühlmittelzuführung ausreichend ist, um eine langfristig funktionsfähige Maschine bereitzustellen. Auf eine Zentrierung mit großen Kräften und somit mit einer starken Fixierung der Kühlmittelzuführung über reine Permanentmagnetlager oder Magnetlager mit supra ^¬ leitendem Material kann verzichtet werden. Bewegungsinduzier- te Wirbelströme in gut elektrisch leitendem Material mit Ohm ^¬ schen Widerstand, d.h. nicht supraleitendem Material, sind ausreichend um eine genügend große Dämpfung von Schwingungen eines freien Endes einer Kühlmittelzuführung zu gewährleis ^¬ ten. Eine zuverlässige Funktion ohne Zerstörung der Maschine durch Schwingungen eines Endes der Kühlmittelzuführung ist so dauerhaft sichergestellt.

Das gut elektrisch leitende Material kann aus Kupfer, Silber, Gold oder Aluminium bestehen. Aluminium weist z.B. nur ein geringes Gewicht auf und führt so zu günstigen Eigenschaften der Maschine. Da nur dünne Schichten des gut elektrisch lei ^¬ tenden Materials notwendig sind, können diese einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Das gut elektrisch leitende Material kann aus hochreinem Kup ^¬ fer, Silber, Gold oder Aluminium mit einem Reinheitsgrad grö ^¬ ßer 99,9 Vol-% bestehen. Diese Materialien sind handelsüblich zu erwerben und ermöglichen bei kryogenen Temperaturen hohe elektrische Leitfähigkeiten. So kann das gut elektrisch lei ^¬ tende Material bei kryogenen Temperaturen, insbesondere Tem ^¬ peraturen kleiner oder gleich 77°K, einen spezifischen elekt ^¬ rischen Widerstand kleiner 100 μΩατι ² /πι, insbesondere kleiner 10 μΩατι ² /πι aufweisen. Dadurch reichen sehr dünne Schichten im Bereich von Millimetern bis hin zu Mikrometern aus, um Wir ^¬ belströme für eine gute Dämpfung bei Bewegung der Kühlmittel ^¬ zuführung zu erzeugen. Durch das geringe zusätzliche Gewicht des gut elektrisch leitenden Materials an der insbesondere dünnwandigen Kühlmittelzuführung kann eine schwerkraftsbe- dingte Verbiegung der Kühlmittelzuführung in tolerablen Gren ^¬ zen gehalten werden.

Der zweite Magnetzylinder kann aus einer Anzahl axial neben ^¬ einander angeordneter konzentrischer Permanentmagnetringe be- stehen. Die Permanentmagnetringe am zweiten Magnetzylinder führen zu keiner mechanischen Belastung der Kühlmittelzufüh ^¬ rung, womit die zuvor beschriebenen Vorteile erhalten blei ^¬ ben. Durch die Permanentmagnete kann einfach und ohne elek ^¬ trischen Aufwand, wie er im Falle der Magnetfelderzeugung über elektrische Spulen notwendig ist, in dem gut elektrisch leitenden Material Wirbelströme erzeugt werden, bei Bewegung der Permanentmagnete relativ zur Schicht aus gut elektrisch leitenden Material. Über die Wirbelströme wird eine Dämpfung der Bewegung erreicht, wie zuvor beschrieben mit den gewünschten Vorteilen.

Zwischen der Innenseite der Hohlwelle und den konzentrischen Permanentmagnetringen kann ein zweiter Zylinder aus ferromag- netischem Material angeordnet sein. Alternativ oder zusätz ^¬ lich können in axialer Richtung nebeneinander liegende Perma ^¬ nentringe jeweils durch einen Ring aus ferromagnetischem Ma ^¬ terial voneinander getrennt sein. Das ferromagnetische Mate ^¬ rial bewirkt eine verstärkte Wirkung des magnetischen Feldes der Permanentmagnete auf die Schicht aus gut elektrisch lei ^¬ tendem Material an der Kühlmittelzuführung und somit eine verstärkte Bewegungsdämpfung.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verwendung einer zuvor be ^¬ schriebenen Vorrichtung umfasst, dass die Kühlmittelzuführung gegenüber mechanischen Bewegungen relativ zur Hohlwelle ge ^¬ dämpft wird. Die Dämpfung der mechanischen Bewegung kann durch bewegungsinduzierte Wirbelströme im elektrisch leiten ^¬ den Material des ersten MagnetZylinders erfolgen. Das Verfah ^¬ ren und die Vorrichtung können in einer supraleitenden Ma ^¬ schine eingesetzt werden.

