Сверхпроводящий двигатель


«СуперОкс»: Сверхпроводник в будущее

Сверхпроводимость обещает принести революционные изменения в самые различные сферы, делая возможным межпланетные космические перелеты с применением электрических ракетных двигателей, открывая новые пути к созданию летательных аппаратов с вертикальным взлетом, помогая создавать аппараты для эффективной диагностики и лечения сложнейших заболеваний и многое другое. Свойство некоторых электропроводящих материалов переходить в состояние сверхпроводимости при сверхнизких температурах было обнаружено достаточно давно, однако практическое применение этого эффекта стало реальным только после открытия в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), отмеченного Нобелевской премией по физике 1987 года. Второе поколение проводов на основе ВТСП позволяет эксплуатировать их при температуре 77 К (температура кипения жидкого азота). О развитии проекта по практическому использованию ВТСП-материалов и планах на будущее мы беседуем с создателем ЗАО «СуперОкс» Андреем Вавиловым и генеральным директором Сергеем Самойленковым.  

Вавилов Андрей ПетровичПредседатель Совета директоров ЗАО «СуперОкс», доктор экономических наук

Андрей Вавилов: На момент запуска проекта в 2006 году основной целью было разработать технологический подход и наладить производство высокотемпературного сверхпроводникового провода второго поколения. Сегодня полная производственная цепочка, все оборудование локализовано здесь, у нас, в Москве. В мире есть всего пять производителей такого провода. Мы являемся единственными производителями ВТСП-провода в Европе и поставляем ленту таким знаковым потребителям, как ЦЕРН, MIT, Siemens, Кембриджский университет.Помимо выпуска ВТСП-провода, мы постоянно работаем над прорывными ВТСП-устройствами, которые не только способствуют развитию отрасли, но и создают рынок потребления ВТСП-провода. Одна из уже завершенных разработок — сверхпроводниковые токоограничивающие устройства (ТОУ). Это крайне важное для существующих электрических сетей устройство во много раз повышает надежность энергосистемы, снижает стоимость реконструкции подстанций, упрощает эксплуатацию энергетических сетей. Принцип действия этих устройств основан на способности материала переходить из состояния с высокой проводимостью в резистивное при воздействии тока выше порогового значения. В 2017 году «СуперОкс» подписала договор на установку первого ВТСП токоограничивающего устройства 220 кВ на территории подстанции «Мнёвники» АО «Объединенная энергетическая компания» в Москве. Эти работы поддержаны Фондом развития про-мышленности. Другое направление — создание сверхпроводникового электрического двигателя для разных применений. Мы получили грант Фонда перспективных исследований на создание электрического двигателя мощностью 500 кВт. В результате этой работы ВТСП-электродвигатели можно будет адаптировать для самых различных применений: авиации, судостроения, ракетной техники. Ключевое преимущество этих двигателей заключается в том, что они при том же размере и весе выдают существенно больше мощности, в разы больше, чем традиционные аналоги. Их коэффициент полезного действия одинаково высокий при разных мощностях. Это предоставляет огромные возможности для оптимизации эффективности работы в пиковых режимах (например, на взлете летательного аппарата), позволяет снизить потребление топлива, улучшить массогабаритные показатели. Airbus и NASA, которые тоже работают в этом направлении, посчитали, что перспективный электрический самолет будет использовать в 4 раза меньше топлива, чем сейчас. И без сверхпроводимости эти электрические системы не обойдутся.

РЗ: Как развивается деятельность компании в этом направлении?АВ: В конструкции будущего электрического или гибридного самолета будет использоваться ВТСП-кабель, первый прототип которого сейчас создается в «СуперОкс». Разработка электрического самолета предполагает применение распределенной системы тяги, для этого электрические двигатели без использования сверхпроводимости недостаточно эффективны. Улучшение массогабаритных показателей и мощности ВТСП-электродвигателей позволило начать разработки летательных аппаратов вертикального взлета, например конвертопланного типа. Другое, встречающееся все чаще наименование — «аэротакси». Сейчас вся Силиконовая долина бьется над созданием подобных летательных аппаратов, а мы уже работаем над конкретным образцом. Еще один проект — создание электрического ракетного двигателя (ЭРД) с использованием ВТСП-материалов. Электрический ракетный двигатель отличается от химических двигателей, где используется сжигаемое топливо и окислитель, крайне низким потреблением рабочего тела. ЭРД малой мощности давно используются в спутниках для коррекции их положения или орбиты. Мы хотим с использованием наших сверхпроводников сделать такие двигатели на один или два порядка мощнее. Если сейчас эти двигатели можно использовать только для коррекции орбиты, с нашим ВТСП ЭРД можно будет создать космический буксир, который сможет перемещать грузы между орбитами, например с опорной орбиты на геостационарную. Эта технология позволит осуществлять перелеты между Землей и Луной, и дальше, вплоть до дальнего космоса. Транспортировка грузов между орбитами — это будущее, о котором все мечтают, но пока еще никто к нему не смог приблизиться. Новые материалы имеют большие шансы сделать мечту реальностью уже завтра.

РЗ: На какой стадии сейчас находится разработка электрического ракетного двигателя?АВ: Мы закончили первую стадию проектирования. В ближайшие месяцы запланировано проведение испытаний отдельных компонентов ЭРД с последующей адаптацией для использования в космосе. Надеемся, что через 3–4 года первый аппарат с нашим электрическим ракетным двигателем на основе ВТСП-магнитов полетит в космос.

Самойленков Сергей ВладимировичГенеральный директор ЗАО «СуперОкс», кандидат химических наук

РЗ: В каких еще областях используются высокотемпературные сверхпроводники в целом и продукция вашей компании в частности?Сергей Самойленков: Несмотря на то что ВТСП были открыты 30 лет назад, удобные для применения материалы в виде проводов появились на рынке всего десять лет назад, одновременно с образованием нашей компании. Их можно использовать везде, где передаются высокие токи или создаются высокие магнитные поля, где есть ограничения в весе или габаритах оборудования, где необходимо снижать потери, и так далее. В первую очередь, ВТСП-провода нашли свое применение в электроэнергетике. Сверхпроводимость является единственным путем к созданию ускорителей частиц и коллайдеров. Все существующие сейчас большие ускорители изготовлены из низкотемпературных сверхпроводников. ВТСП-материалы второго поколения позволят увеличить эффективность существующего оборудования, повысить магнитное поле и проложить дорогу к новым открытиям, к обнаружению новых частиц и физических явлений. Поэтому, в частности, нашей продукцией интересуется ЦЕРН.

РЗ: Расскажите, как вы сотрудничаете с ЦЕРНом? СС: Мы являемся поставщиками сверхпроводника и уникальных компонентов на основе ВТСП, конкурируя с четырьмя зарубежными компаниями. Мы выигрываем в конкурентном соревновании не за счет низкой цены — она у нас зачастую выше, чем у конкурентов, а за счет высокого качества и уровня кастомизации продукта. Мы поставляем в ЦЕРН специальные кабели, сделанные из многочисленных, компактно сложенных плоских лент. Сейчас из такого кабеля делаются магнитные вставки, которые планируется устанавливать внутри Большого коллайдера, чтобы повысить там магнитное поле. Это в перспективе позволит делать ускорители меньше по размеру. ВТСП-провода — это единственные материалы, способные работать в сверхсильных полях. Рекордные ВТСП-магниты приближаются к пределу 40 Тл. Это фантастические величины для магнитного поля, которые не в импульсном, а в постоянном режиме стали доступны человечеству только сейчас, в течение последних двух лет.

ВТСП токоограничивающее устройствоPLD-оборудование для получения слоя ВТСП методом импульсного лазерного осаждения

РЗ: Как могут ваши электрические ракетные двигатели использоваться в космической технике?СС: Важное замечание: имеется в виду не первая ступень для выведения на орбиту, не преодоление земного притяжения, здесь все пока стандартно. Мы говорим о двигателях, с помощью которых можно будет придавать объектам значительный импульс для их передвижения в космосе. Одна из самых важных задач сейчас, которая пока не решена и которую поможет решить наш двигатель: как, используя малое количество топлива, то есть килограммы вместо тонн, можно передвигаться в космическом пространстве с приемлемой скоростью. Например, телескоп «Хаббл» сейчас требует ремонта, обслуживания. У человечества был единственный способ до него долететь (а находится он на орбите около 570 км) — космический челнок «Шаттл». После закрытия этой программы никто, ни Роскосмос, ни Китай, ни NASA, ни SpaceX, ни Япония не могут туда долететь. Это невозможно. Мы создаем двигатель, который может позволить создать космический корабль-буксир, способный справиться с такой задачей. Создаваемый ЭРД способен включаться-выключаться большое количество раз, работать более 10 лет и иметь достаточную мощность для того, чтобы перемещать тяжелые спутники весом 5–6 тонн.

АВ: Если рассматривать идеи полетов в дальний космос, то это может стать реальностью благодаря данной технологии. Все фильмы, которые мы смотрим, все фантастические корабли, которые там есть, они все летают на этом принципе и никто не летает на химическом двигателе.

РЗ: Могли бы вы рассказать о каких-то специальных сферах применения сверхпроводящих материалов? СС: Самое зрелищное — это магнитная левитация, создаваемая эффектом сверхпроводимости, когда сверхпроводник может левитировать, летать над магнитным полотном. У нас в «СуперОкс» даже есть платформа, которая способна поддерживать до двухсот килограммов веса. Левитационный поезд на магнитной подушке, развивающий скорость до 600 км/ч, уже проходит испытания в Японии. Запуск самолетов, истребителей — их можно ускорять с помощью электромагнитной катапульты. Все электрические и магнитные компоненты военной техники могут быть кратно улучшены. Вес силовой кабельной системы на корабле может быть уменьшен в 10 раз! Американцы сейчас активно занимаются этим, изготавливают из ВТСП специальные магнитные петли, опоясывающие боевой корабль во всех направлениях, для того чтобы сделать его невидимым для магнитных систем обнаружения и неуязвимым для магнитных мин. Корабль зачастую размагничивают на стационарных стендах, но когда он движется на значительные расстояния и, например, пересекает экватор, он снова становится легко наблюдаемым и уязвимым. Поэтому важно создать активные системы размагничивания, интегрированные в корабль, которые способны подстраиваться по ходу движения судна.

Одна из шести камер IBAD — установка для изготовления буферных слоев по технологии текстурирования в ассистирующем ионном пучкеРЗ: Зачем нужны сверхвысокие магнитные поля?СС: Во-первых, они используются в исследовательских и аналитических приборах для изучения веществ, проведения тонкого химического анализа, например методом ядерно-магнитного резонанса. Во-вторых, ускорительная техника, о которой мы говорили выше. Есть еще прикладные задачи, частично оборонного значения, например гиперзвуковое оружие, радиосвязь с возвращаемыми космическими кораблями, с управляемыми ракетами, движущимися в облаке плазмы. Во всех этих случаях чем выше поле, тем лучше качество создаваемого решения, технические характеристики, и нередко эта зависимость нелинейная. Для масштаба: постоянные магниты позволяют создать поле до 1,5 Тл, самые мощные магниты на основе низкотемпературных сверхпроводников, которые используются в ускорителях, коллайдерах и томографах, имеют поле около 20 Тл, а современные ВТСП-технологии позволяют достичь поля до 40 Тл, и это не предел.

РЗ: Какие у вас есть амбиции на ближайшие несколько лет? АВ: Мы хотим, чтобы с помощью ВТСП-технологий космические буксиры с электрическим ракетным двигателем открыли новую страницу в освоении космического пространства, летательные аппараты вертикального взлета стали новым видом общедоступного и комфортабельного воздушного транспорта во всем мире, а архитектура электроэнергетического комплекса стала простой, современной и надежной. Мы будем стремиться занимать в этом если не главную, то одну из центральных позиций. Дорогу осилит идущий — мы исходим из этого. Компанией «СуперОкс» уже пройден большой путь от разработки уникального продукта до его интеграции в новые прорывные проекты, и мы планируем его продолжить.

ТЕКСТ: «Редкие земли» ФОТО: Сергей Шиловс

СправкаКомпания «СуперОкс» была создана в 2006 году Андреем Вавиловым. На сегодняшний день компания является единственным в России и Европе производителем высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) провода второго поколения. Сверхпроводники — уникальные материалы, обладающие нулевым электрическим сопротивлением и способные проводить токи с исключительно высокой плотностью. Устройства с использованием оксидных ВТСП-материалов способны изменить облик электроэнергетики и транспорта, открывают путь к созданию более эффективного оборудования для научных исследований и специальных применений. В основе интеллектуального капитала компании лежит более 350 лет совокупного опыта работы в области технологий получения тонких покрытий из сложных оксидов и изучения свойств новых сверхпроводящих материалов. Сегодня ВТСП-продукция компании поставляется в 15 стран мира. В 2011 году открылось подразделение в Японии ― SuperOx Japan LLC. Эффективная совместная работа двух компаний послужила залогом быстрого успеха проекта.

Полную версию материала о компании «СуперОкс» читайте в ближайшем номере журнала «Редкие земли».

rareearth.ru

Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается выполнения электродвигателей со сверхпроводящей обмоткой и с аксиальным зазором, точнее высокомоментных электродвигателей, которые используются, например, в качестве привода автомобилей и судов. В предлагаемом электродвигателе статоры (12) и (13) расположены с требуемыми воздушными зазорами в аксиальном направлении ротора (11) так, чтобы противостоять друг другу, множество элементов возбуждения в виде обмоток возбуждения (15) или постоянных магнитов (33) расположены на роторе (11) и множество якорных обмоток (17) и (19) расположены в статорах (12) и (13) вокруг оси. По меньшей мере, одна из обмоток возбуждения (15) или постоянных магнитов (33) ротора и якорных обмоток (17) и (19) сформированы из сверхпроводящего материала, исходя из условия, чтобы их магнитные потоки были направлены в аксиальном направлении. При этом в полых частях якорных обмоток расположены коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел. Технический результат - обеспечение высокой выходной мощности и высокого коэффициента полезного действия электродвигателя с аксиальным зазором, обладающего при этом небольшим весом и габаритами. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к электродвигателю со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором, а более точно к высокомоментному электродвигателю, который используется в качестве источника привода автомобилей и судов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Традиционно, в качестве электродвигателей, предусмотрены электродвигатель с радиальным зазором и электродвигатель с аксиальным зазором. В качестве типа с радиальным зазором широко используется электродвигатель, в котором ротор предусмотрен в полой части статора, имеющего кольцевое поперечное сечение, из условия, чтобы направления магнитного потока обмоток были направлены в радиальном направлении. Между тем, электродвигатель с аксиальным зазором, как раскрытый в публикации №2004-140937 нерассмотренной заявки на выдачу патента Японии, содержит статоры, расположенные противостоящими друг к другу в аксиальном направлении ротора, из условия, чтобы направления магнитного потока обмоток были направлены в аксиальном направлении.

В традиционном электродвигателе с аксиальным зазором, однако, для магнитного поля используются постоянные магниты или обмотки, такие как медные провода, и медные провода используются для якорных обмоток. Как понятно из того факта, что выходной крутящий момент задан в виде произведения тока и магнитного поля, есть предел для отдачи электродвигателя. Кроме того, для того чтобы повышать выходную мощность, габариты электродвигателя неизбежно увеличиваются, так что увеличивается и его вес. Кроме того, ели растет величина тока, эффективность использования энергии снижается вследствие потерь в меди или тому подобного.

[Патентный документ 1]:

Нерассмотренная публикация №2004-140937 заявки на выдачу патента Японии.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

Изобретение сделано ввиду вышеприведенных проблем. Поэтому цель изобретения состоит в том, чтобы предоставить электродвигатель с аксиальным зазором, который обеспечивает высокую выходную мощность, является небольшим и легковесным, обладает высоким коэффициентом полезного действия и, в частности, соответствующим образом используется в качестве гребного электродвигателя для судов и тому подобного.

