Устройство сверхпроводящего магнита - RU2281574C2
Код документа: RU2281574C2
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству сверхпроводящего магнита, в частности к устройству сверхпроводящего магнита для его переключения в режим незатухающего тока с использованием съемного токопровода.
Предшествующий уровень техники
Наряду с усовершенствованием технических характеристик сверхпроводящего провода и прогрессом в технике изготовления катушек с использованием такого провода, а также техническими достижениями в устройствах на их основе, таких, как теплоизолирующий контейнер и рефрижератор, были созданы различные типы сверхпроводящих магнитов и устройств специального назначения, использующих указанные магниты, в частности устройство, работающее в режиме незатухающего тока. Примерами устройств, которые уже были внедрены, является устройство сверхпроводящего магнита для системы магнитно-резонансного формирования изображения (MRI, МРФИ) и для транспортного средства на магнитной подушке (Maglev, ТСМП). Указанное устройство сверхпроводящего магнита питается электрическим током, подводимым от внешнего источника возбуждения тока к катушке, которая охлаждается до очень низкой температуры. Хотя создается необходимое магнитное поле, начальные и конечные участки проволоки катушки закорачиваются путем сверхпроводящего переключения, что заставляет устройство работать в режиме незатухающего тока, в котором электрический ток продолжает течь в катушке без источника питания. После того, как устройство переключено в режим незатухающего тока, мощность от внешнего источника возбуждения тока отключается, и устройство работает независимо от источника питания. Устройству сверхпроводящего магнита в качестве элемента требуется токопровод для подачи электрического тока в упомянутую катушку. Токопровод представляет собой путь тока, который связывает клемму, соединенную с внешним источником возбуждения тока, находящуюся снаружи сверхпроводящего магнита, с внутренней катушкой. Токопровод также является путем утечки тепла от клеммы, имеющей комнатную температуру, к катушке, имеющей очень низкую температуру, и в особенности при отсутствии электрического тока провод является просто элементом, проводящим тепло. Для снижения расходов на замораживание катушки необходимо минимизировать утечку тепла в сверхпроводящий магнит. В этой связи рассматривалась возможность использования съемного токопровода в устройстве сверхпроводящего магнита, работающем в режиме незатухающего тока, позволяющего снизить величину утечки тепла за счет отсоединения токопровода, когда токопровод не проводит электрический ток.
Широко распространены два типа систем для отсоединения съемного токопровода. Одна из таких систем построена таким образом, что участок присоединения/отсоединения токопровода снимается со сверхпроводящего магнита (см., например, публикации 1 и 4), а другая система основана на том, что создается зазор на месте контакта между участком присоединения/отсоединения и фиксированным участком (контактным участком провода) (см., например, публикацию 2). Фиг.7А и 7Б соответственно изображают пример концептуальной конфигурации системы снятия и системы создания зазора.
В системе снятия, показанной на фиг.7а, первый токопровод 111 располагается в вакуумном контейнере 110, а второй токопровод 112 выполнен с возможностью отсоединения от первого токопровода 111. Первый токопровод 111 подсоединяется к непоказанной катушке внутри вакуумного контейнера 110 на одном конце и имеет контактный участок 111а на другом конце, который выходит наружу из вакуумного контейнера 110. Второй токопровод 112 имеет участок 112а присоединения/отсоединения на одном конце для съемного присоединения к контактному участку 111а провода и имеет электрод-клемму 112b на другом конце для соединения проводной линии, которая ведет к внешнему источнику возбуждения тока.
При подаче электрического тока с внешнего источника в катушку второй токопровод 112 вставляется в первый токопровод 111 для обеспечения соединения, а когда подача питания закончена, второй токопровод 112 снимается с первого токопровода 111.
Система снятия проста, и подобную конфигурацию можно использовать на практике в устройстве сверхпроводящего магнита для МРФИ. Однако устройство, использующее систему снятия, требует профессиональных навыков, связанных с обслуживанием сверхпроводящего магнита, например, при обеспечении давления контакта в месте контакта, требуемом для каждого присоединения/отсоединения при возбуждении/размагничивании магнита, для удаления изморози и льда, для удаления изолирующего покрытия, возникшего из-за окисления и порчи, или для принятия мер с целью предотвращения вышеупомянутых обстоятельств и т.п. Устройство сверхпроводящего магнита системы снятия является достаточно сложным в обслуживании. Следовательно, устройство сверхпроводящего магнита, к которому может применяться указанная система, может быть ограничено, например, устройство сверхпроводящего магнита для МРФИ, в котором возбуждение/размагничивание магнита происходит приблизительно раз в год, и обслуживание токопровода в этот момент может осуществляться только специалистом. Соответственно, при наличии множества устройств сверхпроводящих магнитов, для которых возбуждение/размагничивание выполняется по мере необходимости или каждые несколько дней, то есть, как и в случае устройства сверхпроводящего магнита для ТСМП, если возбуждение/размагничивание повторяется с частотой от одного раза в день до двух недель, и множество сверхпроводящих магнитов, выстроенных в одну цепочку, непрерывно последовательно возбуждается/размагничивается, то ручное обслуживание съемных токопроводов будет слишком трудоемким. Существует также проблема обеспечения безопасности, связанная с большой величиной магнитной силы, которая действует на такие магнитные предметы, как железный инструмент. В условиях работы оператора вблизи сильного магнитного поля сверхпроводящего магнита существует опасность получения травм в случае, когда оператор, несущий магнитную деталь, может быть притянут к магниту.
