旋轉(zhuǎn)式超導(dǎo)磁通泵電磁特性分析

方 進(jìn)，陳海峰，陳 潔

(北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044)

引言

高溫超導(dǎo)磁體在直流電流作用下能產(chǎn)生極高的磁場，高強(qiáng)度的磁場可以顯著提高磁共振成像、超導(dǎo)電機(jī)等的性能[1-3]。目前對超導(dǎo)磁體最普遍的供電方式為用電源導(dǎo)線[2]，但超導(dǎo)磁體工作在液氮溫區(qū)及以下，而電源處在室溫，導(dǎo)線跨接在溫度相差巨大的環(huán)境中,電流導(dǎo)線的存在會破壞低溫系統(tǒng)良好的封閉性，造成熱量流失。同時，導(dǎo)線在傳輸幾百或幾千安培電流時電能損耗很大，產(chǎn)生的熱量會近一步破壞低溫環(huán)境[1,3]。而旋轉(zhuǎn)式磁通泵供電時其導(dǎo)線不與超導(dǎo)磁體直接接觸，這種供電方式具有突破性，使外部電源、電流開關(guān)和電流引線都可以省去[3]。因此，熱損失可以顯著減少，系統(tǒng)可以設(shè)計地更加緊湊[4]。由于超導(dǎo)的特性，磁通泵所要求的輸入功率很小，同時相對來說容易調(diào)節(jié)輸出量級，輸出電流的范圍很大[4]。

從1933年Mendelssohn首次提出利用磁通泵給超導(dǎo)磁體供電以來[4]，磁通泵取得了長足的發(fā)展，目前國內(nèi)外研究的磁通泵主要有直流發(fā)電機(jī)式磁通泵[5]、變壓整流式磁通泵[6-7]、線性磁通泵[8-9]、旋轉(zhuǎn)式磁通泵[10]等。超導(dǎo)磁通泵很有應(yīng)用前景，可以促進(jìn)高溫超導(dǎo)磁體的廣泛應(yīng)用，如核磁共振/磁共振成像、超導(dǎo)電機(jī)、磁懸浮系統(tǒng)等[3]。

表1 超導(dǎo)磁通泵發(fā)展歷程

1 基本原理

與低溫超導(dǎo)磁通泵[11]工作原理不同，高溫超導(dǎo)磁通泵的工作原理為利用磁通流動引起高溫超導(dǎo)體電阻率的變化從而產(chǎn)生直流開路電壓[11]，如圖1所示。

圖1 等效電路圖[12]：(a)磁場垂直作用于超導(dǎo)體圖[12]；(b)電路圖[12]Fig.1 Schematic of open circuit voltage of HTS flux pump[12]：(a) Magnetic field perpendicular to superconductor diagram[12];(b) Equivalent circuit diagram[12]

將可變的磁場垂直施加到超導(dǎo)體上，如圖1(a)所示，等效電路圖如圖1(b)。其中，將磁場作用于超導(dǎo)體的區(qū)域描述為adcb和ab兩個支路，其中V1(t)和V2(t)分別表示adcb支路和ab支路的感應(yīng)電動勢。R1(t)和R2(t)分別表示adcb支路和ab支路的電阻，則：

(1)

其中，l是整個支路的總長度，Φ是總的磁通。

由圖1所示模型可得開路電壓:

(2)

V(t)中的直流分量為

(3)

如果R2(t)/(R1(t)+R2(t))是常數(shù)，如一個均勻的方波磁場垂直穿過超導(dǎo)回路時，則

(4)

此時沒有直流電壓產(chǎn)生。

如果R2(t)/(R1(t)+R2(t))在磁通增加和減小的過程中改變了值的大小，式(4)將不為零。為了簡化，我們假設(shè)R2(t)/(R1(t)+R2(t))在磁通增加和減小的過程中不改變數(shù)值，定義Pdec=R2(t)/(R1(t)+R2(t))和Pinc=R2(t)/(R1(t)+R2(t))分別為磁通減小和增加數(shù)值，則

(5)

其中t=t1時磁通為最小值，t=0時磁通為最大值。ΔΦ是最大值和最小值之間的差值，根據(jù)上式，如果在磁通增加和減小的過程中，R1(t)和R2(t)之間的比值發(fā)生變化，將會產(chǎn)生一個直流電壓分量。而電阻率受超導(dǎo)體中電流密度，超導(dǎo)體經(jīng)歷的磁通密度和磁場變化率的影響，根據(jù)Kim-Anderson模型：

(6)

其中JC0為無外加場強(qiáng)的臨界電流密度，B0為一個常數(shù)，當(dāng)隨時間和空間變化的磁場作用在超導(dǎo)回路上時，電阻率和電阻發(fā)生變化，會產(chǎn)生一個直流電壓，高溫超導(dǎo)磁通泵開始工作[13]。

