RU2082242C1 - Superconducting winding - Google Patents

Abstract

FIELD: cryogenic electrical engineering. SUBSTANCE: superconducting winding has primary and secondary multilayer coils wound of superconducting wire, their turns being spaced t = πd_o apart, where d_o is superconductor diameter; three first layers of winding are spaced apart through distances equal, respectively, to two and three diameters of superconductor and next layers are spaced at distance equal to that between turns. EFFECT: improved design. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области криогенной электротехники, может быть использовано в сверхпроводящих трансформаторах, криотронах и т.д. The invention relates to the field of cryogenic electrical engineering, can be used in superconducting transformers, cryotrons, etc.

Известна сверхпроводящая многослойная обмотка силового трансформатора, содержащая цилиндрические, концентрично расположенные первичную и вторичную обмотки с каналом рассеяния между ними и ферромагнитный сердечник стержневого типа, расположенный в теплой зоне, при комнатной температуре (Wilkinson K. J.R. "Superconductive Windings in power transformers". Proc. Jngt. Electrical Eng. 1963, v.110, N12, p. 2271 2279). Обмотки функционируют в жидкогелиевой среде. Known is a superconducting multilayer winding of a power transformer containing cylindrical, concentrically arranged primary and secondary windings with a scattering channel between them and a rod-type ferromagnetic core located in a warm zone at room temperature (Wilkinson KJR "Superconductive Windings in power transformers". Proc. Jngt. Electrical Eng. 1963, v. 110, N12, p. 2271 2279). The windings operate in a liquid-helium environment.

Указанная сверхпроводящая обмотка обладает существенными недостатками, т. к. в канале рассеяния между обмотками индукция магнитного поля рассеяния создается суммарными ампервитками первичной и вторичной обмоток и получается высокой. Имеет место также и сильный краевой эффект, в результате чего получается сильное искажение поля рассеяния и чрезмерное увеличение плотности тока на краях цилиндрических обмоток. Все это приводит к увеличению потерь в обмотках, уменьшению токонесущей способности и понижению КПД трансформатора. The specified superconducting winding has significant drawbacks, since in the scattering channel between the windings, the induction of the scattering magnetic field is created by the total ampere-turns of the primary and secondary windings and turns out to be high. There is also a strong edge effect, resulting in a strong distortion of the scattering field and an excessive increase in current density at the edges of the cylindrical windings. All this leads to an increase in losses in the windings, a decrease in current carrying capacity and a decrease in the efficiency of the transformer.

Известна также конструкция сверхпроводящей обмотки силового трансформатора (а. с. СССР N1228708, БИ N16, 1986), содержащая первичную и вторичную обмотки, витки которых размещены по периметру вдоль поверхности двух коаксиально расположенных трубчатых изоляционных каркасов и намотаны спирально под постоянным углом наклона к образующим кольцеобразной поверхности каждого трубчатого изоляционного каркаса с одним полным оборотом вокруг его оси и расположены друг от друга по периметру поверхности каркаса на расстоянии t, определяемом из соотношения t=πd_o, где d₀ диаметр сверхпроводящего проводника. Данная конструкция обмотки является однослойной. Применение в сверхпроводящей обмотке принципа расположения витков на расстоянии t друг от друга позволяет существенно снизить магнитное поле на поверхности сверхпроводника и потери в нем и тем самым значительно повысить токонесущую способность и КПД силового трансформатора.Also known is the design of a superconducting winding of a power transformer (A.S. USSR N1228708, BI N16, 1986), containing primary and secondary windings, the turns of which are placed along the perimeter along the surface of two coaxially located tubular insulating frames and are wound spirally at a constant angle to the generatrix of the ring-shaped the surface of each tubular insulating frame with one full revolution around its axis and are located from each other along the perimeter of the surface of the frame at a distance t, determined from the ratio t = πd _o, wherein the diameter d ₀ of the superconducting conductor. This winding design is single layer. The application in the superconducting winding of the principle of the arrangement of the turns at a distance t from each other can significantly reduce the magnetic field on the surface of the superconductor and losses in it, and thereby significantly increase the current-carrying ability and efficiency of the power transformer.