С другой стороны, в системе создания зазора, показанной на фиг.7Б, первый токопровод 121 располагается внутри вакуумного контейнера 120, а второй токопровод выполнен с возможностью присоединения к первому токопроводу 121 и отсоединения от него. Первый токопровод 121 присоединяется к не показанной на чертеже катушке внутри вакуумного контейнера 120 на одном конце и имеет контактный участок 121а провода на другом конце. Второй токопровод 122 имеет участок 122а присоединения/отсоединения на одном конце, который перемещается возвратно-поступательно внутри вакуумного контейнера 120 для съемного присоединения к контактному участку 121а провода, и имеет электрод-клемму 122b на другом конце для соединения проводной линии, которая ведет к внешнему источнику возбуждения тока, находящемуся снаружи вакуумного контейнера 120. Герметичность внутри вакуумного контейнера 120 поддерживается герметичной крышкой 125, состоящей из гофрированной мембраны и т.д., расположенной в тесном контакте с периферией участка 122а присоединения/отсоединения, покрывая сквозное отверстие 120, через которое проходит второй токопровод 122.
При подаче электрического тока в катушку от внешнего источника возбуждения тока участок 122а присоединения/отсоединения второго токопровода 122 подсоединяется к контактному участку 121а первого токопровода 121. Когда подача тока заканчивается, второй токопровод 122 отодвигается от первого токопровода 121 с формированием зазора между участком 122а присоединения/отсоединения и контактным участком 121а провода и с прерыванием контакта.
Указанная система создания зазора может предотвратить образование изморози и льда и изолирующего покрытия путем обеспечения участка контакта между участком 122а присоединения/отсоединения и контактным участком 121а провода в герметичном пространстве внутри сверхпроводящего магнита, что позволяет облегчить работу и обслуживание сверхпроводящего магнита. В случае применения съемного токопровода к сверхпроводящему магниту, когда возбуждение/размагничивание магнита производится сравнительно часто, использование указанной системы является необходимым.
В системе формирования зазора важно, чтобы герметичность на участке прохождение проводника в вакуумный контейнер имела высокую надежность. Соблюдение данного условия особенно актуально в случае использования сверхпроводящего магнита в динамической среде, подвергающейся вибрации, при этом необходим несущий механизм для обеспечения высокого сопротивления герметичной крышки к вибрации. На практике наибольшее распространение получил съемный токопровод, построенный по системе снятия, имеющий простую конструкцию. Что касается системы создания зазора, был предложен съемный токопровод, который управляется вручную без учета вибрационной среды (см., например, публикацию 3).
Однако использование указанного управляемого вручную провода сопряжено с опасностью при работе и хранении так же, как и в случае упомянутого выше провода, работающего по системе снятия. Для установки значения электрического сопротивления контакта в месте контакта равным или меньшим установленного значения необходимо прикладывать требуемое усилие сжатия. Однако при обслуживании оператором вручную множества съемных токопроводов может иметь место недостаточная сила сжатия вследствие субъективной ошибки.
Соответственно, когда в устройстве сверхпроводящего магнита используется съемный токопровод, требуется не только адаптирование системы создания зазора на месте контакта между участком присоединения/отсоединения и контактным участком провода, но и автоматизация работы оператора. Ранее существовала идея генерирования движущей силы для автоматизации процесса с использованием электродвигателя. В качестве примера управления одним участком съемного токопровода может быть использована автоматическая система управления, построенная на основе управления давлением газа (см., например, публикацию 5).
Релевантные источники
[Документ 1]
Выложенная японская заявка №61-222209.
[Документ 2]
Выложенная японская заявка №60-32374.
[Документ 3]
Выложенная японская заявка №3-232205.
[Документ 4]
Shunji YAMAMOTO и соавторы, "Improvement in reliability of a detachable power lead", сборник лекций 42-ой конференции по криогенной инженерии и сверхпроводимости, 1989, раздел С1-4, стр.44, (ноябрь 1989).
[Документ 5]
Tsukasa WADA, Akio SATO, "Low heat-leaking detachable power lead", материалы конференции по криогенной инженерии, раздел B3-7, стр.136 (май 1987).
Однако при размещении модуля привода, например, электродвигателя, генерирующего движущую силу непосредственно путем взаимодействия электрического тока с магнитным полем в вакуумном контейнере, из-за сильного магнитного поля, создаваемого сверхпроводящим магнитом, происходит потеря управления или снижение движущей силы. В таком случае генерирование движущей силы принципиально возможно путем обеспечения магнитного экрана. Однако указанный магнитный экран, экранирующий сильное магнитное поле, может существенно повысить вес устройства и имеет большие габариты. В зависимости от конструкции существует возможность размещения приводного модуля в вакууме. В этом случае воздушное охлаждение не работает, и во избежание выделения тепла приходится снижать уровень электрического тока ниже требуемой величины. Следовательно, движущая сила снижается, и к участку присоединения/отсоединения не может быть приложена достаточная величина контактного давления. Другими словами, обычный электродвигатель, в который подается большой ток для генерации мощности, выделяет большое количество тепла, что создает тем самым проблему повышения температуры.
