El Epoxi Conductivo Ayuda A Superar Los Desafíos Con Los Imanes HTS

Este artículo se centra en el uso de imanes HTS para máquinas eléctricas, específicamente los desafíos en el despliegue de los imanes HTS y las posibles soluciones para superar estos desafíos con la ayuda de los productos de Chemtronics.

Los materiales superconductores de alta temperatura (HTS) se han utilizado ampliamente para fabricar imanes HTS. Los imanes HTS son electroimanes que encuentran su aplicación en máquinas eléctricas, MRI, levitación y aceleradores de partículas. Los cables superconductores utilizados en los imanes HTS deben enfriarse a bajas temperaturas para que funcionen correctamente.

La extinción es un fenómeno que hace que el superconductor cambie de su estado superconductor al estado normal (resistivo). Como resultado de la extinción, se produce un efecto Joule que aumenta la temperatura del entorno, disminuye la característica de superconductividad y reduce el campo magnético del electroimán. Como resultado, el imán puede dañarse permanentemente. Para evitar el apagado, tiene que haber un mecanismo que derrame corriente eléctrica a los conductores vecinos.

¿Qué Es El Enfriamiento Magnético?

A diferencia de los conductores, los hilos superconductores ofrecen una resistencia eléctrica nula al flujo de corriente, siempre que su temperatura se mantenga por debajo de la temperatura crítica (T_c). Un fluido (nitrógeno en HTS) se utiliza como refrigerante y mantiene una temperatura muy baja. Los superconductores pueden conducir corrientes eléctricas muy grandes y pueden generar campos magnéticos intensos. Pueden generar campos diez veces más intensos que los generados por imanes con núcleos ferromagnéticos. Esto motiva el uso de hilos superconductores en las bobinas de los imanes superconductores.

Además, los superconductores se clasifican además como superconductores de alta temperatura (HTS) y superconductores de baja temperatura (LTS). El HTS exhibe un rendimiento superior en términos de mayor densidad de corriente crítica (j_c), temperatura crítica (T_c) y campo magnético crítico (H_c) en comparación con el LTS [1]. Los valores críticos de estos parámetros especifican el valor máximo en el que el cable mantiene sus propiedades superconductoras.

En el enfriamiento del imán, el alambre de la bobina pierde su estado superconductor. Esto sucede principalmente debido al aumento de la temperatura del cable. Un aumento de temperatura, que puede deberse a corrientes de Foucault, hace que el cable desarrolle una resistencia finita al flujo de corriente eléctrica. Un defecto en el imán también puede provocar el enfriamiento. La extinción es más prominente en el LTS, como se muestra en la Figura 1. Por lo tanto, los investigadores han comenzado a explorer el HTS para fabricar imanes eléctrica y mecánicamente estables para aplicaciones practicas, como se muestra en la Figura 2.

Figura 1: Desarrollo de resistencia principalmente a la extinción de la propagación: la zona normal aumenta de tamaño. [2]

Figura 2: Desarrollo de resistencia principalmente por el calentamiento de un punto caliente: la zona normal se calienta. [2]

El HTS Sin Aislamiento (NI) En Máquinas Eléctricas

La idea de utilizar motores y generadores superconductores ha ganado popularidad debido a sus mayores densidades de potencia y par [3]. La mayoría de los electroimanes utilizados en los motores y generadores convencionales se han devanado utilizando cables resistivos con revestimiento aislante. Sin aislamiento, la corriente se desviaría de un giro a otro y no se generaría el campo magnético deseado [4]. Sin embargo, esto no es cierto en el caso de los cables superconductores porque no tienen resistencia que ofrecer y la corriente seguirá la trayectoria espiral original. Esta función del HTS se puede aprovechar como se explica a continuación.

Se ha descubierto que las bobinas de HTS sin aislamiento de vuelta a vuelta mejoran la estabilidad eléctrica y térmica de las máquinas eléctricas [5]. En el HTS con aislamiento, cuando ocurre el enfriamiento, se genera un punto caliente en una sección, la energía magnética comienza a disiparse en pequeños volúmenes y la temperatura aumenta rápidamente. Si las bobinas de HTS se enrollan sin aislamiento de vuelta a vuelta, se mejora el contacto eléctrico entre las vueltas, lo que conduce a una mejor estabilidad térmica. Más importante aún, cuando ocurre una extinción, el calentamiento y aumento de temperatura en esta zona normal no ocurrirán porque la corriente de operación se desviará a través de las vueltas no aisladas. Esta característica de protección inherente es la principal motivación detrás del uso de bobinas de HTS NI en las máquinas eléctricas.

