RU2749666C1 - Magnetic field generator - Google Patents
Magnetic field generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2749666C1 RU2749666C1 RU2020142803A RU2020142803A RU2749666C1 RU 2749666 C1 RU2749666 C1 RU 2749666C1 RU 2020142803 A RU2020142803 A RU 2020142803A RU 2020142803 A RU2020142803 A RU 2020142803A RU 2749666 C1 RU2749666 C1 RU 2749666C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- superconducting
- cryostat
- magnetic
- coil
- cable
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
- H01F6/04—Cooling
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
- H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к генераторам магнитного поля, в которых в качестве магнитов используются магниты на основе высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения (далее «ВТСП лент») и может найти применение в устройствах, для функционирования которых необходимо магнитное поле, например, в магнитоплазменных ракетных двигателях, плазмотронах, устройствах для магнитно-резонансной томографии, циклотронах для получения медицинских изотопов и др.The invention relates to magnetic field generators in which magnets are used as magnets based on high-temperature superconducting tapes of the second generation (hereinafter referred to as "HTSC tapes") and can be used in devices for the functioning of which a magnetic field is required, for example, in magnetoplasma rocket engines, plasmatrons , devices for magnetic resonance imaging, cyclotrons for obtaining medical isotopes, etc.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
В международной заявке WO2020005290 описан генератор магнитного поля, являющийся одним из узлов магнитоплазменного двигателя на основе эффекта Холла. Генератор включает внутренний направляющий элемент, проходящий в осевом направлении вдоль продольной оси до выпускного конца. Внешний направляющий элемент имеет поверхность, обращенную в радиальном направлении и радиально отстоящую от внутреннего направляющего элемента, и проходит параллельно продольной оси. Внутренний и внешний направляющие элементы выполнены из материала с высокой магнитной относительной проницаемостью. Магниты в источнике установлены между внутренним направляющим элементом и внешним направляющим элементами так, что во время работы магнитный момент распространяется в направлении от одного внутреннего направляющего элемента или внешнего направляющего элемента через узел магнитного источника к другому внутреннему направляющему или внешнему направляющему элементам.International application WO2020005290 describes a magnetic field generator, which is one of the units of a magnetoplasma engine based on the Hall effect. The generator includes an inner guide member extending axially along the longitudinal axis to the outlet end. The outer guide has a radially facing surface and is radially spaced from the inner guide and runs parallel to the longitudinal axis. The inner and outer guide elements are made of a material with a high magnetic relative permeability. The magnets in the source are mounted between the inner guide and the outer guides so that during operation the magnetic moment propagates in a direction from one inner guide or outer guide through the magnetic source assembly to the other inner guides or outer guides.
Как следует из материалов цитируемой заявки, данный источник создан для его применения в двигателях на основе эффекта Холла и других его применений не планируется. As follows from the materials of the cited application, this source was created for its use in engines based on the Hall effect and its other applications are not planned.
В настоящее время традиционная магнитная катушка обладает большим весом и габаритами и является чрезвычайно энергоемкой, а создаваемая напряженность магнитного поля такой катушки ограничена.Currently, a traditional magnetic coil is heavy and large and extremely energy intensive, and the magnetic field strength of such a coil is limited.
Сверхпроводящий магнит может значительно уменьшить объем и вес генератора магнитного поля и обеспечить более сильное магнитное поле при одновременном снижении энергопотребления.The superconducting magnet can greatly reduce the volume and weight of the magnetic field generator and provide a stronger magnetic field while reducing power consumption.
Под сверхпроводящим магнитом в уровне техники понимается электромагнит, образованный индукционными магнитными катушками из сверхпроводящего материала. In the prior art, a superconducting magnet is understood to mean an electromagnet formed by induction magnetic coils from a superconducting material.
Поскольку катушки магнита имеют нулевое сопротивление, сверхпроводящие магниты могут переносить высокие токи, практически, с нулевыми потерями и, следовательно, могут достигать высоких полей с меньшими потерями, чем обычные электромагниты. Since magnet coils have zero resistance, superconducting magnets can carry high currents with virtually zero loss and therefore can reach high fields with less loss than conventional electromagnets.
Сверхпроводящие магниты в настоящее время нашли широкое применение в генераторах магнитного поля для различных устройств.Superconducting magnets are now widely used in magnetic field generators for various devices.
Так, в патенте RU2693037 раскрывается сверхпроводящий магнит с криогенным термическим буфером, нашедший применение в системах магнитной томографии. Устройство сверхпроводящего магнита в соответствии с данным патентом включает, Thus, patent RU2693037 discloses a superconducting magnet with a cryogenic thermal buffer, which has found application in magnetic tomography systems. The superconducting magnet device according to this patent includes,
- по меньшей мере, одну катушечную обмотку из сверхпроводящего провода, обладающего критической температурой, сконфигурированную для генерирования статического магнитного поля B0, где, по меньшей мере, эта катушечная обмотка может быть выполнена с возможностью установления теплопроводящего контакта с холодной головкой криогенного охладителя, который сконфигурирован для приведения и поддержания данной катушечной обмотки при температуре ниже критической температуры, и- at least one coil winding of a superconducting wire having a critical temperature, configured to generate a static magnetic field B 0 , where at least this coil winding can be configured to establish heat conductive contact with the cold head of the cryogenic cooler, which is configured to drive and maintain a given coil winding below the critical temperature, and
- по меньшей мере, один газонепроницаемый контейнер, который постоянно содержит некоторое количество гелия в жидкостной изоляции, причем, по меньшей мере, один газонепроницаемый контейнер находится в теплопроводящем контакте с, по меньшей мере, одной катушечной обмоткой, для поглощения тепловой энергии от этой катушечной обмотки в рабочем состоянии.- at least one gastight container that permanently contains a certain amount of helium in liquid insulation, and at least one gastight container is in thermally conductive contact with at least one coil winding to absorb thermal energy from this coil winding in working order.
