采用阻尼部件的超导限流装置 本发明涉及一种限流装置，具体地说，涉及一种通过采用磁芯来改善其限流性能的超导限流装置，该磁芯具有一个阻尼部件和一个磁性支路(magnetic leg)，该磁性支路的一部分由导磁率小于磁芯的导磁率的材料制成，或者被充填这种材料。
通常，大多数电路配有防范瞬变负荷阻抗或者电力浪涌引起的过高电流的保护性措施，例如热熔保险丝或断器开关。但是，在预定电流水平或电流-时间乘积下断开电路的常用热熔保险丝或断路开关动作缓慢，不能响应快速瞬变。另外，断路开关只适用于较小的电流。
为了克服上述缺点，已提出了和保险丝或断路开关同时采用的各种限流器。其中一种是超导限流装置，它利用了超导体的磁通量对消效应。
参考图1，图中图解说明了超导体100的磁通量对消效应。
如果超导体100暴露于在超导体100中感应产生低于临界水平的电流I的磁场H中，则超导体100处于超导状态。于是，在对消施加给超导体100的磁场H的方向上产生起因于电流I地反向磁场-H。从而，耦结超导体100的磁场H被反向磁场-H抵消。
另一方面，在存在在超导体100内感应产生超过临界水平的电流的磁场H的情况下，超导体变成有阻状态，其中从超导状态到有阻状态的转变极大地削弱了反向磁场-H，导致超导体100的磁通量对消性能的降低。于是，耦结超导体100的磁场H不被反向磁场-H抵消。
现在参考图2，图中提供了一种采用常规超导限流装置10的例证电气装置5，该超导限流装置10利用了超导体的磁通量对消效应。超导限流装置10包括初级绕组110、超导部件120和可饱和磁芯130，其中初级绕组110使超导限流装置10和外部电路20电耦接，外部电路20经过端子A和B包括，例如电压源Vs和负载电阻RL。图中，初级绕组110呈导电线圈的形式，超导部件120呈超导环的形式。
在电气装置5中，由电压源Vs和电气装置5的总阻抗确定的电路电流流经负载电阻RL和初级绕组110。这种情况下，总阻抗主要由负载电阻RL和和归因于超导限流装置10的附加阻抗确定。
下面将参考图3来说明图2中图解说明的电气装置5的操作。
在正常情况下，如果低于图3中的转变点P的正常电流流入初级绕组110，则超导部件120保持超导状态。于是，如上参考图1所述，超导部件120产生的反向或相反的磁通量抵消初级绕组110产生的磁通量，使初级绕组110的电感近似于零。于是，由于超导限流装置10的阻抗只由其中的磁漏电感和初级绕组110的电阻决定，起因于超导限流装置10的附加阻抗变得很小，从而允许正常电流流过电气装置5，而不致经历归因于超导限流装置10的相当大的阻抗变化。
另一方面，在故障情况下，如果由，例如瞬时负载阻抗变化或电力浪涌引起的高于图3中所示转变点P的故障电流流入初级绕组110中，则超导部件120变成有阻状态，因为故障电流在初级绕组110中产生磁通量，该磁通量在超导部件120内感应产生高于临界水平的电流。于是，如上关于图1所述的那样，初级绕组110产生的磁通量不能被超导部件120产生的反向磁通量抵消。因此，一旦在超导部件120中发生从超导状态到有阻状态的转变，则最终的净磁通量突然增大端子A和B之间的电感；超导限流装置10的阻抗也突然增大。于是，电气装置5的总阻抗突然增大，从而可限制流过电气装置5的故障电流的水平。
但是，如图3中所示，如果故障电流不受超导限流装置10引起的阻抗的限制，并且接近饱和点Q，在该饱和点Q，磁芯130被饱和，则初级绕组110的电感降到相当低的值；超导限流装置10引起的附加阻抗也降到相当低的值。于是，如果最终磁芯130被饱和，则非常大的电流可能流过并损坏外部电路20。
通过把超导限流装置设计成支持高饱和电流可克服这种饱和问题。但是，这将导致超导限流装置，尤其是磁芯的尺寸、重量及各个部件的成本的显著增加。
