ES2909768T3 - Bomba de corriente superconductora - Google Patents

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Robert Andrew Slade
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Abstract

Una bomba de corriente superconductora dispuesta para hacer que una corriente eléctrica de CC fluya a través de un circuito superconductor (20) configurada para alojarse dentro de un recinto criogénico de un criostato (103) que tiene paredes aislantes térmicamente (30), comprendiendo el circuito superconductor una bobina o bobinas superconductoras (105) y uno o más elementos superconductores de hilo o cinta (201), comprendiendo la bomba de corriente un rotor (11) que comprende al menos en parte un yugo ferromagnético (15) y uno o más elementos generadores de campo magnético (12, 12a, 12b), y un estátor (21) que comprende al menos en parte un yugo ferromagnético (15) y uno o más elementos superconductores de hilo o cinta, en la que el rotor (11) está configurado para ser colocado fuera del recinto criogénico y el estátor (21) está configurado para ser colocado dentro del recinto criogénico (103), estando el rotor (11) y el estátor separados por un espacio (106) configurado para dejar pasar una pared termoaislante (30) de las paredes termoaislantes (30) del recinto criogénico, de manera que cada dicho yugo (15) concentra el flujo magnético de uno o más elementos generadores de campo magnético (12) en un circuito magnético a través del espacio (106) entre el rotor (11) y el estátor (21) y a través de la pared aislada térmicamente (30), penetrando el flujo magnético a través de la pared aislada térmicamente (30) y el uno o más elementos superconductores de hilo o cinta (201) del estátor (21) en un sentido, pasando el uno o más más elementos superconductores de hilo o cinta entre el rotor y el estátor que pasan entre el estátor (21) y uno o más elementos generadores de campo (12a, 12b) del rotor, y que salen del estátor a través de una región con densidad de flujo baja o nula , de modo que el movimiento del rotor (11) configurado para ser externo al recinto criogénico (103) en relación con el estátor (21) configurado para estar dentro del recinto criogénico (103) induce el flujo de una corriente continua en uno o más hilos o elementos superconductores de cinta (201) y en el circuito superconductor (20) configurado para ser colocado dentro del recinto criogénico (103), penetrando el flujo magnético en uno o más elementos superconductores de hilo o cinta con una densidad de flujo magnético lo suficientemente alta como para formar vórtices de flujo localizados a escala microscópica en uno o más más elementos superconductores de hilo o cinta, pero no como para eliminar una ruta de corriente superconductora suficiente para conducir la corriente CC neta que fluye en uno o más elementos superconductores de hilo o cinta a un nivel macroscópico.

Description

DESCRIPCIÓN
Bomba de corriente superconductora
Campo de la invención
La invención se refiere a una bomba de corriente superconductora para energizar un circuito superconductor.
Antecedentes
La producción comercial y la aplicación de hilo superconductor de alta temperatura (HTS) son bien conocidas. Los materiales superconductores de alta temperatura son superconductores de tipo II con una temperatura de transición superconductora alta (Tc ), típicamente Tc>77K. Las bobinas electromagnéticas devanadas con hilo HTS pueden lograr campos magnéticos altos debido a los niveles extremadamente bajos de disipación de calor a altas densidades de corriente cuando operan a temperaturas por debajo de Tc . Para mantener la temperatura por debajo de Tc es necesario albergar la bobina superconductora dentro de un criostato que esté acoplado a una fuente de refrigeración. La corriente eléctrica generalmente se suministra a un circuito superconductor HTS a través de un circuito eléctrico que incluye conductores de corriente hechos de un metal conductor normal. Estos conductores de corriente atraviesan la pared del criostato para conectar el circuito superconductor a una fuente de corriente eléctrica ubicada fuera del recinto del criostato. Dichos conductores de corriente son una fuente significativa de carga de calor en el entorno criogénico debido tanto a la conducción de calor a lo largo como a la disipación óhmica dentro de los conductores de corriente, que funcionan con corrientes elevadas. Además, la fuente de corriente eléctrica que la acompaña y los hilos de alta corriente tienen un gran tamaño, no son fáciles de transportar y son caros.
El hilo superconductor de baja temperatura (LTS) (tal como NbTi) se usa a menudo para formar bobinas electromagnéticas. El hilo LTS se puede unir con uniones superconductoras, lo que permite fabricar circuitos completamente superconductores. Los circuitos completamente superconductores se pueden excitar con una fuente de corriente externa de tal manera que se mantenga una corriente superconductora persistente alrededor del circuito después de que se elimine la fuente de corriente externa. Actualmente no es práctico lograr una unión superconductora entre conductores HTS en una situación de fabricación. Por lo tanto, los circuitos HTS no pueden operar en modo de corriente persistente y es necesario dejar la fuente de corriente externa conectada en todo momento para equilibrar las pérdidas en las uniones resistivas del circuito superconductor.
Se ha utilizado la inducción electromagnética para generar una corriente dentro del circuito superconductor sin conexión física al circuito. Los aparatos que emplean este enfoque se han denominado anteriormente "dínamo de CC superconductora" o "bomba de flujo superconductora". El término "bomba de flujo" se utiliza para referirse a una amplia gama de dispositivos que inducen una magnetización persistente dentro de un material superconductor en bruto o producen una corriente neta que fluye alrededor de un circuito superconductor. En esta especificación, el término "bomba de corriente superconductora" se refiere a un dispositivo que induce el flujo de una corriente neta alrededor de un circuito superconductor. Los términos "bomba de flujo rotatorio" y "bomba de corriente" se usan indistintamente en esta especificación.
Las bombas de flujo superconductor se pueden clasificar en general como bombas de flujo de tipo conmutado o bombas de flujo de tipo rotatorio. Una bomba de flujo conmutado no tiene partes móviles y el bombeo de flujo se logra mediante el uso de conmutadores en el circuito. Por ejemplo, la publicación de solicitud de patente internacional WO2010/070319 informa sobre una bomba de flujo que magnetiza una pieza en bruto de material superconductor de alta temperatura (HTS) mediante el uso de material magnético conmutable. Las bombas de flujo rotatorio tienen partes móviles que incluyen un rotor que se mueve en relación con un estátor que contiene parte de un circuito superconductor que se va a energizar. El rotor lleva una fuente de flujo magnético, como uno o más imanes permanentes. El rotor se coloca cerca del estátor para que el flujo magnético de la fuente penetre en una sección del circuito superconductor y atraviese el superconductor para inducir una corriente en el circuito superconductor. Una bomba de flujo giratoria requiere que el espacio entre el rotor y el estátor sea inferior a unos pocos milímetros, para generar suficiente densidad de flujo en los elementos del circuito superconductor en el estátor para permitir que ocurra el bombeo de corriente. Las piezas giratorias se colocan dentro del criostato y un acoplamiento mecánico penetra en la pared del criostato para conectar el rotor a una fuente de movimiento giratorio, tal como un motor eléctrico. Las bombas de flujo rotativo se han utilizado con materiales superconductores de Tipo I o Tipo II que tienen una variedad de temperaturas de transición que van desde NbTi (Tc = 9,2 K) hasta YBCO (Tc = 95 K). El rotor y el estátor pueden disponerse convenientemente en una geometría de flujo radial o una geometría de flujo axial o una combinación de las mismas. La geometría de flujo radial significa que las piezas del rotor y el estátor están dispuestas alrededor de un eje concéntrico común de modo que los enlaces de flujo cruzan un espacio radial entre el estátor y el rotor. La geometría de flujo axial significa que las piezas del estátor y el rotor se desplazan linealmente a lo largo de un eje común, de modo que el flujo se une a través de un espacio axial formado entre el estátor y el rotor. Por ejemplo, la disposición de la bomba de flujo explicada en la publicación de solicitud de patente internacional WO2012/018265 tiene un rotor que lleva una serie de imanes permanentes que giran muy cerca de un hilo de estátor HTS para inducir una corriente en el circuito superconductor.
La especificación de la patente japonesa JP366007 describe una bomba de flujo giratoria en la que el rotor se coloca dentro del criostato y un acoplamiento mecánico penetra en la pared del criostato para conectar el rotor a un motor eléctrico.
La especificación de la patente japonesa H10-177900 describe una bomba de flujo giratoria en la que giran dos polos de rotor de polaridad opuesta, moviendo flujos de polaridad opuesta que penetran en e1HTS, y el flujo de cada imán en movimiento excede el campo crítico (Bc) del HTS localmente en el punto (en movimiento) en el que el flujo penetra en el HTS, para formar un punto normal en movimiento.
Es un objeto de la invención mejorar las bombas de flujo superconductoras conocidas y su aplicación a un circuito superconductor que incluye una bobina electromagnética o al menos proporcionar al público una opción útil.