Как следует из формулы и описания данного патента, катушечные обмотки для создания рабочей температуры размещают не в криостате с криогенной жидкостью, а в непосредственном контакте с криокуллером, что позволяет обеспечить получение бескриогенного сверхпроводящего магнита с повышенной способностью к термической буферизации при криогенных температурах. As follows from the formula and description of this patent, to create the operating temperature, the coil windings are placed not in a cryostat with a cryogenic liquid, but in direct contact with a cryocooler, which makes it possible to obtain a cryogenic superconducting magnet with an increased ability to thermal buffering at cryogenic temperatures.
Наиболее близкое техническое решение раскрывается в CN110111967 (A). The closest technical solution is disclosed in CN110111967 (A).
В документе описан генератор магнитного поля для магнитно-плазменных двигателей.The document describes a magnetic field generator for magnetic plasma thrusters.
Генератор включает в себя сверхпроводящую катушку, первый компрессионный холодильник, второй компрессионный холодильник, адаптер, теплопроводный лист и холодильную камеру. Первый компрессионный холодильник соединен с адаптером через теплопроводный лист и охлаждает адаптер.The generator includes a superconducting coil, a first compression cooler, a second compression cooler, an adapter, a heat-conducting sheet, and a refrigeration chamber. The first compression cooler is connected to the adapter through a heat transfer sheet and cools the adapter.
Второй компрессионный холодильник соединен со сверхпроводящей катушкой через теплопроводящий лист и охлаждает ее, т.е. оба компрессионных холодильника, по существу, выполняют функции криокулера. При этом, сверхпроводящая катушка размещена в холодильной камере, а адаптер соединяет сверхпроводящую катушку с кабелем для подачи постоянного тока. The second compression cooler is connected to the superconducting coil through a heat-conducting sheet and cools it, i. E. both compression coolers essentially function as a cryocooler. In this case, the superconducting coil is housed in the refrigerating chamber, and the adapter connects the superconducting coil to the DC cable.
Как следует из описания патента, изобретение позволяет достичь следующих преимуществ: генератор магнитного поля имеет небольшой размер, легкий вес и низкое энергопотребление. Такой генератор может найти применение в магнитоплазменных двигателях и способствует повышению тяговых характеристик двигателей малой тяги.As follows from the description of the patent, the invention achieves the following advantages: the magnetic field generator has a small size, light weight and low power consumption. Such a generator can be used in magnetoplasma engines and contributes to an increase in the traction characteristics of low-thrust engines.
Однако, на наш взгляд, цитируемые известные технические решения обладают следующими недостатками.However, in our opinion, the cited known technical solutions have the following disadvantages.
В патентах RU2693037 и CN110111967 для охлаждения сверхпроводящих магнитов используют криокулеры, под которыми в уровне техники понимают холодильные машины, работающие на основе термодинамического цикла по производству криогенных температур. In patents RU2693037 and CN110111967, cryocoolers are used to cool superconducting magnets, by which in the prior art are meant refrigerating machines operating on the basis of a thermodynamic cycle for the production of cryogenic temperatures.
Использование криокулера подразумевает локальное охлаждение сверхпроводящих магнитов до температур ниже критических через головку криокулера (RU2693037) или через теплопроводный лист, связанный с криокулером (CN110111967), что может привести к возникновению в сверхпроводящих магнитах локальных перегревов за счет большой длины сверхпроводящей ленты в катушке электромагнита. В местах перегревов значения температуры будут выше критических значений, а, следовательно, возможен локальный переход из сверхпроводящего состояния в состояние обычной проводимости, что крайне отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах генератора и вызывать отказы в работе электромагнита или полный его выход из строя. The use of a cryocooler implies local cooling of superconducting magnets to temperatures below critical through the cryocooler head (RU2693037) or through a heat-conducting sheet connected to the cryocooler (CN110111967), which can lead to local overheating in superconducting magnets due to the long length of the superconducting tape in the electromagnet coil. In places of overheating, the temperature values will be higher than the critical values, and, therefore, a local transition from the superconducting state to the state of ordinary conductivity is possible, which has an extremely negative effect on the operational properties of the generator and cause failures in the operation of the electromagnet or its complete failure.
В патенте CN110111967 также производится охлаждение не только самого сверхпроводящего магнита, но и охлаждение адаптера, соединяющего сверхпроводящую катушку с кабелем от внешнего источника электрической энергии, которое также осуществляется криокулером через теплопроводный лист, что, с одной стороны, может привести к локальным перегревам и переходу из сверхпроводящего состояния в состояние обычной проводимости, а с другой – значительно усложняет конструкцию генератора внешнего магнитного поля. In patent CN110111967, not only the superconducting magnet itself is cooled, but also the adapter connecting the superconducting coil to the cable from an external source of electrical energy is cooled, which is also carried out by a cryocooler through a heat-conducting sheet, which, on the one hand, can lead to local overheating and transition from superconducting state into a state of ordinary conductivity, and on the other, it significantly complicates the design of an external magnetic field generator.
