DE10042962C1 - Magnetlager zur Lagerung einer drehbaren Welle unter Verwendung von Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial - Google Patents

Abstract

Das Magnetlager (2) zur magnetischen Lagerung einer drehbaren Welle (3) innerhalb eines Stators enthält einen ersten mit einer Welle starr verbundenen Lagerteil (5), der unter Ausbildung eines Lagerspaltes (12) von einem zweiten, dem Stator zugehörenden Lagerteil (13) umschlossen ist. Eine Magnetanordnung (7) des ersten Lagerteils mit permanentmagnetischen Elementen (8i) und eine kühlbare Supraleitungsanordnung (14) des zweiten Lagerteils mit Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial sind gemeinsam von mindestens einem Isolationsraum (V1, V2) umschlossen. Ein von diesem Isolationsraum getrennter Zusatzraum (25) umfasst den Lagerspalt (12) und an seitlichen Stirnseiten der Supraleitungsanordnung und der Magnetanordnung sich radial bis zu der Welle (3) erstreckende und dort gegenüber der Welle abgedichtete Teilräume (25a, 25b; 26a, 26b).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetlager mit magneti­ scher Lagerung einer drehbaren Welle innerhalb eines Stators. Das Magnetlager soll folgende Merkmale aufweisen:

• - Ein erster Lagerteil ist mit der Welle starr verbunden und von einem zweiten, dem Stator zugehörenden Lagerteil um­ schlossen unter Ausbildung eines Lagerspaltes zwischen diesen Lagerteilen,
• - der erste Lagerteil enthält eine die Welle konzentrisch umschließende, sich in deren Längsrichtung erstreckende Magnetanordnung mit per­ manentmagnetischen Elementen,
• - der zweite Lagerteil enthält eine den ersten Lagerteil konzentrisch umschließende Supraleitungsanordnung mit Hoch-T_c-Supraleitermaterial, wobei zwischen der Supra­ leitungsanordnung und den permanentmagnetischen Elementen der Magnetanordnung magnetische Lagerungskräfte hervorzu­ rufen sind,

und

• - eine Kühlvorrichtung ist zur Kühlung des Supraleitermate­ rials der Supraleitungsanordnung auf eine Betriebstempera­ tur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiterma­ terials vorgesehen.

Ein derartiges Magnetlager geht aus der DE 44 36 831 C2 her­ vor.

Magnetische Lager erlauben eine berührungs- und somit ver­ schleißfreie Lagerung von bewegten Teilen. Sie benötigen kei­ ne Schmiermittel und können reibungsarm konstruiert werden. Dabei lässt sich ein drehbarer (rotierender) Körper herme­ tisch, z. B. vakuumdicht von dem ihn umgebenden Außenraum trennen.

Herkömmliche (konventionelle) Magnetlager benutzen magneti­ sche Kräfte zwischen stationären Elektromagneten eines Sta­ tors und mitrotierenden, ferromagnetischen Elementen eines Rotorkörpers. Die Magnetkräfte sind bei diesem Lagertyp immer anziehend. Als Folge davon kann prinzipiell keine inhärent stabile Lagerung in allen drei Raumrichtungen erzielt werden (vgl. "Earnshaw'sches Theorem" in "Trans. Cambridge Phil. Soc.", Vol. 7, 1842, Seiten 97 bis 120). Solche Magnetlager benötigen deshalb eine aktive Lagerungsregelung, die über La­ gesensoren und einen Regelkreis die Ströme der Tragmagnete steuert und Abweichungen des Rotorkörpers aus einer Solllage entgegenwirkt. Die hierzu mehrkanalig auszuführende Regelung benötigt eine aufwendige Leistungselektronik. Gegen einen plötzlichen Ausfall des Regelkreises muss zusätzlich ein me­ chanisches Notlager vorgesehen werden. Entsprechende Magnet­ lager werden z. B. bei Turbomolekularpumpen, Ultrazentrifugen, schnell laufenden Spindeln von Werkzeugmaschinen und Röntgen­ röhren mit Drehanoden eingesetzt; eine Verwendung bei Moto­ ren, Generatoren, Turbinen und Kompressoren ist ebenfalls be­ kannt.

