帶有失超保護電路的超導磁鐵的製作方法

2023-06-19 22:41:46 1

專利名稱：帶有失超保護電路的超導磁鐵的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超導磁鐵，特別涉及一種帶有基於大容量IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極電晶體)的失超保護電路的超導磁鐵。
背景技術：
隨著超導技術和超導材料的蓬勃發展，超導磁鐵有著廣闊的應用前景。由於超導磁鐵體積小、電流密度高、能耗低、場強高等優點，近年來在基礎科學研究、醫療衛生、交通運輸、國防工業等重要領域被越來越多的採用。當用於超導磁鐵的超導體回復到電阻狀態時，稱之為失超(Quench)。這可能是由於溫度、外界磁場的強度或承載電流的密度等某個參數超出其臨界值而引起的。超導體的一小部分不再是超導的，而是進入電阻狀態，任何流經該電阻部分的電流都會導致局部焦耳發熱。這將導致該超導體的鄰近部分失超，結果形成更大的電阻態體積，這又導致進一步地焦耳發熱。很快地，超導體進入電阻狀態，這時如果還有較大的電流仍在流經該超導體，那是非常危險的，會在一瞬間毀壞超導體。
實際應用中，在失超之前，超導磁鐵一般會帶有可能為兆焦耳數量級的儲存能量。在失超之後，儲能將在導體的電阻態體積中被消耗掉。如果不適當地控制失超過程，就會在有限的區域內消耗該儲能，從而導致局部溫度上升，該局部溫度上升會損壞失超開始的部分上或附近的線圈區域。已知可以通過擴展失超過程來避免有害的熱量集中，這就需要恰當地控制失超過程，也稱為對超導磁鐵進行失超保護。該失超保護的作用主要是在磁鐵發生失超時，將線圈的熱點溫度控制在安全範圍內。控制熱點溫度的實質就是控制儲能在熱點的沉積，通過擴展失超過程來避免有害的熱量集中，以便在儘可能多的可用超導體上耗散所產生的熱量，這將導致基本上涉及整個超導體的失超，意味著任一部分都不應達到危險的溫度。 一般是為每個超導線圈配備發熱器，該發熱器與線圈有緊密的熱接觸，通過向發熱器施加電流來實現故意的失超。
後前超導磁鐵的失超保護主要依靠設計的保護電路均為被動保護電路，為超導磁鐵提供被動保護，失超發生時，通過向發熱器施加電流來實現故意的失超，用擴展失超過程來避免有害的熱量集中，讓儲能在儘可能多的可用超導體上均勻的轉化為熱量並耗散掉，這將導致基本上涉及整個超導體的失超。因為被動保護轉移的能量有限，所以多適應於銅超比(超導線中銅和超導材料的含量之比)較大的、無源的超導線圈。
現行的保護器或者保護電路具有明顯的缺點其一，失超過程中產生的絕大部分熱量都被耗散在超導體中，熱應力的快速變化會對超導體的機械性能造成破壞。對於大多數超導材料來說，溫度超過100K時，熱膨脹引起的形變會比較明顯。過高的溫度會使超導線退化，引起臨界電流降低等。高溫也會對超導線外層的絕緣材料造成破壞。其二，超導材料一般都工作在10K左右的低溫中，使用發熱器會大大增加冷卻系統的熱負荷，延長失超後再次進入超導態的時間，降低整體機器的工作效率。
發明內容
本實用新型的目的就是要消除上述技術方案的不足和缺點，設計一種帶響應快、壽命長、控制靈敏、體積小、性能可靠的失超保護電路的超導磁鐵。
為了達到上述目的，本實用新型提供了一種超導磁鐵，包括至少六個串聯超導線圈L1 L6組成的超導磁鐵本體，其特徵在於所述超導磁鐵裝配有超導磁鐵失超保護器、失超探測器、電流傳感器、短路器和電流注入導線，所述超導磁鐵中的超導磁鐵本體一端通過電流傳感器聯接到短路器的一端，超導磁鐵本體另一端聯接失超保護器的一端，失超保護器的另一端聯接短路器的另一端，電流注入導線聯接短路器的兩端，所述串聯線圈的每個端點都和失超探測器聯接，失超探測器與電流傳感器聯接，失超探測器與超導磁鐵失超保護器聯接。
本實用新型的有益效果
為超導磁鐵提供主動失超保護。首先準確的探測到失超的發生，再通過保護器實施預定的保護動作。對於儲能大、銅超比小、超導線截面小的超導磁鐵，使用主動保護更為安全、合理，也便於將絕大部分能量轉移到超導磁鐵外部，控制失超後的熱點溫度在允許值以內，避免了發熱器產生的熱應力的快速變化對超導體的機械性能造成破壞。超導磁鐵的溫度僅有很小的上升(因為其中耗散的熱量非常小)，這對超導線外層的絕緣材料非常有利，也避免了高溫導致的超導線退化，延長了超導線的使用壽命。當然失超過程中產生的冷卻系統的熱負荷也被大幅度降低，失超後再次冷卻到超導態的時間被縮短，提高了整體機器的工作效率。