В китайском патенте, к сожалению, нет сведений о том, какой кабель используется для подключения к источнику – сверхпроводящий или обычный, однако, в случае подсоединения сверхпроводящего кабеля к сверхпроводящему магниту все эти проблемы только усугубятся: если в качестве элементов сверхпроводящего кабеля и сверхпроводящих индукционных катушек использовать ВТСП ленты, то соединение каждой ленты кабеля и каждой ВТСП ленты катушки через адаптер сделает конструкцию очень громоздкой, охлаждение места соединения кабеля и магнитной катушки криокулером через теплопроводный лист будет затруднено и локальные перегревы, приводящие к потере сверхпроводимости, станет контролировать еще труднее. Применение для соединения пайки или обжима также сделает место контакта в этих соединениях очень чувствительным к перегреву. In the Chinese patent, unfortunately, there is no information about which cable is used to connect to the source - superconducting or ordinary, however, if a superconducting cable is connected to a superconducting magnet, all these problems will only worsen: if as elements of a superconducting cable and superconducting induction coils If HTSC tapes are used, then the connection of each tape of the cable and each HTSC tape of the coil through the adapter will make the design very cumbersome, cooling the junction of the cable and the magnetic coil with a cryocooler through the heat-conducting sheet will be difficult and local overheating leading to the loss of superconductivity will become even more difficult to control. Soldering or crimping the joint will also make the contact point in these joints very sensitive to overheating.
Таким образом, к недостаткам известных технических решений можно отнести возможность локальных перегревов, связанных с использованием криокулеров для охлаждения до температур сверхпроводимости, приводящих к переходу из сверхпроводящего состояния в состояние обычной проводимости, что представляет определенные технические проблемы для создания генераторов магнитного поля для различных применений. Thus, the disadvantages of the known technical solutions include the possibility of local overheating associated with the use of cryocoolers for cooling to superconducting temperatures, leading to a transition from a superconducting state to a state of ordinary conductivity, which presents certain technical problems for creating magnetic field generators for various applications.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION
Задачей изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, а именно, создание генератора магнитного поля с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет обеспечения охлаждения до криогенных температур без локальных перегревов, приводящих к потере сверхпроводимости, а также за счет размещения мест соединения сверхпроводящей ВТСП ленты кабеля с ВТСП лентой сверхпроводящих магнитных катушек в криогенной циркулирующей среде и их качественного охлаждения. The objective of the invention is to eliminate the above disadvantages, namely, to create a magnetic field generator with improved operational characteristics by providing cooling to cryogenic temperatures without local overheating, leading to a loss of superconductivity, as well as by locating the junction points of the superconducting HTSC cable tape with the HTSC tape of superconducting magnetic coils in a cryogenic circulating environment and their high-quality cooling.
Другие поставленные задачи станут понятны из дальнейшего описания.Other assigned tasks will become clear from the further description.
Поставленная задача решается генератором магнитного поля, содержащим криостат с патрубками для ввода и вывода криогенной жидкости, по меньшей мере, одну сверхпроводящую магнитную катушку, размещенную в криостате и подключенную к источнику напряжения посредством сверхпроводящего кабеля и паяное соединение сверхпроводящего кабеля со сверхпроводящей магнитной катушкой, в котором криостат представляет собой герметичный объем, ограниченный стенками в виде внутреннего и внешнего цилиндров и торцевыми стенками, соединяющими внутренний и внешний цилиндры, причем продольная ось внутреннего цилиндра смещена относительно продольной оси внешнего цилиндра и параллельна этой оси, сверхпроводящая катушка размещена в криостате по периферии внутреннего цилиндра, упомянутое паяное соединение размещено в части криостата, не занятой сверхпроводящей магнитной катушкой, при этом, сверхпроводящая магнитная катушка и сверхпроводящий кабель выполнены из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения. The problem is solved by a magnetic field generator containing a cryostat with nozzles for input and output of a cryogenic liquid, at least one superconducting magnetic coil located in the cryostat and connected to a voltage source via a superconducting cable and a soldered connection of a superconducting cable with a superconducting magnetic coil, in which the cryostat is a sealed volume bounded by walls in the form of inner and outer cylinders and end walls connecting the inner and outer cylinders, and the longitudinal axis of the inner cylinder is displaced relative to the longitudinal axis of the outer cylinder and parallel to this axis, the superconducting coil is placed in the cryostat along the periphery of the inner cylinder, said solder joint is placed in the part of the cryostat not occupied by the superconducting magnetic coil, while the superconducting magnetic coil and the superconducting cable are made of high-temperature superconducting tapes of the second generation and I.
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается генератором, в криостате которого по периферии внутреннего цилиндра размещены несколько сверхпроводящих магнитных катушек, установленных одна на другую и отделенных друг от друга посредством электроизоляционных прокладок.In particular embodiments of the invention, the set problem is solved by a generator, in the cryostat of which, along the periphery of the inner cylinder, several superconducting magnetic coils are placed, mounted one on top of the other and separated from each other by means of electrical insulating spacers.
