高溫超導磁通泵研究進展與發展趨勢

翟雨佳， 劉欣怡， 汪 沨， 劉建華， 王秋良

(1. 湖南大學電氣與信息工程學院， 湖南 長沙 410082； 2. 中國科學院電工研究所， 北京 100190)

1 引言

近年來，隨著第二代高溫超導涂層導體性能及性價比的不斷提升[1,2]，高溫超導技術在物理、材料、電力、醫療、交通等領域中得到了廣泛應用。與低溫超導材料相比，實用化的第二代高溫超導帶材在高場下具有更高的電流傳輸能力和更優異的機械性能，且在低溫環境下具有交流損耗小和軸向抗拉應力高等優點[3]，極大地推動了高溫超導磁體技術的發展。基于高溫超導帶材繞制而成的高溫超導磁體為實現穩態強磁場提供了技術支持[4,5]，對航空航天、國防軍事、軌道交通、生物醫療、高能物理等工程應用領域的技術革新具有重要意義[6]。

高溫超導磁體工作時由于存在磁通蠕動、接頭電阻以及交流損耗，將導致電流衰減。然而采用傳統勵磁方法補償電流熱損耗功率較大、易誘發磁體失超，且制冷負擔大、設備體積大、運維費用高，極大地阻礙了高溫超導磁體的應用與發展[7,8]。例如，傳統的電源直接驅動法需要使用電流引線，其跨接在室溫環境和低溫環境之間，會形成漏熱源，對超導磁體低溫維持極為不利，通常需要使用大型制冷機進行制冷，進一步增加了運行成本且不適宜遠距離運輸使用。基于磁通泵的新型無接觸式直流電源技術是實現高溫超導磁體在閉環恒流模式下高效穩定運行的理想方案。高溫超導磁通泵技術利用變化的磁場把外部離散磁通逐步向高溫超導帶材累積，在帶材內部感應出直流電流，從而實現高溫超導磁體充磁，是一種在沒有電接觸的情況下將直流電流注入超導閉環線圈的無接觸式充磁技術[9-11]，能夠使高溫超導磁體閉環運行在持續電流模式(Persistent Current Mode, PCM)下。磁通泵技術和傳統電源直接驅動法相比有幾個明顯的特點：①磁通泵不和負載磁體直接相連，避免了供電大電流直接進入深冷區，顯著減弱了傳統引線的熱源和熱橋效應；②磁通泵運行功率較小，不需要復雜的供電及制冷設備，磁體適合遠距離運輸；③磁通泵更方便調節，可在補償少量電流時使用；④磁通泵作為磁體電源制造成本低，且不需要24 h不間斷工作，能夠大幅降低磁體的運維成本。因此，高溫超導磁通泵具有充磁效率高、釋放能量快、易于控制、穩定性高、成本低等優點，方便實現高溫超導磁體裝置的輕量化、小型化和實用化，特別是對國防特種武器裝備中的高場磁體從低溫超導磁體走向高溫超導磁體具有重要實際意義。

超導無接觸式充磁技術的實現，意味著一種全新的磁體充磁方式成為可能[12,13]。高溫超導磁通泵技術的成熟將推動高溫超導磁體在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)[14]、核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)、極端條件科學裝備、超導風機[15,16]、粒子加速器、磁懸浮列車等眾多領域中的無限發展和應用。經過幾十年的不斷發展，國內外已經研究出了多種不同類型的超導磁通泵，基于超導磁體運行溫區可分為低溫超導磁通泵和高溫超導磁通泵，現有研究下低溫超導磁通泵的基本物理機制清晰且技術成熟，但高溫超導磁通泵的工作機理仍然不十分明確，尚待進一步細化研究，本文主要探討高溫超導磁通泵的最新研究進展及未來發展趨勢。

