CN109273190A - 一种高温超导线圈励磁装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导线圈励磁装置，包括机架、设置在机架上的磁通泵和动力机构，以及供所述磁通泵和高温超导线圈放置的低温杜瓦瓶，所述低温杜瓦瓶内装有液氮，所述磁通泵包括支撑柱、设置在支撑柱圆周面上的超导薄片和设置在支撑柱与超导薄片之间且与超导薄片连接的超导引线，以及安装在所述动力机构上且能绕支撑柱圆周方向旋转的永磁体，所述超导引线伸出超导薄片的两端分别与高温超导线圈的两个引出端连接，所述永磁体与支撑柱之间设置有间隙。本实用新结构简单，设计合理，能有效解决高温超导线圈励磁用直流电源设备昂贵，耗能高，制冷成本高，以及磁通泵装置复杂的问题，实用性强，便于推广使用。

Description

一种高温超导线圈励磁装置

技术领域

本发明属于高温超导技术领域，具体涉及一种高温超导线圈励磁装置。

背景技术

高温超导线圈是指低温下用具有高转变温度和高临界磁场的第二类超导体制成的一种线圈。它的主要特点是无电阻损耗，能产生高磁场，具有很强的实用价值。

目前高温超导线圈的励磁方法可分为两种：一种是直接采用直流电源经过电流引线给高温超导线圈供电，但长时间采用直流电源给高温超导线圈供电会产生两方面的问题：一方面是高温超导线圈直流电源设备昂贵，耗能高；另一方面则是电流引线采用普通铜导体制成，普通铜导体制成的电流引线从室温进入低温环境，会导入大量热量并且因自身电阻发热，会给制冷系统带来较大的负担，制冷成本高。

另一种是通过磁通泵给高温超导线圈励磁，磁通泵能够将机械能转变为电能给高温超导线圈供电，当永磁体靠近超导体时，就可以在超导体上形成非超导区域，使磁通进入超导体，如果永磁体从超导体上扫过，就可以将一份磁通引入超导回路，从而使超导回路的电流改变，利用这个特点可以为高温超导线圈供电，也可以用于补偿高温超导线圈闭环运行时的衰减。但由于磁通泵的装置复杂，影响磁通泵稳定运行的参数较多，因此，磁通泵至今尚未大规模实用化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高温超导线圈励磁装置，其结构简单，设计合理，能有效解决高温超导线圈励磁用直流电源设备昂贵，耗能高，制冷成本高，以及磁通泵装置复杂的问题，实用性强，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：包括机架、设置在机架上的磁通泵和动力机构，以及供所述磁通泵和高温超导线圈放置的低温杜瓦瓶，所述低温杜瓦瓶内装有液氮，所述磁通泵包括支撑柱、设置在支撑柱圆周面上的超导薄片和设置在支撑柱与超导薄片之间且与超导薄片连接的超导引线，以及安装在所述动力机构上且能绕支撑柱圆周方向旋转的永磁体，所述超导引线伸出超导薄片的两端分别与高温超导线圈的两个引出端连接，所述机架上设置有竖直连接杆，所述支撑柱安装在竖直连接杆上，所述动力机构上设置有供永磁体安装的转动连接架，且所述转动连接架与所述动力机构传动连接，所述永磁体与支撑柱之间设置有间隙，所述超导薄片的横截面呈劣弧形。

上述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述动力机构包括步进电机和与步进电机的输出轴传动连接的转轴，所述步进电机的输出轴通过联轴器与转轴传动连接，所述转轴上套设有轴承，所述机架上设置有供所述轴承安装的轴承座，所述转轴与所述转动连接架传动连接。

上述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述支撑柱的底部设置有用于固定高温超导线圈的线圈架。

上述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述转动连接架包括水平板、设置在水平板一端且与水平板呈垂直布设的竖直板和设置在水平板另一端的配重块，所述永磁体固定安装在竖直板远离水平板的一端。

上述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述竖直连接杆的一端与机架固定连接，所述竖直连接杆的另一端设置有供支撑柱安装的安装座。

上述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述支撑柱的顶部设置有用于支撑超导引线的支撑块。

上述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述超导薄片包括多个沿支撑柱高度方向依次拼接的Bi-2223高温超导带材。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用超导引线，而没有采用由普通铜导体制成的电流引线，超导引线运行在超导态时的电阻为零，因而消除了焦耳热，同时，该超导引线始终运行在低温环境下，避免了从高温区向低温区的传导漏热，因而降低了热源和热桥效应，减轻了制冷系统的负担，降低了制冷成本。

