CN1956118B - 热磁控制的超导开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热磁控制的超导开关，其包括用超导材料制成的开关装置，以及与所述开关装置贴近设置的加热装置，所述开关装置设置在低温环境内；还包括一磁控机构，所述磁控机构用于控制产生一作用于所述超导开关装置的外加磁场。本发明利用了超导导线在磁场作用下临界温度会下降的原理，在热控式的基础上，增加了磁控，加速了开关线圈从超导/失超状态转换到失超/超导状态的速度，从而解决了在超导领域，特别是高温超导领域超导开关的灵敏度以及应用可靠性问题。具有广泛的应用前景和巨大的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及超导技术领域，尤其涉及一种采用热和磁两种方式控制的超导开关。
背景技术
随着科技的进步，第二代高温超导材料研究的不断进展和第一代高温超导材料价格的不断下降，加上超导材料具有显著的输电损耗小、效益高的优越性，使超导产品的优良性价比逐渐显露，应用领域逐渐拓展，被越来越多的人所关注，例如利用超导技术输送电力，以及用超导技术设计制作的超导MRI磁体等等。而在超导产品的应用中都要涉及使用超导开关。
传统的超导开关为热控式开关，其工作原理如图1所示，热控式超导开关包括一与超导负载并接的开关线圈6，开关线圈由超导材料制成；一加热线圈5以及与加热线圈串接的加热电源4和加热开关2，加热线圈5采用常导线绕制，并且为了减小加热线圈的电感，开关线圈6与加热线圈5并绕。当超导开关闭合时，加热线圈5上无电流，开关线圈6对外呈超导态，它可与超导负载7形成闭合回路；当需要超导开关处于打开状态时，加热线圈5上被通入一定的电流，此时加热线圈5将使开关线圈6上各处的温度升高，开关线圈6对外呈电阻态(失超)，便于外电源3在超导回路主开关1的控制下对超导负载7进行工作。
但在实际应用中，传统的热控式超导开关存在开关不可靠的问题，尤其是对于高温超导材料更为严重。由于高温超导材料的临界温度都比较高，比如第一和第二代超导带材的临界温度为100K左右，MgB2导线的临界温度为39K左右，当加热线圈通入一定的电流时，首先由于导热不均匀的原因，开关线圈会呈不稳定状态，很难实现均匀同时的失超；另一方面，加热线圈带入的热量会使开关线圈在闭合时发生困难；总之，由于高温超导材料在临界点处对温度高低的敏感性不如低温超导线，开关线圈上极易出现热岛或热带，这会严重影响超导开关的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：解决超导开关工作不可靠的问题，提供一种热控加磁控的联合控制方式的超导开关。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种热磁控制的超导开关，包括用超导材料制成的开关装置，以及与所述开关装置贴近设置的加热装置，所述开关装置设置在低温环境内；还包括一磁控机构，所述磁控机构用于控制产生一作用于所述超导开关装置的外加磁场。
所述的热磁控制的超导开关，其中：所述的磁控机构包括一励磁线圈，以及与所述励磁线圈电连接的电源控制装置，所述电源控制装置用于控制励磁线圈的通断。
所述的热磁控制的超导开关，其中：所述磁控机构还包括穿过所述励磁线圈的至少一导磁铁芯，以及与所述导磁铁芯磁连接的至少一对N、S磁极头；设置所述N、S磁极头的位置，使所述N、S磁极头之间的磁场方向与流经所述开关装置的电流方向成小于180°的夹角。
所述的热磁控制的超导开关，其中：所述开关装置设置在所述N、S磁极头之间，所述N、S磁极头之间的磁场方向与流经所述开关装置的电流方向接近直角。
所述的热磁控制的超导开关，其中：所述开关装置及加热装置分别为开关线圈及加热线圈，所述开关线圈与加热线圈并绕成组合线圈。
所述的热磁控制的超导开关，其中：所述N、S磁极头其中一磁极头设置成杯状，穿有励磁线圈的所述导磁铁芯设置在杯中，导磁铁芯的一端与所述杯状磁极头磁连接，其另一端与碟状磁极头磁连接；所述组合线圈设置在所述杯状磁极头与碟状磁极头的间隙中。
所述的热磁控制的超导开关，其中：所述超导开关装置及加热装置分别为开关线圈及加热线圈，所述开关线圈与加热线圈并绕成组合线圈；所述励磁线圈叠绕在所述组合线圈的外层。
所述的热磁控制的超导开关，其中：所述超导开关装置为一超导线段，所述加热装置为一加热套筒，所述加热套筒套装在所述超导线段的外面；所述励磁线圈叠绕在所述加热筒外部。
所述的热磁控制的超导开关，其中：所述励磁线圈设置在低温环境内，所述励磁线圈采用超导线绕制。
所述的热磁控制的超导开关，其中：所述电源控制装置包括与所述励磁线圈串接的电源开关和电源。
所述的热磁控制的超导开关，其中：所述电源控制装置包括与所述开关线圈、加热线圈以及励磁线圈电连接的电源开关控制电路，所述开关控制电路用于控制所述开关线圈、加热线圈以及励磁线圈按照预定时间接通或断开。