Die mit dem Verfahren zum Lagern einer Kühlmittelzuführung und der Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung zum La ^¬ gern einer Kühlmittelzuführung verbundenen Vorteile sind ana ^¬ log den Vorteilen, welche zuvor im Bezug auf die Vorrichtung selbst beschrieben wurden.

Dadurch, dass die Kühlmittel Zuführung an einem Ende durch das magnetische Lager und am anderen Ende durch die bereits vor ^¬ handene Dichtungseinrichtung in der Hohlwelle gelagert ist, wird eine zweiseitige Fixierung der Kühlmittelzuführung in der Hohlwelle erreicht. Dadurch wird sich die Resonanzfre ^¬ quenz der Kühlmittelzuführung zu wesentlich höheren Frequen ^¬ zen und damit weg vom Arbeitsbereich der supraleitenden Ma ^¬ schine verschieben. Gerade bei langen Hohlwellen und damit langen Kühlmittelzuführungen, so wie sie für eine supralei- tende Maschine gefordert wird, kann damit eine Einschränkung des zulässigen Arbeitsbereichs dieser Maschine vermieden wer ^¬ den. Da die magnetische Lagerung vorzugsweise an dem Ende der Hohlwelle der mit der Rotorwelle verbunden ist oder sogar in der Läuferbohrung selbst, in die ja auch die Kühlmittelzufüh ^¬ rung hineinragt, vorgesehen ist, befindet sich das magneti ^¬ sche Lager sehr nahe am Rotor mit dem darin enthaltenen Kühl ^¬ mittel und damit in einem Bereich mit sehr niedrigen Tempera ^¬ turen. Bei solchen Temperaturen um 77°K oder weniger sind derzeit aber nur magnetische Lager einsetzbar. Zudem haben die magnetischen Lager den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu konventionellen mechanischen Lagern geringere Verluste auf ^¬ weisen. Die kryogenen Temperaturen, welche sich im räumlichen Bereich des Lagers auf Grund des Maschinenaufbaus ergeben, können gleichzeitig genutzt werden, um über eine gute Leitfä ^¬ higkeit im hochreinen gut elektrisch leitenden Material eine gute Bewegungsdämpfung zu erzielen, womit wenig gut elekt ^¬ risch leitendes Material verwendet werden muss. Wenig gut elektrisch leitendes Material ist gleichbedeutend mit wenig Gewichtskraft und somit wenig Gewichtsbelastung und eventuell Durchbiegung der Kühlmittelzuführung.

Durch die Ausbildung des magnetischen Lagers aus einem ers ^¬ ten, am Außenmantel der Kühlmittelzuführung angeordneten, und einem zweiten, an der Innenseite der Hohlwelle angeordneten, Magnetzylinders, die sich beide in radialer Richtung gegen ^¬ überstehen, ist auch weiterhin ein einfacher Einbau der Kühl ^¬ mittelzuführung möglich. Durch den zwischen den beiden Mag ^¬ netzylindern vorhandenen Spalt kommt es zu keinen mechani ^¬ schen Einschränkungen beim Einbau. Vielmehr kann die Kühlmit ^¬ telzuführung wie bisher auch ohne größere Probleme in die Hohlwelle eingeführt und damit die Kälteeinheit mit der sup ^¬ raleitenden Maschine verbunden werden.

Da sich das magnetische Lager im selben Hohlraum wie das Kühlmittel für die Rotorwelle der supraleitenden Maschinen befindet, kann der supraleitende Magnetzylinder auch durch das Kühlmittel auf eine Temperatur von 77 °K oder weniger her- untergekühlt werden. Jedoch wird durch Verwendung von gut elektrisch leitendem Material mit Ohmschen Widerstand statt von supraleitendem Material die magnetische Lagerwirkung und damit die Dampfung der Bewegung der Kühlmittelzuführung durch das magnetische Lager nicht erst bei einer Arbeitstemperatur kleiner gleich 77°K erreicht. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Wirkung des magnetischen Lagers, auch im Falle eines Aus ^¬ falls der Kühleinrichtung. Bevorzugte Aus führungs formen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es wird in den Figuren dargestellt:

Fig.1 eine Anordnung aus supraleitender Maschine mit an ^¬ geschlossener Kühlvorrichtung nach dem Stand der Technik, und

Fig.2 eine erste Aus führungs form der magnetischen Lage ^¬ rung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Zylinder aus gut elektrisch leitendem Material mit Ohmschen Widerstand, und

Fig. 3 eine zweite Aus führungs form der magnetischen Lage ^¬ rung der erfindungsgemäßen Vorrichtung analog der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung, mit leichten kon ^¬ struktiven Änderungen.

