УСТРОЙСТВО С ДИНАМИЧЕСКИМ ВРАЩЕНИЕМ ПОЛЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СИСТЕМ Российский патент 2024 года по МПК H01F6/06 H01B12/00 

Область техники

Изобретение относится к области применения сверхпроводимости, и конкретно, к снижению энергетических потерь при питании сверхпроводящих магнитных систем за счет отказа от токоподводов с большими тепловыделениями с помощью устройств для индуктивного (без контактного) ввода тока в сверхпроводящие магнитные системы.

Уровень техники

Подвод тока к сверхпроводящим устройствам (питание) обычно осуществляют с помощью токоподводов, изготавливаемых из меди и латуни. Поскольку сверхпроводящие устройства работают при низких температурах (4-70К), то подводимое токовводами тепло, а также выделяемое в них тепло при пропускании тока приводит к заметным энергетическим потерям. Наиболее радикально снижение тепловыделений и расходов на поддержание низкой температуры достигается с помощью индуктивных методов питания, которые характеризуются отсутствием проводов для прямой передачи тока. Различные методы питания сверхпроводящих систем, в том числе и индуктивные, изложены в обзоре. [Т. A. Coombs, Superconducting flux pumps, J. Appl. Phys. 125, 230902 (2019) https://doi.org/10.1063/1.5098384].

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является система с монопольным магнитным ротором [Ratu Mataira., Mark D. Ainslie, Rod Badcock and Chris W. Bumby, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 30, NO. 4, JUNE 2020].

Ротор представляет собой цилиндр, в который вмонтированы постоянные магниты. Полюса всех магнитов, скажем, северные направлены наружу, а противоположные (южные) направлены внутрь, к оси ротора. У внешнего диаметра ротора параллельно оси располагается сверхпроводящая лента, соединения со сверхпроводящим магнитом. При вращении монопольного ротора, в сверхпроводящей ленте возбуждается ток, всякий раз, когда один из полюсов ротора проходит мимо ленты.

Достоинство этого решения особенно ярко проявляется при использовании его для питания магнитов с неизолированными ленточными обмотками ВТСП, когда не требуется источник с большим напряжением. В таких обмотках сопротивление спаев может достигать нескольких микроом, и при токе порядка 1000А, напряжение на спаях составляет несколько мВ. Устройство с вращением монопольного ротора как раз обеспечивает такое напряжение, и позволяет магнитной системе работать в закороченном режиме без затухания поля (тока).

Существенным недостатком устройства с вращающимся ротором являются механические элементы устройства (ротор). Его проблематично использовать в жидких криагентах (гелий, водород, азот). В случае же косвенного охлаждения, когда система располагается в вакууме, возникают проблемы охлаждения ротора и тепловыделений в трущихся элементах конструкции.

Раскрытие изобретения Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение энерго-эффективности и надежности питания сверхпроводящих магнитов за счет отказа от механически вращающихся деталей при низких температурах.

Технический результат заявленного изобретения заключается в устранении механически вращающихся узлов в источниках питания с монопольным магнитным ротором и в радикальном снижении выделения тепла при питании сверхпроводящих устройств (магнитов) за счет решения, позволяющего осуществлять динамическое вращение магнитного поля по аналогии статоров трехфазных двигателей.

Для достижения указанного технического результата предлагается устройство с динамическим вращением поля для питания сверхпроводящих систем характеризующееся тем, что содержит полый цилиндр из магнитомягкого материала и три пары катушек с магнитными сердечниками расположенных внутри цилиндра так, что между осями катушек соблюдается угол 600, обмотки каждой пары катушек подсоединены через диоды к одной из фаз трех фазной сети, между краев средней катушки установлена сверхпроводящая ленточная петля концы которой соединены с обмоткой сверхпроводящего магнита.

В предпочтительном варианте возможно в качестве петли использование части обмотки сверхпроводящего магнита.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что: исключается механически вращающийся монопольный ротор, и движение поля осуществляется динамическим образом за счет трех пар катушек, которые питаются полупериодами 3-х фазной сети. Это позволяет использовать устройство как в криожидкостях, так и в вакууме при косвенном охлаждении. Кроме этого возрастает надежность устройства, поскольку во вращающемся монопольном роторе возможен отрыв магнитов, которые испытывают отталкивание друг от друга, как магнитное, так и центробежное.

Краткое описание чертежей На фиг. 1 показана схема заявляемого устройства с динамическим вращением поля, на которой позициями обозначены:

1- Обмотки катушек L1;

2- Обмотки катушек L2;

3- Обмотки катушек L3;

4- Цилиндрический корпус с выступами (сердечниками) для катушек;

5- Петля из ленты ВТСП.

На Фиг. 2 показана схема подключения катушек L1, L2, L3 устройства к трехфазной сети через выпрямляющие диоды.

На Фиг. 3 приведена графическая зависимость фазовых токов в катушках.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описание устройства и работы отдельных его узлов.