En esta especificación, cuando se ha hecho referencia a fuentes externas de información, incluidas especificaciones de patentes y otros documentos, generalmente se hace con el fin de proporcionar un contexto para describir las características de la presente invención. A menos que se indique lo contrario, la referencia a dichas fuentes de información no debe interpretarse, en ninguna jurisdicción, como una admisión de que dichas fuentes de información forman parte de la técnica anterior o forman parte del conocimiento general común en la técnica.
Sumario de la invención
La invención comprende una bomba de corriente superconductora dispuesta para hacer que una corriente eléctrica de CC fluya a través de un circuito superconductor (20) alojado dentro de un recinto criogénico de un criostato que tiene paredes térmicamente aislantes (103), comprendiendo el circuito superconductor una bobina o bobinas superconductoras (105 ) y uno o más elementos superconductores de hilo o cinta (201), comprendiendo la bomba de corriente un rotor (11) que comprende al menos en parte un yugo ferromagnético (15) y uno o más elementos generadores de campo magnético (12), y un estátor ( 21) que comprende al menos en parte un yugo ferromagnético (15) y que comprende uno o más elementos superconductores de hilo o cinta, en el que el rotor (11) está configurado para ser colocado en el exterior del recinto criogénico y el estátor (21) está configurado para ser colocado dentro del recinto criogénico (103), estando el rotor (11) y el estátor separados por un espacio (106) configurado para dejar pasar una pared termoaislante (30) de las paredes termoaislantes (30) del recinto criogénico, de manera que cada uno de dichos yugos (15) concentra el flujo magnético de uno o más elementos generadores de campo magnético (12) en un circuito magnético a través del espacio (106) entre el rotor (11) y el estátor (21) y a través de la pared térmicamente aislante (30), atravesando el flujo magnético a través de la pared (30) y uno o más elementos superconductores de hilo o cinta (201) del estátor (21) en un sentido, pasando el uno o más hilos o cintas superconductores entre el rotor y el estátor y saliendo del estátor a través de una región con baja o nula densidad de flujo, de modo que el movimiento del rotor (11) configurado para estar colocado fuera del recinto criogénico (103) en relación con el estátor ( 21) configurado para estar colocado dentro del recinto criogénico (103) induce un flujo de corriente continua tc en uno o más elementos superconductores de hilo o cinta (201) y en el circuito superconductor (20) configurado para estar colocado dentro del recinto criogénico (103). El flujo magnético que penetra el uno o más elementos superconductores de hilo o cinta con una densidad de flujo magnético lo suficientemente alta como para formar vórtices de flujo localizados a escala microscópica en uno o más elementos superconductores de hilo o cinta, pero sin eliminar una ruta de corriente superconductora suficiente para conducir la corriente continua neta que fluye en uno o más elementos superconductores de hilo o cinta a nivel macroscópico.
La bomba de corriente está dispuesta para mover los elementos generadores de campo magnético en relación con los elementos superconductores, provocando así que los vórtices de flujo se muevan a través de los elementos superconductores, de modo que haya un flujo neto de flujo magnético que atraviese el elemento superconductor y conduzca una corriente alrededor del circuito superconductor al inducir una fuerza electromotriz que desarrolla una tensión de accionamiento a través de la impedancia del circuito superconductor.
En al menos algunas realizaciones, el circuito superconductor comprende una o más bobinas superconductoras a ser energizadas y que tienen suficiente inductancia para acumular corriente de forma incremental a medida que la corriente en el circuito magnético aumenta gradualmente por la acción de los elementos generadores de campo magnético en movimiento que atraviesan los elementos superconductores.
El circuito magnético formado entre el rotor y el yugo del estátor está dispuesto de manera que el flujo magnético que penetra en los elementos superconductores sigue un camino de retorno al yugo del rotor que no penetra en el circuito superconductor.
En al menos algunas realizaciones, los elementos generadores de campo magnético comprenden al menos uno o una combinación de imanes permanentes, electroimanes y similares. En una forma, los elementos generadores de campo magnético pueden comprender solo uno o más imanes permanentes.
En una forma, el rotor y el estátor se desplazan axialmente entre sí para formar un espacio en un sentido sustancialmente paralelo a un eje de rotación del rotor. Alternativamente, el rotor y el estátor están dispuestos concéntricamente para formar un espacio radial en un sentido que es sustancialmente perpendicular a un eje de rotación del rotor.
En al menos algunas realizaciones, el espacio está en el rango de aproximadamente 2-30 mm. Más preferiblemente, el espacio es mayor de aproximadamente 6 mm o mayor de aproximadamente 10 mm o mayor de aproximadamente 15 mm. En otra forma, el espacio puede ser superior a unos 30 mm.
En una forma, los yugos del estátor y del rotor tienen forma cilíndrica y los elementos superconductores están dispuestos en una superficie del cilindro del estátor, y los elementos generadores de campo magnético están dispuestos en una superficie del cilindro del rotor. .
En al menos algunas realizaciones, el conjunto de rotor cilíndrico está ubicado dentro o fuera del conjunto de estátor cilíndrico, y en donde la pared del criostato está dispuesta para evitar cualquier elemento reentrante a través de la pared del criostato.
En otra forma, los yugos del estátor y del rotor comprenden un par de discos paralelos y los elementos superconductores están dispuestos radialmente en una superficie del disco del estátor, y donde los elementos generadores de campo magnético están dispuestos en un lado del disco rotor, en la circunferencia exterior, frente a los elementos superconductores del estátor.
En al menos algunas realizaciones, la bomba actual comprende un transportador común que puede funcionar para girar el rotor con respecto al estátor sin cambiar sustancialmente el espacio entre el rotor y el estátor.
En al menos algunas realizaciones, los elementos generadores de campo magnético también están dispuestos para moverse en relación con el estátor por medio del transportador común.
En una forma, la bomba actual comprende un sistema de control que controla la velocidad de rotación del rotor.
En al menos algunas realizaciones, el sistema de control puede funcionar para controlar el espacio entre el rotor y el estátor.
En una forma, la bomba de corriente comprende un sensor que sirve para proporcionar una señal al sistema de control, indicativa de la corriente alrededor del circuito superconductor.
En al menos algunas realizaciones, el sensor es uno o más de un sensor de corriente, un sensor Hall, un sensor GMR, un magnetómetro de compuerta de flujo, un sensor EPR o un sensor NMR.
En al menos algunas realizaciones, la bomba de corriente también comprende uno o más sensores de temperatura que sirven para proporcionar una señal al sistema de control indicativa de la temperatura de partes del circuito superconductor.
En una forma, el o los elementos superconductores comprenden uno o más materiales superconductores de alta temperatura (HTS). En al menos algunas realizaciones, el material HTS posee una temperatura de transición superconductora de > 77 K con un campo magnético cero y presión atmosférica. El material superconductor puede comprender uno cualquiera o más de los siguientes materiales: BiSrCaCuO, (Re)BaCuO (donde Re es Y o Gd u otra tierra rara de lantánido), o cualquier otro material adecuado. En otra forma, los elementos superconductores comprenden al menos en parte MgB2.
Preferiblemente, el grosor del elemento superconductor es inferior a aproximadamente 1 mm en su dimensión más delgada. Más preferiblemente, el material superconductor tiene un espesor inferior a 100 pm en su dimensión más delgada, o inferior a 10 pm en su dimensión más delgada.
En algunas realizaciones, la dimensión más delgada se orienta perpendicularmente al eje de rotación del rotor. En algunas otras realizaciones, la dimensión más delgada se orienta paralelamente al eje de rotación del rotor.
En al menos algunas realizaciones, el circuito superconductor entra en el circuito magnético de la bomba de corriente en el espacio entre el rotor y el estátor, y experimenta una alta densidad de flujo en dicho espacio. En al menos algunas realizaciones, el circuito superconductor entra al circuito magnético de la bomba de corriente en el espacio entre el rotor y el estátor y experimenta una densidad de flujo que es mayor que el campo de penetración magnética, Bpen del elemento superconductor.
En funcionamiento, la densidad de flujo magnético en el espacio es lo suficientemente alta como para penetrar el elemento superconductor dispuesto alrededor del estátor y formar vórtices de flujo localizados a escala microscópica, pero no lo suficientemente alta como para eliminar una ruta de corriente superconductora suficiente para transportar la corriente de transporte neta que fluye a través del circuito superconductor a nivel macroscópico.
En una forma, los elementos superconductores que son penetrados por el flujo magnético de los elementos generadores de campo magnético sobre el rotor se dividen longitudinalmente en dos o más elementos, de manera que el ancho de cada elemento individual sea menor que el ancho de un solo elemento superconductor de la misma capacidad total de transporte de corriente. Esto se hace para reducir las pérdidas de energía disipada dentro de la bomba de corriente superconductora.
En al menos algunas realizaciones, el yugo del estátor ferromagnético tiene una forma que permite que el circuito superconductor salga del circuito magnético de la bomba de corriente sin experimentar una alta densidad de flujo.
