[发明专利]一种具有低温线圈的能量转换装置

说明书

本发明公开了一种具有低温线圈的能量转换装置，涉及电磁铁励磁技术领域，包括冷源模块、真空模块、外部能量模块、内部能量模块和连接模块；冷源模块被配置为向真空模块提供冷源，外部能量模块被配置为位于真空模块外部，内部能量模块被配置为位于真空模块的内部，内部能量模块与外部能量模块之间被配置为通过连接模块连接。具有低温线圈的能量转换装置还包括冷媒模块，冷媒模块被配置为位于真空模块的内部，内部能量模块被配置为位于冷媒模块的内部。连接模块包括电力电子变换器，电力电子变换器包括大电流单元和小电流单元，小电流单元被配置为位于真空模块外部，大电流单元通过大电流电流引线与内部能量模块连接。

技术领域

本发明涉及电磁铁励磁技术领域，尤其涉及一种具有低温线圈的能量转换装置。

背景技术

超导现象于1911年被发现，并且由于其零电阻等优良特性迅速在世界范围内得到研究者们的关注。超导材料的临界温度已经可以达到20K-77K甚至更高，有些已经在液氮环境下即可使材料进入超导态。目前，有些超导材料已经实现工业化量产(如NbTi，Ni₃Sn，MgB₂，ReBCO等)，由超导材料绕制而成的超导线圈由于其零电阻特性，在直流励磁下可以产生相比于传统铜线绕制而成的线圈无法达到的磁感应强度，并且在某些场合下，可以在相同磁感应强度的情况下，比传统铜线绕制的线圈轻很多，且损耗更小，因此有着广泛的应用前景，如磁共振成像、核磁共振波谱仪、电机、磁悬浮等应用。与此同时，如橡树岭国家实验室带头开发的“超级铜线”技术，在铜材料上附着一种碳纳米管材料，这种材料类似于石墨烯。它的导电率是10倍于铜，电流容量100倍于铜，热传导效率10倍于铜，强度是铜的300倍，重量仅铜的1/4-1/6。这种“超级铜线”也是一种具有绕制成低温线圈产生强磁场潜力的材料。但如何低漏热、简单高效、高功率密度的给低温线圈励磁以及能量回馈当前没有一个比较好的技术方案。

经检索发现以下三个较为接近的现有技术，分别描述如下：

【现有技术1】低温线圈开环励磁技术

如图1所示，传统的低温线圈励磁采用电流引线对开环的低温线圈进行直接励磁。此时，由于低温线圈工作在极低温(一般为4.2K-77K)，因此电流引线会存在一个从高温到低温的较大温度梯度进而产生较大的传导漏热；与此同时，由于低温线圈运行电流相对较高(一般为百安级甚至千安级)会随之产生较大的焦耳热。这种励磁技术鲁棒性较高，但是对制冷量的要求也较高，在很多制冷量有限或需要系统轻量化的应用场合受到了限制。

【现有技术2】超导线圈闭环励磁技术

为了克服传统超导线圈开环励磁技术的缺点，利用超导的零电阻特性，将超导线圈励磁完成以后形成闭环并且在真空层中将电流引线断开/拔开(如图2所示)。在这种技术下，超导线圈励磁时电流引线漏热依然比较大；但是励磁完成超导线圈闭合以后，其漏热几乎为零，漏热仅为电流引线冷热端的辐射换热。这种励磁技术的缺点是相较于现有技术1，系统较为复杂，超低阻或无阻接头工艺本身较为困难，接头电阻对于闭合线圈来说越小越好，以用来保证闭合线圈电流长时间几乎不衰减运行；其次为了使超导线圈电阻几乎为零，闭合线圈所能通的电流在相同条件下相较开环线圈相对要低(超导线圈中电流接近临界电流时，电阻就会慢慢产生；开环线圈不需要太担心小电阻的出现)；最后闭合线圈需要做到励磁前后开环闭环的控制(励磁时需要让闭合超导线圈局部失超，励磁方式和上面现有技术1提到的开环励磁技术一样，励磁完成后失超部分需要恢复超导态，然后断开电流引线形成闭环)。这样的开闭环操作会引入额外的控制难度和不确定因素，系统鲁棒性较开环励磁技术差一些。

【现有技术3】超导线圈闭环励磁技术