低温背场磁体及高温超导单元交流损耗测量装置的制作方法

本发明涉及超导单元交流损耗测量领域，具体为低温背场磁体及高温超导单元交流损耗测量装置。

背景技术：

高温超导材料无阻和高临界电流密度的特性，使其成为电力应用的一个技术突破口。交流损耗的存在会增加高温超导装置中制冷系统的负担，其大小直接关系到超导装置的效率、运行成本及稳定性。交流损耗小、稳定性高是电力网络对超导电力装置的基本要求。

由于高温超导带材的特性，当高温超导单元处于不同强度不同角度下的外界磁场中或通入不同幅值不同频率的正弦交流电时都会对超导带材的交流损耗产生影响。因此，精确测量不同背场影响下的超导装置或超导单元的交流损耗是超导电力应用的基础。

现有的交流损耗测量方法主要是锁相放大器法或补偿法，这些方法或者借助锁相放大器来锁定相位，或者通过手动调整补偿线圈来补偿被测超导带材的感性电压，操作复杂且难以准确定位，造成测量误差较大。

技术实现要素：

本发明提供了一种低温背场磁体及一种高温超导单元交流损耗测量装置，以克服目前存下的背场磁体磁场密度低或交流损耗测量不方便、误差大等问题。

第一方面，本发明提供了一种低温背场磁体，包括：

非导磁间隔层，所述非导磁间隔层的中央设置有沿径向贯通的通孔；

左侧低温超导线圈磁体；

右侧低温超导线圈磁体；

所述左侧低温超导线圈磁体和所述右侧低温超导线圈磁体对称地设置在所述非导磁间隔层的两侧；

所述左侧低温超导线圈磁体包括m个依次同轴套接的线圈层ri，每个所述线圈层包括骨架及疏绕或密绕在所述骨架上的低温超导线材，其中，m≥2；

所述右侧低温超导线圈磁体自径向由内向外，包括m个依次同轴套接的线圈层li，其中，1≤i≤m；

每个所述线圈层包括骨架及疏绕或密绕在所述骨架上的低温超导线材；

所述左侧低温超导线圈磁体的线圈层ri与所述右侧低温超导线圈磁体的线圈层li对应地串接，组成合并线圈层wi；

其中，合并线圈层wi与合并线圈层w(i+1)依次串接，组成整体线圈；

使用时，所述整体线圈接入到直流电源的两侧，在所述通孔内产生预先设定强度的背场磁场。

优选地，所述的磁体，还包括：

左侧夹紧体；

右侧夹紧体；

所述左侧夹紧体设置在所述左侧低温超导线圈磁体的外侧；

所述右侧夹紧体设置在所述右侧低温超导线圈磁体的外侧；

所述左侧夹紧体和所述右侧夹紧体将所述左侧低温超导线圈磁体、所述非导磁间隔层、所述右侧低温超导线圈磁体依次夹紧。

优选地，所述的磁体，所述非导磁间隔层为轴向中空、两端的直径小于中部的直径的非均匀截面圆柱体。

优选地，所述的磁体，所述低温超导线材为低温铌钛(nbti)材料或低温铌三锡(nb3sn)材料；

所述骨架的材质为铜。

优选地，所述的磁体，其特征在于，冷却设备，用于为所述磁体提供运行温度。

第二方面，本发明提供了一种高温超导单元交流损耗测量装置，包括：

背场磁体；

超导单元骨架，适于放置在所述背场磁体内，用于放置液氮和被测的高温超导单元；

直流电源，所述直流电源向所述磁体供电，所述磁体生成预先设定强度的背景磁场；

交流变频电流源；

电流感知器件；

电压感知器件；

所述交流变频电流源、所述电流感知器件、所述电压感知器件和所述被测的高温超导单元组成交流损耗测量回路。

优选地，所述的测量装置，还包括：

交流损耗解算装置；

所述交流损耗解算装置根据从所述电流感知器件获取的电流信号、从所述电压感知器件获取的电压信号，解算得到所述被测的高温超导单元的交流损耗。

优选地，所述的测量装置，所述高温超导单元包括单根超导带材，堆叠超导带材或者小型超导线圈。

优选地，所述的测量装置中，

所述背场磁体为在第一方面中说明的低温背场磁体；

所述电流感知器件为无感测量线圈。

优选地，所述的测量装置，还包括：

夹角调节装置，用于调整被测的高温超导单元与所述磁体生成的预先设定强度的背景磁场之间的夹角；或

所述超导单元骨架为环氧树脂材料。

本发明提供的低温背场磁体，结构巧妙，单位体积空间内的磁场密度高，磁场强度调节方便。双分裂磁体的设计不仅可以产生0-3.5t的可调磁场，而且还为超导单元提供了摆放和0-180度旋转的空间。

