CN110428949B - 基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置及方法，包括：超导磁体回路、耦合释能回路；所述超导磁体回路包括：超导磁体；所述耦合释能回路包括：金属耦合层；所述金属耦合层紧靠所述超导磁体。本发明基于磁路耦合的原理，通过设计金属耦合层形式的超导磁体冷屏或者支撑骨架，实现了不影响超导磁体正常工作状态并能在失超或者对磁体进行主动去磁时有效释放超导磁体部分能量的作用，可有效减少超导磁体在失超或者主动去磁情况下的热量耗散、减小电动力、降低磁体损坏的风险。此方法投入成本小，可靠性高，可应用于实际工程中，为超导磁体的安全运行起到保护作用。

Description

基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置及方法

技术领域

本发明涉及导磁体主动释能装置，具体地，涉及一种基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置及方法，尤其是一种在超导磁体失超或主动去磁情况下的能量释放途径和失超保护方法。

背景技术

近年来，随着高温超导材料的高速发展与产业化，为以YBCO涂层导体为主的第二代高温超导带材，相比于传统的低温超导材料，可在强外场以及高工作温度下承载更高的电流，同时其具有较高的临界温度Tc，可工作在液氮环境(77K)甚至更高的温度下，大大降低了对低温恒温器等相关冷却系统的制冷成本，加之其在液氦温区内不可逆场大于100T，远远突破了低温超导的极限。因此，以第二代高温超导带材构建的高温超导磁体，具有载流能力强、能量损耗低、经济成本低、可构建稳定强磁场的优点。以高温超导磁体为主体研发的超导变压器、超导限流器、超导直流感应加热器、超导直流电机、超导移动式医疗磁体等，在现代电力系统、航空航天、医用核磁共振等领域中都具有极高的应用价值与应用潜力。高温超导磁体具备极大的电流承载能力的同时，也往往面临着严重的失超问题。尤其对于第二代高温超导带材绕制的高温超导线圈，由于其常为多匝且紧凑的结构，一旦由于某些人为或者外界的因素，导致其部分带材处于临界温度以上，该部分超导带材就会从超导态变为常态，电阻迅速增大，若线圈内存在大电流，则会产生大量焦耳热，继而温度上升，使得失超范围进一步扩大甚至过热烧毁超导磁体。超导磁体的失超保护就是采用一定的手段或工具快速检测到失超状态，在对磁体本身不造成永久损坏的情况下，将磁体内部的能量释放。本发明从脉冲变压器的原理出发，提出了一种基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置，通过设置外部金属耦合层，在失超或者主动去磁的情况下，为超导磁体下提供能量释放回路，降低超导磁体自身因磁能释放产生的温升和电动力，起到保护超导磁体的作用。

专利文献CN106558869B公开了一种用于超导磁体系统的失超保护电路，超导磁体系统包含若干个超导线圈单元，且若干个超导线圈单元串联连接，失超保护电路与至少一个超导线圈单元并联连接，包括串联连接的数个加热器和多阶支路，加热器与超导线圈单元热耦合，多阶支路包括第一阶支路、第二阶支路，第一支路、第二支路的阻抗不同；加热器可连接第一阶支路和/或第二阶支路，且第一阶支路、第二阶支路被配置为并联状态并与加热器电气连接，或者第一阶支路和第二阶支路中仅有一条支路与加热器电气连接。本申请的多阶支路可组成接力式保护电路，提高失超传播的稳定性和有效性。该专利并不能实现无外接失超保护电路存在亦能达到失超保护回路的作用，在提高失超传播的可行性、稳定性和有效性方面仍有待完善之处。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置及方法。

根据本发明提供的一种基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置，包括：超导磁体回路、耦合释能回路；所述超导磁体回路包括：超导磁体；所述耦合释能回路包括：金属耦合层；所述金属耦合层紧靠所述超导磁体。

优选地，还包括：外筒；金属耦合层制成冷屏或者支撑骨架；所述冷屏设置于外筒与超导磁体之间。

优选地，还包括：制冷机；制冷机包括：一级冷头、二级冷头；冷屏与制冷机的一级冷头相连，超导磁体与制冷机的二级冷头相连；所述冷屏包括以下任一种或者任多种结构：-内侧冷屏结构；-外侧冷屏结构；所述内侧冷屏结构设置于超导磁体内侧；所述外侧冷屏结构设置于超导磁体外侧。

