RU2018784C1 - Superconducting magnetic suspension - Google Patents

Abstract

FIELD: precision instrument engineering. SUBSTANCE: layer of non-superconducting material 3 is applied onto superconducting surface of inertial body 2. Thickness of layer is equal to

, where H_o is nominal strength of magnetic field in working space of the suspension, H_кр is critical value of strength of magnetic field for superconducting material of inertial body, d_o is nominal working space between short-circuited superconducting coils and inertial body, K is strength restriction coefficient of maximal magnetic body. Inertial body moves under effect of acceleration; in this case one working space increases, and the other one decreases. Magnetic force increases in the reducing space, as strength of field increases (the force is proportional to magnetic field strength squared). Force reduces in the increasing space. Arise of the force is directed in opposite to effect of acceleration. Inertial body stops to move when balance between the forces is achieved - when inertial and magnetic forces are equal. EFFECT: improved reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к прецизионному приборостроению и может быть использовано при производстве криогенных чувствительных элементов, предназначенных для навигационных систем. The invention relates to precision instrumentation and can be used in the manufacture of cryogenic sensing elements for navigation systems.

Известен сверхпроводящий магнитный подвес (прототип), содержащий корпус, закрепленные на нем две короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, подвешенное между ними инерционное тело в виде диска из сверхпроводящего материала, ось которого совмещена с осью короткозамкнутых катушек, и сверхпроводящий включатель. A superconducting magnetic suspension (prototype) is known, comprising a housing, two short-circuited superconducting coils mounted on it, an inertial body suspended between them in the form of a disk of superconducting material, the axis of which is aligned with the axis of the short-circuited coils, and a superconducting switch.

Недостатком прототипа является низкая надежность, связанная с возможностью при перегрузках превышения значений критического магнитного поля. The disadvantage of the prototype is the low reliability associated with the possibility of overloads exceeding the values of the critical magnetic field.

Целью изобретения является повышение надежности. The aim of the invention is to increase reliability.

Указанная цель достигается тем, что в сверхпроводящем магнитном подвесе, содержащем корпус, закрепленные на нем две короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, подвешенное между ними инерционное тело в виде диска из сверхпроводящего материала, ось которого совмещена с осью короткозамкнутых катушек, и сверхпроводящий включатель, на обе поверхности инерционного тела нанесен слой несверхпроводящего металла толщиной
h ≥

d_o,, где Н_о - номинальное значение напряженности магнитного поля при номинальном рабочем зазоре d_о между короткозамкнутой катушкой и инерционным телом;
Н_кр - критическое значение напряженности магнитного поля сверхпроводящего материала инерционного тела, равное Н_кI, для сверхпроводника II рода;
K - коэффициент ограничения напряженности максимального магнитного поля (К≅1).This goal is achieved in that in a superconducting magnetic suspension containing a housing, two short-circuited superconducting coils mounted on it, an inertial body suspended between them in the form of a disk of superconducting material, the axis of which is aligned with the axis of the short-circuited coils, and a superconducting switch on both surfaces of the inertial a layer of a non-superconducting metal thick
h ≥

d _o ,, where Н _о is the nominal value of the magnetic field at a nominal working gap d _о between the short-circuited coil and the inertial body;
N _cr - the critical value of the magnetic field of the superconducting material of the inertial body, equal to N _kI , for a type II superconductor;
K is the coefficient of limiting the intensity of the maximum magnetic field (K≅1).

На чертеже изображена принципиальная схема подвеса со сплошным слоем несверхпроводящего металла. The drawing shows a schematic diagram of a suspension with a continuous layer of non-superconducting metal.

На схеме показаны катушка 1 сверхпроводящего магнитного подвеса, инерционное тело 2, несверхпроводящий слой 3 металла, токоввод 4, нагреватель 5 сверхпроводящего выключателя. The diagram shows a coil 1 of a superconducting magnetic suspension, an inertial body 2, a non-superconducting metal layer 3, a current lead 4, a heater 5 of a superconducting switch.

