專利名稱：帶有失超保護(hù)電路的超導(dǎo)磁鐵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種超導(dǎo)磁鐵，特別涉及一種帶有基于大容量IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極晶體管)的失超保護(hù)電路的超導(dǎo)磁鐵。
背景技術(shù)：
隨著超導(dǎo)技術(shù)和超導(dǎo)材料的蓬勃發(fā)展，超導(dǎo)磁鐵有著廣闊的應(yīng)用前景。由于超導(dǎo)磁鐵體積小、電流密度高、能耗低、場(chǎng)強(qiáng)高等優(yōu)點(diǎn)，近年來在基礎(chǔ)科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運(yùn)輸、國防工業(yè)等重要領(lǐng)域被越來越多的采用。當(dāng)用于超導(dǎo)磁鐵的超導(dǎo)體回復(fù)到電阻狀態(tài)時(shí)，稱之為失超(Quench)。這可能是由于溫度、外界磁場(chǎng)的強(qiáng)度或承載電流的密度等某個(gè)參數(shù)超出其臨界值而引起的。超導(dǎo)體的一小部分不再是超導(dǎo)的，而是進(jìn)入電阻狀態(tài)，任何流經(jīng)該電阻部分的電流都會(huì)導(dǎo)致局部焦耳發(fā)熱。這將導(dǎo)致該超導(dǎo)體的鄰近部分失超，結(jié)果形成更大的電阻態(tài)體積，這又導(dǎo)致進(jìn)一步地焦耳發(fā)熱。很快地，超導(dǎo)體進(jìn)入電阻狀態(tài)，這時(shí)如果還有較大的電流仍在流經(jīng)該超導(dǎo)體，那是非常危險(xiǎn)的，會(huì)在一瞬間毀壞超導(dǎo)體。
實(shí)際應(yīng)用中，在失超之前，超導(dǎo)磁鐵一般會(huì)帶有可能為兆焦耳數(shù)量級(jí)的儲(chǔ)存能量。在失超之后，儲(chǔ)能將在導(dǎo)體的電阻態(tài)體積中被消耗掉。如果不適當(dāng)?shù)乜刂剖С^程，就會(huì)在有限的區(qū)域內(nèi)消耗該儲(chǔ)能，從而導(dǎo)致局部溫度上升，該局部溫度上升會(huì)損壞失超開始的部分上或附近的線圈區(qū)域。已知可以通過擴(kuò)展失超過程來避免有害的熱量集中，這就需要恰當(dāng)?shù)乜刂剖С^程，也稱為對(duì)超導(dǎo)磁鐵進(jìn)行失超保護(hù)。該失超保護(hù)的作用主要是在磁鐵發(fā)生失超時(shí)，將線圈的熱點(diǎn)溫度控制在安全范圍內(nèi)?？刂茻狳c(diǎn)溫度的實(shí)質(zhì)就是控制儲(chǔ)能在熱點(diǎn)的沉積，通過擴(kuò)展失超過程來避免有害的熱量集中，以便在盡可能多的可用超導(dǎo)體上耗散所產(chǎn)生的熱量，這將導(dǎo)致基本上涉及整個(gè)超導(dǎo)體的失超，意味著任一部分都不應(yīng)達(dá)到危險(xiǎn)的溫度。 一般是為每個(gè)超導(dǎo)線圈配備發(fā)熱器，該發(fā)熱器與線圈有緊密的熱接觸，通過向發(fā)熱器施加電流來實(shí)現(xiàn)故意的失超。
后前超導(dǎo)磁鐵的失超保護(hù)主要依靠設(shè)計(jì)的保護(hù)電路均為被動(dòng)保護(hù)電路，為超導(dǎo)磁鐵提供被動(dòng)保護(hù)，失超發(fā)生時(shí)，通過向發(fā)熱器施加電流來實(shí)現(xiàn)故意的失超，用擴(kuò)展失超過程來避免有害的熱量集中，讓儲(chǔ)能在盡可能多的可用超導(dǎo)體上均勻的轉(zhuǎn)化為熱量并耗散掉，這將導(dǎo)致基本上涉及整個(gè)超導(dǎo)體的失超。因?yàn)楸粍?dòng)保護(hù)轉(zhuǎn)移的能量有限，所以多適應(yīng)于銅超比(超導(dǎo)線中銅和超導(dǎo)材料的含量之比)較大的、無源的超導(dǎo)線圈。
現(xiàn)行的保護(hù)器或者保護(hù)電路具有明顯的缺點(diǎn)其一，失超過程中產(chǎn)生的絕大部分熱量都被耗散在超導(dǎo)體中，熱應(yīng)力的快速變化會(huì)對(duì)超導(dǎo)體的機(jī)械性能造成破壞。對(duì)于大多數(shù)超導(dǎo)材料來說，溫度超過100K時(shí)，熱膨脹引起的形變會(huì)比較明顯。過高的溫度會(huì)使超導(dǎo)線退化，引起臨界電流降低等。高溫也會(huì)對(duì)超導(dǎo)線外層的絕緣材料造成破壞。其二，超導(dǎo)材料一般都工作在10K左右的低溫中，使用發(fā)熱器會(huì)大大增加冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷，延長失超后再次進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的時(shí)間，降低整體機(jī)器的工作效率。