Имя изобретателя: Богданов Игорь Глебович
Имя патентообладателя: Богданов Игорь Глебович
Адрес для переписки: 111402, Москва, ул. Старый Гай, 6-1-151, И.Г. Богданову
Дата начала действия патента: 2005.07.07

Способ и устройство для его реализации предназначены для использования в электротехнике. В способе изменения количества энергии в магнитной системе изменяют ток, по крайней мере, в одной паре обмоток магнитной катушки, причем в одной обмотке изменяют электрический ток одного направления вектора плотности тока, а в другой обмотке изменяют электрический ток противоположного направления вектора плотности тока. Устройство содержит магнитную катушку, содержащую, по крайней мере, один магнит с обмоткой. При этом магнитная система содержит, по крайней мере, еще одну обмотку, при этом, по крайней мере, две обмотки выполнены с возможностью соединяться в одну пару обмоток и выполнены с возможностью парой запитываться токами противоположных направлений, причем предусмотрена возможность ввода энергии, по крайней мере, в одну пару обмоток и вывода энергии, по крайней мере, из одной пары обмоток. Изобретение обеспечивает эффективность изменения параметров магнитной системы.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области способов изменения количества энергии в магнитных катушках и к области устройств для их реализации.

Способ и устройство для его реализации могут быть применены для запитки энергией индуктивных накопителей энергии и для коммутации запасенной энергии из индуктивных накопителей энергии.

Способ и устройство для его реализации могут быть применены для запитки энергией индуктивных накопителей энергии, используемых в двигателях различных транспортных систем. Например, в кораблях, подводных лодках, поездах, автомобилях, а самое главное, в летательных аппаратах в авиационной и в космической технике. Соответственно, способ и устройство для его реализации могут быть применены для вывода запасенной энергии (коммутации запасенной энергии) из индуктивных накопителей энергии, используемых в двигателях различных транспортных систем.

Способ и устройство для его реализации могут быть применены для запитки энергией индуктивных накопителей энергии, используемых в крупных энергетических системах городов, стран и континентов. Например, для стабилизации суточного изменения потребления электроэнергии в городах, странах и на континентах. Или для стабилизации сезонного изменения потребления электроэнергии в городах, странах и на континентах.

Соответственно, способ и устройство для его реализации могут быть применены для вывода запасенной энергии (коммутации запасенной энергии) из индуктивных накопителей энергии, используемых в крупных энергетических системах городов, стран и континентов. Например, для стабилизации суточного изменения потребления электроэнергии в городах, странах и на континентах. Или для стабилизации сезонного изменения потребления электроэнергии в городах, странах и на континентах.

Известен способ изменения количества магнитной энергии в магнитной системе и устройство для его реализации с помощью сверхпроводящего магнитного ключа [1] с протеканием тока в одном направлении, заключающийся в том, что концы обмотки замыкают сверхпроводящей проволокой, которую переводят нагревателем в нормальное состояние на время, когда нужно изменить ток в магните.

Сверхпроводящие обмотки нагревателем сверхпроводящего магнитного ключа нагревают на небольших участках. На нагретых участках сверхпроводящие обмотки переводят в нормальное состояние и одновременно на этих участках токовводами сверхпроводящего магнитного ключа изменяют электрический ток и изменяют энергию в магнитной системе.

При изменении тока в сторону возрастания магнитную систему запитывают энергией.

При достижении тока требуемой величины нагреватель выключается, проволочная перемычка становится сверхпроводящей, и через обмотку магнита течет незатухающий ток, а внешний источник может быть отключен. Можно применять токовводы с разъемом на холодном конце и вынимать их из криостата, что уменьшает токоприток в криостат [1]. При этом ток в магнитную систему запитывают так, что ток в ней течет только в одном направлении.

При выводе тока с помощью токовводов из магнитной системы энергию выводят. (Осуществляют коммутацию запасенной энергии.) Изменяют энергию в магнитной системе в сторону уменьшения содержащейся в ней энергии.

Недостатком такого способа изменения количества магнитной энергии в магнитной системе и устройства для его реализации с помощью сверхпроводящего магнитного ключа с протеканием тока в одном направлении является то, что при этом в магнитную систему с энергией 10 МДж или более 10 МДж можно запитать электрический ток малой плотности вектора электрического тока. Так, например, в малых обычных магнитных системах, выполненных как магнитные катушки, с энергией 0,1 кДж создают плотность тока до 5·10⁸ А/м² [2], а в больших магнитных системах с энергией 10 МДж создают плотность тока только до 1·10⁷ А/м².

Ограничение на величину плотности тока возникают, в первую очередь, из-за того, что при запитке возникают индукционные электрические поля, препятствующие запитке.

Следующим недостатком такого способа изменения количества магнитной энергии в магнитной системе и устройства для его реализации с помощью сверхпроводящего магнитного ключа с протеканием тока в одном направлении является то, что при этом в магнитную систему, выполненную в виде магнитной катушки, с энергией 10 МДж или более 10 МДж удается запитать малое количество энергии, приходящееся на единицу ее веса. В работе [10] приведен график зависимости отношения веса катушки магнитного поля к запасенной энергии для сверхпроводящих катушек Брукса. Известно, что энергия, запасенная в магнитной катушке, пропорциональна пятой степени ее размеров, а значит, ее массе в степени 5/3, и второй степени плотности тока (конструктивной). Из графика следует, что при плотности критического тока 10⁷ А/м² и запасенной энергии, например, 10⁷ Дж соотношение вес/запасенная энергия равно 2000 кг/МДж. При этом удельное содержание энергии на единицу веса магнитной катушки составит 0,0005 МДж/кг.

Однако, поскольку с ростом массы удельное содержание энергии в магнитной системе растет пропорционально массе в степени 5/3, то из графика следует, что при плотности критического тока 10⁷ А/м² и запасенной энергии, например, 10¹⁰ Дж соотношение вес/запасенная энергия равно уже 500 кг/МДж. При этом удельное содержание энергии на единицу веса магнитной катушки составит 0,002 МДж/кг.

Следовательно, вес катушки магнитного поля, которая может запасти энергию 10¹⁰ Дж при такой плотности критического тока, составляет 5000 т.

Ограничение на величину удельного содержания энергии в магнитной системе на единицу ее веса возникают из-за ограничения на величину плотности тока, которые возникают, в первую очередь, из-за того, что при запитке возникают индукционные электрические поля, препятствующие запитке.

Следующим недостатком такого способа изменения количества энергии в магнитной системе и устройства для его реализации с помощью сверхпроводящего магнитного ключа с запиткой тока с протеканием тока в одном направлении является то, что при таком способе изменения в магнитной катушке возникают мощные радиальные напряжения из-за большой силы Ампера, действующей на текущий по обмотке ток со стороны магнитного поля магнитной катушки, которое магнитную катушку разрушает.

Это создает дополнительные ограничения на содержание энергии на единицу веса магнитной системы, выполненной в виде магнитной катушки, поскольку для защиты от разрушений требуется мощный прочностной каркас, значительно дополнительно увеличивающий вес магнитной системы.

Задачей, стоящей перед изобретением, является увеличение количества энергии в магнитной системе, приходящейся на единицу веса магнитной системы, и обеспечение возможности выводить из магнитной системы увеличенное количество энергии, приходящееся на единицу веса магнитной системы, по крайней мере, для магнитной системы, в которую планируется запасать энергию более 10 МДж.

Указанная задача решается тем, что в способе изменения количества энергии в магнитной системе, состоящем в том, что изменяют количество магнитной энергии в магнитной системе, при этом изменяют ток в обмотке магнитной системы, дополнительно изменяют ток еще, по крайней мере, в одной обмотке магнитной системы таким образом, что при этом изменяют ток, по крайней мере, в одной паре обмоток магнитной системы, причем в одной обмотке изменяют электрический ток одного направления вектора плотности тока, а в другой обмотке изменяют электрический ток противоположного направления вектора плотности тока.

В одной обмотке пары изменяют электрический ток одного направления вектора плотности тока, а в другой обмотке пары изменяют электрический ток противоположного направления вектора плотности тока так, что модуль силы тока в обоих обмотках меняется одинаково, при этом изменяют электрический ток в обмотке, содержащей, по крайней мере, один сверхпроводящий провод, выполненный в матрице из нормального проводника.

Запитывают токами противоположных направлений две составные части малой секции магнитной катушки, причем составная часть малой секции содержит, по крайней мере, один магнит с обмоткой, при этом в одной составной части малой секции магнитной катушки, по крайней мере, один магнит с обмоткой запитывают током одного направления вектора плотности тока, а в другой составной части малой секции магнитной катушки, по крайней мере, один магнит с обмоткой запитывают током противоположного направления вектора плотности тока, а потом составные части малой секции магнитной катушки соединяют и включают магниты различных составных частей малой секции навстречу друг другу.

Сначала в криостате, наполненном жидким гелием, первоначально запитывают током две разбираемые системы составных частей малых секций магнитной катушки, содержащих, по крайней мере, одну пару составных частей малой секции, образующих вместе малую секцию, при этом в одной разбираемой системе составных частей малых секций содержится по одной составной части от каждой малой секции, из двух разбираемых систем, причем одну разбираемую систему запитывают током с одним направлением тока, а другую разбираемую систему запитывают током с противоположным направлением, при этом в разбираемых магнитных катушках запитывают током магниты с обмоткой, содержащей композитный провод, содержащий, по крайней мере, один сверхпроводящий провод, выполненный в матрице из нормального проводника, причем от одной разбираемой системы составных частей малых секций магнитной катушки отодвигают составную часть, по крайней мере, одной малой секций магнитной катушки, а от другой разбираемой системы составных частей малых секций отодвигают другую составную часть той же малой секций магнитной катушки, при этом составные части малой секции соединяют с системами перемещения составных частей малых секций магнитной катушки, захватывают две составные части малой секции по одной составной части каждой малой секции от каждой из разбираемых систем составных частей малых секций и отодвигают в направлении от разбираемых систем вдоль осей магнитов с обмоткой составных частей малых секций, причем оставшиеся части разбираемых систем удерживают в исходном положении, при этом при удалении магнитов с обмоткой с одним направлением тока от системы составных частей малой секции с тем же направлением тока наводят индукционное электрическое поле и индукционным электрическим полем увеличивают плотность тока в удаляемых магнитах

где dP_m1 - изменение магнитного потока через поверхность контура, ограниченного током, текущим по обмотке составной части малой секции магнитной катушки при удалении составной части малой секции с одним направлением тока от разбираемой системы составных частей малых секций магнитной катушки с тем же направлением электрического тока, что и в составной части малой секции,

dt - единица времени,

производят работу против сил Ампера притяжения малой секции магнитной катушки к разбираемой системе составных частей малых секций магнитной катушки, при этом работа переходит в увеличение магнитной энергии и малой секции магнитной катушки и разбираемой системы составных частей малых секций магнитной катушки, причем две составные части малой секции магнитной катушки системами перемещения составных частей малых секций магнитной катушки держат стыковочными устройствами, перемещают и соединяют с системами удержания и размещения составных частей малой секции магнитной катушки при сборке малой секции, при этом системы удержания и размещения составных частей малой секции магнитной катушки при сборке малой секции перемещают составные части малых секций с помощью стыковочных устройств.

Электростанцией вырабатывают энергию, направляют энергию на завод по сборке и запитке энергией магнитной катушки и в криостате запитывают, по крайней мере, одну пару обмоток магнитной катушки токами противоположных направлений, затем обмотки с противоположным направлением токов сближают, соединяют и фиксируют в соединенном положении.

По крайней мере, в одной паре обмоток магнитной катушки изменяют ток сверхпроводящим магнитным ключом в каждой обмотке, при этом в сверхпроводящем магнитном ключе участок провода обмотки со сверхпроводником нагревают нагревателем, переводят сверхпроводник провода в нормальное состояние, а затем двумя токовводами на нагретом участке изменяют ток обмотки.

