磁和超導電磁推動裝置與製造方法
2023-05-28 02:46:36 1
專利名稱：磁和超導電磁推動裝置與製造方法
技術領域：
本發明屬於電力能源與機械動力領域的開創性發明。由這種新原理與技術方法製造的磁和超導電磁動力裝置—簡稱為超導磁動機，是一種能向外輸出電能和機械能的裝置。其基本發明是將磁與磁相互作用的超導磁體之超導閉合線圈工作於超導電通態與非超導電通態而設置有某種控制特徵的超導電開關，並在其開關兩側連接由通常導電材料所組成的洩放電流輸出迴路。裝置的運行是利用超導線圈臨界條件下時被外磁場激發所產生的抗磁電流磁場與外磁場間的磁力作用，並通過操縱超導開關的通斷而提供一種間歇或單向磁作用而運動，超導開關與調控器件是保證裝置電磁作用或運動矢勢向所設定運動方向持續遞進而發生連續運動以及達到控制磁與磁相互作用程度和推動與否目的的重要部分。[超導開關的工作狀態有(等效)閉合與斷開兩種，即當調控超導開關處於閉合狀態時，起導線圈迴路閉合，在外磁場下產生抗磁電流與磁場，與外磁場間形成磁相互作用(包括推動磁體克服阻力產生機械運動)；當調控超導開關處於斷開狀態時，超導線圈中的抗磁電流經所置外導電迴路洩放成為電能輸出。這個超導開關可有機械性能的、物理性能的或化學性能的等不同種類]。本項發明的設計構思和工作原理與以往理論方法有本質不同，屬一種全新概念，按這種新原理與方法建造的裝置可以得到巨大的能量輸出，而輸入能卻很小或為零，實謂一種新型能量產生裝置的好製造方法。超導電性、完全抗磁性是超導行為的主要特徵1)超導電性指在一定外界條件(P、T、H)下，超導材料在溫度下降至臨界溫度(Tc)時電阻突然變為零的特性，此時電流可在其中無阻通過，沒有損耗。倘若用電磁感應的方法或其它方法在其中產生環流，在外界條件值(P、H、T、＜Pc、Hc、Tc)下該電流可保持長期穩定流動。目前超導材料的臨界溫度已達100K以上，(如Tc＝110K的鉍系，Tc＝120K的鉈系，Tc＝150K的汞系等氧化物超導體)，並且在不斷地得到提高。超導能量賦存環[SMES]即是其超導電性實際應用之一。
2)完全抗磁性(邁斯納Meissner效應)在外磁場(H＜Hc)中將超導體(或環)冷卻至臨界溫度Tc以下時，在相變點原來存在於超導體內的磁感應強度B被完全等效排出體外，此時超導體內E＝0.B＝0，維持T＜Tc、H＜Hc條件，它就始終保持內部磁場為零(
)狀態，僅表面有一薄薄磁場滲透層。此時，超導體產生的抗磁電流磁場抵消外磁場，兩磁場間發生強烈的排斥作用。先降溫後再加外磁場，超導體內磁感應強度B也為零。人們熟知的演示實驗中常在容器中的超導體上放置一永久磁鐵，其後向容器中側入低溫冷卻劑致冷超導體於臨界溫度以下時，磁鐵即在斥力作用下上升浮起，當然，超導體一旦轉為正常態，這種排斥作用即消失終止。臨界溫度、臨界電流、臨界磁場等是其超導材料主要條件值1)臨界溫度(Tc)超導體由正常電導(阻隔)態轉變為超導態時的溫度稱為臨界溫度Tc，臨界轉變溫度常分布在一個不大的溫度過渡區間，如汞的臨界溫度4.22K，起始轉變溫度4.27K。目前高溫超導體的臨界溫度已處於液氮與氟裡昂冷卻劑溫區，也有報導，巴黎國立研究中心制出臨界溫度250K的超導物質，進一步的研究正在進行。
2)臨界磁場(Hc)當外加磁場強於某一定值時，超導態被破壞而不再具有超導電性和抗磁性，超導體由超導態轉變為正常態。此磁場強度稱為臨界磁場Hc。超導材料臨界磁場除與材料本身結構特徵有關外還與溫度有關，其經驗公式為