本发明提供的高温超导单元交流损耗测量装置，便于精确调整高温超导单元与背景磁场之间的方位，测量参数的范围大，适合多种结构型式的被测对象；在高温超导单元的测量回路中，移除了需要根据被测对象而调整参数的补偿线圈，结构简单；可以根据测量方案灵活调整测量装置，测量简便、灵活、快速、准确。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为本发明一个实施例的分裂磁体的结构示意图。

图2为本发明一个实施例的分裂磁体的两侧线圈的分解状态的示意图；

图3为本发明一个实施例的分裂磁体的又一结构示意图；

图4为本发明一个实施例的分裂磁体的电气连接示意图；

图5为本发明一个实施例的交流损耗测量装置的结构示意图；

图6为本发明一个实施例的交流损耗测量回路的示意图；

图7为本发明一个实施例的交流损耗测量的流程示意图；

其中，1：旋转手柄及转盘，2：电流引线，3：无感测量线圈，4：交流变频电流源，5：超导单元骨架，6：真空保温层，7：超导单元，8：外层超导线圈，9：内层超导线圈，10：数据采集装置，11：电压引线，12：热屏蔽层，13：直流电流源，14：一级冷头，15：二级冷头，16：制冷机，17：冷水机，18：通孔，19：下法兰，20：上法兰，21：非导磁间隔层，22：外层铜骨架，23：内层铜骨架。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明一个实施例的背场磁体，包括：

非导磁间隔层，所述非导磁间隔层的中央设置有沿径向贯通的通孔；

左侧低温超导线圈磁体；

右侧低温超导线圈磁体；

所述左侧低温超导线圈磁体和所述右侧低温超导线圈磁体对称地设置在所述非导磁间隔层的两侧；

所述左侧低温超导线圈磁体包括m个依次同轴套接的线圈层ri，每个所述线圈层包括骨架及疏绕或密绕在所述骨架上的低温超导线材，其中，m≥2；

所述右侧低温超导线圈磁体自径向由内向外，包括m个依次同轴套接的线圈层li，其中，1≤i≤m；

每个所述线圈层包括骨架及疏绕或密绕在所述骨架上的低温超导线材；

所述左侧低温超导线圈磁体的线圈层ri与所述右侧低温超导线圈磁体的线圈层li对应地串接，组成合并线圈层wi；

其中，合并线圈层wi与合并线圈层w(i+1)依次串接，组成整体线圈；

使用时，所述整体线圈接入到直流电源的两侧，在所述通孔内产生预先设定强度的背场磁场。

具体地，还包括：

左侧夹紧体；

右侧夹紧体；

所述左侧夹紧体设置在所述左侧低温超导线圈磁体的外侧；

所述右侧夹紧体设置在所述右侧低温超导线圈磁体的外侧；

所述左侧夹紧体和所述右侧夹紧体将所述左侧低温超导线圈磁体、所述非导磁间隔层、所述右侧低温超导线圈磁体依次夹紧。

具体地，所述非导磁间隔层为轴向中空、两端的直径小于中部的直径的非均匀截面圆柱体，所述左侧低温超导线圈磁体和所述右侧低温超导线圈磁体套设与所述非导磁间隔层的两端。

具体地，所述非导磁间隔层为强透磁材质，如铝。

具体地，所述低温超导线材为低温铌钛(nbti)材料或低温铌三锡(nb3sn)材料。

具体地，所述骨架的材质为铜。

具体地，所述左侧夹紧体或所述右侧夹紧体的材质为高强度的结构钢。

应该理解为，所述左侧夹紧体或所述右侧夹紧体可以为法兰结构，其上设置有联接件，所述联接件穿过所述左侧低温超导线圈磁体的轴向中空区域、所述非导磁间隔层的轴向中空区域、所述右侧低温超导线圈磁体的轴向中空区域相应地连接，从而将所述左侧低温超导线圈磁体、所述非导磁间隔层、所述右侧低温超导线圈磁体沿轴向依次夹紧。

