Разработка и практическая реализация физических принципов создания бесконтактных магнитных подшипников нового поколения на основе ленточных ВТСП композитов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-19-00394

НазваниеРазработка и практическая реализация физических принципов создания бесконтактных магнитных подшипников нового поколения на основе ленточных ВТСП композитов

Руководитель Покровский Сергей Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-306 - Инженерно-физические проблемы электротехники и технической сверхпроводимости

Ключевые слова Высокотемпературные сверхпроводники, сверхпроводящие композиты, бесконтактные подшипники, магнитная левитация

Код ГРНТИ29.19.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение научно-практической проблемы, заключающейся в разработке и реализации физических принципов создания безфрикционных энергоэкономичных сверхпроводящих магнитных подшипников (СМП) на основе ленточных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), предназначенных для практических применений в энергетике (кинетические накопители энергии), промышленности (элементы ткацких станков с высокой, до 50 тыс. оборотов в минуту, скоростью вращения, турбомолекулярные насосы), криогенных устройствах (насосы для перекачки криогенных жидкостей, сверхпроводящие электрические машины), а также в космических технологиях. В течение последних лет в области магнито-левитационных технологий в качестве перспективной альтернативы объёмным ВТСП материалам широко обсуждается использование как стопок, так и обмоток ВТСП лент второго поколения на основе REBa2Cu3O7-x (RE - редкоземельный элемент). Именно это направление будет развиваться в проекте. В этом случае для создания массивных элементов одиночные ленты собирают в стопки или применяются обмоточные технологии, которые принципиально невозможны при использовании объемных ВТСП материалов. Однако применение стопок и обмоток из REBCO ВСТП лент также имеет ряд важных проблем, требующих тщательного систематического научного изучения. Так, они связаны с геометрией самого проводника: квазидвумерный сверхпроводящий слой располагается на значительно более толстой подложке. Для корректного расчета конструкций СМП требуется учет взаимного влияния слоев в стопках и обмотках ВТСП лент, так же как и учет анизотропии магнитных и тепловых характеристик этих слоистых структур. Другой научной проблемой, является расчет и оптимизация тепловыделения и теплоотвода в сверхпроводящих слоях в условиях быстроменяющихся магнитных полях, которые возникают при функционировании магнитного подшипника. Следует обратить внимание на общую сложность расчета и оптимизации таких систем из-за учета большого числа факторов и необходимость комплексного подхода от фундаментальных исследований до технических решений. С фундаментальной точки зрения важно промоделировать поведение вихревой системы Абрикосова при быстропротекающих изменениях магнитного поля, а также спрогнозировать оптимальную структуру пиннинга для получения максимальных магнито-силовых характеристик ВТСП подшипников при целевых значениях рабочих температур и полей от постоянных магнитов. Не менее важно исследование свойств постоянных магнитов при низких температурах для поиска оптимальных магнитных материалов для изготовления ВТСП подшипников. Таким образом, научная значимость проекта заключается в получении новых знаний о свойствах современных промышленных ВТСП лент, стопок и многослойных обмоток при различных температурах и магнитных полях; о свойствах экспериментальных ВТСП лент с искусственными центрами пиннинга; о применимости ВТСП лент в качестве материала, функционирующего в условиях быстроизменяющихся магнитных полей; о применимости постоянных магнитов в сверхпроводящих подшипниках при использовании последних в условиях криогенных температур; а также в разработке и практической реализации на основе полученных знаний о магнитных, тепловых и механических характеристиках современных ВТСП лент и сборок из них, сверхпроводящих подшипников различного назначения: упорных, высокооборотных, криогенных. Актуальность решения обозначенной проблемы связана с необходимостью создания низкофрикционных подшипников нового типа с использованием ВТСП лент, предназначенных для функционирования в особых условиях эксплуатации (механические нагрузки, высокооборотность (высокая частота вращения), низкие температуры). В рамках сформулированной проблемы в проекте будут решены задачи, которые объединены в 4 взаимоувязанных исследовательских блока. Сформулированная значимость проекта выходит за рамки одной отрасли наук и имеет мультидисциплинарный характер, из-за возможности широкого применения ВТСП подшипников в различных отраслях техники.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Осипов М.А., Абин Д.А., Руднев И.А. Peculiarities of Investigation of HTS Tape by Low-Temperature Magneto-Optical Visualization Physics of Atomic Nuclei, 2023, Vol. 86, No. 9, pp. 1–8 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063778823090156