2、本发明结构简单，设计合理，能适应多种高温超导线圈的励磁要求，且便于操作，实用性强，便于推广使用。

综上所述，本发明结构简单，设计合理，能有效解决高温超导线圈励磁用直流电源设备昂贵，耗能高，制冷成本高，以及磁通泵装置复杂的问题，实用性强，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明除去永磁体的磁通泵与支撑块的连接关系示意图。

图3为本发明竖直连接杆与安装座的连接关系示意图。

附图标记说明:

1—高温超导线圈； 2—转轴； 3—超导薄片；

4—永磁体； 5—支撑柱； 6—超导引线；

7—线圈架； 8—步进电机； 9—机架；

10—低温杜瓦瓶； 11—水平板； 11-1—竖直板；

11-2—配重块； 12—联轴器； 13—支撑块；

14—竖直连接杆； 15—安装座； 16—轴承座。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括机架9、设置在机架9上的磁通泵和动力机构，以及供所述磁通泵和高温超导线圈1放置的低温杜瓦瓶10，所述低温杜瓦瓶10内装有液氮，所述磁通泵包括支撑柱5、设置在支撑柱5圆周面上的超导薄片3和设置在支撑柱5与超导薄片3之间且与超导薄片3连接的超导引线6，以及安装在所述动力机构上且能绕支撑柱5圆周方向旋转的永磁体4，所述超导引线6伸出超导薄片3的两端分别与高温超导线圈1的两个引出端连接，所述机架9上设置有竖直连接杆14，所述支撑柱5安装在竖直连接杆14上，所述动力机构上设置有供永磁体4安装的转动连接架，且所述转动连接架与所述动力机构传动连接，所述永磁体4与支撑柱5之间设置有间隙，所述超导薄片3的横截面呈劣弧形。

本实施例中，采用超导引线6，而没有采用由普通铜导体制成的电流引线，超导引线6运行在超导态时的电阻为零，因而消除了焦耳热，同时，该超导引线6始终运行在低温环境下，避免了从高温区向低温区的传导漏热，因而降低了热源和热桥效应，减轻了制冷系统的负担，降低了制冷成本。

本实施例中，该励磁装置结构简单，设计合理，能适应多种高温超导线圈的励磁要求，且便于操作，实用性强，便于推广使用。

本实施例中，需要说明的是，所述超导引线6为高温超导电流引线。

本实施例中，进一步的优选，所述超导引线6由Bi-2223高温超导带材制成，实际使用过程中，所述超导引线6可采用其他高温超导材料制成。

本实施例中，所述永磁体4与支撑柱5之间设置有间隙，是为了保证永磁体4与超导薄片3之间留有间隙，而超导引线6设置在支撑柱5与超导薄片3之间，因此，超导引线6和永磁体4不直接相连，从而避免了采用永磁体4为高温超导线圈1供电时大电流直接进入深冷区，从而显著减弱了超导引线6的热源和热桥效应，减轻了制冷系统的负担，降低了制冷成本。

本实施例中，超导薄片3和超导引线6焊接在一起固定在支撑柱5的圆周面上，一方面，支撑柱5能对超导薄片3和超导引线6起固定支撑的作用，能够防止转轴2旋转时超导薄片3和超导引线6脱离支撑柱5，进而防止超导薄片3偏离永磁铁4而影响该励磁装置的正常工作；另一方面，超导引线6能将超导薄片3上产生的电流传导给与超导引线6连接的高温超导线圈1，起到传导电流的作用。

本实施例中，超导引线6的两端分别与高温超导线圈1的两个引出端焊接在一起，形成一个闭合回路，使得高温超导线圈1处于准闭环状态，此时，损耗较小，因此，该磁通泵消耗的机械能也比较小，因而节省了复杂的常规供电设备，且该励磁装置方便调节,因而可以在需要补偿少量电流时使用。

本实施例中，所述永磁体4能绕支撑柱5圆周方向旋转，使所述永磁体4从超导薄片3表面扫过，当永磁体4靠近超导薄片3时，就可以在超导薄片3上形成非超导区域，使磁通进入超导薄片3，磁通在超导薄片3上形成非超导区域，包含磁通的非超导区域随永磁体4的运动从超导薄片3经过，根据楞次定律，在磁通进入过程中会有与回路中电流方向相反的反向电动势产生，所以超导薄片3的面积必须大于永磁体4横截面的面积，非超导区域之外的超导区域可以屏蔽在非超导区域产生的反向电动势，使得磁通在不影响回路电流的情况下进入超导回路，使超导线圈1磁场增大，但超导薄片3面积太大会产生比较多的交流损耗，所以，进一步的优选，所述超导薄片3的横截面的弧长约为永磁体4宽度的3-5倍。

