CN109887702B - 一种用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线装置及其使用方法，涉及高温超导技术领域，包括引线主体、辅助制冷装置、引线分离装置、引线螺旋部分、法兰，所述引线主体包括引线室温端和引线低温端，所述辅助制冷装置用于所述引线室温端的降温，所述引线主体和所述引线分离装置可分离地接触。本发明避免了在磁体无需励磁时由引线带给低温环境的热负荷，大大降低了引线对低温制冷机的要求，减轻了对磁悬浮列车车载供电的需求，设计结构简洁，使得整个装置的鲁棒性大大增加，能够在磁悬浮列车运行过程中的振动下正常工作。

Description

一种用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线

技术领域

本发明涉及高温超导技术领域，尤其涉及一种用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线装置及其使用方法。

背景技术

超导现象于1911年被发现，并且由于其零电阻特性等优良特性迅速在世界范围内得到研究者们的关注。但是由于超导体的临界温度比较低，通常为0-10K(低温超导体)，超导体的应用场合大大受限。因此，很多科学家致力于寻找临界温度较高的超导材料。随着越来越多的高临界温度的超导材料被发现，超导体发展进入高温超导时代，超导体的临界温度已经可以达到92K，在液氮环境下即可使材料进入超导态。相较于低温超导而言，高温超导的临界温度大大提高，对制冷要求大大降低，使超导体的应用难度大大降低。目前，高温超导材料已经实现工业化量产，生产的超导带材能绕制成超导磁体，并能够产生传统永磁体或电磁铁无法达到的强磁场。超导磁体在具备强磁场优势的同时，保证了磁体紧凑化，轻量化的特点。

磁悬浮技术可有效避免接触带来的摩擦损耗，可大大提高运行效率和设备的使用寿命。将该技术运用于列车上，即可成为磁悬浮列车。磁悬浮列车具有运行速度快，噪声小，维护费用低等优点，已成为新一代高速列车发展的主流方向之一。磁悬浮列车的悬浮与推进系统均需依靠车体上的磁体与地面磁体之间的电磁力来完成。高温超导磁体能够产生远大于永磁体或常规电磁铁所产生磁场，且超导磁体的质量轻，体积小，在磁悬浮列车的应用中极具潜力。利用超导磁体作为推进或悬浮装置，能够有效增加列车推力与悬浮力的同时保证载客量。

高温超导的运行温度较低温超导不同，因此其制冷策略也与低温超导大相径庭。原本适用于低温超导磁体的励磁方式在高温超导磁体上将会显得非常繁琐和复杂。尤其是使用铜制电流引线和超导电流引线结合的方式时，需要兼顾超导电流引线的制冷。磁悬浮列车在运行过程中与地面无直接接触，因此车上的供电容量极其有限，应尽量避免大功率设备的运行，例如低温制冷机等。高温超导磁体的运行温度得到提高，制冷也得到简单化。故针对于高温超导磁体在磁悬浮列车上使用时的励磁系统，需要经过特殊设计，应在满足励磁要求的情况下，减少对低温制冷机的依赖，同时保证励磁系统的安全稳定工作，避免过量发热导致磁体系统出现失超等问题。

目前已有的励磁系统方案如下：

a.无氧铜电流引线励磁

无氧铜在低温下具有电阻小的优点，因此能够适用于大电流情况下的超导磁体励磁。且无氧铜励磁引线鲁棒性高，安全可靠。但同时无氧铜在低温下热导率很高，会导致制冷系统漏热严重，低温制冷机负荷很大。

b.混和电流引线励磁

混合电流引线采用无氧铜引线与超导引线结合的方式。在低温段使用超导电流引线，能有效减少漏热，室温端则使用无氧铜引线，避免了超导引线的失超。但是，混和电流引线的超导段需要保证制冷，这增加了制冷系统的不确定性。

c.磁通泵励磁

磁通泵需在磁体的低温制冷腔体内安装能够产生运动磁场从装置或是变压器。这虽然避免了引线带来的热负荷，但增加了制冷腔体的复杂性，且带来了额外的重量。同时，磁通泵的励磁效果不及利用引线励磁。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线装置及其使用方法，经过优化设计和计算，确定本装置的引线的最优长度和直径，在高效励磁的同时减少低温制冷机的热负荷，同时无需依赖于低温制冷机，使得超导磁悬浮列车的励磁过程大大简化。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在高效励磁的同时减少低温制冷机的热负荷，同时使得超导磁悬浮列车的励磁过程大大简化。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线装置，包括引线主体、辅助制冷装置、引线分离装置、引线螺旋部分、法兰，所述引线主体包括引线室温端和引线低温端，所述辅助制冷装置用于所述引线室温端的降温，所述引线主体和所述引线分离装置可分离地接触。

