CN107924744B - 改变超导体磁化的仪器和方法 - Google Patents

Abstract

我们描述一个超导电路，该电路包括：一个充磁回路和一个负载回路；负载回路包含超导体，充磁回路和超导回路由超导体桥路连接。超导体桥路由控制器控制，包含两个导电状态。在两个导电状态中，超导体电桥均处于超导态，但超导电桥的阻抗在第一个导电状态的电阻大于第二个状态的电阻。在第一个状态中充磁回路和负载回路中存在磁通流动，在第二个状态中，超导电桥阻碍两个回路中的磁通流动。在第一个状态中超导体电桥处于磁通流动态。

Description

改变超导体磁化的仪器和方法

技术领域

本发明涉及一种使用磁通泵改变超导体磁化的方法和装置。

背景技术

由于高温超导带材制造技术的发展，高温超导线圈已逐渐被用于核磁共振成像(MRI)、电机绕组等设备的磁体。高温超导线圈的运行可由外部电源供电，或者在恒定电流模式运行。高温超导(HTS)涂层带材是强磁场应用的理想选择，由于高临界磁场和良好的机械性能。然而高温超导带材磁体的广泛应用受制于他们不能工作于横流模式。由于高温超导体的磁通蠕动和接头电阻的存在，闭合超导电路中电流的衰减是不可避免的。一种解决问题的方法是外接电源给磁体供电，但是粗大的电流引线必须被应用，产生很大热损耗。另一种方法是用磁通泵。磁通泵是一种可以在没有电气接触的情况下将直流电注入超导电路的装置，它可以帮助超导磁体在真正的恒定电流模式下运行。几十年来，一些为低温超导体设计的磁通泵已经实现。这些磁通泵技术的关键是通过加热或高磁场驱动超导体的一部分进入正常态。一个例子在H.L.Laquer，K.J.Carroll，and E.F.Hammel,phys Lett.21,397(1966)里有描述。

对于像YBCO(氧化钇钡铜)这样的高温超导体，很难用高场使之变成常态，由于它非常高的上临界磁场。用热来使超导失超在实际应用中也是非常有挑战性的，由于响应速度慢和热损耗。最近，几个基于行波磁场的磁通泵被成功开发出来。经典磁通泵通常使用两个完全打开的开关。也就是说，两个开关次第打开，从而使磁通受控地从一个环路被拖拽到另一个环路。之前的相关研究请见L.J.M.van de Klundert and H.H.J ten Kate，Cryogenics 21，195(1981)，and L.J.M.van de Klundert and H.H.J ten Kate，Cryogenics 21，267(1981)。

但是，对磁通泵的进一步改进是十分必要的。

发明内容

本发明的第一个方面为一种利用充磁的方式来改变超导体的磁化的方法，该方法包括：一个超导电路。电路包括：包含第一、第二充磁回路连接的第一充磁回路；包含分别与第一、第二充磁回路连接偶合的第一、第二负载回路连接的负载回路；一个跨所述第一、第二负载连接耦合的电桥；所述电桥中至少有一部分可以在较低阻抗的导通状态和较高阻抗的电阻状态之间切换；对所述充磁回路施加一个磁场充磁，所述磁场包含一个交变成分，该交变成分在第一个时间间隔的方向记为第一磁场方向，在该间隔期间所述充磁回路的感生电流为第一电流方向；在第二个时间间隔的方向记为第二磁场方向，在该间隔期间所述充磁回路的感生电流为第二电流方向，第二电流方向与第一电流方向相反；使用所述交变磁场成分对所述电桥进行同步控制，在所述第一个时间间隔所述电桥处于所述高阻状态，所述感生电流流过所述负载回路，在所述第二个时间间隔所述电桥处于所述低阻状态，所述感生电流留过导通态的所述电桥。

该方法简单明了、易于制造，比之前的磁通泵/充磁方法更容易结合到实际设备中。

在一些优选实施例中，在第二个时间间隔内，来自负载回路的电流沿着与充磁回路的感应电流相同的方向留过导通态的电桥。也就是说，在实施例中，电桥的作用是在一个交变周期中形成一个充磁阶段和一个之后的返驰阶段，在返驰阶段中，电桥携带充磁回路以及负载的电流(使负载回路不会在交流周期的第二个阶段电流减弱)。

在操作过程中，电桥只需要在两种不同的导电状态之间切换，更详细的说，是在电桥的第二低阻导通状态和电桥的(或电桥一部分的)第一高阻关断状态间切换。尽管在一些优选实施例中，当桥的第二导电状态为超导态时该系统工作得最好。

在一些优选实施例中，电桥通过施加磁场在导电状态之间切换。更详细的说，是通过施加在高低幅值之间调制的交流磁场(在实施例的开和关)来切换桥的电阻或阻抗。

因此，在优选的实施例中，电桥包含超导体、特别是高温超导体，且电桥在所述方法的运行过程中仍然具有超导性。(这也适用于后续描述的发明中使用交流磁场的各个方面和实施例)。这是通过使用交流磁场来诱导电桥中的动态电阻的状态，在电桥中，即使超导体仍保持超导，外加磁场仍与外加磁场相互作用以抵抗电流的流动。通常情况下，该现象在当一个(依赖于材料的)阈值场(更具体地说，是垂直于电流方向的场分量)被施加时发生，切该电阻取决于外加场的交流频率(基本上是线性的)。超导体(电桥)的电流密度以及超导体的结构和几何形状也会影响其动态电阻。针对特定所需实现的目标，对于任何特定的材料和材料的几何形状，应当施加的交流磁场的选择对熟练人员来说只是进行常规测量和实验就能解决的问题。

就像对超导有深入认识的人会理解的一样，尽管超导体通常被认为是无损的，但是其无损只能在直流状态下实现(更精确的说，直流状态下也不尽然)——在流经交变电流时超导体在磁通流动区工作，在该区内变化的磁通与电流相互作用会产生磁化损耗。因此，尽管在本发明的实施例中，电桥可能保持超导态(通常情况下它不会失超)，但超导体的有效电阻是变化的，特别是在施加(交变)磁场的情况下。因此，在实施例中，电桥的第一和第二状态均包括电桥的超导态；这也适用于后面描述的系统的方面和实施例。

本发明提供了一种超导磁通泵，其组成为：超导电路，该电路包括：包含第一、第二充磁回路连接的第一充磁回路；包含分别与第一、第二充磁回路连接耦合的第一、第二负载回路连接的负载回路；一个跨所述第一、第二负载连接耦合的电桥；在此，至少有一部分的所述电桥是可以在较低的阻抗或导电状态和更高的阻抗或电阻状态之间切换；一个可以施加磁场的磁场发生器，产生的所述磁场包含一个交变成分，该所述交变成分在第一个时间间隔的方向记为第一磁场方向，在该间隔期间所述充磁回路的感生电流为第一电流方向；在第二个时间间隔的方向记为第二磁场方向，在该间隔期间所述充磁回路的感生电流为第二电流方向，第二电流方向与第一电流方向相反；一个电桥控制器，来控制所述电桥使其与所述交变磁场分量同步，从而使所述电桥在所述第一个时间间隔处于所述高阻状态，所述感生电流流过所述负载回路，在所述第二个时间间隔使所述电桥处于所述低阻状态，所述感生电流留过导通态的所述电桥。

如前所述，在本文所述的所有方面/实施例中，电桥(或下文所述的超导连接)优选为超导桥/连接，且无论其处于导/电阻状态均保持超导性。正如前面所描述的，在一种方法中，超导保持超导，但施加的交流磁场使其具有动态电阻。

在另一种方法中，超导保持超导，但在控制下保持在磁通流动状态下运行(通过控制超导体和/或超导体上的电压/电场)。从广义上讲，磁通流动区间是指磁通涡流穿透超导体(可能是II型或优选实施例中的高温超导超导体)。宏观传导电流密度倾向于移动与电流垂直的磁通线，但如缺陷和晶界的涡流钉扎点倾向于抑制这一运动。简言之，磁通涡旋的运动导致能量耗散，表现为磁通流动电阻率。当高于磁通流动临界电流在超导体中流动时，磁通流动状态出现(不要与传统意义上的超导体的临界电流混淆)。在磁通流动临界电流的作用下超导体过渡到磁通流动区间的过程与磁场(不可逆场)和一个相关的“不可逆线”有关，它描述了该磁场与温度的变化且是典型的凹型(与上、下临界场不同)，随着温度的升高而降低。

