CN117542602B - 一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵与励磁实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于超导磁通泵技术领域，涉及一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵与励磁实验系统；该超导磁通泵利用三相交流铁芯和直流偏置铁芯形成磁耦合气隙；三相交流绕组通入三相电以后产生的磁场经过铁芯导磁后在磁耦合气隙处产生行波磁场；直流偏置绕组产生的磁场经过铁芯导磁后在磁耦合气隙处产生直流偏置磁场；行波磁场与直流偏置磁场叠加后在磁耦合气隙处产生偏置后的行波磁场，作用于在磁耦合气隙处的超导定子以后产生直流电压输出。本发明能实现超导磁通泵伏级的直流电压输出；大幅降低了高温超导磁体的电源成本，有利于降低制冷系统的负担，实现超导线圈的快速充电和在持续电流模式下的运行。

Description

一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵与励磁实验系统

技术领域

本发明属于超导磁通泵技术领域，具体而言，涉及一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵与励磁实验系统。

背景技术

超导磁体是超导电力应用领域极为重要的一部分，与传统的永磁体和普通的电磁铁相比，质量轻、体积小，可以产生更强的磁场，并且损耗极低。凭借其优越性能，超导磁体应用在医疗、能源和交通的诸多领域中。超导磁体是各种超导设备的关键组件，提供高强度且高稳定度的磁场。

超导磁体需要工作在持续电流模式下，磁通泵用作无接触式电源，将直流电流注入超导定子和超导磁体组成的闭环，同时补偿由于磁通蠕变和焊接电阻引起的电流衰减。中国专利CN205789468U中详细描述了线性磁通泵的组成结构和工作原理，但是传统接触式直流电源的成本高，且该线性磁通泵的有效耦合长度较短，产生的输出电压较小，难以实现对超导磁体进行快速励磁和变流，只适用于维持超导磁体的电流。

综上所述，如何提升磁通泵在超导定子上的有效耦合长度，进而提升输出电压达到伏级是一个亟需解决的问题，该问题的合理解决，将能够有效推动高温超导磁体和超导磁通泵的产业化应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵与励磁实验系统。

第一方面，本发明提供了一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵，包括三相交流铁芯、直流偏置铁芯、三相交流绕组与直流偏置绕组，以及套设在直流偏置铁芯外侧的圆桶罩；直流偏置铁芯的一端与圆桶罩的一端连接；

三相交流铁芯外侧设置有齿槽，三相交流绕组绕制在三相交流铁芯的齿槽中；直流偏置绕组绕制在直流偏置铁芯外侧；三相交流铁芯的一端靠近直流偏置铁芯的一端设置；三相交流铁芯和圆桶罩之间形成磁耦合气隙；

三相交流绕组通入三相电以后产生的磁场经过铁芯导磁后在齿槽和圆桶罩之间的磁耦合气隙处产生交变的行波磁场；直流偏置绕组产生的磁场经过铁芯导磁后在齿槽和圆桶罩之间的磁耦合气隙处产生直流偏置磁场；行波磁场与直流偏置磁场叠加后在磁耦合气隙处产生偏置后的行波磁场，交变的行波磁场经过直流偏置磁场偏置以后，作用于在磁耦合气隙处的超导定子以后产生直流电压输出。

第二方面，本发明提供了一种基于具有伏级直流电压输出的超导磁通泵的励磁实验系统，包括：

一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵与超导闭环磁体；超导闭环磁体包括超导定子与超导磁体；超导定子的一端设置在超导磁通泵的磁耦合气隙，另一端连接超导磁体；

行波磁场与直流偏置磁场叠加后在磁耦合气隙处产生偏置后的行波磁场，作用于在磁耦合气隙处的超导定子以后产生直流电压输出。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，直流偏置铁芯固定在圆盘上；圆桶罩的一端固定在圆盘周围；直流偏置铁芯产生的磁场依次经过圆盘、圆桶罩、齿槽和三相交流铁芯回到直流偏置铁芯，并在齿槽和圆桶罩之间产生直流偏置磁场。

