CN112712960A

CN112712960A - 一种超导接头衰减补偿装置

Info

Publication number: CN112712960A
Application number: CN202011559493.4A
Authority: CN
Inventors: 黄兴; 胡新宁; 王秋良; 崔春艳; 王浩; 牛飞飞; 张子立; 张源
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2040-12-25
Also published as: CN112712960B

Abstract

本发明涉及一种超导接头衰减补偿装置，包括超导球、超导磁悬浮上线圈、超导磁悬浮下线圈、第一电感和第二电感；所述超导球、所述超导磁悬浮上线圈和所述超导磁悬浮下线圈由上到下依次同轴设置；所述超导磁悬浮上线圈一端与所述第一电感一端连接，所述超导磁悬浮上线圈另一端与所述第一线圈另一端构成超导接头；所述超导磁悬浮下线圈一端与所述第二电感一端连接，所述超导磁悬浮下线圈另一端与所述第二电感另一端构成超导接头。本发明将电感串联进入超导接头的闭环回路中，没有影响主磁场分布，实现了对超导接头电阻带来的电流衰减的补偿效果，超导磁悬浮系统可长期稳定运行。

Description

一种超导接头衰减补偿装置

技术领域

本发明涉及超导磁悬浮技术领域，特别是涉及一种超导接头衰减补偿装置。

背景技术

超导磁悬浮系统要求能够长期稳定地闭环使用。其原理如下：超导悬浮上线圈和超导悬浮下线圈中闭环一定大小的电流，超导悬浮上线圈中的闭环电流小于超导悬浮下线圈中闭环的电流并存在一定的比例关系，从而形成一个梯度磁场。根据迈斯纳效应可知，超导Nb球为抵抗磁通的进入，与超导悬浮上线圈和超导悬浮下线圈产生的磁场相互作用产生悬浮作用力，从而使超导Nb球悬浮起来。超导Nb球所受到的悬浮力F与其所处位置的磁感应强度B存在如下关系：F＝KB²，其中K为常数，则dF/F＝2dB/B。超导悬浮上线圈和超导悬浮下线圈在超导Nb球处产生的总磁感应强度B，根据毕奥萨法尔定律

可知是与闭环电流I成正比的，那么超导Nb球所受的悬浮力也是与闭环电流的平方成正比的。超导磁悬浮系统要求超导Nb球能够长期稳定地悬浮在磁场梯度极小的某一位置，为满足某些应用的需求，要求其悬浮磁场在一天内的衰减率小于5*10^-10。

现有技术中可以采用减小超导接头电阻的方式来达到超导磁悬浮系统所要求的衰减率，但是需要超导接头电阻能够达到10^-16Ω级别，根据现有的制作超导接头的方式，难以使超导接头电阻达到如此低的水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种超导接头衰减补偿装置，在不影响主磁场分布的情况下，达到对超导接头电阻带来的电流衰减的补偿效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超导接头衰减补偿装置，包括超导球、超导磁悬浮上线圈、超导磁悬浮下线圈、第一电感和第二电感；

所述超导球、所述超导磁悬浮上线圈和所述超导磁悬浮下线圈由上到下依次同轴设置；所述超导磁悬浮上线圈一端与所述第一电感一端连接，所述超导磁悬浮上线圈另一端与所述第一电感另一端构成超导接头；所述超导磁悬浮下线圈一端与所述第二电感一端连接，所述超导磁悬浮下线圈另一端与所述第二电感另一端构成超导接头。

可选地，所述第二电感和所述第一电感由上到下依次设置在所述超导磁悬浮上线圈和所述超导磁悬浮下线圈的同心轴上，所述第二电感和所述第一电感的同心轴垂直所述超导磁悬浮上线圈和所述超导磁悬浮下线圈的同心轴。

可选地，所述超导磁悬浮上线圈和所述第一电感由一根超导线制成，记为第一超导线；所述第一超导线两端构成超导接头；所述超导磁悬浮下线圈和所述第二电感由一根超导线制成，记为第二超导线；所述第二超导线两端构成超导接头。

可选地，所述第一电感和所述第二电感均包括铁芯、电感线圈和屏蔽罩；所述铁芯设置在所述电感线圈内，所述电感线圈设置在所述屏蔽罩内。

可选地，所述屏蔽罩材料为坡莫合金。

可选地，所述超导接头由冷压焊的方式制成。

可选地，所述超导球材料为Nb。

可选地，所述超导磁悬浮上线圈、所述超导磁悬浮下线圈、所述第一电感和所述第二电感材料为NbTi/Cu。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种超导接头衰减补偿装置，包括超导球、超导磁悬浮上线圈、超导磁悬浮下线圈、第一电感和第二电感；所述超导球、所述超导磁悬浮上线圈和所述超导磁悬浮下线圈由上到下依次同轴设置；所述超导磁悬浮上线圈一端与所述第一电感一端连接，所述超导磁悬浮上线圈另一端与所述第一线圈另一端构成超导接头；所述超导磁悬浮下线圈一端与所述第二电感一端连接，所述超导磁悬浮下线圈另一端与所述第二电感另一端构成超导接头。本发明将电感串联进入超导接头的闭环回路中，没有影响主磁场分布，实现了对超导接头电阻带来的电流衰减的补偿效果，超导磁悬浮系统可长期稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明实施例提供的超导接头衰减补偿装置结构图；