В частных воплощениях генератора магнитного поля сверхпроводящий кабель пропущен через патрубок для вывода криогенной жидкости.In particular embodiments of the magnetic field generator, a superconducting cable is passed through a branch pipe for withdrawing a cryogenic liquid.
Патрубок для ввода криогенной среды в генераторе может быть выполнен с коленом, размещенным в криостате.The branch pipe for introducing the cryogenic medium into the generator can be made with an elbow located in the cryostat.
Паяное соединение сверхпроводящей катушки и сверхпроводящего кабеля в генераторе в частных воплощениях может представлять собой, слоистые структуры, каждая из которых включает, по меньшей мере, одну высокотемпературную сверхпроводящую ленту второго поколения кабеля и, по меньшей мере, одну высокотемпературную сверхпроводящую ленту второго поколения магнитной сверхпроводящей катушки.The soldered connection of the superconducting coil and the superconducting cable in the generator in particular embodiments can be layered structures, each of which includes at least one high-temperature superconducting tape of the second generation of the cable and at least one high-temperature superconducting tape of the second generation of the magnetic superconducting coil ...
В этом случае паяное соединение может быть размещено между фиксирующими элементами. In this case, a soldered joint can be placed between the fixing elements.
Криостат генератора может быть выполнен с двойными стенками с размещенной между упомянутыми стенками теплоизолирующей средой.The cryostat of the generator can be made with double walls with a heat-insulating medium placed between the said walls.
В этом случае теплоизолирующей средой может быть разряженный воздух.In this case, the discharged air can be the heat-insulating medium.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS.
На фиг. 1 приведен общий вид генератора магнитного поляFIG. 1 shows a general view of the magnetic field generator
На фиг. 2 приведена схема паяного соединения FIG. 2 shows a diagram of a soldered connection
На фиг 3 приведен профиль распределения магнитного поля созданного магнитного генератора на основе ВТСП-лент.Figure 3 shows the profile of the magnetic field distribution of the created magnetic generator based on HTSC tapes.
Позиции на чертеже означают следующееPositions in the drawing mean the following
1. Криостат1. Cryostat
2. Магнитная сверхпроводящая катушка2. Magnetic superconducting coil
3. Сверхпроводящий кабель3. Superconducting cable
4. ВТСП лента: 41 – ВТСП лента, из которой выполнен кабель, 42 – ВТСП лента, из которой выполнена магнитная катушка4. HTSC tape: 4 1 - HTSC tape from which the cable is made, 4 2 - HTSC tape from which the magnetic coil is made
5. Паяное соединение5. Soldered connection
6. Внутренний цилиндр криостата6. Inner cylinder of the cryostat
7. Внешний цилиндр криостата7. Outer cylinder of the cryostat
8. Торцевые стенки8. End walls
9. Сквозной канал9. Through channel
10. Патрубок ввода криогенной жидкости10. Branch pipe for inlet of cryogenic liquid
11. Патрубок вывода криогенной жидкости11. Branch pipe for withdrawal of cryogenic liquid
12. Электроизоляционная прокладка 12. Electrical insulating gasket
13. Соединяющая шайба13. Connecting washer
14. Колено патрубка ввода криогенной жидкости14. Elbow of the cryogenic liquid inlet pipe
15. Нижний фиксирующий элемент15. Lower fixing element
16. Верхний фиксирующий элемент16. Upper fixing element
17. Опорный элемент17. Support element
Сущность изобретения состоит в следующем.The essence of the invention is as follows.
Для решения поставленной задачи изобретения был выполнен генератор магнитного поля, который может быть использован для различных применений, например, для создания магнитного ускоряющего поля торцевых холловских двигателей или создания сильного магнитного поля для устройств магнитно-резонансной томографии и т.д.To solve the problem of the invention, a magnetic field generator was made, which can be used for various applications, for example, for creating a magnetic accelerating field of end-face Hall motors or creating a strong magnetic field for magnetic resonance imaging devices, etc.
Генератор магнитного поля (см. фиг. 1) в соответствии с изобретением включает криостат (1) с установленными внутри сверхпроводящими магнитными катушками (2), подключенными к источнику напряжения через сверхпроводящий кабель (3). Все сверхпроводящие элементы магнитных катушек (2) и кабеля (3) в генераторе выполнены из ВТСП лент второго поколения (41) и (42). Подсоединение ВТСП лент (41) сверхпроводящих катушек (2) к ВТСП лентам (42) сверхпроводящего кабеля (3) выполнено в виде паяного соединения (5). Под ВТСП лентами второго поколения в уровне техники понимаются многослойные структуры на гибких металлических лентах-подложках. В качестве сверхпроводящего слоя в таких многослойных структурах используют химическое соединение YBa2Cu3O7(YBCO). Также применяются схожие с YBCO материалы, в которых иттрий заменён иным редкоземельным элементом, например, гадолинием.The magnetic field generator (see Fig. 1) in accordance with the invention includes a cryostat (1) with superconducting magnetic coils (2) installed inside, connected to a voltage source via a superconducting cable (3). All superconducting elements of the magnetic coils (2) and cable (3) in the generator are made of HTSC tapes of the second generation (4 1 ) and (4 2 ). The connection of the HTSC tapes (4 1 ) of the superconducting coils (2) to the HTSC tapes (4 2 ) of the superconducting cable (3) is made in the form of a soldered joint (5). In the prior art, second generation HTSC tapes are understood to mean multilayer structures on flexible metal substrate tapes. The chemical compound YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO) is used as a superconducting layer in such multilayer structures. Materials similar to YBCO are also used, in which yttrium is replaced by another rare earth element, for example, gadolinium.
