一种超大电流密度超导磁体及其无线励磁装置

技术领域

本发明属于超导磁体技术领域，更具体地，涉及一种超大电流密度超导磁体及其无线励磁装置。

背景技术

强磁场环境是科学研究中重要的极端实验条件之一，也是MRI、太赫兹技术、电磁成型等强磁场应用技术领域中的必备需求。超导材料由于其超导态下出色的载流能力而成为产生强磁场的重要载流材料。

工作在低温环境的高温超导磁体依赖工作在室温的电力电子电源通过粗大的金属电流引线对其供电，引线热传导和欧姆损耗会在低温环境产生很大热负载，不仅对制冷系统带来挑战，同时易产生温升诱发超导磁体失超。

为减小电流引线带来的低温热负载，须降低超导磁体的运行电流以减小电流引线的直径，因此超导磁体多采用多线圈串联运行方式。但超导材料、特别是以ReBCO和Bi2223为代表的高温超导带材临界电流密度J

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超大电流密度超导磁体及其无线励磁方法与装置，旨在解决超导磁体串联供电造成的磁体运行电流密度受限问题，进一步提高磁体的电流密度、电热稳定性，减小低温热负载。

本发明提供了一种超大电流密度超导磁体，包括相互并联连接的超导磁体线圈单元和多条超导带材；超导磁体线圈单元包括磁体线圈骨架以及绕制在磁体线圈骨架上的磁体线圈；超导磁体线圈单元堆叠放置，且超导磁体线圈单元的一端连接至一条超导带材母线，超导磁体线圈单元的另一端连接至另一条超导带材母线，两条超导带材的母线通过飞线连接。

其中，工作时，由于超导磁体线圈单元的并联结构，电流在各个超导磁体线圈单元中自动分配，使得每个超导磁体线圈单元的工作电流可以不同；当其中某一超导磁体线圈单元的工作电流超过其临界电流时电流会自动流向其它超导磁体线圈单元，使工作电流未达临界电流的超导磁体线圈单元的电流继续增加，最终可使所有超导磁体线圈单元都能够工作在接近各自的临界电流，从而增大了各个线圈的工作电流，提高了工程电流密度。

进一步优选地，当有四个超导磁体线圈单元堆叠时，所述超导磁体的等效电路包括：第一电阻R

其中，感应电流i的值等于四个超导磁体线圈单元的工作电流之和。

本发明还提供了一种基于上述的超大电流密度超导磁体的无线励磁装置，包括：转子和定子；转子上设置有用于产生旋转磁场的永磁体；定子由超导带材的飞线组成，超导带材的飞线与每条超导带材母线的两端连接形成并联连接从而构成闭合回路。

进一步优选地，超导带材的飞线排列分布方式为沿圆周均匀分布。

工作时，转子转动，永磁体的磁场切割定子超导带材飞线，由于超导带材的自整流效应，在超导带材上产生一个直流电动势，继而在超导带材中产生直流电流，作为电源为闭合超导磁体提供无线供电。

更进一步地，转子设置于常温区，定子和所述超导磁体设置于低温区。可以通过环形杜瓦分隔常温区和低温区，环形杜瓦内为低温区，环形杜瓦外为常温区。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有如下技术优点：

(1)本发明采用并联的方式使得电流能够在各线圈中自动分配，当其中某一线圈的工作电流超过其临界电流时，电流会自动流向其他线圈，使工作电流未达临界电流的线圈电流继续增加，最终可使所有线圈都能够工作在接近各自的临界电流，从而解决了磁体线圈间传统串联连接方式工作电流受临界电流较小的线圈所限制的瓶颈问题，增大了各线圈的工作电流，显著提升磁体的工程电流密度。

(2)本发明中由于磁体线圈间并联连接，当某一线圈发生失超时，该线圈支路电阻显著增大，其电流可以自动分配到其他未失超线圈中，防止大电流在失超支路产生的热负载对磁体和制冷系统带来的负面影响，进一步增强了磁体的电热稳定性。

(3)本发明可应用于无绝缘磁体，使线圈工作在饱和状态，电流充满带材超导层全部区域，可消除屏蔽电流带来的应力超标和磁场位形畸变等问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的超大电流密度超导磁体的立体结构图；

图2中(a)是本发明实施例提供的超大电流密度超导磁体的俯视图；(b)是本发明实施例提供的超大电流密度超导磁体的不同角度的立体结构图；

图3是本发明实施例提供的超大电流密度超导磁体的等效电路图；

图4是本发明实施例提供的基于超大电流密度超导磁体的无线励磁装置的结构示意图，其中(a)和(c)分别表示该无线励磁装置的两个不同角度的立体结构图，(b)为该无线励磁装置的俯视图；

