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Dokumentenidentifikation DE69233377T2 30.06.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000829655
Titel Supraleitende Lagervorrichtung
Anmelder Koyo Seiko Co., Ltd., Osaka, JP;
Shikoku Research Institute Inc., Takamatsu, Kagawa, JP
Erfinder Takahata, Ryoichi, Nara, JP;
Shibayama, Motoaki, Takamatsu-shi, Kagawa 760, JP;
Takaichi, Hiroshi, Setagaya-ku, Tokyo, JP
Vertreter TER MEER STEINMEISTER & Partner GbR Patentanwälte, 33617 Bielefeld
DE-Aktenzeichen 69233377
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 13.03.1992
EP-Aktenzeichen 971212196
EP-Offenlegungsdatum 18.03.1998
EP date of grant 30.06.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.06.2005
IPC-Hauptklasse F16C 39/06

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf supraleitende Lagervorrichtungen, beispielsweise zur Verwendung in hydraulischen Maschinen und Bearbeitungswerkzeugen, die eine Hochgeschwindigkeits-Rotation erfordern, Energiespeicher-Vorrichtungen zur Speicherung elektrischer Energie in großem Umfang, die in die Bewegungsenergie eines Schwungrades umgewandelt worden ist, oder für Kreisel.

Die EP 0 322 693 A befasst sich mit einer radialen supraleitenden Lagervorrichtung und offenbart die Anordnung eines Rotors in einer Bohrung eines Stators. Der Rotor besteht zumindest teilweise aus einem dauermagnetischen Material, dessen Magnetachse sich entlang der Rotationsachse des Rotors erstreckt. Der Stator besteht aus einem supraleitenden Material.

Die WO 90/03524 A offenbart ein axiales Lagerelement mit einem supraleitenden Element. Eine Anzahl von Dauermagneten ist scheibenförmig in einer heteropolaren Anordnung ohne Zwischenraum zwischen den Dauermagneten angeordnet. Die Dauermagneten sind in axialer Richtung magnetisiert.

Die JP 01295019 A offenbart eine axiale supraleitende Lagervorrichtung, bei der ringförmige Dauermagneten an einem stationären Bauteil in einer heteropolaren Anordnung vorgesehen sind, mit einem Zwischenraum zwischen ihnen in der radialen Richtung. Die Dauermagneten sind in der axialen Richtung magnetisiert.

Die EP 0 467 341 A der Anmelderin beschreibt ein supraleitendes Lager mit einem ringförmigen Dauermagnetbereich, der konzentrisch an einem drehbaren Körper angeordnet ist, und einem Supraleiter, der den Dauermagnetbereich umgibt und von diesem beabstandet ist. Eine Anzahl von ringförmigen Dauermagneten ist auf einer Scheibe in einem Abstand in radialer Richtung angeordnet. Dieses Dokument ist in Bezug auf die vorliegende Anmeldung nicht vorveröffentlicht.

In den letzten Jahren wurden supraleitende Lagervorrichtungen zur Lagerung eines drehbaren Körpers in einem Nicht-Berührungszustand als Lagervorrichtungen entwickelt, die eine Hochgeschwindigkeits-Rotation des drehbaren Körpers ermöglichen und eine hohe Starrheit aufweisen.

Es wird angenommen, dass solche supraleitenden Lagervorrichtungen beispielsweise einen ringförmigen Dauermagneten umfassen, der konzentrisch in Bezug auf einen drehbaren Körper angeordnet ist und dessen axial gegenüberliegende Enden mit einander gegenüberliegenden Polaritäten magnetisiert sind, sowie einen ringförmigen Supraleiter, der der Stirnfläche des Magneten gegenüberliegt und von dieser in Axialrichtung des drehbaren Körpers beabstandet ist.

Die supraleitende Lagervorrichtung weist jedoch das Problem auf, dass die Starrheit in Bezug auf die Richtung der Rotationsachse und die Lastkapazität unzureichend sind. Ein weiteres auftretendes Problem besteht darin, dass die Vorrichtung nicht dazu in der Lage ist, den drehbaren Körper in einem Nicht-Berührungszustand mit guter Stabilität zu lagern, da die Achse des drehbaren Körpers sich aufgrund der unzureichenden Starrheit durchbiegt.