本发明的一些优选方面和实施例在所述装置和方法的操作中利用了该磁通流动电阻率。这种方法和使用高温超导作为超导电桥/连接有一个特别的协同作用，因为高温超导通常有许多可以导致磁通钉扎发生的晶界。此外，磁通流动电阻率是高温超导体中晶界处能量消耗的主要机制，因为在这些区域中可能遇到高的局部电场。

此方法优选地用于下述发明的方面/实施例中。

本发明的相关方面提供了一种超导电路，包括：充磁回路；包含超导体的负载回路；一个同时为所述充磁回路和所述负载回路一部分的超导连接；一个控制所述超导连接在第一导电状态和第二导电状态之间的切换的控制器，所述超导连接所述第一导电态的电阻比所述第二导电态的电阻高；通过对所述超导电路的设置，实现当所述连接处于所述第一导电状态时所述充磁回路和所述负载回路之间感生出磁通流动，当所述连接处于所述第二导电状态时抑制所述充磁回路与所述负载回路之间磁通流动。

在优选实施例中，超导连接在第一和第二导电状态中都是超导的(并且在所有其他时间都保持超导)。在一些优选实施例中，控制器通过变压器耦合到充磁回路来控制连接的状态；具体地说，在实施例中，充磁回路包括变压器的二次侧线圈。然后，通过控制变压器一次侧电流(或电压)可以控制充磁回路中的电流。因此，在实施例中，控制器可以由电流或电压驱动装置组成，优选方案为通过配置(或可配置)产生一个(预设的)驱动波形来实现变压器的一次侧控制通过超导连接桥开关的电流(或电压)，从而使连接/电桥进入和退出磁通流动区间，同时(总是)保持连接/电桥在超导状态。

从广义上讲，控制器通过控制电路来使连接/电桥中的净电流足以在电路运行周期(两种状态之间)中的一个或多个点均可在连接/电桥中诱导磁通流动，同时保持连接/电桥的超导态。在广义的实施例中，控制器可以控制电路，尤其是充磁回路中的电流(i_p)，使得电桥电压在泵送期间近似恒定。

如同业内熟练人员所知的，特定的电流(或电压)波形将取决于所使用的材料的特点、电路的几何形状等多方面。在一些优选实施例中，充磁回路是例如高温超导回路的超导回路，但这不是必需的；变压器一次侧电路通常不超导。

如上所述，发明者已经意识到，通过控制同时是充磁回路和负载回路一部分的超导连接(电桥)的导电状态，使电桥在(至少)两种导电率不同的导通状态之前切换，可以实现负载回路超导体磁化率的增加或减少(或动态变化)。

需要注意的是，在第一导电状态(即高阻态)中，连接的两端之间的电阻是有限的。换句话说，连接可以表现为一个同时是充磁回路和负载回路一部分的开关。因此，这种连接有别于只有打开(无限电阻)或关闭状态的普通开关。相比之下，在本文的实施例中，该连接同时是充磁回路和负载回路的一部分：使充磁回路和负载回路结构完整，同时连接的电阻在第一导电状态和第二导电状态都是有限的(而且不同)。

我们注意到，在整个规范中对电阻的引用可以被理解为也指阻抗，例如连接的阻抗。

如上所述，通过改变连接的电阻，即控制连接的导电状态在第一导电状态与第二导电态之间切换可控制负载回路超导体的磁化。这可以在第一和第二导电状态都具有有限的电阻时实现。或者，连接的第二导电态可以是超导态，而在第一导电态时具有有限电阻。

在一些实施例中，连接(电桥)可以在超导态和如下状态之间切换：这种状态通过一个外部磁场感应磁通流动来增加连接(电桥)的电阻。磁通流动本身可能会增加电阻率，因此超导连接(电桥)无需失超。

在一些实施例中，连接(电桥)可能在整个过程中有一个标称电阻率，在磁通流动发生时可能会出现额外的电阻率。

因此，在某些实施例中，连接(电桥)可能是一个可变阻抗，比如可以是(但不限于)可开关超导体、开关电阻或可变电感或电容。

因此，在超导电路的首选实施例中，第二导电态是超导态。

如下面将进一步描述的那样，连接的状态可以通过如施加磁场的方式被控制。因此，可以通过移除施加到连接上的磁场来获得超导状态。控制器可以包含磁场发生器，特别是如前面描述的那样的交流磁场发生器，从而实现控制连接在第一导电状态和第二导电状态之间的切换。

在一些实施例中，超导连接包括与诸如铁氧体材料之类的磁性材料相邻的超导体。在实施例中，这使得超导连接更容易受到磁场影响；铁氧体会促进高频率的磁场的使用(例如频率大于0.1、1或10MHz的磁场)。在本发明的一些实施例及本发明的先前和以后描述的方面，超导(电桥)可以具有铁氧体铁芯和/或铁氧体层。另外/或者特别容易受到磁场影响的如铋锶钙铜氧材料的超导体可能会被使用。

比较理想的状态是，在第一次间隔期间诱导充磁回路和负载回路之间的磁通流量，在第二次间隔期间抑制充磁回路和负载回路之间的磁通流量，如此往复。使用在特定时间间隔重复诱导、抑制充磁回路和负载回路之间磁通流动的方法，可以将超导体充磁到1T，2T，5T甚至更高。

因此，在超导电路的首选实施例中，磁场发生器是一个交流磁场发生器。

在这种情况下，充磁回路中的电流可能是由周期函数产生的，因此可能会在半周期处改变其方向。如果连接仍然是电阻性的，那么电流可能会再次绕过连接从负载回路中流出。因此，在第一个循环之后，负载回路中的电流可能不会增加。然而，通过使连接成为超导(或具有较低的电阻)，当充磁回路电流改变方向时，连接可以使负载回路短路。因此，负载回路可以被绕过，从而使负载回路中的电流不会因充磁回路电流而降低。

在进一步的优选实施例中，超导电路引入了第二个磁场发生器，用来诱导充磁回路中的磁通变化。第二个磁场发生器可以是变压器、电磁铁或可移动的永磁体。

在超导电路的首选实施方案中，第二个磁场发生器和用来控制连接在第一导电态与第二导电态之间切换的控制器被集成成了一个磁场发生器单元。使用这种方法可以简化超导电路的设计。

在超导电路的另一个首选实施例中，两个或两个以上的充磁回路、负载环路和超导连接被集成成了单个超导单元。因此，磁通可以感生在超导单元的一侧，一个磁场(比如振荡场)可以施加在超导单元的中间部分，电流可以感生在以磁场位置为对称轴的磁通所在区域的另一侧。该实施例可以使超导电路的设计简化，并可用于在超导元件的一侧获得1T、2T、5T甚至更高的磁化。

在本发明的相关方面，提供了一种控制超导体磁化的方法，该方法包括：一个充磁回路，一个包含超导体的负载回路和一个同时是充磁回路和负载回路组成部分的超导连接；控制上述连接在第一导电态与第二导电态之间切换，其中，第一导电态的电阻比第二导电态的电阻高；当连接处在第一导电状态时，诱导充磁回路和负载回路之间的磁通流量，当连接处在第二导电状态时，抑制充磁回路和负载回路之间的磁通流量；超导体的磁化是由控制所述充磁回路与所述负载回路之间的磁通流动实现控制的。

如上所述，在首选实施例中，连接(电桥)在第一和第二状态中都是超导的。

在实施例中，所述方法/控制器被配置成周期性地控制超导连接中的电流，使得在电流周期的第一部分中，超导连接中的电流超过第一阈值水平而保持在第二阈值水平以下。因此，该方法/控制器使超导连接保持在第一导电状态下的磁通流动状态，而不使超导连接变为正常状态。在电流周期的第二部分中，超导连接中的电流低于第一阈值，以避免第二导电状态中的磁通流动状态。因此，超导连接的电阻包括第一导电状态中的磁通流动电阻，并且在所述第二导电状态中基本上为零。

较为倾向的状态是，将电流波形的直流分量控制到基本上为零。该状态可以通过如下方法实现：通过将充磁和/或负载回路从一个超导回路元件电连接到超导连接，从而使得超导连接桥接超导回路元件形成充电和/或负载回路。然后，超导连接两端和超导回路元件之间的接头的有限电阻有助于将所述电流波形的任何非零直流分量衰减到几乎为零。