图5是本发明实施例提供的常温区与低温区剖面示意图，其中圆点和叉点表示超导磁体线圈中的电流流向，圆点表示电流流向为纸面向外，叉点表示电流流向为纸面向里；

图6是本发明实施例提供的基于超大电流密度超导磁体实现的无绝缘超导磁体系统的结构示意图，其中(a)和(c)是该无绝缘超导磁体系统的两个不同角度的立体结构图，(b)为该无绝缘超导磁体系统的仰视图。

图中同一个数字标记表示相同的物理含义，其中，1为定子超导带材飞线，2为磁体线圈骨架，3为超导磁体线圈，4为超导带材母线，5为转子，6为永磁体，7为旋转电机转子原动机，8为传动结构外壁，9为定子外壁，10为铜导热外加固板，11为杜瓦，100为并联超导磁体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中，超导磁体采用并联的连接方式，电流在各个线圈中自动分配，使得每个线圈的工作电流可以不同；当其中某一线圈的工作电流超过其临界电流时，电流会自动流向其他线圈，使工作电流未达临界电流的线圈电流继续增加，最终可使所有线圈都能够工作在接近各自的临界电流，从而增大了各个线圈的工作电流，提高了工程电流密度。

图1示出了本发明实施例提供的超导磁体的结构，超导磁体由超导线圈堆叠及其由多条超导带材母线短接构成并联结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明实施例提供的超导磁体由多个单饼线圈或双饼线圈堆叠而成，线圈端部由多条超导带材母线连接，即将各个线圈导线的一端连接于一条超导带材母线上，另一端连接于另一条超导带材母线上，构成并联结构，其结构如图1和图2所示。并联的连接方式可以使电流在各线圈中自动分配，即每个线圈的工作电流可以不同。当其中某一线圈的工作电流超过其临界电流时，电流会自动流向其他线圈，使工作电流未达临界电流的线圈电流继续增加，最终可使所有线圈都能够工作在接近各自的临界电流，即增大了各线圈的工作电流，提高了工程电流密度。

其等效电路如图3所示，其中L

在本发明实施例中，超导磁体可以采用无线励磁方法。无线励磁系统包括转子部分和定子部分；转子上装有永磁体，用于产生旋转磁场；定子由超导带材飞线组成，超导带材飞线排列分布方式为沿圆周均匀分布，可与磁体母线中的每条超导带材两端连接在一起，与并联磁体构成闭合回路。超导磁体的无线励磁过程如下：当转子转动时，永磁体的磁场切割定子超导带材飞线，由于超导带材的自整流效应，在超导带材上产生直流电动势，继而在超导带材中产生直流电流，作为电源为闭合超导磁体无线供电。采用无线励磁的超导磁体结构如图4所示。

在本发明实施例中，整个装置可以分为常温区和低温区，其中转子及其传动系统位于常温区，包括超导磁体和定子超导带材飞线在内的超导部分位于低温区，剖面示意图如图5所示，其中实心圆点和叉点表示超导磁体线圈中的电流流向，圆点表示电流流向为纸面向外，叉点表示电流流向为纸面向里。通过环形杜瓦11设置常温区和低温区，环形杜瓦内为低温区，环形杜瓦外为常温区；常温区内的温度为室温；低温区内的温度为77K以下。

本发明实施例提供的超导磁体还可以应用于无绝缘超导磁体系统中，图6示出了本发明实施例根据上述超导磁体设计的无绝缘超导磁体系统的结构，其中(a)和(c)是该无绝缘超导磁体系统的两个不同角度的立体结构图，(b)为该无绝缘超导磁体系统的仰视图；为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，现详述如下：

该无绝缘超导磁体系统包括旋转电机磁通泵装置与无绝缘超导磁体两部分，旋转电机磁通泵装置为无绝缘超导磁体供电，其中旋转电机磁通泵装置又可分为转子及其传动装置和定子超导带材飞线。

其中，转子及其传动装置位于常温区，定子超导带材飞线和无绝缘超导磁体位于低温区。传动系统不需要低温条件，放置于常温区可以减小低温制冷系统的热负载，同时避免正常工作条件为常温环境的传动系统受低温影响；定子侧包含大量超导材料结构，故放置于低温区。无绝缘超导磁体由四个单饼YBCO线圈堆叠并联而成，线圈内骨架材质为铜。定子超导带材飞线由六根10mm宽YBCO带组成，六根超导带材飞线沿圆周均匀分布，安装于G10环氧树脂外壁上，定子超导带材飞线的一端与四个线圈的铜骨架焊接，另一端与线圈最外层带材焊接，从而形成无绝缘线圈的堆叠并联结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。