CN113257519B - 一种高温超导磁通泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于超导磁体励磁系统技术领域，公开了一种高温超导磁通泵系统，包括磁通泵本体、超导负载和定子组；所述双饼线圈组至少包括一个双饼线圈；所述定子组至少包括一个定子；所述磁通泵本体具有用于放置定子组的气隙；所述超导负载和定子组连接为封闭回路。本发明能够在不改变磁体结构和绕制成本的情况下，相应的简化结构，解决了磁体充电速度慢的问题，同时大幅降低电源成本。

Description

一种高温超导磁通泵系统

技术领域

本发明属于超导磁体励磁系统技术领域，尤其涉及一种高温超导磁通泵系统。

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，其质量轻体积小，可以产生更强的磁场，并且损耗极低。凭借其优越性，超导磁体应用在医疗、能源和交通的诸多领域中。

目前的超导磁体的开发难度在于，高温超导线圈不能在持续电流模式中工作。由于还没有完全解决磁通蠕动和焊接电阻造成的电流损失，导致高温超导磁闭合回路的电流衰减都不可忽略。

目前的磁通泵能够提供一种磁化超导负载方法，该方法无需在低温和常温环境之间建立接触式电流引线，可以隔断低温和非低温环境之间的热连接。

然而，以往设计的磁通泵有充电速度较慢，结构复杂等缺点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高温超导磁通泵系统，能够在不改变磁体结构和绕制成本的情况下，相应的简化结构，充电电流能达到上千安培，同时降低电源成本。本发明的具体技术方案如下：

一种高温超导磁通泵系统，包括：

磁通泵本体；

超导负载；以及

定子组，所述定子组至少包括一个定子；

其中，所述磁通泵本体具有用于放置定子组的气隙；所述超导负载和定子组连接为封闭回路。

优选的，所述磁通泵本体包括：

交流绕组；

直流绕组，所述直流绕组设置于交流绕组的其中一端或两端；以及

第一磁轭；

其中，当交流绕组的其中一端设有直流绕组时，所述第一磁轭的一端与直流绕组连接，另一端延伸至交流绕组远离该直流绕组的一端；

当交流绕组的两端设有直流绕组时，所述第一磁轭的其中一端连接位于交流绕组其中一端的直流绕组，所述第一磁轭的另外一端连接位于交流绕组另一端的直流绕组，在磁通泵的工作状态形成磁回路；交流绕组两端的直流绕组的数量一致；

用于放置定子组的气隙位于交流绕组和第一磁轭之间。

优选的，所述超导负载具有一对入线端和出线端；所述定子组的两端分别与入线端和出线端连接，形成封闭回路。

优选的，包括至少两个超导负载，每个超导负载均具有一对入线端和出线端；每对入线端和出线端分别与定子组连接，分别形成封闭回路。

优选的，所述第一磁轭为两个，分别位于交流绕组长度方向的两端，并分别连接交流绕组两端的直流绕组，在磁通泵的工作状态形成两个磁回路；

其中，所述定子组具有两个，两个定子组位于不同的气隙中，两个定子组并联后与超导负载连接为封闭回路。

优选的，并联后的两个定子组具有两个连接端；所述入线端和出线端分别与两个连接端连接。

优选的，所述定子组包括至少两个定子，每个定子组的所有定子并排布置；并联后的两个定子组具有不少于两个的偶数个连接端；连接端均分为两个部分，其中一部分与入线端连接，另外一部分与出线端连接。

优选的，所述超导负载具有N个单负载，其中N≥2，N为偶数；

所述定子组具有两个，每个定子组具有N/2个定子；

在超导负载中，其中N/2个单负载与其中一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路；另外N/2个单负载与另外一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路。

优选的，所述超导负载具有M个单负载，其中M≥3，M为奇数；

所述定子组具有两个，其中一个定子组具有（M-1）/2个定子，另外一个定子组具有（M+1）/2个定子；

在超导负载中，其中（M-1）/2个单负载与其中一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路；另外（M+1）/2个单负载与另外一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路。