СРЕДСТВО ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ

Для того чтобы решить вышеприведенные проблемы, согласно изобретению предоставлен электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой типа с аксиальным зазором, включающий в себя:

статоры, расположенные с требуемыми воздушными зазорами в аксиальном направлении ротора так, чтобы противостоять друг другу;

множество элементов возбуждения, расположенных на любом одном из ротора и статоров вокруг оси ротора;

множество якорных обмоток, расположенных на другом таковом вокруг оси, при этом

по меньшей мере одни из элементов возбуждения и якорных обмоток сформированы из сверхпроводящего материала, из условия, чтобы направления их магнитного потока были направлены в аксиальном направлении.

В такой конфигурации сверхпроводящий материал используется для магнитного поля и/или якорей электродвигателя с аксиальным зазором. Таким образом, большой ток может быть приложен, а габариты и вес электродвигателя могут быть уменьшены, наряду с тем, что достигается двигательный момент высокой выходной мощности. Кроме того, посредством использования сверхпроводящего материала энергетические потери могут быть значительно уменьшены в отсутствие потерь в меди, что дает возможность реализовать высокий коэффициент полезного действия. Кроме того, поскольку статоры расположены в аксиальном направлении ротора в виде конструкции с аксиальным зазором, диаметр может быть уменьшен так, что могут быть уменьшены шумы, вызванные вращением. В электродвигателе с осевым зазором края обмоток, которые не вносят вклад в двигательный момент, не формируются в отличие от электродвигателя с радиальным зазором. Таким образом возможно получать электродвигатель высокого коэффициента полезного действия и высокой выходной мощности.

Предпочтительно, элементы возбуждения являются обмотками возбуждения и как обмотки возбуждения, так и якорной обмотки, сформированы из сверхпроводящего материала.

В качестве сверхпроводящего материала соответствующим образом используются основанные на висмуте или основанные на иттрии высокотемпературные сверхпроводящие материалы.

Кроме того, сверхпроводящий материал может быть сформирован кластерами, подобными высокотемпературному сверхпроводящему объемному магниту или постоянному магниту. Высокотемпературный сверхпроводящий объемный магнит является магнитом, который изготовлен из высокотемпературного сверхпроводящего слитка, полученного рассеиванием несверхпроводящей фазы в высокотемпературном сверхпроводнике из RE-Ba-Cu-O, чтобы заставить фазу плавиться и разрастаться, и который способен к улавливанию и намагничиванию большего магнитного поля, чем постоянный магнит с высокими эксплуатационными характеристиками.

Кроме того, элементы возбуждения могут быть постоянными магнитами, изготовленными из материала, иного чем сверхпроводящий материал, а якорные обмотки могут быть сформированы из сверхпроводящего материала.

Если используется эта конфигурация, постоянные магниты могут просто располагаться на любом одном из ротора и статоров. Поэтому эффективность производства электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором может увеличиваться, что дает возможность упрощать конструкцию.

Кроме того, хотя постоянные магниты, изготовленные из материалов, иных чем сверхпроводящий материал, используются в качестве элементов возбуждения, возможно в достаточной мере справляться с любой ситуацией, если выходная мощность электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой составляет от 1 кВт до 5 МВт. Как результат, возможно уменьшать габариты электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором.

Предпочтительно, статоры расположены по обеим сторонам ротора в аксиальном направлении ротора, вращающийся вал, зафиксированный на роторе, подвешен так, чтобы проходить через подшипники статоров, а элементы возбуждения и якорные обмотки расположены на одной и той же оси с воздушными зазорами в аксиальном направлении.

Если используется эта конфигурация, пара статоров предусмотрена по обеим сторонам ротора в аксиальном направлении, с воздушным зазором между ними. Таким образом, по сравнению с тем, когда статор расположен только по одну сторону, магнитное поле у ротора усилено, что дает возможность получать двигательный момент высокой выходной мощности.

Предпочтительно, коллекторы потока магнитных тел расположены в полых частях обмоток возбуждения, служащих в качестве элементов возбуждения и/или якорных обмоток.

Если используется эта конфигурация, магнитные тела предусмотрены в полых частях обмоток, магнитные потоки обмоток могут усиливаться, что дает возможность реализовать электродвигатель высокой выходной мощности. Кроме того, так как электродвигатель обладает высокой выходной мощностью, количество намотанных обмоток может быть уменьшено, так что могут дополнительно уменьшаться габариты и вес электродвигателя. Кроме того, коллекторы потока выполняют роль формирования магнитопровода магнитного потока, который должен формироваться в обмотках. Поэтому может задаваться направление магнитного потока, а утечка магнитного поля может предохраняться от формирования в направлении, где магнитный поток не осуществляет вклад в крутящий момент. Кроме того, магнитные тела утоплены в полых частях обмоток, тем самым повышая механическую прочность обмоток.

Предпочтительно, передние края коллекторов потока установлены в той же самой позиции, что и поверхности передних краев обмоток, где расположены коллекторы потока или в позициях, которые отступают от поверхностей передних краев обмоток.

В частности, когда постоянные магниты или сверхпроводящие объемные магниты предусмотрены на находящейся напротив ответной стороне, коллекторы потока не выступают из поверхностей передних краев обмоток, окружающих коллекторы потока. В этом случае сила притяжения, вызванная магнитной силой, почти не формируется между магнитами и находящейся напротив ответной стороной, во время сборки и т.п. Кроме того, не происходит столкновение между ротором и статорами. Поэтому позиционирование легко выполняется, в то время как зазор поддерживается при заданном расстоянии.

Однако коллекторы потока могут быть предусмотрены выступающими из поверхностей передних краев обмоток, в которых расположены коллекторы потока. В этом случае зазор между коллекторами и находящейся напротив ответной стороной (ротором или статорами) может быть уменьшен. Таким образом магнитный поток между ротором и статорами может усиливаться, что ведет к повышению выходного крутящего момента.

Предпочтительно, статоры и/или ротор сформированы из магнитного тела.

Если используется эта конфигурация, статоры и/или ротор выполняют роль в качестве обоймы, а магнитный поток, проходящий через них, может экранироваться от утечки на их заднюю сторону. Поэтому магнитное поле усиливается, что дает возможность реализовать высокий выходной крутящий момент.

Предпочтительно, материал, обладающий высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью, используется для магнитного тела.

Высокая плотность потока означает плотность потока, когда плотность потока в насыщении составляет от 0,5 до 10 Тл. Предпочтительно плотность потока может устанавливаться от 1,5 до 4 Тл.

Кроме того, материал, обладающий высокой магнитной проницаемостью, означает материал, удельная магнитная проницаемость которого составляет от 500 до 10000000. Предпочтительно, удельная магнитная проницаемость может быть установлена в от 2000 до 10000.

В частности, более предпочтительно, что материалом, обладающим высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью, является пермендюр.

Пермендюр обладает магнитной проницаемостью, приблизительно в десять раз большей, чем таковая у железа, а насыщенность его магнитного поля является большей, чем 2 Тл. Поэтому ток, который должен подаваться в обмотки, может формировать по меньшей мере большое магнитное поле, из условия, чтобы могла увеличиваться выходная мощность электродвигателя, а габариты электродвигателя могли уменьшаться. Однако в качестве магнитного тела могут использоваться кремнистая сталь, железо, пермаллой и тому подобное.

Предпочтительно, воздушные зазоры предусмотрены в полых частях якорных обмоток или немагнитные тела расположены в полых частях.

Кроме того, предпочтительно, воздушные зазоры предусмотрены в полых частях обмоток возбуждения или немагнитные тела расположены в полых частях.

В частности, когда постоянные магниты или сверхпроводящие объемные магниты предусмотрены на находящейся напротив ответной стороне, магнитные тела не представлены в полых частях обмоток. В этом случае сила притяжения., вызванная магнитной силой, не формируется между магнитами и находящейся напротив ответной стороной, во время сборки и т.п. Поэтому позиционирование может легко выполняться наряду с тем, что зазор между ротором и статорами поддерживается при заданном расстоянии.

Кроме того, так как воздушные зазоры предусмотрены в полых частях обмоток или легкие немагнитные тела расположены в полых частях обмоток, возможно уменьшить вес электродвигателя. В частности, если воздушные зазоры предусмотрены в полых частях обмоток ротора, или легкие немагнитные тела, такие как полимер, расположены в полых частях обмоток, вес электродвигателя может быть уменьшен, так что снижается сила инерции во время вращения. Кроме того, улучшается чувствительность к изменению частоты вращения.

В дополнение, в качестве легких немагнитных тел, которые должны располагаться в полых частях обмоток, могут быть проиллюстрированы полимер, FRP (волокнит), алюминий и тому подобное.

В качестве средства подачи хладагента для охлаждения сверхпроводящего материала для формирования элементов возбуждения и/или якорных обмоток, когда сверхпроводящий материал прикреплен к стороне ротора, предпочтительно, чтобы проточный канал для хладагента, включающего в себя жидкий азот или тому подобное, был предусмотрен внутри вращающегося вала, зафиксированного в роторе так, чтобы проходить через центр ротора. Между тем, когда сверхпроводящий материал прикреплен к стороне статора, предпочтительно, чтобы проточный канал для хладагента, включающего в себя жидкий азот или тому подобное, предусматривался в каждой позиции крепления сверхпроводящего материала на статоре. В любом случае, предпочтительно, чтобы проточный канал хладагента покрывался теплоизоляционным слоем вплоть до позиции, где хладагент подходит к позиции расположения сверхпроводящего материала, служащего в качестве тел магнитного потока или якорных обмоток.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как понятно из вышеприведенного описания, согласно изобретению сверхпроводящий материал используется для элементов возбуждения и/или якорных обмоток электродвигателя с аксиальным зазором. Таким образом, большой ток может прикладываться с большим коэффициентом полезного действия в отсутствие потерь в меди. Кроме того, может быть получен двигательный момент высокой выходной мощности и могут быть уменьшены габариты и вес электродвигателя. Кроме того, поскольку статоры расположены в аксиальном направлении ротора в виде конструкции с аксиальным зазором, могут быть уменьшены габариты электродвигателя и могут быть снижены шумы, вызванные вращением.

В дополнение, коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел, расположены в полых частях обмоток. Поэтому магнитный поток обмоток может усиливаться, что дает возможность реализовать электродвигатель высокой выходной мощности. Кроме того, могут быть уменьшены габариты и вес электродвигателя. Предоставление коллекторов потока вносит вклад в характеристику направлений магнитного потока и уменьшение утечки магнитного потока.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.2 - вид в перспективе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно первому варианту осуществления.

Фиг.3 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг.4 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Фиг.5 - диаграмма, показывающая взаимосвязь между токами обмоток и магнитными потоками.

Фиг.6 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно пятому варианту осуществления изобретения.

Фиг.7 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно шестому варианту осуществления изобретения.

РАСШИФРОВКА ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

10: Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором

11: Ротор

12, 13: Статор

14: Вращающийся вал

15: Обмотка возбуждения (элемент возбуждения)

16. 18, 20: Коллектор потока

17. 19: Якорная обмотка

21: Бак жидкого азота

33: Постоянный магнит (элемент возбуждения)

S: Промежуток

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В дальнейшем варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на чертежи.

Фиг.1 и 2 показывают электродвигатель 10 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно первому варианту осуществления изобретения. Электродвигатель 10 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором содержит пару статоров 12 и 13, расположенных противостоящими друг другу по обеим сторонам ротора 11 в аксиальном направлении ротора 11, зафиксированного на вращающемся валу 14. Вращающийся вал 14, зафиксированный в роторе 11, подвешен так, чтобы проходить через подшипники 31 и 32 статоров 12 и 13.

Ротор 11 сформирован в форме диска, а вращающийся вал 14 зафиксирован в роторе 11 так, чтобы проходить через его центр. Ротор 11 содержит множество отверстий 11а крепления обмоток, которые предусмотрены с равными интервалами в круговом направлении на его внешней периферийной стороне, и множество обмоток 15 возбуждения утоплены в отверстиях 11а крепления обмоток, обмотки 15 возбуждения являются изготовленными из сверхпроводящего материала. По существу, множество обмоток 15 возбуждения закреплены на равных интервалах в круговом направлении вокруг оси ротора, из условия, чтобы направления магнитного потока соответственных обмоток 15 возбуждения были направлены в аксиальном направлении. Любые из коллекторов 16 потока и обмоток 15 возбуждения сделаны не выступающими из обеих боковых поверхностей ротора 11.

В качестве материала для ротора 11 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования обмоток 15 возбуждения используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал. Эти обмотки 15 возбуждения сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).

Статоры 12 и 13 имеют взаимно симметричные формы. Статоры 12 и 13, зафиксированные на поверхности G основания, содержат множество впалых частей 12а и 13а крепления обмоток, предусмотренных на их поверхностях, противостоящих ротору 11. Множество впалых частей 12а и 13а крепления обмоток предусмотрены на равных интервалах в круговом направлении по внешней периферийной стороне, из условия, чтобы множество якорных обмоток 17 и 19, изготовленных из сверхпроводящего материала, были утоплены во впалых частях 12а и 13а крепления обмоток. По существу, множество якорных обмоток 17 и 19 закреплены на интервалах в круговом направлении вокруг оси, из условия, чтобы направления их магнитного потока были направлены в аксиальном направлении. В полых частях соответственных якорных обмоток 17 и 19 расположены коллекторы 18 и 20 потока (магнитные тела), изготовленные из пермендюра. Любые из коллекторов 18 и 20 потока и якорных обмоток 17 и 19 сделаны не выступающими из боковых поверхностей статоров 12 и 13 соответственно. Обмотки 17 и 19 возбуждения сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).

В качестве материала для статоров 12 и 13 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой с тем, чтобы выполнять роль в качестве задней обоймы. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования якорных обмоток 17 и 19 используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал.

Якорные обмотки 17 и 19 и обмотки 15 возбуждения расположены так, что радиальные расстояния от центра вала вращающегося вала 14 до соответственных обмоток совпадали друг с другом. Кроме того, расстояние между торцевой поверхностью вращения ротора 11 и торцевой поверхностью статора 12 или 13 на стороне ротора установлено от 0,1 мм до 1 мм (0,5 мм в этом варианте осуществления) в качестве зазора.

Поскольку обмотки 15 возбуждения сформированы из сверхпроводящего материала, жидкий азот, хранимый в баке 21 жидкого азота, вводится в полую часть 14а вращающегося вала 14 с тем, чтобы охлаждать обмотки 15 возбуждения.

Более точно, вращающийся вал 14 содержит полую часть 14а, предусмотренную тянущейся до позиции расположения ротора 11, полая часть раскрывается по направлению к одному торцу вращающегося вала в аксиальном направлении. Трубопровод 22 вставлен в полую часть 14а через подшипник 26 из бака 21 жидкого азота с тем, чтобы заканчиваться непосредственно перед позицией расположения ротора. Трубопровод 22 имеет двухтрубную конструкцию, включающую в себя внутренний периферийный проточный канал 24, служащий в качестве выходного канала, и внешний периферийный проточный канал 25, служащий в качестве входного канала, из условия, чтобы жидкий азот, протекающий по внутреннему периферийному проточному каналу 24 на переднем конце трубопровода, перемещался и подвергался циркуляции в периферийный проточный канал 25. Трубопровод 22 содержит вакуумный теплоизоляционный слой 23, предусмотренный на его внешней периферийной поверхности, за исключением позиции, соответствующей ротору 11.

