一种用于高温超导磁体的热控式超导开关的制作方法

1.本实用新型涉及超导开关技术领域，尤其涉及一种用于高温超导磁体的热控式超导开关。


背景技术：

2.随着高速磁悬浮及电磁推进技术的发展，高温超导磁体因其产生磁场大、体积小、重量轻和工作温区高(20k-30k)等优点逐渐被应用于超导直线电机。超导磁体一般作为超导直线电机的动子部分，通直流电流可产生恒定磁场，与电机磁场相互作用产生电磁推力。超导磁体的运行一般分为开环运行模式和闭环运行模式。开环运行模式为电源供电模式，需要超导磁体保持与励磁电源的连接，通过励磁电缆对磁体持续输出电流，该供电方式需要大功率、高稳定性电源，由于运行在超高速环境中的超导磁体无法携带大型励磁电源，因此磁悬浮超导磁体一般采用闭环运行模式。闭环运行模型是一种无外部电源连接的运行模式，需要将超导磁体与一个超导开关(pcs)连接，先通过励磁电源对超导磁体进行励磁，然后通过闭合超导开关，使超导磁体与超导开关形成回路，实现与外部励磁电源的断开。这种电路结构可以使超导磁体在没有励磁电源的情况下长时间保持稳定磁场，满足超导磁体在直线电机中高速运行的需要。同时也减少了励磁电缆对磁体内部的漏热，使超导磁体运行温度进一步降低，提高了超导磁体运行的热稳定性。
3.超导开关是实现超导磁体闭环运行的核心装置，通过控制超导开关的断开和闭合，可实现超导磁体的开环与闭环。超导开关的断开和闭合分别对应其内部超导线圈的正常态与超导态。超导线圈具有临界温度与临界磁场两个属性，通过磁场控制超导线圈正常态与超导态切换的为磁控式超导开关，通过温度控制超导线圈正常态与超导态切换的称为热控式超导开关。热控式超导开关通过对超导线圈加热升温使其变为正常态，关闭加热电源后超导线圈温度下降恢复超导态，结构相对磁控式超导开关更为简单，是目前应用较为广泛的超导开关。
4.高温超导磁体与低温超导磁体的热控式超导开关工作原理相同，但实际应用难度差别较大。对于目前应用较广的低温超导磁体而言，其超导线圈材料一般为nbti或nb3sn，临界温度在9k左右，仅需要较小的加热功率就可以将超导开关温度升高至临界温度以上实现断开，加热功率对超导磁体本体的影响较小；另一方面，较小的温升也使得超导开关的加热与降温时间较短，可以实现快速的开断与闭合。对于高温超导磁体而言，超导磁体本体运行温度在20k-30k，高温超导材料的临界温度较高(92k左右)，且实际加热温度需要根据所需的开关电阻进一步提升，一般需要加热至110k左右，因此高温超导磁体的超导开关断开过程需要从20k加热至110k，容易导致超导磁体本体温升过大失超。另一方面，超导磁体闭合过程又需要将超导开关从110k降温到20k，具有加热功率高、温升范围大、降温速率缓慢、开断时间长等特点，相比低温超导磁体，高温超导磁体闭环运行的实现难度较大。
5.传统的低温超导磁体热控式超导开关一般工作于液氦浸泡环境，其热量可以被液氦带走从而不影响超导磁体本体。目前工作在20k-30k的高温超导磁体一般采用传导冷却
方式，超导磁体与超导开关均通过制冷机冷头进行冷却。现有的热控式超导开关存在以下缺点：
6.(1)超导开关加热过程中的绝热性能以及降温过程中的导热性能还需加强。受冷头制冷功率影响，超导开关加热过程对超导磁体本体温度的影响较为显著，磁体温升远高于低温超导磁体，可能造成磁体无法闭环运行甚至失超风险。因此，高温超导开关的热控设计是高温超导磁体闭环运行的一大难点，目前国内外可实现闭环运行的高温超导磁体的报道较少，各单位基本处于技术保密状态。
7.(2)传导冷却的超导磁体降温过程较慢，超导开关的闭合时间较长，降低了高温超导磁体在磁悬浮系统中反复利用的灵活性。


技术实现要素：

8.为解决上述技术问题之一，本实用新型提供了一种用于高温超导磁体的热控式超导开关，能够解决现有技术中的热控式超导开关加热过程中的绝热性能和降温过程中的导热性能均较差以及降温过程较慢导致闭合时间较长的技术问题。
