CN117296481A - 超导开关的改进 - Google Patents

Abstract

提供了一种包括一段超导材料的电开关。在一些形式中，该电开关被配置成通过选择性地应用一个或多个切换机构而在低电阻状态和较高电阻状态之间被控制。在较高电阻状态下，流过该段超导材料的电流可以接近该段超导材料的临界电流，可以基本上等于该临界电流或可以大于该临界电流。在一些形式中，该段超导材料是一段高温超导材料。该切换机构可以包括：加热该段超导材料；向该段超导材料施加磁场；施加时变磁场以产生动态电阻和/或热量；和/或向超导材料的环路施加时变磁场以在该环路周围产生屏蔽电流。

Description

超导开关的改进

技术领域

本技术涉及超导电开关。更具体地，本技术涉及包括由超导材料，尤其是高温超导材料形成的部件的电开关。

背景技术

在超导电路中，通常难以引入具有类似低或零电阻导电路径的部件。引入非超导部件可能导致电路性能下降，使得整个电路的效率降低。此外，当向高电流超导电路添加电阻时，需要更大的冷却来抵消电阻性部件的加热。

将电阻性部件引入超导电路的另一个问题是，如果去除电流供应，在所述电路中流动的任何DC电流将立即衰减。相反，在超导电路中，电流根据电路的时间常数(L/R)而衰减。换句话说，超导的电路具有能够在电源被关闭之后长时间支持DC电流流动的优点。这些超导电路中的电流衰减速率由与电路内的正常导电接头相关联的任何非零电阻确定。

因此，需要能够提供能够在超导电路中更有效地工作并且优选地不显著降低其性能的部件或布置。

在这些超导电路中使用的一种类型的部件是可变电阻电流开关。然而，现有的电流开关装置存在许多已知的缺点。例如，热控开关通常响应慢，并且不适合用于高速切换应用。电流控制开关通常施加超过超导体临界电流的电流脉冲，并且因此这些类型的开关装置易于劣化。现有的磁场控制开关装置由高强度磁场控制，然而当激活时，这些磁场控制开关装置的每单位长度的电阻较小，并且切换速率通常受到所施加的励磁线圈的大电感的限制。

发明内容

本技术的目的是通过提供包括至少一个由超导材料形成的部件的电开关来满足上述需要中的任何一个或多个。

替代地，本技术的目的是至少向公众提供有用的选择。

根据本技术的一个方面，提供了一种包括一段超导材料的电开关。在一些形式中，电开关被配置成通过选择性地应用一个或多个切换机构而在低电阻状态和较高电阻状态之间被控制。在较高电阻状态下，流过该段超导材料的电流可以接近该段超导材料的临界电流，可能基本上等于该临界电流或可以大于该临界电流。在一些形式中，该段超导材料是一段高温超导材料。

在本技术的某些形式中，这些切换机构可以包括以下各项中的任一项或多项：

1.加热该段超导材料以减小该段超导材料的临界电流；

2.向该段超导材料施加磁场以减小该段超导材料的临界电流；

3.向该段超导材料施加时变磁场以在该段超导材料中产生动态电阻和/或通过动态电阻和/或磁化来加热该段超导材料；以及

4.向超导材料的环路施加时变磁场以在该环路周围生成屏蔽电流。

在实例中，电开关可以包括加热组件和/或一个或多个磁场发生器，以便实现以上切换机构的任意组合。

根据该技术的一个方面，提供了一种电开关，该电开关包括被配置成承载传输电流的一段超导材料，其中该段超导材料具有临界电流和临界温度。该电开关还可以包括磁场发生器，该磁场发生器被配置成向该段超导材料施加磁场。电开关还可以包括用于加热该段超导材料的加热组件。磁场发生器和加热组件可以被配置成独立地或组合地被选择性地控制，以在低电阻状态和较高电阻状态之间切换电开关。在低电阻状态下，磁场的幅度可以相对较低，并且该段超导材料的温度可以基本上小于临界温度，使得传输电流基本上小于临界电流。在较高电阻状态下，磁场的幅度可以相对较高以减小临界电流，和/或加热组件可以加热该段超导材料以减小临界电流，使得传输电流接近该段超导材料的临界电流、基本上等于该临界电流或大于该临界电流。

在实例中：

a)该磁场发生器和该加热组件可以被配置成独立地或组合地被选择性地激活和去激活，以在该低电阻状态和该较高电阻状态之间切换该电开关；

b)该加热组件可以被配置成保持激活，并且该电开关可以通过该磁场发生器的选择性去激活和激活而在该低电阻状态和该较高电阻状态之间切换；

c)由磁场发生器施加的磁场可以是恒定磁场；

d)该加热组件可以包括电阻性加热元件，该电阻性加热元件被定位成与该段超导材料热接触；

e)该超导材料可以是高温超导材料；

f)该磁场发生器可以是第一磁场发生器，并且该磁场可以是第一磁场，并且其中该电开关可以包括第二磁场发生器，该第二磁场发生器被配置成向该段超导材料施加第二时变磁场。该第二磁场发生器可以被配置成被选择性地控制以在低电阻状态和较高电阻状态之间切换电开关；

g)超导材料可以是具有两个相对面的带材；

h)该第二磁场发生器可以被配置成在基本上垂直于这两个相对面的方向上施加第二磁场；

i)该第一磁场发生器和该第二磁场发生器可以是相同的磁场发生器，其中由相同的磁场发生器施加的磁场的幅度随DC偏置在时间上变化。

j)该段超导材料可以包括超导材料的环路，该超导材料的环路被配置成在第一端子和第二端子之间承载传输电流。该环路可以包括第一分支和第二分支，第一和第二分支在第一端子和第二端子之间并联电连接。该环路可以具有基本上正交于该环路的平面的轴线；以及

k)电开关还可以包括第三时变磁场发生器，该第三时变磁场发生器被配置成通过该环路施加第三时变磁场，其中通过该环路的第三磁场的方向大致平行于环路的轴线，或者具有大致平行于环路的轴线的分量。在低电阻状态下，第三磁场发生器可以不通过环路施加第三磁场，并且传输电流流过两个端子之间的环路。在较高电阻状态下，第三磁场发生器可以通过环路施加第三磁场，在环路中感应屏蔽电流，使得第一分支和第二分支中的一个或多个中的总电流接近该超导材料的临界电流、基本上等于该临界电流或大于该临界电流。

根据该技术的一个方面，提供了一种电开关，该电开关包括被配置成承载传输电流的一段超导材料，其中该段超导材料具有临界电流和临界温度。该电开关可以包括第一磁场发生器，该第一磁场发生器被配置成向该段超导材料施加第一恒定磁场。该电开关还可以包括第二磁场发生器，该第二磁场发生器被配置成向该段超导材料施加第二时变磁场。第一磁场发生器和第二磁场发生器可以被配置成独立地或组合地被选择性地控制，以在低电阻状态和较高电阻状态之间切换电开关。在低电阻状态下，第一磁场和第二磁场的幅度可以相对较低，并且传输电流可以基本上小于临界电流。在较高电阻状态下，第一磁场的幅度可以相对较高以减小临界电流，使得传输电流接近该段超导材料的临界电流、基本上等于该临界电流或大于该临界电流，和/或第二磁场可以在该段超导材料中产生动态电阻。

在实例中：

a)该第一磁场发生器和该第二磁场发生器可以被配置成独立地或组合地被选择性地激活和去激活，以在该低电阻状态和该较高电阻状态之间切换该电开关；

b)该第一磁场发生器可以被配置成保持激活，并且该电开关可以通过该第二磁场发生器的选择性去激活和激活而在该低电阻状态和该较高电阻状态之间切换；

c)该第二磁场发生器可以被配置成保持激活，并且该电开关可以通过该第一磁场发生器的选择性去激活和激活而在该低电阻状态和该较高电阻状态之间切换；

d)超导材料可以是具有两个相对面的带材。该第二磁场发生器可以被配置成在基本上垂直于这两个相对面的方向上施加第二磁场；

e)第一磁场发生器和第二磁场发生器可以是相同的磁场发生器，其中由相同的磁场发生器施加的磁场的幅度随DC偏置在时间上变化；

f)该超导材料可以是高温超导材料；

g)电开关还可以包括用于加热该段超导材料的加热组件。在较高电阻状态下，该加热组件可以加热该段超导材料以减小临界电流，使得传输电流接近该段超导材料的临界电流、基本上等于该临界电流或大于该临界电流；

h)该加热组件可以包括电阻性加热元件，该电阻性加热元件被定位成与该段超导材料热接触；

i)该段超导材料可以包括超导材料的环路，该超导材料的环路被配置成在第一端子和第二端子之间承载传输电流。该环路可以包括第一分支和第二分支，第一和第二分支在第一端子和第二端子之间并联电连接，并且其中该环路具有基本上正交于该环路的平面的轴线；并且

j)电开关还可以包括第三时变磁场发生器，该第三时变磁场发生器被配置成通过该环路施加第三时变磁场，其中通过该环路的第三磁场的方向大致平行于环路的轴线，或者具有大致平行于环路的轴线的分量。在低电阻状态下，第三磁场发生器可以不通过环路施加第三磁场，并且传输电流流过两个端子之间的环路。在较高电阻状态下，第三磁场发生器可以通过环路施加第三磁场，在环路中感应屏蔽电流，使得第一分支和第二分支中的一个或多个中的总电流接近该超导材料的临界电流、基本上等于该临界电流或大于该临界电流。

根据该技术的一个方面，提供了一种电开关，该电开关包括超导材料的环路，该超导材料的环路被配置成在第一端子和第二端子之间承载传输电流，其中该超导材料的环路具有临界电流和临界温度。该环路可以包括第一分支和第二分支，第一和第二分支在第一端子和第二端子之间并联电连接，并且其中该环路具有基本上正交于该环路的平面的轴线。电开关还可以包括时变磁场发生器，该时变磁场发生器被配置成通过该环路施加时变磁场，其中通过该环路的磁场的方向大致平行于该环路的轴线，或者具有大致平行于该环路的轴线的分量。电开关还可以包括用于加热超导材料的环路的加热组件。该时变磁场发生器和加热组件可以被配置成独立地或组合地被选择性地控制，以在低电阻状态和较高电阻状态之间切换电开关。在低电阻状态下，时变磁场发生器可以不通过环路施加时变磁场，并且传输电流流过两个端子之间的环路，传输电流基本上小于临界电流，并且该环路的温度可以基本上小于临界温度。在较高电阻状态下，时变磁场发生器可以通过环路施加时变磁场，在环路中感应屏蔽电流，和/或加热组件可以加热环路以减小临界电流，使得第一分支和第二分支中的一个或多个中的总电流接近该超导材料的临界电流、基本上等于该临界电流或大于该临界电流。

