高温超导磁通泵

摘要

一种具有高温超导磁通泵，属于磁通泵领域，包括铁轭、磁极、温度接头、加热器、独立绕组、电流接头和高温超导薄片，框型铁轭的上下两面分别设有一行磁极，每个磁极的周围绕有独立绕组，两行磁极的之间设有高温超导薄片，高温超导薄片上设有传感器，高温超薄片的两端分别接有电流接头，铁轭上接有温度接头，磁通泵中还设有加热器，对高温超导薄片进行加热。本发明的有益效果是：工作能力可以满足超导闭合环路电阻在100微欧以内的磁体系统，实现工作纹波在10-6以内，可以应用于超导磁共振成像系统，也可以应用于磁共振谱仪等对磁场稳定性要求比较高的超导磁体系统中。

权利要求

1.一种高温超导磁通泵，其特征是包括铁轭、磁极、温度接头、加热器、独立绕组、电流接头和高温超导薄片，框型铁轭的上下两面分别设置有一行磁极，每个磁极的周围绕有独立绕组，两行磁极之间设有高温超导薄片，高温超导薄片上设有传感器，高温超导薄片的两端分别接有电流接头，铁轭上接有温度接头，磁通泵中还设有加热器，对高温超导薄片进行加热。

2.按照权利要求1所述的一种高温超导磁通泵，其特征是所述的高温超导薄片采用

10～100mm宽的4.2K以上工作温度的高温超导带材。

3.按照权利要求1所述的一种高温超导磁通泵，其特征是所述的磁极，每行磁极有至2

少五个，每个磁极截面为1×2～10×20mm，磁极间距为0.5～5mm，铁轭的上下两面磁极采取正对或者交错排列。

4.按照权利要求1所述的一种高温超导磁通泵，其特征是所述的独立绕组，每个独立绕组单独供电。

5.按照权利要求1所述的一种高温超导磁通泵，其特征是所述的独立绕组，采用铜导线，工作电流峰值在30A以内。

6.按照权利要求1所述的一种高温超导磁通泵，其特征是所述的铁轭，采用高磁感取向硅钢片、磁性非晶片或纳米晶薄片，通过叠片方式制造铁轭，工作频率在20KHz以内。

说明书

高温超导磁通泵

技术领域

[0001] 本发明属于超导电工领域，涉及一种具有高温超导磁通泵。

背景技术

[0002] 自从1986年发现高温超导材料以来，二十多年间不断研制成功Y(钇)系、Bi(铋)系和MgB2(二硼化镁)高温超导带材。随着技术的发展，这些材料的性能逐渐在接近实用化要求，临界电流、临界磁场等指标都在不断提高。通常，想获得磁场的高稳定必须要求超导体构成封闭的电流回路，使电流在超导体内无阻碍的持续流动而不衰减。但是高温超导材料的n指数(n-Index)始终比较低。这一缺陷成为高温超导材料在闭环高稳定超导磁体系统中应用的最大障碍。另外，高温超导材料的超导接头技术始终不尽人意，接头电阻也是闭环磁体系统中难以克服的问题。高温超导闭环磁体系统中存在的微小电阻成为磁场连续衰减的根源。

[0003] 弥补高温超导闭环磁体系统中磁场衰减问题的最佳技术途径就是使用磁通泵技术。磁通泵是针对闭环超导系统设计的一种特殊装置，它可以向闭环超导系统中泵浦磁通，以增强磁体系统的磁场。对于高温超导磁体系统可以达到补偿磁场衰减，维持磁场稳定的目的。

[0004] 磁通泵利用机械开关、热超导开关，或者用复杂的方法在超导体上制造正常区，并使之定向移动，通过重复施加很小磁场，就可以实现对大磁体系统的充磁。利用机械开关、热超导开关制作的磁通泵，因为机械和热开关的工作速度比较低不能实现很高的工作频率。对于衰减得比较快的磁体系统如果以很低的频率补充能量，势必造成每个周期补充的能量过大，磁场的波动比较强烈，难以保持磁场的稳定。本发明采用的是最复杂的电子控制工作方式。类似的结构可以参见公开的报道：“Current Pumping Performance of Linear-Type Magnetic FluxPump With Use of Feedback Control Circuit System”，IEEE Trans Appl.Supercond.Vol.16(2)，(2006)，1638-1641。其设计的结构比较低效。绕组采用的是三相绕组7，控制采用的是变频调速器，另外还需要设置磁场偏置线圈6。控制方式很不灵活。所用的超导薄片仍为低温超导Nb(铌)片。尽管可以产生较低纹波但因为使用铌片，所以无法工作在高温超导环境。

