CN213935808U - 超导磁体的无热传导电流引线励磁装置以及励磁电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了超导磁体的无热传导电流引线励磁装置，包括励磁服务塔以及置于其内的一对互感线圈，互感线圈包括连接超导磁体室温端的两根第一电流引线的初级线圈以及与初级线圈相邻但不接触的次级线圈；次级线圈依次连接整流电路、两根第二电流引线和超导磁体；每一个第一电流引线的直径小于第二电流引线的直径。该励磁电路包括依次连接的第一电流引线、互感线圈、整流电路、第二电流引线和超导磁体，互感线圈包括相互感应传导电流和电压的初级线圈和次级线圈，并且经过第一电流引线的电流小于经过第二电流引线的电流。本实用新型降低了电连接漏热功率及超导磁体对制冷功率需求，增加了磁体励磁的稳定性和液氦损耗,节约了能源和成本。

Description

超导磁体的无热传导电流引线励磁装置以及励磁电路

技术领域

本实用新型涉及超导磁体技术领域，特别是涉及电源励磁和维持方式是通过高电压小电流注入到磁体内部的，从而降低了电连接带来的漏热功率，降低了磁体的对制冷功率的需求的超导磁体的无热传导电流引线励磁装置以及励磁电路。

背景技术

超导磁体是在超导线圈里维持持续的电流来产生磁场的。目前的超导磁体按电流的维持方式可分为：闭环和开环两种工作方式。以闭环方式工作的磁体，在励磁电源加载电流（励磁过程）以后，关闭磁体里的超导开关，形成一个没有电阻的纯超导闭环电路，电流可以在包括磁场线圈在内的超导闭环电路里，长时间持续稳定地流动，从而维持一个非常稳定的磁场。另外有一部分磁体，由于某种原因或需要，不采用闭环工作方式。比如，高温超导材料制作的磁体，由于剩余的接头电阻，会有缓慢的磁场衰减，就是开环磁体的一个典型例子。以开环方式工作的磁体，需要一个稳定的电源来维持磁体的电流。磁体励磁是通过励磁引线将励磁电源和磁体相连的。由于磁体电流一般在几百安培（如200-1000安培），需要相当粗的铜线或铜棒才能安全连接并不至于产生太大的热量。但是铜也是热的良导体，这样的励磁电流引线会产生巨大的漏热。这个问题对开环磁体尤其突出，因为闭环磁体在完成励磁后就将电流引线拆除，而开环磁体的电流引线是长期连接以维持电流的。

在励磁的过程中插进磁体的电流引线由可以安全通过大电流的粗铜线或多股细铜线组成。铜不但是电的良导体，同时也是热的良导体。插入电流引线给低温系统引进了巨大的漏热热源。这个漏热功率是冷头制冷功率的几十倍，甚至更大，因此会产生很大的液氦蒸发损耗。所以励磁过程一般控制在较短的时间段。励磁完成后，励磁引线必须在短时间内拔出。这个流程对需要依赖电源长时间工作的磁体，显然不合适。需要和电源长时间连接的磁体需要更强的制冷系统来平衡电流引线的漏热。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种其电源励磁和维持方式是通过高电压小电流注入到磁体内部的，从而降低了电连接带来的漏热功率，降低了磁体的对制冷功率的需求的超导磁体。

本实用新型所采用的技术方案是：超导磁体的无热传导电流引线励磁装置，包括励磁服务塔以及置于其内的一对互感线圈，其中：

互感线圈，包括连接超导磁体室温端的两根第一电流引线的初级线圈，以及与初级线圈相邻但不接触的次级线圈；

次级线圈，依次连接整流电路、两根第二电流引线和超导磁体；

每一个第一电流引线的直径小于第二电流引线的直径。

优选地，所述励磁装置还包括贯穿地连接在超导磁体的低温杜瓦室温外壳与低温杜瓦液氦容器之间的励磁服务塔和互感隔热筒，其中：

互感隔热筒，具有冷屏传热盖和互感隔热筒体;

