使用超导螺线管产生推进力的装置的制作方法

1.本发明涉及用于产生推进力的装置，特别是使用超导螺线管产生推进力的装置。


背景技术：

2.本发明所基于的技术是强磁场超导磁体和超导螺线管的技术。该技术为相关研究所(例如美国的nhmfl(national high magnetic field laboratory，国家强磁场实验室)、中国科学院的hmfl(high magnetic field laboratory，强磁场实验室)、以及制造商(例如布鲁克公司、牛津仪器公司以及高磁场超级电力(high field magnets superpower)公司)所广泛知晓，并且相关文章被发表在期刊(例如“ieee应用超导学报”)上。
3.通过下述发明和发展的技术，使用磁场来产生推进力在现有技术中是已知的，例如：
4.1.h.johnson，1995，“磁力推进系统(magnetic propulsion system)”，美国专利申请号us 5,402,021 a。
5.2.m.brady，2006，“永磁体机器(permanent magnet machine)(perendev)”，pct专利申请号wo2006/045333 a1。
6.3.kambe，yoshitaka，丰田汽车有限公司(jp)，1996，“超导马达(superconductor motor)”，欧洲专利申请ep0748033a2。
7.4.p.s.swartz，1968，“超导屏蔽件(superconductive shield)”，美国专利申请号us 3,378,691 a。
8.5.nassikas athanassios a.，2015，“使用超导体的磁推进装置(magnetic propulsion device using superconductors)”，美国专利号us 8,952,773 b2。
9.6.nassikas athanassios a.，2013，“使用超导体产生推进力的设备(apparatus for generating a propulsive force using superconductors)”，pct专利申请号wo2013/110960 a1。
10.7.nassikas athanassios a.，2016，“通过锥形的涂覆的带状超导线圈来产生推进力的机构(mechanism creating propulsive force by means of a conical coated tape superconducting coil)”，pct专利申请号wo2016/142721 a1。
11.8.超导磁悬浮列车的技术。
12.在现有的技术中，第1项、第2项、第3项、第4项以及第8项技术是基于相邻元件之间的磁相互作用，而第6项和第7项技术产生推进力，然而第6项和第7项技术是基于第5项技术，即us 8,952,773 b2中公开的技术，该技术已经得到了实验证实。
13.特别地，关于最接近本发明的技术的us 8,952,773 b2公开了一种用于产生推进力的装置。该装置包括超导磁场屏蔽部，该超导磁场屏蔽部具有在一个端部处有较大的开口并且在另一端部处有较小的开口的会聚式(convergent)喷嘴的形式。此外，该特定的装置包括磁场源，根据实施例，该磁场源可以是超导螺线管，并且该磁场源在其端部处固定到超导磁场屏蔽部的较小的开口处。此外，所述装置包括用于将超导磁场屏蔽部冷却到临界
温度(tc)以下的装置，以维持超导磁场屏蔽部的超导特性。磁场源的磁场在超导磁场屏蔽部的内表面上施加压力，其中，该压力在所述装置上产生朝向喷嘴的会聚部的推进力。该推进力可以用于任何机器或车辆所需的推进推力，也可以用于产生能量。
14.然而，该装置的缺点之一是未能产生强的推进力。另一个缺点是该装置易受到外场(例如地球的磁场)的影响，导致仅在地球的磁场的南北方向上产生推进力。因此，装置不能在与重力的方向相反的方向上产生推进力。


