[发明专利]一种高温超导磁通泵本征能耗的测试装置及方法

权利要求书

1.一种高温超导磁通泵本征能耗的测试装置，包括冷却箱(1)、超导组件和永磁组件，其特征在于：所述超导组件位于所述冷却箱(1)的内部，所述永磁组件包括转轴(2)和永磁体飞轮(3)，所述转轴(2)上设有永磁体飞轮(3)，所述超导组件包括超导线圈(4)、HTS接头(5)和定子短带(6)，所述超导线圈(4)设在冷却箱(1)的内部，且超导线圈(4)由HTS带材绕制而成，所述超导线圈(4)的两端为HTS接头(5)，两端的所述HTS接头(5)处连接有定子短带(6)，所述永磁体飞轮(3)临近所述定子短带(6)。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导磁通泵本征能耗的测试装置，其特征在于：所述冷却箱(1)的内部装有液氮冷媒。

3.根据权利要求1所述的一种高温超导磁通泵本征能耗的测试装置，其特征在于：所述超导线圈(4)上设有支架(7)，且支架(7)固定在冷却箱(1)内部的底部。

4.根据权利要求1所述的一种高温超导磁通泵本征能耗的测试装置，其特征在于：所述超导组件和永磁组件之间存在间隙并互不接触。

5.根据权利要求1所述的一种高温超导磁通泵本征能耗的测试装置，其特征在于：所述超导线圈(4)、HTS接头(5)和定子短带(6)构成闭环通电回路。

6.一种高温超导磁通泵本征能耗的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将超导组件和永磁组件置于液氮冷媒的低温环境中，转动转轴(2)，带动永磁体飞轮(3)旋转，产生行进的磁场波，行进的磁场波对超导线圈(4)进行无刷励磁，产生临界电流；

步骤二：由于HTS带材的B_C2高，定子短带(6)中不能生成正常态区域，而是随着永磁体飞轮(3)的转动，受到一个在幅值介于B_C1和B_C2之间的行进磁场波的作用，穿过其中的磁通量经历由增加到下降的周而复始的过程，产生一个直流电压净值V_dc和动态电阻R_d，从而在每一个周期生成一个直流感生电流增量，直至超导组件构成的闭环回路中的电流I_L达到一个接近临界电流I_C的饱和值I_L0；

步骤三：设定L为超导线圈(4)的电感，R为超导组件构成的闭环回路的电阻，该电阻包括回路中的HTS接头(5)的电阻R_J和绕制超导线圈(4)的HTS带材的动态电阻R_d’，那么，回路中的电流I_L和超导线圈(4)中的磁感应强度B，遵循下面的指数衰减规律：

I_L(t)＝I_L(0)·exp[(-R/L)·t]，B(t)＝B(0)·exp[(-R/L)·t] (1)

其中，t表示时间/s，将上式运用到超导组件和永磁组件时，不同功率的超导组件的闭环回路具有不同的衰减特性，而永磁组件在回路中实时泵入一个电流、磁通增量，弥补这一衰减，维持超导线圈(4)中的磁感应强度B强度不变，这个磁通增量所需能耗，即励磁能，标为“ΔE_B”，得到：

ΔE_B＝1/2·[(I_L0)²-(I_L0-ΔI_L)²]·L＝(I_L0*ΔI_L-ΔI_L²/2)·L(2)

当HTS接头(5)电阻小，磁感应强度衰减很慢时，ΔI_L＜＜I_L0，那么：

ΔE_B＝2·(ΔI_L/I_L0)·E_B0 (3)

这一励磁能以W为单位时，则表达为：

ΔE_B＝2·(ΔI_L/I_L0)·E_B0·f (4)

HTS接头(5)电阻R_J和绕制超导线圈(4)的HTS带材动态电阻R_d’分别导致的焦耳热(Q_J和Q_d’)是闭环回路中的另外两项能耗，即：

Q_J＝I_L0²·R_J (5)

Q_d’＝I_L0²·R_d’ (6)

R_d’利用指数定律进行计算：

R_d’＝V₀·[I_L0/I_C(B_r)]ⁿ/I_L0 (7)

其中V₀＝1μV/cm,而I_C(B_r)是在磁场作用下HTS带材的临界电流，受B_r的垂直分量B_r^⊥的比较直接，用下列方程表达：

I_C(B_r)＝I_c(0)/(1+|B_r^⊥|/B₀) (8)

上述三项能耗之和相应与该闭环回路中从永磁组件输出的能量相等，将其标注为“P_FP”，表达如下：

P_FP＝ΔE_B+Q_J+Q_d’(9)；

步骤四：永磁组件在工作时，定子短带(6)受到行进磁场波的作用，在其中产生磁通运动和动态电阻R_d，这是在闭环回路中产生直流电压净值V_dc的基础，由于交变磁场的存在所导致的动态电阻R_d和磁通运动在定子短带(6)中产生能耗，包括动态损耗Q_d和磁滞损耗Q_B，这两部分能耗为本征能耗，其总值标为“Q_FP”，即：

Q_FP＝Q_d+Q_B(10)

所以，超导组件通过永磁体飞轮(3)旋转机械能获得的总电能为E_M，在超导组件构成的闭环回路中分配为两个部分：本征能耗“Q_FP”和净输出能“P_FP”，即：

E_M＝P_FP+Q_FP＝ΔE_B+Q_J+Q_d’+Q_FP(11)；

步骤五：根据实际测量的行进磁场波波形、定子短带(6)上的直流电压净值V_dc、饱和励磁电流I_L0、HTS接头(5)的电阻R_J和由永磁体飞轮(3)旋转机械能获得的总电能E_M、维持超导组件的磁感应强度不变所需的励磁能ΔE_B，其中，E_M通过测得的永磁组件工作时的驱动电机总能耗减去永磁组件不工作时的电机能耗来获得数据，进而按下面的公式获得本证能耗的数值：

Q_FP＝E_M-ΔE_B-Q_J-Q_d’ (12)。