CN109660235B - 一种用于高温超导电磁铁的热控式持续电流开关电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高温超导电磁铁的热控式持续电流开关电路，用以实现高温超导电磁铁可以在闭环模式下的稳定运行，该热控式持续电流开关电路包括励磁电源、分别与并联在励磁电源两端且焊接在一起且浸泡在低温容器中的热控式持续电流开关和高温超导线圈。与现有技术相比，本发明具有热稳定性好、热损耗减少、热渗透小、无需制冷机、控制简单方便、应用前景广等优点。

Description

一种用于高温超导电磁铁的热控式持续电流开关电路
技术领域
本发明涉及持续电流开关领域，尤其是涉及一种用于高温超导电磁铁的热控式持续电流开关电路。
背景技术
持续电流开关是实现超导电磁铁闭环运行的关键部件。闭环运行模式是在超导磁体的两端并联一个持续电流开关，通过持续电流开关适当的导通和断开，使磁体在无损耗或磁场衰减很慢的状态下运行。闭环运行模式的超导磁体可以获得极高稳定度的磁场；在持续电流运行期间与外部电源脱离，节约电能并减少冷媒的消耗，从而降低运行费用。
热控式持续电流开关通过改变高温超导材料的温度实现开关部位超导态和正常态之间的转换，从而实现闭环电路的导通和切断。目前日本超导磁浮列车的电磁铁由低温超导线圈绕制而成，使用液氦浸泡制冷。低温超导电磁铁在车站励磁并在闭环模式下运行。然而低温超导电磁铁成本高昂并且可靠性有待提高，因此日本开始了高温超导电磁铁替代低温超导电磁铁的研究。高温超导电磁铁使用二级G-M制冷机对超导磁铁进行传导冷却。为了防止超导体失超，传导冷却方式对持续电流开关提出了特殊要求，然而传统热控式持续电流开关技术难以满足。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于高温超导电磁铁的热控式持续电流开关电路。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于高温超导电磁铁的热控式持续电流开关电路，用以实现高温超导电磁铁可以在闭环模式下的稳定运行，该热控式持续电流开关电路包括励磁电源、分别与并联在励磁电源两端且焊接在一起且浸泡在低温容器中的热控式持续电流开关和高温超导线圈。
所述的热控式持续电流开关包括高温超导线材、绝热材料、加热线圈以及加热线圈电源，所述的加热线圈套设在高温超导线材的开关段的外表面，并且一起封装在绝热材料中，所述的高温超导线材除开关段的两端分别并联在励磁电源两端，所述的加热线圈上还设有温度传感器。
所述的高温超导线圈为一由高温超导线材绕制成的双层跑道形线圈。
所述的高温超导线圈与励磁电源的两端引线之间设有可拆卸的接头。
所述的低温容器中填充液氮。
该热控式持续电流开关电路的工作状态包括高温超导电磁铁励磁状态、闭环运行状态和退磁状态。
当该热控式持续电流开关电路处于高温超导电磁铁励磁状态时：
持续电流开关和高温超导线圈焊接在一起构成高温超导电磁铁浸泡在低温容器中的液氮里，通过控制加热线圈电源的电流，使得加热线圈温度升高从而使热量传递到封装于绝热材料的高温超导线材，当高温超导线材的温度高于临界温度时，持续电流开关处于断开状态，此时接通励磁电源开关，使得励磁电源为高温超导线圈励磁，当超导线圈中的电流达到预定值后结束。
当该热控式持续电流开关电路处于闭环运行状态时：
控制加热线圈电源的电流，使其降为0，当持续电流开关的温度降低至低于临界值时持续电流开关由断开状态转变为导通状态，减小励磁电源的供电电流至0，然后完全切断励磁电源开关，高温超导电磁铁进入闭环运行模式。
当该热控式持续电流开关电路处于退磁状态时：
接通励磁电源开关，增加励磁电源的供电电流至高温超导电磁铁的电流值，此时持续电流开关电流为0，控制加热线圈电源的电流，使得加热线圈温度升高，从而使持续电流开关处于断开状态，高温超导线圈开始退磁，减小励磁电源的供电电流至0，退磁过程结束。
为减少液氮损耗，在退磁结束之后控制加热线圈电源的电流，使其降为0，使得持续电流开关处于超导状态。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、热稳定性好：高温超导线材的一部分与加热线圈一起封装在绝热材料中，热控式持续电流开关的热稳定性好。
二、热损耗减少：热控式持续电流开关，超导电磁铁以及电流引线均采用高温超导线材连接，接头的焦耳热损耗减少。
三、热渗透最小：励磁电流引线可拆卸使得外部对电磁铁的热渗透最小化。
四、无需制冷机使用液氮浸泡制冷。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图。
图2为本发明的热控式持续电流开关的结构示意图。
图3为本发明的高温超导线圈的结构示意图。
图中标记说明：
1、励磁电源，2、励磁电源开关，3、持续电流开关，4、高温超导线圈，5、低温容器，6、高温超导线材，7、绝热材料，8、加热线圈，9、温度传感器，10、加热线圈电源，11、可拆卸的接头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，图为本发明的电路图。持续电流开关3和高温超导线圈4并联于励磁电源1两端，励磁电源开关2控制励磁电源1和高温超导线圈的连接，持续电流开关3和高温超导线圈4焊接在一起构成高温超导电磁铁浸泡在低温容器5中的液氮里。持续电流开关3和高温超导线圈4采用特殊焊接方法，使焊接点阻抗最小化。热控式持续电流开关，超导电磁铁以及电流引线均采用高温超导线材连接，使得接头的焦耳热损耗减少。