Supraleiter erlauben prinzipiell einen neuen Typ von Magnet­ lagern: Einer der Lagerteile wird hier mit permanentmagneti­ schen Elementen gebildet, die bei einer Lageänderung als Fol­ ge von Feldänderungen in dem Supraleitermaterial eines weite­ ren, den ersten Lagerteil beabstandet umschließenden zweiten Lagerteils Abschirmströme induzieren. Die hieraus resultie­ renden Kräfte können abstoßend oder anziehend sein, sind aber so gerichtet, dass sie der Auslenkung aus einer Solllage ent­ gegenwirken. Im Gegensatz zu konventionellen Magnetlagern kann dabei eine inhärent stabile Lagerung erreicht werden (vgl. z. B. "Appl. Phys. Lett.", Vol. 53, No. 16, 1988, Seiten 1554 bis 1556). Im Vergleich zu konventionellen Magnetlagern entfällt hier die aufwendige und störanfällige Regelung; es muss aber eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Supraleiterma­ terials auf eine Betriebstemperatur unterhalb der kritischen Temperatur (Sprungtemperatur) des Supraleitermaterials vorgesehen sein.

Entsprechende supraleitende Lagerteile solcher Magnetlager können eines der ersten Einsatzfelder für die seit 1987 bekannten metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien wie z. B. auf Basis des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O sein, die mit flüs­ sigem Stickstoff auf eine Betriebstemperatur von etwa 77 K gekühlt werden können.

Bei dem aus der eingangs genannten DE-C2-Schrift zu entneh­ mende Magnetlager ist eine Verwendung von entsprechendem Hoch-T_c-Supraleitermaterial vorgesehen. Das Magnetlager ent­ hält an einer Rotorwelle eine Vielzahl von in Achsrichtung hintereinanderliegenden, ringscheibenförmigen permanentmagne­ tischen Elementen. Diese Elemente sind so polarisiert, dass sich in axialer Richtung der Welle gesehen eine alternierende Polarisierung ergibt. Zwischen benachbarten Elementen sind jeweils vergleichsweise dünnere ferromagnetische Zwischenele­ mente angeordnet. Diesen Zwischenelementen kommt in erster Linie die Aufgabe zu, die magnetischen Flusslinien benachbar­ ter permanentmagnetischer Elemente magnetisch zu konzentrie­ ren, so dass an jedem Zwischenelement an seiner dem Lager­ spalt zugewandten Seite eine besonders hohe magnetische Feld­ stärke herrscht. Dieser Lagerteil des Rotorkörpers mit seiner Magnetanordnung aus permanentmagnetischen Elementen ist von einem ortsfesten Lagerteil eines Stators umschlossen. Dieser Lagerteil enthält eine Supraleitungsanordnung mit Hoch-T_c- Supraleitermaterial wie z. B. YBa₂Cu₃O_x, wobei zwischen der Supraleitungsanordnung und den permanentmagnetischen Elemen­ ten der Magnetanordnung die vorerwähnten magnetischen Lage­ rungskräfte hervorzurufen sind. Das Supraleitermaterial der Leiteranordnung wird mit flüssigem Stickstoff (LN₂) auf etwa 77 K gehalten. Hierzu sind an der Außenseite der Supralei­ tungsanordnung Kühlkanäle vorgesehen, durch welche dieses Kühlmittel geführt wird.

Bei einer ersten Ausführungsform eines aus der US 5,214,981 entnehmbaren Magnetlagers mit einer magnetischen Lagerung ei­ ner drehbaren Welle sind deren Endstücke jeweils als ein ers­ ter, permanentmagnetischer Lagerteil mit Zylinderform ausge­ bildet. Dieser Lagerteil ragt unter Ausbildung eines Lagerspaltes in einen konzentrischen, topfartig ausgebildeten zweiten Lagerteil, der aus HTS-Material besteht. Der Lager­ spalt ist dabei an einen die Welle umgebenden Vakuumraum di­ rekt angeschlossen. Bei einer zweiten Ausführungsform eines aus der US-Schrift entnehmbaren Lagers rotiert das HTS- Material des ersten Lagerteils mit und ist dabei wiederum topfartig ausgebildet. In diesen Lagerteil ragt ortsfest ein Zylinder aus permanentmagnetischem Material als zweiter La­ gerteil. Auch hier ist der zwischen beiden Lagerteilen vor­ handene Lagerspalt mit dem evakuierbaren Innenraum um die Welle direkt verbunden.