或所述左侧夹紧体或所述右侧夹紧体可以为法兰结构，其上设置有联接件，所述联接件穿过所述左侧低温超导线圈磁体的外部、所述非导磁间隔层的外部、所述右侧低温超导线圈磁体的外部相应地连接，从而将所述左侧低温超导线圈磁体、所述非导磁间隔层、所述右侧低温超导线圈磁体沿轴向依次夹紧。

如图1和图2所示，该实施例的背场磁体采用双分裂结构，也即两个分裂磁体对称地设置在非导磁间隔层21的两侧，在分裂磁体中又分为内线圈9和外线圈8，其中，内线圈9和外线圈8分别缠绕在内层铜骨架23和外层铜骨架22上。

也即，左侧的内线圈9和外线圈8为第一对同心磁体；右侧的内线圈9和外线圈8第二对同心磁体。左侧的同心磁体与右侧的同心磁体在非导磁间隔层21的两侧轴向串联，形成4具有4个独立磁体的双分裂结构。

在电气关系上，与图3所示的背场磁体对应的等效电路图如图4所示。电源ps的正负极如图中所示，图中的r1，r2，r3，r4分别对应于线圈a1，b1，a2，b2的铜骨架，d则是二极管。也即，右侧低温超导线圈磁体的线圈层a1与左侧低温超导线圈磁体的线圈层b1对应地串接，形成第一线圈组；右侧低温超导线圈磁体的线圈层a2与左侧低温超导线圈磁体的线圈层b2对应地串接，形成第二线圈组；第一线圈组与第二线圈组依次串接，组成整体线圈。

非导磁间隔层21上设置有沿径向贯通的通孔18，为被测的超导单元提供摆放和旋转的空间。

下法兰19和上法兰20将背场磁体的两个分裂磁体和非导磁间隔层沿轴向夹紧。如，上、下法兰分别安装在铜骨架22和23的两侧进行固定。

低温超导线圈采用铌钛(nbti)低温材料或铌三锡(nb3sn)低温材料绕制；非导磁间隔层采用金属铝制造。

两个分裂磁体和非导磁间隔层处于同轴状态，外层超导线圈8和内层超导线圈9分别通过外层铜骨架22和内层铜骨架23集成在一起。

使用时，将背场磁体接入到直流电源的两侧，即可在通孔18内产生强度可调的背场磁场。

具体地，调节直流电源输出的电流，就可以调节背景磁场的强度大小。

以上双分裂结构的背场磁体，在产生均匀度极高的大磁场的同时，节约了背场磁体占用的空间；铜骨架不仅起到支撑低温超导线圈的作用，在低温超导线圈发生短路流过大电流时还起到分流保护的作用。

具体地，内层的铜骨架23和外层的铜骨架22的水平方向和垂直方向均为空心；垂直方向空心便于待测的超导单元摆放和旋转角度，并便于放置容纳液氮的骨架。

优选地，将低温超导线材绕到内层铜骨架上构成内层超导线圈9，然后在该内层超导线圈之上加装外层铜骨架，再把低温超导线材缠绕到外层铜骨架上构成外层超导线圈8。

应该理解为，根据磁场强度的需求，可以同轴地设置更多层的线圈层，提高背景磁场。

应该理解为，根据测试需要，可以同轴地设置更多的双分裂结构的背场磁体，利用多个非导磁间隔层的沿径向贯通的通孔，提供多个可供被测的超导单元提供摆放和旋转的空间，实现并列的多个工位，进行相关的测量。

