专利名称：用于磁体失超保护的单个开关排泄电阻器梯形网络的制作方法
技术领域：
本发明的实施例一般涉及医疗成像设备和采用超导磁体系统的其他系统，更具体的来说，涉及用于超导磁体失超保护的系统和方法。
背景技术：
正如公知的，可以通过将超导材料的缠绕线圈(磁体线圈)置于极冷环境(例如，-269° C或4 K)中来使之超导。例如，可以通过将线圈封装在含有致冷剂的压力容器或低温恒温器中来使得线圈超导。极冷使线圈导线能够在超导态中操作。在此状态中，导线的电阻实际为零。为了引导经过线圈的电流，将电源最初经由在正常导电状态下暂时性操作的超导开关连接到线圈。在超导态中，电流将持续流经线圈，从而保持强磁场。换言之，因为超导绕组在低温下对电流提供小到没有的电阻，所以磁体的超导态是永久性的。流经超导磁体的电流保持在磁体内，并且不随时间显著地衰减。超导磁体在磁共振成像(“MRI ”)领域中具有广泛应用。在典型的MRI磁体中，主超导磁体线圈被封装在含有致冷剂(如液氦)的圆柱形致冷剂压力容器中。致冷剂容器包含在排空的容器内，并且形成为中心具有成像腔。主磁体线圈在轴向腔的成像容积中发展出强磁�。庇胧芸氐奶荻却懦『蚏F脉冲组合时，用于根据患者生成信号，该信号被接收且处理以形成图像。在现有MRI系统中，按惯例使用1.5或3特拉斯的主磁场来产生生动的临床图像。当采用超导磁体来产生强磁场时，要点是具有到位的鲁棒性保护系统以用于响应可能发生的“失超”现象，在“失超”现象中，磁体局部温度升高并丧失超导性。这种温度的局部性升高可能烧坏或损坏磁体的超导线圈。此外，由于急剧温度上升引起的致冷剂容器内的蒸发而导致分子密度的快速下降降低了液氦在正常情况下提供的绝缘能力，从而导致电压可能通过气体击穿，这可能严重地损坏多种线圈和致冷剂容器内的元件的关联控制电路。为了使超导磁体的保护系统有效地工作，此类保护系统应该提供较早失超检测和有效诱发失超(quench-back)。作为示例，对于具有光纤玻璃套绝缘的超导导线缠绕的磁体，由于磁体导线匝之间可能存在的致冷剂，所以初始正常区域可能增长相对较慢。这可能花费一定时间才能发展出几伏特到几十伏特的可检测失超电压信号。截至此时间，局部热点可能已经有10k的温度。如果不采取任何措施，此热点的温度可能快速地达到有损磁体线圈构造的过量水平。因此，关键是应该及时地检测到失超信号，并应该采取及时的措施来将磁体线圈系统的其他部分失超。此措施通常称为诱发失超。典型地，这通过附接到磁体线圈的预定策略位置的分布式加热器网络来实现。图1示出一种典型现有技术超导磁体保护系统，其用于具有8个串联连接磁体线圈Ll(±)-L4(±)的超导磁体。该保护系统包括作为形成以支持期望的操作电流的闭合回路一部分的、串联连接的两个超导开关S1、S2。如图1所示，使用保护系统中包含的相应保护电阻R1-R4分路(shunt)每个磁体线圈LI (±)-L4 (±)。在该保护系统的操作中，如果一个磁体线圈Ll(-)开始丧失超导性(即，失超)，则该磁体线圈中将显露出电压。但是，线圈电压(作为失超信号)增加非常慢，并且由于分路电阻Rl-的原因，将不会达到非常高的电平，由此使得检测电压困难。为了克服此问题，使用小电压/失超信号来规格化第二超导开关S2。当开关S2规格化时，跨过此开关快速地产生实质性较高量的电压。当检测到此电压时，跨过开关S2连接的加热器网络(未示出)被触发，然后激活线圈诱发失超功能。作为示例，对于图1的磁体保护系统，它可能花费与多达总磁体失超时间的20%对应的时间才能在失超线圈中有几伏特的电压，该电压触发第二保护开关S2以导出有用的诱发失超电压。虽然此配置的磁体保护系统由此提供失超检测，但是它存在两个主要缺点。第一，图1的该配置的磁体保护系统产生非常大的不平衡电磁失超力，低温恒温器结构必须支承此力。第二，图1的该配置的磁体保护系统需要使用第二超导开关S2。图2中图示另一个现有技术的超导磁体保护系统。在此设计中，首先连接对称的(相对于磁体中心平面)磁体线圈对LI (±)_L4(±)，然后将其通过相应的保护电阻器分路。此连接迫使对称线圈对中的电流相同，从而消除图1的保护系统中存在的不平衡失超力。分路部分中的净失超电压也由于分路电阻器R1-R4的原因而增长缓慢且未达到非常高的电平，因此，需要使用第二开关S2来生成较高的电压以驱动用于线圈诱发失超的加热器网络(未示出)。但是，图2的超导磁体保护系统存在两个缺点。一个缺点是线圈引线路由的复杂性，因为始于线圈架的一端的线圈引线必须与相对端处的引线拼接在一起。第二缺点是必须采用第二超导开关S2才能实现诱发失超。其他现有技术超导磁体保护系统，如授予Takechi等人的美国专利5，333，087中公开的超导磁体保护系统在磁体保护电路中采用多个二极管。在此类磁体保护系统中，二极管具有预定的导通电压。因为二极管分路对称线圈对，所以该公开的系统提供仅通过两个线圈排泄大多数能量，这是不利的。