現有材料中特別是第II類超導體臨界磁場高達數十特斯拉以上，如Pb0.7Eu0.3Gd0.2Mo6S6在4.2K時的Hc2達60特斯拉。
3)臨界電流(Ic)處於超導態之超導體中電流強度達到該材料某一臨界數值時超導體即由超導態轉為正常態，這個電流稱為臨界電流Ic。超導電流由磁場所激發，做為抗磁電流而出現。臨界磁場(電流)實際上是臨界電流(磁場)的另一種表現形式。臨界電流不但與溫度和外磁場呈函數，而且與外磁場的方向有關。目前的超導材料中有些臨界電流已可達數萬安培·釐米-2，如日本超導工學研究部91年研製所得釔系超導材料，在31K溫度和35T磁場條件，臨界電流密度220KA·cm-2；77K、10T條件為24KA·cm-2；薄膜最高水平11MA·cm-2。超導材料臨界態轉換特點1)相變與潛熱根據超導熱力學理論，超導體正常態—超導態相變時每克分子的相變潛熱Q=-T4HcHcTVm----(2)]]>式中Vm為克分子體積，公式表明外磁場為零時相變潛熱為零，外磁場不為零時相變潛熱不為零比熱有不連續的跳躍。比熱的大小與超導材料特性和結構狀態有關，與承載電流強度無關。物質正常態—超導態的轉換與一般相構狀態有關，與承載電流強度無關。物質正常態～超導態的轉換與一般相變過程不同，它只涉及是電子狀態的改變而並無晶體結構改變。
2)相變時間超導體正常態與超導態之間的轉變時間極短，一般相變為10-13秒(無外磁場條件下)，這點已在超導量子幹涉儀(SQUID)等應用器件中得到證實，部分材料在外磁場存在時超導態的轉變有一定時間滯後。此外我們倘知1、超導電磁相互作用特徵與常規磁場作用特徵相同，
2、強電超導體在工業應用中常製成薄膜，線材，空心管狀或數以千計的極其細微的纖維絲埋置在導熱導電良好的基體或外套中，一旦發生猝熄失去超導電性情況時，超導電流被「擠入」導電基體中，這個基體或護套可作為另一電流通路洩放電流。前蘇聯、美、英等國製造的10-300兆瓦超導電機中普遍使用了該技術。因是由無數精細絲組成，在抑制磁通蠕動、栓定磁力線，阻止磁通跳躍失穩中有其優越性，另則還具有易彎曲形變特點，實驗表明，多次冷熱循環後仍具有很好的抗拉抗裂性能。這些材料已在核聚變裝置，超導電子對撞機，超導發電機，超導磁懸浮等眾多方面得到運用和性能檢驗，應用磁場強度常達十幾特斯拉，電流數十萬安培。如已知的有日本原子能研究所與日本電氣工業公司所研製用於核聚變裝置的超導磁體，由鋁鈮(Nb3Al)超導材料組成冷卻在液氦溫區，在12特斯拉強磁場下工作，施加在一塊磁體上的電磁力高達4萬噸，即使流過4萬安培的電流仍可保持超導狀態，只產生0.4％的應力應變，在此條件下流動的電流值的劣化比率僅5％。
基於所舉這些基本概念和工業應用事實，將有助於本專業技術人員正確清楚理解本發明所提出，下面將詳細說明的磁和超導電磁運行原理與技術方法，以及進行該類裝置的製造實施。
眾所周知，磁鐵有南北兩極，當我們取兩塊永久磁鐵A與B並使它們相同磁極相互靠近時將會感覺受到排斥產生一個向外的推力；反之，當把兩塊磁體的不同磁極相互靠近時將會受到吸引產生一個向內的拉力。倘若我們如