Две запитанные энергией составные части малой секции магнитной катушки с магнитами с обмоткой с токами, текущими в противоположные стороны в каждой составной части, сближают поршнем навстречу друг другу так, чтобы магнит с обмоткой одной составной части малой секции вошел внутрь магнита с обмоткой другой составной части малой секции, причем при сближении магнита одной сближаемой части малой секции с одним направлением электрического тока с магнитом другой сближаемой части малой секции с противоположным направлением электрического тока наводят индукционное электрическое поле

где dP_m2 - изменение магнитного потока через поверхность контура, ограниченного током, текущим по обмотке составной части малой секции магнитной катушки при сближении магнита с обмоткой одной сближаемой составной части малой секции магнитной катушки с одним направлением вектора плотности электрического тока с магнитом другой сближаемой составной части малой секции магнитной катушки с противоположным направлением вектора плотности электрического тока,

dt - единица времени,

и увеличивают с помощью индукционного электрического поля плотность тока в сближаемых магнитах с обмоткой составных частей малых секций, при этом осуществляют работу против сил Ампера отталкивания магнитов сближаемых частей малой секции магнитной катушки, которая переходит в увеличение магнитной энергии магнитов обоих сближаемых частей малой секции магнитной катушки, и, таким образом, запитывают энергией малую секцию.

Магниты с обмоткой малой секции магнитной катушки электрически изолируют друг от друга с помощью матриц из диэлектрика, по крайней мере, с одним пазом или отверстием и передают на магниты с обмоткой механические усилия через матрицы, при этом поршнем вводят выступы или боковые поверхности одной матрицы внутрь пазов или отверстия другой матрицы, при этом магнит одной составной части малой секции вводят в паз или отверстие матрицы другой составной части малой секции.

Слоями из эластичного диэлектрика амортизируют возникающие механические нагрузки, когда выступы или боковые поверхности одной матрицы из диэлектрика одной составной части малой секции магнитной катушки вводят в пазы или отверстия другой матрицы из диэлектрика другой составной части малой секции магнитной катушки, причем снаружи от слоев упругими пружинящими пластинами также амортизируют возникающие механические нагрузки, когда выступ или боковую поверхность одной матрицы вводят в паз или отверстие другой матрицы, при этом пластины прижимают к слоям, когда на них давят приближающейся другой составной частью малой секции так, чтобы пластины при этом пружинили, причем пластины соединены с матрицами с торцевой поверхности матрицы.

После запитки энергией, по крайней мере, двух малых секций магнитной катушки токами малые секции удаляют от разбираемых систем составных частей малых секций магнитной катушки вдоль плоскости, перпендикулярной оси витка обмотки магнита и находящейся на одинаковом расстоянии от разбираемых систем, конвейером системы перемещения собранных малых секций магнитной катушки, а затем вставляют, по крайней мере, одну малую секции в сквозное осевое отверстие другой малой секций, затем при объединении малых секций магнитной катушки в большую секцию системой удержания и размещения малых секций при сборке больших секций магнитной катушки поднимают малую секцию с конвейера рычагами с захватами и манипуляторами и устанавливают ее так относительно другой малой секции магнитной катушки, чтобы их оси совпали и часть одной малой секции магнитной катушки вошла в сплошное осевое отверстие другой малой секции магнитной катушки таким образом, что при этом в ближайших друг к другу магнитах с обмоткой двух малых секций магнитной катушки текут токи противоположных направлений вектора плотности тока.

По крайней мере, две предварительно запитанные энергией малые секции магнитной катушки соединяют друг с другом системой удержания и размещения малых секций магнитной катушки при сборке большой секции магнитной катушки и собирают из малых секций, по крайней мере, одну большую секцию магнитной катушки, при этом после того, как, по крайней мере, две малые секции магнитной катушки соединяют, по крайней мере, в две большие секции, по крайней мере, из двух больших секций собирают систему больших секций магнитной катушки и устанавливают в криостате системы больших секций магнитной катушки, при этом над одной большой секцией устанавливают, по крайней мере, одну другую большую секцию, при этом две большие секции отделяют друг от друга тепловым экраном.

По крайней мере, две большие секции соединяют в систему больших секций магнитной катушки системой удержания и размещения малых секций магнитной катушки при сборке большой секции магнитной катушки, при этом системы удержания и размещения малых секций магнитной катушки при сборке большой секции магнитной катушки устанавливают в криостате системы больших секций магнитной катушки, при этом снаружи от одного криостата собирают, по крайней мере, еще одну систему больших секций и устанавливают эту систему больших секций в другой криостат, выполненный снаружи от первого криостата, при этом при выводе запасенной энергии энергию выводят сверхпроводящим магнитным ключом, поочередно нагревая нагревателями по одному участки с нагревателями и с токовводами проводов вывода запасенной энергии вдоль периметров криостатов, при этом нагревают по одному провода, расположенные вдоль периметра криостата, и по очереди выводят энергию из нагретых проводов, при этом сначала нагревают по одному проводу по очереди и по очереди выводят энергию из нагретых проводов, расположенных по периметру одного криостата, потом нагревают по одному проводу по очереди и по очереди выводят энергию из нагретых проводов, расположенных по периметру другого криостата, и так далее.

В верхних участках сверхпроводящих композитных проводов со сверхпроводящими магнитными ключами с нагревателями и с токовводами в парах магнитов с обмоткой изменяют силу тока в тот момент времени, когда участки выше уровня жидкого гелия криостата.

Для изменения количества энергии в магнитной системе в каждой паре магнитов с обмоткой в композитных сверхпроводящих проводах вывода энергии одновременно в сверхпроводящих магнитных ключах нагревают нагревателями участки пар идущих один вдоль другого магнитов с обмоткой с противоположными направлениями токов в районе расположения токовводов, путем нагрева выводят сверхпроводящий композитный провод из сверхпроводящего состояния и через токовводы либо запитывают энергией магнитную катушку, либо выводят из магнитной системы запасенную энергию.

Энергию в магнитной системе изменяют, когда магнитная катушка находится внутри транспортного средства, причем при выводе из магнитной системы запасенной энергии энергию направляют на двигатель транспортного средства для снабжения его энергией.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для реализации способа изменения количества энергии в магнитной катушке, содержащем магнитную систему, содержащую, по крайней мере, один магнит с обмоткой, дополнительно магнитная система содержит, по крайней мере, еще одну обмотку, при этом, по крайней мере, две обмотки выполнены с возможностью соединяться в одну пару обмоток и выполнены с возможностью попарно запитываться токами противоположных направлений, причем предусмотрена возможность ввода энергии, по крайней мере, в одну пару обмоток и вывода энергии, по крайней мере, из одной пары обмоток, при этом обмотки в паре обмоток электрически изолированы друг от друга.

Устройство для реализации способа изменения количества энергии в магнитной системе содержит криостат, наполненный жидким гелием, и две разбираемые системы составных частей малых секций магнитной катушки, при этом две разбираемые системы составных частей малых секций установлены в криостате, причем предусмотрена возможность запитывать магниты с обмоткой одной системы током с одним направлением тока и предусмотрена возможность запитывать магниты с обмоткой другой системы током с противоположным направлением, при этом разбираемая система составных частей малых секций магнитной катушки состоит, по крайней мере, из двух составных частей малых секций магнитной катушки, выполненных с возможностью отодвигаться от остальных частей разбираемой системы составных частей малых секций магнитной катушки, а две составные части малой секции магнитной катушки от разных разбираемых катушек выполнены с возможностью образовывать одну малую секцию магнитной катушки, при этом малая секция содержит, по крайней мере, одну пару магнитов с обмоткой, выполненных с возможностью запитываться токами противоположных направлений, и предусмотрена возможность запитывать магниты с обмоткой пары токами противоположных направлений, при этом магнит с обмоткой содержит, по крайней мере, один провод, выполненный из композитного сверхпроводника, содержащий, по крайней мере, один провод из сверхпроводника, помещенный в матрицу из нормального проводника, причем составная часть малой секции содержит, по крайней мере, один магнит с обмоткой.

Устройство для реализации способа изменения количества энергии в магнитной системе содержит, по крайней мере, одну пару систем перемещения составных частей малых секций магнитной катушки и, по крайней мере, одну систему удержания и размещения составных частей малой секции магнитной катушки при сборке малой секции, при этом системы перемещения составных частей малых секций магнитной катушки выполнены с возможностью соединяться с составными частями малой секции стыковочными устройствами с рычагами с захватами и зажимами, которые выполнены с возможностью захватывать две составные части малой секции по одной составной части каждой малой секции магнитной катушки, входившей в состав одной из разбираемых сверхпроводящих магнитных катушек, и с возможностью отодвигать составную часть малых секций от разбираемой системы составных частей малых секций, при этом стыковочное устройство с рычагами с захватами и зажимами соединено с разбираемой системой составных частей малых секций и выполнено с возможностью удерживать систему в исходном положении при отделении от системы составной части малой секции магнитной катушки.

Устройство для реализации способа изменения количества энергии в магнитной системе содержит, по крайней мере, две системы удержания и размещения составных частей малой секции магнитной катушки при сборке малой секции и конвейер системы перемещения собранных малых секций магнитной катушки, соединенный с системой удержания и размещения составных частей малой секции магнитной катушки при сборке малой секции, при этом между системами удержания и размещения составных частей малой секции магнитной катушки при сборке малой секции выполнен поршень, причем поршень выполнен с возможностью сближать две составные части малой секции навстречу друг другу так, чтобы магниты с обмоткой составной части малой секции, взятые от одной разбираемой системы составных частей малых секций магнитной катушки, вошли между магнитами с обмоткой другой составной части малой секции, взятыми от другой разбираемой системы составных частей малых секций магнитной катушки, так, чтобы магниты разных составных частей малой секции были включены навстречу друг другу, при этом предусмотрена возможность закреплять собранные малые секции в собранном положении.

Составная часть малой секции магнитной катушки содержит матрицу из диэлектрика, при этом магниты с обмоткой малой секции магнитной катушки электрически изолированы друг от друга через матрицу, причем предусмотрена возможность передачи на магниты с обмоткой механических усилий через матрицу, при этом предусмотрена возможность составным частям малых секций состыковываться таким образом, чтобы магнит с обмоткой одной составной части малой секции входил в паз или в сквозное отверстие другой составной части малой секции, причем на поверхности матрицы из диэлектрика выполнен слой из эластичного диэлектрика, при этом снаружи от слоя выполнены, по крайней мере, две упругие пружинящие пластины, причем пластины выполнены с возможностью пружинить и прижиматься к слою, когда на них давит приближающаяся другая составная часть малой секции.

Предусмотрена возможность составным частям малых секций состыковываться таким образом, чтобы магнит с обмоткой одной составной части малой секции входил в паз или в сквозное отверстие другой составной части малой секции, причем, по крайней мере, с одним магнитом с обмоткой соединена система роликов или шариков, при этом предусмотрена возможность составной части малой секции скользить по системе роликов или шариков.

Устройство для реализации способа изменения количества энергии в магнитной системе содержит, по крайней мере, одну секцию магнитной катушки, при этом предусмотрена возможность установки, по крайней мере, одной секции магнитной катушки в криостат, при этом магнит с обмоткой секции имеет провод вывода энергии с участком с нагревателем и с токовводами, выполненный в верхней части криостата, причем провода вывода энергии от магнитов с обмоткой объединены парами, при этом предусмотрена возможность выводить из пары проводов токи противоположных направлений вектора плотности тока.

