磁和超导电磁推动装置与制造方法
专利名称磁和超导电磁推动装置与制造方法
技术领域本发明属于电力能源与机械动力领域的开创性发明。由这种新原理与技术方法制造的磁和超导电磁动力装置—简称为超导磁动机，是一种能向外输出电能和机械能的装置。其基本发明是将磁与磁相互作用的超导磁体之超导闭合线圈工作于超导电通态与非超导电通态而设置有某种控制特征的超导电开关，并在其开关两侧连接由通常导电材料所组成的泄放电流输出回路。装置的运行是利用超导线圈临界条件下时被外磁场激发所产生的抗磁电流磁场与外磁场间的磁力作用，并通过操纵超导开关的通断而提供一种间歇或单向磁作用而运动，超导开关与调控器件是保证装置电磁作用或运动矢势向所设定运动方向持续递进而发生连续运动以及达到控制磁与磁相互作用程度和推动与否目的的重要部分。[超导开关的工作状态有(等效)闭合与断开两种，即当调控超导开关处于闭合状态时，起导线圈回路闭合，在外磁场下产生抗磁电流与磁场，与外磁场间形成磁相互作用(包括推动磁体克服阻力产生机械运动)；当调控超导开关处于断开状态时，超导线圈中的抗磁电流经所置外导电回路泄放成为电能输出。这个超导开关可有机械性能的、物理性能的或化学性能的等不同种类]。本项发明的设计构思和工作原理与以往理论方法有本质不同，属一种全新概念，按这种新原理与方法建造的装置可以得到巨大的能量输出，而输入能却很小或为零，实谓一种新型能量产生装置的好制造方法。超导电性、完全抗磁性是超导行为的主要特征1)超导电性指在一定外界条件(P、T、H)下，超导材料在温度下降至临界温度(Tc)时电阻突然变为零的特性，此时电流可在其中无阻通过，没有损耗。倘若用电磁感应的方法或其它方法在其中产生环流，在外界条件值(P、H、T、＜Pc、Hc、Tc)下该电流可保持长期稳定流动。目前超导材料的临界温度已达100K以上，(如Tc＝110K的鉍系，Tc＝120K的铊系，Tc＝150K的汞系等氧化物超导体)，并且在不断地得到提高。超导能量赋存环[SMES]即是其超导电性实际应用之一。
2)完全抗磁性(迈斯纳Meissner效应)在外磁场(H＜Hc)中将超导体(或环)冷却至临界温度Tc以下时，在相变点原来存在于超导体内的磁感应强度B被完全等效排出体外，此时超导体内E＝0.B＝0，维持T＜Tc、H＜Hc条件，它就始终保持内部磁场为零(
)状态，仅表面有一薄薄磁场渗透层。此时，超导体产生的抗磁电流磁场抵消外磁场，两磁场间发生强烈的排斥作用。先降温后再加外磁场，超导体内磁感应强度B也为零。人们熟知的演示实验中常在容器中的超导体上放置一永久磁铁，其后向容器中侧入低温冷却剂致冷超导体于临界温度以下时，磁铁即在斥力作用下上升浮起，当然，超导体一旦转为正常态，这种排斥作用即消失终止。临界温度、临界电流、临界磁场等是其超导材料主要条件值1)临界温度(Tc)超导体由正常电导(阻隔)态转变为超导态时的温度称为临界温度Tc，临界转变温度常分布在一个不大的温度过渡区间，如汞的临界温度4.22K，起始转变温度4.27K。目前高温超导体的临界温度已处于液氮与氟里昂冷却剂温区，也有报道，巴黎国立研究中心制出临界温度250K的超导物质，进一步的研究正在进行。
2)临界磁场(Hc)当外加磁场强于某一定值时，超导态被破坏而不再具有超导电性和抗磁性，超导体由超导态转变为正常态。此磁场强度称为临界磁场Hc。超导材料临界磁场除与材料本身结构特征有关外还与温度有关，其经验公式为
