Weltpremiere: Nexans lieferte das erste supraleitende Lager für eine industrielle Anwendung aus

Ihren größten Einzelauftrag konnte die Nexans SuperConductors GmbH (NSC), Hürth, kürzlich abschließen, indem sie ein Lager auf Basis von Hochtemperatur-Supraleitern auslieferte. Auftraggeber ist der Bereich Corporate Technology der Siemens AG, der diesen Prototyp derzeit im Hinblick auf die Verwendung in elektrischen Maschinen prüft. Siemens beschäftigt sich ebenfalls intensiv mit Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) und nahm kürzlich einen 4-MVA-Generator in Betrieb, der einen Rotor mit HTS-Wicklung beinhaltet und für den Schiffseinsatz konzipiert ist. Hochtemperatur-Supraleiter führen bei Motor- und Generatoranwendungen wegen der hohen Stromdichte zu kompakten Bauweisen. Auf Schiffen macht sich das doppelt bemerkbar: Geringes Gewicht und kleine Abmessungen gestatten eine effiziente Raumausnutzung und ermöglichen neue Schiffskonzepte, die mit konventionellen Antrieben nicht realisierbar sind. Das berührungslose HTS-Lager profitiert ebenfalls von den hohen Stromdichten im HTS, die aber in diesem Fall dazu beitragen, eine rotierende Welle in einem Magnetfeld in der Schwebe zu halten. Die berührungs- und reibungslose Lagerung ermöglicht hohe Drehzahlen.



Das Lager wurde von NSC in Zusammenarbeit mit den Kältetechnikspezialisten der Nexans in Hannover entwickelt und gebaut und in Kooperation mit den Spezialisten vom IMAB-Institut der Technischen Universität Braunschweig ausgelegt. Die Produktion der Supraleiter und die Montage des Lagers sowie die Entwicklung des zugehörigen Stators und Rotors erfolgten in Hürth. Das Lager stützt den Rotor, der mit konventionellen Permanentmagneten bestückt ist, und trägt eine Nennlast von 500 kg. Dabei schwebt der Rotor im Magnetfeld des Supraleiters. Wissenschaftler nennen diesen Effekt, der einen Dauermagneten über einem HTS in stabiler Lage schweben lässt, Levitation, erklärt Dr. Joachim Bock, Geschäftsführer von NSC.



Supraleiter wird im tiefgekühlten Zustand zum Dauermagneten



Das Lager profitiert von den Eigenschaften so genannter Hochtemperatur-Supraleiter. Unter Hochtemperatur verstehen die Techniker allerdings Gradzahlen von fast minus 200 °C. Man spricht dennoch von Hochtemperatur, um die seit den 80er Jahren entwickelten Werkstoffe von anderen Supraleitern zu unterscheiden, die erst einige Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 273 °C) supraleitend werden. HTS verändern bei Unterschreiten einer kritischen Temperatur ihre elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Die Supraleitung deutet auf die elektrischen hin: Die für den Stromfluss verantwortlichen Elektronen können paarweise quasi widerstandslos die kristallinen Strukturen passieren.



Dass sich die Lagerexperten aus Hürth für die frostigen Werkstoffe erwärmen, liegt aber am magnetischen Verhalten. Das für das neue Lager verwendete YBCO (Yttrium Barium Kupfer Oxid) wird unter Einwirken eines äußeren Magnetfeldes zum Dauermagneten, aber erst unterhalb der kritischen Temperatur. Dann kann der HTS allerdings zehnmal stärkere Magnetfelder speichern als der beste Werkstoff bei Raumtemperatur. Dieses Feld hält zum Beispiel den Rotor in der richtigen Lage.



Das HTS-Lager wird auf etwa minus 210 °C gekühlt. Ein Vakuum von 10-7 mbar verhindert das Vereisen durch Feuchtigkeit. Der HTS-Permanentmagnet wurde aus insgesamt 270 einzelnen, von Nexans gezüchteten Kristallen mit einer Größe von 35 mm x 33 mm x 10 mm zusammengesetzt, die sich auf einem Kupferring mit rund 325 mm Durchmesser und 310 mm Höhe befinden. Die Kupfermasse dient als Träger der YBCO-Kristalle und speichert außerdem Kälte, erklärt Heribert Walter, verantwortlich für den Bau des Lagers. Dadurch kann es selbst nach Ausfall der Kältemaschine noch mehrere Stunden lang seine Last tragen, um das Gesamtsystem herunterzufahren.



Nachteile wie das Heißlaufen bei starker Beanspruchung, die bei konventionellen Gleit- und Kugellagern auftreten können, werden durch die berührungslose Lagerung vermieden. HTS-Lager sind zudem eigensicher, was sie von anderen berührungslosen Lagern unterscheidet: Mit konventionellen Permanentmagneten alleine kann keine stabile Lage herbeigeführt werden. Lager auf Basis von Elektromagneten verlangen nach ständiger Stromversorgung, denn bei ihnen wird die Last mit einer aufwändigen Regelung ausbalanciert. So eine Regelung braucht das HTS-Lager nicht, denn die magnetische Abstoßungskraft des Supraleiters wirkt Taumelbewegungen und Längskräften der Welle entgegen, sagt Dr. Joachim Bock.



Seine Fähigkeiten hat das Lager bewiesen: Es hält minus 245 °C stand, trägt bis zu 690 kg Last und eignet sich für Drehzahlen bis 3.600 U/min. Eine herausragende Leistung gelang den Ingenieuren von Nexans nicht zuletzt beim Lagerspalt: Der Rotor mit seinen Permanentmagneten läuft in der so genannten Warmbohrung in einem Spalt von nur 1 mm. Ebenfalls nur 1 mm weit ist die Kälte isolierende Kryostatwand vom minus 245 °C kalten HTS-Material entfernt. Über die kurze Distanz werden Differenztemperaturen bis zu 270 °C isoliert.



Die Entwicklung der HTS wurde teilweise mit Mitteln des Bundes (BMBF/BMWA) gefördert.



Fotos:



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Kryo-Gehäuse mit Kühlmaschine (Bilder: Nexans)





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HTS-Zylinder bestehend aus 270 YBCO-Kristallen, eingebaut in zwei Halbschalen aus Kupfer.



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