技术摘要：
一种超导电流泵被布置为使DC电流流过容纳在低温恒温器的低温外壳内的超导电路，包括在低温外壳外的转子和在低温外壳内的定子，转子和定子由低温外壳的热绝缘壁穿过的间隙分隔开，转子和定子至少部分地包括铁磁材料，以将磁通量集中在跨转子和定子之间的间隙并且穿过所  全部
背景技术：
高温超导(HTS)线的商业化生产和应用已经得到公认。高温超导体材  料是具有高 超导转变温度(Tc)的Ⅱ型超导体，典型地使得Tc>77K。由  HTS线缠绕的电磁线圈可以实现高 磁场，这是由于当在低于Tc的温度下操  作时在高电流密度下极低水平的热耗散。为了将温 度保持在Tc以下，必须  将超导线圈容纳在耦合到冷却源的低温恒温器内。电流通常经由包 括由普  通导电金属制成的电流引线的电路供应到HTS超导电路。这些电流引线穿  过低温 恒温器壁，以将超导电路连接到位于低温恒温器外壳外部的电流源。  这种电流引线是在低 温环境下的热负荷的重要来源，这是由于沿着在高电  流下操作的电流引线的热传导和在 电流引线内的电阻损耗。此外，附随的 电流源和高电流电缆具有大的占用面积，不便于携 带，并且昂贵。 低温超导(LTS)线(例如NbTi)通常用于形成电磁线圈。LTS线可 以与超导接头连 接，允许制造完全超导电路。完全超导电路可以用外部电  流源激励，以便在去除外部电流 源之后在电路周围保持持续的超导电流。 目前，在制造情况下在HTS导体之间实现超导接 头是不切实际的。因此，  HTS电路不能在持续电流模式下操作，并且必须维持外部电流源始 终连接 以平衡超导电路中的电阻性接头中的损耗。 已经使用电磁感应来在没有到电路的物理连接的情况下在超导电路内  生成电 流。采用这种方案的装置先前被称为“超导DC发电机”或“超导磁  通泵”。术语“磁通泵”用于 指代在体超导材料内引入持久体磁化或产生围 绕超导电路流动的净电流的范围广泛的设 备。在本说明书中，术语“超导 电流泵”指的是感生出围绕超导电路流动的净电流的设备。 术语“旋转磁 通泵”和“电流泵”在本说明书中可互换使用。 超导磁通泵可以大致分为开关型磁通泵或旋转型磁通泵。开关磁通泵  没有移动 部分，并且通过操作电路中的开关来实现磁通泵送。例如，国际  专利申请公开WO2010/ 070319报告了一种通过使用可转换的磁性材料来磁  化大块高温超导体(HTS)材料的磁通 泵。旋转磁通泵具有包括转子的移动  部分，转子相对于包含待激励的超导电路的部分的定 子移动。转子承载磁  通量源，例如一个或多个永磁体。转子位于定子附近，从而使来自源的 磁  通量穿透超导电路的一部分并且横贯超导体以在超导电路中感生出电流。  旋转磁通泵 需要转子和定子之间的间隙小于几毫米，以在定子处的超导电  路元件中生成足够的磁通 密度，以使得电流泵送能够发生。旋转部分位于  低温恒温器内部，并且机械耦合部穿过低 温恒温器壁以将转子连接到旋转  运动源，例如电动机。旋转磁通泵已经与具有范围从NbTi (Tc＝9.2K)到  YBCO(Tc≈95K)的各种转变温度的I型或II型超导材料一起使用。转子  和定 4 CN 111599570 A 说　明　书 2/13 页 子可以方便地布置成径向通量几何形状或轴向通量几何形状或其组  合。径向通量几何形 状表示转子和定子件围绕共同的同心轴线布置，以使  得磁通链路跨越定子和转子之间的 径向间隙。轴向通量几何形状表示定子  和转子件沿着公共轴线线性移位，以使得通量链路 跨越形成在定子和转子  之间的轴向间隙。例如，在国际专利申请公开WO2012/018265中报 告的磁  通泵布置具有承载一系列永磁体的转子，所述永磁体在HTS定子线附近旋  转以在 超导电路中感生出电流。 本发明的目的是改进已知的超导磁通泵及其在包括电磁线圈的超导电  路中的应 用或至少为公众提供有用的选择。 在本说明书中，当提及包括专利说明书和其它文献的外部信息来源时，  这通常是 为了提供讨论本发明的特征的上下文。除非另有说明，否则在任 何管辖范围中对这些信息 来源的提及都不应被解释为承认这些信息来源是  现有技术或构成本领域的公知常识的一 部分。
