CN111863373A - 具有电磁保护部件的超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁技术领域，公开了一种具有电磁保护部件的超导磁体。其中，该超导磁体包括超导线圈、冷屏，超导磁体外壳和屏蔽装置，所述冷屏设置在所述超导线圈外，所述超导磁体外壳设置在所述冷屏外且与所述冷屏相距预定距离，所述屏蔽装置设置在所述超导磁体外壳与外部磁体之间，所述屏蔽装置用于屏蔽所述外部磁体的谐波磁场并允许所述外部磁体的基频磁场进入所述超导线圈，基频磁场与所述超导线圈的直流磁场相互作用产生推力。由此，可以有效地防止高频磁场进入超导线圈，同时能够简化超导磁体本体内部结构，有效缓解超导磁体本体内部结构紧凑的压力，提高超导磁体运行的安全性。

Description

具有电磁保护部件的超导磁体

技术领域

本发明涉及电磁技术领域，尤其涉及一种具有电磁保护部件的超导磁体。

背景技术

超导磁体因其产生磁场大、体积小、重量轻和损耗低等诸多优点，常常应用于超高速环境中，如超高速磁悬浮列车，超高速电磁弹射，高速立体水库等领域。尤其是超高速磁悬浮列车，超导磁体是超导直线电机的动子部分，超导直线电机的定子部分由常导线圈绕制而成，动子部分的超导磁体通直流电流，定子部分的常导磁体通交流电流，超导磁体的直流磁场与常导磁体的交流磁场相互作用，在超导磁体产生电磁力，使超导磁体在运动方向上有一定的推力，从而使超导磁体产生有一定的加速度。

超导材料具有零电阻特性，即当超导材料通入直流电流时，超导材料两端电压为零，即没有功率损耗，但当超导材料通入交流电流或处于交变的外界磁场时，由于超导材料的磁通钉扎效应，会产生一定的功率损耗，一般称为交流损耗。

超导直线电机的常导磁体输入电流由变流器提供，由于变流器本身设计的误差及考虑到超导直线电机实际工程应用，因此常导磁体产生的磁场不仅有基波磁场，还含有相当一部分的谐波磁场，其中基波磁场与超导磁体相互作用产生需要的推力，但谐波磁场要是进入超导磁体中，不仅会增加超导磁体的交流损耗，增加超导磁体失超的风险，还与超导磁体的直流磁场发生作用，产生不必要的推力脉动，可能导致超导磁体因振动量过大而引起失超。

不仅仅是超导直线电机，其他超导磁体常常也不需要谐波的磁场，需要将其屏蔽掉，因此需要对超导磁体采取电磁保护措施，该措施既能让一定频率以下的磁场进入超导磁体中，也能防止一定频率以上的磁场进入超导磁体中。

目前超导磁体常常用冷屏装置对超导线圈进行谐波的屏蔽。冷屏的材料一般为高电导率的铝或铜等，其放置于超导磁体内部，即处于超导线圈内杜瓦和外杜瓦之间的真空层中，它是一个具有一定厚度的壳体结构，将超导线圈全部包裹，厚度与所需要屏蔽的磁场频率、冷屏材料的电导率和磁导率有关。冷屏不仅可以防止一定频率以上的磁场进入超导线圈，也可以适当地减小系统的热辐射，减少磁体系统的漏热，增加超导磁体的可靠性。

然而，目前采用冷屏进行电磁保护的方式具有以下缺点：(1)冷屏结构需要放置于超导磁体内部，但在超高速超导磁体中，一般内部结构非常紧凑，不易放置冷屏，且当超导磁体所需屏蔽的磁场频率越低时，冷屏的厚度越厚，这样不仅会增加超导磁体的总装难度，还会增加超导磁体的重量；(2)在超高速高载荷环境中，冷屏的固定及结构加强也很有难度；(3)由于超高速超导磁体内部空间有限，超导磁体抽真空后，外杜瓦向内收缩很可能导致与冷屏接触，从而导致漏热过大，容易引起失超。因此仅仅在超导磁体内部放置冷屏可能达不到屏蔽高频磁场的要求。在超高速环境应用中，超导磁体的重量和漏热是非常重要的指标，如果超导磁体超重或漏热过大，很可能导致超导磁体速度达不到设计要求甚至直接导致失超。

