CN109217492A - 一种超导磁体非接触供电装置 - Google Patents

Abstract

一种超导磁体非接触供电装置，交流电源一个输出端串接补偿电容后接于原边绕组一端，交流电源另一输出端接于原边绕组另一端，采用利兹线绕制的原边绕组设置在低温容器顶面上，采用超导线材绕制的副边绕组两端分别经超导电桥与超导磁体负载连接，原、副边绕组的匝数比大于1；该原边绕组和副边绕组分别绕制在盘形线圈骨架上，该副边绕组及其线圈骨架、超导电桥以及超导磁体负载均封装在低温容器内。本发明解决了目前采用的外加驱动电源的接触供电方式存在的引线漏热大、低温系统效率低、易诱发失超等问题，具有结构简单、传输效率高、工作气隙大等优点。

Description

一种超导磁体非接触供电装置

技术领域

本发明涉及包含无线能量传输、超导磁体、低温工程等方面的非接触供电技术领域，具体涉及一种基于磁耦合原理的超导磁体非接触供电装置。

背景技术

现有的非接触供电技术有基于微波的辐射传输方式、基于非辐射的磁共振耦合方式，以及基于电磁感应原理的磁通泵方式。而适用于超导磁体供电的非接触供电技术—磁通泵方式，基于不同工作原理，又可分为压缩磁通泵，直流电机磁通泵以及整流变压器磁通泵。压缩磁通泵是通过俘获磁通并进行压缩，产生感应电流；直流电机磁通泵是利用永磁体产生的磁场在超导薄膜上发生局部失超，诱发感应电流；整流变压器磁通泵是基于分压变压器原理，利用原边绕组与副边绕组之间的电磁感应耦合来传输能量。

目前，超导磁体普遍采用直流电源经电流引线的接触供电方式。这种接触式供电必须经历从室温到超导低温的温度变化，电流引线等引起的漏热和引线通电后产生的热损耗通常是超导低温腔体最大的热源，严重影响低温的保持时间和制冷效率，并容易诱发超导磁体的失超。研究表明，电流引线跨界在室温与超导低温之间，其漏热量可达0.1 W/A。以此方式长时间供电将加剧低温系统的制冷负担。另外，电源侧与超导磁体直接连接导致供电电源输出电流较大，对电源提出了较高的输出要求，同时供电回路中存在不可忽略的热损耗，将降低系统供电效率。

为解决超导磁体接触供电存在漏热大等问题，近年来提出了磁通泵非接触供电技术。采用这种技术，磁通泵引线与负载磁体不直接相连，可以避免超导磁体供电大电流直接进入极低温环境，从而能够减小电流引线的漏热；磁通泵只需输入较小功率就可获得较大直流电流，对供电电源输出功率要求降低；磁通泵通过逐步泵入进行供电，可根据超导磁体所需电流大小，调节输入电流。但这种供电技术非接触原副边间隙很小（一般仅为毫米量级），而为保证机械强度和真空绝热等要求，低温制冷系统的厚度一般在厘米量级，增大间隙又会导致漏磁严重，降低磁通泵的效率，应用价值受限。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题而提供一种超导磁体非接触供电装置，旨在解决引线漏热问题、提升低温系统冷却效率，提高能量传输效率。

本发明的目的是这样实现的：一种超导磁体非接触供电装置，交流电源一个输出端串接补偿电容后接于原边绕组一端，交流电源另一输出端接于原边绕组另一端，采用利兹线绕制的原边绕组设置在其内为液氮环境的低温容器顶面上，采用超导线材绕制的副边绕组两端分别经超导电桥与超导磁体负载连接，副边绕组位于原边绕组的正下方，原、副边绕组的匝数比大于1；该原边绕组和副边绕组分别绕制在盘形线圈骨架上，该副边绕组及其线圈骨架、超导电桥以及超导磁体负载均封装在低温容器内。

所述交流电源的输出波形为非对称三角波，该非对称三角波形的正半轴幅值高于负半轴幅值。

所述超导磁体负载上装有霍尔传感器，还具有用作控制交流电源启闭的控制器，霍尔传感器与该控制器连接。

所述交流电源的输出电流波形由Labview软件编程控制。

所述串联电容用于补偿电路中的无功功率、增大输出电流。

所述原边绕组采用利兹线绕制，以减小线圈的集肤效应。原边绕组置于低温容器外部，与交流电源连接。

所述副边绕组由超导线材绕制，置于低温容器内，以利用超导磁体天然的低温环境，降低副边绕组损耗。

所述副边绕组绕于非磁性骨架上，以降低铁磁损耗，减轻超导低温容器的热负载。

所述原、副边绕组采用降压升流结构（原副边绕组匝数比大于1），原边绕组输入较小电流，通过磁耦合感应后，在这种降压升流结构的作用下副边绕组获得小电压大电流，为负载超导磁体供电。同时原边绕组及电源输出电流远小于超导磁体额定电流，有利于减小线路的传输损耗。