[0005] 采用电子系统仔细控制磁通泵每个绕组的工作状态，通过调节工作电流和工作频率，可以使磁通泵工作在20KHz以内。高工作频率和低工作电流可以使磁通泵每个工作周期的波动降至最小，达到低纹波的目的。对于通常使用的磁共振成像系统，一般磁场允许波-6动幅度在10 以下。只有低纹波的磁通泵才能满足实用要求。

[0006] 在图2所示的公知磁通泵结构中，三相绕组2在变频调速器的驱动下，会在低温超导薄片8内部产生许多微小的磁场区域。这些小区域内部磁场很强，使区域内失去超导性能，失去超导材料所特有的抗磁性。随着变频调速器输出电流的相位变化，强磁场微区会逐渐向一侧运动，将磁通量带入超导回路中，增强超导磁体系统中的磁场强度。由于三相变频调速器产生的电流是交流，其产生的磁场方向有正、有负。导入超导磁体系统中的磁通量也有加、有减，交替变化。这样仍无法单方向增加或减小磁场，因此在磁回路中设置有磁场偏置线圈。由于使用变频调速器，导致这种结构比较复杂。由于使用铌片，使得这种磁通泵只能工作在液氦温度区。

发明内容

[0007] 针对现有技术的不足之处，在本发明提供了一种高温超导磁通泵。

[0008] 本发明采用的技术方案是：

[0009] 一种高温超导磁通泵，包括铁轭、磁极、温度接头、加热器、独立绕组、电流接头和高温超导薄片，框型铁轭的上下两面分别设置有一行磁极，每个磁极的周围绕有独立绕组，两行磁极之间设有高温超导薄片，高温超导薄片上设有传感器，高温超薄片的两端分别接有电流接头，铁轭上接有温度接头，磁通泵中还设有加热器，对高温超导薄片进行加热。

[0010] 所述的高温超导薄片采用10～100mm宽的4.2K以上工作温度的高温超导带材。

[0011] 所述的磁极，每行磁极有至少五个，每个磁极截面为1×2～10×20mm2，磁极间距为0.5～5mm，铁轭的上下两面磁极采取正对或者交错排列。

[0012] 所述的独立绕组，工作的过程中对每个绕组单独供电。

[0013] 所述的独立绕组采用铜导线，工作电流峰值在30A以内。

[0014] 所述的铁轭采用高磁感取向硅钢片、磁性非晶片或纳米晶薄片通过叠片方式制造铁轭，工作频率在20KHz以内。

[0015] 高温超导薄片可以采用任何高温超导材料制造，其宽度通常在20毫米以上。类似图1中的三相绕组，本发明设计采用分立的多个绕组，对每个绕组分别供电。这样可以直接产生单向磁场，不需要使用偏置线圈。

[0016] 在本发明中，考虑在实际设备中使用，设计了单独为磁体绕组和铁轭进行温度控制的导热接头。在使用过程中将接头连接到单独的降温装置上，对绕组和铁轭进行单独降温。比如可以将导热接头连接到二级G-M制冷机的一级冷头上，使其温度保持在40～100K范围。由于磁通泵需要连续工作，所产生的热量比较多，需要有导冷结构将热量带走，同时控制系统也需要随时监测磁体系统的工作温度。

[0017] 绕组采用铜导线绕制。对于0.1毫米线径的漆包线，每个绕组可以绕200-300匝。尽可能采用粗一些的线径，这样可以降低电阻，减少绕组的发热量。绕制过程中要求每匝间尽可能紧密排列，以减少不必要的导线长度，同时减少电阻。

[0018] 为保持本发明装置的完整性，本发明还设计了两个电流接头，用于与外部超导系统进行连接。连接过程中，要求超导闭合环路的总电阻小于100微欧。在接头上可以有较大的接触电阻，而不必需制造超导连接。磁通泵结构内部电阻小于1微欧。在1000安培量级的工作条件下，发热量有1瓦水平，要求通过超导电流接头有足够的热量导出能力，以确保高温超导薄片始终处于适宜的工作温度。控制系统也需要随时监测超导薄片的温度。

