CN114743750B - 一种磁通泵***控制方法以及可控磁通泵*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导磁体技术领域，提供了一种磁通泵***控制方法以及可控磁通泵***，方法为对超导定子施加方向以及强度均连续可调的背景磁场；***应用该方法，其包括旋转式磁通泵、超导定子、超导线圈以及可变磁场发生装置；所述超导定子与超导线圈相连，形成闭合回路；所述超导定子位于所述旋转式磁通泵和可变磁场发生装置之间；通过可变磁场装置产生的可变背景磁场，对旋转磁通泵产生的交流行波施加影响，进而通过背景磁场的强度以及方向的改变实现对超导电流的大小和方向的控制；该***无需接触、不用改变旋转磁通泵的旋转方向以及不用对超导定子等结构进行改变，便能实现对超导电流的精细化控制，具有非常大的应用前景。

Description

一种磁通泵***控制方法以及可控磁通泵***

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，具体而言，涉及一种磁通泵***控制方法以及可控磁通泵***。

背景技术

磁通泵提供了一种独特的非接触方法来为超导体励磁的技术，该方法不需要在低温和常温环境之间通过电流引线建立物理联系，极大减小了低温***的热损耗，从而提高了能源的利用率，是超导电力应用领域极为重要的一部分。由于其质量轻、体积小，可以产生更强的充磁磁场，并且损耗极低，凭借其优越性，在医疗、能源和交通等诸多领域中有广泛的应用前景。

基于旋转磁通泵调节超导电流大小和方向的研究近几年吸引了很多该研究领域科研人员的兴趣。超导电流方向的调节大体上都是通过改变旋转磁通泵磁盘旋转方向来调节，由于永磁盘具有转动惯性，使用改变旋转式磁通泵磁盘旋转方向来调节超导电流方向的方法难以实现高精度控制且不容易控制电流大小；负载电流大小的调节一般通过调节转速、磁通间隙、环形磁轭几何形状以及定子线宽度等方法来实现，其中调节磁通间隙、环形磁轭几何形状以及定子线宽度均需要通过改变磁通泵结构来改变负载电流的大小，实际中存在一定不可操作性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁通泵***控制方法以及可控磁通泵***，其中，方法在于通过采用背景磁场来调控磁通泵直流电流输出的大小与方向，从而无需通过改变磁通泵的结构就能方便、有效的控制负载电流的大小和方向。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

第一方面，提供一种磁通泵***控制方法，该方法中，需要对超导定子施加方向以及强度均连续可调的背景磁场，从而通过改变背景磁场的方向改变电流的方向、改变背景磁场的强度该表电流的大小。

第二方面，提供一种可控磁通泵***，包括旋转式磁通泵、超导定子、超导线圈以及可变磁场发生装置；

所述超导定子与超导线圈相连，形成闭合回路；

所述超导定子位于所述旋转式磁通泵和可变磁场发生装置之间。

优选的，所述可变磁场发生装置包括直流线圈以及为所述直流线圈供电的可调直流电源。

优选的，所述旋转式磁通泵包括磁盘、连接杆以及电机，所述电机的转轴与所述连接杆连接且两者同轴，所述磁盘固定套设于所述连接杆，所述磁盘中心嵌设有固定座，所述固定座与磁盘同轴，所述固定座的轴向长度大于所述磁盘的轴向长度，所述固定座未与磁盘接触的部分中设有固定过孔，所述固定过孔贯穿所述固定座。

优选的，所述磁盘的外周面上均匀开设有多个凹槽，所述凹槽中均嵌设有永磁体。

优选的，所述旋转式磁通泵还包括用于控制所述电机的变频器。

优选的，所述超导线圈为单线双饼超导线圈，所述单线双饼超导线圈具有两个线头，所述线头作为电流的入口或出口；所述超导定子和超导线圈均为ReBCO带材，所述超导定子的两端分别与所述线头连接。

优选的，所述超导定子包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面与所述直流线圈的一端的表面接触，所述第二表面与磁盘之间具有间隙。

优选的，所述第一表面与直流线圈之前设置于霍尔元件。

优选的，所述超导定子的两端均具有折弯部。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明设计合理、结构简单，尤其设置有可变磁场发生装置，其可以产生方向与强度连续可调的恒定直流磁场，进而通过恒定直流磁场能够对旋转磁通泵产生的交流行波的大小和方向进行控制调节，即无需接触便能准确、方便的调节超导体中电流的大小和方向。