Однако данный сверхпроводящий трансформатор имеет ограничение по мощности вследствие того, что обмотки его выполнены однослойными. Применение же многослойных обмоток по указанному выше принципу привело бы к увеличению массогабаритных показателей трансформатора и системы его криостатирования. Увеличиваются расходы хладагентов жидкого азота и жидкого гелия и электроэнергии, связанной с процессом их ожижения. Эти обстоятельства ведут к уменьшению общего КПД системы трансформатор система криообеспечения. However, this superconducting transformer has a power limit due to the fact that its windings are made single-layer. The use of multilayer windings according to the above principle would lead to an increase in the overall dimensions of the transformer and its cryostat system. The costs of liquid nitrogen and liquid helium refrigerants and the energy associated with their liquefaction process are increasing. These circumstances lead to a decrease in the overall efficiency of the transformer cryosupply system.

Предложенное техническое решение выполнения сверхпроводящей многослойной обмотки позволяет уменьшить расстояние между слоями витков СП-обмоток, что ведет к увеличению общего КПД, уменьшает массогабаритные показатели обмоток, криостата, расход жидкого гелия и азота и энергозатраты на их ожижение и функционирование. Одновременно данная конструкция позволяет увеличить также единичную мощность сверхпроводящей обмотки вследствие увеличения числа витков и связанного с этим напряжения. The proposed technical solution for the implementation of a superconducting multilayer winding can reduce the distance between the layers of turns of the SP windings, which leads to an increase in the overall efficiency, reduces the weight and size indicators of the windings, cryostat, the flow rate of liquid helium and nitrogen and the energy consumption for their liquefaction and operation. At the same time, this design also allows to increase the unit power of the superconducting winding due to the increase in the number of turns and the associated voltage.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что сверхпроводящая обмотка электромагнитного устройства, содержащая первичную и вторичную обмотки из сверхпроводящего проводника, витки которого расположены друг от друга на расстоянии t=πd_o, где d₀- диаметр сверхпроводящего проводника, выполнена многослойной, причем первые три слоя расположены друг от друга на расстояниях, равных соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводящего проводника, а последующие слои расположены на расстоянии, равном расстоянию между витками.These technical results are achieved due to the fact that the superconducting winding of the electromagnetic device containing the primary and secondary windings of the superconducting conductor, the turns of which are located at a distance t = πd _o , where d ₀ is the diameter of the superconducting conductor, is multilayer, and the first three the layers are spaced from each other at distances equal respectively to two and three diameters of the superconducting conductor, and subsequent layers are located at a distance equal to the distance between the turns.

На чертеже представлена схема поперечного сечения сверхпроводящей обмотки, реализующей вышеуказанные преимущества. The drawing shows a diagram of a cross section of a superconducting winding that implements the above advantages.

Сверхпроводящая обмотка 1, включающая первичную и вторичную обмотки из сверхпроводящего проводника 2, содержит три слоя. The superconducting winding 1, including the primary and secondary windings of the superconducting conductor 2, contains three layers.

Благодаря размещению сверхпроводящих токонесущих элементов на определенном расстоянии друг от друга, равном πd_o, как в известной конструкции обмотки, сводится к минимуму влияние магнитных полей проводников друг на друга и тем самым существенно снижаются потери в сверхпроводнике. Но при выполнении обмотки многослойной с использованием этого соотношения между двумя слоями происходит увеличение ее габаритов. Размещение первых трех слоев обмотки на расстояниях, равных соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводника, позволяет устранить эти недостатки за счет того, что каждый виток слоев обмотки находится в поле собственного тока, при условии:

H_общ напряженность магнитного поля обмотки, создаваемая токами всех витков обмотки;
H_1в напряженность магнитного поля одного витка, создаваемая током этого витка.Due to the location of the superconducting current-carrying elements at a certain distance from each other, equal to πd _o , as in the known design of the winding, the influence of the magnetic fields of the conductors on each other is minimized and thereby the losses in the superconductor are significantly reduced. But when performing a multilayer winding using this ratio between two layers, its dimensions increase. Placing the first three layers of the winding at distances equal to two and three diameters of the superconductor, respectively, eliminates these disadvantages due to the fact that each coil of the winding layers is in the field of its own current, provided:

H _total the magnetic field strength of the winding created by the currents of all turns of the winding;
H _1B , the magnetic field strength of one coil created by the current of this coil.