此外，在磁体保护系统中使用二极管显著地增加了系统的成本，因为必须适合地设置二极管的大小以承载几乎全操作电流。因此需要提供一种磁体失超保护系统，其能够提供较早失超检测和有效的诱发失超。还期望提供一种磁体失超保护系统，其不产生可感知的不平衡失超电磁力，且免去对第二超导开关的需求，从而促成更低的成本保护设计且制造复杂性更低。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于以自动化方式进行超导磁体的失超保护的系统和方法。根据本发明的一个方面，一种超导磁体组装件包括位于容器内且包括串联连接的多个磁体线圈的超导磁体线圈组装件，其中多个磁体线圈设为形成对称线圈对，使得与每个相应对称线圈对对应的磁体线圈位于超导磁体线圈组装件的中心点的相对侧。该超导磁体组装件还包括电源和磁体保护系统，该电源选择性地耦合到超导磁体线圈组装件以向多个磁体线圈供给功率，从而使超导磁体线圈组装件生成磁�。灰约案么盘灞；は低成柙谌萜髂谇业珩詈系蕉喔龃盘逑呷σ孕纬杀蘸匣芈返缏�。该磁体保护系统还包括单个超导开关，其连接在闭合回路电路的端之间以选择地将电源连接到超导磁体线圈组装件；多个排泄电阻器(dump resistor)，其设成形成电阻器梯形电路，其中多个排泄电阻器的每一个连接在形成相应对称线圈对的磁体线圈之间；以及加热器网络，其连接在闭合回路电路的端之间并连接到超导磁体线圈组装件，其中加热器网络配置成在失超期间执行诱发失超操作以保护多个磁体线圈。该加热器网络由磁体线圈中开始失超状况时多个磁体线圈中的磁体线圈中生成的部分磁体线圈电压来驱动。根据本发明的另一个方面，一种用于超导磁体线圈组装件的失超保护的方法包括，提供具有设成串联连接的多个磁体线圈的超导磁体线圈组装件，其中多个磁体线圈的第一半形成第一分支以及多个磁体线圈的第二半形成第二分支，以及其中第一分支和第二分支上的磁体线圈设为对称成对。该方法还包括将失超保护系统连接到超导磁体线圈组装件，以便形成闭合回路电路，其中该失超保护系统包括单个超导开关、加热器网络和设为形成电阻器梯形电路的多个排泄电阻器，以及其中多个排泄电阻器的每一个连接在第一分支和第二分支上的相应磁体线圈对之间。该方法还包括监视来自至少一个磁体线圈的电压信号以检测失超状况的开始，基于监视的电压信号检测失超状况，以及在检测到失超状况时激活加热器网络，其中加热器网络配置成执行诱发失超操作以保护多个磁体线圈。该加热器网络由检测到失超状况时存在的至少一个磁体线圈的电压驱动。根据本发明的又一个方面，一种超导磁体组装件包括，具有设成串联连接的多个磁体线圈的超导磁体线圈组装件，其中多个磁体线圈的第一半形成第一分支以及多个磁体线圈的第二半形成第二分支，以及其中第一分支和第二分支上的相对磁体线圈设为对称成对。该超导磁体组装件还包括失超保护系统，其电耦合到多个磁体线圈，以便与之形成闭合回路电路，其中该失超保护系统还包括单个斜变开关、排泄电阻器的梯形网络和至少一个加热器网络，单个斜变开关连接在闭合回路电路的端之间以选择地将功率提供到超导磁体线圈组装件，排泄电阻器的梯形网络设成连接在第一分支和第二分支上的相应磁体线圈对之间且配置成在相应磁体线圈中开始失超情况时促使相应一对的磁体线圈对中生成基本相等量值的正半磁体线圈电压和负半磁体线圈电压，至少一个加热器网络连接在闭合回路电路的端之间且配置成在失超情况开始时执行诱发失超操作，其中该加热器网络由失超情况开始时生成的半磁体线圈电压驱动。通过下文的详细描述和附图，将使多种其他特征和优点显而易见。
这些附示目前设想用于实现本发明的实施例。在这些附图中:
图1是现有技术超导磁体失超保护系统的示意框图。图2是现有技术超导磁体失超保护系统的示意框图。图3是结合本发明的实施例使用的示范MR成像系统的示意框图。图4是根据本发明的实施例的超导磁体组装件的示意框图。图5-12是根据本发明的实施例的超导磁体失超保护系统的示意框图。图13是采用图9的超导磁体失超保护系统的磁体线圈的模拟线圈电压和温度简档的图形表示。
具体实施例方式本发明的实施例涉及超导磁体的管理，以及具体来说涉及此类系统针对失超的保护。虽然下文论述参考的是医疗成像系统，但是认识到本发明的实施例可应用于利用超导磁体的一定范围的系统或设备，如光谱系统等。参考图3，其中示出结合本发明的实施例使用的磁共振成像(MRI)系统10的主要组件。从操作员控制台12控制MRI系统10的操作，操作员控制台12包括键盘或其他输入装置13、控制面板14和显示屏16。控制台12经链路18与单独的计算机系统20通信，单独的计算机系统20使得操作员能够控制图像的生成以及图像在显示屏16上的显示。计算机系统20包括多个�？椋庑┠？榫嘲�20a彼此通信。这些模块包括图像处理器�？�
