[發明專利]一種高溫超導磁通泵本征能耗的測試裝置及方法

在審

• 申請號: 202011076233.1
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112098911A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 謝義元;鄒長春;彭志華;王曉芳
• 申請（專利權）人: 邵陽學院;南京智捷和創超導科技有限公司
• 主分類號: G01R33/12
• 分類號: G01R33/12
• 代理公司: 蘇州創策知識產權代理有限公司 32322
• 代理人: 李曉蒙

1.一種高溫超導磁通泵本征能耗的測試裝置，包括冷卻箱(1)、超導組件和永磁組件，其特征在于：所述超導組件位于所述冷卻箱(1)的內部，所述永磁組件包括轉軸(2)和永磁體飛輪(3)，所述轉軸(2)上設有永磁體飛輪(3)，所述超導組件包括超導線圈(4)、HTS接頭(5)和定子短帶(6)，所述超導線圈(4)設在冷卻箱(1)的內部，且超導線圈(4)由HTS帶材繞制而成，所述超導線圈(4)的兩端為HTS接頭(5)，兩端的所述HTS接頭(5)處連接有定子短帶(6)，所述永磁體飛輪(3)臨近所述定子短帶(6)。

2.根據權利要求1所述的一種高溫超導磁通泵本征能耗的測試裝置，其特征在于：所述冷卻箱(1)的內部裝有液氮冷媒。

3.根據權利要求1所述的一種高溫超導磁通泵本征能耗的測試裝置，其特征在于：所述超導線圈(4)上設有支架(7)，且支架(7)固定在冷卻箱(1)內部的底部。

4.根據權利要求1所述的一種高溫超導磁通泵本征能耗的測試裝置，其特征在于：所述超導組件和永磁組件之間存在間隙并互不接觸。

5.根據權利要求1所述的一種高溫超導磁通泵本征能耗的測試裝置，其特征在于：所述超導線圈(4)、HTS接頭(5)和定子短帶(6)構成閉環通電回路。

6.一種高溫超導磁通泵本征能耗的測試方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：將超導組件和永磁組件置于液氮冷媒的低溫環境中，轉動轉軸(2)，帶動永磁體飛輪(3)旋轉，產生行進的磁場波，行進的磁場波對超導線圈(4)進行無刷勵磁，產生臨界電流；

步驟二：由于HTS帶材的B_C2高，定子短帶(6)中不能生成正常態區域，而是隨著永磁體飛輪(3)的轉動，受到一個在幅值介于B_C1和B_C2之間的行進磁場波的作用，穿過其中的磁通量經歷由增加到下降的周而復始的過程，產生一個直流電壓凈值V_dc和動態電阻R_d，從而在每一個周期生成一個直流感生電流增量，直至超導組件構成的閉環回路中的電流I_L達到一個接近臨界電流I_C的飽和值I_L0；

步驟三：設定L為超導線圈(4)的電感，R為超導組件構成的閉環回路的電阻，該電阻包括回路中的HTS接頭(5)的電阻R_J和繞制超導線圈(4)的HTS帶材的動態電阻R_d’，那么，回路中的電流I_L和超導線圈(4)中的磁感應強度B，遵循下面的指數衰減規律：

I_L(t)＝I_L(0)·exp[(-R/L)·t]，B(t)＝B(0)·exp[(-R/L)·t] (1)

其中，t表示時間/s，將上式運用到超導組件和永磁組件時，不同功率的超導組件的閉環回路具有不同的衰減特性，而永磁組件在回路中實時泵入一個電流、磁通增量，彌補這一衰減，維持超導線圈(4)中的磁感應強度B強度不變，這個磁通增量所需能耗，即勵磁能，標為“ΔE_B”，得到：

ΔE_B＝1/2·[(I_L0)²-(I_L0-ΔI_L)²]·L＝(I_L0*ΔI_L-ΔI_L²/2)·L(2)

當HTS接頭(5)電阻小，磁感應強度衰減很慢時，ΔI_L＜＜I_L0，那么：

ΔE_B＝2·(ΔI_L/I_L0)·E_B0 (3)

這一勵磁能以W為單位時，則表達為：

ΔE_B＝2·(ΔI_L/I_L0)·E_B0·f (4)

HTS接頭(5)電阻R_J和繞制超導線圈(4)的HTS帶材動態電阻R_d’分別導致的焦耳熱(Q_J和Q_d’)是閉環回路中的另外兩項能耗，即：

Q_J＝I_L0²·R_J (5)

Q_d’＝I_L0²·R_d’ (6)

R_d’利用指數定律進行計算：

R_d’＝V₀·[I_L0/I_C(B_r)]ⁿ/I_L0 (7)

其中V₀＝1μV/cm,而I_C(B_r)是在磁場作用下HTS帶材的臨界電流，受B_r的垂直分量B_r^⊥的比較直接，用下列方程表達：

I_C(B_r)＝I_c(0)/(1+|B_r^⊥|/B₀) (8)

上述三項能耗之和相應與該閉環回路中從永磁組件輸出的能量相等，將其標注為“P_FP”，表達如下：

P_FP＝ΔE_B+Q_J+Q_d’(9)；

步驟四：永磁組件在工作時，定子短帶(6)受到行進磁場波的作用，在其中產生磁通運動和動態電阻R_d，這是在閉環回路中產生直流電壓凈值V_dc的基礎，由于交變磁場的存在所導致的動態電阻R_d和磁通運動在定子短帶(6)中產生能耗，包括動態損耗Q_d和磁滯損耗Q_B，這兩部分能耗為本征能耗，其總值標為“Q_FP”，即：

Q_FP＝Q_d+Q_B(10)

所以，超導組件通過永磁體飛輪(3)旋轉機械能獲得的總電能為E_M，在超導組件構成的閉環回路中分配為兩個部分：本征能耗“Q_FP”和凈輸出能“P_FP”，即：

E_M＝P_FP+Q_FP＝ΔE_B+Q_J+Q_d’+Q_FP(11)；

步驟五：根據實際測量的行進磁場波波形、定子短帶(6)上的直流電壓凈值V_dc、飽和勵磁電流I_L0、HTS接頭(5)的電阻R_J和由永磁體飛輪(3)旋轉機械能獲得的總電能E_M、維持超導組件的磁感應強度不變所需的勵磁能ΔE_B，其中，E_M通過測得的永磁組件工作時的驅動電機總能耗減去永磁組件不工作時的電機能耗來獲得數據，進而按下面的公式獲得本證能耗的數值：

Q_FP＝E_M-ΔE_B-Q_J-Q_d’ (12)。