Сверхпроводниковая геликоидальная обмотка Российский патент 2024 года по МПК H01B12/00 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к электромеханическим устройствам с обмотками, работающими при криогенных температурах, и предназначено для использования при изготовлении обмоток электрических машин, магнитов, соленоидов, трансформаторов и др. с применением высокотемпературных сверхпроводников.

Известны сверхпроводниковые обмотки, изготовленные из высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения (ВТСП-2) [1]. Сама лента представляет собой многослойную структуру, содержащую прочную подложку из нержавеющей стали, сплава хастеллой или сплава никель-вольфрам, набора буферных слоев различных оксидов, слоя сверхпроводящей керамики, покрытой слоем серебра и слоя меди (Фиг. 1) [2-4]. Все напыляемые или осаждаемые слои имеют толщины в несколько микрон, а полная толщина ленты 100-400 мкм. К недостаткам таких обмоток следует отнести высокую стоимость самой ВТСП-ленты и хрупкость сверхпроводящего слоя, не допускающего деформации более нескольких десятых долей процента. Хрупкость сверхпроводящего слоя позволяет сгибать ленту только в направлении легкого изгиба и по данным разных производителей с радиусом не менее 10-15 мм [9]. Эта особенность весьма затрудняет изготовление оптимальных обмоток, например для электрических машин. Кроме того, малая скорость распространения нормальной зоны затрудняет обнаружение момента перехода в нормальное состояние и часто приводит к повреждению обмотки. Многовитковые обмотки некруглой формы вследствие малого момента сопротивления тонкой, хотя и прочной, подложки не обладают достаточной жесткостью по отношению к изгибающим моментам, возникающим при вводе в обмотку тока.

Известны также обмотки, по существу ленточного типа, выполненные без необходимости сгибания ленты (E.F. Maher, International Patent Application PCT/GB02/03898 publish edas WO 03/019589, March 2003). Здесь необходимые структурные слои наносятся на вращающийся Ni цилиндр (поверхность которого предварительно текстурирована), затем в сплошной пленке литографически формируют винтовую полосу либо скрайбируют лазером, либо «вытравливают» (Фиг.2). В этом случае многослойные сверхпроводящие структуры позволяют достичь более высоких конструктивных плотностей тока и снизить потери на переменном токе. Недостатком этой конструкции является то, что она узко ориентирована на изготовление обмотки трансформатора или соленоида и не дает возможности изготовления таким способом седлообразных обмоток электрических машин.

Технические задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в создании контролируемых (стабильных и управляемых) сверхпроводниковых обмоток на основе высокотемпературных сверхпроводников, отличающихся простотой, технологичностью, прочностью конструкции, отсутствием опасных для сверхпроводящего слоя деформаций.

Указанные задачи решаются за счет того, что сверхпроводниковая геликоидальная обмотка содержит геликоидальную металлическую подложку с плоскими витками с возможностью растяжения и сжатия её вдоль продольной оси, причем плоские витки подложки имеют произвольную форму, при этом на обе плоскости каждого витка подложки нанесены слои, аналогичные структурным слоям высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения, между витками размещена изоляция, кроме того сама обмотка имеет плоскую форму или повитково согнута вокруг оси, параллельной её плоскости, для придания седлообразной формы, характерной для обмоток электрических машин, без превышения допустимой деформации сверхпроводящего слоя. Обмотка может содержать две или более секций, вставленных одна в другую и соединенных последовательно, причем соединения осуществляются на торцах обмотки, а направления винтовой структуры чередуются. Плоский виток подложки имеет, например, круглую, рейстрековую или прямоугольную форму, геликоидальная подложка изготовляется, например, из нержавеющей стали, сплава хастеллой или меди, а межвитковая изоляция выполняется, например, в виде слоев препрега, повторяющих по форме витки подложки. Форма обмотки может соответствовать форме ротора электрической машины. В качестве структурных слоев используются буферные слои, слои керамического сверхпроводника, слои серебра и слои стабилизирующей меди.

Технический результат заявленного изобретения состоит в упрощении конструкции сверхпроводниковых обмоток, повышении их прочности и технологичности, обеспечении высокой стабильности и управляемости, в частности недопущении неконтролируемого перехода в нормальное состояние, а также исключения недопустимого для слоя сверхпроводника уровня изгибных деформаций и уменьшения количества соединений (спаев).