Поскольку якорные обмотки 17 и 19 также сформированы из сверхпроводящего материала, жидкий азот, хранимый в баке 21 жидкого азота, используется для охлаждения якорных обмоток 17 и 19.

Более точно, двухтрубный трубопровод 27 выведен из бака 21 жидкого азота, трубопровод 27 содержит внутренний периферийный проточный канал 28, служащий в качестве выходного канала, и внешний периферийный проточный канала 29, служащий в качестве входного канала. В такой конструкции жидкий азот, протекающий через внутренний периферийный проточный канал 28 на переднем конце трубопровода, перемещается и подвергается циркуляции в периферийный проточный канал 29. Трубопровод 27 раздваивается к задней стороне статора 12 и задней стороне статора 13 из условия, чтобы раздвоенные трубопроводы 27 тянулись до центральных позиций частей крепления якорных обмоток 17 и 19 соответствующих статоров 12 и 13. Передние концы раздвоенных трубопроводов 27 сообщаются с отверстиями 12b и 13b ввода хладагента, углубленными в задних сторонах статоров 12 и 13, соответственно, с тем, чтобы вводить хладагент. Отверстия 12b и 13b ввода хладагента расположены в позициях, соответствующих якорным обмоткам 17 и 19 соответственно. Трубопровод 27 содержит вакуумный теплоизоляционный слой 30, предусмотренный на внешней периферийной поверхности трубопровода 27, за исключением участков, которые вмещены в отверстия 12b и 13b ввода хладагента статоров 12 и 13.

Согласно электродвигателю 10 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором, сконфигурированному таким образом, обмотки 15 возбуждения сформированы из сверхпроводящего материала. Таким образом, возможно прикладывать большой ток с высоким коэффициентом полезного действия, без потерь в меди, и т.п. Как результат, возможно реализовать двигательный момент высокой выходной мощности и уменьшить габариты и вес. Кроме того, в качестве конструкции с аксиальным зазором статоры 12 и 13 расположены в аксиальном направлении ротора 11. Поэтому диаметр может уменьшаться и также могут быть снижены шумы вращения. Кроме того, поскольку статоры 12 и 13 расположены по обеим сторонам ротора 11, магнитное поле может быть усилено, что дает возможность реализовать более высокую выходную мощность. В дополнение, магнитный материал используется для статоров 12 и 13, чтобы служить в качестве задних обойм, из условия, чтобы предотвращалось формирование магнитного поля утечки. Таким образом, магнитное поле дополнительно усиливается, что дает возможность реализовать высокий выходной крутящий момент. Кроме того, в полых частях обмоток 15 возбуждения и якорных обмоток 17 и 19 магнитные тела (пермендюр) предусмотрены в качестве коллекторов 16, 18 и 20 потока. Таким образом, магнитное поле усиливается, что дает возможность реализовать высокую выходную мощность.

В дополнение, в этом варианте осуществления обмотки 15 возбуждения ротора 11 и якорные обмотки 17 и 19 статоров 12 и 13 сформированы из сверхпроводящего материала. Однако только одни из них сформированы из сверхпроводящего материала, а другие могут формироваться из обычного проводящего материала. В этом случае расстояние между торцевой поверхностью вращения ротора 11 и торцевыми поверхностями статоров 12 и 13 на стороне ротора может быть установлено в с 1 мм до 20 мм. То есть между ними может быть предусмотрен зазор.

Кроме того, статоры 12 и 13 и коллекторы 18 и 20 потока формируются раздельно. Однако, когда статоры 12 и 13 и коллекторы 18 и 20 потока сформированы из одного и того же материала, они могут формироваться как целая часть. В качестве хладагента, в дополнение к жидкому азоту, может использоваться жидкий неон, жидкий гелий или тому подобное.

Ниже описан второй вариант осуществления изобретения.

Как показано на фиг.3, отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что коллекторы 35 потока, расположенные в полых частях обмоток 15 возбуждения ротора 11, утоплены так, чтобы не выступать из торцевых поверхностей обмоток 15 возбуждения.

Если используется эта конфигурация, коллекторы 35 потока не выступают из передних торцевых поверхностей обмоток 15 возбуждения. Таким образом, сила притяжения, вызываемая магнитной силой, почти не формируется между статорами 12 и 13 во время сборки, и т.п. Кроме того, не происходят никакие столкновения между ротором 11 и статорами 12 или 13. Поэтому позиционирование легко выполняется, в то время как зазор поддерживается при заданном расстоянии.

Ниже описан третий вариант осуществления изобретения. Как показано на фиг.4, отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что воздушные зазоры S предусмотрены в полых частях якорных обмоток 17 и 19 статоров 12 и 13.

Если используется эта конфигурация, магнитные тела не представлены в полых частях якорных обмоток 17 и 19, противостоящих коллекторам 16 потока ротора 11, а сила притяжения, вызванная магнитной силой между элементами возбуждения, не формируется во время сборки и т.п. Таким образом, позиционирование может легко выполняться наряду с тем, что зазор между ротором 11 и статорами 12 и 13 поддерживается при заданном расстоянии.

Вообще, когда коллекторы потока расположены в полых частях обмоток, магнитное поля усиливается. Как показано на фиг.5, однако, магнитный поток почти не повышается после того, как ток превышает определенное значение. Кроме того, когда коллекторы потока не предусмотрены, магнитное поле имеет тенденцию усиливаться. То есть, электродвигатель 40 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по этому варианту осуществления может реализовать высокий выходной крутящий момент, когда верхний предел тока может быть установлен в высокое значение. Кроме того, возможно уменьшать вес электродвигателя постольку, поскольку не предусмотрены коллекторы потока. Другие части этого варианта осуществления являются такими же, как таковые по первому варианту осуществления. Поэтому идентичные номера ссылок даны таким же частям, как и по первому варианту осуществления, а их описание опущено. Кроме того, поскольку базовые условия изменяются в соответствии с наличием или отсутствием коллекторов потока, формы обмоток также значительно изменяются. Отмечено, что не описывается, что изменяются эксплуатационные характеристики в соответствии с наличием или отсутствием коллекторов потока, так как используются идентичные обмотки.

В этом варианте осуществления воздушные зазоры предусмотрены в полых частях якорных обмоток 17 и 19 статоров 12 и 13. Однако даже когда немагнитные тела, такие как FRP (волокнит) или тому подобные, расположены в полых частях в качестве модификации по этому варианту осуществления, возможно получать такие же результаты. В частности, когда воздушные зазоры не предусмотрены в полых частях, но немагнитные тела расположены в полых частях, обмотки поддерживаются немагнитными телами, из условия, чтобы улучшалась прочность крепления.

Ниже описан четвертый вариант осуществления изобретения.

Отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что статоры 12 и 13 сформированы из FRP, который является немагнитным телом.

То есть статоры 12 и 13 не сформированы из магнитного тела (такого как железо), вес которого относительно тяжел, а сформированы из легкого немагнитного тела, такого как полимер или тому подобное. Поэтому может быть снижен вес электродвигателя. В частности, во многих случаях, крупногабаритный электродвигатель, который должен использоваться на судах, сконфигурирован в виде синхронного электродвигателя с последовательным соединением, в котором роторы и статоры расположены поочередно в аксиальном направлении. Поэтому посредством снижения весов соответственных статоров 12 и 13 вес электродвигателя может значительно уменьшаться. Результаты в высшей степени значительны. Другие части по этому варианту осуществления являются такими же, как таковые по первому варианту осуществления и соответственно их описание опущено.

В этом варианте осуществления статоры 12 и 13 сформированы из FRP. Однако из FRP может формироваться ротор 11. Кроме того, конфигурация, где статоры 12 и 13 и/или ротор 11 сформированы из немагнитных тел, таких как FRP, может быть применена ко всем вариантам осуществления изобретения.

Ниже описан пятый вариант осуществления изобретения.

Как показано на фиг.6, отличия от первого варианта осуществления состоят в том, что якорные обмотки 54, изготовленные из сверхпроводящего материала, предусмотрены на роторе 51, обмотки 55 и 56 возбуждения, изготовленные из. сверхпроводящего материала, предусмотрены на статорах 52 и 53, и воздушные зазоры S предусмотрены в полых частях якорных обмоток 54.

В этом варианте осуществления ротор 51 электродвигателя 50 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором содержит вращающийся вал, зафиксированный в его центре так, чтобы проходить через центр, множество отверстий 51а крепления обмоток, которые предусмотрены на равных интервалах в круговом направлении на внешней периферийной стороне ротора 51, и множество якорных обмоток 54, утопленных в отверстиях 51а крепления обмоток, якорные обмотки являются изготовленными из сверхпроводящего материала. По существу, множество якорных обмоток 54 закреплены на равных интервалах в круговом направлении вокруг оси, из условия, чтобы направления магнитного потока соответствующих якорных обмоток 54 были направлены в аксиальном направлении. Якорные обмотки 54 сформированы так, чтобы не выступать из обеих боковых поверхностей ротора 51. В качестве материала для ротора 51 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования якорных обмоток 54 используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал. Соответствующие якорные обмотки 54 сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).

Статоры 52 и 53 имеют взаимно симметричные формы. Статоры 52 и 53, зафиксированные на поверхности G основания, содержат множество впалых частей 52а и 53а крепления обмоток, сформированных на их поверхностях, противостоящих ротору, эти впалые части 52а и 53а крепления обмоток формируются на равных интервалах в круговом направлении на внешней периферийной стороне. Множество обмоток 55 и 56 возбуждения, изготовленных из сверхпроводящего материала, утоплены во впалых частях 52а и 53а крепления обмоток соответственно. По существу, множество обмоток 55 и 56 возбуждения закреплены на равных интервалах в круговом направлении вокруг оси, из условия, чтобы направления их магнитного потока были направлены в аксиальном направлении. В полых частях соответственных обмоток 55 и 56 возбуждения расположены коллекторы потока (магнитные тела) 18 и 20, изготовленные из пермендюра. Любые из коллекторов 18 и 20 потока и обмоток 55 и 56 возбуждения сделаны не выступающими из боковых поверхностей статоров 52 и 53. Обмотки 55 и 56 возбуждения сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).

В качестве материала для статоров 52 и 53 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой, с тем, чтобы выполнять роль в качестве задней обоймы. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования обмоток 55 и 56 возбуждения используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал.

Изменения среди вышеописанных вариантов осуществления, то есть наличие или отсутствие коллекторов потока в полых частях обмоток, материалы ротора и/или статоров и тому подобное также могут применяться к случаю, где обмотки 55 и 56 возбуждения предусмотрены в статорах 52 и 53, как в этом варианте осуществления.

Кроме того, в этом варианте осуществления и вышеописанном третьем варианте осуществления любой из ротора и статоров содержит магнитные тела, расположенные в полых частях их обмоток. Однако как ротор, так и статоры, могут иметь воздушные зазоры (или немагнитные тела, такие как FRP), сформированные в полых частях их обмоток, в отсутствие магнитных тел.

Ниже описан шестой вариант осуществления изобретения.

Как показано на фиг.7, отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что постоянные магниты 33, изготовленные из материала, иного чем сверхпроводящий материал, используются в качестве элементов возбуждения, которые должны крепиться на роторе 11. Постоянные магниты 33 закреплены во множестве отверстий 11а' крепления, которые предусмотрены в роторе 11' на равных интервалах в круговом направлении ротора. В этом случае направления магнитного потока постоянных магнитов 33 направлены в аксиальном направлении ротора 11'.

Если используется этот вариант осуществления, постоянные магниты 33 могут просто располагаться на роторе 11'. Поэтому эффективность производства электродвигателя 60 со сверхпроводящей обмоткой типа с аксиальным зазором улучшается. Кроме того, не требуется устройство для подачи энергии к элементам возбуждения или конструкция охлаждения, что дает возможность упростить конструкцию электродвигателя.

Кроме того, хотя в качестве элементов возбуждения используются постоянные магниты 33, возможно эффективно справляться с любой ситуацией, если выходная мощность составляет от 1 кВт до 5 МВт. Кроме того, по сравнению с тем, когда обмотки используются в качестве обмоток 33 возбуждения, как в первом варианте осуществления, возможно уменьшить габариты электродвигателя.

Другие части и эксплуатационные результаты по этому варианту осуществления являются такими же, как таковые по первому варианту осуществления. Поэтому идентичные номера ссылок даны таким же частям, как таковые по первому варианту осуществления, и соответственно их описание опущено.

Конфигурация, в которой элементы возбуждения являются магнитными телами, а не обмотками, может применяться к третьему по пятый вариантам осуществления.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно изобретению может достигать высокой выходной мощности и уменьшать его габариты. Поэтому электродвигатель соответствующим образом используется в качестве приводного электродвигателя для перевозочных транспортных средств, таких как автомобили, поезда и суда. В частности, электродвигатель соответствующим образом используется в качестве гребного электродвигателя судов.

1. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором, содержащийстаторы, расположенные с требуемыми воздушными зазорами в аксиальном направлении ротора так, чтобы противостоять друг другу,множество элементов возбуждения, расположенных на любом одном из ротора и статоров вокруг оси ротора,множество якорных обмоток, расположенных на другом таковом вокруг оси, при этоммагнитные потоки, генерируемые множеством элементов возбуждения и множеством якорных обмоток, направлены в аксиальном направлении, якорные обмотки выполнены из сверхпроводящего материала,в полых частях якорных обмоток расположены коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел.

2. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в которомэлементы возбуждения представляют собой обмотками возбуждения, сформированные из сверхпроводящего материала.

3. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в которомэлементы возбуждения представляют собой постоянные магниты.

4. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в которомстаторы расположены по обеим сторонам ротора в аксиальном направлении ротора,вращающийся вал, зафиксированный в роторе, подвешен так, чтобы проходить через подшипники статоров, иэлементы возбуждения и якорные обмотки распложены на одной и той же оси с воздушными зазорами в аксиальном направлении.

5. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.2, в которомв полых частях обмоток возбуждения расположены коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел.

6. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.5, в которомпередние края коллекторов потока установлены в тех же самых позициях, что и поверхности передних краев обмоток возбуждения, где расположены коллекторы потока, или в позициях, которые отступают от поверхностей передних краев обмоток возбуждения.

7. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в которомпередние края коллекторов потока установлены в тех же самых позициях, что и поверхности передних краев якорных обмоток, где расположены коллекторы потока, или в позициях, которые отступают от поверхностей передних краев якорных обмоток.

8. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в которомстаторы и/или ротор сформированы из магнитного тела.

9. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по любому одному из пп.1, 5 и 8, в которомдля магнитного тела используют материал, обладающий высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью.

10. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.9, в которомматериалом, обладающим высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью, является пермендюр.

11. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.2, в которомв полых частях обмоток возбуждения предусмотрены воздушные зазоры или в упомянутых полых частях расположены немагнитные тела.

www.findpatent.ru

В России будет создан электродвигатель со сверхпроводниками

Образец будет компактным, легким и достаточно мощным для того, чтобы использовать его в реальных транспортных средствах. Основным подрядчиком по проекту станет российский производитель ВТСП-провода второго поколения ЗАО «СуперОкс».

«Создание электродвигателя с высокой удельной мощностью открывает путь к прорывным электрическим энергоустановкам наземного, водного и воздушного транспорта. Расчеты показывают, что применение распределенной электрической тяги и гибридного привода в пассажирском самолете позволяет достичь снижения расхода топлива на 70% и шума на 65%, что будет революцией в авиации», - сообщает генеральный директор ЗАО «СуперОкс» Сергей Самойленков.

Сверхпроводники – это материалы с нулевым электрическим сопротивлением, но они приобретают свои удивительные свойства лишь при низких температурах. В течение более 70 лет после открытия эффекта сверхпроводимости необходимость глубокого охлаждения сдерживала широкое практическое применение. Уникальность высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) состоит в том, что требуемые свойства могут быть реализованы при температуре жидкого азота, которая сегодня легко достижима технически.