圖1所示，磁體A固定於Z處，磁體B固定於距A距離為X的一垂直轉軸O上一點Y處，並使兩磁體自身南北磁極連線Ca與Cb在垂直轉軸O的同一平面內，試驗時，用於移轉磁體B使其與磁體A同極相趨近(圖中所示為北極N)，磁軸線Ca與Cb之間的夾角φ減小時，我們感覺到了磁體A對磁體B同極的斥力，若此時鬆開手，將會看到轉軸上的磁體B在磁斥力作用下圍繞轉軸O向遠離排斥方向運動，而形成一種磁與磁推移運動。如果轉軸摩擦阻力較小的話，磁體B在動量支持下將轉過最遠點向逼近磁體A的反方向運動，在雙向磁斥力作用下形成往返運動，最終因摩擦阻力擺動至動量合力為零處時止。
當我們將圖1磁相互作用演示中的永磁體由超導磁體代替而能夠重複這種磁推動過程時，即稱其為超導電磁推動作用，簡稱為「超導電磁推動」。
經驗和試驗得知，因靜態磁場是位場，為守恆力，力這種作用性質不因方向位置和時間的不同而改變，上述演示不能自發形成連續轉動。而在我們熟知的工業機械如電動機中為了得到和保持連續運動，往往是通過輸入電流建立磁場，使定子與轉子間形成磁相互作用偶極場，再通過運移至一定位置處轉換電極片、電磁極或通過輸入隨時間相移的交流電而得到。功率損耗表現為電阻性(或綜合表觀電阻)。而本文所描述的超導電磁推動裝置也採用相似辦法通過下面這樣一種工作原理和方法來得到連續運動的物理學者所共知，前基本概念除述中也提到，若在外磁場中將超導體、超導環冷卻至臨界點以下時超導材料本身表現為零電阻(理想導電體)，產生的抗磁電流磁場與外磁場間形成強烈排斥作用，但是，一旦超導體轉為正常態(阻隔狀態)或超導環斷開時這種排斥作用即終止消失。我們既是利用物質的超導電性和抗磁性及這種作用變化特點來產生一種類似常規電機的超導電磁相互作用，這種物理特徵為超導電磁和電磁推動的設計與製作提供了基礎保證。由外磁場激發產生的超導環流磁場與外施加磁場間的磁排斥推移作用為一種非功能耗散過程，我們亦只要在這類運行裝置中安裝某種控制開關，在需要進行磁推動的位置與時間接通這種開關，在不需要進行磁推動位置與時間斷開此種開關。相應地我們通過此種途徑得到控制了一種超導電磁與磁推動的規律重複，使向某一方運動的矢勢得到保證而形成一種轉動。如圖2，設置一對常規外磁體A、B和一根中心轉軸O，在中心轉軸上安裝一矩形超導線圈W，其兩引出線端通過超導滑動環連接一超導開關K和由放電負載電阻體R組成的洩放電流迴路。然後將裝置放入超導材料臨界溫度Tc以下的低溫中，設當線框平面與外磁體走向間夾角為φ1位置時操作超導開關K閉合，使超導線圈W形成閉合通路，在外磁場激發下，線圈迴路中產生超導抗磁電流I及電流磁場H，因磁與磁同極的相排斥作用線框邊向相斥作用減小的方向移動，軸角φ向增大方向轉動，當線框平面與外磁場走向線間夾角即軸角達φ2位置時，我們操作打開超導開關K，超導線圈W迴路被切斷，其中流動的抗磁電流「擠入」另一導電迴路經過電阻體R以熱功形式洩放，磁排斥作用隨超導電流的消失而終止。此後線框在轉動慣量保持下繼續運動，達下一周期相角φ1位置時完成一個轉動周期並開始進入下一周期循環過程。這種過程的不斷重複與推動，我們就能得到一種連續準均衡的轉動並產生電能與動能輸出。利用磁的相互吸引作用也可得到這種相似結果。為了區別於現有概念上的超導電機，本說明書把這種利用物質的超導電性進行磁和超導電磁推動與運行的裝置，以及用包括下面將要說明的控制方法所組構，能向外輸出能量(η＞1)的機械裝置由此簡稱其為「超導磁動機」。
有鑑於此，通常意義的電機是一種機電能量轉換裝置，而超導磁動機是一種能向外輸出動能與電能的裝置，雖則它們的基本結構有頗多相似之處，但卻有著本質的區別。另所不同的是在目前情況下超導磁動機尚還需要與通常電機不同意義的低溫冷卻系統。