在实施例中，该方法/系统使用变压器，其中充磁回路为变压器的二次侧绕组。然后，可以控制变压器一次侧绕组中的电流以控制充磁回路中的电流波形。

倾向于使用充磁回路电流在充磁回路中感生的相同频率来开关(或改变)链接的动态电导。

因此，在该方法的首选实施例中，对连接导电状态的控制包括通过以下一个或多个方式动态控制连接的电脑率：控制施加在连接的磁场的频率；控制连接的临界电流、特别是通过控制连接的温度；控制一个背景场；控制连接的长度；控制施加磁场的以及/或者临界电流受控的连接的部分。该方法的实施例可以用上述方式来动态控制连接的电导率，从而控制连接在第一导电态和第二导电态之间的切换。

在这里区分磁通流临界电流以及“正常”临界电流(通常简称为临界电流)是很重要的。磁通流临界电流决定了超导体是否能进入磁通流通状态，而临界电流是指可以使超导体进入正常状态的电流。

在理论上，可控制的超导电桥可以在上述超导磁通泵系统之外独立使用。

因此，本发明还提供了一种超导开关装置，包括：第一和第二电气连接；跨第一和第二电气连接耦合的电桥；一种交流磁场发生器，可以通过施加交变磁场使至少部分电桥可以在超导态和电阻态之间切换的交流磁场发生器；可以通过对交流磁场进行调节来使上述电桥部分在超导和电阻态之间切换的磁场调制器。

本发明还提供了一种改变超导体特别是高温超导体的磁化方法，该方法包括：包括充磁回路和负载回路的超导电路，所述充磁回路和负载回路共用一个同时为充磁回路和负载回路一部分的超导电桥；控制交流电流在充磁回路中循环，从而使交流电流一个周期的第一部分期间超导电桥在保持超导态的同时处于磁通流动状态，在交流电流一个周期的剩余部分超导电桥处于电阻几乎为零的超导态，这样，在每一个循环都有一个净磁通穿过所述电桥进入所述负载回路。

倾向的状态为充磁回路中的交流电流具有不对称的正、负峰值，以及总体来看基本为零平均值。

在相关方面，本发明还提供一种磁通泵，该磁通泵包括：包括充磁回路和负载回路的超导电路，所述充磁回路和负载回路共用一个同时为充磁回路和负载回路一部分的超导电桥；以及一个控制器用来控制交流电流在充磁回路中循环，从而使交流电流一个周期的第一部分期间超导电桥在保持超导态的同时处于磁通流动状态，在交流电流一个周期的剩余部分超导电桥处于电阻几乎为零的超导态，这样，在每一个循环都有一个净磁通穿过所述电桥进入所述负载回路。

在本发明的另一相关方面，如上所述的方法、磁通泵、装置或电路可以用作超导储能和提取设备/系统。这样的设备/方法采用如上所述超导电桥或连接，与如上所述切换系统(例如控制器)控制超导电桥或超导连接在不同的电阻或阻抗的超导态之间切换(如进、出磁通流动状态)，从而提取存储在磁场中的能源(负载回路)。虽然优选超导电桥或超导连接在该过程中保持超导，但该技术的实施例可通过电桥或连接在超导和非超导状态之间交替地切换来实现。在任意一种情况下，当没有充磁电流被驱动到充磁回路中时(例如通过变压器感应)，磁通从负载回路流出并通过超导电桥/连接流入充电回路：该过程诱导磁通刘东穿过电桥，从而改变充磁回路中的电流。变化的磁通，dΦ/dt，在充磁回路中感应出电动势-将电桥/连接在两种状态间切换造成充磁回路的交流电动势，从而产生一个由负载回路的磁场储存能量供能的交流电源输出。

可以使用先前描述的任何技术来实现超导电桥/连接在其不同状态之间的切换。交流电源可以通过许多方式提取/使用，例如通过如前所述的耦合到充磁回路的变压器-同样的变压器可用于将能量存储到充磁回路的磁场中，以及以交流功率输出的形式从回路中提取储存的能量。

附图说明

本发明的已述及其他方面现在将以实例加以说明，参照附图，其中的数字指的是贯穿全文的部分，其中：

根据本发明的实施例，图1a和1b显示了磁通泵原理示意图；

图2显示了根据本发明实施例的实验系统示意图；

图3显示了充磁回路电流、外加磁场和负载回路电流与时间的关系；

图4显示了充磁回路电流、负载回路电流和电桥电流与充磁回路电流周期数量的关系；

图5显示了注入到负载回路的磁通与充磁回路电流周期数量的关系；

图6显示了根据本发明实施例的系统原理图；

图7显示了电流和磁场的控制顺序；

图8显示了二次侧电流和磁场与时间的关系；

图9显示了在不同磁场下的负载回路电流和时间的关系；

图10显示了在不同频率的应用磁场下的负载回路电流与时间的关系；

图11显示了在不同二次侧电流下的负载回路电流和时间的关系；

图12显示了在不同频率的二次侧电流下的负载回路电流与时间的关系；

图13显示了根据本发明实施例的磁通泵的示意图。

具体实施方式

如上所述，本文所述的装置和方法的实施例可用于产生磁场，特别是使用超导电路来积累或减少磁通量。实施例可以用来产生在1T、2T、5T或者更高的范围的高强度的磁场。超导体可用于“存储”磁场。我们可以理解为超导磁矩和磁化是同步的。

本文描述的实施例可用于超导体的磁化或者去磁化，或者用于对超导体的磁化做动态控制。

高温超导(高温超导)磁体在恒定电流模式下运行时会产生由超导体磁通蠕变和接头电阻导致的电流衰减。磁通泵能够在不产生电流引线所引起的热损耗的情况下，将直流电注入超导电路以补偿电流的衰减。本文描述的实施例特别适用于高温超导线圈的磁通泵。以下描述提供了详细的数学模型和实验验证。

本文描述的一些实施例利用了当超导体受到垂直磁场时触发的磁通流动。

当超导体流过高于临界电流的传输电流或不可逆线以上的磁场时，可能会发生磁通流动。另外，磁通流动可以被磁场和电流的共同作用而触发。在磁通流动区，超导体仍可视为具备超导特性。然而，磁通的运动会导致损耗，可由等效的电阻表达。该电阻可以在文中描述的实施例中加以利用。

将一个载有传导电流的二类或高温超导超导体放置在外加磁场中，外加磁场垂直于电流方向的分量将导致传导损失。这可以被认为是一种动态电阻，尽管超导仍然是超导的。超导带材的动态电阻可用以下表达式计算(在场强很高的情况下，动态电阻基本上与传输电流的大小无关)：

其中a是带材宽度的一半，l是磁场作用下的带材的长度，f是磁场频率，I_c0是带材的临界电流，B_a是施加的磁场的强度，c是描述磁场与临界电流关系的一个因子。对于Bean模型，c＝0。

一旦发生磁通流动，超导体就会产生电阻。这不是一种欧姆电阻，而是一种等效电阻。该等效电阻的产生是由于在电流或磁场的周期性作用下，磁化过程中每个周期都有磁滞损耗。因此，从公式1可以看出，损耗和等效电阻是每秒钟的周期数或电阻的函数。

图1显示了使用磁通泵机制的超导电路100的示意图。

在这个例子中，一个由磁场发生器108(例如一个电磁体)产生的交流电场被施加在了高温超导带材上，从而使磁通通过电阻桥106进入负载回路104。

此处应用的原理是是，当磁通流动出现时，在充磁回路102中产生的电流I_p可以绕过电桥106直接进入负载回路104(图1a)。Φ表示磁通注入充磁回路102的瞬时值。

然而，由于充磁回路102的电流可能是由周期函数引起的，因此在之后的某个时间，电流的相位可能会发生相反的变化。如果桥106仍然是电阻性的，那么电流就会再次绕过106桥从负载回路中流出，其净效应是，在第一个循环之后负载回路电流I_L将不会继续增加。通过使电桥106在I_p改变方向(图1b)时再次成为超导体，电桥106将短路负载回路104，使得负载回路104被绕过，因而I_L不会被I_p降低。当AC场被移除时，负载回路104被高温超导带材106所短路。

因为电桥上施加的场是一个交流场，而负载环路中的电流I_L在整个过程中保持相同的方向，充电电流I_p在图1a和图1b之间反向。由于电桥提供了一条备用的电流路径，这种情况有可能出现。

作为开关的电桥因此可以为充磁回路提供一个返驰回路。当电桥为电阻性时(或在电桥处于第一导电状态)，电流从充磁回路流到负载回路。当电桥为超导时(或在桥是电阻较低的第二导电状态下)，充磁回路中的电流可以在不影响负载回路的情况下降低。

