高温超导磁悬浮.docx
- 文档编号:13457793
- 上传时间:2023-06-14
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:231.62KB
高温超导磁悬浮.docx
《高温超导磁悬浮.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高温超导磁悬浮.docx(11页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
高温超导磁悬浮
高温超导材料与磁悬浮技术的发展
摘要:
简要介绍了超导的原理和物理性质并对高温超导材料的应用进行了评述,并在此基础上介绍了高温超导磁悬浮符技术的最具代表性的高温超导磁悬浮轴承(SMB)的基本原理同时列举了世界各国的代表性SMB样机,最后对SMB的发展应用进行了概述。
关键词:
高温超导、基本原理、SMB、发展应用
1引言
由于具有零电阻、抗磁性和量子隧道效应等奇特的物理特性,超导体自从其被发现以来,超导电性及其应用一直是当代科学技术中最活跃的前沿研究领域之一。
20世纪80年代后期高温超导的发现,在全球掀起了一股“超导热”。
在众多领域中,超导技术的应用具有非常突出的优点和不可取代的作用。
随着高温超导材料和低温制冷技术的迅速发展,使超导技术的应用进步步伐迅速加快。
超导技术在能源、信息、交通、科学仪器、医疗技术、国防以及重大科学工程等方面均具有重要的应用价值,具有重要的战略意义。
根据第五届国际超导工业峰会预测,高温超导应用技术的全球超导产业到2020年将达到2400亿美元以上。
超导技术是21世纪具有光明前景的高新技术。
2超导的基本概述和基本原理
2.1超导的定义
物质在超低温下失去电阻的性质称为超导电性,具有这种性质的物质称为超导体,超导体在电阻消失以前的状态称为常导状态,电阻消失以后的状态称为超导状态。
2.2超导材料的基本物理性质
(1)零电阻现象,实际晶体即使温度降到零时,其电阻率也不为零,仍然留有一定的剩余电阻率。
金属的纯度愈低,剩余电阻率愈大。
道题的零电阻现象和常导体的零电阻实质上截然不同。
当温度T降至Tc或者以下时,超导体的电阻率突然变为了零,这就是超导体的零电阻现象。
(2)完全抗磁性,又称为麦斯纳效应。
衡量一种材料是否是超导体,必须看其是否同时具有零电阻现象和麦斯纳效应。
麦斯纳效应也揭了超导体的零电阻和理想导体的零电阻有着本质的不同,对于导体,即使是在理想状态下,电阻趋于零时,导体内部的磁通量密度取决于R=0时的磁通状态;对于超导体,在超导状态下,内部的磁通量密度总是等于零。
(3)约瑟夫森效应。
与半导体材料器件、热电偶器件类似,超导体也存在结的概念。
考虑两超导体中间被很薄的绝缘层隔开,绝缘层的厚度非常小,以至于库珀对可以通过隧道效应穿过超导结
2.2超导体的基本理论
超导现象于1911年发现,但直到1957年,美国科学家巴丁、库珀和施里弗在《物理学评论》提出BCS理论,其微观机理才得到一个令人满意的解释。
BCS理论把超导现象看作一种宏观量子效应。
它提出,金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”,库珀对在晶格当中可以无损耗的运动,形成超导电流。
在BCS理论提出的同时,博戈留波夫(Bogoliubov)也独立的提出了超导电性的量子力学解释。
它使用的博戈留波夫变换至今为人常用。
电子间的直接相互作用是相互排斥的库仑力。
如果仅仅存在库仑直接作用的话,电子不能形成配对。
但电子间还存在以晶格振动(声子)为媒介的间接相互作用。
电子间的这种相互作用是相互吸引的,正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。
大致上,其机理如下:
电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷,导致格点的局部畸变,形成一个局域的高正电荷区。
这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子,和原来的电子以一定的结合能相结合配对。
在很低的温度下,这个结合能可能高于晶格原子振动的能量,这样,电子对将不会和晶格发生能量交换,也就没有电阻,形成所谓“超导”。
巴丁、库珀和施里弗因为提出超导电性的BCS理论而获得1972年的诺贝尔物理学奖。
不过,BCS理论并无法成功的解释所谓第二类超导,或高温超导的现象。
3高温超导材料
对于超导现象,BCS 理论给出了比较满意的解释。
而在应用方面,超导现象具有很宽敞的应用空间,具有很高的应用价值。
到了现代,人们一直致力于对超导材料的研究。
在 1968 年以前,高温超导材料的研究处于停滞状况,一直在探索,但是没有较大的进展。
此时人们提出疑问,临界温度一直 在十几K、二十几K。
对于这么低的临界温度超导材料的应用价值何在?
