專利名稱：高溫超導(dǎo)磁通泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于超導(dǎo)電工領(lǐng)域，涉及一種具有高溫超導(dǎo)磁通泵。
技術(shù)背景自從1986年發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)材料以來，二十多年間不斷研制成功Y (釔)系、Bi (鉍) 系和MgB2 (二硼化鎂)高溫超導(dǎo)帶材。隨著技術(shù)的發(fā)展，這些材料的性能逐漸在接近實用化 要求，臨界電流、臨界磁場等指標都在不斷提高。通常，想獲得磁場的高穩(wěn)定必須要求超導(dǎo) 體構(gòu)成封閉的電流回路，使電流在超導(dǎo)體內(nèi)無阻礙的持續(xù)流動而不衰減。但是高溫超導(dǎo)材料 的n指數(shù)(n-Index)始終比較低。這一缺陷成為高溫超導(dǎo)材料在閉環(huán)高穩(wěn)定超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中 應(yīng)用的最大障礙。另外，高溫超導(dǎo)材料的超導(dǎo)接頭技術(shù)始終不盡人意，接頭電阻也是閉環(huán)磁 體系統(tǒng)中難以克服的問題。高溫超導(dǎo)閉環(huán)磁體系統(tǒng)中存在的微小電阻成為磁場連續(xù)衰減的根 源。彌補高溫超導(dǎo)閉環(huán)磁體系統(tǒng)中磁場衰減問題的最佳技術(shù)途徑就是使用磁通泵技術(shù)。磁通 泵是針對閉環(huán)超導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計的一種特殊裝置，它可以向閉環(huán)超導(dǎo)系統(tǒng)中泵浦磁通，以增強磁 體系統(tǒng)的磁場。對于高溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)可以達到補償磁場衰減，維持磁場穩(wěn)定的目的。磁通泵利用機械開關(guān)、熱超導(dǎo)開關(guān)，或者用復(fù)雜的方法在超導(dǎo)體上制造正常區(qū)，并使之 定向移動，通過重復(fù)施加很小磁場，就可以實現(xiàn)對大磁體系統(tǒng)的充磁。利用機械開關(guān)、熱超 導(dǎo)開關(guān)制作的磁通泵，因為機械和熱開關(guān)的工作速度比較低不能實現(xiàn)很高的工作頻率。對于 衰減得比較快的磁體系統(tǒng)如果以很低的頻率補充能量，勢必造成每個周期補充的能量過大， 磁場的波動比較強烈，難以保持磁場的穩(wěn)定。本實用新型采用的是最復(fù)雜的電子控制工作方 式。類似的結(jié)構(gòu)可以參見公開的報道"Current Pumping Performance of Linear-Type Magnetic Flux Pump With Use of Feedback Control Circuit System", IEEE Trans Appl. Supercond. Vol. 16(2), (2006)，1638-1641。其設(shè)計的結(jié)構(gòu)比較低效。繞組采用的是三相繞組7，控制采用的是變頻調(diào) 速器，另外還需要設(shè)置磁場偏置線圈6?？刂品绞胶懿混`活。所用的超導(dǎo)薄片仍為低溫超導(dǎo) Nb(鈮)片。盡管可以產(chǎn)生較低紋波但因為使用鈮片，所以無法工作在高溫超導(dǎo)環(huán)境。采用電子系統(tǒng)仔細控制磁通泵每個繞組的工作狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)工作電流和工作頻率，可 以使磁通泵工作在20KHz以內(nèi)。高工作頻率和低工作電流可以使磁通泵每個工作周期的波動 降至最小，達到低紋波的目的。對于通常使用的磁共振成像系統(tǒng)， 一般磁場允許波動幅度在 10—6以下。只有低紋波的磁通泵才能滿足實用要求。