于是，为了克服上述缺陷，已经介绍了一种包括磁芯的超导限流装置，该磁芯包括阻尼线圈和具有空气间隙的磁性支路。在共同拥有的同时待审申请，中国专利申请No.97118655.3(申请日1997年9月18日)，名称为“具有阻尼线圈的超导限流装置”中公开了这种超导限流装置。
但是，这种常规的限流装置具有这样的缺点，即磁性支路的导磁率只由空气间隙的间隙距离控制，因为操作过程中，限流装置的空气间隙最终将被导磁率不可调节的环境物质，例如空气、油或冷却剂占据。此外，由于磁性支路中的空气间隙，这种常规限流装置在结构上不结实。
于是，本发明的目的是提供一种改进的超导限流装置，它采用具有一个阻尼部件和一个磁性支路的磁芯，所述一个磁性支路的一部分由导磁率小于磁芯的导磁率的材料制成，或者被充填这种材料，从而消除了现有技术的装置中涉及导磁率修整(tailor)的限制，增强了磁芯并解决了磁芯的饱和问题。
根据本发明，提供了一种限制电路中电流的装置，它包括：
具有饱和状态和非饱和状态的可磁饱和磁芯；和
使磁芯和电路电耦接的输入线圈，输入线圈引导电流通过其中，以便在磁芯中产生磁通量；
其中磁芯包括引导产生的磁通量的主回路和至少两个磁通回路，
第一磁通回路引导磁通量的第一部分；
第二磁通回路引导磁通量的第二部分，并且具有用于至少抵消一部分第二部分磁通量，从而防止磁芯进入饱和状态的阻尼部件。
结合附图，根据给定的最佳实施例的下述说明，本发明的上述及其它目的和特征将是显而易见的，其中：
图1图解说明了超导体的磁通对消效应；
图2表示了采用常规的超导限流装置的电气装置；
图3用图表示了超导限流装置中的磁芯的磁化曲线；
图4描绘了根据本发明的第一实施例的超导限流装置；
图5提供了根据本发明的第二实施例的超导限流装置；
图6提供了根据本发明的第三实施例的超导限流装置；
图7提供了根据本发明的感应器；
图8表示了根据本发明的变压器。
参考图4-6，图中表示了根据本发明的最佳实施例的超导限流装置。
图4中提供了根据本发明的第一实施例的超导限流装置10A。
超导限流装置10A包括具有多个，例如三个磁性分支部件(或者支路)，例如第一到第三磁性支路58A-58C的磁芯50，所述多个磁性分支部件在两个细长的部件(或者轭铁)，例如上轭铁58D和下轭铁58E之间延伸。磁芯50可由具有饱和状态和不饱和状态的任意可磁饱和材料制成，第二磁性支路58B具有引发部件55(causing element)，引发部件55由导磁率小于上、下轭铁58D和58E，及第一、第二磁性支路58A和58B的导磁率的材料制成，或者被充填这种材料，其中第二磁性支路58B由引发部件55分成两部分。换句话说，引发部件55由磁阻大于磁芯50的其它部分的磁阻的材料制成，或者被充填这种材料。构成引发部件55的材料可以是磁性材料，也可以是非磁性材料，只要该材料的导磁率小于磁芯50的其它部分的导磁率即可。该材料可以是固体、气体或液体，或者是它们的组合物。但是，在本发明中，该材料最好是固体，例如诸如μ金属或类似物之类的金属材料。假如纯碎的固体不被用作引发部件55，则引发部件55应由刚性材料密闭，以使其结构和功能的完整性不受环境影响。引发部件55的横截面积可变；但是引发部件55的横截面积最好大体上与第二磁性支路58B的横截面积相等。超导限流装置10A通过输入线圈，即初级绕组52与外部电路(图中未表示)耦接，如图2中的电气装置中所示，输入线圈，即初级绕组52借助两个端子，例如A和B与外部电路连接。超导限流装置10A还包括如图2中的超导部件54，及环绕具有引发部件55的第二磁性支路58B的阻尼部件56。
