УСТРОЙСТВО МАГНИТНОЙ КАТУШКИ ИЗ ВТСП 2 ЛЕНТЫ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к устройствам магнитных катушек, изготовленных из ВТСП 2 ленты, предназначенных для создания магнитных систем с левитирующими катушками, для обмоток сверхпроводниковых электрических машин, для создания магнитов, для ЯМР томографов, а также для накопителей энергии. Основное преимущество таких катушек состоит в том, что   они работают при температуре жидкого азота.
Из уровня техники известна конструкция магнитных катушек из ВТСП 2 ленты [патент RU 2664716 C1, опубл. 2018.08.22], содержащая несколько магнитных катушек одинаковых размеров, из которых составлена обмотка сверхпроводящей электрической машины. В катушках возбуждается ток. Такое устройство невозможно использовать в системах с левитирующими магнитными катушками.
Известно устройство магнитной катушки [J.H.Schultz, G. Driscoll, D. Garnier and al. High Temperature Supercondacting Levitation Coil for the Levitated Dipole Experiment (LDX)// IEEE TRANSACTION ON SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 11.NO. 1. MARCH 2001. P 2004 - 2009.], содержащее коротко замкнутую магнитную катушку из ВТСП повода, намотанную способом в две галеты. Основной недостаток такой катушки состоит в том, что катушка намотана из ВТСП провода из NbТi , который становится сверхпроводящим при температуре ниже 20°К и для ее работы нужна система охлаждения на основе жидкого гелия.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство короткозамкнутой магнитной катушки [М.В. Козинцева, А.М. Бишаев, А.А. Буш, М.Б. Гавриков, К.Е. Каменцев, Н.А. Нижельский, В.В. Савельев.  А.С. Сигов // ЖТФ. 2017. Т. 87. Вып. 6. С. 875-880], содержащее катушку, изготовленную из высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП 2) ленты, намотанной в две галеты, концы ленты коротко соединены на внешнем диаметре катушки с помощью спая, соленоид с источником питания для возбуждения тока в катушке и корыто из пластика с жидким азотом для размещения в нем катушки после возбуждения в ней тока. Такие катушки были использованы при проведении экспериментов с левитирующей катушкой из ВТСП-2 ленты [A.M. Bishaev et al., “Levitating states of superconducting rings in the field of a fixed ring with constant current,” Tech. Physics, vol. 59, no. 6, pp. 940-943, Jun. 2014] при температуре жидкого азота.  Эксперименты показали, что катушки такой конструкции могут использоваться в магнитных системах с левитирующими катушкам. Вместе с тем эксперименты позволили определить ряд недостатков такого устройства. При создании магнитных систем с левитирующими катушками всегда предварительно делается расчет устойчивого положения левитирующей катушки в системе. Такие расчеты показывают, что катушка может устойчиво левитировать только при возбуждении в ней магнитного потока в некотором определенном интервале значений. Максимальное значение захваченного катушкой магнитного потока зависит от критического тока, величина которого для данной катушки остается неизменной. Поэтому, если в изготовленной магнитной катушке магнитный поток не соответствует расчетному значению, то использовать такую катушку в магнитной системе невозможно. Следующий недостаток состоит в том, что профиль магнитного поля в катушке (распределение величины магнитного поля по диаметру) остается неизменным при любых значениях возбужденного в них тока, что затрудняет их использование в некоторых магнитных системах. Последний недостаток состоит в том, что в экспериментах наблюдалось отклонение оси магнитного поля, создаваемого катушкой от оси катушки, что сильно затрудняло вывод катушки в устойчивое левитирующее положение.
Недостатками указанной конструкции являются:
ограниченная величина захваченного магнитного потока;
профиль магнитного поля в катушке не зависит от величины возбужденного в ней тока;
несовпадение оси катушки с осью магнитного поля, созданного током в катушке.