Заявляемое устройство с динамическим вращением поля изображено на фиг. 1. Корпус устройства 4 представляет собой толстостенный полый цилиндр (статор). Он выполнен из трансформаторной стали, которая обладает высокой магнитной проницаемостью, низкими потерями и отсутствием остаточной намагниченности. На внутренней поверхности цилиндра имеется шесть симметрично расположенных выступов. Угол между осями выступов составляет 60°. На выступы намотаны три пары катушек: L1, L2, L3 динамического вращения магнитного поля. Обмотки катушек выполнены изолированным медным проводом. Параметры катушек: сопротивление и индуктивность должны быть такими, чтобы не вызывать чрезмерного нагрева при выбранном напряжении 3-х фазной сети. Выступы играют роль магнитных сердечников для катушек и служат для усиления поля. На фиг. 1 обозначены: 1-1 - обмотка катушки L1, 2-2 - обмотка катушки L2, 3-3 - обмотка катушки L3. Обмотки каждой пары катушек включены последовательно так, чтобы при протекании тока они намагничивались в одном направлении. Обмотки катушек присоединены через диоды к источнику 3-х фазного напряжения по схеме «звезда», как изображено на фиг. 2. Источник 3-х фазного напряжения выделен пунктиром.

У краев средней катушки L2 помещена сверхпроводящая ленточная петля - 5, которая припаяна к обмотке сверхпроводящего магнита.

В качестве петли могут быть использованы ленты ВТСП-2, спаиваются сверхпроводящие слои, и несущая подложка оказывается снаружи. Этим обеспечивается наименьшее контактное сопротивление спая. Чтобы достичь максимальной эффективности устройства изогнутую часть петли следует расположить вне корпуса, где магнитное поле практически отсутствует.В случае, когда в качестве петли использована часть ленточной обмотки сверхпроводящего магнита число спаев снижается до одного, а максимальный ток удваивается, из-за уменьшения контактного сопротивления.

Питание катушек осуществляется через диоды, т.е. только положительными (или отрицательными) полу периодами переменного 3-х фазного тока. Петля сверхпроводящей ленты 5, концы которой припаяны к сверхпроводящему магниту, образует замкнутый контур (лента - магнит) с очень малым сопротивлением спая. Движение магнитного поля поперек ленты вызывает импульсы тока, которые обеспечивают рост поля магнита.

В отличие от устройств с механически вращающимся ротором с монопольными постоянными магнитами, в заявляемом решении вращение поля достигается с помощью катушек, на которые подаются полупериоды тока трех фазной сети. В результате на трех соседних катушках перемещается северный полюс, а на трех других - южный полюс. Сверхпроводящая ленточная петля, соединенная со сверхпроводящим магнитом, и расположенная вблизи средних катушек, формирует однополярные импульсы напряжения, которые возникают при движении магнитного поля поперек сверхпроводящей ленты. Однополярные импульсы создают постоянный ток в обмотке сверхпроводящего магнита. Поскольку в цепи ленточная петля -сверхпроводящий магнит затухание тока мало, то происходит интегральное увеличение тока или так называемая накачка потока в магнитную систему.

Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения.

Динамическое движение магнитного поля достигается за счет 3-х фазной сети, питающей катушки через диоды. На фиг. 3 изображены зависимости тока в катушках. Ток последовательно достигает максимума в катушке L1, затем L2 и L3. После этого ток вновь достигает максимума в катушке L1, и процесс периодически повторяется. За счет сдвига токов максимум магнитного поля периодически перемещается от одной катушки к другой. Благодаря диодам токи в катушках текут только в одном направлении, поэтому у трех обмоток периодически движется один полюс (северный), а у трех других обмоток движется противоположный полюс (южный). Благодаря тому, что ленточная петля является сверхпроводящей, движение магнитного поля поперек ленты вызывает небольшую постоянную составляющую напряжения U_dc на концах петли (в нормальном состоянии U_dc=0). Поскольку на противоположных частях петли всегда движутся разные полюса, напряжение, индуцируемое на концах петли, удваивается. Возникшее напряжение в замкнутой сверхпроводящей цепи вызывает рост постоянного тока в магните. Расчеты и эксперименты для систем с монопольным магнитным ротором показывают, что создаваемое напряжение U_dc порядка десятка мВ. [Zezhao Wen, Hongye Zhang and Markus Mueller, Sensitivity analysis and machine learning modelling for the output characteristics of rotary HTS flux pumps, Supercond. Sci. Technol. 34 (2021) 125019]. В заявляемом устройстве величина поля и частота его движения примерно такие же. В настоящее время сверхпроводящие ленты удается спаивать с сопротивлением ниже 1 мкОма, поэтому отбираемый от устройства ток может достигать кА, при условии, что критический ток сверхпроводника выше.

Изобретение относится к области электроснабжения сверхпроводящих магнитных систем и предназначено для эффективного снижения передачи тепла к устройствам криогенного охлаждения. Технический результат – снижение затрат энергии на создание и поддержание поля за счет устранения механически вращающихся магнитов и упрощения конструкции при бесконтактном (индуктивном) способе питания. Устройство с динамическим вращением поля для питания сверхпроводящих систем содержит полый цилиндр из магнитомягкого материала и три пары катушек с магнитными сердечниками, расположенных внутри цилиндра так, что угол между осями катушек составляет 60°, обмотки каждой пары катушек подсоединены через диоды к одной из фаз трехфазной сети. При этом между краями средней катушки установлена сверхпроводящая ленточная петля, концы которой соединены с обмоткой сверхпроводящего магнита. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство с динамическим вращением поля для питания сверхпроводящих систем, характеризующееся тем, что содержит полый цилиндр из магнитомягкого материала и три пары катушек с магнитными сердечниками, расположенных внутри цилиндра так, что угол между осями катушек составляет 60°, обмотки каждой пары катушек подсоединены через диоды к одной из фаз трехфазной сети, между краями средней катушки установлена сверхпроводящая ленточная петля, концы которой соединены с обмоткой сверхпроводящего магнита.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве петли использована часть обмотки сверхпроводящего магнита.