22,CPU�？�24和存储器模块26，存储器�？�26可以包括用于存储图像数据阵列的帧缓冲器。计算机系统20经高速串行链路34与单独的系统控制32通信。输入装置13可以包括鼠标、操纵杆、键盘、跟踪球、触摸屏、光棒(light wand)、语音控制或任何类似或等效输入装置，并且可以用于交互式几何形状指定。系统控制32包括通过背板32a连接在一起的一组�？椤Ｕ庑┠？榘–PU�？�36和经串行链路40连接到操作员控制台12的脉冲发生器�？�38。经链路40，系统控制32从操作员接收指示要执行的扫描序列的命令。脉冲发生器�？�38操作系统组件以执行期望的扫描序列，并生成指示所生成的RF脉冲的定时、强度和形状以及数据获取窗口的定时和长度的数据。脉冲发生器�？�38连接到一组梯度放大器42，以指示扫描期间生成的梯度脉冲的定时和形状。脉冲发生器�？�38还可以从生理获取控制器44接收患者数据，生理获取控制器44从连接到患者的多个不同传感器接收信号，例如从附着于患者的电极接收ECG信号。以及最后，脉冲发生器�？�38连接到扫描室接口电路46，扫描室接口电路46从多种传感器接收与患者的状况和磁体系统关联的信号。经扫描室接口电路46，患者定位系统48还接收将患者移到期望的扫描位置的命令。将脉冲发生器�？�38生成的梯度波形应用到梯度放大器系统42，梯度放大器系统42具有Gx、Gy和Gz放大器。每个梯度放大器激发一般表示为50的梯度线圈组装件中对应的物理梯度线圈以生成用于在空间上将所获得的信号编码的磁场梯度。梯度线圈组装件50形成共振组装件52的一部分，共振组装件52包括极化磁体54和整体RF线圈56。极化磁体54配置成超导磁体且作为超导磁体来操作(即，保持在超导温度)以生成例如3特拉斯的主磁场。系统控制32中的收发器�？�58生成脉冲，这些脉冲由RF放大器60放大并通过发射/接收开关62耦合到RF线圈56。患者中激发的中子所发射的最终信号可以被相同RF线圈56感测到，并经发射/接收开关62耦合到预放大器64。在收发器58的接收器部分中将放大的MR信号解调、滤波并数字化。发射/接收开关62由来自脉冲发生器�？�38的信号控制以在发射模式期间将RF放大器60电连接到线圈56，以及在接收模式期间将预放大器64连接到线圈56。发射/接收开关62还能使单独的RF线圈(例如，表面线圈)能够在发射模式或接收模式中使用。由收发器�？�58将RF线圈56拾取的MR信号数字化，并将其传递到系统控制32中的存储器模块66。当存储器�？�66中已获取原始k空间数据的阵列时，扫描完成。将此原始k空间数据重组成要重构的每个图像的单独k空间数据阵列，并将这些数据阵列的每一个输入到阵列处理器68，阵列处理器68操作以将该数据傅立叶变换成图像数据的阵列。经串行链路34将此图像数据载送到计算机系统20，计算机系统20中，该图像数据被存储在存储器中。响应从操作员控制台12接收的命令，可以将此图像数据归档在长期存储中或可以由图像处理器22将其进一步处理并载送到操作员控制台12并在显示器16上呈示。转到图4，其中示出根据本发明的实施例的超导磁体组装件70，如可以并入图3的MR系统10的。超导磁体组装件70包括其中设有致冷剂压力容器72的外部真空容器71。致冷剂压力容器72填充以致冷剂74 (例如，液氦)，以便对致冷剂压力容器72内的组件提供冷却。虽然图4中未示出，但是要理解，致冷剂压力容器72可以采用圆柱形形成以穿过其中具有中心腔部分，其用作MRI应用中的中心成像腔。但是，本发明不限于具有此类具有中心成像腔的圆柱几何形状的应用，致冷剂压力容器72可以采用任何适合的方式来形成以用于将超导磁体线圈容纳在其中。再者，要理解该容器不一定填充致冷剂，而是可以代之以容放传导式致冷超导磁体组装件。作为备�。梢酝ü蘸现吕浼粱芈防炊猿即盘遄樽凹吕洹３即盘逑呷ψ樽凹�76设在致冷剂压力容器72内，且包含多个超导磁体线圈(未示出)。在磁体斜变操作模式(即，当磁体充电到满电流时或当磁体斜降时)，超导磁体线圈组装件76经由致冷剂压力容器72中的一对永久性嵌入式引线80、82电连接到电源78。电源78可以永久性地附设在超导磁体组装件70中，或可以在斜变操作之后分离以仅在磁体斜变模式期间用作服务工具。有源方式设置继电器开关84以便电源78的正端86耦合到永久性嵌入式引线80和将电源78的负端88耦合到永久性嵌入式引线82。继电器开关84可以是任何适合的开关，例如基于MGBT的或机械开关。在磁体斜变操作模式期间使用此配置，对超导磁体线圈组装件76赋能以形成能够在致冷剂压力容器72的中心成像腔中提供磁场的线圈串联连接电路。要认识到，在超导磁体组装件70的操作期间，如果超导磁体线圈组装件76的温度超过超导操作的临界温度，则可能出现超导磁体线圈组装件76的失超。相应地，为了缓解非期望的失超，超导磁体线圈组装件70还可以包括与超导磁体线圈组装件76集成的磁体保护系统(即，失超保护系统)100。