2. Покровский С.В., Малявина А.Ю., Батулин Р.Г., Руднев И.А. Температурная зависимость и анизотропия теплопроводности композитных ВТСП лент Кабели и провода, №6, 2023 г (год публикации - 2023)
10.52350/2072215Х_2023_6_14

3. Мартиросян И.В., Александров Д.А. , Покровский С.В. , Руднев И.А. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ ПРИ НАРУШЕНИИ СООСНОСТИ РОТОРА И СТАТОРА Инновационные транспортные системы и технологии, ИННОВАЦИОННЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ, Том 10, № 1 ,76-92 (год публикации - 2024)
10.17816/transsyst625010

4. Мартиросян И.В., Осипов М.А., Стариковский А.С., Руднев И.А. Combined superconducting magnetic bearing based on stacks of composite HTS tapes and non-closed HTS tapes windings Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 593 (2024) 171817 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jmmm.2024.171817

5. Мороз А.Н., Руднев И.А., Степаненко А.Ф., Максимова А.Н., Кашурников В.А. Features of Vortex Dynamics in a HTS with Disordered Pinning Lattice Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2024) 37:339–353 (год публикации - 2024)
10.1007/s10948-024-06693-x

6. Покровский С.В., Мартиросян И.В., Александров Д.А. ЧИСЛЕННОЕ 3D МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ЗАМКНУТЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ КОЛЕЦ ИННОВАЦИОННЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИОННЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ, 2024; 10(4):537–555 (год публикации - 2024)
10.17816/transsyst637429

7. Стариковский А.С. , Осипов М.А., Руднев И.А. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ НАГРУЗОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АКСИАЛЬНОГО И РАДИАЛЬНОГО ПОДШИПНИКОВ НА ОСНОВЕ ВТСП ЛЕНТ Ядерная физика и инжиниринг, ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА И ИНЖИНИРИНГ, 2025, том 16, No 6, с. 813–822 (год публикации - 2025)
10.56304/S2079562925060326

8. Осипов М.А., Стариковский А.С., Мартиросян И.В., Александров Д.А., Покровский С.В. СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ ПОДШИПНИКИ НА ОСНОВЕ ЗАМКНУТЫХ ОБМОТОК ИЗ ВТСП-ЛЕНТ Инновационные транспортные системы и технологии, Инновационные транспортные системы и технологии. Т. 12, № 1. С. 00–00. (год публикации - 2026)

9. Мартиросян И.В., Александров Д.А., Стариковский А.С., Осипов М.А., Покровский С.В. ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ ОХЛАЖДЕНИЯ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ НА ЛЕВИТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТОПКИ ВТСП ЛЕНТ ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.48 (год публикации - 2025)
10.30898/1684-1719.2025.11.48

10. Мартиросян И.В., Стариковский А.С., Балакина М.B., Покровский С.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТО-ЛЕВИТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПОРНОГО МАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА НА ОСНОВЕ СТОПОК КОМПОЗИТНЫХ ВТСП ЛЕНТ Инновационные транспортные системы и технологии, Инновационные транспортные системы и технологии, Том 11, № 2 , 332-347 (год публикации - 2025)
10.17816/transsyst683380

11. Мороз А.Н., Максимова А.Н., Покровский С.В., Кашурников В.А. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЯМЫ ДЕФЕКТОВ НА КРИТИЧЕСКИЙ ТОК И N-VALUE ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ ПО ФИЗИКЕ ФИАН (год публикации - 2025)

