Сверхпроводящий выключатель



Сверхпроводящий выключатель
Сверхпроводящий выключатель

 

H01L39/00 - Приборы с использованием сверхпроводимости; способы или устройства для изготовления или обработки таких приборов или их частей (приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированных на общей подложке или внутри нее H01L 27/00; сверхпроводники, отличающиеся способом формования или составом керамики C04B 35/00; сверхпроводники, сверхпроводящие кабели или передающие линии H01B 12/00; сверхпроводящие катушки или обмотки H01F; усилители с использованием сверхпроводимости H03F 19/00)

Владельцы патента RU 2613840:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Использование: для создания сверхпроводящего выключателя. Сущность изобретения заключается в том, что сверхпроводящий выключатель содержит отключающий элемент, выполненный из сверхпроводящей ленты, уложенной зигзагообразно в пакет с изоляцией между слоями, внутри сгибов ленты расположены прокладки из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, отделенные от ленты изоляцией. Технический результат: обеспечение возможности повышения рабочего тока. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано как коммутирующее устройство в сверхпроводящих магнитных системах, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи.

Известны сверхпроводящие выключатели (СПВ), отключающий элемент которых выполнен из сверхпроводящего кабеля, намотанного на каркас малоиндуктивным способом, с изоляцией между витками [Laquer H.L. Superconducting devices for energy storage and switching. - Proc. Appl. Sc. Conf., Anapolis, 1972, p. 98-101].

Недостатком СПВ, использующих в качестве отключающего элемента проводник в виде кабеля, является малый коэффициент заполнения конструкции по сверхпроводящему материалу, что увеличивает необходимый размер криостата и общую стоимость СПВ.

Известен сверхпроводящий выключатель, содержащий отключающий элемент, изготовленный из сверхпроводящей ленты, уложенной зигзагообразно в пакет с изоляцией между слоями [Глухих В.А. и др. Сверхпроводящая сильноточная коммутационная аппаратура. - В кн: Сверхпроводимость. Труды конф. по техническому использованию сверхпроводимости. - М.: Атомиздат, 1977, т. 2, с. 10-13].

Высокий коэффициент заполнения по сверхпроводнику отключающего элемента такой конструкции позволяет получить разрывную мощность СПВ, отнесенную к единице общего объема обмотки, примерно в 20 раз большую, чем у СПВ с кабельными отключающими элементами. Вследствие зигзагообразной укладки сверхпроводящей ленты отключающие элементы таких СПВ имеют очень малые собственные индуктивности, составляющие десятые доли - единицы мкГн [Амелин Г.П., Блудов А.И., Гусельников В.И., Мащенко А.И. Быстродействующие сверхпроводящие фольговые выключатели. - ПТЭ, 1986, №5, с. 193-195]. При управлении выключателем импульсом электрического тока это увеличивает его быстродействие и снижает расход энергии на переключение.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному, выбранным за прототип, является сверхпроводящий выключатель, содержащий отключающий элемент, изготовленный из сверхпроводящей ленты (фольги), уложенной зигзагообразно (бифилярно по слоям ленты) в пакет с изоляцией между слоями [Амелин Г.П., Блудов А.И., Гусельников В.И., Мащенко А.И. Мощный сверхпроводящий выключатель. - ПТЭ, 1990, №4, с. 245].

Недостатком СПВ такой конструкции является ограничение рабочего тока выключателя собственным магнитным полем, концентрация которого является максимальной внутри сгибов сверхпроводящей ленты отключающего элемента.

Задачей предлагаемого изобретения является создание сверхпроводящего выключателя с повышенным рабочим током.

Техническим результатом является повышение рабочего тока сверхпроводящего выключателя путем снижения величины собственного магнитного поля у внутренней поверхности сверхпроводящей ленты отключающего элемента на сгибах.

Указанный технический результат достигается тем, что в сверхпроводящем выключателе, содержащем, как и прототип, отключающий элемент, выполненный из сверхпроводящей ленты, уложенной зигзагообразно в пакет с изоляцией между слоями, в отличие от прототипа внутри сгибов ленты расположены прокладки из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, отделенные от ленты изоляцией.