Außerdem sind bei diesem Stand der Technik die Supraleitungsanordnung und die Magnetanordnung gemeinsam von dem Vakuumraum als thermischem Isolationsraum umschlossen. Ferner ist ein von diesem Isolationsraum getrennter Zusatzraum vorhanden, der zur Aufnahme des die Supraleiteranordnung kühlenden kryogenen Mediums dient.

Bei Magnetlagern, in denen tiefzukühlende Teile an den Lager­ spalt angrenzen, kann das Problem auftreten, dass durch den Lagerspalt Umgebungsluft an die kalten Bauteile gelangt und dort die Luftfeuchtigkeit ausfriert. Eine entsprechende Ver­ eisung kann zu einer Funktionseinschränkung oder Beschädigung des Lagers führen. Bei dem aus der vorgenannten DE-C2-Schrift entnehmbaren Magnetlager kann eine derartige Vereisung des Lagerspaltes durch Ausleitung von abdampfendem Stickstoff vermieden werden. Die erforderliche Kühlleistung für das La­ ger beträgt dabei einige Watt bis zu einer Größenordnung von 10 W bei 50 bis 80 K. Sollen jedoch andere Kühltechniken als bei dem bekannten Magnetlager, insbesondere unter Verwendung von sogenannten Kryokühlern mit nur indirekter Kühlung, vor­ gesehen werden, besteht eine entsprechende Möglichkeit zur Vermeidung der Gefahr von Vereisungen des Lagerspaltes nicht, da dann kein abdampfendes Kühlmittelgas zu Verfügung steht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das Mag­ netlager mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass unabhängig von der gewählten Kühltechnik eine solche Gefahr der Lagervereisung minimiert wird und der Abdichtungsaufwand gering zu halten ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit dieser Ausbildung des Magnetlagers verbundenen Vor­ teile sind insbesondere darin zu sehen, dass der Aufwand zur Abdichtung des Zusatzraums gegenüber den drehbaren Teilen klein gehalten werden kann. Denn die Dichtung nutzt den kleinstmöglichen Durchmesser, wodurch die Umfangsgeschwindig­ keit an den mitrotierenden Dichtungsteilen minimiert ist. Hierdurch wird die Funktion der Dichtung erleichtert und die Lebensdauer entsprechend erhöht. Die erleichterte und damit auch effektiv zu gestaltende Abdichtung des Zusatzraums bringt es auch mit sich, dass die Gefahr des Eindringens von ausfrierbaren Gasen zumindest weitgehend ausgeräumt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Magnetlagers gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So lässt sich der Zusatzraum des Magnetlagers in einfacher Weise evakuieren. Dadurch können vorteilhaft Reibungsverluste reduziert werden. Bei einer Leckage der Dichtungsmittel an der Welle könnte zwar theoretisch ein geringer Luftzutritt auftreten; allerdings wird einer starken Vereisung dadurch entgegengewirkt, dass hier eine defekte Dichtung immer noch den Luftaustausch stark behindert, zumal die entsprechenden Strömungsquerschnitte der seitlichen Teilräume gering zu hal­ ten sind. Das Magnetlager weist deshalb gute Notlaufeigen­ schaften auf.