9.本实用新型提供了一种用于高温超导磁体的热控式超导开关，包括开关骨架、超导线圈、加热线圈、导热层、绝热层、出线端热沉结构、骨架热沉结构和支撑部件；
10.所述开关骨架为两端具有法兰的圆筒结构；
11.所述超导线圈和所述加热线圈间隔绕制在所述开关骨架上，且最内层和最外层均为所述加热线圈，所述超导线圈和所述加热线圈均为无感线圈；
12.所述导热层设置在所述超导线圈和所述加热线圈之间；
13.所述绝热层设置在所述开关骨架的圆筒结构的外侧壁、上端法兰的下表面和下端法兰的上表面；
14.所述出线端热沉结构包裹在所述超导线圈的出线端的外侧以吸收所述超导线圈的出线端的热量；
15.所述骨架热沉结构设置在所述开关骨架的内侧以吸收所述开关骨架的热量；
16.所述支撑部件的一端与所述开关骨架相连，另一端与所述超导磁体本体相连。
17.优选的，所述超导开关还包括温度传感器，所述温度传感器用于测量所述超导线圈的温度，根据测量温度对所述加热线圈的加热功率进行反馈控制。
18.优选的，所述骨架热沉结构为两端具有法兰的圆筒结构，且与所述开关骨架的尺寸相匹配。
19.优选的，所述开关骨架的材料为玻璃纤维增强塑料复合材料。
20.优选的，所述支撑部件的材料为玻璃纤维增强塑料复合材料。
21.优选的，所述绝热层包括玻璃丝布和环氧树脂，所述玻璃丝布贴在所述开关骨架上，所述环氧树脂固化在所述玻璃丝布外侧。
22.优选的，所述导热层为高热导率的低温胶。
23.优选的，所述超导线圈的材料为以铜镍合金为基体的复合材料。
24.优选的，所述超导线圈内超导带材的长度根据超导开关的导通电阻、超导带材在断开温度下的电阻率和超导带材的截面积确定。
25.优选的，所述超导线圈为螺线管式线圈。
26.应用本实用新型的技术方案，利用绝热层降低了开关骨架的温升，抑制了开关骨架到超导磁体本体的漏热，同时利用出线端热沉结构和骨架热沉结构降低了开关骨架和超导开关的出线带材的温升，进一步抑制了超导开关到超导磁体本体的漏热，增强了超导开关加热过程的绝热性能，降低了超导开关加热对超导磁体本体的温升影响，从而降低了超导磁体温升及失超风险；利用导热层提高了导热性能。本实用新型可用于传导冷却的高温超导磁体，能够满足高温超导磁体闭环运行的温控需求。
附图说明
27.所包括的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本实用新型的实施例，并与文字描述一起来阐释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1示出了根据本实用新型的一种实施例提供的用于高温超导磁体的热控式超导开关的结构示意图；
29.图2示出了根据本实用新型的一种实施例提供的不同加热功率下超导线圈最高温度随时间变化曲线图；
30.图3示出了根据本实用新型的一种实施例提供的不同加热功率下超导磁体本体最高温度随时间变化曲线图；
31.图4示出了根据本实用新型的一种实施例提供的励磁阶段超导开关复温时间曲线图。
32.其中，上述附图包括以下附图标记：
33.1、超导线圈；2、加热线圈；3、导热层；4、绝热层；5、开关骨架；6、出线端热沉结构；7、骨架热沉结构；8、支撑部件。
具体实施方式
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授
权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
37.如图1所示，本实用新型提供了一种用于高温超导磁体的热控式超导开关，包括开关骨架5、超导线圈1、加热线圈2、导热层3、绝热层4、出线端热沉结构6、骨架热沉结构7和支撑部件8；
38.所述开关骨架5为两端具有法兰的圆筒结构；
39.所述超导线圈1和所述加热线圈2间隔绕制在所述开关骨架5上，且最内层和最外层均为所述加热线圈2，所述超导线圈1和所述加热线圈2均为无感线圈；
