高温超导闭合线圈恒流开关结构的制作方法

本实用新型涉及一种直接由励磁电流源过流控制开断的高温超导闭合线圈恒流开关结构。

背景技术：

(1)高温超导体的特性

1908年，荷兰莱顿(Leiden)大学的教授Kamerlingh Onnes在经过多次试验之后，成功将氦气(He)液化，也标志着人类可以得到的最低温度已经可达4.2K。三年之后，Onnes教授又发现汞(Hg)在液氮温度条件下，电阻突降为零。这标志着，超导现象和超导技术从此步入人类科学研究的历史。随后，Onnes教授进行了后续的实验，证实在4.2K温度下，汞的电阻率约为10^-23Ω·cm，可以视为零。随后，科学家和研究者们对超导现象展开了研究，超导体的很多其他特性相继被发现。

1、零电阻特性。即超导体处于超导态时，电阻为零的特性。随着温度的逐渐下降，超导体在某一温度会突然失去电阻，这一温度称为超导体的临界温度，用Tc表示。

2、迈斯纳效应。即超导体的的完全抗磁性。超导体只要进入超导态，无论有没有外加磁场，超导体内部的磁场都为零。这一特性由德国物理学家迈斯纳和奥克森菲尔德于1933年发现。迈纳斯效应表明，处于超导态的超导体内部的磁感应强度B必须等于零。因此，综合1中的零电阻特性，导体只有同时具备了电阻率为零和磁感应强度为零两个条件，才认为导体进入了超导态，二者缺一不可。

3、临界温度。如1中的描述，对于汞(Hg)来说，其临界温度(Tc)为4.2K。后续试验表明，多种金属元素单质及化合物都有各自的临界温度Tc。Tc是一个物质常数，每一种材料在同样的其他条件下都有确定的值。1986年，人们进入了高温超导技术的阶段。朱经武等和赵忠贤等分别研制出YBCO高温超导体，临界温度达90K，可以应用液氮制冷。目前，传统的金属、合金等超导体称为传统超导体，而YBCO这种氧化物陶瓷材料称为高温超导体。

4、临界磁场。超导体在一定的外磁场作用下会失去超导电性，该磁场称为超导体的临界磁场，用Hc来表示。

5、临界电流。超导体在通过的电流到达一定值的时候，也会失去超导特性。使超导体失去超导特性的电流称为超导体的临界电流，用Ic表示。临界电流同样是温度的函数。

(2)高温超导闭合线圈

高温超导体由于存在零电阻特性，因此将由超导材料制成的线圈两端闭合后形成超导闭合回路，线圈中的电流在理论上将会恒久地流动。但是由于线圈两端在制成闭合线圈时存在接头电阻，因此电流会逐渐消耗，但目前接头电阻已能够通过先进的焊接技术而降至很低，对于低温超导线圈，其接头电阻甚至能够做到零电阻。因此，闭合超导线圈，尤其是高温闭合超导线圈，在未来诸多领域会有很广泛的用途。高温超导闭合线圈在励磁后能够运行在无电流源供电的环境中，因此大大降低了整个线圈及其附属结构的体积和重量，达到了紧凑化和轻质化的特点。同时，超导闭合线圈由于免去了电流引线(用于超导磁体供电的电流引线通常很粗且发热较为严重)，因此大大降低了用于超导线圈运行的低温系统的热负荷。故超导闭合线圈尤其适用于对重量和体积较为敏感的工况下，例如磁悬浮列车的车载磁体或是航空器上使用的磁场发生装置。