在圖2所示的公知磁通泵結(jié)構(gòu)中，三相繞組2在變頻調(diào)速器的驅(qū)動下，會在低溫超導(dǎo)薄 片8內(nèi)部產(chǎn)生許多微小的磁場區(qū)域。這些小區(qū)域內(nèi)部磁場很強，使區(qū)域內(nèi)失去超導(dǎo)性能，失 去超導(dǎo)材料所特有的抗磁性。隨著變頻調(diào)速器輸出電流的相位變化，強磁場微區(qū)會逐漸向一 側(cè)運動，將磁通量帶入超導(dǎo)回路中，增強超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中的磁場強度。由于三相變頻調(diào)速器 產(chǎn)生的電流是交流，其產(chǎn)生的磁場方向有正、有負。導(dǎo)入超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中的磁通量也有加、 有減，交替變化。這樣仍無法單方向增加或減小磁場，因此在磁回路中設(shè)置有磁場偏置線圈。 由于使用變頻調(diào)速器，導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。由于使用鈮片，使得這種磁通泵只能工作在 液氦溫度區(qū)。

實用新型內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，在本實用新型提供了一種高溫超導(dǎo)磁通泵。 本實用新型采用的技術(shù)方案是
一種高溫超導(dǎo)磁通泵，包括鐵軛、磁極、溫度接頭、加熱器、獨立繞組、電流接頭和高 溫超導(dǎo)薄片，框型鐵軛的上下兩面分別設(shè)置有一行磁極，每個磁極的周圍繞有獨立繞組，兩 行磁極之間設(shè)有高溫超導(dǎo)薄片，高溫超導(dǎo)薄片上設(shè)有傳感器，高溫超薄片的兩端分別接有電 流接頭，鐵軛上接有溫度接頭，磁通泵中還設(shè)有加熱器，對高溫超導(dǎo)薄片進行加熱。
所述的高溫超導(dǎo)薄片采用10 100mm寬的4.2K以上工作溫度的高溫超導(dǎo)帶材。
所述的磁極，每行磁極有至少五個，每個磁極截面在lx2 10x20mm2，磁極間距在0.5 5mm，鐵軛的上下兩面磁極采取正對或者交錯排列。所述的獨立繞組，工作的過程中對每個繞組單獨供電。
所述的獨立繞組采用銅導(dǎo)線，工作電流峰值在30A以內(nèi)。
所述的鐵軛采用高磁感取向硅鋼片、磁性非晶片或納米晶薄片通過疊片方式制造鐵軛， 工作頻率在20KHz以內(nèi)。
高溫超導(dǎo)薄片可以采用任何高溫超導(dǎo)材料制造，其寬度通常在20毫米以上。類似圖1中 的三相繞組，本實用新型設(shè)計采用分立的多個繞組，對每個繞組分別供電。這樣可以直接產(chǎn) 生單向磁場，不需要使用偏置線圈。
在本實用新型中，考慮在實際設(shè)備中使用，設(shè)計了單獨為磁體繞組和鐵軛進行溫度控制 的導(dǎo)熱接頭。在使用過程中將接頭連接到單獨的降溫裝置上，對繞組和鐵軛進行單獨降溫。 比如可以將導(dǎo)熱接頭連接到二級G-M制冷機的一級冷頭上，使其溫度保持在40 100K范圍。 由于磁通泵需要連續(xù)工作，所產(chǎn)生的熱量比較多，需要有導(dǎo)冷結(jié)構(gòu)將熱量帶走，同時控制系 統(tǒng)也需要隨時監(jiān)測磁體索統(tǒng)的工作溫度。
繞組釆用銅導(dǎo)線繞制。對于0.1毫米線徑的漆包線，每個繞組可以繞200-300匝。盡可能 采用粗一些的線徑，這樣可以降低電阻，減少繞組的發(fā)熱量。繞制過程中要求每匝間盡可能 緊密排列，以減少不必要的導(dǎo)線長度，同時減少電阻。
為保持本實用新型裝置的完整性，本實用新型還設(shè)計了兩個電流接頭，用于與外部超導(dǎo) 系統(tǒng)進行連接。連接過程中，要求超導(dǎo)閉合環(huán)路的總電阻小于100微歐。在接頭上可以有較 大的接觸電阻，而不必需制造超導(dǎo)連接。磁通泵結(jié)構(gòu)內(nèi)部電阻小于1微歐。在1000安培量級 的工作條件下，發(fā)熱量有l(wèi)瓦水平，要求通過超導(dǎo)電流接頭有足夠的熱量導(dǎo)出能力，以確保 高溫超導(dǎo)薄片始終處于適宜的工作溫度?？刂葡到y(tǒng)也需要隨時監(jiān)測超導(dǎo)薄片的溫度。