В вышеупомянутой системе привода управления давлением газа посредством труб и клапанов соединяют компрессионный или вакуумный (декомпрессионный) насос, буферный резервуар, участок расширения/сжатия для привода (мехи) и т.д. для обеспечения возвратно-поступательного движения участка присоединения/отсоединения. Множество требуемых элементов делает конструкцию устройства сложной, а также может увеличить ее размеры и объем. Более того, если система управления давлением газа используется в устройстве сверхпроводящего магнита для ТСМП, то может произойти утечка газ в трубах и т.д., которые восприимчивы к вибрации, поскольку во время движения транспорта имеет место вибрация.
В свете вышеупомянутых проблем задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать устройство сверхпроводящего магнита, обеспечивающее эффективное, точное и безопасное соединение токопровода сверхпроводящего магнита.
Раскрытие изобретения
Для решения вышеупомянутой задачи предложено устройство сверхпроводящего магнита по п.1, которое содержит сверхпроводящую катушку, охлаждаемую в вакуумном контейнере, первый токопровод, фиксированный внутри вакуумного контейнера, причем один конец первого токопровода подсоединен к сверхпроводящей катушке, а другой его конец имеет контактный участок провода, и второй токопровод для прохождения через сквозное отверстие, выполненное в вакуумном контейнере герметичным способом, причем один конец второго токопровода подсоединен к линии провода, ведущей к внешнему источнику возбуждения тока, а другой его конец имеет участок присоединения/отсоединения, съемно устанавливаемый на контактном участке провода. Устройство сверхпроводящего магнита переключается в режим незатухающего тока посредством электрического тока, подаваемого от внешнего источника возбуждения тока, при условии, что вышеупомянутый съемный участок находится в контакте с контактным участком провода. Затем участок присоединения/отсоединения отделяется от контактного участка провода, и поддерживается режим незатухающего тока.
Другими словами, упомянутая конфигурация соответствует вышеупомянутой "системе формирования зазора". При подаче электрического тока в сверхпроводящую катушку для пропускания электрического тока от внешнего источника возбуждения тока участок присоединения/отсоединения второго токопровода приводится в контакт с контактным участком провода первого токопровода. После того, как устройство переключено в режим незатухающего тока, подача электрического тока от внешнего источника возбуждения тока прекращается, а источник питания отключается. Участок присоединения/отсоединения отделяется от контактного участка провода для создания зазора между ними, и устройство работает в автономном режиме. Второй токопровод вводится в вакуумный контейнер герметичным способом. Таким образом, может быть устранена утечка воздуха снаружи вакуумного контейнера внутрь него.
В частности, сверхпроводящее устройство содержит механизм привода, расположенный в упомянутом вакуумном контейнере. Механизм привода, изготавливаемый из немагнитного изоляционного материала, предназначен для автоматического возвратно-поступательного перемещения участка присоединения/отсоединения в направлении присоединения/отсоединения по отношению к контактному участку провода под воздействием напряжения, приложенного от внешнего источника питания привода.
В упомянутой "системе формирования зазора" участок присоединения/отсоединения приводится с помощью возвратно-поступательного движения в заданное положение не вручную, а автоматически. Таким образом, система проста в обслуживании, и для ее работы и обслуживания необязательны профессиональные навыки. Она также гарантирует безопасность оператора. Кроме того, даже при последовательном возбуждении/размагничивании множества сверхпроводящих магнитов не требуется никаких трудовых ресурсов и, таким образом, возможна эффективная работа. Кроме того, требуемое значение давления контакта для установки электрического сопротивления контакта в месте контакта между контактным участком провода и участком присоединения/отсоединения, необходимого для выполнения каждого присоединения/отсоединения, равного или ниже установленной величины, является точным и не зависит от субъективной ошибки.
Механизм привода, изготовленный из немагнитного изоляционного материала, предохраняет или ограждает оператора механизма привода от воздействия большой магнитной силы сверхпроводящего магнита. Следовательно, возможно точное управление возвратно-поступательным перемещением участка присоединения/отсоединения.
В частности, согласно п.2 формулы, упомянутый второй токопровод может быть подобен длинному валу, который подвижным образом поддерживается механизмом привода, расположенным на внешней стороне вакуумного контейнера вдоль направления присоединения/отсоединения, и удерживается частично в тесном контакте с выдвигающимся гибким элементом, выполненным с возможностью запирания упомянутого сквозного отверстия между внешней поверхностью вакуумного контейнера и механизмом привода.
В такой конфигурации второй токопровод и гибкий элемент (типа гофрированной мембраны) всегда находятся частично в тесном контакте друг с другом. Следовательно, герметичная внутренность вакуумного контейнера обеспечена, даже если второй токопровод движется.
В частности, при возникновении опасности утечки газа из вакуумного контейнера, например, в случае, когда устройство сверхпроводящего магнита расположено в вибрирующей среде, предпочтительно, чтобы в вакуумном контейнере располагалась герметичная камера для формирования двойной конфигурации предотвращения утечки, как показано в п.3 формулы.
Указанная герметичная камера состоит из трубчатого тела, один конец которого сформирован вокруг упомянутого сквозного отверстия и проходит в вакуумный контейнер, а другой конец выполнен подвижным с возможностью поддержания и фиксации первого токопровода в положении на расстоянии от сверхпроводящей катушки. Герметичное пространство создается через сквозное отверстие между трубчатым телом и гибким элементом, а контактный участок провода и участок присоединения/отсоединения размещаются внутри герметичного пространства.