Технической проблемой, решаемой заявленной полезной моделью, является возможность регулировать величину максимального магнитного потока, захваченного катушкой при возбуждении в ней тока, возможность изменять профиль магнитного поля катушки и совмещение оси магнитного поля, создаваемого током, в возбужденной катушке с геометрической осью катушки.
Технический результат обеспечивает устройство магнитной катушки из ВТСП  2 ленты, состоящей из магнитной катушки из ВТСП 2 ленты,  соленоида с источником питания для возбуждения тока в катушке, стакана из пластика, вставленного внутрь соленоида, для размещения в нем катушки при возбуждении в ней тока, корыта из пластика с жидким азотом, для вставки катушек друг в друга после возбуждения в них тока, отличающееся тем, что содержит несколько, не менее двух, вложенных соосно друг в друга катушек, каждая из которых выполнена из ВТСП 2 ленты, причем намотанной в две галеты, концы ленты коротко соединены на внешнем диаметре катушки с помощью спая, пространство между вложенными катушками заполнено лентой из пластика, намотанной на  внутреннюю катушку. Такое устройство магнитной катушки позволяет изменять величину максимального потока, захваченного вложенной катушкой при возбуждении в ней тока, изменять профиль - распределение величины магнитного поля по радиусу катушки с помощью изменения величины и направления тока во вложенных катушках, ликвидировать отклонение оси магнитного поля катушки от геометрической оси катушки, что позволяет получить устойчивую  левитацию магнитной катушки.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 показана вложенная магнитная катушка, состоящая из двух магнитных катушек, диаметром 60 и 80 мм.
На фиг.2 показана вложенная магнитная катушки, состоящая из трех магнитных катушек, диаметром 50, 60 и 80 мм.
На фиг.3 показаны соленоид и корыто с жидким азотом
На фиг.4 фотографии левитации магнитных катушек.
На фиг.5 профили магнитного поля.
Сущность полезной модели поясняет фиг. 1 - фотография магнитной катушки, состоящей из двух вложенных соосно друг в друга магнитных катушек. Данное решение описывает частную реализацию устройства в соответствии с полезной моделью, и не исчерпывающим описанием возможных реализаций устройства согласно полезной модели.
На фиг. 1 показана магнитная катушка согласно полезной модели, которая содержит катушку 1 (катушка 60), со средним диаметром намотки 60 мм, вложенную соосно в катушку 2 (катушка 80), со средним диаметром намотки 80 мм, пространство между катушками заполнено пленкой на вспененной основе 3, позволяющей удерживать вложенные катушки соосно как в теплом, так и замороженном виде. Устройство может дополнительно содержать обмотки 4 из каптоновой ленты, тоже предназначенные для удержания катушек.
Устройство может содержать более двух магнитных катушек, вложенных соосно друг в друга. На фиг. 2 показана магнитная катушка согласно полезной модели, которая содержит катушку 5, с диаметром 50 мм, катушку 1, с диаметром 60 мм, и катушку 2, с диаметром 80 мм.
Устройство содержит соленоид и стакан и корыто с жидким азотом. На фиг. 3 показаны соленоид и стакан 6 с вставленным в него стаканом 7, предназначенные для возбуждения тока в катушках, и корыто 8 с жидким азотом, для вставки катушек друг в друга при последовательном возбуждении них тока.
Устройство согласно полезной модели работает следующим образом. Собранную катушку в теплом состоянии помещают в полиэтиленовый стакан 7, вставленный во внутрь соленоида 6.  Включают источник питания соленоида. Заливают в стакан жидкий азот. Выдерживают катушку в азоте до тех пор, пока она не перейдет в сверхпроводящее состояние. Снижают ток в соленоиде до нуля. Катушка захватывает магнитный поток, созданный соленоидом. После этого катушка пригодна для эксплуатации.  Такой способ возбуждения тока в данных катушках позволяет получить максимальное значение магнитного потока, соответствующего сумме максимального магнитного потока каждой вложенной катушки. Максимальный магнитный поток каждой отдельной катушки определяется по величине максимального тока (критического тока), который можно возбудить в каждой катушке.
