Levitation and Lateral Stabilization Device Based on a Second-Generation High-Temperature Superconductor

Full Text

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Известно сверхпроводниковое магнитостатическое левитационное устройство, примененное в проекте «Кобра» [1]. Данное устройство содержит магнитный рельс в виде набора полюсов из постоянных магнитов, расположенных стационарно на путевой структуре, и криостатов на борту транспортного средства. В криостатах размещены массивные сверхпроводниковые образцы из иттриевой керамики IBCO.

При заливке в криостаты криогенной жидкости массивные  образцы из иттриевой керамики переходят в сверхпроводящее состояние и, как следствие, магнитное поле, создаваемое магнитным рельсом, выталкивается из объема образцов иттриевой керамики IBCO, благодаря эффекту Мейсснера-Оксенфельда. В результате возникает сила левитации и транспортное средство зависает над путевой структурой.  Часть магнитного поля, создаваемого магнитным рельсом, проникает в объем образцов иттриевой керамики IBCO, благодаря магнитометрическому коэффициенту размагничивания, присущему макроскопическому телу любой формы и размера. Проникшее в образец магнитное поле закрепляется на центрах пиннинга, вследствие чего левитационное устройство приобретает устойчивость.

 Это техническое решение мало эффективно, поскольку иттриевая керамика, как высокотемпературный сверхпроводник, имеет недостаточно высокие критические параметры по току и магнитному полю, которые взаимосвязаны, в сравнении, например, с ленточными высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП) второго поколения.

Задача состоит в описании нового технического решения  узла левитации и боковой стабилизации и обосновании его эффективной работы.

МАГНИТОСТАТИЧЕСКОЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВОЕ ЛЕВИТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО: КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Повышение эффективности сверхпроводникового левитационного устройства возможно за счет применения ВТСП с более высокими критическими параметрами. В настоящее время налажено промышленное производство ленточных ВТСП второго поколения  с достаточно высокими критическими параметрами, в том числе при температуре жидкого азота.

Опыт показывает, что в устройстве левитации нецелесообразно использовать магнитную систему, намотанную из ленточного высокотемпературного сверхпроводника второго поколения (2G ВТСП) в виде катушки, с заведенным в катушку током, поскольку левитационное устройство работает неустойчиво, согласно теореме Ирншоу [2]. Рациональным решением является изготовление из ленточного 2G ВТСП стопки, которая  помещается в коробку из немагнитного материала, а коробка закрепляется на внутренней стенке криостата. Стопка ленточного 2G ВТСП может быть ориентирована по отношению к магнитному рельсу плоскими сторонами параллельно или перпендикулярно. Перпендикулярная ориентация  предпочтительнее с учетом специфики проникновения внешнего, создаваемого магнитным рельсом (Рис. 1), магнитного поля в сверхпроводник. Наиболее технологичный способ укладки ленточного 2G ВТСП реализуется  путем  намотки ленты на немагнитный каркас в виде осесимметричной  или трековой катушки, причем концы катушки электрически не соединены.

 

Рис. 1. Схема сверхпроводникового магнитостатического левитационного устройства: 1 – магнитный рельс; 2 – постоянные магниты; 3 – криостат; 4 – стопка из ленточного 2G ВТСП

 

МОДЕЛЬ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ЛЕВИТАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА 

Модельная установка  состоит из магнитного рельса  и платформы на базе криостата с массивным ленточным 2G ВТСП, охлаждаемым жидким азотом. Для исследования левитации и боковой стабилизации платформы с использованием 2G ВТСП выбрана оптимальная по массогабаритным и экономическим показателям схема сборки магнитного рельса c периодическим изменением полярности модульных магнитов в поперечном (боковом) направлении. Блок магнитного рельса (Рис. 1)  имеет габариты 0,5 х 0,5 м. Он состоит из 15 модульных магнитов, представляющих собой тонкостенные (1,5ٔ мм) трубы из нержавеющей стали с установленными в них десятью элементарными магнитами NdFeB с габаритами 46×46×46 мм. Для эксперимента выбраны магниты марки N35U, которые имеют следующие параметры: остаточная индукция 1,17 Тл, коэрцитивная сила по индукции 868 кА/м, коэрцитивная сила по намагниченности 955 кА/м, энергетическое произведение (BH) max               263 кДж/м³. Масса элементарного магнита 1 кг. Модульные магниты расположены в пазах зубчатого ферромагнитного сердечника попарно так, что магнитные моменты элементарных магнитов соседних модулей направлены горизонтально и встречно. Блок магнитного рельса с вариантом сборки магнитов в пазы ферромагнитного зубчатого сердечника (Рис. 2) незначительно уступает варианту сборки по схеме Хальбаха без ферромагнитного зубчатого сердечника по значению магнитной индукции в левитационном зазоре, однако превосходит в экономии потребного количества элементарных постоянных магнитов. Массивный 2G ВТСП представляет собой осесимметричную катушку из 2G ВТСП производства компании Super Power на немагнитном каркасе (Рис. 3). Толщина ленты 0,1 мм, ширина 4 мм. Критический ток 150 А.

