Wybrane zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych

Transkrypt

1 Wybrane zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych Ryszard Pałka Department of Electrical Engineering West Pomeranian University of Technology Szczecin KETiI

2 Zakres prezentacji 1. Wprowadzenie monolityczne nadprzewodniki wysokotemperaturowe 2. Magnesowanie monolitycznych nadprzewodników wysokotemperaturowych 3. Łożyska nadprzewodnikowe KETiI 2

3 KETiI 3

4 Tak się wszystko rozpoczęło Hg Heike Kamerlingh Onnes, Leiden Skroplenie helu 4,2K (-269 C) Odkrycie nadprzewodnictwa Nagroda Nobla KETiI 4

5 Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe Alex Müller i Georg Bednorz (IBM, Szwajcaria) stwierdzili nadprzewodnictwo w ceramicznym tlenku Cu, T c = 30 K (NN 1987) KETiI 5

6 Temperatury krytyczne nadprzewodników nadprzewodniki wysokotemperaturowe" LN2 "klasyczne" SC KETiI 6

7 Monolityczne nadprzewodniki wysokotemperaturowe Monokryształ tlenku itrowo-barowo-miedziowego YBa 2 Cu 3 O 7 Struktura YBCO 16 kryształów nadprzewodnika wytworzonych w procesie MTG J c (gęstość prądu krytycznego) = A/mm 2 T c (temperatura krytyczna) = 92 K B c (pole krytyczne) = ca. 5 T KETiI 7

8 Monolityczne nadprzewodniki wysokotemperaturowe Spiek z umieszczonymi zarodkami Pierścień nadprzewodnikowy po procesie teksturowania Pierścień nadprzewodnikowy po obróbce mechanicznej Wytwarzanie pierścieni nadprzewodnikowych z YBCO HTSC high temperature superconductor SPM superconducting permanent magnet Trójdomenowy YBCO KETiI 8

9 Oddziaływanie pomiędzy monolitycznym HTSC i magnesem trwałym (PM) HTSC PM HTSC PM Siły boczne PM HTSC Przyciąganie Odpychanie KETiI 9

10 Oddziaływanie pomiędzy monolitycznym HTSC i magnesem trwałym (PM) Pierwowzór łożyska nadprzewodnikowego KETiI 10

11 Oddziaływanie pomiędzy HTSC-PM KETiI 11

12 Oddziaływanie pomiędzy HTSC-PM J c =const. KETiI 12

13 Zjawisko Meissnera-Ochsenfelda (idealny diamagnetyzm) Tylko dla małych pól magnetycznych! Walther Meissner KETiI 13

14 Diagram fazowy nadprzewodnika wysokotemperaturowego KETiI 14

15 Interakcja nadprzewodnika z polem zewnętrznym Efekt Meissnera KETiI 15

16 Interakcja z polem zewnętrznym - model obliczeniowy 2D (potencjał wektorowy, FEM, idealne pułapkowanie pola) Trapped flux model: 1. Initial position: A = f(x,y) HTSC 4. Final position: AHTSC = f(x,y)+c2-c1 KETiI 16

17 Magnesowanie HTSC w procesie FC Rozkład pola magnetycznego dla ciepłego nadprzewodnika Rozkład pola po obniżeniu temperatury nadprzewodnika poniżej T c i wyłączeniu prądu zasilającego KETiI 17

18 Magnesowanie HTSC w procesie ZFC Schemat układu magnesującego złożonego z baterii kondensatorów, tyrystora dużej mocy i cewki umieszczonej w naczyniu Dewara Rozkład pola magnetycznego nad nadprzewodnikiem KETiI 18

19 Magnesowanie HTSC Jednodomenowy HTSC Wielodomenowy HTSC KETiI 19

20 Cechy łożysk nadprzewodnikowych (SMB: superconducting magnetic bearing) Active and passive magnetic bearings Active Passive (HTSC) Force nature Attractive Attractive & Repulsive Force density 60 N/cm 2 40 N/cm 2 Axial stiffness N/mm 5-50 N/mm Lateral stiffness 5-10 N/mm 2-10 N/mm Power consumption 4 kw 0.5 kw KETiI 20

21 Struktura SMB Łożysko bezkontaktowe Układ generujący pole magnetyczne HTSC Pojemnik próżniowy Ograniczenie strat Izolacja termiczna Podłoże Dowolne środowisko Połączenie z układem chłodzenia i wytwarzania próżni Opóźnienie czasowe w przypadku zaniku chłodzenia KETiI 21

22 Cechy łożysk nadprzewodnikowych HTSC SMB Absolutna stabilność Brak kontaktu z otoczeniem Dowolna prędkość Brak zużycia Zalety Brak układu regulacji Brak zakłóceń KETiI 22

23 Zastosowania łożysk nadprzewodnikowych Lewitacja Izolacja termiczna Ruch liniowy Ruch rotacyjny Systemy transportowe Silniki szybkoobrotowe Kinetyczne zasobniki energii Zastosowania specjalne Clean rooms Próżnia W warunkach zagrożenia wybuchem KETiI 23

24 Składniki systemu Thermal insulation Cryogenic cooling Vacuum system KETiI 24

25 Łożysko osiowe Wirnik PM Fe HTSC SMB Wzbudzenie KETiI 25

26 Łożysko radialne Wirnik PM Fe SMB HTSC Wzbudzenie KETiI 26

27 Łożysko radialne KETiI 27

28 Aktywacja łożyska Activation in working position Splitted HTSC-Stator Cooling position Working position Movable shells KETiI 28

29 Aktywacja łożyska Pozycja wyjściowa Pozycja robocza KETiI 29

30 Aktywacja łożyska MM Stal KETiI 30

31 Ruchoma szala łożyska HTSL Cold head KETiI 31

32 Test bench for SMB: Design High speed machine Actuator HTSC bearing KETiI 32

33 Test bench for SMB Cryo cooler High speed machine Actuator HTSC bearing KETiI 33

34 Izolacja termiczna Super insulation Infrared camera view Cold head Cryocontainer Warm bore ambient KETiI 34

35 Łożysko pracujące ce w ciekłym azocie Stainless steel reinforcement Iron poles KETiI 35

36 Pomiary Średnica 82 mm Długość 124 mm Zmierzona sztywność radialna 300 N/mm Obliczona sztywność radialna N/mm Temperatura 77K KETiI 36

37 Pomiary Łożysko cylindryczne Łożysko płaskie KETiI 37

38 Zastosowania kinetyczny zasobnik energii DYNASTORE SMB Masa wirująca Łącznik Stator Rotor Wymiary Ø Obudowa 1500mm ØKoło zamachowe 1300mm Wysokość 650mm Masa koła zamachowego 450kg KETiI 38

39 Zastosowania kinetyczny zasobnik energii DYNASTORE PM+Fe Wzbudzenie HTSC SMB Łącznik HTSC Głowica chłodząca Łożysko pomocnicze KETiI 39

40 Zastosowania kinetyczny zasobnik energii DYNASTORE KETiI 40

41 Zastosowania - pojemnik do przewożenia gazów Field excitation HTSC-bulks LH -tank 2 KETiI 41

42 Dziękuję za uwagę KETiI 42