如果充磁回路中的电流大于负载回路中的电流，电流将流入负载回路。超导电桥的存在是，当充磁回路电流小于负载回路时电流不会从负载回路流向充磁回路，从而提高充磁回路电流大于负载电流时所产生的增益。

因此，I_L可以通过每一个连续的循环和磁通的泵送而增加。

如前所述，首选实施例的设备包含超导回路100，而超导回路100包含被一段额外超导体短接的超导回路，这产生了两个回路：一个充磁回路102和一个负载回路104(参见图1中的示例)。在图1中给出的电路示例为最简单的等级，因为多个充磁回路和/或多个负载回路可以同时被使用。此外，超导体的短路部分106可能是任何类型的超导体，包括但不限于带材、薄层或厚膜、导线等。

诱导充磁回路中产生变化的磁通的方法对磁通泵来说是必须的，它可以通过变压器、电磁铁或移动的永磁体等来实现。毫无疑问，业内人员可以想出许多其他可行的方法。

此外，还需要一种将变化的磁通应用于超导体短路段(或电桥106)的方法以触发磁通流动。业内人员有很多方法可以实现这一需求。

超导回路和电桥回路可以由同一段超导体构成。考虑一个矩形块状的超导带，若磁通在左半边被诱导出来(同图1中的充磁回路102对应)，一个振荡场被施加在超导体的中间部分(同图1中的电桥106对应)，那么在同图1中负载回路104对应的超导体的右半边可以感生出电流。毫无疑问，业内人员有很多方法可以提出许多其他的变化。

在某些实施例中，磁通泵可能不需要两个独立的能量来源(一个源为充磁回路102提供电流，另一个源为电桥106提供磁通)，而只靠一个能量来源实现。

在实施例中，由于充磁的速率是驱动电流源和诱导磁通流动的源之间的相对相位、频率和大小的函数，因而采用两个单独的源是有利的。此外，独立地改变动态电阻和输入电流也是有利的。动态电阻依赖于传输电流和外加磁场，当负载回路104的电流增大时，改变加在电桥106上磁场从而实现动态电阻的动态控制是有利的。

从上面的公式1可以看出，动态电阻是频率f和振荡场幅值B_a和临界电流的函数。临界电流也依赖于背景场。因此，实现对施加在电桥106上的磁场B_a的额外控制或调制是有利的。这种附加的控制或调制可以通过控制背景场(也就是公式(1)中的临界电流)和控制振荡场B_a振幅中的一项或两项来完成。因此，磁场B_a提供一个高频磁场的同时，动态电阻可以通过改变Ba的振幅和/或改变背景场的值实现控制。

系统的效率可能是动态电阻的相对大小、系统的电感和系统中接头电阻的函数。

下面给出了描述了系统行为的分析模型和实验结果。

该系统的特点是，系统效率可以在操作过程中通过调整动态电阻(通过改变调制频率或其临界电流——例如通过对电桥升温/降温或通过施加背景场106)和电桥106开断的相对比例来改变。

由于动态电阻也可能是磁场产生器产生的磁场覆盖下的电桥106的长度的函数，它的值可以通过改变电桥106的长度或施加于电桥106上磁场的长度来调整，例如桥驱动磁铁可以由两个部分组成。

所述系统采用单个开关实现磁通泵送。本文中所述的实施例可并行使用第二个开关，以实现磁通泵送。

分析模型

参照图1，泵的运行可以解释如下，所用符号的含义分别为：

i_p：充磁回路电流；

I_p：i_p的平均值；

B_a：加在电桥上的磁场；

T：i_p的周期；

R_L：负载回路的磁通流动电阻率(在整个描述中，短语“负载回路电阻”表达相同的含义)；

R_dyn：电桥的动态电阻；

i_L：负载电流；

p：施加B_a的时长相对于T的比例。

当施加磁场B_a时电桥106的磁通流动会被触发。在这段时间内注入到负载中的磁通量是：

Δφ_on＝(I_p-i_L)R_dynpT-i_LR_LpT (2)

当B_a被移除时，负载被超导态的电桥106短路(图1(b))。流出超导回路的磁通量是：

Δφ_off＝-i_LR_L(1-p)T (3)

因此，在每个i_p周期中，流入超导负载的净磁通量可以表示为：

Δφ＝Δφ_on+Δφ_off＝I_pR_dynpT-i_LT(R_dynp+R_L) (4)

考虑到与负载充磁的全过程相比T很短，在一个i_p周期中i_L的变化因此被忽略。所以，公式(4)可以被表述为如下形式的微分方程：

式中L代表负载电抗。

公式(5)的解为：

根据公式(6)，最终负载电流与充磁回路电流I_p成正比。因此，负载线圈的磁化是充磁回路102中感应电流大小的函数。同时，它也是加在电桥106的磁场的相对相位、动态电阻和施加B_a的时长相对于T的比例的函数。

该方法依赖于动态电阻，而非B_a的值。因此，可能没有必要完全移除B_a，对B_a的调节已经足够，因为动态电阻也会随之被调制。通过改变这些参数，该装置可以用来改变线圈的输出电流以及相应产生的磁场。

因此，该装置最好包括可以实现对充磁回路102电流I_p和超导电桥106磁场B_a控制的控制系统。

实施例中提供了一个由三部分组成的超导磁通泵装置。第一部分：超导体；第二部分：用于改变超导体磁化的充电和/或放电单元，其中包含至少一个改变磁场的源；第三部分：如上所述可以对超导体充电的驱动电流的提供。

超导体部分最好由高温超导体构成，如铜酸盐超导体，比较理想的是钇钡铜氧(氧化钇钡铜)。然而，本文描述的方法和设备适用于包括低温超导体和高温超导体在内的所有超导体。

实验验证

图2显示了根据本文描述的超导电路的实施例的实验系统示意图。

在这个例子中，如图2所示，负载回路104是一个由Superpower生产的6mm宽钇钡铜氧带材202制作的两端焊接在一起双饼线圈。线圈电感和临界电流的测量值在77K下分别为0.388mH和81A，接头电阻的测量值是1.2×10^-7Ω。充磁回路102由另一根相同型号的1米长钇钡铜氧带材组成，回路的两端被焊接到负载回路的超导体部分。一个200：2的变压器212被用来在在充磁回路102中感生i_p。B_a是由36mH的电磁铁108产生，该电磁铁有35×12平方毫米截面，截面之间的铁芯气隙为1毫米。两个电流回路共用的带材106被放置于1mm气隙的中心，从而使B_a垂直于带材106的宽表面。磁场B_a的有效面积为35×6平方毫米。钇钡铜氧带材在77K(10^-4v/m标准)的气隙中临界电流的测量值为123A。变压器212由Kepco电源供应器208a供电，电磁体108由另一个Kepco电源供应器208b供电。这两种电源都在电流模式下工作。控制两个Kepco电源208a、208b的信号由LabVIEW软件生成，并由NI-USB6002DAQ卡210输出。充磁回路电流i_p使用霍尔效应开环电流传感器206进行测量。负载电流i_L由固定在线圈中心的霍尔传感器204进行测量。施加的磁场B_a通过测量磁场磁体的电流进行监测。超导系统工作于液氮环境下(77K)。

图3显示了充磁的前三个周期内充磁回路电流i_p、磁场B_a和负载回路电流i_L的波形。

在这个例子中，i_p的大小是90A，频率是2Hz。B_a的频率为20Hz，大小为0.65T。在每个i_p周期中，施加Ba的时长为0.05s。从图3中可以看出，每次将B_a加在超导电桥上时，负载回路104的电流均有增加。图3的结果从根本上证明了在通有电流的高温超导带材中，交流场产生的磁通流动可以实现磁通泵送。虽然超导电桥的传输电流i_B存在2Hz交流分量，但在Ba的持续时间内该电流分量并没有改变极性，因此磁通流是单向的。

图4显示了整个充磁过程中电流的波形。在每一个i_p周期中，处于外界磁场下的传输电流的平均值是I_B＝I_p-i_L。

在这个例子中，充磁过程中I_p的值保持在74A。负载电流i_L可以用与公式(6)所预测的格式相同的公式i_L＝57.5(1-e^-t/24)来精确地描述。根据公式(6)，R_dyn和R_L的计算值分别为0.131mΩ和3.73μΩ。我们还在20Hz，0.65T的磁场中通直流传输电流的情境下测量了R_dyn的值，测量结果为0.106mΩ。在磁通泵中R_dyn的值会略大于直流传输电流情境下的值。这是因为B_a的暂态特性使其真实的频率在20Hz和30Hz之间，如图3的中间部分所示。使用Bean模型计算的Rdyn的值0.044mΩ，0.106mΩ的一半还要小，这是由超导体电桥的临界电流与磁场的关系所导致的。

