CN102412047A - 超导磁体及超导磁体系统 - Google Patents

Abstract

一种超导磁体及超导磁体系统。超导磁体包括超导线圈和与该超导线圈并联的失超保护电路。该失超保护电路包括与超导线圈热耦合的失超加热器组和与失超加热器组串联的超导限流器。所述超导限流器具有电阻为零的超导态，以及呈现正常电阻值的阻抗状态，用于限制流经所述失超加热器组的电流。

Description

超导磁体及超导磁体系统

技术领域

本发明有关超导磁体，尤其是一种用于超导磁体中超导线圈的失超保护电路。

背景技术

当超导磁体被保持在合适的临界温度以下时，用超导磁体传输电流，其上的电阻为零。如先将超导磁体线圈与电源接通一段时间以向磁体线圈导入一股电流，再将超导开关闭合，断开电源，由于超导线圈无电阻，这股电流仍会在线圈中流动，从而可以在诸如磁共振成像(MRI)系统、发电机等设备中产生均匀的强磁场。

为使超导磁体保持在超导温度以下，需使用冷却系统，如将超导线圈浸于液氦中，又如将超导线圈与诸如冷却管等其他冷却装置热耦合，使热量自线圈中排出。超导线圈一般被置于带隔热屏的真空罩中，使周围环境对超导线圈的对流、辐射热负荷降至最低，从而保持超导线圈低于临界温度。然而，实际上磁体或线圈局部仍可能变回常态(即非超导态)，产生电阻，使线圈中电流迅速减小、存储的磁能转化为焦耳热，导致相关区域的温度升高。此种不可逆现象称为“失超”，失超会产生不需要的热，导致温度升高，可能使整个磁体脱离超导态变回常态。此外，失超还可能导致超导线圈过热、产生过电压、产生电弧损坏组件或磁体等。因此，较为理想的失超保护装置应能迅速将常态区域扩展至线圈其余部分，将磁能转化为焦耳热并在整个线圈或磁体内均匀分布。此种失超保护装置能将超导线圈的最高温度和电压限制在安全范围内，防止由于过热、过电压、过应力导致线圈损坏。

一种传统的失超保护装置由一组失超电加热器组成。失超时，加热器迅速升温，并将热传至超导线圈内大部分地方。该失超保护装置还包括一个与加热器串联的限流器，该限流器限制流经加热器的电流，防止加热器过热。习惯上使用的限流器，如正温度系数电阻，通常安装在所述真空罩以外。因此需要将导线自真空罩中接出，增加制造成本，并可能削弱真空装置可靠性。

因此，有必要开发一种有新的失超保护电路的超导磁体。

发明内容

本发明一实施方式公开了一种超导磁体。该超导磁体包括至少一个超导线圈以及与该线圈并联的一个失超保护电路。该电路包含至少一个失超加热器组，该加热器组与该线圈热耦合，还包含至少一个超导限流器，该限流器与该失超加热器组串联。超导限流器具有零电阻的超导态，以及一般电阻的常态间转换，用于减少流经失超加热器组的电流。

本发明另一实施方式公开了一种超导磁体系统，包括隔热屏、安装于隔热屏以内的至少一个超导线圈、容纳隔热屏的真空罩以及与该线圈并联的一个失超保护电路。该电路包含至少一个失超加热器组，该加热器组与该线圈热耦合，还包含至少一个超导限流器，该限流器与该失超加热器组串联。该限流器具有零电阻的超导态，或电阻恒定的常态。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示为本发明一实施方式的超导磁体电路图，该超导磁体包含失超保护电路。

