СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ МАГНИТНАЯ СИСТЕМА Советский патент 1996 года по МПК H01L39/16 

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано преимущественно в технике испытания сверхпроводящих обмоточных проводов для магнитных систем электрофизических установок.

Известна сверхпроводящая магнитная система для накопления энергии, содержащая внешнюю и внутреннюю сверхпроводящие обмотки. Предложенное расположение обмоток и вспомогательные приспособления позволяют уменьшить нестабильность работы сверхпроводящей магнитной системы (СПМС). Уменьшается влияние магнитного поля, создаваемого током, протекающим в одном и том же направлении по проводникам внешней и внутренней обмоток. СПМС не отличается высокой надежностью, что связано с отсутствием защитных цепей, предотвращающих появление аварийных режимов.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является сверхпроводящая магнитная система, в которой основными элементами являются источник питания и сверхпроводящая обмотка. Источник питания построен на основе трансформатора тока, содержащего первичную слаботочную обмотку, запитываемую от слаботочного источника электропитания, и вторичную сильноточную обмотку, электрически соединенную с испытуемым объектом. Такие сверхпроводящие магнитные системы применяются для испытания небольших сверхпроводниковых объектов, моделей секции обмоток сверхпроводящих электромагнитных систем термоядерных реакторов, индуктивных накопителей энергии, электрических машин и др. Основными недостатками сверхпроводящей магнитной системы являются невысокая надежность и узкая область применения, что объясняется отсутствием быстродействующих элементов защиты и условий для обеспечения механического испытания образцов сверхпроводникового магнитопровода электрофизической установки, работающего в сильных магнитных полях.

Целью изобретения является повышение надежности и расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что в сверхпроводящую магнитную систему, содержащую источник питания, коммутирующий аппарат, первую сверхпроводящую обмотку, введены вторая сверхпроводящая обмотка, первый, второй и третий сверхпроводящие ключи и сопротивление, причем выход источника питания соединен с входом коммутирующего аппарата, выход коммутирующего аппарата соединен с первым выводом первого сверхпроводящего ключа и первым выводом первой сверхпроводящей обмотки, второй вывод первого сверхпроводящего ключа соединен с первым выводом второй сверхпроводящей обмотки и первым выводом второго сверхпроводящего ключа, второй вывод первой сверхпроводящей обмотки соединен с вторым выводом второй сверхпроводящей обмотки и с первым выводом третьего сверхпроводящего ключа, второй вывод второго сверхпроводящего ключа и второй вывод третьего сверхпроводящего ключа соединены с общим выводом источника питания, параллельно второму сверхпроводящему ключу подключено сопротивление.

На чертеже представлена принципиальная схема сверхпроводящей магнитной системы.

Сверхпроводящая магнитная система содержит источник питания 1, подключенный через коммутирующий аппарат 2 с первой сверхпроводящей обмоткой 3, первый сверхпроводящий ключ 5, присоединенный одним выводом к коммутирующему аппарату 2 и к первой сверхпроводящей обмотке 3. Другой вывод первого сверхпроводящего ключа 5 присоединен к второй сверхпроводящей обмотке 4 и к источнику питания 1 через второй сверхпроводящий ключ 6. Третий сверхпроводящий ключ 8 присоединен одним выводом к первой сверхпроводящей обмотке 3 и второй сверхпроводящей обмотке 4, а другим выводом подключен к источнику питания 1 и второму сверхпроводящему ключу 6. Защитное сопротивление 7 присоединено параллельно с вторым сверхпроводящим ключом.

При разомкнутом третьем сверхпроводящем ключе 7, первом сверхпроводящем ключе 5 и замкнутом втором сверхпроводящем ключе 4 ток в обеих обмотках протекает встречно и они отталкиваются друг от друга, передавая через механическую систему значительные усилия на образец. Силу взаимодействия обмоток можно менять в широком диапазоне путем изменения значения транспортного тока в сверхпроводящих обмотках 3, 4.

При разомкнутом втором сверхпроводящем ключе 6 и замкнутых первом сверхпроводящем ключе 5 и третьем сверхпроводящем ключе 8 магнитная система не обеспечивает механические усилия на образцы сверхпроводников, режим "пресса" отсутствует. При этом магнитные поля обмоток в области расположения образцов суммируются. Это дает возможность проводить испытания образцов сверхпроводников на одной и той же установке, в сильных магнитных полях.

В случае аварии в сверхпроводящей магнитной системе, возникновения аномальных режимов в первой и второй сверхпроводящих обмотках 3, 4 второй сверхпроводящий ключ 6 открывается и для транспортного тока образуется новая замкнутая цепь: последовательно соединенные источник питания 1, коммутирующий аппарат 2, первый открытый сверхпроводящий ключ 5 и второй открытый сверхпроводящий ключ 6. В результате частично или полностью устраняется распространение аварийного режима в сверхпроводящих обмотках 3, 4. В защитном сопротивлении 7 происходит вывод накопленной энергии в сверхпроводящих обмотках 3, 4.

