基于励磁电源的超导闭环运行磁体、变流方法及杜瓦装置

1.本发明属于高温超导磁体技术领域，具体而言，涉及基于无线直流电源的超导闭环运行磁体、变流方法及杜瓦装置。


背景技术：

2.超导材料具有零电阻的物理特性，由超导材料制成的超导线材具有电流密度高以及损耗低的优点，能够应用于核磁共振、核聚变、加速器、电机等领域，使设备的能量密度大幅提高，同时，设备的体积和能耗大幅降低。
3.由于低温超导nbti和nb3sn线材能够以较低成本形成无电阻的超导焊接，在4.2k的低温下，磁体闭环之后完全消除了电流衰减；目前大规模产业化应用的超导材料主要是低温超导nbti和nb3sn线材，由于临界转变温度低，需要液氦制冷，然而液氦是稀有气体，低温超导设备的制冷成本极为昂贵。
4.超导应用向无液氦方向发展，而具备更高临界转变温度的高温超导材料如bi-2212和rebco(re为稀土元素)材料，则是超导应用的重点发展方向。高温超导bi-2212和rebco绕制的超导磁体能够采用制冷机或液氮制冷，运行在20k以上，制冷成本大幅降低，同时，这两种材料的上临界磁场远大于低温超导材料，能够产生更强的磁场，从而大幅提升超导设备的能量密度，具有明显的应用优势。
5.然而，与低温超导nbti和nb3sn绕制的磁体相比，高温超导材料的缺点在于无法闭环运行，因此需要长时间外接电源，在外接电源的情况下，导致制冷成本极高，限制了高温超导磁体的实用化。
6.此外，高温超导rebco等线材无阻超导焊接的成本和技术难度都极高，而普通有阻焊接必定导致闭环运行的电流缓慢衰减，且在20k以上的温区，磁通蠕动现象明显，也会导致电流的缓慢衰减。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题，本发明提供基于励磁电源的超导闭环运行磁体、变流方法及杜瓦装置。
8.第一方面，本发明提供了基于励磁电源的超导闭环运行磁体，包括：
9.超导定子；
10.高温超导线圈；
11.外部直流电源，用于在充磁或变流阶段为所述高温超导线圈供电；
12.励磁电源，用于在所述超导定子上激励出直流电压，为所述超导定子与所述高温超导线圈形成的回路补充衰减电流；
13.加热装置，用于对所述超导定子进行加热，所述超导定子升温后电阻增大，所述超导定子与所述高温超导线圈形成的回路断开；
14.其中，在磁体充磁或变流阶段，所述加热装置对所述超导定子进行加热，所述超导
定子升温后电阻增大，所述超导定子与所述高温超导线圈形成的回路断开，所述外部直流电源与所述高温超导线圈形成第一回路；在磁体闭环运行阶段，所述加热装置停止对所述超导定子进行加热，同时所述外部直流电源与所述高温超导线圈形成的所述第一回路断开，所述超导定子冷却到超导态，所述超导定子与所述高温超导线圈形成第二回路，所述励磁电源为所述第二回路补充衰减电流。
15.第二方面，本发明提供了基于励磁电源的超导闭环运行磁体的变流方法，包括：
16.开启所述外部直流电源，利用所述加热装置对所述超导定子进行加热，所述第二回路断开；调整所述外部直流电源与所述高温超导线圈所形成第一回路的电流至目标值，停止所述加热装置工作，所述第二回路导通，并关闭外部直流电源；
17.利用励磁电源通过所述超导定子对所述第二回路的电流进行补充。
18.第三方面，本发明提供了一种杜瓦装置，包括：
19.基于励磁电源的超导闭环运行磁体；所述超导闭环运行磁体中高温超导线圈通过电流引线与外部直流电源连接；
20.杜瓦壳体；
21.冷屏；
22.杜瓦盖板；
23.所述超导闭环运行磁体设置在所述冷屏的内部；所述杜瓦壳体设置于所述冷屏的外部；所述杜瓦盖板设置在所述杜瓦壳体的顶部；所述外部直流电源设置在所述杜瓦盖板的外部；所述励磁电源设置在所述杜瓦盖板的外部或者设置在所述杜瓦盖板与所述冷屏之间；所述电流引线穿过所述冷屏以及所述杜瓦盖板。
24.本发明的有益效果是：本发明采用励磁电源补充由超导定子与高温超导线圈之间的焊接电阻以及高温超导线圈磁通蠕动导致的闭环电流衰减，能够有效降低磁体运行过程中的电能损耗；将外部直流电源充能和励磁电源充能相结合，在使用最少的能源的基础上实现快速充能和快速换流。
25.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
26.进一步，所述励磁电源为磁通泵。