在实例中：

a)该时变磁场发生器和该加热组件可以被配置成独立地或组合地被选择性地激活和去激活，以在该低电阻状态和该较高电阻状态之间切换该电开关；

b)该加热组件可以被配置成保持激活，并且该电开关可以通过该时变磁场发生器的选择性去激活和激活而在该低电阻状态和该较高电阻状态之间切换；

c)该加热组件可以包括电阻性加热元件，该电阻性加热元件被定位成与该超导材料的环路热接触；

d)第一分支可以包括一个或多个超导材料的线圈；

e)第二分支可以包括一个或多个超导材料的线圈；

f)第一分支的线圈可以缠绕在与第二分支的线圈相同的轴线上；

g)第一分支的线圈可以在第一旋转方向上缠绕并且第二分支的线圈可以在第二旋转方向上缠绕，其中第一旋转方向不同于第二旋转方向；

h)时变磁场发生器可以通过芯磁耦合到超导材料的环路；

i)超导材料可以是高温超导材料；并且

j)电开关还可以包括第二磁场发生器，该第二磁场发生器被配置成向超导材料的环路施加第二磁场。在低电阻状态下，第二磁场的幅度可以相对较低。在高电阻状态下，第二磁场的幅度可以相对较高以减小临界电流。

根据该技术的一个方面，提供了一种电开关，该电开关包括超导材料的环路，该超导材料的环路被配置成在第一端子和第二端子之间承载传输电流，其中该超导材料的环路具有临界电流和临界温度。该环路可以包括第一分支和第二分支，第一和第二分支在第一端子和第二端子之间并联电连接。该环路可以具有基本上正交于该环路的平面的轴线。电开关还可以包括第一磁场发生器，该第一磁场发生器被配置成通过该环路施加时变磁场，其中通过该环路的磁场的方向大致平行于该环路的轴线，或者具有大致平行于该环路的轴线的分量。电开关还可以包括第二磁场发生器，该第二磁场发生器被配置成向该段超导材料施加第二磁场。第一磁场发生器和第二磁场发生器可以被配置成独立地或组合地被选择性地控制，以在低电阻状态和较高电阻状态之间切换电开关。在低电阻状态下，第一磁场发生器可以不通过环路施加时变磁场，并且传输电流流过两个端子之间的环路，并且第二磁场的幅度可以相对较低，使得传输电流基本上小于临界电流。在较高电阻状态下，第一磁场发生器可以通过环路施加时变磁场，在环路中感应屏蔽电流，和/或第二磁场的幅度可以相对较高以减小临界电流，使得第一分支和第二分支中的一个或多个中的总电流接近该超导材料的临界电流、基本上等于该临界电流或大于该临界电流。

在实例中：

a)该第一磁场发生器和该第二磁场发生器可以被配置成独立地或组合地被选择性地激活和去激活，以在该低电阻状态和该较高电阻状态之间切换该电开关；

b)该第一磁场发生器可以被配置成保持激活，并且该电开关可以通过该第二磁场发生器的选择性去激活和激活而在该低电阻状态和该较高电阻状态之间切换；

c)该第二磁场发生器可以被配置成保持激活，并且该电开关可以通过该第一磁场发生器的选择性去激活和激活而在该低电阻状态和该较高电阻状态之间切换；

d)第一分支可以包括一个或多个超导材料的线圈；

e)第二分支可以包括一个或多个超导材料的线圈；

f)第一分支的线圈可以缠绕在与第二分支的线圈相同的轴线上；

g)第一分支的线圈可以在第一旋转方向上缠绕并且第二分支的线圈可以在第二旋转方向上缠绕，其中第一旋转方向不同于第二旋转方向；

h)第一磁场发生器可以通过芯磁耦合到超导材料的环路；

i)由第二磁场发生器施加的第二磁场可以是恒定磁场；

j)超导材料可以是高温超导材料；并且

k)电开关还可以包括用于加热超导材料的环路的加热组件。在低电阻状态下，环路的温度可以基本上小于临界温度。在较高电阻状态下，加热组件可以加热该环路以减小临界电流。

在本技术的某些形式中，本技术的任何一个或多个方面的电开关可以包括布置成双线布置的超导材料。例如，电开关可以包括超导材料的第一股线和第二股线，超导材料的第一股线和第二股线中的每一个被配置成承载传输电流并且具有临界电流。该电开关还可以包括磁场发生器，该磁场发生器被配置和布置成向超导材料的第一股线和第二股线施加磁场。磁场发生器可以包括高磁导率磁芯。磁场发生器可以被配置成被选择性地控制以在当磁场的幅度相对较低时的低电阻状态和当磁场的幅度相对较高时的较高电阻状态之间切换电开关。在低电阻状态下，传输电流可以基本上小于临界电流。在较高电阻状态下，传输电流可以接近临界电流、基本上等于临界电流或大于临界电流。超导材料的第一股线和第二股线可以在空间上基本上彼此平行地布置在磁场区域内，并且电连接使得传输电流在相反方向上流过磁场区域内的超导材料的第一股线和第二股线。

在实例中：

a)高磁导率磁芯可以包括由间隙分开的第一端和第二端，该超导材料的第一股线和第二股线位于该间隙中；

b)超导材料的第一股线和第二股线可以是各自具有两个相对面的带材的形式；

c)这些带材可以被布置成使得超导材料的第一股线的相对面与超导材料的第二股线的相对面平行；

d)这些带材可以被取向成使得施加到超导材料的第一股线和第二股线上的磁场基本上垂直于这两个相对面中的每一个；

e)电开关可以包括一段超导材料，该段超导材料包括超导材料第一股线和第二股线；或者超导材料的第一股线和第二股线可以通过将第一股线的一面连接到第二股线的一面而电连接；并且

f)超导材料是高温超导(HTS)材料。

根据本技术的另一形式，本技术的一个或多个方面的电开关可以包括一段超导材料，该段超导材料被配置成承载传输电流并且具有临界电流。该电开关还可以包括磁场发生器，该磁场发生器被配置和布置成向该段超导材料施加磁场。磁场发生器可以包括高磁导率磁芯。磁场发生器可以被配置成被选择性地控制以在当磁场的幅度相对较低时的低电阻状态和当磁场的幅度相对较高时的较高电阻状态之间切换电开关。在低电阻状态下，传输电流可以基本上小于临界电流。在较高电阻状态下，传输电流可以接近临界电流、基本上等于临界电流或大于临界电流。该段超导材料可以被布置成基本上抵消由在接近高磁导率磁芯时流过该段超导材料的传输电流生成的自磁场。

在阅读提供本技术的实际应用的至少一个实例的以下描述时，本技术的其他方面，其应当在其所有新颖方面中加以考虑，将对所属领域的技术人员变得显而易见。

附图说明

下面将参考以下附图仅通过实例的方式而非旨在进行限制来描述本技术的一个或多个实施例，在附图中：

图1示出了高温超导体的示例性电场对电流图；

图1A是当施加三个不同幅度的外部磁场时超导材料的电场对电流的图的图示；

图2A绘示了根据本技术的一种形式的电开关；

图2B绘示了在低电阻状态下的图2A的开关；

图2C绘示了在较高电阻状态下的图2A的开关；

图3绘示了根据本技术的另一形式的电开关；

图4示出了根据本技术的一种形式的将磁场发生器耦合到开关的方法；

图5示出了在存在和不存在变化的磁场的情况下比较在根据本技术的一种形式的超导开关的端子上测量的电压的图；

图6示出了根据本技术的一种形式的将磁场发生器耦合到开关的替代方法；

图7是根据本技术的另一形式的电开关的透视图图示；

图8A是根据本技术的另一形式的电开关的透视图图示；

图8B是根据本技术的另一形式的电开关的透视图图示；

图9是示出在两种不同温度下高温超导体的临界电流和施加场之间的关系的图；

图10A是根据本技术的另一形式的电开关的透视图图示；

图10B是根据本技术的另一形式的电开关的透视图图示；

图11是根据本技术的一种形式的由磁场发生器生成的磁场强度对时间的图；

图12是根据本技术的另一形式的电开关的透视图图示；

图13A是根据本技术的一种形式的电开关的示意图；

图13B是根据本技术的另一形式的电开关的示意图；

图14是绘示在不同的施加场下并且当根据本技术的形式的电开关中的一段超导材料被布置成双线布置和单线布置时该段超导材料的临界电流之间的关系的图；

图15A示出了根据本技术的一种形式的电开关的磁场分布；以及

图15B示出了根据本技术的另一形式的电开关的磁场分布。

具体实施方式

关于超导体的讨论

为了帮助理解本技术，读者应熟悉超导术语，包括超导体的临界温度和超导体的临界电流。然而，为了读者的利益，我们在下面简要讨论这些概念。

超导体的临界温度通常定义为这样的温度，在该温度以下超导体的电阻率降至零或接近零。换句话说，当超导体的温度低于临界温度时，该超导体被称为处于其超导状态，并且当温度高于临界温度时，该超导体被称为处于非超导状态。许多超导体具有接近绝对零度的临界温度；例如，已知汞具有临界温度为4.1K。然而，还已知一些材料可以具有高得多的临界温度，诸如30K至125K；例如，二硼化镁具有大约39K的临界温度，而钇钡铜氧化物(YBCO)具有大约92K的临界温度。这些超导体通常统称为高温超导体(HTS)。

高温超导体线材或带材的临界电流通常被定义为在超导体线材/带材中流动的电流，其导致沿着线材的电场降为100μV/m(＝1μV/cm)。应当理解，临界电流是所使用的超导材料和超导材料的物理布置的函数。例如，较宽的带材/线材可以具有比由相同材料构成的较薄的带材/线材更高的临界电流。然而，应当理解，在整个说明书中，参考超导体/超导材料的临界电流以对讨论进行简化。

在超导体/超导材料中，如果电流I约等于临界电流I_c，超导体的电阻是非零的，但是很小。然而，如果I远大于临界电流I_c，超导体的电阻变得足够大以引起热耗散，该热耗散可以将超导体加热到高于其临界温度的温度，这又使其不再是超导的。这种情况有时被称为“失超”并且可以损坏超导体本身。

图1示出了描绘高温超导体的内部电场对电流曲线的示例性曲线图。应当理解，该曲线图中所示的电场经由以下等式与电阻有关：

其中：

·E是电场；

·I是通过超导体的电流；

·R是该线材的电阻；以及

·L是该线材的长度。

因此，图1的曲线图与超导体的每单位长度的电阻有关，并且因为所描绘的曲线是非线性的，所以得到的超导体的电阻与电流是非线性的。

在该图中可以看出，超导体中的电场强度在超导体的临界电流I_c以下基本上为零。当超导体中的电流接近临界电流时，超导体中的电场开始增加。在临界电流下，超导体中的电场为100μV/m。进一步将超导体中的电流增加到临界电流以上导致导体中的电场强度快速增加。

在整个本说明书中，将参考超导材料和包括超导材料的部件的相对电阻。更具体地，本说明书涉及在低电阻或较高电阻状态下的超导材料。应当理解，当处于超导状态时，超导材料可以具有为零或基本上为零的电阻，并且因此这些电阻通常以对于给定电流存在于超导材料上的电场来表示。然而，在整个本说明书中，为了简化前述讨论，参考相对电阻，例如超导材料的低电阻和较高电阻状态。

术语“低电阻状态”可以指当超导材料在超导状态下具有接近或基本上为零的电阻时，或者当该材料在部分超导状态下具有低电阻时。术语“较高电阻”状态是指其中超导材料具有基本上大于低电阻状态中的电阻的电阻的状态，例如基本上非零电阻或接近零但基本上大于低电阻状态中的电阻的电阻。为了避免疑问，除非上下文另外明确指示，否则本说明书中提到的较高电阻状态可以包括超导状态。

类似地，在本说明书中，提及由于超导体承载的电流超过临界电流而使超导体处于较高电阻状态，应当理解，除非上下文另外明确指示，如果超导体承载的电流接近或基本上等于临界电流，也可以实现较高电阻状态。