附图说明

图1为本发明提供的可控磁通泵***水平布局的结构示意图；

图2为本发明提供的可控磁通泵***垂直布局的结构示意图；

图3为本发明提供的直流线圈与定子的暗转结构示意图；

图4为本发明提供的磁盘-超导定子-直流线圈结构的正视图和俯视图；

图5为本发明提供的超导线圈-超导定子-直流线圈水平布局的结构示意图；

图6为本发明提供的电机-连接杆-磁盘的结构示意图；

图标：1-超导定子，2-超导线圈，3-直流线圈，4-磁盘，5-连接杆，6-电机，7-固定座，8-永磁体，9-固定过孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

超导技术具有广泛的应用前景，如何实现超导电流的控制调节，是近年来的热门研究方向；目前针对超导电流的控制调节主要包括对电流的大小和方向的控制；当前的控制手段包括：通过改变旋转磁通泵磁盘4的旋转方向来调节电流的方向，但是由于永磁盘4具有转动惯性，使用改变旋转式磁通泵磁盘4旋转方向来调节超导电流方向的方法难以实现高精度控制；采用调节转速、磁通间隙、环形磁轭几何形状以及定子线宽度等方法来调节超导电流大小，但由于调节磁通间隙、环形磁轭几何形状以及定子线宽度均需要通过改变结构来改变负载电流的大小，在实际应用中存在一定的不可操作性。

因此如何在不改变结构的前提下实现超导电流方向和大小的控制，对于超导技术的应用推广具有重要意义。基于此，本发明提供一种思路解决上述问题。

首先，本发明提供一种磁通泵***控制方法，在该方法中，需要对超导定子1施加方向以及强度均连续可调的恒定背景磁场，改背景磁场一般选用直流磁场，进而通过恒定直流磁场对旋转磁通泵产生的交流行波的大小和方向产生影响。对应的，通过改变恒定直流磁场的磁场方向改变交流行波的方向，进而改变泵浦电流的方向；通过改变恒定直流磁场的强度大小改变交流行波的大小，进而改变泵浦电流的大小。通过该方法即可在无接触并且不需要改变磁通泵***结构的情况下，实现对泵浦电流的改变，该方法使得超导***能够应用于更多的场景。

根据上述方法，本发明还提供的一种对应的装置用于超导电流的控制，核心在于通过一可变磁场装置产生的可变背景磁场，对旋转磁通泵产生的交流行波施加影响，进而通过背景磁场的强度以及方向的改变实现对超导电流的大小和方向的控制。

实施例1，请参照图1，图1提供的可控磁通泵***，超导定子1与超导线圈2采用水平布局方式，该***中包括旋转式磁通泵、超导定子1、超导线圈2以及可变磁场发生装置。

本实施例中，所述超导定子1与超导线圈2相连，形成闭合回路；在该实施例中，超导线圈2为单线双饼超导线圈，且本实施例仅示出了具有一个单线双饼超导线圈的情况，单线双饼超导线圈的相关参数以及个数均可根据实际情况进行调整，以此说明，不再赘述。

目前超导定子1和超导线圈2的材料选择较多，本申请优选采用ReBCO带材，由ReBCO带材缠绕获得的超导线圈2具有两个带材线头，其中一个带材线头作为电流的入口，另一个则作为电流的出口，超导定子1的两端分别与带材线头连接，从而使超导定子1与超导线圈2形成闭合回路，当磁通泵在超导定子1表面产生行波磁场时，该行波磁场能够耦合超导定子1中的磁通量子，行波磁场沿一个方向行进时，会在超导定子1的两端产生直流电压，进而在闭合回路中产生直流电流。

所述超导定子1位于所述旋转式磁通泵和可变磁场发生装置之间；可变磁场发生装置包括直流线圈3以及为所述直流线圈3供电的可调直流电源；而超导定子1采用ReBCO带材制作而成，因此超导定子1为带状，在本实施例中，其宽度为12mm，厚度为220um；忽略其厚度，以超导定子1两表面中的任一一面作为第一表面，则另一面为第二表面；如图3所示，第一表面与直流线圈3的一端的表面接触；需要说明的是，直流线圈3的外形一般为圆柱体，如本实施例所示，当然，在本发明的思想下，直流线圈3的外形即使为跑道型也是可以有效的。第二表面与磁盘4之间具有1mm左右的间隙，当然在实际操作中，该间隙的大小可根据实际情况作出调整。

如图4、5所示，示出了磁盘4、超导定子1和直流线圈3的最佳设置位置，超导定子1过直流线圈3的圆心或中心，超导定子1两端相对于磁盘4对称。

由于本实施例中的超导线圈2与超导定子1采用水平布局方式，因此在该实施例中，超导定子1的两端均具有折弯部，进而使得超导线圈2与超导定子1的表面平行，如图1所示，该方式使得可控磁通泵***分为磁通泵、超导线圈2-超导定子1、直流线圈3三层。