冷屏传热盖，与低温杜瓦防辐射冷屏接触降温，同时将室温端的热源隔绝在低温杜瓦液氦容器外；

互感隔热筒体，用于容纳互感线圈的次级线圈和整流电路。

优选地，整流电路和互感隔热筒之间还设有至少一块导热块。

优选地，冷屏传热盖，由导热材料制成，与低温杜瓦防辐射冷屏接触,将第二电流引线产生的热量传至冷屏,从而对第二电流引线降温，同时将室温端的热源隔绝在低温杜瓦液氦容器外。

优选地，每一个第二电流引线通过一个密封绝缘套筒贯穿地连接冷屏传热盖。

优选地，互感隔热筒体为由互感隔热内筒和互感隔热外筒嵌套制成的双层真空结构；

并且互感隔热内筒，上端由励磁服务塔密封，下端和低温杜瓦液氦容器密封连接；

优选地，互感隔热外筒，上端由励磁服务塔密封，下端和低温杜瓦外壳密封连接,与互感隔热内筒之间的夹层空间和低温杜瓦的真空腔相通。

优选地，互感隔热外筒与励磁服务塔的内壁之间保留一个真空间隙L，间隙L大于零。

优选地，次级线圈连接整流二极管和滤波电容器、超导磁体。优选地，超导磁体的两端还连接有超导开关。

优选地，所述励磁服务塔还连接温度传感器、电流传感器和电压传感器中的一种或者数种，用于监视温度、电压、电流等信号。

超导磁体的无热传导电流引线励磁电路，包括依次连接的第一电流引线、互感线圈、整流电路、第二电流引线和超导磁体，其中：

互感线圈，置于励磁服务塔内，包括相互感应传导电流和电压的初级线圈和次级线圈；

初级线圈，连接第一电流引线，用于连接电源获取电源；

次级线圈，连接第二电流引线，用于连接超导磁体供电；

并且经过第一电流引线的电流小于经过第二电流引线的电流，初级线圈的匝数大于次级线圈的匝数。

优选地，所述整流电路包括整流二极管和滤波电容器；其中：次级线圈依次串联整流二极管和滤波电容器进行对输出电流的整流。

优选地，超导磁体的两端还连接有超导开关。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型的超导磁体的无热传导电流引线励磁装置和超导磁体的无热传导电流引线励磁电路，通过一对互感由室温端的互感初级线圈和与初级线圈相邻但不接触（从而两者之间几乎不传导热量）的次级线圈组成。次级线圈产生的热量经过大电流引线变压，随后和整流电路导热块和低温杜瓦防辐射冷屏,传导到磁体上的制冷机的一级冷头，从而保持低温。互感的次级线圈和同处低温的整流电路相连，通过变压和整流电路转换成低压大电流的直流电。

同时利用一级冷头的大制冷功率以及导热块和导热棒将变压和整流电路降温到40K左右。在用较粗的铜导线（或高温超导线）将整流电路输出的大电流直流电连接到磁体线圈。由于大电流的连接线只连接在40K和4K之间，其漏热要比从300K的室温环境到4K的可能漏热有很大的降低。如果假设这两种温差情况下连接的铜导线不变的话，那么其漏热的比是为0.09.由此可见，这个装置能大大降低电流引线的漏热。

由于大电流只在40K和4K之间的低温下进行，可以用高温超导线来传导电流。由于高温超导线的电阻为零，因此不产生欧姆热。而且由于高温超导线的导热性能大大低于铜，所以可以进一步降低40K到4K的漏热。

综上所述，本实用新型的超导磁体的无热传导电流引线励磁装置和超导磁体的无热传导电流引线励磁电路，通过高电压小电流注入到磁体内部的，从而降低了电连接带来的漏热功率，降低了磁体的对制冷功率的需求，节约了能源和运营成本。