优选地，金属耦合层内部设置有内部空腔；所述内部空腔设置于内侧冷屏结构的内侧；所述内部空腔充有易激发为等离子体的气体(如氩气等)。

优选地，金属耦合层作为超导磁体支撑骨架；超导磁体支撑骨架包括：内骨架。

优选地，内骨架上下两侧设置有上侧夹板、下侧夹板；所述上侧夹板、下侧夹以及内骨架形成特定包围程度的骨架结构。

优选地，所述超导磁体支撑骨架还包括：外骨架；所述外骨架、上侧夹板、下侧夹以及内骨架形成全包围程度的骨架结构。

优选地，所述外筒为低温杜瓦外筒；所述超导磁体包括：超导线圈；所述金属耦合层采用的材质为强导电性材料(优选的该材料为铜、铝)；所述超导线圈采用高温超导带材(优先的采用二代高温超导带材)；所述超导线圈设置于稳定冷却装置，稳定冷却装置能够提供稳定冷却环境(优选的该环境为固氮环境)。

根据一种基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能方法，包括：步骤1：设置一次回路，超导磁体发生失超或进行主动去磁，线圈部分带材由超导态变为常阻态，一次侧回路出现电阻，一次侧回路电流下降，引起磁通变化；步骤2：将与超导磁体磁路耦合的外部金属耦合层设置为二次回路，二次回路自动感应出电流，将超导磁体内的部分磁能通过二次回路的电阻耗散。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提出的新型装置结构是使用金属耦合层作为装置的冷屏或者超导磁体的支撑骨架，与超导磁体形成磁路耦合，从而使超导磁体在主动去磁或者失超的情况下，部分磁体能量能通过金属耦合层释放，减少超导磁体大量释能造成的损坏；

2、本发明具有更高的可行性，可有效减少超导磁体在失超或者主动去磁情况下的热量耗散、减小电动力、降低磁体损坏的风险；

3、本发明投入成本小，可靠性高，可应用于实际工程中，为超导磁体的安全运行起到保护作用

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明实施例中超导磁体与金属耦合层部分等效电路示意图

图3为本发明实施例中金属耦合层设计为冷屏的示意图

图4为本发明实施例中金属耦合层设计为冷屏且带等离子体空腔的示意图

图5为本发明实施例中金属耦合层为超导磁体支撑骨架的示意图

图6为本发明实施例中装置部分结构的示意图

图7为本发明实施例中超导磁体失超前后的一次侧回路电流仿真结果示意图

图8为本发明实施例中超导磁体失超前后的二次侧回路电流仿真结果示意图

图9为本发明实施例中金属耦合层在不同失超点阻值及耦合系数下的释能及升温情况示意图

图中：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，根据本发明提供的一种基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置，包括：超导磁体回路、耦合释能回路；所述超导磁体回路包括：超导磁体；所述耦合释能回路包括：金属耦合层；所述金属耦合层紧靠所述超导磁体。

本发明将基于脉冲变压器的原理，在超导磁体周围设置金属耦合层、或优化现有超导磁体的支撑骨架以及冷屏系统，通过磁路耦合的方式，使得金属耦合层作为二次释能保护回路，在失超或者主动去磁的情况下能有效快速释放超导磁体的大部分能量，避免超导磁体因大量释能升温或者过大电动力而损坏，从而实现保护磁体的作用。超导磁体回路，所述超导磁体主要为超导线圈，作为该释能装置的一次回路，正常工作时处于持续电流闭环运行模式下，线圈处于超导态，内部电阻几乎为零，内部电流为恒定直流电，失超时部分线圈由超导态变为常阻态，回路出现较大电阻；耦合释能回路，主要结构为金属耦合层，结构上紧靠所述超导磁体，一方面作为该超导磁体的冷屏或者支撑骨架，另一方面作为该释能装置的二次回路与所述超导磁体实现磁路耦合，用于在失超或主动去磁情况下给超导磁体回路提供能量释放的途径。

优选地，还包括：外筒；金属耦合层制成冷屏或者支撑骨架；金属耦合层设置于外筒与超导磁体之间。

优选地，还包括：制冷机；制冷机包括：一级冷头、二级冷头；冷屏与制冷机的一级冷头相连，超导磁体与制冷机的二级冷头相连；所述冷屏包括以下任一种或者任多种结构：-内侧冷屏结构；-外侧冷屏结构；所述内侧冷屏结构设置于超导磁体内侧；所述外侧冷屏结构设置于超导磁体外侧。

