CN113257512B - 高温超导分段励磁系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超导磁体技术领域，公开了一种高温超导分段励磁系统，包括至少两个磁通泵、至少两个高温超导线圈；以及支撑组件；所述支撑组件用于支撑高温超导线圈；每个磁通泵励磁至少一个高温超导线圈。本发明能够提高超导磁体励磁充电效率与超导磁体中心磁场强度，同时相应的降低超导磁体励磁成本。在此基础上，本发明还公开了一种高温超导分段励磁系统的使用方法。

Description

高温超导分段励磁系统及其使用方法

技术领域

本发明属于超导磁体技术领域，尤其涉及一种高温超导分段励磁系统及其使用方法。

背景技术

高温超导磁体临界温度高，高磁场下性能优异，在高能加速器、受控核聚实验装置、强磁场实验装置、核磁共振和磁体储能等领域应用前景广阔，目前，高温超导磁体的研究已经成为超导应用中最重要的部分。

超导磁体需要工作在持续电流模式下。常规励磁系统的励磁方法的弊端在于“木桶效应”，即磁体的传输电流为临界电流最小的线圈所限制；临界电流最小的线圈通常位于磁体的端部，磁体端部的径向磁场会限制整个高温超导线圈的最大电流并降低磁体的整体利用率。

发明内容

为了解决上述至少一个技术问题，本发明公开了一种具有上述磁通泵的高温超导分段励磁系统，能够提高超导磁体励磁充电效率与超导磁体中心磁场强度，同时相应的降低超导磁体励磁成本。本发明还公开了一种使用上述高温超导分段励磁系统的使用方法。本发明的具体技术方案如下：

一种高温超导分段励磁系统，包括：

至少两个磁通泵；

至少两个高温超导线圈；以及

支撑组件，用于支撑高温超导线圈；

其中，每个磁通泵励磁至少一个高温超导线圈。

高温超导了励磁系统并未改变磁体结构，也未增加绕制成本；在具体使用过程中，利用励磁系统的具体连接结构优化了充电方法，从而解决了磁体端部限流的问题，提高了高温超导线圈的平均传输电流；由于磁通泵的数量为多个，因此以多个磁通泵实现了多个高温超导线圈的分段励磁，避免了“木桶效应”引起的充电电流小的问题，并且其效果并非简单地线性叠加。

优选的，包括至少三个高温超导线圈；至少两个高温超导线圈串联，串联后的高温超导线圈由一个磁通泵励磁。

串联过后的高温超导线圈能够增强磁场，补充“短板”，保证分段励磁系统能够输出较大电流。

优选的，高温超导线圈同心设置于支撑组件。

同心设置的高温超导线圈能够进一步提高中心磁场强度。

优选的，还包括与磁通泵对应设置的定子；

任意一个磁通泵包括：

交流绕组；

直流绕组；以及

磁轭，所述磁轭通过连接直流绕组与交流绕组，在磁通泵的使用状态，形成磁回路；

其中，任意一个定子与高温超导线圈连接为封闭回路；任意一个定子设置于对应交流绕组一侧的气隙内。

将磁通泵设置为直线电机磁通泵，将单电源励磁的磁通泵设置为多电源分段励磁，由此进一步提高充电效果。

优选的，至少两个串联后的高温超导线圈与定子连接为封闭回路。

一个磁通泵可励磁一个高温超导线圈或多个串联而成的高温超导线圈，对于串联后的高温超导线圈来说，由于仅利用一个磁通泵实现励磁，因此，仅需要一个定子即可实现具体功能。

优选的，所述支撑组件包括：

立柱，用于固定高温超导线圈的位置；

第一定位盘，所述第一定位盘设置于立柱的其中一端，用于定位其中一个高温超导线圈；以及

第二定位盘，所述第二定位盘设置于立柱的另一端，用于定位另一个高温超导线圈。。

高温超导线圈设置于立柱，并在立柱上进行位置固定；由于高温超导线圈具有多个，因此，使其中一个高温超导线圈位于第一定位盘处，另外一个高温超导线圈位于第二定位盘处，剩余的高温超导线圈位于上述两个高温超导线圈之间；由此，使多个高温超导线圈在预设高度上排布；所述检测元件设置于立柱中部，即支撑组件的中部，由此对中心磁场进行实时监测。

