本發(fā)明涉及一種用于激勵超導(dǎo)電路的超導(dǎo)電流泵。

背景技術(shù)：

高溫超導(dǎo)(hts)線的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)得到公認(rèn)。高溫超導(dǎo)體材料是具有高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(tc)的ⅱ型超導(dǎo)體，典型地使得tc>77k。由hts線纏繞的電磁線圈可以實現(xiàn)高磁場，這是由于當(dāng)在低于tc的溫度下操作時在高電流密度下極低水平的熱耗散。為了將溫度保持在tc以下，必須將超導(dǎo)線圈容納在耦合到冷卻源的低溫恒溫器內(nèi)。電流通常經(jīng)由包括由普通導(dǎo)電金屬制成的電流引線的電路供應(yīng)到hts超導(dǎo)電路。這些電流引線穿過低溫恒溫器壁，以將超導(dǎo)電路連接到位于低溫恒溫器外殼外部的電流源。這種電流引線是在低溫環(huán)境下的熱負(fù)荷的重要來源，這是由于沿著在高電流下操作的電流引線的熱傳導(dǎo)和在電流引線內(nèi)的電阻損耗。此外，附隨的電流源和高電流電纜具有大的占用面積，不便于攜帶，并且昂貴。

低溫超導(dǎo)(lts)線(例如nbti)通常用于形成電磁線圈。lts線可以與超導(dǎo)接頭連接，允許制造完全超導(dǎo)電路。完全超導(dǎo)電路可以用外部電流源激勵，以便在去除外部電流源之后在電路周圍保持持續(xù)的超導(dǎo)電流。目前，在制造情況下在hts導(dǎo)體之間實現(xiàn)超導(dǎo)接頭是不切實際的。因此，hts電路不能在持續(xù)電流模式下操作，并且必須維持外部電流源始終連接以平衡超導(dǎo)電路中的電阻性接頭中的損耗。

已經(jīng)使用電磁感應(yīng)來在沒有到電路的物理連接的情況下在超導(dǎo)電路內(nèi)生成電流。采用這種方案的裝置先前被稱為“超導(dǎo)dc發(fā)電機”或“超導(dǎo)磁通泵”。術(shù)語“磁通泵”用于指代在體超導(dǎo)材料內(nèi)引入持久體磁化或產(chǎn)生圍繞超導(dǎo)電路流動的凈電流的范圍廣泛的設(shè)備。在本說明書中，術(shù)語“超導(dǎo)電流泵”指的是感生出圍繞超導(dǎo)電路流動的凈電流的設(shè)備。術(shù)語“旋轉(zhuǎn)磁通泵”和“電流泵”在本說明書中可互換使用。

超導(dǎo)磁通泵可以大致分為開關(guān)型磁通泵或旋轉(zhuǎn)型磁通泵。開關(guān)磁通泵沒有移動部分，并且通過操作電路中的開關(guān)來實現(xiàn)磁通泵送。例如，國際專利申請公開wo2010/070319報告了一種通過使用可轉(zhuǎn)換的磁性材料來磁化大塊高溫超導(dǎo)體(hts)材料的磁通泵。旋轉(zhuǎn)磁通泵具有包括轉(zhuǎn)子的移動部分，轉(zhuǎn)子相對于包含待激勵的超導(dǎo)電路的部分的定子移動。轉(zhuǎn)子承載磁通量源，例如一個或多個永磁體。轉(zhuǎn)子位于定子附近，從而使來自源的磁通量穿透超導(dǎo)電路的一部分并且橫貫超導(dǎo)體以在超導(dǎo)電路中感生出電流。旋轉(zhuǎn)磁通泵需要轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙小于幾毫米，以在定子處的超導(dǎo)電路元件中生成足夠的磁通密度，以使得電流泵送能夠發(fā)生。旋轉(zhuǎn)部分位于低溫恒溫器內(nèi)部，并且機械耦合部穿過低溫恒溫器壁以將轉(zhuǎn)子連接到旋轉(zhuǎn)運動源，例如電動機。旋轉(zhuǎn)磁通泵已經(jīng)與具有范圍從nbti(tc＝9.2k)到y(tǒng)bco(tc≈95k)的各種轉(zhuǎn)變溫度的i型或ii型超導(dǎo)材料一起使用。轉(zhuǎn)子和定子可以方便地布置成徑向通量幾何形狀或軸向通量幾何形狀或其組合。徑向通量幾何形狀表示轉(zhuǎn)子和定子件圍繞共同的同心軸線布置，以使得磁通鏈路跨越定子和轉(zhuǎn)子之間的徑向間隙。軸向通量幾何形狀表示定子和轉(zhuǎn)子件沿著公共軸線線性移位，以使得通量鏈路跨越形成在定子和轉(zhuǎn)子之間的軸向間隙。例如，在國際專利申請公開wo2012/018265中報告的磁通泵布置具有承載一系列永磁體的轉(zhuǎn)子，所述永磁體在hts定子線附近旋轉(zhuǎn)以在超導(dǎo)電路中感生出電流。

本發(fā)明的目的是改進已知的超導(dǎo)磁通泵及其在包括電磁線圈的超導(dǎo)電路中的應(yīng)用或至少為公眾提供有用的選擇。

在本說明書中，當(dāng)提及包括專利說明書和其它文獻的外部信息來源時，這通常是為了提供討論本發(fā)明的特征的上下文。除非另有說明，否則在任何管轄范圍中對這些信息來源的提及都不應(yīng)被解釋為承認(rèn)這些信息來源是現(xiàn)有技術(shù)或構(gòu)成本領(lǐng)域的公知常識的一部分。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

廣義地說，在一個方面，本發(fā)明包括超導(dǎo)電流泵，其被布置為使dc電流流過容納在低溫恒溫器的低溫外殼內(nèi)的超導(dǎo)電路，超導(dǎo)電路包括一個或多個超導(dǎo)線圈和一個或多個超導(dǎo)元件，電流泵包括在所述低溫外殼外部的轉(zhuǎn)子和在所述低溫外殼內(nèi)的定子，所述轉(zhuǎn)子和定子由所述低溫外殼的絕緣壁穿過的間隙分隔開，所述轉(zhuǎn)子包括一個或多個磁場生成元件，并且所述轉(zhuǎn)子和所述定子至少部分地包括鐵磁材料，以將磁通量集中在跨所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間的間隙并且穿過所述壁的磁路中，以使得磁通量穿過與所述定子相關(guān)聯(lián)的超導(dǎo)電路的一個或多個超導(dǎo)元件，從而使所述低溫外殼外的所述轉(zhuǎn)子的相對于所述低溫外殼內(nèi)的所述定子的運動感生出dc傳輸電流流過所述低溫外殼內(nèi)的所述超導(dǎo)電路。

電流泵被布置為相對于(多個)超導(dǎo)元件移動(多個)磁場生成元件，從而使得通量渦流移動通過(多個)超導(dǎo)元件，以使得通過感生出跨超導(dǎo)電路的阻抗產(chǎn)生驅(qū)動電壓的電動勢而存在橫貫超導(dǎo)元件并驅(qū)動圍繞超導(dǎo)電路的電流的磁通量的凈流量

