CN113130162B - 一种由热开关控制类比特高温超导磁体的励磁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于高温超导磁体应用领域的一种由热开关控制类比特高温超导磁体的励磁方法，该由热开关控制类比特高温超导磁体由热开关和高温超导磁体组成。热开关是将锰铜丝缠绕在超导片的桥上制作而成；所述高温超导磁体是按照一片双孔超导片与一绝缘片堆叠数片，然后由上下法兰片和定位杆将上述堆叠的各片固定在一起，形成超导磁体；在双孔超导片的小圆孔中放置铜线双层绕制的线圈，外接脉冲电源利用磁通泵原理为其供电。当给锰铜丝通电流进行加热时，热开关闭合。通过控制外接电源和热开关的时序进行励磁，超导环形片两圆孔外围会形成闭合回路。本发明中的励磁方法能够逐步产生稳定大空间的磁场，能够实现超导磁体的闭环运行。
Description
技术领域
本发明属于超导磁体应用领域，特别提出一种由热开关控制类比特高温超导磁体的励磁方法。
背景技术
强磁体和高效电力传输是开展超导材料研究的主要动力之一。相比于常规材料的磁体，超导磁体产生强磁场时无能量损耗，空间占地小，重量轻，因此发展潜力很大。与常规磁体相比，超导磁体具有功耗小、体积小、重量轻和稳定性高等优点。超导磁体技术目前主要应用于超导加速器、磁悬浮列车、国际热核聚变实验反应堆ITER、核磁共振NMR、磁共振成像仪MRI、超导储能SMES等项目。根据比特磁体(Bit-magnet)和高温超导REBCO涂层导体的特性，将两者的模型应用到类比特超导磁体设计中，为高磁场强度的制备提供一种新的方法。
超导开关是利用超导体的零电阻特性实现闭环运行，利用超导体失超产生电阻实现断路作用的开关。在实际应用中，要求超导开关具有以下特性：闭合损耗尽可能低、断开时间尽可能短、断开阻抗较大、开关断开可控、耐高压和可重复使用等。结合热开关和磁通泵可以很好的实现闭环运行，为磁体提供励磁电源。REBCO涂层导体具有上临界磁场高、临界电流密度大、交流损耗低等优点，而且，REBCO涂层导体在超导状态下可以无阻的传输电流。
发明内容
本发明的目的是提供一种由热开关控制类比特超导磁体的励磁方法，其特征在于，包括：
(1)所述由磁开关控制类比特超导磁体由热开关和高温超导磁体两部分组成；其中热开关是将锰铜丝缠绕在超导片的桥上制作而成；所述高温超导磁体是按照一片双孔超导片与一绝缘片堆叠数片，到最后一组双孔超导片、绝缘片时，在其绝缘片下面接着再堆叠一片双孔超导片；然后在第一双孔超导片上面放置上法兰片，在最后一片双孔超导片下面放置下法兰片，再将3根定位杆穿过法兰片的定位孔，将上述堆叠的各片固定在一起，形成完整的类比特超导磁体；其中绝缘片与双孔超导片的结构相同的双孔绝缘片；所述双孔超导片为REBCO双孔环形片，其中双孔为距离为2mm的一大一小两个圆孔，在小圆孔中放置铜线双层绕制的线圈，外接脉冲电源，组成磁通泵，利用磁通泵原理为类比特超导磁体供电；通过控制外接脉冲电源和热开关的时序进行励磁，在双孔超导片两圆孔外围会形成闭合回路；
(2)双孔超导片中两个圆孔的中间部分称为“桥”，将锰铜丝双层紧密缠绕在桥上，两端焊接电源引线，当给锰铜丝通电流进行加热时，热开关闭合，可造成环形超导片上桥的局部升温，从而导致局部失超，使磁通泵内部励磁快速达到饱和；
(3)所述的励磁方法是磁通泵通过内部磁通的变化，感应磁场给类比特高温超导磁体进行供电，通过控制磁通泵的外接电源和热开关的时序进行励磁，在双孔超导片的两圆孔外围会形成闭合回路，因此每个周期的磁通进行累积，直到双孔超导片达到饱和；采用内部磁通的变化方式能够快速达到励磁饱和，使励磁时间更快、效率更高。
所述由热开关控制类比特超导磁体具体制作是将第一双孔超导片3-1涂有REBCO层的一面朝下，再将第一绝缘片3-2插入第一双孔超导片3-1下面，将第二超导片3-3涂有REBCO层的一面朝上，并放在第一绝缘片3-2下面；将第二绝缘片3-4插在第二双孔超导片3-3下面，再将第三双孔超导片3-5插在第二绝缘片3-4下面，依此类推，同样地按照一片双孔超导片与一片绝缘堆叠数片，到最后一组超导片、绝缘片时，在其绝缘片下面接着堆叠末尾双孔超导片3-6；在第一双孔超导片3-1上面放置上法兰片3-8，末尾双孔超导片3-6下面放置下法兰片3-7，然后将3根定位杆3-9穿过法兰片的定位孔3-10，将各片固定在一起形成完整的类比特超导磁体。其中上下法兰片上面的定位孔圆的直径大于双孔超导片的外径，3根定位杆3-9穿过上下法兰片的定位孔3-10将组成组装的类比特超导磁体的各片压紧固定。
