CN116249432A - 一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置及使用方法，包括控制磁体、控制磁体铁芯、安装在垂直于控制磁体磁场平面的高温超导带材、绝缘支架、交流电源。所述控制磁体安装在铁芯中，铁芯由硅钢片或其他可以降低交流损耗的材质叠制而成。所述控制磁体外接交流电源，在轴向产生交变磁场。高温超导带材放置于垂直磁场平面，固定于绝缘支架上。本发明通过高温超导材料的在交流磁场下产生的定向电场以及撤去交流磁场后超导材料恢复的超导态，实现电路快速开启和断开的功能，进而实现高温超导磁体的闭环运行。

Description

一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置及使用方法

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，具体而言，涉及一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置及使用方法。

背景技术

处于超导态的超导材料具有零电阻、迈斯奈效应等性质。超导材料制作的超导磁体具有高磁场强度、高磁场均匀度等优点。近年来随着高温超导材料的发展，高温超导磁体慢慢进入人们视野。相较于低温超导磁体，高温超导磁体能在更高的温度运行，同时具有更高的临界场强。其中较为具有代表的是钇钡铜氧高温超导材料。

闭环运行指的是，利用超导磁体的零电阻特性，使得在外载电源断开后，超导磁体内部仍然有稳定的电流的运行状态。在闭环运行状态下的高温超导线圈可以长时间保持良好的磁场稳定性，而不会受到电流引线造成的损耗的影响，是超导磁体一项重要的技术。

常用的超导开关可分为三种类型：热控超导开关、电流控制超导开关和磁场控制超导开关。热控超导开关的原理是将超导体加热到其临界温度以上使其失超而实现开关的关闭，但热控超导开关的缺点是开关时间太长(通常为几秒以上)。电流控制超导开关的原理是加大开关上的电流超过超导体的临界电流而关闭，但这种频繁的失超会使得开关的性能退化。

发明内容

针对高温超导磁体所需闭环运行工况，本发明提供一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置及使用方法，通过高温超导材料的在交流磁场下产生的定向电场以及撤去交流磁场后超导材料恢复的超导态，实现电路快速开启和断开的功能，进而实现高温超导磁体的闭环运行。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置，包括控制磁体、铁芯、安装在垂直于控制磁体的磁场方向的平面的高温超导带材、绝缘支架和交流电源；所述控制磁体外接交流电源，在轴向产生交变磁场。所述高温超导带材固定于绝缘支架上。所述控制磁体通过中间绝缘支架分为上下两层固定在铁芯上。所述铁芯为以绝缘支架为中心的对称双E型铁芯，所述铁芯中心柱为圆形，所述控制磁体通过铁芯的中心柱绕制连接于一体。所述高温超导磁体外接励磁电源，对高温超导磁体励磁阶段产生励磁作用。

进一步地，所述铁芯由硅钢片的材质叠制而成，从而降低交流损耗；铁芯为以绝缘支架为中心的对称双E型铁芯。

进一步地，所述绝缘支架与控制磁体使用螺栓紧固或胶固定。

进一步地，所述高温超导开关装置增加电位信号线以测量产生的定向电压情况，以判断所述高温超导开关装置的动态电阻大小。

进一步地，所述控制磁体为螺线管形以在高温超导开关装置的表面产生垂直场强。

本发明还提供一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置的使用方法，包括：

准备阶段：将作为超导开关的高温超导带材焊接并联在需要闭环运行的高温超导磁体上，将控制磁体连接至外界的交流电源；

降温阶段：将需要闭环运行的高温超导磁体和高温超导开关装置降温至超导临界转变温度之下；

励磁阶段：使用励磁电源给需要闭环运行的高温超导磁体励磁通电，此时将交流电源打开，控制磁体在作为超导开关的高温超导带材上产生交变磁场，感生出电场阻碍电流从高温超导开关装置流过，此时高温超导开关装置处于断开状态；

闭环阶段：待需要闭环运行的高温超导磁体达到所需运行电流后，关闭励磁电源并与控制磁体连接的交流电源，此时作为超导开关的高温超导带材恢复超导态，高温超导开关装置处于打开状态，高温超导磁体实现闭环运行。

本发明相较于现有技术的有益效果在于：

交流磁控高温超导开关开启和关断时间短(毫秒级)，响应速度远大于传统的热控制式超导开关；交流磁控高温超导开关所使用的控制磁体所需磁场强小，无需使用像传统的磁控式超导开关一样的高磁场强度使得磁场失超；且开关的开启和管段操作不会产生作为高温超导开关的超导材料本身的性能衰退。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施案例，现对本发明附图说明。本领域普通技术人员将通过阅读下文优选实施方式的详细描述清楚了解各种其他的优点和益处。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的控制磁体及绝缘支架示意图；