然而，R_L的值远远大于接头电阻的值1.2×10^-7Ω。要理解这一现象，根据公式(2)和公式(3)，Δφ_on andΔφ_off被从负载电流波形中提取了出来。

图5a所示为在每一个i_p周期内注入负载的磁通和负载消耗的磁通与平均电桥电流相比较。

如图5所示(一个)，在每个i_p周期中，Δφ_on与I_B几乎成正比，这表明R_dyn在充磁全过程中是恒定的。由于R_dyn比RL要大得多，它的值可以由Δφ_on/I_BpT＝0.129mΩ近似计算，该结果与根据公式(6)计算得出的0.131mΩ接近。-Δφ_off在开始阶段维持在一个非常小的值，但50个i_p周期后迅速增加。RL在每个i_p周期的值由-Δφ_off和i_L根据公式(3)计算得出。

图5b显示了负载回路电阻瞬时值与周期数的关系。

如图5(b)所示，50个i_p周期之后R_L的值从0.4μΩ急剧上升到一个约4μΩ的稳定值。这是因为在50个i_p循环之后，i_L超过了35A。当i_p接近其负峰时，i_B＝i_p+i_L超过了超导电桥的临界电流。因此，桥上的一些电流通过与超导电桥平行的铜层流动，从而造成负载回路的损耗。在此实例中，为了增加最终的负载电流，可以使用具有较大临界电流值的电桥带材。

如上所述，超导体，特别是II型超导体，在它携带电流且受到磁场的作用时会产生电阻。与I型磁通泵类似，这种电阻可以作为开关(电桥)。二者的不同之处在于，在I型超导体中，开关是通过强场或高温造成失超的。

本文描述的实施例可以用作变压器型超导磁通泵。它包括三个部分，一个电流互感器，一个超导线圈和一个电桥。

图6显示了根据本文描述的实施例的变压器超导磁通泵的示意图。

在这个例子中，电流互感器的主侧由一个大约200匝的铜线构成。一次侧由交流电流源激发。变压器的二次侧是一段只有数匝的超导带材(或许1匝已经足够)。二次侧的两端被焊接到负载线圈中带材的一部分，如图6所示。超导负载是一个由两端焊接在一起的超导带材组成的闭环线圈。两个焊接点之间的带材起着超导电桥的作用。这个电桥受到可控制的磁场的作用。

下表显示了本例中所使用的实验系统参数：

表1 实验系统的参数

控制二次线圈的励磁时间顺序和操作电桥是很重要的。当电桥上没有施加磁场时，电桥是超导的。当垂直于电桥表面施加交流磁场时，电桥会表现出电阻。因此，如果次级线圈的电流流向电桥的同时电桥表现出电阻，那么将会其两端将会产生电压，从而为超导负载充能。如果我们可以实现对电桥的如下控制：当二次侧的交流电流为正(更严格的说，超过某个固定的正值)电桥打开(产生电阻)，否则电桥关闭(超导态)，那么我们可以在电桥两端得到一个类似直流的电压，从而将磁通(电流)泵送进闭环负载线圈。

图7显示了本例中使用的用以操作图6所示系统的磁场和电流的时间序列。

在本例中，一次电流和第二电流是同步的。在本例中，当一次侧电流为正时，加在电桥的磁场的频率比一次侧电流的频率高。如图7所示的电桥电压在电桥处在磁场中时恒定在零以上。平均电桥电压如图7底部所示。

图8显示了二次侧的电流和加在电桥的磁场在图7所示的序列控制下的波形。

实验中可控制变量包括：二次侧电流幅值、二次侧电流频率、电桥磁场幅值、电桥磁场频率、电桥磁场持续时间和二次侧电流与电桥磁场的相对相位。通过改变这些参数，可以获得优化的泵送性能。

图9显示了电桥磁场强度对负载回路电流的影响，图示为在电桥上施加不同强度的磁场时绘制的负载电流与时间的关系。

在这个例子中，桥场频率为20Hz，二次侧电流频率为2Hz，二次侧电流的大小是140A，电桥磁场的施加时间是二次侧电流波形周期的10％且与二次侧电流同相位。电桥磁场强度从在0.29T到0.66T的区间变化。

可以看出，所得到的负载回路电流随着时间的推移而增加，并且在200～250秒的初始时间段与磁场强度呈正相关关系。在电桥施加0.66T的磁场时得到负载回路电流约为60A。

在这些示例中，负载回路电流大约100到200秒的时间后变平，具体所需时间取决于电桥外加磁场的特性。

图10显示了电桥外加磁场频率对负载回路电流的影响，图示为在电桥上施加不同频率的磁场时绘制的负载电流与时间的关系。

在这个例子中，二次侧电流频率为2Hz，二次侧电流的大小是140A，电桥磁场的施加时间是二次侧电流波形周期的10％。电桥磁场的场强为0.66T。在这个例子中，电桥磁场频率从10Hz变化至40Hz。

可以看出，在150至250秒的初始时间内负载回路电流随着时间的推移而增加。在电桥磁场频率为40Hz时，负载回路的电流经过初始的100秒左右之后增加至约60A。

图11显示了二次侧电流幅值对负载回路电流的影响，图示为在不同幅值二次侧电流下绘制的负载电流与时间的关系。

在这个例子中，电桥磁场频率为40Hz，二次侧电流频率为2Hz。电桥磁场的施加时间是二次侧电流波形周期的10％且与二次侧电流同相位。电桥磁场强度为0.49T。二次侧电流的大小在本例中从103A增加到154A。

可以看出，泵送的速度与二次侧电流的大小成正比，但负载回路电流与二次侧电流的大小不成正比。这是因为二次侧电流导致电桥产生损耗，从而引起负载电流的衰减。

图12显示了二次侧电流频率对负载回路电流的影响，图示为在不同频率二次侧电流下绘制的负载电流与时间的关系。

在这个例子中，电桥磁场频率设定为80Hz，强度设定为0.25T。电桥磁场的施加时间是二次侧电流波形周期的10％且与二次侧电流同相位。二次侧电流大小为137A。二次侧电流频率在本例中由2Hz增加到8Hz。

可以看出，负载回路电流随着时间的推移而增加，并在大约150秒的初始时间内随二次侧电流频率的降低而增加。

交流损耗是由电桥上的二次侧电流引起的。在本例中，在80Hz的电桥磁场下，使用8Hz的二次侧电流比使用2Hz的二次侧电流更难保持二次侧电流和磁场的相同相位，因而更难获得振荡。

据发现，在这些例子中，施加时间是二次侧电流波形周期10％的电桥磁场比施加时间是二次侧电流波形周期20％的电磁场带来的泵送效果更好。磁通泵的性能还可能取决于二次侧电流的波形本身。在这些例子中，当施加的电桥磁场和二次侧电流同相时(如图8所示)得到的磁通泵充磁性能更加。

计算

下面的计算参考图13所示根据本文描述的实施例的磁通泵的等效电路的示意图。

假设电桥在开通状态是没有损失的，电流互感器足够强大(无论电桥开断，二次侧电流总是与一次侧电流成比例)，等效电阻R_eff经受二次侧电流I平均值，则：

在公式(7)中，时间常数与L_coil成正比、与R_eff成反比，最终的负载电流近似为(如果I不超过临界电流)：

S为电桥的面积，f为电桥磁场频率，B_a为桥场强度，P为电桥处于导通状态的时间。典型值S＝2.4*10^-4，f＝30，I_c0＝180，(B_a+B_a ²/B₀)＝3，p＝0.1，，R值经过计算为1.6×10-5ohm。

假设I＝100A，则初始充磁速度为2.4*10^-3/L_coil A/s。对于1mH的线圈充磁速度大约是2.4A/s。

可以通过增加电桥面积、磁场强度、磁场频率和/或磁场的持续时间来改善性能。

电桥电阻对充磁速度和最终负荷电流至关重要。电阻值越大，泵送的速度就越高。下列因素可能影响电桥的电阻值：所施加的磁场的强度、频率和持续时间。

二次侧电流幅值可能也在磁通泵中起重要作用。较大的二次侧电流可能不一定会带来更好的性能，因为过大的二次侧电流可能使电桥上产生相当大的损耗，从而可能导致负载电流的衰减。