其次，如图1、2、6所示，本实施例中的旋转式磁通泵包括磁盘4、连接杆5以及电机6，所述电机6的转轴与所述连接杆5连接且两者同轴，所述磁盘4固定套设于所述连接杆5，所述磁盘4中心嵌设有固定座7，所述固定座7与磁盘4同轴，所述固定座7的轴向长度大于所述磁盘4的轴向长度，所述固定座7未与磁盘4接触的部分中设有固定过孔9，所述固定过孔9贯穿所述固定座7。

另外，磁盘4的外周面上均匀开设有多个凹槽，优选的，设有8个凹槽，在每个所述凹槽中均嵌设有永磁体8，进而磁盘4在旋转时能够不断的产生行波磁场。

由于需要对磁盘4旋转的速度进行控制，因此本实施例中的旋转式磁通泵还包括用于控制所述电机6的变频器；如当电机6选用三相电机6时，则变频器为三相变频器。

在实施例1中，由于超导定子1和超导线圈2所形成的闭合回路需要保持低温状态，才能实现超导态，因此需要将超导定子1和超导线圈2所形成的闭合回路置于低温环境中，包括采用液氮浸泡、制冷机制冷、液氦或氦气冷却等方式实现低温环境。例如当采用水平布局方式时，超导线圈2、直流线圈3以及超导定子1在工作中均浸泡于77K的液氮环境之中，电机6、连接杆5和磁盘4组成的旋转式磁通泵则置于空气中。

实施例2，请参照图2，图2提供的可控磁通泵***，超导线圈2与超导定子1采用垂直布局方式，其与实施例的最大不同在于，超导定子1无折弯部，超导定子1和超导线圈2组成的环状闭合回路与直流线圈3的轴向平行，且直流线圈3位于环状闭合回路中；该实施例在工作时，同样需要处于低温环境才能实现超导态；例如当采用液氮进行冷却时，由于该实施例结构上的不同，磁盘4和部分连接杆5需要在77K的液氮环境中。

实施例3，在实施例1或实施例2的基础上，还可以加设霍尔元件，该霍尔元件设置于超导定子1第一表面与直流线圈3的端面之间，此时第一表面与直流线圈3的一端面之间具有2mm左右的间隙用于容置霍尔元件；霍尔元件用于实时监控间隙中的磁场数据。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可控磁通泵***，其特征在于，包括旋转式磁通泵、超导定子(1)、超导线圈(2)以及可变磁场发生装置；

所述超导定子(1)与超导线圈(2)相连，形成闭合回路；

所述超导定子(1)位于所述旋转式磁通泵和可变磁场发生装置之间；

所述可变磁场发生装置包括直流线圈(3)以及为所述直流线圈(3)供电的可调直流电源；

所述磁通泵***的控制方法包括：通过可变磁场发生装置对超导定子(1)施加方向以及强度均连续可调的背景磁场，所述背景磁场为恒定直流磁场；通过改变恒定直流磁场的磁场方向改变交流行波的方向，进而改变泵浦电流的方向；通过改变恒定直流磁场的强度大小改变交流行波的大小，进而改变泵浦电流的大小。

2.根据权利要求1所述的可控磁通泵***，其特征在于，所述旋转式磁通泵包括磁盘(4)、连接杆(5)以及电机(6)，所述电机(6)的转轴与所述连接杆(5)连接且两者同轴，所述磁盘(4)固定套设于所述连接杆(5)，所述磁盘(4)中心嵌设有固定座(7)，所述固定座(7)与磁盘(4)同轴，所述固定座(7)的轴向长度大于所述磁盘(4)的轴向长度，所述固定座(7)未与磁盘(4)接触的部分中设有固定过孔(9)，所述固定过孔(9)贯穿所述固定座(7)。

3.根据权利要求2所述的可控磁通泵***，其特征在于，所述磁盘(4)的外周面上均匀开设有多个凹槽，所述凹槽中均嵌设有永磁体(8)。

4.根据权利要求2或3所述的可控磁通泵***，其特征在于，所述旋转式磁通泵还包括用于控制所述电机(6)的变频器。

5.根据权利要求1所述的可控磁通泵***，其特征在于，所述超导线圈(2)为单线双饼超导线圈(2)，所述单线双饼超导线圈(2)具有两个线头，所述线头作为电流的入口或出口；所述超导定子(1)和超导线圈(2)均为ReBCO带材，所述超导定子(1)的两端分别与所述线头连接。

6.根据权利要求1所述的可控磁通泵***，其特征在于，所述超导定子(1)包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面与所述直流线圈(3)的一端的表面接触，所述第二表面与磁盘(4)之间具有间隙。

7.根据权利要求6所述的可控磁通泵***，其特征在于，所述第一表面与直流线圈(3)之前设置于霍尔元件。

8.根据权利要求1所述的可控磁通泵***，其特征在于，所述超导定子(1)的两端均具有折弯部。

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