图2所示各曲线分别是超导限流器的电阻曲线，失超线圈的电压曲线，以及失超后一段时间内，安装和未安装超导限流器情况下分别流经失超加热器组的电流曲线。

图3所示为依据本发明一实施方式，用于确定使超导线圈常态化所需失超加热器组最低产热值的示意图。

图4所示为本发明超导磁体电路另一实施方式的示意图，该超导磁体包含失超保护电路。

图5所示为一超导磁体系统横截面图，该系统采用本发明一实施方式的失超保护电路。

图6所示为本发明超导限流器一实施方式的透视图。

具体实施方式

本发明一实施方式公开了一种包含失超保护电路的超导磁体。在一示例中，该失超保护电路包含与超导线圈热耦合的失超加热器组以及超导限流器，该超导限流器与该失超加热器组串联，用于在失超后限制流经失超加热器组的电流。失超加热器组和超导限流器串联后与至少一个超导线圈并联。超导线圈失超时，超导线圈两端失超电压升高，使失超加热器组通电并产生热量，进而使得超导线圈上与所失超加热器组热耦合的部分常态化，从而分散热能，防止损坏超导磁体。本文中所称的“常态化”，是指线圈中的超导线因线圈温度超过超导体临界温度而自超导态变为有电阻态或常态的过程。

在某些实施方式中，超导限流器包含超导材料，该限流器在超导磁体正常工况下处于超导态。在失超加热器组使超导线圈在失超加热器放置部位常态化后、加热器组电流达到其临界电流值前，超导限流器转换为常态，其上的电阻迅速升高，从而减小流经失超加热器的电流。本发明所称“临界电流”，是指失超加热器所能承受的最大电流值，在此值电流值，失超加热器可能因过流或过热而损坏。本发明一实施方式中，超导限流器置于真空罩中，真空罩置于隔热屏中。本发明某些实施方式中，超导磁体可用于例如磁共振成像(MRI)系统、发电机、电动机中。

本发明所用科技术语的含义，与本发明所属领域一般技术人员通常理解的含义相同，但本发明另有规定的除外。本发明所称“第一”、“第二”等等并非表示顺序、数量或重要性，而是为将各要素区分开来；所称“一个”并非限定数量，而是表示存在至少一个被该词修饰的物品；所称“前”、“后”、“底部”和“顶部”除非另有说明，否则仅为方便表述之用，并非限定特定位置或空间方向。

如图1所示，根据本发明一实施方式，一个超导磁体10(“磁体10”)包含至少一个超导线圈12(“线圈12”)，以及与线圈12并联的失超保护电路14。图示的实施方式中，所述线圈12包括一组串联的超导线圈12。在图示的实施方式中，失超保护电路14包含主加热器支路25，该主加热器支路25包括失超电加热器组16(“失超加热器组16”)和与该失超加热器组16串联的一个超导限流器18组成，该失超加热器组16包含若干相互并联或串联的失超加热器。本某些实施方式中，失超加热器组16与一个以上线圈12热耦合。在一实施方式中，失超加热器组16可用环氧树脂、热脂等黏性材料粘于线圈12上，以使失超加热器组16和线圈12之间的热阻降至最低。在本发明其他实施方式中，失超加热器组16可用夹钳等机械方式固定于线圈12上。本发明所称“热耦合”，是指将失超加热器组16与线圈12之间直接或间接进行热传导。

在某些实施方式中，为减少或消除在磁体初始阶段或正常工况下的波动的影响，失超保护电路14还可包含电压阻隔器20，用于在线圈12两端电压达临界电压值(V₀)前切断失超加热器16中的电流。本发明某些实施方式中，临界电压值(V₀)大于磁体的励磁电压值，也大于磁体正常工况下线圈12两端的电压最大值，电压阻隔器20能够减少或消除失超保护电路14中不需要的电流或其他干扰电压。图示的实施方式中，电压阻隔器20与失超加热器组16、超导限流器18串联。本发明某些实施方式中，电压阻隔器20可包含一对紧接串联的组件，如稳压二极管和金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。稳压二极管的击穿电压应大于磁体正常工况下电压最大值，但又应足够小以便磁体失超时失超加热器组16能够动作。