Для снижения поперечной составляющей магнитного поля у краев ленты на сгибе целесообразно, чтобы прокладки выступали за края сверхпроводящей ленты.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение отключающего элемента предлагаемого сверхпроводящего выключателя; на фиг. 2 - сечение части отключающего элемента на участке сгиба сверхпроводящей ленты. Здесь обозначено: 1 - сверхпроводящая лента отключающего элемента; 2 - изоляционный материал; 3 - прокладки из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью; I - ток в сверхпроводящей ленте 1 выключателя; Β(μ=1) и В(μ>>1) - индукция магнитного поля в изоляции 2 и прокладках 3 соответственно, созданного током I, протекающим в каждом слое ленты 1 отключающего элемента; μ - относительная магнитная проницаемость материала.

Сверхпроводящий выключатель содержит отключающий элемент, выполненный из сверхпроводящей ленты 1, которая для снижения собственной индуктивности уложена в пакет зигзагообразно с изоляцией 2 между слоями. Внутри сгибов сверхпроводящей ленты 1 расположены прокладки 3 из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью μ, отделенные от ленты 1 изоляцией 2. Прокладки 3 могут быть выполнены в виде, например, лент того или иного сечения или проволок круглого сечения. При этом эффективность снижения величины индукции собственного магнитного поля у поверхности ленты 1 внутри ее сгиба будет тем выше, чем точнее будут совпадать контуры поверхностей прокладки 3 и ленты 1 и меньше реальный изоляционный зазор между ними на участке сгиба.

Сверхпроводящий выключатель работает следующим образом. В СПВ протекающий по сверхпроводящей ленте 1 ток I создает магнитное поле с индукцией В, распределение которого в пространстве зависит от геометрии сверхпроводника в пакете отключающего элемента выключателя. Так, индукция В1 магнитного поля тонкой пластины с током, которой является сверхпроводящая лента 1 в одном слое пакета, определяется уравнением

где: I - сила тока в сверхпроводящей ленте 1;

- ширина ленты 1;

μ0 - магнитная постоянная.

Тогда, по принципу суперпозиции, индукция В2 магнитного поля между параллельными слоями сверхпроводящей ленты 1 (прямолинейный участок укладки ленты 1 на фиг. 1), по которым ток I течет в противоположных направлениях, будет равна

Аналогично, в пространстве внутри участка сгиба ленты 1, где суммируются магнитные поля от трех взаимно «перпендикулярных» проводников (часть пространства, ограниченная параллельными слоями и сгибом ленты 1 - фиг 2), магнитная индукция В3 будет равна

Из уравнений (1)-(3) видно, что во внутренней области, ограниченной сгибом и частью параллельных участков ленты 1, максимальная величина индукции В3 магнитного поля в ~1,5 раза превышает индукцию поля В2 между параллельными слоями ленты 1 на прямолинейных участках. Кроме того, на участке сгиба у краев ленты 1 магнитное поле имеет поперечную плоскости ленты 1 составляющую поля, которая нескомпенсирована из-за отсутствия обратного проводника с током I. Эти факторы снижают критический ток IC на участке сгиба ленты 1 и, как следствие, снижается рабочий ток СПВ, величина которого выбирается с учетом стабильной работы каждого конкретного выключателя и, в зависимости от конструкции, составляет IP=0,8-0,9 IC [Менке X., Шишов Ю.А. Модель сильноточного и высоковольтного сверхпроводящего выключателя. - Препринт Р8-7855. - Дубна, ОИЯИ, 1974, с. 16-18; Разработка и исследование сильноточной сверхпроводящей коммутационной аппаратуры. - В кн.: Докл. Всесоюзн. совещ. по инженерным проблемам управляемого термоядерного синтеза. - Л.: НИИЭФА, 1975, т. 3, с. 181-194. Авт.: Глухих В.А. и др.]. Следует отметить, что в реальных устройствах локальные области внутри сгибов ленты 1 с повышенной величиной индукции В3 магнитного поля составляют менее 1/1000 от внутреннего объема пакета отключающего элемента и снижение здесь, в столь малых областях, индукции магнитного поля до уровня или ниже индукции поля В2 между параллельными слоями ленты 1 на прямолинейных участках позволит решить проблему повышения токонесущей способности СПВ с ленточным сверхпроводником различной ширины.