优选地，金属耦合层内部设置有内部空腔；；所述内部空腔设置于内侧冷屏结构的内侧；所述内部空腔充有易激发为等离子体的气体，如氩气。

优选地，金属耦合层作为超导磁体支撑骨架；超导磁体支撑骨架包括：内骨架。

优选地，内骨架上下两侧设置有上侧夹板、下侧夹板；所述上侧夹板、下侧夹以及内骨架形成特定包围程度的骨架结构。

优选地，所述超导磁体支撑骨架还包括：外骨架；所述外骨架、上侧夹板、下侧夹以及内骨架形成全包围程度的骨架结构。

本发明提出了多种基于金属耦合层的优化设计，包括如下结构：结构1，金属耦合层作为超导磁体冷屏，且有单侧冷屏和双侧冷屏两种结构形式；结构2，金属耦合层作为超导磁体冷屏且内部空腔充有等离子体；结构3，金属耦合层作为超导磁体支撑骨架，且有内骨架、内骨架含上下夹板、全包围三种结构形式。

优选地，所述外筒为低温杜瓦外筒；所述超导磁体包括：超导线圈；所述金属耦合层采用的材质为强导电性材料，如铜、铝；所述超导线圈采用高温超导带材；所述超导线圈设置于稳定冷却装置；

稳定冷却装置能够提供稳定冷却环境，该冷却稳定环境可以为固氮环境。

根据本发明提供地一种基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能方法，包括：步骤1：设置一次回路，超导磁体发生失超或进行主动去磁，线圈部分带材由超导态变为常阻态，一次侧回路出现电阻，一次侧回路电流下降，引起磁通变化；步骤2：将外部与超导磁体磁路耦合的金属耦合层设置为二次回路，二次回路自动感应出电流，将超导磁体内的部分磁能通过二次回路的电阻耗散。具体地，在一个实施例中，主要步骤如下：步骤1，超导磁体处于超导态，正常工作于恒定电流模式，线圈内部电阻几乎为0，一次侧回路存在较大的恒定直流电。此时磁通无变化，故二次侧金属耦合层无感应电流产生，超导磁体的能量不会通过二次侧回路消耗。该超导线圈选材为第二代高温超导带材。该超导线圈应工作于固氮环境中。步骤2，超导磁体发生失超或进行主动去磁，线圈部分带材由超导态变为常阻态，一次侧回路出现电阻，由于磁体电感的存在，电流不能瞬时下降为0，故在大电流的作用下，超导线圈内部磁能以热能的形式在失超点或者横流开关处耗散，一次侧回路电流下降，引起磁通变化。因外部金属耦合层与超导磁体磁路耦合，其作为二次回路将感应出电流，使得超导磁体内的部分磁能通过二次回路的电阻耗散，从而实现超导磁体的失超保护作用。

为更好地阐明本发明，本发明相关的仿真建模如下：

如图1，装置包括冷屏、超导磁体、低温杜瓦外筒、制冷机、一级冷头、二级冷头。所述冷屏置于低温杜瓦外筒与超导磁体之间，冷屏与制冷机的一级冷头相连，超导磁体与制冷机的二级冷头相连。超导磁体主要结构为超导线圈及其支撑骨架。本发明提出的新型装置结构是使用金属耦合层作为装置的冷屏或者超导磁体的支撑骨架，与超导磁体形成磁路耦合，从而使超导磁体在主动去磁或者失超的情况下，部分磁体能量能通过金属耦合层释放，减少超导磁体大量释能造成的损坏，其主要内容如下：超导磁体回路，所述超导磁体主要为超导线圈，作为该释能装置的一次回路，正常工作时处于持续电流模式下，线圈处于超导态，内部电阻几乎为零，内部电流为恒定直流电，失超时部分线圈由超导态变为常阻态，回路出现较大电阻。耦合释能回路，主要结构为金属耦合层，结构上紧靠所述超导磁体，一方面作为该装置的冷屏或者超导磁体的支撑骨架，另一方面作为该释能装置的二次回路与所述超导磁体实现磁路耦合，用于在失超或主动去磁情况下给超导磁体回路提供能量释放的途径。

