ПРИЖИМНОЕ УСТРОЙСТВО НАМОТОЧНОГО СТАНКА ДЛЯ НАМОТКИ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ОБМОТОК

Область техники
Полезная модель относится к технологическому оборудованию и может быть применена в процессе изготовления селеноидов или других сверхпроводниковых обмоток для магнитных систем, для научных исследований, в ускорительной технике, накопителях энергии т.д.
Уровень техники
Главной проблемой при изготовлении обмотки, в том числе и сверхпроводниковой обмотки, является обеспечение плотности ее намотки. В настоящее время основным технологическим фактором, определяющим качество и параметры намотанных изделий, является натяжение провода в процессе намотки. От натяжения провода зависит коэффициент заполнения обмотки, габариты катушки и электромагнитные характеристики. Для удобства работы на производствах обмоток из меди пользуются таблицами, в которых даны допустимые натяжения для проводов разных диаметров [1].
Для сверхпроводниковой магнитной системы коэффициент заполнения является еще более важным критерием, определяющим ее работоспособность. Сверхпроводниковая магнитная система в рабочем состоянии находится при криогенной температуре. После охлаждения система запитывается электрическим током. Витки сверхпроводящей обмотки той или иной магнитной системы в процессе ввода электрического тока испытывают действие пондеромоторных сил, которые создают высокие механические напряжения. Эти усилия могут вызывать микроперемещения витков в толще обмотки и приводить к локальным тепловыделениям за счет деформации витков и трения между ними. Тепловыделения, в свою очередь, вызывают нагрев витков и переход обмотки из сверхпроводящего в нормальное состояние. Чем ниже коэффициент заполнения обмотки, тем выше ее «рыхлость», тем выше возможность возникновения числа и величины микро-перемещений витков, тем выше вероятность перехода обмотки в нормальное состояние.
Преждевременные переходы обмотки из сверхпроводящего в нормальное состояние не позволяют магнитной системе достичь показателей тока короткого образца и, кроме того, могут повлечь за собой разрушение обмотки при ненадлежащей системе защиты.
Существенным недостатком существующего решения является следующее.
Традиционно, кроме поддержания определенной величины натяга провода в процессе намотки для достижения сверхпроводниковой обмоткой величины тока, близкой к критическим показателям короткого образца, применяют так называемую «тренировку». Этим термином называют постепенное повышение предельного тока в обмотке путем многократных контролируемых переводов ее в нормальное состояние. После каждого такого контролируемого перехода обмотка механически уплотняется, что позволяет в следующем цикле ввести больший транспортный ток. Однако, каждый шаг тренировки сопровождается испарением большого количества дорогостоящего хладагента и, как следствие, ростом расходов на ввод каждой сверхпроводниковой магнитной системы в эксплуатацию. Кроме того, нет гарантий, что «тренировка» позволит достичь критического тока короткого образца [2].
Известен также способ изготовления рейстрековой обмотки из токопроводящей ленты, заключающийся в намотке на оправку токопроводящей ленты в приспособлении, обеспечивающем поджим каждого витка планками на прямолинейной части. В процессе намотки попеременно то одна, то другая прямолинейная часть витка прижата съемной планкой. [3]
Недостатком данного изобретения является трудоемкость способа и ограниченность его применения только для рейстрековых обмоток.
Деградация сверхпроводящей обмотки особенно проявляется при создании обмоток больших размеров. В монографии М. Уилсона [4] отмечается: «Существует мнение, основанное на практическом опыте, согласно которому сверхпроводящие магниты больших размеров подвержены деградации и нуждаются в тренировке в большей мере, чем магниты малых размеров. Причины этого так называемого размерного эффекта не вполне ясны».
Однако здесь нужно отметить, что при переходе от изготовления обмотки малого размера, имеющей один диаметр намотки, проводом определенного сечения к намотке изделия с другим увеличенным диаметром, но проводом того же сечения при сохранении той же силы натяжения провода (которая ограничена прочностными характеристиками), сила прижатия провода к слоям обмотки уменьшается, что влечет за собой уменьшение плотности намотки катушки (уменьшается коэффициент заполнения катушки). Это и является причиной, так называемого размерного эффекта.
В качестве примера рассмотрим намотку катушки проводом квадратного сечения со стороной d.
Сила натяжения провода равна:
2
Fн=sS=sd
где:
s - механическое напряжение;
S - площадь сечения провода;
d - сторона провода квадратного сечения.
Сила натяжения провода оказывает на поверхность катушки усилие прижатия равное:
Fп=rRd.
Где r - среднее давление, которое оказывает провод на поверхность катушки;
R - радиус катушки на который наматывается провод.
