专利名称：带有失超保护电路的超导磁铁的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超导磁铁，特别涉及一种带有基于大容量IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)的失超保护电路的 超导磁铁。
背景技术：
随着超导技术和超导材料的蓬勃发展，超导磁铁有着广阔的应用前景。由 于超导磁铁体积小、电流密度高、能耗低、场强高等优点，近年来在基础科学 研究、医疗卫生、交通运输、国防工业等重要领域被越来越多的采用。当用于 超导磁铁的超导体回复到电阻状态时，称之为失超(Quench)。这可能是由于温 度、外界磁场的强度或承载电流的密度等某个参数超出其临界值而引起的。超 导体的一小部分不再是超导的，而是进入电阻状态，任何流经该电阻部分的电 流都会导致局部焦耳发热。这将导致该超导体的邻近部分失超，结果形成更大 的电阻态体积，这又导致进一步地焦耳发热。很快地，超导体进入电阻状态， 这时如果还有较大的电流仍在流经该超导体，那是非常危险的，会在一瞬间毁 坏超导体。
实际应用中，在失超之前，超导磁铁一般会带有可能为兆焦耳数量级的储 存能量。在失超之后，储能将在导体的电阻态体积中被消耗掉。如果不适当地 控制失超过程，就会在有限的区域内消耗该储能，从而导致局部温度上升，该 局部温度上升会损坏失超开始的部分上或附近的线圈区域。已知可以通过扩展失超过程来避免有害的热量集中，这就需要恰当地控制失超过程，也称为对超导磁铁进行失超保护。该失超保护的作用主要是在磁铁发生失超时，将线圈的热点温度控制在安全范围内。控制热点温度的实质就是控制储能在热点的沉积，通过扩展失超过程来避免有害的热量集中，以便在尽可能多的可用超导体上耗散所产生的热量，这将导致基本上涉及整个超导体的失超，意味着任一部分都不应达到危险的温度。 一般是为每个超导线圈配备发热器，该发热器与线圈有紧密的热接触，通过向发热器施加电流来实现故意的失超。
目前超导磁铁的失超保护主要依靠设计的保护电路均为被动保护电路，为超导磁铁提供被动保护，失超发生时，通过向发热器施加电流来实现故意的失超，用扩展失超过程来避免有害的热量集中，让储能在尽可能多的可用超导体上均匀的转化为热量并耗散掉，这将导致基本上涉及整个超导体的失超。因为被动保护转移的能量有限，所以多适应于铜超比(超导线中铜和超导材料的含量之比)较大的、无源的超导线圈。
现行的保护器或者保护电路具有明显的缺点其一，失超过程中产生的绝大部分热量都被耗散在超导体中，热应力的快速变化会对超导体的机械性能造成破坏。对于大多数超导材料来说，温度超过100K时，热膨胀引起的形变会比较明显。过高的温度会使超导线退化，引起临界电流降低等。高温也会对超导线外层的绝缘材料造成破坏。其二，超导材料一般都工作在10K左右的低温中，使用发热器会大大增加冷却系统的热负荷，延长失超后再次进入超导态的时间，降低整体机器的工作效率。
发明内容
本发明的目的就是要消除上述技术方案的不足和缺点，设计一种带有响应
4快、寿命长、控制灵敏、体积小、性能可靠的失超保护电路的超导磁铁。
为了达到上述目的，本发明提供了 一种超导磁铁失超保护电路和带有该保护电路的超导磁铁，所述超导磁铁失超保护电路包括二极管、绝缘栅双极晶体管和泄能电阻，所述二极管与绝缘栅双极晶体管串联以后再与泄能电阻并联。所述超导磁铁，包括至少六个串联超导线圈L1 L6组成的超导磁铁本体，装配有上述述超导磁铁失超保护电路、失超探测器、电流传感器、短路器和电流注入导线，所述超导磁铁中的超导磁铁本体一端通过电流传感器联接到短路器的一端，超导磁铁本体另一端联接失超保护电路的一端，失超保护电路的另一端联接短路器的另一端，电流注入导线联接短路器的两端，所述串联线圈的每个端点都和失超探测器联接，失超探测器与电流传感器联接，失超探测器与绝缘栅双极晶体管联接。
本发明的有益效果
① .为超导磁铁提供主动失超保护。首先准确的探测到失超的发生，再通过保护电路实施预定的保护动作。对于储能大、铜超比小、超导线截面小的超导磁铁，使用主动保护更为安全、合理，也便于将绝大部分能量转移到外部的泄能电阻上，控制失超后的热点温度在允许值以内。
② .失超保护判断非常灵敏，且失超过程中产生的绝大部分热量都被耗散在超导磁铁外面的泄能电阻上，避免了发热器产生的热应力的快速变化对超导体的机械性能造成破坏。超导磁铁的温度仅有很小的上升(因为其中耗散的热量非常小)，这对超导线外层的绝缘材料非常有利，也避免了高温导致的超导线退化，延长了超导线的使用寿命。当然失超过程中产生的冷却系统的热负荷也被大幅度降低，失超后再次冷却到超导态的时间被縮短，提高了整体机器的工
图l为本发明的电路图
具体实施例方式
如图1所示本发明提供了一种超导磁铁失超保护电路1和带有该保护电路1
的超导磁铁10，所述超导磁铁失超保护电路1包括二极管2、绝缘栅双极晶体 管3和泄能电阻4，所述二极管2与绝缘栅双极晶体管3串联以后再与泄能电阻 4并联。