所述超导电桥由高温超导带材制成，通过程序编码控制交流电源发出非对称波形。波形的正峰值远大于负峰值，但该波形在一个周期内的积分为零，以保证电流在原副边传输过程中不含直流分量（直流分量会显著降低传递效率）。基于超导材料的电压-电流关系曲线，在正峰值处且仅在此处（作用时间极短），电源电流超过超导材料的临界电流，高温超导带材电桥的电阻急剧增大，两端出现直流电压，利用超导电桥的电压-电流特性完成交-直电流转换，对磁体供电。重复上述过程，超导电桥在高于与低于临界电流态之间转换，对磁体进行直流供电。

所述超导磁体上装有传感器，通过程序指令实现供电自动化。当超导磁体电流低于额定值时，控制交流电源开启，进行供电。

本发明基于磁耦合感应原理，即利用原边绕组与副边绕组的磁耦合，使得发射与接收装置之间发生强烈的能量交换，以完成对负载的供电，避免了引线漏热问题；其中应用的磁感应传能技术的传输距离可达数十厘米甚至数米，较间隙仅为毫米级的磁通泵，传能距离大大增加，这种大间隙传能的特点可以降低对低温系统壁厚的要求，是实现超导磁体非接触供电的理想选择。将传统副边绕组用超导材料代替，依靠超导体所具有的零电阻特性，进一步减小系统的热损耗，提升传能效率，同时利用特殊电源波形与超导电桥的配合来替代整流电路，能节能高效地控制回路的通断，达到整流的效果。本发明利用超导磁体工作时必有的低温环境，采用超导磁耦合感应传能技术，结合超导电桥整流技术，实现对超导磁体的非接触供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、能量损耗更小。非接触供电无需电流引线，彻底避免了引线漏热问题；采用超导电桥，无需整流电路与开关元件，可以减少电力电子转换器件的损耗，提升低温制冷效率，降低超导磁体失超风险；

2、外部电源输出要求更低。采用补偿电容消除系统无功损耗，结合降压升流结构，降低对外部供电电源的输出功率要求；

3、非接触间隙更大。基于磁耦合感应原理，原、副边间隙可达数十厘米甚至米级，相较于间隙仅为毫米级的磁通泵，低温容器的设计更为灵活；

4、整流单元更为简单。基于高温超导带材的电压-电流关系曲线，设计一种超导电桥实现交-直变换，为负载超导磁体供电。这种整流单元不需要引入大量常规电力电子变换器件，避免常规电子器件的热损给低温容器带来额外热负荷。

附图说明

图1为超导磁体非接触供电系统构造示意图。

图2为超导磁体非接触供电电路原理示意图。

图3为交流电源输入波形示意图。

图4为原、副边绕组电磁感应耦合示意图。

具体实施方式

以下描述的是结合附图对本发明的详细说明，而不应该理解为对本发明的限定。

图1示出本超导磁体非接触供电装置，交流电源1一个输出端串接补偿电容8后接于原边绕组2一端，交流电源1另一输出端接于原边绕组另一端，采用利兹线绕制的原边绕组2设置在其内为液氮环境的低温容器7顶面上，采用超导线材绕制的副边绕组3两端分别经超导电桥5与超导磁体负载6连接，副边绕组位于原边绕组的正下方，原、副边绕组2、3的匝数比大于1；该原边绕组2和副边绕组3均绕制在盘形线圈骨架4上，该副边绕组3及其线圈骨架、超导电桥5以及超导磁体负载6均封装在低温容器7内。补偿电容的容值要根据初级线圈的电感值来定，一般在nF uF级别。

由附图1示出，本发明的具体实施方式是：

本超导磁体的非接触供电装置，主要由交流电源1、原边绕组2、副边绕组3、线圈骨架4、超导电桥5、（供电）超导磁体负载6、液氮低温容器7及补偿电容8组成。

交流电源1经补偿电容8与原边绕组2连接，提供发射端能量；副边绕组3与原边绕组2基于磁耦合感应原理进行能量传输，将原边电能通过非接触的方式传输至副边绕组3；副边绕组3作为负载6（超导磁体）的供电电源，通过调控交流电源1输入非对称三角波电流信号，并利用降压升流结构，在副边绕组感应出大电流，并经超导电桥5整流。当电流的幅值超过超导电桥的临界电流时，净磁通量流过超导电桥5，在超导电桥5两端出现直流电压，作为直流电源为与超导电桥5两端相接的超导磁体负载6供电；当电流的幅值低于超导电桥5的临界电流时，电流流向超导电桥5，停止供电。