Катушки 1 сверхпроводящего магнитного подвеса жестко закреплены в корпусе прибора (не показан). Катушки изготовлены из сверхпроводящего провода, например ниобиевого. Концы каждой катушки замкнуты накоротко сверхпроводящим соединением, например сварены. Катушки могут быть изготовлены из одного куска сверхпроводящего материала в виде кольца. Между катушками на расстоянии рабочего зазора d_о свободно висит инерционное тело 2 в виде диска, изготовленное из сверхпроводящего материала, например, ниобия или из несверхпроводящего материала, например титана, и покрытое слоем сверхпроводящего материала. На сверхпроводящую поверхность инерционного тела 2 нанесен сплошной слой 3 несверхпроводящего материала толщиной h. Толщина определяется по выражению h ≥

d_o, где Н_о - номинальная напряженность магнитного поля в рабочем зазоре в наиболее узком месте;
Н_кр - критическое значение напряженности магнитного поля сверхпроводящего материала диска;
К - коэффициент ограничения максимального магнитного поля (коэффициент запаса).Coils 1 of the superconducting magnetic suspension are rigidly fixed in the device body (not shown). Coils are made of a superconducting wire, such as niobium. The ends of each coil are short-circuited by a superconducting connection, for example, welded. Coils can be made from one piece of superconducting material in the form of a ring. An inertial body 2 in the form of a disk made of a superconducting material, such as niobium or a non-superconducting material, such as titanium, and coated with a layer of superconducting material, freely hangs between the coils at a distance of the working gap d _о . On the superconducting surface of the inertial body 2, a continuous layer 3 of a non-superconducting material of thickness h is applied. The thickness is determined by the expression h ≥

d _o , where N _o is the nominal magnetic field strength in the working gap at the narrowest point;
N _cr - the critical value of the magnetic field of the superconducting material of the disk;
K is the coefficient of limitation of the maximum magnetic field (safety factor).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Сверхпроводящий магнитный подвес вместе с прибором, в котором он установлен, охлаждается системой охлаждения (не показана) ниже температуры перехода материала в сверхпроводящее состояние (для ниобия Т_к = 9,25 К). Затем в катушки магнитного подвеса вводят магнитный поток, так чтобы поле в рабочем зазоре составляло номинальную величину Н_о. Это может быть выполнено несколькими способами.The superconducting magnetic suspension together with the device in which it is installed is cooled by a cooling system (not shown) below the temperature of the transition of the material to the superconducting state (for niobium T _k = 9.25 K). Then, magnetic flux is introduced into the coils of the magnetic suspension, so that the field in the working gap is the nominal value of N _about . This can be done in several ways.

К выводным концам сверхпроводящей катушки припаивают два токоввода 4, а на сверхпроводящий провод вывода наматывают нагреватель 5. К токовводам 4 подключают источник тока (не показан); к нагревателю 5 подключают источник питания. Two current leads 4 are soldered to the output ends of the superconducting coil, and a heater 5 is wound onto the superconducting output wire. A current source (not shown) is connected to the current leads 4; a heater 5 is connected to a power source.

Включают нагреватель 5 и разрушают сверхпроводимость участка провода под нагревателем. Вводят ток в катушку 1. Отключают нагреватель 5. Охлаждают провод до температуры сверхпроводимости. Отключают источник тока от токовводов. В катушки 1 введен ток, а магнитный поток в рабочем зазоре создает напряженность поля. Подвес готов к работе. Turn on the heater 5 and destroy the superconductivity of the wire section under the heater. A current is introduced into coil 1. Turn off the heater 5. Cool the wire to a superconducting temperature. Disconnect the current source from the current leads. A current is introduced into the coils 1, and the magnetic flux in the working gap creates a field strength. The gimbal is ready to go.

При действии ускорения инерционное тело перемещается, при этом один рабочий зазор уменьшается, другой увеличивается. Магнитная сила в зазоре, который уменьшается, возрастает, так как растет напряженность поля (сила пропорциональна квадрату напряженности поля). В зазоре, который увеличивается, сила уменьшается. Увеличение силы направлено против действия ускорения. Инерционное тело остановится при балансе сил, когда инерционная и магнитная силы равны. Under the action of acceleration, the inertial body moves, while one working gap decreases, the other increases. The magnetic force in the gap, which decreases, increases as the field strength increases (the force is proportional to the square of the field strength). In a gap that increases, strength decreases. The increase in force is directed against the action of acceleration. The inertial body will stop at a balance of forces, when the inertial and magnetic forces are equal.

Это описывается выражением
2μ_oH $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{o}}$

S_о.п= mg, (1) где μ_o - магнитная проницаемость вакуума;
х - смещения инерционного тела от нулевого положения;
S_о.п. - опорная площадь подвеса, равная в первом приближении площади катушки;
mg - масса ИТ и ускорение силы тяжести.This is described by the expression
2μ _o H $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{o}}$

S _о.п = mg, (1) where μ _o is the magnetic permeability of the vacuum;
x - displacement of the inertial body from the zero position;
S _o.p. - reference area of the suspension, equal to a first approximation of the area of the coil;
mg is the mass of IT and the acceleration of gravity.