在描述本说明书中的技术时，材料和包括该材料的部件被称为“超导”。该术语被用作本领域中通常用于此类材料的术语，并且不应当被认为意指相关材料总是处于超导状态。在某些条件下，该材料和包括该材料的部件可以不处于超导状态。也就是说，该材料可以被描述为超导性但不是超导的。

超导材料

本技术的某些形式可以包括各种类型的超导材料。例如，本技术的形式可以包括高温超导(HTS)材料。适用于所描述的技术形式的示例性HTS材料包括氧化铜超导体，例如稀土钡铜氧化物(ReBCO)诸如钇钡铜氧化物或钆钡铜氧化物，以及铁基超导体。在本技术的其他形式中可以使用其他类型的超导体。

在某些形式中，超导材料可以以带材的形式提供。带材可以描述为具有宽度大于，包括显著大于，其深度并且具有两个相对面的一段材料。

切换机构

本技术的形式利用了可以用于实现由超导材料形成(包括超导材料)的电开关的切换的不同机构。现在将描述各个机构，并且然后将描述本技术的某些形式如何组合地利用这些机构的实例。

磁场对超导体的临界电流的影响

超导体中的临界电流取决于施加到超导体的外部磁场。更具体地，临界电流随着更高的外部磁场施加到超导体而降低，直到临界磁场的值，超过该值，超导体不再处于超导(低电阻)状态。在图1A中示出了这种关系，图1A是当施加三个不同幅度的外部磁场时超导材料的电场对电流的图的图示。外部磁场的最高幅度B_app1导致最低临界电流I_c1。

本技术的形式涉及利用超导材料的临界电流随着更高的外部磁场施加到该材料而减小的原理的电开关。通过选择性地向超导材料施加磁场，例如在一段时间内基本恒定的磁场(即DC场)，可以相对于传输电流升高或降低临界电流，以便在低电阻状态和较高电阻状态之间切换超导材料。特别地，虽然高温超导体(HTS)可能需要具有施加到其上的不切实际的高场，以使场本身将超导体切换到较高电阻状态，但是可以施加实际幅度的场以充分地减小临界电流，以用于另一机构来实现切换。

时变磁场对超导体的影响-动态电阻和加热

本技术的某些形式利用动态电阻的现象。这在当超导体在承载DC传输电流的同时暴露于时变磁场时发生。这在超导体中产生DC电阻，其可以足够大以使超导体切换到较高电阻状态。

由该现象引起的超导体中的DC电阻可以附加地通过加热超导体而导致能量损耗。当向超导体施加时变磁场时，也可能由于磁化而产生热损耗。由于动态电阻引起的损耗可能发生在传输电流的区域，例如该段超导材料的中心区域，而磁化损耗可能发生在超导材料的边缘区域。加热的量可以取决于所施加的时变磁场的频率和幅度。

引起动态电阻现象的时变磁场可以是交变磁场，例如正弦变化的磁场。

在超导材料具有长度明显大于其宽度或深度(例如，线材或带材)的情况下，动态电阻主要由施加到超导材料的时变磁场的分量引起，该分量垂直于沿着该材料的长度的方向。

加热超导体

如上所解释的，超导材料的临界电流是所使用的超导材料的类型和超导材料的物理布置的函数。临界电流还取决于超导材料的温度。当超导材料的温度升高时，临界电流降低。这种关系一直持续到临界温度，在该临界温度以上超导材料不再是超导的。

本技术的形式涉及利用超导材料的临界电流随着超导材料的温度升高而降低的原理的电开关。通过选择性地加热超导材料，可以相对于传输电流升高或降低临界电流，以便在低电阻状态和较高电阻状态之间切换超导材料。

本技术的不同形式可以使用不同的机构来加热电开关中的超导材料，并且本技术的形式可以不限于用于实现该加热的机构。然而，在本技术的示例性形式中提供了用于加热超导材料的机构的两个实例。现在简要解释这两种机构。

首先，加热元件可以设置成与超导材料热接触。加热元件可以是例如电阻加热元件，当流过导体的电流遇到电阻时，该电阻性加热元件通过焦耳加热的过程将电能转换成热能。加热元件可以设置成与超导材料物理接触以主要通过传导加热材料，或者与超导材料间隔开以主要通过对流和/或辐射加热材料。

其次，本技术的形式可以利用通过向一段超导材料施加时变磁场(例如，交变磁场，其可以被称为AC场)而引起的加热效应，该超导材料由动态电阻和磁化现象产生，如上所解释的。

屏蔽电流

向超导材料的环路施加时变磁场导致屏蔽电流围绕该环路流动，该屏蔽电流与由该环路承载的传输电流组合可能超过超导材料的临界电流。因此，通过选择性地将时变磁场施加到超导材料的环路，该环路可以在低电阻状态和较高电阻状态之间转换。

现在将描述利用这种切换机构的电开关的形式。应当理解，在下面描述的特征与单独使用该机构的电开关的示例性形式有关的情况下，这些特征也可以用在本说明书后面使用切换机构的组合的电开关的任何形式中。在PCT申请号PCT/NZ2020/050132中提供了这种切换机构的进一步的细节，其内容通过引用并入本文。

图2A是根据本技术的基于该切换机构操作的开关200的示意图。开关200包括连接在第一端子204和第二端子206之间的超导材料202。

在使用中，传输电流I_t被选择性地供应以在第一端子204和第二端子206之间流动。换句话说，传输电流I_t可以根据需要关闭和接通。

应当理解，在图2A中，为了简化前述讨论，第一端子204被绘示为正端子，并且第二端子206被绘示为负端子。

类似地，传输电流I_t被示出为从第一(正)端子204流到第二(负)端子206，如对于常规定义的直流(DC)电压所预期的。然而，DC电压的使用不应被视为对技术的限制，如从前述讨论中应变得显而易见。还应当理解，在使用DC电流的情况下，由于超导材料202的低电阻、零电阻或接近零的电阻，超导材料经历可忽略的损耗。在使用AC电流的情况下，由于寄生效应，损耗通常可能更高，尽管总损耗明显小于等效的非超导材料。

两个端子204、206之间的超导材料202形成在环路210中，该环路210包括两个电并联的超导分支212a、212b。

这些超导分支212a、212b可以通过使用本领域技术人员已知的方法将两种或更多种超导材料联结在一起而形成，包括提供非零接头电阻的方法。可替代地，分支212a、212b可以使用提供基本上零电阻接头的任何方法形成，诸如通过将超导带材分裂成两个并联的分支。

在使用中，使用连接在第一端子204和第二端子206之间的电路(未示出)在第一端子204和第二端子206之间施加传输电流。该电路可以包括电源，诸如电压或电流源、变压器或本领域技术人员应当知道的任何其他合适的电子电路。然后将时变磁场B_app(t)在正交于(或具有与其正交的分量)环路210的平面的方向，即平行于环路210的轴线的方向上选择性地施加到环路210或在环路210内，其中该轴线正交于环路210的平面。在图2A中，时变磁场被施加到环路210，使得磁场穿过环路210。在基本上或至少部分正交于环路的平面的方向上提供时变磁场是有利的，以便减少由于磁场穿透或试图穿透超导材料202而引起的损耗。

该时变磁场B_app(t)使得屏蔽电流(I_s)在环路210的分支212a、212b之间绕流，以对抗环路210中的通量变化。该屏蔽电流I_s增加了在环路210周围流动的传输电流，并且结果总电流流动增加。电流的这种增加可以导致超导材料的电阻的边际增加(例如当电流小于图1所示的临界电流I_c时)，或超导材料的电阻的显著增加(例如当电流I_c接近、大于或等于图1所示的超导体的临界电流时)。

现在参考图2B，其绘示了图2A的开关200在没有时变磁场或存在非时变磁场或弱时变磁场的情况下如何工作。在图2B中可以看出，流过环路210的电流基本上等于传输电流I_t。如图2C所示，当施加时变磁场或增加或减小磁场的幅度时，屏蔽电流I_s围绕环路210流动。如果任何一个分支212a、212b中的传输电流I_t和屏蔽电流I_s的总和接近或超过超导体的临界电流，则分支212a、212b的有效电阻增加。结果，可以施加时变磁场以在低电阻状态和较高电阻状态之间转换开关。

开关200的低电阻状态可以被认为等效于开关200的闭合状态，而较高电阻状态类似于开关200的打开状态。然而，应当理解，较高电阻状态不是机械开关常见的电开路，而是表示环路保持在超导状态的较高电阻导电状态，除非随后也发生高于Tc的加热。

在一些实施例中，低电阻状态可以是超导状态，其中环路210的分支212a、212b的电阻接近或基本上为零。也就是说，在优选实施例中，开关的低电阻状态使环路210的至少一部分处于超导状态。然而，这不应被视为对技术的限制，并且在替代实施例中，低电阻状态可以是部分超导状态。例如，在环路的超导元件之间通过正常的导电金属焊接接头形成一个或多个低电阻接头的情况下。

类似地，高电阻状态可以是超导状态，其中环路210的分支212a、212b的电阻接近于零，但大于低电阻状态下的电阻。在本技术的一个应用中，在高电阻状态下的环路210的分支212a、212b的电阻可以基本上是非零的。例如，环路210可以在非超导状态下或在部分超导状态下。

因此应当理解，本技术提供了开关，当暴露于时变磁场或时变磁场的幅度变化时，该开关能够在低电阻状态和高电阻状态之间转换。这可以有利地允许构造比传统电流开关更可靠的更快切换的非接触开关。其他潜在的优点包括产生开关元件的能力，这些切换元件是：

·比传统开关更紧凑，如从前述讨论中变得显而易见；

·比热开关更快切换，特别是在开关的较高电阻状态是超导状态的应用中；

·能够实现比现有AC场控开关更高的断开电阻；

·比传统开关更有效，因为由于从超导体中排除磁场而降低了超导体中的耗散；

·因为开关是非接触的并且具有较低的耗散，因此比现有开关更可靠；以及

·允许磁场发生器的较低功率驱动源的较低电感。

图3绘示了根据本技术的开关300的另一实施例。与前述实施例类似，超导材料202被布置在包括两个电并联分支312a、312b的环路310中。然而，在该实施例中，每个分支312a、312b包括超导材料的线圈314a、314b，并且每个线圈包括一个或多个匝。

参考附图和前面的描述应当理解，本技术的环路包括两个或多个电并联的导电路径。相反，本技术的线圈各自具有由一个或多个匝组成的单个导电路径。

在使用中，时变磁场B_app选择性地通过环路310在两个线圈314a、314b上在正交于(或与其正交的分量)环路310和/或线圈314a、314b的平面的方向上施加。这使得屏蔽电流I_s围绕由两个并联连接的分支312a、312b形成的闭环路310流动。根据先前实施例，该屏蔽电流可以用于在低电阻和较高电阻状态之间选择性地转换开关300。

可能期望第一分支312a包括以顺时针方向缠绕的一个或多个线圈314a，而第二分支312b包括以逆时针方向缠绕的一个或多个线圈314b，或反之亦然。这种布置可以用于确保第一线圈314a中的屏蔽电流在与第二线圈314b中的屏蔽电流相同的方向上感应，从而促使屏蔽电流围绕环路310流动。此外，线圈314a、314b的使用可以有利地使每个分支312a、312b的电感实际上更容易均衡。例如，通过使用具有一个或多个匝的线圈314a、314b，每个分支312a、312b之间的几何差异变成每个分支中电流匝数量的较小级分。