在磁体10的正常工作状态，线圈12处于超导态，电阻为零。由于线圈12两端电压差为零，故磁体10处于正常工作状态时无电流流经失超加热器组16。超导限流器18亦处于超导态，无电流流经。一个或多个线圈12失超时，线圈12两端的失超电压(V_q)升高。此时，失超电压(V_q)超过电压阻隔器20的临界电压值(V₀)，流经失超加热器组16和超导限流器18的电流为加热器电流(i_h)。失超加热器组16升温，将热传至线圈12上一个或多个加热器放置部位，以保护线圈12上最初的失超产生点。线圈12常态化后、加热器电流(i_h)达失超加热器组16的临界电流值前，加热器22产生的焦耳热将超导限流器18转换为常态，超导限流器18电阻迅速升高，从而减小加热器组16的电流。进而避免失超加热器组16因过流而损坏。

图2所示为一个或多个线圈12失超与时间关系的示意性曲线。曲线C1表示线圈12两端的失超电压(V_q)；曲线C2表示失超后超导限流器18的电阻；曲线C3、C4分别表示安装和未安装超导限流器情况下流经加热器组16的电流。根据图2，一个或多个线圈12失超时，线圈12两端失超电压的升高情况如曲线C1所示。超导线圈两端失超电压升高，使失超加热器组16通电。如未安装超导限流器18，加热器电流随失超电压升高而升高，如图2曲线C4所示。如加热器电流在临界时点(t₀)超过失超加热器组16的电流限值(i_limit)，失超加热器组16就有因过流、温度过高而损坏或工作寿命缩短的危险。

如将超导限流器18与失超加热器组16串联，则加热器电流将如曲线C3所示。在失超开始时，超导限流器18电阻几乎为零，并将在加热器电流于临界时点(t₀)超过失超加热器组16的电流限值(i_limit)之前，于安全临界时点(t₁)转换为常态。安全临界时点(t₁)时，相应的加热器电流值称为安全临界电流值(i₁)。超导限流器18于时点t₁转换为常态时，电阻因此迅速升高，加热器电流迅速降低。避免失超加热器组16过流的发生。

根据图1，在图示实施方式中，失超保护电路14包括与超导限流器18热耦合的限流器加热器22。限流器加热器22用于加热超导限流器18，从而在失超加热器组16已将超导线圈12常态化后、加热器电流i_h达电流限值前，将超导限流器18自超导态转换为常态。

在图1图示的实施方式中，失超保护电路14包括限流器-加热器支路24、与之并联的主加热器支路25，该主加热器支路25由失超电加热器组16、超导限流器18、电压阻隔器20组成。在另一实施方式中，该失超电加热器组16包含若干相互并联或串联的失超加热器。本发明某些实施方式中，限流器-加热器支路24可与失超加热器组16并联。限流器-加热器支路24由限流器加热器22、限流器-电压阻隔器26和电阻28串联组成。在某些实施方式中，限流器-电压阻隔器26可以是紧接串联的稳压二极管或金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，具有限流器临界电压值(V₁)。图示实施方式中，限流器-加热器支路24由电阻28、限流器加热器22、限流器-电压阻隔器26串联组成，用来调节流经限流器加热器22的限流器电流(i₁)的大小。

一实施方式中，限流器-电压阻隔器26的临界电压(V₁)大于失超电压阻隔器20的失超临界电压(V₀)。线圈12失超时，线圈12两端失超电压(V_q)达到电压阻隔器20的失超临界电压(V₀)，加热器电流(i_h)流经失超加热器组16。失超加热器16升温，将热传至线圈12上加热器放置部位。当线圈12两端的失超电压(V_q)超过限流器-电压阻隔器26的限流器临界电压(V₁)时，限流器电流(i₁)流经限流器加热器22，从而加热超导限流器18。超导限流器18在失超加热器组16将线圈12常态化后、加热器电流(i_h)达临界电流值(i₀)前，转换回常态。

某些实施方式中，可对失超加热器组16作热分析，以确保在失超加热器组16将线圈12常态化后，超导限流器18能转换至常态。如在磁体10一示例中，可用模拟或试验确定失超后将线圈12常态化所需的热量最小值(Q)。如图3所示，失超加热器组16产生的、用来将线圈12常态化的热量最小值(Q_h)可根据以下式子确定：

