CC BY
0УДК 538.945 Краткое сообщение
Питание сверхпроводящих систем динамическим вращением трехфазного поля
Е. П. Красноперое1'*
1 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», пл. Академика Курчатова, 1, 123182 Москва, Россия * e-mail: Krasnoperov_EP@nrcki.ru
В данной работе описано устройство для питания сверхпроводящих систем путем накачки магнитного потока. Накачка осуществляется динамическим вращением поля 3-х фазной сети в статоре двигателя, имеющем три пары катушек.
Ключевые слова: магнитный поток; накачка; вращающееся поле. DOI: 10.62539/2949-5644-2024-0-1-29-33 1. Введение
Подвод тока к сверхпроводящим магнитным системам (СМС) обычно осуществляют с помощью токовводов, изготавливаемых из меди и латуни. Поскольку сверхпроводящие устройства работают при низких температурах (4-70 К), и практически не выделяют тепла, то основные энергетические потери возникают как за счет теплопроводности токовводов, так и за счет тепла, выделяемого в них при протекании тока. Радикальное снижение энергетических потерь достигается с помощью индуктивных методов питания, которые характеризуются отсутствием проводов для прямой передачи тока. Главным преимуществом индуктивных методов является отсутствие электрической связи СМС с источником питания и, следовательно, с отсутствием связанных с этим энергетических потерь.
Одним из эффективных методов питания короткозамкнутых сверхпроводящих систем является накачка магнитного потока. В работе [1] было осуществлено питание короткозамкнутого соленоида из Nb-Zr провода. Накачка потока осуществлялась вращением постоянного магнита вблизи сверхпроводящей полосы из ниобия. Для ленточных ВТСП магнитов система с монопольным магнитным ротором описана в [2]. Обзор работ по безэлектродным методам питания содержится в [3]. Основным недостатком устройств, с вращающимся ротором, являются механические элементы — ротор. Поэтому подобные конструкции проблематично использовать в жидких криагентах (гелий, водород, азот).
Насосы потока приобрели особую актуальность для СМС, изготовленных из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с неизолированной обмоткой. Особенно, при так называемом косвенном охлаждении, когда СМС система находится в вакууме, и охлаждается криокулером. В этом случае источник питания может иметь низкое напряжение, поскольку индуктивность сверхпроводящей обмотки шунтирована межвитковыми контактами меди. Насосы потока позволяют в полной мере реализовать высокую токопроводящую способность ВТСП не требующие высоковольтные источники питания.
В работе [4] предложено устройство для накачки потока с динамическим вращением магнитного поля в статоре 3-х фазного двигателя. В настоящей работе представлены результаты, демонстрирующие перспективность предложенного метода.
2. Конструкция устройства
Фотография устройства с динамическим вращением поля изображена на рис. 1. Устройство представляет собой статор с закрепленной в нем ленточной петлей из ВТСП, которая припаяна к неизолированной сверхпроводящей катушке. Вращение поля осуществляется в статоре - С шестиполюсного шагового двигателя ШД-5Д. Внутри статора располагается трехслойная петля возбуждения тока - Пв в форме рейстрека, которая припаяна к неизолированной сверхпроводящей катушке Ск. Для сверхпроводящей цепи эта катушка имеет индуктивность L= 5.9 мГн [5].
1
Рис. 1. - Устройство динамического вращения поля для накачки потока в сверхпроводящую обмотку. С - статор, Пв -петля возбуждения тока, Ск - ленточная катушка из ВТСП.
На рис. 2 (слева) изображен схематический чертеж статора. Корпус статора - 4 представляет собой толстостенный полый цилиндр из трансформаторной стали. Диаметр внутреннего отверстия статора 21 мм. Внутри цилиндра симметрично расположены три пары электромагнитов: (1-1) — обмотка магнита L1, (2-2) — обмотка магнита L2, (3-3) — обмотка магнита L3. Угол между осями магнитов 60о.
Рис. 2. - Слева - статор устройства: L1, L2, L3 - обмотки магнитов статора, 4 - корпус статора, 5 -петля возбуждения. Справа - схема подключения магнитов статора к трехфазной сети: 1, 2 и 3 - фазы внешнего источника.
На рис.2 (справа) показана схема подключения обмоток магнитов статора к трехфазной сети: L1, L2, L3 — двойные катушки статора, 1, 2 и 3 — фазы внешнего источника. Фазное напряжение составляло 5 В, частота 50 Гц. Обмотки каждой пары
магнитов включены последовательно так, чтобы при протекании тока они намагничивались в одном направлении. Обмотки магнитов присоединены через диоды по схеме «звезда». Фазы токов в катушках сдвинуты на 1200, что вызывает периодическое движение максимума поля от одного магнита к другому. Поскольку токи в обмотках текут только в одном направлении, то у трех магнитов периодически движется один полюс (северный), а у трех противоположных магнитов движется другой полюс (южный). У полюсов среднего магнита ^2 на рис. 2 слева) закреплена сверхпроводящая петля возбуждения — 5 в форме рейстрека. Она имеет 3 слоя изолированной сверхпроводящей ленты шириной 4 мм.
