ГЕНЕРАТОР МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2021 года по МПК H01F6/04 H01F6/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к генераторам магнитного поля, в которых в качестве магнитов используются магниты на основе высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения (далее «ВТСП лент») и может найти применение в устройствах, для функционирования которых необходимо магнитное поле, например, в магнитоплазменных ракетных двигателях, плазмотронах, устройствах для магнитно-резонансной томографии, циклотронах для получения медицинских изотопов и др.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В международной заявке WO2020005290 описан генератор магнитного поля, являющийся одним из узлов магнитоплазменного двигателя на основе эффекта Холла. Генератор включает внутренний направляющий элемент, проходящий в осевом направлении вдоль продольной оси до выпускного конца. Внешний направляющий элемент имеет поверхность, обращенную в радиальном направлении и радиально отстоящую от внутреннего направляющего элемента, и проходит параллельно продольной оси. Внутренний и внешний направляющие элементы выполнены из материала с высокой магнитной относительной проницаемостью. Магниты в источнике установлены между внутренним направляющим элементом и внешним направляющим элементами так, что во время работы магнитный момент распространяется в направлении от одного внутреннего направляющего элемента или внешнего направляющего элемента через узел магнитного источника к другому внутреннему направляющему или внешнему направляющему элементам.

Как следует из материалов цитируемой заявки, данный источник создан для его применения в двигателях на основе эффекта Холла и других его применений не планируется.

В настоящее время традиционная магнитная катушка обладает большим весом и габаритами и является чрезвычайно энергоемкой, а создаваемая напряженность магнитного поля такой катушки ограничена.

Сверхпроводящий магнит может значительно уменьшить объем и вес генератора магнитного поля и обеспечить более сильное магнитное поле при одновременном снижении энергопотребления.

Под сверхпроводящим магнитом в уровне техники понимается электромагнит, образованный индукционными магнитными катушками из сверхпроводящего материала. 

Поскольку катушки магнита имеют нулевое сопротивление, сверхпроводящие магниты могут переносить высокие токи, практически, с нулевыми потерями и, следовательно, могут достигать высоких полей с меньшими потерями, чем обычные электромагниты. 

Сверхпроводящие магниты в настоящее время нашли широкое применение в генераторах магнитного поля для различных устройств.

Так, в патенте RU2693037 раскрывается сверхпроводящий магнит с криогенным термическим буфером, нашедший применение в системах магнитной томографии. Устройство сверхпроводящего магнита в соответствии с данным патентом включает,

- по меньшей мере, одну катушечную обмотку из сверхпроводящего провода, обладающего критической температурой, сконфигурированную для генерирования статического магнитного поля B₀, где, по меньшей мере, эта катушечная обмотка может быть выполнена с возможностью установления теплопроводящего контакта с холодной головкой криогенного охладителя, который сконфигурирован для приведения и поддержания данной катушечной обмотки при температуре ниже критической температуры, и

- по меньшей мере, один газонепроницаемый контейнер, который постоянно содержит некоторое количество гелия в жидкостной изоляции, причем, по меньшей мере, один газонепроницаемый контейнер находится в теплопроводящем контакте с, по меньшей мере, одной катушечной обмоткой, для поглощения тепловой энергии от этой катушечной обмотки в рабочем состоянии.

Как следует из формулы и описания данного патента, катушечные обмотки для создания рабочей температуры размещают не в криостате с криогенной жидкостью, а в непосредственном контакте с криокуллером, что позволяет обеспечить получение бескриогенного сверхпроводящего магнита с повышенной способностью к термической буферизации при криогенных температурах.

Наиболее близкое техническое решение раскрывается в CN110111967 (A).

В документе описан генератор магнитного поля для магнитно-плазменных двигателей.

Генератор включает в себя сверхпроводящую катушку, первый компрессионный холодильник, второй компрессионный холодильник, адаптер, теплопроводный лист и холодильную камеру. Первый компрессионный холодильник соединен с адаптером через теплопроводный лист и охлаждает адаптер.

