一種采用閉環(huán)恒流高溫超導線圈實現(xiàn)磁懸浮狀態(tài)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種采用閉環(huán)恒流高溫超導線圈實現(xiàn)磁懸浮狀態(tài)的方法，替代高溫超導塊材的新型超導懸浮方式。高溫超導帶材通過一定的繞制方法（干繞法、濕繞法）繞于線圈骨架上，利用超導焊接技術形成閉環(huán)結構，閉環(huán)高溫超導線圈（1）置于低溫容器中，并使其處于強磁場源（2）上方，場冷進入超導態(tài)。超導態(tài)下超導線圈具有零電阻特性，感生電流將在閉環(huán)高溫超導線圈內(nèi)形成一種恒流狀態(tài)而維持感生磁場和強磁場源之間的相互作用，從而實現(xiàn)一種類似于高溫超導塊材磁懸浮的被動自穩(wěn)定懸浮。
【專利說明】
一種采用閉環(huán)恒流高溫超導線圈實現(xiàn)磁懸浮狀態(tài)的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于超導技術，尤其是強磁場源與閉環(huán)高溫超導線圈形成的新型懸浮方式，涉及高溫超導懸浮領域。
技術背景
[0002]高溫超導體在其臨界溫度之下，主要表現(xiàn)出零電阻和抗磁兩種特性?；谝陨蟽煞N特性制備有超導塊材和超導帶材兩大類。因零電阻特性，由超導材料制成的超導帶材可以承受很大的電流。相比傳統(tǒng)導體(銅、鋁等)，超導帶材能夠實現(xiàn)無損耗傳輸大電流，這在電力系統(tǒng)及能源等方面具有廣闊應用前景。其中利用超導帶材繞制成超導磁體能產(chǎn)生很強的磁場，超導磁體和外界磁場發(fā)生相互作用時，可以產(chǎn)生超導懸浮現(xiàn)象。但這種懸浮方式不能實現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮，為了維持懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定須配備一套復雜控制系統(tǒng)，這在一定程度上增加了懸浮系統(tǒng)建造成本，同時整個系統(tǒng)性能對控制部分有很強的依賴性。
[0003]采用閉環(huán)恒流懸浮是一種被動、感應式懸浮方式，同傳統(tǒng)電磁懸浮相比這種懸浮方式不需要很復雜的控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)性能減少了對控制系統(tǒng)的依賴性從而在一定程度上能夠提高系統(tǒng)運行可靠性，同時也能夠降低懸浮系統(tǒng)建造成本，便于推廣運用。
[0004]利用高溫超導體抗磁性特征制成的超導塊材，進入超導態(tài)后在外磁場中能夠懸浮起來，同時因塊材內(nèi)部磁通釘扎產(chǎn)生導向力會實現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮，大大簡化了懸浮系統(tǒng)的設計和對控制系統(tǒng)的依賴性。因此基于高溫超導塊材懸浮系統(tǒng)的研究、設計及應用越來越廣泛，例如無摩擦軸承、飛輪儲能以及高溫超導磁懸浮列車等等。然而因塊材制造工藝等一些問題，超導塊材形狀比較單一，這對復雜形狀高溫超導塊材懸浮特性研究、開發(fā)及應用存在著一定阻礙。高溫超導帶材相比超導塊材具有更大的臨界電流密度，弛豫更小，帶材中感生電流衰減更弱。已有實驗表明多籽晶塊材能夠提供更大懸浮力，超導塊材添加阻尼層(例如加銅阻尼層)能夠改善其懸浮動態(tài)性能。但多籽晶塊材中存在晶界，電流很難在晶間流動，超導的均勻性尚有欠缺。由于高溫超導帶材制造工藝不斷發(fā)展，帶材中超導層的均勻性優(yōu)于塊材;帶材可以通過繞制成更大的線圈獲得更大懸浮力。并且因超導帶材的分層結構，銅本身作為帶材的穩(wěn)定層，這對于在考慮通過添加阻尼層來改善超導懸浮動態(tài)性能具備固有的優(yōu)勢。