初级绕组52呈最好缠绕不具有引发部件的磁性支路，例如第一磁性支路58A，或者超导部件54的预定匝数的线圈的形式，并且由导电材料制成，该导电材料可以是超导材料或者非超导材料，即一般的导电材料。超导部件54由呈一个或多个环、圆筒、短路线圈或类似物的形式的超导体构成，一个不具有引发部件的轭铁或者磁性支路贯穿其中。
初级绕组52和超导部件54可位于铁芯50上除具有引发部件的磁性支路之外的任何一个部分或多个部分上。更具体地说，在某一不具有引发部件的磁性支路上，或者在磁芯50的一个轭铁上，初级绕组52和超导部件54可如图2中所示地并排安置在一起，或者如图4和5中所示，可把初级绕组52和超导部件54中的一个设置在另一个的内部或外部。或者，初级绕组52和超导部件54中的一个可设置在轭铁或者不具有引发部件的磁性支路上，而另一个存在于不同的轭铁或者不具有引发部件的不同磁性支路上。不过最好把初级绕组52和超导部件54安置在一起，即，如图4和5中所示，一个位于另一个的内部或外部。如果把初级绕组52和超导部件54单独地设置在磁芯50上，则可能产生不能被超导部件54消除的漏磁通，从而降低超导部件54的磁通对消效应。
在本发明的最佳实施例中，阻尼部件56由超导材料制成，并且呈一个或多个环、圆筒、短路线圈或类似物的形式，具有引发部件的磁性支路，例如第二磁性支路58B贯穿其中。例如，在图4所示的实施例中，阻尼部件56采用轴向相互堆叠的三个超导环来环绕第二磁性支路58B。
下面，将参考图3和4来说明超导限流装置10A的操作。
在正常情况下，即如果某一预定范围内，例如低于图3中所示P的正常电流流入初级绕组52中，则由于因初级绕组52中的该正常电流而产生磁通量，超导部件54保持超导状态，该磁通量在超导部件54中引起低于临界水平的电流。于是由初级绕组52产生的磁通量被超导部件54产生的相应的反向磁通量所抵消，于是没有磁通量将穿过磁芯50。于是，通过端子A和B观察到的电感变得很低，使超导限流装置10A的阻抗变低，超导限流装置10A对外部电路的操作的影响可忽略。
另一方面，在故障情况下，如果流入初级绕组52中的故障电流超出预定的范围，并且产生在超导部件54中感应产生大于临界水平的电流的磁通量，则超导部件54变成有阻状态，从而失去其磁通量对消性能特征。于是，超导限流装置10A的阻抗增大，这样，可限制流过外部电路的故障电流的水平。
在图2中所示的常规超导限流装置10中，如果故障电流不被抑制，而是持续不断地增大，接近饱和点，例如图3中所示的Q，在该点磁芯130被饱和，则超导限流装置10的阻抗再次快速降低，以致极大的故障电流流过并损害外部电路。
但是根据本发明，可通过利用第二磁性支路58B的引发部件55和阻尼部件56的组合作用迟滞或防止磁芯50的饱和，解决这种饱和问题。
具体地说，在故障情况下，按照磁芯中的磁通密度，在磁芯50中形成两个并行的磁通回路，即经过第一及第三磁性支路58A和58C的第一封闭回路59，和经过第一及第二磁性支路58A和58B的第二封闭回路57。换句话说，在磁芯50中存在三个磁通回路，即经过用于磁芯50中产生的总磁通量的第一磁性支路58A的主磁通回路，经过用于总磁通量的多数磁通量的第三磁性支路58C的初级磁通回路，及经过用于总磁通量的剩余部分的第二磁性支路58B的次级磁通回路。
更具体地说，直到第三磁性支路58C被饱和为止，磁芯50的第三磁性支路58C的导磁率大于具有引发部件55和阻尼部件56的第二磁性支路58B的导磁率，因为第二磁性支路58B的导磁率很低，并且由于引发部件55的缘故，其导磁性几乎恒定。于是，初级绕组52产生的磁通量主要沿第一封闭回路59流动。当磁通量变大时，通过磁性支路58A和58C的磁通量接近饱和点，第三磁性支路58C的导磁率降低，而第二磁性支路58B保持几乎恒定的导磁率。于是，磁通量开始沿着第二封闭回路57流动。在磁性支路中磁通量分布的条件可由磁芯50的特征控制，例如引发部件55的尺寸，及构成引发部件55的材料的导磁性能。
