超导电流泵的制作方法

本申请是申请日为2015年8月11日，申请号为201580053604.5，发明名称为“超导电流泵”的中国发明专利申请的分案申请。

本发明涉及一种用于激励超导电路的超导电流泵。

背景技术：

高温超导(hts)线的商业化生产和应用已经得到公认。高温超导体材料是具有高超导转变温度(tc)的ⅱ型超导体，典型地使得tc>77k。由hts线缠绕的电磁线圈可以实现高磁场，这是由于当在低于tc的温度下操作时在高电流密度下极低水平的热耗散。为了将温度保持在tc以下，必须将超导线圈容纳在耦合到冷却源的低温恒温器内。电流通常经由包括由普通导电金属制成的电流引线的电路供应到hts超导电路。这些电流引线穿过低温恒温器壁，以将超导电路连接到位于低温恒温器外壳外部的电流源。这种电流引线是在低温环境下的热负荷的重要来源，这是由于沿着在高电流下操作的电流引线的热传导和在电流引线内的电阻损耗。此外，附随的电流源和高电流电缆具有大的占用面积，不便于携带，并且昂贵。

低温超导(lts)线(例如nbti)通常用于形成电磁线圈。lts线可以与超导接头连接，允许制造完全超导电路。完全超导电路可以用外部电流源激励，以便在去除外部电流源之后在电路周围保持持续的超导电流。目前，在制造情况下在hts导体之间实现超导接头是不切实际的。因此，hts电路不能在持续电流模式下操作，并且必须维持外部电流源始终连接以平衡超导电路中的电阻性接头中的损耗。

已经使用电磁感应来在没有到电路的物理连接的情况下在超导电路内生成电流。采用这种方案的装置先前被称为“超导dc发电机”或“超导磁通泵”。术语“磁通泵”用于指代在体超导材料内引入持久体磁化或产生围绕超导电路流动的净电流的范围广泛的设备。在本说明书中，术语“超导电流泵”指的是感生出围绕超导电路流动的净电流的设备。术语“旋转磁通泵”和“电流泵”在本说明书中可互换使用。

超导磁通泵可以大致分为开关型磁通泵或旋转型磁通泵。开关磁通泵没有移动部分，并且通过操作电路中的开关来实现磁通泵送。例如，国际专利申请公开wo2010/070319报告了一种通过使用可转换的磁性材料来磁化大块高温超导体(hts)材料的磁通泵。旋转磁通泵具有包括转子的移动部分，转子相对于包含待激励的超导电路的部分的定子移动。转子承载磁通量源，例如一个或多个永磁体。转子位于定子附近，从而使来自源的磁通量穿透超导电路的一部分并且横贯超导体以在超导电路中感生出电流。旋转磁通泵需要转子和定子之间的间隙小于几毫米，以在定子处的超导电路元件中生成足够的磁通密度，以使得电流泵送能够发生。旋转部分位于低温恒温器内部，并且机械耦合部穿过低温恒温器壁以将转子连接到旋转运动源，例如电动机。旋转磁通泵已经与具有范围从nbti(tc＝9.2k)到ybco(tc≈95k)的各种转变温度的i型或ii型超导材料一起使用。转子和定子可以方便地布置成径向通量几何形状或轴向通量几何形状或其组合。径向通量几何形状表示转子和定子件围绕共同的同心轴线布置，以使得磁通链路跨越定子和转子之间的径向间隙。轴向通量几何形状表示定子和转子件沿着公共轴线线性移位，以使得通量链路跨越形成在定子和转子之间的轴向间隙。例如，在国际专利申请公开wo2012/018265中报告的磁通泵布置具有承载一系列永磁体的转子，所述永磁体在hts定子线附近旋转以在超导电路中感生出电流。

本发明的目的是改进已知的超导磁通泵及其在包括电磁线圈的超导电路中的应用或至少为公众提供有用的选择。

在本说明书中，当提及包括专利说明书和其它文献的外部信息来源时，这通常是为了提供讨论本发明的特征的上下文。除非另有说明，否则在任何管辖范围中对这些信息来源的提及都不应被解释为承认这些信息来源是现有技术或构成本领域的公知常识的一部分。

技术实现要素：

广义地说，在一个方面，本发明包括一种超导电流泵，其被布置为使dc电流在容纳在低温恒温器的低温外壳内的超导电路中流动，所述超导电路包括一个或多个超导线圈和一个或多个线或带超导元件，所述电流泵包括位于所述低温外壳外的转子和位于所述低温外壳内的定子，所述定子包括所述一个或多个线或带超导元件，所述转子和所述定子由所述低温外壳的热绝缘壁穿过的间隙分隔开，所述转子包括一个或多个磁场生成元件，并且所述转子和所述定子至少部分地包括铁磁材料以将来自所述一个或多个磁场生成元件的磁通量集中在跨所述转子与所述定子之间的所述间隙并穿过所述热绝缘壁的磁路中，所述磁通量在一方向上穿透所述定子的所述一个或多个线或带超导元件，所述一个或多个线或带超导元件在所述转子和所述定子之间通过且经由低或无磁通密度的区域离开所述定子，从而使所述低温外壳外的所述转子相对于所述低温外壳内的所述定子的运动感生出dc电流以在所述一个或多个线或带超导元件中以及在所述低温外壳内的所述超导电路中流动，穿透所述一个或多个线或带超导元件的磁通量的磁通密度足够高以在所述一个或多个线或带超导元件中以微观规模形成局部通量涡流，但是在宏观水平上不足以消除足以传导在所述一个或多个线或带超导元件中流动的净dc电流的超导电流路径。。