В предлагаемом сверхпроводящем выключателе внутри сгиба сверхпроводящей ленты 1 отключающего элемента размещены прокладки 3 из материала с высокой магнитной проницаемостью μ>>1. При этом магнитный поток, вызванный протекающим по сверхпроводящей ленте 1 током I, концентрируется в толще прокладок 3 с μ>>1 и ослабляется в изоляции с μ=1 вокруг прокладок и, что особенно важно, у поверхности сверхпроводящей ленты 1 внутри сгибов [Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Изд. 6-е. М., «Высш. школа, 1973, с. 623, 624]. Степень ослабления и картина индукции магнитного поля у поверхности и краев сверхпроводящей ленты 1 и во всем зазоре с изоляцией 2 на сгибах зависят от параметров ферромагнитного материала прокладок: относительной магнитной проницаемости μ, индукции насыщения BS, толщины h, ширины b и длины d. Для большего снижения влияния краевого эффекта прокладки 3 должны выступать за края сверхпроводящей ленты 1, то есть длина d прокладок 3 должна быть больше ширины ленты 1. Ослабление индукции магнитного поля у внутренней поверхности ленты 1 на сгибах, например, в ~1,5 раза и соответствующее снижение поперечной плоскости ленты 1 составляющей индукции магнитного поля сближают электромагнитные условия для сверхпроводящей ленты 1 на сгибах и прямолинейных участках. При этом критический ток ICC сверхпроводящей ленты 1 на сгибах увеличивается на ~50% и приближается к критическому току IСП ленты 1 на прямолинейных участках. Следует отметить, что даже при большем, чем в 1,5 раза, ослаблении поля внутри сгибов сверхпроводящей ленты 1 максимальное увеличение критического тока IC всего отключающего элемента будет определяться теперь в основном соотношением тока и магнитного поля на прямолинейных участках между параллельными слоями ленты 1 и составит не более 50%. Это позволяет соответственно на ~50% увеличить и рабочий ток СПВ по сравнению с прототипом.

Заявляемое техническое решение конструкции СПВ позволяет с помощью прокладок 3 с высокой магнитной проницаемостью μ>>1 снизить магнитный поток у поверхности сверхпроводящей ленты 1 внутри сгиба до уровня либо ниже магнитного потока между параллельными слоями ленты 1 на прямолинейных участках проводника и повысить тем самым токонесущую способность отключающего элемента в целом.

В примере реализации устройства были использованы основные конструктивные характеристики известного СПВ [Амелин Г.П., Блудов А.И., Гусельников В.И., Мащенко А.И. Мощный сверхпроводящий выключатель. - ПТЭ, 1990, №4, с. 245], выбранного за прототип. Общим для выключателей является то, что отключающий элемент выполнен из сверхпроводящей ниобий-титановой ленты (фольги) 1 типа НТ-50 без медного стабилизирующего покрытия толщиной ~18 мкм и шириной =80 мм. Длина ленты 1 составляет 160 м, сопротивление в нормальном состоянии при температуре 10 К равно 70 Ом. Для снижения индуктивности отключающего элемента лента 1 уложена в пакет зигзагообразным способом и с изоляцией 2 между слоями. Длина прямолинейного участка в слоях ленты 1 равна 140 мм, число слоев 1143 (по схеме на фиг. 1). Рабочее напряжение СПВ до 80 кВ. В отличие от известного выключателя в предлагаемом СПВ внутри сгибов сверхпроводящей ленты 1 размещены прокладки 3, отделенные от ленты 1 изоляцией 2. На фиг. 2 в увеличенном масштабе показан пример конкретного выполнения участка сгиба сверхпроводящей ленты 1. Прокладки 3 выполнены из магнитомягкого железоникелевого сплава марки 50НП (пермаллой) в виде отрезков ленты с овальными краями толщиной h=80 мкм, шириной b=300 мкм и длиной d=90 мм (по каждой стороне длина d прокладки 3 на 5 мм больше, чем ширина сверхпроводящей ленты 1). Для изоляции 2 была использована стеклоткань СКТФ-5Э толщиной 100 мкм - между слоями сверхпроводника 1, и толщиной 10 мкм - между прокладками 3 и сверхпроводником 1, пропитанная эпоксикремнийорганическим связующим.

