DE2523007C3 - Vorrichtung zur Übertragung großer Kräfte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung großer Kräfte von einem Wicklungsgehäuse, in dem eine auf Tieftemperatur gekühlte elektrische Wicklung angeordnet ist, auf ein das Wicklungsgehäuse umschließendes Außengehäuse, das sich auf Normaltemperatur befindet, mit mindestens einem zwischen Wicklungs- und Außengehäuse beweglich gelagerten Stützelement, das auch während der Kraftübertragung eine senkrecht zur Kraftübertragungsrichtung erfolgende Bewegung des Wicklungsgehäuses relativ zum Außengehäuse gestattet.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der Zeitschrift Particle Accelerators, Vol.1, 1970, S. 255 bis 263 bekannt.

Zur Erzeugung starker Magnetfelder mit großer räumlicher Ausdehnung können Magnetwicklungen mit tiefgekühlten Leitern, insbesondere mit Supraleitern, verwendet werden. Wenn die Supraleiter dieser Magnetwicklungen mit Hilfe eines Kühlmittels, iir allgemeinen mit Hilfe von flüssigem Helium, auf eine Temperatur unterhalb der sogenannten kritischen Temperatur des für die Leiter verwendeten Siipralciterinaterials abgekühlt wcrt'en, verschwindet praktisch der ohmschc Widerstand des Supraleitcrmaterials. Infolg™ deshalb Supraleitungsmagnete gegenüber konventionellen Magneten mit Wicklungen aus elektrisch normalleitendem Material wie beispielsweise Kupfer den Vorteil, daß mit ihnen stärkere Magnetfelder und somit stärkere Magnetfeldgradienten erreicht werden können.

Derartige supraleitende Magnetwicklungen werden beispielsweise für Fusionsreaktoren benötigt, deren starke Magnetfelder dazu dienen, ein heißes Plasma

ίο mittels magnetischer Kräfte zusammenzuhalten und damit einen Fusionsvorgang im Plasma zu ermöglichen.

Entsprechende supraleitende Magnetwicklungen

können auch in Trag- und Seitenführungsmagneten eines Magnetschwebesystems vorgesehen sein, das nach

iS dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip eine berührungsfreie Führung eines Fahrzeugs längs einer ortsfesten Fahrbahn ermöglicht.

Elektrische Wicklungen, insbesondere supraleitende Wicklungen, die von eimern kryogenen Medium auf Tieftemperatur gekühlt werden, müssen im allgemeinen gegenüber ihrer Umgebung gut wärmeisoliert sein. Sie sind deshalb in einem Wicklungsgehäuse angeordnet und zweckmäßig innerhalb eines Außengehäuses von einem Vakuum umgeben. Darüber hinaus ist es aus der Zeitschrift »IEEE-Transactions on Magnetics«, Vol. MAG-11, März 1975, Nr. 2, Seiten 619 bis 622, bekannt, zwischen einem auf Tieftemperatur befindlichen Wicklungsgehäuse und einem auf Normaltemperatur befindlichen Au3engehäuse ein Strahlungsschild zur Verminderung der Wärmeeinleitung auf die gekühlte Wicklung anzuordnen.

Zur Übertragung der auf die elektrischen Wicklungen einwirkenden Kräfte auf das Außengehäuse können beispielsweise Abstützungsvorrichtungen mit besonderen Stützelementen zwischen dem Wicklungs- und Außengehäuse verwendet werden. Die Kräfte können verhältnismäßig groß sein und liegen beispielsweise bei Führungsmagneten für Schwebebahnen in der Größenordnung von 10⁵ kN. Die Kraftübertragungsvorrichtungen müssen somit dementsprechend dimensioniert werden. Beim Abkühlen der Wicklungen auf die Temperatur eines kryogenen Mediums besteht jedoch die Gefahr, daß diese Übertragungsvorrichtungen keine formschlüssige Verbindung zwischen dem Wicklungsgehause und dem Außengehäuse mehr darstellen, da eine Schrumpfung des Wicklungsgehäuses auftritt, während das Außengehäuse, das sich im allgemeinen auf Raumtemperatur befindet, seine Abmessungen beibehält. Zur Aufrechterhaltung eines Formschlusses zwisehen dem Außen- und dem Wicklungsgehäuse müssen deshalb besondere Maßnahmen ergriffen werden.