能否有更高的临界温度?
能否在常温下就有超导现象产生?
1986年10月,柏诺兹等人提出了他们在Ba-La-Cu-O系统中获得了Tc为33K左右的报道。
同年12月15日,休斯顿大学报告了在处于压力下的La-Ba-Cu-O化合物体系中获得40.2K的超导转变。
同年12月26日,中科院物理研究所宣布,他们成功地获得转变温度48.6K的超导材料。
到1987年2月6日。
朱经武的试验小组在92K处观察到了超导转变。
同年2月24日,中科院物理研究所赵忠贤领导的研究集体宣布,液氮温区超导体起始转变温度在100K左右。
这时期超导临界温度突破液氮沸点77K大关,液氮代替了液氢,为超导技术实际应用展开了广阔的前景,对人类具有划时代的意义。
4高温超导材料的发展和应用
高温超导材料从单一的稀土系发展到铋系、铊系,目前又出现了130k的不含铜TI-Sr-V-o高温超导体。
高温超导材料的用途非常广阔,大致可分为三类:
大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用.大电流应用即前述的超导发电、输电和储能;电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等;抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等.
超导磁悬浮列车利用超导材料的抗磁性,将超导材料放在一块永久磁体的上方,由于磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在磁体上方.利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车.
超导计算机高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列,但密集排列的电路在工作时会发生大量的热,而散热是超大规模集成电路面临的难题.超导计算机中的超大规模集成电路,其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作,不存在散热问题,同时计算机的运算速度大大提高.此外,科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管,甚至完全用超导体来制作晶体管.
核聚变反应堆“磁封闭体”核聚变反应时,内部温度高达1亿~2亿℃,没有任何常规材料可以包容这些物质.而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”,将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来,然后慢慢释放,从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源,由此原理制作而成的被称为中国“人造太阳”的全超导托卡马克核聚变实验装置EAST已取得了突破性进展。
当然,超导材料最诱人的应用还是在于发电、输电和储能方面。
由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性,因此只需消耗极少的电能,就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。
而用常规导体做磁体,要产生这么大的磁场,需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水,投资巨大。
超导磁体也可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。
超导发电机,在电力领域,利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万~6万高斯,并且几乎没有能量损失,这种发电机便是交流超导发电机。