27.进一步，所述超导定子上安装有温度传感器与第一电流传感器；所述高温超导线圈中安装有第二电流传感器。
28.进一步，所述外部直流电源与所述高温超导线圈之间设置有电流引线；所述外部直流电源通过所述电流引线与所述高温超导线圈形成所述第一回路；所述超导定子焊接在所述高温超导线圈两端；所述超导定子与所述高温超导线圈形成所述第二回路。
29.进一步，所述超导定子上设置有超导短路开关；当所述加热装置对所述超导短路开关加热，所述超导短路开关升温，所述超导定子不导通；当所述加热装置停止对所述超导短路开关加热，所述超导短路开关降温短路，所述超导定子导通。
30.进一步，所述加热装置为电加热片；所述电加热片连接有电压热片控制器。
31.进一步，所述电流引线的导线的端部设置有接口；所述杜瓦盖板设置有开孔；所述接口穿过所述开孔。
附图说明
32.图1为本发明实施例1提供的基于励磁电源的超导闭环运行磁体的结构示意图；
33.图2为本发明实施例1提供的基于励磁电源的超导闭环运行磁体的俯视图；
34.图3为本发明实施例1提供的基于励磁电源的超导闭环运行磁体的电路原理图；
35.图4为本发明实施例1提供的基于励磁电源的超导闭环运行磁体在充磁阶段的电路原理图；
36.图5为本发明实施例1提供的基于励磁电源的超导闭环运行磁体在闭环运行阶段的电路原理图；
37.图6为本发明实施例3中安装有超导闭环运行磁体的杜瓦装置的结构示意图1；
38.图7为本发明实施例3中安装有超导闭环运行磁体的杜瓦装置的结构示意图2。
39.图标：1-超导定子；2-高温超导线圈；3-励磁电源；4-加热装置；5-温度传感器；6-第一电流传感器；7-第二电流传感器；801-导线；802-接口；9-焊接节点；10-超导闭环运行磁体；11-杜瓦壳体；12-冷屏；13-杜瓦盖板；s
1-外部开关；s
2-超导短路开关；301-磁轭；302-交流绕阻；303-直流绕阻。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
41.实施例1
42.作为一个实施例，如附图1所示，为解决上述技术问题，本实施例提供基于励磁电源的超导闭环运行磁体，包括：
43.超导定子1；
44.高温超导线圈2；
45.外部直流电源，用于在充磁或变流阶段为高温超导线圈2供电；
46.励磁电源3，用于在超导定子1上激励出直流电压，为超导定子1与高温超导线圈2形成的回路补充衰减电流；
47.加热装置4，用于对超导定子1进行加热，超导定子1升温后电阻增大，超导定子1与高温超导线圈2形成的回路断开；
48.其中，在磁体充磁或变流阶段，加热装置4对超导定子1进行加热，超导定子1升温后电阻增大，超导定子1与高温超导线圈2形成的回路断开，外部直流电源与高温超导线圈2形成第一回路；在磁体闭环运行阶段，加热装置4停止对超导定子1进行加热，同时外部直流电源与高温超导线圈2形成的第一回路断开，超导定子1冷却到超导态，超导定子1与高温超导线圈2形成第二回路，励磁电源3为第二回路补充衰减电流。
49.在实际应用过程中，通过加热装置4实现第一回路与第二回路工作状态的切换。当加热装置4工作时，超导定子1与高温超导线圈2形成的回路即第二回路不导通，利用第一回路对高温超导线圈2进行供电，即第一回路导通，实现高温超导线圈2的充能；当高温超导线圈2电流达到目标电流大小后，高温超导线圈2充能完成；停止加热装置4工作同时关闭外部
直流电源，超导定子1冷却到超导态，超导定子1与高温超导线圈2形成的回路即第二回路导通。
50.第二回路导通时，磁体闭环运行，由于回路中焊接电阻和磁通蠕动导致第二回路电流衰减，采用励磁电源3为磁体供电，补充第二回路的超导定子1衰减电流。励磁电源3以非接触的方式为高温超导线圈2供电充能，补充因超导定子1与高温超导线圈2输出端的焊接节点9的电阻导致的电流衰减。该闭环运行磁体的能耗相比传统第一回路供电充能的运行模式的能耗降低了几个数量级。
51.如附图2所示，基于励磁电源3的超导闭环运行磁体的俯视图。
52.可选的，励磁电源3为磁通泵。
53.在实际应用过程中，磁通泵在第二回路闭环运行阶段，以非接触的方式为磁体补充衰减电流。励磁电源3不限于磁通泵，励磁电源3能够在超导定子1上激励出直流电压，以非接触的方式为磁体补充衰减电流。本实施例中仅需较低功率的励磁电源3工作即可维持高电流状态的超导系统持续工作数天，相较于此前持续使用高功率电源的方式，极大的节约了能源。
