CN110632425A - 多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试装置和方法 - Google Patents

多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试实验装置，该装置包括加载系统模块、低温系统模块、磁场系统模块、测量系统模块；所述加载系统模块、低温系统模块、磁场系统模块用于综合模拟超导线材实际的应用环境，所述测量系统模块用于超导线材或线圈在受到温区扰动、磁场扰动、以及应力应变的状态下，测量超导线材或线圈的特征参数。还公开了一种方法：获得高真空环境和低温环境，控制加载系统对高温超导带材与线圈进行应力加载，或者控制磁场系统对高温超导带材与线圈进行磁场加载；控制恒流源对超导带材或者线圈进行电流加载，并记录纳伏表的变化；本发明解决了高温超导带材测试的多场耦合测试问题，填补了国内空白。

Description

多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试装置和方法
技术领域
本发明涉及回旋加速器的领域，具体涉及一种多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试实验装置。
背景技术
自1911年荷兰物理学家麦林昂尼斯发现汞在低温下具有的“零电阻”的超导特性。到目前超导材料发展早已日新月异，尤其是在1986年后，高温超导材料突破性的进展，将超导的实际运行温度提升到了液氮温区，对于超导的应用具有重大的实际意义。伴随着低温制冷技术的迅速发展，也开始越来越多的人进行超导材料实际应用研究。如：超导电机、超导磁铁、超导电缆等等各方面的应用研究。
相比于低温超导体，高温超导体的出现，由于其相对较低于低温超导体更高的临界磁场，且制冷剂更加的廉价、更易获得，成本的降低不受外界的约束等，尤其二代高温超导带材的出现，更加速推动了高温超导带材的载流特性的研究和应用。
相比于低温超导线材的应用中，高温超导带材与线圈的载流能力更易受到温度、磁场、应力的影响：实际的应用环境中带材与线圈在制造的过程中会受到不同程度应力载荷，以及其超导磁体在运行的过程中会受到温度(温度的扰动)、磁场(自场与外场的影响)、应力(冷却应力)因素影响其载流能力的变化，从而引发超导磁体系统不能正常工作。因此，研究高温超导带材与线圈在不同的温度、应力、磁场下的载流能力大小，对超导磁体的线圈组件、低温系统、失超保护系统等设计非常必要。但截至目前，国际上尚无适用于高温超导带材测试的多场耦合测试系统。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试实验装置，目的在于解决现有技术不能在多场耦合状态下测试高温超导带材载流的问题，填补国内空白。
本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：
一种多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试实验装置，该装置包括加载系统模块、低温系统模块、磁场系统模块、测量系统模块；所述加载系统模块、低温系统模块、磁场系统模块用于综合模拟超导线材实际的应用环境，其中，低温系统模块用于为超导线材或者线圈测试提供20K～70K低温宽温区的低温环境、模拟超导线材在不同的温度下超导特性；加载系统模块用于模拟超导线材或线圈在绕制、冷却时所受到弯曲、扭转、拉伸应力；所述磁场系统模块用于模拟高温超导带材或者线圈测试提供模拟真实超导磁体运行时所受到的磁场环境；所述测量系统模块用于超导线材或线圈在受到温区扰动、磁场扰动、以及应力应变的状态下，测量超导线材或线圈的特征参数。
所述加载系统模块，包括伺服电机、丝杠、夹具装置，通过伺服电机带动丝杠传动到夹具装置上，实现对超导线材施加应力应变加载；所述夹具装置用于被加系统模块反复更换，实现对施加拉伸、弯曲、扭转等不同的应力应变。