超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5~10倍,达1万兆瓦,而体积却减少1/2,整机重量减轻1/3,发电效率提高50%。
磁流体发电机,磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助.磁流体发电发电,是利用高温导电性气体(等离子体)作导体,并高速通过磁场强度为5万~6万高斯的强磁场而发电.磁流体发电机的结构非常简单,用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。
超导输电线路,超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器,从而把电力几乎无损耗地输送给用户.据统计,目前的铜或铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线路上,光是在中国,每年的电力损失即达1000多亿度.若改为超导输电,节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。
我国大城市发展迅速,城市需电量快速上升,但市政建设落后,向市区送电十分困难。
由于国民环保意识的加强,在市区新建高压架空线已经很难;而我国城市地下管道系统规划水平落后,再铺设大容量的电缆也有很大的难度。
与相同直径的常规电缆相比,高温超导电缆的输电能力要大3-5倍,并且不需要通风冷却的通道,因此占用空间小,开挖铺设的工作量少。
这样,在市区铺设高温超导电缆会更加经济可行。
另外,高温超导电缆由于能比相同截面的常规电缆输送大得多的电流,可实现用较低的电压来送相同的电能,也就是说可用配电线路的电压送输电线路的电能来向超大城市供电。
例如在城市中心地带很难建造变电站,在这种情况下,可以将变电站建在市中心以外的地方,从变压器的次级用高温超导电缆以较低的电压向市中心送电。
研究表明,使用高温超导电缆的综合经济效益也是可接受的。
。
5高温超导磁悬浮技术
5.1超导磁悬浮和轴承的定义
超导磁悬浮主要是利用低温超导材料和高温超导材料实现悬浮的一种方式,低温超导技术采用在列车车轮旁边安装小型超导磁体,在列车向前行驶时,超导磁体则向轨道产生强大的磁场,并和安装在轨道两旁的铝环相互作用,产生一种向上浮力,消除车轮与钢轨的摩擦力,起到加快车速的作用。
高温超导磁悬浮是一项利用高温超导块材磁通钉扎特性,而不需要主动控制就能实现稳定悬浮的技术。
超导悬浮系统是超导体最有希望的应用领域之一,高温超导体出现后,由于其自身的钉扎特性使超导悬浮系统能实现自稳定的悬浮,作为超导悬浮技术最具有代表性的应用之一,高温超导磁悬浮轴承具有无源、高速、低损、无摩擦、无润滑等优点,掀起了世界范围内的高温超导研究热潮。
轴承定义为支持轴旋转并保持其正确的位置,支承轴颈、耳轴、枢轴、短轴或其他部件,并使轴等在其中转动、摆动或滑动的机器部件。
其主要作用是减轻两个相对运动的机械零件之间的摩擦。
工业生产中使用较多的有机械轴承(MB)、电磁轴承(AMB)和永磁轴承(PMB)。
机械轴承的结构简单,但是易磨损,需要维护。
由于摩擦力大,限制了旋转机械的转速。
电磁轴承是一种悬浮轴承,它的摩擦力比机械轴承小,但是需要外部电源和控制系统,增加了使用的复杂度。
永磁轴承结构简单,但是缺乏自稳定性,无法单独使用。
磁力轴承是利用磁场力作用将转子悬浮于空间,使转子与定子之间不发生接触的一种新型高性能轴承。
主动磁轴承(AMB)技术最为成熟,已经应用于旋转机械中,但由于其动态稳定性能取决于自身复杂的控制系统,因此系统可靠性成为一个潜在的安全隐患。
而基于无源自稳定高温超导磁悬浮技术的高温超导磁悬浮轴承(SMB)不存在上述问题,展现出巨大的发展潜力。
5.2高温超导轴承(SMB)的工作原理
高温超导磁悬浮技术最典型的演示就是一块永磁体可以稳定地悬浮或者悬挂在对应的高温超导块材的上方或者下方,并且施加给永磁体一个初始的转矩后,它就会围绕和块材相互作用力的对称轴旋转起来,其基本原理是,液氮温度下,块材进入超导混合态后,钉扎中心的磁通线被超导体俘获,当超导体俘获了足够的磁通时,便使转子自由悬浮在某一位置上;同时块材特有的磁通钉扎能力将阻止俘获磁通运动,保证侧向稳定性,从而实现了转子稳定悬浮。