鐵軛可以采用高磁感取向硅鋼片、磁性非晶片或納米晶片通過疊片方式制造。磁極形狀 可以通過線切割進行精密加工， 一般極對數(shù)在5 10組，每個磁極截面積約在lx2 10x20mm2。上下兩組磁極有正對和交錯兩種排列形式。正對磁極排列形式，便于簡化控制系 統(tǒng)的復(fù)雜性。交錯磁極排列形式，有利于進一步降低的磁通泵紋波。對于鐵軛材料，要求具 有較高磁飽和強度， 一般應(yīng)該在1 2T以上。高磁飽和強度材料便于在磁極間產(chǎn)生高磁場。 產(chǎn)生的磁場強度只有超過高溫超導(dǎo)材料的臨界磁場值，才能確保在高溫超導(dǎo)薄片內(nèi)部產(chǎn)生正 常微區(qū)。采用磁性非晶片或納米晶片制作鐵軛，有助于提高工作頻率，降低鐵損、降低鐵軛 的發(fā)熱量。
當(dāng)高溫超導(dǎo)薄片溫度過低難以在其上產(chǎn)生正常微區(qū)時，用傳感器測高溫超導(dǎo)薄片的溫度， 通過加熱器提高溫度可以使高溫超導(dǎo)材料的臨界磁場值降低，直到正常微區(qū)產(chǎn)生。加熱器采 用康銅絲或半導(dǎo)體加熱器都可以。加熱器導(dǎo)線采用普通漆包線，并盡可能減小線徑。在高溫 超導(dǎo)薄片上設(shè)置有溫度傳感器，對加熱器進行閉環(huán)控制。高溫超導(dǎo)薄片的工作溫度依材料性 質(zhì)決定，可以在4 100K范圍。高溫超導(dǎo)薄片的厚度一般在0.1 lmm之間，寬度在20 100mm。
控制系統(tǒng)可以采用單片機或DSP等集成芯片制作。主要實現(xiàn)對溫度、電流和磁場進行測 量，并依據(jù)測量結(jié)果對繞組進行控制。只要能夠?qū)崿F(xiàn)對繞組中的所有線圈分別施加電流以便 在磁極間產(chǎn)生高強磁場微區(qū)即可。
本實用新型裝置采用高溫超導(dǎo)帶材制作磁通泵電流回路，利用獨立控制的5-10組細小磁 極結(jié)構(gòu)(正對排列和交錯排列)，在微計算機系統(tǒng)自動控制下工作，可以實現(xiàn)對超導(dǎo)磁體系統(tǒng) 磁場進行超低紋波調(diào)節(jié)，并可以實現(xiàn)對超導(dǎo)磁體充磁功能，適用于超導(dǎo)閉合環(huán)路總電阻小于 IOO微歐的系統(tǒng)中。
本實用新型的有益效果是工作能力可以滿足超導(dǎo)閉合環(huán)路電阻在100微歐以內(nèi)的磁體 系統(tǒng)，實現(xiàn)工作紋波在l(T以內(nèi)，可以應(yīng)用于超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于磁共振譜儀等對 磁場穩(wěn)定性要求比較高的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中。以往絕大多數(shù)磁通泵均采用低溫超導(dǎo)體，工作在 4K以下的低溫環(huán)境。由于高溫超導(dǎo)磁體，以及高溫超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)正處于發(fā)展階段，高 溫超導(dǎo)磁通泵的研究比較少見。圖5為電感量很小的單匝線圈，與本實用新型磁通泵一同工 作時的磁場試驗曲線。在高頻率工作狀態(tài)下，充磁的時間常數(shù)大約在3秒左右。對于多匝線 圈，充磁時間常數(shù)會隨著匝數(shù)增加而成倍增加。


圖1磁通泵工作電路簡圖； 圖2公知的磁通泵結(jié)構(gòu)圖，圖3本實用新型磁通泵結(jié)構(gòu)一種實施例結(jié)構(gòu)圖， 圖4本實用新型磁通泵結(jié)構(gòu)第二種實施例結(jié)構(gòu)圖， 圖5本實用新型的控制系統(tǒng)參考電路框圖， 圖6本實用新型的磁通泵對單匝線圈充磁試驗工作性能曲線圖。圖中l(wèi)磁通泵；2電流接頭；3超導(dǎo)磁體接頭；4超導(dǎo)磁體；5等效電阻；6磁場偏置線圈； 7三相繞組；8低溫超導(dǎo)薄片；9外磁極；10外鐵軛；11溫度接頭；12獨立繞組；13高溫超 導(dǎo)薄片；14:加熱器；15:磁極；16:鐵軛。