根据本发明的实施例，在图5-11中示出磁体保护系统100的多种特定配置和其相对于超导磁体线圈组装件76的关系。首先参考图5，根据本发明的实施例，示出磁体保护系统100的配置和其相对于超导磁体线圈组装件76的关系。磁体保护系统100其中包括排泄电阻器梯形电路102，排泄电阻器梯形电路102配置成对超导磁体线圈组装件76提供失超保护。排泄电阻器梯形电路102通过提供局部磁体线圈电压(如半磁体线圈电压)的感测来提供失超的较早检测。根据本发明的实施例，可以使用感测的电压来驱动诱发失超加热器网络H1，表示为103，以便对超导磁体线圈组装件76提供失超保护。加热器网络Hl包括与磁体线圈热接触的多个加热器元件的并联和/或串联组合。如图5所示，超导磁体线圈组装件76包括8个线圈LI+、L1-、L2+、L2_、L3+、L3-、L4+、L4-，分别表示为104-118，其中所有线圈以顺序方式串联连接，当然要认识到，磁体线圈组装件76可以包括与图5所示不同数量的线圈。这些线圈顺序地优选从Z-端连接到z+端，以便通过此布置，表示为120的点M是磁体线圈序列的中点。多个磁体线圈布置成形成对称线圈对(例如，线圈对L1+、L1_,线圈对L2+、L2-等)，以使与每个相应对称线圈对对应的磁体线圈位于超导磁体线圈组装件76的中点M的相对侧。连接点119设在多个磁体线圈的每一个之间以提供电阻器连接。在磁体保护系统100中包括单个开关SI ( S卩，超导/斜变开关)，表示为122，从而形成闭合回路电路124的一部分，闭合回路电路124形成为支持预期的操作电流。开关SI以两种不同模式提供磁体保护系统100的操作:斜变模式和持久模式。在超导磁体线圈组装件76的斜升或斜降期间，电源(参见图4，电源78)连接到加号端z+和减号端z-。加热器元件(未示出)热接触开关SI且被赋能，以使SI在常规导电模式中操作，其中超导磁体线圈组装件76然后通过电源斜升或斜降。这是斜变操作模式。在常规持久操作模式期间，开关SI被置于超导模式中，且电流在零电阻闭合回路电路124中循环。如图5所示，超导开关SI是磁体保护系统100中包含的唯一开关，即，没有第二超导开关的需要。代替将每个线圈或线圈组分路，磁体保护系统100配置成使用多个排泄电阻器R1、R2、R3、R4(分别表示为126-132)，这些排泄电阻器相对于磁体线圈LI至L4来定位，以便形成梯形电路102 (其中Rl是可选的，如图虚影所示)。排泄电阻器Rl、R2、R3、R4形成梯形电路102中的步阶(st印)，这些排泄电阻器由在低温下呈现高电阻率的材料制成，例如不锈钢材料。这些电阻器R1、R2、R3、R4的电阻典型地选为非常�。缂甘郊赴俸僚纺罚比灰鲜兜剑庑┑缱杵骺梢跃哂锌裳∥市淼闹吕浼琳舴⒂肭幌呷Φ缪沟哪芰χ涞纳杓迫ê獾牟煌牡缱柚�。如图所示，磁体线圈L1-至L4-的第一半设为形成梯形的第一分支134，而磁体线圈LI+至L4+的第二半设为形成梯形的第二分支136，其中保护电阻器Rl至R4作为梯形102上的步阶。这些保护电阻器相对于磁体线圈对称地定位，并且基于此对称布置，该梯形布置的对应分支134、136的每个线圈对(例如线圈对LI+、L1-)中的两个线圈中的电流将是基本相同的，具有正值和负值，其中线圈对中的正电流和负电流中的任何差源于(和等于)加热器网络Hl的支路中承载的电压电平，或还可能是导线可用性和/或温度的函数。典型地,加热器网络Hl的电流远小于磁体操作电流，并且因此磁体保护系统100的梯形布置102不产生可感知的不平衡电磁失超力。磁体保护系统100的梯形布置102还提供较早失超检测。例如，在磁体线圈L1-开始失超的情况中，其中将显现电压。基于开关Si在持久操作模式期间短接或在斜变期间电源(未示出)将其电压束缚于典型地几伏特的事实，并且还通过小电阻器R2的分路效应，磁体线圈LI+中将显现相反符号的电压。梯形布置102因此提供两个相对线圈，如磁体线圈LI+、L1-具有高电压，其他线圈中的电压是较小振幅的。两个相对线圈LI+、L1-中存在高电压促进任何线圈失超开始的较早检测。即，磁体线圈LI+、L1-中存在的电压非�？焖俚厣�(例如，在可接受的检测时间窗口内可以获得线圈104和106中几十伏特的电压)，并且因此，此可调整大小的电压能够较早检测。因为磁体线圈LI+、L1-中的电压相对高，所以只要此电压将不超过对于诱发失超线圈加热器网络Hl安全的预定义极限，就可以直接使用此电压来驱动诱发失超加热器网络Hl (即，用在诱发失超操作中)而无需使用第二超导开关。S卩，两个相对线圈L1+、L1-中的高电压促进源自磁体线圈的一半的净电压作为诱发失超加热器网络Hl的驱动器，其中加热器网络从中心点M在加号端或减号端连接到开关SI。加热器网络Hl的加热器电压基本等于L1-线圈的电压，因为此电压将快速地升高，所以它将驱使流经加热器网络Hl的增加的电流以将其他线圈失超。参考图6和图7，根据本发明的实施例，示出磁体保护系统100的附加配置和其相对于超导磁体线圈组装件76的关系。