آشنایی با موتور ابررسانا - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، با پیشرفت روزافزون علم و گسترش جمعیت، مصرف انرژی روز به روز افزایش یافته و نگاه‌ها به سوی انرژی الکتریکی معطوف شده است. در این میان، ماشین‌های الکتریکی در نقش مبدل‌های انرژی الکترومکانیکی، از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. امروزه نیاز به ماشین‌هایی با نویز و سر و صدای کمتر، توان بیشتر و وزن و حجم کمتر بسیار احساس می‌شود. پیشرفت ابررسانا‌ها و ابررسانا‌های دمابالا (High Temperature Superconductor) یا HTS سبب به وجود آمدن گونه‌ای از ماشین‌های الکتریکی گردان (ابرموتور‌ها و ابرژنراتورها) شده است که به طور کلی ابرماشین نامیده می‌شوند.

 

ابرماشین‌ها در مقایسه با ماشین‌های الکتریکی مرسوم با مشخصات نامیِ برابر، ارزان‌تر، سبک‌تر، فشرده‌تر و کارآمدتر هستند و از همه مهم‌تر، شرایط عملکرد پایدار را در سیستم قدرت میسر می‌کنند. در این آموزش به ساختمان و طرح کلی یک موتور ابر رسانا، یعنی موتور HTS سنکرون می‌پردازیم.

پدیده ابر رسانایی و ابر رسانا‌های دما بالا (HTS)

در سال ۱۹۱۱ میلادی یک محقق هلندی پی برد که وقتی جیوه تا دمای ۴ کلوین سرد شود، کاهش مقاومت آن در مقابل جریان الکتریکی ادامه می‌یابد. این حالت را خاصیت ابررسانا نامیده‌اند. در دمای معمولی، فلزات در مقابل حرکت الکترون‌ها دارای مقاومت هستند، ولی اگر دمای فلز کاهش یابد، مقاومت آن در برابر حرکت الکترون‌ها نیز کم می‌شود؛ به طوری که هرچه فلز سردتر شود، مقاومت آن در مقابل حرکت الکترون‌ها نیز کمتر می‌شود تا به صفر برسد. دلیل این امر آن است که با برقراری جریان برق در فلز (سیم)، اتم‌های آن به شدت لرزش یافته و باعث پراکنده شدن الکترون‌ها می‌شوند که این حالت نوعی مانع در مقابل حرکت الکترون‌ها ایجاد می‌کند. با سرد شدن فلز ارتعاش اتم‌ها کمتر شده و هرچه سردتر شود، ارتعاش اتم‌ها نیز کمتر می‌شود و در نتیجه، حرکت الکترون‌ها بهتر صورت می‌گیرد و اگر دمای فلز باز هم کاهش داده شود، در دمای مشخص هر فلز حرکت اتم‌ها به کلی متوقف خواهد شد. در این مرحله، مقاومت فلز ناگهان صفر شده و الکترون‌ها در مدار بدون مقاومت حرکت می‌کنند. این خاصیت در آلیاژ‌های مختلف فلزات و مواد رسانا متفاوت است.

ابررسانا‌ها معمولاً در دمای چند درجه بالاتر از صفر مطلق (۲۷۳- درجه سانتی‌گراد) ابررسانا می‌شوند. این امر مستلزم سرد کردن فلز تا حدود صفر مطلق است. مواد ابرسانا در دمای بالا (HTS) موادی هستند که به مراتب، بالاتر از صفر مطلق ابررسانا می‌شوند؛ مثلاً در دمای ۱۹۰- درجه سانتی‌گراد. در نتیجه، این مواد مناسب‌تر از سایر موادی هستند که باید در دمای صفر مطلق سرد شوند. قبلاً برای سرد کردن مواد ابررسانا از هلیوم مایع استفاده می‌شد که مایعی بسیار گران و کمیاب است. در سال ۱۹۸۶ میلادی تحقیقات نشان داد که آلیاژ مس با نوعی اکسید را می‌توان با نیتروژن مایع تا دمای ۱۹۶- درجه سانتی گراد سرد کرد. این مایع ضمن اینکه فراوان و ارزان است، کاربرد آن نیز برای این منظور بسیار ساده خواهد بود.