Предусмотрена возможность так устанавливать криостаты и секции магнитной катушки, что после сборки, по крайней мере, один криостат оказывается внутри другого криостата и, по крайней мере, одна секция оказывается вне, по крайней мере, одного криостата, при этом предусмотрена возможность установки, по крайней мере, одной секции в криостат таким образом, что провода вывода энергии магнитов с обмоткой секции выполнены вдоль периметра криостата.

Устройство для реализации способа изменения количества энергии в магнитной системе содержит, по крайней мере, два сверхпроводящих магнитных ключа, установленных, по крайней мере, на одной паре обмоток магнитной катушки на каждой обмотке пары, при этом в сверхпроводящем магнитном ключе участок провода обмотки со сверхпроводником соединен с нагревателем и с двумя токовводами, причем нагреватель выполнен с возможностью нагревать участок провода обмотки со сверхпроводником и переводить сверхпроводник в нормальное состояние, а токовводы выполнены с возможностью изменять ток обмотки на нагретом участке.

Предусмотрена возможность после запитки энергией магнитной катушки в результате реализации способа изменения количества энергии в магнитной системе устанавливать магнитную катушку внутри транспортного средства и предусмотрена возможность направлять энергию из магнитной системы на транспортное средство, причем предусмотрена возможность при выводе из магнитной системы запасенной энергии направлять энергию на двигатель транспортного средства для снабжения двигателя энергией.

Такое осуществление способа изменения энергии в магнитной системе позволяет значительно увеличить плотность тока в магнитной катушке и, как следствие, за счет того, что удельное содержание энергии на единицу веса магнитной катушки пропорционально второй степени плотности тока (конструктивной), позволяет значительно увеличить удельное содержание энергии на единицу веса магнитной катушки. При этом, поскольку одновременно запитывается много пар обмоток с противоположным направлением тока, то суммарное магнитное поле такой магнитной системы, выполненной в виде много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова, за счет суперпозиции магнитных полей магнитов с обмоткой с противоположным направлением токов стремится почти к нулю, а значит, стремятся почти к нулю и радиальные напряжения, которые при таком способе изменения энергии в магнитной системе не препятствуют увеличению плотности тока в магнитной катушке. Также по этой причине (по причине уменьшения до минимума суммарного магнитного поля) стремятся к нулю и возникающие при запитке индукционные токи. Однако, поскольку энергия в магнитной катушке определяется выражением (3), в соответствием с которым определяется ее индуктивностью и квадратом плотности тока, то энергия в такой катушке не уменьшается до малых значений с уменьшением радиальных напряжений с уменьшением до малых значений магнитного поля.

При этом возникает возможность запитывать магнитную катушку индукционными электрическими полями при нахождении магнитов с обмоткой полностью в сверхпроводящем состоянии, что позволяет поднять плотность тока в магнитах с обмоткой до плотности тока коротких образцов, а значит, позволяет сделать удельное содержание энергии в магнитной системе на единицу ее веса в десятки тысяч раз больше удельного содержания энергии в химическом ракетном топливе.

Запитка обмотки до плотности тока коротких образцов становится возможной также благодаря тому, что обмотку с током перемещают в магнитном поле таким образом, что магнитное поле внутри контура, ограниченного обмоткой, меняется, а значит, меняют и магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром обмотки. При изменении магнитного поля и магнитного потока в обмотке наводят ЭДС самоиндукции таким образом, что она действует на основную протяженность длины обмотки. Например, на часть длины обмотки, составляющую от 90 до 99,99 процентов полной длины обмотки (или даже более, вплоть до 100 процентов), в то время как при традиционном способе запитки ЭДС прикладывают на участок между токовводами, составляющий от 10 до 0,01 процента (или даже еще менее) от полной длины обмотки.

Не обнаружено источников информации, в которых описаны технические решения, решающие поставленную задачу аналогичными техническими средствами.

- Чертежи, прилагаемые к изобретению -

Предлагаем описание пяти вариантов способа Богданова изменения количества магнитной энергии в магнитной катушке устройством для его реализации. Наиболее предпочтительными вариантами являются первые два варианта, отличающимися тем, что первый позволяет запитать в магнитную катушку Богданова электрический ток до плотности токов коротких образцов, но дороже и сложнее, а второй позволяет запитать большую магнитную катушку до плотности тока в малых магнитных катушках, но дешевле проще в исполнении. Например, первый позволяет запитать в магнитную катушку Богданова электрический ток до плотности токов коротких образцов, например, порядка 10¹⁰ А/м² , но дороже и сложнее, а второй позволяет запитать большую магнитную катушку до плотности тока в малых магнитных катушках 5·10⁸ А/м², но дешевле и проще в исполнении. Однако при этом в обоих случаях плотность тока будут превышать достигнутую плотность тока в больших магнитных катушках порядка 10⁷ А/м². И соответственно, запасенная магнитная энергия в магнитной катушке в первом случае может превышать эту величину в 10⁶ раз (в 1000000 раз), а во втором случае в 250 раз.

Первый вариант является лучшим для более дорогой космической и авиационной техники, второй вариант будет предпочтительнее для более дешевой техники. Например, для автомобилей.

Первый вариант

В первом варианте (лучшем, но более дорогом и более сложном варианте, чем второй вариант) способ Богданова изменения количества магнитной энергии в магнитной катушке устройством для его реализации осуществляют следующим образом.

В зависимости от того, будет ли использован принцип рециклинга - принцип повторного использования способа изменения количества энергии в магнитной системе для одной и той же катушки, способ изменения количества энергии в магнитной системе состоит либо из трех, либо из четырех стадий.

Способ изменения количества энергии в магнитной системе при использовании принципа рециклинга - принципа повторного использования способа одной и той же магнитной катушкой, состоит из четырех стадий.

Первая стадия изменения энергии в магнитной системе - запитка энергией магнитной катушки путем сборки магнитной катушки на заводе по сборке и запитке энергией. Передача на завод энергии из мощной электростанции.

Вторая стадия изменения энергии в магнитной системе - передача собранной и запитанной энергией магнитной системы, выполненной в виде много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова, на объект по использованию энергии магнитной катушки.

Третья стадия изменения энергии в магнитной системе - вывод энергии из магнитной системы для использования объектом энергии магнитной катушки.

Четвертая стадия - передача магнитной катушки после вывода ее запасенной энергии объектом по использованию энергии магнитной катушки на завод по разборке (по демонтажу) магнитной катушки и по изготовлению из магнитной системы исходных элементов для ее новой запитки и по подготовке ее к новой запитке. Завод по разборке (по демонтажу) может совпадать с заводом по сборке.

Способ изменения количества энергии в магнитной системе без использования принципа рециклинга - без принципа повторного использования способа одной и той же магнитной катушкой, состоит только из первых трех стадий.

Описываем все четыре стадии способа изменения количества энергии в магнитной системе при использовании принципа рециклинга - принципа повторного использования способа одной и той же магнитной катушкой. Те случаи, когда принцип рециклинга не используется, будут оговариваться отдельно по ходу описания.

Первая стадия изменения энергии в магнитной системе - запитка энергией магнитной катушки путем сборки магнитной катушки на заводе по сборке и запитке энергией состоит из нескольких этапов. На заводе запитку и сборку магнитной катушки осуществляют в сборочных цехах.

Для реализации способа в сборочном цехе, соблюдая определенные указанные ниже действия, собирают и запитывают при этом энергией малые секции магнитной катушки, при этом составные части малой секции берут из двух разбираемых систем составных частей малых секций магнитной катушки. Это осуществляют следующим образом.

Сначала криостат 1 запитки и сборки малых секций магнитных катушек сборочного цеха 85 по сборке и запитке энергией малых секций магнитной катушки охлаждают до криогенных температур мощной системой охлаждения, совмещенной с ним, включающей мощные рефрижераторные станции, и наполняют жидким гелием.

Энергию для сборки и запитки энергией магнитной системы, выполненной в виде много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова, вырабатывают мощной электростанцией 63. Энергию направляют на завод 64 по сборке и запитке энергией магнитной системы, выполненной в виде много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова.

Внутрь завода 64 по сборке и запитке энергией магнитной системы, выполненной в виде много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова, различные элементы магнитной системы вставляют сверху через шахты, выполненные в потолке завода и внутри мощной электростанции 63.

Таким образом, сверху через шахты в криостат 1 запитки и сборки малых секций магнитных катушек вставляют две разбираемые системы 2, 3 составных частей малых секций магнитной катушки.

Затем в криостате 1 запитки и сборки малых секций магнитных катушек, наполненном жидким гелием, первоначально запитывают током две разбираемые системы 2, 3 составных частей малых секций магнитной катушки, при этом одну из разбираемых систем, например разбираемую систему 2, запитывают током с одним направлением тока, а другую разбираемую систему 3 - с противоположным направлением тока. При этом разбираемые системы 2, 3 составных частей малых секций магнитной катушки содержат сверхпроводящие магниты с обмоткой. Причем разбираемые системы 2, 3 составных частей малых секций можно считать отдельными сверхпроводящими магнитными катушками, но в целях удобства изложения материала их целесообразно назвать именно разбираемыми системами, а не разбираемыми магнитными катушками.

При этом эти две разбираемые системы 2, 3 составных частей малых секций магнитной катушки запитывают током таким образом, что при этом запитывают током составные части малых секций собираемой катушки с токами противоположных направлений, из которых состоят эти разбираемые системы 2, 3 составных частей малых секций магнитной катушки.

При этом в разбираемых сверхпроводящих магнитных катушках 2, 3 запитывают током магниты с обмоткой, выполненные в виде композитных проводов, состоящих из сверхпроводящих проводов в матрице из нормального проводника.

Для первоначальной запитки разбираемых систем 2, 3, например, их могут запитывать традиционным способом запитки энергией магнитных катушек через провода 58, 59 вывода энергии вывода энергии, выполненные в виде композитных проводов, состоящие из сверхпроводящих проводов в матрице из нормального проводника, например, из меди или алюминия, которые являются продолжением магнитов с обмоткой магнитных катушек 2, 3. Разбираемые системы 2, 3 составных частей малых секций магнитной катушки и провода 4, 5 вывода энергии опускают в криостат 1 таким образом, что верхняя часть проводов 4, 5 вывода энергии некоторое время находятся выше уровня жидкого гелия криостата 1. В это время верхняя часть проводов 4, 5 вывода энергии находится в нормальном состоянии, и через верхнюю часть проводов 4, 5 вывода энергии сверхпроводящими магнитными ключами 73, 74 с помощью токовводов и нагревателей запитывают разбираемые системы 2, 3 составных частей малых секций магнитной катушки энергией. Для этого, например, сверху к ним опускают прижимные контакты, электрически соединенные с мощной электростанцией 63, прижимают к ним, замыкают, электрически соединяют, запитывают через них энергией, а потом прижимные контакты размыкают и снова поднимают.

Провода 4, 5 вывода энергии идут сначала внизу вдоль составных частей малых секций магнитной катушки параллельно друг другу рядом друг с другом, а потом они отклоняются вверх под углом 90 градусов и идут вверх параллельно оси магнитов с обмоткой малых секций магнитной катушки.

Это первый этап запитки магнитной катушки энергией первой стадии способа изменения энергии в магнитной системе.

После этого этапа запитки энергии в магнитах сверхпроводящей обмотки различных составных частей малых секций магнитной катушки, охлажденных до температуры жидкого гелия, уже циркулирует незатухающий электрический ток. Однако у этого незатухающего электрического тока в сверхпроводящих магнитах с обмоткой плотность тока еще мала.

Способ изменения количества энергии в магнитной системе состоит из способа запитки энергии и из способа вывода запасенной энергии. Рассматриваем способ запитки магнитной катушки энергией при вертикальном расположении осей магнитов с обмоткой магнитных катушек.

