МАГНИТНЫЙ ПОДВЕС НА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ

Предполагаемое изобретение относится к области бесконтактных магнитных подшипников на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП). Технический результат заключается в создании улучшенной конфигурации магнитных полей и улучшения эксплуатационных характеристик устройства.
Известно устройство (Anup Patel, Ryszard Pałka, Bartłomiej A. Głowacki New bulk - bulk superconducting bearing concept using additional permanent magnets // PRZEGLAD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 6/2012), в котором ротор и статор выполнены из высокотемпературных сверхпроводников. Блок статора с ВТСП-элементами, расположен рядом с активирующей резистивной катушкой. После захолаживания этого блока и перехода его в сверхпроводящее состояние, катушка, соединенная с батареей конденсаторов, генерирует импульсное магнитное поле. Это поле, величина которого превышает критические поля сверхпроводника, проникает в ВТСП-элементы статора и захватывается им. Этим методом возможно получение больших магнитных полей (до 17 Тл).
После импульса ВТСП-блок статора является источником сильного магнитного поля. В устройстве-прототипе эта катушка перемещается в окрестность другой катушки и после ее захолаживания, их относительное перемещение может происходит, как и в классических ВТСП-подшипниках, только после приложения силы.
Недостатком этой схемы, применительно к магнитному подшипнику, является необходимость механического перемещения ВТСП-элементов, которые захолаживаются в начале, к другому ВТСП-блоку. Кроме того, используемая конфигурация магнитных полей не является оптимальной с точки зрения удельных характеристик.
В связи с имеющимися недостатками прототипа технической задачей полезной модели является обеспечение наиболее оптимальных эксплуатационных характеристик и удельных показателей магнитной системы.
Технический эффект, возникающий при реализации поставленной технической задачи, состоит в обеспечении эффективного влияния элементов активирующей системы (в соответствии с процедурой активации ВТСП-элементов) и обеспечении классически оптимальных конфигураций магнитных полей и достигается тем, что магнитный подвес согласно полезной модели содержит сверхпроводящие диски статора и катушку возбуждения, расположенные в общем корпусе, а также тем, что ВТСП-диск статора, ротора и активирующая катушка расположены в общей вакуумной камере с магнитным приводом. Кроме того, для создания наиболее оптимального магнитного поля активирующая катушка может быть выполнена из двух симметричных частей, разделенных изоляцией и электрически соединенных по внутренним виткам.
На рисунке представлена конфигурация магнитной системы ВТСП подвеса.
Устройство состоит из двух сверхпроводящих кольцевых дисков с ВТСП-элементами и активирующей катушки, расположенной на одной оси. При этом активирующая катушка 1 и (фиг. 1) ВТСП-диск статора 2 расположены рядом, а ВТСП-диск ротора 3 рядом с ВТСП-диском статора. ВТСП-диск статора и активирующая катушка расположены в общем корпусе 4 статора.
Активирующая катушка спирального типа выполнена с выступами на боковой поверхности, которые сформированы за счет того, что ширина ленты в этих выступах шире, чем лента в остальной части катушки. Известно, что такая катушка создает меняющееся по радиусу и в осевом направлении магнитное поле, но которое остается неизменным к азимуту и не препятствует вращению дисков.
Схема подвода и отвода токов может быть различной, не вносящей неоднородности в азимутимном направлении. Таким свойством обладает, например, дисковые токоотводы от внутренней части катушки.
Наиболее оптимальным является выполнение катушки из двух симметричных катушек, разделенных электрической изоляцией и электрическим соединением по внутренним виткам. За счет дисковой топологии системы индуктивность катушки также уменьшается по сравнению с цилиндрической топологией прототипа.
-4
-4
ВТСП-диск статора и активирующая катушка расположены рядом в корпусе статора. При этом область магнитного поля активирующей катушки распространяет как на ВТСП-статора, так и на ВТСП-элементы ротора. Подвод тока к активирующей катушке осуществляется через герметичные электроизолированные вводы, а сама внутренняя полость откачивается до давления 3·10…10 торр с тем, что обеспечить условия для функционирования экранно-вакуумной изоляции.
Захолаживание ВТСП-блока статора осуществляется прокачкой жидкого азота через каналы в ВТСП-блоке или любым другим способом. При этом охлаждается и катушка, что уменьшает ее активное сопротивление и позволяет пропустить через нее большие токи.
ВТСП-диск ротора расположен рядом с ВТСП-диском статора с зазором, достаточным для бесконтактного вращения ротора. Ротор снабжен собственной системой охлаждения и теплоизоляцией во вращающемся вместе с ним криостате.
Возможно расположение ВТСП-блоков и активирующей катушки в общем вакуумном корпусе. В этом случае предусмотрен ввод вращения в вакуумный корпус (магнитный привод). В этом случае отсутствуют аэродинамические потери от вращения диска ротора.
Устройство работает следующим образом. Первым захолаживается ВТСП-диск статора 1. После достижения в нем необходимых температур в активирующую катушку 3 вводится импульс тока, генерирующий импульсное магнитное поле. Оно при его значении больших критических величин проникает в сверхпроводящий материал диска 1. После отвода тепла, выделяющемся в материале из-за движения силовых линий магнитного поля, магнитное поле «захватывается» в сверхпроводнике и остается даже после прекращения действия поля активирующей катушки.
Поскольку ВТСП-диск ротора 2 также оказывается в зоне действия поля, то после ее захолаживания оба ВТСП-диска оказываются связаны общим полем и их относительное перемещение возможно только при воздействии механических сил.
Предлагаемая форма активирующей катушки обеспечивает конфигурацию магнитного поля, которая обеспечивается магнитными кольцами со встречным намагничиванием. На этой конфигурации, как известно, получены наиболее впечатляющие результаты в области магнитных подшипников.
После проведения цикла захолаживания ВТСП-диск ротора может свободно вращаться и относительное положение ВТСП-дисков, сложившихся при захолаживании, остается стабильным и обеспечивает бесконтактное вращение.
Необходимо заметить, что случается уменьшение величины захваченного поля из-за явления крипа, первоначальные значения поля могут быть восстановлены повторением режима активации.