在至少一些實施例中，超導(dǎo)電路包括一個或多個待激勵的超導(dǎo)線圈，并且所述超導(dǎo)線圈具有足夠的電感以隨著磁路中的電流借助移動磁場生成元件通過超導(dǎo)元件的動作而以逐步方式增加時遞增地累積電流。

形成在轉(zhuǎn)子和定子磁軛之間的磁路被布置為使得穿過(多個)超導(dǎo)元件的磁通量跟隨不穿過超導(dǎo)電路的到轉(zhuǎn)子磁軛的返回路徑。

在至少一些實施例中，磁場生成元件包括永磁體、電磁體及其類似物中的至少一種或組合。在一種形式中，磁場生成元件可以僅包括一個或多個永磁體。

在一種形式中，轉(zhuǎn)子和定子彼此軸向移位，以便在大體上平行于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線的方向上形成間隙。替代地，轉(zhuǎn)子和定子同心地布置，以便在大體上垂直于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線的方向上形成徑向間隙。

在至少一些實施例中，間隙在大約2-30mm的范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，間隙大于約6mm、或大于約10mm、或大于約15mm。在另一種形式中，間隙可以大于約30mm。

在一種形式中，定子磁軛和轉(zhuǎn)子磁軛均形成為圓柱形，并且(多個)超導(dǎo)元件布置在定子圓柱的表面上，并且磁場生成元件布置在轉(zhuǎn)子圓柱的表面上。

在至少一些實施例中，圓柱形轉(zhuǎn)子組件位于圓柱形定子組件的內(nèi)部或外部，并且其中，低溫恒溫器壁被布置為避免穿過低溫恒溫器壁的任何凹入特征。

在另一種形式中，定子磁軛和轉(zhuǎn)子磁軛包括一對平行的圓盤，并且(多個)超導(dǎo)元件徑向地布置在定子圓盤的一個表面上，并且其中，磁場生成元件布置在外圓周處面向定子上的超導(dǎo)元件的轉(zhuǎn)子圓盤的一側(cè)上。

在至少一些實施例中，電流泵包括公共載體，其可操作用于在大體上不改變轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙的情況下使轉(zhuǎn)子相對于定子旋轉(zhuǎn)。

在至少一些實施例中，磁場生成元件還布置為通過公共載體相對于定子移動。

在一種形式中，電流泵包括控制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的控制系統(tǒng)。

在至少一些實施例中，控制系統(tǒng)可操作用于控制轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙。

在一種形式中，電流泵包括傳感器，其可操作用于向控制系統(tǒng)提供指示圍繞超導(dǎo)電路的電流的信號。

在至少一些實施例中，傳感器是電流傳感器、霍爾傳感器、gmr傳感器、磁通門磁力計、epr傳感器或nmr傳感器中的一種或多種。

在至少一些實施例中，電流泵還包括一個或多個溫度傳感器，其可操作用于向控制系統(tǒng)提供指示超導(dǎo)電路的部分的溫度的信號。

在一種形式中，(多個)超導(dǎo)元件包括一種或多種高溫超導(dǎo)(hts)材料。在至少一些實施例中，hts材料在零磁場和大氣壓下具有>77k的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。超導(dǎo)材料可以包括以下材料中的任何一種或多種：bisrcacuo、(re)bacuo(其中，re是y或gd或其他鑭系稀土)或任何其它適合的材料。在另一種形式中，(多個)超導(dǎo)元件至少部分地包括mgb2。

在一種形式中，超導(dǎo)元件包括線、條、帶、膜或任何類似的形式。優(yōu)選地，超導(dǎo)元件的厚度在其最薄尺寸上小于約1mm。更優(yōu)選地，超導(dǎo)材料在其最薄尺寸上具有小于100μm的厚度，或者在其最薄尺寸上具有小于10μm的厚度。

在一些實施例中，最薄尺寸垂直于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線定向。在一些其它實施例中，最薄尺寸平行于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線定向。

在至少一些實施例中，超導(dǎo)電路在轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙處進入電流泵的磁路，并且在所述間隙中經(jīng)受高通量密度。在至少一些實施例中，超導(dǎo)電路在轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙處進入電流泵的磁路，并且經(jīng)受大于超導(dǎo)元件的磁穿透場bpen的通量密度。

在使用中，間隙中的磁通量密度高到足以穿透圍繞定子設(shè)置的超導(dǎo)元件，并且以微觀規(guī)模形成局部通量渦流，但是在宏觀水平上不足以高到消除足以輸送流過超導(dǎo)電路的凈傳輸電流的超導(dǎo)電流路徑。

在一種形式中，由來自轉(zhuǎn)子上的磁場生成元件的磁通量穿透的超導(dǎo)元件被縱向分成兩個或更多個元件，以使得每一個體元件的寬度小于相同總電流輸送能力的單個超導(dǎo)元件的寬度。這是為了減少超導(dǎo)電流泵內(nèi)的耗散能量損失而實現(xiàn)的。

在至少一些實施例中，鐵磁定子磁軛成形為允許超導(dǎo)電路在不經(jīng)受高通量密度的情況下離開電流泵的磁路。

在至少一些實施例中，定子包括延伸穿過鐵磁軛的至少一個開口(例如口或孔或通道)，以允許超導(dǎo)電路離開磁路。

在一種形式中，轉(zhuǎn)子磁軛和定子磁軛由一種或多種鐵磁金屬或包括鐵磁金屬的復(fù)合材料制成。

在一種形式中，定子磁軛包括具有低磁矯頑力(magneticcoercivity)的一種或多種鐵磁金屬。

在一種形式中，磁軛包括使用非鐵磁性粘合劑層疊的鐵磁片疊置體或在非鐵磁基質(zhì)內(nèi)的鐵磁材料分布。

在至少一些實施例中，定子磁軛包括將磁通量引導(dǎo)到超導(dǎo)元件的區(qū)域的突起或磁極。在一種形式中，定子磁軛包括突起陣列，其與轉(zhuǎn)子上的磁場生成元件相互作用，以便將磁通量按順序地引導(dǎo)到超導(dǎo)元件，并且然后離開超導(dǎo)元件，以使在超導(dǎo)元件的表面經(jīng)受的磁場變化的幅度最大。

在至少一些實施例中，低溫恒溫器制冷系統(tǒng)是可操作用于通過蒸發(fā)潛熱進行制冷的液體制冷劑和/或熱機械制冷器。熱機械制冷器是gm、sterling或脈沖管制冷器的其中之一。

低溫恒溫器壁包括選自真空、多層隔絕和/或冷卻熱屏蔽中的至少一種的熱絕緣材料。在至少一些實施例中，設(shè)置在轉(zhuǎn)子和定子之間的低溫恒溫器壁包括低導(dǎo)電性材料，例如玻璃纖維復(fù)合材料、不銹鋼和/或薄和/或開縫的多層箔中的一種或多種。

