(57)【要約】低温領域、例えば液体空気の領域で利用され、かつ機械的に負荷される強磁性構造部品を備えた、例えば超電導電動機のような装置に関する。前記温度領域において所望の強磁性特性を示し、かつ機械的な高負荷に耐える構造部品のために、９〜１３％のニッケルを含むニッケル鋼を用いる。この構造部品は、例えば永久磁石から発した磁束を放射方向へ案内するために回転子軸上に設けられる、強磁性材料から成るリングである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転中に装置に発生する強磁界に関連する機械力の発生のために低温領域に保持され、装置内に含まれる超電導材料（２、１２、３５、４２）と、装置の運転中に発生する大きな機械負荷にも耐える磁束案内用の構造部品（３、１４、１５、３３、４３）とを備えた装置において、前記構造部品が９〜１３％のニッケルを含む鋼から構成されたことを特徴とする装置。
【請求項２】
構造部品（３、１４、１５、３３、４３）が、９％のニッケル鋼Ｘ８Ｎｉ９、ＤＩＮ１．５６６２からなることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
円板又はリング状の構造部品（１４、１５、４２）が磁界源（３４）として作用する少なくとも一つの超電導コイル（１２、４０）に配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
構造部品（３３）が、磁界源（１３４）として働く永久磁石（３４）に隣接して配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項５】
構造部品（３、１４、１５、３３）が、運転中回転体の高速回転及び高機械押圧力の少なくとも一方に曝されることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装置。
【請求項６】
構造部品が、回転子巻線としての超電導コイル（２）を有する電動機の回転子（１）の鉄心（３）であることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項７】
構造部品（３３）が、軸（３１）の磁気浮上型軸受（図３）を有する装置内に設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
【請求項８】
磁束案内部である前記構造部品（１４、１５）が、支持装置の静止部でもあることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装置。
【請求項９】
液体空気の温度を下回る温度領域内でも用いられることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に記載の装置に関する。本発明は、特に液体空気の温度領域に関する。特に機械的負荷や温度の変化、更に脆さに対し、必然的に当該装置の機械的に高負荷がかかる構造部品の安全な材料は、更に形成した磁束の案内や増強のために必要な強磁性特性や良好な導磁性をも持たねばならない。
【０００２】
従来技術、例えばＲｅｅｄ著「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｔ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ」第３８８／３８９頁により、低温、即ち１７３Ｋを下回る温度領域のため、機械的に負荷がかかる構造部品に対し、３．５〜９％のニッケル成分を含むニッケル鋼を用いることが公知である。かかる構造部品は、例えば液体空気等の液化ガスの貯蔵と輸送のためのタンクである。７７Ｋを下回る温度に対し、特に液体ヘリウムとの関連で４Ｋという低温での使用のため、１２％のニッケル成分を含むニッケル鋼も既に開発されている。これら材料に対しては、材料の可延性領域から脆性領域への移行温度を、予定した適用温度を下回るよう低下させることが重要である。上述の従来技術は、ニッケル鋼に含ませる添加物についても言及している。
【０００３】
しかし、本発明に対応する材料の用途には、上述の温度に依存する機械的特性のみでなく、上述の温度領域に対し機械的に適切な材料が、強磁性特性をも持つことが要求される。強磁性特性は、例えば超電導部品を含む機械や機械部品内の磁束の案内や増幅のための材料の使用に対して決定的である。例えば超電導構造部品をも含み、磁気的反発力に応じ軸受箱内で回転する機械軸を無接触で浮上状態で所定位置に保つ無接触軸受が公知である。これに関し、例えば独国実用新案Ｇ９４０３２０２．５号明細書に「高ＴＣ超電導材料」が開示され、米国特許第５７７７４２０号明細書に「超電導同期電動機構造」が開示されている。
【０００４】
本発明の課題は、ここに開示された装置の構造部品のために、必要な低運転温度で予想される機械的負荷に対し長時間にわたって十分な強度を示す、例えば低温でも脆くならず、更に磁束の通路や増幅の目的のために強磁性特性を持つ材料を用いることである。この課題は、請求項１に記載の特徴部の構成と従属請求項に記載の構成によって解決される。
【０００５】