«В России есть технология мирового уровня по производству сверхпроводящего провода – ключевого элемента для построения сверхпроводниковых электрических машин. Одобренный сегодня проект может стать одним из шагов на пути создания в России новой индустрии высокотемпературных сверхпроводников. В частности, проблема охлаждения уже решена технически: для создания оптимальных условий работы двигателя можно использовать как сравнительно недорогой жидкий азот, так и современные системы криообеспечения, которые позволяют работать в замкнутом цикле без использования жидкого азота», - комментирует руководитель проекта Фонда Алексей Воронов.

При тех же размерах и весе сверхпроводниковые электродвигатели могут быть в несколько раз более мощными и при этом более экономичными, нежели обычные. Двигатель на сверхпроводниках очень эффективен уже при 5% номинальной мощности; в этих условиях обычные электромоторы практически неработоспособны из-за низкого КПД. На номинальном режиме сверхпроводники поднимают КПД машины выше 98%, что означает снижение потерь более чем в 3 раза по сравнению с используемыми сегодня электродвигателями.

Несмотря на то, что сегодня стоимость сверхпроводящего провода значительно выше, чем для медных проводов, эффект от использования ВТСП в электрических машинах тем выше, чем больше мощность машины.

Сферы применения высокотемпературных сверхпроводников

ВТСП имеет смысл применять везде, где необходима передача больших количеств энергии. ВТСП-провода имеют плотность тока более 500 А/мм2, что позволяет передавать без потерь по тонкому сверхпроводнику столько же энергии, сколько по медному кабелю с сечением в сотни раз больше.

Очевидная сфера применения сверхпроводников – электроэнергетика. Недавно разработанные сверхбыстрые токоограничивающие устройства на основе ВТСП и компактные сверхпроводниковые кабельные линии уже начинают внедряться в сетевой инфраструктуре развитых городов и крупных промышленных объектов. Это позволяет снизить потери, повысить надежность электроснабжения, снизить требования к закупаемому оборудованию, а значит, и его стоимость.

Сверхпроводники за счет высокой плотности тока позволяют в разы снизить размеры и вес электрических машин. Это уникальная возможность, так как большие габариты и вес современных электродвигателей и генераторов сдерживают развитие сразу в нескольких отраслях, не позволяя создавать региональные и магистральные летательные аппараты на электрической тяге, осложняя изготовление и эксплуатацию больших морских судов и ветрогенераторов. Например, современные судовые электродвигатели мощностью более 20 мегаватт имеют размеры и вес на пределе допустимого для их транспортировки от места производства.

Низкотемпературные проводники, промышленное использование которых началось в 1960-х, активно применяются в медицине для изготовления томографов. ВТСП-томографы смогут работать без применения жидкого гелия для охлаждения, что снизит стоимость эксплуатации: гелий является невозобновляемым ресурсом, стоимость которого выросла с 2000 года в 2 раза. Переход на безгелиевые томографы – серьезная стратегическая задача в сфере медицинской техники, и она может быть решена с помощью ВТСП-материалов.

Большие перспективы у сверхпроводниковых технологий в ускорительной технике: как для физики высоких энергий, так и для радиационной медицины. В перспективе, ВТСП будут применяться в новых космических устройствах, а также при создании высокочувствительных датчиков. Такое необычное свойство сверхпроводников, как магнитная левитация, найдет применение для манипуляторов и конвейеров «чистых комнат», в бесконтактных подшипниках, системах высокоскоростного транспорта.

В ближайшее время Фонд перспективных исследований планирует объявить открытый конкурс на лучшее применение высокотемпературных сверхпроводников для создания уникальных устройств и механизмов. Основная цель конкурса – акцентировать внимание научного сообщества на проблеме внедрения и использования ВТСП-материалов. Предполагается, что в конкурсе примут участие представители российских научно-исследовательских институтов и университетов.

Источник: STRF.ru

agnc.ru

Аналитика. Значение сверхпроводимости в современном мире и в ближайшем будущем

25.09.07 11:59

С 16 по 20 сентября в Брюсселе состоялась всеевропейская конференция EUCAS-2007 по проблемам изучения и использования явления сверхпроводимости. Состоявшуюся конференцию без преувеличения можно назвать съездом победителей. EUCAS-2007 зафиксировал очередной триумф человеческой мысли, который возможно станет ключом к решению глобальных энергетических и экологических проблем на планете в XXI веке.

Человечество стоит на пороге очередного технологического прорыва, способного перевернуть привычный всем нам мир. Масштабы новой индустриальной революции могут сравнится с тем, как изменился образ жизни людей после обнаружения замечательных свойств полупроводников.

В этом материале портал Energyland представит читателям подробный экскурс в историю сверхпроводников и обзор последних достижений мировой науки и техники по изучению и применению явления сверхпроводимости. Сверхпроводимость – свойство, которое проявляется у некоторых материалов в виде резкого падения удельного электрического сопротивления вплоть до нуля при температуре ниже определённого значения.

Ныне известно свыше 500 чистых элементов и сплавов, обнаруживающих свойство сверхпроводимости. Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей градуса, и поэтому имеет смысл определённое значение Тс — температура перехода в сверхпроводящее состояние. Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь — от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Тс изменяются в пределах от 0.0005 K (Mg) до 23,2 К (Nb3Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB2).

Известны два вида сверхпроводимости: низко- (характерная для чистых элементов) и высокотемпературная (сложные соединения).

1. Значение сверхпроводимости

Потенциальная выгода от широкого использования явления сверхпроводимости очевидна: радикальное снижение потерь электроэнергии при ее выработке и передаче, уменьшение в разы размеров генерирующего оборудования и двигателей, создание новых электронных приборов,  разработка сверхмощных электромагнитов для научных исследований и промышленности, разработка новых направлений в медицине, использование эффекта левитации на железной дороге. 

Распространению сверхпроводимости, не в последнюю очередь, способствуют жесткие ограничения на выбросы парниковых газов, установленные Киотским протоколом. Например, Европа должна уменьшить выбросы газов на 8% к 2012 году по сравнению с 1990 годом. Финские ученые подсчитали, что эту задачу можно было бы выполнить при широком применении сверхпроводимости на электростанциях и в системах передачи и распределения энергии, что дало бы возможность снизить количество сжигаемого топлива, не уменьшив выработку электроэнергии.

2. Использование сверхпроводимости 

Ученые всей земли долго бились над проблемой практического применения сверхпроводимости, и, похоже, что этот вопрос успешно разрешился. Человечество «оседлало» сверхпроводимость. Это явление все чаще используется в современной электронике, энергетике, промышленности и медицине. 

Согласно данным известного в Европе консорциума Conectus, специально созданного в целях изучения и пропаганды возможностей коммерческого использования явления сверхпроводимости, международный рынок оборудования, использующего это явление к 2010 году составит 5 млрд. $ и вырастит до 38 млрд. $ к 2020 году.

На сегодняшний день основные сферы применения сверхпроводимости - это медицинские установки магнитно-резонансной терапии (именно в этих аппаратах впервые удалось эффективно использовать явление) и электроника. К 2020 году ситуация изменится. Сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике.  

Исследование мозга человека с использованием магнитно-резонансного аппарата дает незаменимую информацию для медицины.

Выделяют три больших области использования сверхпроводников:

  • различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.;
  • микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей (SQUID), цифровая электроника, искусственные биологические системы;
  • макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.

Сверхпроводящие магниты

Впервые сверхпроводимость была применена при создании магнитов с высокими критическими полями. К середине 1960-х годов с помощью них были получены магнитные поля выше 100 кГс в небольших лабораториях. Создание таких полей с помощью обычных электромагнитов требовало огромных затрат электроэнергии и количества воды для их охлаждения.

В 2007 году ученым из Госудаственного универститета Флориды в сотрудничестве с компанией SuperPower inc. с помощью сверхпроводниковой катушки был достигнут рекордный показатель индукции магнитного поля: 26,8 Тесла. Он приблизил ученых к числу 30 Тесла, которое определил Национальный научно-исследовательский совет США. Разработка такого магнита даст большой толчок во многих областях науки, таких как физика, биология и химия, а также позволит сократить стоимость производства и использования мощных магнитов. Ученые использовали сверхпроводниковый материал иттриего-бариевый оксид меди.

Разработчики говорят, что потенциал этого материала далеко не исчерпан и их достижение - это только начало. По их прогнозу,  на основе этого материала очень скоро можно будет получить магниты с силой поля более 30 Тесла, что на порядок больше потолка в 22-23 Тесла, которым обладают современные ниобиевые сверхпроводниковые магниты. В теории, магниты на основе итербий-бариевого оксида меди способны создать поле до 50 Тесла, а это значит, что потенциала для развития у этого материала хватит как минимум на 20 лет.

Сверхпроводниковая электромагнитная катушка 

Электроника

Еще одно практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать ничтожное напряжение. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10-9 Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики.

Принципиальное устройство устройства на основе контакта Джозефсона

Техника сверхпроводимости и особенно контакты Джозефсона оказывают все большее влияние на метрологию. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных (постоянных) точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях, таких как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности.

Компьютеры

Сверхпроводимость будет широко использоваться в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти.

Передача энергии

Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии. С появлением керамических сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, передача электроэнергии с применением сверхпроводников становится экономически очень привлекательной.

Примеры характеристик сверхпроводящих кабелей

Проект «Гидра»

В 2007 году в США началась реализация "Проекта «Гидра» (Project Hydra), за которым внимательно наблюдает вся заинтересованная общественность в мире. Проект реализует корпорация American Superconductor (AMSC).

Полная стоимость проекта оценивается в 39,3 млн. долл. Министерство национальной безопасности США (Department of Homeland Security (DHS)) планирует инвестировать в данный проект 25 млн. долл., ожидая, что в дальнейшем это позволит использовать технологию безопасных энергосистем «Secure Super Grid™» на основе ВТСП проводов, кабелей и токоограничителей в сетях США. Министерство подписало с AMSC предварительное соглашение на 1.7 млн. долл. (из них 1.1 млн. долл. от DHS), и работа над проектом началась. Подписано отдельное соглашение между AMSC и Con Edison – субподрядчиком этого проекта.

В рамках контракта будет разработана и построена беспрецедентная по защищенности и степени резервирования система электроснабжения центра г. Нью-Йорка, исключающая нарушение электроснабжения при любых авариях (из-за погоды, технологических сбоев, атак террористов). Название «Проект Гидра» («Project Hydra») программа получила по ассоциации c многоголовым мифическим чудовищем. Подобно тому как у него отрастали головы после их отсечения, так электроснабжение должно иметь множество запасных каналов на аварийные случаи (рис. 1).

Рис.1. Схема размещения ВТСП кабеля на 13 кВ в распределительной сети низкого напряжения. Power Plant – электростанция, Area Substation – подстанция, Compact Networks – группа потребителей на общем фидере.

Размещение ВТСП кабеля в сети Нью-Йорка планируется осуществить за три года двумя этапами. Первый, уже начатый этап, состоит в подготовке прототипов систем. К 2008 г. намечено завершение испытаний первой системы Secure Super Grid. Второй этап сфокусирован на размещении этой системы на участке энергосети Con Edison в Нью-Йорке. В рамках проекта к 2010 г. фирмой Southwire Company (США) (по контракту с AMSC) будет изготовлен триаксиальный «Triax™» кабель из ВТСП провода 2-го поколения «344» на 13 кВ (рис. 2).

AMSC предлагает новую СП технологию «Secure Super Grids™» для энергосистем большой мощности с защитой от перенапряжения, обеспечивающую безопасное и эффективное снабжение электроэнергией предприятий города.

Почему ВТСП кабели могут помочь при решении проблем с постоянно увеличивающейся потребностью мегаполисов в электроэнергии? Во-первых, кабели из ВТСП могут передавать в 10 раз большую мощность по сравнению с традиционными медными кабелями при аналогичном сечении кабельного канала (рис. 2). Во-вторых, замена медных кабелей, используя уже имеющиеся в грунте коммуникации, позволит обеспечить недостающие мощности без дополнительного проведения дорогостоящих земляных работ. Кроме того, при необходимости новых распределительных или подводящих электроэнергию сетей объем прокладочных работ также существенно меньше, чем в случае традиционных медных кабелей.

Рис.2 Сравнение 3х3 сборки кабельного блока подземной распределительной сети из медного кабеля с одноканальным кабельным блоком ВТСП кабеля на 13 кВ при одинаковой передаваемой мощности в 69 МВА. Справа схема триаксиального кабеля совместного предприятия Southwire and NKT - ULTERA

В триаксиальном кабеле, как видно на рис 5, все три фазы расположены концентрически вокруг центрального стержня. Такая компактная конструкция позволяет вдвое сократить расход ВТСП провода и уменьшить охлаждаемую поверхность, таким образом, снизив требования к системе охлаждения. Эти особенности конструкции способствуют снижению стоимости СП кабеля.

К настоящему времени много компаний, в том числе и AMSC, занимаются разработкой и испытанием СП токоограничителей. «Secure Super Grids™» технология может соединить свойства ВТСП кабеля высокой мощности и ВТСП токоограничителей в одной системе. Токоограничение может быть достигнуто в кабеле из ВТСП 2-го поколения за счет сравнительного высокого удельного сопротивления исходных сверхпроводящих лент, появляющегося при перегрузке током. По расчетам AMSC, рынок новой технологии и токоограничителей в виде самостоятельных устройств превысит миллиард долларов в год.

Исполнительный директор компании Грегори Юрик (Greg Yurek) предполагает, что новое направление послужит катализатором ускоренного внедрения ВТСП технологий в энергетические системы. Он считает «Проект Гидра» удачным соединением трёх идей: концепции Министерства национальной безопасности – вложение средств в инновационные энергетические технологии для повышения уровня безопасности энергосетей; концепции Con Edison – внедрение СП технологии в свой энергетический план «System of the Future» для Нью-Йорка; концепции AMSC – коммерциализация СП технологии для нужд электроэнергетики.

“Проект Гидра” имеет мощный фундамент 20-летних разработок ВТСП технологий в США, финансируемых Министерством энергетики и частными компаниями, уже функционируют ВТСП кабели в трех энергетических системах США.

Генерация энергии

Еще одно возможное применение сверхпроводников – в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Опытные образцы давно уже созданы, а керамические сверхпроводники могли бы сделать такие машины достаточно экономичными. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.

В 2005 году концерн Siemens заявил о создании первого мощного генератора с использованием высокотемпературной сверхпроводимости (HTS генератор). Мощность генератора составила 4000 кВА. Компания заявила о том, что готова продавать генераторы данного типа. Их стоимость высока, но расчеты показали, что их выгодно применять, прежде всего, в условиях ограниченного пространства, к примеру, на кораблях. Преимущества сверхпроводящего генератора очевидны: его вес и геометрические размеры в два раза меньше аналогичного по мощности обычного генератора. Кроме того, HTS генератор показал большую устойчивость по напряжению при изменении нагрузки и более высокие характеристики с точки зрения потребления реактивной мощности.

Сверхпроводниковые устройства в коммерческом и военном флоте

Сверхпроводниковые технологии чрезвычайно привлекательны для применения на флоте как гражданском, так и военном. Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2-3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже, что важно не только для военных применений, но и для круизных лайнеров и рыболовецких судов. Низкая шумность силовых установок круизных лайнеров способна гарантировать комфорт и тишину во всех пассажирских помещениях при возросшей скорости и вместимости лайнера.

Отказ от механических редукторов и переход к прямому приводу гребного винта электродвигателем существенно поднимает к.п.д. силовой установки. Следует помнить также и об отсутствии омических потерь в сверхпроводниках, даже с учетом потребляемой криогенным обеспечением мощности к.п.д. ВТСП электродвигателей выше, чем у традиционных.

