DE4234524C2 - Hybrid-Lagereinheit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hybrid-Lagereinheit sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.

Die ältere, jedoch nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung der selben Anmelderin gemäß DE 42 32 869 A1 schlägt eine Hybrid-Lagereinheit und ein Verfahren zu deren Betrieb vor, wobei die Hybrid-Lagereinheit eine Welle aufweist, ein frei drehbar um die Welle herum angeordnetes Eingriffselement, ein supraleitendes Lager, das mit einem Permanentmagneten und einem supraleitenden Körper versehen und zwischen dem Eingriffselement und der Welle angeordnet ist, ein nicht supraleitendes Hilfslager, das zwischen der Welle und dem Eingriffselement frei ein- und ausrückbar vorgesehen ist, und eine Einrück/Ausrück-Einrichtung zum Ein- und Ausrücken des Hilfslagers. Bei dem Betriebsverfahren für eine derartige Hybrid-Lagereinheit wird zunächst eine vorbestimmte Lagebeziehung zwischen dem supraleitenden Körper in dessen nicht-supraleitendem Zustand und einem Permanentmagneten geschaffen, dann wird der supraleitende Körper so weit gekühlt, bis er seinen supraleitenden Zustand erreicht, und dann wird die Lagebeziehung so geändert, daß zwischen dem supraleitenden Körper und dem Permanentmagneten eine resultierende Anziehungskraft wirkt.

Aus IEEE Transactions on Magnetics, Volume 27, No. 2, März 1991, Seiten 2423-2426 ist ein rein supraleitendes Lager aus einem bestimmten Material bekannt, welches durch das sogenannte QMG-Verfahren hergestellt wird. Um verschiedene Supraleiter aus verschiedenen Materialien mit einem konventionellen Gasdrucklager zu vergleichen wird weiterhin in dieser Druckschrift ein Versuchsaufbau beschrieben, der eine Lagereinheit aufweist, die aus einem supraleitenden Lager aus Permanentmagnet und Supraleiter sowie aus mehreren nicht supraleitenden Hilfslagern besteht, nämlich einem Gasdruck-Axiallager und einem Gasdruck-Radiallager. Mit diesem Versuchsaufbau vorgenommene Abklingzeitmessungen ergeben erheblich bessere, nämlich kleinere Abklingwerte bei einer Lagerung mittels Supraleiter und Permanentmagnet als bei einer Lagerung mittels Gasdruck.

In der DE-OS 19 46 176 wird angestrebt, eine magnetische Kreisellagerung so auszubilden, daß eine Dämpfung für bestimmte Kreiselbewegungen unter Vermeidung mechanischer Lagerteile unmittelbar, ohne Zwischenschaltung von Massen und Federn, an einem Kreisel wirksam wird. Zu diesem Zweck wird eine magnetische Kreisellagerung vorgeschlagen, bei der durch bestimmte Polflächen, die mit elektrisch gut leitenden Teilen oder Strompfaden versehen sind, infolge einer Wirbelstrombildung eine sogenannte gedämpfte Fesselung des Kreisels erzielt wird. Hierdurch kann erreicht werden, daß überhaupt kein mechanisches Lager mehr erforderlich ist. Um die mit einer kritischen Umdrehungsgeschwindigkeit zusammenhängenden Schwierigkeiten, nämlich das Auftreten zu großer Schwingungsamplituden, auszuschalten wird die magnetische Kreisellagerung umschaltbar ausgebildet. Hierbei werden umschaltbare magnetische Kreisel eingesetzt, so daß durch einen geringeren Strom durch die Wicklungen ein geringerer Wert des Kraftflusses in dem magnetischen Kreis vorgesehen wird, und hierdurch die Steifheit der Lagerung verkleinert und die kritische Drehzahl des Systems unter die bereits erreichbare Momentandrehzahl verlegt wird. Der Kreisel muß daher nicht den kritischen Bereich durchlaufen, sondern läuft nach dieser Maßnahme sofort überkritisch und kann gefahrlos weiter beschleunigt werden, worauf dann zur Verbesserung der Dämpfung wieder die ursprüngliche Erregung hergestellt werden kann; dies gilt beim Herauffahren des Kreisels, und beim Abbremsen des Kreisels wird umgekehrt verfahren.

In der JP 64-50754 A ist ein supraleitendes Lager für eine horizontal angeordnete Welle beschrieben, die auch über ein Hilfslager gelagert wird. Bei diesem supraleitenden Lager ist zunächst ein unterer Lagerspalt kleiner als ein oberer Lagerspalt, und daher ergibt sich eine nach oben gerichtete Kraft. Diese Kraft hängt vom Quadrat der magnetischen Feldstärke in dem Lagerspalt ab, und steigt daher mit steigendem Ausgangsstrom an. Der Ausgangsstrom ist wiederum von der Drehzahl der Welle abhängig, und daher steigt mit steigender Drehzahl der Welle die Kraft, welche die Welle anhebt und daher den oberen Lagerspalt zu verkleinern und den unteren Lagerspalt zu vergrößern trachtet. Wenn die magnetische Kraft zum Anheben der Welle ausreichend groß ist, also bei ausreichend hoher Drehzahl der Welle, kann daher das Hilfslager abgesenkt und von der Welle entfernt werden. Daher wird bei diesem Stand der Technik die Welle zunächst rein mechanisch abgestützt, bis infolge der wachsenden Drehzahl der Welle die in dem supraleitenden Lager erzeugten magnetischen Kräfte dazu ausreichen, die Welle allein magnetisch zu lagern.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend deren technischer Hintergrund kurz erläutert.