Согласно вышеупомянутой конфигурации, утечка воздуха внутрь вакуумного контейнера предотвращается по меньшей мере дважды, внешней стенкой герметичной камеры, расположенной внутри вакуумного контейнера, и гибким элементом. Следовательно, может поддерживаться функционирование устройства сверхпроводящего магнита.
Механизм привода может быть также расположен внутри вакуумного контейнера вместо того, чтобы располагаться снаружи, как в вышеупомянутом случае.
В частности, согласно п.4 формулы, второй токопровод может содержать конечный участок, подобный валу, фиксированный с возможностью прохождения через жесткую герметичную крышку, установленную для закрывания упомянутого сквозного отверстия вакуумного контейнера, и подсоединенный к упомянутой проводной линии на одном конце, выходящем наружу вакуумного контейнера, причем подобный валу съемный участок поддерживается с возможностью скольжения вдоль направления присоединения/отсоединения посредством механизма привода внутри вакуумного контейнера, и гибкий участок, состоящий из проводной линии, соединяющей подобный валу конечный участок и съемный участок внутри вакуумного контейнера.
При такой конфигурации, поскольку второй токопровод фиксируется на жесткой герметичной крышке на конечном участке, подобном валу, деформация герметичной крышки предотвращается или ограничивается даже в том случае, если устройство сверхпроводящего магнита располагается в вибрационной среде. Таким образом, может быть улучшено сопротивление вибрации. Соответственно, уплотнение между подобным валу конечным участком и герметичной крышкой становится более качественным и высоким, что эффективно предотвращает утечку воздуха. Участок присоединения/отсоединения второго токопровода может быть присоединен к контактному участку провода или отсоединен от него путем скольжения внутри вакуумного контейнера. Поскольку второй токопровод и подобный валу конечный участок приводятся в проводящее состояние через гибкий участок, второй токопровод может адекватно играть роль второго токопровода.
Как сформулировано в п.5 формулы, механизм привода, в частности, содержит корпус, расположенный в вакуумном контейнере, и продольный пьезоэлектрический элемент в качестве упомянутого немагнитного изолирующего материала, проходящий параллельно оси второго токопровода. Один конечный участок пьезоэлектрического элемента подсоединен к корпусу, а другой его конец прямо или косвенно подсоединен к упомянутому второму токопроводу. Пьезоэлектрический элемент расширяется/сжимается параллельно второму токопроводу (съемный участок) в соответствии с приложенным напряжением. На пьезоэлектрический элемент не действует магнитное поле. Следовательно, он может возвратно-поступательно перемещать участок присоединения/отсоединения в точное положение при малой тепловой нагрузке. Более того, механизм привода должен в основном только обеспечивать место для пьезоэлектрического элемента, и таким образом может быть достигнута простая и компактная конфигурация.
Согласно п.6 формулы, механизм привода может содержать корпус, расположенный в вакуумном контейнере, ультразвуковой двигатель, изготовленный из вышеупомянутого немагнитного изолирующего материала, фиксированного на корпусе, и скользящий механизм, прямо или косвенно подсоединенный ко второму токопроводу, и приводимый в движение с возможностью скольжения параллельно оси второго токопровода посредством вращения ультразвукового двигателя. Участок присоединения/отсоединения движется возвратно-поступательно посредством вращения ультразвукового двигателя, запускаемого внешним источником возбуждения тока и приводящего в движение скользящий механизм соответствующим образом.
Указанная конфигурация может быть реализована в виде ходового механизма с использованием шариковой винтовой пары, который будет описан, например, в одном из вариантов осуществления. Кроме того, поскольку на ультразвуковой двигатель не действует магнитное поле, участок присоединения/отсоединения может возвратно-поступательно перемещаться в искомое положение с малой тепловой нагрузкой. Кроме того, имеется большой запас в расстоянии перемещения участка присоединения/отсоединения по сравнению со случаем использования расширения/сжатия вышеупомянутого пьезоэлектрического элемента. Поскольку расстояние может быть сделано более длинным, можно удлинить место контакта между первым токопроводом и вторым токопроводом, например, снижая сопротивление соединения.
Вышеупомянутое устройство сверхпроводящего магнита может найти широкое применение, в частности в устройстве сверхпроводящего магнита для МРФИ, а также в устройстве для ТСМП. Устройство сверхпроводящего магнита является наиболее эффективным при использовании для ТСМП поезда, как показано в п.7 формулы. ТСМП поезд обеспечивается множеством устройств сверхпроводящих магнитов, у которых возбуждение/размагничивание выполняется при необходимости или через каждые несколько дней. Следовательно, при функционировании устройства представляется важным обеспечить высокую эффективность автоматизации, поддерживать высокую точность и обеспечивать безопасность.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления со ссылками на фигуры сопровождающих чертежей, в числе которых:
фиг.1 изображает схематическую конфигурацию устройства сверхпроводящего магнита согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг.2 изображает схематическую конфигурацию механизма привода, который входит в состав устройства сверхпроводящего магнита согласно первому варианту осуществления изобретения,
фиг.3 изображает модификацию несущей структуры в механизме привода согласно первому варианту осуществления изобретения,
фиг.4 изображает схематическую конфигурацию механизма привода, составляющую устройство сверхпроводящего магнита согласно второму варианту осуществления изобретения,
фиг.5 изображает схематическую конфигурацию устройства сверхпроводящего магнита согласно третьему варианту осуществления изобретения,
фиг.6 изображает схематическую конфигурацию устройства сверхпроводящего магнита согласно четвертому варианту осуществления изобретения, и
фиг.7А и 7В соответственно изображают схематическую конфигурацию известного устройства сверхпроводящего магнита.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Настоящий вариант осуществления описывает устройство сверхпроводящего магнита для ТСМП согласно настоящему изобретению. Фиг.1 изображает (частично в разрезе) схематическую конфигурацию устройства сверхпроводящего магнита. Фиг.2 изображает схематическую специфическую конфигурацию механизма привода, показанного в части А (пунктирная линия) фиг.1.