[0019] 铁轭可以采用高磁感取向硅钢片、磁性非晶片或纳米晶片通过叠片方式制造。磁极形状可以通过线切割进行精密加工，一般极对数在5～10组，每个磁极截面积约在
2
1×2～10×20mm。上下两组磁极有正对和交错两种排列形式。正对磁极排列形式，便于简化控制系统的复杂性。交错磁极排列形式，有利于进一步降低的磁通泵纹波。对于铁轭材料，要求具有较高磁饱和强度，一般应该在1～2T以上。高磁饱和强度材料便于在磁极间产生高磁场。产生的磁场强度只有超过高温超导材料的临界磁场值，才能确保在高温超导薄片内部产生正常微区。采用磁性非晶片或纳米晶片制作铁轭，有助于提高工作频率，降低铁损、降低铁轭的发热量。

[0020] 当高温超导薄片温度过低难以在其上产生正常微区时，用传感器测高温超导薄片的温度，通过加热器提高温度可以使高温超导材料的临界磁场值降低，直到正常微区产生。加热器采用康铜丝或半导体加热器都可以。加热器导线采用普通漆包线，并尽可能减小线径。在高温超导薄片上设置有温度传感器，对加热器进行闭环控制。高温超导薄片的工作温度依材料性质决定，可以在4～100K范围。高温超导薄片的厚度一般在0.1～1mm之间，宽度在20～100mm。

[0021] 控制系统可以采用单片机或DSP等集成芯片制作。主要实现对温度、电流和磁场进行测量，并依据测量结果对绕组进行控制。只要能够实现对绕组中的所有线圈分别施加电流以便在磁极间产生高强磁场微区即可。

[0022] 本发明装置采用高温超导带材制作磁通泵电流回路，利用独立控制的5-10组细小磁极结构(正对排列和交错排列)，在微计算机系统自动控制下工作，可以实现对超导磁体系统磁场进行超低纹波调节，并可以实现对超导磁体充磁功能，适用于超导闭合环路总电阻小于100微欧的系统中。

[0023] 本发明的有益效果是：工作能力可以满足超导闭合环路电阻在100微欧以内的磁-6体系统，实现工作纹波在10 以内，可以应用于超导磁共振成像系统，也可以应用于磁共振谱仪等对磁场稳定性要求比较高的超导磁体系统中。以往绝大多数磁通泵均采用低温超导体，工作在4K以下的低温环境。由于高温超导磁体，以及高温超导磁共振成像系统正处于发展阶段，高温超导磁通泵的研究比较少见。图5为电感量很小的单匝线圈，与本发明磁通泵一同工作时的磁场试验曲线。在高频率工作状态下，充磁的时间常数大约在3秒左右。对于多匝线圈，充磁时间常数会随着匝数增加而成倍增加。

附图说明

[0024] 图1磁通泵工作电路简图；

[0025] 图2公知的磁通泵结构图，

[0026] 图3本发明磁通泵结构一种实施例结构图，

[0027] 图4本发明磁通泵结构第二种实施例结构图，

[0028] 图5本发明的控制系统参考电路框图，

[0029] 图6本发明的磁通泵对单匝线圈充磁试验工作性能曲线图。

[0030] 图中：1磁通泵；2电流接头；3超导磁体接头；4超导磁体；5等效电阻；6磁场偏置线圈；7三相绕组；8低温超导薄片；9外磁极；10外铁轭；11温度接头；12独立绕组；13高温超导薄片；14：加热器；15：磁极；16：铁轭。

具体实施方式

[0031] 结合附图对本发明做进一步描述：

[0032] 如图1所示，磁通泵工作电路简图，磁通泵工作的过程中，在磁通泵的两端电流接头2连接到高温超导闭环中，高温超导闭环由超导磁体接头3、超导磁体4和等效电阻5组成，磁通泵的在此高温超导闭环中工作，可以增强闭环内的磁通量，可以实现磁体进行励磁，起到电源的作用。利用本发明的高温超导磁通泵允许等效电阻在100微欧以内。