Wellen, die sich bei extrem hohen Geschwindigkeiten drehen, können nicht von gewöhnlichen Gleit- oder Rollagern gelagert werden. Sie müssen in einem berührungsfreien Zustand gehalten werden. Vor kurzem sind Forschungsarbeiten für supraleitende Lagereinheiten als Lagereinheiten zum Halten einer Drehwelle in einem berührungsfreien Zustand durchgeführt worden. Diese supraleitenden Lagereinheiten verwenden den Pinning-Effekt des supraleitenden Körpers, wobei die Drehwelle in einem schwebenden Zustand gehalten werden kann.

Eine derartige supraleitende Lagereinheit ist auf Seite 18 des Vortragsverzeichnisses der 1991 Spring Cryogenic Engineering and Superconducting Symposium beschrieben. Diese herkömmliche supraleitende Lagereinheit ist primär für eine axiale Halterung in einer Schubrichtung vorgesehen, wie im Prinzip in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt.

In Fig. 5 umfaßt sie einen ringförmigen oder kreisförmigen Permanentmagneten 1 und zahlreiche aus einem supraleitenden Material hergestellte Plättchen 2, die dem Permanentmagneten 1 gegenüberliegend angeordnet sind. Der Permanentmagnet 1 und die Plättchen 2 sind in jeweilige Kupferscheiben 3 und 4 eingebettet. Außerdem sind die Plättchen 2, die aus einem supraleitenden Oxid einer Yttrium-Legierung (beispielsweise YBa₂Cu₃O_x) hergestellt sind, in einem konzentrischen Kreis angeordnet.

Die Plättchen 2 nehmen einen supraleitenden Zustand an, wenn die Scheibe 4 in die sie eingebettet sind, gekühlt wird. Als Folge davon wird eine Kraft in der Richtung, die eine Änderung des Abstandes zwischen den jeweiligen Plättchen 2 und den Permanentmagneten 1 verhindert, auf Grund des Pinning-Effekts, der zwischen den jeweiligen Plättchen 2 und dem Permanentmagneten 1 ausgeübt wird, erzeugt. Das heißt, daß eine Pinning-Kraft erzeugt wird, wenn die Plättchen 2 supraleitend werden, die den von dem Permanentmagneten 1 ausgehenden magnetischen Fluß in den Plättchen 2 beschränkt.

Wenn der Abstand oder der Spalt zwischen dem Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 größer wird, wirkt eine anziehende Kraft auf Grundlage der Pinning-Kraft zwischen dem Paar von Elementen 1 und 2. In ähnlicher Art wirkt eine abstoßende Kraft auf Grund der Pinning-Kraft zwischen dem Paar von Elementen 1 und 2, wenn der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 abnimmt. Der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 wird mittels dieser anziehenden und abstoßenden Kräfte konstant aufrecht erhalten. Außerdem verhindert die Pinning-Kraft eine Abweichung der Lagebeziehung zwischen dem Permanentmagneten 1 und den Plättchen 2 in einer Oberflächenrichtung. Falls dementsprechend der Permanentmagnet 1 an einer Drehwelle befestigt ist, kann die Drehwelle in einem sich frei drehenden schwebenden Zustand bezüglich der Scheibe 4 gehalten werden.

Fig. 6 zeigt eine Drehwelle 5, die mittels einer supraleitenden Lagereinheit wie im Prinzip oben beschrieben, in einem sich frei drehenden Zustand gehalten wird. Zahlreiche Plättchen 2 sind in ein Paar von jeweiligen Scheiben 4a eingebettet. Die beiden Scheiben 4a sind voneinander beabstandet und parallel angeordnet. Jede der Scheiben 4a wird mittels flüssigen Stickstoffs gekühlt, der in einer Kühlummantelung 7 in einem Gehäuse 6 gespeichert ist. Eine weitere Scheibe 3a ist zwischen dem Paar Scheiben 4a an einem Mittelabschnitt der Drehwelle 5 fest befestigt, die durch das Innere des Paars von Scheiben 4a läuft. Die Permanentmagneten 1 sind in untere und obere Stirnflächen der Scheibe 3a eingebettet. Die Permanentmagneten 1 sind so angeordnet, daß sie den Plättchen 2 gegenüberliegen. Ein magnetischer Motor 8 ist an einem Endabschnitt der Drehwelle 5 für ihre Umdrehung vorgesehen.