一种高温超导分段励磁系统的使用方法，其特征在于，该方法基于如上所述的高温超导分段励磁系统；所述使用方法包括如下步骤：

组装励磁系统；

将磁通泵和定子完全放入低温环境中，待磁通泵和定子完全冷却至超导态；

启动励磁系统。

优选的，在组装励磁系统的步骤中，高温超导线圈间隔分布。

优选的，在组装励磁系统的步骤中，同一个封闭回路中的焊接电阻不大于200nΩ。

和现有技术相比，本发明提供了具有更高充电效率的连接结构，并以该结构解决了高温超导磁体需要持续运行的难题，并提供了便捷携带、成本低的磁体结构；在具体使用时，本发明提高了线圈的充电电流，使之不会受限于单个线圈充电电流的最小值，即解决了磁体端部限流的问题，从而有效提高了磁体的中心磁场强度。

附图说明

图1为本发明实施例的其中一种示意图；

图2为图1的正视图；

图3为本发明实施例中磁通泵的示意图；

图4为图3的正视图；

图5为本发明实施例中支撑组件的示意图；

图6为本发明实施例的试验结果图；

图7为本发明实施例的另外一种示意图；

图8为本发明实施例的使用流程图。

图中：100-磁通泵；101-交流绕组；1011-泵齿；1012-泵槽；102-磁轭；103-定子；104-直流绕组；105-气隙；200-高温超导线圈；300-支撑组件；301-立柱；302-第一定位盘；303-第二定位盘；304-检测元件。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种高温超导分段励磁系统，包括至少两个磁通泵100、至少两个高温超导线圈200；以及支撑组件300；所述支撑组件300用于支撑高温超导线圈200；每个磁通泵100励磁至少一个高温超导线圈200。

如图3和图4所示，为了更好的使用本实施例，任意一个磁通泵100还包括交流绕组101、磁轭102和定子103；所述磁轭102连接直流绕组104与交流绕组101，在磁通泵100的使用状态，形成磁回路；任意一个定子设置于对应交流绕组101一侧的气隙105内；高温超导线圈200与定子103连接为封闭回路。

在本实施例中，为了达到最好的使用效果，定子103在气隙105内贴靠与磁轭102。

为了更好的使用本实施例，高温超导线圈同心设置于支撑组件。

如图2所示，在本实施例中，高温超导线圈200在支撑组件300上均匀分布；以磁通泵的数量为奇数进行实施例阐述如下：

令本实施例中，高温超导线圈200的数量为5个，磁通泵100的数量为5个；在本实施例中使励磁系统的磁场中心尽量靠近支撑组件300的中部，而磁通泵100依次水平呈均匀间距分布，以得到最大利用率，为了便于讲述，对高温超导线圈200和磁通泵100进行编号，需要说明的是，下述编号仅针对本实施例，在另外的实施例中，数量不限于5个，可以为1、2、3、……n，n≥2。在本实施例中，高温超导线圈200从上至下依次为A1、A2……A5；从远离支撑组件300到靠近支撑组件300，磁通泵100依次为B1、B2……B5。由此，使B1对A1励磁，使B2对A2励磁……使B5为B5励磁。为了保证线路清晰，满足组装可操作性，在本实施例中，A1与B1间、A3与B3间两者的带材均连接于系统的上侧；A2与B2间、A4与B4间两者的带材均连接于系统的下侧；A5与B5间的带材在水平方向连接。当上述n为偶数时，即不存在A5与B5之间的连接方式。还需要说明的是，在不同的实施例中，高温超导线圈200也不用设置为等间距分布。