En al menos algunas realizaciones, el estátor comprende al menos una abertura, por ejemplo, una abertura o un orificio o un canal, que se extiende a través del yugo ferromagnético para permitir que el circuito superconductor salga del circuito magnético.
En una forma, los yugos del rotor y del estátor se fabrican a partir de uno o más metales ferromagnéticos o un material compuesto que comprende un metal ferromagnético.
En una forma, el yugo del estátor comprende uno o más metales ferromagnéticos con una coercitividad magnética baja.
En una forma, los yugos comprenden una pila de láminas ferromagnéticas laminadas usando un adhesivo no ferromagnético, o una distribución de material ferromagnético dentro de una matriz no ferromagnética.
En al menos algunas realizaciones, el yugo del estátor comprende protuberancias o polos que dirigen el flujo magnético a la región del elemento superconductor. En una forma, el yugo del estátor comprende una serie de protuberancias que interactúan con los elementos generadores de campo magnético en el rotor para dirigir secuencialmente el flujo magnético hacia el elemento superconductor y luego alejarlo del elemento superconductor, para maximizar la amplitud de la variación del campo magnético experimentado en la superficie del elemento superconductor.
En al menos algunas realizaciones, el sistema de refrigeración del criostato es un líquido criogénico que funciona para enfriar por calor latente de evaporación y/o un refrigerador termo mecánico. El refrigerador termo mecánico es uno de entre refrigeradores GM, Sterling o Pulse Tube.
La pared del criostato comprende aislamiento térmico seleccionado de al menos uno de vacío, aislamiento multicapa y/o escudo térmico refrigerado. En al menos algunas realizaciones, la pared del criostato dispuesta entre el rotor y el estátor comprende materiales de baja conductividad eléctrica, como uno o más materiales compuestos de fibra de vidrio, acero inoxidable y/o láminas multicapa finas y/o ranuradas.
En otra forma, el circuito superconductor comprende bobinas que están ubicadas sobre el rotor de un generador o motor eléctrico y que están alojadas dentro de un criostato giratorio, y el rotor de la bomba de corriente está situado fuera del criostato giratorio y gira con respecto al estátor de la bomba de corriente alrededor del mismo eje que el rotor del generador o motor eléctrico. En al menos algunas realizaciones, el estátor de la bomba de corriente y el rotor de la bomba de corriente giran entre sí alrededor del mismo eje que el eje de rotación del criostato giratorio. En al menos algunas realizaciones, las bobinas superconductoras alojadas dentro del criostato giratorio forman las bobinas del rotor de un generador o motor eléctrico.
En una forma, los elementos superconductores se dividen longitudinalmente en dos o más elementos de manera que el ancho de cada elemento individual es menor que el ancho de un solo elemento superconductor con la misma capacidad total de carga de corriente. En al menos algunas realizaciones, la región del elemento superconductor que atraviesa el circuito magnético se divide en dos o más secciones longitudinales formadas estriando el elemento superconductor.
Como se ha dicho, la bomba de corriente superconductora de acuerdo con la invención comprende un rotor externo al recinto criogénico y un estátor dentro del recinto criogénico. El rotor y el estátor están separados por un espacio por el que pasa una pared termoaislante del recinto criogénico. El rotor comprende uno o más elementos generadores de campo magnético, y el rotor y el estátor comprenden, al menos en parte, un material ferromagnético para concentrar el flujo magnético en un circuito magnético a través del espacio entre el rotor y el estátor y a través de la pared, de modo que el campo magnético el flujo penetra a través de uno o más elementos superconductores del circuito superconductor asociado con el estátor. El movimiento relativo del rotor externo al recinto criogénico induce el flujo de una corriente de transporte de CC alrededor del circuito superconductor dentro del recinto criogénico. Las ventajas, de acuerdo con la invención, pueden incluir lo siguiente:
• No existe acoplamiento entre un motor de accionamiento externo al recinto criogénico y un rotor interno que pueda introducir un camino para la fuga de calor en el criostato, lo que a su vez aumenta la carga de calor y, por lo tanto, aumenta la potencia de enfriamiento requerida para mantener los componentes fríos dentro del recinto del criostato a la baja temperatura de funcionamiento requerida. La fuga de calor en el recinto criogénico aumenta la velocidad de ebullición del líquido criogénico o aumenta el costo, el tamaño y el consumo de energía del refrigerador termo mecánico.
• No hay partes móviles dentro del criostato que puedan causar turbulencia y aumentar la velocidad de ebullición de un líquido criogénico.
• No existe ningún requisito para que los cojinetes dentro del recinto criogénico soporten las piezas giratorias o los lubricantes para cojinetes, para funcionar de manera fiable a temperaturas criogénicas.
• En general, la ausencia de piezas móviles dentro del recinto criogénico elimina el requisito general de una fiabilidad extremadamente alta de las piezas móviles dentro del criostato. El desmontaje del criostato para la reparación de piezas defectuosas requiere calentar el imán y romper el sello de vacío. Esta suele ser una tarea compleja, lenta y costosa.
Una bomba de corriente superconductora giratoria requiere que se imponga periódicamente un campo magnético sobre una región de material HTS dentro de un circuito superconductor de manera que se formen vórtices de flujo magnético dentro del material HTS. Los vórtices de flujo deben penetrar completamente el materia1HTS en el sentido perpendicular al sentido deseado de la corriente eléctrica neta que se conducirá alrededor del circuito superconductor. Hay una intensidad de campo magnético mínima impuesta a la que se produce la penetración total del flujo y este campo de penetración mínima se denomina en el presente documento, Bpen.
Los vórtices de flujo penetrantes se pueden mover a través del material HTS moviendo un campo magnético no homogéneo impuesto en relación con el material HTS de una manera que arrastre los vórtices de flujo en el sentido del movimiento del campo impuesto. En una bomba de corriente superconductora giratoria, esto se logra girando un rotor que contiene elementos magnéticos en relación con un estátor, de modo que el flujo de los elementos magnéticos sobre el rotor pase a través de una o más secciones del circuito superconductor e imponga periódicamente una región móvil de alta densidad de flujo magnético en la superficie del superconductor de tal manera que el campo impuesto exceda Bpen. El movimiento neto de los vórtices de flujo a través del materia1HTS genera una FEM inducida en la sección del circuito superconductor que impulsa y mantiene una corriente neta alrededor de un circuito superconductor que puede incluir una bobina superconductora.
Es un requisito para el funcionamiento de la bomba de corriente superconductora giratoria descrita en este documento que el campo magnético impuesto en el elemento superconductor sea menor que el campo crítico superior, Bc2, del material HTS para evitar la extinción del circuito superconductor. El campo crítico superior, Bc2, es el campo magnético máximo impuesto en el que un superconductor de tipo II exhibirá un comportamiento superconductor.
La invención también comprende un sistema superconductor que comprende un circuito superconductor que comprende al menos una bobina superconductora y uno o más elementos superconductores, estando montado dicho circuito superconductor dentro de un recinto criogénico para mantener el circuito superconductor en o por debajo de una temperatura de transición superconductora, y una bomba de corriente superconductora como se definió anteriormente dispuestos para energizar el circuito superconductor.
Un circuito superconductor puede comprender una o más secciones no superconductoras, como una o más uniones conductoras normales entre secciones de materiales superconductores. En esta especificación, el término material "HTS" se refiere tanto al material superconductor de tipo II con una Tc >77K (a campo magnético cero y presión atmosférica), como a MgB2 (que tiene una Tc sustancialmente más baja de aproximadamente 39K).
El hilo HTS se refiere a una longitud de hilo o cinta dentro de la cual se incluye una o más longitudes continuas de material HTS. Los ejemplos de hilo HTS que se producen comercialmente en la actualidad incluyen hilos conductores revestidos producidos por Superpower Inc. y Fujikura Ltd. Varios otros fabricantes también suministran hilo HTS conductor revestido. El hilo HTS conductor revestido comprende un sustrato de cinta de metal sobre el que se deposita una serie de capas de una o más películas delgadas de cerámica. La pila de películas delgadas incluye una capa de película delgada (espesor <10 gm) de material HTS (como YBaCuO o GdBaCuO) y se deposita sobre un sustrato de cinta metálica y toda la estructura apilada se encierra dentro de una o más capas de material de recubrimiento metálico. Normalmente, el hilo conductor revestido tiene un grosor aproximado de 100 gm y se puede producir en longitudes continuas de >100 m. Otro ejemplo de hilo HTS que se produce hoy en día es el hilo BSCCO que produce Sumitomo. El hilo BSCCO consta de múltiples filamentos de material BSCCO HTS que están albergados dentro de una matriz de plata para formar un hilo largo con una sección transversal rectangular. Un ejemplo de hilo MgB2 es producido por Columbus Superconductors SpA.