為了進一步說明超導磁動機工作原理與技術方法，下面列舉一種用磁控開關來控制做旋轉運動之簡化模型闡述其基本工作過程。工作示意見附圖3與4。圖中(1)-一半徑為r的轉子，磁體B由永久磁材料組成；②一定子，磁體A由超導繞組W組構。迴路中設置臨界磁場控制的超導開關K，以及常規導電迴路負載電阻R，m為控制磁體。假定以定子任一約定磁極A1為參照觀察其運轉時，所示模型工作過程概述如下1、在超導材料臨界溫度下，當轉子磁極-極Bi起始位置與定子磁極Al間法向夾角為φ1時，使啟控元件m變為無控制信號或關閉壯態，磁控超導開關K進入超導電通態，此時定子超導磁體線圈W為超導閉合迴路，在轉子磁極磁場激發下，線圈中建立抗磁電流與電流磁場(圖中雙虛電流線)，電流大小正比於轉子磁場強度在D處[(r+σ)·sinφ1)]的磁感強度Bd、繞組匝數Nw等磁通面積S等，定子磁極Al感生的抗磁場與轉子磁極Bi磁場間發生排斥作用，轉子所受斥力F通過力臂(
)有轉距Mφ推動轉子，在轉子轉動慣量J下轉子(1)得到角加速度β向轉角φ增大方向運動，動能轉換為轉動慣性。
2、當轉子磁極Bi移動到與定子磁極Al間正向夾角φ2時若控制部件m作用，施加的控制磁場促使超導開關K瞬間相變為常阻態(電阻Rs→∞的無窮大阻態)此時定子磁極超導繞組W呈超導開路(相似超導磁體線圈該點失超阻斷)，繞組中流動的抗磁電流被「擠入」預置的外導電迴路Le經負載電阻R阻滯釋放(圖中單虛電流線)，電子動能以熱功形式轉換放出，洩放時間由相角位移表示時有φ2-φ3過程。
3、轉子過角φ3後在轉動慣量保持下繼續運動，該對轉子角速度β＝0。當轉子磁極下一極Bi+1移動到與定子磁極Al連線的正向法線夾角φ1時也亦等於轉子磁極Bi移動到定子磁極下一極Al+1間正向法線夾角φ1時完成一個工作循環，起始進入下一工作周期。
此過程按這種順序周期重複不斷循環得到一種連續轉動。
超導開關可由預置在轉子、定子間的啟控元件於設定相角處開啟和關閉，當相位傳感器接收到位置施控信號時開啟，未有信號時關閉。所以我們只要設定並施加一個很小的啟控信號使超導開關在轉子磁極相對定子磁極一定相角處時的通斷即可操縱轉子與定子間電磁推動與否並能夠使這種向某一方向運動的矢量得到持續保證而發生連續轉動。調控啟閉信號作用與不作用的位置時間比，從而達到調節超導開關器件導通與關斷的佔空比，也即得到控制轉子與定子間作用相角及時間比，當改變相角位或這種時間佔空比既可得到不同運動速度或功率特性的多工況均衡轉動，同時也形成了佔空比可調的脈衝放電輸流特徵(頻率、功率可調輸出)。轉子、定子往往由不同的磁極數組成，任一循環次轉子每對作用磁極均重複一種相同工作過程，產生的機械能與電流也亦是其各極之和。不論何類開關，因為施加控制超導開關開啟與關閉這種狀態變化所需的能量很小，因此這種能量消耗與裝置所做的有用功相比可近乎忽略不計，在概略說明中往往可不於考慮。
超導磁動機之運行受制於超導開關工作狀態以及控制作用特徵，這種超導開關可有多種不同的種類，如機械的、物理的、物理化學的等。