40.所述导热层3设置在所述超导线圈1和所述加热线圈2之间；
41.所述绝热层4设置在所述开关骨架5的圆筒结构的外侧壁、上端法兰的下表面和下端法兰的上表面；
42.所述出线端热沉结构6包裹在所述超导线圈1的出线端的外侧以吸收所述超导线圈1的出线端的热量；
43.所述骨架热沉结构7设置在所述开关骨架5的内侧以吸收所述开关骨架5的热量；
44.所述支撑部件8的一端与所述开关骨架5相连，另一端与所述超导磁体本体相连。
45.在本实用新型中，超导线圈1和加热线圈2间隔绕制在开关骨架5上，也就是，先在开关骨架5上绕制一层加热线圈2，然后绕制一层超导线圈1，再绕制一层加热线圈2...以此类推，直至完成全部超导线圈1和加热线圈2的绕制。
46.其中，若超导线圈1的数量为n个，则加热线圈2的数量为n+1个，导热层3的数量为2n个，n为正整数。
47.本实用新型利用绝热层4降低了开关骨架5的温升，抑制了开关骨架5到超导磁体本体的漏热，同时利用出线端热沉结构6和骨架热沉结构7降低了开关骨架5和超导开关的出线带材的温升，进一步抑制了超导开关到超导磁体本体的漏热，增强了超导开关加热过程的绝热性能，降低了超导开关加热对超导磁体本体的温升影响，从而降低了超导磁体温升及失超风险；利用导热层3提高了导热性能。本实用新型可用于传导冷却的高温超导磁体，能够满足高温超导磁体闭环运行的温控需求。
48.根据本实用新型的一种实施例，所述超导开关还包括温度传感器，所述温度传感器用于测量所述超导线圈1的温度，根据测量温度对所述加热线圈2的加热功率进行反馈控制。
49.在本实施例中，可采用热导率低、电阻率高、电阻温度系数小的材料绕制加热线圈2，产生的热量使超导线圈1工作温度超过临界温度，超导开关转变为正常态，呈现一定的开断电阻。加热丝材料可选择锰铜合金线或镍铬合金线，两种材料在常温下的电阻率分别为0.44μω
·
m和1.09μω
·
m，在硬度方面镍铬合金硬度更高。加热丝有两种绕制方式，第一种是加热丝与超导带材并绕，第二种是加热丝缠绕在超导带材上。并绕式结构简单，为降低加工难度，可在开关骨架5外表面及超导线圈1外表面绕制两层加热丝；缠绕式结构相比并绕式结构加热效果更佳均匀，但需要在超导线圈1绕制过程中同时进行加热丝在超导线材上的缠绕，加工难度较大，且适宜采用较软的加热丝以保证缠绕成形质量。综合考虑加热丝性
能以及加工工艺性，本实用新型选取镍铬丝用并绕式作为加热线圈2结构。镍铬加热丝绕在开关骨架5上及超导线圈1最外层，加热线圈2的两端引出铜线缆用于通电流加热超导线圈1。具体地，加热线圈2可采用直径为1mm的镍铬丝(cr
20
ni
80
)。
50.为了在加热线圈2与超导线圈1之间做好电气绝缘处理并保证较好的热传导性，加热丝与超导带材之间还用与超导带材同宽度的紫铜带及绝缘带连接，用于增加导热均匀性并防止加热丝割伤超导带材，其中，紫铜带可通过导热脂粘贴在超导带材表面。为方便绕制，绝缘带采用0.1mm聚酰亚胺胶带。
51.根据本实用新型的一种实施例，所述骨架热沉结构7为两端具有法兰的圆筒结构，且与所述开关骨架5的尺寸相匹配。该骨架热沉结构7用于吸收开关骨架5的热量，进一步防止开关骨架5温升过高，从而降低开关骨架5与超导磁体本体的温度梯度，减小超导开关向超导磁体本体漏热。
52.同理，出线端热沉结构6用于吸收开关加热过程中从超导带材传出的热量，降低热量通过超导带材传递至超导磁体中的主超导线圈。
53.根据本实用新型的一种实施例，所述开关骨架5的材料为玻璃纤维增强塑料复合材料。该开关骨架5用于绕制超导线圈1与加热线圈2，并起固定作用。
54.根据本实用新型的一种实施例，所述支撑部件8的材料为玻璃纤维增强塑料复合材料。该材料在低温下热导率较低，能够有效降低超导开关热量向超导磁体本体传递。具体地，支撑部件8可采用支撑杆。在图1中，对称设置了两个支撑杆。