2 高溫超導磁通泵機理

近年來，利用高溫超導磁通泵產生直流電壓的技術可行性已得到實驗驗證[17,18]。然而，其物理機理引起了廣泛的討論，交變行波磁場如何在超導閉環線圈中注入凈磁通量并產生直流偏置電壓，這一現象無法用經典電磁學理論來完美解釋。根據法拉第電磁感應定理和經典第二類超導體電磁場Bean模型，交變磁場應產生交變感應電壓，而非直流感應電壓。針對高溫超導磁通泵運行機理，目前國際上討論較多的主要有動態電阻理論[19]和宏觀磁通量子耦合理論[20]，下面分別做簡要介紹。

2.1 動態電阻理論

惠靈頓維多利亞大學Geng提出動態電阻理論，即II型超導體中的非線性電阻率是磁通泵開路電壓直流分量的起源。II型超導體的電阻率受外加場和電流的大小及頻率影響，當外加交變磁場Ba應用于承載傳輸電流i的超導回路時，回路中電阻率會產生變化，如圖1所示，分支上能夠測量到遠遠大于磁體接頭電阻值的動態電阻和開路電壓，其中，v1(t)與v2(t)即為每個分支的感應電動勢[21,22]。

圖1 電壓產生示意圖[19]

感應電壓v(t)中的直流電壓為：

(1)

式中，T為周期；R1(t)、R2(t)為分支的電阻；Φ為施加到回路的總磁通量。

2.2 磁通量子耦合理論

劍橋大學 Archie Campbell 指出動態電阻與E-JPower Law曲線中的電阻無關，當超過臨界電流時，動態電阻取決于標準的通量流阻，這并不能合理解釋磁通泵中直流電壓的產生原理[23]。如圖2所示，四川大學王為提出了宏觀磁通量子耦合效應以解釋高溫超導磁通泵的物理起源——短波行波磁場下，磁極耦合超導磁通量子形成磁通量子簇并拖動磁通量子簇在高溫超導體內部移動，最終進入超導閉合回路內部形成超導磁體的捕獲磁場。在此過程中，超導體內部存在感應直流電壓且其大小與行波磁場梯度呈正相關[20]。

圖2 耦合特征示意圖[20]

行進的磁通渦流在高溫超導體中產生感應電場：

E=S×B

(2)

式中，E為沿縱向方向的感應電場；S為內部磁通流動的速度；B為超導定子內部耦合磁通的密度。

3 高溫超導磁通泵類型

高溫超導磁通泵按其運行方式不同可分為行波磁場型磁通泵和開關型磁通泵，均能夠很好地利用超導體的載流能力且具有實現高傳輸電流的潛力。下面對不同類型高溫超導磁通泵的設計方案、技術特點以及最新研究進展做簡要介紹。

3.1 開關型高溫超導磁通泵

開關型磁通泵可在簡單的結構修改和較小的損耗增幅下實現輸出電流的大幅度提升,是現今研究較多的磁通泵類型[24,25]。其技術路線清晰，即通過給變壓器一次繞組供電，在二次繞組中感應交流電流，利用開關對交流電進行整流從而產生超導負載所需的直流電[26]。開關類型主要分為電子開關、熱開關、磁場開關和自開關[27]。電子開關可在高達500 Hz頻率下工作，但存在導通電阻，若負載在準持續電流模式下工作會帶來恒定的損耗，難以保持穩定的磁場。熱開關通過將超導體加熱至超過其臨界溫度來斷開開關，可用于全波模式，但由于運行緩慢，只適用于低頻環境。基于存在的問題，研究者們提出了更簡單高效的開關控制電路[28]，因此本文主要介紹磁場開關及自開關型高溫超導磁通泵。

