Сверхпроводящая электрическая машина - Superconducting electric machine

Сверхпроводящие электрические машины находятся электромеханические системы которые полагаются на использование одного или нескольких сверхпроводящий элементы. Поскольку сверхпроводники не имеют ОКРУГ КОЛУМБИЯ сопротивление, у них обычно больше эффективность. Самый важный параметр, который представляет наибольший интерес в сверхпроводящей машине, - это создание очень сильного магнитного поля, которое невозможно в обычной машине. Это приводит к значительному уменьшению объема мотора; что означает значительное увеличение удельной мощности. Однако, поскольку сверхпроводники имеют нулевое сопротивление только при определенной температуре сверхпроводящего перехода, Тc что на сотни градусов ниже комнатной температуры, криогеника необходимы.

История

ОКРУГ КОЛУМБИЯ униполярные машины - одни из самых старых электрические машины. Майкл Фарадей сделал один в 1831 году.[нужна цитата ] Сверхпроводящий Униполярные машины постоянного тока используют сверхпроводники в своих стационарных обмотки возбуждения и нормально проводники в их вращающейся обмотке звукоснимателя. В 2005 г. General Atomics компания получила контракт на создание большого низкоскоростного сверхпроводящего униполярный двигатель за корабль двигательная установка.[1] Сверхпроводящий униполярные генераторы считались импульсная мощность источники для лазерное оружие системы. Однако униполярные машины не подходят для большинства приложений.

В прошлом экспериментальные синхронные сверхпроводящие машины переменного тока изготавливались с роторами, в которых использовались низкотемпературные металлические сверхпроводники, которые демонстрируют сверхпроводимость при охлаждении жидкий гелий. Они работали, однако высокая стоимость охлаждения жидким гелием делала их слишком дорогими для большинства приложений.

Совсем недавно синхронные сверхпроводящие машины переменного тока были сделаны с керамика роторные проводники, показывающие высокотемпературная сверхпроводимость. У них есть жидкий азот охлаждаемые керамические сверхпроводники в их роторах. Керамические сверхпроводники также называют высокотемпературными или сверхпроводниками с жидким азотом. Поскольку жидкий азот является относительно недорогим и более простым в обращении, существует больший интерес к машинам с керамическими сверхпроводниками, чем к машинам с металлическими сверхпроводниками, охлаждаемыми жидким гелием.

Настоящий интерес

В настоящее время интерес к синхронным керамическим сверхпроводящим машинам переменного тока проявляется в более крупных машинах, таких как генераторы используется в служебных и корабельных электростанции и моторы используется в двигательной установке корабля. Американский сверхпроводник и Northrop Grumman Создан и продемонстрирован судовой керамический сверхпроводящий двигательный двигатель мощностью 36,5 МВт.

Поскольку они легкие и, следовательно, предлагают более низкие затраты на мачту и строительство, они рассматриваются как многообещающая технология генераторов для Ветряные турбины. С помощью сверхпроводящих генераторов можно было бы уменьшить вес и объем генераторов по сравнению с синхронными генераторами с прямым приводом, что могло бы привести к снижению стоимости всей турбины.[2] Первые коммерческие турбины планируется установить примерно в 2020 году.[3]

Преимущества и недостатки сверхпроводящих электрических машин

По сравнению с обычной кондукторной машиной

Сверхпроводящие электрические машины обычно имеют следующие преимущества:

  1. Уменьшение резистивных потерь, но только в электромагните ротора.
  2. Уменьшение габаритов и веса в расчете на мощность без учета холодильного оборудования.

Также есть следующие недостатки:

  1. Стоимость, размер, вес и сложности системы охлаждения.
  2. Внезапное уменьшение или прекращение работы двигателя или генератора, если сверхпроводники выйти из своего сверхпроводящего состояния.
  3. Большая тенденция к нестабильности скорости вращения ротора. Сверхпроводящий ротор не обладает характерным демпфированием обычного ротора. Его скорость может колебаться вокруг синхронной скорости.
  4. Мотор подшипники должны выдерживать холод или иметь изоляцию от холодного ротора.
  5. Для синхронного двигателя электронное управление необходимо для практической работы. Электронное управление приводит к дорогостоящим потерям гармоник в электромагнитах переохлажденного ротора.

Высокотемпературные сверхпроводники против низкотемпературных сверхпроводников

  1. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) становятся сверхпроводящими при более доступных температурах жидкого азота, что намного экономичнее, чем жидкий гелий, который обычно используется в низкотемпературных сверхпроводниках.
  2. ВТСП - это керамика, и они хрупки по сравнению с обычными сверхпроводниками из металлических сплавов, такими как ниобий-титановый.
  3. Керамические сверхпроводники нельзя скреплять болтами или сваривать вместе для образования сверхпроводящих переходов. Керамические сверхпроводники должны быть отлиты в их окончательной форме при создании. Это может увеличить производственные затраты.[нужна цитата ]
  4. Керамические сверхпроводники легче вывести из состояния сверхпроводимости с помощью осциллирующих магнитных полей. Это может быть проблемой во время переходных процессов, например, при внезапном изменении нагрузки или питания.[нужна цитата ]

Рекомендации

  1. ^ «General Atomics разработает и изготовит усовершенствованный маршевый двигатель для ВМС США».
  2. ^ Ислам и др., Обзор гондолы морской ветряной турбины: технические проблемы и тенденции исследований и разработок. В: Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии 33, (2014), 161–176, Дои:10.1016 / j.rser.2014.01.085
  3. ^ Supraleitende Generatoren: Industrielle Fertigung ab 2020. В: Energie und Technik, 12 мая 2015 г. Дата обращения 24 декабря 2015 г.

дальнейшее чтение

  • Бамби, Дж. Р., Сверхпроводящие вращающиеся электрические машины, Оксфорд: Clarendon Press, 192 страницы, 1983.
  • Кульман, Дж. Х., «Проектирование электрических аппаратов», 3-е издание; Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 512 страниц, 1950. <Обратите внимание, в этой книге не рассматриваются сверхпроводящие машины. Тем не менее, он предоставляет прекрасную подробную информацию о конструкции, которую можно использовать при проектировании сверхпроводящей машины.>
  • Таббс, С. П., Разработка и анализ сверхпроводящего высокоскоростного синхронного / асинхронного двигателя, ProQuest Direct Complete Database, публикация № AAT LD03278, 227 страниц, 1995. <Оценка литературы, анализ, экспериментальные результаты и большая библиография.>

внешняя ссылка

  • American Superconductor, синхронные сверхпроводящие керамические двигатели и генераторы переменного тока http://www.amsc.com/
  • General Atomics, униполярный сверхпроводящий двигатель постоянного тока http://atg.ga.com/EM/defense/dc-motor/index.php