55.根据本实用新型的一种实施例，所述绝热层4包括玻璃丝布和环氧树脂，所述玻璃丝布贴在所述开关骨架5上，所述环氧树脂固化在所述玻璃丝布外侧。该绝热层4降低了超导线圈1热量向开关骨架5传递，采用在开关骨架5上贴玻璃丝布并通过环氧树脂固化的方式，降低超导线圈1到开关骨架5的导热性能，使热量尽可能堆积在超导线圈1中，以降低开关骨架5温升。
56.根据本实用新型的一种实施例，所述导热层3为高热导率的低温胶，以使热量更快地传向超导线圈1，并起到固定超导线圈1的作用，可使超导开关满足高速运行工况。具体地，可采用stycast 2850低温胶进行固定，该低温胶具有极低的热固化收缩性与热膨胀性，可减少超导线圈1因温度变化产生的热应力。
57.根据本实用新型的一种实施例，所述超导线圈1的材料为以铜镍合金为基体的复合材料，以保证超导开关常态电阻较高，有利于磁体励磁和保护。由于电路中的超导开关仅是利用阻抗效应，需要消除其对电路和环境的感抗影响，因此超导线圈1和加热线圈2均为无感绕制，以尽量减小超导开关的热触发时延。无感线圈绕制可采用双绕法，通过特氟龙胶带对两根超导带材进行绝缘，将用于绕制的超导带材由中点并在一起，先将该中点固定在开关骨架5的某个位置，然后两股超导带材同时绕制，绕制结束后，将线圈的输入端和输出端同时引出，此时两根并绕超导带材的电流方向相反，即为无感线圈。
58.其中，超导线圈1一般有两种形状：串联饼式线圈和螺线管线圈。串联饼式线圈的优点是比较容易制造，超导带材没有扭转，对带材的损坏较小，如在运行中有损坏，只是损坏其中的单一线圈，只需将该线圈拆除则另一个线圈还可继续使用，比较经济；缺点是两饼间串联连接时需要焊接，则存在一定的接头电阻。而在螺线管线圈中由于超导带材的扭转，超导带材的变形比较大，尤其是螺线管线圈的端部，对超导带材弯曲性能要求较高，且损坏
后整个线圈都无法再使用，经济性不如饼式线圈。而螺线管线圈优点在于连接焊接较少，接头电阻比较小，故在运行过程中能量损耗比较小。考虑到高温超导带材的机械性、线圈接头电阻、发热损耗及线圈工作环境，本实用新型的超导线圈1采用螺线管式线圈。
59.根据本实用新型的一种实施例，可采用固化胶对超导开关进行整体固化，以使超导开关具有较高的机械可靠性，能满足高速运行环境需求。
60.根据本实用新型的一种实施例，所述超导线圈1内超导带材的长度根据超导开关的导通电阻、超导带材在断开温度下的电阻率和超导带材的截面积确定。
61.在本实用新型中，超导开关的导通电阻在超导磁体励磁中是一个比较重要的参数。导通电阻越小，励磁时的热负载越大；导通电阻越大，开关尺寸越大。相同尺寸下，导线截面积越大意味着导通电阻越小，这样会增加励磁的热负载，进而影响励磁速度。选定超导磁体的励磁速度后，为降低励磁损耗，可设置超导开关内电流为超导磁体工作电流的10％，则超导开关断开情况下(110k)的电阻如下式所示，根据超导开关的导通电阻可计算超导开关内超导带材的长度：
[0062][0063]
式中，r
pcs
为超导开关的导通电阻，ρ为超导带材110k下的电阻率，lenth为超导线圈内超导带材的长度，s为超导带材的截面积，l为超导磁体本体的电感，i
op
为超导磁体的工作电流，di/dt为超导磁体的电流变化率。
[0064]
在本实用新型中，载流能力是超导开关最重要的一个参数。在磁悬浮磁体中，考虑振动可能对超导开关带来的不稳定以及励磁退磁过程中电流在超导开关中产生的焦耳热，应选用载流性能较好的开关线。超导线圈的临界电流计算公式如下式所示：
[0065][0066]
式中，jc(b,t)为超导线圈的临界电流，b||和b
⊥
分别为平行于超导带材方向的磁场和垂直于超导带材方向的磁场，k、α、b0分别为超导带材的临界电流在磁场下的第一、第二、第三衰减特征参数，j
c0
(t)为随温度升高降低的临界电流随温度变化函数，即超导开关临界电流与其所在位置的磁场分布及温度相关。
[0067]