图2为本发明实施例提供的第一电感或第二电感结构图；

图3为本发明实施例提供的超导磁悬浮线圈结构图；

图4为本发明实施例提供的单根超导线绕制的结构图；

图5为本发明实施例提供的去除NbTi/Cu线表面绝缘漆的示意图；

图6为本发明实施例提供的NbTi管的结构图；

图7为本发明实施例提供的超导接头的结构图。

符号说明：

1-超导球，2-超导磁悬浮上线圈，3-超导磁悬浮下线圈，4-第二电感，5-第一电感，6-超导接头，7-电感线圈，8-铁芯，9-屏蔽罩，10-超导接头线，11-超导丝，12-NbTi管，

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

超导悬浮上线圈和超导悬浮下线圈中的闭环电流随时间的变化为：

其中τ＝L/R，L为超导磁悬浮闭环回路电感，R为超导磁悬浮闭环回路超导接头电阻。那么在闭环电流稳定后的时刻t₁的电流为

时刻t₂的电流为

根据推算可得电流的衰减率为

衰减率与τ是负相关的，所以为了降低衰减率需提高时间常数τ。

由于τ＝L/R，那么提高时间常数τ的方式有两种：提高超导磁悬浮闭环回路电感L，或降低超导磁悬浮闭环回路超导接头电阻R。若单独靠减小超导接头电阻的方式来达到超导磁悬浮系统所要求的衰减率，则需要超导接头电阻能够达到10^-16Ω级别的电阻，根据现有的制作超导接头的方式，难以使超导接头电阻达到如此低的水平，所以需要依靠增加闭环回路电感的方式来对超导接头电阻的衰减进行补偿，在回路中串联一个足够大的电感便可以达到对超导接头电阻带来的电流衰减的补偿效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的超导接头衰减补偿装置结构图，如图1所示，超导接头衰减补偿装置包括超导球1、超导磁悬浮上线圈2、超导磁悬浮下线圈3、第一电感5和第二电感4。超导球1、超导磁悬浮上线圈2和超导磁悬浮下线圈3由上到下依次同轴设置。超导磁悬浮上线圈2一端与第一电感5一端连接，超导磁悬浮上线圈2另一端与所述第一电感5另一端构成超导接头6。超导磁悬浮下线圈3一端与第二电感4一端连接，超导磁悬浮下线圈3另一端与第二电感4另一端构成超导接头6。

如图1所示，第二电感4和第一电感5由上到下依次设置在超导磁悬浮上线圈2和超导磁悬浮下线圈3的同心轴上，第二电感4和第一电感5的同心轴垂直超导磁悬浮上线圈2和超导磁悬浮下线圈3的同心轴。第二电感4和第一电感5与超导磁悬浮上线圈2和超导磁悬浮上线圈3严格垂直。可以满足超导磁悬浮系统对悬浮主磁场的要求，第一电感5和第二电感4不会影响磁悬浮磁场的分布。

在本实施例中，超导磁悬浮上线圈2和第一电感5由一根超导线制成，记为第一超导线，第一超导线两端构成超导接头6。超导磁悬浮下线圈3和第二电感4由一根超导线制成，记为第二超导线，第二超导线两端构成超导接头6。

图2为本发明实施例提供的第一电感或第二电感结构图，如图2所示，第一电感5和第二电感4均包括铁芯8、电感线圈7和屏蔽罩9。铁芯8设置在电感线圈7内，电感线圈7设置在屏蔽罩9内。电感线圈7中放入铁芯8，可使电感足够大，简化电感的绕制工艺并减小电感的体积。将电感线圈7设置在屏蔽罩9内，可屏蔽铁芯8剩磁对主磁场带来的干扰，以及电感与超导磁悬浮线圈可能存在的不完美垂直布局而对主磁场带来的干扰。由于铁芯8剩磁是静磁场，同时超导磁悬浮系统中的超导悬浮线圈闭环使用的是直流电，产生的也是静磁场，所以屏蔽罩9材料选择的是坡莫合金。