在另一種形式中，超導(dǎo)電路包括位于發(fā)電機或電動機的轉(zhuǎn)子上并且容納在旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器內(nèi)的線圈，并且電流泵轉(zhuǎn)子位于旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器的外部并且相對于電流泵定子圍繞與發(fā)電機或電動機的轉(zhuǎn)子相同的軸線進行旋轉(zhuǎn)。在至少一些實施例中，電流泵定子和電流泵轉(zhuǎn)子圍繞與旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器的旋轉(zhuǎn)軸線相同的軸線相對于彼此進行旋轉(zhuǎn)。在至少一些實施例中，容納在旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器內(nèi)的超導(dǎo)線圈形成發(fā)電機或電動機的轉(zhuǎn)子線圈。

在一種形式中，超導(dǎo)元件縱向分為兩個或更多個元件，以使得每一個體元件的寬度小于具有相同總電流輸送能力的單個超導(dǎo)元件的寬度。在至少一些實施例中，超導(dǎo)元件穿過磁路的區(qū)域被分成通過對超導(dǎo)元件加條紋而形成的兩個或多個縱向部分。

如上所述，本發(fā)明的超導(dǎo)電流泵包括在低溫外殼外的轉(zhuǎn)子和在低溫外殼內(nèi)的定子。轉(zhuǎn)子和定子由低溫外殼的熱絕緣壁穿過的間隙分隔開。轉(zhuǎn)子包括一個或多個磁場生成元件，并且轉(zhuǎn)子和定子至少部分地包括鐵磁材料，以將磁通量集中在跨轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙并且穿過所述壁的磁路中，以使得磁通量穿過與定子相關(guān)聯(lián)的超導(dǎo)電路的一個或多個超導(dǎo)元件。低溫外殼外的轉(zhuǎn)子的相對運動感生出dc傳輸電流在低溫外殼內(nèi)圍繞超導(dǎo)電路流動。本發(fā)明的優(yōu)點可以包括：

·在低溫外殼外的驅(qū)動電動機和內(nèi)部轉(zhuǎn)子之間沒有耦合部，該耦合部可以將熱泄漏路徑引入到低溫恒溫器中，進而增加熱負(fù)荷，并且從而增加將低溫外殼內(nèi)的冷卻組件保持在所需的低操作溫度所需的冷卻功率。到低溫外殼中的熱泄漏增加了液體制冷劑的汽化速率，或增加了熱機械制冷器的成本、尺寸和功率消耗。

·在低溫恒溫器內(nèi)部沒有可能引起湍流和增加液體制冷劑的汽化速率的移動部分。

·不需要低溫外殼內(nèi)的軸承來支撐旋轉(zhuǎn)部分或不需要用于軸承的潤滑劑，以便在低溫下可靠地運行。

·一般來說，在低溫外殼內(nèi)沒有運動部分消除了通常對低溫恒溫器內(nèi)運動部分的極高可靠性的要求。拆卸低溫恒溫器以修復(fù)故障部分需要加熱磁體并破壞真空密封。這通常是一個復(fù)雜、耗時且昂貴的任務(wù)。

旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)電流泵要求必須將磁場周期性地施加在超導(dǎo)電路內(nèi)的hts材料的區(qū)域上，以使得在hts材料內(nèi)形成磁通量渦流。通量渦流必須在垂直于將圍繞超導(dǎo)電路驅(qū)動的凈電流的期望方向的方向上完全穿透hts材料。存在發(fā)生完全通量穿透的最小施加磁場強度，并且該最小穿透場在本文中被稱為bpen。

穿透通量渦流可以通過相對于hts材料移動施加的非均勻磁場而移動通過hts材料，其方式為在所施加的磁場的移動方向上拖動通量渦流。在旋轉(zhuǎn)的超導(dǎo)電流泵中，這是通過相對于定子旋轉(zhuǎn)包含磁性元件的轉(zhuǎn)子來實現(xiàn)的，以使得來自轉(zhuǎn)子上的磁性元件的通量穿過超導(dǎo)電路的一個或多個部分，并在超導(dǎo)體表面處周期性地施加高磁通密度的移動區(qū)域，以使得所施加的場超過bpen。通量渦流通過hts材料的凈運動導(dǎo)致跨越超導(dǎo)電路的部分的感應(yīng)emf，其驅(qū)動并維持在可以包括圍繞超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)電路的凈電流。

對本文中所述的旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)電流泵的操作的要求是，施加在超導(dǎo)元件處的磁場小于hts材料的上臨界磁場bc2，以防止超導(dǎo)電路的淬滅(quenching)。上臨界磁場bc2是ii型超導(dǎo)體將呈現(xiàn)出超導(dǎo)行為的最大施加磁場。

廣義上，本發(fā)明還包括一種超導(dǎo)系統(tǒng)，其包括超導(dǎo)電路，所述超導(dǎo)電路包括至少一個超導(dǎo)線圈和一個或多個超導(dǎo)元件，所述超導(dǎo)電路安裝在低溫外殼內(nèi)，以用于將超導(dǎo)電路保持在或低于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，以及如上限定的超導(dǎo)電流泵，其被布置為激勵超導(dǎo)電路。

超導(dǎo)電路可以包括一個或多個非超導(dǎo)部分，例如超導(dǎo)體材料的部分之間的一個或多個普通導(dǎo)電接頭。在本說明書中，術(shù)語“hts”材料指的是具有tc>77k(在零磁場和大氣壓下)的ii型超導(dǎo)材料，并且還指代mgb2(其具有大約39k的實質(zhì)上較低的tc)。

hts線指的是其中包括一段或多段連續(xù)的hts材料的一段線或條或帶。目前商業(yè)生產(chǎn)的hts線的示例包括由superpowerinc.和fujikuraltd.生產(chǎn)的涂層導(dǎo)體線。許多其他制造商也提供涂層導(dǎo)體hts線。涂層導(dǎo)體hts線包括金屬帶基底，在其上沉積一系列分層的一個或多個陶瓷薄膜。薄膜疊置體包括hts材料(例如ybacuo或gdbacuo)的薄膜層(厚度<10μm)，并沉積在金屬帶基底上，并且整個堆疊結(jié)構(gòu)被封閉在一層或多層金屬涂層材料內(nèi)。典型涂層的導(dǎo)體線約為100μm厚，并且可以以>100m的連續(xù)長度生產(chǎn)。當(dāng)前生產(chǎn)的hts線的另一個示例是由sumitomo生產(chǎn)的bscco線。bscco線包括多個bsccohts材料的細絲，其被封閉在銀基質(zhì)內(nèi)以形成具有矩形橫截面的長線。mgb2線的示例由columbussuperconductorsspa生產(chǎn)。

超導(dǎo)電路必須在低溫下操作以保持超導(dǎo)特性。低于該溫度具有超導(dǎo)特性的溫度稱為臨界溫度tc。典型地，超導(dǎo)電路被放置在低溫恒溫器內(nèi)部以保持在臨界溫度以下操作。低溫恒溫器包括一個或多個熱絕緣壁或邊界，其阻止熱從外部源流入超導(dǎo)組件及其支撐結(jié)構(gòu)(“冷塊”)中。剩余熱通量由冷卻功率源平衡，因此將冷塊保持在恒定溫度。冷卻功率源可以是通過蒸發(fā)吸收熱量的低溫流體和/或熱機械制冷器，例如gifford-mcmahon、sterling或脈沖管制冷器。導(dǎo)熱組件設(shè)置在冷塊和制冷器之間，以引導(dǎo)熱流動，形成冷卻歧管。