所述低温系统模块，用于为超导线材提供20K～70K的宽温区的低温环境，该模块包括GM制冷机、制冷剂(冷媒)、温度传感器、真空杜瓦、制冷剂罐、加热片、抽气机组、安全阀、压力表；其中真空杜瓦是通过真空抽气机组获得一个高真空环境，以实现内外的真空隔热，较少内外之间的热传导、热辐射以及热交换，降低热损；GM制冷机用于获得最低20K低温，并冷却制冷剂，将制冷剂也冷却到20K；制冷剂用于循环对超导线材与线圈冷却；加热片用于改变功率、改变低温系统的热损，实现温度在20K～70K的宽温区可调性。
所述测量系统，用于利用PLC和数据采集卡采集监测测试实验台架的环境条件(温度、真空度、应力应变)获取测试实验超导带材和线圈的测试参数；该测量系统包括恒流源、纳伏表、真空计、应变计、温度计、PLC以及数据采集卡；
温度情况一：通过控制低温系统使得超导线材与超导线圈处于某一温度的下，控制恒流源不断的改变，检测纳伏表测得超导线材与线圈的电压超过一定值时，即判断此时为超导线材与线圈的最大载流能力。
应力情况一：通过控制加载系统使得超导线材与超导线圈处于某一应力应变的下，控制恒流源不断的改变，检测纳伏表测得超导线材与线圈的电压超过一定值时，即判断此时为超导线材与线圈的最大载流能力。
多场耦合情况一：通过控制低温系统和加载系统使得超导线材与超导线圈处于某一多场耦合下，控制恒流源不断的改变，检测纳伏表测得超导线材与线圈的电压超过一定值时，即判断此时为超导线材与线圈的最大载流能力。
所述磁场系统模块，主要包括线圈组件、电源通过改变调节电源改变线圈电流的大小，以实现对磁场大小的的改变。
一种多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试实验装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、获得一个高真空环境和低温环境，所述的高真空环境的真空度好于5.0×10-4Pa；所述的低温环境为20K～70K之间的低温环境；
步骤二、依据实验所要求的实验环境条件参数，控制加载系统对高温超导带材与线圈进行应力(拉伸、弯转、扭曲)加载，利用应变计测量其当前所受到的应力大小；或者控制磁场系统对高温超导带材与线圈进行磁场加载，利用霍尔传感器计测量其当前所受到的磁感应强度大小。
步骤三、当达到实验环境所要求的条件时，控制恒流源对超导带材或者线圈进行电流加载，并记录纳伏表的变化，直至其发生失超时，记录此时恒流源的电流以及纳伏表的电压。
本发明的优点效果
本发明通过建立测量系统、加载系统、低温系统、磁场系统、以及分别建立加载系统、低温系统、磁场系统和测量系统的独立连接关系，实现了超导线圈载流能力和三个独立系统之间的桥接关系，通过这种桥接关系实现了各部分之间的相互支持、相互依赖，从而找到了高温超导线材或线圈在受到温区扰动、磁场扰动、以及应力应变的状态下的特征参数，解决了本领域长期以来未曾解决的高温超导带材测试的多场耦合测试问题，填补了国内空白。
附图说明
图1为本发明载流能力测试实验台架原理图；
图2为加载系统原理图；
图3为低温系统原理图；
图4为磁场系统原理图。
具体实施方式
本发明设计原理
三个模拟环境的独立系统通过载流系统实现桥接关系。所述桥接关系就是这三个系统之间虽然没有直接的关系，但是每个模拟环境的独立系统对于载流系统的单独影响会干扰和影响另一个模拟环境的独立系统对载流系统的单独影响。所述的三个模拟环境的独立系统包括低温系统、加载系统、磁场系统。例如，在温度20K的低温环境超导线圈带材的载流能够达到700毫安，此时700毫安对应一个应力值，如果继续调整应力值则载流能力又会发生变化，但当应力调整到一定值时应力变化由弹性形变为塑性形变，在塑性形变情况下再释放为原来的应力时(700毫安时对应的应力)，即使还回到20K的低温环境，但超导线圈带材的载流将不会再回到700毫安了，此时温度的变化对载流已经不起作用，原因是加载系统对载流的变化影响了低温系统对载流的影响；同理，磁场系统模拟实际应用中的磁场也会因为其对载流系统的影响而影响到其它模拟环境的独立系统对载流系统的影响：磁场是一个矢量，磁场的分量与线圈会产生一个夹角，这个夹角会对载流产生影响，当该影响到达一定程度时就会发生超导线圈的失超，失超状态下，加载系统和低温系统无论怎样变换参数都对载流不再发生影响。因此，三个模拟环境的独立的系统其中任何一个都会对另外两个产生影响，但不是直接作用的影响，而是通过载流系统产生的影响。本发明将三个模拟环境的独立系统与测试系统相连接的目的就是通过载流系统测量三个独立系统之间的关系，从而找出一个三者之间的理想对应关系。