Из равенства этих сил (силы натяжения провода и силы давления провода на поверхность катушки) получаем:
2
r=sd/Rd=sd/R
Таким образом, как видно из данного выражения, если пытаться сохранить среднее давление провода на поверхность обмотки и механическое напряжение в проводе прежними, то при увеличении радиуса R, например, вдвое, необходимо увеличить и размер провода d также вдвое, что даст увеличение площади поперечного сечение провода вчетверо.
То же самое можно наблюдать и при проводе круглого сечения. Для прямоугольного провода необходимо будет при увеличении радиуса обмотки линейно увеличивать не ту сторону сечения проводника, на которую он укладывается, а другую - по высоте витка.
В практике проектирования и намотки сверхпроводниковых изделий этому приему, а именно: выбору сверхпроводника большего сечения при увеличении размеров обмотки, дан термин «масштабный фактор».
Однако увеличение сечения сверхпроводящего провода при проектировании и изготовлении магнитных систем влечет за собой такое же увеличение тока. Увеличение тока влечет увеличение омических потерь в квадрат раз, что особенно нежелательно для токовводов сверхпроводниковых магнитных систем, потери в которых увеличивают теплопритоки в криостат. Кроме того, могут потребоваться источники тока на десятки тысяч ампер.
Сила натяжения провода при намотке ограничивается его механическими характеристиками. Даже те допустимые натяжения для медных проводов, указанные в производственных таблицах [1], дают механические напряжения 105 МПа, что превышает предел текучести для отожженной меди.
Раскрытие полезной модели
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является преодоление преждевременного перехода сверхпроводниковой обмотки в нормальное состояние и получение сверхпроводниковых обмоток с высокими критическими параметрами, а именно: достижение в них токов короткого образца.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность изготовления сверхпроводниковых обмоток больших размеров проводом небольшого сечения с высоким коэффициентом заполнения и снижением в рабочем режиме вероятности возникновения микро-перемещений витков, приводящих к локальным тепловыделениям и переходу обмотки в нормальное состояние. Для этого намоточный станок для намотки сверхпроводящих обмоток предлагается дополнить устройством прижатия витков.
Указанный технический результат достигается тем, что намоточный станок для намотки сверхпроводниковых обмоток снабжен прижимным устройством, состоящим из гибкого полоза, закрепленного на скобе, установленной через шарнирную головку на рычаге, содержащем поджимающую пружину.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:
прижимное устройство в дополнение к силе натяжения укладываемого витка создает дополнительную силу прижатия витков друг к другу, что обеспечивает высокую плотность прилегания витков и высокий коэффициент заполнения.
Прижатие наматываемых витков является в данном случае важным фактором, определяющим коэффициент заполнения обмотки проводом. Полоз позволяет не только прижимать каждый наматываемый виток, но и подтягивать его. При этом сила натяжения провода в обеспечении плотности намотки может играть лишь второстепенную роль.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 схематично показан намоточный станок с прижимным устройством, где цифрами обозначены:
1 - каркас,
2 - сверхпроводящая обмотка,
3 - вал,
4 - скоба,
5 - гибкий полоз,
6 - упругий элемент,
7 - шарнирная головка,
8 - рычаг,
9 - пружина,
10 - сверхпроводник.
Осуществление и примеры реализации
Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения.
Заявляемое устройство по фигуре включает в себя каркас 1 сверхпроводящей обмотки 2 установленный на валу 3 намоточного станка. Устройство содержит скобу 4 с прикрепленным к ней гибким полозом 5, прижатым к обмотке 2 упругим элементом 6. Скоба закреплена на рычаге 7 с шарнирной головкой 8 и поджата пружиной 9 к обмотке.
Каркас 1 обмотки 2 стандартно устанавливается на валу 3.
1
2
Металлическая скоба 4 имеет форму дуги или буквы П, к краям которой жестко крепится гибкий полоз 5. Полоз 5 прилегает к обмотке 2 на дуге, занимающей одну шестую (60°) центрального угла. Полоз 5 выполнен из гибкого листового этиленвинилацетата (ЭВА) толщиной 3 мм и крепится к краям скобы 4 винтами саморезами (не показаны). Упругий элемент 6 располагается во внутренней полости скобы 4 и крепится к ней с помощью клея. Упругий элемент 6 изготовлен из листовой пористой силиконовой резины с закрытыми порами толщиной 10 мм. Скоба 4 на своей внешней стороне, по центру содержит шарнирную головку 7, к которой крепится рычаг 8, поджимающий при помощи пружины 9 скобу 4 с полозом 5 к обмотке 2. Отношение плеча рычага L к плечу L для реализации работы устройства должно быть равно по меньшей мере восьми. Сила действия пружины 9 регулируется поджимающим болтом (болт не показан). Сверхпроводник 10 поступает на намотку от отдающей катушки, снабженной натяжным устройством (не показано).
