增强效率和容量的能量转换/存储装置及其永磁体结构

本发明属于超导技术应用领域，涉及能量转换和储存，更具体的说，是涉及一种增强效率和容量的能量转换/存储装置及其永磁体结构。

背景技术：

根据储存能量和释放能量时间间隔的长短，储能可以分为长期储能和短时储能。蓄水蓄能和电池储能是长期储能的例子，通常适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源并入等大容量的应用场合。而超级电容储能、飞轮储能则更适用于需要提供短时脉冲功率场合，如应对电压暂降和瞬时停电、抑制电力系统低频振荡、车辆制动能量回收等。

随着城市化发展，轨道交通(地铁或轻轨)在城市可持续发展中扮演着愈加重要的角色。城市轨道交通的特点是停车次数多、时间短，其在频繁的制动与启动的过程中产生大量的能量消耗。因此，用于车辆制动能量再利用的短时储能技术越来越受到国内外的重视。

目前，常用于城市轨道交通再生制动的储能技术又超级电容储能和飞轮储能。然而，这两种储能方式都存在一定的缺陷。超级电容储能的能量密度不高，漏电问题是影响其性能的主要因素之一。此外，超级电容的主要参数容易受到环境等外部因素的影响，引起电压波动，导致超级电容使用寿命的缩短和运行可靠性的降低。常规飞轮储能由于摩擦问题往往造成能量损耗很大，能量转换效率低。虽然利用超导磁悬浮轴承技术的飞轮储能可以解决摩擦损耗问题，但超导飞轮储能成本很高，且结构较为复杂，到目前为止尚无商业化应用的案例。此外，飞轮储能的适用场景也会由于需要提供较大的满足飞轮尺寸的空间而受到限制。

通过实验发现闭合超导线圈与永磁体间相互作用与常规导体与永磁体的相互作用具有本质的不同。我们根据这一原理提出一种由闭合超导线圈和永磁体构成的新型短时能量转换/存储装置(后文中被简称为能量转换/存储装置)，并通过实验证明了这一装置的性能和应用前景[1,2]。这种机械能→电磁能→机械能转换/存储装置可能在需要对机械能进行转换和存储的应用场景发挥重要作用，例如城市轨道交通再生制动领域。

本发明提出一种通过多磁体优化组合结构提高上述能量转换/存储装置能量转换效率和容量的方法，这一方法对该能量转换/存储装置的应用具有重要意义。

参考文献

[1]xiny,liwx,dongq,etal.superconductorsandlenz’slaw.superconductorscienceandtechnology,2020,33(5):055004。

[2]信赢,温雨雁,董乾.一种基于超导材料的瞬时储能方法:中国,2019105001022[p].2019-06-11。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，基于超导线圈和永磁体间的电磁感应原理提出一种增强效率和容量的能量转换/存储装置及其永磁体结构。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明增强效率和容量的能量转换/存储装置，包括永磁体结构和超导线圈，其特征在于，所述永磁体结构由i号永磁体块、ii号永磁体块、iii号永磁体块构成，所述i号永磁体块、ii号永磁体块、iii号永磁体块沿同轴线依次等间距设置，相邻两个永磁体块之间均通过连接轴刚性连接，相邻两个永磁体块之间同极性相对设置。

相邻两个永磁体块的中心间距大于它们之间的相互作用距离。

所述连接轴采用非磁性材料制成。

所述i号永磁体块和iii号永磁体块的性能参数和几何尺寸完全相同。

若能量转换/存储装置仅作为能量转换装置使用时，可以只采用i号永磁体块和ii号永磁体块，省略iii号永磁体块。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

本发明增强超导能量转换/存储装置效率和容量的永磁体结构，由i号永磁体块、ii号永磁体块、iii号永磁体块构成，所述i号永磁体块、ii号永磁体块、iii号永磁体块沿同轴线依次等间距设置，相邻两个永磁体块之间均通过连接轴刚性连接，相邻两个永磁体块之间同极性相对设置。

相邻两个永磁体块的中心间距大于它们之间的相互作用距离。

所述连接轴采用非磁性材料制成。

所述i号永磁体块和iii号永磁体块的性能参数和几何尺寸完全相同。

若能量转换/存储装置仅作为能量转换装置使用时，可以只采用i号永磁体块和ii号永磁体块，省略iii号永磁体块。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明涉及的永磁体结构可以在单个永磁体块与单个超导线圈相互作用性能达到极限后进一步显著的增强这一相互作用。