Stattdessen kann besonders vorteilhaft der Zusatzraum mit ei­ nem trockenen Schutzgas gefüllt sein. Als trockenes Schutzgas ist jedes Gas oder Gasgemisch geeignet, das keine bei der Be­ triebstemperatur im Bereich des Lagerspaltes ausfrierende Komponenten aufweist. Entsprechende Schutzgase sind aus der Gruppe He, Ne, Ar, N₂ wählbar, wobei auch ein Gasgemisch mit mindestens einem dieser Gase geeignet ist. Ist der Zusatzraum mit einem Gas gefüllt, so wird die Temperatur von der warmen Welle hin zum kalten Lagerspalt in den vorteilhaft mit gerin­ gem Querschnitt auszubildenden seitlichen Teilräumen abge­ baut, ohne dass thermische Verluste durch Konvektion entste­ hen. Eine Konvektion wird nämlich dadurch verhindert, dass das warme Ende der seitlichen Teilräume mit Gas geringerer Dichte achsnäher liegt. Bei Rotation wird dann durch die Zentrifugalkraft eine stabile Schichtung erreicht. Weiterhin ist es als besonders vorteilhaft anzusehen, dass die Funktion auch mit leicht schwankenden Drücken im Gasraum möglich ist, so dass Gasverluste durch Leckagen z. B. im Dichtungsbereich in weiten Grenzen tolerabel sind. Der Gasdruck kann je nach Anforderung an die Anwendungen unter 1 bar, um 1 bar oder darüber liegen, so dass gerade im letzteren Fall ein Zutritt von feuchter Luft mit Eisbildung im Kaltbereich zuverlässig verhindert wird.

Zu einer effektiven thermischen Isolation der zu kühlenden Teile des Magnetlagers kann der mindestens eine Isolations­ raum insbesondere evakuiert sein. Stattdessen oder vorzugs­ weise zusätzlich lässt sich dieser Raum noch mit wenigstens einem an sich bekannten Isolationsmittel zumindest teilweise ausfüllen.

Als besonders vorteilhaft ist es weiterhin anzusehen, dass die Kühlvorrichtung des Magnetlagers mindestens einen Kryo­ kühler mit wenigstens einem Kaltkopf aufweist. Dieser Kaltkopf ist dann thermisch an die Supraleitungsanordnung zu deren in­ direkter Kühlung vorzugsweise über mindestens einen Wärme­ leitkörper gekoppelt. Die Verwendung eines solchen Kryoküh­ lers hat den Vorteil, dass die Kälteleistung quasi auf Knopf­ druck zur Verfügung steht und die Handhabung von tiefkalten Flüssigkeiten vermieden wird. Für eine effektive Kühlung der bekannten Hoch-T_c-Supraleitermaterialien reicht dabei die in­ direkte Kühlung durch Wärmeleitung zu dem Kaltkopf aus. Bei Einsatz eines Kryokühlers besteht zwar die Möglichkeit der Unterdrückung einer Vereisung des Lagerspaltes durch Auslei­ tung von abdampfendem Kühlgas wie Stickstoff nicht. Eine thermische Isolierung des Supraleitermaterials im Lagerspalt würde zudem eine deutliche Vergrößerung des Lagerspaltes und damit eine entsprechende drastische Reduzierung der Tragkraft und Steifigkeit des Lagers mit sich bringen. Für eine gute Funktion sollte jedoch der Lagerspalt möglichst klein sein und z. B. in der Größenordnung von 1 mm liegen. Würde man hierzu das Lager komplett in ein isolierendes Vakuumgefäß setzen, dann müsste dieses prinzipiell durch zwei hermetische Dichtungen gegenüber der rotierenden Welle abgedichtet wer­ den. Dies hätte allerdings den Nachteil, dass bei einer Le­ ckage das Vakuum zusammenbricht und die Funktion des Lagers und der gelagerten Maschinenteile entsprechend gestört wird.

Dabei würden dann die permanentmagnetischen Elemente im we­ sentlichen durch Wärmestrahlung langsam abkühlen auf eine Zwischentemperatur zwischen der Betriebstemperatur des Supra­ leitermaterials und der Außentemperatur. Durch die erfin­ dungsgemäße Ausbildung des besonderen Zusatzraums, der von dem die Supraleitungsanordnung und die Magnetanordnung ge­ meinsam umschließenden Isolationsraum getrennt ist, können jedoch vorteilhaft entsprechende Abdichtungsprobleme umgangen werden, da - wie bereits ausgeführt - deutlich geringere An­ forderungen an die Abdichtung des Zusatzraums zu stellen sind. Damit ist auch eine indirekte Kühlung ohne Weiters ein­ setzbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Magnetlagers nach der Erfindung gehen aus den restlichen Ansprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert, aus deren Figuren in schematischer Darstel­ lung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnet­ lagers in seinen wesentlichen Teilen hervorgeht. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Magnetlager und