优选的，所述第一磁轭为两个，分别位于交流绕组长度方向的两端，并分别连接交流绕组两端的直流绕组，在磁通泵的工作状态形成两个磁回路；

所述超导负载具有两个，分别位于交流绕组长度方向的两端，每个超导负载连接同一端的定子组，形成两个封闭回路。

和现有技术相比，本发明利用交流绕组和直流绕组使定子组对超导负载实现了无接触式励磁；其中，所述直流绕组由直流电流源供电，电流幅值可调；交流绕组由三相变频逆变器供电，交流电流幅值和电流频率可调；由此，本系统通过磁通泵本体产生了直流偏置的行波磁场，使交流绕组产生标准的正弦磁场，直流绕组产生偏置的直流磁场；在此基础上，本发明很好的以简单结构优化了充电速度，有效且明显的以低成本、高效率提供了更快的充电速度；此外，本发明得到了一种非接触式励磁系统，能够实现上千安培的超导直流输出。

附图说明

图1为本发明实施例中磁通泵本体的其中一种示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明实施例中磁通泵本体的另外一种示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为本发明实施例中定子组和第一磁轭之间的位置示意图；

图6为图5的正视图；

图7为图6的A处放大图；

图8为本发明实施例中单边励磁系统的其中一种示意图；

图9为图8的俯视图；

图10为图9的B处放大图；

图11为本发明实施例中单边励磁系统的另一种示意图；

图12为图11的俯视图；

图13为本发明实施例中单边励磁系统的又一种示意图；

图14为本发明实施例单边励磁系统具有两个超导负载时的其中一种示意图；

图15为本发明实施例单边励磁系统具有两个超导负载时的另一种示意图；

图16为本发明实施例单边励磁系统具有两个超导负载时的又一种示意图；

图17为本发明实施例中双边励磁系统的其中一种示意图；

图18为本发明实施例中双边励磁系统的另一种示意图；

图19为本发明实施例又一种双边励磁系统中超导负载数量为偶数的示意图；

图20为图19的俯视图；

图21为图19的正视图；

图22为本发明实施例又一种双边励磁系统中超导负载数量为奇数的示意图；

图23为图22的俯视图；

图24为本发明实施例中单边励磁系统的第四种示意图；

图25为图24的俯视图；

图26为本发明实施例中双边励磁系统的第四种示意图；

图27为本发明实施例设置宽定子的示意图。

图中：100-磁通泵本体；101-交流绕组；1011-齿槽；102-直流绕组；103-第一磁轭；104-第二磁轭；200-超导负载；201-单负载；300-定子组；301-定子；400-气隙；500-宽定子。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

为了更好的使技术方案得到清晰的理解，在以下阐述的实施例中，以超导负载200作为超导负载进行解释；可以理解的是，超导负载也可以是超导缆线等。

如图1～图10所示，一种高温超导磁通泵系统，包括磁通泵本体100、超导负载200和定子组300；所述超导负载200至少包括一个单负载201；所述定子组300至少包括一个定子301；所述磁通泵本体100具有用于放置定子组300的气隙400；所述超导负载200和定子组300连接为封闭回路。

在本实施例中，单负载201和定子301均有高温超导带材，具体为ReBCO带材，该带材由衬底的哈氏合金层、ReBCO层和缓冲层从下而上堆叠设置而成，其工作温度不高于77K，其中Re为稀土。其中，所述超额负载200为双饼线圈组，单负载201为双饼线圈，也就是说，所述超导负载200由至少一个单负载201构成。

在本实施例中，单负载201除了为传统的圆型单负载201外，还可以是近似于标准400M跑道的跑道型单负载201；当然，除了双饼结构的线圈外，也可以是不同类型的单饼线圈，以下不再累述。

为了更好的使用本实施例，所述磁通泵本体100包括交流绕组101、直流绕组102和第一磁轭103；所述直流绕组102设置于交流绕组101的两端；所述第一磁轭103的两端分别连接交流绕组101两端的直流绕组102，在磁通泵的工作状态形成磁回路；用于放置定子组300的气隙400位于交流绕组101和第一磁轭103之间。

所述直流绕组102设置于直流绕组的101的两端；所述第一磁轭103的其中一端连接位于交流绕组101其中一端的直流绕组102，所述第一磁轭103的另外一端连接位于交流绕组101另一端的直流绕组102，在磁通泵的工作状态形成磁回路；用于放置定子组300的气隙400位于交流绕组101和第一磁轭103之间。

在另外的一些实施例中，置于气隙400中的定子组300也可在交流绕组101和第一磁轭103之间，贴靠第一磁轭103或交流绕组101。

需要说明的是，所述交流绕组101具有齿槽1011，用于缠绕交流电线；由此，用于放置定子组300的气隙400位于齿槽1011和第一磁轭103之间。

如图13所示，需要说明的是，在本实施例中，所述交流绕组101的两端为交流绕组101的对称线所区分，具体的，上述对称线垂直于交流绕组101的中轴线；可以理解的是，上述对称线平行于齿槽1011在水平面投影的延伸方向。以下实施例同理，不再累述。