Преимущества сверхпроводящих магнитных катушек, выполненных из ВТСП лент второго поколения перед классическими медными катушками очевидны – электромагнит на основе сверхпроводника имеет несопоставимо меньший расход электроэнергии и в разы компактнее и легче своих медных аналогов.The advantages of superconducting magnetic coils made of second-generation HTSC tapes over classical copper coils are obvious - an electromagnet based on a superconductor has an incomparably lower power consumption and is many times more compact and lighter than its copper counterparts.
Криостат (1) представляет собой герметичный объем (термин «объем» авторами изобретения трактуется как «трехмерное тело», см. https://kartaslov.ru/значение-слова/объём), ограниченный стенками в виде внутреннего (6) и внешнего (7) цилиндров и торцевыми стенками (8), соединяющими внутренний и внешний цилиндры (6, 7). The cryostat (1) is a sealed volume (the term “volume” is interpreted by the authors of the invention as a “three-dimensional body”, see https://kartaslov.ru/ meaning- word / volume), bounded by walls in the form of internal (6) and external ( 7) cylinders and end walls (8) connecting the inner and outer cylinders (6, 7).
Криостат устроен таким образом, что продольная ось внутреннего цилиндра (6) смещена относительно продольной оси внешнего цилиндра (7) и параллельна этой оси. Такое смещение осей позволяет разместить сверхпроводящие магнитные катушки (2) по периферии внутреннего цилиндра (6). Ранее упоминавшееся паяное соединение (5), соединяющее ВТСП ленты (41) сверхпроводящих катушек (2) и ВТСП ленты (42) кабеля (3) размещено в оставшейся части внутреннего объема криостата (1), не занятой сверхпроводящими магнитными катушками. Внутренний цилиндр (6) образует сквозной канал (9), который в случае использования заявленного генератора в торцевых двигателях выполняет функции выпускного канала для плазмы. Сквозной канал (9) может быть масштабируем или несущественно изменен под другие задачи, например, для использования в плазмотронах, устройствах для магнитно-резонансной томографии, циклотронах для получения медицинских изотопов и т.д.The cryostat is designed in such a way that the longitudinal axis of the inner cylinder (6) is offset relative to the longitudinal axis of the outer cylinder (7) and is parallel to this axis. This displacement of the axes makes it possible to place superconducting magnetic coils (2) around the periphery of the inner cylinder (6). The previously mentioned solder joint (5) connecting the HTSC tapes (4 1 ) of the superconducting coils (2) and the HTSC tape (4 2 ) of the cable (3) is located in the remaining part of the cryostat internal volume (1), not occupied by the superconducting magnetic coils. The inner cylinder (6) forms a through channel (9), which, in the case of using the claimed generator in end motors, serves as an outlet channel for the plasma. The through channel (9) can be scalable or insignificantly changed for other tasks, for example, for use in plasmatrons, devices for magnetic resonance imaging, cyclotrons for obtaining medical isotopes, etc.
Для подвода в криостат и вывода из него криогенной жидкости, криостат снабжен патрубками для ввода (10) и вывода (11) криогенной жидкости. For inlet and outlet of cryogenic liquid to and from the cryostat, the cryostat is equipped with branch pipes for inlet (10) and outlet (11) of cryogenic liquid.
Данное строение криостата (1) позволяет плавно подвести кабель (3) к катушке (2) таким образом, чтобы ВТСП ленты (41) катушки и (42) кабеля были параллельны друг другу без изгибов под острым углом, создающих напряжения в ВТСП ленте, которые приводят к ее деградации. This structure of the cryostat (1) allows you to smoothly bring the cable (3) to the coil (2) so that the HTSC tape (4 1 ) coils and (4 2 ) cables are parallel to each other without bends at an acute angle that create stresses in the HTSC tape that lead to its degradation.
Магнитные сверхпроводящие катушки (2) образуют магнитную систему. ВТСП ленты (42) в катушке (2) намотаны в двух противоположных направлениях. Катушки (2) разделены электроизоляционными прокладками (12), выполненными, например, из текстолита, обеспечивающими изоляцию друг от друга и от криостата. Текстолитовые электроизоляционные прокладки (12) между собой соединяются продолговатыми соединяющими шайбами (13) для обеспечения фиксации положения прокладок относительно друг друга, а также ВТСП катушки (2) между ними. Magnetic superconducting coils (2) form a magnetic system. HTSC tapes (4 2 ) in a coil (2) are wound in two opposite directions. The coils (2) are separated by electrical insulating spacers (12), made, for example, of textolite, providing insulation from each other and from the cryostat. Textolite electrical insulating gaskets (12) are interconnected by elongated connecting washers (13) to ensure fixing the position of the gaskets relative to each other, as well as the HTSC coil (2) between them.
В предпочтительном варианте изобретения используется не одна сверхпроводящая катушка (2), а несколько.In a preferred embodiment of the invention, more than one superconducting coil (2) is used, but several.