Un circuito superconductor debe funcionar a baja temperatura para mantener las propiedades superconductoras. La temperatura por debajo de la cual un material tiene propiedades superconductoras se conoce como temperatura crítica Tc . Normalmente, el circuito superconductor se coloca dentro de un criostato para mantener el funcionamiento por debajo de la temperatura crítica. Un criostato comprende una o más paredes o límites de aislamiento térmico que impiden el flujo de calor desde fuentes externas hacia los componentes superconductores y su estructura de soporte (la "masa fría"). El flujo de calor residual se equilibra con una fuente de energía de enfriamiento, manteniendo así la masa fría a una temperatura constante. La fuente de energía de enfriamiento puede ser un fluido criogénico que absorba calor por evaporación y/o un refrigerador termo mecánico, tal como un refrigerador Gifford-McMahon, Stirling o Pulse Tube. Los componentes térmicamente conductores están dispuestos entre la masa fría y el refrigerador para dirigir el flujo de calor, formando un colector de enfriamiento.
Tal como se usa aquí:
• "(s)" después de un sustantivo significa las formas plural y/o singular del sustantivo.
• "y/o" significa "y" u "o", o ambos.
• "que comprende" significa "que consta al menos en parte de". Al interpretar declaraciones en esta especificación que incluyen ese término, las características, precedidas por ese término en cada declaración o reivindicación, deben estar todas presentes, pero también pueden estar presentes otras características. Términos relacionados como "comprende" y "comprendido" deben interpretarse de la misma manera.
• "rotor", "externo al recinto criogénico", y "corriente CC" y "corriente de transporte CC" inducida en el circuito superconductor tienen los significados a los que se hace referencia a continuación.
Breve descripción de los dibujos
La invención se describirá ahora con más detalle únicamente a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos en los que:
Las figuras 1a y 1b muestran esquemáticamente disposiciones de la técnica anterior para inyectar corriente en un circuito superconductor dentro de un criostato.
La figura 1c muestra esquemáticamente una disposición para bombear corriente a un circuito superconductor dentro de un criostato de acuerdo con la invención.
Las figuras 2a a 2c muestran cómo las líneas de flujo de un dipolo magnético se desvían en relación con una pieza plana de material superconductor.
La figura 3 muestra esquemáticamente una realización de una bomba de flujo superconductora de acuerdo con la invención con más detalle.
La figura 4 es una sección transversal de parte de la realización de una bomba de corriente superconductora de flujo axial.
La figura 5a muestra el yugo del estátor de la bomba de corriente superconductora de flujo axial de la figura 4. La figura 5b es una vista de cerca de la distribución de las líneas de flujo magnético alrededor de una abertura dentro del yugo del estátor de la bomba de corriente superconductora de flujo axial de la figura 4.
La figura 6a es una vista en perspectiva de una realización de una bomba de corriente superconductora de flujo axial. La figura 6b es una sección transversal de la bomba de corriente superconductora de flujo axial de la figura 6a a lo largo de la línea I-I de la figura 6a.
La figura 7 es una vista en perspectiva de otra realización de una bomba de corriente superconductora de flujo axial. La figura 8 es una vista en perspectiva de otra realización de una bomba de corriente superconductora de flujo axial. La figura 9a es una vista en sección transversal longitudinal de una realización de una bomba de corriente superconductora de flujo axial integrada coaxialmente dentro de un generador o motor eléctrico para energizar las bobinas del rotor superconductor del generador o motor.
La figura 9b es una vista en primer plano de parte de la bomba de corriente superconductora integrada y el generador o motor eléctrico de la figura 13a.
La figura 10 es un gráfico de la corriente de salida con respecto al tiempo de una bomba de corriente superconductora de flujo axial de acuerdo con la invención.
La figura 11 es un gráfico de la tensión de salida respecto al tiempo de una bomba de corriente superconductora de flujo axial de acuerdo con la invención.
La figura 12 es un gráfico la tensión de salida inicial de una bomba de corriente de flujo axial de acuerdo con la invención en función del espacio axial entre el rotor y el estátor.
La figura 13 es un gráfico de la corriente inducida de tres diseños diferentes de bomba de corriente superconductora. Descripción detallada de las realizaciones
La figura 1a muestra esquemáticamente un circuito superconductor 20 de acuerdo con la técnica anterior que comprende una bobina electromagnética 105 que está contenida dentro de un criostato 103. En funcionamiento, el criostato 103 que comprende paredes térmicamente aislantes 30 mantiene una temperatura interna igual o inferior a la temperatura de transición superconductora de los elementos superconductores dentro del circuito superconductor. El circuito superconductor 20 se energiza usando una fuente de corriente externa que inyecta corriente en el circuito usando normalmente 3 hilos de corriente conductores que atraviesan la pared del criostato 30.
La figura 1b muestra esquemáticamente otro circuito superconductor 20 de acuerdo con la técnica anterior que comprende una bobina electromagnética 105 que está contenida dentro de un criostato 103. El circuito superconductor 20 se energiza usando una bomba de flujo giratoria que comprende un rotor 11 ubicado dentro del recinto del criostato 103. Un eje impulsor 6 para el rotor 11 penetra en la pared del criostato 30.
La figura 1c muestra esquemáticamente un circuito superconductor 20 que comprende una bobina electromagnética 105 que está contenida dentro de un criostato 103, que es activado por una bomba de corriente superconductora de acuerdo con la invención. La bomba de corriente superconductora comprende un rotor 11 fuera del recinto criogénico 103 y un estátor 21 dentro del recinto. Los medios para girar el rotor (no mostrados) tales como un motor eléctrico y un controlador de motor también están fuera del recinto criogénico 103. La pared del recinto criogénico aislante térmico pasa entre el rotor y el estátor. El rotor comprende uno o más elementos generadores de campo magnético, y el rotor y el estátor comprenden, al menos en parte, un material ferromagnético para concentrar el flujo magnético en un circuito magnético a través del espacio entre el rotor y el estátor y a través de la pared, de modo que el flujo magnético penetra a través de uno o más elementos superconductores del circuito superconductor asociado con el estátor, de modo que el movimiento relativo del rotor externo al recinto criogénico induce una corriente de transporte de CC que fluye alrededor del circuito superconductor dentro del recinto criogénico. La corriente se inyecta en el circuito superconductor 20 sin penetrar en la pared del criostato 30 mediante 3 conductores de corriente o mediante un eje impulsor 6 como en las figuras 1a y 1b.
La figura 3 muestra esquemáticamente una realización de una bomba de flujo superconductora de acuerdo con la invención con más detalle. La figura 4 es una sección transversal de parte de la bomba actual. La figura 5 muestra el yugo del estátor de la bomba actual y la figura 5b es una vista en primer plano de la distribución de líneas de flujo magnético alrededor de una abertura de salida dentro del yugo del estátor en uso. La bomba de corriente superconductora se usa para energizar el circuito superconductor 20 albergado dentro del criostato 103. En la realización mostrada, el circuito superconductor 20 comprende una bobina superconductora 105 y uno o más elementos superconductores 201 que están dispuestos alrededor o parcialmente dentro del yugo del estátor. La bobina superconductora 105 y uno o más elementos superconductores 201 pueden estar unidos por uniones conductoras normales (no mostradas).
De acuerdo con la invención, la bomba de corriente comprende al menos un rotor 11 y un estátor 21, y cada uno comprende al menos en parte un yugo ferromagnético 15, los cuales están separados por un espacio 106 a través del cual se extiende una pared 30 del recinto criogénico 103. El tamaño del espacio es como mínimo, la distancia entre el elemento generador de campo magnético del rotor y el elemento superconductor del estátor. En una forma, el espacio 106 está en el rango de aproximadamente 2-30 mm, o es mayor de aproximadamente 6 mm, es mayor de 10 mm o es mayor de 15 mm. En otra forma, el espacio es mayor de aproximadamente 30 mm.
La bomba de corriente comprende uno o más elementos generadores de campo magnético 12 transportados por el rotor 11 para proporcionar flujo magnético a través del espacio 106 para atravesar los elementos superconductores 201 asociados con el estátor 21. El par de yugos ferromagnéticos 15 del rotor 11 y el estátor 21 forman conjuntamente un circuito magnético de baja reluctancia que proporciona una vía para que el flujo magnético generado por los elementos generadores de campo magnético 12 cruce el espacio 106 y penetre en los elementos superconductores 201, y luego regrese al yugo del rotor 15 sin penetrar en el circuito superconductor por segunda vez.