兩超導體間通過機械接觸或斷開來實現超導迴路的連通或打開者稱為機械特性開關。特點是轉換速度慢，工作不可靠且結構複雜。前已提及，臨界溫度、臨界磁場和臨界電流是超導體的幾個基本屬性，在臨界處發生超導態～正常態轉變，兩者間存在巨大電導差別，這點為我們提供了一種極好極有用的特性。我們只要設計採用這組物理量中的任一參數，就象是在迴路中安了某種開關來達到通斷的目的。利用超導材料超導態與正常態電導差別來實現超導迴路的連通或阻斷的稱物理特性開關。我們只要通過某種手段利用超導材料這些基本物理量臨界點的變化使超導組件的全部或局部在超導態～正常態間轉變發生電導突變，就等效在超導迴路中安裝了一個開關來達到控制通斷的目的。這種物理開關可有不同的啟控方式和種類，下面列舉幾種a.利用超導體臨界溫度Tc，提供狀態臨界點附近一定溫差變化實現超導體常態/超態轉變，即T1+T2＞或＜Tc。這點已有成熟技術的應用。
b.利用超導體臨界磁場Hc，通過改變控制磁場強弱，實現超導體常態/超態轉換。設超導開關材料在狀態處臨界磁場為Hc，外磁場作用下所產生的抗磁電流磁場H1，施加控制磁體磁場H2，當H1+H2＞Hc時超導體由超導態相變為常態，撤除減小或反向控制磁場H2，H1+H2＜Hc時超導體轉變為超導態。
c.利用超導體臨界電流Ic，通過控制流過導體電流強弱實現超導體超態/常態轉變。可藉助外供電流網路完成。設超導體(線)狀態臨界電流Ic，外磁場下產生抗磁電流I1，施加控制電流I2，I1+I2＞Ic時超導體由超導態轉變為常態，關斷、減小或反向控制電流以I2，I1+I2＜Ic時超導體保持超導態。此外，利用超導體壓敏、光敏等一些物理化學特性也可實現超導態/常態之轉變。具體應用中我們常要求上述各類開關或稱其為閘流管的器件應有如下優良特性1)自身體積和能量消耗儘量小；2)斷開(常態)時應有極大電阻值或為絕緣體，而在閉合(導態)時應符合設定的最大電流或磁場要求；3)斷開(常態)與閉合(導態)間轉變靈敏快捷，過渡時間和區間小，工作穩定、重複性好，控制方法簡單。綜上所述，顯然物理特性超導開關優於機械特性超導開關，而其中又屬磁場控制的物理開關特點顯著。
裝置工作系統通常包括超導電磁系統；低溫致冷系統；激磁系統；機電能量輸出系統；控制系統等子系統。基本結構中主要由定子部件，轉子部件，磁體，超導線圈，磁場線圈，控制部分，致冷與絕熱腔體等部件所組成。顯然，將系統中由通常導電材料所組成的電流洩放迴路置於低溫區外，使遷移電流產生焦耳熱散失在外部空間比在低溫區間中耗用蒸發致冷劑要有利的多。
裝置機械運動形式總體上可以分為平行移動與旋轉運動兩類。每類依製造方式又有不同的結構形式與磁極組合方式，依磁相互作用與軸間方向還有徑向與軸向之分，以及由定子、轉子磁體所用成磁方法也可分為不同的配合形式，如超導體--超導體的全超導結構；永久磁體--超導磁體的永磁超導結構；電能磁體--超導磁體的電磁超導結構等，依超導材料製作工藝方法與運轉、控制方式的不同也可有不同的種類，總之，在其應用領域可存在在一個龐大組群，此處不詳細說明。
超導磁動機在運行中依其結構的不同經外導電迴路引出的洩放電流為一種隨時間急驟變化的不同特徵的脈衝，控制方法不同，輸出電流以特點也不同。轉子或定子磁極按不同極性規律排列產生兩種不同類型的洩放電流，即表現為直流特性脈衝和交流特性脈衝。起因於其結構類型和運行特點、內稟性有所不同。當定子與轉子同極性結構排列，運行時輸出電流方向不發生改變為脈衝直流；當定子或轉子不同極性結構規律變化，運行中輸出電流方向隨排列規律發生變化為脈衝交流。故電流性質有直流與交流兩種。多極結構的繞組洩放電流也可通過單向的導電結匯集成不同的相線路，或予以串並聯平滑輸出。