3.1.1 基于交流磁場開關

交流磁場開關型磁通泵基于動態電阻理論實現，如圖3所示。其中，N1為一次側匝數，N2為二次側匝數，φm為鐵心磁通量，φ1為一次側磁通量，φ2為二次側磁通量，RL為負載回路電阻等效值，R2為接觸電阻，RS為動態電阻，V2為負載電壓，L為負載電感，i1為一次側電流，iL為負載電流。釔鋇銅氧(Yttrium Barium Copper Oxide,YBCO)帶材回路在交流電場中感應低頻交流電，電橋短路超導線圈，間歇性垂直于橋施加高頻交流磁場，橋兩端產生直流電壓，觸發凈磁通量流動，向負載磁體充電[29,30]。

圖3 交流磁場開關磁通泵原理圖

研究結果表明，該類型磁通泵能夠精確控制每個磁場周期的磁通量，穩定性高、超導損耗小，但由于裝置運行需要高頻磁場，更適用于負載電感較小的場景。基于動態電阻理論設計的磁通泵具有為恒流模式下的高場超導磁體供電的潛力。Gawith發現使用雙交流磁場開關半橋配置優于僅使用單個開關元件的磁通泵[31]；Geng已成功設計出1 kA輸出電流的交流磁場開關型磁通泵[32]。

3.1.2 自開關

如圖4所示，Geng優化了自開關式磁通泵，其具有結構簡單、能量損耗小的優點。裝置舍去外設條件作為開關，電橋完全由超導體組成，通過向一次繞組提供不對稱的電流波形i1控制電橋。如圖5所示，二次繞組感應電流i2小于臨界電流IC,S時，電橋處于超導態，磁通泵不工作；感應電流大于臨界電流時，電橋處于正常態，感應直流電壓V2，iL向負載磁體L充電。自開關式磁通泵很大程度上降低了系統的復雜性，理論上可實現2 kA輸出電流，并且在變壓器鐵心中加入氣隙后也能有效運行。但由于電橋控制方式的限制，不適用于需在全波模式下運行的場景[33]。

圖4 自開關磁通泵結構圖[33]

圖5 自開關磁通泵電路原理圖與二次側波形圖[33]

3.2 行波磁場型高溫超導磁通泵

基于行波磁場的高溫超導磁通泵最先由劍橋大學Coombs提出。該類型磁通泵不依賴超導體正常態與超導態的切換來達到勵磁的目的，而是通過在超導體上方產生行進的磁場，根據電磁感應原理在超導體中感應出直流電壓，并實現有效的磁通泵浦。根據產生行波磁場的方式主要分為以下幾種：

3.2.1 熱激勵高溫超導磁通泵

Coombs提出使用熱磁材料產生行波磁場磁化超導體，這是最原始的基于行波磁場的磁通泵。如圖6所示，利用稀土材料釓磁導率隨溫度變化的特性，產生相應隨時間和空間變化的行波，通過加熱與冷卻熱磁材料逐步實現超導體磁化。熱激勵磁通泵的泵浦效果與加熱器的功率以及開關時間密切相關，控制較慢，通常超過幾秒鐘，嚴重限制了磁通泵的工作頻率。Zhou使用涂有超導體的圓柱體熱磁材料進行優化，但存在工作效率低、消耗大的缺點；Zhai使用了具有更好熱磁轉換效率的鐵氧體進行升級[34]，使勵磁速率得到提升。但熱激勵磁通泵由于裝置復雜、控制繁瑣及損耗大，其應用領域受到較大限制。

圖6 熱激勵磁通泵結構圖[34]

3.2.2 旋轉式磁通泵

Hoffmann提出了基于旋轉磁體的磁通泵，裝置結構如圖7所示。由電機軸驅動的圓盤上均勻地安裝永磁體[35]，超導帶放置于圓盤下方，與負載磁體焊接形成閉環電路。磁體在超導帶上方旋轉以產生行波磁場，由于場在空間上是不均勻的，可以拖動凈通量。磁鐵旋轉時與帶材的相對位置發生變化，改變了屏蔽電流的前向路徑和后向路徑，達到整流效果，帶材兩端即感應出直流電壓，從而使負載側超導磁體中電流逐漸升高至最高值，達到勵磁的目的。