Como se muestra en la figura 3, el elemento superconductor 201 pasa a través del espacio 106 entre el rotor 11 y el estátor 21 donde está expuesto a líneas de flujo magnético enfocadas proporcionadas por los elementos generadores de campo magnético 12. En la realización que se muestra, el elemento superconductor 201 primero entra en el espacio 106 desde una periferia del estátor 21, y luego sale del espacio 106 a través de una abertura de salida 23 formada en el yugo del estátor 15. Así, el elemento superconductor 201 pasa entre los elementos generadores de campo 12 y 22 del rotor y el rotor del estátor en un sentido pero no en el otro. La abertura de salida o abertura 23 comprende una región de mayor reluctancia que permite que el elemento superconductor 201 salga del estátor bajo un campo magnético opuesto bajo o nulo. Luego vuelve a entrar en el espacio 106 después de pasar por otra abertura 23 y sale del espacio desde un extremo opuesto del estátor 21. En otras realizaciones, el elemento superconductor 201 puede entrar y salir del espacio 106 solo una vez, o por una pluralidad de veces. En una realización, el yugo del estátor 15 comprende protuberancias o polos ferromagnéticos concentradores de flujo 22a y 22b que están ubicados opuestos a los elementos generadores de campo magnético 12a y 12b.
El rotor 11 es impulsado por un motor eléctrico 13. Cuando un elemento generador de campo magnético 12 pasa por una protuberancia ferromagnética del estátor 21, el flujo magnético impuesto en la superficie del elemento superconductor 201 es mayor que Bpen que es el campo magnético mínimo impuesto requerido para la penetración de flujo del superconductor. Cuando los elementos generadores de campo magnético 12 se mueven con respecto al elemento superconductor 201, los vórtices de flujo magnético entran por un lado del elemento superconductor 201 y posteriormente salen por el lado opuesto. Esto da como resultado un flujo neto de líneas de flujo magnético a través del elemento superconductor 201 que hace que se bombee una corriente eléctrica neta (que aún puede tener alguna ondulación) alrededor del circuito superconductor 20 energizando así la bobina superconductora.
Como se indicó, el rotor 11, el motor de accionamiento 13 y un controlador de motor asociado están ubicados fuera del recinto criogénico. La separación requerida se logra incorporando un yugo de hierro ferromagnético en el estátor y el rotor que juntos forman un circuito magnético de baja reluctancia para guiar las líneas de flujo magnético a través de la separación entre el estátor y el rotor. Esto se explica con más detalle con referencia a las figuras 2a-2c y la figura 4.
Las figuras 2a a 2c muestran tres montajes diferentes de un imán permanente y una tira delgada de superconductor tipo II. En la figura 2a, se coloca un imán permanente 8 muy cerca de la superficie de un superconductor 9 de modo que el campo magnético impuesto sea mayor que Bpen, el campo magnético requerido para que las líneas de flujo 10 penetren completamente en el superconductor 9. En esta configuración, se puede inducir una corriente neta en el superconductor 9 moviendo el imán permanente a través de la superficie del superconductor para que las líneas de flujo se arrastren a través del material superconductor. d 1 indica el desplazamiento axial, entre el imán permanente 8 y el superconductor 9.
En la figura 2b, el desplazamiento axial entre el imán permanente 8 y el superconductor 9 está indicado por d2 y es mayor que d1 en la figura 2a. Como resultado, el campo magnético perpendicular a la superficie del superconductor es menor que Bpen y las líneas de flujo magnético 10 son expulsadas del superconductor 9. En esta configuración, no es posible inducir una corriente neta a través del superconductor ya que las líneas de flujo no pueden arrastrarse a través del material superconductor.
En la figura 2c, la separación entre el imán permanente 8 y la tira superconductora es la misma que en la figura 2b, pero los yugos de hierro ferromagnético 15 están dispuestos para formar un circuito magnético de reluctancia reducida que pasa a través de la tira superconductora. La presencia de los yugos de hierro 15 conduce a una concentración de flujo en la superficie del superconductor, de modo que la intensidad del campo magnético local es mayor que Bpen. En esta configuración, nuevamente es posible inducir una corriente neta en el superconductor 9 moviendo el imán permanente 8 a través de la superficie del superconductor 9 para mover las líneas de flujo a través del material superconductor.
La figura 4 muestra una sección transversal de parte de una realización de una bomba de corriente superconductora del tipo de flujo axial. El rotor 11 es accionado por el motor 13 para girar alrededor del eje 14 y barrer los elementos generadores de campo magnético 12 más allá del estátor 21 para impulsar líneas de flujo magnético a través del elemento superconductor 201, impulsando así una corriente eléctrica para que fluya alrededor del circuito superconductor 20.
El rotor 11 comprende un yugo ferromagnético 15 y uno o más elementos generadores de campo magnético 12 portados sobre el yugo ferromagnético 15. Una trayectoria de flujo magnético continuo 40 que se extiende desde los elementos generadores de campo magnético 12, a través de la pared del criostato 30, hacia el estátor 21 y luego de regreso a través de la pared del criostato 30 al rotor 11 está formada por el par de yugos ferromagnéticos 15. En una realización, el yugo ferromagnético del estátor 21 comprende una o más porciones sobresalientes 22 que están directamente opuestas a los elementos generadores de campo magnético 12 cuando el rotor 11 gira con respecto al estátor 21. Al menos una parte del circuito superconductor 20, por ejemplo, un elemento superconductor 201, se coloca sobre una parte sobresaliente 22 del yugo ferromagnético 15. Las partes sobresalientes ferromagnéticas 22 del estátor 21 tienen un efecto de enfoque, en el camino de flujo 40 formado entre el rotor 11 y el estátor 21 de tal manera que la intensidad del campo magnético en la superficie del elemento superconductor 201 se incrementa en comparación con el caso de una geometría de yugo ferromagnético plano sin dichas porciones sobresalientes 22.
Los yugos ferromagnéticos 15 en el rotor 11 y el estátor 21 son preferiblemente de material de hierro o al menos un material ferromagnético con una baja coercitividad y un campo remanente bajo. En una forma, el yugo ferromagnético 15 está formado por un material compuesto que comprende tanto materiales ferromagnéticos como no ferromagnéticos. Por ejemplo, el yugo podría formarse a partir de hojas laminadas de metal ferromagnético intercaladas con láminas aislantes no ferromagnéticas para minimizar las pérdidas por corrientes parásitas. En otro ejemplo, el yugo ferromagnético está formado por elementos metálicos ferromagnéticos incrustados dentro de un material de matriz no ferromagnético. El yugo ferromagnético concentra el flujo en la superficie del elemento superconductor 201 dispuesto alrededor del estátor 21 cuando los elementos generadores de campo magnético del rotor 12 pasan a través del elemento superconductor 201. El yugo ferromagnético dentro del estátor también asegura que la amplitud total de variación de la densidad del flujo magnético se maximice para cada elemento generador de campo magnético 12 que pasa sobre el elemento superconductor 201. En la realización que se muestra, el yugo del estátor 15 es estacionario en relación con el circuito superconductor 20 y el criostato 103. El yugo del rotor gira en relación con estos elementos.
En una forma, el elemento superconductor 201 es un elemento superconductor de alta temperatura o baja temperatura, por ejemplo, un hilo, cinta o similar HTS o LTS. El uso de un elemento HTS como elemento superconductor 201 sobre el estátor 21 permite el funcionamiento a temperaturas elevadas en comparación con los circuitos superconductores LTS. A temperaturas más altas, el conductor tiene una mayor capacidad calorífica que permite mantener el comportamiento superconductor en presencia de una carga térmica sustancialmente mayor. La mayor tolerancia a la carga de calor permite una reducción del aislamiento del criostato, del grosor o del tipo, en las proximidades del estátor. Por ejemplo, la verificación experimental muestra que el grosor del aislamiento en el rango de aproximadamente 10 a 15 mm proporciona un aislamiento térmico adecuado para mantener una temperatura del estátor de aproximadamente 50 - 77 K mientras se bombea a una corriente completa de hasta 300 amperios.
Las pruebas y el modelado electromagnético muestran que se puede bombear corriente alrededor de un circuito HTS superconductor 20 que comprende una bobina HTS superconductora 105 y uniones normalmente conductoras utilizando una bomba de corriente superconductora de acuerdo con la invención con un espacio de > 15 mm entre el elemento superconductor HTS 201 y los elementos generadores del campo magnético 12. Esto se logra mediante el diseño del circuito magnético formado entre los yugos ferromagnéticos sobre el rotor y el estátor para garantizar que la intensidad máxima del campo magnético impuesta periódicamente en el elemento superconductor HTS 201 sea mayor que el campo mínimo requerido para la penetración del flujo, Bpen.
En una forma, la pared del criostato 30 que se coloca dentro de la región del espacio de flujo 106 entre el estátor 21 y el rotor 15 comprende materiales no ferromagnéticos, y en una realización preferida no comprende ningún material metálico. En algunas realizaciones, la pared del criostato 30 puede incluir láminas metálicas delgadas como parte de un elemento de aislamiento multicapa (MLI) dentro de la pared del criostato.