Beim Einlassen von flüssigem Stickstoff in die Kühlummantelung 7, werden die Plättchen 2, die in die jeweiligen Scheiben 4a eingebettet sind, supraleitend. Als Folge davon wird verhindert, daß sich die Scheibe 3a, die fest an dem Mittelabschnitt der Drehwelle 5 befestigt ist, von den jeweiligen Scheiben 4a zu weit entfernt oder sich zu nahe an sie heranbeugt, so daß die Drehwelle 5 in einem schwebenden Zustand gehalten wird, in dem sie gedreht werden kann.

Bei einer herkömmlichen supraleichten Lagereinheit mit der obigen herkömmlichen Konstruktion, ist es leicht möglich, daß die radiale Festigkeit oder Stabilität niedriger ist, als die Festigkeit oder Stabilität in der Schubrichtung. Bei der supraleitenden Lagereinheit wie beispielsweise in der Fig. 6 gezeigt, sind die radiale Festigkeit oder Stabilität und die Lastlagerungskapazität besonders niedrig, da die Plättchen 2 aus supraleitendem Material und der Permanentmagnet 1 in der Schubrichtung einander gegenüber liegen. Bei einer supraleitenden Lagereinheit, bei der ein supraleitender Körper und ein Permanentmagnet einander gegenüber in der Radialrichtung angeordnet sind, kann die radiale Festigkeit oder Stabilität und Lastkapazität im Vergleich mit der supraleitenden Lagereinheit aus Fig. 6 erhöht werden, doch ist es im allgemeinen schwierig, eine ausreichende radiale Festigkeit oder Stabilität und Lastlagerungskapazität sicher zu stellen.

Als Folge davon ist es bei herkömmlichen supraleitenden Lagereinheiten, bei denen eine Drehwelle innerhalb eines Lagergehäuses gelagert ist oder ein Rotor so gelagert ist, daß er sich frei um eine Achse drehen kann, nicht möglich, die Umdrehungsgeschwindigkeit der Drehwelle oder des Rotors über die kritische Geschwindigkeit zu heben, welche im folgenden noch näher erläutert wird.

Das bedeutet, daß das drehende Material der Drehwelle oder des Rotors eine bestimmte charakteristische Resonanzfrequenz besitzt, die mit der Lagerfestigkeit oder Stabilität und dergleichen zusammenhängt. Wenn sich die Umdrehungsgeschwindigkeit des sich drehenden Materials bis zu diesem Punkt erhöht, stimmt die Umdrehungsgeschwindigkeit mit der Resonanzfrequenz überein, welches ein sogenanntes "Wirbelphänomen" (zu große Schwingungsamplituden oder eine zu starke Nutation) zur Folge hat, welches eine heftige Lageänderung des sich drehenden Körpers in der radialen Richtung bewirkt. Die Umdrehungsgeschwindigkeit, bei der dieses Phänomen auftritt, wird als die gefährliche oder kritische Geschwindigkeit des sich drehenden Systems bezeichnet. Der Ausdruck "kritische Geschwindigkeit" wird in dieser Beschreibung verwendet. Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des sich drehenden Körpers niedriger als die "kritische Geschwindigkeit" ist, oder wenn sie die "kritische Geschwindigkeit" überschreitet, hört die zu starke Nutation des sich drehenden Körpers auf und der sich drehende Körper dreht sich gleichmäßig.

Lagereinheiten wie Gleitlager, Flüssigkeitslager und Rollager, die ganz allgemein bis jetzt verwendet worden sind, besitzen eine radiale Festigkeit oder Stabilität und Lastlagerungskapazität, die ausreichend groß ist, so daß sich die "kritische Geschwindigkeit" in einem Bereich höherer Umdrehungsgeschwindigkeiten befindet. Wenn Betriebsgeschwindigkeiten unterhalb der kritischen Geschwindigkeit eingestellt sind, besitzen die Lagereinheiten dementsprechend eine ausreichende Betriebslebensdauer.

Andererseits erscheinen bei den supraleitenden Lagereinheiten, bei denen die radiale Festigkeit oder Stabilität und Lastlagerungskapazität klein ist, die "kritischen Geschwindigkeiten" in dem Bereich niedrigerer Umdrehungsgeschwindigkeiten. Falls ein von einer supraleitenden Lagereinheit gehaltenes Element die niedrige "kritische Geschwindigkeit" umgehen könnte, könnte somit die Umdrehungsgeschwindigkeit des sich drehenden Elementes sehr hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten erreichen.

Mit einem Gleitlager oder Rollager ist auf Grund der Wärme, die erzeugt wird, wenn ein Betrieb mit extrem hoher Umdrehungsgeschwindigkeit erfolgt, eine ausreichende Lebensdauer nicht zu erzielen. Andererseits kann mit magnetischen Lagern vom steuerbaren Typ, die aus magnetischen Materialien bestehen, die mit einem Elektromagneten zusammengesetzt sind, ein schwebender Zustand des sich drehenden Elementes durch Steuern der Energie des Elektromagneten aufrechterhalten werden. Obwohl diese Art von steuerbaren magnetischen Lagern die obigen Probleme beseitigt, erfordert sie einen höchstgenauen Positionssensor und eine Steuereinrichtung mit einem hervorragenden Reaktionsverhalten, welches einen komplizierten Aufbau und hohe Herstellungskosten zur Folge hat.