发明内容

本发明提供了一种具有电磁保护部件的超导磁体，能够解决现有技术中超导磁体速度达不到设计要求甚至直接导致失超的技术问题。

本发明提供了一种具有电磁保护部件的超导磁体，其中，该超导磁体包括超导线圈、冷屏，超导磁体外壳和屏蔽装置，所述冷屏设置在所述超导线圈外，所述超导磁体外壳设置在所述冷屏外且与所述冷屏相距预定距离，所述屏蔽装置设置在所述超导磁体外壳与外部磁体之间，所述屏蔽装置用于屏蔽所述外部磁体的谐波磁场并允许所述外部磁体的基频磁场进入所述超导线圈，基频磁场与所述超导线圈的直流磁场相互作用产生推力。

优选地，该超导磁体还包括支撑连接件，所述屏蔽装置通过所述支撑连接件设置于所述超导磁体外壳上。

优选地，所述屏蔽装置包括堆叠的多个屏蔽层和设置在屏蔽层之间的间隔件。

优选地，多个屏蔽层的材料为高电导率材料。

优选地，多个屏蔽层中的两个最外屏蔽层的材料与两个最外屏蔽层之间的其他屏蔽层的材料不同。

优选地，两个最外屏蔽层的材料为高电导率材料，而其他屏蔽层的材料为高磁导率材料。

优选地，所述高电导率材料包括铜和铝。

优选地，所述支撑连接件的材料为非导磁材料。

优选地，所述非导磁材料包括钛合金和不锈钢。

优选地，所述支撑连接件与所述屏蔽装置和所述超导磁体外壳为焊接或螺接。

通过上述技术方案，可以在超导线圈外设置冷屏，在冷屏外设置于冷屏相距预定距离的超导磁体外壳，在超导磁体外壳与外部磁体之间设置屏蔽装置，通过该屏蔽装置可以屏蔽所述外部磁体的谐波磁场并允许所述外部磁体的基频磁场进入所述超导线圈，使得基频磁场与所述超导线圈的直流磁场相互作用产生推力。也就是，当超导磁体处于超高速、高载荷和高振动环境下，通过设置该屏蔽装置可有效地防止高频磁场进入超导线圈中，且由于该屏蔽装置设置于超导磁体外壳的外部，可以减小超导磁体本体的重量，简化超导磁体本体内部结构，有效缓解超导磁体本体内部结构紧凑的压力，提高超导磁体运行的安全性。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的一种具有电磁保护部件的超导磁体的示意图；

图2为根据本发明实施例的一种屏蔽装置的示意图；

图3为根据本发明实施例的不同材料在所屏蔽的频率下所需的厚度的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为根据本发明实施例的一种具有电磁保护部件的超导磁体的示意图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种具有电磁保护部件的超导磁体，其中，该超导磁体包括超导线圈6、冷屏5，超导磁体外壳4和屏蔽装置2(换言之，超导磁体可以包括超导磁体本体和屏蔽装置2，超导磁体本体可以包括超导线圈6、冷屏5和超导磁体外壳4)，所述冷屏5设置在所述超导线圈6外，所述超导磁体外壳4设置在所述冷屏5外且与所述冷屏5相距预定距离，所述屏蔽装置2设置在所述超导磁体外壳4与外部磁体1之间，所述屏蔽装置2用于屏蔽所述外部磁体1的谐波磁场并允许所述外部磁体1的基频磁场进入所述超导线圈6，基频磁场与所述超导线圈6的直流磁场相互作用产生推力。

也就是，屏蔽装置可以在防止外部磁体的高频谐波磁场进入超导线圈的同时允许外部磁体的基频磁场进入超导线圈，与超导线圈的直流磁场相互作用产生推力。

其中，外部磁体可以为常导磁体也可以为超导磁体，但本发明不对此进行限定。举例来讲，只要是能产生交变磁场的外部磁体，采用本发明所述的具有电磁保护部件的超导磁体均可以对其高频谐波磁场进行屏蔽。

其中，常导磁体一般由铜线绕制而成，且可以通入高频的交变电流产生高频交变磁场。

通过上述技术方案，可以在超导线圈外设置冷屏，在冷屏外设置于冷屏相距预定距离的超导磁体外壳，在超导磁体外壳与外部磁体之间设置屏蔽装置，通过该屏蔽装置可以屏蔽所述外部磁体的谐波磁场并允许所述外部磁体的基频磁场进入所述超导线圈，使得基频磁场与所述超导线圈的直流磁场相互作用产生推力。也就是，当超导磁体处于超高速、高载荷和高振动环境下，通过设置该屏蔽装置可有效地防止高频磁场进入超导线圈中，且由于该屏蔽装置设置于超导磁体外壳的外部，可以减小超导磁体本体的重量，简化超导磁体本体内部结构，有效缓解超导磁体本体内部结构紧凑的压力，提高超导磁体运行的安全性。

