Магнитная катушка богданова

 

Использование: в качестве индуктивного накопителя энергии. Магнитная катушка содержит основную и дополнительную обмотки, выполненные из композитного сверхпроводника, изолятор для изоляции обмоток, крепежную конструкцию с каналами охлаждения, бандаж, систему запитки катушки, устройство вывода запасенной в катушке энергии и установлена в криостате с криогенной системой, соединенной с каналами охлаждения и криостатом. Витки дополнительной обмотки выполнены вдоль витков основной обмотки с возможностью запитки током противоположного направления относительно тока основной обмотки. Система запитки катушки выполнена с возможностью запитывать основную обмотку током одного направления, а дополнительную - током противоположного направления относительно тока основной обмотки. Технический результат заключается в уменьшении механических напряжений, возникающих при запитке катушек. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к сверхпроводящим магнитным катушкам, может быть использовано в качестве индуктивного накопителя энергии.

Известна магнитная катушка, выполненная в виде сверхпроводящего соленоида, используемая в качестве индуктивного накопителя энергии для аккумулирования энергии в системах энергоснабжения электричеством городов в США [1]. Магнитная катушка выполнена в виде большого сверхпроводящего соленоида высотой 100 м и радиусом 150 м с возможностью накапливать 4,6·10¹³ Дж энергии. При этом по обмотке суммарной толщиной 260 мм массой 9,57·10⁶ кг течет ток 50 кА в режиме заряда и поле в центре катушки достигает 4,5 Тл. Магнитная катушка снабжена криогенной системой и криостатом. Обмотка выполнена из композитного сверхпроводника. Катушка содержит крепежную конструкцию с каналами охлаждения, выполненную с возможностью крепления обмотки, систему запитки катушки, устройство вывода запасенной в катушке энергии, изолятор, выполненный с возможностью изоляции обмотки, бандаж, выполненный в виде углубления в скальной породе, в которой помещена магнитная катушка так, что обмотка соединяется со скальной породой посредством крепежной конструкции. Радиальное растягивающее напряжение обмотки передается на крепежную конструкцию и через нее на скальную породу.

Недостатком такого устройства являются большие механические радиальные напряжения, создаваемые обмоткой. Следующим недостатком является малая величина предельной запасаемой в магнитной катушке энергии вследствие ограничения предельной величины накопленной в катушке энергии механической прочностью материала катушки, необходимой для противодействия радиальным напряжениям, с которыми обмотка давит на крепежную конструкцию и через нее на скальную породу, поскольку с ростом запасенной в катушке энергии радиальные напряжения растут.

Известна магнитная катушка, выполненная в виде сверхпроводящего соленоида, используемая в мощном электроракетном двигателе Богданова для разгона летательных аппаратов и космических кораблей в атмосферах Земли и планет посредством ионизации больших объемов газа атмосферы и ускорения ионизированного газа электромагнитными силами для создания реактивной тяги свыше 10⁸ н [2] . При этом летательный аппарат может не брать с собой запасы химического топлива и рабочего тела, а ускоряться полностью за счет энергии, накопленной в магнитной катушке, используемой, в том числе, и в качестве индуктивного накопителя энергии. Летательный аппарат весом несколько тысяч тонн способен разгоняться таким способом до скоростей, превышающих третью космическую скорость.

Магнитная катушка в этом случае содержит обмотку, изолятор, выполненный с возможностью изоляции обмотки, крепежную конструкцию с каналами охлаждения, выполненную с возможностью крепежа обмотки, систему запитки катушки, устройство вывода и коммутации запасенной в катушке энергии, бандаж, выполненный в виде корпуса электроракетного двигателя. Обмотка выполнена из композитного сверхпроводника. Катушка снабжена криостатом и криогенной системой.

Недостатком этого устройства является большая величина механических радиальных напряжений, создаваемых обмоткой. Следующим недостатком этого устройства является малая величина предельной запасаемой в катушке энергии вследствие ограничения предельной величины запасенной в магнитной катушке энергии механической прочностью крепежной конструкции, корпуса и обмотки, поскольку с ростом запасенной в катушке энергии растут радиальные механические напряжения, с которыми обмотка давит на корпус электроракетного двигателя.