本发明的有益效果为：本发明利用了超导导线在磁场作用下临界温度会下降的原理，在热控式的基础上，对开关线圈施加强度、方向可控制的磁场，加速开关线圈从超导/失超状态转换到失超/超导状态的速度，从而解决了在超导领域，特别是高温超导领域超导开关的灵敏度(敏感度)以及应用可靠性问题，具有广泛的应用前景和巨大的经济效益。
附图说明
图1为现有热控式超导开关原理图；
图2为本发明热磁控制式超导开关原理示意图；
图3为具有励磁线圈的热磁控制式超导开关原理图；
图4为带有导磁铁芯的热磁控制式超导开关原理图；
图5a、图5b为带有导磁铁芯的热磁控制式超导开关结构示意图
图6为将超导开关装置、加热装置分别作成超导线段、加热套筒的示意图；
图7为将超导开关装置、加热装置分别作成超导线段、加热线圈的示意图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
本发明的热磁控制的超导开关，包括一由超导材料制成的开关装置和加热装置，加热装置贴近开关装置设置，以便加热开关装置。其中，开关装置可以按照通常的方法用超导带材绕制成开关线圈，加热装置也制成加热线圈，并且开关线圈与加热线圈并绕成组合线圈；开关装置也可以是用超导带材制成的各种形状体，如线段、环状体等，而加热装置也可以是各种形状的加热体，如套筒状等。以下先以开关线圈和加热线圈并绕成组合线圈为例进行描述，其它形状的超导开关装置和加热装置会在本发明后面的实施例中描述到。
本发明是利用了超导导线在磁场作用下临界温度会下降的原理，在普通热控式超导开关的基础上，增加一磁控机构，该磁控机构用于产生如图2所示的一强度、方向可控制的外加磁场8，所述的外加磁场8根据需要施加到开关线圈6上，从而降低开关线圈的临界温度，加速开关线圈从超导状态转换到失超状态，或从失超状态转换到超导状态。
磁控机构可以是任何能产生磁场的装置，本发明的磁控机构如图3所示，包括一产生磁场的励磁线圈10，以及与励磁线圈电连接的电源控制装置；电源控制装置可以有多种形式，其中最简单的电源控制装置就是一电源13及一电源开关11，电源13和电源开关11以及励磁线圈10串联连接，当开关11闭合时，通电后的励磁线圈10产生一外加磁场，当开关11断开时，外加磁场消失。为了增加外加磁场对开关线圈的作用，励磁线圈应设置在开关线圈的附近，如图3所示，本发明实施例一就是将励磁线圈绕制在由开关线圈6和加热线圈5构成的组合线圈的外层，这种方法简单、便于实施。采用本发明热磁控制的超导开关，当超导开关闭合时，加热线圈5上无电流，励磁线圈10也不通电，加热线圈5及励磁线圈10对开关线圈6无影响，开关线圈对外呈超导态，它可与超导负载7(比如MRI磁体线圈)形成闭合回路；当需要超导开关处于打开状态时，加热开关4接通，加热线圈5通入一定电流，使开关线圈6各处温度升高，开关线圈呈不稳定态，接通励磁开关13使励磁线圈上通电，对开关线圈6产生影响，提高开关线圈的整体临界温度，通过和加热线圈在时间上的配合，开关线圈内的超导线将在短时间内同时迅速失超，此时开关线圈6将对外呈电阻态。由此可见，在热控基础上增加了磁控后，可以提高超导开关的敏感度、可靠性，尤其是对高温超导效果尤为明显。
由于高温超导线材的基材一般采用银等导电性能较好的材料，为了使开关线圈在失超后对外呈现一定的电阻，需要较长的超导线来制作超导开关线圈；另一方面，高温超导带材存在明显的方向不对称性，即当磁场垂直穿过高温超导带材平面时相对磁场平行高温超导带材平面时，带材上的电流密度会降低几乎一半，也就是说，当外加磁场垂直于超导带材表面时(所谓的横向磁场)对超导带材的超导性能影响最大，即横向磁场下超导带材的临界温度低于纵向磁场下的情况。鉴于上述两方面原因，为如何对开关线圈施加均匀的方向磁场增加了难度。为此，本发明利用铁芯导磁的机理，制作了带有铁芯的励磁线圈。所述的磁控机构还包括至少一导磁铁芯以及至少一对N、S磁极头，导磁铁芯穿过励磁线圈，与N、S磁极头磁连接；N、S磁极头与导磁铁芯构成一磁通路，将励磁线圈产生的磁力线屏蔽在该磁通路内，并且在N、S磁极头之间形成集中较强的均匀磁场。穿过励磁线圈的导磁铁芯可以有多个并与多对N、S磁极头组合，也可以有一个导磁铁芯加上多对N、S磁极头的组合，图4所示为具有一导磁铁芯12以及一对N、S磁极头90/91的示意。此时设置所述N、S磁极头的位置，使N、S磁极头之间的磁场穿过所述开关线圈6，并且磁场方向与流经所述开关线圈的电流方向成小于180°的夹角，也就是说开关装置无论是哪种形状体，磁场方向都与流经超导材料的电流方向成一夹角，该夹角大于0，小于180°。最好是将开关线圈与加热险阻并绕的组合线圈设置在N、S磁极头之间，以保证N、S磁极头间的磁场横穿开关线圈带材，并且N、S磁极头设置成与开关线圈组件相适配的带状或环状，通过带状或环状极头将横向磁场均匀的施加在开关线圈的高温超导带材上。采用这种结构方案，控制了作用到开关线圈各部分的磁场方向，对开关线圈各处施加均匀的横向磁场，并且同样的励磁电流下增加了磁场的强度，对磁场的方向和强度都实行了干预和控制，进一步提高了开关线圈的可靠性。