Первая и вторая сверхпроводящие обмотки 3, 4 расположены соосно и погружены в жидкий гелий. Они изготовлены из сверхпроводника, который представляет собой шину 3,5х2 мм с жилами Nb-Ti сплава, транспортированными в медную матрицу. Критический ток проводника в поле 7 Тл составляет около 2 кА. Шина изолирована двумя слоями полиимидной пленки и слоем стеклоленты, толщина изоляции 0,2 мм. Число витков в слое 8, число слоев в радиальном направлении 41, диаметр внутренних витков 250 мм, наружных 460 мм. Между слоями, а также с внутренней и боковых поверхностей обмотки прокладывается стеклоткань, изоляция пропитывается эпоксидным компаундом и запекается. Каркас обмотки представляет собой обечайку с одним фланцем, на которую наматывается проводник. Во фланце выполнен паз для выводного конца обмотки. Фланец и обечайка имеют радиальные каналы для гелия и изготовлены из нержавеющей стали.

Общее число витков в каждой сверхпроводящей обмотке 328, витковый ток не более 1,6 кА. При последовательном включении обмотки, имеющие противоположную намотку и встречные токи, отталкиваются с общим усилием до 900 кН. Через механическую систему усилие передается на образец, величина усилия регулируется током в обмотках и контролируется тензодатчиками. С целью снижения массы конструкции механическая система изготавливается из высокопрочной специальной нержавеющей стали. Общая масса захолаживаемых конструкций составляет около 300 кг. Каркасы обмоток центрируются на общей обечайке механической системы. Расстояние между поверхностями обмоток 2 мм.

Сверхпроводящие обмотки связаны с источником питания с помощью двух токовводов, представляющих собой медные трубки диметром 13 мм с отверстием диаметром 7 мм, рабочая длина которых 1800 мм. На одном выводном конце обмотки сверхпроводник припаивается к трубке, на другом к выводному концу второй обмотки. Спаи погружены в гелий.

Общее время захолаживания сверхпроводящей магнитной системы азотом и гелием 2,5-3,5 ч, необходимый расход гелия на захолаживание не более 100 л. Общий теплоприток на гелиевый уровень температур 5-7 Вт, расход гелия при испарении 7-10 л/ч. Наибольший объем гелия в системе 30 л. Масса сверхпроводника около 100 кг.

В сверхпроводящей магнитной системе с предлагаемой элементной базой можно эффективно осуществлять испытание сверхпроводящих обмоточных проводов и значительно увеличить надежность их в работе.

Использование: испытание сверхпроводящих обмоточных проводов для сверхпроводящих магнитных систем электрофизических установок. Сущность изобретения: сверхпроводящая магнитная система содержит источник питания, выход которого соединен с входом коммутирующего аппарата, выходом соединенного с первым выводом первого сверхпроводящего ключа и первым выводом первой сверхпроводящей обмотки. Второй вывод первого сверхпроводящего ключа соединен с первым выводом второй сверхпроводящей обмотки и первым выводом второго сверхпроводящего ключа. Второй вывод первой сверхпроводящей обмотки и второй вывод второй сверхпроводящей обмотки соединены с первым выводом третьего сверхпроводящего ключа. Второй вывод второго сверхпроводящего ключа и второй вывод третьего сверхпроводящего ключа соединены с общим выводом источника питания. Параллельно второму сверхпроводящему ключу подключено защитное сопротивление. 1 ил.

СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ МАГНИТНАЯ СИСТЕМА, содержащая источник питания, коммутирующий аппарат, первую сверхпроводящую обмотку, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и расширения области применения, в нее введены вторая сверхпроводящая обмотка, первый, второй и третий сверхпроводящие ключи и сопротивление, причем выход источника питания соединен с входом коммутирующего аппарата, выход коммутирующего аппарата соединен с первым выводом первого сверхпроводящего ключа и первым выводом первой сверхпроводящей обмотки, второй вывод первого сверхпроводящего ключа соединен с первым выводом второй сверхпроводящей обмотки и первым выводом второго сверхпроводящего ключа, второй вывод первой сверхпроводящей обмотки соединен с вторым выводом второй сверхпроводящей обмотки и с первым выводом третьего сверхпроводящего ключа, второй вывод второго сверхпроводящего ключа и второй вывод третьего сверхпроводящего ключа соединены с общим выводом источника питания, параллельно второму сверхпроводящему ключу подключено сопротивление.