Оценку эффективности предъявляемого решения выполним для прототипа и заявляемого сверхпроводящего выключателя с равными основными конструктивными параметрами, представленными выше.

При рабочем токе в СПВ прототипе IP=6000 А усредненное по конструкциям значение критического тока IC=IP/0,85≈7000 А. При критическом токе в сверхпроводящей ленте IC=7000 А величина индукции собственного критического магнитного поля в области сгиба ленты 1, согласно уравнению (3), будет равна

При этом индукция магнитного поля между параллельными слоями сверхпроводящей ленты 1 по уравнению (2) будет равна

здесь I=7000 А - величина тока, не являющаяся критической для сверхпроводящей ленты 1 на прямолинейном участке, так как величина магнитной индукции В2=0,11 Τ на этом участке в 1,5 раза меньше ее критической величины В=0,165 Т.

В заявляемом сверхпроводящем выключателе прокладки 3 из пермаллоя 50НП, размещенные внутри сгиба ленты 1, имеют характеристики: максимальная магнитная проницаемость μмакс≈105 [Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнев. Справочное руководство по физике. - М.: «Наука», 1984, с. 190], индукция насыщения BS=1,5 Τ [Л.А. Меерович и др. Магнитные генераторы импульсов. М.: «Сов. радио», 1968, с. 66]. Магнитное поле, созданное током I, протекающим в сверхпроводящей ленте 1, концентрируется в ферромагнитных прокладках 3 и доводит их магнитное состояние до насыщения с индукцией BS=1,5 Τ, величина которой примерно в девять раз больше индукции В3C=0,165 Τ внутри сгиба ленты 1 без прокладок 3. При этом индукция магнитного поля в изоляционном пространстве между прокладкой 3 и поверхностью сверхпроводящей ленты 1, включая участок сгиба, снизится также примерно в 9 раз и составит при этом 0,018-0,02 Т. Чем меньше зазор с изоляцией 2 между прокладкой 3 и лентой 1, тем точнее будет соблюдаться обратная пропорция между усилением индукции поля в прокладке 3 с μмакс≈105 и ее ослаблением в зазоре с изоляцией 2 с μ=1. Поскольку в примере ширина изоляционного зазора 2 равна всего ~10 мкм, то магнитное поле в этой области будет близким к однородному. Кроме того, выступающие на 5 мм за края сверхпроводящей ленты 1 концы ферромагнитных прокладок 3 снижают величину поперечной компоненты магнитного поля, «вытягивая» силовые линии магнитной индукции в продольном плоскости ленты 1 направлении.

Применяя в СПВ прокладки 3 из ферромагнитного материала с еще большей индукцией насыщения BS, можно еще больше ослабить индукцию магнитного поля в изоляционном зазоре 2 между прокладками 3 и сверхпроводящей лентой 1. В нашем примере индукция магнитного поля, воздействующего на внутреннюю поверхность сверхпроводящей ленты 1 на ее сгибах, снижается с 0,165 Τ до 0,018-0,02 Т, то есть примерно в 9 раз. Однако даже с учетом остаточного влияния краевого эффекта достаточным является снижение индукции магнитного поля у внутренней поверхности сверхпроводящей ленты 1 на сгибах примерно в два раза. Тогда токонесущая способность ленты 1 на сгибах будет близка к токонесущей способности ленты 1 на прямолинейных участках в параллельных слоях пакета отключающего элемента. При этом критический ток отключающего элемента СПВ увеличится примерно в 1,5 раза по сравнению с величиной критического тока устройства прототипа и будет равен IC≈7000⋅1,5≈10500 А. Соответственно в ~1,5 раза увеличивается рабочий ток предлагаемого СПВ, величина которого составит IP≈6000⋅1,5≈9000 А.