یک ابررسانای ایده‌آل، ماده‌ای است که در دمایی پایین‌تر از دمای بحرانی دارای دو مشخصه اساسی مقاومت صفر و دیامغناطیس کامل است. خاصیت دوم (خاصیت دیامغناطیس کامل مواد ابررسانا) به این معناست که ماده ابررسانا اجازه ورود و نفوذ یک میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده را به درون خود نمی‌دهد.

موتور ابر رسانا

مهم‌ترین جزء یک سیستم پیشرانه الکتریکی (مثلاً در کشتی‌ها)، یک موتور الکتریکی مناسب است که باید مشخصه‌های منحصر به فردی نظیر وزن کم همراه با توان و گشتاور بالا (چگالی توان بالا)، نویز و سر و صدای کم و قابلیت اطمینان بالا داشته باشد. عملکرد مناسب و قابل قبول سیستم پیشرانه الکتریکی، به طراحی یک موتور الکتریکی فشرده‌تر با بازده بالا نیاز دارد.

موتور‌های ابررسانا گونه‌های جدیدی از موتور‌های سنکرون هستند که در آن‌ها از سیم‌پیچ‌ها و صفحات ابررسانا به جای سیم‌پیچ‌های معمول به کار رفته در موتور‌های مرسوم استفاده می‌شود. از آنجا که این سیم‌پیچ‌ها قادر به تولید و تحمل جریان‌های بسیار بزرگ‌تر نسبت به سیم‌پیچ‌های مسی هستند، میدان مغناطیسی قوی‌تری در محیط ماشین تولید می‌کنند و در نهایت منجر به ماشینی با توان بالاتر می‌شوند. در موتور‌های ابررسانا با جایگزین کردن سیم‌پیچ مسی با سیم‌پیچ‌های ابررسانا، می‌توان به چگالی جریانی در حدود ۱۰ برابر حالت قبل بدون تلفات مقاومتی دست یافت.

شکل ۱: اجزای یک موتور ۵ مگاوات پیش‌رانش کشتی: (الف) استاتور؛ (ب) روتور

در مقایسه دو موتور با قدرت مشابه، موتور ابررسانا از نظر وزن، یک سوم و از نظر حجم، نصف یک موتور با سیم‌های مسی معمولی است که این کاهش وزن و حجم در کشتی یکی از مزایای بسیار با ارزش است، زیرا شناورها، به خصوص شناور‌های نظامی، قادر خواهند بود نیازمندی‌های دیگر عملیاتی مانند، سوخت یا مهمات و ... را حمل کنند. علاوه بر این، دستاورد‌های غیرنظامی امکان حمل بار و مسافر بیشتری خواهند داشت. علاوه بر این، مصرف سوخت و هزینه‌های تعمیر و نگهداری شناور‌ها نیز کمتر خواهد شد.

موتور ابررسانا در واقع یک موتور با هسته هوایی است که استاتور آن بدون دندانه ساخته می‌شود. این ساختار اشباع هسته و تلفات آهن را حذف می‌کند. ابررسانا‌ها عملاٌ در دما‌های بسیار پایین دارای خاصیت ابررسانایی هستند؛ بنابراین اولین گزینه طراحی باید بر انتخاب ساختاری معطوف شود که در آن، دستیابی به دما‌های پایین امکان‌پذیر و راحت باشد. با توجه به نیاز گزینه آرمیچر گردان بیرونی، میدان (تحریک) ثابت درونی و اینکه قرار است تنها تولید میدان تحریک بر عهده ابررسانا‌ها باشد، مناسب‌ترین گزینه برای طراحی این است که ابررسانا‌ها به صورت ثابت قرار گرفته و شرایط بسیار مناسبی برای خنک کردن آن‌ها مهیا شود.

ساختمان موتور HTS

طرح کلی مقطع یک موتور HTS در شکل ۲ نشان داده شده است. استاتور شامل سیم‌پیچ هسته هوا از جنس ابررسانای دمابالاست که درون یک ماده غیرمغناطیسی نصب شده است.