进一步地，所述辅助制冷装置包括液氮罐和热锚，所述液氮罐上设置有进液口、出气口和导冷片，所述导冷片经软连接部与所述热锚连接，所述热锚经绝缘基片固定在所述引线室温端上。

进一步地，所述引线分离装置包括引线提竿、导电块、绝缘支撑座，所述引线室温端和所述导电块可分离地接触，所述引线低温端穿过所述法兰经所述引线螺旋部分与所述导电块连接，所述引线提竿基部设置有螺纹，所述引线提竿基部与引线室温端固定连接，以便通过旋转所述引线提竿将所述引线室温端压入或脱离所述导电块，所述导电块经所属绝缘支撑座固定设置在所述法兰上。

进一步地，还包括末端导冷，所述末端导冷经绝缘基片固定在所述引线低温端上。

进一步地，所述引线主体、热锚、导电块、末端导冷、引线螺旋部分采用无氧铜材料制作。

进一步地，所述引线螺旋部分的长度根据其固体传热和焦耳热的总热负荷最低确定。

进一步地，所述软连接部为铜编织带，所述铜编织带两端压接或焊接有线鼻子，所述线鼻子通过螺栓连接或焊接固定在所述导冷片和所述热锚上。

进一步地，所述引线室温端和所述导电块的接触方式为锥形面插接。

进一步地，所述热锚连接处至引线低温端设置在真空环境中。

本发明还提供了一种用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线的使用方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、磁体励磁前，通过旋转引线提竿，利用所述引线提竿基部的螺纹使得引线室温端压入导电块；

步骤2、往液氮罐中注入液氮，将所述液氮罐上的导冷片与热锚通过软连接部良好接触；

步骤3、通过电流引线施加励磁电流进行磁体励磁，待磁体励磁完成后，切断电流引线上的电流；

步骤4、通过旋转所述引线提竿，利用所述引线提竿基部的螺纹使得所述引线室温端脱离所述导电块；

步骤5、当需再次励磁时，先将液氮充满所述液氮罐，待所述引线室温端冷却后再旋转所述引线提竿，利用所述引线提竿基部的螺纹使得所述引线室温端压入所述导电块，重复步骤3和步骤4。

本发明的有益技术效果为：

1、避免了在磁体无需励磁时由引线带给低温环境的热负荷。

2、大大降低了引线对低温制冷机的要求，减轻了对磁悬浮列车车载供电的需求。

3、通过优化设计方法和螺旋结构，可以在磁体励磁时达到最低的热负荷，进一步减轻了对列车车载供电的需求。

4、励磁效率高于磁通泵，且能够避免给磁体带来额外的重量和体积，适用于在对重量和体积敏感的工况下运行。

5、在达到混合引线优点的同时，避免了混合引线复杂的设计结构，使得整个装置的鲁棒性大大增加，能够在磁悬浮列车运行过程中的振动下正常工作。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的三维结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的电流引线部分的三维结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的辅助制冷装置的三维结构示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的引线分离装置的三维结构示意图。

其中，1-引线主体，2-热锚，3-液氮罐，4-导电块，5-引线螺旋部分，6-末端导冷，7-法兰，8-外接通电电缆，9-引线室温端，10-引线低温端，11-引线提竿，12-进液口，13-出气口，14-导冷片，15-绝缘支撑座。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，该装置由引线主体1、热锚2、液氮罐3、引线提竿11、导电块4、绝缘支撑座15、引线螺旋部分5、末端导冷6和法兰7组成。其中引线主体1、热锚2、导电块4、末端导冷6和引线螺旋部分5采用无氧铜制作，保证了高效导冷和低电阻特性，法兰7采用高强度不锈钢制作，保证了装置的坚固性。热锚2与引线之间以及末端导冷6与引线之间采用氮化铝片夹层，可保证绝缘的同时满足对引线降温需求。

如图2所示，电流引线采用无氧铜制作，用于超导磁体的励磁。电流引线外接通电电缆8，由引线室温端9通向引线低温端10，在一定程度上会对磁体运行的低温环境产生一定的热负荷。该热负荷主要由电流引线的固体传热与通流时的焦耳热产生。对于固体传热，其与引线的截面积成正比，与引线的长度成反比；对于焦耳热，则与引线的截面积成反比，与引线的长度成正比。因此，必然存在一个引线的最佳长度，能够兼顾固体传热与焦耳热，使得电流引线的总热负荷最低。鉴于超导磁悬浮列车上对于空间的严格限制，本装置利用螺旋电流引线的设计，在有限的空间内能够满足电流引线对最佳长度和截面积的要求，使得在保持结构紧凑的同时获得最优化的设计结果。