如图2所示，图为热控式持续电流开关结构示意图。高温超导线材6的一部分与加热线圈8一起封装在绝热材料7当中。温度传感器9用来测量封装在绝热材料7中高温超导线材的温度。加热线圈电源10与加热线圈8并联，通过控制加热线圈电源10的电流，使得加热线圈8温度升高从而使热量传递到封装于绝热材料7的高温超导线材。当高温超导线材的温度高于临界温度时，超导材料由超导态转化为正常态，热控式持续电流开关断开。在励磁过程中，当高温超导线圈的电流达到预定值，控制加热线圈电源10的电流，使其降为0，当高温超导线材温度降低至低于临界值时，超导材料由转化为超导态。热控式持续电流开关由断开状态转变为导通状态，高温超导电磁铁进入闭环运行模式。通过改变高温超导线材的温度实现持续电流开关部位超导态和正常态之间的转换，从而实现闭环电路的导通和切断。
如图3所示，图为本发明的高温超导线圈结构示意图。高温超导线圈4由高温超导线材绕制成双层跑道形线圈，双层跑道形线圈的匝数，数量等参数由系统设计决定。为了使外部对电磁铁的热渗透最小化，励磁电源1的电流引线与高温超导线圈4的连接部分设计成可拆卸的接头11。
本发明的电路的工作原理包括高温超导电磁铁励磁过程、闭环运行过程和退磁过程三种工作状态。
励磁过程：持续电流开关3和高温超导线圈4焊接在一起构成高温超导电磁铁浸泡在低温容器5中的液氮里，通过控制加热线圈电源10的电流，使得加热线圈8温度升高从而使热量传递到封装于绝热材料7的高温超导线材，当高温超导线材的温度高于临界温度时，持续电流开关3处于断开状态。此时接通励磁电源开关2，使得励磁电源1为高温超导线圈4励磁，当超导线圈4中的电流达到预定值后励磁过程结束。
闭环运行过程：控制加热线圈电源10的电流，使其降为0，当持续电流开关3温度降低至低于临界值时持续电流开关3由断开状态转变为导通状态。减小励磁电源1的供电电流至0，然后完全切断励磁电源开关2，高温超导电磁铁进入闭环运行模式。
退磁过程：接通励磁电源开关2，增加励磁电源1的供电电流至高温超导电磁铁的电流值，此时持续电流开关3电流为0，控制加热线圈电源10的电流，使得加热线圈8温度升高从而使持续电流开关3处于断开状态，高温超导线圈4开始退磁，减小励磁电源1的供电电流至0，退磁过程结束。
为了减少液氮的损耗，在退磁结束之后控制加热线圈电源10的电流，使其降为0，使得持续电流开关3处于超导状态。
最后应说明的是：以上所述仅为本技术发明的优选实施例而已，并不用于限制本技术发明，尽管参照前附图纸对本发明进行了详细说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施案例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的经审核原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于高温超导电磁铁的热控式持续电流开关电路，用以实现高温超导电磁铁可以在闭环模式下的稳定运行，其特征在于，该热控式持续电流开关电路包括励磁电源(1)、分别并联在励磁电源(1)两端且焊接在一起且浸泡在低温容器(5)中的热控式持续电流开关(3)和高温超导线圈(4)，所述的热控式持续电流开关(3)包括高温超导线材(6)、绝热材料(7)、加热线圈(8)以及加热线圈电源(10)，所述的加热线圈(8)套设在高温超导线材(6)的开关段的外表面，并且一起封装在绝热材料(7)中，所述的高温超导线材(6)除开关段的两端分别并联在励磁电源(1)两端，所述的加热线圈(8)上还设有温度传感器(9)，所述的高温超导线圈(4)为一由高温超导线材绕制成的双层跑道形线圈；
该热控式持续电流开关电路的工作状态包括高温超导电磁铁励磁状态、闭环运行状态和退磁状态，当该热控式持续电流开关电路处于高温超导电磁铁励磁状态时：
持续电流开关和高温超导线圈焊接在一起构成高温超导电磁铁浸泡在低温容器中的液氮里，通过控制加热线圈电源的电流，使得加热线圈温度升高从而使热量传递到封装于绝热材料的高温超导线材，当高温超导线材的温度高于临界温度时，持续电流开关处于断开状态，此时接通励磁电源开关，使得励磁电源为高温超导线圈励磁，当超导线圈中的电流达到预定值后结束；
当该热控式持续电流开关电路处于闭环运行状态时：
控制加热线圈电源的电流，使其降为0，当持续电流开关的温度降低至低于临界值时持续电流开关由断开状态转变为导通状态，减小励磁电源的供电电流至0，然后完全切断励磁电源开关，高温超导电磁铁进入闭环运行模式；
当该热控式持续电流开关电路处于退磁状态时：
接通励磁电源开关，增加励磁电源的供电电流至高温超导电磁铁的电流值，此时持续电流开关电流为0，控制加热线圈电源的电流，使得加热线圈温度升高，从而使持续电流开关处于断开状态，高温超导线圈开始退磁，减小励磁电源的供电电流至0，退磁过程结束，为减少液氮损耗，在退磁结束之后控制加热线圈电源的电流，使其降为0，使得持续电流开关处于超导状态。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温超导电磁铁的热控式持续电流开关电路，其特征在于，所述的高温超导线圈(4)与励磁电源(1)的两端引线之间设有可拆卸的接头(11)。
3.根据权利要求1所述的一种用于高温超导电磁铁的热控式持续电流开关电路，其特征在于，所述的低温容器(5)中填充液氮。
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