Development and testing prototype of HTS module for the system of magnetic levitation of vehicle

Abstract


In recent years increasingly discusses the prospects of application of high-temperature superconductors (HTS) as the winding current-carrying elements of magnetic systems for various purposes. It seems particularly attractive possibility of such systems at liquid nitrogen temperature.

The article describes the prototype of module of the magnetic system which is made on the basis of high-temperature superconducting tapes, designed for the installation and testing on a working model of a static levitation. In the working model levitation of the platform carried by the interaction of the magnetic field of the assembly of permanent magnets mounted on the platform with a field similar to assemblies located in the track structure. Compact HTS module replaces the two assemblies of permanent magnets mounted on the platform. Each block of the module represents HTS racetrack coil with current inputs, power structure, positioning system and bracing which is placed in a cryostat, providing at minimum wall thickness of the required mechanical strength and thermal insulation at liquid nitrogen temperature.

The prototype of unified superconducting module successfully passed preliminary tests.


Full Text

Введение

Макет сверхпроводникового модуля состоит из двух блоков, каждый из которых включает в себя сверхпроводящую (ВТСП-2) катушку рейстрековой формы с силовой конструкцией и системой токовых вводов, а также компактный и облегченный криостат с системой позиционирования и крепления ВТСП катушки. Важной особенностью сверхпроводникового модуля является то, что он разработан для установки и испытаний на действующем макете статической левитации, где предусмотрена система крепления криостатов.

Технология изготовления сверхпроводящей (ВТСП-2) катушки

Сверхпроводящая катушка представляет собой сборку из двух одиночных галет рейстрековой формы, намотанных из двух типов лент. Первая лента производства фирмы American Superconductor, ширина которой равна 4,8 мм, толщина равна 200 мкм, в статическом поле имеет критический ток 100 А при температуре 77 К. Вторая лента производства отечественной фирмы SuperOx, ширина которой равна 4 мм, толщина равна 100 мкм, в статическом поле имеет критический ток 100 А при температуре 77 К. Изготовлению галет предшествовала предварительная изоляция провода полиамидной лентой толщиной 20 мкм вполнахлеста на специальном изолировочном станке. Процесс нанесения витковой изоляции на ленту представлен на рис. 1. Внешний вид изолированной галеты представлен на рис. 2.

 

Рис. 1. Процесс нанесения витковой изоляции на ленту

 

Рис. 2. Внешний вид изолированной ленты

 

Намотка галеты представлена на рис. 3. Изолированная сверхпроводящая лента наматывается на станке на дюралюминиевые каркасы с предварительным размещением на планшайбе стеклоткани толщиной 20 мкм для бандажа готовой галеты. Внутренний конец ленты до окончания намотки предварительно закреплен на собственном каркасе.

 

Рис. 3. Намотка галеты: поз. 1 – сверхпроводящая лента; поз. 2 – дюралюминиевый каркас; поз. 3 – планшайба; поз. 4 – стеклоткань; поз. 5 – каркас для выводного конца ленты

 

По окончании намотки двух галет осуществлялась сборка катушки с предварительной прокладкой межслоевой изоляции между ними, а также обеспечением соосности и равенства габаритных размеров нижней и верхней галет. Модель сборки галет представлена на рис. 4.

На завершающих этапах производилась разработка и сборка токовых вводов, представленных на рис. 5. Токовый ввод состоит из гнутой по профилю катушки медной перемычки; гибкой средней части, выполненной в виде провода типа ПЩ; медной пластины и медного стержня. Гибкая средняя часть обеспечивает точное позиционирование относительно крышки криостата, в котором размещается катушка.

На следующем и завершающем этапе сборки осуществлялась пайка токовых вводов, а также замоноличивание полученной катушки с помощью стеклоленты шириной 10 мм и толщиной 100 мкм с промазкой эпоксидным компаундом. Внешний вид готовой катушки представлен на рис. 6.

 

Рис. 4. Модель сборки галет

 

Рис. 5. Внешний вид токового ввода: поз. 1 – медная перемычка; поз. 2 – провод типа ПЩ; поз. 3 – медная пластина; поз. 4 – медный стержень

 

Рис. 6. Внешний вид сверхпроводящей катушки

 

Разработка, изготовление и испытание криостата

Для испытания макета ВТСП модуля для системы магнитной левитации транспортного средства было изготовлено два азотных криостата с вакуумной изоляцией. Внешний вид одного из них представлен на рис. 7.

 

Рис. 7. Внешний вид азотного криостата

 

При проектировании данного криостата требовалось выполнить ряд условий. Масса криостата должна быть минимальной; должны строго соблюдаться геометрические размеры, а также должно быть обеспечено минимальное расстояние от сверхпроводящей катушки до «рельса».

Криостат изготовлен из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т толщиной 1 мм. При откачке вакуумного кожуха криостата возможен прогиб стенок. Во избежание этого на внутренней поверхности вакуумного объема установлены дистанционные ограничители, которые изготовлены из текстолита. Внешний вид ограничителей представлен на рис. 8.

