DE10050371A1 - Vorrichtung mit im kryogenen Temperaturbereich ferromagnetischem und mechanisch belastbarem Bauteil - Google Patents

Abstract

Bei Temperaturen des Bereichs der flüssigen Luft für mechanisch hoch belastbare Bauteile mit dazu notwendigerweise auch ferromagnetischer Eigenschaft zu verwendender Nickelstahl.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Vorzugsweise han­ delt es sich hier um den Temperaturbereich der flüssigen Luft. Das insbesondere gegen mechanische Belastungs- und/oder Temperaturwechsel und Versprödung notwendigerweise sichere Material des mechanisch hoch belastbaren Bauteils der Vor­ richtung muss außerdem auch für die vorgesehene magnetische Flussführung und/oder Flussverstärkung notwendige ferromagne­ tische Eigenschaft und/oder hohe magnetische Leitfähigkeit haben.

Aus dem Stand der Technik, z. B. Reed, Materials at Low Tempe­ ratures, Seiten 388/389 ist bekannt, für kryogenische Zwecke, d. h. für den Temperaturbereich < 173 K Nickelstahl mit zwi­ schen 3,5 bis 9% Nickelgehalt für mechanisch belastbare Bau­ teile zu verwenden. Zum Beispiel sind solche Bauteile Tanks, die zum Aufbewahren und zum Transport von verflüssigten Ga­ sen, wie z. B. flüssiger Luft, benötigt werden. Es ist auch bereits Nickelstahl mit 12% Nickelgehalt entwickelt worden für Temperaturen unterhalb 77 K und speziell für die Verwen­ dung im Zusammenhang mit flüssigem Helium für 4 K. Wesentlich ist für diese Materialien, dass die Temperatur des Übergangs von duktil zu spröde des Materials unterhalb der vorgesehenen Anwendungstemperatur herabgedrückt ist. Aus dem genannten Stand der Technik sind auch noch Hinweise auf Zusätze ge­ macht, die in dem Nickelstahl enthalten sein können.

Für die der Erfindung entsprechende Verwendung eines Mate­ rials ist jedoch nicht nur dessen von der Temperatur abhän­ gige mechanische Eigenschaft entscheidend, sondern es ist ge­ fordert, dass das für den genannten Temperaturbereich mecha­ nisch geeignete Material auch ferromagnetische Eigenschaft hat. Letztere Eigenschaft ist entscheidend z. B. für die Ver­ wendung des Materials zur magnetischen Flussführung und/oder Flussverstärkung in Maschinen und Maschinenteilen, die supra­ leitende Elemente enthalten. Zum Beispiel sind berührungslose Lager bekannt, die auch supraleitende Konstruktionselemente enthalten, die vermöge magnetischer Abstossungskräfte eine rotierende Maschinenwelle in einer Lagerschale berührungslos schwebend in Position halten. Hierzu sei z. B. auf das Deut­ sche Gebrauchsmuster G 9403202.5 "Magnetische Lagerungsein­ richtung mit Hoch-T_c-Supraleitermaterial und auf die US- Patentschrift 5777420 "Superconducting Synchronous Motor Construction" verwiesen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein hier einschlägiges Bauteil der Vorrichtung ein Material zu verwen­ den, das bei den notwendig niedrigen Betriebstemperaturen die für die zu erwartende mechanische Belastung auch langzeitig ausreichende Festigkeit hat, z. B. bei den niedrigen Tempera­ turen nicht versprödet, und außerdem für Zwecke der Magnet­ flussführung und/oder -verstärkung ferromagnetische Eigen­ schaft aufweist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruches 1 und mit Weiterbildungen gemäß den Unteran­ sprüchen gelöst.

Es wurde als Ergebnis angestellter Untersuchungen festge­ stellt, dass ein Nickel-Stahl X8Ni9, DIN 1.5662, US-Norm ASTM A353, A553 für die obengenannten Zwecke ferromagnetische Ei­ genschaften auch noch bei Temperaturen unter 77 K hat. Es ist dies ein für die Erfindung vorzugsweise relevanter Tempera­ turbereich. Dieses Material neigt auch bei diesen niedrigen Temperaturen so wenig zu Versprödung, dass es bei mechani­ scher Belastung keinen Zähbruch erleidet. Auch Nickelstahl mit 3,5 bis 8% Nickelgehalt weist für obengenannte Zwecke noch genügend, hohe ferromagnetische Eigenschaft auf, um für Elemente zur magnetischen Flussführung und/oder -verstärkung verwendbar zu sein. Entsprechendes gilt auch für Nickelstahl mit 12 bis 13% Nickelgehalt.

