Superledende elektromotor i praktisk bruk

  • fagartikler

Den superledende effekten har vært kjent i lang tid, hvor den elektriske motstanden forsvinner når temperaturen i visse materialer senkes ned til en bestemt temperatur. Resultatet er en tapsfri og energisparende strømtransport.

Dessuten kan svært store strømtettheter oppnås i de strømførende lederne. I dag ligger strømtettheten ca. ti ganger høyere enn kopperledere og ved en videreutvikling av superlederne kan denne økes betydelig. På grunn av den store strømtettheten kan motorens rotor bygges vesentlig mindre enn for en konvensjonell motor. Dessuten kan mye større magnetiske feltstyrker oppnås på grunn av den større strømtettheten. Resultatet blir betydelig vekt- og voluminnsparinger så vel som lavere støy. Prototypmotoren har en maksimal strømtetthet på ca. 75 A/mm 2, mens koppertråd normalt blir belastet med ca. 4-8 A/mm 2. For fremtiden er høytemperatur-superledere i utvikling med en strømføringsevne på inntil 1000 A/mm 2.

Superlederen tåler bare svært små vekselstrømsfelt. Dette er på grunn av at det oppstår så store tap i lederen. Dermed er det for tiden ikke mulig å oppnå superledning i statorviklinger (som blir påtrykt vekselspenning), men utelukkende i likestrømskretser, og dermed i roterende feltviklinger. Også magnetfeltet begrenser - avhengig av retning og størrelse - den mulige superledende strømmen. For å oppnå et tilstrekkelig magnetiseringsfelt må lederen holdes avkjølt ned mot 25 K.

Gode testresultater

Den første europeiske høytemperatur-superledende elektromotoren (HTS) har nå vært i drift i ett år ved Siemens forskningssenter i Erlangen, Tyskland. Motoren har gjennomgått et omfattende testprogram i nettdrift både som motor og generator. Nå er også et annet avgjørende skritt tatt i å gjøre denne nye maskinen tilgjengelig for de store potensielle anvendelsene: den er tilkoblet en frekvensomformer og er dermed turtallsregulert.

Sammen med en frekvensomformer kan HTS-motoren kjøres fra stillstand med et variabelt turtall. Dette eliminerer bruken av en hjelpedrift for å starte opp motoren, som tidligere var påkrevet. Dessuten sikrer designet av rotoren at de harmoniske strømmene forårsaket av frekvensomformeren ikke fører til større tap i de sensitive HTS-viklingene.

I de siste tolv månedene har den nye motoren blitt utforsket med argusøyne og de meget detaljerte testprosedyrene har bevist at den arbeider som forventet. Den anvender en stator med en ukonvensjonell luftspalte og en rotor som er en roterende kryostat. Den høytemperatur- superledende rotorviklingen beviste å motstå de mekaniske belastningstestene. Det lukkede, automatisk styrte kjølesystemet har også vært i drift ett år og har oppnådd alle forventninger.

Motoren var ikke designet for høy virkningsgrad, men resultatene viste at motoren hadde lavere tap enn en konvensjonell motor. Virkningsgraden var betraktelig høyere selv når den påkrevde kjølingen ble tatt med i regnestykket. Motoren ble designet for 380 kW. Men i testbenken ble en kontinuerlig utgangseffekt på 450 kW oppnådd og for korttidsdrift ble en ytelse på hele 600 kW oppnådd.

Slipper gearboksen

Fordelene til en fremtidig HTS-motor eller -generator ligger ikke bare på energisparingspotensialet på grunn av den tapsfrie strømflyten i superlederne. Med den høye tettheten på strømmen gjør den superledende teknikken det mulig å lage svært kompakte drivsystemer, fire ganger mindre enn konvensjonelle systemer. Dette vil blant annet være en stor fordel i skips- og oljerelaterte applikasjoner. Samtidig kan de samlede tapene sammenlignet med de konvensjonelle elektriske maskinene nesten halveres, selv om en tar hensyn til tapet til kjøleanlegget for kjøling av rotoren.

Andre interessante anvendelsesområder er ved behov for motordrifter i langsomme turtallområder, som for eksempel som direktedrevne generatorer i vindmøller (uten gir), for langsomt løpende motordrifter i prosessindustrien, og som høyturtallsdrifter som normalt er tilkoblet en gearboks til en gassturbin hvor en dermed kan unnvære gearboksen.