Известна магнитная катушка, содержащая обмотку, выполненную из композитного сверхпроводника, изолятор, выполненный с возможностью изоляции обмотки, крепежную конструкцию с каналами охлаждения, выполненную с возможностью крепежа обмотки, бандаж, окружающий обмотку, выполненный из нержавеющей стали [3]. Катушка снабжена криостатом и криогенной системой, соединенной с криостатом и каналами охлаждения. Катушка содержит систему запитки катушки и устройство вывода запасенной в катушке энергии. В качестве изолятора между витками обмотки проложена тонкая полиэфирная пленка, покрытая адгезионным слоем. Витки обмотки сгруппированы в секции, между которыми находится крепежная конструкция с каналами охлаждения, выполненная в виде изоляционных прокладок в форме диска с перфорацией, что обеспечивает свободное протекание жидкого гелия.

Недостатком такого устройства является малая предельная величина запасенной в катушке энергии, поскольку предельная величина запасенной в катушке энергии ограничена механической прочностью катушки по отношению к радиальным механическим напряжениям, создаваемым обмоткой, величина которых растет с ростом запасенной в катушке энергии. Следующим недостатком является большая величина радиальных механических напряжений, создаваемых обмоткой.

Известна магнитная катушка [4], содержащая, по меньшей мере, две сверхпроводящие обмотки, намотанные в противоположных направлениях на двух параллельных коаксиальных изоляционных каркасах. Концы каждой сверхпроводящей обмотки соединены с токовводами.

Недостатком данной конструкции является недостаточное уменьшение механических напряжений, возникающих при запитке магнитной катушки током.

Техническим результатом изобретения является уменьшение механических напряжений, создаваемых обмоткой в магнитной катушке, и увеличение запасаемой в магнитной катушке энергии.

Указанная задача решается тем, что магнитная катушка, содержащая основную и дополнительную обмотки, выполненные из композитного сверхпроводника, изолированные друг от друга и покрытые изолятором, крепежную конструкцию с каналами охлаждения, бандаж, систему запитки катушки, устройство вывода запасенной в катушке энергии, и установленная внутри криостата с криогенной системой, соединенной с каналами охлаждения и криостатом, согласно изобретению витки дополнительной обмотки выполнены вдоль витков основной обмотки с возможностью запитки током противоположного направления относительно тока основной обмотки от системы запитки катушки. Система запитки катушки может быть выполнена с возможностью одновременно запитывать основную и дополнительную обмотки токами противоположных направлений. Устройство вывода запасенной в катушке энергии может быть выполнено с возможностью одновременно выводить энергию из основной и дополнительной обмоток. Система запитки катушки может быть выполнена с возможностью попеременно запитывать основную обмотку и дополнительную обмотку, причем сначала запитывается часть энергии в одну обмотку, потом в другую обмотку и так далее. Устройство вывода запасенной в катушке энергии может быть выполнено с возможностью попеременно выводить энергию из основной и дополнительной обмоток, причем сначала выводится часть энергии из одной обмотки, потом из другой и так далее. Магнитная катушка может быть снабжена датчиками механических напряжений, выполненными внутри катушки, и компьютером, выполненным с возможностью считывать и обрабатывать информацию с датчиков механических напряжений, и управлять работой системы запитки катушки и устройством вывода запасенной в катушке энергии. Система запитки катушки и устройство вывода запасенной в катушке могут быть снабжены измерителями тока или измерителями магнитного поля, создаваемого током в основной и дополнительной обмотках.

Такое конструктивное исполнение уменьшает магнитное поле катушки за счет того, что противоположнонаправленные токи основной и дополнительной обмоток создают противоположнонаправленные магнитные поля, которые векторно складываются и дают суммарное поле, уменьшенное по отношению к полю, создаваемого отдельной обмоткой, в то время как запасенная каждой обмоткой по отдельности магнитная энергия сохраняется и может использована.

Не обнаружено технических решений, выполняющих поставленную задачу аналогичными техническими средствами.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема магнитной катушки Богданова; на фиг. 2 - принципиальная схема магнитной катушки Богданова в сечении А-А; на фиг. 3 - наглядная принципиальная схема, показывающая направления векторов плотности тока в основной и дополнительной обмотках.