研究の結果、ニッケル鋼Ｘ８Ｎｉ９、ＤＩＮ（独国工業規格）１．５６６２、米国規格ＡＳＴＭのＡ３５３、Ａ５５３が７７Ｋを下回る温度でも上述の目的のためになお強磁性特性を持つことを確認した。この範囲は、本発明に対し特に適切な温度領域である。この材料は上述の低温でも、脆さに対して機械的負荷をかけた状態で粘性を失うことのないように僅かに曲るだけである。磁束の案内や増幅のための部材用として使用可能とすべく、３．５〜８％のニッケル成分を含むニッケル鋼も上述の目的のために十分高い強磁性特性を有する。要求に応じて、１２〜１３％のニッケル成分を含むニッケル鋼も得られる。
【０００６】
強磁性特性を持つ材料の機械的強度は、例えば回転する機械部分に発生する遠心力に対し左程問題にならず、必要なら高温超電導コイルを有する磁石においても、その容器内への収納と保持のために機械的に信頼し得る安定材料が有利である。これは、例えば支持部が磁束通路としての機能をも備える場合である。
【０００７】
次に本発明の適用例について、図面を参照しながら更に説明する。
【０００８】
図１で１は、本発明の装置として超電導界磁巻線を有する電動機の回転子を軸に垂直な断面で示す。２は、段付き状に作られ、又は配置された超電導コイルを図の半分に示している。コイル２は公知の如く高温超電導材料で作った帯状導体コイルからなる。この種の材料は公知である。コイル２内に一旦界磁電流が発生すると、コイル２の横断面領域にコイルに対し軸方向に向いた磁界Ｈから、磁束密度Ｂを有する磁束が発生する。電動機の回転子にとって公知のように、この回転子でも、磁束を案内する鉄心３を強磁性材料からなる構造部品として設けている。符号４は、鉄心３内における磁束通路を示す。ここに４極回転子のように示した構造では、公知の如く、２つＮ極Ｎと２つのＳ極Ｓが電動機の鉄心３、即ち回転子１の磁極として機能する。本発明によれば、この鉄心３は請求項記載の如く９〜１３％のニッケル成分を含むニッケル鋼、即ちＤＩＮ規格Ｘ８Ｎｉ９ＤＩＮ１．５６６２の鉄鋼からなっている。
【０００９】
図２は、超電導コイル１２を備えた公知の磁石１１の原理的構造を示す。このコイル１２は対応する熱絶縁支持部を持つ低温外被１３内に存在する。１４と１５は、本発明の構造部品としての２つの鋼製リングである。これらリング１４、１５は、磁束通路兼磁束形成に資する。これら構造部品は、磁気的に作用する大きな機械力に曝される。そのため、これら部品はニッケル鋼から作る。この磁束案内手段により、磁石１１の磁極１６間での磁界均質性を改善できる。
【００１０】
図３は、前述の特許明細書により公知の、回転子軸３１の磁気浮上型軸受を示す。ここで３４は回転子軸３１上に装着され、図示の如く軸方向に極性付けられたリング状永久磁石を示す。これら永久磁石３４は、隣接する２つのリング状永久磁石３４の軸方向磁界が互いに逆向きになり、かつリング状永久磁石の外部端面部で共通に放射方向に向くよう相互の方向付けをしている。
【００１１】
永久磁石から発した磁束１３４の放射方向への案内のため、回転子軸３１上に断面で示す、強磁性材料からなるリング３３が設けられている。
【００１２】
３５は超電導材料からなる層、即ちスリーブである。スリーブ３５はスリーブ状外部軸受箱内に位置している。この超電導材料は冷媒、例えば液体窒素によって、超電導のために必要な低温に冷却される。この冷媒は、冷却通路１３２内を流れる。冷却通路１３２は、静止した外部軸受箱３６内に設けられている。
【００１３】
回転子軸３１がその上に設けた永久磁石３４と共に回転する際、超電導材料内に生ずるシールド電流が、回転子軸３１の浮上支持に必要な電磁力を生ずる。
【００１４】
公知の如く、この種の装置の回転部と静止部との間の空隙はできるだけ小さく設計される。しかし、この空隙は、永久磁石３４とリング３３を低温に冷却するためにも資する。このため、リング３３は発生する遠心力により機械的に負荷される構造部品として、本発明に係る強磁性ニッケル鋼から構成される。
【００１５】
図４の磁界コイル４０は、図示の如く、互いに軸方向に配列された複数の超電導コイル４２からなっている。コイル端面には、リング４３が配置されている。該リングは、構造部品として本発明に従い設けられる強磁性ニッケル鋼からなるコイルに適合するように形成され、かつ寸法付けられている。公知の如くこれらコイルから発する磁束は、最適化された磁束通路に作用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による電動機の回転子の横断面図。
【図２】
独国特許第１９８１３２１１号明細書により公知の装置を示す図。
【図３】
独国特許第４４３６８３１号明細書により公知の磁気軸受装置を示す図。
【図４】
国際公開第９６／０８８３０号パンフレットにより公知の超電導磁気コイルを示す図。
【符号の説明】
１　回転子、２、１２　コイル、３　鉄心、４　磁束通路、１１　磁石
１３　低温外被、１４、１５　鋼製リング、１６　磁極、３１　回転子軸
３３、４３　リング、３４　リング状永久磁石、３５　スリーブ
３６　外部軸受箱、４０　磁界コイル、４２　超電導コイル、１３２　冷却通路
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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