附图说明

图1为超导磁体的无热传导电流引线励磁装置结构图；

图2为图1的局部放大图；

图3为超导磁体的无热传导电流引线励磁电路图；

其中：1-励磁服务塔，2-互感线圈，21-初级线圈，22-次级线圈；3-第一电流引线，4-绝缘密封套筒，5-整流电路，51-整流二极管，52-滤波电容器；6-第二电流引线，7-超导磁体，8-低温杜瓦室温外壳，9-低温杜瓦防辐射冷屏，10-低温杜瓦液氦容器，11-互感隔热筒，111-冷屏传热盖，112-互感隔热筒体，1121-互感隔热内筒,1122-互感隔热外筒；12-超导开关，13-导热块。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。另外，本实用新型实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

如图1所示，超导磁体的无热传导电流引线励磁装置，包括励磁服务塔1以及置于其内的一对互感线圈2，其中：

参见图2所示互感线圈2，包括连接超导磁体室温端的两根第一电流引线3的初级线圈21，以及与初级线圈21相邻但不接触的次级线圈22；

次级线圈22，依次连接整流电路5、两根第二电流引线6和超导磁体7；

每一个第一电流引线3的直径小于第二电流引线6的直径；也就是说第一电流引线3为小电流引线，而同时第二电流引线6为大电流引线，由于互感线圈的初级线圈和次级线圈之间不接触，从而两者之间几乎不传导热量，次级线圈产生的热量经过大电流引线、整流电路和低温杜瓦防辐射冷屏，传导到磁体上的制冷机的一级冷头，如图2所示，从而保持低温。

也就是说，本装置的无热传导电流引线励磁装置同时利用一级冷头的大制冷功率以及导热块和导热棒将变压和整流电路降温到40K左右。在用较粗的铜导线或高温超导线将整流电路输出的大电流直流电连接到磁体线圈。由于大电流的连接线只连接在40K和4K之间，其漏热要比从300K的室温环境到4K的可能漏热有很大的降低。如果假设这两种温差情况下连接的铜导线不变的话，那么其漏热的比是

由此可见，这个装置能大大降低电流引线的漏热。

由于大电流只在40K和4K之间的低温下进行，可以用高温超导线来传导电流。由于高温超导线的电阻为零，因此不产生欧姆热。而且由于高温超导线的导热性能大大低于铜，所以可以进一步降低40K到4K的漏热。无热传导电流引线励磁装置还包括贯穿地连接在超导磁体的低温杜瓦室温外壳8与低温杜瓦液氦容器10之间的励磁服务塔1和互感隔热筒11，其中：

互感隔热筒11，具有冷屏传热盖111和互感隔热筒体112；

冷屏传热盖111，与低温杜瓦防辐射冷屏9接触降温，同时将室温端的热源隔绝在低温杜瓦液氦容器10外，进一步增强其制冷性能；

互感隔热筒体112，用于容纳互感线圈2的次级线圈22和整流电路5，冷屏传热盖与低温杜瓦防辐射冷屏接触降温，可以在直接利用一级冷头的大制冷功率以及导热块和导热棒将变压和整流电路降温到40K左右。整流电路5和互感隔热筒11之间还设有至少一块导热块13，用于对整流电路进行散热处理，保证低温超导环境。

更优地，冷屏传热盖111，由导热材料制成，与低温杜瓦防辐射冷屏9接触,将第二电流引线6产生的热量传至冷屏,从而对第二电流引线降温，同时将室温端的热源隔绝在低温杜瓦液氦容器10外，进一步提高其隔热效果。

无热传导电流引线励磁装置的每一个第二电流引线6通过一个密封绝缘套筒4贯穿地连接冷屏传热盖111。更优地，互感隔热筒体112为由互感隔热内筒1121和互感隔热外筒1122嵌套制成的双层真空结构；