Diese Maßnahmen können beispielsweise darin bestehen, daß man mechanische Nachstellvorrichtungen verwendet.

Ί5 Ferner ist es aus der deutschen Offenlegungsschrift 24 46 716 bekannt, zwischen einem auf Tieftemperatur befindlichen Wicklungsgehäuse und einem auf Normaltemperatur befindlichen Aiißengehäuse aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehende Druckstützen anzuordnen. Das Wicklungsgehiiuse wird dabei einseitig auf die Druckstutzen mittels Zuganker gezogen, die bei Raumtemperatur mit einer solchen Vorspannung belegt werden, daß der Formschluß /wischen dem Außen- und dem Wicklungsgchäuse über die Druckstutzen auch bei

ft5 einem Abkühlungsvorgang nicht aufgehoben wird. Ks besteht ilabei jedoch die Schwierigkeit, die senkrecht zur Krafirichtung auftretende Wärmekontraktion des

Wii'L· ji ιηοςιϊρΐιϋιιςρς iil;ni> pin Vprlfnntpn pin/pjnpr

Druckstutzen aufzufangen.

Diese Schwierigkeiten treten bei der aus der Veröffentlichung »Particle Accelerators«, VoL 1, 1970, Seiten 255 bis 263, bekannten Abstützung ;vorrichtungen nicht auf. Jede dieser in großer Anzahl zwischen einem Außengehäuse auf Raumtemperatur und einem Wicklungsgehäuse auf Temperatur des flüssigen Heliums vorgesehenen Abstützungsvorrichtungen enthält einen speichenartigen Stützkörper, dessen beide auf verschiedenen Temperaturniveaus liegenden Enden jeweils als kugelförmiger Kopf ausgebildet sind. Die Köpfe sind in entsprechend geformten Kugelpfannen beweglich gelagert, indem sich jeweils die Oberfläche eines Kopfes relativ zu der Innenfläche der ihm zugeordneten Kugelpfanne gleitend verschieben kann. Die Beweglichkeit der Speiche an ihren beiden Abstützungsenden gewährleistet die erforderliche Bewegungsfreiheit des gesamten Systems während eines Abkühlungsvorganges, bei dem sich der Durchmesser des Wicklungsgehäuses gegenüber dem Durchmesser des Außengehäuses verkleinert. Die bekannte Abstützungsvorrichtung ist jedoch verhältnismäßig aufwendig. So muß mindestens eine der Kugelpfannen lösbar befestigt sein, um ein Einlegen des speichenartigen Stützkörpers zu ermöglichen. Darüber hinaus sind die Gleitreibungskräfte zwischen den Kugelköpfen des Stützkörpers und den entsprechenden Kugelpfannen verhältnismäßig hoch. Da ferner die gemeinsame fläche eines Kugelkopfes und der zugeordneten Kugelpfanne verhältnismäßig groß ist, ergibt sich somit ein entsprechend kleiner Wärmeübergangswiderstand zwischen diesen beiden Teilen. Um die Wärmeeinleitung von dem Außengehäuse auf das Wicklungsgehäuse über den Stützkörper zu verringern, wird deshalb das kalte Ende des Stützkörpers und der entsprechende Kugelkopf nicht direkt mit dem Wicklungsgehäuse thermisch verbunden, sondern liegt auf einem höheren Temperaturniveau, beispielsweise auf dem des flüssigen Stickstoffs.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Abstützungsvorrichtung zu schaffen, die eine Bewegung des Wicklungsgehäuses relativ zum Außengehäuse insbesondere auch unter Einwirkung einer großen Kraft ermöglicht und die dennoch leicht montierbar ist und eine verhältnismäßig geringe Wärmeeinleitung von dem Außengehäuse auf das Wicklungsgehäuse bewirkt.