Es wird angenommen, dass diese Probleme dem folgenden Grund zuzuschreiben sind. Die magnetische Feldstärke H und die magnetische Flussdichte B des Dauermagneten verhalten sich umgekehrt proportional zu dem Abstand vom Magneten und nehmen mit zunehmendem Abstand ab. Es sei angenommen, dass der Abstand zwischen dem Supraleiter und dem Permanentmagneten Z ist, die auftretende magnetische Suszeptibilität des Supraleiters M ist, die Feldstärke des Dauermagneten H ist und dass die Flussdichte des Magneten B ist. Die Kraft der magnetischen Abstoßung zwischen dem Supraleiter und dem Dauermagneten ist proportional zum Produkt der Suszeptibilität M und dem Gradienten der Feldstärke dH/dZ oder zum Produkt der Suszeptibilität M und dem Gradienten der Flussdichte db/dZ. Die Starrheit ist proportional zu dem Produkt der Suszeptibilität M und d2B/dZ2. Der Gradient der Feldstärke dH/dZ oder der Gradient der Flussdichte dB/dZ des ringförmigen Dauermagneten ist jedoch nicht ausreichend, was die unzureichende Starrheit sowie Lastkapazität verursacht.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Probleme zu überwinden und eine supraleitende Lagervorrichtung zu schaffen, die einen drehbaren Körper in einem Nicht-Berührungszustand mit guter Stabilität lagern kann, indem die Durchbiegung der Achse des Rotationskörpers vermieden wird. Zur Erreichung dieses Ziels ist das erfindungsgemäße Lager durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.

Die vorliegende Erfindung schafft dementsprechend eine supraleitende Lagervorrichtung mit einem ringförmigen Dauermagnetbereich, der konzentrisch in Bezug auf einen drehbaren Körper angeordnet ist, und einen Supraleiter, der dem äußeren Umfang des Dauermagnetbereichs gegenüberliegt und von diesem in radialer Richtung des drehbaren Körpers beabstandet ist, welcher Dauermagnetbereich eine Scheibe umfasst, die fest an dem drehbaren Körper befestigt ist, und eine Anzahl ringförmiger Dauermagneten, die an der Scheibe in einem Abstand voneinander in der axialen Richtung des drehbaren Körpers angeordnet sind, wobei jeder der Dauermagneten radial gegenüberliegende Seiten umfasst, die mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert sind, wobei die benachbarten Dauermagneten mit entgegengesetzter Polarität zueinander auf ihren selben Seiten in Bezug auf die radiale Richtung magnetisiert sind.

Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen den ringförmigen Dauermagneten das 0,2- bis 1,0-fache der Dicke der Magneten in Axialrichtung.

In diesem Fall wird ein magnetischer Fluss, der von dem positiven Pol eines Magneten erzeugt wird und bei der Umkehrung zum negativen Pol desselben Magneten gerichtet ist, zu einem magnetischen Fluss addiert, der von dem positiven Pol eines anderen Pols erzeugt wird. Dies erzeugt einen verstärkten magnetischen Fluss und verstärkt den Gradienten der Flussdichte dB/dZ und d2B/d2Z, was zur Folge hat, dass die Lastkapazität und die Starrheit vergrößert werden.

Auf diese Weise kann eine Durchbiegung der Achse des drehbaren Körpers verhindert werden, so dass die Vorrichtung den drehbaren Körper in einem Nicht-Berührungszustand mit guter Stabilität lagern kann.

Versuche haben gezeigt, dass die Umkehrung des magnetischen Flusses verstärkt in einem Raum in einem Abstand des 0,3-fachen der Breite des Magneten von dem magnetischen Pol in der Axialrichtung und zumindest des 0,2-fachen der Breite radial davon entfernt auftritt. Wenn dementsprechend zwei Magneten zu nah beieinander angeordnet sind, werden der magnetische Fluss, der von dem positiven Pol von einem der Magneten erzeugt wird, und der magnetische Fluss, der in den negativen Pol des anderen Magneten eintritt, sich gegenseitig beeinflussen, so dass ein negativer Effekt erzeugt wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die einzige Figur ist ein schematischer senkrechter Schnitt, der den Hauptbereich einer supraleitenden Lagervorrichtung als eine Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden genauer mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.

Die einzige Figur zeigt schematisch den Hauptbereich einer supraleitenden Lagervorrichtung als eine Ausführungsform.

Ein Dauermagnetbereich 20 umfasst eine Scheibe 21, die auf ihrem äußeren Umfang mit einer Anzahl von beispielsweise zwei ringförmigen Nuten 22a, 22b versehen ist, die vertikal voneinander beabstandet sind. Ringförmige Dauermagneten 23a, 23b sind jeweils fest in die Nuten 22a, 22b eingepasst. Jeder der Dauermagneten 23a, 23b weist radial gegenüberliegende Seiten auf, die mit gegenüberliegenden Polaritäten magnetisiert sind. Die radial äußeren Seiten sowie die radial inneren Seiten benachbarter Dauermagnete 23a, 23b sind mit entgegengesetzten Polaritäten magnetisiert. Beispielsweise weist der obere Magnet 23a einen N-Pol am äußeren Umfang und einen S-Pol am inneren Umfang auf, und der untere Magnet 23b weist einen S-Pol am äußeren Umfang und einen N-Pol am inneren Umfang auf. Die magnetische Flussverteilung um die Rotationsachse ist so gewählt, dass sie durch Rotation nicht verändert wird. Wenn angenommen wird, dass die axiale Abmessung der Dauermagnete 23a, 23b deren Dicke entspricht, beträgt der Abstand zwischen den Magneten 23a, 23b vorzugsweise das 0,2- bis 0,1-fache der Dicke.