电流泵被布置为相对于(多个)超导元件移动(多个)磁场生成元件，从而使得通量涡流移动通过(多个)超导元件，以使得通过感生出跨超导电路的阻抗产生驱动电压的电动势而存在横贯超导元件并驱动围绕超导电路的电流的磁通量的净流量

在至少一些实施例中，超导电路包括一个或多个待激励的超导线圈，并且所述超导线圈具有足够的电感以随着磁路中的电流借助移动磁场生成元件通过超导元件的动作而以逐步方式增加时递增地累积电流。

形成在转子和定子磁轭之间的磁路被布置为使得穿过(多个)超导元件的磁通量跟随不穿过超导电路的到转子磁轭的返回路径。

在至少一些实施例中，磁场生成元件包括永磁体、电磁体及其类似物中的至少一种或组合。在一种形式中，磁场生成元件可以仅包括一个或多个永磁体。

在一种形式中，转子和定子彼此轴向移位，以便在大体上平行于转子的旋转轴线的方向上形成间隙。替代地，转子和定子同心地布置，以便在大体上垂直于转子的旋转轴线的方向上形成径向间隙。

在至少一些实施例中，间隙在大约2-30mm的范围内。更优选地，间隙大于约6mm、或大于约10mm、或大于约15mm。在另一种形式中，间隙可以大于约30mm。

在一种形式中，定子磁轭和转子磁轭均形成为圆柱形，并且(多个)超导元件布置在定子圆柱的表面上，并且磁场生成元件布置在转子圆柱的表面上。

在至少一些实施例中，圆柱形转子组件位于圆柱形定子组件的内部或外部，并且其中，低温恒温器壁被布置为避免穿过低温恒温器壁的任何凹入特征。

在另一种形式中，定子磁轭和转子磁轭包括一对平行的圆盘，并且(多个)超导元件径向地布置在定子圆盘的一个表面上，并且其中，磁场生成元件布置在外圆周处面向定子上的超导元件的转子圆盘的一侧上。

在至少一些实施例中，电流泵包括公共载体，其可操作用于在大体上不改变转子和定子之间的间隙的情况下使转子相对于定子旋转。

在至少一些实施例中，磁场生成元件还布置为通过公共载体相对于定子移动。

在一种形式中，电流泵包括控制转子旋转速度的控制系统。

在至少一些实施例中，控制系统可操作用于控制转子和定子之间的间隙。

在一种形式中，电流泵包括传感器，其可操作用于向控制系统提供指示围绕超导电路的电流的信号。

在至少一些实施例中，传感器是电流传感器、霍尔传感器、gmr传感器、磁通门磁力计、epr传感器或nmr传感器中的一种或多种。

在至少一些实施例中，电流泵还包括一个或多个温度传感器，其可操作用于向控制系统提供指示超导电路的部分的温度的信号。

在一种形式中，(多个)超导元件包括一种或多种高温超导(hts)材料。在至少一些实施例中，hts材料在零磁场和大气压下具有>77k的超导转变温度。超导材料可以包括以下材料中的任何一种或多种：bisrcacuo、(re)bacuo(其中，re是y或gd或其他镧系稀土)或任何其它适合的材料。在另一种形式中，(多个)超导元件至少部分地包括mgb2。

在一种形式中，超导元件包括线、条、带、膜或任何类似的形式。优选地，超导元件的厚度在其最薄尺寸上小于约1mm。更优选地，超导材料在其最薄尺寸上具有小于100μm的厚度，或者在其最薄尺寸上具有小于10μm的厚度。

在一些实施例中，最薄尺寸垂直于转子的旋转轴线定向。在一些其它实施例中，最薄尺寸平行于转子的旋转轴线定向。

在至少一些实施例中，超导电路在转子和定子之间的间隙处进入电流泵的磁路，并且在所述间隙中经受高通量密度。在至少一些实施例中，超导电路在转子和定子之间的间隙处进入电流泵的磁路，并且经受大于超导元件的磁穿透场bpen的通量密度。

在使用中，间隙中的磁通量密度高到足以穿透围绕定子设置的超导元件，并且以微观规模形成局部通量涡流，但是在宏观水平上不足以高到消除足以输送流过超导电路的净传输电流的超导电流路径。

在一种形式中，由来自转子上的磁场生成元件的磁通量穿透的超导元件被纵向分成两个或更多个元件，以使得每一个体元件的宽度小于相同总电流输送能力的单个超导元件的宽度。这是为了减少超导电流泵内的耗散能量损失而实现的。

在至少一些实施例中，铁磁定子磁轭成形为允许超导电路在不经受高通量密度的情况下离开电流泵的磁路。

在至少一些实施例中，定子包括延伸穿过铁磁轭的至少一个开口(例如口或孔或通道)，以允许超导电路离开磁路。

在一种形式中，转子磁轭和定子磁轭由一种或多种铁磁金属或包括铁磁金属的复合材料制成。

在一种形式中，定子磁轭包括具有低磁矫顽力(magneticcoercivity)的一种或多种铁磁金属。

在一种形式中，磁轭包括使用非铁磁性粘合剂层叠的铁磁片叠置体或在非铁磁基质内的铁磁材料分布。

在至少一些实施例中，定子磁轭包括将磁通量引导到超导元件的区域的突起或磁极。在一种形式中，定子磁轭包括突起阵列，其与转子上的磁场生成元件相互作用，以便将磁通量按顺序地引导到超导元件，并且然后离开超导元件，以使在超导元件的表面经受的磁场变化的幅度最大。

在至少一些实施例中，低温恒温器制冷系统是可操作用于通过蒸发潜热进行制冷的液体制冷剂和/或热机械制冷器。热机械制冷器是gm、sterling或脉冲管制冷器的其中之一。