通過不同設計電磁線圈結構形式與鐵磁增強鐵芯而改變電磁相互作用超導繞組中的電流強度，達到以主要輸出機械動能或電能為目的不同應用類型，另外，超導磁體的起磁方式除可有起磁線圈激磁外，也可利用超導電磁繞組它激起磁。
上文雖已給出超導電磁和磁推動運行原理、控制方法及能量輸出定性說明，但也未免明顯的有些模糊簡略，有必要進一步與予量化分析。參考圖3、圖4，若簡化假設超導電磁和磁相互作用為理想狀態，磁導率μ→∞，各磁極間為獨立參數互不影響，在相角移φ1～φ3過程轉子磁極磁場強度H或磁感強式(i)
式(ii)
式(iii)
式(iv)
式(v)
式(vi)
式(vii)
Q1=otIdt=oIoe-Rt/Ldt-----(8)]]>電功效益Aei=oRI2dt=RIo2o(e-Rt/L)2dt----(9)]]>多磁極裝置洩流所做功即為各磁極電流功之和。
由歐姆定律V＝IR和推導式I＝V/R(1-e-Rt/L)dt也可計算出外線路洩放電流時的電壓強度或繞組的電流值[ε＝RIoe-Rt/L]。
裝置系統一般由常溫區與低溫區兩部分組成(因尚無室溫超導體，故只討論這種情況)，低溫區中的熱主要來自兩方面，即低溫區中是電磁工作器件產生熱與從常溫區導入熱。
(1)導入熱可有非理想絕熱材料工藝漏熱；常溫區電磁迴路電子流遷移導入熱；晶格擴散熱。有限時間遷移熱導中導體導熱量遵從傅立葉(Fourier)定律dQ/dt＝-λmdT/dx ………………………………(10)或熱導率q＝-λΔT…………………………………………(11)dQ/dt表示單位時間通過導體截面S一維x方向摶導的熱量，比例係數λ為材料熱導率。熱遞質主要是自由電子。物體中傳導的熱流密度q和該處溫度梯度ΔT成正比。脈衝洩放電流可認為是正常電子無規律熱運動之上迭加的定向移動，熱遷移方向表徵它在常溫區間吸收熱量而在低溫區釋放。導熱量可由(10)式表示，式中λ為電子熱導率。
外部電子流遷移導入熱磁相互作用中輸出為單向脈動電子流時可由傅立葉式直接給出。磁相互作用中輸出為交變脈動電子流時，設交變狀態下某一自由電子起始原點位置為O，任一推動次後電子平均正向漂移距離x+，在其下一推動次後電子反向平均漂移距離x_，故有限時間段內電子在迴路中做遷移距離很小的往返振動。因為運動電子這種漂移距離x所跨躍的溫差範圍較小與直流輸出相比導入熱量更小。
(2)低溫區中電磁自生熱主要由工作器件本身產生，可有超導材料磁通移動熱；非可逆磁化熱、磁弛豫熱、交變渦旋電磁場熱、微渦旋感生電流熱、阻性元件焦耳熱、相變潛熱等。這些自身產熱源多數可從選用材料、製作工藝、結構改進上予以排除或降低，使其對整體消耗致冷功影響變小。如超導材料選用極細纖維束絲(＜μm級)和不連續導電基體(高阻基體)即可栓定磁通移動，抑制渦變電磁場和感生電流損耗，減小或消除交變微渦損。對於超導相變潛熱可以這樣來思辨裝置中超導組件存在的變化狀態不外乎有兩種即常態相變與超導相變，並可分有電流超導態與無電流超導態和正常態與超導態兩種不同屬性型周期循環情況，但不論是哪種情況，在每一循環過程中存在不發生熱量變化抑或一個相變周期後吸收的熱量與釋放出的熱量在數值上均相等，即吸收與放出相變潛熱的值相等，所以，在任一時間區間內熱量變化之差的算術平均值為零。
低溫區內電磁器件自生熱也分為直流狀態與交流狀態兩種。直流狀態下的損耗較小，與選用材料和製作工藝相關連。超導材料在交變磁場中的損耗一般應包括渦流損耗、磁滯損耗、本底(剩餘)損耗。渦流損耗
，由磁通量φ＝B·Scosφ，抗磁微園環
