一种用于高温超导磁体的热控式超导开关制造技术

本实用新型专利技术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；开关骨架为两端具有法兰的圆筒结构；超导线圈和加热线圈间隔绕制在开关骨架上；导热层设置在超导线圈和加热线圈之间；绝热层设置在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；出线端热沉结构包裹在超导线圈的出线端的外侧；骨架热沉结构设置在开关骨架的内侧；支撑部件的一端与开关骨架相连，另一端与超导磁体本体相连。本实用新型专利技术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。时间较长的技术问题。时间较长的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高温超导磁体的热控式超导开关


[0001]本技术涉及超导开关
，尤其涉及一种用于高温超导磁体的热控式超导开关。

技术介绍

[0002]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
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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。
[0003]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。
[0004]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
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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。
[0005]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：
[0006](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。
[0007](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。

技术实现思路

[0008]为解决上述技术问题之一，本技术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。
[0009]本技术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；
[0010]所述开关骨架为两端具有法兰的圆筒结构；
[0011]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；
[0012]所述导热层设置在所述超导线圈和所述加热线圈之间；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]优选的，所述导热层为高热导率的低温胶。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]优选的，所述超导线圈为螺线管式线圈。
[0026]应用本技术的技术方案，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。本技术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
[0027]所包括的附图用来提供对本技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本技术的实施例，并与文字描述一起来阐释本技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高温超导磁体的热控式超导开关，其特征在于，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)；所述开关骨架(5)为两端具有法兰的圆筒结构；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；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；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的热控式超导开关，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈慧星，张艳清，周伟，张意，刘旭洋，王雪晴，王校威，张睿哲，于金鹏，曹益，
申请(专利权)人：中国航天科工飞航技术研究院中国航天海鹰机电技术研究院，
类型：新型
国别省市：