12. Александров Д.А., Веселова С.В., Гарипова Т.Ф., Мартиросян И.В., Осипов М.А., Покровский С.В. Влияние анизотропии намагниченности на силу левитации в линейном сверхпроводящем подшипнике при угловом смещении ВТСП элемента Ядерная физика и инжиниринг (год публикации - 2026)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетном году выполнены работы по исследованию магнитных и тепловых характеристик (теплоемкости и теплопроводности) модельных стопок ВТСП лент различной толщины собранных по различным технологиям (склейка, спайка), в том числе с модифицированной поверхностью.Проведены измерения нормальных и латеральных компонент магнито-силового взаимодействия стопок ВТСП лент для различных конфигураций стопок и сборок постоянных магнитов, в том числе сборки Халбаха. Выполнено моделирование в среде Comsol Multiphysics магнито-силового взаимодействия стопок различной толщины и ВТСП обмоток в системах ВТСП - сборки постоянных магнитов, а также конструкций ВТСП подшипников с использованием стопок ВТСП лент и обмоток из ВТСП лент. Изготовлен набор филаментированных лент и проведено исследование их магнитных и транспортных характеристик. Проведено исследование магнитных характеристик постоянных магнитов NdFeB в широком диапазоне температур. Выполнена разработка концептуальных проектов СМП различного типа. Полученные в ходе результаты будут использованы на следующих этапах выполнения гранта. А именно: 1. Реализована методика измерения теплопроводности стопок ВТСП лент в диапазоне температур от 40К до 250К. Для температурного диапазона 50 - 150К измерены зависимости продольного и поперечного коэффициента теплопроводности стопок с различным числом слоев, собранных по технологиям склейки и спайки из ВТСП лент. Получена зависимость удельной теплоемкости для стопок ВТСП лент в широком температурном диапазоне от 5 К до 120 К. 2. Получены зависимости вертикальных и латеральных компонент силы взаимодействия стопки ВТСП лент с двумя вариациями массивов Халлбаха и двумя вариациями массивов из магнитов с последовательно противоположной ориентацией намагниченности. 3. Расчеты магнито-силового взаимодействия стопок и ВТСП обмоток в среде Comsol Multiphysics выполнены для случаев намагничивания стопок ВТСП лент различной толщины в магнитном поле предварительно намагниченной незамкнутой круговой ВТСП обмотки в широком диапазоне температур (от 20 до 80 К). Установлено, что намагничивание стопок ВТСП лент в магнитном поле предварительно намагниченных ВТСП композиций при температуре кипения жидкого азота является низкоэффективным, а прирост в магнито-силовых характеристиках системы «стопка ВТСП лент – ВТСП обмотка» может быть достигнут при температурах не более 40 К. 4. Получены результаты измерений магнитных характеристик (намагниченность, магнитная восприимчивость) постоянных магнитов NdFeB в широком диапазоне температур от 5 до 300 К. Данные будут использованы для проектирования СМП на следующем этапе работы. 5. Получены концептуальные проекты и принципиальные схемы различных типов подшипников (упорных, высокооборотных, криогенных). 6. Получены результаты мультифизического расчета конструкций ВТСП подшипников для опорной, радиальной и гибридной конфигураций системы. 7. Подготовлено к публикации 6 статей. Из них 3 опубликованы, одна принята в печать (имеется подтверждение редакции), две на стадии рецензирования в международных журналах (Q1, Q2). Также подготовлена и подана заявка на РИД – Патент на изобретение. Также по результатам проекта были подготовлены 4 доклада на Международных конференциях.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На данном этапе выполнения проекта был выполнен комплекс работ по исследованию, проектировке и реализации левитационных подшипников трех типов: опорного, высокооборотного и криогенного. Исследовательская часть работ была посвящена исследованию вихревых систем в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) методами молекулярной динамики и Монте-Карло. Выработаны рекомендаций по оптимизации конфигураций искусственных центров пиннинга для улучшения характеристик левитационных подшипников, которые могут быть получены, в частности, с помощью облучения сверхпроводящего композита ионами. Были проведены дополнительные исследования теплоемкости и теплопроводности клеевых составов с теплопроводящими добавками и модельных стопок YBCO ВТСП лент на их основе. Исследованы клеи: ТО-29-2, АТ-44К, Т20-60; эпоксидная смола ЭД-22 с отвердителем ИЗО МТГФА. В качестве теплопроводящих добавок использовались: кристобалит SiO2 в концентрации 66%, оксид алюминия Al2O3 в концентрации 50% и в концентрации 25%. Дисперсность теплопроводящих добавок не превышала 10 мкм. Проведены исследования механических характеристик элементов подшипников, изготовленных с применением пайки и склеивания клеевыми составами с теплопроводящими добавками. Испытания на разрыв были проведены для одиночных ВТСП-лент, для стопок из двух лент, а также для лент, соединённых внахлёст. Показано, что наибольший коэффициент теплопроводности достигается при использовании клея ТО-29-2 с 