專利名稱：機械型超導開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超導開關，特別涉及機械型超導開關。
背景技術：
隨著對超導電性的深入研究，出現了不少超導應用工程，超導開關也引起了人們的興趣。 最早出現的超導開關一般采用超導態-正常態的轉換使開關裝置從無阻狀態到有阻狀態，達到使 電路由導通到切斷的目的；相反地若從正常態轉變到超導態，開關裝置則從有阻狀態轉變為無 阻導通狀態。超導開關超導態-正常態和正常態-超導態的轉變，靠改變工作環境影響超導開關中 超導材料的臨界參數來實現，其工作原理類似于半導體幵關器件。
超導體具有三個臨界特性參數
臨界溫度TC，即超導體由超導態向正常態轉變時的溫度。
臨界電流IC，即超導體在一定低溫和磁場條件下，負荷電流達到某一數值時，則發生超導態 -正常態的轉變，轉變時的負荷電流為臨界電流。
臨界磁場HC，即超導體在一定低溫條件下，磁場達到一定數值時，亦可以使其從超導態轉 變為正常態。轉變時的磁場為臨界磁場。
這三個臨界特性參數中，超導開關一般采用影響超導材料的溫度或磁場來實現超導態和正 常態的轉換，可以稱之為溫控和磁控超導開關。
超導儲能系統充電完畢后，需要超導開關和磁體形成閉環回路維持能量不衰減，這種超導
開關又被稱做持續電流開關(Persistent Current Switch,簡稱PCS)。在超導儲能系統中，超導開 關帶來的能量損耗主要是開關的導通電阻和斷開電阻帶來的。
1.溫控和磁控超導開關導通時由于導線連接的接觸電阻等有很小的導通電阻，由此帶來的 損耗可用下式來計算
<formula>formula see original document page 3</formula>(1)
其中，五Lst是損耗的能量，L磁體的電感，/。是充電電流，7;是儲能的時間，/ 。 是導通電阻。
溫控和磁控超導開關斷開時并未從電路中切除，只是開關中的超導材料處于正常態，通常 斷開電阻數值多在幾十歐姆到幾百歐姆之間。溫控和磁控的超導開關在超導儲能系統充放電過
程中的損耗可以用下式來計算
<formula>formula see original document page 4</formula> (2 )
其中，￡^是損耗的能量，J。是單位時間內的充電速率，4是充電電流達到峰值/。時所需 的充電時間，L是儲能磁體的電感，i^是斷開電阻，J。和7;之間有如下關系
<formula>formula see original document page 4</formula>(3)
2.本發明中的機械型超導開關的通斷取決于開關中導電部分的機械接觸與否。開關斷開時 可認為斷開電阻無窮大，不產生損耗；而導電部分的機械接觸及導線連接會產生接觸電阻，開 關導通時會有導通電阻存在，其在超導儲能系統充儲能過程中的損耗可以用公式1來計算。
超導開關的導通電阻主要是接觸電阻，絕對數值很小所以產生的損耗非常小，超導儲能系 統中超導開關帶來的損耗主要是斷開電阻產生的。因此相比溫控和磁控的超導開關，機械型超 導開關高斷開電阻的特點會顯著減少超導儲能系統的能量損耗。
發明內容
本發明是為了克服現有超導開關在超導儲能系統中應用時損耗較大的缺點而提出的一種機 械型超導開關，本發明具有原理簡單、響應速度快、關斷電阻高的特點。
本發明的工作原理和普通開關相類似，通過驅動線圈通電產生的吸力和斥力使超導塊材機 械接觸或斷開，來實現超導開關的通斷。開關交替處于超導狀態和斷開狀態。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是
