一种混合超导磁体的构造及具有其的磁悬浮轴承

摘要

一种混合超导磁体的构造及具有其的磁悬浮轴承，多个单饼或双饼超导磁体堆叠并联或串联连接组成超导磁体，超导磁体内部放置有堆叠超导块材，堆叠超导块材的外侧面布置有超导屏蔽线圈。超导磁体采用直流电源驱动或工作于闭环恒流模式，堆叠超导块材的充磁方式包括零场冷磁化、场冷磁化或脉冲磁化，磁化场来自于超导磁体或背景磁场，超导屏蔽线圈由超导带材绕制而成并构成闭环。上述超导屏蔽线圈可减弱交变外场对堆叠超导块材的俘获磁场的影响，增强混合超导磁体的磁场稳定性。本发明兼具超导磁体口径大、堆叠超导块材俘获磁场强的优点，能够极大增强磁体的磁场强度，提高磁悬浮轴承的承载能力。

权利要求

1.一种混合超导磁体的构造，其特征在于，混合超导磁体由超导磁体（1）、堆叠超导块材（2）和超导屏蔽线圈（3）组成，所述堆叠超导块材（2）固定安置于超导磁体（1）的内部，超导屏蔽线圈（3）布置在堆叠超导块材（2）的外侧面；所述超导磁体（1）由多个单饼或双饼超导磁体（4）堆叠并联或串联连接组成，所述堆叠超导块材（2）由多个超导块材堆叠组成，所述超导屏蔽线圈（3）由多个闭合超导线圈阵列组成；

所述单饼或双饼超导磁体（4）的平面形状为跑道形、长方框形、椭圆环形或圆环形，其横截面形状为矩形、阶梯形或圆形；堆叠超导块材（2）的形状为圆形或方形；闭合超导屏蔽线圈（3）采用高温超导带材绕制而成，其匝数小于超导磁体（1）的匝数；

所述超导磁体（1）采用直流电源驱动或利用超导开关使其工作于闭环恒流模式；堆叠超导块材（2）采用零场冷磁化、场冷磁化或脉冲磁化的方法进行充磁，磁化场来自于超导磁体（1）或背景磁场；超导磁体（1）和堆叠超导块材（2）放置于低温环境中，同时冷却或者分步冷却；若采用同时冷却方案，超导磁体（1）和堆叠超导块材（2）处于一个低温容器腔体内，对堆叠超导块材（2）进行充磁时需要将超导磁体（1）开路；若采用分步冷却方案，超导磁体（1）和堆叠超导块材（2）处于不同的低温容器腔体内，对堆叠超导块材（2）进行充磁时需要先冷却堆叠超导块材（2），待充磁完成后再冷却超导磁体（1）。

2.根据权利要求1所述的一种混合超导磁体的构造，其特征在于，所述堆叠超导块材（2）工作于永磁体模式或者工作于抗磁模式；如果工作于永磁体模式，需要对堆叠超导块材（2）进行充磁，如果工作于抗磁模式，不需要对堆叠超导块材（2）进行充磁。

3.一种采用如权利要求1所述混合超导磁体的构造的磁悬浮轴承，其特征在于，磁悬浮轴承的定子采用混合超导磁体（5），悬浮单元（6）采用磁化的超导块材、非磁化的超导块材或闭合的超导线圈；所述混合超导磁体（5）和悬浮单元（6）置于低温容器内部，混合超导磁体（5）与低温容器固定连接，悬浮单元（6）与飞轮轴（7）固定连接。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮轴承，其特征在于，所述单饼或双饼超导磁体的平面形状为圆环形，其横截面为矩形；所述堆叠超导块材（2）由多块尺寸相同的圆柱形超导块材同轴堆叠组成，堆叠超导块材（2）的底面与超导磁体（1）的底面处于同一平面；所述超导屏蔽线圈（3）由多个闭合高温超导线圈阵列组成，固定放置在堆叠超导块材（2）的外侧面。

说明书

一种混合超导磁体的构造及具有其的磁悬浮轴承

技术领域

[0001] 本发明涉及超导磁体、磁悬浮等技术领域，具体涉及一种混合超导磁体的构造及具有其的磁悬浮轴承。

背景技术

[0002] 在超导磁悬浮、超导电机、粒子加速器、医疗成像等系统中，工作面上的磁场强度和磁场均匀性直接影响系统的应用性能。一般而言，工作面上磁场越强、均匀性越好，系统的应用性能越优，但在大气隙应用工况下，普通铁磁体和永磁体已很难满足系统的磁场要求。