Fig. 2 eine Detailansicht einer Dichtungsvorrichtung des Magnetlagers nach Fig. 1.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Dem in Fig. 1 allgemein mit 2 bezeichneten Magnetlager ist eine Ausführungsform zugrunde gelegt, wie sie der genannten DE 44 36 831 C2 zu entnehmen ist. Das Lager ist zu einer mag­ netischen Lagerung einer (drehbaren) Rotorwelle 3 vorgesehen, die aus einem nicht-magnetischen Material wie z. B. aus einem entsprechenden Stahl bestehen kann. Z. B. ist die Welle 3 Teil einer in der Figur nicht ausgeführten elektrischen Maschine wie beispielsweise eines Generators. Ihr ist ein erster, mit­ rotierender Lagerteil 5 zugeordnet, der sie im Lagerbereich konzentrisch umgibt. Dieser Lagerteil ist über scheibenförmi­ ge Tragelemente 6a und 6b, die vorteilhaft zu einer minimalen Wärmeeinleitung aus schlecht-wärmeleitendem Material wie z. B. GFK bestehen können, starr an der Welle 3 befestigt. Der ers­ te Lagerteil 5 enthält gemäß der genannten DE-C2-Schrift eine Magnetanordnung 7 mit ringscheibenförmigen Elementen 8i aus permanentmagnetischem Material. Diese Elemente sind in Achs­ richtung gesehen alternierend magnetisch polarisiert und un­ tereinander durch ringscheibenförmige Zwischenelemente 9i aus ferromagnetischem Material wie z. B. Eisen beabstandet. Das ferromagnetische Material dieser Zwischenelemente dient zur Konzentration des Magnetflusses an der zylinderförmigen Au­ ßenfläche des ersten Lagerteils 5 und erhöht dadurch die Tragkraft des Magnetlagers. Alle Elemente 8i und 9i sind sta­ pelförmig hintereinander in einem Trägerkörper 10 angeordnet, der über die scheibenförmigen Tragelements 6a und 6b den Kraftschluss mit der Welle 3 gewährleistet.

Der mitrotierende erste Lagerteil 5 mit den permanentmagneti­ schen Elementen 8i ist, durch einen Lagerspalt 12 getrennt, von einem zweiten, hohlzylinderförmigen, ortsfesten Lagerteil 13 umgeben, wobei die Spaltweite w in der Größenordnung von wenigen Millimetern liegen kann. Der einen Stator bildende ortsfeste Lagerteil 13 weist an seiner dem ersten Lagerteil 5 zugewandten Innenseite eine hohlzylinderförmige Supraleitungs­ anordnung mit einem der bekannten Hoch-T_c-Supraleitermateria­ lien auf, das im Betriebsfalle auf einer Betriebstemperatur unterhalb seiner kritischen Temperatur zu halten ist. In die­ sem Supraleitermaterial werden durch die permanentmagneti­ schen Elemente 8i bei einer Lageänderung derselben als Folge von Feldänderungen, Abschirmströme induziert, die zu den ge­ wünschten magnetischen Lagerungskräften zwischen den Lager­ teilen 5 und 13 führen.