进一步，三相交流绕组的一端设置直流偏置绕组，直流偏置铁芯的一端固定在圆盘上，圆桶罩的一端固定在圆盘周围；

进一步，三相交流绕组的两端均设置有直流偏置绕组，直流偏置铁芯的一端固定在一圆盘上，直流偏置铁芯的另一端固定在另一圆盘上；圆桶罩的一端固定在一圆盘周围，圆桶罩的另一端固定在另一圆盘周围。

进一步，行波磁场作用于在磁耦合气隙处的超导定子以后产生直流电压。

进一步，超导定子采用螺旋线缠绕的方式设置在齿槽和圆桶罩之间的磁耦合气隙处。

进一步，超导磁体由至少一个超导双饼线圈串联或不串联同心堆叠而成；同心堆叠的多个超导线圈之间由支撑组件进行固定。

进一步，超导定子的设置方向与由三相交流绕组产生的行波磁场的前进方向垂直。

进一步，超导定子采用螺旋缠绕的方式设置于超导磁通泵的磁耦合气隙处。

本发明的有益效果是：

（1）本发明能实现具有伏级直流电压输出的超导磁通泵，进而能实现超导磁体的快速变流和大电流维持，推动超导磁体励磁技术的进一步发展和超导磁通泵的产业化应用；

（2）本发明利用磁通动力学充磁原理，超导定子和超导线圈形成闭合回路，不需要外接接触式直流电源就能实现磁体的励磁，由于充磁原理和现有技术的不同，免除了高温超导磁体对昂贵的直流电流源的依赖，大幅降低了高温超导磁体的电源成本；

（3）由于本发明没有使用电流引线，大幅度的降低了制冷系统的负担，实现了高温超导线圈的快速充电和在持续电流模式下的运行，且运行过程中对由磁通蠕动和焊接电阻导致的电流衰减实现实时补充，大幅降低了运行过程中的能耗。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的具有伏级直流电压输出的超导磁通泵的剖视图；

图2为本发明实施例1提供的可选实施方式的超导磁通泵的剖视图；

图3为具有伏级直流电压输出的超导磁通泵的三维示意图；

图4为三相交流铁芯的结构示意图；

图5为具有伏级直流电压输出的超导磁通泵与超导闭环磁体励磁工作示意图；

图6为超导磁体和超导定子连接示意图。

图标：100-超导磁通泵；101-三相交流铁芯；102-直流偏置铁芯；103-三相交流绕组；104-直流偏置绕组；105-圆桶罩；106-齿槽；107-圆盘；201-超导定子；202-超导磁体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

作为一个实施例，如附图1所示，为提升磁通泵在超导定子上的有效耦合长度，提升磁通泵输出电压达到伏级，实现大电流输出和磁体的快速变流，本实施例提供一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵，包括三相交流铁芯101、直流偏置铁芯102、三相交流绕组103与直流偏置绕组104，以及套设在直流偏置铁芯102外侧的圆桶罩105；直流偏置铁芯102的一端与圆桶罩105的一端连接；

三相交流铁芯101外侧设置有齿槽106，三相交流绕组103绕制在三相交流铁芯101的齿槽106中；直流偏置绕组104绕制在直流偏置铁芯102外侧；三相交流铁芯101的一端靠近直流偏置铁芯102的一端设置；三相交流铁芯101和圆桶罩105之间形成磁耦合气隙；

三相交流绕组103通入三相电以后产生的磁场经过铁芯导磁后在齿槽106和圆桶罩105之间的磁耦合气隙处产生交变的行波磁场；直流偏置绕组104产生的磁场经过铁芯导磁后在齿槽106和圆桶罩105之间的磁耦合气隙处产生直流偏置磁场；行波磁场与直流偏置磁场叠加后在磁耦合气隙处产生偏置后的行波磁场，交变的行波磁场经过直流偏置磁场偏置以后，作用于在磁耦合气隙处的超导定子201以后产生直流电压输出。