Данное техническое решение исключает возможность превышения полем критического значения (Н_с1). Для этого на поверхность инерционного тела наносится слой несверхпроводящего материала толщиной h, которая выбирается по выражению
h ≥

d_o, (2) где Н_о - номинальная напряженность магнитного поля в рабочем зазоре, может быть вычислена по геометрическим параметрам подвеса, индуктивности катушки и токе в катушке или измерено магнитометром. Очевидно, что H_o не может быть больше Н_с1. Коэффициент запаса К всегда должен быть ≅ 1. Рассмотрим это аналитически. При смещении инерционного тела, поле в зазоре изменяется
H_x=

,(3) но максимальное значение x_max равно
x = d_o - h, (4), подставляя это в (3) с учетом (2), получим
H_{x max}=

= KH_c1. (5)
Таким образом, ограничение движения инерционного тела в соответствии с выражением (1) не позволяет при возможном ускорении превысить поле Н_с1, в результате исключается возможность захвата магнитного потока инерционным телом, после уменьшения ускорения магнитный подвес остается работоспособным. При действии большого ускорения инерционное тело может касаться несверхпроводящим слоем поверхности катушки.This technical solution eliminates the possibility of the field exceeding the critical value (N _s1 ). For this, a layer of a nonsuperconducting material of thickness h is applied to the surface of the inertial body, which is selected by the expression
h ≥

d _o , (2) where Н _о is the nominal magnetic field strength in the working gap, can be calculated from the geometric parameters of the suspension, coil inductance and current in the coil or measured by a magnetometer. Obviously, H _o cannot be greater than H _c1 . The safety factor K should always be ≅ 1. Consider this analytically. When the inertial body is displaced, the field in the gap changes
H _x =

, (3) but the maximum value of x _max is
x = d _o - h, (4), substituting this into (3) taking into account (2), we obtain
H _{x max} =

= KH _c1 . (5)
Thus, the restriction of the motion of the inertial body in accordance with expression (1) does not allow for possible acceleration to exceed the field H _c1 , as a result, the possibility of capture of the magnetic flux by the inertial body is excluded, after the acceleration is reduced, the magnetic suspension remains operational. Under the action of large acceleration, the inertial body can touch a non-superconducting layer of the surface of the coil.

Кроме исключения возможности нарушения нормального функционирования подвеса, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить демпфирование за счет изменения при движении инерционного тела магнитного потока через несверхпроводящий материал покрытия. Возможность обеспечения демпфирования в сверхпроводящем магнитном подвесе является самостоятельной, достаточно сложной проблемой и поэтому создает дополнительный положительный эффект. In addition to eliminating the possibility of disruption of the normal functioning of the suspension, the proposed technical solution allows damping due to changes in the movement of the inertial body of the magnetic flux through a non-superconducting coating material. The ability to provide damping in a superconducting magnetic suspension is an independent, rather complex problem and therefore creates an additional positive effect.

Таким образом, использование данного устройства позволяет повысить надежность сверхпроводящего магнитного подвеса и обеспечивает пассивное его демпфирование. Thus, the use of this device improves the reliability of the superconducting magnetic suspension and provides passive damping.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого решения заключается в повышении надежности и обеспечении демпфирования криогенных чувствительных элементов для изделий, в которых они применяются. The technical and economic efficiency of the proposed solution is to increase the reliability and ensure damping of cryogenic sensitive elements for products in which they are used.

Claims (1)

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТНЫЙ ПОДВЕС, содержащий корпус, закрепленные на нем две короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, подвешенное между ними инерционное тело в виде диска из сверхпроводящего материала, ось которого совмещена с осью короткозамкнутых катушек, сверхпроводящий выключатель, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, на обе поверхности инерционного тела нанесен слой несверхпроводящего металла толщиной
h ≥

d_o,,
где H_o - номинальное значение напряженности магнитного поля при номинальном рабочем зазоре d_o между короткозамкнутой катушкой и инерционным телом;
H_кр - критическое значение напряженности магнитного поля сверхпроводящего материала инерционного тела, равное H_кI, для сверхпроводника II рода;
K - коэффициент ограничения напряженности максимального магнитного поля (K ≅ 1) .SUPERCONDUCTING MAGNETIC SUSPENSION, comprising a housing, two short-circuited superconducting coils mounted on it, an inertial body suspended between them in the form of a disk of superconducting material, the axis of which is aligned with the axis of the short-circuited coils, a superconducting switch, characterized in that, in order to increase reliability, both the surface of the inertial body deposited a layer of nonsuperconducting metal with a thickness
h ≥

d _o ,,
where H _o is the nominal value of the magnetic field at a nominal working gap d _o between the short-circuited coil and the inertial body;
H _cr - the critical value of the magnetic field of the superconducting material of the inertial body, equal to H _kI , for a type II superconductor;
K is the coefficient of limitation of the maximum magnetic field strength (K ≅ 1).