本实施例中，进一步的优选，所述超导薄片3的弯曲弧度与支撑柱5的圆周面相适应，能够使超导薄片3更好的贴合在支撑柱5的圆周面上，从而有效地保证永磁体4旋转过程中超导薄片3与永磁体4之间的间距一定，进而确保高温超导线圈1励磁稳定。

本实施例中，所述永磁体4为钕铁硼磁铁，钕铁硼磁铁的磁力强，经久耐用，因而减少了永磁体4的更换次数。

本实施例中，进一步的优选，所述高温超导线圈1为Bi-2223高温超导带材绕制成的线圈。

本实施例中，所述低温杜瓦瓶10中装的液氮能为励磁反应的发生提供必要的温度条件。

如图1所示，本实施例中，所述动力机构包括步进电机8和与步进电机8的输出轴传动连接的转轴2，所述步进电机8的输出轴通过联轴器12与转轴2传动连接，所述转轴2上套设有轴承，所述机架9上设置有供所述轴承安装的轴承座16，所述转轴2与所述转动连接架传动连接。

本实施例中，所述步进电机8的可靠性高，且具有较宽的转速范围和运动重复性，因此可以满足不同型号高温超导线圈1的使用要求，进一步的优选，所述步进电机8为57步进电机，57步进电机的精度高、寿命长，价格便宜，在满足励磁要求的前提下还能降低生产成本。

本实施例中，所述联轴器12能够将不同尺寸的转轴2与步进电机8的输出轴牢固的联接在一起，同时，能够防止转轴2承受过大的载荷，起到过载保护的作用。

本实施例中，所述轴承的外圈与轴承座16固定连接，所述轴承的内圈与转轴2接触，所述转轴2伸出轴承座16的一端与联轴器12传动连接，所述转轴2伸出轴承座16的另一端与所述转动连接架传动连接。

如图1所示，本实施例中，所述支撑柱5的底部设置有用于固定高温超导线圈1的线圈架7。

本实施例中，所述线圈架7为固定连接在支撑柱5的底部且与支撑柱5底部呈垂直布设的绝缘板，所述绝缘板的顶部与支撑柱5底部接触，所述绝缘板上设置有用于固定高温超导线圈1的螺栓和供高温超导带材绕制成高温超导线圈1的绕线架，采用绝缘板，能防止高温超导线圈1中的电流传导到线圈架7上，影响为高温超导线圈1励磁，同时保证了使用安全性。

本实施例中，所述绝缘板为环氧玻璃纤维板或电木板。

本实施例中，实际使用时，所述高温超导线圈1处于静止状态，所述永磁铁4可以绕着支撑柱5圆周方向旋转，使永磁体4与超导薄片3之间产生相对运动，从而为高温超导线圈1励磁，这样能够便于在高温超导线圈1的中心位置装霍尔传感器，通过霍尔传感器检测高温超导线圈1产生的磁场，并依据线圈的电感、电流和磁场的关系计算线圈的电流，及时了解磁通泵为高温超导线圈1提供的电流量大小；另外，所述永磁体4的体积较小，一方面可以使所述动力机构消耗的能量较小，降低耗能，另一方面便于所述转动连接架的安装，使得该励磁装置结构紧凑，同时具有较好地适应性。

如图1所示，本实施例中，所述转动连接架包括水平板11、设置在水平板11一端且与水平板11呈垂直布设的竖直板11-1和设置在水平板11另一端的配重块11-2，所述永磁体4固定安装在竖直板11-1远离水平板11的一端。

本实施例中，所述固定架11-1的一端通过螺栓固定连接在水平板11的端部，所述固定架11-1的另一端上开有供永磁体4安装的安装孔，所述安装孔的直径与永磁体4的直径相同，保证了永磁体4与固定架11-1之间连接的稳定性；设置配重块11-2，是为了保证水平板11能始终保持水平方向的旋转，进而保证永磁体4与超导薄片3之间的间隙，保证该励磁装置的工作稳定性。

如图1和图3所示，本实施例中，所述竖直连接杆14的一端与机架9固定连接，所述竖直连接杆14的另一端设置有供支撑柱5安装的安装座15。

本实施例中，所述转轴2转动连接在水平板11的中心位置，且所述转轴2的中心线、水平板11的中心线和竖直连接杆14的中心线均重合。

本实施例中，所述支撑柱5通过螺钉固定安装在安装座15上，所述支撑柱5的底面与安装座15的上端面接触，所述安装座15的长度大于固定架11-1距水平板11中心的距离，以保证安装完成后，所述永磁体4能够绕着支撑柱5的圆周面转动。