具体地，背景磁体为低温超导磁体，运行温度是4.2k。因此，在应用本实施例的背场磁体进行测量时，需要一套为背场磁体提供运行温度的冷却设备。

如图5所示，该冷却设备包括：真空保温层6，热屏蔽层12，直流电流源13，一级冷头14和二级冷头15，制冷机16，冷水机17；

二级冷头15位于真空保温层6内；一级冷头14位于热屏蔽层12内；制冷机16与冷水机17相连；通过一级冷头14和二级冷头15逐级降低磁体和热屏蔽层的温度。

直流电流源13负为背场磁体供电，通过调节通流大小使背场磁体产生强度大小不同的磁场。

热屏蔽层12安装于磁体外侧，真空保温层6安装于热屏蔽层12外侧，真空泵(图5中未示出)与真空保温层6相连接；

制冷机16与设置在真空保温层6的电源接口相连；

冷水机17与制冷机16相连，为其提供冷却回路；

制冷机16依次与一级冷头14和二级冷头15相连。

一级冷头14与磁体直接接触，通过传导、对流等减低磁体的本体温度、通过辐射、对流、传导等降低磁体的环境温度；二级冷头15与热屏蔽层12相连。

热屏蔽层和真空保温层对低温超导线圈进行热隔离，通过一级冷头和二级冷头逐步降低磁体和热屏蔽层的温度。

应该理解为，用温度传感器分别监测一级冷头和二级冷头的温度，并反馈至制冷机16，从而为背场磁体提供工作所需的温度。

直流电流源与设置在真空保温层6的电源接口相连，为低温磁体供电，使磁体产生0-3.5t的磁场；并通过调节通流大小使磁体产生强度不同的磁场。

在应用本实施例的背场磁体对高温超导单元进行交流损耗测量时，需要有与被测的高温超导单元配套的骨架及夹角调节装置。

如图5所示，夹角调节装置包括旋转手柄及转盘1。被测的高温超导单元7放置在超导单元骨架5内，超导单元骨架5放置在分裂磁体的通孔18内，通过旋转手柄及转盘1旋转超导单元骨架5，可使被测的高温超导单元7得到不同角度的背景磁场。具体地，被测的高温超导单元7可以进行0-180度旋转，实现超导单元7与背景磁场之间夹角可调。

具体地，超导单元骨架的作用是固定高温超导带材、高温堆叠超导带材或者是高温超导线圈；该超导单元骨架不导磁、不导电，作为容器，可容纳液氮。测量交流损耗时，被测的高温超导单元7浸泡在液氮中，温度为77k。

优选地，超导单元骨架为环氧树脂材料。

如图5、图6和图7所示，交流变频电流源4、被测的高温超导单元7、无感测量线圈3组成交流损耗测量回路。

具体地，无感测量线圈(也即电流感知器件)3接入回路中，电压引线11焊接于被测的高温超导单元7，数据采集装置10分别与无感测量线圈的输出端和电压引线11相连，交流变频电源4与焊接于被测的高温超导单元7上的电流引线连接，数据处理软件(也即交流损耗解算装置)与数据采集装置10相连。交流变频电流源4通过电流引线2给被测超导单元7供电，数据采集装置10通过无感测量线圈3实时采集回路中的电流信号，通过电压引线11实时采集被测的高温超导单元7两端的电压。

数据采集装置10包括：用于采集无感测量线圈3中流过电流的电流采集模块；用于采集电压引线两端的纳伏级别电压的电压采集模块。

具体实施时，电流采集模块和电压采集模块可以采用ni国家仪器的商用系列采集卡。

在交流损耗测量回路中，被测的高温超导单元7等效为感性阻性复合元件，无感测量线圈中流过的交流信号的相位与被测的高温超导单元7两端的电压之间具有相位差。

为了获得被测的高温超导单元7的交流损耗，根据测量到电压信号和电流信号之间的相位差，通过数据处理，将同相位的电压信号和电流信号积分后得到超导带材的交流损耗。

可选地，所述交流损耗解算装置为锁相放大器；该锁相放大器根据接收到的无感测量线圈3感知的电流信号和来自超导单元的电压信号，通过锁相处理后得到被测的高温超导单元7的交流损耗。

具体地，交流变频电流源4可为超导单元提供频率和幅值均可变化的交流电流，具体地，为0-3000a、30-400hz的正弦交流电流。

综上，该实施例提供了可改变被测高温超导单元所在的背景磁场大小和方向，能方便简单且准确测量超导单元交流损耗的装置。

这种无补偿装置的交流损耗测量装置能够取消补偿线圈，通过数据处理实现相位锁定，能够简化测量条件，具有简单易行、精度较高的优点。

该无补偿线圈，且能调整背景磁场大小和方向高温超导单元交流损耗测量装置对保障超导电力设备高效稳定运行具有重要意义。

以上已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。