Из составных частей малых секций магнитной катушки, выполненных с возможностью отодвигаться от остальных частей малых секций магнитной катушки, входящих в состав разбираемых систем 2, 3, собирают малую секцию много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова [3], содержащей, по крайней мере, одну пару обмоток с противоположным направлением вектора плотности тока.

Наибольшее количество энергии наиболее просто в магнитную катушку Богданова с наибольшим количеством малых секций магнитной катушки можно собрать при вертикальном расположении осей магнитов с обмоткой обмоток малых секций магнитной катушки, которое оси принимают, по крайней мере, в конце запитки. Проще этого достигнуть при первоначальной вертикальной ориентации осей разбираемых систем 2, 3 и при соблюдении последующей вертикальной ориентации их осей.

При этом верхние участки сверхпроводящих композитных проводов с нагревателями и с токовводами в конце запитки устанавливают так, что они оказываются либо на границе уровня жидкого гелия криостата, либо чуть выше.

Способ первоначальной запитки не принципиален. Важно только, чтобы он позволял в первой малой секции магнитной катушки много магнитов с обмоткой магнитной катушке Богданова [3] создать плотность тока, в диапазоне от плотности тока, как в малых обычных магнитных катушках с энергией 0,1 кДж, в которых создают плотность тока до 5·10⁸ А/м², до плотности тока в больших магнитных катушках с энергией 10 МДж до 1·10⁷ А/м² [2].

После первоначального этапа (первого этапа) запитки сверхпроводящих разбираемых систем 2, 3 системы 6, 7 перемещения составных частей малых секций магнитной катушки соединяют с составными частями 8, 9 малой секции магнитной катушки стыковочными устройствами 10, 11, например рычагами с захватами и зажимами, захватывают стыковочными устройствами 10, 11, например рычагами с захватами и зажимами, две составные части 8, 9 малой секции магнитной катушки, по одной составной части каждой малой секции магнитной катушки от каждой из сверхпроводящих разбираемых систем 2, 3, и отодвигают в вертикальном направлении от сверхпроводящих разбираемых систем 2, 3. При этом оставшиеся части разбираемых систем 2, 3 удерживают в исходном положении системами 12, 13 выдвижения и удержания в фиксированном положении стыковочных устройств 12, 13, с помощью стыковочных устройств 75, 76, которые их держат рычагами с захватами и зажимами.

При этом системами 6, 7 перемещения составных частей малых секций магнитной катушки развивают значительное силовое усилие.

Системы 6, 7 перемещения составных частей малых секций магнитной катушки приводят в действие с помощью различных электромоторов, выполненных внутри них. Системы 6, 7 перемещения составных частей малых секций магнитной катушки двигают (перемещают) по рельсам 83, 84 в моменты времени, когда ими перемещают составные части малых секций.

Электричество к электромоторам подводят от системы электропитания, например, от мощной электростанции 63 по различным проводам и по рельсам 83, 84, по которым системы 6, 7 перемещения составных частей малых секций магнитной катушки двигают в моменты времени, когда ими перемещают составные части малых секций. При этом используют электромоторы, которые в состоянии работать при криогенных температурах. В основном, при температуре жидкого гелия. В верхней системе 6 перемещения составных частей малых секций магнитной катушки выполнено отверстие, в которое вставляют разбираемую магнитную систему составных частей малых секций магнитной катушки. Соответствующее отверстие выполнено и над нижней системой 7 перемещения составных частей малых секций магнитной катушки, в которое вставляют другую разбираемую магнитную систему составных частей малых секций магнитной катушки.

При удалении магнитов с обмоткой с одним направлением вектора плотности электрического тока от магнитной катушки с тем же направлением электрического тока наводят первое индукционное электрическое поле (ЭДС самоиндукции), которое увеличивает плотность тока в удаляемых магнитах.

где dP_m1 - изменение магнитного потока через поверхность контура, ограниченного витком с током при удалении магнитов с обмоткой с одним направлением вектора плотности электрического тока магнитной катушки с тем же направлением вектора плотности электрического тока,

dt - единица времени.

Происходит работа против сил Ампера притяжения магнитов с обмоткой к магнитной катушке, которая переходит в увеличение магнитной энергии и магнитов с обмоткой и магнитной катушки.

Так осуществляют второй этап запитки энергии составных частей малой секции магнитной катушки первой стадии способа изменения энергии в магнитной системе. Он повторяется для всех составных частей всех малых секций магнитной катушки.

После этого этапа запитки энергии в магнитах сверхпроводящей обмотки различных составных частей малых секций, охлажденных до температуры жидкого гелия, продолжает циркулировать созданный ранее незатухающий электрический ток. При этом плотность этого тока значительно выше, чем на первом этапе запитки энергии составных частей малой секции магнитной катушки.

Обращаю внимание на важный момент, позволяющий противодействовать разрушению составных частей малых секций магнитной катушки при втором этапе их запитки энергией, когда их отодвигают от магнитных катушек. В этот момент на них действует растягивающая сила Ампера в продольном направлении, обусловленная сложением магнитных полей различных составных частей малых секций магнитной катушки, образующих магнитную катушку с витками с токами одного направления вектора плотности тока.

Эта растягивающая сила Ампера может быть уменьшена путем уменьшения поперечного сечения магнитов с обмоткой с током. При этом сила тока уменьшается, а вместе с ней и уменьшается и магнитное поле. При этом сила Ампера уменьшается пропорционально второй степени (квадрату) площади поперечного сечения, а прочность уменьшается пропорционально площади поперечного сечения в первой степени. При этом для каждой плотности тока возникает некоторое критическое поперечное сечение магнитов с обмоткой, начиная с которого при уменьшении площади поперечного сечения обмотки не будут разрушаться.

За счет этого достигаемая плотность тока может быть очень большой. С ростом числа указанных операций по запитке достигаемая плотность тока может достигать плотности тока коротких образцов.

После этого две составные части 8, 9 малой секции магнитной катушки системы 6, 7 перемещения составных частей малых секций магнитной катушки держат стыковочными устройствами 10, 11, например рычагами с захватами и зажимами, перемещают в горизонтальном направлении и соединяют с системами 14, 15 удержания и размещения составных частей малой секции магнитной катушки при сборке малой секции. Системы 14, 15 удержания и размещения составных частей малой секции магнитной катушки при сборке малой секции сначала перемещают составные части малых секций магнитной катушки с помощью рычагов с зажимами и захватами, например, с помощью манипуляторов автоматов таким образом, чтобы обе составные части разместились над конвейером 16 системы перемещения собранных малых секций магнитной катушки. Системы 14, 15 удержания и размещения составных частей малой секции магнитной катушки при сборке малой секции приводят в действие с помощью различных электромоторов, выполненных внутри них. Для этого к ним от системы электропитания, например, от мощной электростанции 63 подводят электричество по различным проводам. При этом используют электромоторы, которые в состоянии работать при криогенных температурах. В основном, при температуре жидкого гелия.

На фиг.1 и фиг.10 изображен момент времени, когда над конвейером 16 системы перемещения собранных малых секций магнитной катушки уже установлены две самые первые составные части 77, 78 самой первой малой секции. Отличие проводов вывода энергии первых составных частей 77, 78 самой первой малой секции в том, что в одной ее составной части, например, в верхней составной части 77, провода вывода энергии идут сразу вверх.

Тепловой машиной 17, например паровой машиной, соединенной с мощной электростанцией 63, механически перемещают поршень 18 и передают на него силовые усилия. Мощной электростанцией 63 создают пар и подают пар на тепловую машину 17, выполненную, например, в виде паровой машины. Паром приводят тепловую машину 17 в действие.

Тепловой машиной 17 могут усиливать давление, которым давят на поршень 18, например, гидравлическим прессом, механически соединенным с поршнем 18.

При этом этого поршнем 18 сближают две составные части 77, 78 малой секции магнитной катушки навстречу друг другу так, чтобы магниты с обмоткой 19, 20 составной части 77 малой секции магнитной катушки от одной разбираемой системы 2 вошли между магнитами с обмоткой 21, 22 другой составной части 78 малой секции магнитной катушки от другой разбираемой системы 3. При этом поршнем 18 опускают сверху на конвейер 16 и на лежащую на ней составную часть 78 малой секции магнитной катушки составную часть 77 малой секции магнитной катушки.

Магниты с обмоткой малой секции магнитной катушки электрически изолируют друг от друга и передают на них механические усилия с помощью матриц 23, 24 с наклонными поверхностями из жесткого диэлектрика, при этом между наклонными поверхностями выполнены пазы, а между пазами выполнен, по крайней мере, один выступ. В качестве жесткого диэлектрика может быть выполнен текстолит или другой материал, привычный для использования в криогенной технике в сверхпроводящих магнитных катушках. Слоями 25, 26 из эластичного диэлектрика, например из губчатой или пористой резины, амортизируют возникающие механические нагрузки, когда выступы или боковые поверхности или боковые поверхности матрицы из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями одной составной части малой секции магнитной катушки вводят в пазы или отверстия матрицы из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями другой составной части малой секции магнитной катушки. Снаружи от слоев 25, 26 упругими пружинящими пластинами 27, 28 также амортизируют возникающие механические нагрузки, когда матрица из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями одной составной части малой секции магнитной катушки входит в пазы или отверстия матрицы из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями другой составной части малой секции магнитной катушки. Упругие пружинящие пластины 27, 28 прижимают к слоям 25, 26, когда на них давит приближающаяся другая составная часть малой секции магнитной катушки так, чтобы упругие пружинящие пластины 27, 28 при этом пружинили. Упругие пружинящие пластины 27, 28 соединены с матрицами 23, 24 из жесткого диэлектрика с торцевой поверхности матрицы. Например, с помощью клея, возможно, с помощью эпоксидной смолы или при помощи винтов.

Матрица с наклонными поверхностями одной составной части малой секции магнитной катушки от одной магнитной катушки входит в пазы или отверстия матрицы с наклонными поверхностями другой составной части малой секции магнитной катушки от другой магнитной катушки.

В матрице из диэлектрика составной части малой секции с двух сторон от горизонтального участка провода вывода энергии выполнен участок, имеющий аналогичное строение, как и вокруг магнитов с обмоткой, только с элементами меньшего размера по высоте и по ширине. На этом участке матрицы из диэлектрика выполнен либо паз, либо выступ, на которой выполнен аналогичный слой из эластичного диэлектрика, к которому присоединена аналогичная пружинящая пластина, при этом все сделано по высоте и по ширине меньшего размера. На этот участок матрицы также давят поршнем 18. В поршне 18 выполнен вырез (паз), в который вводят вертикальные участки проводов вывода энергии, а в вырезе (в пазе) выполнены пластины 79, 80, образующие вместе решетку, которыми давят на участок матрицы из диэлектрика там, где она окружает горизонтальные участки проводов 81, 82 вывода энергии, которые на границе матрицы из диэлектрика поворачивают на 90 градусов и идут далее вертикально вверх. Также в этот вырез (в паз) будут вводить вертикальные участки проводов вывода энергии между пластинами 79, 80, когда на конвейер 16 поочередно будут устанавливать другие составные части других малых секций. Также этот участок матрицы из диэлектрика удерживают стыковочными устройствами 10, 11, например рычагами с захватами и зажимами, при отделении от разбираемых систем 2, 3 составных частей малых секций магнитной катушки очередных составных частей малых секций.

На конвейер 16 участок матрицы из диэлектрика, окружающий горизонтальный участок проводов вывода энергии, устанавливают так, чтобы этот участок встал на специальный выступ конвейера. При этом этим выступом давят снизу на этот участок нижней составной части малой секции так, чтобы провод вывода энергии одной составной части малой секции, выполненный на выступе, вошел внутрь паза другой составной части малой секции.