现有材料中特别是第II类超导体临界磁场高达数十特斯拉以上，如Pb0.7Eu0.3Gd0.2Mo6S6在4.2K时的Hc2达60特斯拉。
3)临界电流(Ic)处于超导态之超导体中电流强度达到该材料某一临界数值时超导体即由超导态转为正常态，这个电流称为临界电流Ic。超导电流由磁场所激发，做为抗磁电流而出现。临界磁场(电流)实际上是临界电流(磁场)的另一种表现形式。临界电流不但与温度和外磁场呈函数，而且与外磁场的方向有关。目前的超导材料中有些临界电流已可达数万安培·厘米-2，如日本超导工学研究部91年研制所得钇系超导材料，在31K温度和35T磁场条件，临界电流密度220KA·cm-2；77K、10T条件为24KA·cm-2；薄膜最高水平11MA·cm-2。超导材料临界态转换特点1)相变与潜热根据超导热力学理论，超导体正常态—超导态相变时每克分子的相变潜热Q=-T4&Hc∂Hc∂TVm----(2)]]&式中Vm为克分子体积，公式表明外磁场为零时相变潜热为零，外磁场不为零时相变潜热不为零比热有不连续的跳跃。比热的大小与超导材料特性和结构状态有关，与承载电流强度无关。物质正常态—超导态的转换与一般相构状态有关，与承载电流强度无关。物质正常态～超导态的转换与一般相变过程不同，它只涉及是电子状态的改变而并无晶体结构改变。
2)相变时间超导体正常态与超导态之间的转变时间极短，一般相变为10-13秒(无外磁场条件下)，这点已在超导量子干涉仪(SQUID)等应用器件中得到证实，部分材料在外磁场存在时超导态的转变有一定时间滞后。此外我们倘知1、超导电磁相互作用特征与常规磁场作用特征相同，
2、强电超导体在工业应用中常制成薄膜，线材，空心管状或数以千计的极其细微的纤维丝埋置在导热导电良好的基体或外套中，一旦发生猝熄失去超导电性情况时，超导电流被“挤入”导电基体中，这个基体或护套可作为另一电流通路泄放电流。前苏联、美、英等国制造的10-300兆瓦超导电机中普遍使用了该技术。因是由无数精细丝组成，在抑制磁通蠕动、栓定磁力线，阻止磁通跳跃失稳中有其优越性，另则还具有易弯曲形变特点，实验表明，多次冷热循环后仍具有很好的抗拉抗裂性能。这些材料已在核聚变装置，超导电子对撞机，超导发电机，超导磁悬浮等众多方面得到运用和性能检验，应用磁场强度常达十几特斯拉，电流数十万安培。如已知的有日本原子能研究所与日本电气工业公司所研制用于核聚变装置的超导磁体，由铝铌(Nb3Al)超导材料组成冷却在液氦温区，在12特斯拉强磁场下工作，施加在一块磁体上的电磁力高达4万吨，即使流过4万安培的电流仍可保持超导状态，只产生0.4％的应力应变，在此条件下流动的电流值的劣化比率仅5％。
基于所举这些基本概念和工业应用事实，将有助于本专业技术人员正确清楚理解本发明所提出，下面将详细说明的磁和超导电磁运行原理与技术方法，以及进行该类装置的制造实施。
众所周知，磁铁有南北两极，当我们取两块永久磁铁A与B并使它们相同磁极相互靠近时将会感觉受到排斥产生一个向外的推力；反之，当把两块磁体的不同磁极相互靠近时将会受到吸引产生一个向内的拉力。倘若我们如附图说明
