CN102075064B

CN102075064B - 提高高场大电流电磁弹射力的被射体的电磁作用装置

Info

Publication number: CN102075064B
Application number: CN 201010592621
Authority: CN
Inventors: 金建勋
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CN102075064A

Abstract

本发明公开了一种提高高场大电流电磁弹射力的被射体的电磁作用装置即高温超导弹射动子机构，包括下面的材料和组件：高温超导块材磁体、高温超导线圈、低温箱、制冷液、大电流电极；其特征在于：所述高温超导块材通过高温超导线圈磁体，可采用稳恒外加场场冷或脉冲场零场冷充磁方案充磁；制备的动子与电磁定子作用形成更大的电磁推力实现弹射。有效解决了用于上述方案的高温超导块材磁体充磁技术难点，显著改善了充磁效果由于本设计将高温超导块材和高温超导线圈构成一个整体，一方面从结构上提高了高温超导块材俘获场的场强，另一方面从高温超导材料电流密度上提高了磁化场场强，因此有效场强大大提高。

Description

提高高场大电流电磁弹射力的被射体的电磁作用装置

技术领域

本发明属于推进及驱动系统的强电磁作用技术，特别是一种利用高温超导技术实现的强电磁发射系统，如用于飞行器的弹射或电磁炮。

背景技术

利用强电磁排斥推力的作用，可设计一种用于驱动或发射系统的强电磁作用机构。与常规电机驱动不同的是，这一系统具有短时强作用力，而可瞬时获得很大的加速度和初速度。作为一种实例结构，具有永磁性的动子在电磁定子或电磁定子轨道的作用下，可被快速加速和发射。

现有的电磁发射系统，虽然结构不同，但都是基于电流与磁场或是磁场与磁场的作用力，来实现发射的。作用的模式可以是被弹射物的传导电流与定子的磁场间的作用，被弹射物的感应电流与定子的磁场间的作用，被弹射物的永磁场与定子的电磁场间的作用。

电磁发射系统的电磁作用力，通常取决于电磁作用中的电流密度和磁场强度。而通常材料的电流密度小于每平方厘米几百安培，饱和磁场强度小于几特斯拉，因此传统材料和技术，限制了电磁发射技术的实际应用。

利用高温超导技术可获得密度大于每平方厘米几万安培的电流强度，磁场强度大于几十特斯拉的超强特性。因而可明显提高强电磁作用力，大大提高推进效果。

采用高温超导技术有显著的有势，但在实际操作过程中，由于高温超导块材的操作条件和环境的限制，难以对高温超导块材有效实施充磁和获得较好的充磁效果，以致利用高温超导块材永磁体的技术方案难以实施。

发明内容

本发明的目的是利用高温超导技术，设计一种能产生更大电磁推力的被弹射体的电磁装置和技术。

用于与定子一同产生电磁推力的被弹射体动子，可简单由永磁体构成。但普通永磁体的饱和磁场强度一般在一个特斯拉左右，因而所能产生的电磁推力被限制了且相对较低。

从超导的特性看，高温超导体具有很高的磁场俘获能力。由于高温超导块材的高捕获磁场能力，例如可获得超过10T的磁感应强度，远远高于常规永磁体1T左右的磁场强度，因此利用高温超导块材磁体设计的电磁作用机构，推力大大增加，效率更高，弹射行程更远，且电磁作用机构可具有更小的体积和重量。

但实际具体利用高温超导块材磁体时，高温超导块材的充磁，由于高温超导块材是工作于低温恒温器的操作环境中的，因而难以对其有效充磁和获得较高的磁场，以致实际利用高温超导块材磁体的方案难以实施。

本发明解决的核心技术问题：高温超导体具有很高的磁场俘获能力，但在进行电磁弹射实际操作过程中时，由于无法避免高温超导块材与外部充磁磁体间过大的间隙而难于形成高场充磁。而体积巨大的高场磁化源，也限制了高温超导块材磁体弹射方案的实际使用。高温超导块材的充磁难题成为高温超导电磁弹射技术实际应用的屏障。本设计方案充分利用了超导的特性，通过如附图1所示的整体复合设计，有效解决了上述高温超导块材磁体充磁技术难点，可显著改善了充磁效果，得常规方法无法得到的既简单又高效的实用方法，进而可大大提升弹射效率和效果。由于本设计将高温超导块材和高温超导线圈构成一个整体，一方面从结构上提高了高温超导块材俘获场的场强，另一方面从高温超导材料电流密度上提高了磁化场场强，因此有效场强大大提高。同时，在弹射操作时，高温超导线圈磁体可与高温超导块材磁体同时作用，共同形成更大的电磁作用力。

