BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR VILLAMOS ENERGETIKA TANSZÉK YBCO SZUPRAVEZETŐ GYŰRŰK ÉS ZÁRT HURKOK ÚJ ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉGE PhD értekezés tézisei Kósa János Témavezető: Dr. Vajda István egyetemi tanár Budapest 2011
1. MOTIVÁCIÓ A szupravezetők alkalmazásának kutatásában mindig is kerestem a szépet, az egyszerűt, a tisztát. Úgy érzem, megtaláltam. Ez a munka számomra kutatás, élmény és szenvedély, folytatni fogom a tudomány iránti alázattal. Motivációm nem az volt, hogy olyan munkát végezzek, amiért doktori fokozatot adnak, hanem az, hogy olyan munkát végezzek, amiért megérdemlem a fokozatszerzést. Amikor 1989-ben kezembe került az első polikristályos YBCO tömb, elhatároztam, hogy megpróbálok egy szupravezetős alkalmazást létrehozni. Kezdetben még csak demonstrációs kísérleteket tudtam végezni, de ennél többet akartam. Egyre több cikket olvastam a későbbi témavezetőmtől Dr. Vajda Istvántól, és igazi lehetőséghez az egyetemen végzett doktori munkám során jutottam. Nem is gondoltam még ekkor arra, hogy sok szép élményt rejteget számomra ez a pálya. Sok munka volt idáig eljutni, de önként vállaltam. Az éjszakákba nyúló laboratóriumi munkák már természetessé váltak. Sok barátot szereztem az egyetemen (BME), illetve külföldi kutatóintézetekben. Munkáimat felkarolták és értékelték. Ez mindig lelkesített. Munkahelyemen, a Kecskeméti Főiskola GAMF Karán szintén támogattak. Számomra sikerélményt jelentett, hogy két cikkem beválogatásra került a European Superconductivity News Forum Science and Technology News oldalára. Ezek az események mindig új erőt adtak a további kutatásokhoz, és a későbbiekben is tudok belőlük meríteni. 2. TÉMAKÖR RÖVID BEVEZETÉSE Munkáimat magas hőmérsékletű szupravezető (MHS) anyaggal valósítottam meg. Anyagkiválasztás döntőfontosságú kérdés volt számomra. Mérlegelnem kellett a lehetőségeket és lehetőségeimet. 1986-ig csak az I-es típusú és az alacsony hőmérsékletű II-es típusú szupravezetőket ismerték. Az I-es típus felfedezése Kammerlingh Onnes holland fizikus nevéhez fűződik. 1986-ig az intermetallikus vegyületek és ötvözetek között sikerült elérni a legnagyobb kritikus hőmérsékletet (Nb 3 Ge (23K)), valamint a legnagyobb kritikus mágneses teret. Ezek az úgynevezett alacsony hőmérsékletű, II-es típusú szupravezetők. 1986 fordulópont volt, hiszen az eddigi legmagasabb kritikus hőmérséklet és a kritikus mágneses tér maximumát jelentős mértékben átlépték. Ezek az anyagok a magas hőmérsékletű (MHS) szupravezetők. Erősáramú alkalmazásokban ezen anyagokkal ipari szinten már számos megoldást kínálnak az energia tárolása, továbbítása és átalakítása területén. Egyre több rezisztív és induktív zárlati áramkorlátozót (ZÁK) és önkorlátozó transzformátort készítenek. Kutatásaimhoz, mellyel új típusú önkorlátozó transzformátort valósítottam meg, én is YBCO tömbi és szalagszerű SF 12050 anyagot használtam. A tömbi szupravezetők felmágnesezésére alkalmas készülékkel szokták tesztelni az YBCO tömböket. Ezek a felmágnesezők műszaki tartalomban és árban jelentősen különböznek.