该超导磁通泵是一种为超导磁体进行无接触式充电的设备，在磁耦合气隙处产生的行波磁场耦合超导定子上的磁通量子并产生定向的移动，进而输出直流电压，在超导磁体中产生直流电流。

超导定子201设置在三相交流铁芯101和直流偏置铁芯102之间形成的磁耦合气隙处，能够增加有效耦合长度，进而进一步增大超导磁通泵的输出电压。

在实际应用过程中，该超导磁通泵，可采用更多槽的结构，以增加磁通泵磁耦合气隙面积，进而增加超导定子的有效耦合长度，提升直流电压输出；直流偏置绕组104至少有一个，当超导磁通泵采用更多槽结构时，可采用多个直流偏置绕组104来提供足够的直流偏置磁场。

在实际应用过程中，超导磁通泵的铁芯材料一般选择为：电工纯铁、取向硅钢片、非取向硅钢片、铁基非晶等材料，具有导磁性能好、磁饱和强度高、铁耗低的优点。

在实际应用过程中，超导磁通泵可放在液氮/液氦中制冷使用，也可放在低温杜瓦外使用。

可选的，三相交流铁芯101与直流偏置铁芯102采用螺丝连接。

作为一种可选的实施方式，如附图1所示，直流偏置铁芯102固定在圆盘107上；圆桶罩105的一端固定在圆盘107周围。

作为一种可选的实施方式，如附图1所示，三相交流绕组103的一端设置直流偏置绕组(104)，直流偏置铁芯102的一端固定在圆盘107上，圆桶罩105的一端固定在圆盘107周围。

作为一种可选的实施方式，如附图2所示，三相交流绕组103的两端均设置有直流偏置绕组(104)，直流偏置铁芯102的一端固定在一圆盘107上，直流偏置铁芯102的另一端固定在另一圆盘107上；圆桶罩105的一端固定在一圆盘107周围，圆桶罩105的另一端固定在另一圆盘107周围。即三相交流绕组103的两端均设置有直流偏置绕组104，圆桶罩105的两端各固定一圆盘107。

如附图3所示，具有伏级直流电压输出的超导磁通泵的三维示意图，整体呈圆柱状，这样，圆桶罩105通过圆盘107作为直流偏置铁芯的部分，将三相交流铁芯101包裹在内；直流偏置铁芯固定在圆盘107上；圆桶罩105的一端与固定在圆盘107周围；三相交流铁芯和直流偏置铁芯采用螺丝连接进行装配；在直流偏置铁芯上开了矩形缺口，便于超导定子的安装和进出。

作为一种可选的实施方式，直流偏置铁芯固定在圆盘上；圆桶罩的一端与圆盘周围固定；直流偏置铁芯产生的磁场依次经过圆盘、圆桶罩、齿槽和三相交流铁芯回到直流偏置铁芯，并在齿槽和圆桶罩之间产生直流偏置磁场。

具有伏级直流电压输出的超导磁通泵的直流偏置铁芯，可采用整体加工而成，也可以采用分体式加工再进行装配而成。圆桶罩的一端固定在圆盘上，直流偏置铁芯固定在圆盘中心，圆桶罩侧面开口。

如附图4所示，是具有伏级直流电压输出的超导磁通泵的三相交流铁芯101，一般采用整体加工而成，中间为圆柱状，外围为圆盘状，圆盘之间的齿槽106便于使用圆铜线或者扁铜线绕制；三相交流铁芯的槽数量不唯一，当需要输出更大电压时可适当增加齿槽106的数量。

可选的，超导定子采用螺旋线缠绕的方式设置在齿槽106和圆桶罩105之间的磁耦合气隙处。

作为一种可选的实施方式，本发明提供一种具有伏级直流电压输出的加长型超导磁通泵，与前述实施方式不同的是，该加长型伏级磁通泵具有两个直流偏置铁芯和直流偏置绕组，其目的是提供更大的直流偏置磁场。