技术实现要素：
广义地说，在一个方面，本发明包括一种超导电流泵，其被布置为使  DC电流在容 纳在低温恒温器的低温外壳内的超导电路中流动，所述超导电  路包括一个或多个超导线 圈和一个或多个线或带超导元件，所述电流泵包  括位于所述低温外壳外的转子和位于所 述低温外壳内的定子，所述定子包  括所述一个或多个线或带超导元件，所述转子和所述定 子由所述低温外壳 的热绝缘壁穿过的间隙分隔开，所述转子包括一个或多个磁场生成元 件， 并且所述转子和所述定子至少部分地包括铁磁材料以将来自所述一个或多  个磁场生 成元件的磁通量集中在跨所述转子与所述定子之间的所述间隙并  穿过所述热绝缘壁的磁 路中，所述磁通量在一方向上穿透所述定子的所述  一个或多个线或带超导元件，所述一个 或多个线或带超导元件在所述转子  和所述定子之间通过且经由低或无磁通密度的区域离 开所述定子，从而使  所述低温外壳外的所述转子相对于所述低温外壳内的所述定子的运 动感生  出DC电流以在所述一个或多个线或带超导元件中以及在所述低温外壳内 的所述 超导电路中流动，穿透所述一个或多个线或带超导元件的磁通量的  磁通密度足够高以在 所述一个或多个线或带超导元件中以微观规模形成局  部通量涡流，但是在宏观水平上不 足以消除足以传导在所述一个或多个线  或带超导元件中流动的净DC电流的超导电流路 径。。 电流泵被布置为相对于(多个)超导元件移动(多个)磁场生成元件，  从而使得通 量涡流移动通过(多个)超导元件，以使得通过感生出跨超导 电路的阻抗产生驱动电压的 电动势而存在横贯超导元件并驱动围绕超导电 路的电流的磁通量的净流量 在至少一些实施例中，超导电路包括一个或多个待激励的超导线圈， 并且所述超 导线圈具有足够的电感以随着磁路中的电流借助移动磁场生成  元件通过超导元件的动作 而以逐步方式增加时递增地累积电流。 形成在转子和定子磁轭之间的磁路被布置为使得穿过(多个)超导元  件的磁通量 跟随不穿过超导电路的到转子磁轭的返回路径。 在至少一些实施例中，磁场生成元件包括永磁体、电磁体及其类似物 中的至少一 种或组合。在一种形式中，磁场生成元件可以仅包括一个或多  个永磁体。 5 CN 111599570 A 说　明　书 3/13 页 在一种形式中，转子和定子彼此轴向移位，以便在大体上平行于转子 的旋转轴线 的方向上形成间隙。替代地，转子和定子同心地布置，以便在  大体上垂直于转子的旋转轴 线的方向上形成径向间隙。 在至少一些实施例中，间隙在大约2-30mm的范围内。更优选地，间隙  大于约6mm、 或大于约10mm、或大于约15mm。在另一种形式中，间隙 可以大于约30mm。 在一种形式中，定子磁轭和转子磁轭均形成为圆柱形，并且(多个)  超导元件布置 在定子圆柱的表面上，并且磁场生成元件布置在转子圆柱的  表面上。 在至少一些实施例中，圆柱形转子组件位于圆柱形定子组件的内部或  外部，并且 其中，低温恒温器壁被布置为避免穿过低温恒温器壁的任何凹  入特征。 在另一种形式中，定子磁轭和转子磁轭包括一对平行的圆盘，并且(多  个)超导元 件径向地布置在定子圆盘的一个表面上，并且其中，磁场生成  元件布置在外圆周处面向定 子上的超导元件的转子圆盘的一侧上。 在至少一些实施例中，电流泵包括公共载体，其可操作用于在大体上  不改变转子 和定子之间的间隙的情况下使转子相对于定子旋转。 在至少一些实施例中，磁场生成元件还布置为通过公共载体相对于定  子移动。 在一种形式中，电流泵包括控制转子旋转速度的控制系统。 在至少一些实施例中，控制系统可操作用于控制转子和定子之间的间 隙。 在一种形式中，电流泵包括传感器，其可操作用于向控制系统提供指  示围绕超导 电路的电流的信号。 在至少一些实施例中，传感器是电流传感器、霍尔传感器、GMR传感  器、磁通门磁 力计、EPR传感器或NMR传感器中的一种或多种。 在至少一些实施例中，电流泵还包括一个或多个温度传感器，其可操  作用于向控 制系统提供指示超导电路的部分的温度的信号。 