54.可选的，如附图1和附图2所示，超导定子1上安装有温度传感器5与第一电流传感器6；高温超导线圈2中安装有第二电流传感器7。
55.在实际应用过程中，利用温度传感器5检测加热装置4对超导定子1的加热效果，有利于通过控制加热装置4的工作状态准确控制超导定子1的导通状态。
56.利用第一电流传感器6检测超导定子1与高温超导线圈2形成的第二回路的电流。
57.在磁体闭环运行过程中，当检测到第二回路的电流小于第一预设值时，开启励磁电源3，励磁电源3以非接触的方式对第二回路补充电流；或者间隔设定时间开启励磁电源3，励磁电源3以非接触的方式对第二回路补充电流，该设定时间的选取根据检测到第二回路的电流达到第一预设值的时间进行选取，达到间歇式补充电流的效果。
58.利用第二电流传感器7检测高温超导线圈2中的电流，在利用外部直流电源对高温超导线圈2进行供电时，外部直流电源与高温超导线圈2形成第一回路，当第二电流传感器7检测第一回路中的电流达到第二预设值时，停止外部直流电源对高温超导线圈2进行供电。
59.优选的，如附图1和附图2所示，第一电流传感器6放置在超导定子1的超导带材上，第二电流传感器7放置在高温超导线圈2的超导带材上。
60.可选的，外部直流电源与高温超导线圈之间设置有电流引线；外部直流电源通过电流引线与高温超导线圈形成第一回路；超导定子焊接在高温超导线圈两端，与高温超导线圈形成第二回路。
61.在实际应用过程中，采用可拔插式的电流引线或者固定接头式的电流引线，可切断电流引线和高温超导线圈之间的物理连接，能够避免电流引线穿过杜瓦装置到达杜瓦装置外部导致的传导漏热。
62.可选的，超导定子上设置有超导短路开关；当加热装置对超导短路开关加热，超导短路开关升温，超导定子不导通；当加热装置停止对超导短路开关加热，超导短路开关降温短路，超导定子导通。通过对超导定子上设置的超导短路开关进行加热，有利于实现对超导定子进行快速加热。
63.在实际应用过程中，如附图3所示，基于励磁电源的超导闭环运行磁体的电路原理
图，通过设置外部开关s1的通断状态控制外部直流电源is的工作状态，即通过外部开关s1控制外部直流电源is与高温超导线圈的连接状态；通过加热装置对超导短路开关s2进行加热；电流引线与高温超导线圈连接的等效电阻为r
j1
，超导定子与高温超导线圈输出端的焊接节点的等效电阻为r
j2
，第一电流传感器a1,第二电流传感器为a2，高温超导线圈电感为l
dpc
。励磁电源vs，用于在超导定子上激励出直流电压，为超导定子与高温超导线圈形成的回路补充衰减电流。
64.可选的，加热装置为电加热片；电加热片连接有电压热片控制器。
65.在实际应用过程中，电加热片采用加热电阻，电加热片夹住超导定子，利用电加热片控制器控制电加热片的工作状态，能够达到快速加热超导定子的效果，实现超导定子超导态的控制。
66.在磁体充磁阶段，外部直流电流源通过电流引线为高温超导线圈充电，即第一回路导通，第一回路电流方向如附图4所示，外部开关s1闭合，超导短路开关s2断开，超导定子通过电加热片加热处于失超导态而关断的状态。
67.在磁体充电至目标电流值后，关闭电加热片，外部开关s1断开，超导短路开关s2闭合，超导定子冷却处于超导导通状态，第二回路导通，第二回路电流方向如附图5所示，并通过励磁电源补充因超导定子与高温超导线圈l
dpc
输出端的焊接节点的电阻r
j2
导致的电流衰减，从而维持超导磁体在恒定电流下的闭环运行。
68.实施例2
69.在实施例1的基础上，本发明的实施例中提供了基于励磁电源的超导闭环运行磁体的变流方法，包括：
70.开启所述外部直流电源，利用所述加热装置对所述超导定子进行加热，所述第二回路断开；调整所述外部直流电源与所述高温超导线圈所形成第一回路的电流至目标值，停止所述加热装置工作，所述第二回路导通，并关闭外部直流电源；
71.利用励磁电源通过所述超导定子对所述第二回路的电流进行补充。
72.在执行变流操作之前还包括：
73.磁体充磁阶段：开启外部直流电源，利用加热装置对超导定子进行加热，超导定子升温后电阻增大，超导定子与高温超导线圈形成的第二回路断开，外部直流电源与高温超导线圈形成第一回路，外部直流电源为高温超导线圈充能；
