CN106059394B - 一种采用闭环恒流高温超导线圈实现磁悬浮状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种采用闭环恒流高温超导线圈实现磁悬浮状态的方法，替代高温超导块材的新型超导悬浮方式。高温超导带材通过一定的绕制方法（干绕法、湿绕法）绕于线圈骨架上，利用超导焊接技术形成闭环结构，闭环高温超导线圈（1）置于低温容器中，并使其处于强磁场源（2）上方，场冷进入超导态。超导态下超导线圈具有零电阻特性，感生电流将在闭环高温超导线圈内形成一种恒流状态而维持感生磁场和强磁场源之间的相互作用，从而实现一种类似于高温超导块材磁悬浮的被动自稳定悬浮。

Description

一种采用闭环恒流高温超导线圈实现磁悬浮状态的方法
技术领域
本发明属于超导技术，尤其是强磁场源与闭环高温超导线圈形成的新型悬浮方式，涉及高温超导悬浮领域。
技术背景
高温超导体在其临界温度之下，主要表现出零电阻和抗磁两种特性。基于以上两种特性制备有超导块材和超导带材两大类。因零电阻特性，由超导材料制成的超导带材可以承受很大的电流。相比传统导体（铜、铝等），超导带材能够实现无损耗传输大电流，这在电力系统及能源等方面具有广阔应用前景。其中利用超导带材绕制成超导磁体能产生很强的磁场，超导磁体和外界磁场发生相互作用时，可以产生超导悬浮现象。但这种悬浮方式不能实现自稳定悬浮，为了维持悬浮系统的稳定须配备一套复杂控制系统，这在一定程度上增加了悬浮系统建造成本，同时整个系统性能对控制部分有很强的依赖性。
采用闭环恒流悬浮是一种被动、感应式悬浮方式，同传统电磁悬浮相比这种悬浮方式不需要很复杂的控制系统，整个系统性能减少了对控制系统的依赖性从而在一定程度上能够提高系统运行可靠性，同时也能够降低悬浮系统建造成本，便于推广运用。
利用高温超导体抗磁性特征制成的超导块材，进入超导态后在外磁场中能够悬浮起来，同时因块材内部磁通钉扎产生导向力会实现自稳定悬浮，大大简化了悬浮系统的设计和对控制系统的依赖性。因此基于高温超导块材悬浮系统的研究、设计及应用越来越广泛，例如无摩擦轴承、飞轮储能以及高温超导磁悬浮列车等等。然而因块材制造工艺等一些问题，超导块材形状比较单一，这对复杂形状高温超导块材悬浮特性研究、开发及应用存在着一定阻碍。高温超导带材相比超导块材具有更大的临界电流密度，弛豫更小，带材中感生电流衰减更弱。已有实验表明多籽晶块材能够提供更大悬浮力，超导块材添加阻尼层（例如加铜阻尼层）能够改善其悬浮动态性能。但多籽晶块材中存在晶界，电流很难在晶间流动，超导的均匀性尚有欠缺。由于高温超导带材制造工艺不断发展，带材中超导层的均匀性优于块材；带材可以通过绕制成更大的线圈获得更大悬浮力。并且因超导带材的分层结构，铜本身作为带材的稳定层，这对于在考虑通过添加阻尼层来改善超导悬浮动态性能具备固有的优势。
综合上述内容，如果能够设计一种基于闭环恒流高温超导带材线圈的新结构取代现有的超导块材，有望进一步提高高温超导磁悬浮的性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种采用闭环恒流高温超导线圈实现磁悬浮状态的方法，替代高温超导块材的新型超导磁悬浮方式，该悬浮方式采用高温超导带材绕制在线圈骨架上，通过焊接超导接头形成闭环结构。强磁场源2放置于装有闭环高温超导线圈1的低温容器下方，通过一定的冷却方式、场冷条件，高温超导线圈进入超导态。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种通过感生电流构成闭环恒流高温超导线圈磁悬浮状态的方法，通过诱发闭环高温超导线圈感生电流获得闭环恒流高温超导线圈在外磁场中保持磁悬浮行为，包含以下主要步骤：
A).将闭环高温超导线圈1置于强磁场源2的中心轴H1高度；
B).降低闭环高温超导线圈1的环境温度达到闭环高温超导线圈1的超导温区；闭环高温超导线圈1沿强磁场源2的中心轴下降至H2高度，H1>H2；
C).温度维持在所述超导温区，保持闭环恒流高温超导线圈1在强磁场源2中的超导状态。
在实际制作上，可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形式；然后将制定好的闭环高温超导线圈放置于强磁场源2上方，通过一定的冷却方式、场冷条件使超导线圈进入超导状态；超导态下超导材料本身具有抗磁性；高温超导带材的高临界电流密度、零电阻特性使在线圈内部感应产生的电流保持恒定，因感生电流产生的磁场也会维持稳定，感生磁场与强磁场源相互作用再加上超导材料本身的抗磁性从而实现高温超导线圈闭环恒流悬浮方式。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1、闭环恒流高温超导线圈是一种感应式悬浮方式，同电动悬浮相比这种悬浮方式不需要复杂控制系统，减少了整个系统性能对控制部分的依赖性，降低系统建造成本。
2、线圈绕制灵活可以克服超导块材形状单一，线圈的临界电流密度比块材更大、弛豫更小、线圈中的电流衰减更弱，因此在高温超导悬浮领域采用高温超导线圈可以进行更多工况下悬浮系统的研究、设计及应用。
3、带材制造工艺不断进步，带材中超导层的均匀性优于块材；可以通过绕制更大线圈替代增加块材中籽晶数目的方式提高悬浮力；带材本身包含铜、银等金属层作为稳定缓冲层，在改善高温超导磁悬浮动态性能方面具备内在固有的优势。
4、通过超导焊接技术线圈的形式可以为单饼、双饼或者多饼，相比块材线圈尺寸可以做的更大；外部提供的强磁场源也可为永磁体、通电常导线圈、通电高温/低温超导线圈等多种形式。
5、由于线圈骨架可以加工成任意形状因而高温超导带材可以绕制成任意形状的高温超导线圈，通过试验、理论分析等手段研究不同形状高温超导线圈的悬浮性能，从而为高温超导悬浮的设计、研究及应用提供一种极具参考价值的悬浮方式。
附图说明
图1为一种闭环恒流高温超导线圈悬浮示意图。
图2为高温超导线圈结构示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，图中1表示闭环高温超导线圈，2表示外部强磁场源，3表示高温超导线圈的焊接接头，4表示在场冷过程中高温超导线圈中感应电流方向；H1表示高温超导线圈的场冷位置，H2表示稳定悬浮位置。具体实施方式：把预先加工、制作好的闭环高温超导线圈1放置于强磁场源2上方的场冷位置H1处，通过一定的冷却方式、场冷条件使高温超导线圈1冷却到临界温度以下进入超导状态，由于在场冷过程中超导线圈内产生的电流通过超导接头3形成一种闭环恒流状态，同时感生电流会产生磁场与外部强磁场源相互作用，最终实现高温超导线圈稳定悬浮于H2处。