在一种形式中，(多个)超导元件包括一种或多种高温超导(HTS)材  料。在至少一 些实施例中，HTS材料在零磁场和大气压下具有>77K的超  导转变温度。超导材料可以包括 以下材料中的任何一种或多种：BiSrCaCuO、(Re)BaCuO(其中，Re是Y或Gd或其他镧系稀土) 或任何其它适合的材 料。在另一种形式中，(多个)超导元件至少部分地包括MgB2。 在一种形式中，超导元件包括线、条、带、膜或任何类似的形式。优  选地，超导元件 的厚度在其最薄尺寸上小于约1mm。更优选地，超导材料  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。 在一些实施例中，最薄尺寸垂直于转子的旋转轴线定向。在一些其它  实施例中， 最薄尺寸平行于转子的旋转轴线定向。 在至少一些实施例中，超导电路在转子和定子之间的间隙处进入电流  泵的磁路， 并且在所述间隙中经受高通量密度。在至少一些实施例中，超  导电路在转子和定子之间的 间隙处进入电流泵的磁路，并且经受大于超导 元件的磁穿透场Bpen的通量密度。 在使用中，间隙中的磁通量密度高到足以穿透围绕定子设置的超导元  件，并且以 微观规模形成局部通量涡流，但是在宏观水平上不足以高到消 除足以输送流过超导电路 的净传输电流的超导电流路径。 在一种形式中，由来自转子上的磁场生成元件的磁通量穿透的超导元  件被纵向 6 CN 111599570 A 说　明　书 4/13 页 分成两个或更多个元件，以使得每一个体元件的宽度小于相同总 电流输送能力的单个超 导元件的宽度。这是为了减少超导电流泵内的耗散 能量损失而实现的。 在至少一些实施例中，铁磁定子磁轭成形为允许超导电路在不经受高  通量密度 的情况下离开电流泵的磁路。 在至少一些实施例中，定子包括延伸穿过铁磁轭的至少一个开口(例  如口或孔或 通道)，以允许超导电路离开磁路。 在一种形式中，转子磁轭和定子磁轭由一种或多种铁磁金属或包括铁  磁金属的 复合材料制成。 在一种形式中，定子磁轭包括具有低磁矫顽力(magnetic  coercivity) 的一种或 多种铁磁金属。 在一种形式中，磁轭包括使用非铁磁性粘合剂层叠的铁磁片叠置体或  在非铁磁 基质内的铁磁材料分布。 在至少一些实施例中，定子磁轭包括将磁通量引导到超导元件的区域  的突起或 磁极。在一种形式中，定子磁轭包括突起阵列，其与转子上的磁  场生成元件相互作用，以便 将磁通量按顺序地引导到超导元件，并且然后  离开超导元件，以使在超导元件的表面经受 的磁场变化的幅度最大。 在至少一些实施例中，低温恒温器制冷系统是可操作用于通过蒸发潜  热进行制 冷的液体制冷剂和/或热机械制冷器。热机械制冷器是GM、Sterling  或脉冲管制冷器的其 中之一。 低温恒温器壁包括选自真空、多层隔绝和/或冷却热屏蔽中的至少一种 的热绝缘 材料。在至少一些实施例中，设置在转子和定子之间的低温恒温  器壁包括低导电性材料， 例如玻璃纤维复合材料、不锈钢和/或薄和/或开缝 的多层箔中的一种或多种。 在另一种形式中，超导电路包括位于发电机或电动机的转子上并且容  纳在旋转 低温恒温器内的线圈，并且电流泵转子位于旋转低温恒温器的外  部并且相对于电流泵定 子围绕与发电机或电动机的转子相同的轴线进行旋  转。在至少一些实施例中，电流泵定子 和电流泵转子围绕与旋转低温恒温  器的旋转轴线相同的轴线相对于彼此进行旋转。在至 少一些实施例中，容  纳在旋转低温恒温器内的超导线圈形成发电机或电动机的转子线圈。 在一种形式中，超导元件纵向分为两个或更多个元件，以使得每一个  体元件的宽 度小于具有相同总电流输送能力的单个超导元件的宽度。在至  少一些实施例中，超导元件 穿过磁路的区域被分成通过对超导元件加条纹  而形成的两个或多个纵向部分。 如上所述，本发明的超导电流泵包括在低温外壳外的转子和在低温外  壳内的定 子。转子和定子由低温外壳的热绝缘壁穿过的间隙分隔开。