图5a、图5b是上述方案的一个实施例的结构示意图。N、S磁极头其中一磁极头91设置成杯状，穿有励磁线圈10的所述导磁铁芯12设置在杯中，励磁线圈10采用螺钉16固定，导磁铁芯12通过螺丝15与杯状磁极头91固定并构成磁连接，导磁铁芯的另一端设置一碟状磁极头90并与碟状磁极头90磁连接；由开关线圈和加热线圈并绕成的组合线圈56作成环型套在碟状磁极头90的外部，设置在所述杯状磁极头91与碟状磁极头90的间隙中，导磁回路罩14罩在杯状磁极头的外面。
在实际应用中，超导开关装置可以是用超导带材作成的带状、柱状的超导线段，如图6所示，此时可以将加热装置作成筒状的加热套筒51，将加热套筒套装在超导线段61外面，然后再将励磁线圈10绕在加热套筒51外部；该方式更适宜于小电流的情况，并且结构简单。在实际中还可以将加热装置仍作成加热线圈5，缠绕在超导线段61外面，而励磁线圈10再绕制在加热线圈5外部，如图7所示，总之，不限于此，超导开关装置和加热装置可以作成很多形式以及多种组合方式。
在实际应用中，励磁线圈可以设置常温环境中，既设置在杜瓦容器外，此时结构处理上简单，易于维护。励磁线圈也可以设置在低温环境中，既设置在杜瓦容器内，并且根据需要可与开关线圈设置在同一温度的杜瓦容器内或设置在与开关线圈不同温度的低温环境中；设置在低温环境中的励磁线圈可以采用超导线绕制，也可以采用普通导线绕制，采用超导线材绕制时，其上电阻接近于0，可以产生很强的横向磁场。并且在实际应用中，开关线圈的输入输出导线与超导负载导线搭接采用电阻型搭接，但不限于此，可以采用其它方式，比如全超导冷焊亦可。
在实际应用中，电源控制装置可以采用电源开关控制电路来实现，电源开关控制电路与所述开关线圈、加热线圈以及励磁线圈电连接，根据需要按照预定时间、次序来设定和控制开关线圈、加热线圈以及励磁线圈的通断，使加热线圈与励磁线圈在时间上的的配合更为准确，提高超导开关的性能。例如，当需要开关线圈断开(呈失超态)时，先闭合加热线圈开关，对与超导线并绕的加热线圈施加加热电流，当加热到超导开关线圈接近出现不稳定时，立即闭合励磁线圈的开关，对开关线圈施加一横向磁场，此时超导开关线圈上会出现同时性的失超。当需要开关线圈闭合(呈超导态)时，先关掉加热线圈的加热电流，在高温超导材料接近实现超导态时，断开励磁线圈，由于外加磁场快速整体的消失，开关线圈的整体临界温度提高，开关线圈快速整体地进入超导态，实现超导开关的闭合。随着温度的近一步降低，超导开关的可靠性逐步提高。
可以理解的是，本发明所述的热磁控制的超导开关，上述针对较佳实施例的描述过于具体，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种热磁控制的超导开关，其特征在于：包括用高温超导材料制成的开关装置，以及与所述开关装置贴近设置的加热装置，所述开关装置设置在低温环境内；还包括一磁控机构，所述磁控机构用于产生一强度、方向可控制的外加磁场，所述的外加磁场施加到开关装置上，从而降低开关装置的临界温度，加速开关装置从超导状态转换到失超状态，或从失超状态转换到超导状态。
2.根据权利要求1所述的热磁控制的超导开关，其特征在于：所述的磁控机构包括一励磁线圈，以及与所述励磁线圈电连接的电源控制装置，所述电源控制装置用于控制励磁线圈的通断。
3.根据权利要求2所述的热磁控制的超导开关，其特征在于：所述磁控机构还包括穿过所述励磁线圈的至少一导磁铁芯，以及与所述导磁铁芯磁连接的至少一对N、S磁极头；设置所述N、S磁极头的位置，使所述N、S磁极头之间的磁场方向与流经所述开关装置的电流方向成小于180°的夹角。
4.根据权利要求3所述的热磁控制的超导开关，其特征在于：所述开关装置设置在所述N、S磁极头之间，所述N、S磁极头之间的磁场方向与流经所述开关装置的电流方向接近直角。
5.根据权利要求4所述的热磁控制的超导开关，其特征在于：所述开关装置及加热装置分别为开关线圈及加热线圈，所述开关线圈与加热线圈并绕成组合线圈。
6.根据权利要求5所述的热磁控制的超导开关，其特征在于：所述N、S磁极头其中一磁极头设置成杯状，穿有励磁线圈的所述导磁铁芯设置在杯中，导磁铁芯的一端与所述杯状磁极头磁连接，其另一端与碟状磁极头磁连接；所述组合线圈设置在所述杯状磁极头与碟状磁极头的间隙中。
7.根据权利要求2所述的热磁控制的超导开关，其特征在于：所述超导开关装置及加热装置分别为开关线圈及加热线圈，所述开关线圈与加热线圈并绕成组合线圈；所述励磁线圈叠绕在所述组合线圈的外层。
8.根据权利要求2所述的热磁控制的超导开关，其特征在于：所述超导开关装置为一超导线段，所述加热装置为一加热套筒，所述加热套筒套装在所述超导线段的外面；所述励磁线圈叠绕在所述加热筒外部。
9.根据权利要求2-8任一权项所述的热磁控制的超导开关，其特征在于：所述励磁线圈设置在低温环境内，所述励磁线圈采用超导线绕制。