在永磁体的运动过程中,屏蔽电流从超导块边缘逐渐向内部穿透,感应的屏蔽电流总是阻碍永磁体产生的外加磁场的变化,从而产生了超导体与永磁体和外加交变场的相互作用力—洛仑兹力,洛仑兹力的总体效果就是产生悬浮力。
一个完整的SMB系统主要包括定子、转子和低温装置三部分。
由于高温超导体材料需要冷却,一般由高温超导体作定子,永磁体作转子,按照两者相互作用力的方向,又分为轴向和径向两种类型。
轴向型SMB中高温超导体定子和永磁体转子之间的悬浮力指向转轴方向并与之平行其特点是结构简单、制作容易,尤以美国波音公司研制的轴向型SMB样机性能最好且最具代表性;而径向型SMB中高温超导体定子和永磁体转子之间的悬浮力指向转子半径方向,与转轴方向垂直,其特点是结构紧凑、负载灵活,不改变主轴大小即可以通过沿轴向增加定子中高温超导块材的数量来提高承载能力和悬浮刚度,容易实现大承载能力和强刚度。
研究结果表明径向型SMB更贴近实际大尺寸应用,目前这种观点已被日本、德国和韩国小组接受并证实,第一个工业应用的SMB也是径向型SMB的代表。
基于高温超导体材料的磁通钉扎特性,SMB展现出许多优点:
(1)无源自稳定悬浮,无需额外控制环节。
(2)转速高,已实现520000r/min实验速度。
(3)损耗小,摩擦系数比机械轴承和常导(电磁)磁悬浮轴承的摩擦系数低几个数量级。
与现有的机械轴承和主动磁轴承相比,SMB的优越性主要体现在以上三点。
5.3SMB全尺寸样机研发现状
(1)美国Boeing公司,自1997年开始,美国波音公司和Argonne国家实验室合作开发商用高温超导飞轮储能系统,其研制的轴向型SMB主要用于提供飞轮主体的径向稳定。
在Argonne实验室前期十几年的研究基础上,该样机无疑是迄今性能最好和最具代表性的轴向型SMB样机代表。
目前该SMB已用于5kWh/100kW级别不间断电源(UPS)用途的飞轮储能样机的开发测试中,速度达22500r/min,同时基于此SMB样机的10kWh飞轮转子也正在制作中。
(2)德国Nexans超导体公司,德国Nexans超导体公司和德国不伦瑞克大学合作研制了直径约300mm的径向型SMB,并于2006年4月成功应用到西门子公司4MVA的发电机上,实现了第一个工业应用的SMB。
运行速度达3600r/min。
(3)德国ATZ公司,德国ATZ公司从1992年成立起就一直致力于SMB的应用研发,前期研制出了包括用于激光光束偏转扫描、离心机等在内的多台SMB样机,并实现了180000r/min的SMB高速旋转。
(4)日本ISTEC公司,日本ISTEC受日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)资助,从1995年开始研制飞轮储能用的SMB。
在深入分析了轴向和径向SMB的特点之后,基于径向SMB可以在不改变飞轮尺寸大小的情况下,沿轴向增加块材数量来提高SMB的承载能力和刚度,从而让整个系统更加紧凑的观点,在他们的方案中选择了径向型SMB。
其制作的样机在77K时悬浮力密度达到11N/cm2,在6000r/min的实验转速下,旋转损耗仅0.55W/N。
同时,针对高温超导体材料特有的磁通蠕动效应带来的悬浮力衰减的问题,提出了预载和过冷两种能有效抑制悬浮高度衰减的方法。
(5)韩国KEPRI公司,韩国电力研究院(KEPPI)从2000年左右开始进行高温超导飞轮储能技术研究工作,在2007年欧洲应用超导会议(EUCAS2007)上首次公布了开发100kWh高温飞轮储能系统的项目,并完成了配套的SMB设计与制作。
由于该小组项目尚处于核心阶段,技术参数处于保密状态,至今未正式公开发表过相关论文,更多的细节请留意该小组后续发表的文章。
该SMB面向的是迄今最大量级100kWh飞轮储能应用,其尺寸和性能将在前述小组的基础上再进一步。
上述5个SMB样机详细参数请见表2.