转子  包括一个或多个磁场生成 元件，并且转子和定子至少部分地包括铁磁材料， 以将磁通量集中在跨转子和定子之间的 间隙并且穿过所述壁的磁路中，以  使得磁通量穿过与定子相关联的超导电路的一个或多 个超导元件。低温外  壳外的转子的相对运动感生出DC传输电流在低温外壳内围绕超导电 路流  动。本发明的优点可以包括： ·在低温外壳外的驱动电动机和内部转子之间没有耦合部，该耦合部  可以将热 泄漏路径引入到低温恒温器中，进而增加热负荷，并且从而增加  将低温外壳内的冷却组件 保持在所需的低操作温度所需的冷却功率。到低  温外壳中的热泄漏增加了液体制冷剂的 7 CN 111599570 A 说　明　书 5/13 页 汽化速率，或增加了热机械制冷器 的成本、尺寸和功率消耗。 ·在低温恒温器内部没有可能引起湍流和增加液体制冷剂的汽化速率 的移动部 分。 ·不需要低温外壳内的轴承来支撑旋转部分或不需要用于轴承的润滑  剂，以便 在低温下可靠地运行。 ·一般来说，在低温外壳内没有运动部分消除了通常对低温恒温器内  运动部分 的极高可靠性的要求。拆卸低温恒温器以修复故障部分需要加热  磁体并破坏真空密封。这 通常是一个复杂、耗时且昂贵的任务。 旋转超导电流泵要求必须将磁场周期性地施加在超导电路内的HTS材  料的区域 上，以使得在HTS材料内形成磁通量涡流。通量涡流必须在垂直  于将围绕超导电路驱动的 净电流的期望方向的方向上完全穿透HTS材料。  存在发生完全通量穿透的最小施加磁场强 度，并且该最小穿透场在本文中  被称为Bpen。 穿透通量涡流可以通过相对于HTS材料移动施加的非均匀磁场而移动  通过HTS材 料，其方式为在所施加的磁场的移动方向上拖动通量涡流。在  旋转的超导电流泵中，这是 通过相对于定子旋转包含磁性元件的转子来实  现的，以使得来自转子上的磁性元件的通 量穿过超导电路的一个或多个部  分，并在超导体表面处周期性地施加高磁通密度的移动 区域，以使得所施  加的场超过Bpen。通量涡流通过HTS材料的净运动导致跨越超导电路的部  分的感应EMF，其驱动并维持在可以包括围绕超导线圈的超导电路的净电 流。 对本文中所述的旋转超导电流泵的操作的要求是，施加在超导元件处  的磁场小 于HTS材料的上临界磁场Bc2，以防止超导电路的淬灭  (quenching)。上临界磁场Bc2是II型 超导体将呈现出超导行为的最大施加  磁场。 在本发明的另一方面，本发明还包括一种超导电流泵，其被布置为使  DC电流在容 纳在低温恒温器的低温外壳内的超导电路中流动，所述超导电  路包括一个或多个超导线 圈和一个或多个线或带超导元件，所述电流泵包  括位于所述低温外壳外的一个或多个磁 场生成元件和位于所述低温外壳内 的定子，所述一个或多个磁场生成元件和所述定子由 所述低温外壳的热绝  缘壁穿过的间隙分隔开，以及所述超导电流泵包括与位于所述低温 外壳外 的所述一个或多个磁场生成元件和位于所述低温外壳内的定子相邻的铁磁  材料 以将磁通量集中在跨所述间隙并穿过所述热绝缘壁的一磁路中，以使  所述磁通量在一方 向上穿透所述定子的所述一个或多个线或带超导元件，  所述一个或多个线或带超导元件 在所述转子和所述定子之间通过且经由低  或无磁通密度的区域离开所述定子，从而使所 述低温外壳外的所述一个或  多个磁场生成元件与所述低温外壳内的所述定子之间的相对 运动感生出  DC电流以在所述低温外壳内的所述超导电路中流动，穿透所述一个或多个  线 或带超导元件的磁通量的磁通密度足够高以在所述一个或多个线或带超  导元件中以微观 规模形成局部通量涡流，但是在宏观水平上不足以消除足 以传导在所述一个或多个线或 带超导元件中流动的净DC电流的超导电流 路径 广义上，本发明还包括一种系统，其包括上述的超导电流泵，其中，  所述低温恒温 器包括制冷系统，所述制冷系统包括能够操作用于通过蒸发  潜热进行冷却的液体制冷剂 和/或热机械制冷器。 广义上，本发明还包括一种系统，其包括上述的超导电流泵，其中，  所述热绝缘壁 8 CN 111599570 A 说　明　书 6/13 页 壁具有低导电性。 