通过设置适宜的电源波形控制超导电桥5的开合，实现交-直电流的转换。超导磁体负载6装有霍尔传感器，当电流低于额定值时，启动程序开启交流电源1，为超导磁体负载6供电；当电流达到额定值时，控制交流电源关断，停止供电。原边绕组2（含其线圈骨架）安装于低温容器7的外部，副边绕组3（含其线圈骨架4）、超导电桥5及超导磁体负载6均安装于低温容器7内。

参照附图2，所示示意图为本发明的电路原理图，图中Ⅰ、Ⅱ分别为原、副边绕组，i ₁为原边电流，i ₂为副边电流，L为超导磁体的电感，R _B 为当副边电流超过超导电桥的临界电流时，电桥上出现的直流电阻，R _L 为超导磁体形成闭合回路时的接头电阻。当超导电桥5上出现直流电阻时，流向超导电桥5的电流减小，即i _B 减小，流向超导磁体负载6的电流增大，即i _L 增大，实现为负载供电。

参照附图3，交流电源1的输入电流波形为非对称三角波，该电流波形可由Labview软件编程控制，设计算法，安装于超导磁体负载6的传感器取样磁体电流，比较取样电流与额定电流大小，取样电流小于额定电流，交流电源开启，循环算法；取样电流大于等于额定电流，交流电源关闭，结束算法。利用非对称三角波正半轴幅值高于负半轴幅值的特点，结合高温超导带材的电压-电流关系曲线，控制超导电桥5的开闭。

参照附图4，原边绕组2采用利兹线绕制，利兹线由多股铜线或其它性能相近导线绞合制成，其独特的扭绞结构可减小原边在高频下的集肤效应，减小线圈发热。副边绕组3使用超导线材绕制。原、副边均绕于盘型骨架4上，以增强原副边间的磁耦合。同时线路中增加原边补偿电容8以补偿无功损耗、增大输出电流。

下面对本发明提出的超导磁体的非接触供电方法的工作过程进行说明。

参照附图1，超导磁体负载6工作前，开启交流电源1，设置的输出电流在经过原边绕组2的磁耦合感应后，从副边绕组3流出的电流高于超导电桥5的临界电流时，交流电便可转变为直流电，为超导磁体负载6供电。当超导磁体电流达到额定值时，断开交流电源1，停止供电。

当超导磁体6在工作过程中由于内外因导致其内部电流衰减至低于额定值时，通过程序控制（控制器与霍尔传感器连接）打开交流电源1即可对超导磁体6的能量损耗进行补偿，使之恢复至额定状态，维持磁场稳定。

由于本系统对超导磁体负载6没有任何限制，因此可用于需要为超导磁体进行供电的任意场合。

Claims (4)

1.一种超导磁体非接触供电装置，其特征在于，交流电源（1）一个输出端串接补偿电容（8）后接于原边绕组（2）一端，交流电源（1）另一输出端接于原边绕组另一端，采用利兹线绕制的原边绕组（2）设置在其内为液氮环境的低温容器（7）顶面上，采用超导线材绕制的副边绕组（3）两端分别经超导电桥（5）与超导磁体负载（6）连接，副边绕组位于原边绕组的正下方，原、副边绕组（2、3）的匝数比大于1；该原边绕组（2）和副边绕组（3）分别绕制在盘形线圈骨架上，该副边绕组（3）及其线圈骨架、超导电桥（5）以及超导磁体负载（6）均封装在低温容器（7）内。

2.根据权利要求1所述的一种超导磁体非接触供电装置，其特征在于，所述交流电源（1）的输出波形为非对称三角波，该非对称三角波形的正半轴幅值高于负半轴幅值。

3.根据权利要求1所述的一种超导磁体非接触供电装置，其特征在于，还具有用作控制交流电源（1）启闭的控制器；所述超导磁体负载（6）上装有霍尔传感器，霍尔传感器与该控制器连接。

4.根据权利要求1所述的一种超导磁体非接触供电装置，其特征在于，所述交流电源（1）的输出电流波形由Labview软件编程控制。