Как показано на фиг.1, устройство сверхпроводящего магнита согласно настоящему изобретению содержит вакуумный контейнер 10, сверхпроводящую катушку (не показана), охлаждаемую внутри вакуумного контейнера 10, съемный токопровод 20 для подачи электрического тока в сверхпроводящую катушку из внешнего источника 51 возбуждения тока и механизм 30 привода для присоединения/отсоединения съемного токопровода 20. Внутри вакуумного контейнера 10 имеются внутренний резервуар, содержащий жидкий гелий и жидкий азот для охлаждения сверхпроводящей катушки до очень низкой температуры, радиационный экран в качестве теплоизолирующего слоя, покрывающего внутренний резервуар, и т.д. Однако объяснение и схематическое представление указанных компонентов опускается, поскольку устройство сверхпроводящего магнита согласно настоящему варианту осуществления характеризует механизм присоединения/отсоединения съемного токопровода 20.
Съемный токопровод 20 состоит из первого токопровода 21, расположенного внутри вакуумного контейнера 10, и второго токопровода 22, подсоединенного к первому токопроводу 21 с возможностью съема.
Первый токопровод 21 имеет удлиненную форму. Первый токопровод 21 подсоединен к сверхпроводящей катушке на одном его конце (ниже фигуры) и имеет вогнутый контактный участок 21а провода на другом конце. Первый токопровод 21 фиксируется и поддерживается на теплоизолирующем несущем элементе 11, предусмотренном внутри вакуумного контейнера 10 и отстоящем от сверхпроводящей катушки.
Второй токопровод 22 выполнен в форме удлиненного вала. Второй токопровод 22 имеет участок 22а присоединения/отсоединения на одном его конце, который проходит через сквозное отверстие 10а, предусмотренное в вакуумном контейнере, и соединен с возможностью съема с контактным участком 21а провода, а также участок 22b клеммного соединения на другом конце, выходящем наружу вакуумного контейнера 10 с возможностью подсоединения к проводной линии, ведущей к внешнему источнику 51 возбуждения тока. Второй токопровод 22 поддерживается с возможностью съема механизмом привода 30, расположенным на внешней поверхности вакуумного контейнера 10 вдоль направления присоединения/отсоединения относительно первого токопровода 21. Второй токопровод 22 удерживается частично в тесном контакте с выдвигающейся гофрированной мембраной 12 (гибкой деталью), расположенной между внешней поверхностью вакуумного контейнера 10 и механизмом привода 30, предназначенной для закрывания упомянутого сквозного отверстия 10а.
Механизм 30 привода расширяет/сжимает пьезоэлектрический элемент (поясняемый ниже), размещенный внутри корпуса 31, посредством приложения заданного напряжения от внешнего источника 52 питания привода. Механизм 30 привода автоматически возвратно-поступательно перемещает участок 22а присоединения/отсоединения в направлении присоединения/отсоединения.
Другими словами, как показано на фиг.2, изображающей схематическую конфигурацию механизма привода 30 без корпуса 31, второй токопровод 22 поддерживается несущим механизмом 40, предусмотренным внутри корпуса 31 с возможностью возвратно-поступательного перемещения токопровода в осевом направлении. Несущий механизм 40 состоит из верхнего и нижнего несущих элементов 41, 41, проходящих от внутренней стенки корпуса 31 по направлению ко второму токопроводу 22. Каждый из несущих элементов 41 содержит участок 42, подобный валу, проходящий от внутренней стенки корпуса 31, и поддерживающий участок 43, подобный квадратному кольцу, выполненный непрерывным от вершины участка 42, подобного валу, и окружающий второй токопровод 22. Каждая сторона поддерживающего участка 43 снабжена валковым элементом 45, который может вращаться. Валковый элемент 45 поддерживает второй токопровод 22 так, что второй токопровод может двигаться возвратно-поступательно без трения.
На середине оси второго токопровода 22 предусмотрен выходящий наружу элемент 22c, передающий мощность. Также один конец продольного пьезоэлектрического керамического элемента 50 соединяется с несущим элементом 32, выполненным выступающим на внутренней стенке корпуса 31, и поддерживается на ней, а другой его конец подсоединен к оконечному участку элемента 22c, передающего мощность. Пьезоэлектрический керамический элемент 50 расположен с возможностью прохождения параллельно осевому направлению второго токопровода 22. Элемент 50 расширяется/сжимается под действием приложенного заданного напряжения и соответственно перемещает второй токопровод 22 в осевом направлении (направление присоединения/отсоединения). Напряжение, прикладываемое в нужный момент, определяется заранее таким образом, чтобы участок 22а присоединения/отсоединения мог быть приведен в контакт с контактным участком 21а провода при необходимом контактном давлении, учитывая то, насколько расширился пьезоэлектрический керамический элемент 50.