Figur 1 zeigt nochmals den eingangs mit Bezug auf den Stand der Technik bereits beschriebenen prinzipiellen Aufbau einer supraleitenden Maschine 100 mit Kälteeinheit 200. Die Maschi ^¬ ne, im vorliegenden Beispiel ein Synchron-Motor 100, ist über die Mittel 300, das sind insbesondere die Hohlwelle 320 und die Kühlmittel Zuführung 310, mit der Kälteeinheit 200 verbun ^¬ den. In der Kälteeinheit wird das Kühlmittel auf 77 K herun ^¬ tergekühlt und der Rotorwelle 110 des Synchron-Motors 100 über die Kühlmittelzuführung 310 zugeführt. Zur Vermeidung eines Wärmelecks am Synchron-Motor 100 ist die Hohlwelle 320 entsprechend lang ausgebildet. Die Hohlwelle ist auf der ei ^¬ nen Seite, das heißt im Bereich 320 ^{λ λ} , mit der Rotorwelle 110 fest verbunden, so dass diese sich im Betrieb der Synchron- Maschine mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor 110 dreht. In der Hohlwelle 320 ist die Kühlmittelzuführung 310 angeord ^¬ net. An dem, dem Synchron-Motor 100 abgewandten Ende, das heißt dem Bereich 320 der Hohlwelle 320 ist eine Dichtungs- einrichtung, die beispielsweise als Ferrofluiddichtung, Laby ^¬ rinthdichtung oder Spaltdichtung ausgebildet ist, vorgesehen. Diese Dichtungseinrichtung dichtet das innere Raumvolumen des Rotors 110 und der damit verbundenen Hohlwelle 320 gegenüber der Umgebung ab. Zudem ist durch diese Dichtungseinrichtung die Kühlmittelzuführung 310 geführt und somit gelagert und fixiert. Außerhalb der Hohlwelle 320 ist die Kühlmittelzufüh ^¬ rung 310 dann in geeigneter Weise, beispielsweise durch eine Flanschverbindung mit der Kälteeinheit 200 verbunden. Über ein oder mehrere so genannte Wärmerohre 311 in der Kühlmit- telzuführung 310 kann nun das Kühlmittel von der Kälteeinheit 200 in das Innere der Rotorwelle 110, und umgekehrt, gelan ^¬ gen. Auf eine weiter detailliertere Schilderung zur Ausfüh ^¬ rung und Wirkungsweise der supraleitenden Maschine, der Käl ^¬ teeinheit und der Hohlwelle wird hier verzichtet. Vielmehr soll hierzu auf die DE 102 31 434 AI verwiesen werden.

Wie in Figur 1 gezeigt ist nun nach dem Stand der Technik an dem, der Maschine zugewandten, Ende 320 ^{λ λ} der Hohlwelle 320 ein magnetisches Lager 400 vorgesehen und so angeordnet, dass eine radial abstoßende und damit zentrierende Kraft auf die Kühlmittelzuführung 310 ausgeübt wird. Das magnetische Lager 400 nach dem Stand der Technik basiert rein auf Permanentmag ^¬ neten oder auf Permanentmagneten in Wechselwirkung mit supra ^¬ leitendem Material. Durch diese magnetische Lagerung 400 und die Lagerung in der Dichtungseinrichtung wird nun die vormals nur einseitig gelagerte Kühlmittelzuführung 310 nun beidsei ^¬ tig in der Hohlwelle 320 gelagert und fixiert. Durch die zu ^¬ sätzliche Fixierung wird erreicht, dass das auf der Maschi- nenseite vormals frei schwebende und damit schwingungsfähige Ende der Kühlmittelzuführung 310 nun fixiert und damit die Resonanzfrequenz der Kühlmittelzuführung 310 in höhere Fre ^¬ quenzbereiche verschoben wird. Dabei ist die genaue Lage der magnetischen Lagerung 400 in der Hohlwelle 320 aber nur inso ^¬ fern im Stand der Technik von Bedeutung, als dass das magne ^¬ tische Lager so angeordnet sein muss, dass durch die beidsei ^¬ tige Fixierung der Kühlmittelzuführung 310 eine Verschiebung deren Resonanzfrequenz weg vom Arbeitbereich der supraleiten- den Maschine 100 erreicht wird und eine kryogene Temperatur bei Verwendung von supraleitendem Material vorliegt. Vorzugs ^¬ weise ist das magnetische Lager 400 dabei am Ende der Hohl ^¬ welle, beispielsweise einem Flansch zwischen Hohlwelle und Rotorwelle oder auch in der Rotorwelle selbst vorgesehen.