基于以上发明原理，本发明设计了一种多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试实验装置。
一种多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试实验装置如图1所示，该装置包括加载系统模块、低温系统模块、磁场系统模块、测量系统模块；所述加载系统模块、低温系统模块、磁场系统模块用于综合模拟超导线材实际的应用环境，其中，低温系统模块用于为超导线材或者线圈测试提供20K～70K低温宽温区的低温环境、模拟超导线材在不同的温度下超导特性；加载系统模块用于模拟超导线材或线圈在绕制、冷却时所受到弯曲、扭转、拉伸应力；所述磁场系统模块用于模拟高温超导带材或者线圈测试提供模拟真实超导磁体运行时所受到的磁场环境；所述测量系统模块用于超导线材或线圈在受到温区扰动、磁场扰动、以及应力应变的状态下，测量超导线材或线圈的特征参数。
所述加载系统模块如图3所示，包括伺服电机、丝杠、夹具装置，通过伺服电机带动丝杠传动到夹具装置上，实现对超导线材施加应力应变加载；所述夹具装置用于被加系统模块反复更换，实现对施加拉伸、弯曲、扭转等不同的应力应变。
所述低温系统模块如图2所示，用于为超导线材提供20K～70K的宽温区的低温环境，该模块包括GM制冷机、制冷剂(冷媒)、温度传感器、真空杜瓦、制冷剂罐、加热片、抽气机组、安全阀、压力表；其中真空杜瓦是通过真空抽气机组获得一个高真空环境，以实现内外的真空隔热，较少内外之间的热传导、热辐射以及热交换，降低热损；GM制冷机用于获得最低20K低温，并冷却制冷剂，将制冷剂也冷却到20K；制冷剂用于循环对超导线材与线圈冷却；加热片用于改变功率、改变低温系统的热损，实现温度在20K～70K的宽温区可调性。
所述测量系统如图1所示，用于利用PLC和数据采集卡采集监测测试实验台架的环境条件(温度、真空度、应力应变)获取测试实验超导带材和线圈的测试参数；该测量系统包括恒流源、纳伏表、真空计、应变计、温度计、PLC以及数据采集卡；
温度情况一：通过控制低温系统使得超导线材与超导线圈处于某一温度的下，控制恒流源不断的改变，检测纳伏表测得超导线材与线圈的电压超过一定值时，即判断此时为超导线材与线圈的最大载流能力。
应力情况一：通过控制加载系统使得超导线材与超导线圈处于某一应力应变的下，控制恒流源不断的改变，检测纳伏表测得超导线材与线圈的电压超过一定值时，即判断此时为超导线材与线圈的最大载流能力。
多场耦合情况一：通过控制低温系统和加载系统使得超导线材与超导线圈处于某一多场耦合下，控制恒流源不断的改变，检测纳伏表测得超导线材与线圈的电压超过一定值时，即判断此时为超导线材与线圈的最大载流能力。
所述磁场系统模块如图4所示，主要包括线圈组件、电源通过改变调节电源改变线圈电流的大小，以实现对磁场大小的的改变。
实施例一
首先，低温系统的真空杜瓦通过抽气机组获得一个高真空环境，以实现内外的真空隔热，较少内外之间的热传导、热辐射以及热交换，降低热损。直至整个系统真空度好于5.0×10-4Pa。
开启低温系统的GM制冷机对制冷剂进行冷却，获得最低20K低温制冷剂，通过制冷剂的循环实现对超导线材与线圈冷却，根据所要求的低温实验环境条件，改变系统的热损，实现在20K～70K之间的低温环境设定。
同时依据实验所要求的实验环境条件参数，控制加载系统对高温超导带材与线圈进行应力(拉伸、弯转、扭曲)加载，利用应变计测量其当前所受到的应力大小；
控制磁场系统对高温超导带材与线圈进行磁场加载，利用霍尔传感器计测量其当前所受到的磁感应强度大小。所述的磁场为模拟实际应用中线圈受到的自身磁场和外磁场，外磁场如放在线圈中的磁铁，自磁场就是线圈本身的磁场，这些磁场都回影响线圈的载流能力。
