Hochtemperatur-Supraleiter steigern Maschinen-Wirkungsgrade
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Reibungsfreie Lager
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Grundlage ist der Effekt, dass Magnetfelder in einen Supraleiter nicht eindringen können. Ein sich nähernder Magnet wird immer abgestoßen, unabhängig von seiner Polarität – oft gezeigt als Schauversuch mit schwebenden Gegenständen (Bild 3).
Die Kraft nimmt mit sinkendem Abstand progressiv zu – für Lager eine ideale Eigenschaft, weil damit keine elektronische Regelung mehr notwendig ist. Konventionelle magnetische Lager kommen ohne diese nicht aus, weil sie auf Anziehung beruhen (Prinzip der „schwebenden Kugel“).
Weil solche Lager völlig berührungslos und verschleißfrei laufen, gibt es prinzipiell keine Begrenzung für die Drehzahl der Welle. Auch lineare Lager sind mit HTS möglich; solche verwendet z.B. die japanische Magnetschwebebahn. (Der deutsche Transrapid enthält keine Supraleiter.)
Derartige Lager verwendet auch der gerade genannte 4-MVA-Generator. Sie sind vollkommen unabhängig von der supraleitenden Rotorwicklung. Bei der hohen Drehzahl zeigen sie eindeutige technische Überlegenheit gegenüber konventionellen Wälz- und Gleitlagern, die immer Reibungsverluste haben und sich erwärmen, wobei wegen des Öls Brandgefahr besteht.
Dieses Problem entfällt beim HTS-Lager. Die Entwicklung stammt von Nexans; Bild 4 zeigt das Prinzip, Bild 5 den offenen Stator. Auf der Achse befinden sich mehrere ringförmige Permanentmagnete aus Neodym-Eisen-Bor, separiert durch Eisenscheiben, Außendurchmesser 317 mm.
Der Stator (Innendurchmesser 325 mm) enthält 270 Blöcke mit 33 × 34 × 10 mm3 aus Yttrium- Barium-Kupfer-Oxid (YBCO), die von einer Kältemaschine, die wartungsfrei mit geschlossenem Kreislauf arbeitet, auf 28 K heruntergekühlt werden. Die einstige umständliche Handhabung von flüssigem Kühlmittel entfällt. Zwecks maximaler Wärmeisolation arbeitet das Lager im Vakuum. Die Tragkraft ist 5 kN, die Steifheit 5,1 kN/mm.
Die annähernd verlustfreie elektrische Erregung der HTS-Wicklung erhöht den elektrischen Wirkungsgrad im Vergleich zu entsprechenden konventionellen Maschinen um mehr als 2 Prozentpunkte auf jetzt 98,7%, wobei die kryogene Rotorkühlung bereits eingerechnet ist – d.h., die inneren Verluste sind mehr als halbiert. Der Generator durchläuft derzeit intensive Tests, wobei unter anderem seine Tauglichkeit für den Einsatz auf Schiffen nachgewiesen werden soll.
Ein anderes Magnetlager hat das Adelwitz Technologiezentrum (ATZ) entwickelt, es trägt sogar 1 t bei einer Arbeitstemperatur von 72 K. Die maximale radiale Kraft liegt bei 470 kg, die entsprechenden maximalen Steifigkeiten bei 4,5 kN pro mm axial und 1,8 kN/mm radial. Das Lager hat ein Gesamtgewicht von 55 kg, mit 5 kg eingesetztem YBCO-Material beträgt das magnetische Levitations-Verhältnis 1:200, d.h., ein Gramm HTS-Material kann 200 Gramm Masse magnetisch tragen.
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