Однако основной выигрыш от сверхпроводниковых технологий на флоте заключается в невиданной ранее свободе конструирования судна: дизеля (или турбины), работающие на компактные ВТСП генераторы, могут быть размещены без жесткой привязки к гребному валу. Вынос ВТСП гребных электродвигателей в гондолы за пределы корпуса судна не только высвобождает массу места в кормовой оконечности, но и позволяет радикально улучшить гидродинамику. Если же гондолы с гребными электродвигателями сделать поворотными, то можно резко улучшить маневренность судна, не прибегая к установке дополнительных боковых подруливающих устройств.

Хотя в 70-80 гг. прошлого века и было несколько проектов сверхпроводниковых судовых электродвигателей, они не были осуществлены, так как их реализация на низкотемпературных сверхпроводниках требовала сложного и ненадежного криогенного обеспечения. С появлением коммерчески доступных Bi-2223 ВТСП проводников в мире началось сразу несколько проектов по созданию двигателей, генераторов и синхронных компенсаторов для использования на флоте.

Мощность электрических машин на основе Bi-2223 проводников, работающих при 77 К пока не превышает 100 кВт, а массо-габаритные показатели лишь незначительно лучше, чем у обычных электрических машин. С появлением ВТСП проводников 2-го поколения, для которых зависимость критического тока от магнитного поля значительно слабее, чем у Bi-2223 проводников, стало возможно создание по настоящему эффективных ВТСП электрических машин, работающих при температуре жидкого азота. Пока электрические машины на основе ВТСП проводников 2-го поколения представлены лишь несколькими мало-мощными макетными образцами.

Ниже подробно описано несколько различных проектов синхронных электрических машин для флота.

American Superconductor и Northrop Grumman

28 марта 2007 года American Superconductor (AMSC) и Northrop Grumman (NOC) объявили об успешном завершении испытаний крупнейшего в мире ВТСП судового электродвигателя мощностью 36.5 МВт (рис. 1). В проекте также участвовали Ranor Inc, и Electric Machinery Company. Масса электродвигателя составляет 75 т, что в три раза меньше чем для двигателя традиционного исполнения. Сразу по завершению испытаний электродвигатель передали ВМФ США, впоследствии предполагается установить электродвигатель на новейший эсминец класса DDG-1000.

В силу военной направленности проекта доступно крайне мало технических деталей устройства. Можно лишь с уверенностью сказать, что мотор изготовлен из Bi-2223 производства American Superconductor и работает при температуре около 30 К. Известно, что весь проект обошелся примерно в 90 млн. долл.

Doosan Heavy Industries

В рамках корейской программы по разработке сверхпроводниковых технологий для электроэнергетики (DAPAS) запланировано создание ВТСП электродвигателей мощностью 70 кВт, 1 МВт и 5 МВт. Синхронные электродвигатели на 100 л.с. (74 кВт; 1800 об/мин.) и 1300 л.с. (957 кВт; 3600 об/мин.) были изготовлены в 2004 и 2007 годах. ВТСП обмотки изготовлены из Bi-2223 ленты производства American Superconductor. Рабочая температура обмоток у обоих моторов 30 К, с охлаждением от криокулеров.

Siemens

Работы над ВТСП электродвигатели начались в Siemens еще в 1999 г. Помимо Siemens в проекте участвуют компании: TransMIT Gesellschaft fur Technologietransfer mbH, ThyssenKrupp Marine Sys-tems AG и Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH, финансовую поддержку оказывает Министерство по экономике и технологиям Германии. В 2005 г был успешно испытан ВТСП синхронный электродвигатель мощностью 400 кВт, сейчас проходит испытания ВТСП синхронного мотора-генератора на 4 МВт (рис. 2).

ВТСП электрические машины отличаются недостижимой для традиционных устройств перегрузочной способностью до 700% по крутящему моменту в кратковременном режиме и 150% в течение 15 минут по мощности. ВТСП обмотки обоих устройств охлаждаются криокулерами через теплообменный газ до температуры 25 К. Основные параметры электрических машин Siemens и Doosan приведены в таблице.

Железные дороги

Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большую скорость. 

Лидером в области применения сверхпроводимости на железной дороге является Япония. В Японии разработки данного направления ведутся уже около 20 лет, за это время выпущено около 10 модификаций поездов.

3. Последние достижение науки в области сверхпроводимости

Глобальная цель исследователей природы сверхпроводимости на сегодняшний день – открыть такой материал, который сохранял бы свои сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Такой материал мог бы избавить всю технику, использующую явление сверхпроводимости от ее главного недостатка – необходимости постоянного охлаждения проводника с помощью громоздких и дорогих криогенных установок на жидком азоте. 

Наука достигла значительных успехов в исследовании высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa2Cu3Ox, получены вещества, для которых температура Тc перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).

По своему поведению в магнитных полях сверхпроводники разделяются на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Сверхпроводники 1-го рода обнаруживают идеальные сверхпроводниковые свойства. В присутствии магнитного поля в поверхностном слое сверхпроводника возникают токи, которые полностью компенсируют внешнее поле в толще образца. Если сверхпроводник имеет форму длинного цилиндра и находится в поле, параллельном его оси, то глубина проникновения может быть порядка 3Ч10-6 см. При достижении критического поля сверхпроводимость исчезает и поле полностью проникает внутрь материала. Критические поля для сверхпроводников 1-го рода лежат обычно в пределах от 100 до 800 Гс. Хотя у сверхпроводников 1-го рода малая глубина проникновения, они имеют большую длину когерентности – порядка 10-4см.

Сверхпроводники 2 рода характеризуются большой глубиной проникновения (около 2Ч10-5 см) и малой длиной когерентности (5Ч10-7 см). В присутствии слабого магнитного поля (меньше 500 Гс) весь магнитный поток выталкивается из сверхпроводника 2 рода. Но выше Нc1 – первого критического поля – магнитный поток проникает в образец, хотя и в меньшей степени, чем в нормальном состоянии. Это частичное проникновение сохраняется до второго критического поля – Нc2, которое может превышать 100 кГс. При полях, больших Нc2, поток проникает полностью, и вещество становится нормальным.

Усилия ученых мира сосредоточены в основном на исследованиях сверхпроводников 2 рода, так как их природа изучена гораздо хуже и именно их применение обещает наибольшие выгоды.

4. История сверхпроводимости

-    В 1908 году Г. Камерлинг-Оннес из Лейденского университета (Нидерланды) получив жидкий гелий, стал измерять сопротивление чистой ртути, погруженной в жидкий гелий, и обнаружил (1911), что при температурах жидкого гелия сопротивление ртути падает до нуля. Позднее было установлено, что многие другие металлы и сплавы тоже становятся сверхпроводящими при низких температурах.

Хейке Камерлинг-Оннес (нидерл. Heike Kamerlingh Onnes; 21 сентября 1853, Гронинген - 21 февраля 1926, Лейден) — нидерландский физик и химик.

Окончил Гронингенский университет. Обучался у Кирхгофа в Гейдельберге. С 1882 года профессор Лейденского университета. С 1894 основатель и директор Лейденской криогенной лаборатории.

Известен своими экспериментальными работами в области физики низких температур и сверхпроводимости. Разработал и сконструировал ожижительную установку. В 1906 году получил жидкий водород. В 1908 году впервые сумел получить жидкий гелий и сумел достичь рекордно низкой на тот момент температуры 0.9 K, за что получил Нобелевскую премию по физике в 1913 году. В 1911 году впервые наблюдал резкое падение электрического сопротивления ртути при температуре ниже 4.1 K. Это явление получило название сверхпроводимости. В 1913 году обнаружил разрушение сверхпроводимости сильными магнитными полями и токами.

-    В 1933 году немецкий физик В. Мейсснер и его сотрудник Р. Оксенфельд обнаружили, что если цилиндрический образец поместить в продольное магнитное поле и охладить ниже температуры перехода, то он полностью выталкивает из себя магнитный поток. Эффект Мейсснера (эффект левитации), как назвали это явление, был важным открытием, поскольку благодаря ему физикам стало ясно, что сверхпроводимость – квантово-механическое явление. Если бы сверхпроводимость заключалась только в исчезновении электрического сопротивления, то ее можно было пытаться объяснить законами классической физики.

Walter Meissner

Демонстрация эффекта левитации

Магнит парящий над высокотемпературным сверхпроводником (Гроб Мухаммеда)

Магнит, поднимающийся выше высокотемпературного сверхпроводника, охлажденного с жидким азотом. Постоянный электрический ток течет на поверхности сверхпроводника, действуя так, чтобы исключить магнитное поле магнита (эффект Meissner). Этот поток эффективно формирует электромагнит, который отражает магнит.

Магнитный поток проникает в стержень, находящийся в нормальном состоянии (а), но выталкивается из стержня, охлажденного до сверхпроводящего состояния (б).

-    Постепенно открывались металлы и сплавы с все более высокой температурой перехода. В 1941 году охлажденный азотом ниобий показал температуру перехода при 16 K. В 1953 сплав кремния и ванадия показал суперпроводящие свойства в 17.5 K.

-    В 1957 году трое американских ученых (John Bardeen, Leon Cooper, John Schrieffer) опубликовали первую полноценную, принятую научным сообществом теорию сверхпроводимости, известную как «BCS theory».

Теория была удостоена Нобелевской премии в 1972 году. Теория объяснила сверхпроводимость при температурах близких к абсолютному нолю для металлов и простых сплавов, однако перестала быть адекватной после открытия высокотемпературной сверхпроводимости.

-    Коммерческое использование явления сверхпроводимости началось в 1962 году, когда ученые фирмы Westinghouse разработали первый коммерческий сверхпроводящий кабель, жилы которого были сделаны из сплава ниобия и титана (NbTi). В это же время начались разработки сверхпроводящих магнитов с небывалой до того времени напряженностью полей.

-    В 1962 году Брайен Д. Джозефсон, аспирант университета Кембридж, выдвинул теорию, что электрический ток будет течь между двумя сверхпроводящими материалами, даже когда они разделены не сверхпроводником или изолятором. Теория  была позже подтверждена и получила в 1973 году Нобелевскую премию. Это явление сегодня известно как "Эффект Джозефсона" и применяется в электронных устройствах типа SQUID, позволяющих обнаруживать даже самые слабые магнитные поля.  

-    1980-ые стали временем сенсационных открытий в области сверхпроводимости.

Еще в 1964 Билл Литл из Стэнфордского университета выдвинул предположение о возможности создания органических сверхпроводников (на основе углерода). Такой сверхпроводник был синтезирован в 1980 году датским исследователем Клаус Бечгаардом из университета Копенгагена. Формула сверхпроводника - (TMTSF)2PF6. Сверхпроводимость была достигнута при температуре 1,2 K и очень высоком давлении

-    Настоящая революция в области изучения сверхпроводников произошла в 1986 году, когда была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Ее отцами стали Алекс Мюллер и Георг Беднорц – сотрудники исследовательского центра IBM в Швейцарии. Сенсация была двойной, поскольку, во-первых, была доказана возможность сверхпроводимости при температуре около 30 К, а во-вторых, сверхпроводящие свойства при такой температуре продемонстрировала керамика, которая в обычных условиях используется как изолятор!!! После этого открытия исследователи во всем мире стали  заниматься синтезом керамических материалов в самых невообразимых комбинациях в поисках композиции с наивысшей температурой перехода.

-    В январе 1987 года в университете штата Алабама команда ученых достигла невероятных 92 градусов К, заменив в формуле, открытой Мюллером и Беднорцом, только один элемент (Иттербий) на другой – Лантан.

-    Самая высокая температура перехода вещества в сверхпроводящее состояние была достигнута в 1993 году и составила 138 градусов К. Это вещество относится к керамическим сверхпроводникам и представляет собой сложное соединение с добавлением таллия, ртути, бария, кальция, меди. При большом давлении (около 300 000 атм.) температура перехода открытого соединения еще на 25-30 градусов выше.  

5. Объяснение сверхпроводимости

Квантово-механическая теория явления сверхпроводимости рассматривает его как сверхтекучесть электронов в металле с присущим сверхтекучести отсутствием трения. Электроны проводимости движутся в сверхпроводнике беспрепятственно — без «трения» о неоднородности кристаллической решетки. Основная особенность сверхпроводников заключается в том, что в них возникает взаимное притяжение электронов с образованием электронных пар (так называемые куперовские пары). Причиной этого притяжения является дополнительное к кулоновскому отталкиванию взаимодействие между электронами, осуществляемое под воздействием кристаллической решетки и приводящее к притяжению электронов.

В квантовой теории металлов притяжение между электронами (обмен фононами) связывается с возникновением элементарных возбуждений кристаллической решётки. Электрон, движущийся в кристалле и взаимодействующий с другим электроном посредством решётки, переводит ее в возбужденное состояние. При переходе решётки в основное состояние излучается квант энергии звуковой частоты — фонон, который поглощается другим электроном. Притяжение между электронами можно представить как обмен электронов фононами, причём притяжение наиболее эффективно, если импульсы взаимодействующих электронов антипараллельны.

Возникновение сверхпроводящего состояния вещества связано с возможностью образования в металле связанных пар электронов. Оценка показывает, что электроны, образующие пару, находятся друг от друга на расстояниях порядка ста периодов кристаллической решётки. Вся электронная система сверхпроводника представляет собой сплочённое образование, простирающееся на громадные по атомным масштабам расстояния.

Если при сколь угодно низких температурах кулоновское отталкивание между электронами преобладает над притяжением, образующим пары, то вещество (металл или сплав) сохраняет обычные свойства. Если же при температуре Тc сил притяжения преобладают над силами отталкивания, то вещество переходит в сверхпроводящее состояние.

Важнейшей особенностью связанного в пары коллектива электронов в сверхпроводнике является невозможность обмена энергией между электронами и решеткой малыми порциями, меньшими чем энергия связи пары электронов. Это означает, что при соударении электронов с узлами кристаллической решётки не изменяется энергия электронов и вещество ведёт себя как сверхпроводник с нулевым удельным сопротивлением. Квантово-механическое рассмотрение показывает, что при этом не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях. А это и означает отсутствие электрического сопротивления.

Для того чтобы разрушить состояние сверхпроводимости, необходима затрата определенной энергии. При температуре Т = Тc происходит нарушение связанных состояний электронных пар, прекращается притяжение между электронами и явление сверхпроводимости перестаёт существовать.

Статья подготовлена по материалам:1.    информационного бюллетеня «Сверхпроводники для электроэнергетики»;2.    журнала ScienceDaily;3.    журнала The Scientist;4.    журнала NewScientist;5.    сайта www.effect-josefson.com.ru;6.    европейского консорциума CONECTUS.

Читайте также:

www.energyland.info

Сверхпроводник ведет Россию вперед

Явление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) не так давно интересовало только ученых. Однако сегодня на рынок электроэнергетического оборудования выходят коммерчески прибыльные продукты на основе ВТСП, в том числе российского производства.

 

 

Совсем не жаркая ВТСП

В начале ХХ века было открыто, что ряду металлов и сплавов свойственна сверхпроводимость, то есть способность обладать нулевым сопротивлением, при температуре, близкой к абсолютному нулю (около -270°С). Долгое время сверхпроводники можно было использовать только при температуре жидкого гелия, что позволило создать ускорительное оборудование и магнитно-резонансные томографы.

В 1986 г. открыли сверхпроводимость при температуре около 30К, что было удостоено Нобелевской премии, а в начале 1990-х гг. удалось достичь сверхпроводимости уже при 138К, причем в качестве сверхпроводника использовались уже не металлы, а оксидные соединения.