图1所示，磁体A固定于Z处，磁体B固定于距A距离为X的一垂直转轴O上一点Y处，并使两磁体自身南北磁极连线Ca与Cb在垂直转轴O的同一平面内，试验时，用于移转磁体B使其与磁体A同极相趋近(图中所示为北极N)，磁轴线Ca与Cb之间的夹角φ减小时，我们感觉到了磁体A对磁体B同极的斥力，若此时松开手，将会看到转轴上的磁体B在磁斥力作用下围绕转轴O向远离排斥方向运动，而形成一种磁与磁推移运动。如果转轴摩擦阻力较小的话，磁体B在动量支持下将转过最远点向逼近磁体A的反方向运动，在双向磁斥力作用下形成往返运动，最终因摩擦阻力摆动至动量合力为零处时止。
当我们将图1磁相互作用演示中的永磁体由超导磁体代替而能够重复这种磁推动过程时，即称其为超导电磁推动作用，简称为“超导电磁推动”。
经验和试验得知，因静态磁场是位场，为守恒力，力这种作用性质不因方向位置和时间的不同而改变，上述演示不能自发形成连续转动。而在我们熟知的工业机械如电动机中为了得到和保持连续运动，往往是通过输入电流建立磁场，使定子与转子间形成磁相互作用偶极场，再通过运移至一定位置处转换电极片、电磁极或通过输入随时间相移的交流电而得到。功率损耗表现为电阻性(或综合表观电阻)。而本文所描述的超导电磁推动装置也采用相似办法通过下面这样一种工作原理和方法来得到连续运动的物理学者所共知，前基本概念除述中也提到，若在外磁场中将超导体、超导环冷却至临界点以下时超导材料本身表现为零电阻(理想导电体)，产生的抗磁电流磁场与外磁场间形成强烈排斥作用，但是，一旦超导体转为正常态(阻隔状态)或超导环断开时这种排斥作用即终止消失。我们既是利用物质的超导电性和抗磁性及这种作用变化特点来产生一种类似常规电机的超导电磁相互作用，这种物理特征为超导电磁和电磁推动的设计与制作提供了基础保证。由外磁场激发产生的超导环流磁场与外施加磁场间的磁排斥推移作用为一种非功能耗散过程，我们亦只要在这类运行装置中安装某种控制开关，在需要进行磁推动的位置与时间接通这种开关，在不需要进行磁推动位置与时间断开此种开关。相应地我们通过此种途径得到控制了一种超导电磁与磁推动的规律重复，使向某一方运动的矢势得到保证而形成一种转动。如图2，设置一对常规外磁体A、B和一根中心转轴O，在中心转轴上安装一矩形超导线圈W，其两引出线端通过超导滑动环连接一超导开关K和由放电负载电阻体R组成的泄放电流回路。然后将装置放入超导材料临界温度Tc以下的低温中，设当线框平面与外磁体走向间夹角为φ1位置时操作超导开关K闭合，使超导线圈W形成闭合通路，在外磁场激发下，线圈回路中产生超导抗磁电流I及电流磁场H，因磁与磁同极的相排斥作用线框边向相斥作用减小的方向移动，轴角φ向增大方向转动，当线框平面与外磁场走向线间夹角即轴角达φ2位置时，我们操作打开超导开关K，超导线圈W回路被切断，其中流动的抗磁电流“挤入”另一导电回路经过电阻体R以热功形式泄放，磁排斥作用随超导电流的消失而终止。此后线框在转动惯量保持下继续运动，达下一周期相角φ1位置时完成一个转动周期并开始进入下一周期循环过程。这种过程的不断重复与推动，我们就能得到一种连续准均衡的转动并产生电能与动能输出。利用磁的相互吸引作用也可得到这种相似结果。为了区别于现有概念上的超导电机，本说明书把这种利用物质的超导电性进行磁和超导电磁推动与运行的装置，以及用包括下面将要说明的控制方法所组构，能向外输出能量(η＞1)的机械装置由此简称其为“超导磁动机”。
有鉴于此，通常意义的电机是一种机电能量转换装置，而超导磁动机是一种能向外输出动能与电能的装置，虽则它们的基本结构有颇多相似之处，但却有着本质的区别。另所不同的是在目前情况下超导磁动机尚还需要与通常电机不同意义的低温冷却系统。