圖7 旋轉式磁通泵裝置圖[35]

由于行波由旋轉永磁體產生，更適合應用于自身旋轉且不需要穩定磁場的動力轉子，例如在電動機或發電機中[36-41]，鼠籠架構的發電機式高溫超導磁通泵最大輸出電流能夠達到1.3 kA[42]。Sung完成了基于高溫超導磁通泵的12 MW風力發電機模塊的熱損耗分析[15]，研究人員也一直致力于將旋轉式磁通泵應用于超導風力渦旋機中[43,44]，已成功將磁通泵放置于低溫裝置外運行[45]。

3.2.3 線性磁通泵

Matsude及Fu設計了線性磁通泵，其具有工作時振動和電噪聲小、無需開關和泵浦速度快的優點，最大泵浦電流可達超導臨界電流的92%，適用于需快速勵磁的設備。如圖8所示[46]，由多組驅動電路為上下平行排列的線性電磁鐵供電，通過按順序切換含鐵心線圈產生行波磁場，用于感應的超導體放置于兩組線圈之間以獲取更高的磁場強度，施加電流的幅值和頻率乘積恒定即可在小磁場、大頻率下實現超導電流泵浦，但運行狀態無法完全預測，因此其優化必須基于反復試驗。此外，回路中YBCO帶材的焊接工藝也是一個問題，盡管不斷研究相關技術，但在連接到傳輸帶材上時不可避免會增加電阻值。線性磁通泵現已經成功地將電流注入了超導負載線圈，泵浦電流高達線圈臨界電流的90%，實現了1.5 T的合成磁場。

圖8 線性磁通泵示意圖[46]

3.2.4 環形磁通泵

王為研究了用于磁化高溫超導薄膜的循環式磁通泵[20]，將多匝繞組集中放置以產生圓形行波磁場，通過改變繞組之間的相位差改變磁場波的方向，研究超導薄膜內的微觀效應。提出了超導薄膜中磁耦合現象，微觀上解釋了超導磁通泵的物理機理，如圖9所示，其運行原理為：局部磁場的場不均勻性產生了耦合能量，由磁極產生渦旋及包含數百萬個渦旋的渦旋團簇，渦旋團簇與外加磁極耦合，并一起運動。此外，只有施加的行波波長足夠短并且場的幅值較大才能夠有效地耦合。

圖9 磁通量子耦合原理圖[20]

3.2.5 直線電機型磁通泵

在最近的研究報告中，王為對直線電機型磁通泵進行了優化提升[47-49]，結構如圖10所示，其原理是利用三相逆變器連接三相繞組，在氣隙中產生交流行波磁場，使用直流電源為直流繞組供電，提供直流偏置磁場，直流偏置的交流行波磁場將直流電流泵入超導磁體閉環系統[50]。直線電機型磁通泵通過改進磁設計使磁通泵更加穩定和靈活，減小了尺寸和噪音，結構簡單，是目前體積最小的磁通泵，可應用于超導電動機無刷勵磁及超導儲能設備等。

圖10 直線電機型磁通泵示意圖[47]

這項研究初步驗證了宏觀磁耦合效應理論，即超導定子內部的磁通流是一種引導磁通流，外加磁極與超導渦旋之間建立了磁耦合的關系，耦合強度則來源于場的不均勻性。也就是說，通過縮短磁場波長，可以增加場的不均勻性，從而增加耦合強度。

4 不同類型磁通泵對比

行波磁場型和開關型磁通泵對比見表1，兩者均可在整流和逆變模式下運行，但在工作機理方面存在根本差異。行波磁場型磁通泵是所有類型中最簡單的、不需要變壓器且使用超導體最少的磁通泵，具有體積小、成本低的優點，適用于發電機、電動機、醫療器械等小型設備。但負載被處于行波磁場中的超導體短路，電流泵浦通過單一回路實現，感應電流即流入負載的電流，回路上電流產生的損耗無法減小，對工作電流的限制較大。開關型磁通泵可以通過減小流經橋部分的電流來使損耗最小化，能夠更好地利用超導體的載流能力，適用于高場超導磁體等需要較大泵浦電流的設備。