Использование сверхпроводящего кабеля (3) для подвода электроэнергии к генератору магнитного поля вместо традиционного позволяет избежать тепловых потерь в подводящем кабеле, а также сводит сопротивление подвода тока к абсолютному минимуму, что дает возможность создания минимального напряжения для задания и поддержания тока в генераторе магнитного поля на необходимом для проведения испытаний и работ уровне.The use of a superconducting cable (3) to supply electricity to the magnetic field generator instead of the traditional one allows avoiding heat losses in the supply cable, and also reduces the resistance of the current supply to an absolute minimum, which makes it possible to create a minimum voltage for setting and maintaining the current in the magnetic field generator at the required for testing and work level.
Сверхпроводящий кабель (3) в оптимальных воплощениях изобретения может быть введен в криостат через патрубок вывода криогенной жидкости (11).The superconducting cable (3) in the optimal embodiments of the invention can be introduced into the cryostat through the cryogenic liquid outlet (11).
В некоторых случаях воплощения изобретения был использован патрубок (10) ввода криогенной жидкости с коленом (14) (см. фиг. 2). Такое колено служит для направления потока криогенной жидкости на паяное соединение сверхпроводящего кабеля со сверхпроводящим электромагнитом.In some embodiments of the invention, a cryogenic liquid inlet pipe (10) with an elbow (14) was used (see Fig. 2). This elbow serves to direct the flow of the cryogenic liquid to the soldered joint of the superconducting cable with the superconducting electromagnet.
Паяное соединение (5) сверхпроводящей катушки (2) (фиг. 2) и сверхпроводящего кабеля (3) представляет собой слоистые структуры, полученные пайкой ВТСП лент (4). Каждая такая структура включает, по меньшей мере, одну ВТСП ленту (41) второго поколения кабеля (3) и по меньшей мере одну ВТСП ленту (42) второго поколения магнитной сверхпроводящей катушки (2). The soldered joint (5) of the superconducting coil (2) (Fig. 2) and the superconducting cable (3) are layered structures obtained by soldering HTSC tapes (4). Each such structure includes at least one HTSC tape (4 1 ) of the second generation of the cable (3) and at least one HTSC tape (4 2 ) of the second generation of the magnetic superconducting coil (2).
В частных воплощениях изобретения паяное соединение (5) может содержать дополнительные элементы, которые обеспечивают жесткость паяного соединения и другие преимущества, реализуемые при получении паяного соединения (см. ниже). Например, паяное соединение может быть размещено между двумя фиксирующими элементами – нижним (15) и верхним (16). Фиксирующие элементы (15, 16) жестко закреплены на массивных опорных элементах (17), которые, в свою очередь, прикреплены к электроизоляционным прокладкам (12). Оба фиксирующих элемента (15, 16) выполнены в виде луженых пластин, они скрепляют заготовку под пайку при помощи винтов и служат для равномерного распределения точечного давления от винтов по всей площади контакта.In particular embodiments of the invention, the brazed joint (5) may contain additional elements that provide the rigidity of the brazed joint and other advantages that are realized in obtaining the brazed joint (see below). For example, a solder joint can be placed between two fixing elements - the lower (15) and the upper (16). The fixing elements (15, 16) are rigidly fixed on massive support elements (17), which, in turn, are attached to the electrical insulating gaskets (12). Both fixing elements (15, 16) are made in the form of tin-plated plates, they fasten the workpiece for soldering with screws and serve to evenly distribute the point pressure from the screws over the entire contact area.
В некоторых воплощениях изобретения криостат (1) может быть выполнен с двойными стенками, между которыми размещена теплоизолирующая среда, в качестве которой может быть использован, например, разряженный воздух. Это улучшит теплоизоляцию криостата, а, следовательно, и эксплуатационные характеристики заявленного генератора магнитного поля во всех случаях, хотя для некоторых воплощений изобретения, например, при использовании заявленного генератора в лабораторном двигателе авторы изобретения использовали генератор магнитного поля с криостатом с одинарной стенкой.In some embodiments of the invention, the cryostat (1) can be made with double walls, between which there is a heat-insulating medium, which can be used, for example, rarefied air. This will improve the thermal insulation of the cryostat, and hence the performance of the claimed magnetic field generator in all cases, although for some embodiments of the invention, for example, when using the claimed generator in a laboratory engine, the inventors used a single wall cryostat magnetic field generator.
Магнитный генератор изготавливали следующим образом.The magnetic generator was manufactured as follows.
К одной из торцевых стенок (8) криостата (1) аргоновой сваркой приваривали патрубки ввода (10) и вывода (11) жидкого азота. Патрубки ввода (10) и вывода (11) жидкого азота соединяли с рукавами подачи и слива жидкого азота (не показаны) которые были связаны с баками подачи и приема циркулирующего жидкого азота (не показаны). К торцевой стенке основанию криостата точной лазерной сваркой приваривали листы нержавеющей стали для создания стенки криостата в виде внутреннего цилиндра (6). По периферии внутреннего цилиндра (6) криостата (1) монтировали магнитную систему.To one of the end walls (8) of the cryostat (1), the branch pipes of the inlet (10) and outlet (11) of liquid nitrogen were welded by argon welding. The inlet (10) and outlet (11) branch pipes of liquid nitrogen were connected to the liquid nitrogen supply and discharge hoses (not shown), which were connected to the tanks for supplying and receiving circulating liquid nitrogen (not shown). Stainless steel sheets were welded to the end wall of the cryostat base by precise laser welding to create the cryostat wall in the form of an inner cylinder (6). A magnetic system was mounted on the periphery of the inner cylinder (6) of the cryostat (1).