在本实施例中，所述高温超导线圈200为高温超导材料绕制而成，其上下两饼通过最内层的带材连接，这样使得两个线圈串接且不使用焊接，并能保证两者完全贴合，使线圈尺寸紧凑。带材的材料为ReBCO，具体可以为YBCO；该带材包括三层，衬底的哈氏合金层、YBCO层和缓冲层。

在绕制高温超导线圈200时，由一根完整的无接头带材绕制，该带材的两端分别从上下高温超导的最外侧伸出，成为高温超导线圈200的引脚。在本实施例中，规定上饼线圈的引脚为电流输入端，下饼线圈的引脚为电流输出端。

对于其中一个高温超导线圈200与其对应的定子103来说，高温超导线圈200的输入端与其对应定子103的一端重合并焊接，该高温超导线圈200的输出端与上述定子103的另一端重合并焊接，由此形成完整闭环。

为了更好的使用本实施例，串联的高温超导线圈200通过焊料焊接；串联后的高温超导线圈200通过焊接与对应的磁通泵100连接。

在本实施例中，焊接的连接方式能够相应的延长接线长度，在焊接过程中，应注意避免多次焊接对带材造成损害，并使得焊接电阻能够尽可能的小。此外，在本实施例中，焊接处具有两点，其中一个焊接点位于高温超导线圈200的电流输入端，另外一个焊接点位于高温超导线圈200的电流输出端；需要理解的是，在任意一个实施例中，高温超导线圈200和定子103之间也是通过两超导带材焊接实现连接。

本实施例将传统的单电源励磁改进为多电源分段励磁，经过发明人的不断研究，发现在该磁通泵100的充电过程中，在多电源分段励磁系统形成的磁场的中部，能够获得强度更高的磁场，由此基于该磁通泵100而获得更加高效的充电能力。

如图6所示，方点连线为单电源励磁测试结果，圆点连线为多电源分段励磁测试结果；图中，纵轴为磁通泵100所能够提供的电流，横轴的线圈的位置，以5个高温超导线圈200为例，即以5个高温超导线圈200作为分段式线圈时，第3个高温超导线圈200为中间处高温超导线圈200；从图中可见，在传统的单电源励磁系统中，每个高温超导线圈200处的磁场强度均为一致的294mT（mT，磁场强度单位，毫特斯拉），每个高温超导线圈200都能够提供32A的电流。

对于多电源分段励磁系统来说，从图中可见，在第2个高温超导线圈200的0.15个宽度左右的位置处，同等条件下，其磁场强度能够达到单电源励磁的磁场强度，但是，从该处至第3个高温超导线圈200的中部，多电源分段励磁系统的磁场强度均大于单电源励磁时高温超导线圈同处的磁场强度，并在第3个高温超导线圈200的中部达到最大值390mT，此时，磁通泵100能够提供大约36.7A的电流。

由此通过实验证明，对于现有的单电源励磁充电方式而言，在多电源分段励磁充电来说，当定子103放置于本实施例的励磁系统的中部位置时，能够获得相对于现有技术更大的充电效果，取得了以往技术所不具有的优势。

需要说明的是，所述交流绕组101具有泵齿1011和泵槽1012，泵齿1011和泵槽1012均具有多个，两者交替设置，可以理解为一个泵槽1012为两个相邻泵齿1011之间的区域；由此，在泵槽1012中绕制有交流线圈，交流线圈与三相交流逆变器电性连接；需要说明的是，所述交流绕组101还具有交流骨架，该骨架具有磁性，一般为铁芯。

直流绕组104中绕制有直流线圈，直流线圈与直流电源电性连接；同样的，直流绕组104具有直流骨架，并且该骨架也具有磁性，一般为铁芯。也就是说，直流线圈绕制于直流骨架上。在具体连接时，交流线圈绕制于交流骨架的中部，其两端分别连接一个绕制有直流线圈的直流骨架；在此基础上，两个直流骨架远离交流骨架的一端通过磁轭102连接，从而实现在磁通泵100的使用状态，形成磁回路。