Die Hybrid-Lagereinheit der vorliegenden Erfindung wurde angesichts der oben erwähnten Umstände durchgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hybrid- Lagereinheit und ein Verfahren zu deren Betrieb vorzuschlagen, bei welchem keine durch die kritische Umdrehungsge­ schwindigkeit hervorgerufene Probleme auftreten. Die Aufgabe wird durch eine Hybrid-Lagereinheit mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. ein Verfahren mit den im Patentanspruch 2 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Bei der vorliegenden Erfindung ist das Hilfslager zwischen der Welle und dem Eingriffselement eingerückt bis die Umdrehungsgeschwindigkeit des Drehelements (das heißt, die Welle bei dem Fall, bei dem das Eingriffselement stationär ist, oder das Eingriffselement bei dem Fall, bei dem die Welle stationär ist) die "kritische Geschwindigkeit" No des supraleitenden Lagers übersteigt. Als Folge davon, werden die Welle und das Eingriffselement so gehalten, daß sie relativ zueinander mittels des Hilfslagers frei drehbar sind. Da das Hilfslager eine ausreichend große radiale Festigkeit oder Stabilität oder Lastlagerungskapazität besitzt, ist die "kritische Geschwindigkeit" N1 aus Grundlage der Lagerfestigkeit oder Stabilität des Hilfslagers in ausreichenden Maße größer als die "kritische Geschwindigkeit" No. Als Folge davon ist es möglich, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit des sich drehenden Elements die "kritische Geschwindigkeit" No des supraleitenden Lagers überschreiten kann, ohne das Wirbelphänomen zu unterlaufen.

Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit die "kritische Geschwindigkeit" No übersteigt, löst die Einrück/Ausrück-Einrichtung den Eingriff des Hilfslagers von dem sich drehenden Element, das von dem supraleitenden Lager gehalten wird. Da das Drehelement allein durch das supraleitende Lager gehalten wird, tritt die Situation, bei der die Geschwindigkeit des sich drehenden Elements die "kritische Geschwindigkeit" N1 bezüglich des Hilfslagers erreicht, nicht auf, so daß die "kritische Geschwindigkeit" N1 durchlaufen werden kann, wodurch eine Drehung mit extrem hoher Geschwindigkeit oberhalb der "kritischen Geschwindigkeit" N1 erreicht werden kann.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine vertikale Teilquerschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine vertikale Teilquerschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer Steuerschaltung zeigt;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, die das grundlegende Prinzip einer herkömmlichen supraleitenden Lagereinheit zeigt; und

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht, die die supraleitende Lagereinheit der Fig. 5 zum drehbaren Halten einer Welle zeigt.

In einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in Fig. 1 gezeigt ist, ist als Drehkörper eine Welle 10 so gehalten, daß sie sich frei innerhalb als Gehäuse ausgebildeten Eingriffselements 9 bewegen kann. Das Eingriffselement 9 besitzt eine zylindrische Wand 11, deren obere und untere Enden mit einer oberen Platte 12 bzw. einer unteren Platte 13 abgedeckt sind. Die Welle 10 wird zur zylindrischen Wand 11 innerhalb des Eingriffselements 9 konzentrisch gehalten. Ein Paar von oberen und unteren Permanentmagneten 14a und 14b sind mit einem Abstand an zwei Positionen auf der äußeren Umfangsfläche der Welle fest angebracht.

Ein Paar supraleitende Körper 15a und 15b sind fest direkt über dem Permanentmagneten 14a bzw. direkt unterhalb des Permanentmagneten 14b auf der inneren Umfangsfläche der zylindrischen Wand 11 angeordnet. Die untere Fläche des supraleitenden Körpers 15a liegt der oberen Fläche des oberen Permanentmagneten 14a mit einem Lagerspalt 16a dazwischen gegenüber. Eine (in der Figur nicht gezeigte) Kühlummantelung ist auf der inneren Umfangsfläche der zylindrischen Wand 11 so vorgesehen, daß sie einen. Teil jedes supraleitenden Körpers 15a und 15b umgibt. Ein (in der Figur nicht gezeigtes) Zuführungs/Auslass-Tor ist auf einem Abschnitt des Eingriffselements 9 vorgesehen, so daß ein flüssiges Stickstoff-Kühlmittel über das Zuführungs/Auslass-Tor an die Ummantelung zugeführt bzw. dadurch ausgestoßen werden kann.

Konische Vorsprünge 17a und 17b, zur Welle 10 konzentrisch angeordnet, sind an einem oberen bzw. unteren Ende der Welle 10 gebildet. Ein oberes Hilfslager 18a ist auf einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der oberen Platte 12 an einem Abschnitt gebildet, der dem oberen Ende der Drehwelle 10 entspricht. Ein unteres Hilfslager 18b ist auf einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der unteren Platte 13 an einem Abschnitt vorgesehen, der dem unteren Ende der Welle 10 entspricht. Eine konische Aufnahme 19a, die den konischen Vorsprung 17a bündig aufnimmt, ist auf einer unteren Fläche des oberen Hilfslagers 18a gebildet, während eine konische Aufnahme 19b, die den konischen Vorsprung 17b bündig aufnimmt, auf einer oberen Fläche des unteren Hilfslagers 18b gebildet ist.