[0003] 超导磁体可制成大口径磁体，在大气隙条件下能够将磁体磁场有效发散到工作面区域。但随着磁体口径的增大，磁体磁场会减小；通过增加超导磁体的匝数或饼数能够提高磁体的磁场，但匝数或饼数的增加必然导致超导磁体临界电流的下降，降低磁体的电流承载能力，从而限制磁体磁场的提高。

[0004] 超导块材能够俘获磁场，产生普通铁磁体或永磁体数倍甚至数十倍的磁场强度。但受制于超导块材的制作工艺水平，超导块材的直径较小，因此制作的超导块材尺寸较磁体小，超导块材的磁场会随气隙增加迅速衰减，在大气隙条件下难以将磁场有效发散到工作面区域。

[0005] 在超导块材的实际应用工况中，电磁激扰是其面临的干扰之一。而超导块材的俘获磁场会因电磁激扰发生衰减，导致超导块材的磁场强度的降低。

[0006] 综上，本申请提出一种混合超导磁体，利用超导磁体的大口径和超导块材产生强磁场的能力，提高系统工作面上有效磁通和磁场强度；为了提高超导块材的磁场稳定性，本申请提出一种超导线圈屏蔽的方法，抑制交变外场对超导块材俘获磁场的影响。

[0007] 全超导磁悬浮轴承是本申请混合超导磁体的应用前景之一，全超导磁悬浮轴承主要由提供磁场的定子和产生感应电流的悬浮单元组成，悬浮单元内感应电流与定子磁场相互作用产生悬浮力，悬浮力大小直接决定磁悬浮轴承的承载能力。

[0008] 为提高磁悬浮轴承的悬浮力，一种采用闭环高温超导线圈的悬浮单元被提出（申请号：CN201610373082，专利名称：一种采用闭环恒流高温超导线圈实现磁悬浮状态的方法），该专利申请利用闭合线圈能够形成更大电流回路的特点，充分利用定子磁场以产生比超导块材悬浮单元更大的悬浮力。

[0009] 为进一步增强系统的悬浮能力，一种采用超导块材和闭合超导线圈构成的混合悬浮单元被提出（申请号：CN201610565711，专利名称：一种基于超导块材与超导线圈组合构建混合型磁悬浮状态的方法），该专利申请期望在闭合超导线圈和超导块材内同时感应出大电流，以增大系统的悬浮力。当外磁场增大到闭合超导线圈发生局部失超时，外场开始进入超导线圈内部，作用于超导块材并在块材内产生感应电流，提供悬浮力，从而提升系统的悬浮能力。但这种混合悬浮单元存在的主要问题是当闭合超导线圈未发生局部失超时，闭合超导线圈会将外磁场屏蔽在线圈外侧，超导块材内部将不产生感应电流；最不利的情况是，超导线圈产生的磁场作用于超导块材，在块材内产生与超导线圈电流反向的感应电流，该反向感应电流与外场作用产生吸引力，导致系统悬浮能力的下降。

[0010] 上述两个专利是从悬浮单元的角度提升磁悬浮轴承的悬浮能力。

发明内容

[0011] 本发明的目的之一是在现有技术的基础上，提供一种结构紧凑、口径大、磁场强的混合超导磁体的构造。

[0012] 本发明的目的之一是通过如下技术方案实现的：一种混合超导磁体的构造，混合超导磁体由超导磁体、堆叠超导块材和超导屏蔽线圈组成，所述堆叠超导块材固定安置于超导磁体的内部，超导屏蔽线圈布置在堆叠超导块材的外侧面；所述超导磁体由多个单饼或双饼超导磁体堆叠并联或串联连接组成，所述堆叠超导块材由多个超导块材堆叠组成，所述超导屏蔽线圈由多个闭合超导线圈阵列组成。

[0013] 单饼或双饼超导磁体的平面形状为跑道形、长方框形、椭圆环形或圆环形，其横截面形状为矩形、阶梯形或圆形；堆叠超导块材的形状为圆形或方形；闭合超导屏蔽线圈采用高温超导带材绕制而成，其匝数小于超导磁体的匝数。