这种布置的另一个潜在优点是，由于每个分支中的更长的切换长度，它可以允许比先前实施例更高的切换电阻。

图4是示出图3的开关300的一个实际应用的示意图。在该实施例中，通过引导磁通量穿过芯406，可以改善变化磁场发生器402和开关404之间的耦合。这样，图4的布置类似于变压器的布置，这对于本领域技术人员来说应是公知的。

芯406优选为高磁导率磁芯，诸如铁芯，然而，这不应被视为是对技术的限制，如从前述讨论中变得显而易见。

为了简单起见，磁场发生器402被绘示为AC源408，该AC源408经由包括一个或多个匝的线圈410磁耦合到芯。然而，这不应被视为对技术的限制，并且例如通过切换DC电流源可以使用生成变化的磁场的替代方法。

为了简化前述讨论，并且为了将磁场发生器的线圈410与开关402的线圈414a、414b区分开，本文将磁场发生器的线圈410称为磁场发生器线圈410，或者简称为发生器线圈。

还应当理解，磁场发生器线圈410可以由任何合适的导电材料构成，包括诸如YBCO的超导材料或诸如铜和铝的非超导材料。在优选实施例中，发生器线圈410由铜构成。这可以有利地提供比使用超导发生器线圈410的类似开关更低成本的开关。

为了继续变压器模拟，发生器线圈410可以被认为是变压器的初级侧，而开关的线圈414a、414b可以被认为是变压器的次级侧。

然而，与传统变压器不同，开关404的超导线圈414a、414b在反转方向上缠绕芯406，并且彼此并联电连接。结果，如果线圈414a和414b各自具有相同的匝数，则次级绕组线圈被短路，并且由线圈414a和414b包围的净通量大约为零。芯406的目的是将施加的磁场耦合到形成环路416的一对线圈414a和414b。这导致在环路416中生成屏蔽电流以对抗来自磁场发生器402的通量变化。

在使用中，可以选择性地启用磁场发生器402，或以其他方式根据需要改变幅度，以在低电阻和较高电阻状态之间转换开关404。

在低电阻状态下，其中磁场发生器402不在芯406中生成变化的磁场，或以其他方式在芯406中生成弱磁场，传输电流I_t倾向于在两个并联分支412a、412b之间均匀地共享。在这种状态下，这些分支412a、412b具有零或接近零的电阻，并且此外，当线圈414a、414b在反转方向上缠绕时，在端子204和206上存在很小的电感。此外，当线圈414a、414b在反转方向缠绕并且并联连接时，从线圈414a、414b感应到芯406中的通量也基本上为零或非常小。

当磁场发生器402被激活，或者增加或减小所施加的磁场的幅度时，在超导线材的环路416中形成屏蔽电流I_s，如上所述。如果分支414a、414b中的一个或两个中的传输电流It和屏蔽电流I_s的总和接近、等于或超过超导材料的临界电流，则在分支中将存在非零电阻。因此，可以激活磁场发生器402，或者替代地改变磁场发生器的幅度，以在低电阻和较高电阻状态之间切换开关404。

图5示出了根据本技术的一种形式的开关的端子204、206上的电压的测量实例。在该图中，开关上的电压是在开关的端子204、206之间测量的电压。磁场发生器电流反映由磁场发生器402施加到发生器线圈410的电流的幅度。

为了完整起见，应注意，使用电流源在端子204、206上施加大约80安培的DC电流。每个超导线圈414a、414b由单匝4mm宽的YBCO带材组成，并且发生器线圈使用200匝铜线。

可以看出，在没有变化的磁场(向前大约80.5秒)的情况下，在端子204、206上测量的电压基本上为零。换句话说，在没有时变磁场的情况下，超导材料是超导的。这表示开关的低电阻状态。相反，当施加变化的磁场时(在80.5秒之前)，在端子上测量的电压波动，表示超导材料的电阻的变化。此外，当施加该变化的磁场时，观察到端子上的峰值电压。这表示开关的较高电阻状态。应当理解，开关的这种较高电阻状态可以表示超导或非超导状态，这取决于开关的预期应用。

图6示出了根据本技术的开关600的又一实施例。在该实施例中，变化的磁场发生器402的发生器线圈410与开关600的线圈414a、414b同轴对准。这可以有利地改善发生器线圈410和开关600的超导线圈414a、414b之间的磁场耦合。

在所绘示的实施例中，开关600的超导线圈414a、414b的匝与发生器线圈410的匝交错。然而，这决不应被视为对技术的限制。例如，超导线圈414a、414b可以轴向地定位在发生器线圈410的内部。替代地，发生器线圈410可以轴向地位于超导线圈414a、414b内部。在又一替代中，发生器线圈410可以与线圈414a、414b纵向间隔开。还可以设想，第一超导线圈414a可以被定位在第二超导线圈414b的替代位置中；例如，第一超导线圈414a可以位于发生器线圈410之下，并且第二超导线圈414b位于发生器线圈410之上。

同轴对准发生器线圈410和超导线圈414a、414b的另一个优点是可以使用非磁芯或空气芯602。这可以有利地减小开关的大小、重量和成本。使用空气芯的进一步优点，诸如在不使芯饱和的情况下驱动较高屏蔽电流的能力，对于本领域技术人员来说也是显而易见的。

切换机构的组合

本技术的形式利用了上述机构的组合，该机构可以用于实现由超导材料形成(包括超导材料)的电开关的切换。本技术的形式包括不同机构的所有可能的组合，包括下面具体描述的那些组合。

此外，虽然将参考特定实例和部件的配置来描述机构的不同组合的操作，但是本技术的其他形式使用使用机构的相同组合来实现切换的部件的其他配置。例如，使用上述“屏蔽电流”机构的电开关的形式可以包括上述形式中的任何形式以及其他形式。类似地，也可以使用其他切换机构的替代配置。

组合1-屏蔽电流加电阻加热

在本技术的某些形式中，提供了一种电开关700，该电开关700使用上述“屏蔽电流”和“加热”切换机构的组合来操作。在图7中绘示了这种电开关700的一种形式，图7是电开关700的透视图。

在所绘示的形式中，电开关700包括连接在两个端子712和714之间的一段超导材料710。该段超导材料710包括环路716，该环路716包括超导材料718和719的两个电并联分支。环路716可以类似于上面关于图2A至图2C描述的环路210。该段超导材料710可以采取具有两个相对面的带材的形式。

在使用中，使用连接在第一和第二端子之间的电路(未示出)在第一端子712和第二端子714之间施加传输电流。该电路可以包括电源，诸如电压或电流源，变压器或本领域技术人员已知的任何其他合适的机构。

电开关700还包括时变磁场发生器720，其被配置成在正交于(或具有与其正交的分量)环路716的平面的方向上，即平行于环路716的轴线的方向上，通过环路716施加时变磁场，其中该轴线正交于环路716的平面。

如以上关于图2A至图2C所描述的，由时变磁场发生器720施加的时变磁场引起屏蔽电流在环路716的分支718、719之间流动，以便对抗环路716中的通量变化。该屏蔽电流增加了在环路716周围流动的传输电流，并且结果流过该段超导材料710的总电流增加。如果适当地控制传输电流和/或屏蔽电流的电平，则时变磁场发生器720可以使该段超导材料710从低电阻状态切换到较高电阻状态。

在图7所示的技术的形式中，时变磁场发生器720包括电源722、线圈724和磁芯726。电源722被配置成生成交流电流。在一种形式中，电源722是交流电流源，尽管在其他形式中，电源722可以包括适当切换的直流电流源。

电源722电连接到线圈724。线圈724可以由任何类型的导体形成，包括超导体，尽管在某些形式中，为了降低成本，非超导导体可以是优选的。

线圈724盘绕在磁芯726上。磁芯726可以是高磁导率磁芯，诸如铁氧体磁芯(例如铁芯)或层压钢/铁芯。在其他形式中，也可以使用在操作频率下具有高相对磁导率的其他芯，或者可以使用非磁芯或空气芯。在图7所绘示的形式中，磁芯726是基本上环形的实心芯，例如具有圆角的方形环。在所绘示的形式中，线圈724缠绕在方形环芯726的一侧。

磁芯726也穿过超导材料的环路716。例如，磁芯726的与承载线圈724的一侧相反的一侧可以穿过环路716。这种布置磁性地耦合线圈724和环路726。因此，流过线圈724的交流电流的变化导致磁芯726内的时变磁场，并且这在环路726中感应出屏蔽电流。

电开关700还包括用于加热超导材料的环路716的加热组件750。在图7所示的形式中，加热组件750包括与超导材料的环路716热接触定位的电阻性加热元件752。例如，电阻性加热元件752可以安装在超导材料的环路716的表面上。加热组件750还包括电源(未示出)，该电源被配置成向电阻性加热元件752供应电流。

加热组件750被配置成被选择性地激活以便加热超导材料的环路716并且由此升高其温度和由此减小临界电流。通过受控地升高和/或降低环路716的温度以及适当地控制通过环路716的传输电流，开关700可以在低电阻和较高电阻状态之间切换。在一些形式中，可以根据占空比来控制加热组件750，即重复接通和断开加热组件750，其中占空比指示加热组件750接通的时间比例。

关于电开关700，已经描述了用于在低电阻和较高电阻状态之间切换开关700的两种机构。如果两个机构均各自处于与环路716的低电阻状态相对应的配置中，则开关700处于低电阻状态。如果该机构中的任一者或两者处于将环路716置于较高电阻状态的配置中，那么开关700整体上采用此较高电阻状态。通过时变磁场发生器720的选择性控制(即激活、去激活和/或变化)来控制根据“屏蔽电流”机构的切换。通过加热组件750的选择性控制来控制根据'加热'机构的切换。在本技术的不同形式中，时变磁场发生器720和加热组件750可以被控制成彼此独立地或组合地被选择性地控制(例如，激活和去激活)以实现开关700的切换。通过结合操作，这两个机构提供了优于单独操作的每个机构的优点，例如通过取决于传输电流的水平实现更快和更有效的切换以及更灵活的切换。

例如，在一些形式中，时变磁场发生器720和加热组件750中的一个被维持激活，同时激活和去激活时变磁场发生器720和加热组件750中的另一个，或控制激活水平，实现切换。在这种形式的一个实例中，加热组件750保持激活(尽管加热组件750的激活程度可以变化)，这减小了环路716中的临界电流，并且通过时变磁场发生器720的激活和去激活来实现低电阻和较高电阻状态之间的切换。

由于超导开关中的能量损耗几乎与切换期间开关中的临界电流成比例，所以与独立操作的屏蔽电流机构相比，使用加热组件750来减小切换期间的临界电流值减小了损耗并且提高了效率。此外，切换的速度比单独由加热机构操作的开关快(由于当加热组件被激活/去激活时超导体的加热和冷却延迟)，并且可以切换任意小的电流。

在其他形式中，时变磁场发生器720和加热组件750可以一起被激活和去激活，以便实现切换。在其他形式中，时变磁场发生器720和加热组件750可以在某些时间一起被激活和去激活，并且在其他时间分别被激活和去激活，以便实现切换。