3. CÉLKITŰZÉSEK Elhatározásom megszületésének pillanatától kezdve célomnak tűztem ki, hogy nemzetközi viszonylatban is új készüléket fejlesszek. Célul tűztem ki, hogy a fluxus állandóság elvével a statikus és változó mágneses tér eddig nem alkalmazott úton történő átvitelét megvalósítsam egymással nem érintkező, szeparált vasmag körök között YBCO szupravezető gyűrűk és hurkok alkalmazásával. Így új típusú megoldások jöhetnek létre. A megvalósított fluxusátvitelre két szeparált vasmag között egy mérési eredményt láthatunk az 1. ábrán. B [mt] primer mágneses indukció szekunder mágneses indukció t [sec] 1. ábra. Fluxusátvitel két szeparált vasmag kör között a primer vasmagkör gerjesztésének változtatásával Célul tűztem ki, hogy önkorlátozó transzformátort valósítsak meg a fluxusátvitellel (2. ábra) és az aktív mágneses rövidzár elvével. 2. ábra. 400 VA-es háromfázisú önkorlátozó transzformátor fluxusátvitellel
Célul tűztem ki egy YBCO tömbi szupravezető felmágnesezésére alkalmas felmágnesező készítését. Bemutatom, hogyan lehet 2 Tesla mágneses indukciót előállítani 18 mm-es légrésben a gerjesztő tekercsek mesterséges hűtése nélkül az YBCO tömbök felmágnesezési idejére (kb. 2 perc). Mért értéksorozatot a 3. ábrán láthatunk. Flux density in the air gap of the axis of B the simmetry in the centre at 2650 W Tesla 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 distance pólusok of the távolsága poles (mm) (mm) 3. ábra. A felmágnesező mérési eredménye Igyekeztem a magas hőmérsékletű szupravezetők (MHS) által nyújtott előnyöket kedvezően kihasználni. Vizsgálni kívántam, hogy a szupravezető gyűrű vagy zárt hurok jelenléte hogyan befolyásolja az időben állandó és időben változó fluxus átvitelét két egymással nem érintkező vasmagkör között. Munkám elvégzéséhez megmunkálási technológiákat kellett kidolgoznom, mellyel biztosítani tudtam kísérleteim elvégzését. Ezt önként vállaltam, és tudtam, hogy ezzel hosszabb utat kell bejárnom, de bíztam benne, hogy célhoz érek. 4. KUTATÁS MÓDSZERTANA Kutatásaimat mindig egy sajátos folyamat jellemezte. Az első két tézis esetében hipotéziseket állítottam fel, melyeket először csak annyira ellenőriztem, hogy a felvetés ütközik-e valamelyik fizikai, villamosságtani törvénybe. Ennek végiggondolása után a gyakorlatban elkészítettem a modellt. Igyekeztem ipari alkalmazásokat közelíteni modelljeimmel.
Az elkészült berendezéseken mérésekkel igazoltam a működőképességet. Mivel kísérletező típusú vagyok, ezért gyakorlat irányából közelítettem meg a feladatot. A tesztelés után kezdtem neki a részletesebb elméleti vizsgálatoknak. Az elméleti vizsgálatnál a működési egyenletek megadását tekintettem az elsődleges feladatomnak, majd analízist végeztem. Tehát a gondolat megszületése és ellenőrzése után gyakorlati igazolásokra helyeztem a hangsúlyt, melyet elméleti kidolgozás követett. A gyakorlati igazolások nehéz feladat elé állítottak, mivel nem tézis célú, de a tézis kidolgozását elősegítő kutatató munkát is el kellett végeznem. Ez a tudományos munkához szükséges YBCO gyűrűk és hurkok elkészítését jelentette. Azok a szupravezetős alkalmazások, amelyeket terveztem, életre hívták az olyan jellegű feladatok megoldását is, amelyek lehetővé tették számomra a rideg és törékeny, réteges felépítésű tömbi szupravezető anyagok, gyors és gazdaságos megmunkálását, vágását, fúrását, valamint gazdaságos felmágnesezését alkalmazások, illetve tesztelések céljából. Először tömbi YBCO anyagból gyűrűket készítettem, de a gyűrűk mérete korlátot jelentett az alkalmazások számára. Kerestem a megoldást, és