 

Рис. 8. Текстолитовые дистанционные ограничители

 

Для расчета распределения температуры между стенками вакуумного кожуха, одна из которых имеет температуру 80 К, а другая 300 К, и текстолитовыми дистанционными ограничителями была разработана конечная элементная модель в программе femm. В результате расчета получено, что при расстоянии между стенками 10 мм, температура наружной поверхности будет около 290 К, что требует установки текстолитового дистанера длиной 10 мм. На рис. 9 представлена расчетная модель для определения распределения температуры в криостате.

 

Рис. 9. Расчетная модель для определения распределения температуры в криостате

 

Также в местах контакта дистанционного ограничителя с наружной стенкой криостата установлена изоляция и предусмотрена дополнительная клейка металлизированной пленки. Такая же изоляция установлена и на крышке криостата, для меньшего обмерзания крышки и препятствия выхода паров газообразного азота. Внешний вид изоляции на крышке криостата представлен на рис. 10.

 

Рис. 10. Внешний вид изоляции на крышке криостата

 

После изготовления криостата были проведены испытания на герметичность при помощи гелиевого течеискателя методом обдува. Фотография испытаний приведена на рис. 11. Натекание гелия составило 5.7·10–10 Pa·m³/c, что соответствует нормам герметичности для данного типа изделий.

  

Рис. 11. Испытание на герметичность

 

Помимо испытаний на герметичность, проведены «холодные» испытания жидким азотом, а затем повторные испытания на герметичность. Фотография «холодных» испытаний приведена на рис. 12.

  

Рис. 12. «Холодные» испытания жидким азотом

 

Для уменьшения теплопритока давление в вакуумном кожухе криостата – не более 10–5 торр.

Предварительные испытания

Макет сверхпроводникового модуля успешно прошел предварительные испытания в жидком азоте.

График, представленный на рис. 13, описывает заведение тока в систему. Подъем тока первоначально осуществлялся на 5 А, далее на 2 А. Для затухания индуктивной составляющей напряжения выдерживалась «полочка», равная 1 минуте. Подъем тока осуществлялся до возникновения активной составляющей напряжения, которая, как видно из графика, появилась на 4000 с при токе 50 А.

 

Рис. 13. График заведения тока

 

График, представленный на рис. 14, описывает изменение напряжения во времени. Пики – это индуктивная составляющая напряжения во время подъема тока, которая затухает при выходе на «полочки». Активная составляющая напряжения появляется после 50 А. Максимально заводимый в систему ток составил 55 А.

 

Рис. 14. Изменение напряжения во времени

 

Испытания подтвердили, что токонесущая способность данной модели соответствует расчетам [4], [7].

Изготовленный макет сверхпроводникового модуля подготовлен для испытаний на действующем демонстрационно-испытательном стенде, где левитация осуществляется за счет взаимодействия магнитного поля сборки постоянных магнитов, установленных на платформе, с полем аналогичных сборок, расположенных в путевой структуре. Компактный ВТСП модуль замещает две сборки постоянных магнитов, установленных на платформе. Модель демонстрационно-испытательного стенда статической левитации представлена на рис. 15.

 

Рис. 15. Модель демонстрационно-испытательного стенда статической левитации: поз. 1 – платформа; поз. 2 – постоянные магниты, расположенные на путевой структуре; поз. 3 – постоянные магниты, расположенные на платформе; поз. 4 – компактный ВТСП модуль; поз. 5 – груз

 

Работа была выполнена в рамках гранта РФФИ. В ходе проведенной работы была разработана технология и изготовлена пилотная сверхпроводящая ВТСП катушка; разработан, изготовлен и испытан криостат, а также собран и испытан макет сверхпроводникового модуля системы левитации и стабилизации, выполненный на основе высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения (ВТСП-2), работающий при температуре жидкого азота.

Полученные результаты подтверждают возможность создания крупномасштабных прототипов магнитолевитационных систем, использующих сверхпроводниковые модули. Проведенные предварительные испытания подтвердили адекватность используемого для модельного проектирования кода.

Следующим шагом планируется испытание сверхпроводникового модуля на действующем демонстрационно-испытательном стенде статической левитации.

About the authors

Anna A. Demina

JSC «Efremov’s NIIEFA»

Author for correspondence.
Email: demina@sintez.niiefa.spb.su

Russian Federation

an engineer - the researcher

A. V. Safonov

JSC «Efremov’s NIIEFA»

Email: safonovav@sintez.niiefa.spb.su

Russian Federation

head of the stand

O. A. Kovalchuk

JSC «Efremov’s NIIEFA»

Email: kovalchuk@sintez.niiefa.spb.su

Russian Federation

chief of the laboratory

E. R. Zapretilina

JSC «Efremov’s NIIEFA»

Email: zapretilina@sintez.niiefa.spb.su

Russian Federation

Ph.D., chief of the laboratory

I. Yu. Rodin

JSC «Efremov’s NIIEFA»