这里没有描述适于实现时变磁场发生器720和加热组件750的切换的控制机构，但是本领域技术人员将理解控制机构的适当形式。

组合2-屏蔽电流加时变场加热

在本技术的另一形式中，提供了一种类似于图7所示的开关700的电开关，但是具有替代加热组件。除了以下解释的差异之外，以上对开关700的描述也适用于本技术的形式。在该另一种形式中，加热组件包括第二时变磁场发生器(与磁场发生器720分开)，该第二时变磁场发生器被配置成向环路710施加时变磁场。第二磁场发生器能够通过适当的控制机构来控制(例如，激活和去激活)，以便向环路710施加时变磁场，并且通过施加时变磁场以及动态电阻和磁化损耗的影响来实现环路710的加热，如上所解释的。

以与以上关于“组合1”描述的方式类似的方式，在这种形式中，加热组件和磁场发生器可以被分开地和/或组合地控制(例如，激活、去激活和/或改变)以便实现电开关的切换。如果两个机构均各自处于与环路的低电阻状态相对应的配置中，则开关处于低电阻状态。如果该机构中的任一者或两者处于将环路置于较高电阻状态的配置中，那么开关整体上采用此较高电阻状态。

第二磁场发生器可以布置成使得施加到环路710的磁场方向基本上垂直于带材的两个相对的平面。与带材表面相比，这增加了与其他方向上的场相比生成的动态电阻的量。

组合3-电阻性加热加磁场

在本技术的某些形式中，提供了一种电开关800，该电开关800使用上述“磁场”和“加热”切换机构的组合来操作。在图8A和图8B中绘示了此类电开关800的两种形式，图8A和图8B是电开关800的透视图。

在图8A所绘示的形式中，电开关800包括连接在两个端子812和814之间的一段超导材料810。该段超导材料810可以采取具有两个相对面的带材的形式。在使用中，使用连接在第一和第二端子之间的电路(未示出)在第一端子812和第二端子814之间施加传输电流。该电路可以包括电源，诸如电压或电流源，变压器或本领域技术人员已知的任何其他合适的机构。

电开关800还包括磁场发生器820，该磁场发生器820被配置成向该段超导材料810施加磁场。当施加磁场时，该段超导材料810的临界电流降低，如上面关于图1A所解释的。因此，需要较低的传输电流来接近、等于和/或超过临界电流，以便超导材料转换到比不施加磁场时更高的电阻状态。

在图8A所示的技术形式中，磁场发生器820包括配置成生成电流的电源822。电源822电连接到线圈824。线圈824可以由任何类型的导体形成，包括超导体，尽管在某些形式中，为了降低成本，非超导导体可以是优选的。

线圈824盘绕在磁芯826上。磁芯826可以是高磁导率磁芯，诸如铁氧体磁芯(例如铁芯)或层压钢/铁芯。在其他形式中，也可以使用在操作频率下具有高相对磁导率的其他芯，或者可以使用非磁芯或空气芯。在图8A所绘示的形式中，磁芯826是基本上环形的实心芯，例如具有圆角的方形环。在所绘示的形式中，线圈824缠绕在方形环芯826的一侧。

在所绘示的形式中，磁芯826包括间隙828。间隙828可以是实心磁芯826中的空间，例如方形环芯一侧中的空间。在具有空气芯的形式中，空气芯的任何部分可以被认为是间隙828。在图8A所绘示的形式中，磁芯826中的间隙828是与缠绕线圈824的一侧相反的方形环的一侧中的间隙。

在使用中，线圈824可以承载电流。电流流过线圈824生成磁场，包括在芯826中和在间隙828上。在所绘示的形式中，该段超导材料810的至少一部分被定位在间隙828中，使得由磁场发生器820生成的磁场被施加到该段超导材料810。该段超导材料810可以以正交于跨越间隙828的带材的面的方向取向，使得磁场通常垂直于该带材的面。

电开关800还包括用于加热该段超导材料810的加热组件850。在图8A所示的形式中，加热组件850包括与该段超导材料810热接触定位的电阻性加热元件852。例如，电阻性加热元件852可以安装在该段超导材料810的表面上。加热组件850还包括电源(未示出)，该电源被配置成向电阻性加热元件852供应电流。

加热组件850被配置成被选择性地控制(例如，激活)以便加热该段超导材料810并且由此升高其温度和由此减小临界电流。通过受控地升高和/或降低超导材料的温度以及适当地控制传输电流，开关800可以在低电阻和较高电阻状态之间切换。在一些形式中，可以根据占空比来控制加热组件850，即重复接通和断开加热组件850，其中占空比指示加热组件850接通的时间比例。

图8B绘示了非常类似于图8A所示的电开关的电开关800。然而，在图8B所示的电开关800中，该段超导材料810在磁芯826的间隙828中布置成双线布置。双线布置在本说明书后面更详细地描述。

关于电开关800，已经描述了用于在低电阻和较高电阻状态之间切换开关800的两种机构。如果两个机构均各自处于与该段超导材料810的低电阻状态相对应的配置中，则开关800处于低电阻状态。如果该机构中的任一者或两者处于将材料置于较高电阻状态的配置中，那么开关800整体上采用此较高电阻状态。可以通过磁场发生器820的选择性激活、去激活和/或变化来控制根据“磁场”机构的切换。通过加热组件850的选择性激活、去激活和/或变化来控制根据“加热”机构的切换。在本技术的不同形式中，磁场发生器820和加热组件850可以彼此独立地或组合地被控制(例如，选择性地激活和去激活)以实现开关800的切换。

例如，在一些形式中，磁场发生器820和加热组件850中的一个维持激活，同时激活和去激活磁场发生器820和加热组件850中的另一个，或控制激活水平，实现切换。在这种形式的一个实例中，加热组件850保持激活(尽管加热组件850的激活程度可以变化)，这减小了该段超导材料810中的临界电流，并且通过激活和去激活磁场发生器820来实现低电阻和较高电阻状态之间的切换。由于超导开关中的能量损耗几乎与开关切换期间中的临界电流成比例，所以与独立操作的磁场机构相比，使用加热组件850来减小切换期间的临界电流值减小了损耗并且提高了效率。

在其他形式中，磁场发生器820和加热组件850可以一起被激活和去激活以便实现切换。在其他形式中，磁场发生器820和加热组件850可以在某些时间一起被激活和去激活，并且在其他时间分别被激活和去激活，以便实现切换。

通过结合操作，两个机构提供了优于单独操作的每个机构的优点。例如，超导体通常在不同温度下在临界电流和施加的外部磁场之间具有不同的关系。图9是示出在两种不同温度：77K和85K下高温超导体的临界电流和施加场之间的关系的图。从该图中可以看出，在较高温度下，需要较低幅度的施加磁场以将超导体的临界电流减小到相同的幅度。因此，通过组合两个切换机构，例如通过使用加热组件850将超导体加热几度，与在较低温度下相比，通过改变施加的磁场可以实现更容易和/或更快的切换。与仅使用磁场来减小较低温度下的临界电流相比，这也增加了较高电阻状态下的电阻，而低电阻状态下的电流容量保持相同。与例如仅通过加热组件的激活和去激活来操作的开关相比，在两种状态之间缺少相变还能够实现更快和更容易的切换。开关800的该形式的一个缺点是，除非温度超过临界温度，否则不能切换任意小的电流。

这里没有描述适于实现时变磁场发生器820和加热组件850的切换的控制机构，但是本领域技术人员将理解控制机构的适当形式。

组合4-电阻性加热加动态电阻

在本技术的另一形式中，提供了一种电开关，该电开关使用上述“电阻加热”和“动态电阻”切换机构的组合来操作。这种形式的电开关类似于图8A或图8B中所示的开关800，并且除了下面解释的差别之外，上面对开关800的描述也适用于本技术的这种形式。

在这种形式中，磁场发生器820是时变磁场发生器，该时变磁场发生器被配置成向该段超导材料施加时变磁场。例如，电源822可以被配置成生成交流电流，例如电源722可以是交流电流源或适当切换的直流电流源。通过施加时变磁场，可以触发动态电阻现象，并且时变磁场发生器与包括电阻性加热元件的加热组件一起被控制，以便以与以上关于技术的其他形式所解释的方式类似的方式在低电阻和较高电阻状态之间选择性地切换该段超导材料。

在一种形式中，激活加热组件850以便加热该段超导材料810，从而减小其临界电流。然后，可以控制(例如，激活和去激活)时变磁场发生器，以便选择性地切换电开关800。通过使用电阻性加热机构来减小临界电流，与不使用电阻性加热机构来减小临界电流的动态电阻切换相比，可以减小来自动态电阻切换的损耗。

组合5-磁场加动态电阻(DC和AC场)

在本技术的某些形式中，提供了另一电开关1000，该电开关1000使用上述“磁场”和“动态电阻”切换机构的组合来操作。在图10A和图10B中绘示了此类电开关1000的两种形式，图10A和图10B是电开关1000的透视图。电开关1000类似于图8A或图8B中所示的开关800，并且除了下面解释的差别之外，上面对开关800的描述也适用于本技术的这种形式(对附图标记作适当的改变)。

与图8A和图8B所示的电开关800不同，电开关1000不包括电阻性加热元件852。相反，当由磁场发生器1020施加时变磁场时，通过动态电阻现象和磁化的影响，该段超导材料1010会发生一些加热。因此，在本技术的这种形式中，磁场发生器1020可以被认为还用作加热组件。

图10B绘示了非常类似于图10A所示的电开关的电开关1000。然而，在图10B所示的电开关1000中，该段超导材料1010在磁芯1026的间隙1028中布置成双线布置。双线布置在本说明书后面更详细地描述。

为了通过这两种机构实现电开关1000的切换，磁场发生器1020被配置成生成并且向该段超导材料1010施加磁场，该磁场的幅度随时间随DC偏置变化。图11绘示了由磁场发生器1020生成的磁场强度B_app随时间t的变化的一个实例。这种场可以通过适当控制由电源1022生成的电流来生成，例如通过生成具有类似于图11所示的波形的电流。

在使用中，控制机构被配置成控制磁场发生器1020以随时间改变施加到该段超导材料1010的磁场的幅度，以便使用两个切换机构实现期望的切换。也就是说，可以基于所施加磁场的幅度选择性地改变DC偏置的水平，以便提高或降低超导体的临界电流。此外，可以选择性地控制(例如，改变、激活、去激活)磁场强度的时变分量，以便改变所产生的动态电阻的量，从而改变超导材料1010的电阻。控制机构被配置成控制磁场强度，以便根据需要独立地或组合地使用两个切换机构在低电阻和较高电阻状态之间转换电开关1000。如果两个机构均各自处于对应于低电阻状态的配置中，则开关1000处于低电阻状态。如果该机构中的任一者或两者处于将超导体置于较高电阻状态的配置中，那么开关1000整体上采用此较高电阻状态。

例如，在一些形式中，由磁场发生器1020施加的磁场的时变分量或DC偏置分量中的一个维持激活，同时激活和去激活磁场的另一分量，或控制激活水平，实现切换。

在这种形式的一个实例中，磁场发生器1020被配置成维持磁场的DC偏置分量以便减小该段超导材料1010中的临界电流，并且通过磁场发生器1020激活和去激活磁场的时变分量以便选择性地触发动态电阻来实现低电阻和较高电阻状态之间的切换。通过使用DC偏置分量来减小临界电流，由该段超导材料1010中的动态电阻引起的热损耗量小于单独使用动态电阻效应作为切换机构时的热损耗量。