如本文中所使用的：

·名詞后的“(s)”表示名詞的復(fù)數(shù)形式和/或單數(shù)形式。

·“和/或”表示“和”或者“或”或者二者。

·“包括”表示“至少部分由……組成”。當(dāng)解釋本說明書中包括該術(shù)語的語句時，在每個語句或權(quán)利要求中由該術(shù)語開始的特征都需要存在，但是也可以存在其它特征。諸如“包括”和“包含”的相關(guān)術(shù)語將以相同的方式進行解釋。

·“轉(zhuǎn)子”、“低溫外殼外”，以及在超導(dǎo)電路中感生出的“dc電流”和“dc輸送電流”具有隨后提及的含義。

附圖說明

現(xiàn)在將僅通過示例并參考附圖進一步描述本發(fā)明，在附圖中：

圖1a和1b均示意性地示出了用于將電流注入低溫恒溫器內(nèi)的超導(dǎo)電路中的現(xiàn)有技術(shù)布置。

圖1c示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于將電流泵送到低溫恒溫器內(nèi)的超導(dǎo)電路中的布置。

圖2a至2c示出了來自磁偶極子的磁通線如何相對于一片平面超導(dǎo)材料偏離。

圖3更詳細地示意性示出了本發(fā)明的超導(dǎo)磁通泵的實施例。

圖4是軸向通量超導(dǎo)電流泵的實施例的一部分的截面。

圖5a示出了圖4的軸向通量超導(dǎo)電流泵的定子磁軛。

圖5b是圖4的軸向通量超導(dǎo)電流泵的定子磁軛內(nèi)的孔周圍的磁通線分布的放大圖。

圖6a是軸向通量超導(dǎo)電流泵的實施例的透視圖。

圖6b是沿著圖6a的線i-i的圖6a的軸向通量超導(dǎo)電流泵的截面。

圖7是軸向通量超導(dǎo)電流泵的另一個實施例的透視圖。

圖8是軸向通量超導(dǎo)電流泵的又一個實施例的透視圖。

圖9a是同軸地集成在發(fā)電機或電動機內(nèi)以激勵發(fā)電機或電動機的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子線圈的軸向通量超導(dǎo)電流泵的實施例的縱向截面圖。

圖9b是圖13a的集成超導(dǎo)電流泵和發(fā)電機或電動機的一部分的放大圖。

圖10是本發(fā)明的軸向通量超導(dǎo)電流泵的輸出電流與時間相比的曲線圖。

圖11是本發(fā)明的軸向通量超導(dǎo)電流泵的輸出電壓與時間相比的曲線圖。

圖12是根據(jù)轉(zhuǎn)子和定子之間的軸向間隙的本發(fā)明的軸向通量電流泵的初始輸出電壓的曲線圖。

圖13是來自三種不同設(shè)計的超導(dǎo)電流泵的感生電流的曲線圖。

具體實施方式

圖1a示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)的超導(dǎo)電路20，其包括容納在低溫恒溫器103內(nèi)的電磁線圈105。在操作中，包括熱絕緣壁30的低溫恒溫器103將內(nèi)部溫度保持在或低于超導(dǎo)電路內(nèi)的超導(dǎo)元件的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。超導(dǎo)電路20使用外部電流源來激勵，該外部電流源通過使用穿過低溫恒溫器壁30的普通導(dǎo)電電流引線3將電流注入電路中。

圖1b示意性地示出了另一現(xiàn)有技術(shù)的超導(dǎo)電路20，其包括容納在低溫恒溫器103內(nèi)的電磁線圈105。超導(dǎo)電路20使用包括位于低溫恒溫器外殼103內(nèi)的轉(zhuǎn)子11的旋轉(zhuǎn)磁通泵來激勵。到轉(zhuǎn)子11的驅(qū)動軸6穿過低溫恒溫器壁30。

圖1c示意性地示出了包括容納在低溫恒溫器103內(nèi)的電磁線圈105的超導(dǎo)電路20，該電磁線圈105由本發(fā)明的超導(dǎo)電流泵激勵。超導(dǎo)電流泵包括在低溫外殼103外的轉(zhuǎn)子11和在外殼內(nèi)的定子21。用于旋轉(zhuǎn)諸如電動機和電動機控制器的轉(zhuǎn)子(未示出)的裝置也在低溫外殼103的外部。低溫外殼的熱絕緣外殼壁在轉(zhuǎn)子和定子之間通過。轉(zhuǎn)子包括一個或多個磁場生成元件，并且轉(zhuǎn)子和定子至少部分地包括鐵磁材料，以將磁通量集中在跨轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙并且穿過壁的磁路中，以使得磁通量穿過與定子相關(guān)聯(lián)的超導(dǎo)電路的一個或多個超導(dǎo)元件，從而使低溫外殼外的轉(zhuǎn)子的相對運動感生出dc傳輸電流以圍繞低溫外殼內(nèi)的超導(dǎo)電路流動。電流在不通過如圖1a和1b中的電流引線3或驅(qū)動軸6穿過低溫恒溫器壁30的情況下注入到超導(dǎo)電路20中。

圖3更詳細地示意性示出了本發(fā)明的超導(dǎo)磁通泵的實施例，圖4是電流泵的一部分的截面；圖5示出了電流泵的定子磁軛，并且圖5b是在使用中圍繞定子磁軛內(nèi)的出口孔的磁通線分布的放大圖。超導(dǎo)電流泵用于激勵封閉在低溫恒溫器103內(nèi)的超導(dǎo)電路20。在所示的實施例中，超導(dǎo)電路20包括超導(dǎo)線圈105和一個或多個超導(dǎo)元件201，超導(dǎo)元件201圍繞定子磁軛設(shè)置或部分設(shè)置在定子磁軛內(nèi)。超導(dǎo)線圈105和一個或多個超導(dǎo)元件201可以通過普通導(dǎo)電接頭(未示出)接合。

根據(jù)本發(fā)明，電流泵至少包括轉(zhuǎn)子11和定子21，并且均至少部分地包括鐵磁軛15，其由低溫外殼103的壁30延伸穿過的間隙106分隔開。間隙的尺寸為轉(zhuǎn)子的磁場生成元件與定子的超導(dǎo)元件之間的距離的最小值。在一種形式中，間隙106在大約2-30mm的范圍內(nèi)，或大于大約6mm，大于10mm或大于15mm。在另一種形式中，間隙大于約30mm。

電流泵包括由轉(zhuǎn)子11承載的一個或多個磁場生成元件12，以提供跨間隙106的磁通量，以穿過與定子21相關(guān)聯(lián)的超導(dǎo)元件201。轉(zhuǎn)子11和定子21的一對鐵磁軛15共同形成低磁阻的磁路，其為由磁場生成元件12生成磁通量提供路徑，以跨過間隙106并穿過超導(dǎo)元件201，然后返回到轉(zhuǎn)子磁軛15，而沒有第二次穿過超導(dǎo)電路。