如图3所示，对引线室温端9降温能够显著减少电流引线对低温环境的热负荷。本装置利用一个液氮罐3将引线室温端9降温至液氮温度(77K)。液氮罐3上设置有进液口12、出气口13和导冷片14，通过液氮罐3上的导冷片14经铜编织带与热锚2连接，再由热锚2将液氮的冷量传递至引线上，即可将引线室温端9控制在77K。

如图4所示，电流引线在不工作时将引线室温端9与引线低温端10脱离，以减少低温环境的热负荷。本装置采用了可插拔电流引线的设计，可通过旋转引线提竿11将引线室温端9提起以达到断开的目的。引线提竿11可通过手动旋转或是电机带动旋转。断开处采用了锥形面的设计方式，同时保证了在非断开情况下具有良好的贴合性。导电块4也采用低电阻的无氧铜制作，保证了引线在接通时具有良好的导电性。导电块4与法兰7之间固定设置有环氧G10绝缘支撑座15。

本装置的工作过程和原理如下：

线圈励磁前先将引线插入导电块4，旋转引线提竿11，利用引线提竿11基部的螺纹将引线压入导电块4。利用引线末端的斜面可增加引线与导电块4的接触面积。待引线良好接触后，往液氮罐3中注入液氮，并将液氮罐导冷片14与热锚2通过铜编织带良好接触。其中电流引线的热锚2连接处至引线低温端10需运行在真空环境中以最小化空气的对流漏热。待磁体励磁完成后，先切断引线上的电流，接着旋转引线提竿11使得引线与导电块4分离。由于处于真空中，引线分离后其给低温环境热带来的热负荷可忽略不计。因此可大大减少低温环境的热负荷，同时无需继续补充液氮。当需再次励磁时，应先将液氮充满液氮罐3，待引线冷却至77K后再旋转引线提竿11使得引线与导电块4连接到位。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线装置，其特征在于，包括引线主体、辅助制冷装置、引线分离装置、引线螺旋部分、法兰，所述引线主体包括引线室温端和引线低温端，所述引线室温端设置在室温环境中，所述辅助制冷装置用于所述引线室温端的降温，所述引线主体和所述引线分离装置可分离地接触，所述引线螺旋部分的长度和截面积根据其固体传热和焦耳热的总热负荷最优化确定，所述引线分离装置包括引线提竿、导电块、绝缘支撑座，所述引线室温端和所述导电块可分离地接触，所述引线低温端穿过所述法兰经所述引线螺旋部分与所述导电块连接，所述引线提竿基部设置有螺纹，所述引线提竿基部与引线室温端固定连接，以便通过旋转所述引线提竿将所述引线室温端压入或脱离所述导电块，所述导电块经所述绝缘支撑座固定设置在所述法兰上，所述辅助制冷装置包括液氮罐和热锚，所述液氮罐上设置有进液口、出气口和导冷片，所述导冷片经软连接部与所述热锚连接，所述热锚经绝缘基片固定在所述引线室温端上。

2.如权利要求1所述的用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线装置，其特征在于，还包括末端导冷，所述末端导冷经绝缘基片固定在所述引线低温端上。

3.如权利要求2所述的用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线装置，其特征在于，所述引线主体、热锚、导电块、末端导冷、引线螺旋部分采用无氧铜材料制作。

4.如权利要求1所述的用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线装置，其特征在于，所述软连接部为铜编织带，所述铜编织带两端压接或焊接有线鼻子，所述线鼻子通过螺栓连接或焊接固定在所述导冷片和所述热锚上。

5.如权利要求1所述的用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线装置，其特征在于，所述引线室温端和所述导电块的接触方式为锥形面插接。

6.如权利要求1所述的用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线装置，其特征在于，所述热锚连接处至引线低温端设置在真空环境中。

7.一种如权利要求1所述的用于高温超导磁悬浮列车磁体励磁的电流引线装置的使用方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、 磁体励磁前，通过旋转引线提竿，利用所述引线提竿基部的螺纹使得引线室温端压入导电块；

步骤2、 往液氮罐中注入液氮，将所述液氮罐上的导冷片与热锚通过软连接部良好接触；

步骤3、 通过电流引线施加励磁电流进行磁体励磁，待磁体励磁完成后，切断电流引线上的电流；

步骤4、 通过旋转所述引线提竿，利用所述引线提竿基部的螺纹使得所述引线室温端脱离所述导电块；

步骤5、 当需再次励磁时，先将液氮充满所述液氮罐，待所述引线室温端冷却后再旋转所述引线提竿，利用所述引线提竿基部的螺纹使得所述引线室温端压入所述导电块，重复步骤3和步骤4。

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