При сближении магнитов с обмоткой с противоположным направлением вектора плотности электрического тока одной сближаемой частью малой секции магнитной катушки с одним направлением вектора плотности электрического тока с другой сближаемой частью малой секции магнитной катушки с противоположным направлением вектора плотности электрического тока наводится второе индукционное электрическое поле (ЭДС самоиндукции), которое увеличивает плотность тока в сближаемых магнитах.

где dP_m2 - изменение магнитного потока через поверхность контура, ограниченного витком с током при сближении магнитов с обмоткой с противоположным направлением вектора плотности электрического тока одной сближаемой части малой секции магнитной катушки с одним направлением вектора плотности электрического тока с другой сближаемой частью малой секции магнитной катушки с противоположным направлением вектора плотности электрического тока наводится второе индукционное электрическое поле,

dt - единица времени.

Происходит работа против сил Ампера отталкивания магнитов с обмоткой сближаемых частей малой секции магнитной катушки, которая переходит в увеличение магнитной энергии магнитов с обмоткой обоих сближаемых частей малой секции магнитной катушки.

Таким образом запитывают энергией различные малые секции, отличающиеся своими радиусами, при этом предусмотрена возможность вставлять малые секции с одними радиусами в пазы других малых секций магнитной катушки с другими радиусами.

Так осуществляют третий этап запитки энергии магнитной катушки первой стадии способа изменения энергии в магнитной системе. На этом этапе дополнительно и очень существенно запитывают энергией все малые секции магнитной катушки.

После этого этапа запитки энергии в магнитах сверхпроводящей обмотки уже собранных из своих составных частей малых секций, охлажденных до температуры жидкого гелия, продолжает циркулировать созданный ранее незатухающий электрический ток. При этом плотность этого тока значительно выше, чем на первом и на втором этапах запитки энергией составных частей малой секции магнитной катушки.

Каким образом можно препятствовать разрушению магнитов с обмоткой с током при втором этапе запитки и в промежутке времени между вторым и третьим этапом, кроме уменьшения размеров составных частей малых секций магнитной катушки?

Прежде всего, разумеется, можно использовать бандажи, которые сначала надевают на составные части малых секций магнитной катушки, а затем снимают системами 14, 15 удержания и размещения составных частей малой секции магнитной катушки при сборке малой секции.

Однако простое уменьшение размеров составных частей и увеличение их количества могут позволить вообще обойтись без бандажей, поскольку после третьего этапа запитки радиальные растягивающие напряжения уменьшаются в количество раз, пропорциональное числу пар витков обмотки с противоположным направлением векторов тока.

Магниты с обмоткой различных составных частей 77, 78 малой секции магнитной катушки отталкиваются друг от друга, поскольку в них текут токи противоположных направлений. Однако после вставки одной составной части 77 в другую составную часть 78 малой секции магнитной катушки сила отталкивания уменьшается, поскольку уменьшается магнитное поле, действующее между магнитами с обмоткой. Магниты с обмоткой 19, 20, 21, 22, матрицы 23, 24 из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями, слои 25, 26 эластичного диэлектрика и упругие пружинящие пластины 27, 28 могут быть выполнены таким образом, что у магнитов с обмоткой каждой составной части 77 и 78 малой секции магнитной катушки есть поперечные относительно их осей плоскости симметрии, и когда поперечные плоскости симметрии магнитов с обмоткой проходят при сближении составных частей мимо друг друга, то направление силы отталкивания, действующей между витками, меняется на противоположное. При этом возникающая сила отталкивания нового направления начинает так отталкивать магниты с обмоткой в новом направлении, что возникает притяжение между различными составными частями 77 и 78 малой секции магнитной катушки, и это способствует сближению между составными частями 77 и 78 малой секции магнитной катушки. При этом происходит сближение и между их слоями 25, 26 эластичного диэлектрика. В таком положении составные части 77, 78 малой секции магнитной катушки фиксируются и дополнительно крепятся, например, зажимом с защелкой.

Таким образом можно достичь плотности токов коротких образцов.

Собранная малая секция, содержащая более одной пары магнитов с обмоткой, запитанных токами противоположных направлений, представляет собой магнитную катушку Богданова [3].

Малую секцию охлаждают в криостате 1 запитки и сборки малых секций магнитных катушек с жидким гелием. Криостат с жидким гелием охлаждают в криостате с жидким азотом.

В магнитной катушке запасена энергия, определяемая по следующей формуле расчета энергии в много магнитов с обмоткой катушке [4]:

где k, i - номера контуров, ограниченных витками катушки,

L_k - индуктивность k-го контура,

М_ki - взаимная индуктивность k-го и i-го контуров,

I_k, I_i - силы электрического тока k-го и i-го контуров.

В этой формуле первый член представляет собой сумму собственных энергий всех токов. Второй член представляет собой взаимную энергию токов. В много магнитов с обмоткой магнитной катушке, запитанной токами противоположных направлений, с ростом числа магнитов с обмоткой первый член растет, второй член стремится к нулю.

При большом числе магнитов с обмоткой с противоположным направлением токов первый член в этой формуле с увеличением тока может стать значительно больше энергии, запасенной в магнитной катушке аналогичных размеров, если в ней ток меньше. При этом в много магнитов с обмоткой магнитной катушке с противоположным направлением токов ток можно делать больше, чем в катушке с одним направлением токов по двум причинам.

1. Уменьшается во много раз влияние паразитных индукционных токов, препятствующих запитке, поскольку во много раз меньше магнитное поле.

2. Уменьшаются во много раз радиальные напряжения, поскольку во много раз меньше магнитное поле.

В случае, если обмотки с противоположным направлением токов магнитов с обмотками запитываются током одновременно так, чтобы сила тока в обмотках магнитов была примерно все время одинаковой, то суммарное поле катушки при большом числе магнитов с обмоткой стремится к нулю, поэтому стремятся к нулю радиальные напряжения и индукционные токи, препятствующие запитке. По этой причине плотность тока в катушке можно значительно увеличить. Поэтому первый член может быть значительно выше, чем в существующих на сегодняшний день магнитных катушках с одинаковым направлением тока. Второй член при росте числа магнитов с обмоткой с противоположным направлением токов резко уменьшается, поскольку увеличение тока в витке обмотки одного направления тока, назовем эту обмотку основной обмоткой, вызывает увеличения тока в витке обмотки другого направления тока, назовем эту обмотку дополнительной, и вызывает уменьшение тока в других магнитах основных обмоток. Поэтому члены с взаимной индукцией магнитов с обмоткой одного направления тока входят в формулу с одним знаком, а члены с взаимной индукцией токов противоположных направлений в магнитах обмоток входят с противоположным знаком. Эти слагаемые в результате взаимно уменьшают друг друга, и сумма уменьшается. А для того, чтобы энергии было запитано больше, число пар магнитов с обмоткой с противоположными направлениями вектора плотности тока должно быть как можно больше, по крайней мере, значительно больше двух.

Поэтому нельзя утверждать, что если в магнитной катушке есть ток, но нет магнитного поля, значит, и нет магнитной энергии токов, поскольку это противоречит формуле (3) из справочника по физике [4]. Это наиболее важное, ключевое доказательство работоспособности способа!

В доказательство этого утверждения дополнительно приведу мысленный эксперимент. Пусть две сверхпроводящие много магнитов с обмоткой магнитные катушки в жидком гелии медленно сближают друг с другом. Пусть в одной магнитной катушке ток во всех магнитах течет в одну сторону, а в другой в другой во всех магнитах течет в другую (противоположную) сторону. Это называется «катушки включены навстречу друг другу». При сближении возникают индукционные электрические поля, увеличивающие токи каждой катушки за счет электромагнитной индукции. При этом происходит работа против сил Ампера отталкивания, действующих между катушками. Эта работа идет на увеличение магнитной энергии каждой катушки по отдельности. При этом магнитное поле каждой катушки в отдельности возрастает, а значит, возрастает и ее магнитная энергия. В конце сближения обе катушки входят одна в другую так, что витки одной находятся между витками другой. (В мысленном эксперименте это легко осуществимо.) Образуется много магнитов с обмоткой магнитная катушка Богданова, запитанная токами противоположных направлений, магнитная энергия которой равна сумме магнитных энергий катушек в конце сближения. При этом ее магнитная энергия более чем в два раза превышает магнитную энергию каждой из сближавшихся магнитных катушек по отдельности, поскольку была сделана работа против сил Ампера отталкивания, действующих между катушками.

Кстати, таким образом можно запитывать энергией магнитную катушку так, что она в момент запитки полностью находится в сверхпроводящем состоянии. А значит, при запитке может быть достигнута плотность тока коротких образцов. При этом конструктивная плотность тока возрастает более чем на порядок. Этот способ запитки описан в моих изобретениях.

Продолжаем мысленный эксперимент. Если затем одну магнитную катушку снова выводят из другой, они отталкиваются друг от друга за счет сил Ампера отталкивания, действующих между катушками. И совершают работу против сил Ампера отталкивания, действующих между катушками. После того как они отойдут на прежнее расстояние, их магнитная энергия в идеальном случае без учета диссипации энергии должна быть равна их прежней магнитной энергии.

Если разместить катушки одну над другой и повторить мысленный эксперимент, то при сближении катушек суперпозиция их магнитных полей уменьшается, но их общая магнитная энергия возрастает. И если после сближения верхнюю катушку отпустить, то она поднимется над первой на некоторую высоту. И их суммарная потенциальная магнитная энергия, увеличенная после сближения, совершит работу против силы тяжести, уменьшится и увеличит потенциальную энергию верхней магнитной катушки в поле силы тяжести.

Приведенные примеры убедительно доказывают, что магнитная катушка Богданова с числом магнитов с обмоткой много больше, чем два, несмотря на всю парадоксальность ситуации, при уменьшении суммарного магнитного поля системы магнитов с обмоткой с противоположными токами может содержать магнитной энергии больше, чем две отдельные магнитные катушки, в одной из которых ток течет в одну сторону, а в другой в противоположную, из которых магнитную катушку Богданова составляют.

Важным является то, что все операции запитки этим способом могут быть проведены при температуре жидкого гелия либо непосредственно в криостате в окружении жидкого гелия, либо в криостате в окружении паров жидкого гелия. Это дает возможность при росте скорости движения поршня добиться плотности токов коротких образцом в каждом из магнитов с обмоткой (в каждой из обмоток) малой секции магнитной катушки.

Оценим плотность тока, до которой можно запитать энергией много магнитов с обмоткой магнитную катушку Богданова с числом магнитов с обмоткой, скажем, много большим, чем 10.

Плотность тока легко найти с помощью закона Ома, записанного в дифференциальной форме [17]:

где - проводимость,

- напряженность электрического поля,

- вектор плотности тока.

Подставляя значения напряженности электрического поля, определенные в выражениях (1) и (2) через скорости изменения магнитного потока через контур, ограниченного током, текущим через малую секцию магнитной катушки, в выражение (4), можно легко получить зависимость плотности тока от указанных величин.

Известно, что сверхпроводимость при критической напряженности электрического поля пропадает. Поэтому запитка будет идти через нормальный проводник, охлажденный до криогенных температур. При остановке движения составных частей малой секции в момент запитки электрическое поле пропадает, и сверхпроводник переходит в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводник при этом шунтирует нормальный проводник, и ток начинает течь по сверхпроводнику. Ограничение только одно: в момент запитки нормальный проводник может сильно нагреться, и сверхпроводимости не наступит, если температура станет выше критической. Таким образом, приходим к заключению, что достигаемая плотность тока при такой запитке в композитном сверхпроводнике ограничена сверху только джоулевым нагревом нормального проводника, в матрице из которого выполнен свеорхпроводящий провод. При этом не должны возникать препятствия по запитке малой секции магнитной катушки до плотности тока коротких образцов, поскольку в коротких образцах те же проблемы нагрева, что и при наших способах запитки. То есть при их запитке путем нагрева композитного проводника нормальный проводник греется так же, или, по крайней мере, не сильнее текущим по нему током до перехода сверхпроводящего провода в сверхпроводящее состояние, чем в нашем случае. А значит, указанные причины препятствия запитки, связанные с джоулевым нагревом нормального проводника композитного провода со сверхпроводящим проводом в матрице из нормального проводника, по крайней мере, до плотности тока коротких образцов включительно, возникать не должны.