在电流互感器不因相对较低的频率(小于大约1Hz)而饱和的情况下，二次侧电流频率对磁通泵的性能影响较小，。

如果二次侧电流和外加磁场噪声过大，可能造成电桥上产生较大的交流损耗。因此，噪声的幅值应当尽量减小。

超导体

首选超导体是如钇钡铜氧的可制成薄膜、厚膜、带材、线材或散装材料的铜氧化物。铜氧化物有较高的T_C(临界温度)且可以束缚较大的磁场，但在原则上任何II型超导体均可以使用。

钇钡铜氧(YBCO)材料中的钇元素可以更换为其他稀土元素，例如，钆、铷(通常称为ReBCO)。较为常用的其他超导材料是2212或2223形式的BSCCO，价格较低但同时临界温度也较低(30开尔文)的二硼化镁(MgB₂)。除此之外，还有很多别的材料，包括但不限于镧系元素或基于汞和铊的化合物。

另外，还有大量被称为有机超导体的材料，包括例如准一维的Bechgaard盐和Fabre盐，准二维的Kappa-BEDT-TTF₂X，lambda-BETS₂X，以及石墨层间化合物和包括碱金属掺杂的富勒烯在内的三维等材料。

候选铜酸盐的列表可以在下述文献中找到：Superconducting materials–atopical overview”，Hott，Roland；Kleiner，Reinhold；Wolf，Thomas et al.(2004-08-10)oai：arXiv.org：cond-mat/0408212。列表包括高温超导体家族，例如Bi-高温超导(Bi-m²(n-1)n，BSCCO)；T1-高温超导(T1-m²(n-1)n，TBCCO)；Hg-高温超导(Hg-m²(n-1)n，HBCCO)；Au-高温超导(Au-m²(n-1)n)；123-高温超导(RE-123，RBCO)；Cu-高温超导(Cu-m²(n-1)n)；Ru-高温超导(Ru-1212)；B-高温超导(B-m²(n-1)n)；214-高温超导(LSCO”0202”)；(电子掺杂高温超导PCCO NCCO)；(“02(n-1)n”)；无限层高温超导(电子掺杂I.L.)。

进一步的实施例

我们现在描述一些进一步的实施例，其中的系统优选(虽然不是必须)应用高温超导体，比如高温超导涂层带材(高温超导CC)，改超导体被驱动到伏安曲线的磁通流动区域。

参考图14a，一个变化的磁场被施加到一个包含超导支路ab的回路上。一个环绕该回路的交变电流i(t)被该磁场感应出来。该磁场可以变化从而使得：考虑到回路的电阻和电感以及施加磁场的变化率，i(t)可以在直流分量不为零的情况下非对称。(在之后描述的变压器驱动实例中，这简简单单就是用不对称电流波形确定一次侧电流的事)。支路ab的伏安特性曲线和环流i(t)的波形一起画于图14b中。i(t)的负向峰值比支路ab的磁通流动临界电流低，所以在支路ab中不会产生电压。但是在正半周期，它的峰值超过支路的磁通流动临界电流。在正半周波峰值附近的一小段时间，超导体被驱动到磁通流动区域。因此，在每个周波中，有净磁通流过支路ab，支路ab两端的直流电压不为零。如果有超导负载电感接在支路ab，它将会被逐渐充电。

参考回图2，如前述的超导连接(电桥)可以被驱动到磁通流动区域，除了施加交变磁场。这样的超导连接(电桥)可以被在真正的超导态和电阻态之间控制，在电阻态其实也处于超导态(即任何时候都没处于正常态)。于是在一个例子中，一个不对称驱动波形可以用来在变压器二次侧产生不对称电流，而不是用一个对称的驱动波形(如图2所示)。

这已经示意的画在了图15中，途中展示了磁通泵系统的等效电路，其中R_j表示接头电阻，R_B表示电桥中超导体磁通流动电阻，R_L是负载回路的等效电阻(接头电阻和其他损耗)，L表示负载电感。电桥的电感太小而不被考虑。如此，这里R_B的起源是高温超导的磁通流动。磁通流动的方向同样如图电路所示。接头电阻R_j对于衰减二次侧电流中的任何直流分量非常重要(不然变压器铁芯可能饱和)。在一个实验中总接头电阻估计为R_j＝10μΩ。在优选实施例中电桥的电流承载能力小于二次回路或者负载线圈。

当二次电流i₂(在之前被同样称作ip)超过电桥的磁通流动临界电流时，磁通通过电桥流动到负载(L)中。

参考图16，该图展示了一个例子中电桥的横向(左侧)和纵向(右侧)截面1600。例子中的结构包括一个高温超导线圈，比如一根超导带材绕到铁素体芯上(1604)。可以选择一个同芯的铁素体圆柱，围住芯和带材，这样铁素体芯和铁素体圆柱之间的磁场可以急速扩展，该磁场垂直于高温超导体的表面。

在例子中的试验系统中，一个100:1的变压器被应用于在二次侧回路中感生一个幅值大的交流电流。二次侧线圈由并联的钇钡铜氧带材构成，带材临界电流360A。二次侧线圈的两端通过另一段钇钡铜氧带材焊接在一起，形成电桥。电桥的长度为10cm，临界电流180A。电桥同样被用来短接一个钇钡铜氧双饼负载线圈。线圈的电感为0.388mH，临界电流为81A。(这个临界电流值在77K温度下测量，标准为E0＝10^-4V/m)。整个超导系统浸泡在液氮(LN₂)中。

变压器的一次侧由一个KEPCO-BOP 2020功率放大器供电。KEPCO由一个NI-USB6002数据采集卡控制，该采集卡有一个可由LabVIEW编程的模拟信号。KEPCO工作在电流模式，在该模式下输出电流正比于输入信号。由此任一需要的一次电流可以被产生出来。一次侧电流i1通过一个0.5欧姆的电阻测量，二次电流i2通过一个开环霍尔电流传感器监控，负载电流iL通过一个固定在负载线圈中心提前标定好的霍尔传感器测量。所有的模拟信号通过NI-USB6002数据采集卡采样，采样频率400Hz。负载电流数据通过平均每5个连续采样点来滤波。

一次侧电流设置和充电细节

在一个实验中我们用到一个三角波交流信号作为一次侧电流i1。在i1为正的阶段，以i1恒定速率跃升到峰值I1pp，然后以同样的速率减小到零；在i1为负的阶段，i1以恒定速率较小到负向峰值-I1np，之后以同样的速率上升到零。正向时间与负向时间的比值反比于I1pp/I1np,这样使得i1的直流分量为零，即：

可控的变量包括电流正向峰值I_1pp，负向峰值-I_1np，电流频率f。图17展示了两个一次侧电流的波形，二者峰值相同频率不同(0.5Hz和2Hz)。图18展示了电桥电流i_B和负载电流i_L细节的细节波形；磁通流动临界电流ic通过虚线画出。电流i_B的正峰值为250A，i_B的负向峰值为100A.超导电桥的磁通流动临界电流i_c为180A，介于正向峰值电流和负向峰值电流之间。通过图18可以看出，在电桥电流超导i_c的每个阶段，负载电流上升接近3A；在其余的i_B周期内，负载电流保持稳定。电桥两端的平均电压可以表示为：

其中T_ff表示每个电流周波中超导处于磁通流动区域的时间段(在图18中约为0.1s)，Δi_L表示每个周波中的电流增量，估计为3A。L为负载电感，在实验中为0.388mH。

由以上数值，电压V的值估计为11.64mV；电场值由此计算为1.16mV/cm。这个电场值比并联同层传输同样电流情况下的电场值小很多，因此可以看出超导远远没有到达常态。

在不同一次侧电流幅值下的负载电流

对于一个理想的变压器，二次电流i₂永远正比于一次侧电流i₁。然而对于一个真是的变压器，如果负载阻抗大，输出电压可能达到限值，导致二次电流无法跟随一次电流。在这里我们考虑一次侧电流幅值对于负载电流的影响，因为电桥电阻根本上取决于一次电流。

如果一次侧电流的正向峰值I_1pp而使电桥电压无法达到限值，二次侧电流正比于一次侧电流，比例为100:1。图19表示充电曲线，尤其是电桥电流i_B和负载电流i_L。一次侧电流低所以电桥电流i_B随着负载电流的增加而减小。负载电流没有到达线圈的临界电流而是稳定在一个水平，其中电桥电流正向峰值约等于电桥的磁通流动临界电流。

在充电开始的阶段，二次电流i2等于电桥电流i_B,因为负载电流i_L等于零。随着i_L的增加，i_B逐渐向反向偏置。在这种情况下，电桥的直流电压值随着负载电流的增加而下降。因此负载电流曲线像一阶电路的充电曲线。当I_1pp太低而无法驱动电桥到磁通流动区域时，负载电流在小于负载线圈临界电流的一个值饱和。