Diese Aufgabe wird für eine Kraftübertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Stützelement auf der einen Seite mit dem Wicklungsgehäuse oder dem Außengehäuse starr verbunden ist und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Wälzlager versehen ist und daß zwischen dem Wälzlager und dem Wicklungsgehäuse oder zwischen dem Wälzlager und dem AuUengehäuse mindestens teilweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehende Verbindungsteile angeordnet sind.

Die Vorteile dieser Gestaltung einer Kraftübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß verhältnismäßig große Schrumpfungsunterschiede zwischen dein Außen- und dem Wicklungsgehäuse senkrecht zur Kraftrichlung auch unter Krafteinwirkiing ausgeglichen werden können. Dennoch lassen sich verhältnismäßig große Kräfte übertragen. Die Warmeeinleitung über diese Vorrichtung auf das gekühlte Wicklungsgehä'iise ist verhältnismäßig gering, da die Ahstiitzungsflachcii des Wiil/Iagers klein gehalten werden können.

Hierzu kann gemäß <;iner weiteren Ausbildung das Wälzlager als Rollenlager oder Kugellager ausgebildet sein. Hierdurch wird eine zusätzliche Belastung durch reibungsbedingte Querkräfte praktisch vermieden. Die kraftleitenden Elemente der Vorrichtung brauchen deshalb nur so ausgelegt zu werden, daß sie Kräfte in Abstützungsrichtung aufnehmen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der ίο Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Supraleilungsmagneten teilweise dargestellt. Dieser Magnet kann beispielsweise als Trag- oder Seitenführungsmagnet eines Magnetschwebesystems dienen, das nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip eine berührungsfreie Führung eines Fahrzeugs längs einer ortsfesten Fahrbahn ermöglicht. Der Supraleitungsmagnet enthält ein beispielsweise annähernd rechteckig gestaltetes Wicklungsgehäuse 2, in dem in der Figur nicht näher dargestellie, tiefgekühlte Wicklungen angeordnet sind. Das Wicklungsgehäuse 2 dient deshalb zugleich als Kryostat für die Leiter dieser Wicklung, die beispielsweise aus einem Hochfeldsupraleitungsmaterial bestehen und von flüssigem Helium gekühlt werden, das sich aui einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt befindet. Das somit auf dem Temperaturniveau dieser Leiter liegende Wicklungsgehäuse 2 ist von einem Außengehäuse 3 vakuumdicht umschlossen. Dieses Außengehäuse 3 befindet sich auf Rai'.nitemperatur. Wicklungs- und Außengehäuse 2 bzw. 3 können zweckmäßig an einer in der Figur nicht ausgeführten Stelle starr miteinander über Elemente mit geringer Wärmeleitfähigkeit verbunden sein. Bei einem Abkühlungsvorgang des Wicklungsgehäuses 2 zieht sich dieses dann in Richtung auf diese starre Verbindung hin zusammen, während das Außengehäuse 3 auf Raumtemperatur seine Größe unverändert beibehält. Es kommt somit zu einer relativen Verschiebung von einander gegenüberliegenden Teilen des Außen- und Wicklungsgehäuses. Um auch an solchen Stellen Kräfte in senkrechter Richtung zwischen parallel zueinander verlaufenden Wicklungs- und Außengehäuseteilen übertragen zu können, ist die Kraftübertragungsvorrichtung vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die von dem kalten Wicklungsgehäuse 2 auf das warme Außengehäuse 3 zu übertragende Kraft lediglich in einer Richtung wirkt. Eine derartige Kraft, die durch einen mit K bezeichneten Pfeil angedeutet ist, kann beispielsweise die von der Magnetwicklung erzeugte Hubkraft sein, die auf ein mit dem Außengehäuse 3 verbundenes Fahrzeug übertragen werden soll.