在實際應(yīng)用中，我們希望VDC盡可能大。由公式(5)可以看出，通過增加磁場變化頻率從而增加1/T，通過改變R1(t)和R2(t)的值，使Pdec-Pinc盡可能大，如在磁通減小的過程中，R2(t)遠(yuǎn)大于R1(t)，此時Pdec約為1，在磁通增加的過程中，R2(t)遠(yuǎn)小于R1(t)，此時Pinc約為0，所以Pdec-Pinc≈1。還可以增加磁場強(qiáng)度使ΔΦ的方法提高VDC的值，但同時也會增加R的值，導(dǎo)致最終輸出的最大電流值較小。所以，要根據(jù)不同的應(yīng)用背景對參數(shù)進(jìn)行選擇，達(dá)到最優(yōu)化的結(jié)果。

2 旋轉(zhuǎn)式磁通泵實驗

2.1 實驗平臺搭建

本文所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)式超導(dǎo)磁通泵實驗平臺主要包括磁通泵和控制臺兩部分。旋轉(zhuǎn)式超導(dǎo)磁通泵包含轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子主要是由型號6061鋁材料打造的轉(zhuǎn)軸和型號N35的永磁塊組成，永磁塊均勻地黏著在轉(zhuǎn)軸上，最多為8塊；定子部分是由第二代高溫超導(dǎo)帶材構(gòu)成，主要分無磁性材料Hastelly做為基底層的上海超導(dǎo)帶材和帶有磁性的材料Ni5W作為基底層的美國超導(dǎo)帶材(AMSC)，主要參數(shù)如表2所示。

表2 實驗所用超導(dǎo)帶材參數(shù)表

其整個實驗裝置如圖2所示：控制臺包括直流電流源、信號發(fā)生器、NI-6215數(shù)據(jù)采集卡、DAQExpress軟件和Keysight BLW Builder軟件等，用來控制直流電流源和采集磁通泵的輸出參數(shù)。旋轉(zhuǎn)式超導(dǎo)磁通泵通過導(dǎo)線將定子側(cè)和直流電流源相連構(gòu)成回路，再通過一對焊接在帶材上的電壓引線將定子側(cè)的電壓信號通過NI采集卡采集、軟件處理后，得出磁通泵的電磁特性。旋轉(zhuǎn)式磁通泵整體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子、定子部分如圖3-5所示。

圖2 磁通泵實驗平臺Fig.2 Magnetic flux pump experimental platform

圖4所示的磁通泵轉(zhuǎn)子部分主要由轉(zhuǎn)軸和永磁塊組成。永磁塊均勻地粘貼在由鋁材料整體打造的轉(zhuǎn)軸上，實驗所用的磁塊數(shù)從1塊到8塊成對增加；整個轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與型號為MR-JE-40A的伺服電機(jī)連接，轉(zhuǎn)速最高可以達(dá)到3000r/min并保持在5%以下的誤差。圖5為磁通泵的定子部分，主要由第二代高溫超導(dǎo)帶材構(gòu)成，主要參數(shù)如表2所述。整個實驗中定子部分都放在液氮環(huán)境中，即溫度為77K下，使超導(dǎo)帶材始終處于超導(dǎo)態(tài)。

圖3 旋轉(zhuǎn)式磁通泵

圖4 旋轉(zhuǎn)式磁通泵的轉(zhuǎn)子部分

2.2 實驗結(jié)果去噪處理

通過數(shù)據(jù)采集卡和DAQExpress軟件采集到的數(shù)據(jù)不能直接使用，包含多種由電流源、伺服電機(jī)控制器、電機(jī)旋轉(zhuǎn)等產(chǎn)生的噪音，會對實驗數(shù)據(jù)造成很大的影響，必須先經(jīng)過小波去噪處理。這里采用的是如圖6所示的MATLAB軟件中的SWT-Denoising工具箱。

圖5 旋轉(zhuǎn)式磁通泵的定子部分

圖6 SWT-Denoising去噪工具箱

實驗數(shù)據(jù)通過MATLAB中的小波去噪處理后，再通過Origin軟件擬合出輸出數(shù)據(jù)曲線如圖7-9所示。

圖7 去噪后的輸出數(shù)據(jù)

圖8 未去噪的實驗數(shù)據(jù)

2.3 定轉(zhuǎn)子間隙對輸出參數(shù)的影響

基于2.1節(jié)搭建的磁通泵實驗平臺，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步在1800r/min、磁塊極對數(shù)同為8塊，定子全部采用上海超導(dǎo)帶材的情況下，分別進(jìn)行磁通泵定轉(zhuǎn)子間隙為1mm、6mm、10mm實驗，得出的實驗結(jié)果如下：