如圖3中所示，超導(dǎo)元件201穿過轉(zhuǎn)子11和定子21之間的間隙106，在此暴露于由磁場生成元件12提供的集中的磁通線。在所示的實施例中，超導(dǎo)元件201首先從定子21的周圍進入間隙106，然后經(jīng)由形成在定子磁軛15中的出口開口23離開間隙106。因此，超導(dǎo)元件201在轉(zhuǎn)子和定子的磁場生成元件12和22之間在一個方向上而非另一方向上通過。出口開口或孔23包括較高磁阻的區(qū)域，其使得超導(dǎo)元件201能夠在低的或沒有相反的磁場下使定子離開。然后，其在通過另一個開口23之后再進入間隙106，并從定子21的相對端離開間隙。在其它實施例中，超導(dǎo)元件201可以進入和離開間隙106僅一次，或者多次。在一個實施例中，定子磁軛15包括位于與磁場生成元件12a和12b相對的位置處的通量集中鐵磁突起或磁極22a和22b。

轉(zhuǎn)子11由電動機13驅(qū)動。當(dāng)磁場生成元件12移動經(jīng)過定子21的鐵磁突起時，施加在超導(dǎo)元件201的表面處的磁通量大于作為超導(dǎo)體的通量穿透所需的最小施加磁場的bpen。當(dāng)磁場生成元件12相對于超導(dǎo)元件201移動時，磁通渦流進入超導(dǎo)元件201的一側(cè)，并隨后從相對側(cè)離開。這導(dǎo)致跨超導(dǎo)體元件201的磁通線的凈流動，這引起圍繞超導(dǎo)電路20泵送凈電流(其上仍可具有一些波動)，從而激勵超導(dǎo)線圈。

如所述的，轉(zhuǎn)子11、驅(qū)動電動機13和相關(guān)聯(lián)的電動機控制器位于低溫外殼的外部。所需的間隔通過在定子和轉(zhuǎn)子中包含鐵磁鐵軛來實現(xiàn)，其共同形成低磁阻的磁路，以引導(dǎo)磁通線跨過定子和轉(zhuǎn)子之間的間隔。這將參考圖2a-2c和圖4進行進一步解釋。

圖2a至2c示出了永磁體和ii型超導(dǎo)體的薄帶的三種不同布置。在圖2a中，永磁體8被放置為緊鄰超導(dǎo)體9的表面，以使得所施加的磁場大于bpen，磁通線10所需的磁場完全穿過超導(dǎo)體9。在該配置中，通過使永磁體移動跨過超導(dǎo)體的表面，從而拖動通量線通過超導(dǎo)體材料，可以在超導(dǎo)體9中感生出凈電流。d1指示永磁體8和超導(dǎo)體9之間的軸向位移。

在圖2b中，永磁體8和超導(dǎo)體9之間的軸向位移由d2指示，并且大于圖2a中的d1。結(jié)果，垂直于超導(dǎo)體表面的磁場小于bpen，并且從超導(dǎo)體9消除磁通線10。在這種配置中，不可能感生出通過超導(dǎo)體的凈電流，因為不能拖動通量線通過超導(dǎo)體材料。

在圖2c中，永磁體8和超導(dǎo)帶之間的間隔與圖2b中相同，但是鐵磁鐵軛15被布置為形成通過超導(dǎo)帶的磁阻降低的磁路。鐵軛15的存在導(dǎo)致在超導(dǎo)體表面處的通量集中，以使得局部磁場強度大于bpen。在這種配置中，通過移動永磁體8跨過超導(dǎo)體9的表面以便使通量線移動通過超導(dǎo)體材料，同樣可以在超導(dǎo)體9中感生凈電流。

圖4示出了軸向通量型超導(dǎo)電流泵的實施例的一部分的截面。轉(zhuǎn)子11由電動機13驅(qū)動以圍繞軸線14旋轉(zhuǎn)，并使磁場生成元件12掃過定子21，以驅(qū)動磁通線跨過超導(dǎo)元件201，從而驅(qū)動電流圍繞超導(dǎo)電路20流動。

轉(zhuǎn)子11包括鐵磁軛15和承載在鐵磁軛15上的一個或多個磁場生成元件12。從磁場生成元件12延伸通過低溫恒溫器壁30進入定子21、隨后通過低溫恒溫器壁30返回到轉(zhuǎn)子11的連續(xù)磁通路徑40由這對鐵磁軛15形成。在一個實施例中，定子21的鐵磁軛包括一個或多個突起部分22，當(dāng)轉(zhuǎn)子11相對于定子21旋轉(zhuǎn)時，突起部分22與磁場生成元件12正好相對。超導(dǎo)電路20的至少一部分(例如超導(dǎo)元件201)放置在鐵磁軛15的突起部分22上。定子21的鐵磁突起部分22對于形成在轉(zhuǎn)子11和定子21之間的磁通路徑40具有集中效應(yīng)，以使得與沒有這種突起22的平面鐵磁軛幾何形狀的情況相比，超導(dǎo)元件201的表面處的磁場強度增加。

轉(zhuǎn)子11和定子21中的鐵磁軛15優(yōu)選地是鐵材料或至少是具有低矯頑力和低殘余場的鐵磁材料。在一種形式中，鐵磁軛15由包括鐵磁材料和非鐵磁材料的復(fù)合材料形成。例如，軛可以由與非鐵磁性絕緣片交錯的鐵磁金屬的層壓片形成，以使渦流損耗最小。在另一示例中，鐵磁軛由嵌入在非鐵磁性基質(zhì)材料內(nèi)的鐵磁金屬元件形成。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場生成元件12通過超導(dǎo)元件201時，鐵磁軛將通量集中在設(shè)置在定子21周圍的超導(dǎo)元件201的表面處。定子內(nèi)的鐵磁軛也確保磁通密度的變化的總幅度對于通過超導(dǎo)元件201的每個磁場生成元件12是最大的。在所示的實施例中，定子磁軛15相對于超導(dǎo)電路20和低溫恒溫器103是固定的。轉(zhuǎn)子磁軛相對于這些元件旋轉(zhuǎn)。

在一種形式中，超導(dǎo)元件201是高溫或低溫超導(dǎo)元件，例如hts或lts線、帶或類似物。與lts超導(dǎo)電路相比，在定子21上使用hts元件作為超導(dǎo)元件201使得能夠在升高的溫度下進行操作。在較高溫度下，導(dǎo)體具有較大的熱容量，這使得在存在顯著增加的熱負(fù)荷的情況下能夠保持超導(dǎo)行為。增加的熱負(fù)荷容限使得能夠減少定子附近的低溫恒溫器絕緣、厚度或類型。例如，實驗驗證顯示在約10至15mm的范圍內(nèi)的絕緣厚度提供足夠的熱絕緣以保持約50-77k的定子溫度，同時以高達300安培的全電流進行泵送。