低温恒温器壁包括选自真空、多层隔绝和/或冷却热屏蔽中的至少一种的热绝缘材料。在至少一些实施例中，设置在转子和定子之间的低温恒温器壁包括低导电性材料，例如玻璃纤维复合材料、不锈钢和/或薄和/或开缝的多层箔中的一种或多种。

在另一种形式中，超导电路包括位于发电机或电动机的转子上并且容纳在旋转低温恒温器内的线圈，并且电流泵转子位于旋转低温恒温器的外部并且相对于电流泵定子围绕与发电机或电动机的转子相同的轴线进行旋转。在至少一些实施例中，电流泵定子和电流泵转子围绕与旋转低温恒温器的旋转轴线相同的轴线相对于彼此进行旋转。在至少一些实施例中，容纳在旋转低温恒温器内的超导线圈形成发电机或电动机的转子线圈。

在一种形式中，超导元件纵向分为两个或更多个元件，以使得每一个体元件的宽度小于具有相同总电流输送能力的单个超导元件的宽度。在至少一些实施例中，超导元件穿过磁路的区域被分成通过对超导元件加条纹而形成的两个或多个纵向部分。

如上所述，本发明的超导电流泵包括在低温外壳外的转子和在低温外壳内的定子。转子和定子由低温外壳的热绝缘壁穿过的间隙分隔开。转子包括一个或多个磁场生成元件，并且转子和定子至少部分地包括铁磁材料，以将磁通量集中在跨转子和定子之间的间隙并且穿过所述壁的磁路中，以使得磁通量穿过与定子相关联的超导电路的一个或多个超导元件。低温外壳外的转子的相对运动感生出dc传输电流在低温外壳内围绕超导电路流动。本发明的优点可以包括：

·在低温外壳外的驱动电动机和内部转子之间没有耦合部，该耦合部可以将热泄漏路径引入到低温恒温器中，进而增加热负荷，并且从而增加将低温外壳内的冷却组件保持在所需的低操作温度所需的冷却功率。到低温外壳中的热泄漏增加了液体制冷剂的汽化速率，或增加了热机械制冷器的成本、尺寸和功率消耗。

·在低温恒温器内部没有可能引起湍流和增加液体制冷剂的汽化速率的移动部分。

·不需要低温外壳内的轴承来支撑旋转部分或不需要用于轴承的润滑剂，以便在低温下可靠地运行。

·一般来说，在低温外壳内没有运动部分消除了通常对低温恒温器内运动部分的极高可靠性的要求。拆卸低温恒温器以修复故障部分需要加热磁体并破坏真空密封。这通常是一个复杂、耗时且昂贵的任务。

旋转超导电流泵要求必须将磁场周期性地施加在超导电路内的hts材料的区域上，以使得在hts材料内形成磁通量涡流。通量涡流必须在垂直于将围绕超导电路驱动的净电流的期望方向的方向上完全穿透hts材料。存在发生完全通量穿透的最小施加磁场强度，并且该最小穿透场在本文中被称为bpen。

穿透通量涡流可以通过相对于hts材料移动施加的非均匀磁场而移动通过hts材料，其方式为在所施加的磁场的移动方向上拖动通量涡流。在旋转的超导电流泵中，这是通过相对于定子旋转包含磁性元件的转子来实现的，以使得来自转子上的磁性元件的通量穿过超导电路的一个或多个部分，并在超导体表面处周期性地施加高磁通密度的移动区域，以使得所施加的场超过bpen。通量涡流通过hts材料的净运动导致跨越超导电路的部分的感应emf，其驱动并维持在可以包括围绕超导线圈的超导电路的净电流。

对本文中所述的旋转超导电流泵的操作的要求是，施加在超导元件处的磁场小于hts材料的上临界磁场bc2，以防止超导电路的淬灭(quenching)。上临界磁场bc2是ii型超导体将呈现出超导行为的最大施加磁场。

在本发明的另一方面，本发明还包括一种超导电流泵，其被布置为使dc电流在容纳在低温恒温器的低温外壳内的超导电路中流动，所述超导电路包括一个或多个超导线圈和一个或多个线或带超导元件，所述电流泵包括位于所述低温外壳外的一个或多个磁场生成元件和位于所述低温外壳内的定子，所述一个或多个磁场生成元件和所述定子由所述低温外壳的热绝缘壁穿过的间隙分隔开，以及所述超导电流泵包括与位于所述低温外壳外的所述一个或多个磁场生成元件和位于所述低温外壳内的定子相邻的铁磁材料以将磁通量集中在跨所述间隙并穿过所述热绝缘壁的一磁路中，以使所述磁通量在一方向上穿透所述定子的所述一个或多个线或带超导元件，所述一个或多个线或带超导元件在所述转子和所述定子之间通过且经由低或无磁通密度的区域离开所述定子，从而使所述低温外壳外的所述一个或多个磁场生成元件与所述低温外壳内的所述定子之间的相对运动感生出dc电流以在所述低温外壳内的所述超导电路中流动，穿透所述一个或多个线或带超导元件的磁通量的磁通密度足够高以在所述一个或多个线或带超导元件中以微观规模形成局部通量涡流，但是在宏观水平上不足以消除足以传导在所述一个或多个线或带超导元件中流动的净dc电流的超导电流路径

广义上，本发明还包括一种系统，其包括上述的超导电流泵，其中，所述低温恒温器包括制冷系统，所述制冷系统包括能够操作用于通过蒸发潜热进行冷却的液体制冷剂和/或热机械制冷器。