Como se indicó, en una forma, el yugo ferromagnético 15 dentro del estátor 21 puede incluir una región de alta reluctancia al flujo magnético para permitir que el circuito superconductor 20 salga de la región del estátor de la bomba de flujo. La región de alta reluctancia puede ser una abertura como una abertura 23 como la que se muestra en las figuras 3 a 5 o cualquier otra forma similar que penetre en el yugo del estátor 15. La abertura 23 presenta una alta reluctancia al flujo magnético en comparación con el material ferromagnético circundante en el yugo 15. El material ferromagnético dentro del yugo 15 forma la ruta de retorno del circuito magnético formado entre el rotor, y la apertura 23 proporciona una región con baja densidad de flujo a través de la cual el circuito superconductor 20 puede salir de la región del estátor del circuito magnético, sin que penetre flujo en esta sección del circuito superconductor.
La figura 5b es una vista de cerca de la distribución de las líneas de flujo magnético alrededor de la abertura 23 en el yugo del estátor y, en particular, muestra la trayectoria del flujo magnético 40 dentro del estátor 21 que rodea la abertura 23. El flujo magnético dentro de la abertura es débil y preferiblemente por debajo del campo crítico para la penetración de flujo del superconductor, Bpen. La apertura 23 proporciona así un camino efectivo a través del cual el circuito superconductor 20 puede salir eficientemente del circuito magnético sin experimentar una región de flujo magnético en movimiento lo suficientemente fuerte como para inducir una fem que de otro modo se opondría a la acción de los elementos generadores de campo magnético giratorio 12 .
En algunas realizaciones, el elemento superconductor 201 que forma parte del circuito superconductor 20 tiene una estructura compuesta que incluye material HTS superconductor y materiales no superconductores. Preferiblemente, el material HTS dentro del elemento superconductor HTS es una película que es dimensionalmente delgada en el sentido paralelo a las líneas de flujo magnético impuestas, de modo que al menos algo de flujo magnético del rotor penetre periódicamente a través del elemento superconductor de modo que emerja de la cara opuesta del elemento superconductor. En algunas realizaciones, el elemento superconductor 201 es un hilo HTS conductor revestido que está orientado de tal manera que el eje delgado sea paralelo al sentido del flujo magnético en la superficie de las protuberancias 22 del yugo del estátor. En algunas realizaciones, el elemento superconductor 201 puede comprender dos o más capas de hilos o cintas HTS. En algunas realizaciones, el elemento superconductor 201 puede dividirse, al menos en parte, en dos o más secciones longitudinales para reducir el ancho de cada elemento superconductor individual que es atravesado por el flujo magnético de los elementos generadores de campo magnético.
En algunas realizaciones, los elementos generadores de campo magnético 12 comprenden al menos uno o más imanes permanentes de alta coercitividad. Por ejemplo, se pueden usar imanes del tipo de tierras raras como NdFeB.
Las figuras 6a y 6b muestran una realización de una bomba de corriente superconductora de flujo axial 10 y parte de un circuito superconductor 20. Como anteriormente, la bomba de corriente comprende un rotor de hierro 11 sobre el cual se ubican una pluralidad de elementos generadores de campo magnético 12, en la superficie del rotor 11 frente al estátor 21. Los elementos de campo magnético 12 pueden comprender uno o más imanes permanentes, electroimanes o una combinación de los mismos. El rotor de hierro 11 se coloca fuera del criostato 103 (no se muestra en la figura 6a, la pared del criostato 30 se muestra en la figura 6b). Un estátor ferromagnético 21 se coloca dentro del criostato 103. La pared aislante 30 del criostato está ubicada entre el estátor 21 y el rotor 11 en el espacio 106. El par de yugos ferromagnéticos 15 dentro del rotor 11 y el estátor 21 actúa para guiar y aumentar densidad de flujo magnético en el espacio 106 entre el estátor 21 y el rotor 11. El circuito magnético se completa con el flujo que pasa de regreso a través del espacio de baja reluctancia ubicado hacia el centro axial del rotor 11 y el estátor 21.
Uno o más elementos superconductores 201, por ejemplo, hilos HTS, son portados por el estátor 21 y forman parte de un circuito superconductor 20 dentro del criostato 103. Los hilos del estátor HTS pasan a través del espacio 106 entre el rotor 11 y el estátor 21, ingresando así en el circuito magnético formado por el rotor 11 y el estátor 21. Los hilos del estátor HTS abandonan el circuito magnético a través de regiones de baja densidad de flujo magnético en el estátor. Las regiones de baja densidad de flujo magnético están ubicadas en el borde exterior del estátor ferromagnético 21 o pueden formarse debido a aberturas tales como las aberturas 23 en el cuerpo ferromagnético del estátor 21. En algunas realizaciones, el estátor 21 comprende protuberancias ferromagnéticas de enfoque de campo 22 para aumentar aún más la densidad de flujo magnético máxima en la superficie del elemento superconductor 201. Cuando la densidad del campo magnético en la superficie del hilo del estátor HTS es mayor que el campo de penetración, Bpen, el movimiento del rotor 11 impulsa vórtices de flujo magnético para moverse a través del elemento superconductor 201, que luego hace que la corriente fluya alrededor del circuito superconductor 20.
Cuando la bomba de corriente superconductora se usa para energizar una bobina o un imán superconductor, puede ser deseable variar la tasa de aumento de la corriente en el circuito superconductor 20. Esto se puede lograr cambiando la velocidad de rotación del rotor 11 aumentando la velocidad de funcionamiento del motor 13 para aumentar la fem a través del circuito superconductor 20 hasta alcanzar la corriente deseada, luego reducir la velocidad del motor 13 para mantener la corriente a un nivel fijo mientras se compensa la disipación de energía debido a factores tales como uniones resistivas en el circuito superconductor y otras pérdidas por calor, como el movimiento del flujo dentro de los hilos del estátor HTS superconductores.
En algunas realizaciones, la velocidad de rotación del motor 13 se controla mediante un control de bucle cerrado para mantener la corriente bombeada en el nivel deseado. Además, o en su lugar, el rotor 11 se puede mover en el sentido axial para hacer que los imanes giratorios 12 se alejen más del estátor 21 a medida que aumenta la corriente para reducir la densidad de flujo en el espacio 106 reduciendo así la tensión inducida a través del circuito superconductor. Esto también reduce las pérdidas de energía dentro de los hilos del estátor HTS 201 debido a la fricción del flujo y otros efectos generadores de calor. Este enfoque permite ajustar la configuración de la bomba actual de acuerdo con los requisitos de modo que se pueda optimizar el espacio axial. Por ejemplo, permite maximizar la tensión de circuito abierto o, alternativamente, permite minimizar la "resistencia interna efectiva" de la bomba actual.
El circuito superconductor 20 está albergado dentro de un criostato 103 que funciona para mantener la temperatura del circuito superconductor 20 en o por debajo de una temperatura operativa predeterminada, en particular, por debajo de la temperatura de transición superconductora del circuito superconductor. La temperatura de varias partes del circuito superconductor puede controlarse mediante el diseño del colector de enfriamiento que proporciona la conexión térmica entre el sistema de enfriamiento criogénico y el circuito superconductor y el estátor 21 de la bomba de corriente. Por ejemplo, puede ser deseable que el elemento superconductor tal como los hilos del estátor HTS dentro de la bomba de corriente superconductora estén más calientes que la bobina superconductora 105 o que el imán que está siendo energizado por la bomba de corriente. Este enfoque reduce la fricción del flujo dentro del hilo del estátor HTS y, por lo tanto, reduce el par requerido para mover el rotor 11.
La figura 7 muestra otra realización de una bomba de corriente superconductora de flujo axial que es similar a la de la figura 6 pero se diferencia porque el circuito superconductor 20 entra y sale repetidamente del circuito magnético conectado en serie para aumentar el impulso de fem máximo a través del circuito superconductor conectado 20.
La figura 8 muestra otra realización de una bomba de corriente superconductora de flujo axial que difiere de las de las figuras 6 y 7 porque tiene el circuito superconductor 20 dispuesto en una pluralidad de formaciones de circuitos paralelos dispuestas alrededor del estátor 21, para aumentar la corriente total máxima que puede bombearse alrededor del circuito superconductor conectado 20. En la realización de la figura 8, el estátor 21 incluye un conjunto adicional de protuberancias ferromagnéticas 22c situadas entre los elementos superconductores 201. Estas protuberancias adicionales 22c sirven para maximizar la amplitud de la variación del campo magnético en la superficie de los elementos superconductores a medida que los elementos generadores de campo magnético 12 en el rotor 11 se mueven en relación con el estátor 21. Esto se logra a través de una acción repetida en la que las líneas de flujo magnético se enfocan primero dentro del elemento superconductor 201 a medida que los elementos de campo magnético 12 pasan más cerca del elemento superconductor HTS 201, y las líneas de flujo son posteriormente enfocadas alejándose del elemento superconductor HTS 201 a medida que el imán gira más cerca de la protuberancia ferromagnética 22c ubicada entre los elementos superconductores 201. Estos dientes ferromagnéticos sobresalientes adicionales 22c maximizan el número de vórtices de flujo magnético que salen del elemento superconductor 201 antes de que el siguiente conjunto de líneas de flujo entre en el elemento superconductor 201.