为了进一步说明超导磁动机工作原理与技术方法，下面列举一种用磁控开关来控制做旋转运动之简化模型阐述其基本工作过程。工作示意见附图3与4。图中(1)-一半径为r的转子，磁体B由永久磁材料组成；②一定子，磁体A由超导绕组W组构。回路中设置临界磁场控制的超导开关K，以及常规导电回路负载电阻R，m为控制磁体。假定以定子任一约定磁极A1为参照观察其运转时，所示模型工作过程概述如下1、在超导材料临界温度下，当转子磁极-极Bi起始位置与定子磁极Al间法向夹角为φ1时，使启控元件m变为无控制信号或关闭壮态，磁控超导开关K进入超导电通态，此时定子超导磁体线圈W为超导闭合回路，在转子磁极磁场激发下，线圈中建立抗磁电流与电流磁场(图中双虚电流线)，电流大小正比于转子磁场强度在D处[(r+σ)·sinφ1)]的磁感强度Bd、绕组匝数Nw等磁通面积S等，定子磁极Al感生的抗磁场与转子磁极Bi磁场间发生排斥作用，转子所受斥力F通过力臂(
)有转距Mφ推动转子，在转子转动惯量J下转子(1)得到角加速度β向转角φ增大方向运动，动能转换为转动惯性。
2、当转子磁极Bi移动到与定子磁极Al间正向夹角φ2时若控制部件m作用，施加的控制磁场促使超导开关K瞬间相变为常阻态(电阻Rs→∞的无穷大阻态)此时定子磁极超导绕组W呈超导开路(相似超导磁体线圈该点失超阻断)，绕组中流动的抗磁电流被“挤入”预置的外导电回路Le经负载电阻R阻滞释放(图中单虚电流线)，电子动能以热功形式转换放出，泄放时间由相角位移表示时有φ2-φ3过程。
3、转子过角φ3后在转动惯量保持下继续运动，该对转子角速度β＝0。当转子磁极下一极Bi+1移动到与定子磁极Al连线的正向法线夹角φ1时也亦等于转子磁极Bi移动到定子磁极下一极Al+1间正向法线夹角φ1时完成一个工作循环，起始进入下一工作周期。
此过程按这种顺序周期重复不断循环得到一种连续转动。
超导开关可由预置在转子、定子间的启控元件于设定相角处开启和关闭，当相位传感器接收到位置施控信号时开启，未有信号时关闭。所以我们只要设定并施加一个很小的启控信号使超导开关在转子磁极相对定子磁极一定相角处时的通断即可操纵转子与定子间电磁推动与否并能够使这种向某一方向运动的矢量得到持续保证而发生连续转动。调控启闭信号作用与不作用的位置时间比，从而达到调节超导开关器件导通与关断的占空比，也即得到控制转子与定子间作用相角及时间比，当改变相角位或这种时间占空比既可得到不同运动速度或功率特性的多工况均衡转动，同时也形成了占空比可调的脉冲放电输流特征(频率、功率可调输出)。转子、定子往往由不同的磁极数组成，任一循环次转子每对作用磁极均重复一种相同工作过程，产生的机械能与电流也亦是其各极之和。不论何类开关，因为施加控制超导开关开启与关闭这种状态变化所需的能量很小，因此这种能量消耗与装置所做的有用功相比可近乎忽略不计，在概略说明中往往可不于考虑。
超导磁动机之运行受制于超导开关工作状态以及控制作用特征，这种超导开关可有多种不同的种类，如机械的、物理的、物理化学的等。