并且互感隔热内筒1121，上端由励磁服务塔1密封，下端和低温杜瓦液氦容器10密封连接；

互感隔热外筒1122，上端由励磁服务塔1密封，下端和低温杜瓦外壳8密封连接,与互感隔热内筒1121之间的夹层空间和低温杜瓦的真空腔相通,使得互感隔热筒体112与低温杜瓦的真空腔联通获取冷量制冷，降低了其冷量损耗。

进一步地，互感隔热外筒1122与励磁服务塔1的内壁之间保留一个真空间隙L，间隙L大于零，以减少互感隔热筒消耗的冷头产生的冷量，进而节约能源。

无热传导电流引线励磁装置的所述次级线圈22连接整流二极管51和滤波电容器52、超导磁体7，从而将外部小电流大电压转变成为大电流小电压供给超导磁体励磁，以及使用整流二极管和滤波电容器提供稳定电流，保证超导磁体稳定地励磁，最终实现变压以及稳定供电。

无热传导电流引线励磁装置的所述超导磁体7的两端还连接有超导开关12，用于当超导线圈励磁结束后，超导开关闭合，超导电流就可以长时间保持，而无需电源。更优地，励磁服务塔1还连接温度传感器、电流传感器和电压传感器中的一种或者数种，用于监视温度、电压、电流等信号，从而可以更加方便地监测到无热传导电流引线励磁装置。

如图3所示，超导磁体的无热传导电流引线励磁电路，包括依次连接的第一电流引线3、互感线圈2、整流电路5、第二电流引线6和超导磁体7，其中：

互感线圈2，置于励磁服务塔1内，包括相互感应传导电流和电压的初级线圈21和次级线圈22；

初级线圈21，连接第一电流引线3，用于连接电源获取电源；

次级线圈22，连接第二电流引线6，用于连接超导磁体7供电；

并且经过第一电流引线3的电流小于经过第二电流引线的电流，初级线圈21的匝数大于次级线圈22的匝数。

无热传导电流引线励磁电路的所述整流电路5包括整流二极管51和滤波电容器52；其中：次级线圈22依次串联整流二极管51和滤波电容器52进行对输出电流的整流，进而实现对进入超导磁体7的电流进行整流，以保证进入超导磁体的电流的稳定。

此外，次级线圈22由高温超导线材和铜导线材的其中一种绕制而成。当次级线圈由高温超导线材绕制,可以大大降低次级线圈产生的热量；次级线圈也可以由单晶铜线材绕制,由于单晶铜在低温下电阻率低于常温时的万分之一,可以大大降低次级线圈产生的热量。

次级线圈还可以由铜导线材绕制，电容器的导体可选择高温超导材料,可以大大降低电容产生的热量；电容器的导体可选择单晶铜线材绕制,可以大大降低电容产生的热量。

本实用新型的无热传导电流引线励磁电路，同时利用一级冷头的大制冷功率以及导热块和导热棒将变压和整流电路降温到40K左右。再用较粗的铜导线或高温超导线将整流电路输出的大电流直流电连接到磁体线圈。由于大电流的连接线只连接在40K和4K之间，其漏热要比从300K的室温环境到4K的可能漏热有很大的降低。如果假设这两种温差情况下连接的铜导线不变的话，那么其漏热的比是

由此可见，这个无热传导电流引线励磁电路能极大降低电流引线的漏热。

更优地，无热传导电流引线励磁电路的所述超导磁体7的两端还连接有超导开关12，当超导线圈励磁结束后，超导开关闭合，超导电流就可以长时间保持，而无需电源。

本实用新型的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本实用新型的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本实用新型的精神，都在本实用新型的保护范围内。

Claims (13)