Объемной плотностью тепловой мощности тока называется величина w, численно равная энергии, которая выделяется в единице объема проводника за единицу времени. Выделение тепла при протекании тока в магнитах с обмоткой и при запитке энергией магнитной катушки и при запитке током коротких образцов определяется законом Джоуля-Ленца в дифференциальной форме [17], в соответствий с которым плотность тепловой мощности тока равна скалярному произведению векторов плотности тока и напряженности электрического поля:

Можно осуществлять запитку больших много магнитов с обмоткой катушек Богданова индукционными электрическими полями так, чтобы плотность тепловой мощности тока, определяемая в соответствии с выражением (5), была бы, по крайней мере, не больше аналогичной величины при запитке током коротких образцов. Ведь при запитке током коротких образцов есть своя проводимость, своя плотность тока и свое электрическое поле, которое запитывает током короткие образцы. И своя плотность тепловой мощности тока при запитке. Таким образом, вполне достаточно не превышать те объемные плотности тепловой мощности тока, которые достигаются при запитке током коротких образцов с композитным проводом со сверхпроводником в матрице из нормального металла, которые уже реально были реализованы и дали наблюдавшиеся плотности тока коротких образцов, чтобы и при запитке указанными выше способами больших магнитных катушек можно было получать те же плотности тока.

Поскольку магнитное поле суперпозиции большого числа магнитов с обмоткой с противоположным направлением токов стремится к нулю, то магнитное поле такой магнитной катушки много меньше критического магнитного поля сверхпроводника, и поэтому магнитное поле много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова не препятствует запитке ее до больших энергий. По крайней мере, до энергии, соответствующей текущим по ней токам, определяемой по формуле (3), текущих с плотностью тока коротких образцов.

Обращаю внимание, что, в соответствиями с выражениями (1) и (4), появляется интересная перспектива поднимать плотность тока до максимальных величин уже на втором этапе запитки магнитной системы энергией. Например, путем максимального увеличения скорости изменения магнитного потока, текущего через контур, ограниченного обмоткой составной части малой секции. Подчеркиваю, что эта перспектива появляется уже на втором этапе запитки магнитной системы энергией, отвечающей запитке энергией уже составной части малой секции.

После запитки энергией малой секции магнитной катушки ее удаляют от разбираемых систем 2, 3 вдоль плоскости, перпендикулярной осям витков обмотки магнитов и находящейся на одинаковом расстоянии от разбираемых систем конвейером 16 системы перемещения собранных малых секций магнитной катушки.

Таким образом собирают и при этом запитывают энергией в нескольких сборочных цехах 60, 61, 85 по сборке и запитке энергией малых секций магнитной катушки малые секции различных размеров, выполненные с возможностью входить в сквозные осевые отверстия другой малой секции большего размера.

При этом надо сказать, что изображенный на фиг.1 сборочный цех 85 по сборке и запитке энергией малых секций магнитной катушки запитывает энергией центральные малые секции магнитной катушки той магнитной системы, энергию которой изменяют. Это следует из того, что у центральных малых секций магнитной катушки может не быть сквозного осевого отверстия, а у всех других малых секций магнитной катушки сквозные осевые отверстия есть. При этом у центральных малых секций самые малые размеры среди остальных малых секций магнитной катушки. Соответственно, другие сборочные цеха 60, 61 по сборке и запитке энергией малых секций магнитной катушки имеют большие размеры. Причем размер сборочного цеха по сборке и запитке энергией малых секций магнитной катушки, как правило, увеличивается с ростом размера собираемой и запитываемой в нем энергией малой секции магнитной катушки. При этом речь идет о длине и ширине сборочного цеха. Причем принципиально нет никаких различий между способом работы сборочного цеха 85 и способами работы других сборочных цехов 60, 61 по сборке и запитке энергией малых секций магнитной катушки.

Поскольку размеры малых секций от одного сборочного цеха к другому меняются, то и ширина конвейера также должна меняться. Как этого добиться? Для этого конвейер 16 содержит в сборочном цехе 85 самого маленького размера один транспортер, в следующем сборочном цехе к нему добавляется другой транспортер и так далее. Транспортеры конвейера 16 идут параллельно друг другу.

При этом конвейером 16 системы перемещения собранных малых секций магнитной катушки, как поточной линией, перемещают собранные и запитанные энергией малые секции магнитной катушки в сборочные цеха 62, 67, 68 по сборке больших секций, системы больших секций и криостатов системы больших секций.

Сборочным цехом по сборке больших секций, системы больших секций и криостатов системы больших секций в криостате 89 с жидким гелием осуществляют сборку больших секций, системы больших секций и криостатов системы больших секций следующим образом. В криостате 89 с жидким гелием поддерживают необходимую температуру с помощью совмещенной с ним мощной системы охлаждения, содержащей мощные рефрижераторные станции. Криостаты сборочных цехов 60, 61 по сборке и запитке энергией малых секций магнитной катушки, в том числе и криостат 1, соединены друг с другом и с криостатами сборочных цехов 62, 67, 68 по сборке больших секций, системы больших секций и криостатов системы больших секций, в том числе и с криостатом 89, отдельными коридорами или тоннелями, также наполненными жидким гелием. Например, коридорами или тоннелями, в которых проходят конвейеры 16 и 66.

При объединении малых секций 30, 31 магнитной катушки с различными радиусами в большую секцию принцип сближения такой же, как и при сближении магнитов с обмоткой с противоположными направлениями токов. Системой 32 удержания и размещения малых секций магнитной катушки при сборке большой секции магнитной катушки поднимают малую секцию 30 с конвейера 16 подъемником и манипуляторами с рычагами, с захватами и с зажимами, разворачивают вокруг системы на 180 градусов и устанавливают ее вокруг самой маленькой малой секции 31 магнитной катушки, поперечные размеры которой лежат между других радиусов от r₁₁ до r₁₂, установленной на вспомогательном устройстве 33 для конвейерной сборки больших секций из малых секций магнитной катушки. Это устройство содержит захваты и зажимы, которые в нужное время выдвигают снизу из устройства для захвата и зажима установленной на нем малой секции или для захвата и зажима нескольких установленных на нем малых секций. Кроме того, это устройство, например, может быть выполнено в виде конвейера.

При этом поперечные размеры малой секции 31 магнитной катушки лежат между радиусами r₂₁, r₂₂ и они превышают r₁₁ и r₁₂.

Отличия между монтажом малой секции магнитной катушки из разбираемых систем составных частей малых секций магнитной катушки и монтажом большой секции только в том, что при сближении малых секций магнитной катушки силы Ампера, препятствующие такому сближению, уменьшены пропорционально числу пар магнитов с обмоткой, запитанной токами противоположных направлений. Тем не менее, алгоритм сборки повторяется.

Тепловой машиной 34, например паровой машиной, соединенной с мощной электростанцией 63, механически перемещают поршень 35 и передают на него силовые усилия. Мощной электростанцией 63 создают пар и подают пар на тепловую машину 34, выполненную, например, в виде паровой машины. Паром приводят тепловую машину 34 в действие.

Тепловой машиной 34 могут усиливать давление, которым давят на поршень 35, например, гидравлическим прессом, механически соединенным с поршнем 35.

При этом поршнем 35 сближают малые секции 30, 31 с различными радиусами. При этом поршнем 35 давят сверху на малую секцию 30 и опускают ее вниз так, чтобы она опустилась вниз и оказалась снаружи малой секции 31 магнитной катушки, а малая секция 31, соответственно, вошла внутрь нее. Малую секцию 31 при этом снизу придерживают специальные захваты, которые выдвигаются из конвейера для того, чтобы удержать ее на одном месте. По бокам малых секций 30, 31 магнитной катушки находятся поверхности матриц 36, 37 из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями, на которых выполнены слои 38, 39, выполненные из эластичного материала, например из резины, лучше из губчатой или пористой резины. Матрицы 36, 37 из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями выполнены с возможностью одной малой секции магнитной катушки входить внутрь другой малой секции магнитной катушки и с возможностью многократного повторения вхождения и выхода одной малой секции магнитной катушки из другой так, чтобы наклонные поверхности одной матрицы находились внутри наклонных поверхностей другой. Снаружи слоев выполнены упругие пружинящие пластины 40, 41, соединенные с матрицами 36, 37 из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями. Упругие пружинящие пластины 40, 41 могут быть соединены с матрицами 36, 37 из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями, например, с помощью клея, возможно, с помощью эпоксидной смолы или при помощи винтов. Предусмотрена возможность соприкосновения упругой пружинящей пластины одной малой секции с другой малой секцией.

Легко заметить, что здесь отслеживается тот же алгоритм, что и при сближении составных частей малых секций магнитной катушки и при их соединении.

Слоями 38, 39 из эластичного диэлектрика, например из резины, лучше из губчатой или пористой резины, амортизируют возникающие механические нагрузки, когда матрица из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями одной составной части малой секции магнитной катушки входит в пазы или отверстия матрицы из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями другой составной части малой секции магнитной катушки. Снаружи от слоев 38, 39 упругими пружинящими пластинами 40, 41 также амортизируют возникающие механические нагрузки, когда матрица из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями одной составной части малой секции магнитной катушки входит в пазы или отверстия матрицы из жесткого диэлектрика с наклонными поверхностями другой составной части малой секции магнитной катушки. Упругие пружинящие пластины выполнены с возможностью 40, 41 прижиматься к слоям 38, 39, когда на них давит приближающаяся другая составная часть малой секции магнитной катушки так, чтобы упругие пружинящие пластины 40, 41 при этом пружинили.

Малые секции 30, 31 выполнены так, что при их сближении между ними действует отталкивание, при этом опять, как и в случае с отдельными составными частями малых секций магнитной катушки, отталкивание действует в одном направлении до одной плоскости, а после прохождения этой плоскости отталкивание меняет свое направление на противоположное. Сближение малых секций магнитной катушки осуществляют так, чтобы сближаемая верхняя малая секция прошла этот участок с такой плоскостью и стала отталкиваться от нижней малой секции магнитной катушки в противоположном направлении так, чтобы за счет этого отталкивания наклонные поверхности сближаемых малых секций магнитной катушки стали бы притягиваться друг к другу, и малые секции за счет этого отталкивания входили бы между пазами, образованными наклонными поверхностями.

При этом параметры малых секций магнитной катушки выбираются так, что они при сближении больше отталкиваются, чем притягиваются.

Поэтому при сближении происходит работа против сил отталкивания, и за счет этого сила тока в малых секциях, в соответствии с выражением (3), дополнительно увеличивается.

Так осуществляют четвертый этап запитки энергии магнитной катушки первой стадии способа изменения энергии в магнитной системе. На этом этапе дополнительно незначительно запитывают энергией все большие секции магнитной катушки.

После этого этапа запитки энергии в магнитах сверхпроводящей обмотки больших секций, уже собранных из малых секций, охлажденных до температуры жидкого гелия, продолжает циркулировать созданный ранее незатухающий электрический ток. При этом плотность этого тока незначительно выше, чем на третьем этапе запитки энергией составных частей малой секции магнитной катушки.

