ПРОВОД ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ, МОНОЛИТНАЯ ОБМОТКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
WIRE FROM HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR WITH ELECTRICAL INSULATION, MONOLITHIC WINDING AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.
Изобретение относится к области электротехники, в частности, к проводам из высокотемпературного проводника и монолитным обмоткам на их основе, а также к технологии их получения и может быть использовано в производстве составных частей магнитных систем различного назначения таких, как электродвигатели, генераторы, ускорительная техника, магнитные томографы, системы магнитного подвеса и др.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
Из предшествующего уровня техники известен ряд технических решений, относящихся к получению сверхпроводящих проводов и изготовленных из них монолитных обмоток. Среди найденных технических решений можно выделить решения, относящиеся к «мокрой намотке» проводов с клеящими веществами, намотки проводов с последующим импрегнированием, а также к решениям, в которых осуществляется намотка сверхпроводящего провода с изолирующим покрытием на основе термопластичных полимеров, где скрепление между витками в обмотке осуществляется за счет нагрева полученной обмотки и пр.
Так, в RU 2254633 раскрывается способ изготовления сверхпроводящих обмоток («мокрая намотка»), в котором в процессе намотки витки сверхпроводника укладывают вплотную друг к другу и промазывают жидкой эпоксидной смолой с наполнителями, предотвращающими растрескивание последней при охлаждении, где в качестве наполнителя в эпоксидную смолу добавляют мелкодисперсный порошок редкоземельного интерметаллида с аномально высокой теплоемкостью, а промазанные витки покрывают слоем электрической изоляции.
Эпоксидный компаунд с мелкодисперсным порошком редкоземельных интерметаллидов значительно повышает устойчивость обмотки к механическим возмущениям.
Однако по данной технологии сложно контролировать пористость эпоксидного компаунда, процесс намотки лимитирован по времени скоростью полимеризации смолы, во время процесса эпоксидной смолой загрязняется стенд, и сама смола мешает визуальному контролю процесса намотки.
В патенте RU 2573645 обмотку получают путем намотки ВТСП оксидного провода в виде ленты, который обмотан встык полиимидной лентой с нанесенным на полиимидную ленту покрытием из фторкаучука. Затем осуществляют пропитку намотанного провода смолой. Данная пропитка обеспечивает механическую прочность получаемой обмотки, а в целом, данное решение обеспечивает структуру, в которой подавляется ухудшение сверхпроводимости.
Однако, данный способ требует сложной оснастки для вакуумной пропитки, не проникает между витков проводника в форме ленты, а также не позволяет осуществлять пропитку смолой с наполнителем.
Наиболее близким техническим решением к известному является способ по заявке JPH 0794318.
В данной заявкой раскрывается сверхпроводящий провод, представляющий собой сверхпроводник с изоляционным слоем, состоящем из слоя армированной волокном смолы и нанесенного на этот слой термопластичного адгезионного слоя.
Из данного сверхпроводника изготавливают монолитные обмотки путем навивки провода и последующей термической обработки полученных витков для термической связи витков друг с другом.
В заявке поясняется, что витки сцепляются друг с другом. Обмотка получается достаточно прочной и провод в обмотке не разрушается.
Технической проблемой при реализации данного технического решения может быть следующее. В качестве исходного проводника для обмотки уже используется сложное изделие, представляющее собой несколько сверхпроводящих проводов, заключенных в общую оболочку из смолы армированной волокном. На сами сверхпроводящие провода слой термопласта не наносится, что может не обеспечить надежной их фиксации от механических воздействий, вызванных в частности переменными магнитными полями и токами, по ним протекающими. Также использование достаточно толстого отдельного от проводников слоя изоляции из смолы армированной волокном снижает инженерную плотность тока в обмотке и повышает габариты изделия.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Задачей изобретения является устранение данной технической проблемы, а именно создание монолитной сверхпроводящей обмотки из лент ВТСП 2-го поколения с высокой плотностью тока, устойчивых к термоциклированию от комнатной температуры до температуры жидкого азота.
Данная техническая проблема устраняется проводом из высокотемпературного сверхпроводника с нанесенным на него электроизоляционным слоем из термопластичного полимерного материала, в котором в качестве высокотемпературного сверхпроводника он содержит высокотемпературный сверхпроводник второго поколения, а электроизоляционный слой выполнен из полилактида.
В частных воплощениях изобретения провод может содержать изоляционный слой с толщиной 1-100 мкм.
Техническая проблема также устраняется монолитной сверхпроводящей обмоткой, которая содержит множество витков провода из высокотемпературного сверхпроводника в соответствии с п.п. 1-2 формулы, адгезионно связанных между собой по электроизоляционному слою.
Техническая проблема также устраняется способом изготовления указанной монолитной сверхпроводящей обмотки, по которому сначала изготавливают провод из высокотемпературного сверхпроводника путем нанесения на высокотемпературный сверхпроводник второго поколения слоя полилактида, затем осуществляют процесс навивки упомянутого провода с получением витков обмотки с последующей термической обработкой витков при температуре выше температуры размягчения для получения адгезионной связи между витками.
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается способом, по которому слой полилактида наносят путем протягивания высокотемпературного сверхпроводящего проводника второго поколения через раствор полилактида в приемлемом апротонном растворителе с концентрацией полилактида от 5-10 масс. % с последующим удалением растворителя.
В этом случае можно использовать в качестве апротонного растворителя смесь ацетона и диоксана.