具体地，如果相对较低的故障电流流入初级绕组52，并且第三磁性支路58C的导磁率仍大于具有引发部件55的第二磁性支路58B的导磁率，则初级绕组52产生的磁通量流过第三磁性支路58C，即沿着第一封闭回路59流动，而流过第二磁性支路58B，即流过第二封闭回路57的磁通量部分可忽略。
但是，随着故障电流的增大，通过第三磁性支路58C的磁通量接近饱和点，第三磁性支路58C的导磁率降低，流过第三磁性支路58C的磁通量的比例逐渐降低。另一方面，如前所述，第二磁性支路58B的导磁率保持恒定，于是，流过第二磁性支路58B的磁通量的比例逐渐增大。但是，由于和流过第三磁性支路58C的磁通量部分相比，流过第二磁性支路58B的磁通量部分仍然较小，因此阻尼部件56始终保持其磁通量对消性能。于是，流过第二磁性支路58B的磁通量被阻尼部件56产生的反向磁通量抵消。于是，没有磁通量通过第二磁性支路58B，并且由于沿着第二磁性支路58B流动的磁通量的抵消，通过磁芯50的磁通量不容量达到其饱和点。从而，不会产生磁芯50的饱和问题，并且还可避免故障电流的急剧增大。
本实施例中，通过第二磁性支路58B的磁通量的数量与第三磁性支路磁阻和第二磁性支路磁阻的比率成比例。即，随着第三磁性支路58C的导磁率的降低，通过第二磁性支路58B的磁通量增大，但是由于阻尼部件56具有关于图1图解说明的磁通量对消性能，因此该磁通量被阻尼部件56抵消。
如上所述，根据本发明，由于故障电流产生的磁通量的一部分被阻尼部件56抵消，从而防止磁芯50进入饱和状态，超导限流装置10A可检测并限制故障电流，而不需要外部控制器。
参考图5，图中表示了根据本发明的第二实施例的超导限流装置10B，其中超导限流装置10B包括具有阻尼部件66，及含有引发部件65的磁性支路的磁芯60，该引发部件65由导磁率小于磁芯60的导磁率的材料制成，或者被充填这种材料。
本实施例中，磁芯60的第二及第三磁性支路互换位置，并且阻尼部件66呈超导圆筒的形式，代替图4中所示的超导环。
除了第二和第三磁性支路的位置及阻尼部件的形状外，本实施例中的超导限流装置10B在功能上和图4中所示的装置10A相同；于是将省去对其结构和操作的说明。
图6中表示了根据本发明的第三实施例的超导限流装置10C，其中超导限流装置10C包括具有第一到第三支路62A-62C及阻尼部件63的磁芯61。
本实施例中，和图4中其一部分是由低导磁率材料制成，或者被充填低导磁率材料的引发部件的第二磁性支路58B相比，磁芯61的整个第二磁性支路62B由其导磁率小于第三支路62C的材料制成。
由于本实施例中的超导限流装置10C在功能上与图4中所示的装置10A相同，因此将省去对其结构和操作的说明。
即使已经相对于均具有三个磁性支路的磁芯描述了最佳实施例，但是仍可改变磁性支路的数目。例如，磁芯可包括均具有引发部件和阻尼部件的一个或多个磁性支路，以便增强散布磁通量的性能，从而有效地防止磁芯被饱和。类似地，不具有引发部件和阻尼部件的磁性支路的数目也可被设计成大于2。
如上所述，根据本发明，由于有效地防止了磁芯的饱和，超导限流装置可避免故障情况下初级绕组的电感的急剧降低，于是改进了限流性能。
另外，由于超导限流装置通过利用阻尼部件防止饱和问题，而不会额外增大磁芯的横截面积，因此可极大地降低超导限流装置的制造成本。
此外，通过利用本发明的引发部件可改进具有引发部件的磁性支路的导磁率的调节能力和磁芯的结构强度。
借助本发明的引发部件及阻尼部件获得的限流性能可用在常规的感应器(或稳压器)中，用于调节电路中电流的波动。
参见图7，图中表示了根据本发明与外部电路70连接的感应器75。