[0005]綜合上述內(nèi)容，如果能夠設計一種基于閉環(huán)恒流高溫超導帶材線圈的新結構取代現(xiàn)有的超導塊材，有望進一步提高高溫超導磁懸浮的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提出一種采用閉環(huán)恒流高溫超導線圈實現(xiàn)磁懸浮狀態(tài)的方法，替代高溫超導塊材的新型超導磁懸浮方式，該懸浮方式采用高溫超導帶材繞制在線圈骨架上，通過焊接超導接頭形成閉環(huán)結構。強磁場源2放置于裝有閉環(huán)高溫超導線圈I的低溫容器下方，通過一定的冷卻方式、場冷條件，高溫超導線圈進入超導態(tài)。
[0007]本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術方案是:一種通過感生電流構成閉環(huán)恒流高溫超導線圈磁懸浮狀態(tài)的方法，通過誘發(fā)閉環(huán)高溫超導線圈感生電流獲得閉環(huán)恒流高溫超導線圈在外磁場中保持磁懸浮行為，包含以下主要步驟:
A).將閉環(huán)高溫超導線圈I置于強磁場源2的中心軸Hl高度；
B).降低閉環(huán)高溫超導線圈I的環(huán)境溫度達到閉環(huán)高溫超導線圈I的超導溫區(qū)；閉環(huán)高溫超導線圈I沿強磁場源2的中心軸下降至H2高度，H1>H2;
C).溫度維持在所述超導溫區(qū)，保持閉環(huán)恒流高溫超導線圈I在強磁場源2中的超導狀
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[0008]在實際制作上，可首先將高溫超導帶材纏繞在預先定制的線圈骨架上，帶材兩端通過焊接而構成閉環(huán)形式;然后將制定好的閉環(huán)高溫超導線圈放置于強磁場源2上方，通過一定的冷卻方式、場冷條件使超導線圈進入超導狀態(tài);超導態(tài)下超導材料本身具有抗磁性；高溫超導帶材的高臨界電流密度、零電阻特性使在線圈內(nèi)部感應產(chǎn)生的電流保持恒定，因感生電流產(chǎn)生的磁場也會維持穩(wěn)定，感生磁場與強磁場源相互作用再加上超導材料本身的抗磁性從而實現(xiàn)高溫超導線圈閉環(huán)恒流懸浮方式。
[0009]與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的有益效果是:
1、閉環(huán)恒流高溫超導線圈是一種感應式懸浮方式，同電動懸浮相比這種懸浮方式不需要復雜控制系統(tǒng)，減少了整個系統(tǒng)性能對控制部分的依賴性，降低系統(tǒng)建造成本。
[0010]2、線圈繞制靈活可以克服超導塊材形狀單一，線圈的臨界電流密度比塊材更大、弛豫更小、線圈中的電流衰減更弱，因此在高溫超導懸浮領域采用高溫超導線圈可以進行更多工況下懸浮系統(tǒng)的研究、設計及應用。
[0011]3、帶材制造工藝不斷進步，帶材中超導層的均勻性優(yōu)于塊材;可以通過繞制更大線圈替代增加塊材中籽晶數(shù)目的方式提高懸浮力；帶材本身包含銅、銀等金屬層作為穩(wěn)定緩沖層，在改善高溫超導磁懸浮動態(tài)性能方面具備內(nèi)在固有的優(yōu)勢。
[0012]4、通過超導焊接技術線圈的形式可以為單餅、雙餅或者多餅，相比塊材線圈尺寸可以做的更大；外部提供的強磁場源也可為永磁體、通電常導線圈、通電高溫/低溫超導線圈等多種形式。