Otra realización comprende una bomba de corriente de flujo radial así como o en lugar de las bombas de corriente de flujo axial como se muestran en las figuras 6, 7 y 8. Por ejemplo, el documento WO 2012/018265 muestra una bomba de flujo radial y montajes de circuitos superconductores.
La figura 9a es una vista en sección transversal longitudinal de una realización de una bomba de corriente superconductora de flujo axial integrada coaxialmente dentro de un generador o motor eléctrico para energizar las bobinas superconductoras del rotor del generador o motor, y la figura 9b es una vista de cerca de parte de la bomba de corriente superconductora integrada y el generador o motor eléctrico de la figura 13a. El generador eléctrico 13 o el motor eléctrico comprenden un cuerpo de estátor 21a y un rotor 11a. El rotor del generador comprende un criostato giratorio 103 que contiene una o más bobinas de rotor superconductoras 105a que están conectadas dentro de un circuito superconductor que incluye una parte 201 que pasa a través del estátor 21 de una bomba de corriente superconductora 10. El rotor 11 de la bomba de corriente superconductora 10 está ubicado fuera del criostato giratorio 103 y está dispuesto coaxialmente con el rotor 11a del generador/motor. El rotor 11 de la bomba de corriente gira con relación al rotor 11a del generador en el sentido de co rotación o contra rotación. La corriente se bombea alrededor del circuito superconductor 20 y excita las bobinas superconductoras del rotor 105a del generador eléctrico 13 o motor. Esta realización comprende un criostato giratorio, y el rotor fuera del criostato giratorio se mueve en relación con el estátor dentro del criostato giratorio. El estátor y el rotor giran entre sí alrededor de un eje de rotación común con el criostato giratorio.
La solicitud de acuerdo con la invención en esta realización elimina la necesidad de hilos de corriente que penetren en la pared del criostato giratorio, y de contactos eléctricos giratorios o tecnología de convertidor sin escobillas que generalmente se requiere para transferir la corriente de excitación desde la estructura de referencia estacionaria a las bobinas del rotor giratorio.
En algunas realizaciones, el rotor de la bomba de corriente superconductora puede trasladarse a lo largo del eje de rotación para aumentar o disminuir el espacio entre el rotor de la bomba de corriente y el estátor de la bomba de corriente. Esto puede permitir que la configuración de la bomba actual se ajuste de acuerdo con los requisitos de manera que se pueda optimizar el espacio axial. Por ejemplo, este enfoque puede permitir que se maximice la tensión de circuito abierto o, alternativamente, puede permitir que se minimice la "resistencia interna efectiva" de la bomba actual.
Como se ha dicho, la invención permite mejorar la eficacia aislante del criostato y la fiabilidad y facilidad de mantenimiento de un sistema en el que se emplea una bomba de flujo rotatoria. La invención separa físicamente el rotor y el estátor de una bomba de corriente superconductora y se coloca una barrera térmica o pared aislante en el espacio entre el rotor y el estátor. Al menos en algunas realizaciones, un yugo ferromagnético conformado aumenta la densidad de flujo magnético en el espacio entre el rotor y el estátor, compensando así la reducción en la densidad de flujo provocada por la ampliación del espacio para acomodar la pared aislante del criostato. La bomba de corriente superconductora de acuerdo con la invención elimina la necesidad de hilos de corriente que, de otro modo, penetrarían en la pared del criostato giratorio. La bomba de corriente también elimina la necesidad de contactos eléctricos giratorios o tecnología de convertidor sin escobillas que generalmente se requiere para transferir la corriente de excitación desde la estructura de referencia estacionaria a las bobinas del rotor giratorio. En particular, el rotor y los medios para girar el rotor, la conexión entre el motor y el rotor y todos los cojinetes están ubicados fuera del criostato y a temperatura ambiente. En consecuencia, y ventajosamente, se pueden utilizar cojinetes convencionales para todas las partes móviles. Además, el mantenimiento y reparación de las partes móviles se convierte en un procedimiento sencillo que no requiere calentar los componentes fríos de la bomba o imán al que está conectado.
En otras realizaciones de acuerdo con la invención, debe entenderse en consecuencia en esta memoria descriptiva, incluidas las reivindicaciones, que el rotor, es decir, la parte móvil de la bomba actual ubicada fuera del recinto criogénico, puede no moverse con la rotación pero puede trasladarse lineal o semi linealmente repetidamente pasado el estátor (en un único sentido) y el "rotor",
Además, si bien el rotor está ubicado fuera del recinto criogénico y el estátor dentro del recinto criogénico, también debe entenderse en consecuencia que el rotor puede ubicarse dentro de un recinto asociado que se mantenga a una temperatura entre la del recinto del estátor y la temperatura ambiente, y "exterior al recinto criogénico".
Parte experimental
Las figuras 10, 11 y 12 muestran resultados experimentales que caracterizan el rendimiento de un ejemplo de bomba de corriente superconductora de acuerdo con la invención, donde la bomba de corriente superconductora está conectada a un circuito superconductor que comprende una bobina superconductora. En este caso, la bomba de corriente superconductora utilizada fue del tipo de flujo axial del diseño que se muestra en la figura 6, donde tanto el cuerpo del rotor como el del estátor se fabricaron con hierro ferromagnético. El rotor consta de nueve imanes de NdFeB igualmente espaciados con dimensiones de 12,7mm x 12,7mm x 12,7mm (1/ pulgada x 1/2 pulgada x 1/2 pulgada). El estátor y el circuito superconductor funcionaron a 77 K. El estátor incluía un hilo YBCO de un solo conductor revestido que pasaba una vez a través del circuito magnético formado entre el estátor y el rotor El circuito superconductor constaba de una bobina devanada de hilo HTS que constaba de una bobina Ic de ~57A y una inductancia de 2.7mH. La bobina superconductora se conectó al hilo YBCO superconductor del estátor utilizando uniones de soldadura de metal conductor normal. Las uniones de soldadura forman una parte conductora normal del circuito con una resistencia en serie total de aproximadamente 1 juü. Cada experimento se inicializó de tal manera que en t < 0 no fluía corriente en el circuito superconductor y el rotor de la bomba de corriente estaba estacionario. En t= cero, el rotor de la bomba actual se aceleró desde el reposo de tal manera que la frecuencia de variación del campo magnético en el estátor aumentó a una tasa de 12,7 Hz/s hasta que se alcanzó la frecuencia de estado estable deseada.
La figura 10 muestra un gráfico de la corriente en el circuito superconductor con respecto al tiempo para una serie de operaciones experimentales realizadas utilizando una realización de una bomba de corriente superconductora de flujo axial. El valor de la separación axial entre el rotor y el estátor se fijó antes de cada ejecución experimental y se muestran los datos adquiridos para una serie de ejecuciones utilizando diferentes valores de separación axial. En cada caso, el rotor se aceleró constantemente desde el reposo hasta que la frecuencia a la que los imanes del rotor pasaban por el hilo superconductor alcanzó los 48 Hz. A continuación, esta frecuencia se mantuvo constante durante el resto de cada ejecución. La corriente inicial en el circuito superconductor se puso a cero. Se vio que la corriente en el circuito superconductor aumentó inicialmente. Este es el resultado de la fem de la bomba de corriente que actúa para superar la impedancia inductiva de la bobina superconductora en el circuito superconductor. La tasa de aumento de corriente ocurre más rápidamente cuando el espacio axial es pequeño porque la tensión de circuito abierto disponible de la bomba de corriente es mayor en esta configuración. La corriente en el circuito superconductor se satura a un valor de corriente máximo fijo, Isat, que difiere según el tamaño del espacio axial. El valor de Isat, está determinado por el punto en el que la tensión inducida dentro de la bomba de corriente superconductora es igual al requerido para superar la disipación de energía debido a las pérdidas en el circuito superconductor. La disipación de energía en el circuito superconductor incluye pérdidas por la resistencia de las uniones conductoras normales, así como pérdidas debidas a las interacciones entre la corriente y la densidad variable en el tiempo del flujo magnético dentro del material superconductor en el circuito, incluida la parte del circuito superconductor que pasa por el estátor de la bomba de corriente.