本發明超導開關包括驅動部分、卡槽和導電部分，驅動部分處于整體的上部，卡槽位于中 間，導電部分處于整體的下部，驅動部分、卡槽和導電部分通過拉桿固連為一整體。
驅動部分主要由上下兩個線圈及相應的骨架組成。線圈可是銅線圈或是超導線圈，線圈的 外形是圓柱形，上下兩個線圈都水平放置，上線圈固定，下線圈可動，線圈間放置彈簧，防止 線圈發生碰撞。
導電部分主要由超導塊材和固定底座組成，導電材料采用超導材料，這種超導材料可以是 任意高溫或者低溫超導材料，超導材料加工成圓柱形塊材。超導塊材分為上下兩塊，上面的超 導塊材和可動下線圈固定在一起，能和線圈一起移動；下面的超導塊材通過固定底座固定。可
動和固定超導塊材相互接觸的端部加工成相互吻合的凹凸錐形狀，使塊材能夠相互緊密吻合， 同時可以起到定位的作用。
卡槽為圓柱形，包括上蓋板、下蓋板、滑塊、固定墊片和彈簧等部件，中間有圓柱形通孔。
卡槽中滑塊被放置在下蓋板中的一方形槽內，位置被上蓋板、下蓋板、固定墊片限定，只能沿 著方形槽位移。彈簧放置在固定墊片和滑塊之間。裝配完畢后，開關中圓柱形可動超導塊材和 線圈的骨架被固定成在一起后，被置于卡槽中間的通孔中。
驅動部分通電線圈間的電磁力是開關通斷的驅動力。根據不同的應用需要，開關可設置成 常閉和常開狀態。假設開關處于閉合狀態，要將開關斷開，則利用線圈間的引力作用，使可動 線圈帶動可動超導塊材和固定超導塊材分離，開關斷開。開關斷開后通過卡槽中滑塊來卡住可 動超導塊材，使開關保持斷開狀態，要使開關重新閉合，則利用線圈間的斥力，克服卡槽阻力， 使可動超導塊材和固定超導塊材重新接觸，開關閉合。
本發明的有益效果是，開關能保持常閉和常開狀態，開關原理簡單、運行速度快、高關斷 電阻，可以顯著減小超導儲能系統的運行損耗。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進一步說明。 圖l是超導儲能系統中超導開關損耗的簡化計算電路。
圖2是本發明的原理圖，圖中l固定線圈、2可動線圈、3彈簧、4卡槽、5拉桿、6可動超導 塊材、7固定超導塊材、8電流引線、9固定底座。
圖3是超導塊材的剖面圖，圖中6可動超導塊材、7固定超導塊材。
圖4是機械卡槽的剖面圖，圖中IO卡槽的上蓋板、ll卡槽的下蓋板、12固定墊片、13卡槽 彈簧，14滑塊。
具體實施例方式
如圖2所示，本發明開關包括驅動部分、卡槽4和導電部分以及拉桿5。驅動部分處于整體的 上部，卡槽4位于中間，導電部分處于整體的下部，驅動部分、卡槽4和導電部分通過拉桿5固連 為整體。
驅動部分包括固定線圈l、可動線圈2及其相應的骨架和彈簧3。固定線圈1和可動線圈2可以 是銅線圈或超導線圈，線圈的外形是圓柱形，上下兩個線圈都水平放置，固定線圈l在上，可動 線圈2在下，固定線圈1和可動線圈2之間放置彈簧3。
導電部分包括可動超導塊材6、固定超導塊材7、電流引線8和固定底座9。上面的可動超導 塊材6和可動線圈2固定在一起，能和可動線圈2—起移動；下面的固定超導塊材7通過固定底座9 固定。如圖3所示，可動超導塊材6和固定超導塊材7相互接觸的端部加工成相互吻合的凹凸錐形 狀。此外，導電部分通過電流引線8和超導儲能磁體連接成電流回路。
如圖3所示，卡槽4為圓柱形，包括上蓋板IO、下蓋板ll、固定墊片12、卡槽彈簧13和滑塊 14等部件，卡槽4中間有圓柱形通孔。滑塊14放置在下蓋板11中的一方形槽內，位置被上蓋板IO、