Осуществление технического результата в части значительного упрощения конструкции сверхпроводящих обмоток, а следовательно и повышения технологичности их изготовления, обеспечивается тем, что в процессе изготовления геликоидальной обмотки отпадает необходимость в специальной оснастке и намоточном оборудовании, а также исключается сгибание ленты, необходимое для ленточных обмоток и критичное для сверхпроводящего слоя и ведущее при превышении допустимых значений деформаций изгиба к снижению токонесущей способности. Для получения необходимой формы обмотки механической деформации подвергается только подложка до нанесения на нее сверхпроводникового слоя. Дальнейший процесс нанесения на обе плоскости каждого витка подложки слоев, аналогичных структурным слоям высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения подобен способу, приведенному в [5], как в части получения двустороннего покрытия, так и в части технологии получения покрытия методом осаждения высокоориентированных (эпитаксиальных) многослойных гетероструктур, включающих один или несколько буферных слоев, промежуточных между подложкой и слоем высокотемпературного сверхпроводника YBaCuO и обеспечивающих высокую степень кристаллографической ориентированности.

В геликоидальной обмотке по сравнению с ленточными обмотками на основе ВТСП-2 значительно снижается количество соединений (спаев), что существенно повышает ее технологичность. Это связано с тем, что например, для соленоида длиной L, который может состоять из одной геликоидальной структуры, количество спаев равно 2, в то время как в случае соленоида такой же длины L,состоящего, например, из 10-ти ленточных катушек (галет) с шириной ленты 0,1 L, количество спаев будет равно 11-ти.

На Фиг. 1 показана структура ВТСП-2 ленты.

На Фиг. 2 показана схема получения обмотки методом скрайбирования сплошного цилидрического слоя ВТСП.

На Фиг. 3 показана подложка геликоидальной обмотки в растянутом виде, обеспечивающем осаждение слоев на всю поверхность.

На Фиг. 4 показана геликоидальная цилиндрическая обмотка в сжатом в осевом направлении виде.

На Фиг. 5 показана геликоидальная рейстрековая обмотка (прямоугольной формы) в сжатом в осевом направлении виде.

На Фиг. 6 показана геликоидальная седлообразная обмотка ротора электрической машины.

На Фиг. 7 показана схема двухсекционной геликоидальной ВТСП обмотки.

На Фиг. 3-6 показаны варианты конструктивной реализации цилиндрической, рейстрековой и седлообразной обмоток. На обе стороны витков геликоидальной обмотки нанесены буферные, сверхпроводящий и защитные слои (см. Фиг.1). Витки структуры изолированы. Структура сжата вдоль оси так, что ее осевая длина составляет L= N⋅(d+t), где N-число витков, d - толщина витка, t - толщина изоляции. Максимальный ток в обмотке пропорционален ширине витка, а зависящая от длины обмотки максимальная индукция на ней примерно равна B=μ₀NI/L. Здесь В - индукция в Тл, μ₀ =4π⋅10^-7 Гн/м - магнитная постоянная вакуума, I-ток в А. Толщина и ширина витков рассчитываются так, чтобы их деформация при изготовлении и под действием магнитных сил и моментов не превышала допустимой для сверхпроводящего слоя.

Высокая стабильность и управляемость сверхпроводниковой геликоидальной обмотки, в частности недопущение неконтролируемого перехода в нормальное состояние [6] обеспечивается следующим обстоятельством.Несмотря на то, что в значительной части такой обмотки магнитное поле имеет компоненту, перпендикулярную плоскости витка, которая индуцирует в нем экранирующий ток, обмотка сохраняет стабильность благодаря характерной для ВТСП размытости вольт-амперной характеристики [6]. Возникающее электрическое поле, не превышающее поля срыва, приводит к быстрому перераспределению тока в плоскости витка без его критического перегрева и затуханию экранирующего тока. Это существенно отличает процессы в геликоидальной обмотке от ситуации возникновения электрического поля в обмотке, намотанной ВТСП-2 лентой, в которой регистрация возникшего электрического поля требует для защиты обмотки вывода из нее тока за длительное время, пропорциональное общей индуктивности обмотки.

Прочности геликоидальной обмотки при вводе в нее тока способствует повышенный момент сопротивления витков по отношению к действию перпендикулярных их плоскости изгибающих моментов.

Достоинством, определяющим доступность всей поверхности геликоидальной структуры для нанесения буферных и сверхпроводящих слоев, является возможность существенного растягивания геликоидальной структуры вдоль ее оси (см. Фиг.3) и увеличения расстояния между витками без превышения локальными деформациями допустимых для сверхпроводящего слоя значений, поскольку длина винтовой линии при таком удлинении остается постоянной.

Кроме того важным достоинством предлагаемой конструкции является то, что посредством повиткового сгибания готовой обмотки ей можно придать седлообразную форму, характерную для обмоток электрических машин (Фиг. 6), без превышения допустимого для слоя ВТСП уровня деформации изгиба более нескольких десятых долей процента [9].

