Hacia el motor superconductor: estudio de las interacciones entre un rotor superconductor y un estator convencional
Authors:   , Pallarés Viña Miguel Juan 
Published: July 2023

de la tesis:<br/><br/>Hacia el motor superconductor: estudio de las interacciones entre un estator convencional y un rotor superconductor<br/><br/>El desarrollo de superconductores de alta temperatura (HTSC) de gran corriente crítica ha permitido la fabricación de dispositivos en varias áreas de la ingeniería electromecánica. En particular, los HTSC pueden mejorar el rendimiento de los motores eléctricos, ya sea sustituyendo el cobre en el rotor de los mismos o con la realización de nuevos diseños.<br/>El particular ciclo de histéresis de los superconductores permite mejorar las características de los motores clásicos de histéresis. Además, el comportamiento diamagnético de los superconductores permite la levitación de los rotores, evitando el contacto entre el rotor y el estator. Esta propiedad permite alcanzar una gran velocidad de rotación en motores con diámetros pequeños.<br/>En este trabajo presentamos el estudio del comportamiento de motores de flujo axial y radial con inductores bobinados con hilo de cobre y rotor superconductor. La distribución del campo magnético alrededor del rotor, interacción magnética entre estator y rotor, y medidas del par estático y comportamiento dinámico son los principales puntos investigados.<br/>El campo generado por inductores convencionales pueden interactuar con el rotor superconductor mediante la magnetización inducida en el mismo. Esta interacción, que proporciona par y fuerzas de levitación, es estudiada en dos configuraciones:<br/>Configuración de flujo radial:<br/>Un motor ha sido construido con un cilindro de material en el rotor y un estator convencional bobinado con hilo de cobre. El estator tiene un diámetro externo de 40 mm. El hueco interno es de 16 mm de diámetro y 16 mm de altura. Ha sido bobinado con una configuración de 4 polos/ 4 fases, lo que permite una simetría adecuada para el autocentrado y levitación del rotor. No se ha usado cojinetes mecánicos.<br/>El rotor de 15,8 mm de diámetro y 16 mm de altura ha sido construido superconductor YBCO texturado. Para incrementar la simetría, el superconductor alrededor del cilindro es multidominio. Para incrementar la estabilidad axial, un disco de YBCO se ha situado en la parte superior del rotor superconductor.<br/>Cuando se conecta el inductor, el rotor levita y se centra por la presión magnética lateral. Gira siguiendo el campo magnético del estator. El rotor alcanza el estado síncrono. El motor ha sido ensayado a varias frecuencias hasta la velocidad de 40000 rmp. El movimiento del rotor ha sido observado con luz estroboscópica mostrando el comportamiento síncrono.<br/>Para caracterizar el motor, hemos realizado medidas del campo magnético en el estator y el rotor. El par ha sido medido en función del campo aplicado y del ángulo de carga.<br/>A partir de las medidas del campo magnético y de la magnetización del superconductor, hemos podido estimar el par, calculando la energía asociada al ciclo de histéresis, en función del ángulo de deslizamiento.<br/><br/>Configuración de flujo axial:<br/>Un segundo prototipo ha sido construido usando dos semiestátores convencionales de tres fases bobinados con hilo de cobre para un motor de ocho polos. El rotor original ha sido sustituido por un disco de epoxi reforzado con fibra de vidrio de 4mm de altura y 175 mm de diámetro. Ocho discos de YBCO de 4mm de altura y 28 mm de diámetro han sido distribuidos alrededor del disco. Para poder medir el par, se ha situado un eje en el centro del rotor.<br/>El motor de flujo axial se comporta de forma similar al motor de flujo axial . En este caso la levitación es debida al gradiente de flujo en el entrehierro que existe entre ambos semiestátores. Las fuerzas de centrado se producen por el gradiente de flujo en los bordes del plano de cada inductor y son sensibles al desplazamiento del flujo atrapado.<br/>Hemos realizado medidas del par en función del ángulo de deslizamiento en estado estático y en función de la velocidad y el ángulo de carga en la caracterización dinámica. El par máximo obtenido es de 3 N·m. A 200 Hz, la potencia alcanzada es de 1 kW y las pérdidas en el hierro son aceptables.

Thesis summary :<br/><br/>Toward to the superconducting motor: study of the interactions between a conventional stator and a superconducting rotor<br/><br/>The developement of high critical current HTSC (high temperature superconductors) has allowed the fabrication of devices in several areas of electromechanical engineering. In particular, HTSC have a large potential for the improvement of the efficiency of electrical motors either to susbstitute the copper windings of the rotors and for the realisation of new designs.<br/>In this work we present the study of the behavoir of axial and radial SC motors powered by a classical copper wound armature. Magnetic field distributions arround the rotor, magnetic interaction between inductor and superconducting rotor, static torque and dinamyc mesurements are the main items investigated.<br/>The field generated by the conventional armature can interact with SC rotors by means of the magnetization induced in the SC material. This interaction provides the force responsible for centering and levitation thus avoiding the use of conventional bearing and auxiliari fields providing magnetical bearing. We investigated this interaction in two configurations:<br/>Radial field configuration:<br/>The motor is built by the HTSC cylinder shaped rotor and a conventional copper wound stator. The stator core has an external diameter of 40mm, the internal hollow is of 16mm in diameter and heigh 16mm. The stator has been wound in a four poles/four phases configuration which allows the adequatre field symmetry to self-center and sustaint the rotor. No mechanical bearing has been used.<br/>The rotor of 15,8 mm in diameter and 16mm in high has been constructed from pieces of melt textured YBCO. In order to gain homogeneity around the external area of the cylinders we have chosen multidomain pellets. In order to improve the axial stability, a disc of melt textured YBCO has been stuck on the upper face of the HTSC rotor.<br/>When the armature is energized, the rotor levitates and it is centered by the lateral magnetic presure. It spins drived by the magnetic field. The rotor reaches a steady state synchronous with the field rotation. The motor has been tested at several frequencies up to a rotation speed of 40000 rpm. The movement of the rotor has been observed by stroboscopic lighting showing its synchronous behavoir.<br/>In order to characterize the motor we have performed magnetic mesurements of both armature and rotor. The torque is also been measured as a funtion of the applied current and the load angle.<br/>From the measured values of the applied magnetic field and the remanent magnetization we can estimate the torque by calculating the energy loss by hysteresis as a funtion of the slip angle of the SC rotor.<br/><br/>Axial field configuration<br/>A second prototype has been constructed by using two conventional 3-phases wound inductors for an eight poles motor. The original rotor has been substituted by a glass fiber reinforced epoxi disk of a 4mm in thickness an 175 mm in diameter. Eight melt-textured YBCO discs of 4mm in high and 28 mm in diameter have been distributed around the disk. In order to perform the torque mesurements, a shaft has been stuck in the center of the rotor.<br/>The axial flux motor behaves in a similar way than that observed in the radial flux motor. In this case the levitation is provided by the flux gradient in the gap between both inductors. The centering forces are produced by the gradient at the borders of the plane of each inductor and are more sensitive to any displacement of the trapped flux<br/>We have performed mesurements of the torque as a funtion of the angle of displacement in a static state and a torque as a funtion of the speed and the load angle in a dinamic caracterization. The maximum torque obtained is 3 N·m. At 200 Hz the power arrives up to 1kW and the losses in the iron core can be acceptable.