кр
1
2
Исследование величины захваченного магнитного потока вложенных катушек проводилось способом, описанным в работе [М.В. Козинцева, А.М. Бишаев, А.А. Буш, М.Б. Гавриков, К.Е. Каменцев, Н.А. Нижельский, В.В. Савельев.  А.С. Сигов // ЖТФ. 2017. Т. 87. Вып. 6. С. 875-880]. Были определены свойства катушек 50мм, 60 мм и 80 мм.  Результаты по определению магнитного потока в отдельных и сложенных катушках приведены в таблице. В, где D - средний диаметр катушки, N - число витков в катушке, I - величина критического тока, ψ - достигнутое значение величины магнитного потока сцепления при возбуждении магнитного поля в соленоиде 0.0375Тл, τ - время релаксации тока при одинаковом направлении тока в катушках, τ - время релаксации тока при различных направлениях токов в катушках, из которых составлена вложенная катушка. Из таблицы видно, что во вложенных магнитных катушках величина магнитного потока сцепления близка к сумме максимальных магнитных потоков сцепления отдельных катушек.
Были проведены опыты по исследованию левитации как отдельных катушек над системой постоянных магнитов, так и вложенных катушек. На фиг. 4 приводятся фотографии левитации отдельных катушек 1 (фиг. 4а) и 5 (фиг. 4b), из которых видно, что катушки левитируют наклонно по отношению к вертикали, которая соответствует оси магнитной системы, составленной из постоянных магнитов, что свидетельствует об отклонении оси магнитного поля, созданного током в левитирующей катушке, от геометрической оси катушки. На фиг. 4с приведена фотография левитации вложенной катушки, состоящей из катушек 1 и 5. Такая катушка левитирует без наклона к вертикали. Таким образом, ось магнитного поля вложенной катушки совпала с геометрической осью вложенной катушки.
Для изменения профиля магнитного поля в сложенной катушке возбуждении тока в каждой катушке происходило последовательно: каждую катушку, из которых состоит вложенная катушка, заряжали в соленоиде 6 отдельно, а затем перекладывали в корыто с азотом 8, в котором вкладывали катушки друг в друга. На фиг. 5а приводится профиль магнитного поля вложенной катушки, составленной из катушек 5 (50 мм) и 2 (80 мм), если при вложении магнитные поля в обеих катушках направлены в оду сторону. Профиль магнитного поля такой вложенной катушки близок к профилю магнитного поля отдельной катушки. На фиг. 5b профиль магнитного поля вложенной катушки, составленной из тех же катушек, если при вложении магнитные поля в обеих катушках направлены навстречу друг другу. Видно, что величина магнитного поля в последнем случае в центре катушки близка к нулю, а максимальное значение поля находится между катушками. Такое поле характерно для кольцевых постоянных магнитов, направление намагничивания которых по оси магнита.
Использование вложенных катушек позволяет увеличить максимальный магнитный поток, захваченный катушкой при возбуждении в ней тока, изменять профиль распределения величины магнитного поля по радиусу катушки с помощью изменения величины и направления тока во вложенных катушках, ликвидировать отклонение оси магнитного поля катушки от геометрической оси катушки. Использование вложенных катушек дает экономический эффект. Так как стоимость ленты, из которой выполнены катушки, лежит на уровне 1000-2000 рублей за метр, а на изготовление одной катушки было потрачено порядка 10 м, то стоимость материал составила 10000 р. Использование вложенных катушек позволило получить 4 катушки без затрат на покупку ВТСП ленты и изготовление.
D<sub>ср</sub>, мм
N
I <sub>кр, </sub>А
Ψ.мВб
τ<sub>1</sub>, с
τ<sub>2</sub>, с
50
20
71
2,0
680
60
20
54
1,85
1536
80
20
59
1,6
1173
50+60
40
3,65
1890
50+80
40
3,3
1350
483
60+80
40
3,15
2318
50+60+80
120
4,95
4473
1130
ТАБЛИЦА
Таб. В