В частных воплощениях изобретения термическую обработку осуществляют в вакууме.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Предложенный провод выполнен из ВТСП проводника второго поколения с изолирующим слоем из полилактида.
Под полилактидом (ПЛА) в уровне техники понимают алифатический термопластичный полиэфир, мономером которого является молочная кислота.
Данный полимер относится к биоразлагаемым и биосовместимым, сырьем для его производства служат ежегодно возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и сахарный тростник.
Было установлено, что полилактид обладает приличной электрической прочностью, что, видимо и позволило сделать попытку использовать ПЛА 8 электротехнике для создания изоляции для силовых кабелей (Thoru Nakatsuka, Polylactic Acid-Coated Cable, Fujikura Technical Review, 2011, p. 39-46).
2
3
7
2
-8
-7
Изоляцию при этом получали путем экструзии ПЛА, однако, авторами статьи было признано, что использование ПЛА при температурах окружающей среды недолговечно, поскольку полимер постепенно разлагается под действием тепла, влаги и света. Наши исследования ПЛА показали, что ПЛА может стабильно эксплуатироваться в криогенных средах, что позволяет использовать ПЛА для изоляции сверхпроводящих проводников, в частности, ВТСП проводников второго поколения от криогенной среды. Под высокотемпературными сверхпроводниками второго поколения (ВТСП) понимаются тонкие пленки сложного оксида RBaCuO (R - редкоземельный элемент), нанесенные на металлическую ленту-подложку. Они обладают набором уникальных свойств, что позволяет их использовать в качестве основы для токоограничителя: высокая критическая температура (88-92 К), высокая токонесущая способность (свыше 500 А/мм), высокое сопротивление в несверхпроводящем состоянии (порядка 10-10 Ом*м).
ВТСП проводники второго поколения могут иметь и более сложную архитектуру с большим количеством слоев: буферных, защитных, электроизоляционных и пр.
Поскольку ПЛА относится к группе термопластичных полимеров, то при повышении температуры он переходит в высокоэластичное и далее - в вязкотекучее состояние, что обеспечивает возможность формования деталей из ПЛА различными методами.
В частности, слой ПЛА на ВТСП проводнике второго поколения может быть сформирован различными методами - экструзией, нанесением из раствора, печатью на принтере и т.д. Толщина нанесенного слоя зависит от многих факторов, например, чем толще ВТСП лента, тем толще должен быть слой ПЛА, и должна рассчитываться с учетом влияния различных факторов. Однако, имеются некоторые разумные ограничения: в нашем изобретении толщина слоя ПЛА опционально составляет от 1 до 100 мкм, что не приводит ни к каким проблемам технологического порядка.
Из заявленного ВТСП провода может быть сформирована монолитная обмотка, витки которой соединяются друг с другом с образованием адгезионной связи путем проведения термической обработки.
Для этого достаточно зафиксировать обмотку и нагреть ее витки до температуры выше температуры размягчения.
Наилучший результат достигается при температуре термической обработки 140-160°С. Слой изоляции из ПЛА, как уже сообщалось, может быть выполнен различными методами, но самым простым и недорогим путем является нанесение данного слоя из раствора ПЛА в апротонном приемлемом растворителе.
Термин «приемлемый» означает возможность использования растворителя, в котором ПЛА растворяется. Как правило, специалист понимает, какие растворители приемлемы для растворения ПЛА либо может выяснить это из справочной литературы. В примерах осуществления изобретения мы использовали в качестве апротонного растворителя смесь ацетона и диоксана.
Процесс нанесения изоляционного слоя в предпочтительном воплощении изобретения осуществлялся путем протягивания высокотемпературного сверхпроводящего проводника второго поколения через раствор полилактида в приемлемом апротонном растворителе с концентрацией полилактида от 5 до 10 масс. % с последующим удалением растворителя. Данные параметры хорошо подходят для тонких ВТСП лент. При увеличении толщины ленты или использования стопки лент возможны другие концентрации раствора ПЛА.
Термическую обработку можно проводить в вакууме, что приводит к уменьшению пористости получаемого слоя ПЛА.
Пример реализации изобретения.
2
3
3
2
3
3
2
3
7
ВТСП-провод поперечным сечением 4*0,1 мм, представляющий собой подложку из сплава Hastelloy С-276 с нанесенными на нее покрытиями из AlO, YO, MgO, LaMnO, GdBaCuO, Ag, и с внешним покрытием из меди и полиимида покрыли слоем полилактида посредством протягивания его через раствор полилактида (6%) в смеси диоксан-ацетон (в соотношении 3:1) со скоростью 30 м/ч и последующим удалением растворителей в трубчатой печи при температуре 120°С. Толщина слоя составила 3 мкм. Из провода с покрытием из полилактида была изготовлена обмотка с использованием процесса намотки ленты с постоянным натяжением с усилием 1,5 кг. Изготовленная обмотка фиксировалась и подверглась термической обработке в сушильном шкафу при температуре 160°С в течение 10 минут. В результате получена монолитная ВТСП-обмотка, устойчивая к термоциклированию между комнатной температурой и температурой работы сверхпроводниковых устройств (температура кипения азота и ниже), что было подтверждено десятью циклами охлаждения-нагрева и измерением критического тока обмотки, который составил 82 А до и после термоциклирования.
Изобретение упрощает процесс изготовления монолитных обмоток из проводов на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), при этом значения тока остаются стабильными при термоциклировании.