Напряженность магнитного поля обмотки равна:

,
где I ток, протекающий по обмотке;
W_общ общее число витков в сверхпроводящей обмотке;
b длина сверхпроводящей обмотки.The magnetic field strength of the winding is equal to:

,
where I is the current flowing through the winding;
W _total total number of turns in the superconducting winding;
b length of the superconducting winding.

Напряженность магнитного поля одного витка равна:

Общее число витков в сверхпроводящей обмотке равно:

где W₁ число витков в каждом слое;

число слоев в обмотке.The magnetic field strength of one turn is equal to:

The total number of turns in the superconducting winding is equal to:

where W _{1 the} number of turns in each layer;

number of layers in the winding.

Число витков в каждом слое равно:

t расстояние между центрами сечения проводника витка в каждом слое и равно t=πd_o.The number of turns in each layer is equal to:

t the distance between the centers of the cross section of the coil conductor in each layer and is equal to t = πd _o .

Подставляя значение t, получаем:

Число слоев в обмотке определяется из соотношения:

a ширина сечения обмотки;
t_a расстояние между слоями, шаг слоя t_a=K_ad₀,
где K_a коэффициент, учитывающий расстояния между слоями.Substituting the value of t, we obtain:

The number of layers in the winding is determined from the ratio:

a width of the cross section of the winding;
t _{a the} distance between the layers, the step of the layer t _a = K _a d ₀ ,
where K _a coefficient taking into account the distance between the layers.

Подставляя значение W₁ и

в уравнение (3), получаем:

откуда

Подставляя значения из уравнений (5) и (2) в наше условие (1), получаем:

,
откуда

Отношение

это число слоев сверхпроводящей обмотки (W_a) при условии, что слои расположены рядом, т.е. между ними нет расстояния (исключая изоляцию).Substituting the value of W ₁ and

in equation (3), we obtain:

where from

Substituting the values from equations (5) and (2) into our condition (1), we obtain:

,
where from

Attitude

this is the number of layers of the superconducting winding (W _a ) provided that the layers are adjacent, i.e. there is no distance between them (excluding insulation).

, откуда W_a K_a.

, whence W _a K _a .

Учитывая, что t=πd_o и подставляя найденное значение K_a, определяем нужное нам расстояние t_a K_ad₀.Given that t = πd _o and substituting the found value of K _a , we determine the desired distance t _a K _a d ₀ .

В результате получаем значения расстояний t_a между различными слоями, которые введены в таблицу.As a result, we obtain the values of the distances t _a between the various layers that are entered in the table.

Из составленной таблицы наглядно видно, что при числе слоев сверхпроводящей обмотки, не превышающем число "3", имеется эффект от размещения слоев на расстоянии, равном соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводящего проводника витков обмоток. Начиная с четвертого слоя, это преимущество теряется, т.к. значение K_a становится больше π и поэтому целесообразно с этого слоя применять размещение слоев по принципу "p шага".From the compiled table it is clearly seen that when the number of layers of the superconducting winding does not exceed the number "3", there is the effect of placing the layers at a distance equal to two and three diameters of the superconducting conductor of the windings. Starting from the fourth layer, this advantage is lost, because the value of K _a becomes larger than π and therefore it is advisable to apply the layout of layers from this layer according to the "p step" principle.

Применение вышеуказанного способа размещения слоев в многослойной сверхпроводящей обмотке позволит расширить возможности использования сверхпроводящих электромагнитных устройств и систем. The application of the above method of placing layers in a multilayer superconducting winding will expand the possibilities of using superconducting electromagnetic devices and systems.

Claims (1)

Сверхпроводящая обмотка электромагнитного устройства, содержащая первичную и вторичную обмотки из сверхпроводящего провода, витки которого расположены друг от друга на расстоянии t = πd_o, где d₀ диаметр сверхпроводящего проводника, отличающаяся тем, что обмотки выполнены многослойными, причем первые три слоя расположены друг от друга на расстояниях, равных соответственно двум и трем диаметрам сверхпроводящего проводника, а последующие слои расположены на расстоянии, равном расстоянию между витками.A superconducting winding of an electromagnetic device comprising primary and secondary windings of a superconducting wire, the turns of which are spaced apart from each other at a distance t = πd _o , where d _{0 is the} diameter of the superconducting conductor, characterized in that the windings are multilayer, the first three layers being spaced from each other at distances equal to two and three diameters of the superconducting conductor, respectively, and subsequent layers are located at a distance equal to the distance between the turns.

Images