机械型超导开关转让专利
申请号 : CN200710178812.5
文献号 : CN100595856C
文献日 : 2010-03-24
发明人 : 马海宝 , 戴银明 , 王秋良
申请人 : 中国科学院电工研究所
摘要 :
一种机械型超导开关，包括驱动部分、卡槽(4)和导电部分。驱动部分位于开关的上部，卡槽(4)位于开关的中间，导电部分位于开关的下部。驱动部分、卡槽(4)和导电部分通过拉杆(5)固定为一体。驱动部分提供开关关合时的驱动力，开关的导电部分采用超导材料。本发明机械型超导开关通过驱动线圈通电产生的吸力和斥力使超导材料机械接触或断开，来实现超导开关的通断。本发明开关响应速度快、关断电阻高。
权利要求 :
1.一种机械型超导开关，包括驱动部分、卡槽(4)和导电部分；驱动部分位于开关的上部，卡槽(4)位于开关的中间，导电部分位于开关的下部；驱动部分、卡槽(4)和导电部分通过拉杆(5)固定为一体，所述驱动部分包括固定线圈(1)、可动线圈(2)及其相应的线圈骨架和弹簧(3)；固定线圈(1)和可动线圈(2)外形为圆柱形，两个线圈上下水平布置，固定线圈(1)在上，可动线圈(2)在下；固定线圈(1)和可动线圈(2)之间放置弹簧(3)，其特征是：所述导电部分由超导块材和固定底座组成，超导块材分为上下两块，上面的一块为可动超导块材(6)，可动超导块材(6)和可动线圈(2)的骨架固定在一起，能和可动线圈(2)一起移动；下面的一块为固定超导块材(7)，固定超导块材(7)通过固定底座(9)固定；可动超导块材(6)和固定超导块材(7)相互接触的端部加工成相互吻合的凹凸锥形状。
2. 根据权利要求1所述的机械型超导开关，其特征是：所述的卡槽（4)为圆柱形，卡槽（4)包括上盖板（10)、下盖板（11)、固定垫片（12)、卡槽弹簧（13)和滑块（14)， 卡槽（4)中间有圆柱形通孔；滑块（14)放置在下盖板（11)中的一方形槽内，位置被上 盖板（10)、下盖板（11)和固定垫片（12)限定，只能沿着方形槽位移；卡槽弹簧（13) 放置在固定垫片（12)和滑块（14)之间；可动超导块材（6)和可动线圈（2)的骨架被固 定在一起后，放置于卡槽（4)中间的通孔中。
说明书 :
第l/4页
机械型超导开关
技术领域
本发明涉及一种超导开关，特别涉及机械型超导开关。 背景技术
随着对超导电性的深入研究，出现了不少超导应用工程，超导开关也引起了人们的兴趣。
最早出现的超导开关一般采用超导态-正常态的转换使开关装置从无阻状态到有阻状态，达到使
电路由导通到切断的目的；相反地若从正常态转变到超导态，幵关装置则从有阻状态转变为无
阻导通状态。超导开关超导态-正常态和正常态-超导态的转变，靠改变工作环境影响超导开关中
超导材料的临界参数来实现，其工作原理类似于半导体开关器件。 超导体具有三个临界特性参数：
临界温度TC，即超导体由超导态向正常态转变时的温度。
临界电流IC，即超导体在一定低温和磁场条件下，负荷电流达到某一数值时，则发生超导态 -正常态的转变，转变时的负荷电流为临界电流。
临界磁场Hc，即超导体在一定低温条件下，磁场达到一定数值时，亦可以使其从超导态转
变为正常态。转变时的磁场为临界磁场。
这三个临界特性参数中，超导开关一般采用影响超导材料的温度或磁场来实现超导态和正 常态的转换，可以称之为温控和磁控超导开关。
超导储能系统充电完毕后，需要超导开关和磁体形成闭环回路维持能量不衰减，这种超导
开关又被称做持续电流开关（Persistent Current Switch,简称PCS)。在超导储能系统中，超导开 关带来的能量损耗主要是开关的导通电阻和断开电阻带来的。