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是要消除上述技術(shù)方案的不足和缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種帶響應(yīng)快、壽命長、控制靈敏、體積小、性能可靠的失超保護(hù)電路的超導(dǎo)磁鐵。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種超導(dǎo)磁鐵，包括至少六個(gè)串聯(lián)超導(dǎo)線圈L1 L6組成的超導(dǎo)磁鐵本體，其特征在于所述超導(dǎo)磁鐵裝配有超導(dǎo)磁鐵失超保護(hù)器、失超探測(cè)器、電流傳感器、短路器和電流注入導(dǎo)線，所述超導(dǎo)磁鐵中的超導(dǎo)磁鐵本體一端通過電流傳感器聯(lián)接到短路器的一端，超導(dǎo)磁鐵本體另一端聯(lián)接失超保護(hù)器的一端，失超保護(hù)器的另一端聯(lián)接短路器的另一端，電流注入導(dǎo)線聯(lián)接短路器的兩端，所述串聯(lián)線圈的每個(gè)端點(diǎn)都和失超探測(cè)器聯(lián)接，失超探測(cè)器與電流傳感器聯(lián)接，失超探測(cè)器與超導(dǎo)磁鐵失超保護(hù)器聯(lián)接。
本實(shí)用新型的有益效果
為超導(dǎo)磁鐵提供主動(dòng)失超保護(hù)。首先準(zhǔn)確的探測(cè)到失超的發(fā)生，再通過保護(hù)器實(shí)施預(yù)定的保護(hù)動(dòng)作。對(duì)于儲(chǔ)能大、銅超比小、超導(dǎo)線截面小的超導(dǎo)磁鐵，使用主動(dòng)保護(hù)更為安全、合理，也便于將絕大部分能量轉(zhuǎn)移到超導(dǎo)磁鐵外部，控制失超后的熱點(diǎn)溫度在允許值以內(nèi)，避免了發(fā)熱器產(chǎn)生的熱應(yīng)力的快速變化對(duì)超導(dǎo)體的機(jī)械性能造成破壞。超導(dǎo)磁鐵的溫度僅有很小的上升(因?yàn)槠渲泻纳⒌臒崃糠浅Ｐ?，這對(duì)超導(dǎo)線外層的絕緣材料非常有利，也避免了高溫導(dǎo)致的超導(dǎo)線退化，延長了超導(dǎo)線的使用壽命。當(dāng)然失超過程中產(chǎn)生的冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷也被大幅度降低，失超后再次冷卻到超導(dǎo)態(tài)的時(shí)間被縮短，提高了整體機(jī)器的工作效率。


圖1為本發(fā)明的電路圖
具體實(shí)施方式
5如圖1所示本實(shí)用新型提供了一種超導(dǎo)磁鐵1，包括至少六個(gè)串聯(lián)超導(dǎo)線圈L1 L6組成的超導(dǎo)磁鐵本體2，其特征在于所述超導(dǎo)磁鐵1裝配有超導(dǎo)磁鐵失
超保護(hù)器3、失超探測(cè)器4、電流傳感器5、短路器6和電流注入導(dǎo)線7，所述超導(dǎo)磁鐵1中的超導(dǎo)磁鐵本體2 —端通過電流傳感器5聯(lián)接到短路器6的一端，超導(dǎo)磁鐵本體2另一端聯(lián)接失超保護(hù)器3的一端，失超保護(hù)器3的另一端聯(lián)接短路器6的另一端，電流注入導(dǎo)線7聯(lián)接短路器6的兩端，所述串聯(lián)線圈的每個(gè)端點(diǎn)都和失超探測(cè)器4聯(lián)接，失超探測(cè)器4與電流傳感器5聯(lián)接，失超探測(cè)器4與超導(dǎo)磁鐵失超保護(hù)器3聯(lián)接。
正常工作中，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)通過電流注入導(dǎo)線被連接到外部電源時(shí)，電流將主要通過失超保護(hù)器3和流經(jīng)超導(dǎo)磁鐵本體2，短路器6是斷開的。失超探測(cè)器4采集超導(dǎo)線圈L1 L6的每個(gè)端點(diǎn)的電壓和電流傳感器輸出的電流信號(hào)im，計(jì)算分析該電壓、電流和L-di/dt信號(hào)及其相互關(guān)系。然后和超導(dǎo)線圈L1 L6在工程設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算值進(jìn)行比較，從而分析判斷超導(dǎo)線圈L1 L6是否工作在超導(dǎo)態(tài)。若在超導(dǎo)態(tài)，則電流將主要通過失超保護(hù)器3和超導(dǎo)線圈L1 L6。 一旦超導(dǎo)線圈L1 L6中某處發(fā)生失超，會(huì)馬上被失超探測(cè)器判斷出來，失超探測(cè)器的輸出信號(hào)Ue使保護(hù)器發(fā)生保護(hù)，同時(shí)關(guān)斷外部電源，短路器6導(dǎo)通。流經(jīng)超導(dǎo)線圈L1 L6的電流id通過短路器6和失超保護(hù)器3繼續(xù)流動(dòng)。這樣也就使大量的超導(dǎo)磁鐵儲(chǔ)能被轉(zhuǎn)化為熱量，并且轉(zhuǎn)移了出來，不再耗散在超導(dǎo)體中，而是耗散在了失超保護(hù)器3。這對(duì)超導(dǎo)線圈是非常好的，有利于超導(dǎo)線圈的安全穩(wěn)定工作。