在hts超導(dǎo)元件201和磁場生成元件12之間具有>15mm的間隙的情況下，測試和電磁建模顯示：可以使用本發(fā)明的超導(dǎo)電流泵圍繞包括超導(dǎo)hts線圈105和普通導(dǎo)電接頭的超導(dǎo)hts電路20來泵送的電流。這是通過形成在轉(zhuǎn)子和定子上的鐵磁軛之間的磁路的設(shè)計來實現(xiàn)的，以確保周期性地施加在hts超導(dǎo)元件201的最大磁場強度高于通量穿透所需的最小磁場bpen。

在一種形式中，放置在定子21和轉(zhuǎn)子15之間的通量間隙106區(qū)域內(nèi)的低溫恒溫器壁30包括非鐵磁材料，并且在優(yōu)選實施例中，其不包括任何金屬材料。在一些實施例中，低溫恒溫器壁30可以包括薄金屬片，作為低溫恒溫器壁內(nèi)的多層絕緣(mli)元件的一部分。

如所述的，在一種形式中，定子21內(nèi)的鐵磁軛15可以包括對磁通量的高磁阻的區(qū)域，以允許超導(dǎo)電路20離開磁通泵的定子區(qū)域。高磁阻區(qū)域可以是開口，諸如如圖3至5所示的孔23或穿過定子磁軛15的任何其它類似形式?？?3與磁軛15內(nèi)的周圍鐵磁材料相比呈現(xiàn)出對磁通量的高磁阻。磁軛15內(nèi)的鐵磁材料形成了在轉(zhuǎn)子之間形成的磁路的返回路徑，并且孔23提供具有低通量密度的區(qū)域，超導(dǎo)電路20可以在沒有通量穿過超導(dǎo)電路的該部分的情況下通過該區(qū)域離開磁路的定子區(qū)域。

圖5b是定子磁軛中的孔23周圍的磁通線分布的放大圖，并且特別地示出了圍繞孔23的定子21內(nèi)的磁通路徑40?？變?nèi)的磁通量微弱，并且優(yōu)選地低于超導(dǎo)體的通量穿透的臨界場bpen?？?3因此提供了有效的路徑，超導(dǎo)電路20可以通過該路徑有效地穿過磁路離開，而不經(jīng)受強到足以感生電動勢的移動磁通量的區(qū)域，在其它情況下該電動勢將反抗旋轉(zhuǎn)磁場生成元件12的作用。

在一些實施例中，形成超導(dǎo)電路20的一部分的超導(dǎo)元件201具有包括超導(dǎo)hts材料和非超導(dǎo)材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，hts超導(dǎo)元件內(nèi)的hts材料是在平行于所施加的磁通線的方向上的尺寸薄的膜，以使得來自轉(zhuǎn)子的至少一些磁通量周期性地穿過超導(dǎo)元件，以使得其從超導(dǎo)元件的相對面排出。在一些實施例中，超導(dǎo)元件201是涂層導(dǎo)體hts導(dǎo)線，其被定向為使得薄軸線平行于定子磁軛突起22的表面處的磁通量的方向。在一些實施例中，超導(dǎo)元件201可以包括兩層或更多層的hts線或帶。在一些實施例中，超導(dǎo)元件201可以至少部分地進一步分成兩個或更多個縱向部分，以便減小被來自磁場生成元件的磁通量穿透的每一個體超導(dǎo)元件的寬度。

在一些實施例中，磁場生成元件12包括至少一個或多個高矯頑力永磁體。例如，可以使用諸如ndfeb等稀土型磁體。

圖6a和圖6b示出了軸向通量超導(dǎo)電流泵10和超導(dǎo)電路20的一部分的實施例。如前所述，電流泵包括鐵轉(zhuǎn)子11，在鐵轉(zhuǎn)子11上轉(zhuǎn)子11面向定子21的表面上定位有多個磁場生成元件12。磁場元件12可以包括永磁體、電磁體中的一個或多個或其組合。鐵轉(zhuǎn)子11放置在低溫恒溫器103(圖6a中未示出，圖6b中所示的低溫恒溫器壁30)的外部。鐵磁定子21放置在低溫恒溫器103內(nèi)部。低溫恒溫器的絕緣壁30位于定子21與轉(zhuǎn)子11之間的間隙106中。轉(zhuǎn)子11和定子21內(nèi)的一對鐵磁軛15用于引導(dǎo)和增加在定子21與轉(zhuǎn)子11之間的間隙106中的磁通密度。通過磁通量跨過朝向轉(zhuǎn)子11和定子21的軸向中心定位的低磁阻間隙返回而完成磁路。

例如hts線的一個或多個超導(dǎo)元件201由定子21承載并且在低溫恒溫器103內(nèi)部形成超導(dǎo)電路20的一部分。hts定子線穿過轉(zhuǎn)子11與定子21之間的間隙106，從而進入由轉(zhuǎn)子11和定子21形成的磁路。hts定子線經(jīng)由定子中的低磁通密度的區(qū)域離開磁路。低磁通密度的區(qū)域位于鐵磁定子21的外邊緣處，或者可以由于諸如定子21的鐵磁體中的孔23之類的開口而形成。在一些實施例中，定子21包括場集中鐵磁突起22以進一步增加超導(dǎo)元件201的表面處的最大磁通密度。當(dāng)hts定子線表面處的磁場密度高于穿透場bpen時，轉(zhuǎn)子11的運動驅(qū)動磁通渦流移動跨過超導(dǎo)元件201，其繼而導(dǎo)致電流圍繞超導(dǎo)電路20流動。

當(dāng)使用超導(dǎo)電流泵來激勵超導(dǎo)線圈或磁體時，可能期望改變超導(dǎo)電路20中的電流的增長速率。這可以通過以下方式實現(xiàn)：通過增加電動機13的運行速度來改變轉(zhuǎn)子11的旋轉(zhuǎn)速度以增加跨超導(dǎo)電路20的電動勢直到達到期望的電流，然后降低電動機13的速度，以將電流保持在固定水平，同時補償由于諸如超導(dǎo)電路中的電阻性接頭和例如超導(dǎo)hts定子線內(nèi)的通量運動的其它耗散損耗的因素引起的能量損耗。

在一些實施例中，電動機13的轉(zhuǎn)速由閉環(huán)控制來控制，以將泵送電流保持在期望水平。另外或替代地，轉(zhuǎn)子11可以在軸向方向上移動，以使得旋轉(zhuǎn)磁體12隨著電流增加而進一步移動遠離定子21，以便減小間隙106中的磁通密度，從而減小跨超導(dǎo)電路的感生電壓。這還減少了hts定子線201內(nèi)由于通量摩擦和其它耗散效應(yīng)的能量損失。該方案使得能夠根據(jù)需要調(diào)整電流泵的配置，以使得可以優(yōu)化軸向間隙。例如，其允許使開路電壓最大，或者替代地，其使得能夠使電流泵的“有效內(nèi)部電阻”最小。