Так как в процессе намотки радиус наматываемых слоев увеличивается, то для надежного прилегания полоза 5 к наматываемым виткам обмотки 2, между скобой 4 и полозом 5 может быть установлен упругий элемент 6, который будет отслеживать радиус намотки поддавливая полоз 5 к обмотке 2. По этой же причине полоз должен прилегать к обмотке на дуге размером от 1/15 до 1/6 от длины витка обмотки.
Полоз 5 может быть выполнен из этиленвинилацетата, капролона, полиуретана или другого материала. В случае использования для полоза 5 материала сочетающего одновременно гибкость, упругость и износостойкость, например, этиленвинилацетата упругий элемент в устройстве может отсутствовать.
Упругим элементом 6, установленным между полозом 5 и скобой 4, может служить, например, слой пористой резины или набор пружин.
1
Процесс намотки проводится следующим образом. Сверхпроводник 10 подается от отдающей катушки к наматываемому изделию и крепится на каркасе 1. Сила натяжения сверхпроводника устанавливается исходя из сечения сверхпроводника, его механической прочности и прочности изоляции. На цилиндрическую поверхность каркаса накладывается скоба 4 с гибким полозом 5. Сила прижатия полоза к наматываемому проводу регулируется пружиной 9 либо винтовым поджимом, либо перемещением пружины вдоль плеча L рычага 8. В ходе намотки количество слоев обмотки увеличивается, увеличивается и радиус внешнего слоя обмотки, что отслеживается гибкостью полоза 5, поджимаемого упругим элементом 6.
Прижатие наматываемых витков является в данном случае главным фактором, определяющим коэффициент заполнения обмотки проводом. Полоз 5 позволяет не только прижимать каждый наматываемый виток, но и подтягивать его. При этом сила натяжения провода в обеспечении плотности намотки может играть лишь второстепенную роль.
Пример осуществления
2
В качестве конкретного примера рассмотрим сверхпроводящий магнит NbTi изготовленный для сверхпроводящего накопителя магнитной энергии [5]. Сверхпроводящий магнит имеет внутренний диаметр 480 мм, наружный диаметр 550 мм. Намотан из провода диаметром 1,3 мм с напряжением растяжения 65 Н/мм. Сила натяжения сверхпроводника Fн составляла при этом 86 Н. Максимальный достигнутый ток в обмотке составил примерно половину возможного, что авторы объяснили так: «Поскольку магнит SMES намотан тонким круглым сверхпроводником на каркас относительно большого отверстия, нестабильность возникает в результате движения проводника и других точечных возмущений». А как раз «движения проводника» в магните и обусловлено «рыхлостью» намотки.
В данном случае среднее давление провода на поверхность обмотки составляло в процессе намотки
1
2
Р=Fн/S=Fн/Rd=86/250⋅1,3=0,26 Н/мм,
где:
1
S - усредненная площадь прилегания витка к обмотке;
R - средний радиус витка;
d - диаметр провода.
Если же в процессе намотки был бы использован прижим каждого витка полозом длиной 100 мм с силой прижима Fпр, например, 200 Н, то получили бы усредненное давление провода на поверхность обмотки
2
2
2
Р=Fпр/S=200/100⋅1,3=1,5 Н/мм,
2
где: S - площадь прижатия витка прижимом.
Таким образом, в описанном примере можно было бы создать более плотную намотку и ожидать достижения больших токов в магните.
Использование полезной модели позволит изготавливать сверхпроводниковые обмотки больших размеров проводом небольшого сечения с высоким коэффициентом заполнения и исключением в рабочем режиме возможных микро-перемещений витков, приводящих к локальным тепловыделениям.
В результате этого можно будет, во-первых, сократить число шагов тренировки, необходимых для вывода каждого соленоида на ток короткого образца, а возможно и полностью ее (тренировку) исключить, во-вторых, запитывать сверхпроводниковую обмотку больших размеров небольшим током (100 - 200 А), а также снизить теплопритоки в криогенную зону магнитной системы и использовать маломощные источники тока. Кроме того, при эксплуатации сверхпроводниковой магнитной системы со сверхпроводящим ключом в «замороженном режиме» использование токов невысокой величины обеспечивают работе системы более высокую стабильность.
ЛИТЕРАТУРНЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. В.П. Ларин. Технология намотки в приборо- и электроаппаратостроении. Учеб. Пособие /СПбГУАП., СПб., 2003., с. 20.
2. Тренировка и деградация модельной сверхпроводящей обмотки в зависимости от условий охлаждения / В.Е. Кейлин, И.А. Ковалев, С.Л. Круглов. - М.: ИАЭ, 1981. - с. 4
3. Патент РФ №2632474, от 24.03.2016
4. М. Уилсон, Сверхпроводящие магниты, Москва, «МИР», 1985, с. 109
5. Development of Large-Bore Superconducting Magnet With Zero-Vapor Liquid Helium, Qiuliang Wang, Yinming Dai,. IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 18, NO. 2, JUNE 2008, p. 787.