Керамические материалы, обладающие нулевым сопротивлением при температуре выше температуры жидкого азота (77К) получили название высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Однако если мы переведем Кельвины в более привычные для нас градусы Цельсия, то поймем, что речь идет о не слишком высоких температурах, скажем, порядка минус 169–200°С. Такие условия даже суровая русская зима обеспечить не в состоянии.

Умы исследователей будоражит идея найти материалы, способные переходить в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре (293К). Теоретически такая возможность существует. По некоторым данным, сверхпроводящие свойства якобы удавалось зафиксировать даже у отдельных зерен графита после специальной обработки. На сегодняшний день поиск «комнатнотемпературных» сверхпроводников (КТСП) считается одной из ключевых исследовательских задач в области нанотехнологий. Однако пока не только практическое применение, но и надежное экспериментальное подтверждение КТСП остается вопросом завтрашнего дня. Сегодняшняя электроэнергетика осваивает использование ВТСП.

Оборудование на основе высокотемпературной сверхпроводимости требует охлаждения жидким азотом. Как отмечают эксперты отрасли, это относительно дешевый и удобный хладагент, обеспечивающий температуру 77К и позволяющий реализовывать практические проекты.

 

 На производственных площадях ЗАО «СуперОкс»

  Польза сверхпроводимости

Сверхпроводимость может использоваться (и уже используется) в самых разных сферах. Впервые она была применена при создании магнитов с высокими полями. С помощью сверхпроводников может быть обеспечена магнитная левитация, позволяющая высокоскоростным поездам двигаться плавно, без шума и трения. Создаются ВТСП электродвигатели для судов и промышленности, которые обладают существенно меньшими массогабаритными параметрами при равной мощности. Сверхпроводимость интересна с точки зрения микроэлектроники и компьютерной техники. Низкотемпературные сверхпроводники применяются в медицинских диагностических аппаратах (томографах), и даже в таких экзотических проектах «меганауки», как большой адронный коллайдер и международный термоядерный реактор.

С высокотемпературной сверхпроводимостью связаны надежды на преодоление глобальной энергетической дилеммы, связанной, с одной стороны, с постоянным ростом энергопотребления в настоящем и будущем, а с другой стороны, с необходимостью радикально сокращать выбросы углекислого газа, чтобы предотвратить изменения климата. Ведь по сути дела ВТСП выводит привычное оборудование для генерации и передачи электроэнергии на принципиально новый уровень с точки зрения эффективности.

Одно из самых очевидных применений сверхпроводников связано с передачей электроэнергии. ВТСП кабели могут передавать значительную мощность при минимальном сечении, то есть обладают пропускной способностью другого порядка, нежели традиционные кабели. При прохождении тока через сверхпроводник не выделяется тепло, и практически отсутствуют потери, то есть решается главная проблема распределительных сетей.

Генераторы благодаря обмоткам из сверхпроводящих материалов, обеспечивающим огромные магнитные поля, становятся значительно мощнее. К примеру, концерн Siemens построил три ВТСП генератора мощностью до 4 МВт. Машина в два раза легче и меньше по сравнению с обычным генератором той же мощности. Также, ВТСП генератор показал большую устойчивость по напряжению при изменении нагрузки и более высокие характеристики с точки зрения потребления реактивной мощности.

Сегодня в мире активно ведутся разработки ветрогенераторов на основе высокотемпературной сверхпроводимости. При использовании ВТСП обмоток реально создание ВТСП генераторов мощностью 10 МВт, которые будут в 2–4 раза легче обычных.

Перспективная сфера для широкого применения сверхпроводников — накопители энергии, роль которых также велика с точки зрения развития современных энергосистем, использующих возобновляемые источники энергии. Даже привычное электрооборудование, такое как трансформаторы, приобретает качественно новые характеристики благодаря ВТСП.

Сверхпроводимость позволяет создавать такие необычные устройства как ограничители тока короткого замыкания, полностью автоматически ограничивающие ток при замыкании и автоматически же включающиеся при снятии КЗ.

Процесс намотки ВТСП провода на катушку 

Лента второго поколения

Что же из этих многообещающих идей уже удалось воплотить на практике, и чьими усилиями? В первую очередь нужно отметить, что на сегодняшний день на рынке представлены высокотемпературные сверхпроводники первого и второго поколения (ВТСП-1 и ВТСП-2). По объему выпущенной на сегодняшний день продукции пока выигрывают ВТСП-1, но для экспертов очевидно, что будущее за сверхпроводниками второго поколения. Это связано с тем, что в конструкции сверхпроводников ВТСП-2 более 70% составляет матрица, изготовленная из серебра.

Одна из ключевых российских компаний, работающих над темой сверхпроводников второго поколения, — ЗАО «СуперОкс». Зародилась она в стенах МГУ имени Ломоносова, где научная группа химического факультета работала над технологией осаждения тонких пленок сверхпроводников. В 2006 г. на базе накопленных знаний был запущен коммерческий проект по созданию отечественного производства ВТСП-проводов 2-го поколения. 

В 2011 г. сфера интересов «СуперОкс» была расширена за счет тесного взаимодействия с вновь созданной компанией SuperOx Japan LLC. Была создана пилотная производственная линия, позволяющая производить ВТСП-провод с критическим током до 500 А/см ширины. С 2011 г. компания «СуперОкс-Инновации» также является резидентом «Сколково», где ведет прикладные исследования, направленные на оптимизацию технических характеристик ВТСП лент второго поколения, разрабатывает различные технологии производства этих материалов. В 2013 г. было запущено производство ленты ВТСП-2 в московском технопарке «Слава».

«Наш продукт, сверхпроводящая лента второго поколения представляет собой подложку из специальной нержавеющей стали, устойчивой к высоким температурам, которая впоследствии при нанесении тонких пленок не теряет своих механических свойств, — рассказывает Вадим Амеличев, ведущий специалист ЗАО «СуперОкс». — Специальными методами на эту подложку наносятся буферные оксидные слои, а в качестве функционального слоя — пленка купрата гадолиния-бария. Затем эта структура покрывается тонкими слоями серебра или меди, и в таком виде используется в сверхпроводниковых устройствах.

У такого материала при толщине пленки всего в один-два микрона токопроводящая способность около 500 А на 1 мм² сечения, то есть в сотни раз больше, чем у обычного медного кабеля. Соответственно, такая лента идеальна для применений, где требуется высокий ток. Кабели на большие токи, магниты на большие поля — основная область применения».

«СуперОкс» обладает полным циклом производства ленты ВТСП-2. В 2012 г. стартовали продажи этого инновационного продукта, и сейчас материал поставляется не только в Россию, но и экспортируется в девять стран, в том числе Евросоюз, Японию, Тайвань и Новую Зеландию.

«В мире не так много производителей ленты ВТСП-2, — поясняет Вадим Амеличев. — Есть две американские фирмы, компании в Южной Корее и Японии. В Европе кроме нас никто в промышленных масштабах такую ленту не производит. Нашу ленту тестировали во многих исследовательских центрах и подтвердили конкурентоспособность ее характеристик».

На производственных площадях ЗАО «СуперОкс» 

Развить новую индустрию

«Несмотря на то, что высокотемпературная сверхпроводимость появилась совсем недавно, вопросами ее применения в технике интенсивно занимаются в технологически развитых странах мира, — рассказывает Виктор Панцырный, д.т.н., действительный член АЭН РФ, директор по развитию АО «Русский сверхпроводник», — В нашей стране в рамках Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России инициирован проект «Сверхпроводниковая индустрия» как часть проекта «Инновационная энергетика» по приоритетному направлению «Энергоэффективность». 

Данный проект в области сверхпроводниковой индустрии координирует  компания «Русский сверхпроводник», созданная Госкорпорацией «Росатом». За пятилетку с 2011 по 2015 г. здесь планируют создать конкурентоспособные технологии производства высокотемпературных сверхпроводников второго поколения, опытное производство длинномерных (до 1000 м) ленточных проводов ВТСП-2, а также разработать прототипы оборудования на основе ВТСП-2 проводов для электроэнергетики. Это и генераторы большой мощности, и ограничители тока (СОТ), и кинетические накопители энергии (КНЭ), а также мощные токовводы для магнитных систем, индуктивные накопители энергии (СПИН), трансформаторы, электродвигатели большой мощности.

С 2016 г. планируется запустить серийное производство ВТСП-2 проводов и ряда устройств на их основе. В работах по данному проекту участвуют около 30 организаций, включая ВУЗы, академические и отраслевые научно-исследовательские центры, проектные бюро и промышленные организации, в частности ОАО «ВНИИНМ», ОАО «НИИЭФА», ОАО «НИИТФА», ОАО «ГИРЕДМЕТ», ОАО «НИФХИ», ОАО ТВЭЛ, ОАО «Точмаш» так и вне его, в НИЦ «Курчатовский институт», ЭНИН им. Кржижановского, ФГБОУ МАИ, НИЯУ МИФИ, ГУАП, ОАО «Россети», ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», ЗАО «СуперОкс», ОАО «ВНИИКП», ОАО «НИИЭМ», ОКБ «Якорь» и др.

«Структурно проект состоит из девяти задач, выполняемых параллельно, — поясняет Виктор Панцырный. — С 2011 по 2013 гг. удалось создать первые отечественные действующие макеты сверхпроводниковых машин — двигатель и генератор мощностью 50 кВт, кинетический накопитель энергии на 0,5 МДж, сверхпроводниковый ограничитель токов короткого замыкания мощностью 3,5 МВт для энергетических сетей напряжением 3,5 кВ, сверхпроводниковый трансформатор мощностью 10 кВА, токовводы для магнитных систем, пропускающие ток 1500А.

Также созданы основы технологии полностью отечественного производства ленточных проводов ВТСП-2, начиная от сырьевых материалов и заканчивая методами контроля готовой продукции. Были найдены основные технологические решения, позволившие перейти к созданию полномасштабных прототипов энергетических устройств. Так в настоящее время завершается работа по созданию двигателя мощностью 200 кВт».

Благодаря применению ВТСП-2 обмоток такой двигатель при его установке на электромобиль (электробус) позволит увеличить пробег на 15–20% между подзарядками аккумуляторных батарей. Изготовлен и готовится к испытаниям в сети железнодорожного транспорта сверхпроводящий ограничитель токов короткого замыкания мощностью более 7 МВА. Завершается изготовление генератора мощностью 1 МВА, перспективного для применения в ветряных энергетических установках.

На базе уникальных технологий Росатома создается кинетический накопитель энергии со сверхпроводниковым подвесом маховиков, который имеет энергоемкость более 7 МДж. Следует отметить разработку индуктивного накопителя энергии, способного в предельно короткое время отдать аккумулированную энергию до нескольких МДж. В завершающей стадии находятся и работы по созданию сверхпроводникового трансформатора мощностью уже 1000 кВА. 

«Кроме того, важнейшими результатами проекта будут создание мощной экспериментальной и технологической базы, а также формирование коллективов высококвалифицированных специалистов в сфере сверхпроводниковых технологий, — заключает Виктор Панцырный. — В этом году в НИЦ Курчатовский институт заработает комплексная производственно-исследовательская линия по получению ВТСП-2 ленточных сверхпроводников методом лазерной абляции. Линия станет инструментом развития науки и технологии ВТСП материалов, используя в максимальной степени мощную научную инфраструктуру курчатовского НБИКС центра. Это позволит интенсивно развивать перспективную высокотехнологичную область, ведущую к коммерциализации сверхпроводниковых технологий».

Презентация левитирующего механизма на основе ВТСП провода: Андрей Вавилов

объясняет принцип работы модуля во время приема мэра Москвы С. Собянина в Технопарке «Слава»  

Кабели переменного тока

Нельзя не рассказать о российском проекте по созданию сверхпроводящего кабеля длиной 200 м. Над созданием кабеля работали ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» (ЭНИН), ОАО «Всероссийского научно-исследовательский институт кабельной промышленности» (ВНИИКП), Московский авиационный институт и ОАО «НТЦ электроэнергетики». Разработка началась в 2005 г., в 2009 г. был создан опытный образец, успешно прошедший испытания на специально созданном уникальном полигоне.

Основные достоинства ВТСП кабеля — высокая токовая нагрузка, малые потери, экологическая чистота и пожарная безопасность. Кроме того, при передаче большой мощности по такому кабелю при напряжении 10–20 кВ не требуются промежуточные подстанции.

ВТСП кабель представляет собой сложную многослойную конструкцию. Центральный несущий элемент выполнен в виде спирали из нержавеющей стали, окруженной пучком проводов из меди и нержавеющей стали, обмотанных медной лентой. Поверх центрального элемента укладываются два повива сверхпроводящих лент, а сверху — высоковольтная изоляция. Затем следует наложение сверхпроводящего экрана, повивы гибких медных лент, обмотанных лентой из нержавеющей стали. Каждая жила кабеля затягивается в собственный гибкий криостат длиной 200 м.

Создание этой многокомпонентной конструкции осложняется тем, что ВТСП лента крайне чувствительна к механическим нагрузкам и изломам. Основная часть технологических операций проводилась на базе ОАО «ВНИИКП». Однако для изготовления высоковольтной изоляции кабель свозили в г. Пермь на завод «Камский кабель».

«Для ВТСП кабеля мы производили операцию наложения бумажной изоляции, — рассказывает Александр Азанов, заместитель главного технолога ООО «Камский кабель». — Было задействовано уникальное оборудование, которое ранее использовалось для производства маслонаполненных кабелей высокого напряжения. Именно поэтому не пожалели ресурсов на доставку полуфабриката из Москвы в Пермь и обратно. И, думаю, что пока для производства таких специальных кабелей целесообразно задействовать уникальное оборудование, установленное на разных заводах, чем организовывать производство в одном месте.

В ближайшее время организация серийного производства данного кабеля на нашем или любом другом заводе маловероятна, так как монтаж линий со сверхпроводниками производится крайне редко и очень малыми длинами (не более 1 км). Главная причина тому — стоимость ВТСП кабелей и их обслуживания (требуется постоянно прокачивать жидкий азот через кабель)».

На производственных площадях ЗАО «СуперОкс»

  

Кабели постоянного тока

На сегодняшний день разработки в области создания ВТСП кабелей продолжаются. ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» ведут совместный НИОКР «Создание высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока на напряжение 20 кВ с током 2500 А длиной до 2500 м». Первый прототип будущей инновационной системы передачи энергии — два отрезка биполярного ВТСП кабеля по 30 м, разработанные в НТЦ ФСК ЕЭС и изготовленные на заводе «Иркутсккабель», — успешно прошли токовые и высоковольтные испытания в 2013 г.

В ноябре 2014 г. состоялись испытания комплекта преобразовательного оборудования для инновационной передачи электроэнергии мощностью 50 МВт с использованием сверхпроводящего кабеля длиной в несколько сотен метров. Применение ВТСП кабеля для электроснабжения крупных городов позволит добиться уменьшения площадей землеотводов, отказаться от строительства воздушных линий и снизить потери электроэнергии.

В НТЦ ФСК ЕЭС отмечают, что кабельная линия постоянного тока на основе ВТСП обладает рядом достоинств по сравнению с линией переменного тока. Она не только позволяет передавать мощность с минимальными потерями, но и ограничивать токи короткого замыкания, регулировать реактивную мощность, управлять потоками мощности и обеспечивать ее реверс.

«Приятно осознавать, что российские разработчики ВТСП кабелей находятся на передовых рубежах, — говорит Виталий Высоцкий, д.т.н., академик АЭН РФ, директор научного направления — зав. отделением сверхпроводящих проводов и кабелей ОАО «ВНИИКП». — Например, кабель 200 м являлся крупнейшим в Европе в 2009-2013 гг., и только в 2014 г. в Германии был установлен кабель длиной 1 км. Но и этот рекорд будет перекрыт с испытанием кабеля 2,5 км для С.-Петербурга».