在这种形式的另一实例中，磁场发生器1020被配置成维持激活的磁场的时变(例如，交变)分量(尽管激活的程度可以变化)，这产生动态电阻并且还通过由动态电阻和磁化引起的加热来减小该段超导材料1010中的临界电流，并且通过磁场发生器1020激活和去激活磁场的DC偏置分量来实现低电阻和较高电阻状态之间的切换。

由于超导开关中的能量损耗几乎与切换期间开关中的临界电流成比例，所以与独立操作的磁场的DC偏置分量相比，使用磁场发生器1020的时变分量作为加热组件来减小切换期间的临界电流值减小了损耗并且提高了效率。此外，与独立操作的DC偏置分量相比，切换速度增加。另外，任意小的电流可以利用这种机构的组合来切换。

组合6-磁场加电阻性加热加动态电阻

在本技术的另一形式中，提供了一种电开关，该电开关使用上述“电阻性加热”、“动态电阻”和“磁场”切换机构的组合来操作。这种形式的电开关类似于图8A或图8B中所示的开关800，并且除了下面解释的差别之外，上面对开关800的描述也适用于本技术的这种形式。

在这种形式中，磁场发生器被配置成生成并且向该段超导材料施加磁场，该磁场的幅度随时间随DC偏置变化。图11绘示了由磁场发生器生成的磁场强度B_app随时间t的变化的一个实例。这种场可以通过适当地控制由电源生成的电流来生成，例如通过生成具有类似于图11所示的波形的电流。

在使用中，控制机构被配置成控制磁场发生器以便以与关于上述第五组合所描述的方式类似的方式改变施加到超导材料的磁场的幅度。另外，控制机构还被配置成控制加热组件以改变超导材料的温度。这样，可以使用三个机构来实现电开关的切换，并且可以控制磁场发生器和加热组件来以期望的方式实现切换。

在这种形式中，如果所有三个机构均各自处于对应于低电阻状态的配置中，则开关处于低电阻状态。如果该机构中的任一者或多者处于将超导体置于较高电阻状态的配置中，那么开关整体上采用此较高电阻状态。

组合7-磁场加电阻性加热加动态电阻加屏蔽电流

在本技术的另一形式中，提供了一种电开关，该电开关使用上述“电阻性加热”、“动态电阻”、“磁场”和“屏蔽电流”切换机构的组合来操作。这种开关1200的一种形式如图12所示。这种形式的电开关1200类似于图7所示的开关700，并且除了下面解释的差别之外，上面对开关700的描述也适用于本技术的这种形式(对附图标记作适当的改变)。

除了关于图7示出和描述的部件之外，电开关1200还包括磁场发生器1260。磁场发生器1260被配置成向超导材料的环路1216施加磁场。由磁场发生器1260施加的磁场可以是时变的(例如，交变的)、恒定的(即，DC，包括能够在恒定值之间变化的恒定DC场)或随DC偏置时变的。这使得磁场发生器1260能够选择性地贡献“磁场”或“动态电阻”机构中的任一者或两者来实现电开关1200的切换。

磁场发生器1260可以包括电源1264，该电源1264被配置成生成电流，例如直流电流、交流电流和/或具有DC偏置的交流电流。磁场发生器1260也可以包括线圈1262。线圈1262可以包括缠绕在线圈中并且电连接到电源1264的导体。线圈1262可以相对于环路1216定位和取向，以便向环路1216施加磁场，其中磁场的方向通常垂直于形成环路1216的超导材料的带材的平坦相对表面。例如，线圈1262可以限定轴线，并且该轴线垂直于该带材的平坦相对表面。

在使用中，控制机构被配置成控制磁场发生器1260以便以与关于上述第五组合所述的方式类似的方式改变施加到超导材料的磁场的幅度。另外，控制机构还被配置成控制加热组件1250以改变超导材料的温度，如关于使用上述“电阻性加热”机构的技术的任何形式所描述的。另外，控制机构被配置成控制磁场发生器1220以生成屏蔽电流，如关于使用上述“屏蔽电流”机构的技术的任何形式所描述的。以此方式，可以使用四个机构来实现电开关1200的切换，并且可以独立地和/或以任何组合来控制磁场发生器1260和1220以及加热组件1250，以便以所期望的方式使用这四个机构的任何组合来实现切换。

在这种形式中，如果所有四个机构均各自处于对应于低电阻状态的配置中，则开关处于低电阻状态。如果该机构中的任一者或多者处于将超导体置于较高电阻状态的配置中，那么开关整体上采用此较高电阻状态。

以下因素与电开关1200中使用的机构的组合(或本文所描述的机构的任何其他组合)有关：

·“磁场”机构本身可能不能切换任意小的电流，并且在高温超导体(HTS)的情况下，将需要不切实际的高电流来实现切换本身。然而，可以向HTS施加实际幅度的场，以充分减小临界电流，使另一机构实现切换，并且通过减小临界电流，这减小了切换损耗；

·“动态电阻”切换机构能够切换任意小的电流并且能够在较高电阻状态下实现高度可控的电阻。但是这种开关可能是高电感的，并且可能需要大功率来快速驱动磁场发生器。开关损耗可能与超导体的临界电流正相关。该机构生成感应加热以增加超导体的温度，如已经描述的，这可以促进“磁场”机构；

·使用“加热电阻性元件”选项的热切换本身可能非常慢，并且较高电阻和低电阻状态之间的温度的必要变化可能导致高热损耗。但是该机构可以用于增加超导体的温度以降低对“磁场”机构中的场的需求，并且可以减小临界电流以减小其他切换机构的损耗，例如“屏蔽电流”和/或“动态电阻”机构；以及

·“屏蔽电流”机构是无电感的，因此相对容易驱动并且实现快速切换，并且在较高电阻状态下生成高电阻。切换损耗与超导体的临界电流正相关，但是使用“磁场”或“电阻性元件”加热器机构来减小临界电流可以帮助减小切换损耗。

应当理解，在本技术的其他形式中，可以省略关于本技术的这种形式描述的四种机构中的任一者或多者。也就是说，在某些形式中，提供了与图12中所示的电开关1200类似的电开关，仅省略了以下机构中的任一者或多者(例如，因为不存在启用该机构的部件，或者因为去激活/不使用这些部件)：“磁场”；“电阻性加热”；“加热-动态电阻”；和“屏蔽电流”。

组合8-磁场加屏蔽电流

在一个特定的这样的实例中，本技术的一种形式提供了一种电开关，该电开关使用“磁场”和“屏蔽电流”机构操作。这种电开关具有类似于图12所示的电开关1200的形式，仅省略了加热组件1250(包括电阻性加热元件1252)。

在这种形式中，开关1200可以通过磁场发生器1220和/或磁场发生器1260中的任一个或两个的选择性控制(例如，变化/激活/去激活)来切换，以便相对于传输电流升高或降低临界电流。这些机构可以独立地或组合地控制。在一个实例中，磁场发生器1220保持激活，并且磁场发生器1260被选择性地激活和去激活，或者改变激活水平，以实现切换。在另一实例中，反之亦然，即磁场发生器1260保持激活，并且磁场发生器1220被选择性地激活和去激活，或者改变激活水平，以实现切换。

双线布置

已经描述了涉及电开关210的技术形式，该电开关210利用超导材料的临界电流随着更高的外部磁场施加到该材料而减小的原理。

在图8A和图10A中分别绘示了两个示例性的这种电开关800和1000。这些图中的开关包括以单线布置的一段超导材料。也就是说，布置单段或单股导体。

在图8B和图10B所示的技术的类似形式中，电开关800和1000采取类似于图8A和图10A所示的形式，但包括以双线布置布置的一段超导材料810和1010。图13中示出了另一示例性双线布置。现在将更详细地描述本技术的这个方面。

应当理解，虽然关于图8B、图10B、图36A和图36B中所示的电开关的形式描述了该段超导材料的双线布置，但是双线布置也可以应用于本技术的其他形式。特别地，在本说明书中描述的任何电开关，在本技术的替代形式中，在适当的情况下，可以包括以双线布置布置的一段超导材料。

在本说明书的上下文中，除非另有说明，否则“双线布置”应当理解为意指导体的两根股线的布置，其中该导体的两根股线基本上平行并且电连接，使得电流以相反方向流过该股线。股线可以彼此紧密相邻。该股线可以是一段超导材料的两个区段，该段超导材料自身被对折。替代地，这两根股线可以是分开段的超导材料，它们例如通过焊接、扩散接头或其他合适形式的电连接而电连接在一起。

还应当理解，在本技术的某些形式中，可以使用多个双线股线。因此，除非上下文清楚地要求，否则在描述双线布置的地方，本技术的其他形式可以包括具有多个双线股线的类似布置。

更具体地，例如参考图13A所绘示的技术的形式，在双线布置的一种形式中，电开关1210包括一段超导材料1800。该段超导材料1800包括超导材料的两根股线(即子段)1810a和1810b。这两根股线1810a和1810b彼此串联连接。该段超导材料1800被布置成使得它在其自身上对折并且这两根股线1810a和1810b在空间上被布置成基本上彼此平行。在这种布置中，当该段超导材料1800承载传输电流时，第一股线1810a中的电流以与第二股线1810b中的电流相反的方向流动。该段超导材料1800的折叠区域1820(其可以采取环路的形式)可以沿着该段超导材料1800的长度将两根股线1810a和1801b分开。应当理解，该描述也适用于图8B和图10B所绘示的技术的形式。

在图13B所示的技术的替代形式中，电开关1210包括超导材料的两根分开的股线1810a和1810b。两根股线1810a和1810b中的每一根的一端在电连接1820b处电连接在一起，并且两根股线呈双线布置。同样，在这种布置中，当该段超导材料1800承载传输电流时，第一股线1810a中的电流以与第二股线1810b中的电流相反的方向流动。电连接1820b可以是焊接接头、扩散接头或任何合适的电接头。

在图13A和图13B所示的技术形式中，两根股线1810a和1810b也可以彼此紧密相邻地布置。绝缘涂层可以施加到股线1810a和1810b中的一根或两根上，并且股线的绝缘涂层可以彼此接触。替代地，绝缘层可以放置在与一根或两根股线接触的两根线股1810a和1810b之间。绝缘层可以由绝缘带材形成，例如卡普顿(Kapton)或诺梅克斯(Nomex)带材。

在本技术的某些形式中，该段超导材料1800可以采取带材的形式，即一段材料具有长度明显大于其宽度和深度，并且宽度明显大于其深度。带材可以具有两个基本平行的相对面，其中该面由带材的深度分开。股线可以布置成使得一根股线1810a的相对面与另一根股线1810b的相对面平行。在图13B所示的技术形式中，两根股线1810a和1810b中的每一根可以采取带材的形式。两根分开的股线可以在一端面对面地电连接(例如焊接)以形成电连续接头1820b。这种布置可以减小电开关1210的电感，尽管这种益处可以以低电阻状态的电阻的微小增加为代价来实现。替代地，单段超导材料(例如，带材)可以与作为端对端联结的段的相邻区段的两根股线10a和810b一起布置。