Второй компрессионный холодильник соединен со сверхпроводящей катушкой через теплопроводящий лист и охлаждает ее, т.е. оба компрессионных холодильника, по существу, выполняют функции криокулера. При этом, сверхпроводящая катушка размещена в холодильной камере, а адаптер соединяет сверхпроводящую катушку с кабелем для подачи постоянного тока.

Как следует из описания патента, изобретение позволяет достичь следующих преимуществ: генератор магнитного поля имеет небольшой размер, легкий вес и низкое энергопотребление. Такой генератор может найти применение в магнитоплазменных двигателях и способствует повышению тяговых характеристик двигателей малой тяги.

Однако, на наш взгляд, цитируемые известные технические решения обладают следующими недостатками.

В патентах RU2693037 и CN110111967 для охлаждения сверхпроводящих магнитов используют криокулеры, под которыми в уровне техники понимают холодильные машины, работающие на основе термодинамического цикла по производству криогенных температур.

Использование криокулера подразумевает локальное охлаждение сверхпроводящих магнитов до температур ниже критических через головку криокулера (RU2693037) или через теплопроводный лист, связанный с криокулером (CN110111967), что может привести к возникновению в сверхпроводящих магнитах локальных перегревов за счет большой длины сверхпроводящей ленты в катушке электромагнита. В местах перегревов значения температуры будут выше критических значений, а, следовательно, возможен локальный переход из сверхпроводящего состояния в состояние обычной проводимости, что крайне отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах генератора и вызывать отказы в работе электромагнита или полный его выход из строя.

В патенте CN110111967 также производится охлаждение не только самого сверхпроводящего магнита, но и охлаждение адаптера, соединяющего сверхпроводящую катушку с кабелем от внешнего источника электрической энергии, которое также осуществляется криокулером через теплопроводный лист, что, с одной стороны, может привести к локальным перегревам и переходу из сверхпроводящего состояния в состояние обычной проводимости, а с другой – значительно усложняет конструкцию генератора внешнего магнитного поля.

В китайском патенте, к сожалению, нет сведений о том, какой кабель используется для подключения к источнику – сверхпроводящий или обычный, однако, в случае подсоединения сверхпроводящего кабеля к сверхпроводящему магниту все эти проблемы только усугубятся: если в качестве элементов сверхпроводящего кабеля и сверхпроводящих индукционных катушек использовать ВТСП ленты, то соединение каждой ленты кабеля и каждой ВТСП ленты катушки через адаптер сделает конструкцию очень громоздкой, охлаждение места соединения кабеля и магнитной катушки криокулером через теплопроводный лист будет затруднено и локальные перегревы, приводящие к потере сверхпроводимости, станет контролировать еще труднее. Применение для соединения пайки или обжима также сделает место контакта в этих соединениях очень чувствительным к перегреву.

Таким образом, к недостаткам известных технических решений можно отнести возможность локальных перегревов, связанных с использованием криокулеров для охлаждения до температур сверхпроводимости, приводящих к переходу из сверхпроводящего состояния в состояние обычной проводимости, что представляет определенные технические проблемы для создания генераторов магнитного поля для различных применений.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, а именно, создание генератора магнитного поля с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет обеспечения охлаждения до криогенных температур без локальных перегревов, приводящих к потере сверхпроводимости, а также за счет размещения мест соединения сверхпроводящей ВТСП ленты кабеля с ВТСП лентой сверхпроводящих магнитных катушек в криогенной циркулирующей среде и их качественного охлаждения.

Другие поставленные задачи станут понятны из дальнейшего описания.

