Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В отчетном году в ходе выполнения проекта был решен ряд принципиальных задач, касающихся контроля и управления тепловыми характеристиками стопок ВТСП лент в расширенном диапазоне температур, исследования магнито-силовых характеристик ВТСП стопок при латеральном смещении в условиях пониженных рабочих температур, разработки и анализу методов повышения силы левитации в системе стопка ВТСП лент-постоянный магнит при температурах ниже 65 К, а также исследования механических воздействий на критический ток и силу левитации ВТСП стопок. А именно, в задаче 1 были выполнены исследования ряда механизмов и методов управления тепловыми характеристиками и параметрами теплопередачи в окружающий тепловой резервуар (коэффициенты теплопередачи и эффективность охлаждения различными методами) за счет изменения архитектуры стопок, использования разрезных конфигураций стопок, создания дополнительных механических каналов охлаждения в виде отверстий в стопках, применении дополнительных теплопроводящих прослоек, расчет и экспериментальное определение полных энергетических потерь в ВТСП стопках в переменных полях. В задаче 2 были выполнены экспериментальные и теоретические исследования поведения латеральной компоненты магнито-силового взаимодействия при пониженных температурах до 30 К. Были получены принципиально новые экспериментальные данные, характеризующие параметры латеральной компоненты магнито-левитационного взаимодействия стопки ВТСП лент и наборов постоянных магнитов при пониженных температурах до 30 К: зависимости латеральной компоненты от вертикального и латерального смещения, числа лент в стопках, температуры измерений. В задаче 3 были выполнены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования, направленные на поиск вариантов увеличения силы левитации за счет изменения архитектуры стопок ВТСП лент. В задаче 4 были проведены уникальные эксперименты по исследованию механических напряжений на критический ток и силу левитации стопок ВТСП лент. Были проведены расчетно-теоретические работы, результаты которых находятся в хорошем согласии с полученными экспериментальными данными. Основные конкретные результаты, полученные в отчетном году: 1.1 ВТСП ленты с медным покрытием проявляют наибольшую стабильность силы с течением времени как в случае вертикальных вибраций, так и в неподвижном состоянии. 1.2 Нанесение дополнительного алюминиевого слоя на ленты с серебряным покрытием несколько повышают стабильность силы левитации в неподвижном состоянии, однако при вибрациях такие ленты не получают преимущества и затухают несколько быстрее, по прошествии времени испытывая такое же по величине затухание, как и ленты без добавочного слоя. 1.3 Для лент с медным и дополнительным алюминиевым покрытием вибрации увеличивают затухание силы левитации, в то время как для стопок лент с серебряным покрытием такой зависимости не наблюдается - сила после вибраций сначала превышает значение в состоянии покоя, а со временем выходит на то же значение. 1.4 Для лент с медным покрытием сила левитации быстрее затухает в жидком азоте, как в неподвижном состоянии, так и при вибрациях, однако если при релаксации в обоих случаях сила выходит на константу, то при вибрациях сила остается постоянной только в жидком азоте, продолжая затухать на протяжении всего времени в режиме охлаждения криокулером. Таким образом, охлаждение в азоте, несмотря на проигрыш в стабильности в первые минуты, обладает преимуществом на долгой дистанции. 1.5. Модельные расчеты показали, что наличие механического канала охлаждения в виде отверстия в случае низких скоростей ввода магнитного поля приводит либо к ухудшению характеристик системы, либо не влияет на ее свойства. Для случаев полностью намагниченной стопки ВТСП лент наличие дополнительного теплового канала приводит к снижению силы левитации. В случаях, когда стопка ВТСП лент намагничена лишь частично и захваченный магнитный поток в центре стопки отсутствует, использование свободного пространства в качестве канала охлаждения приводит к более эффективному теплоотводу в системе и росту силы левиатции. При увеличении скорости ввода внешнего магнитного поля наличие механического канала охлаждения приводит к увеличению максимальной силы левитации, притом для ВТСП лент с более высоким криттоком степень роста силы левитации тем выше, чем быстрее скорость изменения внешнего поля и чем ниже температура. 2.1 При охлаждении в нулевом поле, с ростом температуры увеличивается скорость затухания силы левитации при латеральных перемещениях, однако при охлаждении в поле не происходит увеличения скорости затухания возвращающей силы с ростом температуры, что говорит о более высокой латеральной устойчивости режима охлаждения в поле. 2.2 При охлаждении в нулевом поле, с ростом числа лент скорость роста силы левитации со снижением температуры становится ниже, делая таким образом более значимым влияние температуры на более тонких стопках. На больших стопка рост силы левитации не так значителен при снижении температуры. 