当达到实验环境所要求的条件时，控制恒流源对超导带材或者线圈进行电流加载(电流加载梯度为5A)，并记录纳伏表的变化，直至其发生失超时，记录此时恒流源的电流以及纳伏表的电压。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。

Claims (6)

1.一种多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试实验装置，其特征在于：该装置包括加载系统模块、低温系统模块、磁场系统模块、测量系统模块；所述加载系统模块、低温系统模块、磁场系统模块用于综合模拟超导线材实际的应用环境，其中，低温系统模块用于为超导线材或者线圈测试提供20K～70K低温宽温区的低温环境、模拟超导线材在不同的温度下超导特性；加载系统模块用于模拟超导线材或线圈在绕制、冷却时所受到弯曲、扭转、拉伸应力；所述磁场系统模块用于模拟高温超导带材或者线圈测试提供模拟真实超导磁体运行时所受到的磁场环境；所述测量系统模块用于超导线材或线圈在受到温区扰动、磁场扰动、以及应力应变的状态下，测量超导线材或线圈的特征参数。
2.根据权利要求1所述载流能力测试实验装置，其特征在于：所述加载系统模块包括伺服电机、丝杠、夹具装置，通过伺服电机带动丝杠传动到夹具装置上，实现对超导线材施加应力应变加载；所述夹具装置用于被加系统模块反复更换，实现对施加拉伸、弯曲、扭转等不同的应力应变。
3.根据权利要求1所述载流能力测试实验装置，其特征在于：所述低温系统模块用于为超导线材提供20K～70K的宽温区的低温环境，该模块包括GM制冷机、制冷剂(冷媒)、温度传感器、真空杜瓦、制冷剂罐、加热片、抽气机组、安全阀、压力表；其中真空杜瓦是通过真空抽气机组获得一个高真空环境，以实现内外的真空隔热，较少内外之间的热传导、热辐射以及热交换，降低热损；GM制冷机用于获得最低20K低温，并冷却制冷剂，将制冷剂也冷却到20K；制冷剂用于循环对超导线材与线圈冷却；加热片用于改变功率、改变低温系统的热损，实现温度在20K～70K的宽温区可调性。
4.根据权利要求1所述载流能力测试实验装置，其特征在于：所述测量系统用于利用PLC和数据采集卡采集监测测试实验台架的环境条件(温度、真空度、应力应变)获取测试实验超导带材和线圈的测试参数；该测量系统包括恒流源、纳伏表、真空计、应变计、温度计、PLC以及数据采集卡；
温度情况一：通过控制低温系统使得超导线材与超导线圈处于某一温度的下，控制恒流源不断的改变，检测纳伏表测得超导线材与线圈的电压超过一定值时，即判断此时为超导线材与线圈的最大载流能力。
应力情况一：通过控制加载系统使得超导线材与超导线圈处于某一应力应变的下，控制恒流源不断的改变，检测纳伏表测得超导线材与线圈的电压超过一定值时，即判断此时为超导线材与线圈的最大载流能力。
多场耦合情况一：通过控制低温系统和加载系统使得超导线材与超导线圈处于某一多场耦合下，控制恒流源不断的改变，检测纳伏表测得超导线材与线圈的电压超过一定值时，即判断此时为超导线材与线圈的最大载流能力。
5.根据权利要求1所述载流能力测试实验装置，其特征在于：所述磁场系统模块主要包括线圈组件、电源通过改变调节电源改变线圈电流的大小，以实现对磁场大小的的改变。
6.基于权利要求1所述的一种多场耦合下高温超导带材与线圈载流能力测试实验装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、获得一个高真空环境和低温环境，所述的高真空环境的真空度好于5.0×10-4Pa；所述的低温环境为20K～70K之间的低温环境；
步骤二、依据实验所要求的实验环境条件参数，控制加载系统对高温超导带材与线圈进行应力(拉伸、弯转、扭曲)加载，利用应变计测量其当前所受到的应力大小；或者控制磁场系统对高温超导带材与线圈进行磁场加载，利用霍尔传感器计测量其当前所受到的磁感应强度大小。
步骤三、当达到实验环境所要求的条件时，控制恒流源对超导带材或者线圈进行电流加载，并记录纳伏表的变化，直至其发生失超时，记录此时恒流源的电流以及纳伏表的电压。
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