Поставленная задача решается генератором магнитного поля, содержащим криостат с патрубками для ввода и вывода криогенной жидкости, по меньшей мере, одну сверхпроводящую магнитную катушку, размещенную в криостате и подключенную к источнику напряжения посредством сверхпроводящего кабеля и паяное соединение сверхпроводящего кабеля со сверхпроводящей магнитной катушкой, в котором криостат представляет собой герметичный объем, ограниченный стенками в виде внутреннего и внешнего цилиндров и торцевыми стенками, соединяющими внутренний и внешний цилиндры, причем продольная ось внутреннего цилиндра смещена относительно продольной оси внешнего цилиндра и параллельна этой оси, сверхпроводящая катушка размещена в криостате по периферии внутреннего цилиндра, упомянутое паяное соединение размещено в части криостата, не занятой сверхпроводящей магнитной катушкой, при этом, сверхпроводящая магнитная катушка и сверхпроводящий кабель выполнены из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается генератором, в криостате которого по периферии внутреннего цилиндра размещены несколько сверхпроводящих магнитных катушек, установленных одна на другую и отделенных друг от друга посредством электроизоляционных прокладок.

В частных воплощениях генератора магнитного поля сверхпроводящий кабель пропущен через патрубок для вывода криогенной жидкости.

Патрубок для ввода криогенной среды в генераторе может быть выполнен с коленом, размещенным в криостате.

Паяное соединение сверхпроводящей катушки и сверхпроводящего кабеля в генераторе в частных воплощениях может представлять собой, слоистые структуры, каждая из которых включает, по меньшей мере, одну высокотемпературную сверхпроводящую ленту второго поколения кабеля и, по меньшей мере, одну высокотемпературную сверхпроводящую ленту второго поколения магнитной сверхпроводящей катушки.

В этом случае паяное соединение может быть размещено между фиксирующими элементами.

Криостат генератора может быть выполнен с двойными стенками с размещенной между упомянутыми стенками теплоизолирующей средой.

В этом случае теплоизолирующей средой может быть разряженный воздух.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.

На фиг. 1 приведен общий вид генератора магнитного поля

На фиг. 2 приведена схема паяного соединения

На фиг 3 приведен профиль распределения магнитного поля созданного магнитного генератора на основе ВТСП-лент.

Позиции на чертеже означают следующее

1. Криостат

2. Магнитная сверхпроводящая катушка

3. Сверхпроводящий кабель

4. ВТСП лента: 4¹ – ВТСП лента, из которой выполнен кабель, 4² – ВТСП лента, из которой выполнена магнитная катушка

5. Паяное соединение

6. Внутренний цилиндр криостата

7. Внешний цилиндр криостата

8. Торцевые стенки

9. Сквозной канал

10. Патрубок ввода криогенной жидкости

11. Патрубок вывода криогенной жидкости

12. Электроизоляционная прокладка

13. Соединяющая шайба

14. Колено патрубка ввода криогенной жидкости

15. Нижний фиксирующий элемент

16. Верхний фиксирующий элемент

17. Опорный элемент

Сущность изобретения состоит в следующем.

Для решения поставленной задачи изобретения был выполнен генератор магнитного поля, который может быть использован для различных применений, например, для создания магнитного ускоряющего поля торцевых холловских двигателей или создания сильного магнитного поля для устройств магнитно-резонансной томографии и т.д.

Генератор магнитного поля (см. фиг. 1) в соответствии с изобретением включает криостат (1) с установленными внутри сверхпроводящими магнитными катушками (2), подключенными к источнику напряжения через сверхпроводящий кабель (3). Все сверхпроводящие элементы магнитных катушек (2) и кабеля (3) в генераторе выполнены из ВТСП лент второго поколения (4¹) и (4²). Подсоединение ВТСП лент (4¹) сверхпроводящих катушек (2) к ВТСП лентам (4²) сверхпроводящего кабеля (3) выполнено в виде паяного соединения (5). Под ВТСП лентами второго поколения в уровне техники понимаются многослойные структуры на гибких металлических лентах-подложках. В качестве сверхпроводящего слоя в таких многослойных структурах используют химическое соединение YBa₂Cu₃O₇(YBCO). Также применяются схожие с YBCO материалы, в которых иттрий заменён иным редкоземельным элементом, например, гадолинием.

Преимущества сверхпроводящих магнитных катушек, выполненных из ВТСП лент второго поколения перед классическими медными катушками очевидны – электромагнит на основе сверхпроводника имеет несопоставимо меньший расход электроэнергии и в разы компактнее и легче своих медных аналогов.

