Сверхпроводящие катушки для бесконтактной передачи электроэнергии

Исследователи разработали особую конструкцию катушки, в которой обмотки отделены друг от друга прокладками. «Этот прием значительно снижает потери мощности переменного тока». «В результате становится возможной передача энергии в киловаттном диапазоне»

Группа физиков из Мюнхенского технического университета (TUM) разработала катушку из сверхпроводящих проводов, которая передает электроэнергию мощностью более пяти киловатт бесконтактным способом и с небольшими потерями. Это устройство можно использовать в автономных промышленных роботах, медицинском оборудовании, транспортных средствах и даже в самолетах.

Бесконтактная передача энергии крайне востребована, когда дело доходит до зарядки небольших устройств, таких как мобильные телефоны и электрические зубные щетки. Однако многие хотели бы, чтобы бесконтактная зарядка была доступна для более крупных электрических машин, таких как промышленные роботы, медицинское оборудование и электромобили.

Такие устройства можно устанавливать на зарядной станции, когда они не используются. Это позволяет задействовать даже короткие периоды простоя оборудования для подзарядки батарей. Доступные на сегодня системы беспроводной передачи электроэнергии мощностью один киловатт и выше имеют большие размеры и массу, поскольку их конструкция основана на медных катушках.

Исследователям удалось разработать катушку со сверхпроводящими проводами, способную бесконтактно передавать энергию, порядка пяти киловатт (кВт) и без значительных потерь.

Снижение потерь переменного тока в сверхпроводниках

В процессе создания катушки исследователям пришлось преодолеть некоторые трудности. В сверхпроводящих катушках переменного тока возникают незначительные потери энергии. Они растут по мере того, как увеличивается мощность передаваемой энергии, что влияет на температуру поверхности сверхпроводящих проводов, с повышением которой исчезает эффект сверхпроводимости.

Исследователи разработали особую конструкцию катушки, в которой обмотки отделены друг от друга прокладками. «Этот прием значительно снижает потери мощности переменного тока». «В результате становится возможной передача энергии в киловаттном диапазоне».

Повышение характеристик устройства с помощью аналитического и численного моделирования

Чтобы удельная мощность катушки была высокой, исследователи определили ее диаметр. «Основная идея сверхпроводящих катушек состоит в том, чтобы добиться минимально возможного сопротивления переменному току в пределах минимально возможного пространства обмотки и, таким образом, компенсировать уменьшение ее геометрических размеров».

Это сподвигло исследователей разрешить фундаментальный конфликт. Если бы они сделали слишком малое расстояние между обмотками, катушка была бы очень компактной, но возникла бы опасность утраты эффекта сверхпроводимости во время ее работы. С другой стороны, если расстояние увеличить, это приведет к более низкой плотности мощности.

«Расстояние между отдельными обмотками было подобрано с помощью аналитического и численного моделирования». «Оно оказалось примерно равно половине ширины ленточного проводника».

Интересные области применения сверхпроводящих катушек

Если ученые добьются успеха, то для этой технологии откроются двери во многих интересных областях ее применения, например, в промышленной робототехнике, автономных транспортных средствах и высокотехнологичном медицинском оборудовании. Можно даже представить себе электрические гоночные автомобили, которые заряжаются, двигаясь по гоночной трассе, и автономные электрические летательные аппараты.

Однако имеются некоторые препятствия. Проводники требуют постоянного охлаждения жидким азотом, а корпуса, в которых они находятся нельзя сделать из металла. В противном случае металлические стенки в магнитном поле сильно нагреваются, как кастрюля на индукционной плите.

Ссылка на статью в научном журнале:

https://doi.org/10.1109/TASC.2021.3056195

Источник: TUM