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

Die Nexans SuperConductors GmbH (NSC), Hürth, lieferte vor wenigen Wochen ein berührungsfreies Lager auf Basis von Hochtemperatur-Supraleitern aus, das für eine industrielle Anwendung bestimmt ist. Damit konnte NSC ihren bisher größten Einzelauftrag realisieren. 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.

Das HTS-Lager stützt mit Hilfe eines Magnetfelds einen mit Dauermagneten ausgestatteten Rotor und trägt dabei eine Nennlast von 500 kg. Die Welle wird so schwebend gelagert. 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 erfolgten in Hürth, auch der Stator aus Kupfer, der die Supraleiter trägt, sowie der Rotor wurden bei NSC entwickelt und produziert.

"HTS-Lager sind eigensicher, was sie maßgeblich von anderen berührungslosen Lagern unterscheidet", erklärt Dr. Joachim Bock, Geschäftsführer von NSC. Mit konventionellen Permanentmagneten alleine kann keine stabile Lage herbeigeführt werden. Lager auf Basis von Elektromagneten (aktive magnetische Lager) verlangen nach ständiger Stromversorgung, damit eine Regelung die Last ausbalanciert. So eine Regelung braucht das passive HTS-Lager nicht, denn die Kristalle aus YBCO (Yttrium Barium Kupfer Oxid) reagieren auf Annährung des mit Permanentmagneten bestückten Rotors selbstständig: Durch ein äußeres Magnetfeld induziert wird der Supraleiter zum Dauermagnet - hier in Ringform. "Dieser HTS-Dauermagnet kann die Welle aufgrund der Levitation in stabiler Lage halten und wirkt radialen und lateralen Kräften entgegen", erläutert Heribert Walter, zuständig für den Bau des Lagers bei NSC.

Der HTS-Ring besteht aus insgesamt 270 einzelnen, von Nexans gezüchteten Kristallen, die auf einem Kupferkörper von rund 325 mm Durchmesser und 305 mm Höhe angeordnet sind. Eine Kältemaschine kühlt den Kupferring mit den Supraleitern auf etwa minus 210 °C. Im Lager herrscht ein Vakuum von 10-7 mbar und verhindert so das Vereisen durch Feuchtigkeit. Die Kupfermasse des Stators speichert die Kälte, weswegen das Lager selbst nach Ausfall der Kältemaschine noch mehrere Stunden lang seine Last tragen kann.

Nach ersten Tests bei NSC wird das HTS-Lager aktuell bei Siemens auf Herz und Nieren geprüft. Es werden zuverlässige Betriebsdaten ermittelt und Grenzwerte für den Einsatz in rotierenden Maschinen aufgezeigt. Seine prinzipielle Eignung hat es schon auf dem Prüfstand bewiesen: Es kann auf minus 245 °C abgekühlt werden (minus 210 °C waren gefordert), trägt bis zu 690 kg Last und eignet sich für Drehzahlen bis 3.600 U/min. Eine herausragende Leistung gelang den Ingenieuren von Nexans unter anderem 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.

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Über Nexans

Nexans ist weltweit führender Hersteller der Kabelindustrie. Der Konzern bietet ein umfassendes Produktportfolio modernster Kupfer- und LWL-Kabel für die Märkte der Bereiche Infrastruktur, Industrie und Bauwesen. Kabel- und Systemlösungen von Nexans kommen in allen Bereichen des Lebens zum Einsatz: Telekommunikations-, Daten- und Energiekabelnetze in der Luft- und Raumfahrttechnik, in der Automobilindustrie, bei der Bahn und im Bauwesen bis hin zu Anwendungen der petrochemischen Industrie und der Medizintechnik. Mit Herstellungsbetrieben in 29 Ländern und Büros und Vertretungen weltweit erwirtschaftete Nexans mit 20.000 Mitarbeitern im Jahr 2004 Umsätze in Höhe von 4,8 Mrd. Euro. An den Standorten Hürth und Hannover entwickelt und fertigt Nexans supraleitende Materialien, technische Komponenten und Systeme. Dazu gehören Komponenten für Strombegrenzer zur Verhinderung von hohen Kurzschlussströmen, supraleitende Kabel, die eine mehrfach höhere Stromdichte ermöglichen als konventionelle Werkstoffe, sowie starre und flexible Kryostate, die für supraleitende Systeme unerlässlich sind. Nexans ist ein an der Pariser Börse notiertes Unternehmen. Weitere Informationen erhalten Sie unter www.nexans.com

Über Siemens Corporate Technology

Im Geschäftsjahr 2003/2004 investierte Siemens 5,1 Milliarden Euro in Forschung und Entwicklung. Weltweit arbeiten über 45.000 Forscher und Entwickler an neuesten Technologien. Mit derzeit 48.000 laufenden Patenten gehört der Konzern zur Weltspitze. Die Zentralabteilung Corporate Technology (CT) arbeitet mit weltweit über 1.700 Mitarbeitern an Schlüssel- und Querschnittstechnologien, die in alle geschäftsführenden Bereiche einfließen. Darüber hinaus verantwortet CT innerhalb von Siemens das globale Patentmanagement, den Umweltschutz, die Arbeit in internationalen Standardisierungsgremien sowie das Corporate Information Research Center. Weitere Informationen zu CT im Internet unter www.ct.siemens.com. Aktuelle Presseinformationen, darunter auch zum HTS-Generator, finden Sie unter "CT Presse".