但是对于闭合超导线圈，由于其处于零电阻的超导态，故无法直接将外部电源注入线圈进行励磁。因此需要存在一个“开关”，即闭合超导线圈恒流开关，此“开关”通常由闭合线圈的一部分转换形成。当此“开关”断开时，线圈退出闭合状态，此时外部电源可对线圈进行励磁。当励磁完成后，此“开关”重新闭合，线圈则重新进入闭合状态，实现零电阻的环流。目前闭合超导线圈恒流开关大多由电热丝控制开关，即电热丝发热后，开关由于超过其临界温度而失去超导态，产生很大的电阻，相当于断开，进而外部电流源开始对线圈励磁。当电热丝停止发热后，开关逐渐恢复超导态，相当于重新闭合，超导线圈内的电流通过此开关实现了闭合回路。电热丝控制的热控超导恒流开关外，还有磁控与流控超导恒流开关。磁控超导恒流开关由外部磁场控制其通断，外部磁场由专门的磁场发生源提供，其开断速度相比热控超导恒流开关要快。流控超导恒流开关则由过电流控制，通过外部电源施加过电流而使得超导恒流开关超过其临界电流而失超产生大电阻，进而实现其关断与开通。目前，无论是热控、磁控还是流控超导恒流开关，都需要外加辅助设备帮助其实现关断与开通，例如电热丝，磁场发生装置或是外部电流源，故使得超导闭合线圈的结构复杂化，同时又增加了体积和重量，导致超导闭合线圈原有的轻质化、紧凑化的优势难以突出体现。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的在于提出了一种解决上述技术问题的高温超导闭合线圈恒流开关结构。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种高温超导闭合线圈恒流开关结构，包括：开关本体，开关本体与闭合线圈连接，形成闭合电路；引线，引线连接开关本体与励磁电流源。

优选地，引线的数量为两根，两根引线分别连接在开关本体的两端。

优选地，开关本体包括：第一带材，第一带材与闭合线圈的一端连接；第二带材，第二带材与闭合线圈的另一端连接；第一带材与第二带材连接。

优选地，开关本体还包括连接带材，连接带材连接第一带材与第二带材连接。

优选地，第一带材、第二带材、连接带材及引线为超导带材。

一种高温超导闭合线圈恒流开关结构的工作方法，包括如下步骤：

步骤1，通过开关本体两端的引线连接励磁电流源及闭合线圈；

步骤2，励磁电流源通过引线为闭合线圈励磁；

步骤3，当闭合线圈内电流达到需求值后，关闭励磁电流源，励磁结束。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1)可以减小超导闭合线圈的尺寸和重量，做到紧凑化和轻质化的目的，特别适用于磁悬浮列车或是航空器等对体积重量要求严格的场合。

2)该开关的关断电阻是动态变化的，即能够很好的平衡发热和励磁，做到在成功励磁的同时将制冷系统的热负荷降到最低。

3)该开关无需要任何外加设备控制其开通的关断，因此也无需外加能量驱动外部设备工作。因此整个闭合超导线圈系统的能量输入需求将会降低，更适用于移动设备上使用。

4)该开关的励磁速度可由励磁电流源控制，便于检测超导线圈励磁时的状态，能够在超导线圈意外失超时及时控制开断状态，从而保证了超导线圈的安全稳定运行。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为本实用新型高温超导闭合线圈恒流开关结构结构示意图一；

图2为本实用新型高温超导闭合线圈恒流开关结构结构示意图二；

图3为本实用新型高温超导闭合线圈恒流开关结构开关本体结构示意图一；

图4为本实用新型高温超导闭合线圈恒流开关结构开关本体结构示意图二；

图5为本实用新型高温超导闭合线圈恒流开关励磁时示意图；

图6为本实用新型高温超导闭合线圈恒流开关励磁完成后示意图。

图中：

1-闭合线圈 2-开关本体 3-引线

4-第一带材 5-第二带材 6-连接带材

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

传统超导恒流开关的切换速度慢。传统超导恒流开关，尤其是目前广泛使用的热控型，由于加热丝升温和降温需要时间，故导致其开通与关断速度较慢，难以应用于对开关切换要求频繁的场合。

(1)传统超导恒流开关的切换需要外加辅助设备

目前，无论是热控、磁控还是流控超导恒流开关，都需要外加辅助设备帮助其实现关断与开通，例如电热丝，磁场发生装置或是外部电流源，故使得超导闭合线圈1的结构复杂化，同时又增加了体积和重量，导致超导闭合线圈1原有的轻质化、紧凑化的优势难以突出体现，这使得超导闭合线圈1的推广应用大打折扣。