50% добавками Al2O3. Однако, данный состав показал невысокие прочностные характеристики. По совокупности характеристик оптимальным выбором для прикладных низкотемпературных применений, является аналогичный клей Т0-29-2 с добавлением кристобалита SiO2 в качестве теплопроводящих включений в концентрации 66% от общей массы. Были выполнены дополнительные исследования магнитных и тепловых характеристик мультифиламентированных и нефиламентированных сверхпроводящих лент. Подобраны параметры лазерной резки ВТСП образцов с открытым сверхпроводником, уточнены данные по целесообразности использования филаментированных ВТСП лент в условиях работы левитационных подшипников. Полученные данные были использованы при расчете и проектировании прототипов сверхпроводящих магнитных подшипников (СМП). Поскольку важной частью магнитного подшипника являются элементы постоянных магнитов и элементы из магнитомягкого материала, то на данном этапе проводились исследования магнитных свойств специализированных постоянных магнитов на основе PrFeB, SmCo. Были выработаны рекомендаций по выбору оптимального ферромагнитного материала для использования в криогенных подшипниках. Кроме того, были проведены задельные работы по исследованию композитного магнитомягкого материала на основе Fe-Cu. Показаны высокие магнитные характеристики композита. Данный материал может быть перспективным для реализации бесконтактных сверхпроводящих подшипников. На основе полученных экспериментальных результатов было выполнено уточнение моделей и были проведены мультифизические расчеты конструкций ВТСП подшипников с использованием стопок ВТСП лент и обмоток из ВТСП лент c учетом механических характеристик материалов. Выполнена верификация разработанных моделей, показано хорошее совпадение с экспериментом. На основе объединения уточнённой механической модели с ранее разработанными электродинамическими и тепловыми моделями создана полнофункциональная мультифизическая платформа для анализа характеристик ВТСП подшипников. В рамках выполнения работы также были проведены проектировка специальных криостатов для опорного, высокооборотного и криогенного подшипников с возможностью изменения рабочей температуры. Были изготовлены прототипы подшипников и проведены исследования их параметров. Для этого разработана методика измерения нагрузочных характеристик радиального и аксиального магнитных подшипников на основе ВТСП лент. Проведено сравнение нагрузочных характеристик радиального и аксиального подшипников в разных режимах охлаждения при температуре кипения жидкого азота. Выполнены исследования левитационных сил в подшипниках при малых смещениях, а также проведено сравнение нагрузочных характеристик при разных высотах охлаждения (FCH) в режиме охлаждения в поле (FC). Показано, что выбор FCH зависит от требований к подшипнику и значительно влияет на устойчивость системы в вертикальном и поперечном направлениях. Установлено, что выбор FCH влияет на устойчивость системы в вертикальном и поперечном направлениях. Проведены исследования возможности улучшения левитационных характеристик при понижении температуры до 40К. Определены рабочие параметры подшипников. На основе экспериментальных данных и результатов исследований доработаны конструкции прототипов подшипников. В результате работы на данном этапе было подготовлено 7 статей и подано 3 заявки на патент – полезная модель. Результаты работы были представлены на 6 Российских и международных конференциях.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты, полученные в ходе выполнения Проекта, формируют комплексный научно-технологический задел для разработки и внедрения бесконтактных левитационных сверхпроводящих подшипников различного назначения в ряде перспективных отраслей экономики. Полученные экспериментальные данные, уточнённые численные модели и реализованные прототипы создают основу для перехода от лабораторных исследований к инженерному проектированию и промышленному применению подобных систем. Это особенно важно для высокооборотных роторных систем, маховиковых накопителей энергии, криогенных насосов и компрессоров, а также перспективных энергетических и транспортных установок, где требуется высокая энергоэффективность, минимальные потери и повышенная надёжность. Полученные рекомендации по выбору магнитных материалов, схем охлаждения, типов соединений ВТСП лент и конфигураций магнитных сборок могут быть непосредственно использованы при создании новых изделий и технологий, ориентированных на импортонезависимые решения. С социальной и экономической точки зрения проект способствует развитию отечественных технологий сверхпроводимости и криогенной техники, формированию компетенций в области мультифизического моделирования, экспериментальных исследований и прототипирования сложных инженерных систем. Результаты работы создают предпосылки для повышения энергоэффективности промышленного оборудования, снижения эксплуатационных затрат и расширения применения экологически чистых технологий, что соответствует задачам технологического суверенитета и устойчивого развития Российской Федерации.