La figura 11 muestra un gráfico de la tensión medida en la parte del circuito superconductor que se encuentra dentro del estátor de la bomba actual. Esto se dibuja como una función del tiempo. Los datos de tensión medidos son el valor medio adquirido utilizando un tiempo de integración de 0,1 s. Debe tenerse en cuenta que si los datos se adquieren usando un tiempo de integración sustancialmente más corto, entonces la tensión medida también muestra un impulso a la frecuencia de trabajo de la bomba actual debido a la fem variable en el tiempo causada cuando cada imán individual en el rotor pasa sobre el hilo superconductor del estátor Este efecto de pulso se "promedia" por la influencia de la inductancia de la bobina y usando un tiempo de integración de medición que es sustancialmente más largo que el período de cada impulso individual. Se puede ver que la tensión de salida medida aumenta rápidamente a medida que el rotor se acelera inicialmente a su velocidad de funcionamiento. A partir de entonces, la tensión cae en todos los casos de tal manera que se aproxima a un valor cercano pero no igual a cero. Este comportamiento es una característica del funcionamiento de la bomba de corriente superconductora. La tensión de salida inicial de la bomba de corriente superconductora está determinada por la velocidad a la que el hilo superconductor dentro del estátor corta el flujo impuesto desde el rotor. Esta tensión actúa para superar la impedancia de la bobina superconductora y excitar una corriente alrededor del circuito superconductor. Sin embargo, a medida que aumenta la corriente dentro del circuito, también aumentan las pérdidas dentro de la bomba de corriente, debidas a las interacciones entre el campo magnético variable en el tiempo y la corriente. Esto conduce a una "resistencia interna efectiva" de la bomba de corriente superconductora y conduce a una disminución de la tensión de salida medida en función de la corriente. Se observa que la "resistencia interna efectiva" de la bomba actual aumenta al aumentar la frecuencia de funcionamiento. La "resistencia interna efectiva" disminuye al aumentar el espacio axial. El valor asintótico para la tensión de salida de estado estable medida de la bomba de corriente es igual a la tensión requerida para superar la resistencia del resto del circuito superconductor cuando funciona con la corriente de estado estable, Isat.
La figura 12 muestra un gráfico de la tensión de salida máxima medida de la bomba de corriente superconductora en función del espacio entre el rotor y el estátor cuando funciona a 360 Hz. Con un espacio de 1,82 mm la tensión de salida máxima medida fue >20 mV. Con un espacio de 16,13 mm la tensión de salida cae a 0,18 mV. Este valor es mayor que cero y, por lo tanto, hace que la corriente fluya alrededor del circuito superconductor.
La figura 13 muestra un gráfico del valor medido de Isat de tres diseños diferentes de bomba de corriente superconductora. Isat se dibuja en función del espacio entre el imán permanente montado sobre el rotor y la superficie del hilo superconductor sobre el estátor. En las tres configuraciones, se utilizó hilo conductor revestido de YBCO dentro del estátor y los elementos de imán permanente comprendían imanes de NdFeB de tamaño similar. Se muestran 3 montajes diferentes para una bomba de corriente superconductora y se titulan Gen 1, Gen 2 y Gen 3 respectivamente. Cada gráfico muestra la intensidad del campo magnético axial en la superficie del estátor debido a un imán permanente ubicado a una distancia axial, x del estátor en ausencia de material superconductor. Gen 1 describe una disposición de bomba de corriente radial similar a la descrita en WO2012/018265 que no incluye yugo ferromagnético. En esta disposición, el campo experimentado en el estátor es similar al de un imán permanente aislado en el espacio libre. Gen 2 describe una disposición de bomba de corriente axial como la que se muestra en la figura 6, que incluye un cuerpo ferromagnético para el rotor y el estátor de manera que se realiza un circuito magnético de baja reluctancia entre el rotor y el estátor. El campo se mide en la superficie del estátor para un espacio axial, x, entre el imán permanente sobre el rotor y el estátor. Gen 3 describe otra disposición de bomba de corriente axial que incluye piezas de yugo ferromagnético dentro del rotor y el estátor y en la que la geometría del yugo ferromagnético se ha ajustado para mejorar aún más el campo B perpendicular máximo en la superficie del estátor. Estos datos demuestran que sin el uso de piezas de yugo ferromagnético, el bombeo de corriente a través de un espacio de> 10 mm no es posible ya que el campo b impuesto cae por debajo de Bpen. Sin embargo, el uso de yugos ferromagnéticos en el rotor y el estátor aumenta el campo magnético impuesto en el estátor, de modo que el bombeo de corriente puede ocurrir en espacios de más de 15 mm entre el rotor y el estátor. Este aumento de la distancia entre el rotor y el estátor permite colocar una pared aislante del criostato entre el rotor y el estátor y, por lo tanto, permite ubicar el rotor fuera del criostato de manera que todas las partes móviles de la bomba actual funcionen a temperatura ambiente y no imponga una carga de conducción de calor en el sistema criogénico.
La descripción anterior de acuerdo con la invención incluye formas preferidas de la misma. Se pueden hacer modificaciones a la misma sin apartarse del alcance de acuerdo con la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Una bomba de corriente superconductora dispuesta para hacer que una corriente eléctrica de CC fluya a través de un circuito superconductor (20) configurada para alojarse dentro de un recinto criogénico de un criostato (103) que tiene paredes aislantes térmicamente (30), comprendiendo el circuito superconductor una bobina o bobinas superconductoras (105) y uno o más elementos superconductores de hilo o cinta (201), comprendiendo la bomba de corriente un rotor (11) que comprende al menos en parte un yugo ferromagnético (15) y uno o más elementos generadores de campo magnético (12, 12a, 12b), y un estátor (21) que comprende al menos en parte un yugo ferromagnético (15) y uno o más elementos superconductores de hilo o cinta, en la que el rotor (11) está configurado para ser colocado fuera del recinto criogénico y el estátor (21) está configurado para ser colocado dentro del recinto criogénico (103), estando el rotor (11) y el estátor separados por un espacio (106) configurado para dejar pasar una pared termoaislante (30) de las paredes termoaislantes (30) del recinto criogénico, de manera que cada dicho yugo (15) concentra el flujo magnético de uno o más elementos generadores de campo magnético (12) en un circuito magnético a través del espacio (106) entre el rotor (11) y el estátor (21) y a través de la pared aislada térmicamente (30), penetrando el flujo magnético a través de la pared aislada térmicamente (30) y el uno o más elementos superconductores de hilo o cinta (201) del estátor (21) en un sentido, pasando el uno o más más elementos superconductores de hilo o cinta entre el rotor y el estátor que pasan entre el estátor (21) y uno o más elementos generadores de campo (12a, 12b) del rotor, y que salen del estátor a través de una región con densidad de flujo baja o nula , de modo que el movimiento del rotor (11) configurado para ser externo al recinto criogénico (103) en relación con el estátor (21) configurado para estar dentro del recinto criogénico (103) induce el flujo de una corriente continua en uno o más hilos o elementos superconductores de cinta (201) y en el circuito superconductor (20) configurado para ser colocado dentro del recinto criogénico (103), penetrando el flujo magnético en uno o más elementos superconductores de hilo o cinta con una densidad de flujo magnético lo suficientemente alta como para formar vórtices de flujo localizados a escala microscópica en uno o más más elementos superconductores de hilo o cinta, pero no como para eliminar una ruta de corriente superconductora suficiente para conducir la corriente CC neta que fluye en uno o más elementos superconductores de hilo o cinta a un nivel macroscópico.
2. Una bomba de corriente superconductora de acuerdo con la reivindicación 1, en la que uno o más elementos superconductores de hilo o cinta están configurados para salir a través de una abertura (23) en el estátor (21).
3. Una bomba de corriente superconductora de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que la bobina o bobinas superconductoras (105) tienen suficiente inductancia para acumular corriente eléctrica en el circuito de forma incremental a medida que se mueve el rotor (11).
4. Una bomba de corriente superconductora de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el rotor (11) y el estátor (21) están desplazados entre sí en un sentido en o sustancialmente paralelo a un eje de rotación del rotor (11) para definir dicho espacio (106).
5. Una bomba de corriente superconductora de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el rotor (11) y el estátor (21) están dispuestos concéntricamente y dicho espacio (106) está alrededor de un eje de rotación del rotor (11).
6. Una bomba de corriente superconductora de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el uno 0 más elementos generadores de campo magnético (12) comprenden uno o más imanes permanentes o electroimanes.
7. Una bomba de corriente superconductora de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende un sistema de control de motor dispuesto para controlar la velocidad del rotor (11).
8. Una bomba de corriente superconductora de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la el que uno o más elementos superconductores de hilo o cinta comprenden un material superconductor de alta temperatura.
9. Un sistema que incluye una bomba de corriente superconductora de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 y un criostato que comprende la pared (30), en el que el criostato incluye un sistema de refrigeración que comprende un líquido criogénico que sirve para enfriar por calor latente de evaporación y/o un sistema termo mecánico refrigerador.
10. Un sistema que incluye una bomba de corriente superconductora de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 8 y un criostato que comprende la pared (30) donde la pared del criostato (30) dispuesta entre el rotor (11) y el estátor (21) tiene baja conductividad eléctrica.
11. Un sistema que incluye una bomba de corriente superconductora de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 y un criostato que comprende la pared (30) en el que el criostato es un criostato giratorio.
12. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el estátor (21) y el rotor (11) giran entre sí alrededor de un eje de rotación común con el criostato giratorio.
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