Zur Übertragung dieser Kraft K ist eine hohlzylinderförmige Druckstütze 5 vorgesehen, deren obere Stirnfläche an einem Gehäuseteil 6 befestigt ist, das beispielsweise das mittlere, von der Wicklung umschlossene Teil des Wicklungsgehäuses darstellt. Das untere Ende der Druckstütze 5 ist von einer Platte 7

6ü abgeschlossen. Von dieser Platte, die etwas größer als die Bodenfläche der Druckstütze 5 ist, stützt sich ein Stützelement 9 der Kraftübeitragungsvorrichtung ab. Dieses Stützelement 9 enthält eine weitere, hohlzylinderi'örmige Druckstütze 10, die an ihrem unteren

hi linde starr mit dem Außengehäuse } verbunden ist. Auf der Druckstüt/e 10 ist ein Lagerbock Il befestigt, der als !rager für eine Rolle 12 dient, die in Koritraktionsrkhtiirig des Wirkliingspehuuscs 7 längs dc !'I·:··!? 7

beweglich ist. Ein solches Rollenlager weist verhältnismäßig geringe Reibungskräfte auf und ermöglicht dennoch eine Übertragung hoher Kräfte K. Die Kraftübertragung vom Wicklungsgehäuse 2 auf das Außengehäuse 3 erfolgt somit von dem Gehäuseteil 6 aus über die Druckstütze 5, über das Rollenlager mit der Platte 7, der Rolle 12 und dem Lagerbock 11 sowie über die weitere Druckstütze 10.

Da im allgemeinen zwischen dem Wicklungsgehäuse 2 und dem Außengehäuse 3 ein Vakuum zur Verringerung der Wärmeeinleitung auf die in dem Wicklungsgehäuse angeordneten tiefgekühlten Leiter vorgesehen ist, werden zweckmäßig auch die Teile des Außen- und Wicklungsgehäuses gegeneinander abgestützt, zwischen denen keine Übertragung der Kraft K erfolgt, lis kann so beispielsweise eine Einbeulung des als Vakuumgehäuse dienenden Außengehäuses vermieden werden. In der Figur ist deshalb auch eine Abstützungsvorrichlung zwischen dem Gehäuseteil 6 und dem oberen Teil des Außengehäuses 3 angedeutet. Diese Abstützungsvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer entgegen der Richtung der Kraft K verlaufenden Stütze 16, deren Fußteil mit dem Gehäuseteil 6 starr verbunden und mit einem Gelenk 17 ausgestattet ist, um eine geringfügige Verkantung der Stütze 16 bei einer Schrumpfung des Wicklungsgehäuses 2 zu ermöglichen.

In der Figur ist ferner ein Strahlungsschild 19 zwischen dem Außengehäuse 3 und dem Wicklungsgehäuse 2 angedeutet. Dieses Strahlungsschild kann von einem weiteren Kühlmittel, beispielsweise flüssigem Stickstoff, gekühlt werden. In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Strahlungsschild an der Platte 7 und über ein flexibles Verbindungsteil 20 mit der Stütze 16 verbunden.

Bei dem Ausführungsbeispiel einer Kraftübertragungsvorrichtung nach F⁷ig. 2 ist davon ausgegangen, daß ein Stützelement mit dem Rollenl iger nicht wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 starr mit dem Außengehäuse 3. sondern mit dem Wicklungsgehäuse 2 verbunden ist. Das mit 22 bezeichnete Stützelement ist deshalb an einem Gehäuseteil 23, das beispielsweise das mittlere, von der tiefgekühlten Wicklung umschlossene Teil des Wicklungsgehäuses 2 darstellt, in Richtung einer zu übertragenden Kraft K befestigt. Das Stützelement 22 umfaßt zwei hohlzylinderförmige Druckstutzen 25 und 26 mit gleicher Höhe. Beispielsweise wird die Druckstütze 25 dabei konzentrisch von der Druckstütze 26 umschlossen. Beide Druckstutzen sind an ihren unteren Stirnflächen mit einer Trägerplatte 27 starr verbunden. An dieser Trägerplatte ist ein Lagerteil des Rollenlagers mit einem Lagerbock 28 und einer Rolle 29 befestigt. Die Rolle des Rollenlagers stützt sich auf einer Platte 30 ab, die über eine weitere hohlzylinderförmige Druckstütze 31 mit dem Außengehäuse 3 in Kraftrichtung verbunden ist. Eine Kräftübertragung zwischen dem Wicklungsgehäuse 2 und dem Außengehäuse 3 erfolgt somit von dem Gehäuseteil 23 aus über die Druckstützen 25 und 26, die Trägerplatte 27, über das Rollenlager mit dem Lagerbock 28, der Rolle 29 und der Platte 30 sowie über die Druckstütze 31.