شکل ۲: مقطع موتور سنکرون HTS

روتور از تعدادی صفحه مدور دارای ضخامت (استوانه کم‌ارتفاع) ابررسانا تشکیل شده است که می‌توانند توسط شار قطب‌ها تحریک و مغناطیسی شوند (شکل ۳).

شکل ۳: روتور یک موتور HTS

با استفاده از سیم ابررسانا در سیم‌پیچی، تلفات تحریک 2^Rf*Ifعملاً صفر می‌شود، زیرا Rf=۰است. شار مغناطیسی تولید شده برای استاتور (آرمیچر) توسط سیستم تحریک روتور با اشباع مغناطیسی هسته فرومغناطیس آن محدود نمی‌شود، زیرا استاتور را می‌توان بدون دندانه ساخت. آرمیچر بدون شیار یعنی اینکه تلفات در دندانه آرمیچر وجود ندارد و چگالی شار در فاصله هوایی توزیع سینوسی خواهد داشت.

شکل ۴: سیم‌پیچی با سیم‌های HTS

مغناطیس کنندگی روتور موتور HTS

چهار روش برای مغناطیسی کردن HTS وجود دارد: خنک‌سازی میدان (FC)، خنک‌سازی صفر میدان (ZFC)، مغناطیسی کردن پالسی میدان (PFM) و مکش شار.

در روش FC یک میدان مغناطیسی DC قوی به وسیله یک سیم‌پیچ بزرگ تولید می‌شود. این میدان تا زمانی که HTS خنک شود و دمای آن از دمای بحرانی پایین‌تر آید، برقرار است و پس از آن به آهستگی از بین می‌رود. در روش‌های ZFC و PFM ماده ابررسانای دمابالا تا زیر دمای بحرانی سرد شده و پس از آن در معرض یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد که از صفر تا مقدار بیشینه‌ای افزایش و سپس دوباره به صفر کاهش می‌یابد. در روش ZFC میدان مغناطیسی به صورت خطی و با شیبی ملایم تغییر می‌کند و توسط یک سیم‌پیچ ابررسانا تولید می‌شود، در حالی که در روش PFM میدان موجی ضربانی است و اعمال آن مدت زمانی در حد میلی‌ثانیه به طول می‌انجامد و عموماً توسط تخلیه یک بانک خازنی در یک سیم‌پیچ کوچک مسی تولید می‌شود. در روش مکش شار، میدانی در سراسر ابررسانا که در معرض یک موج مغناطیسی است پخش می‌شود. موج‌های متوالی در مسیر‌های مشابه موجب تغییرات پله‌ای شدیدتر جریان در ابررسانا و در نتیجه ایجاد یک میدان مغناطیسی قوی‌تر می‌شوند.

بر اساس کاوش‌های صورت گرفته در فرایند مغناطیس‌کنندگی ابررساناها، روش PFM مطلوب‌تر است؛ زیرا فراهم کردن وسایل مورد نیاز آن و نیز بازیابی مغناطیس‌زدایی جزیی در اثر خطا در این روش آسان‌تر است.

طرح کلی مغناطیس‌کنندگی HTS در شکل ۵ آمده است. دو سیم‌پیچ مسی نیز برای مغناطیس‌کنندگی روتور مورد استفاده قرار می‌گیرند. آهن عقبی به هر سیم‌پیچ الصاق شده تا میدان تولیدی را افزایش دهد. طی فرایند مغناطیس‌کنندگی، در مرحله نخست، یک جفت مجموعه از مجموعه استوانه‌های ابررسانای کم ضخامت توسط قطب‌های N مغناطیسی می‌شوند. پس از آن، روتور ۹۰ درجه می‌چرخد و جفت مجموعه دیگر توسط قطب‌های S مغناطیسی می‌شوند. در نتیجه روتور مغناطیسی خواهد شد.

شکل ۵: طرح کلی مغناطیس‌شوندگی HTS

برای تولید یک میدان مغناطیسی پالسی (ضربانی) با مقدار بیشینه به اندازه کافی بزرگ، یک منبع مورد نیاز است که بتواند پالس جریان بالا تولید کند. (شکل ۶)

شکل ۶: (الف) مدار تولید پالس جریان (ب) نمودار جریان برحسب زمان