[0014] 超导磁体采用直流电源驱动或利用超导开关使其工作于闭环恒流模式；堆叠超导块材采用零场冷磁化、场冷磁化或脉冲磁化的方法进行充磁，磁化场来自于超导磁体或背景磁场；超导磁体和堆叠超导块材放置于低温环境中，同时冷却或者分步冷却；若采用同时冷却方案，超导磁体和堆叠超导块材处于一个低温容器腔体内，对堆叠超导块材进行充磁时需要将超导磁体开路；若采用分步冷却方案，超导磁体和堆叠超导块材处于不同的低温容器腔体内，对堆叠超导块材进行充磁时需要先冷却堆叠超导块材，待充磁完成后再冷却超导磁体。

[0015] 所述堆叠超导块材可以替换成堆叠超导带材或者堆叠超导块材与堆叠超导带材的组合结构，所述堆叠超导块材或带材工作于永磁体模式或者工作于抗磁模式；如果工作于永磁体模式，需要对堆叠超导块材或带材进行充磁，如果工作于抗磁模式，不需要对堆叠超导块材或带材进行充磁。

[0016] 本发明的目的之二是提供采用上述混合超导磁体的磁悬浮轴承。

[0017] 本发明的目的之二是通过如下技术方案实现的：一种混合超导磁体的磁悬浮轴承，磁悬浮轴承的定子采用混合超导磁体，悬浮单元采用磁化的超导块材、非磁化的超导块材或闭合的超导线圈；所述混合超导磁体和悬浮单元置于低温容器内部，混合超导磁体与低温容器固定连接，悬浮单元与飞轮轴固定连接；所述混合超导磁体由超导磁体、堆叠超导块材和超导屏蔽线圈组成。

[0018] 所述超导磁体由多个单饼或双饼超导磁体堆叠并联或串联连接组成，单饼或双饼超导磁体的平面形状为圆环形，其横截面为矩形；所述堆叠超导块材由多块尺寸相同的圆柱形超导块材同轴堆叠组成，堆叠超导块材的底面与超导磁体的底面处于同一平面；所述超导屏蔽线圈由多个闭合高温超导线圈阵列组成，固定放置在堆叠超导块材的外侧面；上述超导磁体采用直流电源驱动或工作于闭环恒流模式，上述堆叠超导块材的充磁方式包括零场冷磁化、场冷磁化或脉冲磁化，磁化场来自于超导磁体或背景磁场。

[0019] 本发明从增强定子磁场的角度提升磁悬浮轴承的悬浮能力，将混合超导磁体作为磁悬浮轴承的定子，为悬浮单元提供稳定强磁场。对比上述两个专利，本申请具有的区别特征包括但不限于：（1）本申请混合超导磁体作为磁悬浮轴承的定子；（2）本申请混合超导磁体可工作于直流电源驱动模式，也可工作于闭环恒流模式；（3）堆叠超导块材经磁化俘获强磁场，工作于永磁体模式；（4）在堆叠超导块材外侧布置有超导屏蔽线圈，抑制交变外场对堆叠超导块材的俘获磁场的干扰；（5）本申请混合超导磁体作为强磁场源可极大提升磁悬浮轴承的悬浮能力。

[0020] 本发明的构造流程如下：1、利用高温超导带材绕制单饼或双饼超导磁体，将单饼或双饼超导磁体堆叠并进行并联或串联连接构成超导磁体；2、根据超导磁体的内部空间大小，选择合适尺寸的超导块材进行堆叠构造堆叠超导块材；3、将堆叠超导块材安置于超导磁体的内部；4、采用高温超导带材绕制屏蔽线圈，将其固定在堆叠超导块材的外侧；5、采用导热性良好的绝缘材料将超导磁体、堆叠超导块材和屏蔽线圈固化在一起，构成混合超导磁体；6、将混合超导磁体放置于低温容器内部，通过场冷、零场冷或脉冲磁化的方法对堆叠超导块材进行充磁；7、使用直流电源给超导磁体励磁；8、利用超导开关使超导磁体工作于闭环恒流模式。

[0021] 与现有技术相比，本发明具有如下优点。

[0022] 1、混合超导磁体兼具有超导磁体口径大、超导块材俘获磁场强的优点，同时具有结构紧凑、低温容器内部空间利用率高等优点。

[0023] 2、堆叠超导块材可以屏蔽交变外场，减弱交变外场对超导磁体的临界电流的影响，降低超导磁体的电磁力的谐波含量。

[0024] 3、在超导块材周围布置有超导屏蔽线圈可抑制交变外场对超导块材俘获磁场的影响，提高复杂工况下混合超导磁体的磁场稳定性。

[0025] 4、混合超导磁体作为磁悬浮轴承的定子，可显著增强工作面磁场，提升系统的悬浮能力。

[0026] 以日本研制的存储能量为100 kWh的超导飞轮储能系统为例，将本申请的混合超导磁体替换原有的超导磁体，系统的气隙磁场将增强136.2%，悬浮能力提升57.6%；引入超导屏蔽材料后，在交变外场激励下超导块材的俘获磁场衰减量降低23.4%，有效减弱了外场对混合超导磁体磁场稳定性的影响。