így jutottam ahhoz a gondolathoz, hogy második generációs szalagszerű huzalból készítsek YBCO folytonos zárt hurkokat. Ezekből tézist nem készítettem, de nemzetközi publikációkkal lefedettek. Tömbi szupravezetők megmunkálását nemcsak a BME Villamos Energetika Tanszékének, hanem indiai, ukrán, német és francia kutatóintézetek számára is készítettem. Egyúttal kísérleteket végeztem BSCCO és MgB 2 megmunkálására is. Harmadik tézisemet pedig a megmunkálások utáni ellenőrzés igénye váltotta ki. Ezért terveztem és kiviteleztem az YBCO tömb repedését tesztelő, gazdaságos kivitelezésű felmágnesező gépet, mellyel 18 mm-es légrésben 2T mágneses indukció állítható elő a gerjesztő tekercsek mesterséges hűtése nélkül a szupravezető tömbök felmágnesezési idejére (kb. 2 perc). Ebben az esetben, ellentétben az első két tézissel, először elméleti vizsgálatokat végeztem szimulációval. A szimulációt COMSOL Multiphysics szoftverrel készítettem. Többszöri ellenőrzés után, az eredmények birtokában mertem nekifogni a kivitelezésnek. 5. ELVÉGZETT TUDOMÁNYOS MUNKA ÖSSZEFOGLALÁSA Elméletileg és gyakorlatilag igazoltam a mágneses fluxus átvitelének lehetőségét szeparált vasmag körök között. Igazoltam, hogy az elvvel önkorlátozó transzformátor megvalósítható. Az általam bevezetett aktív mágneses rövidzár fogalmának megvalósításával önkorlátozó transzformátort készítettem. Terveztem és kiviteleztem a szupravezető tömbök felmágnesezésére egy olyan felmágnesező készüléket, mellyel 18 mm-es légrésben 2T mágneses indukció állítható elő a gerjesztő tekercsek mesterséges hűtése nélkül. A berendezés jól alkalmazható YBCO tömbök felmágnesezésére.
6. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 6.1 I.TÉZIS (transzfer elméleti és kísérleti tézis) Megállapítottam, hogy az időben állandó és időben változó mágneses fluxus átvitele lehetséges szeparált vasmag körök között egy vagy több zárt hurkos szupravezetővel. Az átvitelt elméletileg és kísérletileg is bizonyítottam. Mind az időben állandó, és mind az időben változó fluxusátvitelnek új gyakorlati alkalmazási lehetősége van. [3], [4], [5]. a) Elméleti kidolgozással igazoltam, hogy az YBCO szupravezető tömbből megmunkált gyűrű, és az YBCO 2. generációs szupravezető szalag felhasználható időben állandó és időben változó fluxus átvitelére szeparált vasmag körök között. Megadtam a fluxusátvitel során a primer és szekunder ekvivalens mágneses ellenállás meghatározására vonatkozó összefüggéseket, melyekkel a primer gerjesztésből könnyen kiszámítható a szeparált vasmagok fluxusának értéke. Megadtam azt az összefüggést, mellyel a szupravezető hurok árama kiszámítható abban az általános esetben, amikor tetszőleges számú zárt és mágneses ellenállásával jellemezhető hurok veszi körbe a szupravezető hurkot, tetszőleges számú vasmag külső gerjesztése esetén. Megadtam a véges ellenállás hatását a fluxusátvitel folyamatára. b) Mérésekkel igazoltam az időben állandó és változó fluxus átvitelének lehetőségét két szeparált vasmag kör között szupravezető felhasználásával. Valójában a primer vasmagkör fluxusa külső gerjesztéssel változtatható, és ennek hatására az átvitel folyamán a szekunder vasmag fluxusa megváltozik, de az új értékét időben megtartja. Igazoltam, hogy a fluxus átvitele a szupravezető mágneses tér nélküli hűtése esetében (ZFC, zero field cooled), illetve a szupravezető mágneses térben történő hűtésekor is (FC, field cooled) lehetséges. Az ipari alkalmazás előkészítése érdekében méréssel igazoltam, hogy az 50 Hz-es váltakozó fluxus átvitele is megvalósítható szeparált vasmag körök között.