Криостат (1) представляет собой герметичный объем (термин «объем» авторами изобретения трактуется как «трехмерное тело», см. https://kartaslov.ru/значение-слова/объём), ограниченный стенками в виде внутреннего (6) и внешнего (7) цилиндров и торцевыми стенками (8), соединяющими внутренний и внешний цилиндры (6, 7).

Криостат устроен таким образом, что продольная ось внутреннего цилиндра (6) смещена относительно продольной оси внешнего цилиндра (7) и параллельна этой оси. Такое смещение осей позволяет разместить сверхпроводящие магнитные катушки (2) по периферии внутреннего цилиндра (6). Ранее упоминавшееся паяное соединение (5), соединяющее ВТСП ленты (4¹) сверхпроводящих катушек (2) и ВТСП ленты (4²) кабеля (3) размещено в оставшейся части внутреннего объема криостата (1), не занятой сверхпроводящими магнитными катушками. Внутренний цилиндр (6) образует сквозной канал (9), который в случае использования заявленного генератора в торцевых двигателях выполняет функции выпускного канала для плазмы. Сквозной канал (9) может быть масштабируем или несущественно изменен под другие задачи, например, для использования в плазмотронах, устройствах для магнитно-резонансной томографии, циклотронах для получения медицинских изотопов и т.д.

Для подвода в криостат и вывода из него криогенной жидкости, криостат снабжен патрубками для ввода (10) и вывода (11) криогенной жидкости.

Данное строение криостата (1) позволяет плавно подвести кабель (3) к катушке (2) таким образом, чтобы ВТСП ленты (4¹) катушки и (4²) кабеля были параллельны друг другу без изгибов под острым углом, создающих напряжения в ВТСП ленте, которые приводят к ее деградации.

Магнитные сверхпроводящие катушки (2) образуют магнитную систему. ВТСП ленты (4²) в катушке (2) намотаны в двух противоположных направлениях. Катушки (2) разделены электроизоляционными прокладками (12), выполненными, например, из текстолита, обеспечивающими изоляцию друг от друга и от криостата. Текстолитовые электроизоляционные прокладки (12) между собой соединяются продолговатыми соединяющими шайбами (13) для обеспечения фиксации положения прокладок относительно друг друга, а также ВТСП катушки (2) между ними.

В предпочтительном варианте изобретения используется не одна сверхпроводящая катушка (2), а несколько.

Использование сверхпроводящего кабеля (3) для подвода электроэнергии к генератору магнитного поля вместо традиционного позволяет избежать тепловых потерь в подводящем кабеле, а также сводит сопротивление подвода тока к абсолютному минимуму, что дает возможность создания минимального напряжения для задания и поддержания тока в генераторе магнитного поля на необходимом для проведения испытаний и работ уровне.

Сверхпроводящий кабель (3) в оптимальных воплощениях изобретения может быть введен в криостат через патрубок вывода криогенной жидкости (11).

В некоторых случаях воплощения изобретения был использован патрубок (10) ввода криогенной жидкости с коленом (14) (см. фиг. 2). Такое колено служит для направления потока криогенной жидкости на паяное соединение сверхпроводящего кабеля со сверхпроводящим электромагнитом.

Паяное соединение (5) сверхпроводящей катушки (2) (фиг. 2) и сверхпроводящего кабеля (3) представляет собой слоистые структуры, полученные пайкой ВТСП лент (4). Каждая такая структура включает, по меньшей мере, одну ВТСП ленту (4¹) второго поколения кабеля (3) и по меньшей мере одну ВТСП ленту (4²) второго поколения магнитной сверхпроводящей катушки (2).

В частных воплощениях изобретения паяное соединение (5) может содержать дополнительные элементы, которые обеспечивают жесткость паяного соединения и другие преимущества, реализуемые при получении паяного соединения (см. ниже). Например, паяное соединение может быть размещено между двумя фиксирующими элементами – нижним (15) и верхним (16). Фиксирующие элементы (15, 16) жестко закреплены на массивных опорных элементах (17), которые, в свою очередь, прикреплены к электроизоляционным прокладкам (12). Оба фиксирующих элемента (15, 16) выполнены в виде луженых пластин, они скрепляют заготовку под пайку при помощи винтов и служат для равномерного распределения точечного давления от винтов по всей площади контакта.