图2为本发明的高温超导开关装置连接高温超导磁体示意图；

图3为本发明在高温超导磁体闭环运行实例中的示意图。

图4为本发明的铁芯上半部分示意图；

附图中：1-控制磁体；2-铁芯；3-高温超导带材；4-绝缘支架；5-交流电源；6-高温超导磁体；7-励磁电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实例进行详细阐述。可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1-4所示，本发明的高温超导开关装置包括控制磁体1、铁芯2、高温超导带材3、绝缘支架4和交流电源5。所述控制磁体1一般为铜线绕制，内部存在硅钢片或其他降低交流损耗的铁芯2。作为超导开关的高温超导带材3放置于垂直于所述控制磁体1的磁场方向的平面上。所述控制磁体1外接交流电源5，在轴向产生交变磁场。所述高温超导带材3固定于绝缘支架4上。所述控制磁体1通过中间绝缘支架4分为上下两层固定在铁芯2上。所述铁芯2为以绝缘支架4为中心的对称双E型铁芯，所述铁芯2中心柱为圆形，所述控制磁体1通过铁芯2中心柱绕制连接于一体。所述高温超导磁体6外接励磁电源7，对高温超导磁体6励磁阶段产生励磁作用。

如图2所示，本发明的高温超导开关装置连接在高温超导磁体6上，通常使用焊接方式，并联在高温超导磁体两端。

如图3所示，所述高温超导磁体6由励磁电源7供电，高温超导开关装置与高温超导磁体6并联，由交流电源5给控制磁体1通电，实现高温超导开关装置的开启与关断效果。

如图4所示，所述铁芯2的中心柱为圆形。

本发明中的高温超导开关装置的使用分为四个阶段：

准备阶段：将作为超导开关的高温超导带材3焊接并联在需要闭环运行的高温超导磁体6上，将控制磁体1连接至外界的交流电源5；

降温阶段：将需要闭环运行的高温超导磁体6降温至超导临界转变温度之下；

励磁阶段：使用励磁电源7给需要闭环运行的高温超导磁体6励磁通电，此时将交流电源5打开，控制磁体1在作为超导开关的高温超导带材3上产生交变磁场，感生出电场阻碍电流从高温超导开关装置流过，此时高温超导开关装置处于断开状态；

闭环阶段：待需要闭环运行的高温超导磁体6达到所需运行的电流后，关闭励磁电源7并关闭与控制磁体1连接的交流电源5，此时作为超导开关的高温超导带材3恢复超导态，高温超导开关装置处于打开状态，高温超导磁体6实现闭环运行。

本发明使用交流磁控高温超导开关装置的原理为：当传输直流电流的II型超导体受到垂直交流磁场时，可以产生定向的电场。所施加的交流磁场可以重新分布超导体内部的涡流，导致净通量从样品的一侧流向另一侧，宏观上可以等效于动态阻力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置，其特征在于：包括控制磁体(1)、铁芯(2)、安装在垂直于控制磁体(1)磁场方向平面的高温超导带材(3)、绝缘支架(4)和交流电源(5)；所述控制磁体(1)外接交流电源(5)，在轴向产生交变磁场；所述高温超导带材(3)固定于绝缘支架(4)上；所述控制磁体(1)通过中间的绝缘支架(4)分为上下两层固定在铁芯(2)上；所述铁芯(2)为以绝缘支架(4)为中心的对称双E型铁芯，所述铁芯(2)的中心柱为圆形，所述控制磁体(1)绕制在铁芯(2)的中心柱上；所述高温超导磁体(6)外接励磁电源(7)，对高温超导磁体(6)励磁阶段产生励磁作用。

2.如权利要求1所述的一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置，其特征在于：所述铁芯(2)由硅钢片的材质叠制而成，从而降低交流损耗。

3.如权利要求1所述的一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置，其特征在于：所述绝缘支架(4)与控制磁体(1)使用螺栓紧固或胶固定。

4.如权利要求1所述的一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置，其特征在于：所述高温超导开关装置增加电位信号线以测量产生的定向电压情况，以判断所述高温超导开关装置的动态电阻大小。

5.如权利要求1所述的一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置，其特征在于：所述控制磁体(1)为螺线管形以在高温超导开关装置的表面产生垂直场强。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种超导磁体闭环运行的高温超导开关装置的使用方法，其特征在于，包括：

准备阶段：将作为超导开关的高温超导带材(3)焊接并联在需要闭环运行的高温超导磁体(6)上，将控制磁体(1)连接至外界的交流电源(5)；

降温阶段：将需要闭环运行的高温超导磁体(6)和高温超导开关装置降温至超导临界转变温度之下；

励磁阶段：使用励磁电源(7)给需要闭环运行的高温超导磁体(6)励磁通电，此时将交流电源(5)打开，控制磁体(1)在作为超导开关的高温超导带材(3)上产生交变磁场，感生出电场阻碍电流从高温超导开关装置流过，此时高温超导开关装置处于断开状态；

闭环阶段：待需要闭环运行的高温超导磁体(6)达到所需运行电流后，关闭励磁电源(7)并与控制磁体(1)连接的交流电源(5)，此时作为超导开关的高温超导带材(3)恢复超导态，高温超导开关装置处于打开状态，高温超导磁体(6)实现闭环运行。

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