如图6所示，在超导磁体线圈组装件76具有奇数个线圈，如最后一个梯形部分具有三个线圈的实施例中，可以不定义显著的中心点M(例如，图5中的中心点120)。在此类布置中，由于互感耦合的原因，在磁体线圈L3-与L4(由121指示)之间以及L3+与L4之间将有某个电压抵消。在此情况中，在磁体保护系统100中包括两个分离的加热器布置或加热器网络Hl和H2，各指示为103以提供有效的加热器诱发失超。在图7中，提供一种实施例，其中在一个或多个梯形部分中设置两个线圈或子线圈，其中LI是屏蔽线圈或子线圈，以及L2是主线圈或子线圈。此布置迫使磁体线圈L1-和L2-线圈中以及磁体线圈LI+与L2+中电流基本相同，其中线圈对中的正电流和负电流中的任何差源于(和等于)加热器网络Hl的支路中承载的电压电平。因此，此布置将在失超情况期间降低磁体5高斯线变化。现在参考图8，根据本发明的另一个实施例，示出磁体保护系统100的代表性设计。在图8的实施例中，磁体保护系统100在梯形网络或布置102中形成，其中磁体线圈LI至L4依次从磁体的一端连接到另一端和电阻器R2、R3、R4 (表示为138、140、142)，横穿线圈序列的对称点以形成梯形配置102。磁体保护系统100中还包括的有双向二极管对Dl (表示为144)和单个超导开关SI，其中双向二极管对Dl跨过超导开关SI (而非电阻器)连接。有利地，双向二极管对Dl将超导开关SI的电压钳位到非常低的电平，从而作为磁体服务执行期间的防护。磁体保护系统100中还包括一个或多个诱发失超加热器网络Hl和/或H2 (表示为146)。诱发失超加热器网络H1、H2由在选择位置处附着于并联、串联或组合配置的磁体线圈LI至L4的一个或多个加热器形成。根据本发明的一个实施例，磁体保护系统100中包括单个激发失超加热器网络Hl，Hl附着于一半的磁体线圈，如梯形布置102的第一分支134上的磁体线圈L1-至L4。根据本发明的另一个实施例，可以在磁体保护系统100中包括第二诱发失超加热器网络H2，如图8中虚影所示。加热器网络H1、H2的数量和定位基于为实现有效的诱发失超而选择的设计参数来确定。因为加热器网络Hl横穿磁体线圈的一半(即，磁体线圈L1-至L4-)，磁体保护系统100的配置中的重要考量是 ，磁体线圈的一般的净电压不应超过某个极限电压阈值，超过该阈值，失超期间可能发生加热器网络H的潜在损坏。此电压阈值取决于加热器尺寸、热通量、冷却模式和其他参数。在半个磁体线圈电压太高的情况中，需要降低所述电压。因为此电压约等于一个失超线圈的电压，所以认识到可以将线圈细分，以便降低加热器所经历的峰值/高电压。典型地，具有最大数量的导线匝的线圈中存在最高电压。常常当线圈具有高数量的匝时，由于导线盘的长度极限，变得有必要将线圈细分。在此情况中，线圈细分自然提供加热器电压降低。根据本发明的另一个实施例，图9提供一种将磁体线圈细分为子线圈以降低加热器网络经历的峰值/高电压的磁体保护系统。如图9所示，根据一个实施例，将磁体线圈L2-细分成两个子线圈L2a-、L2b-(分别表示为110a、IlOb)，以使线圈L2-经历的峰值电压降低。虽然图9示出磁体线圈L2-细分成两个子线圈，但是要认识到可以将磁体线圈L2-细分成更大数量的子线圈。作为备�。约叭缤�9中虚影所示，可以将磁体线圈L2+细分成两个子线圈L2a+、L2b+(分别表示为108&、10813)，以使线圈1^2+经历的峰值电压降低。当子线圈L2a-、L2b-可以连续地缠绕或以超导方式拼接时，存在中间连接点119以允许电阻器连接。如图所示，仍可以顺序地连接磁体线圈LI至L4。基于线圈L2-细分成子线圈L2a-、L2b-，降低了加热器网络Hl的净峰值电压。虽然电压的此降低可能导致有关失超情况的检测的小延迟，但是小时间延迟是微小的，因为线圈电压快速地升高。要认识到，线圈电压不一定必须与细分的次数成比例，因为失超传播的复杂性包括多个物理相互作用。图9的磁体保护系统100还将另一种用于开关保护的机构以电阻器分支146的形式并入，电阻器支路146包括跨过超导开关SI连接的电阻器R5(表示为148)和二极管对Dl (表示为150)。电阻器R5的电阻可以选为相对�。咛迦【鲇诖盘宀僮鞯缌骱统伎豐I的特征。然后还将加热器网络H3(表示为152)跨过电阻器支路146连接，其中H3采用单个加热器的形式或多个加热器的组合的形式。加热器网络H3可以有利地定位于一个选择的磁体线圈。操作中，如果超导开关SI首先失超，则电阻器支路146将具有从磁体服务的角度来看是安全的适合电平的可接受电压。可以相应地设置加热器网络H3的大�。员闶寡≡竦南呷κС婧笄蛊溆嗟拇盘逑呷κС判沟匠伎豐I的热量将实质性地减少。要认识到，具体根据要保护的超导磁体的场强度和/或大小(即，导体长度)，细分多于一个磁体线圈可能变得必要。