根据本发明，提供了该金属耦合层及超导磁体部分的等效电路。如图2所示，该等效电路由直流电源、阻性开关、超导磁体等效电阻、超导磁体等效电感、等效互感、金属耦合层等效电感、金属耦合层等效电阻构成，主要内容如下：一次侧回路，为超导磁体等效电路，其由直流电源、阻性开关、超导磁体等效电阻、超导磁体等效电感串联而成。所述直流电源可提供恒定电流给超导磁体回路，用于等效超导磁体在超导态时正常工作在恒定电流模式下的状态；所述阻性开关用于等效失超或主动去磁情况发生时的失超点电阻变化，其处于导通状态时无电阻，关断状态时存在较大的阻值；所述等效电感及电阻用于等效整个超导线圈正常工作状态下的阻抗情况；二次侧回路，为金属耦合层等效电路，其主要由金属耦合层等效电感及金属耦合层等效电阻串联而成，用于等效金属耦合层实际工作状态下的阻抗情况；所述等效互感用于等效金属耦合层与超导磁体之间的耦合程度。

根据本发明，针对不同的使用环境以及释能需求，金属耦合层可包含如下具体结构：结构1，金属耦合层作为超导磁体冷屏。如图3(a)所示，金属耦合层可设计为超导磁体外侧冷屏的形式，结构上与磁体同轴且包围在超导磁体外部，以获取一定的耦合程度。由于金属耦合层与超导磁体之间存在耦合关系，在超导磁体主动去磁或者失超的情况下，超导磁体回路电流的变化会在金属耦合层上感应出电流，使得部分磁体能量通过金属耦合层释放；如图3(b)所示，可在通过在超导磁体内侧加设冷屏的方法，形成内外两侧双冷屏的结构，使得耦合系数进一步增大。结构2，金属耦合层作为超导磁体冷屏且内部空腔充有易激发为等离子体的气体。如图4所示，可在金属耦合层设计为超导磁体冷屏的基础上，在内部空腔内充满易激发为等离子体的气体。若超导磁体主动去磁或者发生失超，金属耦合层上感应电流的同时等离子体也会激发，进一步使得部分磁体能量通过等离子体释放。结构3，金属耦合层作为超导磁体支撑骨架。以常见的跑道型双饼超导线圈为例，图5展示了其三种不同结构的超导线圈支撑骨架，分别对应不同的耦合系数：图5(a)为一种常见的超导线圈支撑骨架，即使用金属耦合层作为超导线圈的内骨架，可形成一定程度的耦合；如图5(b)所示，通过在超导线圈支撑骨架上下两侧增加夹板，形成包围程度更高的线圈骨架结构，可使耦合系数变大；如图5(c)所示，通过进一步在线圈外侧设置外骨架的方法，可以形成对超导线圈全包围的线圈骨架结构，使得耦合程度进一步增大，耦合系数进一步提高。

根据本发明，提供了一种在超导磁体失超或主动去磁情况下的能量释放途径和失超保护方法，主要步骤如下：步骤1，超导磁体处于超导态，正常工作于恒定电流模式，线圈内部电阻几乎为0，一次侧回路存在较大的恒定直流电。此时磁通无变化，故二次侧金属耦合层无感应电流产生，超导磁体的能量不会通过二次侧回路消耗。步骤2，超导磁体发生部分失超或进行主动去磁，线圈部分带材由超导态变为常阻态，一次侧回路出现电阻，由于磁体电感的存在，电流不能瞬时下降为0，故在大电流的作用下，超导线圈内部磁能以热能的形式在失超点耗散，一次侧回路电流下降，引起磁通变化。因外部金属耦合层与超导磁体磁路耦合，其作为二次回路将感应出电流，使得超导磁体内的部分磁能通过二次回路的电阻耗散，从而实现超导磁体的失超保护作用。进一步地，应使得失超点处阻值尽量大。进一步地，金属耦合层应与超导线圈同轴且结构上尽可能紧凑，以获取更高的耦合系数。

