RU2815412C1 - Устройство с динамическим вращением поля для питания сверхпроводящих систем - Google Patents
Устройство с динамическим вращением поля для питания сверхпроводящих систем Download PDFInfo
- Publication number
- RU2815412C1 RU2815412C1 RU2023106836A RU2023106836A RU2815412C1 RU 2815412 C1 RU2815412 C1 RU 2815412C1 RU 2023106836 A RU2023106836 A RU 2023106836A RU 2023106836 A RU2023106836 A RU 2023106836A RU 2815412 C1 RU2815412 C1 RU 2815412C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- superconducting
- coils
- field
- current
- magnetic
- Prior art date
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 4
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005404 monopole Effects 0.000 description 8
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000976 Electrical steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000010206 sensitivity analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 1
Abstract
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.
Description
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 Udc на концах петли (в нормальном состоянии Udc=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 Udc 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.
Claims (2)
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.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2815412C1 true RU2815412C1 (ru) | 2024-03-14 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3086380B1 (en) * | 2013-12-20 | 2018-07-11 | Hitachi, Ltd. | Superconducting magnet, mri and nmr |
RU2749666C1 (ru) * | 2020-12-24 | 2021-06-16 | Закрытое акционерное общество "СуперОкс" | Генератор магнитного поля |
RU2752263C2 (ru) * | 2017-02-09 | 2021-07-26 | Токемек Энерджи Лтд | Источник питания криогенного магнита |
RU2782553C2 (ru) * | 2017-11-14 | 2022-10-31 | Конинклейке Филипс Н.В. | Узел сверхпроводящего магнита |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3086380B1 (en) * | 2013-12-20 | 2018-07-11 | Hitachi, Ltd. | Superconducting magnet, mri and nmr |
RU2752263C2 (ru) * | 2017-02-09 | 2021-07-26 | Токемек Энерджи Лтд | Источник питания криогенного магнита |
RU2782553C2 (ru) * | 2017-11-14 | 2022-10-31 | Конинклейке Филипс Н.В. | Узел сверхпроводящего магнита |
RU2749666C1 (ru) * | 2020-12-24 | 2021-06-16 | Закрытое акционерное общество "СуперОкс" | Генератор магнитного поля |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Pantoja et al. | Impact of stator wire width on output of a dynamo-type HTS flux pump | |
Wang et al. | Charging 2G HTS double pancake coils with a wireless superconducting DC p ower supply for persistent current operation | |
US6441521B1 (en) | Hybrid superconducting motor/generator | |
US7382072B2 (en) | Generator | |
Ma et al. | Rotating permanent magnets based flux pump for HTS no-insulation coil | |
Gao et al. | Design, fabrication, and testing of a YBCO racetrack coil for an HTS synchronous motor with HTS flux pump | |
US7345457B2 (en) | Brushless exciters using a high temperature superconducting field winding | |
Zhang et al. | Compact linear-motor type flux pumps with different wavelengths for high-temperature superconducting magnets | |
Hamilton et al. | Asynchronous magnet–stator topologies in a squirrel-cage superconducting dynamo | |
Hamilton et al. | Practical estimation of HTS dynamo losses | |
KR100888030B1 (ko) | 초전도 동기 전동기 | |
Li et al. | Charging optimization of a YBCO racetrack coil with a linear-motor type flux pump for an HTS synchronous motor | |
Ye et al. | A linear-motor type HTS flux pump with pumped current exceeding 640 A | |
RU2815412C1 (ru) | Устройство с динамическим вращением поля для питания сверхпроводящих систем | |
US5144179A (en) | Superconducting brushless homopolar motor with multiple winding rotor | |
Lei et al. | Through-wall excitation of a conduction cooling HTS magnets by a linear-motor type flux pump | |
Storey et al. | Impact of annular yoke geometry on performance of a dynamo-type HTS flux pump | |
WO2022160514A1 (zh) | 无换向装置超导直流电机 | |
Lee et al. | Experimental analysis of charging characteristics of HTS field coils with HTS contactless rotary excitation device considering various HTS loads | |
US6359365B1 (en) | Superconducting synchronous machine field winding protection | |
RU2392724C1 (ru) | Однофазный электрический генератор | |
CN114743750A (zh) | 一种磁通泵系统控制方法以及可控磁通泵系统 | |
JPS63310366A (ja) | 同期機 | |
JP2003134766A (ja) | ブラシレス回転電機 | |
Jiang et al. | Design of an HTS motor |