Der konische Vorsprung 17a und/oder die konische Aufnahme 19a und der konische Vorsprung 17b und/oder die konische Aufnahme 19b ist mit einem trockenen Gleitmittel, beispielsweise Graphit oder Molybdän-Disulfid, oder mit einem feuchten Gleitmittel, beispielsweise Fett, bestrichen oder geschmiert. Wenn die konischen Vorsprünge 17a und 17b mit der konischen Aufnahme 19a bzw. 19b in Kontakt gebracht werden, ist das Hilfslager 18a bzw. 18b in Form eines Gleitlagers betriebsfähig.

Bei dem Hilfslager kann es sich um einen dynamischen Flüssigkeits- oder statischen Druckflüssigkeits-Typ handeln. Ein dynamisches Flüssigkeitslager ist so konstruiert, daß eine dynamische Ausnehmung in wenigstens einer der Flächen der konischen Vorsprünge 17a (17b) und der konischen Aufnahmen 19a (19b), die den Vorsprüngen 17a (17b) gegenüberliegen, gebildet ist, derart, daß ein Luft- oder Ölfilm zwischen jeweiligen Paaren von Flächen 17a (17b) und 19a (19b) gebildet wird, wenn sich die Drehwelle dreht. Bei einem Lager vom statischen Flüssigkeitstyp wird eine verdichtete Flüssigkeit zwischen den jeweiligen Paaren vom Flächen 17a (17b) und 19a (19b) mittels einer (in der Figur nicht gezeigten) Zuführungseinrichtung für verdichtete Flüssigkeit geleitet.

Das obere Hilfslager 18a ist fest an der unteren Fläche der unteren Platte 12 angebracht, während das untere Hilfslager 18b über der unteren Platte 13 so gehalten wird, daß es sich frei heben und senken kann. Eine Ausdehnungsmanschette 20 wird in Eingriff stehend gehalten, indem ihr unterer Rand mit einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der unteren Platte 13 im Eingriff steht. Das untere Hilfslager 18b ist auf einem oberen Rand der Ausdehnungsmanschette 20 in Eingriff stehend gehalten. Eine Zuführungsöffnung 21 und eine Auslaßöffnung 22 sind in einem Mittelabschnitt der unteren Platte 13 vorgesehen, der von der Ausdehnungsmanschette 20 umgeben ist.

Druckluft wird mittels der Zuführungsöffnung 21 oder der Auslaßöffnung 22 der Ausdehnungsmanschette 20 zugeführt bzw. von ihr abgegeben. Die Ausdehnungsmanschette 20, die Zuführungsöffnung 21 und die Auslaßöffnung 22 bilden die Einrück/Ausrückeinrichtung, wodurch das untere Hilfslager 18b angehoben oder abgesenkt werden kann, um das Hilfslager 18a, 18b einzurücken oder auszurücken. Das untere Hilfslager 18b greift in einen (nicht gezeigten) Führungsabschnitt ein, der innerhalb des Eingriffselements 9 vorgesehen ist, so daß ermöglicht wird, daß sich das untere Hilfslager 18b frei nach oben und unten bewegen kann, aber verhindert wird, daß das untere Hilfslager 18b sich in Radialrichtung bewegt.

Außerdem ist ein Rotor 23 auf einer äußeren Umfangsfläche an einem unteren Endabschnitt der Welle 10 befestigt, während ein Stator 24 auf einer inneren Umfangsfläche der zylindrischen Wand 11 an einer dem Rotor 23 entsprechenden Position vorgesehen ist. Der Rotor 23 und der Stator 24 bilden einen elektrischen Motor 25 zum Drehantrieb der Welle 10. Durch die folgende Betriebsweise kann, mit der wie oben beschrieben konstruierten Hybrid-Lagereinheit der vorliegenden Erfindung die Welle 10 mit einer hohen Geschwindigkeit oberhalb der "kritischen Geschwindigkeit" No gedreht werden.

Bevor dem elektrischen Motor 25 Energie zugeführt wird, wird der Ausdehnungsmanschette 20 Druckluft über die Zuführungsöffnung 21 zugeführt, wodurch das untere Hilfslager 18b zusammen mit der Welle 10 gehoben wird. Als Folge davon paßt der konische Vorsprung 17a bündig in die konische Aufnahme 19a des oberen Hilfslagers 18a und der konische Vorsprung 17b paßt bündig in die konische Aufnahme 19b des unteren Hilfslagers 18b. Durch das obere und untere Gleitlager wird in diesem Zustand die Welle 10 so gehalten, daß sie sich frei innerhalb des Eingriffs­ elements (Gehäuses) 9 drehen kann. Außerdem werden in diesem Zustand das Paar von oberen und unteren Permanentmagneten 14a und 14b und supraleitenden Körpern 15a und 15b jeweils zueinander konzentrisch gehalten. Zugleich werden die Lagerspalte 16a und 16b variiert, so daß der obere Lagerspalt 16a kleiner wird (so nahe am Minimum wie möglich), während der untere Lagerspalt 16b größer wird.