[0013]5、由于線圈骨架可以加工成任意形狀因而高溫超導帶材可以繞制成任意形狀的高溫超導線圈，通過試驗、理論分析等手段研究不同形狀高溫超導線圈的懸浮性能，從而為高溫超導懸浮的設計、研究及應用提供一種極具參考價值的懸浮方式。
【附圖說明】
[0014]圖1為一種閉環(huán)恒流高溫超導線圈懸浮示意圖。
[0015]圖2為高溫超導線圈結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]如圖1、2所示，圖中I表示閉環(huán)高溫超導線圈，2表示外部強磁場源，3表示高溫超導線圈的焊接接頭，4表示在場冷過程中高溫超導線圈中感應電流方向；Hl表示高溫超導線圈的場冷位置，Η2表示穩(wěn)定懸浮位置?！揪唧w實施方式】:把預先加工、制作好的閉環(huán)高溫超導線圈I放置于強磁場源2上方的場冷位置Hl處，通過一定的冷卻方式、場冷條件使高溫超導線圈I冷卻到臨界溫度以下進入超導狀態(tài)，由于在場冷過程中超導線圈內(nèi)產(chǎn)生的電流通過超導接頭3形成一種閉環(huán)恒流狀態(tài)，同時感生電流會產(chǎn)生磁場與外部強磁場源相互作用，最終實現(xiàn)高溫超導線圈穩(wěn)定懸浮于H2處。
【主權項】
1.一種采用閉環(huán)恒流高溫超導線圈實現(xiàn)磁懸浮狀態(tài)的方法，通過誘發(fā)閉環(huán)高溫超導線圈感生電流獲得閉環(huán)恒流高溫超導線圈在外磁場中保持磁懸浮行為，包含以下主要步驟: A).將閉環(huán)高溫超導線圈(I)置于強磁場源(2)的中心軸Hl高度； B).降低閉環(huán)高溫超導線圈(I)的環(huán)境溫度達到閉環(huán)高溫超導線圈的超導溫區(qū)；閉環(huán)高溫超導線圈(I)沿強磁場源(2)的中心軸下降至H2高度，H1>H2; C).溫度維持在所述超導溫區(qū)，保持閉環(huán)恒流高溫超導線圈在強磁場源(2)中的超導狀??τ O2.根據(jù)權利要求1所述的采用閉環(huán)恒流高溫超導線圈實現(xiàn)磁懸浮狀態(tài)的方法，其特征在于，所述閉環(huán)恒流高溫超導線圈由高溫超導帶材纏繞在特定形狀的線圈骨架上，利用超導焊接技術將骨架上的超導帶材焊接成閉環(huán)結構。3.根據(jù)權利要求1所述的采用閉環(huán)恒流高溫超導線圈實現(xiàn)磁懸浮狀態(tài)的方法，其特征在于，所述線圈骨架形狀可以制作成單餅、雙餅或者多餅形式。4.根據(jù)權利要求1所述的采用閉環(huán)恒流高溫超導線圈實現(xiàn)磁懸浮狀態(tài)的方法，其特征在于，所述強磁場源放置于裝有閉環(huán)高溫超導線圈的低溫容器下方。5.根據(jù)權利要求1所述的采用閉環(huán)恒流高溫超導線圈實現(xiàn)磁懸浮狀態(tài)的方法，其特征在于，所述強磁場源可以為永磁體、通電常導線圈或者通電高溫/低溫超導線圈。6.根據(jù)權利要求1或3所述的采用閉環(huán)恒流高溫超導線圈實現(xiàn)磁懸浮狀態(tài)的方法，其特征在于，所述的線圈骨架為高強度、絕緣材料，具體形狀可根據(jù)實際需求加工而成。7.根據(jù)權利要求1所述的采用閉環(huán)恒流高溫超導線圈實現(xiàn)磁懸浮狀態(tài)的方法，其特征在于，所述的高溫超導線圈工作在液氮或制冷機所冷卻的某一溫區(qū)。
【文檔編號】H01F6/06GK106059394SQ201610373082
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】馬光同, 劉坤, 楊晨, 龔天勇, 葉常青, 王志濤, 周鵬博
【申請人】西南交通大學