1.温控和磁控超导开关导通时由于导线连接的接触电阻等有很小的导通电阻，由此带来的 损耗可用下式来计算：
£",会("。)2[1-，(-2—』 （1)
其中，五Lst是损耗的能量，L磁体的电感，/。是充电电流，？；是储能的时间，i^是导通电阻。
温控和磁控超导开关断开时并未从电路中切除，只是开关中的超导材料处于正常态，通常 断开电阻数值多在几十欧姆到几百欧姆之间。温控和磁控的超导开关在超导储能系统充放电过
3程中的损耗可以用下式来计算：
formula see original document page 4 （2)
其中，五Ux是损耗的能量，、是单位时间内的充电速率，4是充电电流达到峰值J。时所需的充电时间，L是储能磁体的电感，J^是断开电阻，J。和7^之间有如下关系：formula see original document page 4 (3)
2.本发明中的机械型超导开关的通断取决于开关中导电部分的机械接触与否。开关断开时
可认为断开电阻无穷大，不产生损耗；而导电部分的机械接触及导线连接会产生接触电阻，开关导通时会有导通电阻存在，其在超导储能系统充储能过程中的损耗可以用公式1来计算。
超导开关的导通电阻主要是接触电阻，绝对数值很小所以产生的损耗非常小，超导储能系统中超导开关带来的损耗主要是断开电阻产生的。因此相比温控和磁控的超导开关，机械型超导开关高断开电阻的特点会显著减少超导储能系统的能量损耗。发明内容
本发明是为了克服现有超导开关在超导储能系统中应用时损耗较大的缺点而提出的一种机械型超导开关，本发明具有原理简单、响应速度快、关断电阻高的特点。
本发明的工作原理和普通开关相类似，通过驱动线圈通电产生的吸力和斥力使超导块材机械接触或断开，来实现超导开关的通断。开关交替处于超导状态和断开状态。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明超导开关包括驱动部分、卡槽和导电部分，驱动部分处于整体的上部，卡槽位于中间，导电部分处于整体的下部，驱动部分、卡槽和导电部分通过拉杆固连为一整体。
驱动部分主要由上下两个线圈及相应的骨架组成。线圈可是铜线圈或是超导线圈，线圈的外形是圆柱形，上下两个线圈都水平放置，上线圈固定，下线圈可动，线圈间放置弹簧，防止线圈发生碰撞。
导电部分主要由超导块材和固定底座组成，导电材料采用超导材料，这种超导材料可以是任意高温或者低温超导材料，超导材料加工成圆柱形块材。超导块材分为上下两块，上面的超导块材和可动下线圈固定在一起，能和线圈一起移动；下面的超导块材通过固定底座固定。可动和固定超导块材相互接触的端部加工成相互吻合的凹凸锥形状，使块材能够相互紧密吻合，同时可以起到定位的作用。
卡槽为圆柱形，包括上盖板、下盖板、滑块、固定垫片和弹簧等部件，中间有圆柱形通孔。卡槽中滑块被放置在下盖板中的一方形槽内，位置被上盖板、下盖板、固定垫片限定，只能沿着方形槽位移。弹簧放置在固定垫片和滑块之间。装配完毕后，开关中圆柱形可动超导块材和线圈的骨架被固定成在一起后，被置于卡槽中间的通孔中。
驱动部分通电线圈间的电磁力是开关通断的驱动力。根据不同的应用需要，开关可设置成常闭和常开状态。假设开关处于闭合状态，要将开关断开，则利用线圈间的引力作用，使可动线圈带动可动超导块材和固定超导块材分离，开关断开。开关断开后通过卡槽中滑块来卡住可动超导块材，使开关保持断开状态，要使开关重新闭合，则利用线圈间的斥力，克服卡槽阻力，使可动超导块材和固定超导块材重新接触，开关闭合。