Магнитная катушка Богданова, далее в тексте просто катушка, содержит основную обмотку 1; изолятор 2, покрывающий обмотку, выполненный с возможностью изоляции обмотки; бандаж 3, окружающий обмотку по внешнему периметру; крепежную конструкцию 4 с каналами охлаждения 5, 6, выполненную с возможностью крепежа обмотки; дополнительную обмотку 7, витки которой выполнены вдоль витков основной обмотки кроме участков, идущих непосредственно на систему запитки катушки и устройства вывода запасенной энергии; систему запитки катушки 8, выполненную с возможностью запитывать или одновременно основную обмотку током одного направления вектора плотности тока и дополнительную катушку током другого направления вектора плотности тока, или попеременно запитывать основную обмотку и дополнительную обмотку, при этом сначала запитывается часть энергии в одну обмотку, потом в другую обмотку и так далее, причем токами противоположных направлений вектора плотности тока; устройство вывода запасенной в катушке энергии 9, выполненное с возможностью выводить энергию из катушки или одновременно с основной обмотки и с дополнительной обмотки, или попеременно сначала с одной обмотки часть энергии, потом с другой обмотки часть энергии и так далее. Магнитная катушка снабжена криогенной системой 10, криостатом 11. Криогенная система соединена с каналами охлаждения и с криостатом. Катушка установлена внутри криостата. Основная и дополнительные обмотки выполнены с возможностью запитываться токами противоположных направлений вектора плотности тока. Обмотки изолированы друг от друга, покрыты изолятором, например тонкой полиэфирной пленкой, покрытой адгезионным слоем. Основная и дополнительные обмотки выполнены из композитного сверхпроводящего, например, из Nb₃Sn, помещенного в медную матрицу. Крепежная конструкция выполнена из стеклоткани и эпоксидного компаунда. Бандаж выполнен из нержавеющей стали. Также бандаж может быть выполнен из ферромагнитного материала. Криостат внутри себя содержит две вложенные друг в друга полости, заполненных жидким азотом и жидким гелием. Полости отделены друг от друга и от внешней стенки криостата вакуумной камерой. Внешняя полость с жидким азотом, внутренняя с жидким гелием. Устройство вывода запасенной в катушке энергии может быть совмещено с системой запитки катушки. Внутри катушки выполнены датчики механических напряжений 12, 13, соединенные с компьютером 14. Компьютер выполнен вне криостата с возможностью получать и обрабатывать информацию с датчиков механических напряжений и управлять работой системы запитки катушки и устройства вывода запасенной в катушке энергии. Датчики выполнены между внутренним витком основной или дополнительной обмотки и внешней границей обмотки, например, бандажем. Возможны следующие варианты расположения датчиков. Датчики могут быть расположены между крайней внешней обмоткой катушки и бандажом. Датчики могут быть расположены между участков, содержащих несколько витков основной и дополнительной обмоток. Датчики могут быть выполнены между секциями, содержащими несколько витков основной и дополнительной обмотки. Секции в этом случае могут быть выполнены с возможностью индивидуальной запитки и индивидуального вывода запасенной энергии основной и дополнительной обмоток. Датчик может быть выполнен, например, в виде пьезоэлектрической пластины с электрическими контактами на торцах. Система запитки энергии и устройство вывода запасенной в катушке энергии могут быть выполнены с возможностью измерять силу тока в основной и дополнительной обмотках. Для этого в них выполнены измерители тока или измерители магнитного поля, создаваемого текущим по обмотке током. В каналах охлаждения находится изотоп гелия гелий-3.

Магнитная катушка работает следующим образом. По основной обмотке 1 течет электрический ток с вектором плотности тока Изолятор 2 электрически изолирует обмотку. Бандаж 3 фиксирует положение обмотки и противодействует радиальным напряжениям, возникающим в обмотке. Крепежная конструкция 4 фиксирует положение обмотки. Каналы охлаждения 5, 6 охлаждают основную и дополнительную обмотку 7 жидким гелием. По дополнительной обмотке 7 течет ток с вектором плотности тока -j, противоположнонаправленным вектору плотности тока которым запитана основная обмотка. Основная обмотка создает магнитное поле с вектором магнитной индукции Дополнительная обмотка создает магнитное поле с вектором магнитной индукции, примерно равным направленное противоположно магнитному полю основной обмотки. Магнитные поля основной и дополнительной обмоток векторно складываются, и в результате суммарное поле катушки уменьшается во много раз. Соответственно, во много раз уменьшаются и радиальные напряжения, возникающие в обмотке, поскольку радиальные напряжения пропорциональны силе Ампера, с которой давит обмотка с текущим по ней током I в магнитном поле где I - сила тока в обмотке; вектор плотности тока, текущего в обмотке; индукция магнитного поля катушки.