在本技术的某些形式中，该段超导材料1800可以是一段高温超导(HTS)材料，如前所解释的。

如图13A和图13B中的技术形式所示，本技术的某些形式的电开关1210可以被布置成使得磁场发生器1310能够被激活以将磁场施加到超导材料的两根股线1810a和1801b上。磁场发生器1310可以采取本说明书中早前描述的任何磁场发生器的形式。磁场发生器1310可以被选择性地控制以选择性地生成磁场，以便使电开关1210以早前所解释的方式在低电阻状态和较高电阻状态之间移动，包括与如前所解释的其他切换机构组合。

在某些形式中，磁场发生器1310包括磁芯1320。磁芯1320可以是高磁导率磁芯，诸如铁磁芯，例如铁氧体磁芯(例如铁芯)或层压钢/铁芯。磁芯1320a可以是基本上环形的实心芯，例如圆环。在其他形式中，该芯可以具有不同的形状，例如具有圆角的方形环。在示例性形式中，磁芯1320包括由间隙1330分开的第一端和第二端。间隙1330可以是实心磁芯1320中的空间，例如环芯一侧中的空间。

在某些形式中，电开关1210被布置成使得由磁场发生器1310生成的磁场基本上垂直于股线1810a和1801b的相对面。也就是说，磁场的磁通线基本上垂直于股线1810a和1801b的面，其中通线与股线相交。

在本技术的某些形式中，间隙1330的宽度类似于两根股线1810a和1810b的组合深度，即，存在将每一根股线1810a和1810b与最接近该股线的芯1330的相应端分开的相对小的气隙。

应当理解，图13A和图13B所示的电开关的形式仅示出了执行“磁场”切换机构所需的部件。这是为了说明双线布置的目的。在本技术的某些形式中，包括超导材料的双线布置的电开关包括以上述方式实现第二或另外的切换机构所必需的部件。

包括一段超导材料的双线布置的电开关1210的一个益处是，与具有单段超导材料的类似开关相比，减小了开关的电感。这样做的一个实际优点可以是，向电开关1210施加磁场的磁场发生器1310的线圈1340可以具有比其他情况下需要的更少匝。

包括一段超导材料的双线布置的电开关1210的另一益处是，当施加到该段超导材料的磁场较低，例如为零时，它有助于减少对该段超导材料的临界电流的抑制。这导致开关1210的低电阻状态的较高临界电流。现在将更详细地解释该效应。

上述技术的形式包括电开关1210，其中将磁场施加到一段超导材料上，以便抑制该段超导材料中的临界电流。这种效应在本技术的一些形式中用于在低电阻状态和较高电阻状态之间转换该段超导材料。生成磁场的磁场发生器1310可以包括高磁导率芯1320，例如铁磁芯，其可以用于将磁场聚焦到该段超导材料上。

已经观察到，当承载传输电流的单段超导材料被放置在铁磁芯附近时，即使当磁场强度低(包括零)时，也存在对临界电流的附加抑制。事实上，当施加的磁场强度较低时，由于该效应的对临界电流的相对附加抑制更大。这是由于当电流流动时，芯1320中的铁磁材料接近超导材料而引起的自场放大效应。更具体地，通过实验和有限元分析已经鉴定，通过铁磁芯1320的低磁阻返回路径的存在导致单线段超导材料的自场被放大，并且在单线段超导材料为带材的形式的情况下，单线段超导材料垂直于该带材取向并且在其宽度上扩展。这导致在带材的宽度上的每个点的临界电流密度的抑制，并且因此与不存在铁磁芯时相比总临界电流的抑制。

已经进一步鉴定其中以双线布置布置该段超导材料的电开关1210显著地减轻了这种效应，即，它减小了所描述的对临界电流的抑制。换句话说，双线布置基本上抵消了当在铁磁芯1320附近时由流过该段超导材料的电流生成的自磁场。图14绘示了在不同的施加场下并且当根据本技术的形式的电开关1210中的一段超导材料被布置成双线布置(蓝色，顶线)和单线布置(橙色，底线)，即单层的该段超导材料时，该段超导材料的临界电流。将这些实验结果与来自数据库(绿色，虚线，中线)的超导材料的参考值进行比较。这说明与单线布置相比，双线布置在低施加场下对临界电流的抑制非常低。在所施加的磁场明显大于任何自场效应的的较高施加场下，差异不那么显著。在较高施加场下临界电流的相对小的差异可能是由于与单层单线布置相比，两层双线布置的屏蔽能力的增加。应当理解，在本技术的某些形式中，该段超导材料可以一直维持在超导状态。

与高施加磁场相比，低施加磁场的临界电流之间的较大差异意指与例如具有单线布置的开关相比，包括双线布置的一段超导材料的电开关1210可以具有改进的切换性能。切换性能可以由切换因数k给出，其可以计算为当磁场为零时的临界电流与当施加磁场时的临界电流的比率，即I_c(0)/I_c,b(Ba)。从图14可以看出，双线布置的k大于单线布置的。较高的切换因数k意指更有效的开关，只要电流低于I_c(0)。而且，低电阻状态下的较高临界电流使电开关1210能够输出较高的最大电流。

图15A和图15B示出了根据本技术的某些形式的电开关1210的铁磁芯1320的端部之间的间隙内的磁场分布。电开关1210包括一段超导材料1810，其形式为位于铁磁芯1320两端之间的带材。通过有限元分析生成磁场分布。在图15A中，该带材以单线布置布置在芯1320的端部之间的间隙1330中，即，单段带材穿过间隙1330。在图15A中，带材被建模为承载195A的电流，并且施加到带材的磁场被建模为具有250mT的磁场强度。在图15B中，带材以双线布置布置在芯1320的端部之间的间隙1330中，即，该带材的两根股线彼此平行并且紧密相邻地布置在间隙1330中。在图15B中，带材被建模为承载375A的电流，并且施加到带材的磁场被建模为具有70mT的磁场强度。

图15A和图15B示出了以单线布置布置的该段超导材料(图15A)的技术形式的平均磁场环境明显大于以双线布置布置的该段超导材料(图15B)的技术形式的平均磁场环境。实际上，双线布置几乎消除了带材的自电感，并且带材上的剩余磁场主要在平行于带材的面的方向上。这解释了为什么双线布置在零施加场的临界电流明显大于单线带材的临界电流(如图14所示)。

还已经鉴定，芯1320的端部之间的间隙1330越大，施加场的磁场强度越低。这意味着，如果增大间隙1330，则可能需要向磁场发生器供应更大的电流供应，以便维持相同的磁场强度。这可能是不期望的，因为它需要附加驱动功率并且耗散附加热量。因此，在本技术的某些形式中，间隙1330的大小可以尽可能小，例如间隙1330的宽度类似于该段超导材料1810的两根股线的组合深度。

其他备注

除非上下文清楚地要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”等应被解释为与排他性或穷举性意义相对的包括性意义，也就是说“包括但不限于”的意义。

上文和下文引用的所有申请、专利和出版物(如果有的话)的全部公开内容通过引用并入本文。

在本说明书中对任何现有技术的参考不是并且不应被认为是对该现有技术形成世界上任何国家所致力的领域中的公知常识的部分的承认或任何形式的建议。

本技术还可以被广义地说成在于在本申请的说明书中单独地或共同地以两个或更多个所述部分、元件或特征的任何或所有组合提及或指示的部分、元件和特征。

在前述描述中已经参考了整体或具有其已知等同物的部件的情况下，这些整体在本文中并入，如同单独阐述一样。

应当注意，对于本领域技术人员来说，对在本文中所描述的当前优选实施例的各种改变和修改是显而易见的。在不脱离本技术的精神和范围并且不减少其附带优点的情况下，可以进行此类改变和修改。因此，此类改变和修改旨在包括在本技术中。

Claims (47)

1.一种电开关，包括：

被配置成承载传输电流的一段超导材料，其中所述一段超导材料具有临界电流和临界温度；

被配置成向所述一段超导材料施加磁场的磁场发生器；以及

用于加热所述一段超导材料的加热组件，

其中所述磁场发生器和所述加热组件被配置成独立地或组合地被选择性地控制，以在低电阻状态和较高电阻状态之间切换所述一段超导材料，

其中在所述低电阻状态下，所述磁场的幅度是相对较低的并且所述一段超导材料的温度基本上小于所述临界温度，使得所述传输电流基本上小于所述临界电流，

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的第一配置中，所述磁场的所述幅度相对较高以减小所述临界电流；

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的第二配置中，所述加热组件加热所述一段超导材料以减小所述临界电流，

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的第三配置中，所述磁场的所述幅度是相对较高的并且所述加热组件加热所述一段超导材料以减小所述临界电流，并且

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的所述配置中的每一个中，所述临界电流被减小，使得所述传输电流接近所述一段超导材料的所述临界电流、基本上等于所述临界电流或大于所述临界电流。

2.根据权利要求1所述的电开关，其中所述磁场发生器和所述加热组件被配置成独立地或组合地被选择性地激活和去激活，以在所述低电阻状态和所述较高电阻状态之间切换所述电开关。

3.根据权利要求2所述的电开关，其中所述加热组件被配置成保持激活，并且通过所述磁场发生器的选择性去激活和激活，所述一段超导材料在所述低电阻状态和所述较高电阻状态之间切换。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电开关，其中由所述磁场发生器施加的所述磁场是恒定磁场。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电开关，其中所述加热组件包括与所述一段超导材料热接触定位的电阻性加热元件。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电开关，其中所述超导材料是高温超导材料。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电开关，其中所述磁场发生器是第一磁场发生器并且所述磁场是第一磁场，并且其中所述电开关包括第二磁场发生器，所述第二磁场发生器被配置成向所述一段超导材料施加第二时变磁场，其中所述第二磁场发生器被配置成被选择性地控制以在所述低电阻状态和所述较高电阻状态之间切换所述一段超导材料。

8.根据权利要求7所述的电开关，其中所述超导材料是具有两个相对面的带材，并且其中所述第二磁场发生器被配置成在基本上垂直于所述两个相对面的方向上施加所述第二磁场。

9.根据权利要求7或8所述的电开关，其中所述第一磁场发生器和所述第二磁场发生器是相同的磁场发生器，其中由所述相同的磁场发生器施加的所述磁场的所述幅度随DC偏置在时间上变化。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的电开关，其中：

所述一段超导材料包括超导材料的环路，所述超导材料的环路被配置成在第一端子和第二端子之间承载所述传输电流，其中所述环路包括第一分支和第二分支，所述第一分支和所述第二分支在所述第一端子和所述第二端子之间并联电连接，并且其中所述环路具有基本上正交于所述环路的平面的轴线，并且

所述电开关还包括：

第三时变磁场发生器，所述第三时变磁场发生器被配置成通过所述环路施加第三时变磁场，其中通过所述环路的所述第三磁场的方向大致平行于所述环路的所述轴线，或者具有大致平行于所述环路的所述轴线的分量，

其中在所述低电阻状态下，所述第三磁场发生器不通过所述环路施加所述第三磁场并且所述传输电流流过两个端子之间的所述环路，并且

其中在所述较高电阻状态下，所述第三磁场发生器通过所述环路施加所述第三磁场，在所述环路中感应屏蔽电流，使得所述第一分支和所述第二分支中的一个或多个中的总电流接近所述超导材料的所述临界电流、基本上等于所述临界电流或大于所述临界电流。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的电开关，其中在所述较高电阻状态下，所述一段超导材料处于超导状态。