 

Рис. 2. Блок магнитного рельса с вариантом сборки магнитов в пазы ферромагнитного зубчатого сердечника 1 – плита Ст. 3 (s=50); 2 – пруток Ст. 3 (50х50х500 мм); 3 – магниты NdFeB 46х46х46 мм, 15 шт. в трубе Х18Н10Т

 

Рис. 3. 2G ВТСП лента компании Super Power ленточного высокотемпературного сверхпроводника второго поколения

 

Сверхпроводниковое левитационное устройство работает следующим образом. Вначале производится захолаживание путем, например, заливки в криостат криогенной жидкости, в частности, жидкого азота. Во время работы сверхпроводникового левитационного устройства обеспечивается его непрерывное криостатирование. Поскольку в охлажденном состоянии ленточный высокотемпературный сверхпроводник второго поколения проявляет сверхпроводящие свойства, то, благодаря эффекту Мейсснера-Оксенфельда, магнитное поле, созданное магнитным рельсом, вытесняется из объема сверхпроводника   и возникает сила левитации, а транспортное средство зависает над путевой структурой. Вследствие более высоких критических параметров ленточного 2G ВТСП, в сравнении с иттриевой металлокерамикой,  предлагаемое сверхпроводниковое левитационное устройство работает эффективнее, чем в проекте «Кобра».

Ленточный 2G ВТСП более технологично наматывать на  немагнитный каркас в виде  осесимметричной или трековой катушки без электрического соединения концов (Рис. 3). Такая конструкция  будет работать как массивная стопка, но более эффективно, поскольку с помощью натяга можно добиться высокого коэффициента по намотке. 

Эксперименты с моделью [3] сверхпроводникового левитационного устройства показали следующие результаты (Рис. 5):

• удельная подъемная сила левитации, отнесенная к массе сверхпроводниковой стопки или катушки, составляет 100 кН/м³;
• боковая сила стабилизации соответственно 45 кН/м³.

Эксперименты подтверждают, что данное техническое решение является перспективным для внедрения на магнитолевитационном транспортном средстве с магнитостатической левитацией.

 

Рис. 4. Демонстрация левитационного зазора под нагрукой (веревки применяются для испытания боковой устойчивости)

 

Рис. 5. Зависимость удельной силы левитации F от левитационного зазора h

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложено оригинальное техническое решение, позволяющее значительно улучшить энергетические характеристики узла левитации за счет применения ленточного 2G ВТСП, работающего в пассивном режиме без транспортного тока, с использованием частичного эффекта Мейсснера-Оксенфельда и зацепления квантованных нитей магнитного потока на центрах пиннинга.

Сверхпроводниковое левитационное устройство на базе ленточных 2G ВТСП можно применять в двух модификациях  бортового полюса:

1) криостат с 2G ВТСП обеспечивает две функции – левитации и боковой стабилизации;

2) криостат с 2G ВТСП в комбинации с постоянными магнитами  выполняет функцию боковой стабилизации, а постоянные магниты обеспечивают левитацию [4].

About the authors

Yuri F. Antonov

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Author for correspondence.
Email: yuri-anto@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6910-1622
SPIN-code: 2335-5765

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department "Electrical Engineering and Power Engineering"

Russian Federation, 9 Moskovsky ave., St. Petersburg, 190031

References

Supplementary files