 

От господдержки — к частным инвестициям

Эксперты прогнозируют достаточно активное развитие мирового и российского рынка сверхпроводников. Так, Андрей Вавилов, председатель Совета Директоров ЗАО «СуперОкс», отмечает, что объем мирового рынка ВТСП удваивается каждый год и в 2017 г. достигнет $1 млрд, при этом долю РФ в мировом рынке можно оценить примерно в 10%.

«Рынок сверхпроводимости для электроэнергетики обязан развиваться, поскольку плотность потребления энергии постоянно растет и без сверхпроводимости поддерживать растущие запросы невозможно», — уверен Виталий Высоцкий. — Однако энергетики весьма консервативны по отношению ко всему новому, да еще и дорогостоящему. Поэтому пока главная задача — все-таки продвижение новых проектов с поддержкой государственных организаций. Это станет доказательством надежности и эффективности сверхпроводящих устройств. Появление новых проектов вызовет спрос на производство ВТСП лент, увеличение их выпуска и снижение цены, что опять же поможет развитию рынка».

«На данной стадии комплексное решение всех поставленных задач невозможно без всесторонней помощи государства, но с каждым годом повышается инвестиционная привлекательность ВТСП техники, что позволяет с высокой долей уверенности ожидать притока частных инвестиций в ее дальнейшее коммерческое развитие», — соглашается с коллегой Виктор Панцырный.

Экспертов радует, что в целом на уровне государства есть понимание значимости сверхпроводниковых технологий.

«Развитие сверхпроводниковой индустрии имеет общенациональное значение и является важной составной частью перехода на инновационный путь развития экономики страны. Это было недавно констатировано на расширенном заседании Консультативного Совета при председателе Комитета Государственной Думы по энергетике ФС РФ, где, в частности, было отмечено, что для обеспечения экономической и политической независимости России стратегически необходимо иметь отечественное производство низко- и высокотемпературных сверхпроводящих материалов, сверхпроводниковых устройств и изделий на их основе», — сообщает Виктор Панцырный.

ВТСП может совершить прорыв в технологиях передачи электроэнергии 

Планы на будущее

Мы попросили экспертов оценить, какие сферы применения сверхпроводимости, на их взгляд, наиболее перспективны и где можно ожидать коммерческого использования технологии в ближайшие годы.

«Как и во всем мире, в России сегодня наиболее продвинуты проекты сверхпроводящих кабелей. Они должны и, надеемся, будут развиваться, — рассказывает Виталий Высоцкий. — Сверхпроводящие кабели на основе ВТСП — уже сейчас чисто коммерческий продукт, правда, пока еще достаточно дорогой. Он станет дешевле, когда начнется его широкое внедрение и потребуется значительное количество ВТСП лент, что и удешевит их производство.

Однако, на мой взгляд, наиболее необходимыми и востребованными для электроэнергетики являются сверхпроводящие ограничители тока КЗ на уровни напряжения от 100 кВ и выше. Обычных устройств такого класса напряжения просто не существует, и без сверхпроводимости здесь просто не обойтись. Такие проекты уже обсуждаются в нашей стране. Кроме того, по моему мнению, хорошие перспективы имеют ВТСП машины для ветрогенераторов. Они сулят значительное (в разы) снижение веса единичного генератора и увеличение единичной мощности».

«Сегодня драйвер развития рынка сверхпроводниковых изделий — электроэнергетика (силовые кабели и ограничители тока), — считает Андрей Вавилов. — Но и в ряде других отраслей имеется значительный потенциал. Например, сегодня разрабатываются варианты применения ВТСП провода как эффективной замены низкотемпературных сверхпроводников в ускорительной технике, используемой для науки, производства изотопов и медицины. В России имеются большие планы в этой области, в частности, по строительству современного коллайдера NICA в Дубне.

Большой потенциал имеет создание эффективных вращающихся машин, имеющих уникальные тяговые характеристики, низкую массу и вес. Такие двигатели востребованы в первую очередь для обеспечения движения больших судов, а генераторы могут использоваться в возобновляемой энергетике.

Совершенно новые перспективы сегодня открывает явление магнитной левитации. Это не только транспортные системы, но и бесконтактные манипуляторы, а также долговечные подшипники с широким спектром применения».

«Дальнейшее развитие высокотемпературной сверхпроводимости будет иметь выраженный мультипликативный эффект не только в электроэнергетике, но и в иных отраслях, таких как космический, авиационный, морской, автомобильный и железнодорожный транспорт, машиностроение, металлургия, электроника, медицина, ускорительная техника. Технологии сверхпроводимости также важны и для укрепления обороноспособности страны», — убежден Виктор Панцырный.

Одним словом, дальнейшее развитие технологий на основе сверхпроводимости открывает перед человечеством огромные перспективы, причем уже в обозримом времени.

  

Екатерина ЗубковаНа заставке: ВСТП провод второго поколенияФото ЗАО «СуперОкс»

  

 

sk.ru

Сверхпроводник ведет Россию вперед | Российское атомное сообщество

Явление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) не так давно интересовало только ученых. Однако сегодня на рынок электроэнергетического оборудования выходят коммерчески прибыльные продукты на основе ВТСП, в том числе российского производства.

В начале ХХ века было открыто, что ряду металлов и сплавов свойственна сверхпроводимость, то есть способность обладать нулевым сопротивлением, при температуре, близкой к абсолютному нулю (около -270°С). Долгое время сверхпроводники можно было использовать только при температуре жидкого гелия, что позволило создать ускорительное оборудование и магнитно-резонансные томографы.

В 1986 г. открыли сверхпроводимость при температуре около 30К, что было удостоено Нобелевской премии, а в начале 1990-х гг. удалось достичь сверхпроводимости уже при 138К, причем в качестве сверхпроводника использовались уже не металлы, а оксидные соединения.

Керамические материалы, обладающие нулевым сопротивлением при температуре выше температуры жидкого азота (77К) получили название высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Однако если мы переведем Кельвины в более привычные для нас градусы Цельсия, то поймем, что речь идет о не слишком высоких температурах, скажем, порядка минус 169–200°С. Такие условия даже суровая русская зима обеспечить не в состоянии.Умы исследователей будоражит идея найти материалы, способные переходить в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре (293К). Теоретически такая возможность существует. По некоторым данным, сверхпроводящие свойства якобы удавалось зафиксировать даже у отдельных зерен графита после специальной обработки. На сегодняшний день поиск «комнатнотемпературных» сверхпроводников (КТСП) считается одной из ключевых исследовательских задач в области нанотехнологий. Однако пока не только практическое применение, но и надежное экспериментальное подтверждение КТСП остается вопросом завтрашнего дня. Сегодняшняя электроэнергетика осваивает использование ВТСП.

Оборудование на основе высокотемпературной сверхпроводимости требует охлаждения жидким азотом. Как отмечают эксперты отрасли, это относительно дешевый и удобный хладагент, обеспечивающий температуру 77К и позволяющий реализовывать практические проекты.

Польза сверхпроводимости

Сверхпроводимость может использоваться (и уже используется) в самых разных сферах. Впервые она была применена при создании магнитов с высокими полями. С помощью сверхпроводников может быть обеспечена магнитная левитация, позволяющая высокоскоростным поездам двигаться плавно, без шума и трения. Создаются ВТСП электродвигатели для судов и промышленности, которые обладают существенно меньшими массогабаритными параметрами при равной мощности. Сверхпроводимость интересна с точки зрения микроэлектроники и компьютерной техники. Низкотемпературные сверхпроводники применяются в медицинских диагностических аппаратах (томографах), и даже в таких экзотических проектах «меганауки», как большой адронный коллайдер и международный термоядерный реактор.

С высокотемпературной сверхпроводимостью связаны надежды на преодоление глобальной энергетической дилеммы, связанной, с одной стороны, с постоянным ростом энергопотребления в настоящем и будущем, а с другой стороны, с необходимостью радикально сокращать выбросы углекислого газа, чтобы предотвратить изменения климата. Ведь по сути дела ВТСП выводит привычное оборудование для генерации и передачи электроэнергии на принципиально новый уровень с точки зрения эффективности.

Одно из самых очевидных применений сверхпроводников связано с передачей электроэнергии. ВТСП кабели могут передавать значительную мощность при минимальном сечении, то есть обладают пропускной способностью другого порядка, нежели традиционные кабели. При прохождении тока через сверхпроводник не выделяется тепло, и практически отсутствуют потери, то есть решается главная проблема распределительных сетей.

Генераторы благодаря обмоткам из сверхпроводящих материалов, обеспечивающим огромные магнитные поля, становятся значительно мощнее. К примеру, концерн Siemens построил три ВТСП генератора мощностью до 4 МВт. Машина в два раза легче и меньше по сравнению с обычным генератором той же мощности. Также, ВТСП генератор показал большую устойчивость по напряжению при изменении нагрузки и более высокие характеристики с точки зрения потребления реактивной мощности.

Сегодня в мире активно ведутся разработки ветрогенераторов на основе высокотемпературной сверхпроводимости. При использовании ВТСП обмоток реально создание ВТСП генераторов мощностью 10 МВт, которые будут в 2–4 раза легче обычных.

Перспективная сфера для широкого применения сверхпроводников — накопители энергии, роль которых также велика с точки зрения развития современных энергосистем, использующих возобновляемые источники энергии. Даже привычное электрооборудование, такое как трансформаторы, приобретает качественно новые характеристики благодаря ВТСП.

Сверхпроводимость позволяет создавать такие необычные устройства как ограничители тока короткого замыкания, полностью автоматически ограничивающие ток при замыкании и автоматически же включающиеся при снятии КЗ.

Лента второго поколения

Что же из этих многообещающих идей уже удалось воплотить на практике, и чьими усилиями? В первую очередь нужно отметить, что на сегодняшний день на рынке представлены высокотемпературные сверхпроводники первого и второго поколения (ВТСП-1 и ВТСП-2). По объему выпущенной на сегодняшний день продукции пока выигрывают ВТСП-1, но для экспертов очевидно, что будущее за сверхпроводниками второго поколения. Это связано с тем, что в конструкции сверхпроводников ВТСП-2 более 70% составляет матрица, изготовленная из серебра.

Одна из ключевых российских компаний, работающих над темой сверхпроводников второго поколения, — ЗАО «СуперОкс». Зародилась она в стенах МГУ имени Ломоносова, где научная группа химического факультета работала над технологией осаждения тонких пленок сверхпроводников. В 2006 г. на базе накопленных знаний был запущен коммерческий проект по созданию отечественного производства ВТСП-проводов 2-го поколения.

В 2011 г. сфера интересов «СуперОкс» была расширена за счет тесного взаимодействия с вновь созданной компанией SuperOx Japan LLC. Была создана пилотная производственная линия, позволяющая производить ВТСП-провод с критическим током до 500 А/см ширины. С 2011 г. компания «СуперОкс-Инновации» также является резидентом «Сколково», где ведет прикладные исследования, направленные на оптимизацию технических характеристик ВТСП лент второго поколения, разрабатывает различные технологии производства этих материалов. В 2013 г. было запущено производство ленты ВТСП-2 в московском технопарке «Слава».

«Наш продукт, сверхпроводящая лента второго поколения представляет собой подложку из специальной нержавеющей стали, устойчивой к высоким температурам, которая впоследствии при нанесении тонких пленок не теряет своих механических свойств, — рассказывает Вадим Амеличев, ведущий специалист ЗАО «СуперОкс». — Специальными методами на эту подложку наносятся буферные оксидные слои, а в качестве функционального слоя — пленка купрата гадолиния-бария. Затем эта структура покрывается тонкими слоями серебра или меди, и в таком виде используется в сверхпроводниковых устройствах.У такого материала при толщине пленки всего в один-два микрона токопроводящая способность около 500 А на 1 мм² сечения, то есть в сотни раз больше, чем у обычного медного кабеля. Соответственно, такая лента идеальна для применений, где требуется высокий ток. Кабели на большие токи, магниты на большие поля — основная область применения».

«СуперОкс» обладает полным циклом производства ленты ВТСП-2. В 2012 г. стартовали продажи этого инновационного продукта, и сейчас материал поставляется не только в Россию, но и экспортируется в девять стран, в том числе Евросоюз, Японию, Тайвань и Новую Зеландию.

«В мире не так много производителей ленты ВТСП-2, — поясняет Вадим Амеличев. — Есть две американские фирмы, компании в Южной Корее и Японии. В Европе кроме нас никто в промышленных масштабах такую ленту не производит. Нашу ленту тестировали во многих исследовательских центрах и подтвердили конкурентоспособность ее характеристик».

 Развить новую индустрию

«Несмотря на то, что высокотемпературная сверхпроводимость появилась совсем недавно, вопросами ее применения в технике интенсивно занимаются в технологически развитых странах мира, — рассказывает Виктор Панцырный, д.т.н., действительный член АЭН РФ, директор по развитию АО «Русский сверхпроводник», — В нашей стране в рамках Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России инициирован проект «Сверхпроводниковая индустрия» как часть проекта «Инновационная энергетика» по приоритетному направлению «Энергоэффективность».

Данный проект в области сверхпроводниковой индустрии координирует  компания «Русский сверхпроводник», созданная Госкорпорацией «Росатом». За пятилетку с 2011 по 2015 г. здесь планируют создать конкурентоспособные технологии производства высокотемпературных сверхпроводников второго поколения, опытное производство длинномерных (до 1000 м) ленточных проводов ВТСП-2, а также разработать прототипы оборудования на основе ВТСП-2 проводов для электроэнергетики. Это и генераторы большой мощности, и ограничители тока (СОТ), и кинетические накопители энергии (КНЭ), а также мощные токовводы для магнитных систем, индуктивные накопители энергии (СПИН), трансформаторы, электродвигатели большой мощности.

С 2016 г. планируется запустить серийное производство ВТСП-2 проводов и ряда устройств на их основе. В работах по данному проекту участвуют около 30 организаций, включая ВУЗы, академические и отраслевые научно-исследовательские центры, проектные бюро и промышленные организации, в частности ОАО «ВНИИНМ», ОАО «НИИЭФА», ОАО «НИИТФА», ОАО «ГИРЕДМЕТ», ОАО «НИФХИ», ОАО ТВЭЛ, ОАО «Точмаш» так и вне его, в НИЦ «Курчатовский институт», ЭНИН им. Кржижановского, ФГБОУ МАИ, НИЯУ МИФИ, ГУАП, ОАО «Россети», ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», ЗАО «СуперОкс», ОАО «ВНИИКП», ОАО «НИИЭМ», ОКБ «Якорь» и др.

«Структурно проект состоит из девяти задач, выполняемых параллельно, — поясняет Виктор Панцырный. — С 2011 по 2013 гг. удалось создать первые отечественные действующие макеты сверхпроводниковых машин — двигатель и генератор мощностью 50 кВт, кинетический накопитель энергии на 0,5 МДж, сверхпроводниковый ограничитель токов короткого замыкания мощностью 3,5 МВт для энергетических сетей напряжением 3,5 кВ, сверхпроводниковый трансформатор мощностью 10 кВА, токовводы для магнитных систем, пропускающие ток 1500А.

Также созданы основы технологии полностью отечественного производства ленточных проводов ВТСП-2, начиная от сырьевых материалов и заканчивая методами контроля готовой продукции. Были найдены основные технологические решения, позволившие перейти к созданию полномасштабных прототипов энергетических устройств. Так в настоящее время завершается работа по созданию двигателя мощностью 200 кВт».