还需要说明的是，在本实施例中，所述交流绕组两端的直流绕组的数量一致。由此满足磁场对称应用要求。

此外，如图24和图25所示，在不同的实施例中，具有和上述实施例不同的结构特点，对于上述实施例来说，直流绕组102具有两个，分别位于交流绕组101的两端，然而，在另外的实施例中，也可以适用于一个直流绕组102的情况，即当交流绕组101的其中一端设有直流绕组102时，所述第一磁轭103的一端与直流绕组102连接，另一端延伸至交流绕组101远离直流绕组102的一端。

如图11和图12所示，为了更好的使用本实施例，所述超导负载200具有一对入线端和出线端；所述定子组300的两端分别与入线端和出线端连接，形成封闭回路。

在本实施例中，所述超导负载200可以是一个单负载201，也可以是由多个单负载201组成的超导负载200，不论是何种超导负载200，其均仅具有一个入线端和一个出线端，通过上述的入线端和出线端以连接定子组300的两端，从而实现完整的封闭回路。

在本实施例中，所述超导负载200中的多个单负载201可以无间距接触，也可以相互间隔一定的间距。

如图13所示，为了更好的使用本实施例，所述超导负载200包括至少两个并列设置的单负载201，每个单负载201均具有一对入线端和出线端；每对入线端和出线端分别与定子组300连接，分别形成封闭回路。

在本实施例中，所述超导负载200具有多个单负载201；在上一实施例中，这些单负载201可以进行集成，使具有多个单负载201的超导负载200仅有一个入线端和一个出线端；由此，和上一实施例具有区别是，本实施例中，每个单负载201都具有一个入线端和一个出线端。一般来说，在该实施例中，所述定子组300具有的定子301数量与单负载201一致，否则其具体结构和上一实施例中集成多个单负载201，使一个超导负载200仅具有一个入线端和一个出线端的实施例相同；在此基础上，每个定子301都具有两个连接端，从而使之与相应的单负载201的入线端和出线端连接。

当然，当定子组300中的定子301数量为多个，超导负载200中的单负载201为多个时，且定子301数量和单负载201数量不等时，也可以以上述实施例中的连接形式进行连接。在该实施例中，任意两个相邻的定子301之间应具有一端合适的间距，这种设置方式可应有于以下实施例中。

对于上述所有实施例而言，其可谓单边励磁系统，即仅磁通泵本体100的一端实现励磁。在本系统中，每个直流绕组102中仅一组直流线圈。需要说明的是，每个直流绕组102除了包括直流线圈外，还包括与第一磁轭103连接的第二磁轭104，因此，需要理解的是，在直流绕组102中，第二磁轭104的一端与交流绕组101连接，另一端与第一磁轭103连接，直流线圈绕制在第二磁轭104上。以下实施例中同样如此，不再累述。

需要说明的是，在另外的一些实施例中，单边励磁系统中，第二磁轭104的作用是连接交流绕组101，以形成封闭磁路，此时，直流绕组102中的直流线圈可以绕制在第一磁轭103上，而不限于第二磁轭104。当然，这样的绕制方式也可以运用至以下实施例中，同理不再累述。

在上述任意一个实施例的基础上，磁通泵系统还能够使其两端均实现励磁，如图14～图16所示，所述第一磁轭103为两个，分别位于交流绕组101长度方向的两端，并分别连接交流绕组101两端的直流绕组102，在磁通泵的工作状态形成两个磁回路；所述超导负载200具有两个，分别位于交流绕组101长度方向的两端，每个超导负载200连接同一端的定子组300，形成两个封闭回路。

需要说明的是，在任何一个实施例中，第一磁轭103和/或第二磁轭104可以是铁，也可以是钴、镍等可导磁的金属，当然，也可以是导磁合金。在本实施例中，采用的是铁。

在该实施例中，每一个直流绕组102均具有两个直流线圈，两个直流线圈分别分布于自身所在直流绕组102的两端。由此，该实施例同样为单边励磁系统。

在该实施例中，所述磁通泵本体100的两端各具有一个超导负载200，从而分别实现励磁充电，由此能够稳定的提升充电效率。

此外，对于上述单边励磁系统来说，并非是现有技术简单组合的技术方案；发明人在实际研究过程中，发现励磁系统的充电效率并非由单纯的定子301数量增减和/或单负载201的数量增减而致，其各种组合形式也为最终充电效果带来了明显的区别，并在现有技术的基础上，以不改变磁体结构和绕制成本为基本，达到明显提升充电效率的目的。同理于以下实施例中的双边励磁系统。