1.超导磁体的无热传导电流引线励磁装置，其特征在于：包括励磁服务塔（1）以及置于其内的一对互感线圈（2），其中：

互感线圈（2），包括连接超导磁体室温端的两根第一电流引线（3）的初级线圈（21），以及与初级线圈（21）相邻但不接触的次级线圈（22）；

次级线圈（22），依次连接整流电路（5）、两根第二电流引线（6）和超导磁体（7）；

每一个第一电流引线（3）的直径小于第二电流引线（6）的直径。

2.根据权利要求1所述的无热传导电流引线励磁装置，其特征在于：所述励磁装置还包括贯穿地连接在超导磁体的低温杜瓦室温外壳（8）与低温杜瓦液氦容器（10）之间的励磁服务塔（1）和互感隔热筒(11)，其中：

互感隔热筒(11)，具有冷屏传热盖（111）和互感隔热筒体（112）;

冷屏传热盖（111），与低温杜瓦防辐射冷屏（9）接触降温，同时将室温端的热源隔绝在低温杜瓦液氦容器（10）外；

互感隔热筒体（112），用于容纳互感线圈（2）的次级线圈（22）和整流电路（5）。

3.根据权利要求2所述的无热传导电流引线励磁装置，其特征在于：整流电路（5）和互感隔热筒(11)之间还设有至少一块导热块（13）。

4.根据权利要求2所述的无热传导电流引线励磁装置，其特征在于：冷屏传热盖（111），由导热材料制成，与低温杜瓦防辐射冷屏（9）接触,将第二电流引线（6）产生的热量传至冷屏，同时将室温端的热源隔绝在低温杜瓦液氦容器（10）外。

5.根据权利要求2所述的无热传导电流引线励磁装置，其特征在于：每一个第二电流引线（6）通过一个密封绝缘套筒（4）贯穿地连接冷屏传热盖（111）。

6.根据权利要求4所述的无热传导电流引线励磁装置，其特征在于：互感隔热筒体（112）为由互感隔热内筒（1121）和互感隔热外筒（1122）嵌套制成的双层真空结构；

并且互感隔热内筒（1121），上端由励磁服务塔（1）密封，下端和低温杜瓦液氦容器（10）密封连接；

互感隔热外筒（1122），上端由励磁服务塔（1）密封，下端和低温杜瓦外壳（8）密封连接,与互感隔热内筒（1121）之间的夹层空间和低温杜瓦的真空腔相通。

7.根据权利要求5所述的无热传导电流引线励磁装置，其特征在于：互感隔热外筒（1122）与励磁服务塔（1）的内壁之间保留一个真空间隙L，间隙L大于零。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的无热传导电流引线励磁装置，其特征在于：所述整流电路（5）包括整流二极管（51）和滤波电容器（52），所述次级线圈（22）连接整流二极管（51）和滤波电容器（52）、超导磁体（7）。

9.根据权利要求6所述的无热传导电流引线励磁装置，其特征在于：所述超导磁体（7）的两端还连接有超导开关（12）。

10.根据权利要求2所述的无热传导电流引线励磁装置，其特征在于：所述励磁服务塔（1）还连接温度传感器、电流传感器和电压传感器中的一种或者数种。

11.根据权利要求8所述的无热传导电流引线励磁装置，其特征在于：次级线圈（22）由高温超导线材和铜导线材的其中一种绕制而成。

12.超导磁体的无热传导电流引线励磁电路，其特征在于：包括依次连接的第一电流引线（3）、互感线圈（2）、整流电路（5）、第二电流引线（6）和超导磁体（7），其中：

互感线圈（2），置于励磁服务塔（1）内，包括相互感应传导电流和电压的初级线圈（21）和次级线圈（22）；

初级线圈（21），连接第一电流引线（3），用于连接电源获取电源；

次级线圈（22），连接第二电流引线（6），用于连接超导磁体（7）供电；

并且经过第一电流引线（3）的电流小于经过第二电流引线的电流，初级线圈（21）的匝数大于次级线圈（22）的匝数。

13.根据权利要求12所述的无热传导电流引线励磁电路，其特征在于：所述整流电路（5）包括整流二极管（51）和滤波电容器（52）；其中：

次级线圈（22）依次串联整流二极管（51）和滤波电容器（52）进行对输出电流的整流。

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