根据本发明一种实施例，超导线圈可以由超导材料绕制而成。超导线圈通入直流电流，产生直流磁场并可以与外部磁体(例如，常导磁体)产生的交变磁场相互作用，产生推力。

其中，超导材料可以包括高温超导材料和低温超导材料。例如，高温超导材料可以包括Bi2223和YBCO等带材，低温超导材料可以包括NbTi和Nb3Sn等线材。

根据本发明一种实施例，该具有电磁保护部件的超导磁体还包括支撑连接件3，所述屏蔽装置2通过所述支撑连接件3设置于所述超导磁体外壳4上。

也就是，屏蔽装置可以利用支撑连接件与超导磁体连接。

可替换地，本发明上述的屏蔽装置2也可以不利用支撑杆3进行连接，即屏蔽装置不与超导磁体同时运动，而是将屏蔽装置全部铺设在超导磁体的运动轨道上，这样也可以达到超导电磁屏蔽的目的。

图2为根据本发明实施例的一种屏蔽装置的示意图。

根据本发明一种实施例，如图2所示，所述屏蔽装置2可以包括堆叠的多个屏蔽层和设置在屏蔽层之间的间隔件(未示出)。

举例来讲，间隔件可以为G10薄块(用于对屏蔽层进行间隔和支撑，防止屏蔽层因受力而贴合在一起)，可以通过螺栓(未示出)与各屏蔽层连接。

通过采用包括多个屏蔽层的屏蔽装置，可以更有效地屏蔽外界高频磁场，即提高屏蔽效果。

图2中示出了屏蔽装置2包括4个屏蔽层的情况，但本领域技术人员应当理解，图2所示的层数仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。本领域技术人员可以根据实际情况确定屏蔽层的层数。

根据本发明一种实施例，多个屏蔽层的材料为高电导率材料。

也就是，所有屏蔽层的材料均可以采用高电导率材料。举例来讲，每个屏蔽层可以为由高电导率材料制成的薄板，该薄板为无洞穴或缝隙的薄板。

其中，该高电导率材料同时也可以具有低磁导率。

根据本发明一种实施例，多个屏蔽层中的两个最外屏蔽层的材料与两个最外屏蔽层之间的其他屏蔽层的材料不同。

根据本发明一种实施例，两个最外屏蔽层的材料为高电导率材料，而其他屏蔽层的材料为高磁导率材料。

举例来讲，参考图2，以图2所示为例，两个外层可以采用高电导率材料，以加大发射作用；而两个外层之间的内层(2个内层)可以采用高磁导率材料，以加大涡流效应。

根据本发明一种实施例，所述高电导率材料包括铜和铝(即，屏蔽材料)。

可替换地，屏蔽装置2也可以仅包括一个屏蔽层(例如，一个高电导率材料制成的薄板)。举例来讲，可以通过改变该一个屏蔽层的材料和/或厚度来调整屏蔽能力(可以参照下述关于图3的描述)。

根据本发明一种实施例，所述支撑连接件3的材料可以为非导磁材料(例如，高强度非导磁材料)。

其中，所述非导磁材料可以包括钛合金和不锈钢(例如，316L不锈钢)。

根据本发明一种实施例，所述支撑连接件3与所述屏蔽装置2和所述超导磁体外壳4为焊接或螺接。

其中，该支撑连接件3可以为支撑杆。

由此，可以通过支撑连接件将屏蔽装置2固定于超导磁体外壳4上，在超导磁体高速运动过程中，屏蔽装置2可随着超导磁体本体一起运动，使屏蔽装置一直处于超导磁体本体和外部磁体之间，增加屏蔽装置2的可靠性。

在本发明实施例中，冷屏5是一般超导磁体必备的部分，与屏蔽装置2类似，冷屏5可以由高电导率，低磁导率材料构成。其中，冷屏5可以通过螺栓与超导磁体外壳4连接。

冷屏5能够在降低超导磁体系统的热辐射(尤其在液氦环境下的低温超导磁体中，热辐射是影响低温超导磁体制冷过程中和稳定运行过程中漏热的主要原因，因此需要利用冷屏来降低热辐射)的同时，在屏蔽装置2的基础上可以进一步防止外部磁体的高频谐波磁场进入超导线圈中。也就是，超导磁体本体外部的屏蔽装置2可以直接对外部磁体的高频谐波磁场进行屏蔽，而原来较薄的冷屏可继续保留在超导磁体本体内部中以减低热辐射，且同时可以屏蔽掉屏蔽装置2未完全屏蔽掉的频率磁场(如对超导线圈上下表面的外部磁场的屏蔽)，进一步提高屏蔽效果。