При переключении устройства сверхпроводящего магнита согласно настоящему варианту осуществления в режим незатухающего тока напряжение, прежде всего, прикладывается к механизму 30 привода от внешнего источника 52 питания привода, и пьезоэлектрический керамический элемент 50 расширяется под действием приложенного напряжения. В результате второй токопровод 22 перемещается в сторону первого токопровода 21, и участок 22а присоединения/отсоединения входит в контакт с контактным участком 21а провода. Впоследствии электрический ток от внешнего источника 51 возбуждения тока подается в сверхпроводящую катушку через второй токопровод 22 и первый токопровод 21.
Когда переключение в режим незатухающего тока завершается, подача электрического тока от внешнего источника 51 возбуждения тока прекращается, а затем прекращается и подача напряжения от внешнего источника 52 питания привода. В результате пьезоэлектрический керамический элемент 50 сжимается, в результате чего участок 22а присоединения/отсоединения отделяется от контактного участка 21а провода и образуется зазор между первым токопроводом 21 и вторым токопроводом 22. Величина и синхронизация подачи мощности от упомянутого внешнего источника 51 возбуждения тока и внешнего источника 52 питания привода управляется не показанным на чертеже устройством управления подаваемой мощностью.
Как было показано выше, в устройстве сверхпроводящего магнита согласно настоящему варианту осуществления изобретения, согласно "системе создания зазора", второй токопровод 22, содержащий съемный токопровод 20, приводится в возвратно-поступательное движение в заданное положение не вручную, а автоматически, чтобы войти в контакт с первым токопроводом 21. Следовательно, для работы и обслуживания необязательны профессиональные навыки, и устройство является простым в обслуживании. Также можно устранить традиционную угрозу безопасности оператора. Кроме того, даже в случае последовательного возбуждения/размагничивания множества сверхпроводящих магнитов не требуется никаких трудовых затрат, и таким образом повышается эффективность устройства. Кроме того, давление контакта, требуемое для установки электрического сопротивления контакта в месте контакта между контактным участком 21а провода и участком 22а присоединения/отсоединения, необходимое для каждого присоединения/отсоединения, равное или ниже установленного значения, может быть получено точно без ошибки, вызванной человеческим фактором.
Предыдущий вариант осуществления предусматривает наличие несущего механизма 40, который поддерживает второй токопровод 22 с парой верхней и нижней несущих деталей 41, 41, как показано на фиг.2. Однако возможны другие типы несущего механизма.
Например, как показано на фиг.3, изображающей механизм 30' привода, также можно использовать несущую структуру, состоящую из участка 61, выступающего из внутренней стенки корпуса, а также несущего участка 62 трубчатой формы, имеющего заданную длину в осевом направлении второго токопровода 22, вставленного в указанный участок, и сформированного непрерывно от конца выступающего участка 61. Несущий механизм может быть также сконструирован таким образом, чтобы второй токопровод 22 поддерживался, по меньшей мере, тремя несущими элементами вдоль осевого направления, и/или же множество несущих элементов может быть сконструировано в различной форме соответственно.
Второй вариант осуществления изобретения
В рассмотренном первом варианте осуществления сама пьезоэлектрическая керамика используется в качестве механизма привода. Настоящий вариант осуществления изобретения относится к устройству сверхпроводящего магнита, принимающему ходовой механизм, включающий в себя в качестве механизма привода ультразвуковой двигатель, использующий пьезоэлектрическую керамику. Фиг.4 изображает схематический вид соответствующего участка, который соответствует фиг.2 в первом варианте осуществления изобретения. Базовая конфигурация настоящего устройства сверхпроводящего магнита, способ подачи электропитания и т.д. по существу идентичны таковым согласно первому варианту. Следовательно, идентичные компоненты могут быть пронумерованы аналогично и повторно не описываются.
Как показано на фиг.4, второй токопровод 22 поддерживается ходовым механизмом 240, предусмотренным внутри корпуса механизма привода 230, и приводится в возвратно-поступательное движение в осевом направлении.
Ходовой механизм 240 содержит элемент 241 в форме бруска, скрепленный со вторым токопроводом 22 вдоль осевого направления, ультразвуковой двигатель 242, расположенный в базовом элементе 232, предусмотренном на внутренней стенке корпуса, шариковую винтовую пару 243, соединенную с осью вращения ультразвукового двигателя 242 и проходящую в осевом направлении, и направляющий элемент 244 для направления элемента 241 в форме бруска параллельно осевому направлению второго токопровода 22.
Элемент 241 в форме бруска снабжен направляющим отверстием 241а и резьбовым отверстием 241b. Как направляющее отверстие 241а, так и резьбовое отверстие 241b являются сквозными отверстиями, которые проходят параллельно осевому направлению второго токопровода 22. Направляющее отверстие 241а имеет по существу такое же поперечное сечение, как и у направляющего элемента 244. В резьбовом отверстии 241b формируется гаечная резьба, которая зацепляет резьбу шариковой винтовой пары 243. Направляющий элемент 244 проходит через направляющее отверстие 241а и фиксируется на базовом элементе 232 или фиксируется на корпусе на обоих его концах (фиксированное состояние направляющего элемента 244 для удобства на чертеже не показано). Шариковая винтовая пара 243 ввинчивается в резьбовое отверстие 241b и, таким образом, поддерживает элемент 241 в форме бруска с возможностью скольжения.