В процессе работы рассматриваемой обмотки в составе, например, электрической машины по обмотке протекает ток, создающий основной магнитный поток машины. Однако, если из-за ограниченной ширины витков обмотка не может создать магнитное поле требуемой величины, то магнитную индукцию можно увеличить за счет использования набора секций (Фиг.7), каждая из которых является описанной выше структурой. Секции вставлены одна в другую и соединены последовательно на торцах сверхпроводящими перемычками. При этом, с целью создания всеми секциями однонаправленных потоков, направления винтовой структуры в соседних секциях должны быть взаимно противоположны.

По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано при изготовления сверхпроводниковых обмоток с сильным магнитным полем, избавлено от недостатков, присущих существующим типам обмоток, и предназначено для использования при изготовлении обмоток электрических машин, магнитов, соленоидов, трансформаторов и др. с применением высокотемпературных сверхпроводников, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. https://patents.google.com/patent/US20160351310A1/en).

2. Ковалев Л.К. и др. Электрические машины и устройства на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 396 с.

3. Пенкин В.Т., Ковалев К.Л. Синхронные электрические машины с композитными и объемными сверхпроводниками в роторе для транспортных систем. - М.: Изд-во МАИ, 2018. - 216 с.

4. Токонесущие ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников. Под ред. А. Гояла. Перевод с англ. М.: Изд-во ЛКИ, 2009. - 432с.

5. Способ получения двухстороннего сверхпроводника второго поколения. Патент RU 2 386 732C1.

6. Е.Ю. Клименко, Фундаментальные характеристики проводов для контролируемых сверхпроводящих обмоток, Письма в ЖТФ, 2022, том 48, вып. 13, с.17-19

7. M.A. Green, Various Quench Protection Methods for HTS Magnets, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 755 (2020) 012134

8. V.S. Vysotsky, V.E. Sytnikov, A.L. Rakhmanov, Yu. A. Ilyin, Analysis of stability and quench in HTS devices - new approaches, Fusion Engineering and Design 81, 2417-2424, (2006).

9. Д.В. Сотников, Исследование токонесущих свойств перспективных высокотемпературных сверхпроводящих материалов для электротехнических устройств. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н, ОАО «ВНИИКП», 30.11.2016, с.8.

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к электромеханическим устройствам с обмотками, работающими при криогенных температурах, и предназначено для использования в процессе изготовления обмоток электрических машин, магнитов, соленоидов, трансформаторов и др. с применением высокотемпературных сверхпроводников. Сверхпроводниковая геликоидальная обмотка содержит геликоидальную металлическую подложку с плоскими витками с возможностью растяжения и сжатия ее вдоль продольной оси. Плоские витки подложки имеют произвольную форму, при этом на обе плоскости каждого витка подложки нанесены слои, аналогичные структурным слоям высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения. Между витками размещена изоляция. Обмотка имеет плоскую форму или повитково согнута вокруг оси, параллельной ее плоскости, для придания седлообразной формы, характерной для обмоток электрических машин, без превышения допустимой деформации сверхпроводящего слоя. Изобретение позволяет упростить конструкцию сверхпроводниковых обмоток, повысить их прочность и технологичность, обеспечить высокую стабильность и управляемость. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Сверхпроводниковая геликоидальная обмотка, содержащая геликоидальную металлическую подложку с плоскими витками с возможностью растяжения и сжатия ее вдоль продольной оси, причем плоские витки подложки имеют произвольную форму, при этом на обе плоскости каждого витка подложки нанесены слои, аналогичные структурным слоям высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения, между витками размещена изоляция, кроме того, сама обмотка имеет плоскую форму или повитково согнута вокруг оси, параллельной ее плоскости, для придания седлообразной формы, характерной для обмоток электрических машин, без превышения допустимой деформации сверхпроводящего слоя.

2. Сверхпроводниковая геликоидальная обмотка по п.1, отличающаяся тем, что содержит две или более секций, вставленных одна в другую и соединенных последовательно, причем соединения осуществляются на торцах обмотки, а направления винтовой структуры чередуются.

3. Сверхпроводниковая геликоидальная обмотка по п.1, отличающаяся тем, что плоский виток подложки имеет, например, круглую, рейстрековую или прямоугольную форму.

4. Сверхпроводниковая геликоидальная обмотка по п.1, отличающаяся тем, что геликоидальная подложка изготовляется, например, из нержавеющей стали, сплава хастеллой или меди.

5. Сверхпроводниковая геликоидальная обмотка по п.1, отличающаяся тем, что межвитковая изоляция выполнена, например, в виде слоев препрега, повторяющих по форме витки подложки.