两超导体间通过机械接触或断开来实现超导回路的连通或打开者称为机械特性开关。特点是转换速度慢，工作不可靠且结构复杂。前已提及，临界温度、临界磁场和临界电流是超导体的几个基本属性，在临界处发生超导态～正常态转变，两者间存在巨大电导差别，这点为我们提供了一种极好极有用的特性。我们只要设计采用这组物理量中的任一参数，就象是在回路中安了某种开关来达到通断的目的。利用超导材料超导态与正常态电导差别来实现超导回路的连通或阻断的称物理特性开关。我们只要通过某种手段利用超导材料这些基本物理量临界点的变化使超导组件的全部或局部在超导态～正常态间转变发生电导突变，就等效在超导回路中安装了一个开关来达到控制通断的目的。这种物理开关可有不同的启控方式和种类，下面列举几种a.利用超导体临界温度Tc，提供状态临界点附近一定温差变化实现超导体常态/超态转变，即T1+T2＞或＜Tc。这点已有成熟技术的应用。
b.利用超导体临界磁场Hc，通过改变控制磁场强弱，实现超导体常态/超态转换。设超导开关材料在状态处临界磁场为Hc，外磁场作用下所产生的抗磁电流磁场H1，施加控制磁体磁场H2，当H1+H2＞Hc时超导体由超导态相变为常态，撤除减小或反向控制磁场H2，H1+H2＜Hc时超导体转变为超导态。
c.利用超导体临界电流Ic，通过控制流过导体电流强弱实现超导体超态/常态转变。可借助外供电流网路完成。设超导体(线)状态临界电流Ic，外磁场下产生抗磁电流I1，施加控制电流I2，I1+I2＞Ic时超导体由超导态转变为常态，关断、减小或反向控制电流以I2，I1+I2＜Ic时超导体保持超导态。此外，利用超导体压敏、光敏等一些物理化学特性也可实现超导态/常态之转变。具体应用中我们常要求上述各类开关或称其为闸流管的器件应有如下优良特性1)自身体积和能量消耗尽量小；2)断开(常态)时应有极大电阻值或为绝缘体，而在闭合(导态)时应符合设定的最大电流或磁场要求；3)断开(常态)与闭合(导态)间转变灵敏快捷，过渡时间和区间小，工作稳定、重复性好，控制方法简单。综上所述，显然物理特性超导开关优于机械特性超导开关，而其中又属磁场控制的物理开关特点显著。
装置工作系统通常包括超导电磁系统；低温致冷系统；激磁系统；机电能量输出系统；控制系统等子系统。基本结构中主要由定子部件，转子部件，磁体，超导线圈，磁场线圈，控制部分，致冷与绝热腔体等部件所组成。显然，将系统中由通常导电材料所组成的电流泄放回路置于低温区外，使迁移电流产生焦耳热散失在外部空间比在低温区间中耗用蒸发致冷剂要有利的多。
装置机械运动形式总体上可以分为平行移动与旋转运动两类。每类依制造方式又有不同的结构形式与磁极组合方式，依磁相互作用与轴间方向还有径向与轴向之分，以及由定子、转子磁体所用成磁方法也可分为不同的配合形式，如超导体--超导体的全超导结构；永久磁体--超导磁体的永磁超导结构；电能磁体--超导磁体的电磁超导结构等，依超导材料制作工艺方法与运转、控制方式的不同也可有不同的种类，总之，在其应用领域可存在在一个庞大组群，此处不详细说明。
超导磁动机在运行中依其结构的不同经外导电回路引出的泄放电流为一种随时间急骤变化的不同特征的脉冲，控制方法不同，输出电流以特点也不同。转子或定子磁极按不同极性规律排列产生两种不同类型的泄放电流，即表现为直流特性脉冲和交流特性脉冲。起因于其结构类型和运行特点、内禀性有所不同。当定子与转子同极性结构排列，运行时输出电流方向不发生改变为脉冲直流；当定子或转子不同极性结构规律变化，运行中输出电流方向随排列规律发生变化为脉冲交流。故电流性质有直流与交流两种。多极结构的绕组泄放电流也可通过单向的导电结汇集成不同的相线路，或予以串并联平滑输出。