具體實施方式
結(jié)合附圖對本實用新型做進一步描述 如圖1所示，磁通泵工作電路簡圖，磁通泵工作的過程中，在磁通泵的兩端電流接頭2連接到高溫超導(dǎo)閉環(huán)中，高溫超導(dǎo)閉環(huán)由超導(dǎo)磁體接頭3、超導(dǎo)磁體4和等效電阻5組成， 磁通泵的在此高溫超導(dǎo)閉環(huán)中工作，可以增強閉環(huán)內(nèi)的磁通量，可以實現(xiàn)磁體進行勵磁，起 到電源的作用。利用本實用新型的高溫超導(dǎo)磁通泵允許等效電阻在ioo微歐以內(nèi)。如圖2所示，公知一種磁通泵結(jié)構(gòu)圖，三相繞組7在變頻調(diào)速器的驅(qū)動下，會在低溫超 導(dǎo)薄片8內(nèi)部產(chǎn)生許多微小的磁場區(qū)域。這些小區(qū)域內(nèi)部磁場很強，使區(qū)域內(nèi)失去超導(dǎo)性能， 失去超導(dǎo)材料所特有的抗磁性。隨著變頻調(diào)速器輸出電流的相位變化，強磁場微區(qū)會逐漸向 一側(cè)運動，將磁通量帶入超導(dǎo)回路中，增強超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中的磁場強度。由于三相變頻調(diào)速 器產(chǎn)生的電流是交流，其產(chǎn)生的磁場方向有正、有負。導(dǎo)入超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中的磁通量也有加、有減，交替變化。這樣仍無法單方向增加或減小磁場，因此在磁回路中設(shè)置有磁場偏置線圈 6。由于使用變頻調(diào)速器，導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。由于低溫超導(dǎo)薄片8—般使用鈮片，使得 這種磁通泵只能工作在液氦溫度區(qū)。如圖3所示，本實用新型的磁通泵結(jié)構(gòu)一種實施例結(jié)構(gòu)圖，包括鐵軛16、磁極15、溫度 接頭ll、加熱器14、獨立繞組12、電流接頭2和高溫超導(dǎo)薄片13，框型鐵軛16的上下兩面 分別接有一行磁極15，每個磁極的周圍繞有獨立繞組12，兩行磁極的中部設(shè)有高溫超導(dǎo)薄片 13，高溫超導(dǎo)薄片13上設(shè)有傳感器，高溫超導(dǎo)薄片13的兩端分別接有電流接頭2，鐵軛16 上接有溫度接頭ll，磁通泵中還設(shè)有加熱器14，對高溫超導(dǎo)薄片進行加熱。高溫超導(dǎo)薄片13采用20mm寬的4.2K以上工作溫度的高溫超導(dǎo)帶材。 每行磁極有8個，每個磁極截面在3x5mm2，磁極間距在lmm，鐵軛的上下兩面磁極采取正 對排列。獨立繞組分別連到不同的電源，對每個獨立繞組單獨供電。獨立繞組采用銅導(dǎo)線， 工作電流峰值為20A。鐵軛采用高磁感取向硅鋼片，通過疊片方式制造鐵軛，工作頻率為 100Hz。如圖4所示，本實用新型的磁通泵結(jié)構(gòu)第二種實施例結(jié)構(gòu)圖，包括鐵軛16、磁極15、溫 度接頭ll、加熱器14、獨立繞組12、電流接頭2和高溫超導(dǎo)薄片13，框型鐵軛16的上下兩 面分別接有一行磁極15，每個磁極的周圍繞有獨立繞組12，兩行磁極的中部設(shè)有高溫超導(dǎo)薄 片13，高溫超導(dǎo)薄片13上設(shè)有傳感器，高溫超導(dǎo)薄片13的兩端分別接有電流接頭2，鐵軛 16上接有溫度接頭11，磁通泵中還設(shè)有加熱器14，對高溫超導(dǎo)薄片進行加熱。高溫超導(dǎo)薄片13采用50mm寬的10.2K工作溫度的高溫超導(dǎo)帶材。每行磁極有20個，每個磁極截面在10xl5mm2，磁極間距在4mm，鐵軛的上下兩面磁極采 取交錯排列。獨立繞組分別連到不同的電源，對每個獨立繞組單獨供電。獨立繞組采用銅導(dǎo)線，工作電 流峰值為10A。鐵軛采用磁性非晶片，通過疊片方式制造鐵軛，工作頻率為5KHz。本實用新型的磁通泵結(jié)構(gòu)一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，包括鐵軛16、磁極15、溫度接頭ll、加熱器 14、獨立繞組12、電流接頭2和高溫超導(dǎo)薄片13，框型鐵軛16的上下兩面分別接有一行磁 極15，每個磁極的周圍繞有獨立繞組12，兩行磁極的中部設(shè)有高溫超導(dǎo)薄片13，高溫超導(dǎo) 薄片13上設(shè)有傳感器，高溫超導(dǎo)薄片13的兩端分別接有電流接頭2，鐵軛16上接有溫度接 頭ll，磁通泵中還設(shè)有加熱器14，對高溫超導(dǎo)薄片進行加熱。高溫超導(dǎo)薄片13采用100mm寬的20.2K工作溫度的高溫超導(dǎo)帶材。