为保证足够的安全余量，超导开关在工作时的临界电流应不低于考虑高温超导磁体的运行电流的两倍。在临界电流确定后，通过选取合适的超导带材型号与超导开关位置，降低超导开关位置处的磁场，可提高其临界温度t，以使超导开关闭合温区从110k-20k缩短至110k-40k之内。根据制冷机降温功率曲线特性可知，40k之下冷头功率下降较快，降温速率缓慢，而110k-40k的冷头制冷功率较大，降温较快，因此本实用新型通过提高超导开关的临界温度缩短了超导开关的闭合时间。
[0068]
进一步地，本实用新型还可通过单独配备制冷机的方式进行冷却，提高冷却效率，同样可以避免超导磁体本体温升失超，进一步降低超导开的关闭合时间。
[0069]
根据本实用新型的一种实施例，所述超导开关还包括加热电源，该加热电源与加
热线圈2相连，用于为超导开关断开提供加热功率。加热功率不能过低或过高，若加热功率过低则开断时间较长，且可能导致热量通过超导带材传递至主超导线圈引起失超；若加热功率过高可缩短开断时间，但同时也可能超过额定温度导致超导开关的恢复时间延长。图2示出了根据本实用新型的一种实施例提供的不同加热功率下超导线圈最高温度随时间变化曲线图。图3示出了根据本实用新型的一种实施例提供的不同加热功率下超导磁体本体最高温度随时间变化曲线图。由图2可知，加热功率为15.6w时可满足超导开关温度稳定在110k左右。
[0070]
在本实施例中，超导开关的加热器必须能在很短时间内提供使超导开关导体转变为常态所需的能量，以使超导开关导体的温度从20k升高到110k。一方面考虑超导开关漏热及超导开关的热容，另一方面考虑超导磁体励磁过程中10％的电流会通过超导开关发生焦耳热，因此需要根据实时温度调节加热器的加热功率，以保证超导开关温度不超过110k。通过下式可以求得加热功率：
[0071]
p
heat
＝p
sum-p
pcs
＝p
sum-i2r(t)；
[0072]
式中，p
heat
为加热功率，p
sum
为选取的额定功率，即15.6w，p
pcs
为超导开关自身产生的焦耳热，i为超导开关的内部电流，r(t)为超导开关在温度t下的电阻。
[0073]
对上述超导开关进行加热测试，可得到超导开关加热完成后的温度分布，其中，超导线圈1的温度范围为105-110k，开关骨架5的温度范围为70-78k，由此可知，超导线圈1的温度均匀，且超导线圈1与开关骨架5的绝热良好。在超导开关加热源断开后，超导开关从110k重新降温至闭合温度25k需要约860s，其复温时间曲线图如图4所示。
[0074]
综上，本实用新型的热控式超导开关具有如下有益效果：
[0075]
1、通过设计绝热层4，降低了开关骨架5的温升，抑制了开关骨架5到超导磁体本体的漏热；
[0076]
2、通过设计热沉结构，降低了开关骨架5和超导开关出线带材的温升，抑制了超导开关到超导磁体本体的漏热；
[0077]
3、通过环氧树脂进行整体固化，使超导开关具有较高的机械可靠性，能满足高速运行环境需求；
[0078]
4、通过设置温度传感器，实现可控加热功率方案，根据实际励磁速率和实时温度控制加热功率，防止超导开关温升过高，降低了超导磁体失超风险；
[0079]
5、对超导开关的闭合温度进行了优化设计，在满足开关通流能力的同时提高了闭合温度，降低了开关闭合时间，使超导开关具备快速开断能力；
[0080]
6、可用于传导冷却的高温超导磁体，能够满足高温超导磁体闭环运行的温控需求。
[0081]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0082]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0083]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
[0084]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。