12.一种电开关，包括：

被配置成承载传输电流的一段超导材料，其中所述一段超导材料具有临界电流和临界温度；

被配置成向所述一段超导材料施加第一恒定磁场的第一磁场发生器；以及

被配置成向所述一段超导材料施加第二时变磁场的第二磁场发生器，

其中所述第一磁场发生器和所述第二磁场发生器被配置成独立地或组合地被选择性地控制，以在低电阻状态和较高电阻状态之间切换所述一段超导材料，

其中在所述低电阻状态下，所述第一磁场和所述第二磁场的幅度是相对较低的并且所述传输电流基本上小于所述临界电流，

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的第一配置中，所述第一磁场的所述幅度相对较高以减小所述临界电流，使得所述传输电流接近所述一段超导材料的所述临界电流、基本上等于所述临界电流或大于所述临界电流，

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的第二配置中，所述第二磁场在所述一段超导材料中产生动态电阻，并且

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的第三配置中，所述第一磁场的所述幅度相对较高以减小所述临界电流，使得所述传输电流接近所述一段超导材料的所述临界电流、基本上等于所述临界电流或大于所述临界电流，并且所述第二磁场在所述一段超导材料中产生动态电阻。

13.根据权利要求12所述的电开关，其中所述第一磁场发生器和所述第二磁场发生器被配置成独立地或组合地被选择性地激活和去激活，以在所述低电阻状态和所述较高电阻状态之间切换所述一段超导材料。

14.根据权利要求13所述的电开关，其中所述第一磁场发生器被配置成保持激活，并且通过所述第二磁场发生器的选择性去激活和激活，所述一段超导材料在所述低电阻状态和所述较高电阻状态之间切换。

15.根据权利要求13所述的电开关，其中所述第二磁场发生器被配置成保持激活，并且通过所述第一磁场发生器的选择性去激活和激活，所述一段超导材料在所述低电阻状态和所述较高电阻状态之间切换。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的电开关，其中所述超导材料是具有两个相对面的带材，并且其中所述第二磁场发生器被配置成在基本上垂直于所述两个相对面的方向上施加所述第二磁场。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的电开关，其中所述第一磁场发生器和所述第二磁场发生器是相同的磁场发生器，其中由所述相同的磁场发生器施加的所述磁场的所述幅度随DC偏置在时间上变化。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的电开关，其中所述超导材料是高温超导材料。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的电开关，其中所述电开关还包括用于加热所述一段超导材料的加热组件，其中在所述较高电阻状态下，所述加热组件加热所述一段超导材料以减小所述临界电流，使得所述传输电流接近所述一段超导材料的所述临界电流、基本上等于所述临界电流或大于所述临界电流。

20.根据权利要求19所述的电开关，其中所述加热组件包括与所述一段超导材料热接触定位的电阻性加热元件。

21.根据权利要求12至20中任一项所述的电开关，其中：

所述一段超导材料包括超导材料的环路，所述超导材料的环路被配置成在第一端子和第二端子之间承载所述传输电流，其中所述环路包括第一分支和第二分支，所述第一分支和所述第二分支在所述第一端子和所述第二端子之间并联电连接，并且其中所述环路具有基本上正交于所述环路的平面的轴线，并且

所述电开关还包括：

第三时变磁场发生器，所述第三时变磁场发生器被配置成通过所述环路施加第三时变磁场，其中通过所述环路的所述第三磁场的方向大致平行于所述环路的所述轴线，或者具有大致平行于所述环路的所述轴线的分量，

其中在所述低电阻状态下，所述第三磁场发生器不通过所述环路施加所述第三磁场并且所述传输电流流过两个端子之间的所述环路，并且

其中在所述较高电阻状态下，所述第三磁场发生器通过所述环路施加所述第三磁场，在所述环路中感应屏蔽电流，使得所述第一分支和所述第二分支中的一个或多个中的总电流接近所述超导材料的所述临界电流、基本上等于所述临界电流或大于所述临界电流。

22.根据权利要求12至21中任一项所述的电开关，其中在所述较高电阻状态下，所述一段超导材料处于超导状态。

23.一种电开关，包括：

超导材料的环路，所述超导材料的环路被配置成在第一端子和第二端子之间承载传输电流，其中所述超导材料的环路具有临界电流和临界温度，并且其中所述环路包括第一分支和第二分支，所述第一分支和所述第二分支在所述第一端子和所述第二端子之间并联电连接，并且其中所述环路具有基本上正交于所述环路的平面的轴线；

时变磁场发生器，所述时变磁场发生器被配置成通过所述环路施加时变磁场，其中通过所述环路的所述磁场的方向大致平行于所述环路的所述轴线，或者具有大致平行于所述环路的所述轴线的分量；以及

加热组件，所述加热组件用于加热所述超导材料的环路，

其中所述时变磁场发生器和所述加热组件被配置成独立地或组合地被选择性地控制，以在低电阻状态和较高电阻状态之间切换所述超导材料的环路，

其中在所述低电阻状态下：

所述时变磁场发生器不通过所述环路施加所述时变磁场，并且所述传输电流流过两个端子之间的所述环路，所述传输电流基本上小于所述临界电流；并且

所述环路的温度基本上小于所述临界温度，

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的第一配置中，所述时变磁场发生器通过所述环路施加所述时变磁场，在所述环路中感应屏蔽电流，

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的第二配置中，所述加热组件加热所述环路以减小所述临界电流，

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的第三配置中，所述时变磁场发生器通过所述环路施加所述时变磁场，在所述环路中感应屏蔽电流，并且所述加热组件加热所述环路以减小所述临界电流，并且

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的所述配置中的每一个中，所述第一分支和所述第二分支中的一个或多个中的总电流接近所述超导材料的所述临界电流、基本上等于所述临界电流或大于所述临界电流。

24.根据权利要求23所述的电开关，其中所述时变磁场发生器和所述加热组件被配置成独立地或组合地被选择性地激活和去激活，以在所述低电阻状态和所述较高电阻状态之间切换所述超导材料的环路。

25.根据权利要求24所述的电开关，其中所述加热组件被配置成保持激活，并且通过所述时变磁场发生器的选择性去激活和激活，所述超导材料的环路在所述低电阻状态和所述较高电阻状态之间切换。

26.根据权利要求23至25中任一项所述的电开关，其中所述加热组件包括与所述超导材料的环路热接触定位的电阻性加热元件。

27.根据权利要求23至26中任一项所述的电开关，其中所述第一分支包括一个或多个超导材料的线圈。

28.根据权利要求23至27中任一项所述的电开关，其中所述第二分支包括一个或多个超导材料的线圈。

29.根据从属于权利要求27的权利要求28所述的电开关，其中所述第一分支的所述线圈缠绕在与所述第二分支的所述线圈相同的轴线上。

30.根据权利要求29或从属于权利要求27的权利要求28所述的电开关，其中所述第一分支的所述线圈在第一旋转方向上缠绕，并且所述第二分支的所述线圈在第二旋转方向上缠绕，其中所述第一旋转方向不同于所述第二旋转方向。

31.根据权利要求23至30中任一项所述的电开关，其中所述时变磁场发生器通过芯磁耦合到所述超导材料的环路。

32.根据权利要求23至31中任一项所述的电开关，其中所述超导材料是高温超导材料。

33.根据权利要求23至32中任一项所述的电开关，其中所述电开关还包括第二磁场发生器，所述第二磁场发生器被配置成向所述超导材料的环路施加第二磁场，

其中在所述低电阻状态下，所述第二磁场的幅度相对较低，并且

其中在所述高电阻状态下，所述第二磁场的所述幅度相对较高以减小所述临界电流。

34.根据权利要求23至33中任一项所述的电开关，其中在所述较高电阻状态下，所述超导材料的环路处于超导状态。

35.一种电开关，包括：

超导材料的环路，所述超导材料的环路被配置成在第一端子和第二端子之间承载传输电流，其中所述超导材料的环路具有临界电流和临界温度，并且其中所述环路包括第一分支和第二分支，所述第一分支和所述第二分支在所述第一端子和所述第二端子之间并联电连接，并且其中所述环路具有基本上正交于所述环路的平面的轴线；

第一磁场发生器，所述第一磁场发生器被配置成通过所述环路施加时变磁场，其中通过所述环路的所述磁场的方向大致平行于所述环路的所述轴线，或者具有大致平行于所述环路的所述轴线的分量；以及

第二磁场发生器，所述第二磁场发生器被配置成向所述一段超导材料施加第二磁场；

其中所述第一磁场发生器和所述第二磁场发生器被配置成独立地或组合地被选择性地控制，以在低电阻状态和较高电阻状态之间切换所述超导材料的环路，

其中在所述低电阻状态下，所述第一磁场发生器不通过所述环路施加所述时变磁场，并且所述传输电流流过两个端子之间的所述环路，并且所述第二磁场的幅度是相对较低的，使得所述传输电流基本上小于所述临界电流，

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的第一配置中，所述第一磁场发生器通过所述环路施加所述时变磁场，在所述环路中感应屏蔽电流，

其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的第二配置中，所述第二磁场的所述幅度相对较高以减小所述临界电流，并且其中在所述较高电阻状态下的所述电开关的所述配置中的每一个中，所述第一分支和所述第二分支中的一个或多个中的总电流接近所述超导材料的所述临界电流、基本上等于所述临界电流或大于所述临界电流。

36.根据权利要求35所述的电开关，其中所述第一磁场发生器和所述第二磁场发生器被配置成独立地或组合地被选择性地激活和去激活，以在所述低电阻状态和所述较高电阻状态之间切换所述超导材料的环路。

37.根据权利要求36所述的电开关，其中所述第一磁场发生器被配置成保持激活，并且通过所述第二磁场发生器的选择性去激活和激活，所述超导材料的环路在所述低电阻状态和所述较高电阻状态之间切换。

38.根据权利要求36所述的电开关，其中所述第二磁场发生器被配置成保持激活，并且通过所述第一磁场发生器的选择性去激活和激活，所述超导材料的环路在所述低电阻状态和所述较高电阻状态之间切换。

39.根据权利要求35至38中任一项所述的电开关，其中所述第一分支包括一个或多个超导材料的线圈。

40.根据权利要求35至39中任一项所述的电开关，其中所述第二分支包括一个或多个超导材料的线圈。

41.根据从属于权利要求39的权利要求40所述的电开关，其中所述第一分支的所述线圈缠绕在与所述第二分支的所述线圈相同的轴线上。

42.根据权利要求41或从属于权利要求39的权利要求40所述的电开关，其中所述第一分支的所述线圈在第一旋转方向上缠绕，并且所述第二分支的所述线圈在第二旋转方向上缠绕，其中所述第一旋转方向不同于所述第二旋转方向。

43.根据权利要求35至42中任一项所述的电开关，其中所述第一磁场发生器通过芯磁耦合到所述超导材料的环路。

44.根据权利要求35至43中任一项所述的电开关，其中由所述第二磁场发生器施加的所述第二磁场是恒定磁场。

45.根据权利要求35至44中任一项所述的电开关，其中所述超导材料是高温超导材料。

46.根据权利要求35至45中任一项所述的电开关，其中所述电开关还包括用于加热所述超导材料的环路的加热组件，

其中在所述低电阻状态下，所述环路的温度基本上小于所述临界温度，并且

其中在所述较高电阻状态下，所述加热组件加热所述环路以减小所述临界电流。

47.根据权利要求35至46中任一项所述的电开关，其中在所述较高电阻状态下，所述超导材料的环路处于超导状态。