$Q_h={\∫}_0^{t_m}{i_h}^2\mathrm{Rdt}>Q_e+Q_{\mathrm{out}};$ 和

$Q_e={\∫}_{T_0}^{T_c}\mathrm{cmdT}$

式子中“Q_e”是超导体温度自较低的工作温度(T₀)(如液氦的4.2K)升至临界温度(T_c)(如铌-钛合金超导体为9.8K)时，线圈12的超导体于加热器放置部位热含的增加量；“Q_out”是超导体加热器放置部位向超导体最远端传递的热量，图3中以“Q_out1”、“Q_out2”、“Q_out3”表示；“i_h”是流经失超加热器组16的加热器电流；“R”是失超加热器组16的电阻；“t_m”是一个或多个线圈12失超时，使线圈12常态化所需最短时间；“c”是超导体比热；“m”是超导体质量。据上式，可通过诸如分析图2曲线C3，确定使线圈12常态化所需的最短时间(t_m)和加热器电流最小值(i_hm)。本发明一实施方式中，超导限流器18在线圈12常态化所需最短时间(t_m)后、加热器电流达临界电流值的临界时间(t₀)前的某一时点上转换至常态。本发明另一实施方式中，超导限流器18在加热器电流(i_h)介乎最低加热器电流(i_hm)和电流限值(i_limit)之间时转换至常态。

本发明另一实施方式中，限流器电压阻隔器26的限流器临界电压(V₁)与失超电压阻隔器20的失超临界电压(V₀)大致相等。一旦一个或多个线圈12失超且失超电压超过(V₁)与(V₀)，失超电压将逐渐将电流导向失超加热器组16和限流器加热器22。在失超加热器组16将线圈12常态化后、加热器电流达电流限值前，限流器加热器22能将超导限流器18转换为常态。本实施方式中，限流器电流升高速率远低于加热器电流升高速率。

图4所示的是符合本发明另一实施方式的、向线圈12提供失超保护的失超保护电路30。本实施方式中，将一个限流器加热器32与超导限流器18热耦合，并与电压阻隔器20和失超加热器组16串联。失超时，失超电压超过限流器-电压阻隔器20的临界电压V₀，加热器电流(i_h2)流经失超加热器组16和限流器加热器32。某些实施方式中，限流器加热器32产生的热能在失超加热器组16将线圈12常态化后、加热器电流达失超加热器组16的电流限值前，将超导限流器18转换为常。一实施方式中，可通过选择失超加热器组16和限流器加热器32的适当阻值实现前述目的。

如图5所示，图1、图4中所示的失超保护电路14、30可用于超导磁体系统34(“系统34”)中，该系统由至少一个超导线圈12、隔热屏38、真空罩36，以及向线圈12提供失超保护的失超保护电路14或30组成。如图1、图4所示，失超保护电路14或30至少由失超加热器组16、超导限流器18和电压阻隔器20串联组成。某些实施方式中，失超保护电路14或30由多个与线圈12热耦合的失超加热器组16组成。图示实施方式中，加热器组16中的失超加热器都是导热薄膜，并紧贴相应线圈12的外表面或内表面，或夹在超导线圈12两层绕线之间。一个或多个线圈12失超时，失超加热器组16升温，将热传至线圈12上加热器放置部位，使该部位线圈常态化。线圈12常态化的部分具有电阻并产生焦耳热，焦耳热在线圈12内继续传播，逐渐将磁能转化为热能，从而降低失超线圈的最高温度和最高电压。超导限流器18则能防止失超加热器组16过流。图示实施方式中，超导限流器18安装于真空罩36和隔热屏38以内。因此无需为接通超导限流器18和失超加热器组16而将导线自真空罩36中接出。图5所示的实施方式中，电压阻隔器20同样安装于真空罩36和隔热屏38以内。其他实施方式中，电压阻隔器20可安装于真空罩36以外。