Danach wird die Energieversorgung für den elektrischen Motor 25 eingeschaltet und die Welle 10 beginnt sich zu drehen. Die "kritische Geschwindigkeit" No des supraleitenden Lagers ist durch die Masse der Welle 10 und die daran befestigten Elemente und durch die Lagerfestigkeit oder Stabilität des supraleitenden Lagers bestimmt. Jedoch besteht mit dem Gleitlager, also dem Hilfslager 18a, 18b das aus dem oberen Hilfslager 18a und dem unteren Hilfslager 18b besteht, eine ausreichende Lastlagerungskapazität und Festigkeit oder Stabilität in der radialen Richtung, so daß die "kritische Geschwindigkeit" N1, die durch die Lagerfestigkeit oder Stabilität des Hilfslagers bestimmt wird, im Vergleich mit der "kritischen Geschwindigkeit" No des supraleitenden Lagers ausreichend hoch ist. Sogar wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle 10 allmählich ansteigt, bis die Umdrehungsgeschwindigkeit die "kritische Geschwindigkeit" No des supraleitenden Lagers erreicht, tritt dementsprechend eine zu hohe Schwingungs­ amplitude der Welle 10 nicht auf.

Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle 10 steigt dann über die "kritische Geschwindigkeit" No an. Nach Überschreiten der "kritischen Geschwindigkeit" No wird die Druckluft in der Ausdehnungsmanschette 20 über die Auslassöffnung 22 abgegeben und das untere Hilfslager 18b senkt sich ab. In dem Zeitabschnitt, nachdem Druckluft an die Ausdehnungsmanschette 20 über die Zuführungsöffnung 21 zugeführt worden ist und bevor die Druckluft über die Auslaßöffnung 22 abgegeben wird, wird flüssiger Stickstoff in die (nicht gezeigte) in dem Eingriffselement 9 vorgesehene Kühlummantelung geleitet. Als Folge davon wird das Paar von supraleitenden Körpern 15a und 15b in den supraleitenden Zustand gebracht.

Dadurch wird die Haltekraft für die Welle 10, die durch das untere Hilfslager 18b vorgesehen wird, durch dessen Absenken beseitigt, sobald die supraleitenden Körper 15a und 15b supraleitend geworden sind. Die Welle 10 und der obere und der untere Permanentmagnet 14a und 14b sinken unter ihrem Gewicht als Folge der Beseitigung der Haltekraft herab. Dabei wird der obere Lagerspalt 16a größer, während der untere Lagerspalt 16b kleiner wird.

In diesem Zustand erzeugt der von dem Paar von Permanentmagneten 14a und 14b ausgehende magnetische Fluß einen Pinning-Effekt innerhalb der supraleitenden Körper 15a und 15b. Als Folge davon erhöht sich die Kraft zwischen den gegenüberliegenden Elementen 14a und 14b, 15a und 15b in einer Richtung, so daß die gegenseitige Lageänderung der Permanentmagneten 14a und 14b und der supraleitenden Körpern 15a und 15b verhindert wird.

Also wirkt bei absinkender Welle 10 etc. unter ihrem Eigengewicht eine anziehende Kraft auf Grund der Pinning-Kraft zwischen dem oberen Permanentmagneten 14a und dem supraleitenden Körper 15a, und eine abstoßende Kraft auf Grund der Pinning-Kraft wirkt zwischen dem unteren Permanentmagneten 14b und dem supraleitenden Körper 15b. Als Folge davon wird das Absinken der Welle 10 gestoppt, wobei das Eigengewicht durch die anziehenden und abstoßenden Kräfte ausgeglichen wird. Außerdem wird eine Lageänderung der Welle 10 in der radialen Richtung mittels einer Kraft auf Grund der Pinning-Kraft verhindert.

Dementsprechend wird nach Verlust der bisher durch das untere Hilfslager 18b bereitgestellten Haltekraft die Welle 10 zu dem Eingriffs­ element (Gehäuse) 9 konzentrisch in einem schwebenden Zustand gehalten. Dementsprechend wirken keine Reibungskräfte auf die Umdrehung der Welle 10 mehr ein. In diesem Zustand hat die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle 10 bereits die "kritische Geschwindigkeit" No überschritten. Dementsprechend werden zu hohe Schwingungsamplituden der Welle 10 vermieden, wodurch ermöglicht wird, daß sich die Welle 10 mit einer extrem hohen Geschwindigkeit dreht.