В некоторых воплощениях изобретения криостат (1) может быть выполнен с двойными стенками, между которыми размещена теплоизолирующая среда, в качестве которой может быть использован, например, разряженный воздух. Это улучшит теплоизоляцию криостата, а, следовательно, и эксплуатационные характеристики заявленного генератора магнитного поля во всех случаях, хотя для некоторых воплощений изобретения, например, при использовании заявленного генератора в лабораторном двигателе авторы изобретения использовали генератор магнитного поля с криостатом с одинарной стенкой.

Магнитный генератор изготавливали следующим образом.

К одной из торцевых стенок (8) криостата (1) аргоновой сваркой приваривали патрубки ввода (10) и вывода (11) жидкого азота. Патрубки ввода (10) и вывода (11) жидкого азота соединяли с рукавами подачи и слива жидкого азота (не показаны) которые были связаны с баками подачи и приема циркулирующего жидкого азота (не показаны). К торцевой стенке основанию криостата точной лазерной сваркой приваривали листы нержавеющей стали для создания стенки криостата в виде внутреннего цилиндра (6). По периферии внутреннего цилиндра (6) криостата (1) монтировали магнитную систему.

Для этого в патрубок вывода (11) жидкого азота продевали сверхпроводящий кабель (3), который фиксировали внутри криостата на формирующем прямолинейную форму кабеля стержне. От сверхпроводящего кабеля ответвлялись фазы кабеля в виде ВТСП лент (4¹), готовые к присоединению к ВТСП лентам (4²) сверхпроводящих магнитных катушек (2). Ширина ВТСП лент в магнитной катушке (4²) составляла 12 мм, ширина ответвляемых лент кабеля (4¹) составляла 4 мм.

Четыре сверхпроводящие катушки (2) формировали магнитную систему, где каждая из катушек состояла из 200 оборотов 12-мм ВТСП ленты (4²), намотанной в двух противоположных направлениях. Катушки (2) защищали электроизоляционными прокладками (12), выполненными из текстолита. Прокладки (12) соединяли между собой продолговатыми соединяющими шайбами (13).

Для образования паяного соединения концы ВТСП-лент (4¹ и 4²) покрывали припоем.

К электроизоляционным прокладкам (12) прикрепляли массивные опорные элементы (17). На опорном элементе устанавливали нижний фиксирующий элемент (15), представляющий собой луженую медную пластину. На пластину укладывали 12-мм ВТСП ленту (4²). На 12-мм ленту электромагнита укладывали 4-мм ленты кабеля (4¹) в положении, котором они будут соединяться пайкой. Затем сверху на заготовку укладывали верхний фиксирующий элемент (16), выполненный точно также, как и нижний. Заготовку под пайку фиксировали между элементов (15, 16) винтами. Далее все элементы прогревали через массивный опорный медный элемент (17). По мере прогревания и расплавления припоя между ВТСП лентами магнита и кабеля (4¹, 4²) фиксирующие элементы (15, 16) с помощью винтов поджимали для выхода лишнего припоя из места пайки, обеспечения более равномерного контакта поверхностей лент и достижения максимальной площади контакта рабочих поверхностей.

Далее точной лазерной сваркой приваривали стенку криостата (1) в виде внешнего цилиндра (7). Затем сверху к внутреннему (6) и внешнему (7) цилиндрам точной лазерной сваркой приваривали вторую торцевую стенку (8) криостата для завершения формирования объема внутри криостата.

На фиг. 3 приведен профиль распределения магнитного поля, созданного магнитным генератором на основе ВТСП-лент в зависимости от положения датчика Холла внутри сквозного канала криостата.