本实施例中，进一步的优选，所述安装座15与竖直连接杆14一体成型，以便于进行加工制造，减少工序，降低生产成本。

如图2所示，本实施例中，所述支撑柱5的顶部设置有用于支撑超导引线6的支撑块13。

如图2所示，本实施例中，所述支撑块13的横截面为半圆形，所述支撑块13的厚度大于超导引线6的宽度，可以使得超导引线6与支撑块13的圆周面完全接触，防止超导引线6出现弯折，延长超导引线6的使用寿命，同时，可以避免超导引线6在工作时偏离支撑块13，进一步保证工作时超导引线6的稳定性；所述支撑块13的直径与支撑柱5的直径相同，可以使得超导引线6在跨过支撑块13和支撑柱5的交界处时，能够保持平直的状态，减少超导引线6的弯折，延长超导引线6的使用寿命。

本实施例中，所述支撑柱5和支撑块13均为绝缘胶木，绝缘胶木的绝缘性能好、强度高、质量轻，且不易变形，降低了整个装置的重量和制造成本的同时，保证了使用安全性。

本实施例中，进一步的优选，所述支撑柱5和支撑块13一体成型，以便于进行加工制造，减少工序，降低生产成本。

本实施例中，所述超导薄片3包括多个沿支撑柱5高度方向依次拼接的Bi-2223高温超导带材。

本发明使用时，先将固定有高温超导线圈1的线圈架7固定在支撑柱5的底部，并将超导引线6的两端分别与高温超导线圈1的两个引出端焊接在一起，同时，将永磁体4固定在固定架11-1的一端，固定架11-1的另一端固定在与转轴2传动连接的水平板11上，转轴2通过联轴器12与步进电机8的输出轴传动连接，之后，将连接有线圈架7的支撑柱5固定在安装座15上，并使永磁体4与支撑柱5之间留有间隙，然后，将磁通泵和高温超导线圈1放置到低温杜瓦瓶10内，并向低温杜瓦瓶10内加入液氮，使得磁通泵和高温超导线圈1完全淹没在液氮里，最后，启动步进电机8，通过步进电机8带动转轴2旋转，永磁体4跟随转轴2一起旋转，使得超导薄片3与永磁体4之间产生相对运动，从而为高温超导线圈1励磁。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：包括机架(9)、设置在机架(9)上的磁通泵和动力机构，以及供所述磁通泵和高温超导线圈(1)放置的低温杜瓦瓶(10)，所述低温杜瓦瓶(10)内装有液氮，所述磁通泵包括支撑柱(5)、设置在支撑柱(5)圆周面上的超导薄片(3)和设置在支撑柱(5)与超导薄片(3)之间且与超导薄片(3)连接的超导引线(6)，以及安装在所述动力机构上且能绕支撑柱(5)圆周方向旋转的永磁体(4)，所述超导引线(6)伸出超导薄片(3)的两端分别与高温超导线圈(1)的两个引出端连接，所述机架(9)上设置有竖直连接杆(14)，所述支撑柱(5)安装在竖直连接杆(14)上，所述动力机构上设置有供永磁体(4)安装的转动连接架，且所述转动连接架与所述动力机构传动连接，所述永磁体(4)与支撑柱(5)之间设置有间隙，所述超导薄片(3)的横截面呈劣弧形。

2.按照权利要求1所述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述动力机构包括步进电机(8)和与步进电机(8)的输出轴传动连接的转轴(2)，所述步进电机(8)的输出轴通过联轴器(12)与转轴(2)传动连接，所述转轴(2)上套设有轴承，所述机架(9)上设置有供所述轴承安装的轴承座(16)，所述转轴(2)与所述转动连接架传动连接。

3.按照权利要求1所述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述支撑柱(5)的底部设置有用于固定高温超导线圈(1)的线圈架(7)。

4.按照权利要求1所述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述转动连接架包括水平板(11)、设置在水平板(11)一端且与水平板(11)呈垂直布设的竖直板(11-1)和设置在水平板(11)另一端的配重块(11-2)，所述永磁体(4)固定安装在竖直板(11-1)远离水平板(11)的一端。

5.按照权利要求1所述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述竖直连接杆(14)的一端与机架(9)固定连接，所述竖直连接杆(14)的另一端设置有供支撑柱(5)安装的安装座(15)。

6.按照权利要求1所述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述支撑柱(5)的顶部设置有用于支撑超导引线(6)的支撑块(13)。

7.按照权利要求1所述的一种高温超导线圈励磁装置，其特征在于：所述超导薄片(3)包括多个沿支撑柱(5)高度方向依次拼接的Bi-2223高温超导带材。