2.3 Во всех режимах охлаждения с ростом температуры гистерезис как латеральной, так и вертикальной силы увеличивается, причем тем быстрее, чем больше лент в стопке. 2.4 В режиме охлаждения в поле наблюдается рост силы левитации после первого цикла латерального перемещения. Причем этот рост тем больше, чем выше температура. Таким образом, наблюдается аномалия: рост итогового значения силы левитации с ростом температуры после латеральных сдвигов в режиме охлаждения в поле. 3.1 В режиме охлаждения в поле наблюдается увеличение силы левитации при низких температурах для одной разрезной конфигурации - при одинарном разрезе 10 ближних к магниту лент в стопке из 70 лент. При температурах ниже 70 К наблюдается увеличение силы левитации вплоть до 10 процентов при температуре 33К. 3.2 Все остальные разрезные конфигурации проводят либо к снижению силы левитации, либо к небольшому увеличению при температурах, мало востребованных на практике (выше температуры кипения жидкого азота). 3.3 Расчет методом конечных элементов показал, что При температуре жидкого азота наиболее выгодной является бездефектная стопка ВТСП лент. Однако при понижении температуры наличие разрезов в стопке приводит к тому, что магнитное поле начинает проникать в более глубокие слои стопки, а не экранируется внешними слоями. Конфигурации с двумя разрезами оказываются более выгодными, чем конфигурации с единичным разрезом и вырезом в центре стопки. 4.1 При сжатии отдельной ленты и стопок лент небольшой толщины (до 5 лент), деградации характеристик ВТСП-ленты происходит преимущественно на границе области воздействия, что вызвано наличием деформаций изгиба. Результаты численного моделирования показывают, что более выгодным оказывается нагружение со стороны ВТСП слоя, поскольку сверхпроводник будет испытывать сжатие, в отличие от случая нагружения со стороны подложки, когда возникает растяжение пленки и возможно образование трещин. 4.2 При однородном сжатии ВТСП-ленты не было обнаружено деградации критического тока и силы левитации ВТСП-лент при давлениях до 695 МПа. Экспериментальные данные подтверждаются результатами численного моделирования. 4.3 При сдавливании больших стопок лент (50 штук), хотя граница сжатия и отсутствует, происходит неоднородная деформация слоев ленты, что может быть вызвано локальными изгибными деформациями, обусловленными флюктуациями как формы лент, так и толщины слоев в отдельных лентах. Это вызывает падение силы левитации, линейно растущее с ростом давления. 4.4 Для анализа механических характеристик левитационных элементов на основе ВТСП лент была разработана численная модель отдельной ленты и стопок ВТСП лент, подверженных вертикальным нагрузкам сжатия, а также сдвиговым воздействиям слоя сверхпроводника. Модель является дополнением комплексного подхода мультифизического моделирования магнитных, тепловых и механических характеристик левитационных систем и может быть объединена в единую систему расчета. 4.5 Проведены расчеты равномерного нагружения ВТСП ленты и стопки лент поперек слоев (до 695 МПа), а также рассчитаны сдвиговые деформации ленты для случая латеральных сил. Рассмотрены случаи нагружения со стороны слоя сверхпроводника и подложки. Полученные значения напряжений и деформаций находятся в упругих деформаций и не приводят к деградации токонесущих и левитационных характеристик материала. 4.6 При деформации сжатия наиболее деформированными оказываются тонкие буферные слои, расположенные непосредственно над подложкой ленты. В случае возникновения дополнительных изгибных нагрузок именно они могут привести к образованию трещин в буферных слоях и сверхпроводящей пленке. Для стопки ВТСП лент при нагрузке до 695 МПа и наличии изгибных деформаций, деградация транспортных и левитационных характеристик не превышает 10-12%. По результатам работ по проекту в отчетном году опубликовано 2 статьи, 3 статьи приняты к публикации, 6 статей направлены в редакции журналов и находятся на рецензировании. Результаты работ представлены в 6-ти устных докладах на 3х Международных тематических конференциях. Получен патент на полезную модель.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В отчетном году были выполнены работы и получены экспериментальные, теоретические и практические результаты, касающиеся исследований силы левитации в новых системах ВТСП стопка-намагниченная стопка, накачки магнитного потока в ВТСП сложной конфигурации, исследований магнито-силовых взаимодействий для замкнутых и незамкнутых обмоток, а также разработки концептуальных вариантов реализации различных практических магнито-левитационных систем. А именно, выполнено исследование системы магнитной левитации, состоящей из намагниченных и обычных стопок лент ВТСП. Проведено сравнение такой системы с классической, состоящей из стопки лент и постоянного магнита. Получены экспериментальные данные о величине силы левитации при вертикальном и поперечном смещении намагниченной стопки ВТСП лент и постоянных магнитов относительно положения обычной стопки