Реально возможно говорить об уменьшении радиальных напряжений от нескольких раз до нескольких порядков, поскольку идеального равенства полей основной и дополнительной обмоток получить невозможно даже в случае равенства силы тока текущих по ним противоположнонаправленных токов.

Система запитки катушки 8 запитывает основную и дополнительные обмотки противоположнонаправленными токами. Очень существенно, как именно идет запитка. Основная и дополнительная обмотки запитывают или одновременно, или попеременно сначала одну обмотку, потом другую так, чтобы каждый момент времени векторы плотности тока в обмотках были противоположно направлены, а силы тока в обмотках были или примерно равны друг другу по модулю, или отличались друг от друга как можно меньше. Устройство вывода запасенной в катушке энергии 9 выводит энергию из катушки или одновременно из основной и дополнительной обмоток, или попеременно сначала из одной обмотки, потом из другой и так далее так, чтобы в течение всего времени вывода запасенной энергии из катушки силы тока в основной и дополнительной обмотках были или примерно равны друг другу по модулю или отличались как можно меньше.

Такие режимы запитки катушки током и вывода запасенной в катушке энергии позволяют каждый момент времени придерживаться условий, при которых в катушке суммарное магнитное поле от основной и дополнительной обмоток вместе является минимальным и, как следствие, минимальными являются и вызываемые этим полем радиальные напряжения в обмотках, поскольку радиальные напряжения в обмотке пропорциональны произведению магнитного поля катушки в области участка обмотки на силу тока в обмотке. Дополнительно при таких режимах запитки и вывода запасенной энергии в обмотках возникают минимальные индукционные токи. Также следует ожидать дополнительно, что при таком режиме запитки в обеих обмотках плотность тока может быть значительно выше, чем в случае, если бы каждая обмотка запитывалась без другой обмотки, по двум причинам: 1. При запитке обычной магнитной катушки с одной обмоткой возникают мощные индукционные токи, препятствующие запитке, обусловленные тем, что меняется сила тока катушки и меняется создаваемое током магнитное поле катушки, а индукционные токи являются следствием этого изменения магнитного поля. При уменьшении изменения поля уменьшаются и индукционные токи.

2. Увеличению плотности тока в сверхпроводящей обмотке препятствует магнитное поле катушки, поскольку в сверхпроводнике критическая плотность тока уменьшается с ростом магнитного поля.

В предлагаемой магнитной катушке эти две причины практически устранены или их воздействие уменьшено до минимума. Индукционные токи или не возникают вовсе (пренебрежимо малы), или возникают совсем незначительно, поскольку магнитный поток через контур, ограниченный витками основной или дополнительной обмотки, или не меняется (меняется пренебрежимо мало), или меняется попеременно крайне незначительно. Магнитное поле катушки не уменьшает критическую плотность тока сверхпроводника обмотки, поскольку поле или пренебрежительно мало, стремится к нулю, или невелико.

Поэтому можно предположить, что в предлагаемой магнитной катушке реально достичь плотности тока, сравнимой с плотностью тока коротких образцов без магнитного поля. Эта величина для Nb₃Sn, например, превышает 10¹⁰ А/м², причем предельная плотность тока не должна зависеть от размеров катушки.

Следует отметить, что при режиме одновременной запитки основной и дополнительной обмоток или одновременного вывода из них энергии возникают минимальные радиальные напряжения, которые меньше, чем при режиме попеременной запитки основной и дополнительных обмоток и вывода из них энергии. В обоих случаях можно применять импульсную запитку или импульсный вывода энергии, который позволяет работать с большей мощностью, чем непрерывный режим запитки или непрерывный режим вывода энергии.