技术实现要素：

15.为了克服上述缺点中的一个或多个，如主权利要求1所述的根据本发明的用于产生推进力f的装置包括：
[0016]-超导螺线管，该超导螺线管具有用于供应电能的构件，以产生具有磁通量密度b的磁通量φ，
[0017]-超导磁场屏蔽部，该超导磁场屏蔽部覆盖超导螺线管，该超导磁场屏蔽部防止磁场穿过，
[0018]-冷却构件，该冷却构件将超导螺线管和超导磁场屏蔽部冷却到低于临界温度tc的温度，以保持超导螺线管和超导磁场屏蔽部的超导特性，
[0019]
其特征在于，该装置进一步包括：
[0020]-高磁导率芯部，该高磁导率芯部具有端部(α)和(β)，其中，超导螺线管至少部分地围绕高磁导率芯部缠绕，使得从一个端部(α)到另一个端部(β)贯穿整个高磁导率芯部产生磁通量密度b，该磁通量密度b在端部(α)和(β)处具有相应的磁通量密度矢量b
α
和b
β
，并且超导磁场屏蔽部覆盖超导螺线管，并且沿着高磁导率芯部长度从一个端部(α)延伸到另一个端部(β)，其中，高磁导率芯部包括具有任意曲率的一个或多个弯曲部分，使得当超导螺线管运行时，磁通量密度的b
α
矢量和b
β
矢量倾向于垂直于端部(α)和(β)的相应的横截面，使得沿着每个弯曲部分产生的磁通量密度b的方向的改变在相应的端部(α)和(β)处产生力矢量f
α
和f
β
，力矢量f
α
和f
β
垂直于端部(α)和(β)的横截面延伸并且具有相对于高磁导率芯部向外的方向，并且力矢量f
α
和f
β
在装置上产生推进力f，推进力f的方向和大小由力矢量f
α
与f
β
之和产生。
[0021]
在从属权利要求2-9中描述了装置的对具体运行参数进行限定的进一步的实施例。
附图说明
[0022]
通过附图中所示的示例性实施例，本领域技术人员将完全理解本发明，其中，各个部件的固定的细节未示出但是可以根据现有技术实现。
[0023]
图1是根据本发明的实施例的用于产生推进力的装置的横截面。
[0024]
图2是根据本发明的另一实施例的用于产生推进力的装置的横截面。
[0025]
图3是根据本发明的另一实施例的用于产生推进力的装置的横截面。
具体实施方式
[0026]
运行原理
[0027]
根据磁场的经典理论(快速场，有限元系统，用户指南5.3版本-特拉分析有限公司(tera analysis ltd)-2005)，已知作用在闭合的表面s(例如，如图1所示的包围本发明的装置的表面)上的力是：
[0028][0029]
其中，h是磁场的强度，b是磁通量的密度，n是垂直于表面s并且向外指向的矢量。
[0030]
通过等式(1)，导出作用在表面ds上的垂直于磁场的强度h的力df，并考虑到
[0031]n·
b＝b并且n
·
h＝h或者n
·
b＝-并且n
·
h＝-[0032]
力df等于：
[0033][0034]
式中μ
ο
为真空中的磁导率。
[0035]
通过等式(2)得出，作用在下文所述的本发明的装置的高磁导率芯部的端部(α)和(β)的横截面上的力f
α
和f
β
的矢量与相应的矢量n
α
和n
β
具有相同的方向，矢量n
α
和n
β
分别垂直于端部(α)和(β)的横截面且矢量n
α
和n
β
的方向朝向在图1、图2以及图3中示出的高磁导率芯部的外部。
[0036]
根据等式(1)和等式(2)并且参照图1、图2以及图3，对于包围本发明的装置的表面s，
[0037][0038]
其中，(α)和(β)为高磁导率芯部的端部，aα为端部(α)的横截面面积，aβ为端部(β)的横截面面积，bα为在端部(α)处的磁通量密度，bβ为在端部(β)处的磁通量密度。
[0039]
特别地，在图2的装置中：
[0040]
aα＝aβ，nα＝nβ
[0041]
并且在保持磁通量φ的基础上(由于存在超导磁场屏蔽部，如下所述，超导磁场屏蔽部覆盖在超导螺线管上并且防止磁场穿过)：