超導(dǎo)電路20容納在低溫恒溫器103內(nèi)，低溫恒溫器103操作以將超導(dǎo)電路20的溫度維持在或低于預(yù)定操作溫度，特別地，低于超導(dǎo)電路的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。超導(dǎo)電路的各部分的溫度可以通過冷卻歧管的設(shè)計來控制，該冷卻歧管提供了在低溫冷卻系統(tǒng)和超導(dǎo)電路及電流泵定子21之間的熱連接。例如，可能期望超導(dǎo)電流泵內(nèi)的超導(dǎo)元件(例如hts定子線)比由電流泵激勵的超導(dǎo)線圈105或磁體更熱。該方案減小了hts定子線內(nèi)的通量摩擦，從而減小了移動轉(zhuǎn)子11所需的轉(zhuǎn)矩。

圖7示出了類似于圖6的軸向通量超導(dǎo)電流泵的另一個實施例，但是不同之處在于超導(dǎo)電路20以串聯(lián)方式重復(fù)地進入和離開磁路，以便增加跨越所連接的超導(dǎo)電路20的最大電動勢脈沖。

圖8示出了軸向通量超導(dǎo)電流泵的另一實施例，其與圖6和圖7的不同之處在于超導(dǎo)電路20布置在圍繞定子21設(shè)置的多個并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)中，以增加可以在所連接的超導(dǎo)電路20周圍泵送的最大總電流。在圖8的實施例中，定子21包括位于超導(dǎo)元件201之間的附加的一組鐵磁突起22c。這些附加突起22c操作以使在超導(dǎo)元件表面的磁場變化的幅度隨著轉(zhuǎn)子11上的磁場生成元件12相對于定子21移動而最大化。這通過重復(fù)動作實現(xiàn)，其中，磁通線首先隨著磁場元件12最靠近hts超導(dǎo)元件201通過而在超導(dǎo)元件201內(nèi)聚集，并且隨著磁體最靠近位于超導(dǎo)元件201之間的鐵磁突起22c旋轉(zhuǎn)，磁通線隨后遠離hts超導(dǎo)元件201聚集。這些附加的突出鐵磁齒22c使得在下一組磁通線進入超導(dǎo)元件201之前離開超導(dǎo)元件201的磁通量渦流的數(shù)量最大化。

另一個實施例包括連同或者代替圖6、7和8中所示的軸向通量電流泵的徑向通量電流泵。例如，wo2012/018265(其全部內(nèi)容通過引用并入本文)示出了徑向通量泵和超導(dǎo)體電路布置。

圖9a是同軸地集成在發(fā)電機或電動機內(nèi)以激勵發(fā)電機或電動機的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子線圈的軸向通量超導(dǎo)電流泵的實施例的縱向截面圖，圖9b是圖13a的集成超導(dǎo)電流泵和發(fā)電機或電動機的一部分的放大圖。發(fā)電機13或電動機包括定子體21a和轉(zhuǎn)子11a。發(fā)電機轉(zhuǎn)子包括旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器103，其容納連接在超導(dǎo)電路內(nèi)的一個或多個超導(dǎo)轉(zhuǎn)子線圈105a，超導(dǎo)電路包括穿過超導(dǎo)電流泵10的定子21的部分201。超導(dǎo)電流泵10的轉(zhuǎn)子11位于旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器103的外部并且與發(fā)電機/電動機的轉(zhuǎn)子11a同軸布置。電流泵的轉(zhuǎn)子11相對于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子11a在同向旋轉(zhuǎn)方向或反向旋轉(zhuǎn)方向上旋轉(zhuǎn)。電流被泵送在超導(dǎo)電路20周圍并且激勵發(fā)電機13或電動機的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子線圈105a。該實施例包括旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器，并且在旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器外的轉(zhuǎn)子相對于在旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器內(nèi)的定子移動。定子和轉(zhuǎn)子圍繞與旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器共同的旋轉(zhuǎn)軸線相對于彼此旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明在該實施例中的應(yīng)用消除了對穿過旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器的壁的電流引線的需要，以及對旋轉(zhuǎn)電接觸部或無刷轉(zhuǎn)換器技術(shù)的需要，其通常需要將激勵電流從靜止參考系轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子線圈。

在一些實施例中，超導(dǎo)電流泵的轉(zhuǎn)子能夠沿著旋轉(zhuǎn)軸線平移，以便增大或減小電流泵的轉(zhuǎn)子和電流泵的定子之間的間隙。這可以使得能夠根據(jù)需要調(diào)整電流泵的配置，以使得可以優(yōu)化軸向間隙。例如，該方案可以允許使開路電壓最大，或者替代地，可以使電流泵的“有效內(nèi)部電阻”最小。

如上所述，本發(fā)明能夠提高低溫恒溫器的絕緣效率，以及采用旋轉(zhuǎn)磁通泵的系統(tǒng)的可靠性和易于維護性。本發(fā)明物理地分離超導(dǎo)電流泵的轉(zhuǎn)子和定子，并且熱屏障或熱絕緣壁設(shè)置在轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙中。至少在一些實施例中，成形的鐵磁軛增加了轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙中的磁通密度，因此補償了通過加寬間隙以容納低溫恒溫器的絕緣壁而引起的通量密度的減小。本發(fā)明的超導(dǎo)電流泵消除了對將在其它情況下穿過旋轉(zhuǎn)低溫恒溫器的壁的電流引線的需要。電流泵還消除了對旋轉(zhuǎn)電接觸部或無刷轉(zhuǎn)換器技術(shù)的需要，其通常需要將激勵電流從靜止參考系轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子線圈。特別地，轉(zhuǎn)子和使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的裝置、電動機和轉(zhuǎn)子之間的連接以及所有軸承位于低溫恒溫器的外部并處于環(huán)境溫度。因此，有利地，常規(guī)的軸承可以用于所有移動部分。此外，移動部分的維護和修理成為無需加熱與其連接的泵或磁體的冷組件的簡單過程。

在本發(fā)明的其它實施例中，位于低溫外殼外部的電流泵的轉(zhuǎn)子，即移動部分可以不隨著旋轉(zhuǎn)而移動，而是可以線性地或半線性地重復(fù)地通過定子(在單一方向上)，“轉(zhuǎn)子”在包括權(quán)利要求書的本說明書中應(yīng)相應(yīng)地理解。

而且，盡管轉(zhuǎn)子位于低溫外殼外且定子在低溫外殼內(nèi)，但轉(zhuǎn)子可以位于相關(guān)聯(lián)的外殼內(nèi)，相關(guān)聯(lián)的外殼保持在定子外殼的溫度和周圍環(huán)境溫度之間的溫度，并且“在低溫外殼外”也應(yīng)相應(yīng)地理解。

