Wybrane zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych Ryszard Pałka Department of Electrical Engineering West Pomeranian University of Technology Szczecin KETiI
Zakres prezentacji 1. Wprowadzenie monolityczne nadprzewodniki wysokotemperaturowe 2. Magnesowanie monolitycznych nadprzewodników wysokotemperaturowych 3. Łożyska nadprzewodnikowe KETiI 2
KETiI 3
Tak się wszystko rozpoczęło Hg Heike Kamerlingh Onnes, Leiden 1908 - Skroplenie helu 4,2K (-269 C) 1911 - Odkrycie nadprzewodnictwa 1913 - Nagroda Nobla KETiI 4
Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe 1986 - Alex Müller i Georg Bednorz (IBM, Szwajcaria) stwierdzili nadprzewodnictwo w ceramicznym tlenku Cu, T c = 30 K (NN 1987) KETiI 5
Temperatury krytyczne nadprzewodników nadprzewodniki wysokotemperaturowe" LN2 "klasyczne" SC KETiI 6
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) = 50 800 A/mm 2 T c (temperatura krytyczna) = 92 K B c (pole krytyczne) = ca. 5 T KETiI 7
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
Oddziaływanie pomiędzy monolitycznym HTSC i magnesem trwałym (PM) HTSC PM HTSC PM Siły boczne PM HTSC Przyciąganie Odpychanie KETiI 9
Oddziaływanie pomiędzy monolitycznym HTSC i magnesem trwałym (PM) Pierwowzór łożyska nadprzewodnikowego KETiI 10
Oddziaływanie pomiędzy HTSC-PM KETiI 11
Oddziaływanie pomiędzy HTSC-PM J c =const. KETiI 12
Zjawisko Meissnera-Ochsenfelda (idealny diamagnetyzm) Tylko dla małych pól magnetycznych! Walther Meissner KETiI 13
Diagram fazowy nadprzewodnika wysokotemperaturowego KETiI 14
Interakcja nadprzewodnika z polem zewnętrznym Efekt Meissnera KETiI 15
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
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
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
Magnesowanie HTSC Jednodomenowy HTSC Wielodomenowy HTSC KETiI 19
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 10 2-10 3 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
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
Cechy łożysk nadprzewodnikowych HTSC SMB Absolutna stabilność Brak kontaktu z otoczeniem Dowolna prędkość Brak zużycia Zalety Brak układu regulacji Brak zakłóceń KETiI 22
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
Składniki systemu Thermal insulation Cryogenic cooling Vacuum system KETiI 24
Łożysko osiowe Wirnik PM Fe HTSC SMB Wzbudzenie KETiI 25
Łożysko radialne Wirnik PM Fe SMB HTSC Wzbudzenie KETiI 26
Łożysko radialne KETiI 27
Aktywacja łożyska Activation in working position Splitted HTSC-Stator Cooling position Working position Movable shells KETiI 28
Aktywacja łożyska Pozycja wyjściowa Pozycja robocza KETiI 29
Aktywacja łożyska MM Stal KETiI 30
Ruchoma szala łożyska HTSL Cold head KETiI 31
Test bench for SMB: Design High speed machine Actuator HTSC bearing KETiI 32
Test bench for SMB Cryo cooler High speed machine Actuator HTSC bearing KETiI 33
Izolacja termiczna Super insulation Infrared camera view Cold head Cryocontainer Warm bore ambient KETiI 34
Łożysko pracujące ce w ciekłym azocie Stainless steel reinforcement Iron poles KETiI 35
Pomiary Średnica 82 mm Długość 124 mm Zmierzona sztywność radialna 300 N/mm Obliczona sztywność radialna 312.56 N/mm Temperatura 77K KETiI 36
Pomiary Łożysko cylindryczne Łożysko płaskie KETiI 37
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
Zastosowania kinetyczny zasobnik energii DYNASTORE PM+Fe Wzbudzenie HTSC SMB Łącznik HTSC Głowica chłodząca Łożysko pomocnicze KETiI 39
Zastosowania kinetyczny zasobnik energii DYNASTORE KETiI 40
Zastosowania - pojemnik do przewożenia gazów Field excitation HTSC-bulks LH -tank 2 KETiI 41
Dziękuję za uwagę KETiI 42