在该结构中，在泵齿1011和磁轭102相互靠近的一处，泵齿1011的端部和磁轭102之间具有气隙105，由此，定子103设置于气隙105中，并贴靠于磁轭102，在此基础上，通过带材重合焊接，与高温超导线圈200连接为封闭回路。需要说明的是，上述任意一个实施例中所述的气隙105，即为泵齿1011的端部和磁轭102之间的间隙。并以此适用于以下实施例。

如图5所示，为了更好的使用本实施例，所述支撑组件300包括立柱301、第一定位盘302和第二定位盘303；所述立柱用于固定高温超导线圈200的位置；所述第一定位盘302设置于立柱301的其中一端；所述第二定位盘303设置于立柱301的另一端。

在实验过程中，所述立柱301的中部设置有检测元件304，所述检测元件304用于检测磁场，从而获得图6所示实验结果。在该实施例中，所述检测元件304为霍尔元件，霍尔元件是利用霍尔效应进行工作的半导体磁电器件，可以很好的进行磁场强度测量。在另外的实施例中，也可以是其他能够实现磁场强度测量的元器件，如干簧管、磁阻元件等磁传感器。

在该实施例中，高温超导线圈200呈均匀排布的方式固定在立柱301上，从上至下的第一个高温超导线圈200由第一定位盘302定位，从下至上的第一个高温超导线圈200由第二定位盘303定位；所述检测元件304设置于立柱301的中部。在上述内容已经阐述了多电源分段励磁的优势，因此，对于本实施例来说，由于对多电源分段励磁的充电来说，其生成的磁场的中部并非为最大数值，中间的磁场受到上下两侧的线圈磁场影响最小，因此该处能够提高较大的电流，并保证输出稳定，因此，将检测元件304设置于立柱301的中部，能够更好的测量磁场的强度。而对于均匀分布的高温超导线圈200而言，能够减小传输电流对磁场的分布，从而避免对最终稳定的磁场产生较大影响。由此，在实际产品应用阶段，去掉检测元件304即可满足实际使用要求。

如图7所示，在另外的实施例中，在上述实施例的基础上，其包括至少三个高温超导线圈；至少两个高温超导线圈串联，串联后的高温超导线圈由一个磁通泵励磁。

需要说明的是，两个高温超导线圈200之间的串联，是通过两个高温超导线圈200的电流输入端焊接实现；焊接时，两个高温超导线圈200的引脚的超导面相对设置，从而使得焊接电阻最小。

在该实施例中，进一步简化了分段式线圈，在相同高温超导线圈200数量的基础上，能够减少磁通泵100的数量。

为了更好的使用本实施例，至少两个串联后的高温超导线圈与定子连接为封闭回路。

如图7所示，该实施例中，磁通泵100的布置方式与以上实施例中的磁通泵100布置方式相似；以高温超导线圈200的数量为9个，磁通泵100的数量为5个举例说明；所述高温超导线圈200从上至下依次为C1、C2……C9；所述磁通泵100从远离支撑组件300到靠近支撑组件300，依次为D1、D2……D5。具体连接时，C1与C9串联，再与D1连接为闭合回路；D2与C8串联，再与D2连接为闭合回路……D4与D6串联，再与D4连接为闭合回路；C5直接与D5连接为闭合回路。依然要说明的是，高温超导线圈200和磁通泵100的数量不局限于上述内容所举例的数量。在该实施例中，在高温超导线圈C5处的磁场强度同样达到相对较大的数值，此处不再进行累述。

在上述实施例中，高温超导励磁系统为分段励磁系统，其分段情况由磁通泵100的数量决定，其中励磁的高温超导线圈200被分别多个部分，这些高温超导线圈200可串联后由一个磁通泵100励磁，也可以单个高温超导线圈200由一个磁通泵100励磁，在组合为分段励磁系统后，取其中部励磁电流，以输出较大且稳定的电流。如图8所示，对于上述实施例来说，可以通过以下的方法进行使用，具体的，一种高温超导分段励磁系统的使用方法，该方法基于如上所述的高温超导分段励磁系统；所述使用方法包括如下步骤：