感应器75包括具有三个磁性支路78A、78B及78C的磁芯76，其中初级绕组72布置在第一磁性支路78A上，呈超导环形式的阻尼部件74环绕具有引发部件的第二磁性支路78B。磁芯76可包括三个以上的磁性支路，但是应包括一个以上不具有引发部件的磁性支路，及至少一个具有引发部件的磁性支路，该引发部件由导磁率小于磁芯的导磁率的材料制成，或被充填这种材料。
在感应器75的结构中，除具有引发部件的磁性支路之外，初级绕组72可位于磁芯76的的任何部分上。
如果故障电流与感应器75耦接，导致磁芯76接近其饱和状态，则通过初级绕组72的故障电流产生的一部分磁通量开始通过第二磁性支路78B，并被阻尼部件74产生的磁通量抵消。于是，如前面的实施例中所述，可避免感应器75中的磁芯76的饱和，并限制故障电流。
此外，还可通过采用具有本发明的引发部件和阻尼部件的磁性支路，由变压器获得限流性能。
图8中提供了与源电路80及负荷电路81连接的变压器85。
变压器85包括具有多个，例如三个磁性支路83A、83B及83C的磁芯88，磁性支路包括至少一个具有引发部件的磁性支路，引发部件由导磁率小于磁芯88及不具有引发部件的两个或多个磁性支路的导磁率的材料制成，或被充填这种材料。初级绕组82设置在不具有引发部件的第一磁性支路83A上，并与源电路80相连。次级绕组86被安置在，例如不具有引发部件的第三磁性支路83C上，并与负荷电路81相连。初级绕组82和次级绕组86可由超导材料或非超导材料制成。初级绕组82用于把来自源电路80的输入功率提供变压器85，次级绕组86用于把初级绕组82产生的并通过第三支路83C的磁通量所感应产生的输出电力提供给负荷电路81。阻尼部件84可呈超导环的形式，并环绕具有引发部件的第二磁性支路83B，该引发部件由导磁率小于磁芯88的导磁率的材料制成，或者被充填这种材料。
在变压器85的结构中，除具有引发部件的磁性支路之外，初级绕组82和次级绕组86可设置在磁芯88的任意部分上。
如果故障电流与初级绕组82或次级绕组86耦接，从而导致磁芯88接近其饱和状态，则故障电流产生的，并通过磁性支路83A和83C的一部分磁通量开始通过第二磁性支路83B，并被阻尼部件84抵消。于是，如前面的实施例中所述，可避免磁芯88的饱和，并且还可抑制故障电流的增大。如上所述，通过利用具有本发明的引发部件和阻尼部件的磁芯，可有效防止流入变压器的故障电流的急剧增大，并可使变压器免于异常的故障电流带来的损坏。
在上面描述的本发明的实施例中，阻尼部件最好由超导材料制成，以便使磁通量对消性能达到最大。阻尼部件也可由普通的非超导材料，例如铜或铝制成。但是这种情况下，由于其固有电阻相对较高，因此会极大地降低磁通量对消效应。
本发明的阻尼部件可以采取任何形式，例如一个或多个圆筒、环、短路线圈或类似物，只要它可为由外部磁通量感应产生的电流提供一个或多个封闭回路即可。
引发部件的尺寸和构成引发部件的材料的导磁率也许是控制磁性支路之间的磁通量分布特性的关键性设计参数，磁性支路之间的磁通量分布特性又决定本发明的限流性能。
图7和图8中所示的感应器75和变压器85的整个第二磁性支路78B和83B也可如图6中所示，由低导磁率材料制成。
此外，即使在本发明的最佳实施例的描述中没有清楚地例证说明，但是对于本领域的技术人员来说，显然应通过利用，例如提供冷却剂的致冷器把由超导材料制成的部件保持在构成它们的超导材料的临界温度以下。
本发明中可使用任意已知的高温或低温超导材料。但是本发明中采用的超导材料最好是具有允许使用液氮之类冷却剂的临界温度的高温超导材料。
虽然上面只是相对于某些最佳实施例描述了本发明，但是在不脱离如下述权利要求中陈述的本发明的精神和范围的情况下，可作出其它修改和变化。