所述超导磁铁10，包括至少六个串联超导线圈L1 L6组成的超导磁铁本体 5，装配有上述超导磁铁失超保护电路l、失超探测器6、电流传感器7、短路器 8和电流注入导线9，所述超导磁铁10中的超导磁铁本体5 —端通过电流传感 器7联接到短路器8的一端，超导磁铁本体5另一端联接失超保护电路1的一 端，失超保护电路1的另一端联接短路器8的另一端，电流注入导线9联接短 路器8的两端，所述串联线圈的每个端点都和失超探测器6联接，失超探测器6 与电流传感器7联接，失超探测器6与绝缘栅双极晶体管3联接。
正常工作中，当整个系统通过电流注入导线9被连接到外部电源时，电流 将主要通过失超保护电路1中的绝缘栅双极晶体管3和二极管2而流经超导磁 铁本体5，泄能电阻4中只有很小的电流经过，并且短路器8是断开的。失超探 测器6采集超导线圈L1 L6的每个端点的电压和电流传感器7输出的电流信号 im，计算分析该电压、电流和L di/dt信号及其相互关系。然后和超导线圈Ll L6在工程设计时的计算值进行比较，从而分析判断超导线圈L1 L6是否工作在 超导态。若在超导态，则电流将主要通过失超保护电路1中的绝缘栅双极晶体 管3和二极管2而流经超导线圈L1 L6。一旦超导线圈L1 L6中某处发生失超，会马上被失超探测器6判断出来，失超探测器6的输出信号U。将使绝缘栅双极
晶体管3关断，同时外部电源也被关断，短路器8导通。流经超导线圈L1 L6 的电流id通过短路器8、泄能电阻4继续流动。由于泄能电阻4的电阻值比超导 线圈中失超部分呈电阻态而出现的电阻值要大许多，所以继续流动的电流将使 泄能电阻4快速发热，同时该电流也被快速衰减。这样也就使大量的超导磁铁 储能被转化为热量，并且转移了出来，不再耗散在超导线圈中，而是耗散在了 泄能电阻4上。这对超导线圈是非常好的，有利于超导线圈的安全稳定工作。
这种失超保护被称为主动失超保护。首先要准确的探测到失超的发生，再 通过保护电路实施预定的保护动作。对于储能大、铜超比小、超导线截面小的 超导磁铁，使用主动保护更为安全、合理，也便于将绝大部分能量转移到外部 的泄能电阻上，控制失超后的热点温度在允许值以内。
本发明对于超导磁铁工作时需要注入电流与ia方向相反的应用场合，只需 在失超保护电路1中将一个与二极管2、绝缘栅双极晶体管3方向相反的二极管、 绝缘栅双极晶体管串联支路并联到泄能电阻4两端即可实现该场合下的失超保 护。.
本发明的优势在于失超判断非常灵敏，且失超过程中产生的绝大部分热量 都被耗散在超导磁铁外面的泄能电阻上，避免了发热器产生的热应力的快速变 化对超导体的机械性能造成破坏。超导磁铁的温度仅有很小的上升(因为其中 耗散的热量非常小)，这对超导线外层的绝缘材料非常有利，也避免了高温导致 的超导线退化，延长了超导线的使用寿命。当然失超过程中产生的冷却系统的 热负荷也被大幅度降低，失超后再次冷却到超导态的时间被縮短，提高了整体 机器的工作效率。
权利要求
1. 一种超导磁铁失超保护电路(1)，其特征在于所述磁铁失超保护电路(1)包括二极管(2)、绝缘栅双极晶体管(3)和泄能电阻(4)，所述二极管(2)与绝缘栅双极晶体管(3)串联以后再与泄能电阻(4)并联。
2. —种超导磁铁(10)，包括至少六个串联超导线圈L1 L6组成的超导磁 铁本体(5)，其特征在于所述超导磁铁(10)装配有权利要求1所述超导磁 铁失超保护电路(1)、失超探测器(6)、电流传感器(7)、短路器(8)和电流 注入导线(9)，所述超导磁铁(10)中的超导磁铁本体(5) —端通过电流传感 器(7)联接到短路器(8)的一端，超导磁铁本体(5)另一端联接失超保护电 路(1)的一端，失超保护电路(1)的另一端联接短路器(8)的另一端，电流 注入导线(9)联接短路器(8)的两端，所述串联线圈的每个端点都和失超探 测器(6)联接，失超探测器(6)与电流传感器(7)联接，失超探测器(6) 与绝缘栅双极晶体管(3)联接。
全文摘要
本发明公开一种超导磁铁失超保护电路和带有该保护电路的超导磁铁，超导磁铁失超保护电路包括二极管、绝缘栅双极晶体管和泄能电阻，二极管与绝缘栅双极晶体管串联以后再与泄能电阻并联；所述超导磁铁，包括超导磁铁本体，装配有上述述超导磁铁失超保护电路、失超探测器、电流传感器、短路器和电流注入导线，本发明为超导磁铁提供主动失超保护，失超判断非常灵敏，失超过程中产生的绝大部分热量都被耗散在超导磁铁外面的泄能电阻上，避免了发热器产生的热应力的快速变化对超导体的机械性能造成破坏，延长了超导线的使用寿命。失超过程中产生的冷却系统的热负荷也被大幅度降低，失超后再次冷却到超导态的时间被缩短，提高了整体机器的工作效率。
文档编号H01F6/00GK101521078SQ20081023238
公开日2009年9月2日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年11月25日
发明者党怀东, 刘姣宏, 杨 师, 柳恒敏, 王有云, 石立峰, 斌 赵 申请人:天水电气传动研究所有限责任公司