附图说明

[0027] 图1是本发明混合超导磁体的三维结构示意图（图中示出的是单饼超导磁体）。

[0028] 图2a、图2b分别是本发明具有其的磁悬浮轴承结构示意图及其有限元模型。

[0029] 图3a、图3b、图3c分别是图2a所示磁悬浮轴承的气隙磁场强度，悬浮力大小，超导块材的俘获磁场大小的图例。

具体实施方式

[0030] 结合附图对本发明及具有其的磁悬浮轴承作进一步说明如下。

[0031] 图1是本发明混合超导磁体的三维结构示意图，所述混合超导磁体由超导磁体1、堆叠超导块材2和超导屏蔽线圈3构成，堆叠超导块材2对称分布在超导磁体1的内部，超导屏蔽线圈3放置在堆叠超导块材2的外侧和超导磁体1的内侧。

[0032] 一种混合超导磁体的构造，超导磁体1由8个单饼超导磁体堆叠串联连接组成，单饼超导磁体的平面形状为跑道形，其横截面形状为矩形；堆叠超导块材2由对称分布在超导磁体1的圆边内部的圆柱形超导块材2和阵列在超导磁体1的直边内侧部分的方形超导块材2组成；所述圆柱形超导块材2由尺寸相同的圆柱形超导块材同轴堆叠组成，所述方形超导块材2由尺寸相同的方形超导块材同轴堆叠组成；超导线圈屏蔽3阵列在堆叠超导块材2的外侧和超导磁体1的内侧，该超导屏蔽线圈由超导带材绕制而成并构成闭环；上述混合超导磁体放置于低温容器内部，超导磁体1与堆叠超导块材2同时冷却；上述堆叠超导块材2采用脉冲磁化的方法进行充磁，磁化场来自于背景磁场，上述超导磁体1采用直流电源驱动。

[0033] 本发明的具体实施过程如下：（1）首先利用高温超导带材绕制单饼跑道形超导磁体，将8个单饼超导磁体进行堆叠，利用超导焊接技术将相邻两个单饼磁体串联连接，确保8个单饼磁体的电流流向相同，构成超导磁体1，超导磁体1的底部和顶部的两个单饼超导磁体的进线和出线分别与电流引线的两端连接；（2）根据跑道形超导磁体1的内部空间大小选择合适尺寸的超导块材并将尺寸相同的超导块材同轴堆叠组成超导块材单元2，超导块材单元2的总高度等于超导磁体1的高度；（3）将圆柱形超导块材单元2对称放置于超导磁体1的两个半圆部分的内部，将方形超导块材单元2阵列在超导磁体1的两个直边内侧部分，使所有超导块材单元2的底面与超导磁体1的底面处于同一平面；（4）利用高温超导带材绕制四个闭合的高温超导屏蔽线圈3，将四个屏蔽线圈3沿其轴向阵列在堆叠超导块材2的外侧和超导磁体1的内侧；（5）采用导热性良好的绝缘材料固化超导磁体1、堆叠超导块材2和超导屏蔽线圈3，构成混合超导磁体；（6）将混合超导磁体放置于低温容器内冷却，通过脉冲磁化的方法对堆叠超导块材2进行充磁；（7）采用直流电源对超导磁体1进行励磁；（8）利用超导开关使超导磁体1运行于闭环恒流模式。

[0034] 图2a是本发明具有其的磁悬浮轴承结构示意图，该磁悬浮轴承具有轴对称结构，其定子采用混合超导磁体5，悬浮单元6采用非磁化的超导块材，悬浮单元6与飞轮轴7固定连接；所述混合超导磁体5由超导磁体1、堆叠超导块材2和高温超导屏蔽线圈3组成，堆叠超导块材2放置于超导磁体1的内部，堆叠超导块材2的底面与超导磁体1的底面处在同一平面内，高温超导屏蔽线圈3固定于堆叠超导块材2的外侧面；所述悬浮单元6由三块厚度相同、半径不等的非磁化的圆柱形超导块材堆叠组成，悬浮单元6悬浮于定子的正上方；混合超导磁体5与悬浮单元6处在同一个低温容器腔体内。