Das magnetische Lager 400 besteht aus einem ersten 410 und einem zweiten 420 Magnetzylinder, wobei der erste Magnetzy ^¬ linder 410 am Außenmantel der Kühlmittelzuführung 310 und der zweite Magnetzylinder 420 an der Innenseite der Hohlwelle 320 angeordnet ist. Beide Magnetzylinder 410 und 420 sind dabei so angeordnet, dass sie sich in radialer Richtung gegenüber ^¬ stehen. Dabei sind die Abmessungen der beiden Magnetzylinder 410 und 420 so gewählt, dass zwischen der Außenfläche des ersten MagnetZylinders 410 und der Innenfläche des zweiten Magnetzylinders 420 noch ein Spalt vorhanden ist. Die beiden Magnetzylinder 410,420 sind mit ihren Magnetfeldern so ausge ^¬ richtet, dass sie im Spalt gegeneinander abstoßende Kräfte bewirken. Durch diese sich abstoßende Kräfte wird die Kühl ^¬ mittelzuführung 310 zusammen mit dem ersten Magnetzylinder 410 im freien Innenraum des zweiten MagnetZylinders in einen schwebenden Zustand versetzt und durch die bewirkten absto ^¬ ßenden Kräfte in diesem Innenraum zentriert. Dadurch ist die Kühlmittelzuführung 310 nun beidseitig in der Hohlwelle 320 fixiert, wodurch sich die Resonanzfrequenz der Kühlmittelzu- führung 310 zu höheren Frequenzen und damit weg vom Drehfre ^¬ quenzbereich des Motors 100 verschiebt. Wie zuvor schon beschrieben muss bei Verwendung von supralei ^¬ tendem Material im magnetischen Lager 400 das Lager 400 in einem räumlichen Bereich angeordnet sein, welcher auf kryoge- ne Temperaturen gekühlt ist, wobei das Lager 400 bei Ausfall oder Abschaltung der Kühlung nicht in Funktion ist. Dies kann insbesondere bei Störungen an der Kälteeinheit 200 zu irre ^¬ versiblen Deformationen bis hin zur Zerstörung der Maschine 100 und/oder der Kühlmittelzuführung 310 führen. Bei Verwen ^¬ dung von magnetischen Lagern 400 rein aus Permanentmagneten kann das relativ große Gewicht der Permanentmagnete zu einer Deformation der Kühlmittelzuführung 310 führen. Um dies zu vermeiden ist ein verstärkter Materialeinsatz notwendig, wel ^¬ cher kostenintensiv ist und zu einer Verschlechterung der Eigenschaften der Maschine 100 im Betrieb führen kann.