，代入左式解出I，或由
得出，也可由焦耳損耗
求得。(注V＝環流面積×透入深度，Δ＝透入深度，ω＝角頻率(2πf)，渦流損耗等效該面積的磁場能量)，磁滯損耗
，單位時間單位體積磁滯損耗功率
。當超導材料的結構類型和製作工藝使得渦流損耗和磁滯損耗都很小時，這樣使主要是本底(剩餘)損耗的作用了，而此歸結到各種馳豫機制問題，較為清楚的機制有①自旋弛豫(電子進動弛豫)；②電子擴散弛豫(晶格離子價電子的擴散排列)；③微渦流弛豫。由這些馳豫過程產生的熱可統稱為微損耗熱。在交變狀態下，與其相關產生的作用能或熱亦可稱為微交變損耗。此項遠小於導入熱。
裝置其餘器件如磁體鐵芯等處於低溫冷系統之外，不構成低溫致冷參量，故消耗致冷功的主要是導入熱、非理想絕熱體漏熱、渦變感生電場熱。
一種旋轉運動的超導磁動機實施例基本構造如圖5與圖6所示。
圖5為永磁轉子結構的超導磁動機，左為立體側面圖，右為A-A′橫剖面圖。主要包括安裝有超導組件的定子部件(1)和可相對定子樞體中心轉動的永磁轉子部件(2)，超導可調脈衝開關控制部件(3)，控制信號供給m與拾取L所組合傳感元件(4)，洩放電流輸出控制變換接線匣(5)，低溫致冷機(6)，冷劑輸送系統(7)和熱交換系統(8)等幾個基本部分組成。定子(1)中的超導線圈W和超導開關K安裝在絕熱材料組構的腔體中，引線由絕熱套包裹，其特徵是線圈與開關、外輸出導電迴路相連結，基座上安裝有控制超導開關的光、電、磁等位置傳感器件L，轉子(2)轉樞與器件L對應處也設有相應光、電、磁等相對應傳感器件m，當m接收到位置傳感器件L發出的控制信號時傳輸給施控部件，使超導開關進入不同工作狀態。調控發送信號的相角位與角φ1～φ2區間既可達到改變工況的目的。
圖6為全超導電磁結構的超導磁動機，包括定子部件(1)和可相對定子樞體中心轉動兩側密閉軸支承安裝的轉子部件(2)，超導開關(閘流管)部件(3)，洩流負載(迴路)調控輸出部件(4)，低溫致冷機(5)和外調控部件(6)幾個基本部分。與動力輸出負載(7)可用傳遞橋連接。定子部件(1)中安置有真空絕熱腔包圍的多磁極超導線圈迴路(11)，導磁鐵芯(12)，輸送冷劑環流管路(13)及相角位傳感器件(14)，外部設有控制操作部件(圖中未畫出)。轉子部件(2)中包括機械轉軸(21)和轉樞上等距對稱設置的超導磁體(22)，絕熱部件(23)，導磁鐵芯(24)，起磁線圈(25)，充磁連接環(26)，冷劑循環的軸心通道(27)及相角位施感器件(28)。樞體中的冷劑在定子電樞與轉子電樞間隙之外可減少磨擦損失。其餘部件如賦冷輸液設施、隔熱橋、支承部件等從屬結構圖中未畫出。啟動運行前，由致冷系統先將定子、轉子電樞中的超導體冷卻至其臨界溫度以下，其後按所設工作方式向轉子超導磁體(起磁)線圈輸入激磁電流，激發超導線圈建立轉子磁場，此後即可調控操作控制部件使其逐步進入所設穩態運行工作狀態。
若對上述全超導電磁結構的實施例裝置如前予以理想模化並賦於一組任意數值設轉子半徑r＝1.5m，磁極數12，每磁極面等強寬度0.4m，長5m，磁場強度H＝6T(特斯拉)，定子磁極參數與轉子磁極等同，磁相互作用運移角φ1～2＝1°～7.5°，穩態角轉速ω＝5rad/s，φ2-3洩放電流時間持續角x°，峰值強度Imax＝2萬A(安培)，此條件下，若簡略計算可知有磁極作用力Fi=B22os=(2N/Am)22410-7N/A20.4m5m=2.86107N]]>F＝Fi×12＝3.4×108N(3.5萬噸)(不考慮材料強度)令φ1～2過程中磁場強度與作用力大小保持不變，按(4)式有機械功Ami=B2180o(r+)ln|Sin||12]]>或更簡略化