通过不同设计电磁线圈结构形式与铁磁增强铁芯而改变电磁相互作用超导绕组中的电流强度，达到以主要输出机械动能或电能为目的不同应用类型，另外，超导磁体的起磁方式除可有起磁线圈激磁外，也可利用超导电磁绕组它激起磁。
上文虽已给出超导电磁和磁推动运行原理、控制方法及能量输出定性说明，但也未免明显的有些模糊简略，有必要进一步与予量化分析。参考图3、图4，若简化假设超导电磁和磁相互作用为理想状态，磁导率μ→∞，各磁极间为独立参数互不影响，在相角移φ1～φ3过程转子磁极磁场强度H或磁感强式(i)
Q1=&IotIdt=&Io&Ioe-Rt/Ldt-----(8)]]&电功效益Aei=&Io&RI2dt=RIo2&Io&(e-Rt/L)2dt----(9)]]&多磁极装置泄流所做功即为各磁极电流功之和。
由欧姆定律V＝IR和推导式I＝V/R(1-e-Rt/L)dt也可计算出外线路泄放电流时的电压强度或绕组的电流值[ε＝RIoe-Rt/L]。
装置系统一般由常温区与低温区两部分组成(因尚无室温超导体，故只讨论这种情况)，低温区中的热主要来自两方面，即低温区中是电磁工作器件产生热与从常温区导入热。
(1)导入热可有非理想绝热材料工艺漏热；常温区电磁回路电子流迁移导入热；晶格扩散热。有限时间迁移热导中导体导热量遵从傅里叶(Fourier)定律dQ/dt＝-λmdT/dx ………………………………(10)或热导率q＝-λΔT…………………………………………(11)dQ/dt表示单位时间通过导体截面S一维x方向抟导的热量，比例系数λ为材料热导率。热递质主要是自由电子。物体中传导的热流密度q和该处温度梯度ΔT成正比。脉冲泄放电流可认为是正常电子无规律热运动之上迭加的定向移动，热迁移方向表征它在常温区间吸收热量而在低温区释放。导热量可由(10)式表示，式中λ为电子热导率。
外部电子流迁移导入热磁相互作用中输出为单向脉动电子流时可由傅里叶式直接给出。磁相互作用中输出为交变脉动电子流时，设交变状态下某一自由电子起始原点位置为O，任一推动次后电子平均正向漂移距离x+，在其下一推动次后电子反向平均漂移距离x_，故有限时间段内电子在回路中做迁移距离很小的往返振动。因为运动电子这种漂移距离x所跨跃的温差范围较小与直流输出相比导入热量更小。
(2)低温区中电磁自生热主要由工作器件本身产生，可有超导材料磁通移动热；非可逆磁化热、磁弛豫热、交变涡旋电磁场热、微涡旋感生电流热、阻性元件焦耳热、相变潜热等。这些自身产热源多数可从选用材料、制作工艺、结构改进上予以排除或降低，使其对整体消耗致冷功影响变小。如超导材料选用极细纤维束丝(＜μm级)和不连续导电基体(高阻基体)即可栓定磁通移动，抑制涡变电磁场和感生电流损耗，减小或消除交变微涡损。对于超导相变潜热可以这样来思辨装置中超导组件存在的变化状态不外乎有两种即常态相变与超导相变，并可分有电流超导态与无电流超导态和正常态与超导态两种不同属性型周期循环情况，但不论是哪种情况，在每一循环过程中存在不发生热量变化抑或一个相变周期后吸收的热量与释放出的热量在数值上均相等，即吸收与放出相变潜热的值相等，所以，在任一时间区间内热量变化之差的算术平均值为零。
低温区内电磁器件自生热也分为直流状态与交流状态两种。直流状态下的损耗较小，与选用材料和制作工艺相关连。超导材料在交变磁场中的损耗一般应包括涡流损耗、磁滞损耗、本底(剩余)损耗。涡流损耗
，由磁通量φ＝B·Scosφ，抗磁微园环