лент. Проведено моделирование распределения магнитного поля вокруг намагниченной стопки из 80 лент и постоянного магнита со схожими размерами. Установлено, что намагниченные стопки ВТСП-лент могут действовать как источники магнитного поля, но на больших расстояниях они демонстрируют значительно меньшую силу левитации при взаимодействии со стопками ВТСП лент, чем магниты аналогичных размеров, что связано с различным характером пространственного распределения магнитного поля от намагниченной стопки и постоянных магнитов. Показано, что для эффективного использование системы стопка ВТСП лент - намагниченного стопка ВТСП лент, необходимо использовать минимальный значений левитационный зазор. Разработана комплексная модель намагничивания композиций ВТСП лент сложных конфигураций методом магнитного насоса. Получены экспериментальные и теоретические данные по магнитной накачке стопок с цельными и разрезными лентами, а также протяженных композиций. Определены способы магнитной накачки для каждого случая композиций: в случае квадратных стопок ВТСП лент накачку поля обеспечивает намагничивание за счет медленного подвода локального источника магнитного поля, для протяженных композиций более эффективным является использование динамической накачки периодически меняющимся локальным магнитным полем. Найдены зависимости максимальной намагниченности от числа лент, а также условие устойчивой накачки магнитного потока в ВТСП композициях сложных конфигураций, которое заключается в наличие порогового значения локального магнитного поля, обеспечивающего увеличение амплитуды захваченного магнитного потока от числа циклов накачки. Получены результаты численного моделирования и экспериментальные данные, характеризующие магнито-силовые характеристики в системах, содержащих незамкнутую обмотку ВТСП лент. Результаты расчетов показали, что наиболее выгодной с точки зрения силы левитации оказалась незамкнутая ВТСП обмотка. Для незамкнутых обмоток были выполнены экспериментальные исследования силы левитации и латеральной силы. Незамкнутые обмотки были выполнены в виде намотанной на эллиптической формер ВТСП-ленты. Рассматривались два типа конфигурации системы, с длинными частями обмоток в перпендикулярном ленте поле дорожки (обмотки 2см шириной) и в параллельном ленте поле (3 см шириной). Измерены кривые подвода в режиме охлаждения в нулевом поле, а также зависимости силы левитации и латеральной силы от смещения ленты в режимах охлаждения в поле и в нулевом поле. На основании полученных результатов можно заключить, что более перспективно использование незамкнутых обмоток ВТСП-лент. Среди двух рассмотренных систем на основе незамкнутых обмоток, система с перпендикулярным полем обладает рядом преимуществ по сравнению с системой с параллельным полем: имеет более высокую силу левитации и обладает более высоким потенциалом латеральной устойчивости и способна переносит более высокие внешние латеральные силы. Это говорит о более высокой надежности левитационного транспорта на основе таких систем. Однако такая система имеет более низкую жесткость вблизи положения равновесия, следовательно, будет больше подвержена вибрациям вблизи положения равновесия. Также система с перпендикулярным полем имеет более низкую стабильность силы (более высокий гистерезис) левитации при латеральных смещениях, по сравнению с системой с параллельным полем. В системах, где не требуется высокая сила левитации (например, в гибридных системах) или системах, где нежелательны вибрации в положении равновесия, система с параллельным полем более предпочтительна. Однако в большинстве приложений более актуально применение системы с перпендикулярным полем. В ходе решения завершающей задачи проекта, были разработаны концепции оптимизированных устройств на основе промышленно доступных ВТСП лент 2ого поколения производства СуперОкс. Представлены конструкции бесконтактного левитационного подшипника, кинетического накопителя энергии и левитационной платформы. Оптимизированная конструкция подшипника позволяет ротору свободно вращаться вокруг своей оси и выдерживает вертикальную нагрузку до 33 Н при допустимом вертикальном смещении на 4 мм и до 60 H при допустимом смещении 8 мм. Максимальная сила горизонтальной устойчивости 13Н при максимальном допустимом смещении 1,5мм. Количество слоёв в незамкнутой обмотке 10. В качестве левитационной платформы предложена 3х секционная конструкция, которая позволяет достигнуть латеральной силы в 6 Н на 2х каретках при допустимом латеральном смещении в 5 мм, и расчетную силу левитации порядка 7.5 Н. Суммарная длина использующейся ВТСП ленты в левитационной системе около 11 м. На представленных концептах оптимизация проводилась по устройству системы охлаждения, методу намагничивания, количеству сверхпроводящей ленты, конфигурации магнитного поля постоянных магнитов. По итогам выполнения проекта в отчетном году опубликовано 6 статей, три из которых в журнале первого квартиля, а также представлено 7 устных и стендовых докладов на международных научных конференциях.