S101、组装励磁系统；

S102、将磁通泵100和定子103完全放入低温环境中，待磁通泵100和定子103完全冷却至超导态；

S103、启动励磁系统。

若在实验阶段，则需要将检测元件304电性连接至外部纳伏表，该步骤可以在S101和S102之间，也可以在S102和S103之间。而在本实施例中，所述低温环境为液氮环境。

为了更好的使用本实施例，在组装励磁系统的步骤中，高温超导线圈200等间距分布，并且，需要说明的是，任意一个磁通泵100的交流绕组101的中心与该磁通泵100中的定子103的中心对准。而在不同的实施例中，高温超导线圈200间隔分布即可，并非需要等间距分布。

在组装结束后，还应当对每个封闭回路中的焊接电阻进行测试，确保同一个封闭回路中的焊接电阻不大于200nΩ，由此避免包括焊接电阻在内的回路电阻对充电电流产生较大影响。

实际上，任意一个封闭回路中的焊接电阻只要不大于1000 nΩ即可，但是在焊接电阻不大于200nΩ时，能够使高温超导分段励磁系统达到更好的励磁效果。

还需要注意的是，在安装定子103时，应当保证磁通泵100干燥，在此过程中，将定子103安装于气隙105中。

组装完成后，将霍尔元件与外部纳伏表电性连接，以使得励磁系统工作时，能够很好的完成对磁场中心强度进行监控。

由于定子103的温度会影响定子103带材的临界电流，从而影响每组高温超导线圈200的最大充电电流，因此，需要将励磁系统浸入液氮，在该过程中，需要注意的是，定子103需始终浸入液氮中，且液氮面应高于定子103不低于0.5mm。为了保证最佳的使用效果，应将励磁系统保持浸入液氮，并使液氮面应高于励磁系统不低于0.5mm。

由此，通过上述方法进行的励磁系统使用，能够相比传统电源与单电源励磁方式，在不改变磁体结构和绕制成本的情况下，解决磁体端部限流的问题，有效提高高温超导线圈200的平均传输电流。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高温超导分段励磁系统，其特征在于，包括：

至少两个磁通泵；所述磁通泵包括：交流绕组、直流绕组以及磁轭，所述磁轭连接直流绕组与交流绕组，在磁通泵的使用状态，形成磁回路；

所述交流绕组具有多个交替设置的泵齿和泵槽，所述泵槽中绕制有交流线圈，交流线圈与三相交流逆变器电性连接；

至少三个相同材料的高温超导线圈，至少两个高温超导线圈串联；以及

支撑组件，用于支撑高温超导线圈；所述支撑组件包括：立柱，用于固定高温超导线圈的位置；第一定位盘，所述第一定位盘设置于立柱的其中一端，用于定位其中一个高温超导线圈；以及第二定位盘，所述第二定位盘设置于立柱的另一端，用于定位另一个高温超导线圈；所述立柱的中部设置有检测元件；

所述励磁系统的磁场中心位于所述支撑组件的中部；

其中，还包括与磁通泵对应设置的定子；

串联后的高温超导线圈与一个定子连接为封闭回路，和/或一个定子与一个高温超导线圈连接为封闭回路；任意一个定子设置于对应交流绕组一侧的气隙内；

任意一个高温超导线圈为高温超导材料绕制而成；所述高温超导线圈上下两饼通过最内层的带材连接；

其中，每个磁通泵励磁至少一个高温超导线圈。

2.如权利要求1所述的一种高温超导分段励磁系统，其特征在于，高温超导线圈同心设置于支撑组件。

3.一种高温超导分段励磁系统的使用方法，其特征在于，该方法基于如权利要求1～2任一项所述的高温超导分段励磁系统；所述使用方法包括如下步骤：

组装励磁系统，高温超导线圈间隔分布，同一个封闭回路中的焊接电阻不大于200nΩ；

将磁通泵和定子完全放入低温环境中，待磁通泵和定子完全冷却至超导态；

启动励磁系统。

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