作为一种可选的实施方式，与前述实施方式不同的是，加长型伏级超导磁通泵的三相交流铁芯的齿槽数量和三相交流绕组的数量大大的增加，三相交流铁芯的齿槽数量和三相交流绕组数量可根据输出电压大小的需求进行定制。直流偏置铁芯和直流偏置绕组的长度和数量随着三相交流铁芯的长度进行改变，当三相交流铁芯越长、齿槽数越多，直流偏置铁芯和直流偏置绕组也越长。

本发明能实现超导磁通泵伏级的直流电压输出，进而能实现超导磁体的快速变流和大电流维持，推动超导磁体励磁技术的进一步发展和超导磁通泵的产业化应用。

本发明利用磁通动力学充磁原理，超导定子和超导线圈形成闭合回路，不需要长时间外接直流电源就能实现磁体的励磁，由于充磁原理和现有技术的不同，免除了高温超导磁体对昂贵的直流电流源的依赖，大幅降低了高温超导磁体的电源成本。

由于本发明没有使用电流引线，大幅度的降低了制冷系统的负担，实现了高温超导线圈的快速充电和在持续电流模式下的运行，且运行过程中对由磁通蠕动和焊接电阻导致的电流衰减实现实时补充，大幅降低了运行过程中的能耗。

实施例2

基于与本发明的实施例1中所示的方法相同的原理，本发明的实施例中还提供了一种基于具有伏级直流电压输出的超导磁通泵的励磁实验系统，包括：

如实施例1所述一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵与超导闭环磁体；超导闭环磁体包括超导定子201与超导磁体202；超导定子201的一端设置在超导磁通泵的磁耦合气隙，另一端连接超导磁体202；

行波磁场与直流偏置磁场叠加后在磁耦合气隙处产生偏置后的行波磁场，作用于在磁耦合气隙处的超导定子201以后产生直流电压输出。

如附图5所示，作为一种可选的实施方式，超导定子201安装位置与行波移动方向保持垂直，超导定子201设置在超导磁通泵100的三相交流铁芯和直流偏置铁芯之间形成磁耦合气隙。超导磁体202和超导定子201连接。在采用螺旋线的缠绕方式时，需要尽可能保持超导定子201与行波移动方向垂直。如附图6所示超导磁体202和超导定子201连接示意图。

作为一种可选的实施方式，具有伏级直流电压输出的加长型超导磁通泵励磁实验系统，包括至少一个加长型伏级磁通泵与至少一个超导磁体；加长型超导磁通泵在三相交流铁芯和直流偏置铁芯之间的磁耦合气隙产生偏置的行波磁场，行波磁场拖动超导定子上的磁通量子定向移动，最终对超导磁体输出伏级的直流电压。

作为一种可选的实施方式，超导定子可以选择高温超导ReBCO带材，超导定子与超导磁体串联连接形成闭环。ReBCO带材包括作为衬底的哈氏合金层、ReBCO层和缓冲层，ReBCO为超导材料，其中Re表示稀土，超导磁体的工作温度为90 K以下。

可选的，超导定子201的设置方向与由三相交流绕组产生的行波磁场的前进方向垂直。

可选的，超导定子201采用螺旋缠绕的方式设置于超导磁通泵100的磁耦合气隙处。

超导磁体202由超导材料绕制而成，一般采用双饼线圈的缠绕方式。超导磁体202也可以由至少两个超导双饼线圈串联或不串联同心堆叠而成，并且同心堆叠的多个超导线圈由相应的支撑组件进行固定。

在实际应用过程中，超导定子和超导磁体，采用制冷机、冷氦气或液氦冷至超导态。

作为一种可选的实施方式，加长型伏级超导磁通泵为螺旋式缠绕超导定子励磁，超导磁体通过超导定子和超导磁通泵连接，图中隐藏了直流偏置铁芯的圆筒罩；超导定子采用螺旋线缠绕的方式与加长型超导磁通泵进行装配，进而增大超导磁通泵直流电压的输出。螺旋线缠绕的方式也可以尽可能使行波磁场移动方向与超导定子的布置方向垂直。

