Сверхпроводящая обмотка

 

Изобретение относится к области криогенной электротехники, в частности к конструкции сверхпроводящей обмотки электромагнитных устройств. Сущность: сверхпроводящая обмотка содержит первичную и вторичную многослойные обмотки из сверхпроводящего проводника, витки которых расположены друг от друга на расстоянии t=d_o, где d_о - диаметр сверхпроводника, причем первые три слоя обмотки расположены друг от друга на расстояниях, равных соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводящего проводника, а последующие слои расположены на расстоянии, равном расстоянию между витками. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области криогенной электротехники, может быть использовано в сверхпроводящих трансформаторах, криотронах и т.д.

Известна сверхпроводящая многослойная обмотка силового трансформатора, содержащая цилиндрические, концентрично расположенные первичную и вторичную обмотки с каналом рассеяния между ними и ферромагнитный сердечник стержневого типа, расположенный в теплой зоне, при комнатной температуре (Wilkinson K. J.R. "Superconductive Windings in power transformers". Proc. Jngt. Electrical Eng. 1963, v.110, N12, p. 2271 2279). Обмотки функционируют в жидкогелиевой среде.

Указанная сверхпроводящая обмотка обладает существенными недостатками, т. к. в канале рассеяния между обмотками индукция магнитного поля рассеяния создается суммарными ампервитками первичной и вторичной обмоток и получается высокой. Имеет место также и сильный краевой эффект, в результате чего получается сильное искажение поля рассеяния и чрезмерное увеличение плотности тока на краях цилиндрических обмоток. Все это приводит к увеличению потерь в обмотках, уменьшению токонесущей способности и понижению КПД трансформатора.

Известна также конструкция сверхпроводящей обмотки силового трансформатора (а. с. СССР N1228708, БИ N16, 1986), содержащая первичную и вторичную обмотки, витки которых размещены по периметру вдоль поверхности двух коаксиально расположенных трубчатых изоляционных каркасов и намотаны спирально под постоянным углом наклона к образующим кольцеобразной поверхности каждого трубчатого изоляционного каркаса с одним полным оборотом вокруг его оси и расположены друг от друга по периметру поверхности каркаса на расстоянии t, определяемом из соотношения t=d_o, где d₀ диаметр сверхпроводящего проводника. Данная конструкция обмотки является однослойной. Применение в сверхпроводящей обмотке принципа расположения витков на расстоянии t друг от друга позволяет существенно снизить магнитное поле на поверхности сверхпроводника и потери в нем и тем самым значительно повысить токонесущую способность и КПД силового трансформатора.

Однако данный сверхпроводящий трансформатор имеет ограничение по мощности вследствие того, что обмотки его выполнены однослойными. Применение же многослойных обмоток по указанному выше принципу привело бы к увеличению массогабаритных показателей трансформатора и системы его криостатирования. Увеличиваются расходы хладагентов жидкого азота и жидкого гелия и электроэнергии, связанной с процессом их ожижения. Эти обстоятельства ведут к уменьшению общего КПД системы трансформатор система криообеспечения.

Предложенное техническое решение выполнения сверхпроводящей многослойной обмотки позволяет уменьшить расстояние между слоями витков СП-обмоток, что ведет к увеличению общего КПД, уменьшает массогабаритные показатели обмоток, криостата, расход жидкого гелия и азота и энергозатраты на их ожижение и функционирование. Одновременно данная конструкция позволяет увеличить также единичную мощность сверхпроводящей обмотки вследствие увеличения числа витков и связанного с этим напряжения.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что сверхпроводящая обмотка электромагнитного устройства, содержащая первичную и вторичную обмотки из сверхпроводящего проводника, витки которого расположены друг от друга на расстоянии t=d_o, где d₀- диаметр сверхпроводящего проводника, выполнена многослойной, причем первые три слоя расположены друг от друга на расстояниях, равных соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводящего проводника, а последующие слои расположены на расстоянии, равном расстоянию между витками.

На чертеже представлена схема поперечного сечения сверхпроводящей обмотки, реализующей вышеуказанные преимущества.

Сверхпроводящая обмотка 1, включающая первичную и вторичную обмотки из сверхпроводящего проводника 2, содержит три слоя.

Благодаря размещению сверхпроводящих токонесущих элементов на определенном расстоянии друг от друга, равном d_o, как в известной конструкции обмотки, сводится к минимуму влияние магнитных полей проводников друг на друга и тем самым существенно снижаются потери в сверхпроводнике. Но при выполнении обмотки многослойной с использованием этого соотношения между двумя слоями происходит увеличение ее габаритов. Размещение первых трех слоев обмотки на расстояниях, равных соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводника, позволяет устранить эти недостатки за счет того, что каждый виток слоев обмотки находится в поле собственного тока, при условии: H_общ напряженность магнитного поля обмотки, создаваемая токами всех витков обмотки; H_1в напряженность магнитного поля одного витка, создаваемая током этого витка.

Напряженность магнитного поля обмотки равна: , где I ток, протекающий по обмотке; W_общ общее число витков в сверхпроводящей обмотке; b длина сверхпроводящей обмотки.

Напряженность магнитного поля одного витка равна: Общее число витков в сверхпроводящей обмотке равно:

где W₁ число витков в каждом слое;
число слоев в обмотке.

Число витков в каждом слое равно:

t расстояние между центрами сечения проводника витка в каждом слое и равно t=d_o.

Подставляя значение t, получаем:
Число слоев в обмотке определяется из соотношения:

a ширина сечения обмотки;
t_a расстояние между слоями, шаг слоя t_a=K_ad₀,
где K_a коэффициент, учитывающий расстояния между слоями.

Подставляя значение W₁ и в уравнение (3), получаем:

откуда

Подставляя значения из уравнений (5) и (2) в наше условие (1), получаем:
,
откуда
Отношение это число слоев сверхпроводящей обмотки (W_a) при условии, что слои расположены рядом, т.е. между ними нет расстояния (исключая изоляцию).

, откуда W_a K_a.

Учитывая, что t=d_o и подставляя найденное значение K_a, определяем нужное нам расстояние t_a K_ad₀.

В результате получаем значения расстояний t_a между различными слоями, которые введены в таблицу.

Из составленной таблицы наглядно видно, что при числе слоев сверхпроводящей обмотки, не превышающем число "3", имеется эффект от размещения слоев на расстоянии, равном соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводящего проводника витков обмоток. Начиная с четвертого слоя, это преимущество теряется, т.к. значение K_a становится больше и поэтому целесообразно с этого слоя применять размещение слоев по принципу "p шага".

Применение вышеуказанного способа размещения слоев в многослойной сверхпроводящей обмотке позволит расширить возможности использования сверхпроводящих электромагнитных устройств и систем.

Формула изобретения

Сверхпроводящая обмотка электромагнитного устройства, содержащая первичную и вторичную обмотки из сверхпроводящего провода, витки которого расположены друг от друга на расстоянии t = d_o, где d₀ диаметр сверхпроводящего проводника, отличающаяся тем, что обмотки выполнены многослойными, причем первые три слоя расположены друг от друга на расстояниях, равных соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводящего проводника, а последующие слои расположены на расстоянии, равном расстоянию между витками.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2