Вестник Военного инновационного технополиса «ЭРА», 2023, T. 4, № 3, стр. 290-293

ВВЕДЕНИЕ

Подвод тока к сверхпроводящим магнитным системам (СМС) обычно осуществляют с помощью проводников (токовводов), изготавливаемых из меди и латуни. Поскольку сверхпроводящие устройства работают при низких температурах (4–70 К) и практически не выделяют тепла, то основные энергетические потери возникают как за счет теплопроводности токовводов, так и за счет тепла, выделяемого в них при пропускании тока. Наиболее радикально снижение тепловыделения достигается с помощью индуктивных методов питания, характеризующихся отсутствием проводов для прямой передачи тока. Индуктивные методы имеют два явных преимущества. Во-первых, нет прямой электрической связи СМС с источником питания и, следовательно, связанных с этим потерь тепла. Во-вторых, хотя СМС может потреблять большой ток, он может производиться без использования сильноточных источников питания, которые являются громоздкими и дорогими.

Метод питания короткозамкнутого сверхпроводящего соленоида путем накачки магнитного потока известен довольно давно. В [1] была предложена накачка потока в соленоид из Nb–Zr-провода. Накачка потока осуществлялась вращением постоянного магнита вблизи сверхпроводящей ниобиевой полосы. Для магнитов из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) система с монопольным магнитным ротором описана в [2]. Основным недостатком устройства с вращающимся ротором являются механические элементы – ротор. Поэтому подобные конструкции проблематично использовать в жидких криагентах (гелий, водород, азот).

Различные методы питания, в том числе индуктивные, изложены в обзоре [3]. Насосы потока актуальны для СМС, изготовленных из ВТСП с неизолированной обмоткой, особенно при так называемом косвенном охлаждении, когда СМС находится в вакууме и охлаждается криокулером. В этом случае источник питания может иметь низкое напряжение, поскольку индуктивность сверхпроводящей обмотки шунтирована межвитковыми контактами меди. Насосы потока позволяют в полной мере реализовать высокую токопроводящую способность ВТСП, дешево и просто создавать легкие и мощные магниты, двигатели и генераторы.

В [4] предложено устройство для накачки потока с динамическим вращением магнитного поля в статоре трехфазного двигателя. В настоящей работе приведены результаты исследований подобного устройства, представлена модель, описывающая его работу.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Фотография устройства с динамическим вращением поля показана на рис. 1а. В статоре динамического поля (СДП) установлена трехслойная сверхпроводящая катушка из ленты ВТСП шириной 4 мм, имеющей изоляцию из каптона. Концы катушки припаяны к обмотке двойной рейстрековой галеты, которая выполнена из сверхпроводящей ленты, изготовленной в НИЦ “Курчатовский институт”. Обмотка галеты в отличие от катушки не имеет изоляции. В устройстве используется статор от шестиполюсного шагового двигателя ШД-5Д. Схематический чертеж статора показан на рис. 1б. Корпус статора (4) представляет собой толстостенный полый цилиндр из трансформаторной стали. Внутри цилиндра симметрично расположены три пары электромагнитов: 1–1 – обмотка магнита М1, 2–2 – обмотка магнита М2, 3–3 – обмотка магнита М3. Угол между осями магнитов 60°. Обмотки каждой пары магнитов включены последовательно так, чтобы при протекании тока они намагничивались в одном направлении. Обмотки магнитов присоединены через диоды к трехфазной сети по схеме “звезда”. Фазное напряжение составляло 5 В, частота 50 Гц. Фазы токов в катушках сдвинуты на 120°, что вызывает периодическое движение максимума поля от одного магнита к другому. Поскольку токи в обмотках текут только в одном направлении, то у трех магнитов периодически движется один полюс (северный), а у трех противоположных магнитов движется другой полюс (южный).

У полюсов среднего магнита М2 закреплена сверхпроводящая катушка (5), которая имеет три слоя изолированной сверхпроводящей ленты шириной 4 мм. Катушка (5) припаяна к ленточной неизолированной обмотке сверхпроводящей рейстрековой галеты. Движение магнитного поля поперек оси катушки вызывает небольшую постоянную составляющую напряжения 〈ε〉 на ее концах [3, 5]. Поскольку на противоположных частях магнитов всегда движутся разные полюса, напряжение на концах катушки (5) удваивается. Возникшее напряжение в замкнутой сверхпроводящей цепи вызывает рост постоянного тока в магните. Устройство накачки поля и рейстрек помещались в ванну с жидким азотом при T = 77 К, что обеспечивало сверхпроводимость катушки и рейстрека.