(2)外加辅助设备的能量消耗大

外加辅助设备的功能就是使开关失超，从而关断。在开关关断时，其失超产生的大电阻会产生热量。该部分热量直接作用于超导制冷系统，使得制冷系统的能耗增加，是非常不经济的方式。同时，外加辅助设备也需要能量提供，例如加热丝需要外加直流电源，磁场发生装置需要外加直流电源或是高频交流电源，流控式则需要外加大电流源。

如图1、图2所示，高温超导闭合线圈恒流开关结构由励磁电流源直接控制开通与关断，即在用励磁电流源为闭合线圈1励磁的同时，开关本体2也可由同一台励磁电流源控制开通与关断，且该励磁电源无需特殊改造，一般市面上的电流源均可满足要求。该开关通过励磁电流源的过流使其失超而关断，当励磁完成后该开关由于不再过流失超，因此可自动恢复超导态，实现了开通。开关本体2无需任何外加辅助设备控制其开断，因此大大简化了超导闭合线圈1的复杂程度，实现了紧凑化和轻质化。同时，该开关能够在励磁完成后自动闭合，故不存在延迟。并且开关本体2能够自动平衡发热与励磁，实现了在最小的热负荷下完成闭合线圈1的励磁。以上优点是外加辅助设备控制开断的开关所不能达到的。

如图3所示，开关本体2由闭合线圈1的一部分转化而来，即开关取自于闭合线圈1的一段超导带材。开关本体2包括两根常规宽度的超导带材(第一带材4和第二带材5)，此常规宽度超导带材即来自超导闭合线圈1(从闭合线圈1引出)，当超导闭合线圈1存在电流时，电流将通过此常规宽度超导带材进行流动。同时，一根短样的超导宽连接带材6(超导宽连接带材短样)作为“电流桥”搭接在第一带材4和第二带材5背后，提供衔接两根常规宽度超导带材的电流通路。超导宽带材与常规宽度超导带材之间通过超导层相对的连接方式，可将接触电阻降至最低范围，基本达到零电阻特性。当开关中的电流超过常规宽度超导带材的临界电流时，常规宽度超导带材将失超产生大电阻，此时该开关本体2处于断开状态，该断开状态由开关中原有的电流维持，即此时开关将无法通过更大的电流，如图4所示。当电流低于常规宽度超导带材的临界电流时，该开关本体2恢复开通状态，可适应更大的电流通流量。

励磁的步骤参照图5和图6，具体如下：

步骤一

在励磁前，将两根超导电流引线3焊接在超导闭合线圈1上，两根电流引线3用于连接励磁电流源给闭合线圈1励磁。两根电流引线3之间的部分即为开关本体2，在励磁开始时，励磁电流源将通过电流引线3为线圈励磁。

步骤二

励磁开始时，由于开关本体2区域与闭合线圈1部分均处于零电阻超导态，但是闭合线圈1部分存在电感，电感会阻碍励磁电流源的流入，故此时励磁电流源的电流主要流经开关本体2部分。随着电流源的电流逐渐提高而超过开关本体2部分的临界电流，则开关本体2部分失超产生大电阻，即开关关断。电流源将会流入闭合线圈1部分为线圈励磁。同时，开关本体2部分的关断状态始终由励磁电流源维持，即励磁电流源的一部分电流用于维持开关本体2的关断状态，另一部分电流则用于闭合线圈1励磁。励磁时，开关本体2内电流与闭合线圈1内电流如图5所示。

步骤三

当励磁电流源的电流超过开关本体2的临界电流后，开关本体2的关断状态将由此过电流维持，同时励磁电流源的另一部分电流流入闭合线圈1内。随着励磁电流源的电流幅值逐渐上升，当闭合线圈1内电流达到需求值后，励磁结束，励磁电流源关闭。此时由于闭合线圈1存在电感，因此闭合线圈1电流方向无法突变，故开关本体2内电流立即反向与闭合线圈1形成闭合回路，达到了闭合线圈1励磁的目的。励磁完成后，可切断电流引线3与励磁电流源之间的连接，同时开关本体2内电流与闭合线圈1内电流同向，如图6所示。整个励磁过程不需要任何外加设备控制开关的开通与关断，仅仅利用励磁电流源就能够达到励磁目的。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。