Die hohlzylindrische Supraleitungsanordnung 14 des ortsfesten zweiten Lagerteils 13 ist auf ihrer dem Lagerspalt 12 abge­ wandten Seite über einen Zwischenzylinder 15 aus thermisch gut leitendem Material wie z. B. Cu innerhalb eines Trägerkör­ pers 16 befestigt. Zu ihrer Kühlung ist die Supraleitungsanordnung über einen Wärmeleitungskörper 18 an einen Kaltkopf 20 eines nicht näher ausgeführten Kryokühlers thermisch ange­ koppelt. Entsprechende Kryokühler weisen einen geschlossenen Druckgaskreislauf insbesondere für He-Gas auf und sind bei­ spielsweise vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet. Entsprechende Kryokühler sind allgemein bekannt. Sie können insbesondere als sogenannte regenerative Kühler (entsprechend der üblichen Klassifikation der Kryokühler) mit Regenerator bzw. regenera­ tivem Arbeitszyklus ausgeführt sein (vgl. "Proceedings 16^th Int. Cryog. Engng. Conf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20.-­ 24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 33 bis 44; "Adv. Cryog. Engng.", Vol. 35, 1990, Seiten 1191 bis 1205 oder US 5,335,505).

Der Kaltkopf 20 befindet sich auf der Außenseite eines auf Raumtemperatur liegenden, das Lager 2 vollständig umschlie­ ßenden Lagergehäuses 21. An der Innenseite dieses Lagergehäu­ ses ist der ortsfeste Lagerteil 13 über ringscheibenförmige Trägerelemente 22a und 22b befestigt. Diese Trägerelemente sind vorzugsweise im Hinblick auf eine minimale Wärmeeinlei­ tung aus einem schlecht wärmeleitenden Material wie z. B. GFK. Aus Gründen einer thermischen Isolation ist wenigstens ein Teil des Innenraumes des Gehäuses 21 als mindestens ein ther­ mischer Isolationsraum gestaltet, der zumindest großenteils die Einheit aus Supraleitungsanordnung 14 und Magnetanordnung 7 umgibt. Insbesondere kann, wie nachfolgend angenommen, die­ ser Raum evakuiert sein. Stattdessen oder vorteilhaft zusätz­ lich kann dieser Raum zumindest teilweise mit wenigstens ei­ nem thermischen Isolationsmittel ausgefüllt sein. Geeignete Isolationsmittel sind beispielsweise Isolierschaum, Superiso­ lation, Isolierflocken oder Glasfasern. Gemäß der dargestell­ ten Ausführungsform sollen zur thermischen Isolation zwei voneinander getrennte Vakuumräume V1 und V2 vorgesehen sein. Dabei setzt sich der Vakuumraum V1 aus zwei seitlichen Berei­ chen V1a und V1b und einem radial außen liegenden, sich zwi­ schen dem ortsfesten zweiten Lagerteil 13 und dem radial außen liegenden Teil des Vakuumgehäuses 21 befindlichen Bereich V1c zusammen. Der Vakuumraum V2 befindet sich zwischen dem mitrotierenden ersten Lagerteil 5 und der Welle 3 und wird seitlich durch die Tragelemente 6a und 6b begrenzt. Er ro­ tiert also mit diesen Teilen mit. Abweichend von der gewähl­ ten Darstellung können die Vakuumräume V1 und V2 noch mit we­ nigstens einem der an sich bekannten thermischen Isolations­ mittel wie z. B. Superisolation oder Isolationsschaum zumin­ dest teilweise ausgefüllt sein.

Eine Abdichtung des Vakuumraums V1 gegenüber der rotierenden Welle 3 ist vorteilhaft bei einer erfindungsgemäßen Ausges­ taltung des Magnetlagers nicht erforderlich. Denn gemäß der Erfindung soll der zwischen dem mitrotierenden ersten Lager­ teil 5 und dem ortsfesten zweiten Lagerteil 13 ausgebildete Lagerspalt 12 geringer Spaltweite w nicht mit dem Vakuumraum V1 verbunden sein. Vielmehr soll der Zwischenraum des Lager­ spalts Teil eines (weiteren) Zusatzraumes 25 sein, der an der Welle abgedichtet ist. Hierzu mündet der Raum des Lagerspal­ tes 12 an dessen axial seitlichen Enden jeweils in sich radi­ al bis zu der Welle 3 erstreckende Teilräume 25a und 25b. Diese Teilräume mit jeweils etwa ringscheibenförmigem Raumin­ halt sind in axialer Richtung vorteilhaft sehr schmal gehal­ ten. Sie gehen an der Welle in axial nach außen führende Dichtungsspalte 26a bzw. 26b über, die Teile von Dichtungs­ vorrichtungen 28a bzw. 28b sind. Der Zusatzraum 25 kann eva­ kuiert oder mit einem trockenen Schutzgas wie z. B. N₂ gefüllt sein. Der Gasdruck liegt im Allgemeinen zwischen 0,1 und 10 bar, wobei ein leichter Überdruck gegenüber Normaldruck besonders vorteilhaft ist. Die Dichtungsvorrichtungen 28a und 28b sind in Fig. 1 nicht näher ausgeführt. Einzelheiten von ihnen sind aus Fig. 2 ersichtlich.

