УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕМНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ И ЭЛЕМЕНТОВ БЕСКОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Предлагаемое техническое решение относится к области бесконтактных магнитных подвесов вращающихся вертикальных валов на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), в том числе для кинетических накопителей энергии (КНЭ). Технический результат заключается в увеличении точности и информативности измерений, что позволяет проводить отбор наиболее качественных ВТСП элементов и постоянных магнитов для использования в составе магнитного подвеса определенной топологии.
Наиболее близким аналогом (прототипом) технического решения является установка для исследований левитационных характеристик ВТСП элементов (М.А. Сысоев, О.Л. Полущенко «Монодоменные YBCO высокотемпературные сверхпроводники и устройства на их основе» Инженерный вестник, №1, январь 2014 г., ISSN 2307-0595). Оно содержит кювету с жидким азотом, в которой расположен исследуемый ВТСП элемент и перемещающейся постоянный магнит. Кювета с ВТСП образцом через теплоизоляцию устанавливается на измерительное устройство в виде электронных весов, которые регистрируют нагрузку в зависимости от положения постоянного магнита. В результате эти зависимости фиксируются и при сравнении между собой дают представление о качестве исследуемых ВТСП элементов. Полученные данные в последствии могут быть использованы для отбраковки ВТСП элементов, не соответствующих установленным требованиям.
Недостатками прототипа являются: недостаточно полное воспроизведение конфигурации магнитного поля, относительное оси ориентации ВТСП элементов по сравнению с реальными условиями работы; невозможность исследования неоднородности магнитного поля и его влияния на характеристики пары, состоящей из ВТСП элемента постоянного магнита; невозможность исследования неоднородности свойств ВТСП элементов и их влияния на характеристики пары ВТСП элемент и постоянный магнит; большие потери жидкого азота на захолаживание ВТСП элемента в кювете и поддержание его температуры во время исследования.
Указанные недостатки прототипа определяют низкую точность и информативность измерений.
Технической задачей является увеличение точности и информативности измерений.
Технический эффект, возникающий при реализации поставленной технической задачи, состоит в обеспечении возможности проводить отбор наиболее качественных ВТСП элементов и постоянных магнитов для использования в составе магнитного подвеса определенной топологии и достигается тем, что известная установка для исследований левитационных характеристик ВТСП элементов, содержащая кювету с жидким азотом, постоянный магнит, теплоизоляцию и измерительное устройство в виде датчика силы, согласно полезной модели дополнительно содержит статор, в котором расположена кювета, выполненная из двух соосно расположенных цилиндрических трубок, последовательно расположенные ротор и нагрузочные кольца, установленные на нем, арретиры, кольцевые проставки, на одном из нагрузочных колец, измерительные устройства, выполненные в виде датчиков перемещения.
На чертеже представлен общий вид устройства для исследования характеристик объемных высокотемпературных сверхпроводников и элементов бесконтактных подвесов на их основе, выполненного для подвеса с внутренним расположением статора.
Устройство содержит статор 1, выполненный в виде двух цилиндрических трубок наружной 2 и внутренней 3, образующих кювету 4. К наружной поверхности статора 1 приклеены исследуемые ВТСП элементы 5, выполненные в виде колец. Статор 1 установлен внутри ротора 6, выполненного в виде диска с площадкой для установки нагрузочных колец 7 и измерительного устройства 8 в виде датчиков перемещения. Внутри ротора 6 располагаются постоянные магниты 9, имеющие кольцевую форму. Для фиксации относительного положения ротора 6 и статора 1 в конструкции предусмотрены разъемные арретиры 10 и кольцевые проставки 11 с толщиной, соответствующей расстоянию между ротором 6 и статором 1. Наружная 2 и внутренняя 3 цилиндрические трубки соединяются между собой чуть выше края охлаждаемого участка с ВТСП элементами 5. Зазор между цилиндрическими трубками 2, 3 может быть заполнен теплоизоляцией 12, что уменьшит теплопритоки к жидкому азоту и, соответственно, уменьшит его расход за время проведения эксперимента по сравнению с прототипом. Измерительные устройства 8 располагаются равномерно под углом 120° на одинаковом расстоянии от края ротора 6 и могут быть выполнены на основе пружин, установленных с одинаковым усилием, или на основе отражателей лазерного излучения, что дает возможность фиксировать неравномерность перемещения ротора 6 в контрольных сечениях.
После предварительного захолаживания статора 1 за счет прямого заполнения кюветы 4 жидким азотом извлекают сначала кольцевые проставки 11 и, далее, арретиры 10 и при этом фиксируется перемещение ротора 6 по трем сечениям, где установлен измерительные устройства 8. Усреднение трех измерений дает возможность получить среднее перемещение ротора 6 под его весом. Аналогичные процедуры осуществляются при нагружении ротора 6 нагрузочными кольцами 7 с фиксированным весом. Такие же процедуры могут быть реализованы при разгрузке ротора 6 за счет извлечения нагрузочных колец 7 и при реализации режима ползучести при постоянной нагрузке в течение конечного отрезка времени («крип»).
Устройство позволяет фиксировать и конкретную траекторию перемещения ротора 6 под собственным весом и дополнительной нагрузкой. Отличие от эквидистантного перемещения ротора 6 возможно из-за неоднородности свойств ВТСП элемента 5 или неоднородности магнитного поля постоянного магнита 9, что и определяет разные перемещения в сечениях.
Для оценки неоднородности свойств ВТСП элемента 5 предварительно обеспечивают однородность магнитного постоянного магнита 9. Оно может быть достигнуто за счет установки кольцевых прокладок из магнитомягкого материала или применением электромагнитов. Однородность магнитного поля может быть подтверждена измерениями поля датчиками Холла. При наличии магнитов с однородным полем может быть определена неоднородность свойств ВТСП элемента 5, как это упоминалось выше. Серия таких исследований и их математическая обработка может дать представление о распределении свойств ВТСП элемента 5по объему.
При наличии ВТСП элемента 5 с равномерными по объему свойствами, который может быть отобран в результате таких исследований, возможна оценка неравномерности магнитного поля. Она, как и в предыдущем случае может быть определена по величине перемещения в контрольных сечениях ротора 6.
Преимуществами данного технического решения является то, что оно позволяет формировать конфигурацию пары, состоящей из ВТСП элемента и постоянного магнита, близкой к рабочим условиям, обеспечивать неограниченное перемещение ротора под действием нагрузок даже в условиях неоднородности свойств материалов по объему и полей по пространству, измерять перемещения ротора при таких условиях, определять неоднородность свойств ВТСП элементов по азимуту и высоте, определять неоднородность магнитного поля и его градиента по азимуту и высоте, определять экспериментально обоснованные характеристики бесконтактного подвеса на основе объемных ВТСП по результатам этих исследований, выявить ВТСП элементы и постоянные магниты, не обладающие необходимой однородностью по объему и в пространстве, а также уменьшить расход жидкого азота при проведении эксперимента.
Изготовленное в соответствии с данным техническим решением устройство обеспечивало захолаживание ВТСП элементов 5 при расходе около 0,5 кг жидкого азота за 15-20 мин. и поддержание сверхпроводящего состояние наполнением кюветы 4 жидким азотом с расходом около 1,0 кг/час. Устройство обеспечивало регистрацию перемещения до 5 мм при общей нагрузке около 7,5 кг.
Полученные экспериментальные результаты по данному перемещению, при нагрузке моментом за счет установки грузов на край диска ротора 6 совпали с результатами предварительных расчетов, что обеспечило расчетное прогнозирование жесткости натурного ВТСП-подвеса.