Email: rodin@sintez.niiefa.spb.su

Russian Federation

head of the department

E. N. Andreev

JSC «Efremov’s NIIEFA»

Email: andreev@sintez.niiefa.spb.su

Russian Federation

Head of the stand

References

  1. Tsuchiya, M. Ohsaki, H. (September 2000). «Characteristics of electromagnetic force of EMS-type maglev vehicle using bulk superconductors» (PDF). Magnetics, IEEE.
  2. H. Kamijo, K. Nemoto, and H. Fujimoto, Advances in Superconductivity IX (Tokyo: Springer-Verlag, 1997). - Р. 1473.
  3. M. Ogata, K. Nagashima, M. Iwamatsu, A. Inoue, Y. Miyazaki, Basic study of HTS magnet using 2G wires for maglev train, Dresden, Germany, 2006. -Рp. 275-280.
  4. Zhukovsky, A, Schultz, J., Smith, B. at al. (2001). Magnet for the Floating coil of LDX // IEEE Transaction on Applied Supercondactivity. Vol. 11, 1873-1876.
  5. В. М. Амосков, Д. Н. Арсланова, А. М. Базаров, Г. А. Баранов, А. В. Белов, В. А. Беляков, Т. Ф. Белякова, В. Н. Васильев, Е. И. Гапионок, А. А. Зайцев, М. В. Капаркова, В. П. Кухтин, А. Н. Лабусов, Е. А. Ламзин, М. С. Ларионов, Н. А. Максименкова, В. М. Михайлов, А. Н. Неженцев, И. Ю. Родин, С. Е. Сычевский, А. А. Фирсов, М. В. Хохлов, Н. А. Шатиль. Адаптация вычислительной технологии моделирования установок термоядерного синтеза для анализа и оптимизации магнитных подвесов левитационных транспортных систем // Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез, М. : НИЦ «Курчатовский институт», 2014. - Т. 37, вып. 4. - С. 84-95.
  6. Сверхпроводниковые технологии для создания модуля транспортной системы магнитной левитации / М. С. Астров, Е. Р. Запретилина, О. А. Ковальчук, И. Ю. Родин, С. Б. Федотова // Известия ПГУПС, 2014. - № 3. - С. 40-55.
  7. Д. Н. Арсланова, Г. А. Баранов, В. А. Беляков, В. Н. Васильев, А. А. Зайцев, Е. А. Ламзин, М. В. Михайлов, И. Ю. Родин, С. Е. Сычевский, А. А. Фирсов, Н. А. Шатиль. В. А. Глухих, Е. А. Ламзин, О. Г. Филатов, А. В. Мизинцев, С. Н. Васильев, Д. А. Овсянников, Детальное моделирование и анализ электродинамических подвесов левитационных грузовых транспортных систем // тезисы к 3-й Международной научной конференции «Магнито-левитационные транспортные системы и технологии», 2015. - С. 34.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Fig. 1. The process of applying coil insulation on the tape

Download (286KB) Indexing metadata
2.
Fig. 2. The appearance of the insulated tape

Download (227KB) Indexing metadata
3.
Fig. 3. Winding the biscuits: pos. 1 - superconducting tape; pos. 2 - duralumin frame; pos. 3 - faceplate; pos. 4 - fiberglass; pos. 5 - frame for the discharge end of the tape

Download (311KB) Indexing metadata
4.
Fig. 4. Model assembly galet

Download (88KB) Indexing metadata
5.
Fig. 5. Appearance of current input: pos. 1 - copper jumper; pos. 2 - wire type PG; pos. 3 - copper plate; pos. 4 - copper rod

Download (31KB) Indexing metadata
6.
Fig. 6. Appearance of the superconducting coil

Download (70KB) Indexing metadata
7.
Fig. 7. Appearance of the nitrogen cryostat

Download (214KB) Indexing metadata
8.
Fig. 8. Textolite distance limiters

Download (256KB) Indexing metadata
9.
Fig. 9. Calculation model for determining the temperature distribution in the cryostat

Download (41KB) Indexing metadata
10.
Fig. 10. Appearance of insulation on the cryostat cover

Download (181KB) Indexing metadata
11.
Fig. 11. Leak test

Download (422KB) Indexing metadata
12.
Fig. 12. “Cold” liquid nitrogen testing

Download (198KB) Indexing metadata
13.
Fig. 13. Current Institution Schedule

Download (140KB) Indexing metadata
14.
Fig. 14. The change in voltage over time

Download (263KB) Indexing metadata
15.
Fig. 15. Model of the static-levitation demonstration test bed: pos. 1 - platform; pos. 2 - permanent magnets located on the track structure; pos. 3 - permanent magnets located on the platform; pos. 4 - compact HTS module; pos. 5 - load

Download (243KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 496

PDF (Russian) - 172

Cited-By


PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2015 Demina A.A., Safonov A.V., Kovalchuk O.A., Zapretilina E.R., Rodin I.Y., Andreev E.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies