阅读说明：本技术 高温超导无绝缘磁体 (High-temperature superconducting uninsulated magnet ) 是由 胡道宇 翟茂春 毛凯 张艳清 吕民东 周伟 龚珺 刘坤 邹玲 朱然 于 2019-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及超导磁体技术领域,公开了一种高温超导无绝缘磁体。该磁体包括真空保护壳体和设置在所述真空保护壳体中的多个超导线圈组,每个超导线圈组包括电机、第一切换装置、第二切换装置、热锚、制冷机、储冷罐、多个磁通泵、串联的多个无绝缘超导线圈、恒流开关和冷屏。由此,通过真空层和冷屏可以降低磁体的热辐射,通过采用无绝缘超导线圈可以提高磁体系统稳定性与鲁棒性,并且制冷机对所述冷屏、所述多个无绝缘超导线圈和所述制冷介质进行制冷的混合制冷模式可以确保制冷的可靠性。(The invention relates to the technical field of superconducting magnets and discloses a high-temperature superconducting uninsulated magnet. The magnet comprises a vacuum protection shell and a plurality of superconducting coil groups arranged in the vacuum protection shell, wherein each superconducting coil group comprises a motor, a first switching device, a second switching device, a heat anchor, a refrigerator, a cold storage tank, a plurality of flux pumps, a plurality of non-insulated superconducting coils connected in series, a constant current switch and a cold shield. Therefore, the heat radiation of the magnet can be reduced through the vacuum layer and the cold screen, the stability and robustness of the magnet system can be improved through the adoption of the uninsulated superconducting coil, and the refrigeration reliability can be ensured through the mixed refrigeration mode of refrigerating the cold screen, the plurality of uninsulated superconducting coils and the refrigeration medium by the refrigerator.)

高温超导无绝缘磁体

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，尤其涉及一种高温超导无绝缘磁体。

背景技术

高温超导材料因此优异的电磁特性和机械特性，同时伴随着其制造成本的降低，基于高温超导材料的高温超导磁体相关研究越来越广泛。当前高温超导磁体的应用大都集中于静态磁体，如医疗MRI磁体和强场磁体等。然而，当高温超导磁体应用于动态场合时，如超导直线电机的动子磁体(如日本山梨线超导磁悬浮列车车载超导磁体，日本山梨线超导磁浮列车保持着世界最高轨道交通时速603km)、超导电动悬浮的悬浮磁体(如美国Holloman磁悬浮火箭橇橇载悬浮磁体，其最高运行速度达1000km/h以上，为高速地面测试提供了重要试验手段)等，高温超导磁体面临着复杂的电磁与载荷环境，提高磁体稳定性防止其失超极为关键。

发明内容

本发明提供了一种高温超导无绝缘磁体，能够解决现有技术中高温超导磁体动态环境下稳定性和安全性差的技术问题。

本发明提供了一种高温超导无绝缘磁体，其中，该磁体包括真空保护壳体和设置在所述真空保护壳体中的多个超导线圈组，每个超导线圈组包括电机、第一切换装置、第二切换装置、热锚、制冷机、储冷罐、多个磁通泵、串联的多个无绝缘超导线圈、恒流开关和冷屏，其中，

通过所述电机控制所述第一切换装置在励磁回路连通和断路之间切换，通过所述电机控制所述第二切换装置磁通泵回路连通和断路之间切换，所述励磁回路和所述磁通泵回路的电流引线缠绕在所述热锚上，每个磁通泵回路上设置有磁通泵，每个无绝缘超导线圈设置有所述恒流开关；

所述冷屏设置在所述储冷罐外，所述储冷罐中储存有制冷介质，所述多个无绝缘超导线圈设置在所述储冷罐中，所述制冷机对所述冷屏、所述多个无绝缘超导线圈和所述制冷介质进行制冷。

优选地，所述真空保护壳体包括杜瓦外壳、杜瓦内壳、以及设置在所述杜瓦外壳和所述杜瓦内壳之间的真空层。

优选地，所述制冷机包括一级冷头、二级冷头和导冷片，所述一级冷头对所述冷屏进行制冷，所述二级冷头通过所述导冷片对所述多个无绝缘超导线圈和所述制冷介质进行制冷。

优选地，每个超导线圈组还包括高温超导引线，设置在所述励磁回路上。

优选地，每个超导线圈组还包括多个支撑件，用于固定支撑无绝缘超导线圈。

优选地，所述磁体还包括屏蔽层，设置在所述真空保护壳体上。

优选地，所述屏蔽层的材料为金属。

优选地，该磁体还包括检测装置，设置在每个无绝缘超导线圈表面，用于对无绝缘超导线圈的相关状态参数进行检测。

优选地，所述检测装置包括以下中至少一者：温度检测装置、应力检测装置、磁场检测装置和电流检测装置。

优选地，所述第一切换装置和所述第二切换装置均为插座。

通过上述技术方案，在真空保护壳体中设置多个超导线圈组，每个超导线圈组可以包括电机、第一切换装置、第二切换装置、热锚、制冷机、储冷罐、多个磁通泵、串联的多个无绝缘超导线圈、恒流开关和冷屏。由此，通过真空层和冷屏可以降低磁体的热辐射，通过采用无绝缘超导线圈可以提高磁体系统稳定性与鲁棒性，并且制冷机对所述冷屏、所述多个无绝缘超导线圈和所述制冷介质进行制冷的混合制冷模式可以确保制冷的可靠性。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的一种高温超导无绝缘磁体的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的一种高温超导无绝缘磁体的屏蔽层布置示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本发明实施例的一种高温超导无绝缘磁体的结构示意图。

本发明实施例所述的高温超导无绝缘磁体例如可以应用于超导磁悬浮列车、磁悬浮火箭橇、电磁弹射、磁悬浮航天助推发射等领域。

如图1所示，本发明实施例提供了一种高温超导无绝缘磁体，其中，该磁体包括真空保护壳体和设置在所述真空保护壳体中的多个超导线圈组，每个超导线圈组包括电机3、第一切换装置4、第二切换装置17、热锚5、制冷机、储冷罐6、多个磁通泵7、串联的多个无绝缘超导线圈8、恒流开关10和冷屏15，其中，

通过所述电机3控制所述第一切换装置4在励磁回路连通和断路之间切换，通过所述电机3控制所述第二切换装置17磁通泵回路连通和断路之间切换，所述励磁回路和所述磁通泵回路的电流引线缠绕在所述热锚5上，每个磁通泵回路上设置有磁通泵7，每个无绝缘超导线圈8设置有所述恒流开关10；

也就是，可以通过电机控制励磁回路和磁通泵回路的通断，通过设置磁通泵，可以为超导磁体实时补磁。

举例来讲，超导磁体在运行中，存在电流减小磁场衰减的情况，通过磁通泵实时给超导磁体补磁以实现超导磁体磁场的时间稳定性。其中，每个无绝缘超导线圈均可以独立配置一台磁通泵。例如，磁通泵为变压器型磁通泵，输入电流1-2A。

更进一步地，励磁回路和磁通泵回路电流引线可以在热锚上缠绕多圈充分接触，从而减小励磁回路和磁通泵回路电流引线的漏热。例如，励磁回路电流引线可以为可插拔励磁电流引线、磁通泵回路电流引线可以为可插拔磁通泵电流引线。

所述冷屏15设置在所述储冷罐6外，所述储冷罐6中储存有制冷介质，所述多个无绝缘超导线圈8设置在所述储冷罐6中，所述制冷机对所述冷屏15、所述多个无绝缘超导线圈8和所述制冷介质进行制冷。

举例来讲，所示储冷罐6可以为固氮罐，制冷介质为固氮，多个无绝缘超导线圈8设置在固氮罐中。

通过上述技术方案，在真空保护壳体中设置多个超导线圈组，每个超导线圈组可以包括电机、第一切换装置、第二切换装置、热锚、制冷机、储冷罐、多个磁通泵、串联的多个无绝缘超导线圈、恒流开关和冷屏。由此，通过真空层和冷屏可以降低磁体的热辐射，通过采用无绝缘超导线圈可以提高磁体系统稳定性与鲁棒性，并且制冷机对所述冷屏、所述多个无绝缘超导线圈和所述制冷介质进行制冷的混合制冷模式可以确保制冷的可靠性。

举例来讲，每个线圈组可以具有自己的热锚，也可以两个线圈组共用一个热锚(如图1所示)。

根据本发明一种实施例，无绝缘超导线圈可以为采用高温超导材料绕制成的无绝缘跑道型线圈。

其中，高温超导材料例如可以为YBCO带材、GdBCO带材或MgB₂材料。

与常规有绝缘线圈相比，无绝缘跑道型线圈指的就是直接用超导裸带绕制，线圈匝与匝之间无绝缘。无绝缘线圈有如下好处：a.无匝间绝缘,线圈体积缩小；b.在超导线圈过流或局部热点发生时，超导层中的电流会流向匝间从而保护超导层，因此其不易失超，稳定性高，鲁棒性好。

根据本发明一种实施例，所述真空保护壳体包括杜瓦外壳(例如，低温杜瓦外壳)13、杜瓦内壳(例如，低温杜瓦内壳)14、以及设置在所述杜瓦外壳13和所述杜瓦内壳14之间的真空层1。

也就是，通过在所述杜瓦外壳13和所述杜瓦内壳14之间设置真空层1以提供真空环境，多个超导线圈组设置在杜瓦内壳14中。

举例来讲，低温杜瓦外壳和内壳材料可以为不锈钢、钛合金、铝合金、或纳米陶瓷复合铝合金。

根据本发明一种实施例，所述制冷机包括一级冷头2、二级冷头11和导冷片18，所述一级冷头2对所述冷屏15进行制冷，所述二级冷头11通过所述导冷片18对所述多个无绝缘超导线圈8和所述制冷介质进行制冷(即，二级冷头通过导冷片将一级冷头制冷量传导给超导线圈和制冷介质)。

也就是，制冷机一级冷头可以将冷屏制冷(例如，将冷屏制冷至65-80K)，制冷机二级冷头通过导冷片将一级冷头冷量传导给超导线圈和制冷介质以将超导线圈和固氮罐中的固氮制冷(例如，将超导线圈和固氮制冷至20-30K)。

由此，混合制冷模式中制冷机制冷与固氮储能相结合，增加了低温系统的热稳定性。

并且，每个超导线圈组可以采用一台制冷机独立制冷，与采用单台制冷机同时制冷多个超导线圈组相比，增加了制冷系统的可靠性。其中，制冷机可以为二级GM脉冲管制冷机或二级斯特林制冷机，导冷片的材料可以为高纯无氧铜或铝。

根据本发明一种实施例，每个超导线圈组还可以包括高温超导引线12，设置在所述励磁回路上。

由此，可以降低励磁回路电流引线漏热。

根据本发明一种实施例，每个超导线圈组还包括多个支撑件9，用于固定支撑无绝缘超导线圈8。

图2示出了根据本发明实施例的一种高温超导无绝缘磁体的屏蔽层布置示意图。

根据本发明一种实施例，所述磁体还包括屏蔽层16，设置在所述真空保护壳体上(即，设置在杜瓦外壳13上)。

举例来讲，屏蔽层16可以设置在真空保护壳体所有表面上，也可以仅设置在真空保护壳体一侧表面(如图2所示，这一侧可以为可能受外部磁场影响较大的一侧)上。

在低温杜瓦外壳装有屏蔽层16，谐波磁场在屏蔽层产生涡流，涡流磁场与谐波磁场相互抵消，从而使得到达超导线圈表面的谐波磁场减弱，最终减小超导线圈的交流损耗，即抑制外部交变谐波磁场对超导线圈的影响。

根据本发明一种实施例，所述屏蔽层16的材料为金属。

举例来讲，屏蔽层16的材料可以为导电率良好的金属材料。

例如，屏蔽层材料可为铝、铜等导电性良好的金属材料。

根据本发明一种实施例，该磁体还包括检测装置，设置在每个无绝缘超导线圈8表面，用于对无绝缘超导线圈8的相关状态参数进行检测。

由此，可以实现磁体多参数监测的健康状态管理。

根据本发明一种实施例，所述检测装置包括以下中至少一者：温度检测装置、应力检测装置、磁场检测装置和电流检测装置。

举例来讲，可以在无绝缘超导线圈表面铺设光纤，实时监测超导线圈温度；可以在超导线圈表面贴有应变片，实时监测超导线圈应力应变；可以通过霍尔传感器实时监测超导线圈中心磁场；可以通过电流传感器实时监测超导线圈运行电流。

由此，一旦发生温度、应力应变、磁场、电流数据超过安全设定值，可以立刻对磁体进行退磁保护。

根据本发明一种实施例，所述第一切换装置4和所述第二切换装置17均为插座。

也就是，可以通过插座实现电路的连通与断路。

举例来讲，在控制电机将励磁回路的插座闭合时，励磁回路连通，反之断路；类似地，在控制电机将磁通泵回路的插座闭合时，磁通泵回路连通，反之断路。

更具体地，对于励磁回路而言，控制电机将励磁回路的插座闭合，外部励磁电源给同一个冷屏内的串联的超导线圈同时励磁(即，给同一超导线圈组内的无绝缘超导线圈同时励磁)。超导线圈励磁到目标电流或磁场时，恒流开关10实现每个无绝缘超导线圈8的闭环运行，无绝缘超导线圈闭环运行后，控制电机将对应插座断开，减少电流引线的漏热。

其中，恒流开关可采用热控式或磁控式。

本领域技术人员应当理解，虽然图1中是以4个无绝缘超导线圈(即，两个超导线圈组)组成的超导磁体为例进行描述的，但超导线圈个数并不限定于4个，超导线圈组的数量并不限定于2个。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述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。