Sin embargo, el uso de bobinas de HTS NI para máquinas rotativas plantea una seria duda sobre la estabilidad mecánica. Las bobinas de campo de HTS cuando se usan en máquinas rotativas pueden volverse inestables debido a las perturbaciones mecánicas causadas por los campos magnéticos variables en el tiempo y la vibración rotacional derivada de la rotación del rotor [6]. Se pueden utilizar estructuras de soporte para garantizar la estabilidad mecánica de las bobinas.

Alternativamente, se puede usar epoxi para mantener los cables superconductores en su lugar. Sin embargo, los epoxis están hechos de materiales aislantes que introducirían una resistencia entre las vueltas de la bobina y provocarían un posible enfriamiento. Esto sugiere el uso de un epoxi hecho de material conductor, ya que puede resolver tanto los problemas de enfriamiento como la estabilidad mecánica de las bobinas.

Estudio de Caso: Epoxi Conductivo En Bobinas de HTS

En un estudio de caso [6], se utilizaron dos bobinas enrolladas con un conductor revestido de óxido de cobre, bario e itrio (YBCO) para analizar los efectos de impregnar los cables de la bobina con un epoxi conductor. La bobina 2 se ha impregnado con un epoxi conductor mientras que la bobina 1 no está impregnada. La configuración restante de ambas bobinas es casi idéntica. El nitrógeno líquido (a 77 K) se utiliza como refrigerante. Antes de medir los voltajes a través de las bobinas, la corriente crítica (I_c) para ambas bobinas se mide como se muestra en la Figura 3. Se encontró que la corriente crítica (I_c) para la bobina impregnada con epoxi (Bobina 2) era menor que la de la Bobina 1. Esta degradación se debe a los desajustes de expansión térmica entre el cable de HTS y el epoxi conductor (con conductor de plata).

Figura 3: Comparación de corriente crítica para bobina 1 y bobina 2

A continuación, se realizaron pruebas de carga (1 A/s) y descarga (-1 A/s) para ambas bobinas. La corriente de operación se mantuvo constante durante 1 minuto. La corriente de la fuente de alimentación varió de 20 A (menos de I_c) a 300 A (casi 5 veces I_c) con un tamaño de paso de 20 A. A una corriente de 279 A, la bobina 1 se encontró dañada. A 300 A, se observó otro daño en la Bobina 1. Estos defectos están indicados por las líneas negras y moradas, como se muestra en la Figura 4 (izquierda) y la Figura 5 (izquierda).

Figura 4: Corriente de funcionamiento para bobina 1 (izquierda) y bobina 2 (derecha) [6]

Figura 5: Voltaje medido para la bobina 1 (izquierda) y la bobina 2 (derecha) [6]

No se observaron daños en la bobina 2. La bobina 2 mantuvo su funcionamiento estable sin sobrecalentarse incluso con una corriente operativa de 300 A. Esto muestra que las corrientes por debajo de I_c cargan con éxito la bobina mientras que la corriente por encima de I_c se desvía a través de los contactos de giro a giro en la bobina. Estos resultados demuestran la mayor estabilidad térmica y eléctrica de las bobinas de HTS NI impregnadas con epoxi conductor. Además, las bobinas conductoras impregnadas de epoxi no requieren una protección activa adicional como en las bobinas de HTS NI convencionales.

Epoxi Conductivo CircuitWorks

Desde 1958, Chemtronics ha estado entregando productos de calidad para reparación y mantenimiento electrónico. Es el líder de la industria en soluciones para los mercados de electrónica, telecomunicaciones y entornos críticos.

El epoxi conductivo de CircuitWorks utiliza plata, el metal más conductivo del mundo. Tiene dos partes, es decir, epoxi y endurecedor con 84 partículas de plata porcentual en peso. Con una resistividad de volumen de menos de 0.01 Ω.cm, es una excelente opción para aplicaciones de unión conductiva de alta resistencia. El caso de estudio [6] utiliza el epoxi conductor CW2400 Circuit Works para probar la estabilidad eléctrica y térmica de las bobinas impregnadas. Con su estabilidad y confiabilidad comprobadas, el epoxi conductivo de CircuitWorks es una opción ideal para electroimanes diseñados para máquinas rotativas eléctricas como motores y generadores, donde también se desea estabilidad mecánica.

Para obtener más información, comuníquese con su especialista en aplicaciones de Chemtronics al 678-928-6534 o info@itwcce.com.

Referencias