Как следует из данного рисунка, заявленный генератор имеет сильное магнитное поле, при малых габаритах самого электромагнита, что позволяет, например, качественно ускорять частицы потока плазмы реактивной струи электрического ракетного двигателя. Магнитное поле достигает значений 1 Тл. Особо следует уделить внимание, что заявленный генератор имеет также высокий градиент магнитного поля, что дает особые преимущественные свойства данному электромагниту, например, для более эффективного ускорения потока частиц плазмы реактивной струи электрического ракетного двигателя.

Кроме того, преимуществом заявленного ВТСП магнитного генератора по сравнению с классическими аналогами является существенно меньшее энергопотребление, а его вес и габариты значительно меньше веса и габаритов существующих аналогов с медными проводами.

Изобретение относится к электротехнике, к генераторам магнитного поля с использованием магнитов на основе высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения, и может найти применение в устройствах, для функционирования которых необходимо магнитное поле, например в магнитоплазменных ракетных двигателях, плазмотронах, устройствах для магнитно-резонансной томографии, циклотронах для получения медицинских изотопов и др. Технический результат состоит в улучшении эксплуатационных характеристик за счет охлаждения до криогенных температур без локальных перегревов, приводящих к потере сверхпроводимости. Генератор содержит криостат с патрубками для ввода и вывода криогенной жидкости, по меньшей мере, одну сверхпроводящую магнитную катушку, размещенную в криостате и подключенную к источнику напряжения посредством сверхпроводящего кабеля и паяное соединение сверхпроводящего кабеля со сверхпроводящей магнитной катушкой. Криостат представляет собой герметичный объем, ограниченный стенками в виде внутреннего и внешнего цилиндров и торцевыми стенками, соединяющими внутренний и внешний цилиндры. Продольная ось внутреннего цилиндра смещена относительно продольной оси внешнего цилиндра и параллельна этой оси. Сверхпроводящая катушка размещена в криостате по периферии внутреннего цилиндра. Паяное соединение размещено в части криостата, не занятой сверхпроводящей магнитной катушкой. Сверхпроводящая магнитная катушка и сверхпроводящий кабель выполнены из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор магнитного поля, содержащий криостат с патрубками для ввода и вывода криогенной жидкости, по меньшей мере, одну сверхпроводящую магнитную катушку, размещенную в криостате и подключенную к источнику напряжения посредством сверхпроводящего кабеля, и паяное соединение сверхпроводящего кабеля со сверхпроводящей магнитной катушкой, в котором криостат представляет собой герметичный объем, ограниченный стенками в виде внутреннего и внешнего цилиндров и торцевыми стенками, соединяющими внутренний и внешний цилиндры, причем продольная ось внутреннего цилиндра смещена относительно продольной оси внешнего цилиндра и параллельна этой оси, сверхпроводящая катушка размещена в криостате по периферии внутреннего цилиндра, упомянутое паяное соединение размещено в части криостата, не занятой сверхпроводящей магнитной катушкой, при этом сверхпроводящая магнитная катушка и сверхпроводящий кабель выполнены из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения.

2. Генератор по п. 1, в котором в криостате по периферии внутреннего цилиндра размещены несколько сверхпроводящих магнитных катушек, установленных одна на другую и отделенных друг от друга посредством электроизоляционных прокладок.

3. Генератор по п. 1, в котором сверхпроводящий кабель пропущен через патрубок для вывода криогенной жидкости.

4. Генератор по п. 1, в котором патрубок для ввода криогенной среды выполнен с коленом, размещенным в криостате.

5. Генератор по п. 1, в котором паяное соединение сверхпроводящей катушки и сверхпроводящего кабеля представляет собой слоистые структуры, каждая из которых включает, по меньшей мере, одну высокотемпературную сверхпроводящую ленту второго поколения кабеля и, по меньшей мере, одну высокотемпературную сверхпроводящую ленту второго поколения магнитной сверхпроводящей катушки.

6. Генератор по п. 5, в котором паяное соединение размещено между фиксирующими элементами.

7. Генератор по п. 1, в котором криостат выполнен с двойными стенками с размещенной между упомянутыми стенками теплоизолирующей средой.

8. Генератор по п. 7, в котором теплоизолирующей средой является разряженный воздух.