图示实施方式中，系统34包含一个安装于真空罩36以内的隔热屏38。隔热屏38可防止周围环境温度通过热辐射影响线圈12的功能。图示实施方式中，系统还包含安装于隔热屏38以内的冷却剂槽40。冷却剂槽40用来容纳线圈12并贮存冷却剂如液氦。图示实施方式中，线圈12浸于液氦中，并在系统34正常工况下保持液氦的低温。图示实施方式中，系统34还包含多个支架42用来支撑线圈12。图示实施方式中，超导限流器18浸于液氦中。图示实施方式中，超导限流器18安装在支架42上。其他实施方式中，超导限流器18可安装在线圈12上或冷却剂槽40的内表面上。图示实施方式中，电压阻隔器20也安装于冷却剂槽40内。图示实施方式中，电压阻隔器20安装在支架42上。

如图6所示，一实施方式中，超导限流器18包含线轴44，且至少一条超导导线46缠绕于线轴44上。一实施方式中，至少一条超导导线46以双股方式缠绕于线轴44上，使相邻两股导线上电流(i)方向相反，相邻两股导线上产生的磁场相互抵消，从而使超导限流器18产生的净电感几乎为零。图示实施方式中，超导导线46经折叠后以螺旋状缠绕于线轴44上，成为螺线管。某些实施方式中，线轴44由玻璃纤维增强塑料(FRP)或铜、铝等金属制成，并加工成适合安装于图5所示系统30中超导限流器18的形状。某些实施方式中，超导导线46由超导材料制成，较为理想的超导材料是铜-镍基体的铌-钛合金。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (15)

1.一种超导磁体，包含：

超导线圈；

与该超导线圈并联的失超保护电路，包含：

与该线圈热耦合的失超加热器组；以及

与该失超加热器组串联的超导限流器，该超导限流器具有零电阻的超导态，以及用于降低流经失超加热器组的电流的正常电阻的常态。

2.如权利要求1所述的超导磁体，其中所述失超保护电路还包含与失超加热器组并联的电压阻隔器。

3.如权利要求1所述的超导磁体，其中所述失超保护电路还包括与超导限流器热耦合的限流器加热器，以将超导限流器自超导态转换为常态。

4.如权利要求3所述的超导磁体，其中所述失超保护电路还包含限流器-加热器支路，该限流器-加热器支路包含限流器加热器和与该限流器-加热器串联的电压阻隔器。

5.如权利要求4所述的超导磁体，其中所述失超加热器组和超导限流器串联，限流器-加热器支路与包括失超加热器组和超导限流器串联的支路并联。

6.如权利要求3所述的超导磁体，其中所述限流器加热器与失超加热器和超导限流器串联。

7.如权利要求3所述的超导磁体，其中所述失超加热器组包括多个并联或串联的失超加热器组成。

8.一种超导磁体系统，包括：

隔热屏；

置于隔热屏内的超导线圈；

真空容器，收容所述隔热屏；

与超导线圈并联的失超保护电路，包括：

与超导线圈热耦合的失超加热器组；

与失超加热器组串联的超导限流器，该超导限流器具有零电阻的超导态，以及正常电阻值的常态。

9.如权利要求8所述的超导磁体系统，其中失超保护电路还包含电压阻隔器，与失超加热器组串联。

10.如权利要求8所述的超导磁体系统，其中所述超导限流器安装于隔热屏以内。

11.如权利要求10所述的超导磁体系统，还包括贮存冷却剂的冷却剂槽，前述超导线圈浸入冷却剂中。

12.如权利要求11所述的超导磁体系统，其中所述失超保护电路中的超导限流器安装于冷却剂槽内。

13.如权利要求12所述的超导磁体系统，其中所述超导限流器包含线轴，超导导线以双股并绕方式缠绕于线轴上。

14.如权利要求12所述的超导磁体系统，其中所述冷却剂槽中还包含支架，用于支撑超导线圈，超导限流器安装于支架上。

15.如权利要求13所述的超导磁体系统，其中所述超导线圈由铜-镍基体的铌-钛合金制成。

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