10.根据权利要求9所述的热磁控制的超导开关，其特征在于：所述电源控制装置包括与所述励磁线圈串接的电源开关和电源；或者所述电源控制装置包括与所述超导开关装置、加热装置以及励磁线圈电连接的电源开关控制电路，所述电源开关控制电路用于控制所述超导开关装置、加热装置以及励磁线圈按照预定时间接通或断开。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Denomination of invention: Suporconduction switch controlled by thermomagnetic Effective date of registration: 20141226 Granted publication date: 20110504 Pledgee: Shenzhen SME credit financing guarantee Group Co., Ltd. Pledgor: Anke High-Tech Co., Ltd., Shenzhen City Registration number: 2014990001139 |
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Date of cancellation: 20160119 Granted publication date: 20110504 Pledgee: Shenzhen SME credit financing guarantee Group Co., Ltd. Pledgor: Anke High-Tech Co., Ltd., Shenzhen City Registration number: 2014990001139 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
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Denomination of invention: Suporconduction switch controlled by thermomagnetic Effective date of registration: 20160301 Granted publication date: 20110504 Pledgee: Shenzhen SME financing Company limited by guarantee Pledgor: Anke High-Tech Co., Ltd., Shenzhen City Registration number: 2016990000154 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20170330 Granted publication date: 20110504 Pledgee: Shenzhen SME financing Company limited by guarantee Pledgor: Anke High-Tech Co., Ltd., Shenzhen City Registration number: 2016990000154 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Suporconduction switch controlled by thermomagnetic Effective date of registration: 20170419 Granted publication date: 20110504 Pledgee: Shenzhen SME financing Company limited by guarantee Pledgor: Anke High-Tech Co., Ltd., Shenzhen City Registration number: 2017990000306 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20180522 Granted publication date: 20110504 Pledgee: Shenzhen SME financing Company limited by guarantee Pledgor: Anke High-Tech Co., Ltd., Shenzhen City Registration number: 2017990000306 |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: No.2 workshop, Lingya Industrial Park, No.1 Tangtou Road, Tangtou community, Shiyan street, Bao'an District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: SHENZHEN ANKE HIGH-TECH Co.,Ltd. Address before: 518067, No. 26, Mount Shun Road, Shekou, Guangdong, Shenzhen Patentee before: SHENZHEN ANKE HIGH-TECH Co.,Ltd. |