广义上，本发明还包括一种系统，其包括上述的超导电流泵，其中，所述热绝缘壁壁具有低导电性。

广义上，本发明还包括一种系统，其包括上述的超导电流泵，其中，所述低温恒温器是旋转低温恒温器。。

超导电路可以包括一个或多个非超导部分，例如超导体材料的部分之间的一个或多个普通导电接头。在本说明书中，术语“hts”材料指的是具有tc>77k(在零磁场和大气压下)的ii型超导材料，并且还指代mgb2(其具有大约39k的实质上较低的tc)。

hts线指的是其中包括一段或多段连续的hts材料的一段线或条或带。目前商业生产的hts线的示例包括由superpowerinc.和fujikuraltd.生产的涂层导体线。许多其他制造商也提供涂层导体hts线。涂层导体hts线包括金属带基底，在其上沉积一系列分层的一个或多个陶瓷薄膜。薄膜叠置体包括hts材料(例如ybacuo或gdbacuo)的薄膜层(厚度<10μm)，并沉积在金属带基底上，并且整个堆叠结构被封闭在一层或多层金属涂层材料内。典型涂层的导体线约为100μm厚，并且可以以>100m的连续长度生产。当前生产的hts线的另一个示例是由sumitomo生产的bscco线。bscco线包括多个bsccohts材料的细丝，其被封闭在银基质内以形成具有矩形横截面的长线。mgb2线的示例由columbussuperconductorsspa生产。

超导电路必须在低温下操作以保持超导特性。低于该温度具有超导特性的温度称为临界温度tc。典型地，超导电路被放置在低温恒温器内部以保持在临界温度以下操作。低温恒温器包括一个或多个热绝缘壁或边界，其阻止热从外部源流入超导组件及其支撑结构(“冷块”)中。剩余热通量由冷却功率源平衡，因此将冷块保持在恒定温度。冷却功率源可以是通过蒸发吸收热量的低温流体和/或热机械制冷器，例如gifford-mcmahon、sterling或脉冲管制冷器。导热组件设置在冷块和制冷器之间，以引导热流动，形成冷却歧管。

如本文中所使用的：

·名词后的“(s)”表示名词的复数形式和/或单数形式。

·“和/或”表示“和”或者“或”或者二者。

·“包括”表示“至少部分由……组成”。当解释本说明书中包括该术语的语句时，在每个语句或权利要求中由该术语开始的特征都需要存在，但是也可以存在其它特征。诸如“包括”和“包含”的相关术语将以相同的方式进行解释。

·“转子”、“低温外壳外”，以及在超导电路中感生出的“dc电流”和“dc输送电流”具有随后提及的含义。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图进一步描述本发明，在附图中：

图1a和1b均示意性地示出了用于将电流注入低温恒温器内的超导电路中的现有技术布置。

图1c示意性地示出了根据本发明的用于将电流泵送到低温恒温器内的超导电路中的布置。

图2a至2c示出了来自磁偶极子的磁通线如何相对于一片平面超导材料偏离。

图3更详细地示意性示出了本发明的超导磁通泵的实施例。

图4是轴向通量超导电流泵的实施例的一部分的截面。

图5a示出了图4的轴向通量超导电流泵的定子磁轭。

图5b是图4的轴向通量超导电流泵的定子磁轭内的孔周围的磁通线分布的放大图。

图6a是轴向通量超导电流泵的实施例的透视图。

图6b是沿着图6a的线i-i的图6a的轴向通量超导电流泵的截面。

图7是轴向通量超导电流泵的另一个实施例的透视图。

图8是轴向通量超导电流泵的又一个实施例的透视图。

图9a是同轴地集成在发电机或电动机内以激励发电机或电动机的超导转子线圈的轴向通量超导电流泵的实施例的纵向截面图。

图9b是图9a的集成超导电流泵和发电机或电动机的一部分的放大图。

图10是本发明的轴向通量超导电流泵的输出电流与时间相比的曲线图。

图11是本发明的轴向通量超导电流泵的输出电压与时间相比的曲线图。

图12是根据转子和定子之间的轴向间隙的本发明的轴向通量电流泵的初始输出电压的曲线图。

图13是来自三种不同设计的超导电流泵的感生电流的曲线图。

具体实施方式

图1a示意性地示出了现有技术的超导电路20，其包括容纳在低温恒温器103内的电磁线圈105。在操作中，包括热绝缘壁30的低温恒温器103将内部温度保持在或低于超导电路内的超导元件的超导转变温度。超导电路20使用外部电流源来激励，该外部电流源通过使用穿过低温恒温器壁30的普通导电电流引线3将电流注入电路中。

图1b示意性地示出了另一现有技术的超导电路20，其包括容纳在低温恒温器103内的电磁线圈105。超导电路20使用包括位于低温恒温器外壳103内的转子11的旋转磁通泵来激励。到转子11的驱动轴6穿过低温恒温器壁30。

图1c示意性地示出了包括容纳在低温恒温器103内的电磁线圈105的超导电路20，该电磁线圈105由本发明的超导电流泵激励。超导电流泵包括在低温外壳103外的转子11和在外壳内的定子21。用于旋转诸如电动机和电动机控制器的转子(未示出)的装置也在低温外壳103的外部。低温外壳的热绝缘外壳壁在转子和定子之间通过。转子包括一个或多个磁场生成元件，并且转子和定子至少部分地包括铁磁材料，以将磁通量集中在跨转子和定子之间的间隙并且穿过壁的磁路中，以使得磁通量穿过与定子相关联的超导电路的一个或多个超导元件，从而使低温外壳外的转子的相对运动感生出dc传输电流以围绕低温外壳内的超导电路流动。电流在不通过如图1a和1b中的电流引线3或驱动轴6穿过低温恒温器壁30的情况下注入到超导电路20中。

图3更详细地示意性示出了本发明的超导磁通泵的实施例，图4是电流泵的一部分的截面；图5示出了电流泵的定子磁轭，并且图5b是在使用中围绕定子磁轭内的出口孔的磁通线分布的放大图。超导电流泵用于激励封闭在低温恒温器103内的超导电路20。在所示的实施例中，超导电路20包括超导线圈105和一个或多个超导元件201，超导元件201围绕定子磁轭设置或部分设置在定子磁轭内。超导线圈105和一个或多个超导元件201可以通过普通导电接头(未示出)接合。

根据本发明，电流泵至少包括转子11和定子21，并且均至少部分地包括铁磁轭15，其由低温外壳103的壁30延伸穿过的间隙106分隔开。间隙的尺寸为转子的磁场生成元件与定子的超导元件之间的距离的最小值。在一种形式中，间隙106在大约2-30mm的范围内，或大于大约6mm，大于10mm或大于15mm。在另一种形式中，间隙大于约30mm。

电流泵包括由转子11承载的一个或多个磁场生成元件12，以提供跨间隙106的磁通量，以穿过与定子21相关联的超导元件201。转子11和定子21的一对铁磁轭15共同形成低磁阻的磁路，其为由磁场生成元件12生成磁通量提供路径，以跨过间隙106并穿过超导元件201，然后返回到转子磁轭15，而没有第二次穿过超导电路。

如图3中所示，超导元件201穿过转子11和定子21之间的间隙106，在此暴露于由磁场生成元件12提供的集中的磁通线。在所示的实施例中，超导元件201首先从定子21的周围进入间隙106，然后经由形成在定子磁轭15中的出口开口23离开间隙106。因此，超导元件201在转子和定子的磁场生成元件12和22之间在一个方向上而非另一方向上通过。出口开口或孔23包括较高磁阻的区域，其使得超导元件201能够在低的或没有相反的磁场下使定子离开。然后，其在通过另一个开口23之后再进入间隙106，并从定子21的相对端离开间隙。在其它实施例中，超导元件201可以进入和离开间隙106仅一次，或者多次。在一个实施例中，定子磁轭15包括位于与磁场生成元件12a和12b相对的位置处的通量集中铁磁突起或磁极22a和22b。

转子11由电动机13驱动。当磁场生成元件12移动经过定子21的铁磁突起时，施加在超导元件201的表面处的磁通量大于作为超导体的通量穿透所需的最小施加磁场的bpen。当磁场生成元件12相对于超导元件201移动时，磁通涡流进入超导元件201的一侧，并随后从相对侧离开。这导致跨超导体元件201的磁通线的净流动，这引起围绕超导电路20泵送净电流(其上仍可具有一些波动)，从而激励超导线圈。

如所述的，转子11、驱动电动机13和相关联的电动机控制器位于低温外壳的外部。所需的间隔通过在定子和转子中包含铁磁铁轭来实现，其共同形成低磁阻的磁路，以引导磁通线跨过定子和转子之间的间隔。这将参考图2a-2c和图4进行进一步解释。

图2a至2c示出了永磁体和ii型超导体的薄带的三种不同布置。在图2a中，永磁体8被放置为紧邻超导体9的表面，以使得所施加的磁场大于bpen，磁通线10所需的磁场完全穿过超导体9。在该配置中，通过使永磁体移动跨过超导体的表面，从而拖动通量线通过超导体材料，可以在超导体9中感生出净电流。d1指示永磁体8和超导体9之间的轴向位移。

在图2b中，永磁体8和超导体9之间的轴向位移由d2指示，并且大于图2a中的d1。结果，垂直于超导体表面的磁场小于bpen，并且从超导体9消除磁通线10。在这种配置中，不可能感生出通过超导体的净电流，因为不能拖动通量线通过超导体材料。

在图2c中，永磁体8和超导带之间的间隔与图2b中相同，但是铁磁铁轭15被布置为形成通过超导带的磁阻降低的磁路。铁轭15的存在导致在超导体表面处的通量集中，以使得局部磁场强度大于bpen。在这种配置中，通过移动永磁体8跨过超导体9的表面以便使通量线移动通过超导体材料，同样可以在超导体9中感生净电流。

图4示出了轴向通量型超导电流泵的实施例的一部分的截面。转子11由电动机13驱动以围绕轴线14旋转，并使磁场生成元件12扫过定子21，以驱动磁通线跨过超导元件201，从而驱动电流围绕超导电路20流动。

转子11包括铁磁轭15和承载在铁磁轭15上的一个或多个磁场生成元件12。从磁场生成元件12延伸通过低温恒温器壁30进入定子21、随后通过低温恒温器壁30返回到转子11的连续磁通路径40由这对铁磁轭15形成。在一个实施例中，定子21的铁磁轭包括一个或多个突起部分22，当转子11相对于定子21旋转时，突起部分22与磁场生成元件12正好相对。超导电路20的至少一部分(例如超导元件201)放置在铁磁轭15的突起部分22上。定子21的铁磁突起部分22对于形成在转子11和定子21之间的磁通路径40具有集中效应，以使得与没有这种突起22的平面铁磁轭几何形状的情况相比，超导元件201的表面处的磁场强度增加。

转子11和定子21中的铁磁轭15优选地是铁材料或至少是具有低矫顽力和低残余场的铁磁材料。在一种形式中，铁磁轭15由包括铁磁材料和非铁磁材料的复合材料形成。例如，轭可以由与非铁磁性绝缘片交错的铁磁金属的层压片形成，以使涡流损耗最小。在另一示例中，铁磁轭由嵌入在非铁磁性基质材料内的铁磁金属元件形成。当转子磁场生成元件12通过超导元件201时，铁磁轭将通量集中在设置在定子21周围的超导元件201的表面处。定子内的铁磁轭也确保磁通密度的变化的总幅度对于通过超导元件201的每个磁场生成元件12是最大的。在所示的实施例中，定子磁轭15相对于超导电路20和低温恒温器103是固定的。转子磁轭相对于这些元件旋转。