圖1為本發明的電路圖
具體實施方式
5如圖1所示本實用新型提供了一種超導磁鐵1，包括至少六個串聯超導線圈L1 L6組成的超導磁鐵本體2，其特徵在於所述超導磁鐵1裝配有超導磁鐵失
超保護器3、失超探測器4、電流傳感器5、短路器6和電流注入導線7，所述超導磁鐵1中的超導磁鐵本體2 —端通過電流傳感器5聯接到短路器6的一端，超導磁鐵本體2另一端聯接失超保護器3的一端，失超保護器3的另一端聯接短路器6的另一端，電流注入導線7聯接短路器6的兩端，所述串聯線圈的每個端點都和失超探測器4聯接，失超探測器4與電流傳感器5聯接，失超探測器4與超導磁鐵失超保護器3聯接。
正常工作中，當整個系統通過電流注入導線被連接到外部電源時，電流將主要通過失超保護器3和流經超導磁鐵本體2，短路器6是斷開的。失超探測器4採集超導線圈L1 L6的每個端點的電壓和電流傳感器輸出的電流信號im，計算分析該電壓、電流和L-di/dt信號及其相互關係。然後和超導線圈L1 L6在工程設計時的計算值進行比較，從而分析判斷超導線圈L1 L6是否工作在超導態。若在超導態，則電流將主要通過失超保護器3和超導線圈L1 L6。 一旦超導線圈L1 L6中某處發生失超，會馬上被失超探測器判斷出來，失超探測器的輸出信號Ue使保護器發生保護，同時關斷外部電源，短路器6導通。流經超導線圈L1 L6的電流id通過短路器6和失超保護器3繼續流動。這樣也就使大量的超導磁鐵儲能被轉化為熱量，並且轉移了出來，不再耗散在超導體中，而是耗散在了失超保護器3。這對超導線圈是非常好的，有利於超導線圈的安全穩定工作。
本實用新型這種失超保護被稱為主動失超保護。首先要準確的探測到失超的發生，再通過保護電路實施預定的保護動作。對於儲能大、銅超比小、超導線截面小的超導磁鐵，使用主動保護更為安全、合理，也便於將絕大部分能量轉移到外部的洩能電阻上，控制失超後的熱點溫度在允許值以內。
本實用新型的優勢在於失超判斷非常靈敏，且失超過程中產生的絕大部分熱量都被耗散在超導磁鐵外面，避免了發熱器產生的熱應力的快速變化對超導體的機械性能造成破壞。超導磁鐵的溫度僅有很小的上升(因為其中耗散的熱量非常小)，這對超導線外層的絕緣材料非常有利，也避免了高溫導致的超導線退化，延長了超導線的使用壽命。當然失超過程中產生的冷卻系統的熱負荷也被大幅度降低，失超後再次冷卻到超導態的時間被縮短，提高了整體機器的工作效率。
權利要求1.一種超導磁鐵(1)，包括至少六個串聯超導線圈L1～L6組成的超導磁鐵本體(2)，其特徵在於所述超導磁鐵(1)裝配有超導磁鐵失超保護器(3)、失超探測器(4)、電流傳感器(5)、短路器(6)和電流注入導線(8)，所述超導磁鐵(1)中的超導磁鐵本體(2)一端通過電流傳感器(5)聯接到短路器(6)的一端，超導磁鐵本體(2)另一端聯接失超保護器(3)的一端，失超保護器(3)的另一端聯接短路器(6)的另一端，電流注入導線聯(7)接短路器(6)的兩端，所述串聯線圈的每個端點都和失超探測器(4)聯接，失超探測器(4)與電流傳感器(5)聯接，失超探測器(4)與超導磁鐵失超保護器(3)聯接。
專利摘要本實用新型公開一種超導磁鐵失超保護電路和帶有該保護電路的超導磁鐵，超導磁鐵失超保護電路包括二極體、絕緣柵雙極電晶體和洩能電阻，二極體與絕緣柵雙極電晶體串聯以後再與洩能電阻並聯；所述超導磁鐵，包括超導磁鐵本體，裝配有上述超導磁鐵失超保護電路、失超探測器、電流傳感器、短路器和電流注入導線，本實用新型為超導磁鐵提供主動失超保護，失超判斷靈敏，失超過程中產生的絕大部分熱量都被耗散在超導磁鐵外面的洩能電阻上，避免了發熱器產生的熱應力的快速變化對超導體的機械性能造成破壞，延長了超導線的使用壽命。失超過程中產生的冷卻系統的熱負荷也被大幅度降低，失超後再次冷卻到超導態的時間被縮短，提高了整體機器的工作效率。
文檔編號H01F6/00GK201302889SQ20082022257
公開日2009年9月2日 申請日期2008年11月25日 優先權日2008年11月25日
發明者黨懷東, 劉姣宏, 楊 師, 柳恆敏, 王有雲, 石立峰, 斌 趙 申請人:天水電氣傳動研究所有限責任公司