，代入左式解出I，或由
得出，也可由焦耳损耗
求得。(注V＝环流面积×透入深度，Δ＝透入深度，ω＝角频率(2πf)，涡流损耗等效该面积的磁场能量)，磁滞损耗
，单位时间单位体积磁滞损耗功率
。当超导材料的结构类型和制作工艺使得涡流损耗和磁滞损耗都很小时，这样使主要是本底(剩余)损耗的作用了，而此归结到各种驰豫机制问题，较为清楚的机制有①自旋弛豫(电子进动弛豫)；②电子扩散弛豫(晶格离子价电子的扩散排列)；③微涡流弛豫。由这些驰豫过程产生的热可统称为微损耗热。在交变状态下，与其相关产生的作用能或热亦可称为微交变损耗。此项远小于导入热。
装置其余器件如磁体铁芯等处于低温冷系统之外，不构成低温致冷参量，故消耗致冷功的主要是导入热、非理想绝热体漏热、涡变感生电场热。
一种旋转运动的超导磁动机实施例基本构造如图5与图6所示。
图5为永磁转子结构的超导磁动机，左为立体侧面图，右为A-A′横剖面图。主要包括安装有超导组件的定子部件(1)和可相对定子枢体中心转动的永磁转子部件(2)，超导可调脉冲开关控制部件(3)，控制信号供给m与拾取L所组合传感元件(4)，泄放电流输出控制变换接线匣(5)，低温致冷机(6)，冷剂输送系统(7)和热交换系统(8)等几个基本部分组成。定子(1)中的超导线圈W和超导开关K安装在绝热材料组构的腔体中，引线由绝热套包裹，其特征是线圈与开关、外输出导电回路相连结，基座上安装有控制超导开关的光、电、磁等位置传感器件L，转子(2)转枢与器件L对应处也设有相应光、电、磁等相对应传感器件m，当m接收到位置传感器件L发出的控制信号时传输给施控部件，使超导开关进入不同工作状态。调控发送信号的相角位与角φ1～φ2区间既可达到改变工况的目的。
图6为全超导电磁结构的超导磁动机，包括定子部件(1)和可相对定子枢体中心转动两侧密闭轴支承安装的转子部件(2)，超导开关(闸流管)部件(3)，泄流负载(回路)调控输出部件(4)，低温致冷机(5)和外调控部件(6)几个基本部分。与动力输出负载(7)可用传递桥连接。定子部件(1)中安置有真空绝热腔包围的多磁极超导线圈回路(11)，导磁铁芯(12)，输送冷剂环流管路(13)及相角位传感器件(14)，外部设有控制操作部件(图中未画出)。转子部件(2)中包括机械转轴(21)和转枢上等距对称设置的超导磁体(22)，绝热部件(23)，导磁铁芯(24)，起磁线圈(25)，充磁连接环(26)，冷剂循环的轴心通道(27)及相角位施感器件(28)。枢体中的冷剂在定子电枢与转子电枢间隙之外可减少磨擦损失。其余部件如赋冷输液设施、隔热桥、支承部件等从属结构图中未画出。启动运行前，由致冷系统先将定子、转子电枢中的超导体冷却至其临界温度以下，其后按所设工作方式向转子超导磁体(起磁)线圈输入激磁电流，激发超导线圈建立转子磁场，此后即可调控操作控制部件使其逐步进入所设稳态运行工作状态。
若对上述全超导电磁结构的实施例装置如前予以理想模化并赋于一组任意数值设转子半径r＝1.5m，磁极数12，每磁极面等强宽度0.4m，长5m，磁场强度H＝6T(特斯拉)，定子磁极参数与转子磁极等同，磁相互作用运移角φ1～2＝1°～7.5°，稳态角转速ω＝5rad/s，φ2-3泄放电流时间持续角x°，峰值强度Imax＝2万A(安培)，此条件下，若简略计算可知有磁极作用力Fi=B22&o&CenterDs=(2N/A&CenterDm)22&4&&10-7N/A2&0.4m&5m=2.86&107N]]&F＝Fi×12＝3.4×108N(3.5万吨)(不考虑材料强度)令φ1～2过程中磁场强度与作用力大小保持不变，按(4)式有机械功Ami=&B2180&o(r+&)&CenterDln|Sin&||&1&2]]&或更简略化