本发明的有益效果是，开关能保持常闭和常开状态，开关原理简单、运行速度快、高关断电阻，可以显著减小超导储能系统的运行损耗。附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。图l是超导储能系统中超导开关损耗的简化计算电路。
图2是本发明的原理图，图中：l固定线圈、2可动线圈、3弹簧、4卡槽、5拉杆、6可动超导块材、7固定超导块材、8电流引线、9固定底座。
图3是超导块材的剖面图，图中：6可动超导块材、7固定超导块材。
图4是机械卡槽的剖面图，图中：IO卡槽的上盖板、ll卡槽的下盖板、12固定垫片、13卡槽弹簧，14滑块。具体实施方式
如图2所示，本发明开关包括驱动部分、卡槽4和导电部分以及拉杆5。驱动部分处于整体的上部，卡槽4位于中间，导电部分处于整体的下部，驱动部分、卡槽4和导电部分通过拉杆5固连为整体。
驱动部分包括固定线圈l、可动线圈2及其相应的骨架和弹簧3。固定线圈1和可动线圈2可以是铜线圈或超导线圈，线圈的外形是圆柱形，上下两个线圈都水平放置，固定线圈l在上，可动线圈2在下，固定线圈1和可动线圈2之间放置弹簧3。
导电部分包括可动超导块材6、固定超导块材7、电流引线8和固定底座9。上面的可动超导块材6和可动线圈2固定在一起，能和可动线圈2—起移动；下面的固定超导块材7通过固定底座9固定。如图3所示，可动超导块材6和固定超导块材7相互接触的端部加工成相互吻合的凹凸锥形状。此外，导电部分通过电流引线8和超导储能磁体连接成电流回路。
如图3所示，卡槽4为圆柱形，包括上盖板IO、下盖板ll、固定垫片12、卡槽弹簧13和滑块14等部件，卡槽4中间有圆柱形通孔。滑块14放置在下盖板11中的一方形槽内，位置被上盖板IO、下盖板11和固定垫片12限定，.滑块14只能沿着方形槽位移。卡槽弹簧13放置在固定垫片12和滑块14之间。装配完毕后，可动超导块材6和可动线圈2的骨架被固定在一起后，放置于卡槽4中间的通孔中。
本发明机械型超导开关通过驱动线圈通电产生的吸力和斥力使超导块材机械接触或断开，来实现超导开关的通断。根据不同的应用需要，本发明开关可以设置成运行时常闭或者常开。假设开关处于闭合状态，此时固定线圈1和可动线圈2间的弹簧3被压縮，以保证可动超导块材6和固定超导块材7紧密接触，此时卡槽弹簧13也被压缩。开关打开时，固定线圈I和可动线圈2通同向电流，可动线圈2受到吸引，带动可动超导块材6和固定超导块材7分离，使开关断开，然后卡槽弹簧13使滑块14沿方形槽前移将可动超导块材6卡住，使开关保持断开状态；要使开关重新闭合，固定线圈1和可动线圈2通反向电流，固定线圈l和可动线圈2之间的斥力使卡槽弹簧13再次被压缩，滑块14沿方形槽后移，从而使可动超导块材6下移，开关重新闭合。整个开关通过拉杆5固定在一起，拉杆5两端有螺纹，通过与螺母的配合固定固定线圈l、卡槽4和固定底座9的位置。拉杆5中间有一段是光滑的，方便可动线圈2和可动超导块材6沿着拉杆5方向运动。
随着对超导电性的深入研究，出现了不少超导应用工程，超导开关也引起了人们的兴趣。
最早出现的超导开关一般采用超导态-正常态的转换使开关装置从无阻状态到有阻状态，达到使
电路由导通到切断的目的；相反地若从正常态转变到超导态，幵关装置则从有阻状态转变为无
阻导通状态。超导开关超导态-正常态和正常态-超导态的转变，靠改变工作环境影响超导开关中
超导材料的临界参数来实现，其工作原理类似于半导体开关器件。 超导体具有三个临界特性参数：