Попеременный способ вывода энергии из основной и дополнительной обмоток предполагается использовать в случае, когда требуется кратковременное усиление магнитного поля катушки и какое-либо использование этого поля. Например, периодически изменяемое магнитное поле катушки может использоваться для создания реактивной тяги в электроракетном двигателе Богданова [2]. В этом устройстве магнитная катушка создает внешнее магнитное поле вокруг летательного аппарата, летящего в атмосфере. Ионизированный газ атмосферы попадает в это поле, на газ воздействует электрическое поле, перпендикулярное магнитному, и газ приходит во вращение, создавая тягу и уменьшая сопротивление встречного потока газа атмосферы.

После того, как сверхпроводящие основная и дополнительные обмотки запитаны током, по ним циркулируют незатухающие противоположнонаправленные электрические токи.

Запасенная энергия в катушке равна сумме энергий магнитных полей, которые создают каждая из обмоток по отдельности при воображаемом отсутствии другой обмотки. Здесь нет противоречия с тем, что суммарное поле от обеих катушек равно нулю, поскольку в каждой из обмоток при полной запитке катушки течет ток, энергия на его запитку ушла, перешла в поле обмотки и реально существует. Если участок обмотки нагреть, приложить к нему электроды, то после того, как участок обмотки перейдет в нормальное состояние, очевидно, что текущий по обмотке ток создает на этом участке разность потенциалов, которую можно использовать, и выводить таким образом из обмотки энергию. При этом абсолютно неважно, есть ли поле у катушки или нет, разность потенциалов будет возникать в любом случае, потому что есть ток в обмотке.

Криогенная система 10 охлаждает катушку до температуры жидкого гелия и поддерживает эту температуру в течение всего времени работы катушки. Криостат 11 уменьшает поток тепла от внешней среды к катушке и охлаждает катушку. Криогенная система охлаждает катушку жидким гелием и через криостат, и через каналы охлаждения.

Датчики механических напряжений 12, 13 измеряют радиальные механические напряжения, возникающие внутри магнитной катушки в ходе ее запитки током и в процессе вывода запасенной в катушке энергии. Информация с датчиков механических напряжений поступает на компьютер 14, который ее обрабатывает и так управляет системой запитки катушки и устройством ввода запасенной в катушке энергии, чтобы в любой момент времени радиальные напряжения были минимальными. Управление осуществляется путем согласования изменения силы тока в основной и дополнительной обмотках.

В случае, если бандаж содержит ферромагнитный материал при возникновении в катушке существенного магнитного поля, бандаж прижимает витки обмотки к центру катушки и противодействует радиальным напряжениям, которые возникают в катушке при наличии существенного магнитного поля.

Система запитки катушки и устройство вывода запасенной в катушке энергии могут быть выполнены совмещенными друг с другом. В этом случае система запитки катушки сначала нагревает участок обмотки, переводит в нормальное состояние, запитывает катушку энергией, охлаждает, а затем этот же участок снова нагревают и выводят через него накопленную энергию. Система запитки катушки и устройство вывода запасенной в катушке энергии содержат участок обмотки с нагревателем. Этот участок нагревается, выходит из сверхпроводящего состояния, переходит в нормальное состояние, и либо на этот участок подают разность потенциалов (запитывают катушку), либо с него снимают напряжение (выводят энергию).

Запитка основной и дополнительной обмоток может осуществляться, например, следующим способом. Участки основной и дополнительной обмотки нагреваются, переводятся в нормальное состояние, к ним присоединяются тоководы, между которыми создаются противоположные по знаку разности потенциалов.

Система запитки катушки и устройство вывода запасенной в катушке энергии могут быть выполнены с возможностью измерения силы тока в основной и дополнительной обмотках. В этом случае система запитки катушки и устройство вывода запасенной в катушке энергии измеряют силу тока в основной и дополнительной обмотках и передают результаты измерений на компьютер, который анализирует данные и регулирует с учетом измерений процессы запитки катушки и вывода запасенной в катушке энергии этими элементами путем согласования изменения силы тока в основной и дополнительной обмотках так, чтобы всякий момент времени радиальные напряжения в катушке были бы как можно меньше.