Wie aus dem Detailbild der Fig. 2 bzgl. einer der Dichtungs­ vorrichtungen, z. B. bzgl. der Vorrichtung 28a, hervorgeht, mündet der zugehörende Dichtungsspalt 26a in den das Lagerge­ häuse 21 mit dem Magnetlager 2 umgebenden Außenraum R, der sich im Allgemeinen auf Raumtemperatur und Normaldruck befin­ det. Zur Abdichtung demgegenüber befindet sich in dem Dich­ tungsspalt 26a mindestens ein Dichtungselement 30 der Dich­ tungsvorrichtung 28a, das beispielsweise als Ferrofluiddich­ tungselement (vgl. DE 20 34 213 A) ausgebildet ist. Die Dich­ tungsvorrichtung 28a umfasst deshalb einen Permanentmagneten 33 mit Magnetpolen N und S sowie mit zwei seitlich daran an­ gesetzten, den magnetischen Fluss führenden Jochschenkeln 34a und 34b. Die Jochschenkel sind an ihrer der Welle zugewandten Seite im Bereich des Dichtungsspaltes 26a mit Spitzen verse­ hen, an denen jeweils ein Ferrofluidring 35i magnetisch ge­ halten ist. Hierzu muss die Welle 3 zumindest im Bereich des jeweiligen Dichtungselementes 30 ferromagnetisch sein. Bei­ spielsweise ist deshalb ein in der Figur nicht dargestelltes Hohlrohr aus ferromagnetischem Material über die aus nicht- magnetischem Material gefertigte Welle geschoben.

Statt dieses angedeuteten Typs von Dichtungsvorrichtung kön­ nen auch andere bekannte Ausführungsformen wie z. B. Laby­ rinthdichtungen oder Spaltdichtungen eingesetzt werden. Für die Dichtungsvorrichtung 28b mit ihrem Dichtungsspalt 26b ist eine entsprechende Abdichtung vorgesehen.

Wie ferner dem Detailbild der Fig. 2 entnehmbar ist, ist der Vakuumraum V1 bzw. dessen Teilraum V1a im Bereich der Welle 3 durch eine ortsfeste Wand 31 des Dichtungsspalts 26a und durch den Jochschenkel 34a abgeschlossen. Der Jochschenkel stellt dabei einen verlängerten Teil der Seitenwand 21a des Lagergehäuses 21 dar. Stattdessen ist es aber auch vorteil­ haft möglich, die Seitenwand 21a bis zu der Wand 31 verlaufen zu lassen und die Dichtungsvorrichtung 28a seitlich an die Seitenwand 21a anzusetzen, beispielweise mit einem O-Ring va­ kuumdicht anzuflanschen.

Vorteilhaft ergeben sich für alle diese erfindungsgemäßen Ausführungsformen des Magnetlagers keine Abdichtungsprobleme des isolierenden Vakuumraums V1 bzw. Isolationsraums an rotierenden Teilen. Bei dem Lager ist deshalb nur eine unprob­ lematischere, weniger aufwendige Abdichtung des Lagerspalts 12 an der Welle 3 erforderlich.