Для этого в патрубок вывода (11) жидкого азота продевали сверхпроводящий кабель (3), который фиксировали внутри криостата на формирующем прямолинейную форму кабеля стержне. От сверхпроводящего кабеля ответвлялись фазы кабеля в виде ВТСП лент (41), готовые к присоединению к ВТСП лентам (42) сверхпроводящих магнитных катушек (2). Ширина ВТСП лент в магнитной катушке (42) составляла 12 мм, ширина ответвляемых лент кабеля (41) составляла 4 мм.For this, a superconducting cable (3) was threaded into the liquid nitrogen outlet (11), which was fixed inside the cryostat on a rod forming a straight cable shape. The phases of the cable were branched off from the superconducting cable in the form of HTSC tapes (4 1 ), ready to be connected to the HTSC tapes (4 2 ) of superconducting magnetic coils (2). The width of the HTSC tapes in the magnetic coil (4 2 ) was 12 mm, the width of the branched cable tapes (4 1 ) was 4 mm.
Четыре сверхпроводящие катушки (2) формировали магнитную систему, где каждая из катушек состояла из 200 оборотов 12-мм ВТСП ленты (42), намотанной в двух противоположных направлениях. Катушки (2) защищали электроизоляционными прокладками (12), выполненными из текстолита. Прокладки (12) соединяли между собой продолговатыми соединяющими шайбами (13).Four superconducting coils (2) formed a magnetic system, where each of the coils consisted of 200 turns of a 12 mm HTSC tape (4 2 ) wound in two opposite directions. The coils (2) were protected with electrical insulating spacers (12) made of PCB. Spacers (12) were connected together by elongated connecting washers (13).
Для образования паяного соединения концы ВТСП-лент (41 и 42) покрывали припоем.To form a soldered joint, the ends of the HTSC tapes (4 1 and 4 2 ) were covered with solder.
К электроизоляционным прокладкам (12) прикрепляли массивные опорные элементы (17). На опорном элементе устанавливали нижний фиксирующий элемент (15), представляющий собой луженую медную пластину. На пластину укладывали 12-мм ВТСП ленту (42). На 12-мм ленту электромагнита укладывали 4-мм ленты кабеля (41) в положении, котором они будут соединяться пайкой. Затем сверху на заготовку укладывали верхний фиксирующий элемент (16), выполненный точно также, как и нижний. Заготовку под пайку фиксировали между элементов (15, 16) винтами. Далее все элементы прогревали через массивный опорный медный элемент (17). По мере прогревания и расплавления припоя между ВТСП лентами магнита и кабеля (41, 42) фиксирующие элементы (15, 16) с помощью винтов поджимали для выхода лишнего припоя из места пайки, обеспечения более равномерного контакта поверхностей лент и достижения максимальной площади контакта рабочих поверхностей. Massive support elements (17) were attached to the electrical insulating spacers (12). The lower fixing element (15), which is a tinned copper plate, was installed on the support element. A 12-mm HTSC tape (4 2 ) was laid on the plate. On a 12 mm electromagnet strip, 4 mm cable strips (4 1 ) were laid in the position where they would be soldered together. Then, on top of the blank, the upper fixing element (16) was placed, made in the same way as the lower one. The workpiece for soldering was fixed between the elements (15, 16) with screws. Then all the elements were heated through a massive support copper element (17). As the solder warmed up and melted between the HTSC tapes of the magnet and the cable (4 1 , 4 2 ), the fixing elements (15, 16) were pressed with screws to release excess solder from the soldering point, ensure a more uniform contact of the tape surfaces and achieve the maximum contact area of the working surfaces.
Далее точной лазерной сваркой приваривали стенку криостата (1) в виде внешнего цилиндра (7). Затем сверху к внутреннему (6) и внешнему (7) цилиндрам точной лазерной сваркой приваривали вторую торцевую стенку (8) криостата для завершения формирования объема внутри криостата.Next, the cryostat wall (1) in the form of an outer cylinder (7) was welded by precise laser welding. Then, the second end wall (8) of the cryostat was welded from above to the inner (6) and outer (7) cylinders by precise laser welding to complete the formation of the volume inside the cryostat.
На фиг. 3 приведен профиль распределения магнитного поля, созданного магнитным генератором на основе ВТСП-лент в зависимости от положения датчика Холла внутри сквозного канала криостата. FIG. 3 shows the profile of the distribution of the magnetic field created by the magnetic generator based on HTSC tapes depending on the position of the Hall sensor inside the through channel of the cryostat.