[0042][0043]
在图3的装置中：
[0044]
aα＝aβ，nα＝-nβ
[0045]
并且在保持磁通量φ的基础上(由于超导磁场屏蔽部的存在)：
[0046]
f＝f
α
f
β
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0047][0048][0049]
其中，r是矢量fα距转动中心o的垂直距离的矢量，m是产生的扭矩的矢量。
[0050]
由等式(4)得到的力的精确值是磁通量密度b
α
的函数，磁通量密度b
α
可以通过有限元分析和实验得到，且理论与结果之间一致性较好。
[0051]
应该注意，关于超导体，在等式的所有范围内并不存等式的任何单一类型，任何与经典物理的原理的偏离都必须在该框架内理解。
[0052]
此外，应当注意，单一场原则还没有被表示为统一公认的理论，并且为了本发明的需要，通过在以下研究中发展的理论来接近单一场原则：
[0053]“nassikas，a.a.2008，最小矛盾万事万物(minimum contradictions everything)，由duffy,m.c.和whitney,c.k.审查和编辑，isbn：1-57485-061-x，强子出版社(hadronic press)，第185页”；
[0054]“a.a.nassikas，2010，通过超导磁场俘获spesif的最小矛盾物理与推进(minimum contradictions physics and propulsion via superconducting magnetic field trapping spesif)，美国物理学会会议期刊1208(aip conf.proc.1208)，第339-349页”。
[0055]
根据这些研究，随机量子时空构成了物质本身，这可以便于解释偏离经典物理的现象。特别地，电磁场表现为具有假想(i)质量的物质重力场。重力场和电磁场之间的能量和动量的交换是通过光子进行的，光子是可以从一个场的粒子时空构形转化为到另一个场的粒子时空构形的唯一物。在第一方法中，这似乎是由以下等式得到的：
[0056]
e2＝c2p2, (ie)2＝c2(ip)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0057]
该等式根据相对论量子力学将光子的能量和动量联系起来，并适用于真实空间(引力时空)和假想空间(i-电磁时空)。
[0058]
通过不可压缩流体的力学和静磁分析：
[0059][0060]
其中ψ和是磁和流体机械势的函数，b和v分别是流体静磁学中的磁通量密度的矢量和流体力学中的流体速度的矢量。
[0061]
通过等式(9)得到，静磁场类似于流体力学场，在流体力学场中，磁通量密度的矢量b表现为速度矢量v。
[0062]
对于相似的装置，通过等式(4)和相应的流体力学等式：
[0063][0064]
f＝-n2ρav2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0065]
其中，ρ是影响模拟的流体密度。
[0066]
通过等式(10)和(11)：
[0067][0068]
等式(12)表明，大小(magnitude)b不能用实体(机械引力的)来模拟而是用假想的大小来模拟，该假想的大小指的是电磁空间，例如等式(8)。
[0069]
应当注意，在为确认所述us 8,952,773而实施的实验中，观察到产生的力与在流体力学相似的装置中的期望的力相反，这与关于本发明的等式(10)、(11)以及(12)相一致。
[0070]
该实验在塞萨利(thessaly)技术研究所(现塞萨利大学)、可再生能源形式实验室(renewable-energy-form laboratory)以及雅典大学的固态物理实验(solid-state-physics laboratory)室中实施。