Die mechanische Festigkeit des aufgabengemäß geforderten Ma­ terials mit ferromagnetischer Eigenschaft spielt nicht nur bei z. B. rotierenden Maschinenteilen der auftretenden Flieh­ kräfte wegen eine Rolle, sondern auch bei Magneten mit Hoch­ temperatur-Supraleiter-Spulen ist für deren Kapselung und Halterung mechanisch zuverlässig stabiles Material vorteil­ haft, wenn nicht sogar notwendig. Dies z. B. wenn die Halte­ rung auch die Funktion als Flussführung hat.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung werden anhand der nach­ folgend beschriebenen Anwendungsbeispiele der Erfindung und der sie betreffenden Figuren gegeben.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Läufers eines Elektro­ motors mit supraleitender Felderregung im Läufer und einem Läuferkern als Bauteil aus erfindungsgemäß verwendetem Mate­ rial.

Fig. 2 zeigt eine Hochmagnetfeld-Vorrichtung mit supralei­ tender Magnetfeldspule, wie sie dem Prinzip nach z. B. aus der DE-C-198 13 211 bekannt ist.

Fig. 3 zeigt eine magnetische Lagerung einer Rotorwelle un­ ter Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitermaterial, wie sie aus der DE-C-44 36 831 dem Prinzip nach bekannt ist.

Fig. 4 zeigt eine supraleitende Magnetspule, wie sie aus der WO-96/08830 bekannt ist.

Mit 1 ist als Vorrichtung der Erfindung in Fig. 1 der dort im Querschnitt, senkrecht zur Achse dargestellte Läufer eines Elektromotors mit supraleitender Erregerwicklung bezeichnet. Mit 2 sind, - in der einen Hälfte der Darstellung gezeigt -, die stufenweise ausgeführten bzw. angeordneten supraleitenden Spulen bezeichnet. Diese bestehen in wie bekannter Weise aus Bandleiter-Wickeln aus einem dazu verwendeten Hochtemperatur- Superleitermaterial. Materialien dieser Art sind hinlänglich bekannt. Ein einmal in einer solchen Spule 2 erregter Strom erzeugt ein magnetisches Feld mit im inneren Querschnittsbe­ reich der Spule axial zur Spule gerichtetem magnetischem Feld H bzw. Magnetflussdichte B. In wie für Läufer von elektri­ schen Motoren bekannter Weise ist auch bei diesem Läufer ein den Magnetfluss führender Kern 3 als Bauteil aus vorteilhaft­ erweise ferromagnetischem Material vorgesehen. Mit 4 ist eine solche Magnetfluss-Führung in diesem Kern 3 angedeutet. Bei dem wie dargestellten Aufbau des hier 4-poligen Läufers erge­ ben sich dann zwei Nordpole N und zwei Südpole S als Pole des Kerns 3 bzw. Läufers 1 des Motors - wie bekannt. Erfindungs­ gemäß besteht dieser Kern 3 aus wie anspruchsgemäßem Nickel­ stahl mit 9 bis 13% Nickelgehalt bzw. ist dies Stahl der DIN Norm X8 Ni9 DIN 1.5662.

Fig. 2 zeigt einen dem Aufbauprinzip nach bekannten Magneten 11 mit supraleitenden Spulen 12. Diese Spulen befinden sich in einem Kryostaten-Gehäuse 13 mit entsprechend wärmeisolier­ ter Halterung. Mit 14 und 15 sind zwei Stahlringe als ein solches Bauteil der Erfindung bezeichnet, die hier der magne­ tischen Flussführung und -formung dienen. Diese Bauteile sind erheblichen magnetisch bewirkten, mechanischen Kräften ausge­ setzt. Diese Ringe sind deshalb aus wie beanspruchtem Nickel­ stahl hergestellt. Durch diese Maßnahme der Flussführung kann eine Verbesserung der Homogenität des magnetischen Feldes zwischen den Polen 16 des Magneten 11 erreicht werden.