每行磁極有100個，每個磁極截面在lx20mm2，磁極間距在5mm，鐵軛的上下兩面磁極采 取交錯排列。獨立繞組分別連到不同的電源，對每個獨立繞組單獨供電。獨立繞組采用銅導(dǎo)線，工作電流 峰值為10A。鐵軛16采用納米晶薄片，通過疊片方式制造鐵軛，工作頻率為5KHz。如圖5所示，本實用新型的控制系統(tǒng)參考電路框圖，可以利用電路對本實用新型進行控制, 在此只涉及到電路對每個獨立繞組12的單獨供電。如圖6所示，本實用新型的一個磁通泵對單匝線圈充磁試驗工作曲線圖，在高頻率工作狀 態(tài)下，充磁的時間常數(shù)大約在3秒左右。對于多匝線圈，充磁時間常數(shù)會隨著匝數(shù)增加而成 倍增加。
權(quán)利要求1、一種高溫超導(dǎo)磁通泵，其特征是包括鐵軛、磁極、溫度接頭、加熱器、獨立繞組、電流接頭和高溫超導(dǎo)薄片，框型鐵軛的上下兩面分別設(shè)置有一行磁極，每個磁極的周圍繞有獨立繞組，兩行磁極之間設(shè)有高溫超導(dǎo)薄片，高溫超導(dǎo)薄片上設(shè)有傳感器，高溫超導(dǎo)薄片的兩端分別接有電流接頭，鐵軛上接有溫度接頭，磁通泵中還設(shè)有加熱器，對高溫超導(dǎo)薄片進行加熱。
2、 按照權(quán)利要求1所述的一種高溫超導(dǎo)磁通泵，其特征是所述的高溫超導(dǎo)薄片采用10 100mm寬的4.2K以上工作溫度的高溫超導(dǎo)帶材。
3、 按照權(quán)利要求1所述的一種高溫超導(dǎo)磁通泵，其特征是所述的磁極，每行磁極有至少五個， 每個磁極截面在lx2 10x20mm2，磁極間距在0.5 5mm，鐵軛的上下兩面磁極采取正對 或者交錯排列。
4、 按照權(quán)利要求l所述的一種高溫超導(dǎo)磁通泵，其特征是所述的獨立繞組，每個獨立繞組單 獨供電。
5、 按照權(quán)利要求1所述的一種高溫超導(dǎo)磁通泵，其特征是所述的獨立繞組，采用銅導(dǎo)線，工 作電流峰值在30A以內(nèi)。
6、 按照權(quán)利要求1所述的一種高溫超導(dǎo)磁通泵，其特征是所述的鐵軛，采用高磁感取向硅鋼 片、磁性非晶片或納米晶薄片，通過疊片方式制造鐵軛，工作頻率在20KHz以內(nèi)。
專利摘要一種高溫超導(dǎo)磁通泵，屬于磁通泵領(lǐng)域，包括鐵軛、磁極、溫度接頭、加熱器、獨立繞組、電流接頭和高溫超導(dǎo)薄片，框型鐵軛的上下兩面分別設(shè)有一行磁極，每個磁極的周圍繞有獨立繞組，兩行磁極的之間設(shè)有高溫超導(dǎo)薄片，高溫超導(dǎo)薄片上設(shè)有傳感器，高溫超薄片的兩端分別接有電流接頭，鐵軛上接有溫度接頭，磁通泵中還設(shè)有加熱器，對高溫超導(dǎo)薄片進行加熱。本實用新型的有益效果是工作能力可以滿足超導(dǎo)閉合環(huán)路電阻在100微歐以內(nèi)的磁體系統(tǒng)，實現(xiàn)工作紋波在10^-6以內(nèi)，可以應(yīng)用于超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于磁共振譜儀等對磁場穩(wěn)定性要求比較高的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中。
文檔編號H01F27/25GK201213093SQ20082001365
公開日2009年3月25日 申請日期2008年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月26日
發(fā)明者吳春俐, 白質(zhì)明 申請人:東北大學(xué)