[0035] 本发明具有其的磁悬浮轴承的具体实施过程如下：（1）采用高温超导带材绕制5个双饼超导磁体，双饼超导磁体的平面形状为圆环形，其横截面为矩形；（2）将上述5个双饼超导磁体堆叠串联连接构成超导磁体1，5个双饼超导磁体分别标记为#1～#5；（3）将3块尺寸相同的圆柱形超导块材同轴堆叠构成堆叠超导块材2，堆叠超导块材2的总高度小于超导磁体1的高度；（4）采用高温超导带材绕制四个闭合的超导屏蔽线圈，将四个闭合的超导屏蔽线圈阵列在堆叠超导块材2的外侧面，形成超导屏蔽线圈10；（5）采用导热性良好的绝缘材料将上述超导磁体1、堆叠超导块材2和超导屏蔽线圈10固化在一起构成混合超导磁体5；（6）将混合超导磁体5和悬浮单元6放置在同一低温容器内，冷却混合超导磁体5和悬浮单元
6；（7）将超导磁体1开路，采用脉冲磁化的方法对堆叠超导块材2进行充磁；（8）采用直流电源对超导磁体1进行励磁；（9）悬浮单元6工作于抗磁模式。

[0036] 图2b是图2a所示磁悬浮轴承的轴对称模型及其磁场分布云图，图中显示，该混合超导磁体的磁悬浮轴承产生的最大磁场强度约12.8 T，位于堆叠超导块材2的内部。计算还发现，超导磁体1产生的最大磁场仅有3.5 T，明显低于混合超导磁体5产生的磁场强度。

[0037] 图3a是图2b所示轴对称模型①点处磁场强度随超导磁体1的励磁电流的变化关系，观察发现，混合超导磁体5和超导磁体1在①点处磁场强度均随励磁电流线性增加；但是当磁体励磁电流为零时，超导磁体1不提供磁场，而堆叠超导块材2因俘获了磁场，混合超导磁体5仍可提供约4.6 T的磁场；尤其当磁体的励磁电流为80 A时（该电流产生的悬浮力与飞轮的自重平衡），混合超导磁体5提供的磁场强度提升了136.2%。图3b是磁悬浮轴承的悬浮力随超导磁体1的励磁电流的变化曲线，图中显示了超导磁体1的悬浮力测试结果（点线）和计算结果（虚线）、混合超导磁体5的悬浮力的计算结果（实线）及其提升百分比（点画线）。从图中发现，超导磁体1的悬浮力的计算结果与测试结果一致，验证了仿真模型；因为混合超导磁体5能够提供更强的磁场，所以产生的悬浮力更大，尤其当磁体的励磁电流为80 A时，系统的悬浮力提升57.6%。图3c为混合超导磁体5中的堆叠超导块材2在外场激励下俘获磁场随时间的变化规律，在外场作用下堆叠超导块材2的俘获磁场经历了三个阶段，第一阶段：块材经脉冲磁化俘获磁场；第二阶段：块材磁化后经过一定的弛豫，俘获磁场达到稳定；
第三阶段：交变外场激扰，块材俘获磁场发生衰减。第一阶段和第二阶段的结果表明，添加了超导屏蔽线圈的超导块材俘获了更高的磁场；第三阶段的结果表明，在交变外场激扰下超导块材的俘获磁场的衰减更小（相比不加屏蔽的超导块材，屏蔽后超导块材的俘获磁场衰减量降低了23.4%）。图3c的插图为屏蔽后超导块材的俘获磁场随超导屏蔽线圈匝数的变化曲线，曲线表明，随着屏蔽线圈匝数的增加，超导块材的俘获磁场增大，且在交变外场激扰下块材的俘获磁场衰减量更小。综上，超导屏蔽线圈不仅能够提高堆叠超导块材的俘获磁场强度，还能抑制堆叠超导块材的俘获磁场的衰减。

[0038] 以上所述只是本发明的一种在全超导磁悬浮轴承中的应用，并非要将本发明局限于全超导磁悬浮轴承，故凡是有可能被应用的对象，如电动悬浮、核磁共振、磁共振成像、超导电机等系统，均属于本发明专利应用的范围，在这些应用范围内，本发明都会受到保护。