图10图示根据本发明的另一个实施例的磁体保护系统100，其中将磁体线圈L1-细分成两个子线圈Lla-和Llb-(分别表示为106a、106b)，以及将第二磁体线圈L2-细分成两个子线圈L2a-和L2b-(分别表示为IlOaUlOb)。根据其他实施例，要认识到，可以将磁体线圈L1-和磁体线圈L2-各细分成更大数量的子线圈。作为备�。约叭缤�10中的虚影所示，可以将磁体线圈LI+细分成两个子线圈Lla+和Llb+(分别表示为104a、104b)，以及将第二磁体线圈L2+细分成两个子线圈L2a+和L2b+(分别表示为108a、108b)。再次将所有线圈和/或子线圈顺序地连接并将加热器网络Hl (或H2)附着于一半的磁体线圈，如第一分支134上的线圈。还提供开关保护支路146来保护超导开关SI，开关保护支路146包括电阻器R6 (表示为154)、加热器H3 (表示为152)和二极管对Dl (表示为150)。将磁体线圈L1-细分成两个子线圈Lla-和Llb-以及将磁体线圈L2-细分成两个子线圈L2a-和L2b-有所获益地能够实现某种很好平衡的线圈电流延迟。在一些情况中，实现多于一个分布式加热器网络可能是有利的。在两个加热器网络的情况中，一个加热器网络Hl可以由半磁体线圈的电压驱动，而第二独立加热器网络H2可以由少于半磁体线圈的电压(即，部分磁体线圈电压)来驱动，以便突出某个或某些磁体线圈。作为备�。诙尤绕魍鏗2可以由多于磁体线圈的一半的电压来驱动，以便弱化某个或某些线圈。图11示出磁体保护系统100的实施例，其中加热器网络Hl (表示为146)由半磁体线圈(即，磁体线圈L1-至L4-)的电压来驱动以及加热器网络H2(表示为156)由少于半磁体线圈(即，磁体线圈L1+、L2+)的电压来驱动。根据本发明的另一个实施例，以及如图12所示，构造一种磁体保护系统100具有非对称梯形配置/布置。即，通过交换磁体线圈L2a+和LI+( S卩，线圈108a和104)的连接次序，迫使电流在线圈对Ll-、L2a+与Ll+、L2a-(即，线圈106、108a和104,110a)中是相同的。当失超期间两个电流失去同步时，将呈现磁体线圈支承结构中仍允许的某个程度的不平衡电磁力。假定线圈LI是反向或屏蔽线圈，非对称布置具有在失超期间实现更好的总体弥散场(fringe field)屏蔽的优点。现在参考图13，其中图示使用图9的失超保护系统执行的失超模拟的结果190。假定加热器网络Hl中包括的加热器的大小设为耐受最高600 V的施加电压，并且提供2的安全系数以便将失超模拟中的可能未知误差纳入考虑，则峰值加热器电压应该在300 V左右。在此练习中任何设计优化的情况下，在加热器网络Hl选择总计20个此类线圈加热器。操作中，以及如图13所示，在两个反感应线圈失超以及大线圈失超中，均在失超开始之后在 1.5时间单位中检测到 35 V的失超信号。见到峰值半磁体线圈电压小于300 V，这满足预期的加热器安全系数2。大线圈顶层失超期间发生模拟的最高热点温度在 320 K。进一步通过优化肯定能够降低该温度。重要的另一个参数是峰值层至层电压。已发现层至层电压是100 V左右，所以这对于该配置不是问题。本示例指示使用所提出的单个开关磁体保护系统100来实现磁体失超保护是可能的。有所获益地，如上文详细阐述的，具有电阻器的梯形网络/布置的失超保护系统/电路的实施例提供潜在较低成本的失超保护设计。失超保护系统/电路的实施例提供系统中可接受的对称性以使得不存在任何实质性净不平衡电磁力。失超保护系统/电路的实施例提供具有单个开关电路设计，由此无需辅助或失超保护开关，从而降低失超保护系统/电路的成本。在没有第二开关的情况下以及没有路由它的成对引线，该磁体电路连接被极大简化，从而促成更少的制造时间。再者，失超保护系统/电路的实施例主要地利用排泄电阻器，其中可能为此单个斜变开关添加单个二极管。与使用多个二极管的常规失超保护系统相比，使用单个二极管进一步降低了失超保护系统/电路的成本。所公开的方法和设备的技术贡献在于，提供一种用于以自动化方式进行超导磁体失超保护的系统和方法。因此，根据本发明的实施例，一种超导磁体组装件包括，设在容器内且包括串联连接的多个磁体线圈的超导磁体线圈组装件，其中多个磁体线圈布置成形成对称线圈对，以使与每个相应对称线圈对对应的磁体线圈位于超导磁体线圈组装件的中心点的相对侧。该超导磁体组装件还包括电源和磁体保护系统，电源选择性地耦合到超导磁体线圈组装件以向多个磁体线圈供给功率，从而使得超导磁体线圈组装件生成磁场；以及磁体保护系统设在容器内且电耦合到多个磁体线圈以形成闭合回路电路。该磁体保护系统还包括单个超导开关、多个排泄电阻器和加热器网络，单个超导开关连接在闭合回路电路的端之间以选择地将电源连接到超导磁体线圈组装件；多个排泄电阻器设成形成电阻器梯形电路，其中多个排泄电阻器的每一个连接在形成相应对称线圈对的磁体线圈之间；以及加热器网络连接在闭合回路电路的端之间并连接到超导磁体线圈组装件，其中加热器网络配置成在失超期间执行诱发失超操作以保护多个磁体线圈。