74.当高温超导线圈中的电流达到目标电流后，停止所述加热装置工作，超导定子降温后进入超导态，超导定子与高温超导线圈形成的第二回路导通，缓慢调小所述外部直流电源的电流大小直至所述外部直流电源关闭；
75.磁体闭环运行阶段：利用励磁电源通过超导定子对第二回路的电流进行补充。
76.本发明实施例采用励磁电源补充由超导定子与高温超导线圈之间的焊接电阻以及高温超导线圈磁通蠕动导致的闭环电流衰减，能够有效降低磁体运行过程中的电源能耗；将外部直流电源充能和励磁电源充能相结合，在使用最少的能源的基础上实现快速充能和快速换流。
77.实施例3
78.在实施例1的基础上，本实施例中提供了一种杜瓦装置，包括：
79.基于励磁电源的超导闭环运行磁体；超导闭环运行磁体中高温超导线圈通过电流
引线与外部直流电源连接；
80.杜瓦壳体；
81.冷屏；
82.杜瓦盖板；
83.超导闭环运行磁体设置在杜瓦壳体与杜瓦盖板内部；杜瓦壳体设置于冷屏外部；杜瓦盖板设置在杜瓦壳体顶部；外部直流电源设置在杜瓦盖板外部；电流引线穿过冷屏以及杜瓦盖板。
84.如附图6和附图7所示基于励磁电源的高温超导闭环运行磁体的杜瓦装置的结构示意图。
85.其中，基于励磁电源的超导闭环运行磁体，包括：
86.超导定子1；高温超导线圈2；
87.外部直流电源，用于在充磁或变流阶段为高温超导线圈2供电；
88.励磁电源3，用于在超导定子1上激励出直流电压，为超导定子1与高温超导线圈2形成的回路补充衰减电流；
89.加热装置4，用于对超导定子1进行加热，超导定子1升温后电阻增大，超导定子1与高温超导线圈2形成的回路断开。
90.其中，在磁体充磁或变流阶段，加热装置4对超导定子1进行加热，超导定子1升温后电阻增大，超导定子1与高温超导线圈2形成的回路断开，外部直流电源与高温超导线圈2形成第一回路；在磁体闭环运行阶段，加热装置4停止对超导定子1进行加热，同时外部直流电源与高温超导线圈2形成的第一回路断开，超导定子1冷却到超导态，超导定子1与高温超导线圈2形成第二回路，励磁电源3为第二回路补充衰减电流。
91.可选的，如附图6和附图7所示，超导定子1上安装有温度传感器5与第一电流传感器6；高温超导线圈2中安装有第二电流传感器7。
92.可选的，如附图6所示，超导闭环运行磁体10设置在杜瓦壳体11与杜瓦盖板13内部；杜瓦壳体11设置于冷屏12外部；杜瓦盖板13设置在杜瓦壳体11顶部；外部直流电源的接线端802设置在杜瓦盖板13外部；电流引线穿过冷屏12以及杜瓦盖板13。
93.可选的，如附图6所示，励磁电源采用磁通泵，本实施中仅示出直线电机式磁通泵，实际上对磁通泵的类型并不做限制；本实施找中的磁通泵包括磁轭301、交流绕阻302与直流绕阻303；磁轭301设置在杜瓦盖板13内部，交流绕阻302与直流绕阻303设置在杜瓦盖板13外部。
94.可选的，励磁电源3的交流绕阻302采用分体式交流绕阻结构，该分体式交流绕阻包括：
95.交流绕阻主体与若干导磁铁齿；
96.交流绕阻主体包括：
97.若干主体铁齿，相邻主体铁齿之间具有用于绕制线圈的齿槽；以及线圈绕阻；导磁铁齿的一端与主体铁齿连接，导磁铁齿的另一端在主体铁齿的延伸方向聚集。超导定子设置在磁轭301与交流绕阻302之间的间隙s。
98.可选的，如附图7所示，超导闭环运行磁体10设置在杜瓦壳体11与杜瓦盖板13内部；杜瓦壳体11设置于冷屏12外部；杜瓦盖板13设置在杜瓦壳体11顶部；外部直流电源的接
线端802设置在杜瓦盖板13外部；电流引线穿过冷屏12以及杜瓦盖板13。在该实施方式中，我们将磁通泵置于杜瓦盖板13与冷屏12之间，即磁通泵位于杜瓦内部。
99.杜瓦壳体11及冷屏12隔绝外部热量入侵，通过液氮浴冷却或制冷机传导冷却的方式使高温超导磁体10工作在77k以下的低温环境。
100.可选的，如附图6和附图7所示，电流引线的导线801的端部设置有接口802；接口为拔插接口或固定接头；杜瓦盖板设置有开孔；接口802穿过开孔。在实际应用过程中，可优选采用包含拔插式接口的电流引线，能够快速切断电流引线和高温超导线圈之间的物理连接以及电流引线穿过杜瓦装置导致的传导漏热。
101.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。