定轉(zhuǎn)子之間的間隙大小改變的是磁場的強(qiáng)度，轉(zhuǎn)子上的永磁塊距離超導(dǎo)定子越遠(yuǎn)，所能作用在超導(dǎo)帶材上的磁場越弱，所以磁場強(qiáng)度越小。間隙的改變對旋轉(zhuǎn)式磁通泵輸出性能有很大的影響，定子側(cè)最終是要放在密封的裝有液氮的杜瓦里，間隙的大小基本等于杜瓦的厚度，這對工藝制造有很高的要求，杜瓦越厚越能維持液氮環(huán)境，但成本也會增大。

從圖10和圖11可以看出開路電壓、最大輸出電流、等效電阻都隨著定轉(zhuǎn)子之間間隙的增大而逐漸減小。間隙的改變實際上改變的是公式(7)中外加磁場Ba的大小

(7)

其中Rdyn為等效電阻，Ba,th為閾值場[10]。增大間隙的距離也就是減小外加磁通Ba的數(shù)值，根據(jù)公式(6)、(7)可以得出開路電壓也會隨著磁通量的下降而減小，這與實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的變化趨勢相同。

圖10 磁通泵在不同間隙下的輸出電壓

圖11 磁通泵在不同間隙下的輸出參數(shù)

2.4 磁塊極對數(shù)對輸出參數(shù)的影響

在保持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1800r/min、定轉(zhuǎn)子間隙為1mm的條件下，分別進(jìn)行了多組對比試驗。從圖12-14可以看出，旋轉(zhuǎn)式超導(dǎo)磁通泵的開路電壓、最大輸出電流和等效電阻與磁極對數(shù)均正相關(guān)。當(dāng)磁極對數(shù)成倍增加時，對應(yīng)的開路電壓、最大輸出電流和等效電阻也幾乎是成倍數(shù)的增長。

圖12 不同磁塊極對數(shù)下磁通泵的開路電壓

圖13 不同磁塊極對數(shù)下磁通泵的最大輸出電流

圖14 不同磁塊極對數(shù)下磁通泵的等效電阻Fig.14 Equivalent resistance of flux pump under different pole pairs of magnetic blocks

從實驗結(jié)果可以看到用不同帶材做定子時磁通泵的性能還是有很大差別的。其中，開路電壓隨著磁塊極對數(shù)上升，美國超導(dǎo)帶材、上海超導(dǎo)帶材變化趨勢大致相同，到達(dá)最大極對數(shù)時，美國超導(dǎo)帶材的開路電壓大于上海超導(dǎo)帶材，但到達(dá)最大磁塊數(shù)時，由于磁滯特性的影響，帶磁性基底的美國超導(dǎo)帶材等效電阻大于上海超導(dǎo)帶材。為了使旋轉(zhuǎn)式超導(dǎo)磁通泵有較大的輸出參數(shù)，我們通常使轉(zhuǎn)子上的磁塊極對數(shù)最大，在開路電壓和輸出電流相差不大的情況下，優(yōu)先選擇等效電阻更小的上海超導(dǎo)帶材做為磁通泵轉(zhuǎn)子部分，這樣在保持磁通泵輸出性能的同時，能大大減小損耗。

3 結(jié)論

本文介紹了旋轉(zhuǎn)式超導(dǎo)磁通泵的優(yōu)點(diǎn)和工作原理，設(shè)計并搭建了實驗平臺，通過控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1800r/min、磁塊極對數(shù)為8塊的情況下，分別測得磁通泵在不同定轉(zhuǎn)子間隙下的輸出電壓，其中在間隙為1mm時測得最大的開路電壓為0.324mv,最大輸出電流為33.1A，在間隙為10mm時測得最小的開路電壓和輸出電流，分別為0.05mv和9.3A；同時在不同磁塊極對數(shù)下，比較測量了美國超導(dǎo)帶材和上海超導(dǎo)帶材的各個輸出參數(shù)，得出開路電壓、最大輸出電流和等效電阻與磁極對數(shù)成正比，在最大磁極對數(shù)下美國超導(dǎo)帶材比上海超導(dǎo)帶材有更大的電壓和更小的輸出電流，所以其等效電阻更大。對定轉(zhuǎn)子間隙、轉(zhuǎn)子磁塊極對數(shù)、定子側(cè)超導(dǎo)帶材的選擇、噪音的處理等不同影響因素的研究，有助于研究人員進(jìn)一步深入研究旋轉(zhuǎn)式磁通泵輸出特性，也為后續(xù)設(shè)計大電流的超導(dǎo)磁通泵提供了研究依據(jù)。