После того как вокруг первой малой секции магнитной катушки самого маленького диаметра собираемой большой секции опускают вторую малую секцию следующего диаметра, вспомогательным устройством 33 системы конвейерной сборки больших секций из малых секций магнитной катушки перемещают две соединенные малые секции к месту присоединения к ним аналогичным образом собранной малой секции еще большего размера, поперечные размеры которой лежат между радиусами r₃₁, r_{32, 90} , которые превышают радиусы r₂₁, r₂₂. И эту новую секцию устанавливают вокруг уже двух соединенных малых секций магнитной катушки по указанному алгоритму. И так далее. Возможен вариант, когда малую секцию собирают отдельно, а потом уже собранную устанавливают на конвейер 16.

Вспомогательное устройство 33 перемещают параллельно конвейеру 16. Оба они работают как конвейеры поточной сборки. Конвейер 16 могут двигать рывками так, чтобы в момент сборки на нем малых секций он стоял на месте, а потом его двигают так, чтобы освободить место на нем для сборки новых малых секций. Для этого с конвейером 16 соединен шаговый двигатель.

На конвейере 16 перемещают собранные малые секции, а на вспомогательном устройстве 33 осуществляют конвейерную сборку больших секций из собранных малых секций.

Так собирают большие секции.

Для сборки большой секции в отдельных сборочных цехах 60, 61, 85 по сборке и запитке энергией малых секций магнитной катушки используют несколько пар систем перемещения составных частей малых секций магнитной катушки, которыми разбирают несколько пар разбираемых систем составных частей малых секций магнитной катушки и несколько систем удержания и размещения составных частей малой секции магнитной катушки при сборке малой секции. Для каждого диапазона разброса размеров малых секций магнитной катушки используют свои пары указанных систем и свои пары разбираемых систем составных частей малых секций магнитной катушки. Соответственно, для каждого диапазона разброса размеров малых секций магнитной катушки используют и отдельные сборочные цеха 60, 61, 85 по сборке и запитке энергией малых секций магнитной катушки.

Контейнер 87 собранных больших секций, выполненный с возможностью открываться и закрываться, опускают сверху и устанавливают на вспомогательное устройство 86 в одном из сборочных цехов 60, 61, 85 по сборке и запитке энергией малых секций магнитной катушки. Например, контейнер 87 может быть выполнен в виде цилиндра с большим боковым отверстием для вставки собранных больших секций и вставляемой стенки, которая это отверстие, возможно, частично закрывает. Кроме, того, например, контейнер 87 может быть выполнен в виде цилиндрической клетки, половину боковой поверхности которой образует дверь, выполненная с возможностью открываться и закрываться.

Вспомогательное устройство 86 содержит захваты и зажимы, которые в нужное время выдвигают снизу из устройства для захвата и зажима установленного на нем контейнера 87 собранных больших секций. Кроме того, это устройство, например, может быть выполнено в виде конвейера.

В момент окончания сборки большой секции контейнер 87 открыт.

После сбора заданного количества малых секций магнитной катушки в большую секцию 42 системой 90 установки больших секций в контейнер больших секций собранную большую секцию 42 скрепляют первым зажимом с защелкой, разворачивают вокруг этой системы 90 на 180 градусов и устанавливают под расположенным сверху отверстием в потолке криостата 89 под выполненной сверху шахтой. Подъемником устройства 90 собранную большую секцию поднимают вверх.

После этого через отверстие в потолке криостата 89 и через выполненную сверху шахту на большую секцию 42 опускают тепловой экран 88.

Тепловой экран 88 выполнен из теплоизолятора - из материала с малой теплопроводностью - и покрыт сверху отражателем теплового излучения. Например, тепловой экран может быть выполнен из пенопласта, верхняя поверхность которого покрыта тонкой фольгой для отражения теплового излучения. Например, фольгой из алюминия. Тепловой экран 88 опускают сверху уже на собранную большую секцию 42 в тот момент времени, когда она установлена на систему 90 установки больших секций в контейнер больших секций. Большую секцию 42 вместе с тепловым экраном 88 системой 90 установки больших секций в контейнер больших секций манипуляторами с рычагами, с захватами и с зажимами дополнительно скрепляют вторым зажимом с защелкой. Системой 90 установки больших секций в контейнер больших секций собранную большую секцию устанавливают в контейнер 87 больших секций. Например, наиболее удобным будет, если собранную большую секцию устанавливают в контейнер 87 сбоку. Например, просто горизонтально задвигают сбоку. Сначала задвигают сбоку одну большую секцию вместе с тепловым экраном, потом другую, потом третью и так далее.

На фиг.8 изображена ситуация, когда предварительно внутрь контейнера 87 таким же образом уже были установлены другие большие секции 44, 45 с тепловыми экранами 46, 47. Тепловые экраны, например, могут быть выполнены из пенопласта, верхняя поверхность которого покрыта тонкой фольгой для отражения теплового излучения. Например, фольгой из алюминия.

После установки всех больших секций в систему больших секций внутрь контейнера 87 устройством 93 закрытия контейнера вставляемой стенкой закрывают контейнер 87 вставляемой стенкой 94. Таким образом собирают систему больших секций, состоящую из контейнера больших секций с вставляемой стенкой, расположенных внутри него больших секций и тепловых экранов.

На конвейер 66 опускают криостат 43 системы больших секций магнитной катушки.

К месту сборки большой секции 42 криостат 43 системы больших секций магнитной катушки подводят конвейером 66.

Собранную систему больших секций, состоящую из контейнера 87 со снимаемой стенкой, больших секций, расположенных внутри него больших секций и тепловых экранов, устройством 69 сборки системы больших секций манипуляторами 95, 96 с рычагами, с захватами и с зажимами поднимают и опускают внутрь криостата 43 системы больших секций магнитной катушки.

Если процедуру соединения контейнера 87 с устройством 69 сборки системы больших секций манипуляторами 95, 96 с рычагами, с захватами и с зажимами осуществлять трудно, то эту процедуру могут осуществлять водолазами в специальных особо утепленных водолазных костюмах, приспособленных для работы в жидком гелии. Эта процедура решается на основе решения вопроса о целесообразности применения известных способов и устройств логистики и такелажных работ, хорошо освоенных человечеством. То есть отдельно решается вопрос о том, что целесообразнее? Автоматы, манипуляторы или ручной труд водолазов?

В качестве специальных водолазных костюмов для работы в жидком гелии могут использовать космические скафандры высшей защиты. Это реально, поскольку такие скафандры проектировались для работы в открытом космосе при температурах, близких к абсолютному нулю. Они показали свою пригодность при работе при температуре реликтового излучения, составляющей всего 2,7 градусов Кельвина, что еще ниже температуры жидкого гелия, составляющей 4,2 градусов Кельвина.

Аналогично собирают другой криостат системы больших секций магнитной катушки, аналогично устанавливают в него другую систему больших секций. При этом размер этого криостата больше, чем у криостата 43.

После этого криостат 43 системы больших секций магнитной катушки с установленной внутри него системой больших секций устройствами 91, 92 сборки криостата системы больших секций манипуляторами с рычагами, с захватами и с зажимами поднимают и опускают внутрь другого криостата системы больших секций магнитной катушки с установленной в него другой системой больших секций прямо на эту систему больших секций. И так далее.

Процедуру соединения криостата с устройствами 91, 92 сборки криостата системы больших секций и отсоединения криостата от этих устройств осуществляют либо механически с помощью манипуляторов, либо ее осуществляют водолазами в специальных особо утепленных водолазных костюмах, приспособленных для работы в жидком гелии.

Эта процедура решается на основе решения вопроса о целесообразности применения известных способов и устройств логистики и такелажных работ, хорошо освоенных человечеством. То есть отдельно решается вопрос о том, что целесообразнее? Автоматы, манипуляторы или ручной труд водолазов?

Все магниты с обмоткой малых секций магнитной катушки, объединенные в большие секции магнитной катушки, имеют композитные сверхпроводящие провода, продолжением которых являются электрически соединенные с ними провода 58, 59 вывода энергии, которые выходят в верхнюю часть криостата системы больших секций магнитной катушки, в которой они выполнены вдоль его периметра. Например, вдоль окружности. В верхней части этих проводов 58, 59 вывода энергии содержатся участки, где расположены сверхпроводящие магнитные ключи 48, 49 с нагревателями и с токовводами. (В районе участка провода вывода энергии, где расположен сверхпроводящий магнитный ключ, вокруг сверхпроводникового провода матрицы из нормального проводника может не быть.) Провода 58, 59 вывода энергии малых секций магнитной катушки, установленных в большую секцию магнитной катушки, выполнены таким образом, что в собранной из них большой секции они идут сначала внизу вдоль поверхности малых секций магнитной катушки параллельно друг другу рядом друг с другом, а потом на границе малой секции магнитной катушки самого большого диаметра они отклоняются вверх под углом 90 градусов и идут вверх параллельно оси магнитов с обмоткой малых секций магнитной катушки. Потом на большую секцию, образованную из этих малых секций магнитной катушки, ставят тепловой экран, а на него новую большую секцию, композитные сверхпроводящие провода малых секций магнитной катушки которой также около ее малых секций магнитной катушки идут вместе параллельно друг другу вдоль лучей, исходящих из одного центра. Провода вывода энергии различных больших секций системы больших секций идут вдоль различных лучей, исходящих из одного центра, при этом луч одной большой секции находится под некоторым углом по отношению к проводам вывода энергии предыдущей большой секции. Между различными ближайшими лучами углы одинаковые. Все вместе эти углы между лучами, вдоль которых идут провода вывода энергии больших секций системы больших секций, образуют 360 градусов. Провода различных больших секций одной системы больших секций идут вертикально вверх вдоль боковой поверхности системы больших секций вместе до верха криостата системы больших секций. При этом они идут вдоль боковой поверхности цилиндра, описанного вокруг системы больших секций. При этом они идут на некотором расстоянии от его боковой поверхности. Причем возможен вариант, что провод вывода энергии электрически изолируют от криостата больших секций, а электроизоляция касается этого криостата, соединена с ним и прижата к нему. Участки со сверхпроводящими магнитными ключами 48, 49 с токовводами и нагревателями теплоизолируют друг от друга теплоизоляторами 71, 72.

Конвейером 66 перемещают криостаты системы больших секций магнитной катушки, собранные большие секции, установленные в системы больших секций внутри криостатов системы больших секций между различными сборочными цехами 62, 67, 68 по сборке больших секций, системы больших секций и криостатов системы больших секций. В этих цехах собранные криостаты системы больших секций устанавливают один внутрь другого. При этом криостаты 54, 55 системы больших секций устанавливают один внутрь другого таким образом, что внутри одного, например, криостата 54 выполнена одна система больших секций, например, 56, над ней выполнен еще один криостат со своей системой больших секций, например, криостат 55, например, с системой больших секций 57, и так далее до самого верхнего криостата, над которым очередного криостата нет, а есть только выводы проводов с токовводами и нагревателями.

Конвейер 16 перемещает собранные и запитанные энергией малые секции в сборочных цехах 60, 61, 85 по сборке и запитке энергией малых секций магнитной катушки к сборочным цехам 62, 67, 68 по сборке больших секций, системы больших секций и криостатов системы больших секций, в которых попеременно с конвейера 16 снимают малые секции, собирают из них на вспомогательном устройстве 33 большие секции и попеременно снимают собранные на конвейере 66 криостаты с помещенными внутри них системами больших секций и помещают внутрь других криостатов, которые также перемещают на конвейере 66. Потом эти криостаты, внутри которых уже находится своя система больших секций, над которой находятся вставленные в них криостаты со своими системами больших секций, также снимают и устанавливают уже в новые криостаты еще большего размера, в которых также предварительно уже установлена своя система больших секций. И так далее.