Эквивалентная схема динамической накачки потока изображена на рис. 2. СДП возбуждает ток в рейстреке с индуктивностью L. Из-за отсутствия изоляции индуктивность L определена только в сверхпроводящем состоянии, когда преобладают аксиальные токи. Обмотка рейстрека припаяна к катушке L_k в СДП, R₁ и R₂ – сопротивление контактов пайки, R_r – межвитковое сопротивление обмотки рейстрека. Последнее существенно при быстрых изменениях тока в цепи.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Параметры рейстрековой галеты с неизолированной обмоткой, которые трудно рассчитать, были предварительно измерены. Это индуктивность L и межвитковое сопротивление R_r, необходимые для анализа работы устройства. Измерения, проведенные при температуре азота Т = 77 К по алгоритму [6], дали следующие результаты: индуктивность (в сверхпроводящем состоянии) L = 5.9 мГн. Поскольку обмотка рейстрека не имеет изоляции, то его осевое магнитное поле, создаваемое аксиальным током, устанавливается за конечное время τ = 34.7 с. Это соответствует межвитковому сопротивлению R_r = 0.170 мОм. Фиксируя положение датчика Холла и измеряя установившийся в рейстреке ток (при $t \gg \tau $), можно точно определить соотношение показаний датчика Холла к величине аксиального тока, текущего по сверхпроводящему слою обмотки.

Эксперимент по накачке потока представлен на рис. 3. Показано изменение во времени тока в рейстреке (левая ось Y) и поля у рейстрека (правая ось Y). На начальном участке (до 630 с) включена динамическая накачка (трехфазная сеть), и наблюдается рост тока. Затем сеть выключается, и ток снижается (релаксирует) из-за конечного сопротивления спаянных контактов. Затухание тока в замкнутой цепи L_k и L (правая ветвь на рис. 3) хорошо описывается экспонентой I = I₀ exp(–λt), где затухание λ = (R₁ + R₂)/L = 5.63 × 10^–4 с^–1. Соответственно R₁ + R₂ = 3.3 мкОм. Индуктивность L_k не учитывается в силу ее малости (${{L}_{k}} \ll L$). Снижение тока происходит не только за счет потерь в R₁ и R₂, но и из-за межвиткового сопротивления –R_r и крипа [7]. Однако их влияние невелико и быстро исчезает, поскольку ${{R}_{1}} + {{R}_{2}} \ll {{R}_{r}}$.

В случае полной сверхпроводимости цепи очевидно, что максимальный ток в I_m ограничен критическим током сверхпроводящего слоя ленты. В цепи с сопротивлением паяных контактов (R₁ и R₂ как на рис. 2) скорость роста тока будет снижаться по мере увеличения тока. В начальный момент времени скорость роста тока V₀ пропорциональна вводимому за цикл потоку или усредненному ЭДС dI/dt = V₀ ~ 〈ε〉. Рост тока в цепи вызывает падение напряжения U на сопротивлениях спаев. Оно действует против ЭДС 〈ε〉 и снижает скорость накачки. Когда напряжение достигнет U = 〈ε〉, рост тока прекратится, имея максимальное значение I_m = 〈ε〉/(R₁ + R₂). В линейном приближении можно принять, что прирост тока будет dI/dt = α(I_m – I), где α = V₀/I_m.

С учетом релаксации тока общее уравнение тока в цепи на рис. 2 можно записать в виде

где α = V₀/I_m характеризует скорость накачки (роста тока), а λ – скорость релаксации (снижение тока). Межвитковое сопротивление R_r не влияет на величину тока в сверхпроводнике, а лишь задерживает его втекание, и им можно пренебречь. Учитывая, что в начальный момент I = 0, решение уравнения (1) имеет вид

Аппроксимируя восходящую (левую) ветвь зависимости на рис. 3 функцией (2), получили значение λ* = α + λ = 79.3 × 10^–4 с^–1. Вычитая измеренную выше скорость релаксации λ, получаем значение скорости накачки тока α = 73.7 × 10^–4 с^–1.

ВЫВОДЫ

Индуктивные, в том числе динамические, методы открывают возможность радикально снизить электрические потери, связанные с электрическими вводами. Описанный эксперимент демонстрирует применение динамически вращающегося трехфазного магнитного поля для питания сверхпроводящих систем с неизолированной обмоткой.

Авторы выражают благодарность Ю.Д. Куроедову и Д.С. Яшкину за техническую помощь.

Работа выполнена в рамках государственного задания НИЦ “Курчатовский институт”.