所述双孔超导片是按照尺寸将方形的片状衬底切割成有两个圆孔的圆环片，接着在衬底1-4上沉积缓冲层1-3，然后在缓冲层上镀上REBCO薄膜1-2，以及镀银和铜薄膜保护层1-1，以此制作成双孔超导片。
所述双孔绝缘片采用现有的PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片；绝缘片外圆直径略大于超导片外圆直径，内圆直径的大小与超导片相同，同样地，绝缘片上打有和双孔超导片一样的一大一小两个圆孔。
所述法兰片的内直径的尺寸与超导片的内直径的尺寸相同，外直径的尺寸比超导片要略大一些，在其比超导片的表面积多的外围面积处，对称开3个定位孔；选择常用的不锈钢、环氧玻璃钢作为磁体的固定材料，在定位杆的外层包裹环氧树脂薄膜或绝缘漆作为绝缘层。
本发明的有益效果：本发明采用热开关控制类比特高温超导磁体进行励磁的方法，不仅能产生强的磁感应强度，输出稳定，而且能在更高的电流密度下运行，并产生更高的磁场梯度；还能通过开关控制更高效率的完成励磁，实现超导磁体的闭环运行；另外，类比特超导磁体结构紧凑，重量轻，在大空间产生高磁场而只消耗很少的电能，类比特超导磁体在超导磁体方面具有广泛的应用。
附图说明
图1为超导片以及热开关的结构示意图；其中，a为带有热开关双孔超导片示意图；b为双孔超导片的剖面图。
图2为绝缘片的结构示意图。
图3为由热开关控制的，超导片和绝缘片堆叠而成的类比特超导磁体的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种由热开关控制类比特高温超导磁体的励磁方法。本发明所述由热开关控制类比特高温超导磁体由热开关和高温超导磁体两部分组成。热开关是将锰铜丝缠绕在超导片的桥上，两端焊接电源引线，外接电源制作而成。超导磁体主要由双孔超导片和绝缘片交替堆叠后通过法兰片及定位杆固定形成。当电源加热锰铜丝时，可造成环形超导片桥的局部升温，桥因此失超。REBCO双孔超导片中有双孔距离为2mm的一大一小两个圆孔，小圆孔中可放置铜线双层绕制的线圈，外接脉冲电源利用磁通泵原理为其供电。通过控制外接电源和热开关的时序进行励磁，双孔超导片两圆孔外围会形成闭合回路。内部励磁的方式能够快速达到励磁饱和，从励磁时间考虑，效率更高。下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1所示为双孔超导片的结构示意图。其中，a为带有热开关双孔超导片示意图；b为双孔超导片的剖面图；所述双孔超导片采用与第二代高温超导涂层相同的衬底材料制作出方形的片状衬底；按照尺寸将方形的片状衬底切割成由一大一小两个圆孔组成的环形双孔超导片。其中，双孔超导片的环形直径为Φ1，大圆孔直径为Φ2，小圆直径为Φ3，大圆和小圆之间桥的距离为l。接着采用现成的第二代高温超导缓冲层制备工艺，在衬底1-4表面上沉积缓冲层1-3；然后在缓冲层上采用现成的第二代高温超导薄膜涂层技术在缓冲层上镀上REBCO薄膜1-2，接着镀银、铜薄膜保护层1-1，以此形成具有圆环片状的双孔超导片。
图2所示为绝缘片的结构示意图，可以用来制作绝缘片的材料有很多，目前常用的材料有有机绝缘薄膜，牛皮纸，PPLP绝缘材料和环氧薄片等。为了在制备磁体时绝缘片能和超导环形片完美的叠合在一起，绝缘片内部与双孔超导片有着相同的物理形状和尺寸，绝缘片外圆的直径为Φ5，比双孔超导片外径大一些。
图3所示为由热开关控制的类比特超导磁体的结构示意图。图中所示，将第一双孔超导片3-1涂有REBCO层的一面朝下，再将第一绝缘片3-2插入第一双孔超导片3-1下面，将第二双孔超导片3-3涂有REBCO层的一面朝上，并放在第一绝缘片3-2下面；将第二绝缘片3-4插在第二超双孔导片3-3下面，再将第三双孔超导片3-5插在第二绝缘片3-4下面，依此类推，同样地按照一片超导片与一绝缘片堆叠数片，到最后一组超导片、绝缘片时，在其绝缘片下面接着堆叠末尾双孔超导片3-6；在第一双孔超导片3-1上面放置上法兰片3-8，末尾双孔超导片3-6下面放置下法兰片3-7，法兰片上对称开3个直径为Φ4的定位孔，然后将3根定位杆3-9穿过各片的定位孔3-10，将各片固定在一起形成完整的类比特超导磁体。其中上下法兰片上面的定位孔圆的直径大于双孔超导片的外径，3根定位杆3-9穿过上下法兰片的定位孔3-10后，将组装类比特超导磁体的各片压紧固定。所述类比特超导磁体的固定装置包括穿过法兰片的定位杆3-9和上法兰片3-8，下法兰片3-7；选择常用的不锈钢、环氧玻璃钢作为磁体的固定装置的材料，在定位杆3-9的外层包裹环氧树脂薄膜或绝缘漆作为绝缘层。