Измерение силы тока может быть произведено либо непосредственным измерением силы тока в обмотке, либо путем измерения магнитного поля, создаваемого каждой обмоткой по отдельности и дальнейшим анализом зависимости магнитного поля обмотки от силы тока, текущего по ней.

Заключение Предлагаемая магнитная катушка позволяет уменьшить поле катушки при запитке обеих обмоток, а следовательно, и уменьшить радиальные напряжения в них. При этом объем запасенной энергии каждой из обмоток сохраняется и складывается с энергией другой обмотки. Уменьшение радиальных напряжений позволяет существенно увеличить величину запасаемой в катушке энергии, используемой как индуктивный накопитель энергии.

Магнитная катушка позволит осуществлять полеты в атмосфере Земли и других планет с применением электроракетного двигателя Богданова и выводить с его помощью космические корабли на околоземные орбиты и в открытый космос, причем отношение занимаемой энергии в катушке к весу всего летательного аппарата может быть достигнуто меньше, чем отношение запасенной энергии в химическом топливе на единицу веса топлива, что сделает полеты космических кораблей многоразового использования (шатллов) с предлагаемой магнитной катушкой и электроракетным двигателем Богданова более выгодными, чем полеты шатллов на химическом ракетном топливе.

Также магнитная катушка в качестве накопителя энергии может использоваться в любых транспортных средствах, перемещающихся за счет электрической энергии. Это, например, электромобили, а также надводные корабли, подводные лодки, самолеты, вертолеты и так далее, отличающиеся тем, что в них электрический двигатель вращает винт и, тем самым, создает тягу. Когда электрическая энергия станет намного дешевле химической энергии топлива, такие виды транспорта постепенно вытеснят традиционный транспорт на химическом топливе. К тому же транспорт, использующий электрическую энергию, экологически более чистый, чем транспорт на химическом топливе.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки 1. Хасепцаль У.В., Бениг Х.Д. Использование сверхпроводящего магнита в качестве накопителя энергии.

Перевод N A - 25624 21.09.77 г.

2. Богданов И. Г. Электроракетный двигатель Богданова. Патент 2046210. Приоритет изобретения 5 октября 1992 г.

3. Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. - М., 1985 г., стр. 371.

4. Патент Франции N 2629956, H 02 H 9/02, 1989.

Формула изобретения

1. Магнитная катушка, содержащая основную и дополнительную обмотки, выполненные из композитного сверхпроводника, изолированные друг от друга и покрытые изолятором, крепежную конструкцию с каналами охлаждения, бандаж, систему запитки катушки, устройство вывода запасенной в катушке энергии и установленная внутри криостата с криогенной системой, соединенной с каналами охлаждения и криостатом, отличающаяся тем, что витки дополнительной обмотки выполнены вдоль витков основной обмотки с возможностью запитки током противоположного направления относительно тока основной обмотки от системы запитки катушки.

2. Катушка по п. 1, отличающаяся тем, что система запитки катушки выполнена с возможностью одновременно запитывать основную и дополнительную обмотки токами противоположных направлений.

3. Катушка по п.1, отличающаяся тем, что устройство вывода запасенной в катушке энергии выполнено с возможностью одновременно выводить энергию из основной и дополнительной обмоток.

4. Катушка по п. 1, отличающаяся тем, что система запитки катушки выполнена с возможностью попеременно запитывать основную обмотку и дополнительную обмотку, причем сначала запитывается часть энергии в одну обмотку, потом в другую обмотку и так далее.

5. Катушка по п.1, отличающаяся тем, что устройство вывода запасенной энергии выполнено с возможностью выводить энергии попеременно: сначала из основной обмотки, потом из дополнительной, потом снова из основной и так далее.

6. Катушка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена датчиками механических напряжений, выполненными внутри катушки, и компьютером, выполненным с возможностью считывать и обрабатывать информацию с датчиком механических напряжений, управлять работой системы запитки катушки и устройства вывода запасеннойо в катушке энергии.

7. Катушка по п.1, отличающаяся тем, что система запитки катушки и устройство вывода запасенной в катушке энергии снабжены измерителями тока или измерителями магнитного поля, создаваемого током в основной и дополнительной обмотках.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3