为了更好的使用本实施例，在单边励磁系统的基础上，提供了双边励磁系统。

即，所述第一磁轭103为两个，分别位于交流绕组101长度方向的两端，并分别连接交流绕组101两端的直流绕组102，在磁通泵的工作状态形成两个磁回路；其中，所述定子组300具有两个，两个定子组300位于不同的气隙400中，两个定子组300并联后与超导负载200连接为封闭回路。

在本实施例中，每一个直流绕组102均具有两个直流线圈，两个直流线圈分别分布于自身所在直流绕组102的两端。和上述具有两个封闭回路的单边励磁系统相比，在双边励磁系统中，仅具有一个封闭回路，该封闭回路包括并联的两个定子组300，以及与上述两个定子组300连接的一个超导负载200。

如图26所述，在单边励磁系统中，当交流绕组101的其中一端设有直流绕组102时，所述第一磁轭103的一端与直流绕组102连接，另一端延伸至交流绕组101远离直流绕组102的一端的情况下，同样适用于上述双边励磁系统，此处不再累述。

如图17所示，为了更好的使用本实施例，并联后的两个定子组300具有两个连接端；所述入线端和出线端分别与两个连接端连接。

在本实施例中，并联后的两个定子组300仅具有两个连接端；对于入线端和出线端来说，可以是超导负载200仅有的一个入线端和一个出线端，也可以是多个单负载201分别具有的入线端和出线端。

如图18所示，为了更好的使用本实施例，所述定子组300包括至少两个定子301，每个定子组300的所有定子301并排布置；并联后的两个定子组300具有不少于两个的偶数个连接端；连接端均分为两个部分，其中一部分与入线端连接，另外一部分与出线端连接。

由于任意一个定子301在具有两个连接端时，才能够同超导负载200连接为封闭回路，因此，在任意一个定子组300或任意一个定子301中，其连接端都应当为偶数个。

在本实施例中，其中定子组300具有若干定子301，因此，将这些定子301其中一半连接端集成为一个，将这些定子301另外一半出线端集成为一个，由此实现封闭回路的连接。

同时，当定子组300仅有一个定子301，超导负载200中具有多个单负载201时，也可以利用本实施例中的连接方式进行连接。即所有单负载201的入线端集成为一个入线端，所有单负载201的出线端集成为一个出线端，之后再与定子301的两个连接端分别连接。

当然，当定子组300中的定子301数量为多个，超导负载200中的单负载201为多个时，且定子301数量和单负载201数量不等时，也可以以上述实施例中的连接形式进行连接。

如图19～图21所示，为了更好的使用本实施例，所述超导负载200具有N个单负载201，其中N≥2，N为偶数；所述定子组300具有两个，每个定子组300具有N/2个定子301；在超导负载200中，其中N/2个单负载201与其中一个定子组300中的定子301一一对应，且连接为封闭回路；另外N/2个单负载201与另外一个定子组300中的定子301一一对应，且连接为封闭回路。

在本实施例中，以N为10进行说明阐述。当超导负载200中，单负载201具有10个时，每个定子组300都具有5个定子301。在此基础上，每个单负载201都具有各自的入线端和出线端；而每个定子301都具有各自的连接端；由此，其中5个单负载201各自的入线端和出线端分别与其中一个定子组300中的5个定子301的连接端连接；另外5个单负载201各自的入线端和出线端分别与另外一个定子组300中的5个定子301的连接端连接。

由此，当N为偶数个，如2、4……12、14……时，其连接方式即同上诉实施例一致。

如图22和图23所示，为了更好的使用本实施例，所述超导负载200具有M个单负载201，其中M≥3，M为奇数；所述定子组300具有两个，其中一个定子组300具有（M-1）/2个定子301，另外一个定子组300具有（M+1）/2个定子301；在超导负载200中，其中（M-1）/2个单负载201与其中一个定子组300中的定子301一一对应，且连接为封闭回路；另外（M+1）/2个单负载201与另外一个定子组300中的定子301一一对应，且连接为封闭回路。

