CN106026779B - 一种基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法，通过诱发闭环高温超导线圈与高温超导块材组合而成的悬浮单元感生电流的形式，实现该悬浮单元在外磁场中保持磁悬浮行为。本发明基于高温超导块材与闭环高温超导线圈组合构建的混合型磁悬浮方法是感应式悬浮，兼备高温超导块材和闭环高温超导线圈各自的悬浮特性与优势。克服了块材形状单一和尺寸受限的缺点，同时具备线圈临界电流密度大、弛豫小、绕制形式和尺寸灵活等特点。通过一定的优化组合方法产生更大的悬浮和导向力从而设计出适应各种工况条件的混合磁悬浮单元，为研究及实际应用提供多种选择。

Description

一种基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的 方法

技术领域

本发明属于超导技术，尤其是强磁场源与高温超导块材、闭环高温超导线圈组成的混合磁悬浮单元，涉及高温超导悬浮领域。

技术背景

高温超导材料在环境温度低于临界温度而进入超导态后，超导材料会将体内的磁力线完全排斥于体外，该现象被称之为“迈斯纳效应”即高温超导材料的抗磁特性，在超导材料制备过程中材料内部存在着杂质、缺陷等形成钉扎中心从而产生超导材料的钉扎效应。基于这种抗磁特性、磁通钉扎效应制备的高温超导块材有很好的应用前景。特别是高温超导磁悬浮方面，利用高温超导块材的抗磁性同外部强磁场相互作用而产生超导悬浮力，避免了传动运动部件之间因接触而产生的磨损、噪声及振动等一系列不利因素。基于该特性所具有的优势，高温超导块材在磁悬浮列车、磁悬浮轴承、飞轮储能等方面的研究得到了很大进步。

由于高温超导块材制造工艺等一些问题，块材的形状单一，尺寸做不到很大。研究表明，单由块材组成的高温超导磁悬浮系统，尽管采取了多种块材或者轨道的优化组合方式，但在悬浮和导向力提升方面效果不是很明显，限制了块材在重载和高稳定性磁悬浮领域的应用。而将高温超导块材与闭环恒流高温超导线圈组合形成的混合磁悬浮方式兼备超导块材在外磁场中稳定悬浮和高温超导带材临界电流密度大、弛豫小、超导层均匀性优良、改善动态特性，绕制形状、尺寸灵活等特点，可以通过两者组合成形状复杂、尺寸规模大的混合磁悬浮单元。相比单利用高温超导块材或者闭环恒流高温超导带材线圈在外磁场中保持磁悬浮行为的方式，混合磁悬浮单元在外磁场中将块材与带材的特性有机结合起来，在提高悬浮力与悬浮稳定性方面将会有更大的上升空间。

综合上述内容，如果能够利用高温超导块材、闭环高温超导线圈设计出适应各种工况条件的混合磁悬浮单元，能为重载及高稳定性高温超导磁悬浮提供技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是提出一种混合型高温超导磁悬浮方式，该悬浮方式采用高温超导带材绕制在特定形状的线圈骨架上，通过焊接超导接头形成闭环结构。闭环高温超导线圈与一定形状、数量、排列方式的高温超导块材组合在一起形成一个混合磁悬浮单元。强磁场源2放置于装有混合磁悬浮单元1的低温容器下方，通过一定的冷却方式、场冷条件，混合磁悬浮单元进入超导态。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：

一种基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法，将高温超导块材与闭环恒流高温超导线圈嵌合构成混合磁悬浮单元1，然后通过诱发闭环高温超导线圈与高温超导块材组合而成的混合磁悬浮单元感生电流的形式，实现该悬浮单元在外磁场中保持磁悬浮行为，包含以下步骤：

A).将混合磁悬浮单元1置于强磁场源2的中心轴H1高度；

B).降低混合磁悬浮单元1的环境温度达到悬浮单元中高温超导块材和闭环高温超导线圈的超导态温区；混合磁悬浮单元1沿强磁场源2的中心轴下降至H2高度，H1>H2；

C).温度维持在超导温区,保持混合磁悬浮单元在强磁场源2中的超导状态。

进一步地，混合磁悬浮单元1采用的高温超导块材可由一种或一种以上几何外形的块材元件集合组成。

进一步地，所述混合磁悬浮中高温超导线圈由高温超导带材在特定形状、尺寸、材料的线圈骨架上形成线圈结构，利用超导焊接技术将骨架上的超导带材焊接成闭环线圈。所述混合磁悬浮中线圈骨架形状呈单饼、双饼、多饼形式或异形结构。