Die "kritische Geschwindigkeit" No der Drehwelle 10, die durch die Lagerfestigkeit oder Stabilität des supraleitenden Lagers bestimmt wird, variiert in Abhängigkeit von Parametern wie beispielsweise des Materials, des Durchmessers und der Länge der Welle 10 und des Gewichts und der Positionierung von Elementen die an der Welle 10 befestigt werden. Falls die Welle 10 beispielsweise als eine Lagerspindel einer Zentrifugal-Abscheidevorrichtung verwendet wird, ist die "kritische Geschwindigkeit" ungefähr 2000-3000 Umdrehungen pro Minute (33,3 bis 50,0 s^-1). Außerdem ist die Zeit, die die Welle 10 benötigt, um aus dem stationären Zustand, wenn der elektrische Motor 25 gestartet wird, auf oberhalb der "kritischen Geschwindigkeit" No der Welle 10 zu beschleunigen, extrem kurz und in der Größenordnung einiger Sekunden bis einiger Zehntelsekunden. Dementsprechend kann die Welle 10 während einer Beschleunigung zum Durchlaufen der "kritischen Geschwindigkeit" No durch das als Gleitlager ausgebildete Hilfslager 18a, 18b ohne irgendwelche Probleme gehalten werden.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel sind runde Vorsprünge 26a und 26b an der unteren Endfläche des oberen Hilfslagers 18a bzw. der Welle 10 gebildet, und konkave Abschnitte 27a und 27b sind an der oberen Endfläche der Welle 10 bzw. des unteren Hilfslagers 18b gebildet.

Der jeweilige runde Vorsprung 26a bzw. 26b steht mit dem zugehörigen runden konkaven Abschnitt 27a bzw. 27b im Eingriff, wenn sich das untere Hilfslager 18b hebt, wenn der Ausdehnungsmanschette 20 Druckluft zugeführt wird. Das obere und untere Paar von Permanentmagneten 14a und 14b bzw. supraleitende Körper 15a und 15b (Fig. 1) werden dann zueinander konzentrisch. Zugleich werden durch den Eingriff zwischen dem jeweiligen Vorsprung 26a, 26b und der jeweiligen runden konkaven Ausnehmung 27a, 27b ein oberes und ein unteres Gleitlager als Hilfslager geschaffen. Andere Aspekte der Konstruktion und des Betriebs sind im wesentlichen die gleichen wie für das erste Ausführungsbeispiel. Falls erforderlich, können beispielsweise dynamische Ausnehmungen in den Eingriffsflächen gebildet werden.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem Rollager als Hilfslager verwendet werden. Eine obere Aufnahme 29a wird auf einem Mittelabschnitt der unteren Fläche der oberen Platte 12 so gehalten, daß sie sich mittels eines Rillenkugellagers 28a frei drehen kann. Eine untere Aufnahme 29b ist auf einem oberen Endabschnitt der auf dem Mittelabschnitt der unteren Platte 13 vorgesehenen Ausdehnungsmanschette 20 gehalten, um sich mittels eines Tiefnut-Kugellagers 28b frei zu drehen.

Konische Vorsprünge 17a und 17b sind am oberen bzw. unteren Ende der Drehwelle 10 vorgesehen, und konische Aufnahmen 19a und 19b sind auf der unteren Fläche der Aufnahme 29a am oberen Ende bzw. auf der unteren Fläche der Aufnahme 29b am unteren Ende gebildet. Das Paar von oberen und unteren Permanentmagneten 14a und 14b und supraleitenden Körpern 15a und 15b (Fig. 1) werden zueinander konzentrisch, wenn die Aufnahme 29b am unteren Ende angehoben wird, wenn Druckluft in die Ausdehnungsmanschette 20 geleitet wird. Mit dieser Anordnung ist ein Gleiten zwischen dem jeweiligen konischen Vorsprung 17a bzw. 17b und der zugehörigen konischen Aufnahme 19a bzw. 19b nicht notwendig. Andere Aspekte der Konstruktion und des Betriebs sind im wesentlichen die gleichen wie bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für eine Steuereinrichtung für eine Hybrid-Lagereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.

Ein Erfassungssignal A von einem Umdrehungsgeschwindigkeitssensor 30, der die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle 10 erfaßt, wird einer Steuereinrichtung 31 eingegeben. Die Steuereinrichtung 31 gibt ein Steuersignal B an die Einrück/Ausrück-Einrichtung 32 ab, um das Hilfslager einzurücken oder auszurücken.

Die Steuereinrichtung 31 umfaßt eine Einstelleinrichtung 33 zum Einstellen einer Geschwindigkeit über der "kritischen Geschwindigkeit" No und zum Speichern dieser Einstellung, einen Vergleicher 34 zum Vergleichen eines Einstellsignals C, das von der Einstelleinrichtung 33 abgegeben wird, mit dem Erfassungssignal A und zum Abgeben eines Befehlsignals D, wenn das Erfassungssignal A größer oder gleich dem Einstellsignal C ist, und einen Steuerschaltkreis 35 zum Abgeben eines Steuersignals B auf Grundlage des Befehlssignals D.