6.2 II. TÉZIS (önkorlátozás új típusai) A szeparált vasmag körök közötti fluxusátvitel elvével, illetve az általam bevezetett aktív mágneses rövidzár elvének megvalósításával önkorlátozó transzformátor készíthető YBCO szupravezető felhasználásával. A szeparált vasmagos kivitelű egy- és háromfázisú önkorlátozó transzformátor mérési eredményeivel igazoltam az elv működőképességét. Az aktív mágneses rövidzár elvét YBCO szupravezetővel valósítottam meg, melyet mind elméletileg, mind gyakorlatilag igazoltam és elkészítettem az elv alapján egy egyfázisú önkorlátozó transzformátort, melynek mérési eredményei igazolták az önkorlátozás tényét. [1], [2]. a) Elméleti kidolgozással meghatároztam a transzfer üzemi és transzfer korlátozási tényezőket szeparált vasmagok között, melyekkel az adott szupravezető huzal paramétereiből eldönthető, hogy a szalag milyen tulajdonságokkal jellemezhető a fluxusátvitelre és áramkorlátozásra szeparált vasmagos kivitelben. b) Egy- és háromfázisú fluxusátvitellel működő, szeparált vasmagkörös önkorlátozó transzformátor mérési eredményeivel igazoltam az önkorlátozás tényét. c) Elméletileg igazoltam, hogy szupravezető szalaggal megvalósított aktív mágneses rövidzárral egyfázisú háromoszlopos önkorlátozó transzformátort hozhatunk létre. Meghatároztam a három oszlopból a gerjesztésekkel ellátott két, zárt vasmag oszlopot együttesen áthurkoló szupravezető hurok áramát. Igazoltam, hogy a szupravezető hurok árama kizárólag az együttesen áthurkolt zárt vasmag oszlopok mágneses ellenállásainak arányától, valamint a primer gerjesztés, illetve annak hatására kialakult szekunder gerjesztéstől függ, és független a zárt hurkon át nem haladó szórási utak mágneses ellenállásától. Igazoltam, hogy a hurkon kívüli szórási utat biztosító mágneses ellenállások a korlátozási folyamatban a fluxuseloszlással a korlátozási arányt befolyásolják.
6.3 III. TÉZIS (YBCO tömbi felmágnesező) A gerjesztő tekercsek mesterséges hűtése nélkül készíthető egy olyan felmágnesező készülék, mely 50 mm átmérőjű, 10-12 mm magas YBCO tömbi szupravezetők felmágnesezésére alkalmas. A felmágnesezéshez szükséges 2 T mágneses indukció a szükséges 18 mm-es légrésben előállítható a gerjesztő tekercsek mesterséges hűtése nélkül. Adott külső befoglaló méretű gerjesztő tekercsek és a hozzátartozó adott pólusfelületű vasmagok kúpos kialakításával és annak megtekercselésével adott áramsűrűséghez található olyan optimális pólus kúpszög, melynél maximális mágneses indukció érhető el a légrésben. [7]. a) Szimulációval igazoltam, hogy adott külső befoglaló méretű gerjesztő tekercsek és a hozzátartozó adott pólusfelületű vasmagok kúpszögének függvényében egy adott légrésnél található olyan kúpszög, melynél maximális a légrés (munkatérfogat) mágneses indukciója. Ugyancsak szimulációval igazoltam, hogy növekvő áramsűrűség esetén az optimum az előzőnél nagyobb kúpszögnél adódik. b) Mérési eredményekkel igazoltam, hogy 18,4 mm-es légrésben 2 Tesla mágneses indukció előállítható a gerjesztő tekercsek mesterséges hűtése nélkül, az YBCO tömbök felmágnesezési idejére (kb. 2 perc). A felmágnesezővel a megmunkált YBCO szupravezető tömböket tesztelés céljából fluxusbefogással lehet vizsgálni. A gyakorlat szempontjából fontos faktor, hogy a készülék kivitelezése gazdaságos. 7. TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK FELHASZNÁLÁSA Mind a 3 tézisem a gyakorlatban hasznosítható. Az 1. tézisben elméletileg alátámasztott és a 2. tézisben bemutatott szeparált vasmagkörök között fluxusátvitel megvalósításával önkorlátozó transzformátor egyés háromfázisú kivitelben megvalósítható. A munka során három fázisú kivitelben 400 VA-es önkorlátozó transzformátor elkészült. Állandó mágneses fluxus átvitele is praktikusan alkalmazható, mivel az FC hűtéssel az egyik vasmag légrésében beállított mágneses indukció a másik vasmag külső gerjesztésével változtatható. A 2. tézisben ismertetett aktív mágneses rövidzár elméletével megvalósított önkorlátozó transzformátor gyakorlati előnye, hogy szekunder zárlat esetén a nem áthurkolt oszlopon lévő tekercsen feszültség keletkezik, amely védelmek működésére felhasználható. A 3. tézis 2 Tesla előállítását teszi lehetővé a gerjesztő tekercsek hűtése nélkül a szupravezető tömbök felmágnesezési idejére (2-3 perc).