对于与外界存在电气连接的超导磁体，可不使用本装置进行释能，其工作及释能方式如图6(a)所示：整个超导磁体装置置于低温杜瓦中，正常运行状况下，外部电源通过电流引线与超导磁体进行电气连接，为磁体提供电流；若突然发生失超或者关断电源进行主动去磁，磁体能量由带电阻、电感的外部释能电路进行释放，起到保护超导磁体的作用。如图6(b)所示，通过设置金属耦合层，将外部释能电路改为本发明中基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置，也可在失超或者主动去磁的情况下，为超导磁体能量提供释能途径，从而保护磁体。而对于与外界无电气连接的超导磁体，如图6(c)所示，本发明的释能装置则具有更高的可行性。超导磁体置于完全密闭的低温杜瓦中，经励磁后工作在持续电流模式下，无须外部电源提供电流，也无法通过电流引线或接头与外界产生电气连接，因此无法设置外部释能电路对磁体能量进行释放。本发明的非接触式超导磁体主动释能装置为这种情况下的磁体保护提供了有效方案，在此情况下，依然可以通过设置外部金属耦合层的方式，在失超或者控制超导开关PCS进行主动去磁的情况下，为超导磁体能量提供释能途径，对磁体进行有效保护。

对该基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置进行仿真建模并得到了仿真结果。仿真电路如图2所示，仿真结果如图7至图9所示。图7和图8为失超前后一次侧超导磁体与二次侧金属耦合层的电流曲线，图9为经计算后的磁体总能量及二次侧能量释放情况。不难发现，在发生失超的情况下，通过该装置，超导磁体回路内的能量可在失超后短时间内(小于2.5s)降为零，达成瞬时、有效保护；同时，通过二次侧金属耦合层可有效对超导磁体部分磁能进行释放，且能量释放造成的金属耦合层升温较小，无过热危险，进一步验证了该装置的可行性及安全性。由对照试验得知，通过增大耦合系数以及提升失超点的电阻，可有效缩短保护时间及增大二次侧释放磁体能量的比例，使保护效果更佳。

失超是超导磁体在应用过程中十分普遍且严重的问题。由于高温超导磁体高载流能力以及大电感的特点，一旦发生失超，磁体内大量能量会在失超点以热能的形式耗散并往往伴有较大的电动力，使得超导磁体存在严重损坏的风险。本发明基于磁路耦合的原理，通过设计金属耦合层形式的超导磁体冷屏或者支撑骨架，实现了不影响超导磁体正常工作状态并能在失超或者对磁体进行主动去磁时有效释放超导磁体部分能量的作用，可有效减少超导磁体在失超或者主动去磁情况下的热量耗散、减小电动力、降低磁体损坏的风险。此方法投入成本小，可靠性高，可应用于实际工程中，为超导磁体的安全运行起到保护作用。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置，其特征在于，包括：超导磁体回路、耦合释能回路；

所述超导磁体回路包括：超导磁体；

所述耦合释能回路包括：金属耦合层；

所述金属耦合层紧靠所述超导磁体；

还包括：外筒；

金属耦合层制成冷屏；

所述冷屏包括以下任一种或者任多种结构：

-内侧冷屏结构；

-外侧冷屏结构；

所述冷屏设置于外筒与超导磁体之间，或者

所述内侧冷屏结构设置于超导磁体内侧，所述外侧冷屏结构设置于超导磁体外侧；

还包括：制冷机；

制冷机包括：一级冷头、二级冷头；

冷屏与制冷机的一级冷头相连，超导磁体与制冷机的二级冷头相连；

金属耦合层内部设置有内部空腔；

所述内部空腔设置于内侧冷屏结构的内侧；

所述内部空腔充有易激发为等离子体的气体；金属耦合层作为超导磁体支撑骨架；

超导磁体支撑骨架包括：内骨架。

2.根据权利要求1所述的基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置，其特征在于，

内骨架上下两侧设置有上侧夹板、下侧夹板；

所述上侧夹板、下侧夹以及内骨架形成特定包围程度的骨架结构。

3.根据权利要求2所述的基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置，其特征在于，所述超导磁体支撑骨架还包括：外骨架；

所述外骨架、上侧夹板、下侧夹以及内骨架形成全包围程度的骨架结构。

4.根据权利要求1所述的基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置，其特征在于，所述外筒为低温杜瓦外筒；

所述超导磁体包括：超导线圈；

所述超导线圈设置于稳定冷却装置；

稳定冷却装置能够提供稳定冷却环境。

5.一种基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的基于磁路耦合的非接触式超导磁体主动释能装置，包括：

步骤1：设置一次回路，超导磁体发生失超或进行主动去磁，线圈部分带材由超导态变为常阻态，一次侧回路出现电阻，一次侧回路电流下降，引起磁通变化；

步骤2：将与超导磁体磁路耦合的外部金属耦合层设置为二次回路，二次回路自动感应出电流，将超导磁体内的部分磁能通过二次回路的电阻耗散。

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