Zur Beabstandung des Außengehäuses 3 in Gegenrichtung zur Kraft K ist eine Abstützungsvorrichtung mit einer Stütze 16 vorgesehen, die der Abstützungsvorrichtung nach F i g. 1 entspricht.

Soll zwischen einem Wicklungsgehäuse und einem Außengehäuse nicht nur eine große Kraft in einer einzigen vorgegebenen Richtung, sondern auch eine entsprechende Kraft in der Gegenrichtung dazu übertragen werden, so können beispielsweise zwei Kraftübertragungsvorrichtungen vorgesehen sein. In dem in Fig.3 dargestellten Längsschnitt durch einen Teil eines Magneten, der beispielsweise dem in Fig. 2 dargestellten Magneten entspricht, sind deshalb eine Kraftübertragungsvorrichtung für eine Kraft K und eine entsprechende Vorrichtung zur Übertragung einer Gegenkraft K'veranschaulicht. Die beiden Vorrichtungen entsprechen der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform. Sie sind spiegelbildlich zu einem Gehäuseteil 32 angeordnet, das zwischen den die tiefgekühlte Wicklung enthaltenden Teilen des Wicklungsgehäuses 2 verläuft. Die Trägerplatten 27 der Stützelemente 22 der beiden Kraftübertragungsvorrichtungen sind mittels Sch-auben 33, die durch Bohrungen 34 in dem Gehäuseteil 32 hindurchgeführt sind, untereinander verbunden.

Neben den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen von Rollenlagern der Kraftübertragungsvorrichtungen können auch andere Ausführungsformen von Lagern verwendet werden, falls diese unter Einwirkung großer Kräfte einen verhältnismäßig geringen Rollwiderstand senkrecht zur Kraftübertragungsrichtung in Kontraktionsrichtung des Wicklungsgehäuses aufweisen. So können beispielsweise auch andere Wälzlager, beispielsweise Kugellager vorgesehensein.

Die Druckstützen sowie die Stützzylinder 16 können aus einem schlecht wärmeleitenden Material bestehen wie beispielsweise aus einem Kunststoff, der mit Glasfasern verstärkt ist. Es kann somit eine Wärmeeinleitung von dem warmen Außengehäuse über diese Teile auf die tiefgekühlte Wicklung innerhalb des Wicklungsgehäuses bei großer Kraftaufnahme begrenzt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Übertragung großer Kräfte von einem Wicklungsgehäuse, in dem eine auf Tieftemperatur gekühlte elektrische Wicklung angeordnet ist, auf ein das Wicklungsgehäuse umschließendes Außengehäuse, das sich auf Normaltemperatur befindet, mit mindestens einem zwischen Wicklungs- und Außengehäuse beweglich gelagerten Stützelement, das auch während der Kraftübertragung eine senkrecht zur Kraftübertragungsrichtung erfolgende Bewegung des Wicklungsgehäuses relativ zum Außengehäuse gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (9, 22) auf der einen Seite mit dem Wicklungsgehäuse (2) oder dem Außengehäuse (3) starr verbunden ist and auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Wälzlager versehen ist und daß zwischen dem Wälzlager und dem Wicklungsgehäuse (2) oder zwischen dem Wälzlager und dem Außengehäuse (3) mindestens teilweise aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehende Verbindungsteile angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wälzlager als Rollenlager (11, 12; 28,29) oder Kugellager ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsteile Druckstützen (10 bzw. 25, 26) aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (12, TS) oder Kugeln des Wälzlagers mit Platten (/, 30) kraftschlüssig verbunden sind, die sich auf einem Temperaturniveau zwischen dem des Wicklungsgehäuses (2) und dem des Außengehäuses (3) befinden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (7. 30) mit einem Strahlungsschild (19) verbunden sind.