[0071]
优选实施例的详细描述
[0072]
图1示出了用于产生推进力f的装置的实施例，该装置包括：超导螺线管(2)，该超导螺线管装备有用于产生具有磁通量密度b的磁通量φ的能量供应构件；超导磁场屏蔽部(5)，该超导磁场屏蔽部覆盖超导螺线管(2)并阻止磁场穿过；以及冷却构件(4)，该冷却构件将超导螺线管(2)和超导磁场屏蔽部(5)冷却到临界温度tc以下，以保持超导螺线管(2)和超导磁场屏蔽部(5)的超导特性。
[0073]
所述能量供应构件未在附图中示出。能量供应构件至少在开始时或当超导螺线管(2)的电流强度必须改变时提供超导螺线管(2)的运行所需的电力。
[0074]
当磁场强度等于或小于临界值hc时，超导螺线管(2)和超导磁场屏蔽部(5)必须在临界温度tc以下，以平稳地运行并保持它们的超导特性。具体的临界温度tc取决于超导磁场屏蔽部(5)和超导螺线管(2)的超导材料。
[0075]
根据实施例，超导螺线管是ii型超导体，例如至少部分地围绕高磁导率芯部(3)缠绕的rebco型或ybco型或bi2223型或nb/ti型的激活的带或线。主要使用包括以上所提到的ii型超导体，因为i型超导体在磁场变强时会失去其特性。
[0076]
另外，根据实施例，高磁导率芯部(3)是软铁芯部。术语“高”磁导率是指磁导率远高于真空的磁导率，例如高于真空的磁导率的1000倍。
[0077]
此外，根据实施例，冷却构件(4)是预冷却的铜线，该预冷却的铜线被布置在超导螺线管(2)和超导磁场屏蔽部(5)之间，并且围绕超导螺线管(2)缠绕。
[0078]
预冷却的铜线在换热器中通过液态he或液态n进行预冷却，并且通过传导对超导螺线管(2)和超导磁场屏蔽部(5)进行冷却。
[0079]
替代地，超导螺线管(2)和超导磁场屏蔽部(5)的冷却可以通过将整个装置(1)浸没在装有液态he或液态b的容器中来实现。在这种情况下，不使用预冷却的铜线。
[0080]
此外，根据实施例，超导磁场屏蔽部(5)沿其长度包括ybco块材和/或bi2223磁场屏蔽部覆盖件和/或rebco缠绕带(tape winding)。
[0081]
此外，用于产生图1的推进力f的装置的实施例包括高磁导率芯部(3)，高磁导率芯部具有端部(α)和(β)并且具有恒定的横截面，其中，超导螺线管(2)至少部分地围绕高磁导率芯部(3)缠绕，使得在高磁导率芯部(3)上的从一个端部(α)到另一端部(β)的磁通量密度b在端部(α)和(β)处分别具有磁通量密度矢量bα和bβ。
[0082]
根据实施例，高磁导率芯部(3)是软铁芯部。此外，如图1的用于产生推进力f的装置的实施例所示，超导磁场屏蔽部(5)覆盖超导螺线管(2)并且沿着高磁导率芯部(3)的长度从一个端部(α)延伸到另一个端部(β)。此外，高磁导率芯部(3)沿其长度弯曲，使得当超导螺线管(2)运行时，磁通量密度的矢量b
α
和b
β
倾向于垂直于端部(α)和(β)的相应的横截面，使得磁通量密度b的方向沿着弯曲的高磁导率芯部(3)的长度的变化在相应的端部(α)和(β)处产生力矢量f
α
和f
β
，力矢量f
α
和f
β
垂直于端部(α)和(β)的横截面作用，力矢量f
α
和f
β
的方向从高磁导率芯部(3)向外。力矢量fα和fβ在装置(1)上产生推进力f，推进力f的方向和大小由力矢量fα和fβ之和得到。
[0083]
图2和图3示出了用于产生推进力f的装置的两个替代的实施例，这两个替代的实施例与图(1)的实施例的偏离之处在于，高磁导率芯部(3)在高磁导率芯部(3)的端部(α)和(β)中的每个端部处包括终止于弯曲部分的伸长部分。
[0084]
根据图2，在高磁导率芯部(3)的端部(α)处的弯曲部分被构造成具有与在高磁导
率芯部(3)的端部(β)处的弯曲部分的方向相同的方向。因此，如图2所示，推进力f等于分别在高磁导率芯部(3)的端部(α)和(β)处的具有相同方向的力矢量f