При переключении устройства сверхпроводящего магнита согласно настоящему варианту осуществления в режим незатухающего тока напряжение сначала подается на механизм 230 привода с внешнего источника 52 питания привода, при этом ультразвуковой двигатель 242 возбуждается, вращая шариковую винтовую пару 243. В результате элемент 241 в форме бруска скользит, направляемый направляющим элементом 244, и соответственно второй токопровод 22 перемещается к первому токопроводу 21, а участок 22а присоединения/отсоединения входит в контакт с контактным участком 21а провода. В момент, когда участок 22а присоединения/отсоединения входит в контакт с контактным участком 21а провода, подача напряжения из внешнего источника 52 питания привода прерывается, и движение второго токопровода 22 прекращается. Затем электрический ток от внешнего источника 51 возбуждения тока подается в сверхпроводящую катушку через второй токопровод 22 и первый токопровод 21.
Когда переключение в режим незатухающего тока заканчивается, подача тока от внешнего источника 51 возбуждения тока прекращается; затем возобновляется подача напряжения из внешнего источника 52 питания привода, возбуждая ультразвуковой двигатель 242 в обратном направлении. В результате этого шариковая винтовая пара 243 вращается в противоположном направлении. Тем самым участок присоединения/отсоединения 22а отделяется от контактного участка 21а провода, и образуется зазор между первым токопроводом 21 и вторым токопроводом 22. Величина и синхронизация подачи питания от упомянутого внешнего источника 51 возбуждения тока и внешнего источника 52 питания привода, переключение направления подачи питания и т.д. управляются не показанным на чертеже устройством управления электропитанием.
Как было показано выше, в устройстве сверхпроводящего магнита согласно настоящему варианту осуществления изобретения, выполненном согласно "системе создания зазора", участок 22а присоединения/отсоединения также приводится в возвратно-поступательное движение в заданное положение не вручную, а автоматически. Следовательно, может быть получен по существу такой же эффект, как и в описанном выше первом варианте осуществления. Более того, поскольку применяется ходовой механизм 240, использующий ультразвуковой двигатель 242, существует большой запас в расстоянии перемещения участка присоединения/отсоединения по сравнению со случаем, когда используется расширение/сжатие пьезоэлектрической керамики, упомянутое в первом варианте осуществления изобретения. Поскольку расстояние перемещения может быть увеличено, создание более длинного места контакта между первым токопроводом 21 и вторым токопроводом 22 обеспечивает возможность снижения сопротивления контакта.
Третий вариант осуществления изобретения
Настоящий вариант осуществления изобретения имеет конфигурацию, по существу идентичную конфигурации упомянутых первых двух вариантов, и дополнительно обеспечивает высокие технические характеристики для предотвращения утечки воздуха в вакуумный контейнер. Фиг.5 изображает схематическую конфигурацию (вид в частичном разрезе) устройства сверхпроводящего магнита согласно настоящему варианту. Поскольку используется механизм привода упомянутого первого варианта или второго варианта, объяснение механизма привода не повторяется. Аналогично, базовая конфигурация настоящего устройства сверхпроводящего магнита, способ подачи электропитания и т.д. по существу идентичны используемым в первом варианте. Следовательно, идентичные компоненты могут быть пронумерованы аналогично, и они не требуют дополнительного пояснения.
Как показано на фиг.5, устройство сверхпроводящего магнита по третьему варианту содержит герметичную камеру 310, состоящую из трубчатого тела 312, проходящего внутрь (ниже фигуры) вакуумного контейнера 10 из периферии сквозного отверстия 10а, и имеющую первый токопровод 21, вставленный в нее.
Указанное трубчатое тело 312 содержит трубчатый элемент 313, имеющий свободный конец, сформированный непрерывно вокруг упомянутого сквозного отверстия 10а на внутренней поверхности вакуумного контейнера 10 и проходящий вдоль оси первого токопровода 21 внутри вакуумного контейнера 10, а также элемент-крышку 314, предусмотренный на другом конце трубчатой детали 313. Трубчатое тело 312 фиксируется и поддерживается на изолирующем несущем элементе 311, предусмотренном внутри вакуумного контейнера 10 на другом конечном участке трубчатого элемента 313. В середине элемента-крышки 314 выполнено сквозное отверстие 314а, и первый токопровод 21 проходит через сквозное отверстие 314а с сохранением герметичности. Трубчатое тело 312 и гофрированная мембрана 12 составляют герметичную камеру 310, которая образует герметичное пространство вокруг сквозного отверстия 10а. Контактный участок 21а провода и участок 22а присоединения/отсоединения находятся внутри герметичной камеры 310.
Согласно данному варианту одна герметичная камера 310 обеспечивается для того, чтобы создать двойную систему предотвращения утечки. Однако можно предусмотреть более одной герметичной камеры для того, чтобы создать тройную или т.д. систему предотвращения утечки.