在一种形式中，超导元件201是高温或低温超导元件，例如hts或lts线、带或类似物。与lts超导电路相比，在定子21上使用hts元件作为超导元件201使得能够在升高的温度下进行操作。在较高温度下，导体具有较大的热容量，这使得在存在显著增加的热负荷的情况下能够保持超导行为。增加的热负荷容限使得能够减少定子附近的低温恒温器绝缘、厚度或类型。例如，实验验证显示在约10至15mm的范围内的绝缘厚度提供足够的热绝缘以保持约50-77k的定子温度，同时以高达300安培的全电流进行泵送。

在hts超导元件201和磁场生成元件12之间具有>15mm的间隙的情况下，测试和电磁建模显示：可以使用本发明的超导电流泵围绕包括超导hts线圈105和普通导电接头的超导hts电路20来泵送的电流。这是通过形成在转子和定子上的铁磁轭之间的磁路的设计来实现的，以确保周期性地施加在hts超导元件201的最大磁场强度高于通量穿透所需的最小磁场bpen。

在一种形式中，放置在定子21和转子15之间的通量间隙106区域内的低温恒温器壁30包括非铁磁材料，并且在优选实施例中，其不包括任何金属材料。在一些实施例中，低温恒温器壁30可以包括薄金属片，作为低温恒温器壁内的多层绝缘(mli)元件的一部分。

如所述的，在一种形式中，定子21内的铁磁轭15可以包括对磁通量的高磁阻的区域，以允许超导电路20离开磁通泵的定子区域。高磁阻区域可以是开口，诸如如图3至5所示的孔23或穿过定子磁轭15的任何其它类似形式。孔23与磁轭15内的周围铁磁材料相比呈现出对磁通量的高磁阻。磁轭15内的铁磁材料形成了在转子之间形成的磁路的返回路径，并且孔23提供具有低通量密度的区域，超导电路20可以在没有通量穿过超导电路的该部分的情况下通过该区域离开磁路的定子区域。

图5b是定子磁轭中的孔23周围的磁通线分布的放大图，并且特别地示出了围绕孔23的定子21内的磁通路径40。孔内的磁通量微弱，并且优选地低于超导体的通量穿透的临界场bpen。孔23因此提供了有效的路径，超导电路20可以通过该路径有效地穿过磁路离开，而不经受强到足以感生电动势的移动磁通量的区域，在其它情况下该电动势将反抗旋转磁场生成元件12的作用。

在一些实施例中，形成超导电路20的一部分的超导元件201具有包括超导hts材料和非超导材料的复合结构。优选地，hts超导元件内的hts材料是在平行于所施加的磁通线的方向上的尺寸薄的膜，以使得来自转子的至少一些磁通量周期性地穿过超导元件，以使得其从超导元件的相对面排出。在一些实施例中，超导元件201是涂层导体hts导线，其被定向为使得薄轴线平行于定子磁轭突起22的表面处的磁通量的方向。在一些实施例中，超导元件201可以包括两层或更多层的hts线或带。在一些实施例中，超导元件201可以至少部分地进一步分成两个或更多个纵向部分，以便减小被来自磁场生成元件的磁通量穿透的每一个体超导元件的宽度。

在一些实施例中，磁场生成元件12包括至少一个或多个高矫顽力永磁体。例如，可以使用诸如ndfeb等稀土型磁体。

图6a和图6b示出了轴向通量超导电流泵10和超导电路20的一部分的实施例。如前所述，电流泵包括铁转子11，在铁转子11上转子11面向定子21的表面上定位有多个磁场生成元件12。磁场元件12可以包括永磁体、电磁体中的一个或多个或其组合。铁转子11放置在低温恒温器103(图6a中未示出，图6b中所示的低温恒温器壁30)的外部。铁磁定子21放置在低温恒温器103内部。低温恒温器的绝缘壁30位于定子21与转子11之间的间隙106中。转子11和定子21内的一对铁磁轭15用于引导和增加在定子21与转子11之间的间隙106中的磁通密度。通过磁通量跨过朝向转子11和定子21的轴向中心定位的低磁阻间隙返回而完成磁路。

例如hts线的一个或多个超导元件201由定子21承载并且在低温恒温器103内部形成超导电路20的一部分。hts定子线穿过转子11与定子21之间的间隙106，从而进入由转子11和定子21形成的磁路。hts定子线经由定子中的低磁通密度的区域离开磁路。低磁通密度的区域位于铁磁定子21的外边缘处，或者可以由于诸如定子21的铁磁体中的孔23之类的开口而形成。在一些实施例中，定子21包括场集中铁磁突起22以进一步增加超导元件201的表面处的最大磁通密度。当hts定子线表面处的磁场密度高于穿透场bpen时，转子11的运动驱动磁通涡流移动跨过超导元件201，其继而导致电流围绕超导电路20流动。

当使用超导电流泵来激励超导线圈或磁体时，可能期望改变超导电路20中的电流的增长速率。这可以通过以下方式实现：通过增加电动机13的运行速度来改变转子11的旋转速度以增加跨超导电路20的电动势直到达到期望的电流，然后降低电动机13的速度，以将电流保持在固定水平，同时补偿由于诸如超导电路中的电阻性接头和例如超导hts定子线内的通量运动的其它耗散损耗的因素引起的能量损耗。