(2)本发明所涉及的永磁体结构简单，容易实现，是增强永磁体和超导线圈间的相互作用的有效方法。

(3)本发明可以在仅增加永磁体块数量的前提下显著增强永磁体结构和超导线圈构成的能量转换/存储装置的性能。

(4)本发明所涉及的永磁体结构，利用两个永磁体块就可以使效率显著提高，使容量提升4倍。相比于增加超导线圈，这种优化永磁体结构的方法具有更高的经济性。

附图说明

图1是本发明永磁体结构示意图；

图2是本发明永磁体结构与超导线圈相互作用示意图；

其中，(a)永磁体结构位于初始位置，(b)永磁体结构位于平衡位置，(c)永磁体结构位于终止位置；

图3是实施例中三个永磁体结构的结构示意图；

其中，(a)仅有ii号永磁体块，(b)包含i号永磁体块和ii号永磁体块，(c)包含i号永磁体块、ii号永磁体块、iii号永磁体块；

图4是使用图3中(a)所示的永磁体结构的实验结果；

图5是使用图3中(b)所示的永磁体结构的实验结果；

图6是使用图3中(c)所示的永磁体结构的实验结果。

附图标记：1-i号永磁体块，2-ii号永磁体块，3-iii号永磁体块，4-连接轴，5-超导线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

通过研究已经表明，永磁体和闭合超导线圈构成的能量转换/存储装置的储能容量主要取决于永磁体磁场与超导线圈相链合的磁通量的变化量，且线圈中的感应电流与这一磁通量的变化量成正比。因此，设法增加与超导线圈链合的磁通量的变化量可以有效增强能量转换/存储装置的性能。

本发明增强效率和容量的能量转换/存储装置，主要包括同轴设置的永磁体结构和超导线圈。本发明增强能量转换/存储装置效率和容量的永磁体结构，使用这种组合结构的永磁体组与同轴的超导线圈构成的能量转换/储存装置可以大大提高这类装置的能量转换效率和容量。如图1所示，永磁体结构主要由i号永磁体块1、ii号永磁体块2、iii号永磁体块3构成，所述i号永磁体块1、ii号永磁体块2、iii号永磁体块3沿同轴线等间距设置，ii号永磁体块2设置于i号永磁体块1和iii号永磁体块3之间，任意相邻两个永磁体块之间均通过连接轴4刚性连接，所述连接轴4采用非磁性材料制成。

其在上述结构中，i号永磁体块1和ii号永磁体块2以及ii号永磁体块2和iii号永磁体块3的中心间距相等(均为d)，考虑到实际应用。相邻两个永磁体块的中心间距d应略大于它们之间的相互作用距离，即在本发明永磁体结构中磁体块间无磁通线的相互耦合。

其在上述结构中，所述i号永磁体块1、ii号永磁体块2、iii号永磁体块3的性能参数和几何尺寸尽量做到相同，i号永磁体块1和iii号永磁体块3的性能参数和几何尺寸必须完全相同。任意相邻两个永磁体块之间同极性相对设置，即任意相邻两块永磁体间相互排斥，永磁体块极性如图1中(a)或(b)所示。

以下的分析和实施例均以图1(a)中所示情况为例。

本发明中永磁体结构和超导线圈5同轴放置，定义本发明永磁体结构处于初始位置时，永磁体结构中ii号永磁体块2的中心与超导线圈5的中心间距为d，此时永磁体结构中i号永磁体块1的中心与超导线圈5中心相互重合，如图2中(a)所示。本发明永磁体结构处于平衡位置时，永磁体结构中ii号永磁体块2的中心与超导线圈5的中心相互重合，如图2中(b)所示。本发明永磁体结构处于终止位置时，永磁体结构中ii号永磁体块2的中心与超导线圈5的中心间距为d，此时永磁体结构中iii号永磁体块3的中心与超导线圈5的中心相互重合，如图2中(c)所示。

本发明增强效率和容量的能量转换/存储装置的工作过程可分为两个阶段。

第一阶段：当永磁体结构被设置在初始位置时，冷却超导线圈5至超导态。然后使永磁体结构沿超导线圈5轴线以某一恒定的速度靠近超导线圈5直到永磁体结构到达平衡位置。在这一过程中，机械能转换为电磁能，由于永磁体组中磁体的特殊排布，超导线圈与外磁场链合的磁通量的变化量δφ的最大值表示为：