實驗

圖10、11和12示出了表征根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)電流泵的示例的性能的實驗結(jié)果，其中，超導(dǎo)電流泵連接到包括超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)電路。在此情況下，所使用的超導(dǎo)電流泵是如圖6所示的軸向通量類型的設(shè)計，其中，轉(zhuǎn)子體和定子體由鐵磁鐵制成。轉(zhuǎn)子包括尺寸為1/2”×1/2”×1/2”的九個等間隔的ndfeb磁體。定子和超導(dǎo)電路在77k下操作。定子包括單個涂層導(dǎo)體ybco線，其一次通過形成在定子與轉(zhuǎn)子之間的磁路。超導(dǎo)電路包括由hts導(dǎo)線纏繞的線圈，其呈現(xiàn)～57a的線圈ic和2.7mh的電感。超導(dǎo)線圈使用常規(guī)導(dǎo)電金屬接頭從定子連接到超導(dǎo)ybco導(dǎo)線。焊點形成電路的正常導(dǎo)電部分，總串聯(lián)電阻約為1μω。每個實驗被初始化，以使得在t≤0時，在超導(dǎo)電路中沒有電流流動，電流泵轉(zhuǎn)子靜止。在t＝0時，電流泵轉(zhuǎn)子從靜止加速，以使得定子處的磁場變化的頻率以12.7hz/s的速率增加，直到達到期望的穩(wěn)態(tài)頻率。

圖9示出了使用軸向通量超導(dǎo)電流泵的實施例進行的一系列實驗運行的超導(dǎo)電路中的電流與時間相比的曲線圖。在每次實驗運行之前，轉(zhuǎn)子和定子之間的軸向間隙的值是固定的，并且示出了為使用不同的軸向間隙值的一系列運行獲得的數(shù)據(jù)。在每種情況下，轉(zhuǎn)子從靜止穩(wěn)定地加速，直到轉(zhuǎn)子磁體通過超導(dǎo)線的頻率達到48hz。然后將該頻率在每次運行的剩余時間中保持恒定。超導(dǎo)電路中的初始電流被設(shè)置為零。超導(dǎo)電路中的電流經(jīng)歷初始增加。這是電流泵的電動勢起作用以克服超導(dǎo)電路中的超導(dǎo)線圈的感應(yīng)阻抗的結(jié)果。當(dāng)軸向間隙較小時，電流的增加速率更快地進行，因為在該配置中從電流泵可用的開路電壓較大。超導(dǎo)電路中的電流在固定的最大電流值isat飽和，該最大電流值isat根據(jù)軸向間隙的尺寸而不同。isat的值由超導(dǎo)電流泵內(nèi)感生出的電壓等于克服由于超導(dǎo)電路中的損耗導(dǎo)致的能量耗散所需的電壓的點確定。超導(dǎo)電路中的能量耗散包括來自正常導(dǎo)電接頭的電阻的損耗以及由于電路中的超導(dǎo)材料(包括超導(dǎo)電路穿過電流泵定子的部分)內(nèi)的電流和磁通量的時間變化密度之間的相互作用造成的損耗。

圖11示出了跨位于電流泵定子內(nèi)的超導(dǎo)電路的部分測量的電壓的曲線圖。其被繪制為時間的函數(shù)。所測量的電壓數(shù)據(jù)是使用0.1s的積分時間獲取的平均值。應(yīng)當(dāng)注意，如果使用大體上較短的積分時間獲取數(shù)據(jù)，則由于隨著轉(zhuǎn)子上的每一個體磁體經(jīng)過超導(dǎo)定子線而引起的時變電動勢，所測量的電壓也顯示出在電流泵的工作頻率的脈沖。該脈沖效應(yīng)通過線圈電感的影響以及通過使用大體上長于每一個體脈沖的周期的測量積分時間來“平均掉”。可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子初始加速到其操作速度時，所測量的輸出電壓迅速上升。此后，電壓在所有情況下下降，以使得其接近接近于但不等于零的值。這種行為是超導(dǎo)電流泵操作的特征。來自超導(dǎo)電流泵的初始輸出電壓由定子內(nèi)的超導(dǎo)線切割來自轉(zhuǎn)子的所施加的磁通量的速率確定。該電壓作用以克服超導(dǎo)線圈的阻抗并且在超導(dǎo)電路周圍激勵電流。然而，隨著電路內(nèi)的電流增加，由于時變磁場和電流之間的相互作用的電流泵內(nèi)的損耗也增加。這導(dǎo)致超導(dǎo)電流泵的“有效內(nèi)部電阻”，并且導(dǎo)致隨電流而變的測量的輸出電壓的減小。觀察到電流泵的“有效內(nèi)部電阻”隨著操作頻率的增加而增加?！坝行?nèi)部電阻”隨著軸向間隙的增加而減小。用于測量的電流泵的穩(wěn)態(tài)輸出電壓的漸近值等于當(dāng)在穩(wěn)態(tài)電流isat下操作時克服超導(dǎo)電路的其余部分的電阻所需的電壓。

圖12示出了當(dāng)在360hz操作時，超導(dǎo)電流泵的最大測量輸出電壓根據(jù)轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙而變的曲線圖。在1.82mm的間隙處，最大測量輸出電壓大于20mv。在16.13mm的間隙處，輸出電壓下降到0.18mv。該值大于零，因此驅(qū)動電流圍繞超導(dǎo)電路流動。

圖13示出了來自三種不同設(shè)計的超導(dǎo)電流泵的isat的測量值的曲線圖。isat被繪制為安裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子上的超導(dǎo)線材的表面之間的間隙的函數(shù)。在所有三種配置中，在定子內(nèi)使用ybco涂覆的導(dǎo)線，永磁體元件包括類似尺寸的ndfeb磁體。示出了用于超導(dǎo)電流泵的3種不同布置，并分別稱為gen1、gen2和gen3。每個曲線圖示出了由于在沒有超導(dǎo)材料的情況下位于距定子的軸向距離x處的永磁體的在定子表面的軸向磁場強度。gen1描述了類似于wo2012/018265中公開的不包括鐵磁軛的徑向電流泵布置。在這個布置中，定子處經(jīng)受的磁場類似于自由空間中的隔離永磁體的磁場。gen2描述了如圖6中所示的軸向電流泵裝置，其包括用于轉(zhuǎn)子和定子的鐵磁體，以使得在轉(zhuǎn)子和定子之間實現(xiàn)低磁阻磁路。在定子表面測量針對在轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子之間的軸向間隙x的磁場。gen3描述了另一種軸向電流泵布置，其包括在轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)的鐵磁軛件，其中，調(diào)整鐵磁軛的幾何形狀以進一步增強定子表面處的最大垂直b場。該數(shù)據(jù)表明，在不使用鐵磁軛件的情況下，跨過>10mm的間隙的電流泵送不容易實現(xiàn)，因為所施加的b場降低到bpen以下。然而，在轉(zhuǎn)子和定子上使用鐵磁軛增加了在定子處施加的磁場，以使得電流泵送能夠在轉(zhuǎn)子和定子之間的大于15mm的間隙處進行。轉(zhuǎn)子和定子之間的距離的這種增加使得能夠?qū)⒌蜏睾銣仄鞯慕^緣壁放置在轉(zhuǎn)子和定子之間，從而允許轉(zhuǎn)子位于低溫恒溫器的外部，以使得電流泵的所有移動部分在室溫下操作并且不對低溫系統(tǒng)施加熱傳導(dǎo)負(fù)荷。

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