CN113130163B - 一种由磁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磁开关控制类比特高温超导磁体的励磁方法，由磁开关控制类比特超导磁体由磁开关和高温超导磁体两部分组成；其中磁开关是由磁刀和缠绕在磁刀上的线圈组成；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，然后通过上下法兰片和定位杆将上述堆叠的各片固定在一起；在双孔超导片的小圆孔中可放置铜线双层绕制的线圈，外接脉冲电源组成磁开关，当给磁开关的线圈通电流时，磁开关闭合。通过控制外接电源和磁开关的时序，超导环片两圆孔外围会形成闭合回路。本发明采用内部磁通的变化快速达到励磁饱和，使励磁时间更快、效率更高。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，特别涉及一种由磁开关控制类比特高温超导磁体的励磁方法。
背景技术
超导材料从发现至今已有上百年的历史，具有零电阻特性，完全抗磁性和“Josephson”效应等特性。超导磁体技术具有许多常规导体不可比拟的优点，如产生强磁场时无能量消耗，空间占地小，重量轻等。在一些大型科学工程中，如磁悬浮列车，核磁共振NMR等，已有超导磁体在运行。早期加速器通常采用常规电磁铁来产生主导磁场，它不仅体积庞大，而且耗电大。采用超导磁体后，磁场可以提高数倍。
目前所使用的超导材料多为REBCO超导带材，超导磁体的制作通常是将超导带材绕制成螺管式或者双饼式，因此生产大型磁体需要较长的超导带材，导致磁体生产成本比较高。当超导磁体采用处于常温的电源来励磁，用电流引线连接和超导体，电流引线两端分别处于低温和室温环境，会有大量的热量传入超导低温容器(热桥效应)；同时电流引线电阻以及电流引线和超导线之间的焊接电阻，在通电时会产生焦耳热，损耗功率，提高冷却成本。当超导磁体采用磁通泵法进行励磁时，是通过利用磁开关控制超导磁体的超导态和正常态转换来实现的。磁通泵法的一个最大优点是能利用小电流输入为大电流超导磁体供电励磁，产生强磁场，能够实现超导磁体的闭环运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种由磁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磁开关和高温超导磁体两部分组成；其中磁开关是由磁刀和缠绕在磁刀上的线圈组成；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，利用磁通泵原理为其类比特磁体供电；通过控制外接脉冲电源和磁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)将磁刀对准双孔超导片中大孔和小孔之间桥的位置，磁刀和缠绕在上面的铜线圈组成磁开关；位于法兰片上下两端，线圈两端外接脉冲电源；当电源给线圈供电时，磁刀上产生磁场，造成双孔超导片上桥的局部失超；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磁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。
所述由磁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，然后将磁开关3-11固定在法兰片上下两端。
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：本发明拓展了高温超导材料的应用范围，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；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为超导片以及磁开关的结构示意图。
图2为绝缘片的结构示意图。
图3为超导片和绝缘片堆叠而成的类比特超导磁体以及磁开关的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种由磁开关控制类比特高温超导磁体的励磁方法。本发明由磁开关和高温超导磁体两部分组成。所述由磁开关控制类比特超导磁体由磁开关和高温超导磁体两部分组成；其中磁开关是由磁刀和缠绕在磁刀上的线圈组成；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磁体供电；通过控制外接脉冲电源和磁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；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所示为超导片的结构示意图。所述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片。其中，其中，环形片的直径为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，绝缘片内部与超导环形片有着相同的物理形状和尺寸，大圆的直径为Φ5，相对超导片需要大一些。
图3所示为由磁开关控制的类比特超导磁体的结构示意图。图中所示，由磁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，然后将磁开关3-11固定在法兰片上下两端。
所述法兰片及定位杆选择常用的不锈钢、环氧玻璃钢作为磁体的固定装置的材料，在定位杆的外层包裹环氧树脂薄膜或绝缘漆作为绝缘层。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。
Claims (5)
1.一种由磁开关控制的类比特超导磁体的励磁方法，其特征在于，包括：
（1）所述由磁开关控制的类比特超导磁体由磁开关和高温超导磁体两部分组成；其中磁开关是由磁刀和缠绕在磁刀上的线圈组成；所述高温超导磁体是按照一片双孔超导片与一片绝缘片堆叠数片，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；其中绝缘片为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磁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）将磁刀对准双孔超导片中大孔和小孔之间桥的位置，磁刀和缠绕在上面的铜线圈组成磁开关；位于法兰片上下两端，线圈两端外接脉冲电源；当电源给线圈供电时，磁刀上产生磁场，造成双孔超导片上桥的局部失超；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磁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所述的由磁开关控制的类比特超导磁体的励磁方法，其特征在于，所述由磁开关控制的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），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；其中上下法兰片的外直径大于双孔超导片的外直径，3根定位杆（3-9）穿过上下法兰片的定位孔（3-10）将组装的类比特超导磁体的各片压紧固定，然后将磁开关（3-11）固定在法兰片上下两端。
3.根据权利要求1所述的由磁开关控制的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所述的由磁开关控制的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；绝缘片外直径略大于超导片外直径，绝缘片上打有的一大一小两个圆孔的直径和双孔超导片上两个圆孔的直径一样。
5.根据权利要求1所述的由磁开关控制的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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Granted publication date: 20221101 |
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