Различные криостаты 54, 55 системы больших секций магнитной катушки вместе с собранными системами 56, 57 больших секций магнитной катушки устанавливают (возможно, на подвесах) внутри друг друга таким образом, что все вместе они вместе с собранными системами 56, 57 больших секций магнитной катушки образуют большую много магнитов с обмоткой магнитную катушку Богданова.

Собранные системы 56, 57 больших секций магнитной катушки электрически соединены с проводами 58, 59 вывода энергии, содержащими участки со сверхпроводящими магнитными ключами 48, 49 с нагревателями и с токовводами, расположенные в верхней точке криостатов 54, 55 системы больших секций магнитной катушки, выполненные вдоль их периметров, вложенных один в другой. Например, вдоль окружностей, вложенных одна в другую.

Верхним тепловыми экраном 70 уменьшают теплообмен между частями криостата с участками проводов выводов энергии со сверхпроводящими магнитными ключами 48, 49 с токовводами и нагревателями и остальными частями криостата.

Верхний тепловой экран 70 устанавливают следующим образом. Между проводов вывода энергии прокладывают предварительно сплющенный, по крайней мере, один шланг, а затем этот шланг надувают парами жидкого гелия. Эту процедуру осуществляют либо устройством 69 сборки системы больших секций манипуляторами с рычагами, с захватами и с зажимами, либо осуществляют водолазами в специальных особо утепленных водолазных костюмах, приспособленных для работы в жидком гелии. В качестве таких водолазных костюмов могут использовать космические скафандры высшей защиты. Это реально, поскольку такие скафандры проектировались для работы в открытом космосе при температурах, близких к абсолютному нулю. Они показали свою пригодность при работе при температуре реликтового излучения, составляющей всего 2,7 градусов Кельвина, что еще ниже температуры жидкого гелия, составляющей 4,2 градусов Кельвина.

Таким образом заводом 64 по сборке и запитке энергией магнитной системы, выполненной в виде много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова, собирают и запитывают энергией много магнитов с обмоткой магнитную катушку Богданова.

Собранные криостаты системы больших секций, установленные один внутри другого, конвейер 66 перемещает на завод 65 по соединению запитанной энергией магнитной системы, выполненной в виде много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова, с объектом для использования запасенной в магнитной системе энергии.

На заводе 65 по соединению запитанной энергией магнитной системы, выполненной в виде много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова, объект для использования запасенной в магнитной системе энергии электрически соединяют с запитанной энергией магнитной системой прижимными контактами 98, 99. Эту процедуру осуществляют либо роботами, либо автоматами, либо манипуляторами с рычагами, с захватами и с зажимами, либо осуществляют водолазами в специальных особо утепленных водолазных костюмах, приспособленных для работы в жидком гелии.

Сверху верхнего теплового экрана 70, сверху сверхпроводящих магнитных ключей 48, 49 и сверху прижимных контактов 98, 99 устанавливают верхнюю крышку 97 криостатов системы больших секций. Крышка 97 криостатов системы больших секций может быть выполнена из диэлектрика с высоким удельным сопротивлением (из изолятора). Например, из текстолита. Через нее предварительно пропускают провода 100, 101 объекта для использования запасенной в магнитной системе энергии, а после соединения прижимных контактов 98, 99 с проводами вывода энергии 58, 59 верхнюю крышку 97 криостатов системы больших секций опускают вниз и, возможно, дополнительно герметизируют.

После этого запитанная энергией магнитная система полностью готова к тому, чтобы ее энергию использовал объект для использования запасенной в магнитной системе энергии.

Мощной электростанцией 63 для снабжения энергией завода 64 по сборке и запитке энергией магнитной системы, выполненной в виде много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова, вырабатывают энергию и часть энергии преобразуют в электрическую энергию. Например, путем сгорания топлива или путем осуществления ядерных или термоядерных реакций на основе принципов работы тепловой, атомной или термоядерной электростанции. Возможно, путем осуществления ядерных или термоядерных взрывов малой мощности в котле взрывного сгорания. Часть полученной энергии при этом направляют для работы мощных тепловых машин, например паровых машин, которыми двигают поршни и другие элементы устройства для реализации способа. Также мощная электростанция 63 может быть выполнена на основе котла взрывного сгорания, в котором взрывают ядерные или термоядерные бомбы малой мощности.

Мощная электростанция 63 соединена с тепловыми машинами, например с паровыми машинами, которыми приводят в действие различные силовые механизмы и элементы устройства для реализации способа, выполненные на заводе 64 по сборке и запитке энергией магнитной системы, выполненной в виде много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова. Например, поршни. Например, мощная электростанция 63 создает пар, и пар направляют на поршни и другие силовые механизмы.

В качестве электростанции лучше всего использовать электростанцию, выполненную на основе третьего способа Богданова осуществления управляемой реакции термоядерного синтеза и устройства для его реализации [8], поскольку такая электростанция за короткий промежуток времени с помощью реакций термоядерного синтеза позволяет выделять энергию, превышающую энергию всех электростанций Земли вместе взятых, вырабатываемую ими за тот же период времени.

Термоядерные микровзрывы третьего способа Богданова осуществления управляемой реакции термоядерного синтеза, создаваемые устройством для его реализации [8], могут либо непосредственно двигать поршни, либо давать энергию на тепловые машины, которые двигают поршни. Например, поршни, которые изменяют расстояние между системами магнитов с обмоткой, входящими в различные элементы собираемой конструкции большой много магнитов с обмоткой магнитной катушки Богданова. Например, поршни, которые изменяют расстояние между составными частями малых секций магнитной катушки или между малыми секциями.

Также могут использовать термоядерные электростанции, выполненные на основе термоядерных реакторов с токами. Например, могут использовать термоядерную электростанцию, выполненную на основе термоядерного реактора Богданова [16]. Или, например, могут использовать термоядерную электростанцию, выполненную на основе термоядерного реактора ИТЕР, решение о строительстве которого во Франции в июле 2005 года уже принято.

Известно, что применяемые сегодня для вывода летательных аппаратов в космос химические ракетные двигатели имеют малое удельное содержание энергии на единицу веса топлива [9], которое не более 1,2·10⁷ Дж/кг. Однако в индуктивных накопителях энергии со сверхпроводящей много магнитов с обмоткой магнитной катушкой Богданова удельное содержание энергии на единицу веса может быть сделано значительно больше. При этом с ростом массы обмотки m величина накапливаемой в ней энергии растет пропорционально степени m^5/3 и с ростом плотности тока j пропорционально j² [10]. Поэтому теоретически возможно, увеличивая массу магнитной катушки и плотность тока, на несколько порядков увеличить удельное содержание энергии на единицу веса летательного аппарата, по отношению к аналогичной величине для химических ракетных двигателей. Однако на практике в существующих на сегодняшний день магнитных катушках с одним направлением тока возникающие при запитке катушки энергией механические напряжения не позволяют сделать катушку достаточно легкой (дополнительно требуется тяжелый упрочняющий каркас). Также возникающие при запитке индукционные токи не позволяют запитать катушку током большой плотности тока. Поэтому известно, что чем больше энергия запасается в катушке с одним направлением тока, тем меньше плотность текущего по обмотке тока.

Этих двух недостатков лишена Магнитная катушка Богданова [3], которая помимо основной обмотки имеет дополнительную обмотку, расположенную вдоль основной, электроизолированную от основной, и систему запитки основной и дополнительной обмоток, выполненную с возможностью запитывать их противоположно направленными токами, равными по модулю так, чтобы в момент запитки суммарное магнитное поле обоих катушек было примерно равно нулю. При этом магнитная энергия обоих обмоток в соответствии с выражением (3) суммируется, а суммарное магнитное поле примерно равно нулю. В результате при запитке катушки не возникают индукционные токи, препятствующие запитке, и не возникают механические напряжения, разрывающие катушку, как было бы в случае обычной магнитной катушки. За счет этого в магнитной катушке Богданова можно создать, практически, при ее произвольном размере максимально допустимую для данного сверхпроводника плотность тока. Это так называемая плотность тока коротких образцов. Обратимся к цифрам. В малых обычных катушках с энергией 0,1 кДж плотность тока 5·10⁸ А/м² [2], в больших с энергией 10 МДж плотность тока 1·10⁷ А/м².

Теперь, если плотность тока в больших магнитных катушках увеличится до плотности тока в маленьких, то составит те же 5·10⁸ А/м² , а запасенная энергия - как квадрат этой величины [10], а именно в 250 раз, и составит 2500 МДж. Но ток, как было сказано выше, без особого труда может быть увеличен до плотности тока коротких образцов. Для Nb₃Sn это, например, около 3·10¹⁰ А/м² при поле 1 Тл и температуре 4,2К. [11]. Поскольку обычно используется композитный сверхпроводник, то, если мы возьмем конструктивный ток не более 0,8 критического, при соотношении нормальной и сверхпроводящих частей 1:1 получим ˜10¹⁰ А/м², то есть плотность тока станет больше еще в 20 раз.

В результате энергия катушки возрастет еще в 400 раз и достигнет 10⁷ МДж. Это в 10⁶ (в 1 млн) раз больше, чем была энергия обычной большой катушки. В работе [10] приведен график зависимости отношения веса катушки магнитного поля к запасенной энергии для сверхпроводящих катушек Брукса. Из графика следует, что при плотности критического тока 10⁸ А/м² и запасенной энергии 10¹⁰ Дж соотношение вес/запасенная энергия равно 5 кг/МДж и, следовательно, вес катушки магнитного поля, которая может запасти энергию 10¹⁰ Дж, составляет 50 т. При этом удельное содержание энергии на единицу веса магнитной катушки составит 0,2 МДж/кг.

Учитывая, что запасенная энергия пропорциональна весу катушки магнитного поля в степени 5/3 и плотности (конструктивной) тока во второй степени, можно утверждать, что при конструктивной плотности тока 10⁹ А/м² и запасенной энергии 10¹⁵ Дж вес катушки магнитного поля составит 500 т. При этом отношение запасенной энергии к весу составляет 2·10⁹ Дж/кг, что более чем в 100 раз превышает предельно возможное удельное содержание энергии на единицу веса химического топлива (1,2·10⁷ Дж/кг).

Все эти соотношения могут относиться и к магнитной катушке Богданова, если она будет выполнена в соотношении размеров катушки Брукса с тем принципиальным отличием, что в катушке Брукса, выполненной как обычная катушка с одним направлением тока, 10¹⁵ Дж накопить невозможно, а в много магнитов с обмоткой катушке Богданова с обмотками, имеющими токи противоположных направлений, это вполне реально. Если катушку Богданова, выполненную с соотношением размеров катушки Брукса, запитать током с конструктивной плотностью коротких образцов 10¹⁰ А/м², то, в соответствии с графиком, энергия 10¹⁵ Дж будет накоплена в катушке весом всего 5 т. В этом случае соотношение запасенная энергия к весу катушки составит 2·10¹¹ Дж/кг. Это соотношение более чем в 10000 превышает предельное возможное удельное содержание энергии на единицу веса химического топлива (1,2·10⁷ Дж/кг [9]).

Накопитель энергии, выполненный в виде магнитной катушки Богданова, системы питания летательного аппарата может использовать магнитные катушки Богданова с очень большим содержанием энергии, например порядка 10¹⁵ Дж (один квадрильон джоулей) и выше. Как уже говорилось ранее, магнитная катушка с соотношением размеров катушки Брукса на энергию 10¹⁵ Дж (один квадрильон джоулей) весит или 500 т или 5 т в зависимости от плотности тока, текущего в магнитной катушке.

При токе, реально достигнутом в сверхпроводящих системах

ИЗОБРЕТЕНИЕ Патент Российской Федерации RU2295146

СПОСОБ БОГДАНОВА ИЗМЕНЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЭНЕРГИИ В МАГНИТНОЙ СИСТЕМЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2295146