为了简化电感的绕制工艺并减小电感的体积，对超导接头6的制作要求也很严格。超导接头6电阻越小，则对闭环回路电感的补偿能力要求越低，所需要的电感就越小。所以可以采用冷压焊的方式制制作超导接头6，超导接头6电阻达到了10^-12Ω量级。

在本实施例中，超导球1材料为Nb。超导磁悬浮上线圈2、超导磁悬浮下线圈3、第一电感5和第二电感4材料为NbTi/Cu。

本装置在超导接头电阻不足以满足超导磁悬浮系统长期稳定工作的情况下，通过将电感串联进入超导接头的闭环回路中，在不影响主磁场分布的情况下，实现了超导磁悬浮系统的长期稳定运行，克服了现有超导接头制备工艺的不足而带来的闭环电流衰减过快的现象。

本装置制作过程如下：

采用单根超导NbTi/Cu线绕制电感线圈7，绕成所需的电感值。然后将铁芯8穿入电感线圈7中，再用屏蔽罩9将电感线圈7包裹起来制成第一电感5和第二电感4，保证装置安装好后其磁场不会超导悬浮主磁场造成影响。绕制后的电感如图2所示。

第一电感5和第二电感4制成后，用绕制第一电感5和第二电感4的超导NbTi/Cu线分别绕制超导磁悬浮上线圈2和超导磁悬浮下线圈3。再将超导球1、超导磁悬浮上线圈2、超导磁悬浮下线圈3、第二电感4和第一电感5从上到下同轴放置。第二电感4和第一电感5与超导磁悬浮上线圈2和超导磁悬浮上线圈3严格垂直。绕制后的超导磁悬浮线圈如图3所示。

最后用绕制完超导磁悬浮上线圈2和超导磁悬浮下线圈3的超导NbTi/Cu线制作超导接头6。单根超导线绕制后的结构如图4所示。

其中，超导接头6制作过程如下：

利用脱漆剂将NbTi/Cu线表面的绝缘漆去除，然后用酒精冲洗干净。

将硫酸和硝酸按1：3的体积比配制成混合酸液，将超导接头线10的接头端用制成的混合酸液进行腐蚀，当NbTi/Cu超导线内的铜基体被混合酸液完全腐蚀之后，再利用酒精清洗除去残杂物，烘干后露出NbTi超导丝11，如图5所示。

将NbTi管12泡入乙烷中，利用超声波来回清洗3遍，然后用酒精清洗干净后烘干，图6为本发明实施例提供的NbTi管的结构图。

将NbTi超导丝插入NbTi管12中，利用冷压焊的方式将超导线回路闭环，制成超导接头6，图7为本发明实施例提供的超导接头的结构图。

经过上述步骤后，超导悬浮上线圈2和超导悬浮下线圈3便形成了超导磁悬浮单闭环回路，形成能够长期稳定运行的超导磁悬浮系统。由于第一电感5和第二电感4对超导接头6衰减的补偿作用，当超导悬浮上线圈2和超导悬浮下线圈3中闭环一定大小的电流形成梯度磁场后，超导球1便能长期稳定地悬浮在所期望的位置上。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种超导接头衰减补偿装置，其特征在于，包括超导球、超导磁悬浮上线圈、超导磁悬浮下线圈、第一电感和第二电感；

2.根据权利要求1所述的超导接头衰减补偿装置，其特征在于，所述第二电感和所述第一电感由上到下依次设置在所述超导磁悬浮上线圈和所述超导磁悬浮下线圈的同心轴上，所述第二电感和所述第一电感的同心轴垂直所述超导磁悬浮上线圈和所述超导磁悬浮下线圈的同心轴。

3.根据权利要求1或2所述的超导接头衰减补偿装置，其特征在于，所述超导磁悬浮上线圈和所述第一电感由一根超导线制成，记为第一超导线；所述第一超导线两端构成超导接头；所述超导磁悬浮下线圈和所述第二电感由一根超导线制成，记为第二超导线；所述第二超导线两端构成超导接头。

4.根据权利要求1所述的超导接头衰减补偿装置，其特征在于，所述第一电感和所述第二电感均包括铁芯、电感线圈和屏蔽罩；所述铁芯设置在所述电感线圈内，所述电感线圈设置在所述屏蔽罩内。

5.根据权利要求4所述的超导接头衰减补偿装置，其特征在于，所述屏蔽罩材料为坡莫合金。

6.根据权利要求1所述的超导接头衰减补偿装置，其特征在于，所述超导接头由冷压焊的方式制成。

7.根据权利要求1所述的超导接头衰减补偿装置，其特征在于，所述超导球材料为Nb。

8.根据权利要求1所述的超导接头衰减补偿装置，其特征在于，所述超导磁悬浮上线圈、所述超导磁悬浮下线圈、所述第一电感和所述第二电感材料为NbTi/Cu。