换言之，屏蔽装置可屏蔽掉绝大部分的高频磁场；冷屏可屏蔽更高频率的磁场，且可屏蔽绝大部分屏蔽装置未能屏蔽的磁场，如一些高频磁场的磁力线绕过屏蔽装置、通过超导磁体(超导磁体本体)的上下表面进入的磁场，可由冷屏屏蔽。

图3为根据本发明实施例的不同材料在所屏蔽的频率下所需的厚度的示意图。

对高频磁场的屏蔽是防止外界的高频磁场进入某个区域，当高频电磁波射向一导体表面，并进入表面后，它会在导体中感应出一个高频交变电流，此电流会激发一个新的电磁波，新激发的电磁波在导体内部与入射的电磁波相位相反、同时导体内电流的产生会导致入射波场能的消耗，结果使得导体内部总的电磁场基本上随深度呈指数衰减，该深度一般称为穿透深度。穿透深度的计算公式为：

其中，δ为穿透深度，f为入射磁场的频率，μ为屏蔽材料的磁导率，σ为屏蔽材料的电导率。由公式(1)可知，频率越高、电导率越大、磁导率越大，穿透深度越小，当屏蔽材料厚度大于穿透深度时，该屏蔽材料具有良好的电磁屏蔽作用。反过来说，其他条件不变情况下，若想屏蔽入射磁场频率范围大，那么屏蔽材料所需的厚度将越厚。图3表示的是不同屏蔽材料在所屏蔽频率下所需的材料厚度关系，如图3可知，在同样频率的磁场下，铜屏蔽层的厚度要比铝的薄，这是因为铜的电导率较高。另一方面，当所屏蔽的频率越低，其所需屏蔽材料的厚度就越厚。举例来讲，在一些超高速超导磁体应用中，如超高速超导直线电机，一般常导磁体的基波磁场在300Hz以下，300Hz以上的磁场最好都屏蔽掉，根据公式(1)可以确定屏蔽材料的厚度(屏蔽装置的厚度)至少为4mm。

本领域技术人员应当理解，上述关于图3的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有电磁保护部件的超导磁体，其特征在于，该超导磁体包括超导线圈(6)、冷屏(5)，超导磁体外壳(4)和屏蔽装置(2)，所述冷屏(5)设置在所述超导线圈(6)外，所述超导磁体外壳(4)设置在所述冷屏(5)外且与所述冷屏(5)相距预定距离，所述屏蔽装置(2)设置在所述超导磁体外壳(4)与外部磁体(1)之间，所述屏蔽装置(2)用于屏蔽所述外部磁体(1)的谐波磁场并允许所述外部磁体(1)的基频磁场进入所述超导线圈(6)，基频磁场与所述超导线圈(6)的直流磁场相互作用产生推力。

2.根据权利要求1所述的具有电磁保护部件的超导磁体，其特征在于，该超导磁体还包括支撑连接件(3)，所述屏蔽装置(2)通过所述支撑连接件(3)设置于所述超导磁体外壳(4)上。

3.根据权利要求2所述的具有电磁保护部件的超导磁体，其特征在于，所述屏蔽装置(2)包括堆叠的多个屏蔽层和设置在屏蔽层之间的间隔件。

4.根据权利要求3所述的具有电磁保护部件的超导磁体，其特征在于，多个屏蔽层的材料为高电导率材料。

5.根据权利要求3所述的具有电磁保护部件的超导磁体，其特征在于，多个屏蔽层中的两个最外屏蔽层的材料与两个最外屏蔽层之间的其他屏蔽层的材料不同。

6.根据权利要求5所述的具有电磁保护部件的超导磁体，其特征在于，两个最外屏蔽层的材料为高电导率材料，而其他屏蔽层的材料为高磁导率材料。

7.根据权利要求4或6所述的具有电磁保护部件的超导磁体，其特征在于，所述高电导率材料包括铜和铝。

8.根据权利要求2-6中任一项所述的具有电磁保护部件的超导磁体，其特征在于，所述支撑连接件(3)的材料为非导磁材料。

9.根据权利要求8所述的具有电磁保护部件的超导磁体，其特征在于，所述非导磁材料包括钛合金和不锈钢。

10.根据权利要求2-6中任一项所述的具有电磁保护部件的超导磁体，其特征在于，所述支撑连接件(3)与所述屏蔽装置(2)和所述超导磁体外壳(4)为焊接或螺接。

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