表1 不同類型磁通泵優缺點對比

5 應用及未來發展趨勢

高溫超導磁體在持續電流模式下工作時，由于存在磁通蠕動效應和接頭電阻，閉合超導回路中的電流不可避免地會產生衰減。對于具有高磁場強度的超導磁體而言，電阻性使其需要高功率的電源來補充電流衰減，電源與冷卻成本巨大。基于高溫超導磁通泵的無接觸式直流電源技術是實現超導磁體在閉環恒流模式下高效穩定運行的理想方案，能夠在提升效率的同時顯著降低成本。高溫超導磁通泵的發展潛力巨大還在于其未來能夠極大地推動高溫超導磁體在航空航天及國防軍事領域的廣泛應用。

對于一些較小的超導磁體而言，磁通泵給予了廣泛的應用可能性，由于省去了大體積的供電電源，超導磁體可用于一些體積較小或便攜式的設備，如小型發電機、電動機等。超導發電機是電機領域的一種新型電機，具有功率密度大、同步電抗小、效率高、維護方便等優點。磁通泵給超導電機提供了新的勵磁思路，使用磁通泵則無需使用電刷，能夠大幅度降低超導電機的制造成本、制冷負擔與故障率，提升電機能效與可靠性。

高場核磁共振技術，例如MRI和NMR，是高溫超導磁通泵技術最具潛力的應用場景之一，也對磁通泵的研發提出了新挑戰。目前，高溫超導磁通泵能否廣泛投入實際應用主要存在以下幾點問題：①磁通泵自身的熱損耗需控制在較低水平，不能影響負載磁體的正常工作；②磁通泵能否在無接觸條件下實現kA級的輸出電流，低成本、高效率地快速滿足負載的充電需求；③磁通泵能否對充電電流實現高精度控制，根據負載需求響應合理的泵浦電流；④傳輸距離也是磁通泵能否投入應用的關鍵參數，研究表明，將磁通泵放置在低溫系統外可降低磁體的運行溫度，若放置在低溫系統內，則磁通泵必須使用非磁性材料；⑤磁通泵作為超導磁體的供電電源，其穩定性是最重要的指標，為了超導磁體能夠長時間的有效工作，其磁場穩定度需控制在10-6的范圍內。

下一步工作中將建立基于無液氮磁通泵勵磁的高溫超導磁體閉環運行系統，驗證制冷機制冷條件下30～50 K溫區磁通泵勵磁的可行性。磁通泵選用旋轉電機型與直線電機型，在勵磁功率、勵磁電流、勵磁速率、磁場穩定度和磁通泵功耗等指標上做測試，旨在為未來高溫超導磁體在國防軍事、航空航天、軌道交通、生物醫療、大科學工程儀器等領域的推廣應用奠定理論基礎與實驗驗證。

6 結論

穩態強磁場被廣泛應用于物理、材料、醫療、交通、電力等諸多領域，使得能夠承載強磁場的高溫超導磁體成為工程應用領域的焦點，保證高穩定性和低運行成本是充分發揮其應用潛力的關鍵環節，將推動國家重大基礎設施建設及國民經濟的快速發展。高溫超導磁通泵是一種基于電磁感應定律的無接觸式充電設備，可以在很大程度上降低高溫超導磁體的運行成本和損耗，解決閉環模式下電流衰減問題，促進高溫超導磁體的發展與大規模應用。

本文對高溫超導磁通泵進行了較為全面的介紹與總結，并提出了該技術的未來發展趨勢，有助于科研人員深入理解磁通泵技術中存在的基礎科學問題，有針對性地促進高溫超導磁體無線直流電源設備的研發。