[0033] 如图2所示，公知一种磁通泵结构图，三相绕组7在变频调速器的驱动下，会在低温超导薄片8内部产生许多微小的磁场区域。这些小区域内部磁场很强，使区域内失去超导性能，失去超导材料所特有的抗磁性。随着变频调速器输出电流的相位变化，强磁场微区会逐渐向一侧运动，将磁通量带入超导回路中，增强超导磁体系统中的磁场强度。由于三相变频调速器产生的电流是交流，其产生的磁场方向有正、有负。导入超导磁体系统中的磁通量也有加、有减，交替变化。这样仍无法单方向增加或减小磁场，因此在磁回路中设置有磁场偏置线圈6。由于使用变频调速器，导致这种结构比较复杂。由于低温超导薄片8一般使用铌片，使得这种磁通泵只能工作在液氦温度区。

[0034] 如图3所示，本发明的磁通泵结构一种实施例结构图，包括铁轭16、磁极15、温度接头11、加热器14、独立绕组12、电流接头2和高温超导薄片13，框型铁轭16的上下两面分别接有一行磁极15，每个磁极的周围绕有独立绕组12，两行磁极的中部设有高温超导薄片13，高温超导薄片13上设有传感器，高温超导薄片13的两端分别接有电流接头2，铁轭16上接有温度接头11，磁通泵中还设有加热器14，对高温超导薄片进行加热。

[0035] 高温超导薄片13采用20mm宽的4.2K以上工作温度的高温超导带材。

[0036] 每行磁极有8个，每个磁极截面在3×5mm2，磁极间距在1mm，铁轭的上下两面磁极采取正对排列。独立绕组分别连到不同的电源，对每个独立绕组单独供电。独立绕组采用铜导线，工作电流峰值为20A。铁轭采用高磁感取向硅钢片，通过叠片方式制造铁轭，工作频率为100Hz。

[0037] 如图4所示，本发明的磁通泵结构第二种实施例结构图，包括铁轭16、磁极15、温度接头11、加热器14、独立绕组12、电流接头2和高温超导薄片13，框型铁轭16的上下两面分别接有一行磁极15，每个磁极的周围绕有独立绕组12，两行磁极的中部设有高温超导薄片13，高温超导薄片13上设有传感器，高温超导薄片13的两端分别接有电流接头2，铁轭16上接有温度接头11，磁通泵中还设有加热器14，对高温超导薄片进行加热。

[0038] 高温超导薄片13采用50mm宽的10.2K工作温度的高温超导带材。

[0039] 每行磁极有20个，每个磁极截面在10×15mm2，磁极间距在4mm，铁轭的上下两面磁极采取交错排列。

[0040] 独立绕组分别连到不同的电源，对每个独立绕组单独供电。独立绕组采用铜导线，工作电流峰值为10A。铁轭采用磁性非晶片，通过叠片方式制造铁轭，工作频率为5KHz。

[0041] 本发明的磁通泵结构一种优选结构，包括铁轭16、磁极15、温度接头11、加热器14、独立绕组12、电流接头2和高温超导薄片13，框型铁轭16的上下两面分别接有一行磁极15，每个磁极的周围绕有独立绕组12，两行磁极的中部设有高温超导薄片13，高温超导薄片13上设有传感器，高温超导薄片13的两端分别接有电流接头2，铁轭16上接有温度接头11，磁通泵中还设有加热器14，对高温超导薄片进行加热。

[0042] 高温超导薄片13采用100mm宽的20.2K工作温度的高温超导带材。

[0043] 每行磁极有100个，每个磁极截面在1×20mm2，磁极间距在5mm，铁轭的上下两面磁极采取交错排列。

[0044] 独立绕组分别连到不同的电源，对每个独立绕组单独供电。独立绕组采用铜导线，工作电流峰值为10A。铁轭16采用纳米晶薄片，通过叠片方式制造铁轭，工作频率为5KHz。

[0045] 如图5所示，本发明的控制系统参考电路框图，可以利用电路对本发明进行控制，在此只涉及到电路对每个独立绕组12的单独供电。

[0046] 如图6所示，本发明的一个磁通泵对单匝线圈充磁试验工作曲线图，在高频率工作状态下，充磁的时间常数大约在3秒左右。对于多匝线圈，充磁时间常数会随着匝数增加而成倍增加。