Die Steuereinrichtung dient zum Steuern der Hybrid-Lagereinheit der vorliegenden Erfindung. Wenn die Welle 10 aus dem stationären Zustand gestartet wird, wird dann mit dieser Steuereinrichtung selbsttätig die Geschwindigkeit der Welle ohne Auftreten einer zu großen Schwingungsamplitude in die Nähe der "kritischen Geschwindigkeit" No angehoben. Das heißt, daß unmittelbar nach Starten aus dem Stoppzustand und während eines Zustandes, bei dem die Umdrehungsfrequenz niedrig ist, die Steuereinrichtung so arbeitet, daß der Ausdehnungsmanschette 20 der Einrück/Ausrückeinrichtung 32 Druckluft zugeführt wird. Wenn dann die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle 10 die "kritische Geschwindigkeit" No überschreitet, arbeitet die Steuereinrichtung so, daß automatisch Druckluft aus der Ausdehnungsmanschette 20 abgelassen wird, wodurch der Eingriff der Welle mit dem als Gleitlager, Flüssigkeitslager oder Rollager ausgebildeten Hilfslager gelöst wird.

Elemente, die mittels des Steuersignals B betrieben werden können, umfassen beispielsweise ein in der Zuführungs/Auslasschaltung für Druckluft vorgesehenes Schaltventil vom elektromagnetischen Typ. Außerdem ist es möglich, die Ausdehnungsmanschette 20 durch ein Solenoid zu ersetzen. Somit kann mit einer aus diesem Solenoid gebildeten Einrück/Ausrück-Einrichtung 32 das Solenoid direkt von dem Steuersignal B betätigt werden.

In der obigen Beschreibung dreht sich die Welle 10 innerhalb eines festen Gehäuses als Eingriffselement 9. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausbildung beschränkt und kann auch bei einem Rotor angewendet werden, der sich um eine feste Achse dreht.

Mit der Hybrid-Lagereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Umdrehungsgeschwindigkeit eines sich drehenden Körpers, beispielsweise einer Welle, über die "kritische Geschwindigkeit" hinaus zu beschleunigen. Dementsprechend leistet die vorliegende Erfindung einen beträchtlichen Beitrag für die praktische Verwendung von Hybrid-Lagereinheiten mit niedriger Festigkeit oder radialer Stabilität und niedriger Lastlagerungskapazität.

Claims (3)

1. Hybrid-Lagereinheit mit
einer Welle (10);
einem Eingriffselement (9), das frei drehbar um die Welle (10) herum angeordnet ist,
einem supraleitenden Lager, das einen Permanentmagneten (14a, 14b) und einen supraleitenden Körper (15a, 15b) aufweist und zwischen dem Eingriffselement (9) und der Welle (10) vorgesehen ist,
einem nicht supraleitenden Hilfslager (18a, 18b), das zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9) vorgesehen ist und einen frei ein- und ausrückbaren Hilfslagerabschnitt (18b) aufweist,
einer Einrück/Ausrück-Einrichtung (20-22) zum Ein- und Ausrücken des Hilfslagerabschnitts (18b),
mit einem Umdrehungsgeschwindigkeitssensor (30) zur Erfassung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle (10) oder des Eingriffselements (9),
und einer Steuereinrichtung (31) für die Einrück/Ausrück-Einrichtung (20-22),
wobei die Steuereinrichtung (31) dazu ausgebildet ist, unterhalb einer kritischen Umdrehungsgeschwindigkeit (No) des supraleitenden Lagers das Einrücken des Hilfslagerabschnitts (18b) zu veranlassen, wodurch die Welle (10) durch das Hilfslager (18a, 18b) gelagert wird, und nach Überschreiten der kritischen Umdrehungsgeschwindigkeit (No) das Ausrücken des Hilfslagerabschnitts (18b) zu veranlassen.

2. Hybrid-Lagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfslagerabschnitt (29b) über ein Rollenlager (28b) an dem Eingriffselement (9) angebracht ist.

3. Verfahren zum Betreiben einer Hybrid-Lagereinheit für eine Welle (10) und ein Eingriffselement (9), das bezüglich der Welle (10) relativ drehbar ist, wobei die Hybrid-Lagereinheit ein supraleitendes Lager mit einem Permanentmagneten (14a, 14b) und einem supraleitenden Element (15a, 15b) zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9), ein nicht-supraleitendes Hilfslager (18a, 18b) zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9), und eine Einrück/Ausrück- Einrichtung (20-22) für das Hilfslager (18a, 18b) aufweist, mit folgenden Schritten:

• a) Erfassen der Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle (10) oder des Eingriffselements (9);
• b) Einrücken eines Hilfslagerabschnitts (18b) zwischen der Welle (10) und dem Eingriffselement (9) mittels der Einrück/Ausrück-Einrichtung (20-22) zum Lagern der Welle (10) durch das Hilfslager (18a, 18b) solange, bis die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle (10) oder des Eingriffselements (9) eine kritische Geschwindigkeit (No) des supraleitenden Lagers übersteigt;
• c) Ausrücken des Hilfslagerabschnitts (18b) mittels der Einrück/Ausrück-Einrichtung (20-22), nachdem die Umdrehungsgeschwindigkeit die kritische Geschwindigkeit (No) überschritten hat.