下蓋板11和固定墊片12限定，滑塊14只能沿著方形槽位移。卡槽彈簧13放置在固定墊片12和滑 塊14之間。裝配完畢后，可動超導塊材6和可動線圈2的骨架被固定在一起后，放置于卡槽4中間 的通孔中。
本發明機械型超導開關通過驅動線圈通電產生的吸力和斥力使超導塊材機械接觸或斷開， 來實現超導開關的通斷。根據不同的應用需要，本發明開關可以設置成運行時常閉或者常開。 假設開關處于閉合狀態，此時固定線圈1和可動線圈2間的彈簧3被壓縮，以保證可動超導塊材6 和固定超導塊材7緊密接觸，此時卡槽彈簧13也被壓縮。開關打開時，固定線圈1和可動線圈2通 同向電流，可動線圈2受到吸引，帶動可動超導塊材6和固定超導塊材7分離，使開關斷開，然后 卡槽彈簧13使滑塊14沿方形槽前移將可動超導塊材6卡住，使開關保持斷開狀態；要使開關重新 閉合，固定線圈1和可動線圈2通反向電流，固定線圈l和可動線圈2之間的斥力使卡槽彈簧13再 次被壓縮，滑塊14沿方形槽后移，從而使可動超導塊材6下移，開關重新閉合。整個開關通過拉 桿5固定在一起，拉桿5兩端有螺紋，通過與螺母的配合固定固定線圈l、卡槽4和固定底座9的位 置。拉桿5中間有一段是光滑的，方便可動線圈2和可動超導塊材6沿著拉桿5方向運動。
權利要求
1.一種機械型超導開關，其特征是包括驅動部分、卡槽(4)和導電部分；驅動部分位于開關的上部，卡槽(4)位于開關的中間，導電部分位于開關的下部；驅動部分、卡槽(4)和導電部分通過拉桿(5)固定為一體。
2. 根據權利要求l所述的機械型超導開關，其特征是驅動部分包括固定線圈(1)、可動 線圈(2)及其相應的線圈骨架和彈簧(3);固定線圈(O和可動線圈(2)外形為圓柱形，兩 個線圈上下水平布置，固定線圈(1)在上，可動線圈(2)在下；固定線圈(1)和可動線圈(2) 之間放置彈簧(3)。
3. 根據權利要求1所述的機械型超導開關，其特征是卡槽(4)為圓柱形，包括上蓋板(IO)、 下蓋板(11)、固定墊片(12)、卡槽彈簧(13)和滑塊(14)、，卡槽(4)中間有圓柱形通孔； 滑塊(14)放置在下蓋板(11)中的一方形槽內，位置被上蓋板00)、下蓋板(II)和固定墊 片(12)限定，只能沿著方形槽位移；卡槽彈簧(13〉放置在固定墊片(12)和滑塊(14)之 間；可動超導塊材(6)和可動線圈(2)的骨架被固定在一起后，放置于卡槽(4)中間的通孔 中。
4. 根據權利要求1所述的機械型超導開關，其特征是包括可動超導塊材(6)、固定超導 塊材(7)、電流引線(8)和固定底座(9);可動超導塊材(6)和可動線圈(2)的骨架固定在 一起，能和可動線圈(2) —起移動；固定超導塊材(7)通過固定底座(9)固定；可動超導塊 材(6)和固定超導塊材(7)相互接觸的端部加工成相互吻合的凹凸錐形狀。
全文摘要
一種機械型超導開關，包括驅動部分、卡槽(4)和導電部分。驅動部分位于開關的上部，卡槽(4)位于開關的中間，導電部分位于開關的下部。驅動部分、卡槽(4)和導電部分通過拉桿(5)固定為一體。驅動部分提供開關關合時的驅動力，開關的導電部分采用超導材料。本發明機械型超導開關通過驅動線圈通電產生的吸力和斥力使超導材料機械接觸或斷開，來實現超導開關的通斷。本發明開關響應速度快、關斷電阻高。
文檔編號H01H51/00GK101170025SQ20071017881
公開日2008年4月30日 申請日期2007年12月5日 優先權日2007年12月5日
發明者戴銀明, 王秋良, 馬海寶 申請人:中國科學院電工研究所