临界温度TC，即超导体由超导态向正常态转变时的温度。
临界电流IC，即超导体在一定低温和磁场条件下，负荷电流达到某一数值时，则发生超导态 -正常态的转变，转变时的负荷电流为临界电流。
临界磁场Hc，即超导体在一定低温条件下，磁场达到一定数值时，亦可以使其从超导态转
变为正常态。转变时的磁场为临界磁场。
这三个临界特性参数中，超导开关一般采用影响超导材料的温度或磁场来实现超导态和正 常态的转换，可以称之为温控和磁控超导开关。
超导储能系统充电完毕后，需要超导开关和磁体形成闭环回路维持能量不衰减，这种超导
开关又被称做持续电流开关（Persistent Current Switch,简称PCS)。在超导储能系统中，超导开 关带来的能量损耗主要是开关的导通电阻和断开电阻带来的。
1.温控和磁控超导开关导通时由于导线连接的接触电阻等有很小的导通电阻，由此带来的 损耗可用下式来计算：
£",会("。)2[1-，(-2—』 （1)
其中，五Lst是损耗的能量，L磁体的电感，/。是充电电流，？；是储能的时间，i^是导通电阻。
温控和磁控超导开关断开时并未从电路中切除，只是开关中的超导材料处于正常态，通常 断开电阻数值多在几十欧姆到几百欧姆之间。温控和磁控的超导开关在超导储能系统充放电过
3程中的损耗可以用下式来计算：
其中，五Ux是损耗的能量，、是单位时间内的充电速率，4是充电电流达到峰值J。时所需的充电时间，L是储能磁体的电感，J^是断开电阻，J。和7^之间有如下关系：
2.本发明中的机械型超导开关的通断取决于开关中导电部分的机械接触与否。开关断开时
可认为断开电阻无穷大，不产生损耗；而导电部分的机械接触及导线连接会产生接触电阻，开关导通时会有导通电阻存在，其在超导储能系统充储能过程中的损耗可以用公式1来计算。
超导开关的导通电阻主要是接触电阻，绝对数值很小所以产生的损耗非常小，超导储能系统中超导开关带来的损耗主要是断开电阻产生的。因此相比温控和磁控的超导开关，机械型超导开关高断开电阻的特点会显著减少超导储能系统的能量损耗。发明内容
本发明是为了克服现有超导开关在超导储能系统中应用时损耗较大的缺点而提出的一种机械型超导开关，本发明具有原理简单、响应速度快、关断电阻高的特点。
本发明的工作原理和普通开关相类似，通过驱动线圈通电产生的吸力和斥力使超导块材机械接触或断开，来实现超导开关的通断。开关交替处于超导状态和断开状态。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明超导开关包括驱动部分、卡槽和导电部分，驱动部分处于整体的上部，卡槽位于中间，导电部分处于整体的下部，驱动部分、卡槽和导电部分通过拉杆固连为一整体。
驱动部分主要由上下两个线圈及相应的骨架组成。线圈可是铜线圈或是超导线圈，线圈的外形是圆柱形，上下两个线圈都水平放置，上线圈固定，下线圈可动，线圈间放置弹簧，防止线圈发生碰撞。
导电部分主要由超导块材和固定底座组成，导电材料采用超导材料，这种超导材料可以是任意高温或者低温超导材料，超导材料加工成圆柱形块材。超导块材分为上下两块，上面的超导块材和可动下线圈固定在一起，能和线圈一起移动；下面的超导块材通过固定底座固定。可动和固定超导块材相互接触的端部加工成相互吻合的凹凸锥形状，使块材能够相互紧密吻合，同时可以起到定位的作用。
卡槽为圆柱形，包括上盖板、下盖板、滑块、固定垫片和弹簧等部件，中间有圆柱形通孔。卡槽中滑块被放置在下盖板中的一方形槽内，位置被上盖板、下盖板、固定垫片限定，只能沿着方形槽位移。弹簧放置在固定垫片和滑块之间。装配完毕后，开关中圆柱形可动超导块材和线圈的骨架被固定成在一起后，被置于卡槽中间的通孔中。