Как следует из данного рисунка, заявленный генератор имеет сильное магнитное поле, при малых габаритах самого электромагнита, что позволяет, например, качественно ускорять частицы потока плазмы реактивной струи электрического ракетного двигателя. Магнитное поле достигает значений 1 Тл. Особо следует уделить внимание, что заявленный генератор имеет также высокий градиент магнитного поля, что дает особые преимущественные свойства данному электромагниту, например, для более эффективного ускорения потока частиц плазмы реактивной струи электрического ракетного двигателя.As follows from this figure, the claimed generator has a strong magnetic field, with the small dimensions of the electromagnet itself, which makes it possible, for example, to qualitatively accelerate the particles of the plasma flow of the jet stream of an electric rocket engine. The magnetic field reaches values of 1 T. Particular attention should be paid to the fact that the claimed generator also has a high gradient of the magnetic field, which gives special advantageous properties to this electromagnet, for example, for more efficient acceleration of the flow of plasma particles of the jet stream of an electric rocket engine.
Кроме того, преимуществом заявленного ВТСП магнитного генератора по сравнению с классическими аналогами является существенно меньшее энергопотребление, а его вес и габариты значительно меньше веса и габаритов существующих аналогов с медными проводами.In addition, the advantage of the declared HTSC magnetic generator in comparison with classical analogs is significantly lower power consumption, and its weight and dimensions are significantly less than the weight and dimensions of existing analogs with copper wires.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020142803A RU2749666C1 (en) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | Magnetic field generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020142803A RU2749666C1 (en) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | Magnetic field generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2749666C1 true RU2749666C1 (en) | 2021-06-16 |
Family
ID=76377495
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020142803A RU2749666C1 (en) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | Magnetic field generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2749666C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2815412C1 (en) * | 2023-03-22 | 2024-03-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Device with dynamic field rotation for power superconducting systems |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5765989A (en) * | 1994-05-20 | 1998-06-16 | Man Roland Druckmaschinen Ag | Method and apparatus for the automatic provision of a sheet stack for a printing machine |
| RU2693037C2 (en) * | 2014-09-09 | 2019-07-01 | Конинклейке Филипс Н.В. | Superconducting magnet with cryogenic thermal buffer |
| CN110111967A (en) * | 2019-04-19 | 2019-08-09 | 上海空间推进研究所 | High-temperature superconductor externally-applied magnetic field generator and its cool-down method for AF-MPDT |
| WO2020005290A1 (en) * | 2018-06-29 | 2020-01-02 | Orbion Space Technology, Inc. | Magnetic field source for hall-effect thruster |
-
2020
- 2020-12-24 RU RU2020142803A patent/RU2749666C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5765989A (en) * | 1994-05-20 | 1998-06-16 | Man Roland Druckmaschinen Ag | Method and apparatus for the automatic provision of a sheet stack for a printing machine |
| RU2693037C2 (en) * | 2014-09-09 | 2019-07-01 | Конинклейке Филипс Н.В. | Superconducting magnet with cryogenic thermal buffer |
| WO2020005290A1 (en) * | 2018-06-29 | 2020-01-02 | Orbion Space Technology, Inc. | Magnetic field source for hall-effect thruster |
| CN110111967A (en) * | 2019-04-19 | 2019-08-09 | 上海空间推进研究所 | High-temperature superconductor externally-applied magnetic field generator and its cool-down method for AF-MPDT |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2815412C1 (en) * | 2023-03-22 | 2024-03-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Device with dynamic field rotation for power superconducting systems |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6412289B1 (en) | Synchronous machine having cryogenic gas transfer coupling to rotor with super-conducting coils | |
| EP0209134B1 (en) | Forced flow cooling-type superconducting coil apparatus | |
| EP0825706B1 (en) | Cooling arrangement for a superconducting coil | |
| US9070494B2 (en) | Fixation structure of superconducting cable and fixation structure of superconducting cable line | |
| JP5448296B2 (en) | Tubular electrical machine | |
| Mito et al. | Achievement of high heat removal characteristics of superconducting magnets with imbedded oscillating heat pipes | |
| EP2390884B1 (en) | Superconducting magnetizer | |
| US6112527A (en) | Apparatus for delivering current to a cooled electrical device | |
| US7928321B2 (en) | Current lead for superconducting apparatus | |
| Zhu et al. | Thermal loss analysis, design, and test of a novel HTS magnet system for the double-stator field-modulation HTS electrical machine | |
| US7272938B2 (en) | Superconducting device with a cold head of a refrigeration unit with a thermosyphon effect thermally coupled to a rotating superconducting winding | |
| US20200076260A1 (en) | Machine coil for an electric machine | |
| RU2749666C1 (en) | Magnetic field generator | |
| CN116206847A (en) | Cooling system and superconducting magnet system | |
| JPS61179508A (en) | Forced cooling superconductive coil device | |
| Singh et al. | Conceptual design of a high temperature superconducting generator | |
| KR101417508B1 (en) | Super conducting electric power generation system | |
| Liu et al. | A Miniaturized Conduction-Cooled HTS Magnet for Space Magnetoelectric Thruster | |
| Kellers et al. | Development of HTS linear motors for industry | |
| EP4447282A1 (en) | Apparatus | |
| TR2024000282A2 (en) | OVAL CORE CONDUCTOR CABLE | |
| CN117831886A (en) | Low-temperature heat exchange framework facing superconducting magnet | |
| Cheadle et al. | Design of a cryogenic system for a 20m direct current superconducting MgB 2 and YBCO power cable | |
| Hiltunen et al. | Cryogenic design of the Aluheat project | |
| Demko | Thermal management of high-temperature superconducting power cables |