A berendezéssel 52 mm átmérőjű és 10 12 mm magasságú YBCO tömbök felmágnesezhetők. 8. TOVÁBBI KUTATÁSI FELADATOK Az elvégzett munka újabb fejlesztési és kutatási feladatok megoldását tűzi ki. Téziseim folytatásaként az egy-, kettő- és három fázisú zárlatok összehasonlítását a hagyományos transzformátorok zárlataival el fogom végezni. További feladatomnak tűztem ki, hogy a veszteségeket a hagyományos transzformátorokéhoz hasonló szintre vigyem le. Jelenleg ezen már dolgozom, de mém korai nyilatkozni. Vizsgálni fogom a párhuzamosan, illetve sorosan elhelyezett szupravezető szalagok működési különbségét. További célomnak tűztem ki, hogy szupravezető tekercs felhasználásával optimalizálom a felmágnesezőt.
Tézisekhez kapcsolódó tudományos folyóirat cikkek 1. Kosa J, Vajda I Novel 3-phase Self-limiting Transformer with Magnetic Flux Applied by Perfect Closed YBCO Wire Loops. IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY (2011) Elfogadott, megjelenés alatt. 2. Kosa J, Vajda I, Kovacs L. Novel self-limiting transformer with active magnetic short circuit using perfect YBCO wire loops IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY (2011) Elfogadott, megjelenés alatt. 3. J Kosa Qualification of YBCO Rings and 100% YBCO Wire Loops with the Transformation of the DC Magnetic Field. MATERIALS SCIENCE FORUM Vol. 670 (2011) pp 11-20, (2011) Elfogadott, megjelenés alatt. 4. J Kosa, I Vajda, A Gyore Application possibilities with continuous YBCO loops made of HTS wire. JOURNAL OF PHYSICS-CONFERENCE SERIES 234:(3) Paper 032030. (2010) 5. Kosa J, Vajda I Transformation of the DC and AC magnetic field with novel application of the YBCO HTS ring. IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY 19:(3) pp. 2186-2189. Paper 5109535. (2009) IF: 1.310 6. Kosa J, Vajda I, Farkas L Qualification of the machining and fitting precision of YBCO bulks and rings joined together via the examination of the trapped flux. IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY 19:(3) pp. 2182-2185. Paper 5067132. (2009) IF: 1.310 7. János Kósa, István Vajda, Tatjana Prikhna Magnetization of YBCO bulks with permanent magnets and hybrid magnetizer JOURNAL OF OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS, vol. 10, No. 5, pp. 1005-1010. (2008)
Tézisekhez közvetve kapcsolódó további tudományos folyóirat cikkek 8. T Prikhna, X Chaud, W Gawalek, A Joulain, Y Savchuk, N Sergienko, V Moshchil, T Habisreuther, J Rabier, S Dub, V Melnikov, D Litzkendorf, P Nagorny, J Bierlich, V Sverdun, I Vajda, J Kosa Oxygenation of bulk and thin-walled MT-YBCO under controllable oxygen pressure. JOURNAL OF PHYSICS-CONFERENCE SERIES 97:(1) pp. 1-6. Paper 012023. (2008) 9. János Kósa, István Vajda Environmentally friendly machining of ceramic based YBCO bulk superconductor. JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY 181:(1-3) pp. 48-51. (2007) IF: 0.816 Független idéző: 1 Keyson D, Volanti DP, Cavalcante LS, Simoes AZ, Varela JA, Longo E, CuO urchinnanostructures synthesized