Четвертый вариант осуществления изобретения
Четвертый вариант предусматривает наличие механизма привода, идентичного используемому в первом или втором вариантах. Однако в данном варианте механизм привода расположен не снаружи, а внутри вакуумного контейнера 10. Фиг.6 изображает схематическую конфигурацию (вид в частичном разрезе) механизма привода по четвертому варианту. Соответственно, подробное объяснение механизма привода не повторяется. Базовая конфигурация настоящего устройства сверхпроводящего магнита, способ подачи электропитания и т.д. по существу идентичны используемым в первом варианте. Следовательно, идентичные компоненты могут быть пронумерованы аналогичным образом.
Как показано на фиг.6, устройство сверхпроводящего магнита согласно данному варианту содержит механизм 430 привода, подобный используемому в вышеупомянутых первом и втором вариантах, внутри вакуумного контейнера 10. Напряжение подается от внешнего источника 52 питания привода через проводную линию, подсоединенную к механизму 430 привода, которая проходит через непоказанное маленькое отверстие, просверленное на участке вакуумного контейнера 10, на котором расположен механизм 430 привода.
Второй токопровод 420 содержит конечный участок 421, подобный валу, фиксированный и проходящий с сохранением герметичности через жесткую герметичную крышку 412, установленную для закрывания упомянутого сквозного отверстия 10а на внешней поверхности вакуумного контейнера 10, подобный валу съемный участок 422, поддерживаемый с возможностью скольжения посредством механизма привода 430 вдоль направления присоединения/отсоединения к первому токопроводу 21, и гибкий участок 423, состоящий из проводной линии, электрически соединяющей подобный валу конечный участок 421 и участок 422 присоединения/отсоединения.
Участок 422 присоединения/отсоединения второго токопровода 420 и подобный валу конечный участок 421 приводятся в проводящее состояние с помощью гибкого участка 423. Участок 422 присоединения/отсоединения подвижным образом поддерживается и приводится в возвратно-поступательное движение механизмом 430 привода так, чтобы он мог перемещаться внутри вакуумного контейнера 10 и присоединяться к/отсоединяться от контактного участка 21а провода.
Указанная конфигурация фиксирует второй токопровод 420 к жесткой герметичной крышке 412 на подобном валу концевом участке 421. Следовательно, даже если устройство сверхпроводящего магнита в данном случае расположено в вибрирующей среде, деформация герметичной крышки 412 предотвращается и ограничивается, и может быть улучшено сопротивление вибрации. Другими словами, на практике достаточно трудно управлять собственной частотой гибкой герметичной крышки 412, и если ее собственная частота совпадает с частотой вибрирующей среды, то гибкая герметичная крышка резонирует, приобретая большую деформацию. Однако, благодаря жесткости материала, собственная частота жесткой герметичной крышки 412 может быть установлена существенно более высокой, чем частота, принятая в момент работы устройства сверхпроводящего магнита для ТСМП. Таким образом, легко избежать резонанса и минимизировать деформацию. Если деформация, обусловленная вибрацией, мала, то искажение формы крышки становится незначительным, и усталостное разрушение, которое является причиной утечки воздуха, может быть предотвращено или ограничено. Соответственно, достигается высокая герметичность между подобным валу конечным участком 421 и герметичной крышкой 412, и может быть эффективно предотвращена утечка воздуха. Следовательно, получается высокая надежность устройства сверхпроводящего магнита, и простой транспортного средства на магнитной подушке (ТСМП), обусловленный повреждением и потерями вследствие необходимого ремонта, может быть эффективно снижен.
Выше были описаны варианты осуществления настоящего изобретения. Однако оно не ограничивается вышеупомянутыми вариантами, и возможны другие варианты, не выходящие за рамки настоящего изобретения.
Например, в вышеупомянутых вариантах воплощения в качестве пьезоэлектрического элемента используется пьезоэлектрическая керамика. Однако вместо пьезоэлектрической керамики может применяться пьезоэлектрический монокристалл или пьезоэлектрическое органическое вещество.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение обеспечивает возможность более эффективного, точного и безопасного соединения токопровода сверхпроводящего магнита. Оно может применяться в устройствах сверхпроводящего магнита различного назначения, таких, как устройство сверхпроводящего магнита для МРФИ и для ТСМП. В частности, при использовании в ТСМП поезде, настоящее изобретение может значительно увеличить эффективность работы посредством автоматизации, поддерживать точность и улучшить безопасность оператора и т.д.
Реферат
Изобретение относится к электротехнике, к сверхпроводящим электромагнитам для их переключения в режим незатухающего тока с использованием съемного токопровода. Технический результат заключается в обеспечении эффективного, точного и безопасного соединения токопровода сврхпрповодящего магнита. Устройство сверхпроводящего магнита содержит сверхпроводящую катушку, охлаждаемую в вакуумном контейнере. Первый токопровод фиксируется внутри вакуумного контейнера. Его один конец подсоединен к сверхпроводящей катушке, а другой имеет контактный участок провода. Второй токопровод проходит через сквозное отверстие, предусмотренное в вакуумном контейнере с сохранением герметичности. Его один конец подсоединен к линии провода, ведущей к внешнему источнику тока возбуждения, а другой его конец имеет участок присоединения/отсоединения установлен на контактном участке провода с возможностью съема. Устройство выполнено с возможностью переключения в режим незатухающего тока посредством электрического тока, подаваемого от внешнего источника тока возбуждения, когда вышеупомянутый участок присоединения/отсоединения находится в контакте с контактным участком провода, и с возможностью поддержания режима незатухающего тока после его отделения от контактного участка провода. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