(6)国内研究小组,相比国外,国内对SMB研究起步较晚,研究单位也较少且多处于理论研究和概念设计阶段,与发达国家差距较大。
目前国内已有三台轴向型SMB样机。
其中,中科院电工所制作了一台混合SMB样机,转轴采用轴向型SMB、永磁轴承和电磁悬浮轴承共同支撑悬浮,SMB定子由7块直径30mm的YBCO块材拼成,对应转子由直径75mm的永磁圆环和直径20mm的永磁圆柱体组成,最高转速达到了9600r/min;北京交通大学也完成了一台集永磁、电磁、超导轴承一起的混合磁悬浮轴承样机,并顺利实现了悬浮演示;另外,西南交通大学超导技术研究所在高温超导磁悬浮车技术基础上,制作了一台双轴向型SMB样机。
其SMB驱动电机安装在转轴的正中间,电机转速通过变压器调节输入电压大小来控制。
该样机结构简单、直观,可用于高温超导磁悬浮原理、高温超导磁悬浮轴承以及高温超导飞轮储能技术原理演示。
5.4SMB的应用
相比其他轴承,SMB具有的非接触、无源、高速和低损耗等本质优点致使其具有巨大的工业应用前景和战略意义。
(1)低温机械应用。
低温机械中自带的低温环境为SMB提供了必备的工作温度,简化了SMB结构,降低了应用成本。
特别适合于液氢、液氦等低温泵、低温流量计、制冷机、低温储存罐、低温运输管道等的应用。
(2)宇航、太空应用。
太空中固有的低温环境也使得SMB具有明显的优势。
利用SMB转子高速旋转提供的旋转能量和角动量,可以在卫星中实现能量储存和姿态控制一体化,可显著减小其体积和重量。
此外,SMB还可以用于陀螺仪飞轮、人造卫星图片复印设备等。
(3)飞轮储能应用。
利用SMB的无摩擦高速旋转,通过飞轮转子把电能以机械能的形式储存,可达到每日1%的低损耗,可广泛应用于UPS、电力调峰、电力品质调节、可再生能源储存等,为解决目前日益严峻的能源问题提供了新的途径。
(4)现有的机械设备。
基于SMB卓越的无接触、自稳定性能可实现现有机械设备的性能升级。
如电动机/发电机、高速电动转轴、大直径磨床、高精度车床、真空泵、离心机、压缩机、膨胀机、汽轮和燃气轮机等。
(5)其他如重力计、天文望远镜、偏振计和风力发电设备叶轮轴承等的应用。
5.5结论
SMB展现出来的无源、高速、低损耗三大显著优点,使其优越于现有的机械轴承和电磁轴承,具有巨大的发展潜力。
因轴承为机械产品中的基础关键器件,SMB的出现必将对机械工业产生深远的影响,除了开发一些新产品之外,还可大幅度提高现有机器设备的性能。
伴随巨大的工业前景、发展潜力和经济效益,SMB有望成为本世纪最具竞争力和发展潜力的机械部件,其发展将深远的影响整个人类社会。
参考文献
[1]邓自刚王家素王素玉郑珺林群煦张娅.高温超导磁悬浮轴承研发现状.电工技术学报[J],2009,Vol.24,No.9.
[2]于志强张国民邱清泉胡磊张文峰.高温超导磁悬浮轴承的研究进展.电工电能新技术[J],2014,Vol.33,No.7.
[3]周耀辉谈国强.超导材料的发展状况.FOSHANCERAMICS[J],2005,Vol.115,No.5
[4]汪京荣冯勇张平祥.高温超导体应用进展和展望.稀有金属材料与工程[J],2000,Vol.29,No.5October2010.
[5]超导应用于意义电缆网.2012-05-13.
[6]SiemsSO,CandersWR,WalterH,etal.Superconductingmagneticbearingsfora2MW/10kWhclassenergystorageflywheelsystem[J].Supercond.Sci.Technol.,2004,17(5):
S229-S233.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高温 超导 磁悬浮