相反的，当一次侧电流太高，电桥电压将达到限值。这意味着电桥直流电压在每个周波中基本保持恒定。在这种条件下，电桥电流的正向峰值在整个充电过程中基本保持恒定，如图20所示。更具体的，图20展示了电桥电流i_B和负载电流i_L在充电期间的波形。充电过程中一次侧电流太高于是电桥电压被变压器的容量限制。负载电流曲线在达到负载线圈临界电流钱基本上是线性的。在每个周波中负载电流以相同的速率上升，所以负载电流在达到负载线圈临界电流之前基本上是线性的，在这个例子中是81A。值得注意的是，无论一次侧电流是高是低，电桥电流的负向峰值(绝对值)将会随负载电流的增加而增加，在这个例子中负载临界电流是81A而电桥的磁通流动临界电流是180A。为了确保电桥负向峰值电流不超过180A，二次电流负向峰值应该小于99A。图20展示了一个例子，其中负载电流达到临界值，同时电桥的负向峰值电流达到电桥的磁通流动临界电流。

图21展示了不同一次侧电流幅值(一次侧正向峰值电流为I1pp)下的负载电流曲线。在所有例子中一次侧电流负向峰值I_1np被设置为1A。一次侧电流的频率为0.5Hz。

不同一次电流频率下的负载电流

这里我们讨论充电性能的频率依赖性。在每组测量结果中，一次侧电流波形已经固定。一次侧电流的频率在0.5Hz到16Hz变化。一次侧电流的波形展示在图17中，其中I_1np＝1A，I_1pp＝3.3A

由图22可以看出不同一次侧电流频率下的负载电流曲线，所有的负载电流饱和在负载线圈的临界电流附近，但是达到饱和的时间有点区别。最快的充电发生在0.5Hz波形情况下，接下来是1Hz的情况，剩下的曲线基本上是重合的。典型的所有曲线应该重合在一起，如果电桥超导体伏安特性与电流频率无关的话。这是因为一次侧电流的波形除了频率以外全部相同，这意味着磁通流到负载的数量应该在相同的时间段内相同。然而在实际情况下，电桥超导体的伏安特性取决于温度。在一个时间段P内磁通流动量可以表示为：

其中

表示流入负载的磁通量，v(i,T)表示电桥电压的瞬时值，其取决于电桥电流i和温度T，时间P是2s(0.5Hz信号的一个周期)的整数倍。可以理解的是，在一个交变周期中，低频导致超导处于磁通流动区域的连续时间更长，因此更容易在电桥中使温度积累，引发温度升高。(这也是为什么超导体在77K下不能承载交流峰值那么大直流的原因)。温度的升高促进磁通流动，移动伏安特性曲线。因此，在低频条件下，对于以上方程中

的积分值比较大，磁通泵送更快。

实施例中我们描述的磁通泵仅仅需要一个变压器实现磁通泵送。不难将变压器一次侧线圈和铁芯移动到制冷系统以外，由此可以极大的减小损耗。实施例中的磁通泵尤其适合快速给大磁体充磁。磁通泵送速度的最大局限在于变压器的容量。

尽管如此，因为电桥超导体陡峭的伏安特性，可能难于实现电桥电压的有效控制，因为电桥电流中的一个很小的噪声可以引发电桥电压很大的误差，影响到磁场的稳定。为了处理这个问题，一个超导磁通泵可以按照磁通流动电阻和动态电阻(又施加交流场引发)结合。更具体的，这样一个方法的实施例中，在初期负载电流上升期间，控制超导电桥/连接可以应用磁通流动电阻(控制电流驱动电桥/连接到磁通流动区域)；然后超导电桥/连接可以用动态电阻控制(施加磁场)来控制/稳定(最后的)磁场。

更宽泛的说，我们描述了一种高温超导磁通泵，在一些实施例中，包括一个变压器，二次侧为超导，被一段高温超导体(比如钇钡铜氧)(电桥)短接。变压器产生一个大的二次电流，该电流正向峰值远大于负向峰值。在每个周波中，在正峰值附近，超导体被驱动到(超导)磁通流动区域。在剩下的周波中，电桥电阻为零。磁通于是积累到负载中。性能取决于一次电流的幅值，较少取决于电流频率。负载电流可以轻松的被充到临界电流。在一些实施例中，我们已经描述呈现一个高温超导磁通泵，通过驱动高温超导体到伏安特性磁通流动的区域。磁通泵的实施例包括一个变压器，有一个超导二次回路，被高温超导带材电桥短接(如钇钡铜氧)。一个(相对交大)的交变电流正向峰值(远)大于负向峰值在二次回路中被感生出来。电流驱动电桥超导体到磁通流动区域仅仅接近它的正向峰值附近，如此导致磁通泵送。

如上描述的一些优选的实施例中用到高温超导体，全部，(比如变压器的二次侧)。然而变压器回路不一定非得是超导，原则上，电桥可以是一个可开断的电子装置比如MOSFET或者GAN FET。尽管高温超导体是作为变压器回路的优选，二类超导体可以被应用。像熟练的人可以发现的那样，负载回路，即被充电的超导线圈，可以是任意种类的超导体。

无疑很多其他有效的替代品可以被熟练的人想到。需要被理解的是，此发明不局限于描述实施例，同时包括对于此项技术熟练的人来说的明显的改版，以及位于这里附加的权利要求的思想及范畴内的改版。

Claims (38)

1.一种超导电路，该电路包括：

一个充电回路；

一个包含超导体的负载回路；

一个超导连接，同时也是所述充电回路和所述负载回路的一部分；和

一个控制器来控制所述超导连接的状态，使之在第一导电态和第二导电态之间切换，所述超导连接在所述第一导电态和所述第二导电态下都是超导态，第一导电态下的超导连接的电阻或阻抗大于第二导电态下的超导连接的电阻或阻抗；

所以所述超导电路被配置成当所述超导连接在所述第一导电态时引发所述充电回路和所述负载回路之间的磁通流动，当所述超导连接在所述第二导电态时阻碍所述充电回路和所述负载回路之间的磁通流动。

2.一种如权利要求1所述的超导电路，其中，所述超导连接在所述第一导电态时运行在一个磁通流动区域。

3.一种如权利要求1或2所述的超导电路，其中，所述控制器被配置成周期性地控制所述超导连接中的电流，使得在电流周期的第一部分中，所述超导连接中的电流超过第一阈值水平而保持在第二阈值水平以下，从而使所述超导连接保持在所述第一导电态下的磁通流动状态，而不使超导连接变为正常状态，在所述电流周期的第二部分中，所述超导连接中的电流低于所述第一阈值，以避免所述超导连接在所述第二导电态中时处于所述磁通流动状态，超导连接的电阻包括第一导电态中的磁通流动电阻，并且在所述第二导电态中为零。

4.一种如权利要求3所述的超导电路，其中，所述控制器包括用于控制所述电流周期的电流波形的电流控制器，使得在所述电流波形的整个周期上，电流波形的直流分量为零。

5.一种如权利要求1或2所述的超导电路，其中，所述充电回路和所述负载回路中的一个或两个包含电连接到所述超导连接的超导回路元件，所述超导连接两端和所述超导回路元件之间的接头的有限电阻有助于将电流波形的任何非零直流分量衰减到零。

6.一种如权利要求1或2所述的超导电路，其中，所述控制器包含交流磁场发生器，该交流磁场发生器用于产生交流磁场以感生出所述超导连接中的动态电阻。

7.一种如权利要求1或2所述的超导电路，进一步包含第二磁场产生器，该第二磁场产生器被用来在所述充电回路中产生变化的磁通，该第二磁场产生器与所述控制器集合成一个磁场产生器单元。

8.一种如权利要求1或2所述的超导电路，包括一个变压器，变压器包括一次绕组和二次绕组，其中，所述充电回路形成所述变压器的所述二次绕组；其中，所述控制器包括一个受控电流发生器来控制所述变压器的所述一次绕组。

9.一种如权利要求1或2所述的超导电路，其中，所述充电回路、所述负载回路和所述超导连接中的至少两个构成一个超导部件。

10.一种如权利要求1或2所述的超导电路，其中，所述超导连接包括一个超导体结合一个磁性材料。

11.一种用于控制超导体磁化的方法，该方法包括：

提供一个充电回路、一个包含超导体的负载回路，和同时是所述充电回路和所述负载回路一部分的超导连接；以及

控制所述超导连接的状态在第一导电态和第二导电态之间切换，其中在所述第一导电态和第二导电态下所述超导连接均处于超导状态，并且第一导电态下所述超导连接的电阻或阻抗比在第二导电态时高；

