采用“线性磁通泵”多电源励磁 “无绝缘”高温超导线圈磁体

The project combines the advantages of “linear-type”(LT) HTS flux pump and “no-insulation”(NI) HTS coils, aims at substantially reduce the cost of the power supply and exempt the need for current lead, meanwhile increase the utilization efficiency and compactness to produce higher magnetic field. The project starts from propose the optimised LT flux pump structure, measuring and using the finite element method to calculate the output dc voltage of the flux pump device, meanwhile analyse its operation mechanism. Build the experimental platform of using LT flux pump to magnetise a single double-pancake NI HTS coil, while research on the magnetisation properties and establish the complete circuit model. Build the multi power experimental platform of using several LT HTS flux pumps to charge magnet assembled with the same number of NI HTS coils, charging each coil to its critical current, effectively increase the magnetic field and utilization efficiency, while propose the method to work at high-stability condition such as magnetic resonance magnet. This research has the application potentials including high field superconducting magnet, MRI magnet, the rotor excitation coil of the superconducting machine, etc., providing a high efficient and applicable technical solution.

本课题是结合“高温超导线性磁通泵”和“无绝缘高温超导线圈”两项技术的优势，大幅降低超导磁体电源成本并免除电流引线，提高磁体利用效率和紧凑性以产生更强磁场。本课题将从提出最优化的线性磁通泵结构方案出发，测量并通过有限元仿真计算磁通泵设备直流输出电压，并分析磁通泵运行机理。搭建“线性磁通泵”和单个双饼 “无绝缘高温超导线圈”充磁实验平台并研究充磁特性，建立完整的磁通泵充磁电路模型。搭建用多个“线性磁通泵”构成的多电源设备为由同数量“无绝缘高温超导线圈”构成的磁体充磁实验平台，使磁体的每个线圈均能达到临界电流，有效提高磁体磁场和磁体利用率，并提出维持高稳定性磁场（如核磁共振）的运行方案。该研究有潜力应用在包括超导强磁场磁体、磁共振磁体、超导电机转子励磁线圈等领域，提供一种高效可行的技术方案。

高温超导“磁通泵”技术是一项具有变革性的超导磁体电源技术，以非接触的方式向高温超导闭合回路注入直流电流，使超导磁体在准“持续电流模式”下运行，大幅提高超导系统的整体运行效率和质量。课题在三年研究期间，探索了“磁通泵”的原理、技术及在磁体方向的应用。在“磁通泵”原理研究方面，课题发现证实了一种宏观“超导磁通量子耦合”效应，通过该效应建立了“磁通泵”磁化模型，完整解释了“磁通泵”运行机理，理论预测完全符合实验验证；同时，该模型有效地指导了“磁通泵”设备的优化，大幅提高最大泵入电流；该发现还完善了第二类超导体在非均匀外场下的磁化模型。在“磁通泵”技术研究方面，课题提出了一种“直线电机式”磁通泵结构，并优化得到了目前国际上最小型的磁通泵，在77 K下实现了65 A的最大泵入电流，具备工业应用的价值；与传统接触式超导磁体电源相比，该“直线电机式”磁通泵在体积、重量、成本、能耗等方面，都减少至少一个数量级以上，具有广阔的应用前景；同时，该磁通泵结构采用电线圈产生行进波磁场，没有旋转永磁等惯性系统，对电流的控制可达到微秒级，有潜力实现高精度的磁体电流控制（如磁共振磁体）。在“磁通泵”磁体应用研究方面，由于“磁通泵”技术大幅降低超导磁体电源成本，课题提出一种多磁通泵分段励磁的磁体电源方案，解决高温超导单电源串联磁体中电流的“木桶效应”，使磁体中的每一个高温超导线圈发挥其最大的载流能力，能够大幅降低高温超导磁体的材料成本：实验证实，采用3个磁通泵分段励磁使得磁体中心磁场提高了34%。基于该方法的可行性，课题设计了一个采用4个磁通泵励磁的1.5 T高温超导磁共振磁体，比单电源技术降低29.7%的带材用量，大幅降低磁体成本。该课题的研究结果能够对高温超导“磁通泵”的进一步理论研究、设备开发和优化、高温超导磁体方向应用等，提供可靠的理论依据和应用方案。