可选的，超导磁体由至少一个超导双饼线圈串联或不串联同心堆叠而成；同心堆叠的多个超导线圈之间由支撑组件进行固定。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵，其特征在于，包括三相交流铁芯（101）、直流偏置铁芯（102）、三相交流绕组（103）与直流偏置绕组（104），以及套设在直流偏置铁芯（102）外侧的圆桶罩（105）；直流偏置铁芯（102）的一端与圆桶罩（105）的一端连接；

三相交流铁芯（101）外侧设置有齿槽（106），三相交流绕组（103）绕制在三相交流铁芯（101）的齿槽（106）中；直流偏置绕组（104）绕制在直流偏置铁芯（102）外侧；三相交流铁芯（101）的一端靠近直流偏置铁芯（102）的一端设置；三相交流铁芯（101）和圆桶罩（105）之间形成磁耦合气隙；

三相交流绕组（103）通入三相电以后产生的磁场经过铁芯导磁后在齿槽（106）和圆桶罩（105）之间的磁耦合气隙处产生交变的行波磁场；直流偏置绕组（104）产生的磁场经过铁芯导磁后在齿槽（106）和圆桶罩（105）之间的磁耦合气隙处产生直流偏置磁场；行波磁场与直流偏置磁场叠加后在磁耦合气隙处产生偏置后的行波磁场，交变的行波磁场经过直流偏置磁场偏置以后，作用于在磁耦合气隙处的超导定子（201）以后产生直流电压输出。

2.根据权利要求1所述一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵，其特征在于，直流偏置铁芯（102）固定在圆盘（107）上；圆桶罩（105）的一端固定在圆盘（107）周围；圆桶罩（105）套设在直流偏置铁芯（102）外侧；直流偏置铁芯（102）产生的磁场依次经过圆盘（107）、圆桶罩（105）、齿槽（106）和三相交流铁芯（101）回到直流偏置铁芯（102），并在齿槽（106）和圆桶罩（105）之间产生直流偏置磁场。

3.根据权利要求1所述一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵，其特征在于，三相交流绕组（103）的一端设置直流偏置绕组(104)，直流偏置铁芯（102）的一端固定在圆盘（107）上，圆桶罩（105）的一端固定在圆盘（107）周围。

4.根据权利要求1所述一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵，其特征在于，三相交流绕组（103）的两端均设置有直流偏置绕组(104)，直流偏置铁芯（102）的一端固定在一圆盘（107）上，直流偏置铁芯（102）的另一端固定在另一圆盘（107）上；圆桶罩（105）的一端固定在一圆盘（107）周围，圆桶罩（105）的另一端固定在另一圆盘（107）周围。

5.根据权利要求1所述一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵，其特征在于，行波磁场作用于在磁耦合气隙处的超导定子（201）以后产生直流电压。

6.根据权利要求1所述一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵，其特征在于，超导定子（201）采用螺旋线缠绕的方式设置在齿槽（106）和圆桶罩（105）之间的磁耦合气隙处。

7.基于权利要求1所述一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵的励磁实验系统，其特征在于，包括：

如权利要求1所述一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵与超导闭环磁体；超导闭环磁体包括超导定子（201）与超导磁体（202）；超导定子（201）的一端设置在超导磁通泵的磁耦合气隙，另一端连接超导磁体（202）；

行波磁场与直流偏置磁场叠加后在磁耦合气隙处产生偏置后的行波磁场，作用于在磁耦合气隙处的超导定子（201）以后产生直流电压。

8.根据权利要求7所述一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵的励磁实验系统，其特征在于，超导磁体（202）由至少一个超导双饼线圈串联或不串联同心堆叠而成；同心堆叠的多个超导线圈之间由支撑组件进行固定。

9.根据权利要求7所述一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵的励磁实验系统，其特征在于，超导定子（201）的设置方向与由三相交流绕组产生的行波磁场的前进方向垂直。

10.根据权利要求7所述一种具有伏级直流电压输出的超导磁通泵的励磁实验系统，其特征在于，超导定子（201）采用螺旋缠绕的方式设置于超导磁通泵的磁耦合气隙处。