Сверхпроводящая магнитная система

Полезная модель относится к электротехнике, а более конкретно - к сверхпроводниковым магнитным системам, используемых в системах возбуждения электрических машин и других электромеханических устройствах, использующих сильные магнитные поля. Стабилизация величины магнитного поля достигается за счет индуктивной связи между секциями (1). При изменении величины тока в одной или нескольких секций (1) под действием внешних факторов или вследствие скачков магнитного потока, по условию постоянства потокосцепления, ток в остальных секциях (1) меняется таким образом, чтобы величина потока осталась без изменений. Стабильность поля, созданного обмоткой, велика, т.к. каждая секция (1) выполняет функции стабилизации этого поля. При увеличении количества секции (1) стабильность магнитного поля и надежность работы возрастает. Технический результат - повышение надежности работы сверхпроводящей магнитной системы. 1 ил., 1 табл.

Полезная модель относится к электротехнике, а более конкретно - к сверхпроводниковым магнитным системам, используемых в системах возбуждения электрических машин и других электромеханических устройствах, использующих сильные магнитные поля.

Известна сверхпроводящая магнитная система со стабилизацией магнитного поля (US 3818396; H01F 6/02, 18.06.1974). Данная сверхпроводящая магнитная система имеет две индуктивносвязаные сверхпроводящие катушки, одна из которых питается от внешнего источника. Когда ток в первой катушке достигает заданного уровня, цепь второй катушки замыкается сверхпроводящим ключом с тепловым управлением. Тока во второй катушке при этом нет, т.к. катушка замкнута после того, как процесс нарастания потока в первой катушке окончен. После запитки поток сохраняет постоянное значение, если нет никаких отклонений от нормальной работы сверхпроводящей катушки. Когда в первой катушке происходит какое-либо изменение величины тока, то из условия постоянства потокосцепления ток во второй катушке меняется. При этом величина потока стремится остаться неизменной.

Недостатком данной системы является относительно низкая надежность работы системы, обусловленная возможностью перехода в нормальное - резистивное состояние второй катушки, если наведенный магнитным полем первой катушки ток в ней превысит критическое значение.

Известна сверхпроводящая магнитная система (В.Б. Зенкевич, В.В. Сычев. Магнитные системы на сверхпроводниках. М.: Наука. 1972. С. 217), выбранная в качестве прототипа. Прототип представляет собой соленоид, состоящий из четырех одинаковых по форме и геометрическим размерам секций. Соленоид помещен в криостат. Секция выполнена в виде катушки со сверхпроводящей обмоткой из сверхпроводящего кабеля. Секции, электроизолированные друг от друга, установлены одна над другой. В связи с «этажерочной» конструкцией соленоида коэффициент магнитной связи между катушками - К_ij, где i, j - номера катушек, зависит от размеров секций и расстояния между ними. Например, К₁₂>К ₁₃>К₁₄, т.к. секции-катушки в соленоиде расположены в последовательности, согласно их номерам.

Неодинаковость коэффициентов связи обуславливает неравномерность нагружения секций, находящихся в сверхпроводящем состоянии, когда одна из них переходит в нормальное состояние. Наиболее нагруженные секции могут также перейти в нормальное состояние, и процесс приобретает лавинообразный характер, в конечном результате, весь соленоид перейдет в нормальное состояние.

Недостатком данной системы является низкая надежность, т.к. коэффициент связи в таких системах много меньше единицы, поэтому стабильность их магнитного поля невысока.

Перед авторами стояла задача повышения надежности работы сверхпроводящей магнитной системы за счет свойства постоянства потокосцепления короткозамкнутого сверхпроводящего контура.

Технический результат достигается тем, что в сверхпроводящей магнитной системе, содержащей сверхпроводящую обмотку, состоящую из электроизолированных друг от друга сверхпроводящих секций, снабженных сверхпроводящими ключами, и помещенную в криостат, причем каждая сверхпроводящая секция выполнена из отдельного сверхпроводящего транспонированного провода, подключенного к своему источнику питания.

Заявляемая сверхпроводящая магнитная система показана на чертеже.

Сверхпроводящая магнитная система содержит сверхпроводящую обмотку, состоящую из сверхпроводящих секций. Каждая секция 1 выполнена из отдельного транспонированного сверхпроводящего провода. Секции 1 электрически изолированы друг от друга и подключены через сверхпроводящие ключи (СПК) 2 к источникам питания 3. Вся система помещена в криостат 4, условно показанный пунктирной линией, и заполненный криоагентом, например, жидким гелием или азотом.

Работа сверхпроводящей магнитной системы осуществляется следующим образом. В начале процесса эксплуатации все секции 1 сверхпроводящей системы одновременно запитываются от внешних источников питания 3 до номинальной величины. При соответствующей коммутации наружных выводов возможно использование одного источника питания 3. Номинальная величина тока в секциях 1 выбирается из тех условий, чтобы переход одной или нескольких секций 1 не привел к переходу в нормальное состояние остальные секции 1. Затем все секции 1 переводятся в режим «замороженного» потока с помощью СПК 2.

Стабилизация величины магнитного поля достигается за счет индуктивной связи между секциями 1. При изменении величины тока в одной или нескольких секций 1 под действием внешних факторов или вследствие скачков магнитного потока, по условию постоянства потокосцепления, ток в остальных секциях 1 меняется таким образом, чтобы величина потока осталась без изменений. Стабильность поля, созданного сверхпроводящей магнитной системой, велика, т.к. каждая секция 1 выполняет функции стабилизации этого поля. При увеличении количества секций 1 стабильность магнитного поля и надежность работы возрастает.

Таким образом, как это показано выше, технико-экономические преимущества заявляемой системы, по сравнению с прототипом и уровнем техники в данной области, заключаются в равномерности загрузки дополнительным током секций 1, находящихся в сверхпроводящем состоянии при выходе одной или нескольких секций 1 в нормальное состояние, т.е. в повышенной надежности работы системы. Транспонирование секций 1 обуславливает коэффициент магнитной связи между секциями 1 близкий к единице, что приводит к более высокой стабильности создаваемого магнитного поля.

Индуктивная связь всех секций 1 при коэффициенте магнитной связи, близком к единице, позволяет не только сохранять постоянное потокосцепление всей системы, но и локализует нормальную фазу в аварийной секции 1, повышая надежность в целом всей сверхпроводящей магнитной системы.

Отмеченное было экспериментально подтверждено заявляемой полезной моделью. Как показали эксперименты на сверхпроводящей магнитной системе, состоящей из девяти транспонированных секций 1, при переходе любой из девяти секций 1 в нормальное состояние, увеличение тока в остальных секциях 1 происходит практически на одинаковую величину, что видно из таблицы. В таблице использованы обозначения: СПК - сверхпроводящий ключ; «с» - сверхпроводящее состояние СПК; «н» - нормальное состояние СПК; I _сi, - значение тока в «i»-ой секции, где i=1, 2, 3, , 9 - номер секции.

Таблица

Сверхпроводящая магнитная система, содержащая сверхпроводящую обмотку, состоящую из электроизолированных друг от друга сверхпроводящих секций, снабженных сверхпроводящими ключами, и помещенную в криостат, отличающаяся тем, что каждая сверхпроводящая секция выполнена из отдельного сверхпроводящего транспонированного провода, подключенного к своему источнику питания.

РИСУНКИ