本发明的技术方案是利用高温超导体制备电磁弹射的动子电磁作用机构，并将其复合到被弹射体上，使其与电磁定子或轨道产生更高的电磁力以增加弹射力。即在被弹射的物体上，复合不同形式的高温超导体，并产生更大推力。高温超导磁体以嵌入方式或敷著方式，与被弹射物复合形成一体。

实际方案可利用附图1-7所示的高温超导块材、高温超导导线和高温超导线圈，按不同结构和工作方式组合，构成被弹射物体的强电磁作用机构。

本发明的优点：解决了弹射系统中高温超导块材磁体充磁的技术难题，大大提高了电磁作用的场强，因而大大增加了有效弹射推力，使被弹射物速度更快、弹射距离更远。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

附图1 高温超导块材磁体和线圈磁体复合式弹射机构。

附图2 高温超导块材磁体嵌入式弹射机构。

附图３高温超导环嵌入式弹射机构。

附图４嵌入式连接方式。

附图５敷著式连接方式。

附图６高温超导弹射机构。

附图７高温超导悬浮弹射机构。

其中1-被弹射物，2-高温超导块，3-高温超导线圈，4-低温箱，5-制冷液，6-大电流电极，7-高温超导环，8-高温超导环，9-骨架，10-低温箱与被弹射物的连接头，11-高温超导条，12-大电流电极，13-高温超导块(悬浮)。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1：

在被弹射物中嵌入如附图1所示的高温超导强电磁作用机构。高温超导强电磁作用机构，可由下面的材料和组件构成。

高温超导块材磁体，可利用YBaCuO圆饼块材构成，所述YBaCuO是Y-123，圆饼块材可以是一整块或多块。

高温超导块材磁体外层，是由高温超导导线绕制的高温超导线圈磁体，其导线是YBaCuO高温超导导线、BiSrCaCuO高温超导导线，所述YBaCuO是Y-123，所述BiSrCaCuO是Bi-2223或 Bi-2212。

高温超导块材磁体和高温超导线圈磁体置于低温箱中，并利用制冷液冷却。制冷液可选用液氢温度是20K。低温箱可以由如非金属玻璃钢等等材料制备。

高温超导块材通过高温超导线圈磁体，可采用稳恒外加场场冷或脉冲场零场冷充磁方案充磁，由于高温超导块材和高温超导线圈磁体二者的紧密接触结构，可高效地为高温超导块材磁体充磁。作为实例，高温超导线圈磁体φ_内=5cm/φ_外=10cm/L=10cm由0.1mmx4mm截面的上述YBaCuO高温超导导线以多层螺线管方式密集绕制，可产生5T场强，高温超导YBaCuO圆饼块材φ=3cm/H=2cm，可被充磁获得3T场强。高温超导线圈磁体具有为高温超导块材磁体充磁功能的同时，还可与高温超导线圈磁体同时操作，用于产生附加电磁推进力，即能获得高达8T的复合场，远远高于1T的传统技术场强，因而实现了一种更高效的弹射系统，所述YBaCuO是Y-123。

实施例2：

在被弹射物中嵌入高温超导块材磁体组件，如附图2所示。

高温超导块材磁体，为利用Y系其它高温超导材料的圆饼块材，如RBaCuO 是123(R为下列材料之一，Sm、Gd、Nd、Dy)。

高温超导块材磁体置于非磁性低温箱中，并利用制冷液冷却。制冷液可选用液氮温度是77K。

高温超导块材可采用稳恒外加场场冷充磁方案充磁，成为高温超导块材磁体，而后嵌入被弹射物中。

实施例３：

在被弹射物中嵌入高温超导环组件，如附图３所示。

高温超导环，可是带状圆环上由YBaCuO镀膜构成，也可由YBaCuO或BiSrCaCuO高温超导导线线圈端点短路构成，所述YBaCuO是Y-123，所述BiSrCaCuO是Bi-2223或 Bi-2212。

高温超导圆环或闭合线圈置于非金属玻璃钢低温保温箱中，并利用制冷液液氮冷却。

高温超导圆环或闭合线圈在外场感应下，形成与外场的排斥电磁推力。

实施例４：

在被弹射物中嵌入高温超导块材组件，如附图４所示。

高温超导块材磁体，可利用多块YBaCuO方形块材构成，所述YBaCuO是Y-123。

高温超导块材磁体置于非磁性的低温箱中，并利用制冷液冷却。制冷液可选用液氧温度是90K。

高温超导块材可采用零场冷脉冲充磁的操作方案，并将利用形成的电磁推进力实现发射。

实施例５：

在被弹射物中敷著高温超导圆饼膜组件，如附图５所示。

高温超导圆饼膜，可利用YBaCuO圆饼膜，YBaCuO是Y-123。

高温超导块材磁体置于非磁性的低温箱中，并利用制冷液冷却。制冷液可选用液氖温度是27K。

高温超导圆饼膜可采用零场冷且不进行充磁的操作方案，并将利用感应电流形成的推进力实现发射。

实施例６：

在被弹射物中嵌入高温超导条组件构成高温超导电枢，如附图６所示。

高温超导条形材可利用YBaCuO或BiSrCaCuO条块，或YBaCuO或BiSrCaCuO复合导线，YBaCuO是Y-123，所述BiSrCaCuO是Bi-2223或 Bi-2212。