Die Fig. 3 zeigt eine aus der genannten Patentschrift be­ kannte magnetische Schwebe-Lagerung einer Rotorwelle 31. Mit 34 sind hier auf der Welle 31 angebrachte, wie gezeigt axial polarisierte, ringförmige Permanentmagnete bezeichnet. Diese Permanentmagnete 34 sind zueinander so orientiert, dass die jeweiligen axialen magnetischen Felder zweier benachbarter Magnete 34 in diesen einander entgegengesetzt und außerhalb der Magnete dann gemeinsam radial gerichtet sind.

Zur radialen Führung des magnetischen Flusses 134, der von den Permanentmagneten ausgeht, sind auf der Welle 31 die mit 33 bezeichneten, im Schnitt dargestellten Ringe aus ferromag­ netischem Material vorgesehen.

Mit 35 ist eine Schicht oder Hülse aus supraleitendem Mate­ rial bezeichnet. Sie ist auf bzw. an der Innenseite der hül­ senförmigen äußeren Lagerschale positioniert. Dieses supra­ leitende Material wird mittels eines Kühlmittels, z. B. flüs­ sigen Stickstoffs, auf die für die Supraleitung erforderlich tiefe Temperatur gekühlt. Dieses Kühlmittel strömt in den mit 132 bezeichneten Kühlkanälen, die hier in der stillstehenden äußeren Lagerschale 36 vorgesehen sind.

Die bei Rotation der Lagerwelle mit den darauf befindlichen Permanentmagneten in dem supraleitenden Material auftretenden elektrischen Abschirmströme bewirken die für die Schwebelage­ rung der Welle erforderlichen magnetomotorischen Kräfte.

Bekanntermaßen wird der Spalt zwischen den rotierenden Teilen und den stillstehenden Teilen einer solchen Anordnung mög­ lichst gering bemessen. Dies bewirkt aber, dass auch die Per­ manentmagnete und die Ringe 33 auf tiefe Temperaturen mit ab­ gekühlt werden. Aus diesem Grunde ist vorgesehen, dass die Ringe 33 als durch die auftretende Fliehkraft mechanisch be­ lastete Bauteile aus wie erfindungsgemäß beanspruchtem ferro­ magnetischem Nickelstahl bestehen.

Die Magnetfeldspule 40 der Fig. 4 besteht, wie dargestellt, aus in Axialrichtung aufeinander liegenden supraleitenden Spulen 42. An den Spulenenden sind als Bauteil den Spulen an­ gepasst geformte und bemessene Ringe 43 aus ferromagneti­ schem, erfindungsgemäß verwendetem Nickelstahl angeordnet. Der aus dieser Spule bekanntermaßen austretende Magnetfluss bewirkt eine optimierte Flussführung.

Claims (9)

1. Vorrichtung mit darin enthaltenem, im Betrieb im kryogenen Temperaturbereich gehaltenem supraleitendem Material (2, 12, 35, 42) für das Auftreten von mechanischen Kräften im Zusam­ menhang mit einem in der Vorrichtung erzeugten Magnetfeld mit hoher Feldstärke und mit einem Bauteil (3; 14, 15; 33; 43) zur magnetischen Feldführung, das im Betrieb der Vorrichtung auch hoher auftretender mechanischer Belastung widersteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein sol­ ches Bauteil (3; 14, 15; 33; 43) aus 9-13% Nickel enthal­ tendem Stahl besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass dieses Bauteil (3; 14, 15; 33; 43) aus 9% Nickel-Stahl X8Ni9, DIN1.5662 besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches Bauteil in Form einer Scheibe oder eines Ringes (14, 15; 42) an wenigs­ tens einer vorgesehenen supraleitenden Spule (12, 40), diese als Quelle eines magnetischen Feldes (34) wirksam, angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches Bauteil (33) an einem Permanentmagneten (34), dieser als Quelle eines mag­ netischen Feldes (134) wirksam, angrenzend angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3; 14, 15; 33) im Betrieb hoher Drehzahl eines rotierenden Körpers und/oder hoher mechanischer Druckkraft ausgesetzt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches Bauteil der Kern (3) des Läufers (1) eines Elektromotors mit supraleiten­ den Spulen (2) als Läuferwicklung ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass ein solches Bauteil (33) in einer Vorrichtung mit magnetischer Schwebela­ gerung (Fig. 3) einer Welle (31) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass ein solches Bauteil (14, 15) als feldführendes Teil auch Bestandteil ei­ ner vorgesehenen Halterung ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zu verwenden auch im Temperaturbereich, der unterhalb der Temperatur der flüssigen Luft liegt.