Am＝Ami×12＝5.8×107J装置机械功率Pm＝Am·ω＝5.8×107J×5rad/s＝29×107J·s-1(w)式(i)
直流输出相比导入热量更小。即Qn＜＜17.2ca·s-1。
交变状态下，虽然低温区内电磁磁工作器件自生热微交变损耗增大，但这种增加受制于超导材料本身及制作工艺，且因交变电子流迁入热变小，即是考虑直流输出状态本底(剩余)损耗以外交变状态的感生涡流损耗、磁滞(非可逆磁化)损耗等项时，可做到的综合总损耗增加并不很大，概略上可认为与直流输出状态相比仍然属同一数量级。
至此，这类百兆瓦功率级装置，通过这种量化分析，在不考虑其它外界变量如低温容器、绝热层介质损失等时，这种产热量级以蒸发液氮*来核算，装置冷却系统每小时也仅需冷凝(300～70K)处理xKg数量级液化氮。由此可知，装置工作器件所消耗的致冷功与所输出的机械功，电功效益相比是非常小的。如若参照世界工业国家已有超导装置的致冷情况，在采用液氦致冷条件下，1万千瓦级的转子超导发电机每小时的液氦流量也仅为几十升，所以，装置所用致冷器件消耗的功率对其输出有益功率的影响小至忽略不计。
综合以上说明，这种装置具有原理简单易于制造的特点，按照其原理与技术方法，人们可设计制造出种类繁多用途各异的不同装置，它具有体积小，重量轻，输出功率巨大，单位体积质量功率比高，噪声低，清洁卫生等众多优越性。随着高温超导材料的深入研究，一旦制造出室温超导材料将会使其应用更便利。这种新原理与技术方法必将为人类社会进步与发展开辟一个新的领域。
1.磁和超导电磁推动装置，主要有磁场磁体枢体、相对磁场磁体产生抗磁作用的超导磁体枢体、控制部分和致冷部分等基本组件所组成，其制造方法的特征在于为使装置磁相互作用的超导电磁系统超导闭合线圈工作于超导态与非超导态而设置有某种控制特征的超导电开关(超导闸流器)，并在其两侧连接处延接通常导电输放电流负载回路，通过操纵相应部分控制超导电开关的通断状态以达到控制超导抗磁磁体与磁场磁体间磁相互作用与否及大小，调控超导开关相导位置和持续时间即有不同作用和运动特征，亦可产生不同数量的电能和机械能。
2.权力要求1所述磁和超导电磁推动装置，其特征在于磁场磁体枢体与超导抗磁磁体枢体间可做平行移动或旋转运动。
3.权力要求1所述磁和超导电磁推动装置，其特征在于超导电开关(超导闸流器)它可以是机械性能的、物理性能的或其它不同性能的，一般条件下物理性能的将显示优越。
磁和超导电磁推动装置——简称超导磁动机,是一种能产生电能和机械能的动力装置。说明书中叙述了其基本工作原理、相关参数等,制作方法中的关键是让磁相互作用的超导磁体线圈工作于超导态与非超导态而设置有某种控制特征的超导电开关,并在其两侧并行连接通常导电泄放电流输出回路。装置由抗磁磁力作用而运动,并通过操纵超导开关的通断与相导时间而提供单向磁推动之大小,得到不同功率输出。
文档编号H02K55/00GK10476
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者王世英 申请人:王世英