高温超导条形材置于低温箱中，并利用制冷液冷却。制冷液可选用液氮温度是77K。含有高温超导的低箱嵌入弹射体。

高温超导块材通过金属极靴引入大电流，高温超导导电条即电枢受到的电磁场的作用力与电流强度的平方成正比，即 F∝ I²，而形成巨大的电磁弹射力。由于高温超导体可承受远高于传统导体的电流密度，因而高温超导电枢弹射可获得更大的电磁推力和弹射效果。

实施例７：

在被弹射物中嵌入高温超导块材磁体组件，如附图７所示。

与实施例１-6相似，不同点为：

增加了产生悬浮力的高温超导块材磁体，其可利用YBaCuO块材实现，所述YBaCuO是Y-123。

高温超导推进和悬浮块材采用零场冷强脉冲磁场充磁方案充磁，而后将含有高温超导块材磁体和高温超导悬浮环的低温箱嵌入弹射体。被弹射物的弹射可在无摩擦的状态下，被高效弹射。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种高温超导弹射动子机构，包括下面的材料和组件：高温超导块材磁体、高温超导线圈、低温箱、制冷液、大电流电极；其中的高温超导块材磁体，利用 YBaCuO圆饼块材构成，圆饼块材是一整块或多块；高温超导块材磁体外层，是由高温超导导线绕制的高温超导线圈磁体，其导线是YBaCuO高温超导导线、BiSrCaCuO高温超导导线，所述YBaCuO是Y-123，所述BiSrCaCuO是Bi-2223或 Bi-2212；所述高温超导块材磁体和高温超导线圈磁体置于低温箱中，并利用制冷液冷却；所述制冷液用液氢温度是20K；低温箱由非金属玻璃钢材料制备；其特征在于：所述高温超导块材通过高温超导线圈磁体，采用稳恒外加场场冷或脉冲场零场冷充磁方案充磁，由于高温超导块材和高温超导线圈磁体二者的紧密接触结构，可高效地为高温超导块材磁体充磁，并可复合产生附加场以使动子形成更高的合成磁场；制备的动子与电磁定子作用形成更大的电磁推力实现弹射。

2.根据权利要求1所述的高温超导弹射动子机构，其特征在于：所述高温超导线圈磁体Φ_内=5cm/Φ_外=10cm/L=10cm，由有0.1mm x 4mm 截面的上述 YBaCuO高温超导导线以多层螺线管方式密集绕制，在有液氢的低温箱工作条件下，可产生 5T 场强，高温超导 YBaCuO圆饼块材Φ=3cm/H=2cm，所述YBaCuO是Y-123，可被充磁获得 3T 场强；高温超导线圈磁体具有为高温超导块材磁体充磁功能的同时，还可与高温超导块材磁体同时操作，用于产生附加电磁推进力，即能获得高达 8T 的复合场，远远高于 1T 的传统技术场强，因而实现了一种更高效的弹射系统。

3.根据权利要求1或2所述的高温超导弹射动子机构，其特征是利用高温超导块材磁体及其低温箱嵌入或敷著到被弹射物；其中，高温超导块材采用稳恒外加场场冷充磁方案充磁，成为高温超导块材磁体，而后与低温箱作为整体嵌入或敷著到被弹射物上。

4.根据权利要求1或2所述的高温超导弹射动子机构，其特征是在被弹射物内嵌入取代高温超导块材磁体的高温超导短路环，利用定子在高温超导短路环产生的感应电流形成推力。

5.根据权利要求1或2所述的高温超导弹射动子机构，其特征是利用多块高温超导块材磁体共同组成一体的动子磁体，而后与低温箱作为整体嵌入被弹射物。

6.根据权利要求1或2所述的高温超导弹射动子机构，其特征是利用高温超导圆饼膜取代高温超导块材并与低温箱构成一体嵌入被弹射物，利用定子在高温超导圆饼膜中产生的感应电流形成推力。

7.根据权利要求1或2所述的高温超导弹射动子机构，其特征是利用置于低温箱中的高温超导块材的大电流，与定子的电磁场产生强作用力弹射被弹射物。

8.根据权利要求1或2所述的高温超导弹射动子机构，其特征是在利用高温超导块材进行弹射推进的同时利用高温超导块材实现被弹射动子与轨道间的悬浮，而大大提高有效弹射力。