Таким образом, в предлагаемом сверхпроводящем выключателе осуществляется повышение на ~50% рабочего тока, что увеличивает на ~50% номинальную коммутируемую мощность прибора, за счет ослабления индукции собственного магнитного поля у поверхности сверхпроводящей ленты внутри ее сгибов и уменьшения поперечной компоненты магнитного поля у краев ленты, что достигается размещением внутри сгибов ленты прокладок из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, отделенных от ленты изоляцией.

1. Сверхпроводящий выключатель, содержащий отключающий элемент, выполненный из сверхпроводящей ленты, уложенной зигзагообразно в пакет с изоляцией между слоями, отличающийся тем, что внутри сгибов ленты расположены прокладки из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, отделенные от ленты изоляцией.

2. Сверхпроводящий выключатель по п. 1, отличающийся тем, что прокладки выступают за края сверхпроводящей ленты.



 

Похожие патенты:

Использование: для создания устройств, содержащих материал с чрезвычайно низким сопротивлением. Сущность изобретения заключается в том, что устройства содержат компонент, сформированный по меньшей мере частично из модифицированного материала с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС), при этом модифицированный ЧНС-материал содержит ЧНС-материал с гранью и кристаллической структурой, причем эта грань параллельна a-оси кристаллической структуры, и модифицирующий материал, смежный с этой гранью ЧНС-материала.

Изобретение относится к области бесконтактных магнитных подшипников роторных механизмов, а конкретно к устройствам пассивного (статического) магнитного подвеса маховиков кинетических накопителей энергии (КНЭ).

Использование: для изготовления сверхпроводниковых датчиков излучения. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления сверхпроводящих многосекционных оптических детекторов, включающий формирование отдельных секций из сверхпроводящих нанопроводов, образующих рисунок в виде меандра, и сверхпроводящих соединительных проводов для соединения секций через токоограничители с контактными площадками, токоограничители формируют путем нанесения на сформированную структуру защитной резистивной маски, вскрытия в ней окон над отрезками соединительных проводов меандра с контактной площадкой и преобразованием их в несверхпроводящие за счет селективного изменения атомного состава воздействием пучка ускоренных частиц через защитную маску.

Использование: для сверхмалошумящего усиления слабых радиотехнических сигналов. Сущность изобретения заключается в том, что усиливающий сверхпроводящий метаматериал состоит из гальванически связанных элементарных ячеек, смещенных постоянным током и проявляющих эффект квантовой интерференции с участием двух или более джозефсоновских контактов, элементарные ячейки образуют в своей совокупности двухмерную равномерно распределенную в пространстве решетку, метаповерхность, а магнитное поле усиливаемого сигнала создается близко расположенной низкодобротной линией передачи, которая распределяет сигнал между всеми ячейками метаматериала.

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение эффективного охлаждения сверхпроводящего элемента при срабатывании токоограничивающего устройства.

Использование: для изготовления полупроводниковых изделий. Сущность изобретения заключается в том, что ограничитель мощности СВЧ включает электроды и емкостные элементы.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой сверхпроводящий быстродействующий размыкатель и может быть использовано для ввода и вывода энергии сверхпроводящих магнитных систем, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи.

Описан сверхпроводящий элемент, включающий жесткую подложку, изготовленную из несверхпроводящего материала, причем указанная подложка включает по меньшей мере одну сверхпроводящую дорожку, образованную канавкой, содержащей сверхпроводящий материал, плотность которого равна по меньшей мере 85% от значения его теоретической плотности, и описан способ изготовления указанного элемента.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при изготовлении сверхпроводящих изделий, в частности высокочастотных объемных резонаторов, волноводов, линий задержки и т.п.
Наверх