Движение магнитного поля поперек оси петли возбуждения вызывает небольшую постоянную составляющую напряжения <и5> на ее концах [3, 6]. Поскольку на противоположных частях магнитов всегда движутся разные полюса, напряжение на концах петли (5) удваивается для простой петли, и в 6 раз выше у примененного трехслойного рейстрека. Возникшее напряжение вызывает рост постоянного тока в сверхпроводящей катушке.
На рис. 3 представлены осциллограммы напряжения и5 на петле возбуждения (5) в статоре, и магнитного поля Н у его полюса. Благодаря тому, что обмотки магнитов подключены через диоды, токи в них (и соответственно поле Н у полюсов) представляют собой полу синусоиды, как видно из рис. 3. Амплитуда поля составляет примерно 340 Э.
Рис. 3. - Осциллограммы напряжения и5 на петле возбуждения (5) в статоре, и магнитного поля Н у его полюса.
Устройство накачки поля и неизолированная катушка из ВССП помещались в ванну с жидким азотом при Т=77 К, что обеспечивало сверхпроводимость катушки и петли возбуждения.
3. Результаты измерений и их обсуждение
Эксперимент по накачке потока представлен на рис. 4. Здесь показано изменение во времени тока в рейстрековой катушке (левая ось Y), и осевого поля у ее края (правая ось Y). На начальном участке включена динамическая накачка (3 — фазная сеть), и наблюдается рост тока. Величина максимального тока ограничивается создаваемым устройством ЭДС, и сопротивлением паяных контактов 1тах = <и5>/Р..
Рис. 4. - Изменение тока в двойной галете при накачке магнитного потока и при релаксации после остановки накачки. Правая ось - магнитное поле у края галеты.
После выключения накачки, ток снижается (релаксирует). В случае полной сверхпроводимости цепи, очевидно, что максимальный ток 1тах ограничен критическим током сверхпроводящего слоя ленты. В цепи с сопротивлением паяных контактов скорость роста тока снижается по мере увеличения тока. В начальный момент времени скорость роста тока пропорциональна вводимому за цикл потоку или усредненному эдс dI/dt = V0 ~ <Е>. Рост тока в цепи вызывает падение напряжения и на сопротивлениях спаев. Оно действует против эдс <Е> и снижает скорость накачки. Когда напряжение достигнет и = <Е>, рост тока прекращается.
4. Выводы.
Индуктивные, в том числе динамические методы открывают возможность радикально снизить электрические и тепловые потери, связанные с электрическими вводами. Описанный выше эксперимент демонстрирует эффективность динамически вращающегося 3-х фазного магнитного поля для питания сверхпроводящих систем с неизолированной обмоткой.
Литература
[1]. H. Van Beelen, et al., Phys. Let., 7, 175 (1963). DOI:10.1016/0031-9163(63)90371-8
[2]. R. Mataira., et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 30, 5204406 (2020). DOI: 10.1109/TASC.2020.2979391
[3] T. A. Coombs, J. Appl. Phys. 125, 230902 (2019). DOI: 10.1063/1.5098384
[4]. Красноперов Е П, Никонов А.А. Заявка на изобретение 3, (2022).
[5] E. Krasnoperov, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 32, 4 (2022). DOI: 10.1109/TASC.2022.3164042
[6] L. Fu, et al., Supercond. Sci. Technol., 29, 04LT01 (2016). DOI 10.1088/0953-2048/29/4/04LT01
CBepxnpoBogHMOcn: ^yHgaMeHrantHtie h npHraagHHe ucraegoBaHHA, 2024, №1
Power supply of superconducting systems by dynamic rotation of a three-phase field
E. P. Krasnoperov1'*
1 National Research Centre "Kurchatov Institute", 1, Akademika Kurchatova sq., 123182 Moscow, Russia * e-mail: Krasnoperov_EP@nrcki.ru
In this work a device for powering superconducting systems by pumping magnetic flux is presented. The pumping is carried out by dynamic rotation of the 3-phase magnetic field in the motor stator, which has three pairs of coils.
Keywords: magnetic flux; pumping; rotating field.
Prof., Dr. Evgeny Krasnoperov - Head of Laboratory of Advanced Superconducting and Magnetic Developments at National Research Centre "Kurchatov Institute".