Claims (4)

1.一种采用闭环恒流高温超导线圈实现磁悬浮状态的方法，通过诱发闭环高温超导线圈感生电流获得闭环恒流高温超导线圈在外磁场中保持磁悬浮行为，包含以下主要步骤：
A)将闭环高温超导线圈(1)置于强磁场源(2)的中心轴H1高度；
B)降低闭环高温超导线圈(1)的环境温度达到闭环高温超导线圈的超导温区；闭环高温超导线圈(1)沿强磁场源(2)的中心轴下降至H2高度，H1>H2；
C)温度维持在所述超导温区，保持闭环恒流高温超导线圈在强磁场源(2)中的超导状态；所述闭环恒流高温超导线圈由高温超导带材缠绕在特定形状的线圈骨架上，利用超导焊接技术将骨架上的超导带材焊接成闭环结构。
2.根据权利要求1所述的采用闭环恒流高温超导线圈实现磁悬浮状态的方法，其特征在于，所述线圈骨架形状可以制作成单饼、双饼或者多饼形式。
3.根据权利要求1所述的采用闭环恒流高温超导线圈实现磁悬浮状态的方法，其特征在于，所述强磁场源放置于装有闭环高温超导线圈的低温容器下方。
4.根据权利要求1所述的采用闭环恒流高温超导线圈实现磁悬浮状态的方法，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。
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