Благодаря применению ВТСП-2 обмоток такой двигатель при его установке на электромобиль (электробус) позволит увеличить пробег на 15–20% между подзарядками аккумуляторных батарей. Изготовлен и готовится к испытаниям в сети железнодорожного транспорта сверхпроводящий ограничитель токов короткого замыкания мощностью более 7 МВА. Завершается изготовление генератора мощностью 1 МВА, перспективного для применения в ветряных энергетических установках.

На базе уникальных технологий Росатома создается кинетический накопитель энергии со сверхпроводниковым подвесом маховиков, который имеет энергоемкость более 7 МДж. Следует отметить разработку индуктивного накопителя энергии, способного в предельно короткое время отдать аккумулированную энергию до нескольких МДж. В завершающей стадии находятся и работы по созданию сверхпроводникового трансформатора мощностью уже 1000 кВА.

«Кроме того, важнейшими результатами проекта будут создание мощной экспериментальной и технологической базы, а также формирование коллективов высококвалифицированных специалистов в сфере сверхпроводниковых технологий, — заключает Виктор Панцырный. — В этом году в НИЦ Курчатовский институт заработает комплексная производственно-исследовательская линия по получению ВТСП-2 ленточных сверхпроводников методом лазерной абляции. Линия станет инструментом развития науки и технологии ВТСП материалов, используя в максимальной степени мощную научную инфраструктуру курчатовского НБИКС центра. Это позволит интенсивно развивать перспективную высокотехнологичную область, ведущую к коммерциализации сверхпроводниковых технологий».

Презентация левитирующего механизма на основе ВТСП провода: Андрей Вавилов объясняет принцип работы модуля во время приема мэра Москвы С. Собянина в Технопарке «Слава»

Кабели переменного тока

Нельзя не рассказать о российском проекте по созданию сверхпроводящего кабеля длиной 200 м. Над созданием кабеля работали ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» (ЭНИН), ОАО «Всероссийского научно-исследовательский институт кабельной промышленности» (ВНИИКП), Московский авиационный институт и ОАО «НТЦ электроэнергетики». Разработка началась в 2005 г., в 2009 г. был создан опытный образец, успешно прошедший испытания на специально созданном уникальном полигоне.

Основные достоинства ВТСП кабеля — высокая токовая нагрузка, малые потери, экологическая чистота и пожарная безопасность. Кроме того, при передаче большой мощности по такому кабелю при напряжении 10–20 кВ не требуются промежуточные подстанции.

ВТСП кабель представляет собой сложную многослойную конструкцию. Центральный несущий элемент выполнен в виде спирали из нержавеющей стали, окруженной пучком проводов из меди и нержавеющей стали, обмотанных медной лентой. Поверх центрального элемента укладываются два повива сверхпроводящих лент, а сверху — высоковольтная изоляция. Затем следует наложение сверхпроводящего экрана, повивы гибких медных лент, обмотанных лентой из нержавеющей стали. Каждая жила кабеля затягивается в собственный гибкий криостат длиной 200 м.

Создание этой многокомпонентной конструкции осложняется тем, что ВТСП лента крайне чувствительна к механическим нагрузкам и изломам. Основная часть технологических операций проводилась на базе ОАО «ВНИИКП». Однако для изготовления высоковольтной изоляции кабель свозили в г. Пермь на завод «Камский кабель».

«Для ВТСП кабеля мы производили операцию наложения бумажной изоляции, — рассказывает Александр Азанов, заместитель главного технолога ООО «Камский кабель». — Было задействовано уникальное оборудование, которое ранее использовалось для производства маслонаполненных кабелей высокого напряжения. Именно поэтому не пожалели ресурсов на доставку полуфабриката из Москвы в Пермь и обратно. И, думаю, что пока для производства таких специальных кабелей целесообразно задействовать уникальное оборудование, установленное на разных заводах, чем организовывать производство в одном месте.В ближайшее время организация серийного производства данного кабеля на нашем или любом другом заводе маловероятна, так как монтаж линий со сверхпроводниками производится крайне редко и очень малыми длинами (не более 1 км). Главная причина тому — стоимость ВТСП кабелей и их обслуживания (требуется постоянно прокачивать жидкий азот через кабель)».

Кабели постоянного тока

На сегодняшний день разработки в области создания ВТСП кабелей продолжаются. ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» ведут совместный НИОКР «Создание высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока на напряжение 20 кВ с током 2500 А длиной до 2500 м». Первый прототип будущей инновационной системы передачи энергии — два отрезка биполярного ВТСП кабеля по 30 м, разработанные в НТЦ ФСК ЕЭС и изготовленные на заводе «Иркутсккабель», — успешно прошли токовые и высоковольтные испытания в 2013 г.

В ноябре 2014 г. состоялись испытания комплекта преобразовательного оборудования для инновационной передачи электроэнергии мощностью 50 МВт с использованием сверхпроводящего кабеля длиной в несколько сотен метров. Применение ВТСП кабеля для электроснабжения крупных городов позволит добиться уменьшения площадей землеотводов, отказаться от строительства воздушных линий и снизить потери электроэнергии.В НТЦ ФСК ЕЭС отмечают, что кабельная линия постоянного тока на основе ВТСП обладает рядом достоинств по сравнению с линией переменного тока. Она не только позволяет передавать мощность с минимальными потерями, но и ограничивать токи короткого замыкания, регулировать реактивную мощность, управлять потоками мощности и обеспечивать ее реверс.

«Приятно осознавать, что российские разработчики ВТСП кабелей находятся на передовых рубежах, — говорит Виталий Высоцкий, д.т.н., академик АЭН РФ, директор научного направления — зав. отделением сверхпроводящих проводов и кабелей ОАО «ВНИИКП». — Например, кабель 200 м являлся крупнейшим в Европе в 2009-2013 гг., и только в 2014 г. в Германии был установлен кабель длиной 1 км. Но и этот рекорд будет перекрыт с испытанием кабеля 2,5 км для С.-Петербурга».

От господдержки — к частным инвестициям

Эксперты прогнозируют достаточно активное развитие мирового и российского рынка сверхпроводников. Так, Андрей Вавилов, председатель Совета Директоров ЗАО «СуперОкс», отмечает, что объем мирового рынка ВТСП удваивается каждый год и в 2017 г. достигнет $1 млрд, при этом долю РФ в мировом рынке можно оценить примерно в 10%.

«Рынок сверхпроводимости для электроэнергетики обязан развиваться, поскольку плотность потребления энергии постоянно растет и без сверхпроводимости поддерживать растущие запросы невозможно», — уверен Виталий Высоцкий. — Однако энергетики весьма консервативны по отношению ко всему новому, да еще и дорогостоящему. Поэтому пока главная задача — все-таки продвижение новых проектов с поддержкой государственных организаций. Это станет доказательством надежности и эффективности сверхпроводящих устройств. Появление новых проектов вызовет спрос на производство ВТСП лент, увеличение их выпуска и снижение цены, что опять же поможет развитию рынка».

«На данной стадии комплексное решение всех поставленных задач невозможно без всесторонней помощи государства, но с каждым годом повышается инвестиционная привлекательность ВТСП техники, что позволяет с высокой долей уверенности ожидать притока частных инвестиций в ее дальнейшее коммерческое развитие»,

— соглашается с коллегой Виктор Панцырный.

Экспертов радует, что в целом на уровне государства есть понимание значимости сверхпроводниковых технологий.

«Развитие сверхпроводниковой индустрии имеет общенациональное значение и является важной составной частью перехода на инновационный путь развития экономики страны. Это было недавно констатировано на расширенном заседании Консультативного Совета при председателе Комитета Государственной Думы по энергетике ФС РФ, где, в частности, было отмечено, что для обеспечения экономической и политической независимости России стратегически необходимо иметь отечественное производство низко- и высокотемпературных сверхпроводящих материалов, сверхпроводниковых устройств и изделий на их основе»,

— сообщает Виктор Панцырный.

Планы на будущее

Мы попросили экспертов оценить, какие сферы применения сверхпроводимости, на их взгляд, наиболее перспективны и где можно ожидать коммерческого использования технологии в ближайшие годы.

«Как и во всем мире, в России сегодня наиболее продвинуты проекты сверхпроводящих кабелей. Они должны и, надеемся, будут развиваться, — рассказывает Виталий Высоцкий. — Сверхпроводящие кабели на основе ВТСП — уже сейчас чисто коммерческий продукт, правда, пока еще достаточно дорогой. Он станет дешевле, когда начнется его широкое внедрение и потребуется значительное количество ВТСП лент, что и удешевит их производство.Однако, на мой взгляд, наиболее необходимыми и востребованными для электроэнергетики являются сверхпроводящие ограничители тока КЗ на уровни напряжения от 100 кВ и выше. Обычных устройств такого класса напряжения просто не существует, и без сверхпроводимости здесь просто не обойтись. Такие проекты уже обсуждаются в нашей стране. Кроме того, по моему мнению, хорошие перспективы имеют ВТСП машины для ветрогенераторов. Они сулят значительное (в разы) снижение веса единичного генератора и увеличение единичной мощности». 

«Сегодня драйвер развития рынка сверхпроводниковых изделий — электроэнергетика (силовые кабели и ограничители тока), — считает Андрей Вавилов. — Но и в ряде других отраслей имеется значительный потенциал. Например, сегодня разрабатываются варианты применения ВТСП провода как эффективной замены низкотемпературных сверхпроводников в ускорительной технике, используемой для науки, производства изотопов и медицины. В России имеются большие планы в этой области, в частности, по строительству современного коллайдера NICA в Дубне.Большой потенциал имеет создание эффективных вращающихся машин, имеющих уникальные тяговые характеристики, низкую массу и вес. Такие двигатели востребованы в первую очередь для обеспечения движения больших судов, а генераторы могут использоваться в возобновляемой энергетике.Совершенно новые перспективы сегодня открывает явление магнитной левитации. Это не только транспортные системы, но и бесконтактные манипуляторы, а также долговечные подшипники с широким спектром применения».

«Дальнейшее развитие высокотемпературной сверхпроводимости будет иметь выраженный мультипликативный эффект не только в электроэнергетике, но и в иных отраслях, таких как космический, авиационный, морской, автомобильный и железнодорожный транспорт, машиностроение, металлургия, электроника, медицина, ускорительная техника. Технологии сверхпроводимости также важны и для укрепления обороноспособности страны»,

— убежден Виктор Панцырный.

Одним словом, дальнейшее развитие технологий на основе сверхпроводимости открывает перед человечеством огромные перспективы, причем уже в обозримом времени.

 

www.atomic-energy.ru

7. Сверхпроводимость | 11. Физика проводников и диэлектриков | Часть1

7. Сверхпроводимость

Сверхпроводимость

При охлаждении проводящих материалов до сверхнизких температур (находящихся вблизи абсолютного нуля, - 273 o C), они полностью теряют свое электрическое сопротивление. Следует отметить, что сверхпроводимость - это не постепенная потеря проводником сопротивления при понижении температуры, а скорее резкое снижение его удельного сопротивления от определенного значения до нуля. Сверхпроводящий материал не имеет абсолютно никакого сопротивления.

Сверхпроводимость была обнаружена Хейке Камерлинг-Оннесом в Лейденском университете (Нидерланды) в 1908 году. Онесс разработал метод сжижения гелия, который позволял охлаждать материалы до температур, близких к абсолютному нулю. Решив исследовать изменение электрического сопротивления ртути при охлаждении до полученного минимума температуры, он неожиданно обнаружил, что при 3 Кельвинах (около −270 °C) сопротивление ртути практически равно нулю. Эксперимент, проведённый 11 мая 1911 года, показал, что резкий скачок сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 К (позднее, более точные измерения показали, что эта температура равна 4,15 К).

В настоящее время существует несколько теорий, объясняющих сверхпроводимость. Одна из таких теорий гласит, что электроны объединяются вместе и "путешествуют" по сверхпроводнику парами (так называемые куперовские пары), что имеет некоторое отношение к отсутствию трения в потоке. Достаточно интересным является и другое свойство сверхнизких температур - сверхтекучесть. Это свойство характерно для некоторых жидкостей (особенно для жидкого гелия), и приводит к созданию такого потока молекул, в котором так же отсутствует трение.

Практическое применение  сверхпроводимости в обозримом будущем обещает экстраординарные возможности электрическим цепям. Полностью устраненное сопротивление проводов позволит избежать потерь мощности  в системах электроснабжения. Электродвигатели будут иметь практически идеальную (100%) эффективность. Такие компоненты, как конденсаторы и катушки индуктивности, идеальные характеристики которых обычно портятся сопротивлением проводников, будут идеальными в прямом смысле этого слова. Уже сейчас на основе сверхпроводимости изготавливаются провода, двигатели и конденсаторы, но их практическое использование ограничено проблемами, связанными с поддержанием сверхнизких температур.

Пороговая температура, при которой проводящий материал переходит от нормальной проводимости к сверхпроводимости, называется критической температурой перехода. Для "классических" сверхпроводников эта температура находится в криогенном диапазоне (вблизи абсолютного нуля), но в последнее время достигнут значительный прогресс в разработке "высокотемпературных" сверхпроводников, которые сверхпроводят при более высоких температурах. Один из видов таких сверхпроводников представляет собой керамическую смесь бария, иттрия, меди и кислорода. Этот материал переходит в сверхпроводящее состояние при температуре  - 160 °C. В идеале, сверхпроводник должен работать в диапазоне температур окружающей среды, или, по крайней мере, в пределах температур недорогого холодильного оборудования.

Критические температуры перехода некоторых материалов приведены в следующей таблице:

 

Материал

Критическая температура (К)

Алюминий 1,20
Кадмий 0,56
Свинец 7,2
Ртуть 4,16
Ниобий 8,70
Торий 1,37
Олово 3,72
Титан 0,39
Уран 1,0
Цинк 0,91
Ниобий/Олово (сплав) 18,1
Сульфид меди 1,6

 

Сверхпроводящие материалы очень интересно взаимодействуют с магнитными полями. При переходе в сверхпроводящее состояние, магнитное поле полностью вытесняется из объема проводника. Такое явление известно как эффект Мейснера. Суть данного эффекта заключается в существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его. Достаточно сильное магнитное поле при данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Нc  которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина Нc возрастает. Проще говоря, присутствие любого магнитного поля приводит к снижению критической температуры перехода сверхпроводящего материала: чем больше магнитное поле, тем при более низкой температуре материал перейдет в сверхпроводящее состояние.

Это еще одно практическое ограничение применения сверхпроводников в схемотехнике, так как электрический ток в любом проводнике создает магнитное поле. Даже при том, что сверхпроводящий провод обладает нулевым сопротивлением (абсолютно не препятствует прохождению тока), благодаря наличию критического поля существует определенный предел того, сколько тока через него сможет пройти.

Сверхпроводящие цепи демонстрируют поистине уникальные возможности. Например, в замкнутом сверхпроводящем проводе можно поддерживать бесконечно большие токи при нулевом приложенном напряжении!

 

 

Подобные сверхпроводящие кольца способны без приложенного напряжения поддерживать постоянный ток в течение многих лет (это было доказано экспериментально). Предел времени существования тока в данной цепи до сих пор ни кому не известен. Если вы подумали, что это и есть вечный двигатель, то возможно оказались правы. Вопреки распространенному мнению, законов физики, запрещающих вечный двигатель, не существует. Законы физики запрещают, скорее, существование машин или систем, которые производят больше энергии, чем потребляют.

Сверхпроводники предлагают и некоторые необычные возможности, не имеющие ничего общего с Законом Ома. Одной из таких возможностей является создание устройства под названием Контакт Джозефсона. Суть его заключается в протекании сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Это устройство действует как своеобразное реле (без подвижных частей), в котором один ток управляет другим. Небольшие размеры и малое время переключения Контакта Джозефсона могут создать альтернативу полупроводниковым транзисторам.

www.radiomexanik.spb.ru


Смотрите также