Am＝Ami×12＝5.8×107J裝置機械功率Pm＝Am·ω＝5.8×107J×5rad/s＝29×107J·s-1(w)式(i)
式(ii)
式(iii)
式(iv)
式(v)
式(vi)
式(vii)
直流輸出相比導入熱量更小。即Qn＜＜17.2ca·s-1。
交變狀態下，雖然低溫區內電磁磁工作器件自生熱微交變損耗增大，但這種增加受制於超導材料本身及製作工藝，且因交變電子流遷入熱變小，即是考慮直流輸出狀態本底(剩餘)損耗以外交變狀態的感生渦流損耗、磁滯(非可逆磁化)損耗等項時，可做到的綜合總損耗增加並不很大，概略上可認為與直流輸出狀態相比仍然屬同一數量級。
至此，這類百兆瓦功率級裝置，通過這種量化分析，在不考慮其它外界變量如低溫容器、絕熱層介質損失等時，這種產熱量級以蒸發液氮*來核算，裝置冷卻系統每小時也僅需冷凝(300～70K)處理xKg數量級液化氮。由此可知，裝置工作器件所消耗的致冷功與所輸出的機械功，電功效益相比是非常小的。如若參照世界工業國家已有超導裝置的致冷情況，在採用液氦致冷條件下，1萬千瓦級的轉子超導發電機每小時的液氦流量也僅為幾十升，所以，裝置所用致冷器件消耗的功率對其輸出有益功率的影響小至忽略不計。
綜合以上說明，這種裝置具有原理簡單易於製造的特點，按照其原理與技術方法，人們可設計製造出種類繁多用途各異的不同裝置，它具有體積小，重量輕，輸出功率巨大，單位體積質量功率比高，噪聲低，清潔衛生等眾多優越性。隨著高溫超導材料的深入研究，一旦製造出室溫超導材料將會使其應用更便利。這種新原理與技術方法必將為人類社會進步與發展開闢一個新的領域。
權利要求
1.磁和超導電磁推動裝置，主要有磁場磁體樞體、相對磁場磁體產生抗磁作用的超導磁體樞體、控制部分和致冷部分等基本組件所組成，其製造方法的特徵在於為使裝置磁相互作用的超導電磁系統超導閉合線圈工作於超導態與非超導態而設置有某種控制特徵的超導電開關(超導閘流器)，並在其兩側連接處延接通常導電輸放電流負載迴路，通過操縱相應部分控制超導電開關的通斷狀態以達到控制超導抗磁磁體與磁場磁體間磁相互作用與否及大小，調控超導開關相導位置和持續時間即有不同作用和運動特徵，亦可產生不同數量的電能和機械能。
2.權力要求1所述磁和超導電磁推動裝置，其特徵在於磁場磁體樞體與超導抗磁磁體樞體間可做平行移動或旋轉運動。
3.權力要求1所述磁和超導電磁推動裝置，其特徵在於超導電開關(超導閘流器)它可以是機械性能的、物理性能的或其它不同性能的，一般條件下物理性能的將顯示優越。
全文摘要
磁和超導電磁推動裝置——簡稱超導磁動機,是一種能產生電能和機械能的動力裝置。說明書中敘述了其基本工作原理、相關參數等,製作方法中的關鍵是讓磁相互作用的超導磁體線圈工作於超導態與非超導態而設置有某種控制特徵的超導電開關,並在其兩側並行連接通常導電洩放電流輸出迴路。裝置由抗磁磁力作用而運動,並通過操縱超導開關的通斷與相導時間而提供單向磁推動之大小,得到不同功率輸出。
文檔編號H02K55/00GK1195919SQ9710476
公開日1998年10月14日 申請日期1997年4月7日 優先權日1997年4月7日
發明者王世英 申請人:王世英