驱动部分通电线圈间的电磁力是开关通断的驱动力。根据不同的应用需要，开关可设置成常闭和常开状态。假设开关处于闭合状态，要将开关断开，则利用线圈间的引力作用，使可动线圈带动可动超导块材和固定超导块材分离，开关断开。开关断开后通过卡槽中滑块来卡住可动超导块材，使开关保持断开状态，要使开关重新闭合，则利用线圈间的斥力，克服卡槽阻力，使可动超导块材和固定超导块材重新接触，开关闭合。
本发明的有益效果是，开关能保持常闭和常开状态，开关原理简单、运行速度快、高关断电阻，可以显著减小超导储能系统的运行损耗。附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。图l是超导储能系统中超导开关损耗的简化计算电路。
图2是本发明的原理图，图中：l固定线圈、2可动线圈、3弹簧、4卡槽、5拉杆、6可动超导块材、7固定超导块材、8电流引线、9固定底座。
图3是超导块材的剖面图，图中：6可动超导块材、7固定超导块材。
图4是机械卡槽的剖面图，图中：IO卡槽的上盖板、ll卡槽的下盖板、12固定垫片、13卡槽弹簧，14滑块。具体实施方式
如图2所示，本发明开关包括驱动部分、卡槽4和导电部分以及拉杆5。驱动部分处于整体的上部，卡槽4位于中间，导电部分处于整体的下部，驱动部分、卡槽4和导电部分通过拉杆5固连为整体。
驱动部分包括固定线圈l、可动线圈2及其相应的骨架和弹簧3。固定线圈1和可动线圈2可以是铜线圈或超导线圈，线圈的外形是圆柱形，上下两个线圈都水平放置，固定线圈l在上，可动线圈2在下，固定线圈1和可动线圈2之间放置弹簧3。
导电部分包括可动超导块材6、固定超导块材7、电流引线8和固定底座9。上面的可动超导块材6和可动线圈2固定在一起，能和可动线圈2—起移动；下面的固定超导块材7通过固定底座9固定。如图3所示，可动超导块材6和固定超导块材7相互接触的端部加工成相互吻合的凹凸锥形状。此外，导电部分通过电流引线8和超导储能磁体连接成电流回路。
如图3所示，卡槽4为圆柱形，包括上盖板IO、下盖板ll、固定垫片12、卡槽弹簧13和滑块14等部件，卡槽4中间有圆柱形通孔。滑块14放置在下盖板11中的一方形槽内，位置被上盖板IO、下盖板11和固定垫片12限定，.滑块14只能沿着方形槽位移。卡槽弹簧13放置在固定垫片12和滑块14之间。装配完毕后，可动超导块材6和可动线圈2的骨架被固定在一起后，放置于卡槽4中间的通孔中。
本发明机械型超导开关通过驱动线圈通电产生的吸力和斥力使超导块材机械接触或断开，来实现超导开关的通断。根据不同的应用需要，本发明开关可以设置成运行时常闭或者常开。假设开关处于闭合状态，此时固定线圈1和可动线圈2间的弹簧3被压縮，以保证可动超导块材6和固定超导块材7紧密接触，此时卡槽弹簧13也被压缩。开关打开时，固定线圈I和可动线圈2通同向电流，可动线圈2受到吸引，带动可动超导块材6和固定超导块材7分离，使开关断开，然后卡槽弹簧13使滑块14沿方形槽前移将可动超导块材6卡住，使开关保持断开状态；要使开关重新闭合，固定线圈1和可动线圈2通反向电流，固定线圈l和可动线圈2之间的斥力使卡槽弹簧13再次被压缩，滑块14沿方形槽后移，从而使可动超导块材6下移，开关重新闭合。整个开关通过拉杆5固定在一起，拉杆5两端有螺纹，通过与螺母的配合固定固定线圈l、卡槽4和固定底座9的位置。拉杆5中间有一段是光滑的，方便可动线圈2和可动超导块材6沿着拉杆5方向运动。