该加热器网络由磁体线圈中开始失超状况时多个磁体线圈中的磁体线圈中生成的部分磁体线圈电压来驱动。根据本发明的另一个实施例，一种用于超导磁体线圈组装件的失超保护的方法包括，提供具有设成串联连接的多个磁体线圈的超导磁体线圈组装件，其中多个磁体线圈的第一半形成第一分支以及多个磁体线圈的第二半形成第二分支，以及其中第一分支和第二分支上的磁体线圈设为对称成对。该方法还包括将失超保护系统连接到超导磁体线圈组装件，以便形成闭合回路电路，其中该失超保护系统包括单个超导开关、加热器网络和设成形成电阻器梯形电路的多个排泄电阻器，以及其中多个排泄电阻器的每一个连接在第一分支和第二分支上的相应磁体线圈对之间。该方法还包括监视来自至少一个磁体线圈的电压信号以检测失超状况的开始，基于监视的电压信号检测失超状况，以及在检测到失超状况时激活加热器网络，其中加热器网络配置成执行诱发失超操作以保护多个磁体线圈。该加热器网络由检测到失超状况时存在的至少一个磁体线圈的电压驱动。根据本发明的又一个实施例，一种超导磁体组装件包括，具有设成串联连接的多个磁体线圈的超导磁体线圈组装件，其中多个磁体线圈的第一半形成第一分支以及多个磁体线圈的第二半形成第二分支，以及其中第一分支和第二分支上的相对磁体线圈设为成对。该超导磁体组装件还包括失超保护系统，其电耦合到多个磁体线圈，以便与之形成闭合回路电路，其中该失超保护系统还包括单个斜变开关、排泄电阻器的梯形网络和至少一个加热器网络，单个斜变开关连接在闭合回路电路的端之间以选择地将功率提供到超导磁体线圈组装件；排泄电阻器的梯形网络设成连接在第一分支和第二分支上的相应磁体线圈对之间且配置成在相应磁体线圈中开始失超情况时促使相应一对的磁体线圈对中生成基本相等量值的正半磁体线圈电压和负半磁体线圈电压；以及至少一个加热器网络连接在闭合回路电路的端之间且配置成在失超情况开始时执行诱发失超操作，其中该加热器网络由失超情况开始时生成的半磁体线圈电压驱动。本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求定义，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种超导磁体组装件，包括: 超导磁体线圈组装件，其位于容器内且包括串联连接的多个磁体线圈，所述多个磁体线圈设为形成对称线圈对，使得与每个相应对称线圈对对应的磁体线圈位于所述超导磁体线圈组装件的中心点的相对侧； 电源，其选择性地耦合到所述超导磁体线圈组装件以向所述多个磁体线圈供给功率，从而使所述超导磁体线圈组装件生成磁场；以及 磁体保护系统，其设在所述容器内且电耦合到所述多个磁体线圈以形成闭合回路电路，所述磁体保护系统包括:单个超导开关，其连接在所述闭合回路电路的端之间以选择地将所述电源连接到所述超导磁体线圈组装件；多个排泄电阻器，其设成形成电阻器梯形电路，其中所述多个排泄电阻器的每一个连接在形成相应对称线圈对的磁体线圈之间；以及加热器网络，其连接在所述闭合回路电路的端之间并连接到所述超导磁体线圈组装件，所述加热器网络配置成在失超期间执行诱发失超操作以保护所述多个磁体线圈；其中所述加热器网络由磁体线圈中开始失超状况时所述多个磁体线圈中的所述磁体线圈中生成的部分磁体线圈电压来驱动。
2.按权利要求1所述的超导磁体组装件，其中所述磁体保护系统还包括双向二极管对，所述双向二极管对跨过所述超导开关连接且配置成钳位所述超导开关的电压。
3.按权利要求1所述的超导磁体组装件，其中所述加热器网络包括多个加热器元件，所述多个加热器元件设成并联、串联或组合配置的其中之一且与所述磁体线圈热耦合。
4.按权利要求1所述的超导磁体组装件，其中所述加热器网络连接到所述多个磁体线圈的一半，以便由半磁体线圈电压来驱动。
5.按权利要求1所述的超导磁体组装件，其中将所述多个磁体线圈的至少其中之一细分成多个子线圈。
6.按权利要求1所述的超导磁体组装件，其中所述磁体保护系统还包括: 跨过所述超导开关连接的电阻器支路；以及 跨过所述电阻器支路连接的加热器网络，其配置成对所述多个磁体线圈中选择的磁体线圈执行诱发失超操作。
7.按权利要求1所述的超导磁体组装件，其中所述加热器网络包括第一加热器网络，以及其中所述磁体保护系统还包括第二加热器网络，所述第一加热器网络由半磁体线圈电压驱动，以及所述第二加热器网络由小于半磁体线圈电压和大于半磁体线圈电压的其中之一来驱动。
8.按权利要求1所述的超导磁体组装件，其中所述多个磁体线圈顺序地设置，以提供具有降低的不平衡电磁力的基本对称的磁体保护系统。
9.按权利要求1所述的超导磁体组装件，其中所述多个磁体线圈非顺序地设置，以提供具有降低的弥散场变化的非对称的磁体保护系统。
