[發明專利]高溫超導閉合線圈恒流開關結構及其工作方法

在審

• 申請號: 201810541761.6
• 申請日: 2018-05-30
• 公開（公告）號: CN108470617A
• 公開（公告）日: 2018-08-31
• 發明（設計）人: 董方亮;黃振;郝魯寧
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01F6/06
• 分類號: H01F6/06
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 莊文莉

本發明提供一種高溫超導閉合線圈恒流開關結構及其工作方法，包括：開關本體，開關本體與閉合線圈連接，形成閉合電路；引線，引線連接開關本體與勵磁電流源。與現有技術相比，本發明的有益效果如下：1)可以減小超導閉合線圈的尺寸和重量，做到緊湊化和輕質化的目的，特別適用于磁懸浮列車或是航空器等對體積重量要求嚴格的場合。2)該開關的關斷電阻是動態變化的，即能夠很好的平衡發熱和勵磁，做到在成功勵磁的同時將制冷系統的熱負荷降到最低。3)該開關無需要任何外加設備控制其開通的關斷，因此也無需外加能量驅動外部設備工作。因此整個閉合超導線圈系統的能量輸入需求將會降低，更適用于移動設備上使用。

技術領域

本發明涉及一種直接由勵磁電流源過流控制開斷的高溫超導閉合線圈恒流開關結構及其工作方法。

背景技術

(1)高溫超導體的特性

1908年，荷蘭萊頓(Leiden)大學的教授Kamerlingh Onnes在經過多次試驗之后，成功將氦氣(He)液化，也標志著人類可以得到的最低溫度已經可達4.2K。三年之后，Onnes教授又發現汞(Hg)在液氮溫度條件下，電阻突降為零。這標志著，超導現象和超導技術從此步入人類科學研究的歷史。隨后，Onnes教授進行了后續的實驗，證實在4.2K溫度下，汞的電阻率約為10^-23Ω·cm，可以視為零。隨后，科學家和研究者們對超導現象展開了研究，超導體的很多其他特性相繼被發現。

1、零電阻特性。即超導體處于超導態時，電阻為零的特性。隨著溫度的逐漸下降，超導體在某一溫度會突然失去電阻，這一溫度稱為超導體的臨界溫度，用Tc表示。

2、邁斯納效應。即超導體的的完全抗磁性。超導體只要進入超導態，無論有沒有外加磁場，超導體內部的磁場都為零。這一特性由德國物理學家邁斯納和奧克森菲爾德于1933年發現。邁納斯效應表明，處于超導態的超導體內部的磁感應強度B必須等于零。因此，綜合1中的零電阻特性，導體只有同時具備了電阻率為零和磁感應強度為零兩個條件，才認為導體進入了超導態，二者缺一不可。

3、臨界溫度。如1中的描述，對于汞(Hg)來說，其臨界溫度(Tc)為4.2K。后續試驗表明，多種金屬元素單質及化合物都有各自的臨界溫度Tc。Tc是一個物質常數，每一種材料在同樣的其他條件下都有確定的值。1986年，人們進入了高溫超導技術的階段。朱經武等和趙忠賢等分別研制出YBCO高溫超導體，臨界溫度達90K，可以應用液氮制冷。目前，傳統的金屬、合金等超導體稱為傳統超導體，而YBCO這種氧化物陶瓷材料稱為高溫超導體。

4、臨界磁場。超導體在一定的外磁場作用下會失去超導電性，該磁場稱為超導體的臨界磁場，用Hc來表示。

5、臨界電流。超導體在通過的電流到達一定值的時候，也會失去超導特性。使超導體失去超導特性的電流稱為超導體的臨界電流，用Ic表示。臨界電流同樣是溫度的函數。

(2)高溫超導閉合線圈

高溫超導體由于存在零電阻特性，因此將由超導材料制成的線圈兩端閉合后形成超導閉合回路，線圈中的電流在理論上將會恒久地流動。但是由于線圈兩端在制成閉合線圈時存在接頭電阻，因此電流會逐漸消耗，但目前接頭電阻已能夠通過先進的焊接技術而降至很低，對于低溫超導線圈，其接頭電阻甚至能夠做到零電阻。因此，閉合超導線圈，尤其是高溫閉合超導線圈，在未來諸多領域會有很廣泛的用途。高溫超導閉合線圈在勵磁后能夠運行在無電流源供電的環境中，因此大大降低了整個線圈及其附屬結構的體積和重量，達到了緊湊化和輕質化的特點。同時，超導閉合線圈由于免去了電流引線(用于超導磁體供電的電流引線通常很粗且發熱較為嚴重)，因此大大降低了用于超導線圈運行的低溫系統的熱負荷。故超導閉合線圈尤其適用于對重量和體積較為敏感的工況下，例如磁懸浮列車的車載磁體或是航空器上使用的磁場發生裝置。