在一些实施例中，电动机13的转速由闭环控制来控制，以将泵送电流保持在期望水平。另外或替代地，转子11可以在轴向方向上移动，以使得旋转磁体12随着电流增加而进一步移动远离定子21，以便减小间隙106中的磁通密度，从而减小跨超导电路的感生电压。这还减少了hts定子线201内由于通量摩擦和其它耗散效应的能量损失。该方案使得能够根据需要调整电流泵的配置，以使得可以优化轴向间隙。例如，其允许使开路电压最大，或者替代地，其使得能够使电流泵的“有效内部电阻”最小。

超导电路20容纳在低温恒温器103内，低温恒温器103操作以将超导电路20的温度维持在或低于预定操作温度，特别地，低于超导电路的超导转变温度。超导电路的各部分的温度可以通过冷却歧管的设计来控制，该冷却歧管提供了在低温冷却系统和超导电路及电流泵定子21之间的热连接。例如，可能期望超导电流泵内的超导元件(例如hts定子线)比由电流泵激励的超导线圈105或磁体更热。该方案减小了hts定子线内的通量摩擦，从而减小了移动转子11所需的转矩。

图7示出了类似于图6的轴向通量超导电流泵的另一个实施例，但是不同之处在于超导电路20以串联方式重复地进入和离开磁路，以便增加跨越所连接的超导电路20的最大电动势脉冲。

图8示出了轴向通量超导电流泵的另一实施例，其与图6和图7的不同之处在于超导电路20布置在围绕定子21设置的多个并联电路结构中，以增加可以在所连接的超导电路20周围泵送的最大总电流。在图8的实施例中，定子21包括位于超导元件201之间的附加的一组铁磁突起22c。这些附加突起22c操作以使在超导元件表面的磁场变化的幅度随着转子11上的磁场生成元件12相对于定子21移动而最大化。这通过重复动作实现，其中，磁通线首先随着磁场元件12最靠近hts超导元件201通过而在超导元件201内聚集，并且随着磁体最靠近位于超导元件201之间的铁磁突起22c旋转，磁通线随后远离hts超导元件201聚集。这些附加的突出铁磁齿22c使得在下一组磁通线进入超导元件201之前离开超导元件201的磁通量涡流的数量最大化。

另一个实施例包括连同或者代替图6、7和8中所示的轴向通量电流泵的径向通量电流泵。例如，wo2012/018265(其全部内容通过引用并入本文)示出了径向通量泵和超导体电路布置。

图9a是同轴地集成在发电机或电动机内以激励发电机或电动机的超导转子线圈的轴向通量超导电流泵的实施例的纵向截面图，图9b是图9a的集成超导电流泵和发电机或电动机的一部分的放大图。发电机13或电动机包括定子体21a和转子11a。发电机转子包括旋转低温恒温器103，其容纳连接在超导电路内的一个或多个超导转子线圈105a，超导电路包括穿过超导电流泵10的定子21的部分201。超导电流泵10的转子11位于旋转低温恒温器103的外部并且与发电机/电动机的转子11a同轴布置。电流泵的转子11相对于发电机的转子11a在同向旋转方向或反向旋转方向上旋转。电流被泵送在超导电路20周围并且激励发电机13或电动机的超导转子线圈105a。该实施例包括旋转低温恒温器，并且在旋转低温恒温器外的转子相对于在旋转低温恒温器内的定子移动。定子和转子围绕与旋转低温恒温器共同的旋转轴线相对于彼此旋转。

本发明在该实施例中的应用消除了对穿过旋转低温恒温器的壁的电流引线的需要，以及对旋转电接触部或无刷转换器技术的需要，其通常需要将激励电流从静止参考系转移到旋转转子线圈。

在一些实施例中，超导电流泵的转子能够沿着旋转轴线平移，以便增大或减小电流泵的转子和电流泵的定子之间的间隙。这可以使得能够根据需要调整电流泵的配置，以使得可以优化轴向间隙。例如，该方案可以允许使开路电压最大，或者替代地，可以使电流泵的“有效内部电阻”最小。

如上所述，本发明能够提高低温恒温器的绝缘效率，以及采用旋转磁通泵的系统的可靠性和易于维护性。本发明物理地分离超导电流泵的转子和定子，并且热屏障或热绝缘壁设置在转子和定子之间的间隙中。至少在一些实施例中，成形的铁磁轭增加了转子和定子之间的间隙中的磁通密度，因此补偿了通过加宽间隙以容纳低温恒温器的绝缘壁而引起的通量密度的减小。本发明的超导电流泵消除了对将在其它情况下穿过旋转低温恒温器的壁的电流引线的需要。电流泵还消除了对旋转电接触部或无刷转换器技术的需要，其通常需要将激励电流从静止参考系转移到旋转转子线圈。特别地，转子和使转子旋转的装置、电动机和转子之间的连接以及所有轴承位于低温恒温器的外部并处于环境温度。因此，有利地，常规的轴承可以用于所有移动部分。此外，移动部分的维护和修理成为无需加热与其连接的泵或磁体的冷组件的简单过程。

在本发明的其它实施例中，位于低温外壳外部的电流泵的转子，即移动部分可以不随着旋转而移动，而是可以线性地或半线性地重复地通过定子(在单一方向上)，“转子”在包括权利要求书的本说明书中应相应地理解。

而且，尽管转子位于低温外壳外且定子在低温外壳内，但转子可以位于相关联的外壳内，相关联的外壳保持在定子外壳的温度和周围环境温度之间的温度，并且“在低温外壳外”也应相应地理解。