δφmax＝φii-(-φi)＝φii+φi

其中，φi为永磁体结构处于初始位置，i号永磁体块中心与超导线圈中心重合时其磁场与线圈链合的磁通量，φii为永磁体结构处于平衡位置即ii号永磁体块中心与超导线圈中心重合时其磁场与线圈链合的磁通量。而当单块永磁体(ii号永磁体块)从距离超导线圈中心为d的位置运动至永磁体块中心与超导线圈中心重合时，线圈中的磁通变化量的最大值δφmax为φii。对比上述结果，使用本发明所提结构可以有效增强δφmax，因此在永磁体结构和超导线圈相互作用过程中超导线圈中的感应电流显著增大。根据线圈中的电磁能量表达式e＝1/2(li²)，(其中l为线圈电感，i为流过线圈的电流)和超导线圈零电阻的特性，实现了机械能向电磁能的转化和储存。

第二阶段：继续以某一恒定的速度将永磁体结构沿超导线圈5轴线由平衡位置移动到终止位置。在这一过程中，上一阶段中储存在超导线圈5内的电磁能转换为机械能，根据相互作用力f＝i×bl(i为流过线圈的电流与线圈匝数的乘积，b为线圈处的磁感应强度，l为线圈的平均周长)，实现了电磁能向机械能的转化和释放。

根据上述原理描述，采用本发明永磁体结构的能量转换/存储装置具有两种不同的功能。

当作为能量转换装置使用时，需要实现机械能→电能的转换，使之成为一种特殊的电源，如磁通泵等。从能量角度分析，与单个永磁体块和超导线圈组成的能量转换/存储装置相同，当永磁体结构从初始位置运动至平衡位置的过程(即第一阶段)为克服安培力做功的过程，机械能转换为电能，在平衡位置处达到能量的最大化转换，电能将以准永恒电流的形式储存在超导线圈中。该功能下，永磁体结构中的iii号永磁体不起到任何作用，可以省略。也就是说，若能量转换/存储装置仅作为能量转换装置使用时，采用的本发明永磁体结构可以只采用i号永磁体块和ii号永磁体块，省略iii号永磁体块。

当作为能量储存装置使用时，需要实现机械能→电能→机械能的转换，使之能够实现机械能的短时存储和重复利用，如城市轨道交通制动能量再利用等。该功能需要完整的包含工作过程的一、二两个阶段，永磁体结构中的iii号永磁体块必须依据规则进行设置。当永磁体组通过平衡位置后继续运动至终止位置的过程中，第一阶段中储存在超导线圈中的电磁能量再次以机械能的形式释放出来，整个储能和释能的过程完全对称。

实施例：

用于本实施例的三个永磁体结构分别如图3所示，由两个永磁体块构成的永磁体结构中两个永磁体块间的距离为95mm，由三个永磁体块构成的永磁体结构中同样存在参数d＝95mm。构成这些永磁体结构的永磁体块的性能参数和尺寸都完全相同，永磁体块直径20mm，高度20mm，牌号n35。用于本实施例的超导线圈为60匝双饼线圈，线圈内径60.5mm，外径77.5mm，线圈高度10mm，线圈电感985μh。

本发明可由一套测量系统实施。测量时将永磁体结构安装在测力计上，初始化试验系统，使永磁体结构处于初始位置。将超导线圈放置在杜瓦中并将杜瓦固定在测量平台上，用液氮冷却超导线圈。根据实验需求，控制永磁体结构从初始位置运动至平衡位置，或从初始位置运动至终止位置。实验过程中实时记录线圈的总电流(线圈的总电流＝流过线圈的电流×线圈匝数)和相互作用力。

具有单个永磁体块的永磁体结构与超导线圈作用的实验结果如图4所示，线圈的总电流的最大值为480a，相互作用力的峰值为1.3n，过程中线圈中储存的能量的最大值约为0.015j。

能量转换/存储装置仅作为能量装换装置时，由两个永磁体块构成的永磁体结构与超导线圈作用的实验结果如图5所示，永磁体结构从起始位置运动到平衡位置停止，线圈的总电流达到最大值940a，实验过程中相互作用力峰值为2.6n，线圈中的电磁能量达到最大值0.063j。从实验结果可以看出，永磁体结构和超导线圈间的相互作用被明显加强。线圈的总电流和相互作用力的最大值都增大为原来的2倍，线圈的最大储能量增大为原来的4倍。

能量转换/存储装置作为能量储存装置时，由三个永磁体块构成的永磁体结构的实验如图6所示，在图5实验结果的基础上，永磁体结构继续从平衡位置运动至终止位置，储存在线圈中的电磁能再次以机械能的形式完全释放出来。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。