本實(shí)用新型這種失超保護(hù)被稱為主動(dòng)失超保護(hù)。首先要準(zhǔn)確的探測(cè)到失超的發(fā)生，再通過保護(hù)電路實(shí)施預(yù)定的保護(hù)動(dòng)作。對(duì)于儲(chǔ)能大、銅超比小、超導(dǎo)線截面小的超導(dǎo)磁鐵，使用主動(dòng)保護(hù)更為安全、合理，也便于將絕大部分能量轉(zhuǎn)移到外部的泄能電阻上，控制失超后的熱點(diǎn)溫度在允許值以內(nèi)。
本實(shí)用新型的優(yōu)勢(shì)在于失超判斷非常靈敏，且失超過程中產(chǎn)生的絕大部分熱量都被耗散在超導(dǎo)磁鐵外面，避免了發(fā)熱器產(chǎn)生的熱應(yīng)力的快速變化對(duì)超導(dǎo)體的機(jī)械性能造成破壞。超導(dǎo)磁鐵的溫度僅有很小的上升(因?yàn)槠渲泻纳⒌臒崃糠浅Ｐ?，這對(duì)超導(dǎo)線外層的絕緣材料非常有利，也避免了高溫導(dǎo)致的超導(dǎo)線退化，延長了超導(dǎo)線的使用壽命。當(dāng)然失超過程中產(chǎn)生的冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷也被大幅度降低，失超后再次冷卻到超導(dǎo)態(tài)的時(shí)間被縮短，提高了整體機(jī)器的工作效率。
權(quán)利要求1.一種超導(dǎo)磁鐵(1)，包括至少六個(gè)串聯(lián)超導(dǎo)線圈L1～L6組成的超導(dǎo)磁鐵本體(2)，其特征在于所述超導(dǎo)磁鐵(1)裝配有超導(dǎo)磁鐵失超保護(hù)器(3)、失超探測(cè)器(4)、電流傳感器(5)、短路器(6)和電流注入導(dǎo)線(8)，所述超導(dǎo)磁鐵(1)中的超導(dǎo)磁鐵本體(2)一端通過電流傳感器(5)聯(lián)接到短路器(6)的一端，超導(dǎo)磁鐵本體(2)另一端聯(lián)接失超保護(hù)器(3)的一端，失超保護(hù)器(3)的另一端聯(lián)接短路器(6)的另一端，電流注入導(dǎo)線聯(lián)(7)接短路器(6)的兩端，所述串聯(lián)線圈的每個(gè)端點(diǎn)都和失超探測(cè)器(4)聯(lián)接，失超探測(cè)器(4)與電流傳感器(5)聯(lián)接，失超探測(cè)器(4)與超導(dǎo)磁鐵失超保護(hù)器(3)聯(lián)接。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種超導(dǎo)磁鐵失超保護(hù)電路和帶有該保護(hù)電路的超導(dǎo)磁鐵，超導(dǎo)磁鐵失超保護(hù)電路包括二極管、絕緣柵雙極晶體管和泄能電阻，二極管與絕緣柵雙極晶體管串聯(lián)以后再與泄能電阻并聯(lián)；所述超導(dǎo)磁鐵，包括超導(dǎo)磁鐵本體，裝配有上述超導(dǎo)磁鐵失超保護(hù)電路、失超探測(cè)器、電流傳感器、短路器和電流注入導(dǎo)線，本實(shí)用新型為超導(dǎo)磁鐵提供主動(dòng)失超保護(hù)，失超判斷靈敏，失超過程中產(chǎn)生的絕大部分熱量都被耗散在超導(dǎo)磁鐵外面的泄能電阻上，避免了發(fā)熱器產(chǎn)生的熱應(yīng)力的快速變化對(duì)超導(dǎo)體的機(jī)械性能造成破壞，延長了超導(dǎo)線的使用壽命。失超過程中產(chǎn)生的冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷也被大幅度降低，失超后再次冷卻到超導(dǎo)態(tài)的時(shí)間被縮短，提高了整體機(jī)器的工作效率。
文檔編號(hào)H01F6/00GK201302889SQ20082022257
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者黨懷東, 劉姣宏, 楊 師, 柳恒敏, 王有云, 石立峰, 斌 趙 申請(qǐng)人:天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司