当所述超导连接处于所述第一导电态时，在所述充电回路和所述负载回路之间感应出磁通流动，并且当所述超导连接处于所述第二导电态时，所述充电回路和所述负载回路之间的磁通流动被抑制；并且

所述超导体的所述磁化是通过控制所述充电回路和所述负载回路间的所述磁通流动实现的。

12.一种如权利要求11所述的方法，其中，所述超导连接运行在所述第一导电态中的一个磁通流动区域。

13.一种如权利要求11或12所述的方法，所述控制包含周期性地控制所述超导连接中的电流，使得在电流周期的第一部分中，所述超导连接中的电流超过第一阈值水平而保持在第二阈值水平以下，从而使所述超导连接保持在所述第一导电态下的磁通流动状态，而不使超导连接变为正常状态，在所述电流周期的第二部分中，所述超导连接中的电流低于所述第一阈值，以避免所述超导连接在所述第二导电态中时处于所述磁通流动状态，超导连接的电阻包括第一导电态中的磁通流动电阻，并且在所述第二导电态中为零。

14.一种如权利要求11或12所述的方法，其中，所述控制包括在所述超导连接和所述负载回路的一个超导回路原件之间用一个接头电阻控制电流波形的一个直流分量为零。

15.一种如权利要求11或12所述的方法，其中，所述控制超导连接的状态包括通过以下一个或多个方法动态地控制所述超导连接的电导率：

控制施加到所述超导连接的磁场的频率；

控制一个背景场；

控制所述超导连接的长度；以及

控制所述磁场施加于所述超导连接的一部分。

16.一种如权利要求11或12所述的方法，其中，所述第一导电态包含一个电阻态，所述电阻态具有比第二导电态更大的电阻或者阻抗。

17.一种改变超导体的磁化的方法，该方法包括：

提供一种包括充电回路和超导负载回路的超导电路，其中充电回路和负载回路共用同时为充电回路和负载回路一部分的超导电桥；以及

控制交流电流在充电回路中循环，从而使交流电流一个周期的第一部分期间超导电桥在保持超导态的同时处于磁通流动状态，在交流电流一个周期的剩余部分超导电桥处于电阻为零的超导态，这样

在每一个循环都有一个净磁通穿过所述超导电桥进入所述负载回路。

18.一种如权利要求17所述的方法，其中，在所述充电回路中的所述交流电流具有不对称的正向峰值和负向峰值，但平均值为零。

19.一种如权利要求17或18所述的方法，其中，所述负载回路包括一个镀膜高温超导体。

20.一种如权利要求17或18所述的方法，其中，所述超导电桥包括一个高温超导体和一个铁素体层或芯。

21.一种如权利要求17或18所述的方法，其中，所述充电回路和所述负载回路包含一个连续的超导回路，其中所述超导电桥跨接所述连续的超导回路，所述超导电桥和所述连续的超导回路包含具有不同的材料和/或结构的超导体。

22.一种磁通泵，包含：

包括充电回路和超导负载回路的超导电路，其中充电回路和负载回路共用同时为充电回路和负载回路一部分的超导电桥；以及

控制交流电流在充电回路中循环，从而使交流电流一个周期的第一部分期间超导电桥在保持超导态的同时处于磁通流动状态，在交流电流一个周期的剩余部分超导电桥处于电阻为零的超导态，这样

在每一个循环都有一个净磁通穿过所述超导电桥进入所述负载回路。

23.一种如权利要求22所述的磁通泵，其中，所述负载回路包括一个镀膜高温超导体。

24.一种如权利要求22或23所述的磁通泵，其中，所述超导电桥包括一个高温超导体和一个铁素体层或芯。

25.一种如权利要求22或23所述的磁通泵，其中，所述充电回路和所述负载回路包含一个连续的超导回路，其中所述超导电桥跨接所述连续的超导回路，所述超导电桥和所述连续的超导回路包含具有不同的材料和/或结构的超导体。

26.一种如权利要求22或23所述的磁通泵，其中，该磁通泵和一个恒定电流高温超导体耦合。

27.一种如权利要求22所述的磁通泵，其中，所述磁通泵配置为提取能量，并进一步包括开关机构，用来在不同电阻或阻抗的超导状态之间或在超导和非超导状态之间切换所述超导电桥或超导连接，来改变所述充电回路中的磁通，从而在充电回路中产生交流电动势，该电动势由所述超导负载回路中储存的磁场能提供。

28.一种超导磁储能和能量释放装置，该装置包含如权利要求27所述的磁通泵。

29.一种用来改变超导体的磁化的超导磁通泵的方法，该方法包括：

形成一个超导电路，该电路包括：

一个第一充电回路，该回路包含第一充电回路连接和第二充电回路连接；

一个第二负载回路，该回路包含分别与所述第一充电回路连接和所述第二充电回路连接耦合的第一负载回路连接和第二负载回路连接；

一个电桥，该电桥与所述第一负载回路连接和所述第二负载回路连接耦合；

其中电桥的至少一部分在第一超导态或低阻态与第二高阻态或电阻态之间切换；

施加一个具有交变磁场成分的磁场到所述充电回路，所述交变磁场成分包含在第一间隔期间的第一磁场方向和在第二间隔期间的第二磁场方向，在第一间隔期间所述充电回路的感生电流为第一电流方向，在第二间隔期间所述充电回路的感生电流为第二电流方向，第一电流方向与第二电流方向相反；

同步控制所述电桥与所述交变磁场成分，使在第一间隔期间电桥呈高阻态，所述感生电流流经所述负载回路，并且在第二间隔期间电桥呈低阻态，所述感生电流流过导通态的电桥。

30.一种如权利要求29所述的方法，在所述第二间隔期间，负载回路的另一电流以与充电回路的感生电流相同的方向流过导通态的电桥。

31.一种如权利要求29或30所述的方法，其中，所述方法进一步包括施加电桥开关磁场到所述电桥的可开断部分，同时调制所述电桥开关磁场，与所述交变磁场成分同步地控制电桥在低阻态和高阻态之间切换。

32.一种如权利要求31所述的方法，控制电桥开断的磁场包含交变成分。

33.一种如权利要求29或30所述的方法，其中，电桥的可开断部分的低阻或导电状态是超导态。

34.一种超导磁通泵，包括：

一个超导电路，电路包括：

一个第一充电回路，包含第一充电回路连接和第二充电回路连接；

一个第二负载回路，包含分别与所述第一充电回路连接和所述第二充电回路连接耦合的第一负载回路连接和第二负载回路连接；

一个电桥，与所述第一负载回路连接和所述第二负载回路连接耦合；

其中所述电桥的至少一部分在第一低阻态和第二高阻态或电阻态之间切换；

一个磁场发生器，施加磁场于所述充电回路，该磁场包含交变磁场成分，所述交变磁场成分在第一时间段具有第一磁场方向，在第一时间段期间在充电回路感应出电流，该电流方向为第一电流方向；所述交变磁场成分在第二时间段具有第二磁场方向，在第二时间段期间在充电回路感应出电流，该电流方向与第一电流方向相反为第二电流方向；

一个电桥控制器，同步控制所述电桥与所述磁场，从而在第一时间段，所述电桥处于第二状态，所感应的电流流过负载回路；在所述第二时间段，所述电桥在第一状态，所述电流流过低阻的电桥。

35.一种如权利要求34所述的超导磁通泵，还包括一个电桥磁场发生器用来给所述电桥施加控制电桥的开断的电桥开关磁场，并且调制所述电桥开关磁场使之和所述交变磁场成分同步，用以控制电桥在第一状态与第二状态之间切换。

36.一种如权利要求35所述的超导磁通泵，其中，所述电桥开关磁场包括交变磁场。

37.一种如权利要求34-36中任一项所述的超导磁通泵，其中，所述电桥的第一状态是所述电桥的超导状态。

38.一种超导开关装置，包括：

第一电气连接和第二电气连接；

一个与所述第一电气连接和所述第二电气连接耦合的电桥；

一个交流磁场发生器，用来给至少电桥的一部分施加交变磁场，使电桥在第一超导态和第二电阻态之间切换；和

一个磁场调制器，用来调制所述交变磁场，控制所述电桥的一部分在超导态和电阻态之间切换。

Images