α
和f
β
之和。
[0085]
相反地，在高磁导率芯部(3)的端部(α)处的弯曲部分被构造成具有与在高磁导率芯部(3)的端部(β)处的弯曲部分的方向相反的方向。因此，如图3所示，扭矩m的产生是由分别在高磁导率芯部(3)的端部(α)和(β)处的力f
α
和f
β
的相反的方向导致的。
[0086]
除了在图2和图3中描述的示例性实施例之外，高磁导率芯部(3)可以包括在附图中未示出的弯曲部和线性部分的各种组合。此外，在图1、图2以及图3的示例性实施例中，高磁导率芯部(3)沿其长度具有恒定的横截面。然而，根据另一实施例，高磁导率芯部(3)沿其长度可以具有变化的横截面，例如，高磁导率芯部可以是会聚式高磁导率芯部。
[0087]
在进行了有限元分析以对在所述us 8,952,773b2中描述的现有技术的装置和本发明的装置进行比较后，得出结论：本发明的装置产生的推进力比us 8,952,773的装置产生的推进力要大得多。通过实验还观察到，现有技术的所述装置的推进力仅具有地球的磁场的南北方向。本发明的装置可以在垂直于地球的磁场的南北方向的任何方向上产生推进力，例如可以产生具有与重力的方向相反的方向的推进力。这是由于本发明的装置的结构，本发明的装置的结构使得当超导螺线管(2)运行时，磁通量密度的矢量b
α
和b
β
倾向于垂直于端部(α)和(β)的相应的横截面，使得所产生的磁通量密度b的方向的变化在相应的端部(α)和(β)处产生力矢量f
α
和f
β
，力矢量f
α
和f
β
垂直于端部(α)和(β)的横截面作用并且具有从高磁导率芯部(3)向外的方向，并且力矢量f
α
和f
β
在装置(1)上产生推进力f，推进力f的方向和大小由力f
α
和f
β
之和得到。
[0088]
由于矢量bα和bβ的方向倾向于垂直于高磁导率芯部(3)的端部(α)和(β)的相应的横截面，因此高磁导率芯部(3)的端部(α)和(β)的区域构成了本发明的装置(1)的s极和n极，并且因此连接高磁导率芯部(3)的端部(α)和(β)的轴线(6)在装置(1)的位置处平行于地球的磁场的强度。围绕连接端部(α)和(β)的轴线(6)旋转的装置(1)(图2)可以产生在垂直于轴线的所有方向上的推进力，但是不能如us 8,952,773 b2中所描述的现有技术的装置所实现的，产生在轴线自身的方向上的推进力。这样，本发明的装置(1)可以与在us 8,952,773中公开的装置组合运行，使得能在所有期望的方向上产生推进力f。
[0089]
特别地，在图2的装置中，由于等式(4)，力f将与重力相反。在图2的装置(1)的伸长部分上，超导螺线管(2)和高磁导率芯部(3)的组合起到了磁体的作用，这也可以用来增大us 8,952,773 b2的装置的推进能力。
[0090]
此外，图3的装置(1)由于其产生的扭矩m可以用于装置(1)的旋转，并且因此用于产生能量。
[0091]
通过增大高磁导率芯部(3)的端部(α)和(β)之间的距离以及超导螺线管(2)的厚度，增大了超导螺线管(2)产生的安匝数、磁通量密度、以及产生的推进力。
[0092]
本发明不限于所提到的示例性超导材料和冷却构件，而是可以应用已知的且适合本发明的要求的任何超导材料和冷却构件。
[0093]
可以使用永磁体代替超导螺线管(2)和高磁导率芯部(3)的组合。另外，可以使用石墨烯代替在超导磁场屏蔽部(5)中的rebco或bi2223或ybco块材。石墨烯的优点在于：在比rebco或bi2223或ybco块材所需的温度高得多的温度下，石墨烯很大程度地防止磁场穿过超导磁场屏蔽部(5)，因此不需要使用在本发明的装置(1)中所使用的冷却构件。然而，永
磁体和石墨烯的使用可能不会产生显著的推进力f。
[0094]
由于等式(3)，所产生的推进力f相对磁场方向是不变的；因此，装置(1)可以用dc能量源以及ac能量源运行。ac能量源的使用消除了任何外部磁场的影响。