综上，本发明给出了热开关的组成以及结构，超导片和绝缘片的结构和类比特超导磁体的结构示意图，控制热开关和外接电源的时序进行励磁的方式的原理。本发明利用控制热开关与外接电源的时序对类比特超导磁体进行励磁的方式，不仅能够输出强的磁感应强度，而且输出的强磁场稳定，同时还具有结构紧凑、便于实现磁通泵励磁、常规绝缘容易处理等优点。能够逐步产生稳定大空间的磁场，能够实现超导磁体的闭环运行。
Claims (5)
1.一种由热开关控制类比特超导磁体的励磁方法，其特征在于，包括：
所述由热开关控制类比特超导磁体是由热开关和高温超导磁体两部分组成；其中热开关是将锰铜丝缠绕在超导片的桥上制作而成；所述高温超导磁体是按照一片双孔超导片与一绝缘片堆叠数片，到最后一组双孔超导片、绝缘片时，在其绝缘片下面接着再堆叠一片双孔超导片；然后在第一双孔超导片上面放置上法兰片，在最后一片双孔超导片下面放置下法兰片，再将3根定位杆穿过法兰片的定位孔，将上述堆叠的各片固定在一起，形成完整的类比特超导磁体；其中绝缘片是与双孔超导片的结构相同的双孔绝缘片；所述双孔超导片为REBCO双孔环形片，其中双孔为距离为2mm的一大一小两个圆孔，在小圆孔中放置铜线双层绕制的线圈，外接脉冲电源组成磁通泵，利用磁通泵原理为类比特超导磁体供电；通过控制外接脉冲电源和热开关的时序进行励磁，在双孔超导片两圆孔外围会形成闭合回路；
所述双孔超导片中两个圆孔的中间部分称为“桥”，将锰铜丝双层紧密缠绕在桥上，两端焊接电源引线，当给锰铜丝通电流进行加热时，热开关闭合，可造成环形超导片上桥的局部升温，从而导致局部失超，使磁通泵内部励磁快速达到饱和；
所述的励磁方法是磁通泵通过内部磁通的变化，感应磁场给类比特高温超导磁体进行供电，通过控制磁通泵的外接电源和热开关的时序进行励磁，在双孔超导片的两圆孔外围会形成闭合回路，因此每个周期的磁通进行累积，直到双孔超导片达到饱和；采用内部磁通的变化方式能够快速达到励磁饱和，使励磁时间更快、效率更高。
2.根据权利要求1所述的由热开关控制类比特超导磁体的励磁方法，其特征在于，所述由热开关控制类比特超导磁体具体制作是将第一双孔超导片(3-1)涂有REBCO层的一面朝下，再将第一绝缘片(3-2)插入第一双孔超导片(3-1)下面，将第二超导片(3-3)涂有REBCO层的一面朝上，并放在第一绝缘片(3-2)下面；将第二绝缘片(3-4)插在第二双孔超导片(3-3)下面，再将第三双孔超导片(3-5)插在第二绝缘片(3-4)下面，依此类推，同样地按照一片双孔超导片与一片绝缘堆叠数片，到最后一组超导片、绝缘片时，在其绝缘片下面接着堆叠末尾双孔超导片(3-6)；在第一双孔超导片(3-1)上面放置上法兰片(3-8)，末尾双孔超导片(3-6)下面放置下法兰片(3-7)，然后将3根定位杆(3-9)穿过法兰片的定位孔(3-10)，将各片固定在一起形成完整的类比特超导磁体；其中上下法兰片上面的定位孔圆的直径大于双孔超导片的外径，3根定位杆(3-9)穿过上下法兰片的定位孔(3-10)将组成组装的类比特超导磁体的各片压紧固定。
3.根据权利要求1所述的由热开关控制类比特超导磁体的励磁方法，其特征在于，所述双孔超导片是按照尺寸将方形的片状衬底切割成有两个圆孔的圆环片，接着在衬底(1-4)上沉积缓冲层(1-3)，然后在缓冲层上镀上REBCO薄膜(1-2)，以及镀银和铜薄膜保护层(1-1)，以此制作成双孔超导片。
4.根据权利要求1所述的由热开关控制类比特超导磁体的励磁方法，其特征在于，所述双孔绝缘片采用现有的PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片；绝缘片外圆直径略大于超导片外圆直径，内圆直径的大小与超导片相同，同样地，绝缘片上打有和双孔超导片一样的一大一小两个圆孔。
5.根据权利要求1所述的由热开关控制类比特超导磁体的励磁方法，其特征在于，所述法兰片的内直径的尺寸与超导片的内直径的尺寸相同，外直径的尺寸比超导片要略大一些，在其比超导片的表面积多的外围面积处，对称开3个定位孔；选择常用的不锈钢、环氧玻璃钢作为磁体的固定材料，在定位杆的外层包裹环氧树脂薄膜或绝缘漆作为绝缘层。
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