from a domestic hydrothermal microwave method MATERIALS RESEARCH BULLETIN 43: (3) 771-775 (2008) 10. Kósa János, Vajda István Az YBCO és.mgb 2 tömbi szupravezető megmunkálása GÉPGYÁRTÁS XLVI: (1-2) pp. 13-18. (2006) 11. Kósa János, Vajda István YBCO szupravezető tömb megmunkálása szupravezető állapotban. GÉPGYÁRTÁS XLVI: (1-2) pp. 19-23. (2006) 12. A Szalay, G Bertalan, I Vajda, J Kosa, M Enisz YBCO bulks for preparation of permanent magnets. JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY 25:(12) pp. 2931-2934. (2005) IF: 1.567 13. T. Habisreuther, M Zeisberger, D Litzkendorf, O Surzhenko, S Kracunovsk, J Bierlich, J Kosa, I Vajda, W Gawalek Processing and Characterisation of Bulk Melt-Textured YBCO Monoliths and Function Elements. PROGRESS IN SUPERCONDUCTIVITY 6:(1) pp. 1-6. (2004) 14. Bernáth Mihály, Kósa János, Végvári Ferenc Gyártási nyomás hatása a szinterelt YBCO kerámiaalapú szupravezető tulajdonságaira. MŰSZAKI SZEMLE &:(26) pp. 18-20. (2004)
15. Kósa János Szupravezető minták előállítása a Kecskeméti Főiskola GAMF Karán. GÉP, A Gépipari Tudományos Egyesület Műszaki Folyóirata LIV. évfolyam, pp. 48-51. (2003/12) Konferencia cikkek 16. Janos Kosa, István Vajda, Attila Gyore, Zalan Kohari Fault current limiter with novel arrangement of perfect YBCO loops made of HTS wire. In: 14th International Power Electronics and Motion Control Conference: EPE -PEMC. Ohrid, Macedónia, 2010. 09. 06-2010. 09. 08. pp. T10-69-T10-73. Paper 614. 17. Kósa János, Vajda István, Prikhna Tatiana Economical Magnetization of YBCO Superconductor Bulks and Rings. In: V Skorokhod, B Clyne, N Pavlyukevich, Yu Polezhaev, L Chernysev (szerk.) Materials and Coatings for Extreme Performances: Investigations, Applications, Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization. Big Yalta, Ukrajna, 2008.09.22-2008. 09. 26. p. 355. Paper F122. 18. J Kósa, I Vajda Machining of YBCO Superconductor Bulks. In: István Vajda, László Farkas (szerk.) Advanced Studies on Superconducting Engineering. Budapest, Magyarország, 2004.07.11-2004.07.19. Budapest: SuperTech Laboratory, pp. 51-55. Konferencia előadások 19. J. Kosa, I. Vajda, T. Prikhna Economical Magnetization of YBCO Superconductor Bulks and rings in Order to Check the Quality of Machining, Fifth International Conference, 2008, Big Yalta, szóbeli előadás
Munkahely kiadványa 20. Bernáth Mihály, Kósa János, Végvári Ferenc Szinterelt YBCO szupravezető fluxusbefogása. Szabó András, Madarász László, Belina Károly, Csatári Bálint, Danyi József, Horváth Mátyás, Kovács Tamás (szerk.) A GAMF Közleményei, XX. évfolyam (2005) 21. Bernáth Mihály, Kósa János, Végvári Ferenc YBCO kerámiaalapú szupravezető fázisösszetételének változása a gyártási nyomás függvényében. Szabó András, Madarász László, Belina Károly, Csatári Bálint, Danyi József, A GAMF Közleményei, XIX. évfolyam (2004) Megjelent cikkek összesített impact factora: 5,58. A disszertáció a következő weblapon érhető el: http://www.vet.bme.hu/dokt/tananyag/kosa_janos_phdertekezes_2010.