在本实施例中，以M为5进行说明阐述。当超导负载200中，单负载201具有5个时，其中一个定子组300具有2个定子301，另外一个定子组300具有3个定子301。在此基础上，每个单负载201都具有各自的入线端和出线端；而每个定子301都具有各自的连接端；由此，其中2个单负载201各自的入线端和出线端分别与具有2个定子301的定子组300中的2个定子301连接；另外3个单负载201各自的入线端和出线端分别与具有3定子301的定子组300中的3个定子301连接。

由此，当M为奇数个，如3、5、7、9……时，其连接方式即同上诉实施例一致。

如图27所述，对于上述任何一个实施例来说，定子组300可以由宽定子500予以代替；一个宽定子500能够实现对至少一个超导负载的供电，也就是说，在使用宽定子500的实施例中，超导负载可以是1个、2个、3个或多个。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高温超导磁通泵系统，其特征在于，包括：

磁通泵本体；

超导负载；以及

定子组，所述定子组至少包括一个定子；

其中，所述磁通泵本体具有用于放置定子组的气隙；所述超导负载和定子组连接为封闭回路；

当所述超导负载具有N个单负载，N≥2，N为偶数且所述定子组具有两个时，每个定子组具有N/2个定子，其中N/2个单负载与其中一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路；另外N/2个单负载与另外一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路；

当所述超导负载具有M个单负载，M≥3，M为奇数且所述定子组具有两个时，其中一个定子组具有(M-1)/2个定子，另外一个定子组具有(M+1)/2个定子；在超导负载中，其中(M-1)/2个单负载与其中一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路；另外(M+1)/2个单负载与另外一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路；

所述磁通泵本体包括：

交流绕组；

直流绕组，所述直流绕组设置于交流绕组的其中一端；以及

第一磁轭；

其中，所述第一磁轭的一端与直流绕组连接，另一端延伸至交流绕组远离该直流绕组的一端；

用于放置定子组的气隙位于交流绕组和第一磁轭之间。

2.如权利要求1所述的一种高温超导磁通泵系统，其特征在于，所述第一磁轭为两个，分别位于交流绕组长度方向的两端；

所述超导负载具有两个，分别位于交流绕组长度方向的两端，每个超导负载连接同一端的定子组，形成两个封闭回路。

3.一种高温超导磁通泵系统，其特征在于，包括：

磁通泵本体；

超导负载；以及

定子组，所述定子组至少包括一个定子；

其中，所述磁通泵本体具有用于放置定子组的气隙；所述超导负载具有入线端和出线端；入线端和出线端分别与定子组连接，形成封闭回路；

当所述超导负载具有N个单负载，N≥2，N为偶数且所述定子组具有两个时，每个定子组具有N/2个定子，其中N/2个单负载与其中一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路；另外N/2个单负载与另外一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路；

当所述超导负载具有M个单负载，M≥3，M为奇数且所述定子组具有两个时，其中一个定子组具有(M-1)/2个定子，另外一个定子组具有(M+1)/2个定子；在超导负载中，其中(M-1)/2个单负载与其中一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路；另外(M+1)/2个单负载与另外一个定子组中的定子一一对应，且连接为封闭回路；

所述磁通泵本体包括：

交流绕组；

直流绕组，所述直流绕组设置于交流绕组的两端；以及

第一磁轭；

其中，所述第一磁轭的其中一端连接位于交流绕组其中一端的直流绕组，所述第一磁轭的另外一端连接位于交流绕组另一端的直流绕组，在磁通泵的工作状态形成磁回路；交流绕组两端的直流绕组的数量一致；

用于放置定子组的气隙位于交流绕组和第一磁轭之间；

其中，所述第一磁轭为两个，分别位于交流绕组长度方向的两端，并分别连接交流绕组两端的直流绕组，在磁通泵的工作状态形成两个磁回路；

其中，所述定子组具有两个，两个定子组位于不同的气隙中，两个定子组并联后与超导负载连接为封闭回路。

4.如权利要求3所述的一种高温超导磁通泵系统，其特征在于，并联后的两个定子组具有两个连接端；所述入线端和出线端分别与两个连接端连接。

5.如权利要求3所述的一种高温超导磁通泵系统，其特征在于，所述定子组包括至少两个定子，每个定子组的所有定子并排布置；并联后的两个定子组具有不少于两个的偶数个连接端；连接端均分为两个部分，其中一部分与入线端连接，另外一部分与出线端连接。

6.如权利要求3所述的一种高温超导磁通泵系统，其特征在于，所述超导负载具有两个，分别位于交流绕组长度方向的两端，每个超导负载连接同一端的定子组，形成两个封闭回路。

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