广义上，本发明还包括一种系统，其包括上述的超导电流泵，其中，  所述低温恒温 器是旋转低温恒温器。。 超导电路可以包括一个或多个非超导部分，例如超导体材料的部分之  间的一个 或多个普通导电接头。在本说明书中，术语“HTS”材料指的是具  有Tc>77K(在零磁场和大气 压下)的II型超导材料，并且还指代MgB2(其 具有大约39K的实质上较低的Tc)。 HTS线指的是其中包括一段或多段连续的HTS材料的一段线或条或  带。目前商业 生产的HTS线的示例包括由Superpower  Inc.和Fujikura  Ltd.  生产的涂层导体线。许多其 他制造商也提供涂层导体HTS线。涂层导体HTS  线包括金属带基底，在其上沉积一系列分层 的一个或多个陶瓷薄膜。薄膜  叠置体包括HTS材料(例如YBaCuO或GdBaCuO)的薄膜层(厚度 <10μm)，  并沉积在金属带基底上，并且整个堆叠结构被封闭在一层或多层金属涂层  材料 内。典型涂层的导体线约为100μm厚，并且可以以>100m的连续长度  生产。当前生产的HTS线 的另一个示例是由Sumitomo生产的BSCCO线。  BSCCO线包括多个BSCCO  HTS材料的细丝，其 被封闭在银基质内以形成  具有矩形横截面的长线。Mg B 2线的示例由Colum bus  Superconductors  SpA 生产。 超导电路必须在低温下操作以保持超导特性。低于该温度具有超导特  性的温度 称为临界温度Tc。典型地，超导电路被放置在低温恒温器内部以  保持在临界温度以下操 作。低温恒温器包括一个或多个热绝缘壁或边界，  其阻止热从外部源流入超导组件及其支 撑结构(“冷块”)中。剩余热通量 由冷却功率源平衡，因此将冷块保持在恒定温度。冷却功 率源可以是通过  蒸发吸收热量的低温流体和/或热机械制冷器，例如Gifford-McMahon、  Sterling或脉冲管制冷器。导热组件设置在冷块和制冷器之间，以引导热流  动，形成冷却 歧管。 如本文中所使用的： ·名词后的“(s)”表示名词的复数形式和/或单数形式。 ·“和/或”表示“和”或者“或”或者二者。 ·“包括”表示“至少部分由……组成”。当解释本说明书中包括该术  语的语句时， 在每个语句或权利要求中由该术语开始的特征都需要存在，  但是也可以存在其它特征。诸 如“包括”和“包含”的相关术语将以相同 的方式进行解释。 ·“转子”、“低温外壳外”，以及在超导电路中感生出的“DC电流”  和“DC输送电流” 具有随后提及的含义。 附图说明 现在将仅通过示例并参考附图进一步描述本发明，在附图中： 图1a和1b均示意性地示出了用于将电流注入低温恒温器内的超导电  路中的现有 技术布置。 图1c示意性地示出了根据本发明的用于将电流泵送到低温恒温器内的  超导电路 中的布置。 图2a至2c示出了来自磁偶极子的磁通线如何相对于一片平面超导材料  偏离。 图3更详细地示意性示出了本发明的超导磁通泵的实施例。 9 CN 111599570 A 说　明　书 7/13 页 图4是轴向通量超导电流泵的实施例的一部分的截面。 图5a示出了图4的轴向通量超导电流泵的定子磁轭。 图5b是图4的轴向通量超导电流泵的定子磁轭内的孔周围的磁通线分  布的放大 图。 图6a是轴向通量超导电流泵的实施例的透视图。 图6b是沿着图6a的线I-I的图6a的轴向通量超导电流泵的截面。 图7是轴向通量超导电流泵的另一个实施例的透视图。 图8是轴向通量超导电流泵的又一个实施例的透视图。 图9a是同轴地集成在发电机或电动机内以激励发电机或电动机的超导  转子线圈 的轴向通量超导电流泵的实施例的纵向截面图。 图9b是图9a的集成超导电流泵和发电机或电动机的一部分的放大图。 图10是本发明的轴向通量超导电流泵的输出电流与时间相比的曲线 图。 图11是本发明的轴向通量超导电流泵的输出电压与时间相比的曲线 图。 图12是根据转子和定子之间的轴向间隙的本发明的轴向通量电流泵的  初始输出 电压的曲线图。 图13是来自三种不同设计的超导电流泵的感生电流的曲线图。