Claims (16)

1. Magnetlager mit magnetischer Lagerung einer drehbaren Wel­ le (3) innerhalb eines Stators und mit folgenden Merkmalen:

• - Ein erster Lagerteil (5) ist mit der Welle (3) starr verbunden und von einem zweiten, dem Stator zugehörenden Lagerteil (13) um­ schlossen unter Ausbildung eines Lagerspaltes (12) zwischen diesen Lagerteilen,
• - der erste Lagerteil (5) enthält eine die Welle (3) konzentrisch umschließende, sich in deren Längsrichtung erstreckende Magnetanordnung (7) mit per­ manentmagnetischen Elementen (8i),
• - der zweite Lagerteil (13) enthält eine den ersten Lagerteil (5) konzentrisch umschließende Supraleitungsanordnung (14) mit Hoch-T_c-Supraleitermaterial, wobei zwischen der Supra­ leitungsanordnung (14) und den permanentmagnetischen Elementen (8i) der Magnetanordnung (7) magnetische Lagerungskräfte hervorzu­ rufen sind,

und

• - eine Kühlvorrichtung ist zur Kühlung des Supraleitermate­ rials der Supraleitungsanordnug (14) auf eine Betriebstempera­ tur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiterma­ terials vorgesehen,

wobei

• - die Supraleitungsanordnung (14) und die Magnetanord­ nung (7) gemeinsam von mindestens einem thermischen Isolationsraum (V1, V1a, V1b, V1c) umschlossen sind,

und

• - ein von dem mindestens einen thermischen Isolationsraum getrenn­ ter Zusatzraum (25) vorgesehen ist, der den Lagerspalt (12) und an seitlichen Stirnseiten der Supraleitungsanord­ nung und der Magnetanordnung sich radial bis zu der Welle (3) erstreckende, ineinander übergehende und dort an der Welle abgedichtete Teilräume (25a, 25b; 26a, 26b) umfasst.

2. Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Zusatzraum (25) mit ei­ nem trockenen Schutzgas gefüllt ist.

3. Magnetlager nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Schutzgas He, Ne, Ar oder N₂ oder ein Gemisch mit mindestens einem dieser Gase ausgewählt ist.

4. Magnetlager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas unter ei­ nem Druck zwischen 0,1 und 10 bar steht.

5. Magnetlager nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Zusatzraum (25) evaku­ iert ist.

6. Magneteinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der min­ destens eine thermische Isolationsraum (V1, V1a, V1b, V1c) evakuiert ist.

7. Magneteinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der min­ destens eine thermische Isolationsraum (V1, V1a, V1b, V1c) mit wenigstens einem thermischen Isolationsmittel zumindest teilweise ausgefüllt ist.

8. Magnetlager nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das wenigstens eine thermische Isolati­ onsmittel aus der Gruppe Isolierschaum, Superisolation, Iso­ lierflocken, Glasfasern ausgewählt ist.

9. Magneteinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sup­ raleitungsanordnung (14) über schlecht wärmeleitende Tragele­ mente (22a, 22b) innerhalb eines auf Raumtemperatur befindli­ chen Lagergehäuses (21) befestigt ist.

10. Magnetlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mag­ netanordnung (7) über schlecht wärmeleitende Tragelemente (6a, 6b) an der Welle (3) befestigt ist.

11. Magnetlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ers­ te Lagerteil (5) und die Welle (3) einen geschlossenen, mit­ rotierenden thermischen Isolierraum (V2) begrenzen.

12. Magnetlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Teilräume (25a, 25b) des Zusatzraums (25) jeweils in einem die Welle (3) umschließenden, axialen Dichtungsspalt (26a, 26b) münden, in dem jeweils mindestens eine Dichtungs­ vorrichtung (28a, 28b) angeordnet ist.

13. Magnetlager nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Dichtungsvorrichtungen (28a, 28b) jeweils zumindest eine Dichtung aus der Gruppe Ferrofluiddichtung, Labyrinthdichtung oder Spaltdichtung auf­ weisen.

14. Magnetlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung mindestens einen Kryokühler mit wenigstens einem Kaltkopf (20) aufweist.

15. Magnetlager nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Kryokühler ein Gifford- McMahon-Kühler oder ein Stirling-Kühler oder Pulsröhrenkühler ist.

16. Magnetlager nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltkopf (20) über mindestens einen Wärmeleitkörper (18) thermisch an die Supra­ leitungsanordnung (14) angekoppelt ist.