Ein Typ-II-Supraleiter 24 ist dem äußeren Umfang des Dauermagnetbereichs 20 gegenüberliegend angeordnet und radial von einem drehbaren Körper 1 beabstandet. Im übrigen kann der Supraleiter 24 die Form eines vollständigen Rings oder eines Ringsegments aufweisen.

In diesem Fall werden die magnetischen Flüsse von jedem der benachbarten Dauermagneten 23a, 23b am äußeren Umfangsbereich des Magnetbereichs 20 durch diejenigen verstärkt, die vom anderen Magneten ausgehen und umgekehrt, so dass der Gradient der Flussdichte dB/dZ und d2B/d2Z größer wird als in dem Fall, in dem der Dauermagnetbereich einen einzigen Dauermagneten umfasst. Dies verstärkt die Kraft der magnetischen Abstoßung zwischen dem Magnetbereich 20 und dem Supraleiter 24. Darüber hinaus wirkt eine große magnetische Anziehungskraft zwischen ihnen lediglich, wenn der Zwischenraum zwischen dem Magnetbereich 20 und dem Supraleiter 24 leicht in der Richtung der Rotationsachse von dem Abstand an anwächst, an dem die Kraft der magnetischen Abstoßung im Gleichgewicht mit der Haltekraft steht. Umgekehrt wirkt eine große magnetische Abstoßung zwischen ihnen lediglich dann, wenn der Zwischenraum von dem Gleichgewichtsabstand her leicht abnimmt. Dementsprechend wird eine größere Lastkapazität und eine verbesserte Starrheit geschaffen.

Ein Typ-I-Supraleiter, z. B. ein Supraleiter, der das Eindringen magnetischer Flüsse vollständig verhindert, kann bei dieser Ausführungsform als Supraleiter verwendet werden. In diesem Fall wird der drehbare Körper in einem Nicht-Berührungszustand bezüglich der Radialrichtung gehalten, indem der vollständige diamagnetische Effekt des Supraleiters ausgenutzt wird. Es ist in diesem Fall erwünscht, ein supraleitendes Lager in einer geeigneten Position zur Lagerung des drehbaren Körpers bezüglich der axialen Richtung vorzusehen.

Die supraleitende Lagervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist geeignet zur Verwendung in hydraulischen Maschinen und Bearbeitungswerkzeugen, die eine Hochgeschwindigkeitsrotation erfordern, in Energiespeichervorrichtungen zur Speicherung großer Mengen elektrischer Energie, die in Bewegungsenergie eines Schwungrads umgewandelt worden ist, oder in Kreiseln.


Anspruch[de]
  1. Supraleitende Lagervorrichtung mit einem ringförmigen Dauermagnetbereich (20), der konzentrisch in Bezug auf einen drehbaren Körper (1) und einen Supraleiter (24) angeordnet ist, der dem Dauermagnetbereich (20) in Abstand gegenüberliegt, wobei der Dauermagnetbereich (20) eine Scheibe (21) umfaßt, die fest mit dem drehbaren Körper (1) verbunden ist, wobei eine Anzahl von ringförmigen Dauermagneten (23a, 23b) auf der Scheibe (21) angeordnet ist und der Supraleiter (24) dem äußeren Umfang des Dauermagnetbereichs (20) gegenüberliegt, wobei die ringförmigen Dauermagneten (23a, 23b) auf der Scheibe (21) in einem Abstand zueinander in der Axialrichtung des drehbaren Körpers (1) angeordnet sind und jeder der Dauermagneten (23a, 23b) radial gegenüberliegende Seiten umfaßt, die mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert sind, wobei die benachbarten Dauermagneten mit entgegengesetzter Polarität zueinander auf ihren selben Seiten in Bezug auf die Radialrichtung magnetisiert sind.
  2. Supraleitende Lagervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den ringförmigen Dauermagneten (23a, 23b) das 0,2- bis 1,0-fache der Dicke der Magneten in Axialrichtung beträgt.
  3. Supraleitende Lagervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (21) auf ihrer äußeren Umfangsfläche mit einer Anzahl von ringförmigen Nuten versehen ist, die zueinander in Achsrichtung des drehbaren Körpers in Abstand liegen, wobei die ringförmigen Dauermagnete (23a, 23b) in den Nuten befestigt sind.
  4. Supraleitende Lagervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Supraleiter (24) ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist und dass alle Dauermagneten (23a, 23b) in dem Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Ende des Supraleiters in Bezug auf einen senkrechten Querschnitt angeordnet sind.
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