10.按权利要求1所述的超导磁体组装件，其中所述磁体保护系统中的所述多个排泄电阻器配置成在对称线圈对中的磁体线圈中开始失超状况时促使所述相应对称线圈对中生成大约相等量值的正半磁体电压和负半磁体电压。
11.按权利要求10所述的超导磁体组装件，其中所述加热器网络由经历所述失超状况的所述对称线圈对生成的所述半磁体电压来驱动，并且配置成使所述多个磁体线圈的其余磁体线圈失超。
12.一种用于超导磁体线圈组装件的失超保护的方法，包括: 提供超导磁体线圈组装件，其具有设成串联连接的多个磁体线圈，其中所述多个磁体线圈的第一半形成第一分支以及所述多个磁体线圈的第二半形成第二分支，以及其中所述第一分支和第二分支上的所述磁体线圈设为对称成对； 将失超保护系统连接到所述超导磁体线圈组装件，以便形成闭合回路电路，所述失超保护系统包括单个超导开关、加热器网络和设成形成电阻器梯形电路的多个排泄电阻器，其中所述多个排泄电阻器的每一个连接在所述第一分支和第二分支上的相应磁体线圈对之间； 监视来自至少一个磁体线圈的电压信号以检测失超状况的开始； 基于所监视的电压信号来检测所述失超状况；以及 在检测到所述失超状况时，激活加热器网络，所述加热器网络配置成执行诱发失超操作以保护所述多个磁体线圈； 其中所述加热器网络由检测到所述失超状况时存在的所述至少一个磁体线圈的电压驱动。
13.按权利要求12所述的方法，其中用于在检测到所述失超状况时驱动所述加热器网络的所述监视的电压信号包括部分磁体线圈电压。
14.按权利要求13所述的方法，其中所述失超保护系统中的所述多个排泄电阻器配置成在开始所述失超 状况时促使磁体线圈对的相应对称对中生成大约相等量值的正部分磁体线圈电压和负部分磁体线圈电压。
15.按权利要求12所述的方法，其中所述失超保护系统还包括跨过所述超导开关设置的开关保护支路，所述开关保护支路包括双向二极管对以及组合电阻器和支路加热器网络的至少其中之一。
16.按权利要求12所述的方法，其中将所述多个磁体线圈的至少其中之一细分成两个或两个以上子线圈。
17.按权利要求12所述的方法，其中所述多个磁体线圈设成顺序设置或非顺序设置，以便在所述超导磁体线圈组装件中提供平衡的或不平衡的电磁力。
18.一种超导磁体组装件，包括: 超导磁体线圈组装件，其具有设成串联连接的多个磁体线圈，其中所述多个磁体线圈的第一半形成第一分支以及所述多个磁体线圈的第二半形成第二分支，以及其中所述第一分支和第二分支上的相对磁体线圈设为成对；以及 失超保护系统，其电耦合到所述多个磁体线圈，以便与之形成闭合回路电路，所述失超保护系统包括:单个斜变开关，其连接在所述闭合回路电路的端之间以选择地向所述超导磁体线圈组装件提供功率；排泄电阻器的梯形网络，其设成连接在所述第一分支和第二分支上的相应磁体线圈对之间，所述排泄电阻器的梯形网络配置成在相应磁体线圈中开始失超情况时促使相应一对磁体线圈对中生成基本相等量值的正半磁体线圈电压和负半磁体线圈电压；以及至少一个加热器网络，其连接在所述闭合回路电路的端之间且配置成在所述失超情况开始时执行诱发失超操作，所述加热器网络由所述失超情况开始时生成的所述半磁体线圈电压驱动。
19.按权利要求18所述的系统，其中所述失超保护系统还包括跨过所述斜变开关设置的开关保护支路，所述开关保护支路包括双向二极管对和电阻器和支路加热器网络的组合的至少其中之一。
20.按权利要求18所述的系统，其中将所述多个磁体线圈的至少其中之一细分成多个子线圈。
21.按权利要求18所述的系统，其中所述至少一个加热器网络连接到所述多个磁体线圈的所述第一半和所述第二半的其中之一。
22.按权利要求18所述的系统，其中所述排泄电阻器由呈现期望电阻率水平的不锈钢材料 制成。
全文摘要
本发明名称为“用于磁体失超保护的单个开关排泄电阻器梯形网络”。提供一种超导磁体组装件，其包括电耦合到多个磁体线圈以形成闭合回路电路的磁体保护系统。该磁体保护系统包括单个超导开关，其用于选择地将电源连接到多个磁体线圈，以及还包括多个排泄电阻器，其设成形成电阻器梯形电路，其中多个排泄电阻器的每一个连接在形成相应对称线圈对的磁体线圈之间。磁体保护系统还包括加热器网络，加热器网络连接在闭合回路电路的端之间以及连接到多个磁体线圈，其中加热器网络配置成在失超期间执行诱发失超操作来保护多个磁体线圈，以及加热器网络由磁体线圈中开始失超状况时该磁体线圈中生成的部分磁体线圈电压来驱动。
文档编号G01R33/421GK103091654SQ201210426480
公开日2013年5月8日 申请日期2012年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者J-S.王, A.G.贝卡洛夫, T.J.伯格菲尔德 申请人:通用电气公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