进一步地，所述闭环高温超导线圈和高温超导块材间可以通过连接组合构成混合磁悬浮单元整体。所述的混合磁悬浮单元与单元之间可以进行连接、组合。

在实际制作上，首先将高温超导带材缠绕在预先定制的线圈骨架上，带材两端通过焊接而构成闭环线圈结构；闭环高温超导线圈与一定形状、数量、排列方式的高温超导块材组合在一起形成混合磁悬浮单元；然后将制作好的混合磁悬浮单元放置于强磁场源2上方，通过一定的冷却方式、场冷条件使混合磁悬浮单元进入超导状态；超导态下块材具有抗磁性和磁通钉扎效应，高温超导带材因其具有高临界电流密度、零电阻特性，场冷过程中会在线圈内部感生电流进而产生磁场；二者组合的混合磁悬浮单元会因高温超导块材与闭环高温超导线圈在超导态下而稳定悬浮起来。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1、基于高温超导块材与闭环高温超导线圈组合构建的混合型磁悬浮方法兼备块材和带材的悬浮优势，相比单一的由块材或者闭环高温超导线圈组成的悬浮系统而言，混合磁悬浮可提高悬浮单元的尺寸，能够提供更大的悬浮力、导向力，增加悬浮系统的承载能力和稳定性。

2、线圈具有临界电流密度大、弛豫小、线圈中电流衰减微弱、绕制形状和尺寸灵活的特点；选用的高温超导块材形状、数量及排列方式可以根据实际需要而确定。

3、混合磁悬浮单元中高温超导块材、闭环高温超导线圈的组合形式、尺寸及规模可以根据实际情况进行制定，从而优化组合出满足特定工况条件的混合磁悬浮单元。

5、超导带材制造工艺较为成熟，带材中超导层的均匀性优良，带材本身包含铜、银等金属层作为稳定缓冲层，在改善混合磁悬浮单元动态性能方面具备内在固有的优势。

附图说明

图1为轴对称闭环高温超导线圈与方形块材组合的一种混合磁悬浮单元

图2为轴对称闭环高温超导线圈同圆柱形、方形块材组合的一种混合磁悬浮单元

图3为跑道型线圈与方形块材组合的一种混合磁悬浮单元

具体实施方式

如图1、2、3给出了3种高温超导块材与闭环高温超导线圈组成的混合磁悬浮单元结构，图中1表示混合磁悬浮单元，2表示外部强磁场源，3表示高温超导线圈的焊接接头，4表示场冷过程中高温超导线圈中感应电流方向，5表示方形高温超导块材，6表示圆柱形高温超导块材；H1表示混合磁悬浮单元的场冷位置，H2表示稳定悬浮位置。具体实施方式：首先将高温超导带材绕制在预先加工、制作好的线圈骨架上，通过焊接超导接头形成闭环结构；将闭环高温超导线圈与一定形状、数量、排列方式的高温超导块材组合在一起形成一个混合磁悬浮单元1并放置于强磁场源2上方场冷位置H1，通过一定冷却方式、场冷条件使混合磁悬浮单元中的超导材料冷却到临界温度以下，进入超导状态。因超导态下高温超导块材具有抗磁性和磁通钉扎效应，在场冷过程中闭环高温超导线圈内能够感生电流进而产生磁场，超导态下块材与闭环高温超导线圈的特性有机结合在一起，实现混合磁悬浮单元在强磁场源2中稳定悬浮于H2处。

Claims (7)

1.一种基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法，将高温超导带材绕制在预先加工、制作好的线圈骨架上，通过焊接超导接头形成闭环结构；将闭环高温超导线圈与一定形状、数量、排列方式的高温超导块材嵌合在一起形成一个混合磁悬浮单元(1)，然后通过诱发闭环高温超导线圈与高温超导块材组合而成的悬浮单元感生电流的形式，实现该悬浮单元在外磁场中保持磁悬浮行为，包含以下步骤：

A).将混合磁悬浮单元(1)置于强磁场源(2)的中心轴H1高度；

B).降低混合磁悬浮单元(1)的环境温度达到悬浮单元中高温超导块材和闭环高温超导线圈的超导态温区；混合磁悬浮单元(1)沿强磁场源(2)的中心轴下降至H2高度，H1>H2；

C).温度维持在超导温区,保持混合磁悬浮单元在强磁场源(2)中的超导状态。

2.根据权利要求1所述的基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法，其特征在于，混合磁悬浮单元(1)采用的高温超导块材可由一种或一种以上几何外形的块材元件集合组成。

3.根据权利要求1所述的基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法，其特征在于，所述混合磁悬浮中线圈骨架形状呈单饼、双饼、多饼形式或异形结构。

4.根据权利要求1所述的基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法，其特征在于，所述的混合磁悬浮单元与单元之间可以进行连接、组合。

5.根据权利要求1所述的基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法，其特征在于，所述强磁场源放置于装有高温超导块材和闭环恒流高温超导线圈组成的混合磁悬浮单元的低温容器上方或者下方。

6.根据权利要求1所述的基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法，其特征在于，所述强磁场源可以为永磁体、通电常导线圈或者通电高温/低温超导线圈。

7.根据权利要求1所述的基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法，其特征在于，所述的混合磁悬浮单元(1)工作在液氮或制冷机所冷却的某一温区。