实验

图10、11和12示出了表征根据本发明的超导电流泵的示例的性能的实验结果，其中，超导电流泵连接到包括超导线圈的超导电路。在此情况下，所使用的超导电流泵是如图6所示的轴向通量类型的设计，其中，转子体和定子体由铁磁铁制成。转子包括尺寸为1/2”×1/2”×1/2”的九个等间隔的ndfeb磁体。定子和超导电路在77k下操作。定子包括单个涂层导体ybco线，其一次通过形成在定子与转子之间的磁路。超导电路包括由hts导线缠绕的线圈，其呈现～57a的线圈ic和2.7mh的电感。超导线圈使用常规导电金属接头从定子连接到超导ybco导线。焊点形成电路的正常导电部分，总串联电阻约为1μω。每个实验被初始化，以使得在t≤0时，在超导电路中没有电流流动，电流泵转子静止。在t＝0时，电流泵转子从静止加速，以使得定子处的磁场变化的频率以12.7hz/s的速率增加，直到达到期望的稳态频率。

图9示出了使用轴向通量超导电流泵的实施例进行的一系列实验运行的超导电路中的电流与时间相比的曲线图。在每次实验运行之前，转子和定子之间的轴向间隙的值是固定的，并且示出了为使用不同的轴向间隙值的一系列运行获得的数据。在每种情况下，转子从静止稳定地加速，直到转子磁体通过超导线的频率达到48hz。然后将该频率在每次运行的剩余时间中保持恒定。超导电路中的初始电流被设置为零。超导电路中的电流经历初始增加。这是电流泵的电动势起作用以克服超导电路中的超导线圈的感应阻抗的结果。当轴向间隙较小时，电流的增加速率更快地进行，因为在该配置中从电流泵可用的开路电压较大。超导电路中的电流在固定的最大电流值isat饱和，该最大电流值isat根据轴向间隙的尺寸而不同。isat的值由超导电流泵内感生出的电压等于克服由于超导电路中的损耗导致的能量耗散所需的电压的点确定。超导电路中的能量耗散包括来自正常导电接头的电阻的损耗以及由于电路中的超导材料(包括超导电路穿过电流泵定子的部分)内的电流和磁通量的时间变化密度之间的相互作用造成的损耗。

图11示出了跨位于电流泵定子内的超导电路的部分测量的电压的曲线图。其被绘制为时间的函数。所测量的电压数据是使用0.1s的积分时间获取的平均值。应当注意，如果使用大体上较短的积分时间获取数据，则由于随着转子上的每一个体磁体经过超导定子线而引起的时变电动势，所测量的电压也显示出在电流泵的工作频率的脉冲。该脉冲效应通过线圈电感的影响以及通过使用大体上长于每一个体脉冲的周期的测量积分时间来“平均掉”。可以看出，当转子初始加速到其操作速度时，所测量的输出电压迅速上升。此后，电压在所有情况下下降，以使得其接近接近于但不等于零的值。这种行为是超导电流泵操作的特征。来自超导电流泵的初始输出电压由定子内的超导线切割来自转子的所施加的磁通量的速率确定。该电压作用以克服超导线圈的阻抗并且在超导电路周围激励电流。然而，随着电路内的电流增加，由于时变磁场和电流之间的相互作用的电流泵内的损耗也增加。这导致超导电流泵的“有效内部电阻”，并且导致随电流而变的测量的输出电压的减小。观察到电流泵的“有效内部电阻”随着操作频率的增加而增加。“有效内部电阻”随着轴向间隙的增加而减小。用于测量的电流泵的稳态输出电压的渐近值等于当在稳态电流isat下操作时克服超导电路的其余部分的电阻所需的电压。

图12示出了当在360hz操作时，超导电流泵的最大测量输出电压根据转子和定子之间的间隙而变的曲线图。在1.82mm的间隙处，最大测量输出电压大于20mv。在16.13mm的间隙处，输出电压下降到0.18mv。该值大于零，因此驱动电流围绕超导电路流动。

图13示出了来自三种不同设计的超导电流泵的isat的测量值的曲线图。isat被绘制为安装在转子上的永磁体和定子上的超导线材的表面之间的间隙的函数。在所有三种配置中，在定子内使用ybco涂覆的导线，永磁体元件包括类似尺寸的ndfeb磁体。示出了用于超导电流泵的3种不同布置，并分别称为gen1、gen2和gen3。每个曲线图示出了由于在没有超导材料的情况下位于距定子的轴向距离x处的永磁体的在定子表面的轴向磁场强度。gen1描述了类似于wo2012/018265中公开的不包括铁磁轭的径向电流泵布置。在这个布置中，定子处经受的磁场类似于自由空间中的隔离永磁体的磁场。gen2描述了如图6中所示的轴向电流泵装置，其包括用于转子和定子的铁磁体，以使得在转子和定子之间实现低磁阻磁路。在定子表面测量针对在转子上的永磁体和定子之间的轴向间隙x的磁场。gen3描述了另一种轴向电流泵布置，其包括在转子和定子内的铁磁轭件，其中，调整铁磁轭的几何形状以进一步增强定子表面处的最大垂直b场。该数据表明，在不使用铁磁轭件的情况下，跨过>10mm的间隙的电流泵送不容易实现，因为所施加的b场降低到bpen以下。然而，在转子和定子上使用铁磁轭增加了在定子处施加的磁场，以使得电流泵送能够在转子和定子之间的大于15mm的间隙处进行。转子和定子之间的距离的这种增加使得能够将低温恒温器的绝缘壁放置在转子和定子之间，从而允许转子位于低温恒温器的外部，以使得电流泵的所有移动部分在室温下操作并且不对低温系统施加热传导负荷。

本发明的前述说明包括其优选形式。在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以对其进行修改。