Um die Probleme beim Stand der Technik zu vermeiden hat die Erkenntnis, dass eine Dämpfung von Bewegungen bzw. mechani ^¬ schen Schwingungen der Kühlmittelzuführung 310 ausreichend ist, um Beschädigungen der Maschine 100 und/oder der Kühlmit ^¬ telzuführung 310 zu vermeiden, zur erfinderischen Idee ge ^¬ führt, keine Permanentmagnete und keine supraleitenden Mate ^¬ rialien zur Lagerung auf der Seite der Kühlmittelzuführung 310 zu verwenden. Eine Gewichtsreduktion und zuverlässigere Bewegungsdämpfung auch bei höheren Temperaturen als kryogenen Temperaturen führt zu einer Verbesserung der Maschineneigen ^¬ schaften im Betrieb und auch zu einer Verringerung der Stör ^¬ anfälligkeit der Maschine 100 in Verbindung mit der Kälteein ^¬ heit 200. Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemä ^¬ ßen Vorrichtung zum Lagern einer Kühlmittelzuführung, bei welcher der erste Magnetzylinder 410 ein Zylinder aus gut elektrisch leitendem Material mit Ohmschen Widerstand ist. Die Hohlwelle 320 besteht hier aus einem äußeren Mantel 321, zum Beispiel einer NDE Hohlwelle und einem inneren Mantel 322. Zwischen dem äußerem und dem innerem Mantel befindet sich dabei ein Isoliervakuum. Im inneren Mantel 322 befindet sich die, durch die Dichtungseinrichtung am Ende 320 ^λ der Hohlwelle 320 von außen eingeführte Kühlmittelzuführung 310. Über ein Wärmerohr 311 in der Kühlmittelzuführung wird das Kühlmittel in den Bereich 320 ^{λ λ} der Hohlwelle und damit auch in die daran anschließende Rotorwelle 110 eingebracht. Eine Dichtungseinrichtung aus Ferrofluid lagert die Kühlmittelzu ^¬ führung 310 im Bereich 320 ^λ der Hohlwelle 320. Auf der dazu abgewandten Seite 320 ^{λ λ} der Hohlwelle 320 ist erfindungsgemäß das magnetische Lager 400 mit einem Zylinder auf dem äußeren Umfang der Kühlmittelzuführung 310 vorgesehen, welcher aus gut elektrisch leitendem Material mit Ohmschen Widerstand be ^¬ steht. In axialer Richtung sind an der gleichen Stelle auf der Innenseite der Hohlwelle 320 eine Anzahl von Permanent ^¬ magnetringen axial nebeneinander angeordnet. Diese Anzahl von magnetischen Ringen bildet dann den zweiten Magnetzylinder 420, welcher in seinem freien Innenraum eine Bewegung des ersten Zylinders 410 aus gut elektrisch leitendem Material mit Ohmschen Widerstand ermöglicht. Die Bewegung des ersten 410 im zweiten 420 Zylinder ist Berührungslos in gewissen Grenzen möglich, wodurch keine direkte, strahlungsfreie Wär- meleitung zwischen Kühlmittelzuführung 310 und Hohlwelle 320 bzw. Rotorwelle 110 erfolgt.

Bei Bewegung bzw. mechanischer Schwingung der Kühlmittelzu ^¬ führung 310 relativ zur Hohlwelle 320 auf der Seite 320 ^{λ λ} wird durch das räumlich sich verändernde Magnetfeld der z.B. Permanentmagnete des ersten MagnetZylinders 410 am Ort des zweiten MagnetZylinders 420 aus gut elektrisch leitendem Ma ^¬ terial mit Ohmschen Widerstand im gut elektrisch leitendem Material mit Ohmschen Widerstand Wirbelströme erzeugt, deren Magnetfeld in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des ersten MagnetZylinders 410 zu einer Dämpfung der Bewegung bzw. me ^¬ chanischer Schwingung führen. Eine Fixierung bzw. Lagerung mit größeren magnetischen Feldern durch Permanentmagnete auf beiden Seiten, sowohl im ersten als auch im zweiten Magnetzy- linder oder durch Verwendung von supraleitendem Material im Lager 400 ist nicht notwendig um eine ausreichende Dämpfung der Bewegung bzw. mechanischer Schwingung zu erreichen. Die Wirbelströme und deren Magnetfelder im gut elektrisch leiten- den Material mit Ohmschen Widerstand sind ausreichend, um eine ausreichende Dämpfung der Bewegung bzw. mechanischer Schwingung der Kühlmittelzuführung 310 zu erreichen, welche deren irreversible mechanische Beschädigung verhindert.

Ist die Betriebstemperatur von 77 °K oder weniger für die sup ^¬ raleitende Maschine 100 erreicht, wird auch der Zylinder 410 sehr gut leitend, da der Ohmsche Widerstand insbesondere für sehr reine Metalle stark mit der Temperatur auf geringe Werte bei tiefen Temperaturen abnimmt. Somit wird bei Betriebstem ^¬ peratur aus der zuvor einseitig fixierten, das heißt einge ^¬ spannten, Kühlmittelzuführung 310 eine zweiseitig gelagerte Anordnung, deren Bewegungen auf der Seite 320 ^{λ λ} stark ge ^¬ dämpft sind. Im Betrieb rotiert die Hohlwelle 320 und damit auch der supraleitende zweite Magnetzylinder 420 um die fest ^¬ stehende Kühlmittelzuführung 310 und den daran angeordneten ersten Magnetzylinder 410. Die durch die Magnetfelder der beiden Magnetzylinder 410 und 420 resultierenden in radiale Richtung wirkenden Kräfte führen dann dazu, dass die Kühlmit- telzuführung 310 auch an diesem Ende 320 ^{λ λ} der Hohlwelle 320 gegenüber Bewegungen gedämpft ist.

In dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das mag ^¬ netische Lager 400, das identisch zu der in Figur 2 gezeigten magnetischen Lagerung aus einem ersten Magnetzylinder 410 aus gut elektrisch leitendem Material mit Ohmschen Widerstand und einem zweiten Magnetzylinder 420 mit einer Anzahl von Perma ^¬ nentmagnetringen 410 aufgebaut ist, an einer Stelle im Be ^¬ reich 320 ^{λ λ} der Hohlwelle 320 angeordnet, der als so genann- ter Halsrohrflansch ausgebildet ist.

Beide in den Figuren 2 und 3 gezeigte Ausführungsbeispiele eines magnetischen Lagers 400 haben insbesondere den Vorteil, dass die Montage der Kälteeinheit 200 und der Kühlmittelzu- führung 310 an die supraleitende Maschine 100 nicht wesent ^¬ lich durch das zusätzliche magnetische Lager 400 beeinflusst wird. Da der Lagerspalt zwischen den beiden Zylindern 410 und 420 relativ groß gewählt werden kann, ist das Einführen der Kühlmittel Zuführung 310 in die Hohlwelle 320 auch in der er ^¬ findungsgemäßen Vorrichtung unproblematisch. Zur Verbesserung der Lagerwirkung können aber auch kleine Lagerspalte gewählt werden .

Zwischen den einzelnen Permanentmagnetringen können ferromag- netische Scheiben zur Flussführung eingeführt sein. Die ein ^¬ zelnen Permanentmagnetringe sind vorzugsweise aus Nd-B-Fe oder Sm-Co. Zwischen diesen Scheiben und den Permanentmagnet ^¬ ringen können zusätzlich, in Figur 2 nicht dargestellte, dün ^¬ ne Bleche aus ferromagnetischem Material eingefügt sein. Bei den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Anordnungen sollte für eine optimale Wirkung des magnetischen Lagers 400 der Luftspalt eine Höhe aufweisen, die circa dem 0, 1-0, 3-fachen der Breite L der einzelnen Permanentmagnetringe in axialer Richtung ent ^¬ spricht. Die radiale Dicke der Magnetzylinder sollte circa dem Wert (L/2 bis 4xL) entsprechen. In einer typischen Anwen ^¬ dung für eine supraleitende Maschine, wie beispielsweise einen supraleitenden Motor oder Generator, wird der Durchmes ^¬ ser der Kühlmittelzuführung 310 einen Wert von 1-3 cm aufwei ^¬ sen. Dementsprechend werden die Permanentmagnetringe eine Breite von etwa 0,4 -1 cm und eine radiale Dicke von

0,2 - 2,5 cm aufweisen. Die ferromagnetischen Scheiben soll ^¬ ten eine Dicke von 1-4 mm und der Luftspalt zwischen dem feststehenden ersten Zylinder 410 und dem rotierendem zweitem Magnetzylinder 420 sollte eine Höhe von 0,7 - 2,5 mm aufwei ^¬ sen .

Auch wenn beim ersten Zylinder 410 von einem Magnetzylinder die rede ist, so bedeutet dies nicht, dass der Zylinder per ^¬ manentmagnetisch ist, sondern dass durch erzeugte Wirbelströ ^¬ me bei Bewegung relativ zum zweiten Magnetzylinder 420 Mag ^¬ netfelder erzeugt werden, welche der Bewegung entgegenwirken, d.h. diese dämpfen. So ist der Begriff Lagerung bzw. Lager 400 als Dämpfungseinrichtung zu verstehen, welche einer räum ^¬ lichen Relativbewegung der Kühlmittelzuführung 310 zur Ma ^¬ schine 100 und Rotationen entgegenwirkt, diese aber nicht vollständig unterbindet. Viel mehr werden auftretende mecha- nische Schwingungen der Kühlmittelzuführung 310 auf der Seite 320 ^{λ λ} der Hohlwelle zur Rotorwelle hin gedämpft und können nicht in einem Resonanzfall zu einer irreversiblen Zerstörung führen .

Der zweite Magnetzylinder 420 kann alternativ zum Aufbau aus Permanentmagneten auch stromdurchflossene Spulen bzw. Leiter ^¬ schleifen umfassen, oder andere ein Magnetfeld erzeugende Einrichtungen. Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausfüh ^¬ rungsbeispiele der Vorrichtung zum Lagern einer Kühlmittelzu ^¬ führung sollen die Erfindung nicht beschränken, sondern kön ^¬ nen auch untereinander und/oder mit anderen, nicht darge ^¬ stellten Aus führungs formen kombiniert werden.