CN102789864B - 弹性超导磁体骨架及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种弹性超导磁体骨架及其制作方法，骨架由上、下压板夹置若干组相互叠加的圆环型分瓣组合式双饼骨架而成；每组圆环型分瓣组合式双饼骨架含有三瓣以上的单体双饼骨架，其中，每个单体双饼骨架呈扇形，为对称结构，中心为中隔板,从中隔板向上、下两侧依次为绕制槽板和侧隔板层，各层间错缝拼接；该中隔板、绕制槽板和侧隔板的内径相同，而中隔板和侧隔板的外径要大于绕制槽板的外径以形成线材绕制槽；在上、下压板及每组的圆环型分瓣组合式双饼骨架上都开设供非导磁拉杆穿入的固定孔；在各单体双饼骨架结构中，中隔板和侧隔板的外圈带有锯齿，在形成的线材绕制槽内铺设有弹性垫层。其低温机械性能优且低温保护性能强。

Description

弹性超导磁体骨架及制作方法

技术领域

本发明涉及超导磁体及其骨架制作的结构及工艺技术，尤其涉及一种弹性超导磁体骨架及制作方法，和用其制作的超导磁体。

背景技术

超导材料在达到一定的低温环境下，电阻为零。利用超导材料的这种特性，超导故障限流器、超导变压器、超导储能等一系列超导电力设备的应用研究得到很大发展，而超导磁体作为重要组成部分，是其应用的一个关键。与常规材料制作的磁体相比，利用超导线材绕制的超导线圈，其作为励磁磁体具有功耗极小、体积紧凑、稳定性高等优点。

但是由于超导线材复杂的制作工艺以及其自身的特殊成分组成，使得超导磁体制作中对骨架的要求很高。目前，无论是第一代Bi-2223/Ag铋系银包套带材还是第二代YBCO涂层高温超导带材，都是脆性氧化物陶瓷材料，较大曲率的弯折会导致其通流性能变差。

此外，超导磁体一般在电力网络、高强度磁场、温度变化幅度较大等场合应用，环境较为恶劣，因此超导磁体的制作需要考虑到制作材料的抗机械电磁作用力、绝缘能力、低温下强度、大范围温度变化下强度变化和热膨胀系数、抗疲劳性能等一系列因素。超导磁体在从常温过渡到液氮环境温度或者相反时，由于骨架和超导线圈的热膨胀系数不同，会导致超导带材绷得过紧或者过松，甚至会有超导带材绷断、磁体变形和损坏的严重后果。

授权公告号为CN101499350B的发明专利公开了一种高温超导磁体骨架的结构形式，解决了超导线圈绕制过程中的预应力问题，并其在一定程度上提高了超导磁体机械强度，降低了磁体线圈工作过程中受到强电磁力冲击发生损伤的几率，但该种结构形式的超导磁体骨架仍无法有效舒缓超导线圈与骨架之间因热膨胀系数不同所产生的内应力，可能会引发超导磁体线圈电流引线因内应力作用发生断裂，导致整个磁体断路无法正常工作。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种弹性超导磁体骨架，以优化其低温机械性能，并强化对超导线圈的低温保护性能。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种弹性超导磁体骨架，由上、下压板夹置若干组相互叠加的环型分瓣组合式双饼骨架而成，每个单体双饼骨架采用对称结构，从中心向两侧依次为中隔板层、绕制槽板层和侧隔板层，该中隔板、绕制槽板和侧隔板的内径相同，而中隔板和侧隔板的外径大于绕制槽板的外径以形成线材绕制槽；在各单体双饼骨架结构中，所述的中隔板和侧隔板的外圈带有锯齿，在形成的线材绕制槽内铺设有弹性垫层。

所述弹性超导磁体骨架中，在上、下压板及每组的环型分瓣组合式双饼骨架上都开设供非导磁拉杆穿入的固定孔，并配设电流引线铜排。

所述弹性超导磁体骨架中，每组环型分瓣组合式双饼骨架含有三瓣以上的单体双饼骨架，其中，每个单体双饼骨架呈扇形。

所述弹性超导磁体骨架的弹性垫层至少为含有一层环氧薄片层的低温弹性垫层；若为若干组合层，则为环氧薄片、弹性双面胶和柔软弹性材质中两种以上的组合层。优选是：所述弹性超导磁体骨架的弹性垫层为五层对称组合，中心层为海绵材质层，其两侧粘贴弹性双面胶层，双面胶层外侧粘贴环氧薄片层。

所述弹性超导磁体骨架的中隔板和侧隔板采用隔板、端头隔板和过渡隔板中的一种。

所述弹性超导磁体骨架中，在每组圆环型分瓣组合式双饼骨架中配装有对线圈引线端头进行固定的卡具。

所述弹性超导磁体骨架的中隔板和侧隔板上的锯齿齿槽深度满足下列条件:

1）所绕线圈的厚度越大,齿槽深度越深；

2）齿槽槽深的最低点在弹性衬层之上。

本发明的再一目的是提供一种弹性超导磁体骨架的制作方法，利用该方法制作的超导磁体骨架可以用于制作较优性能的超导磁体，可以解决因超导磁体特殊运行环境下的机械强度、绝缘强度和热膨胀等一系列问题。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种弹性超导磁体骨架的制作方法，其方法如下：

1）根据整体双饼骨架的制作参数确定所需圆环型分瓣组合式双饼骨架的组数、每组中所需等分的扇形单体双饼骨架的个数及各扇形单体双饼骨架中的中隔板、绕制槽板和侧隔板的内径与外径的制作规格；

2）按设计的尺寸规格制作出全部所需的扇型环瓣隔板、绕制槽板、侧隔板及成品时所用的上、下压板，在所有的板上均开设固定孔，其中在上、下压板上开有内、外的两圈固定孔，将中隔板和侧隔板的板外圈加工出带有锯齿状型的边；

3）制备所需组数的圆环型分瓣组合式双饼骨架，其中，是采用下列两种方式之一完成各组圆环型分瓣组合式双饼骨架的制作：

方式一，首先，分别制作出对应个数的中隔板层、绕制槽板层及侧隔板层，将每一层的扇型环瓣拼接成一个圆环，再分别按从中部向上、下两侧依次为中隔板、绕制槽板和侧隔板层的对称结构将五层圆环交接错缝叠加在一起，同时将各层部件上的固定孔对齐，并用低温胶进行粘接以形成基础骨架；

方式二，首先，分别制作出对应个数的扇形单体双饼骨架：按从中部向上、下两侧依次为中隔板、绕制槽板和侧隔板层的对称结构将一中隔板层、两个绕制槽板层及两个侧隔板层叠加在一起，且同时将各层部件上的穿孔对齐，粘接后得到一个扇形单体双饼骨架；再集合一组所需个数的扇形单体双饼骨架并将它们对接为一组圆环，得到一组圆环型分瓣组合式双饼骨架；

4）先将各分瓣的下压板组合为一圈，穿入内圈的一组非导磁拉杆，将各组的圆环型分瓣组合式双饼骨架从下压板板面始依次向上累加叠放，累加叠放时，将各圆环型分瓣组合式双饼骨架的固定孔套合在对应位置上的非导磁拉杆上，在每两组圆环型分瓣组合式双饼骨架之间的非线材绕制部位加入散热垫片，并在每组超导线圈间加入组绝缘隔板；在所有的双饼超导线圈组装完成后加盖上压板，用非导磁拉杆固定整体骨架。

所述弹性超导磁体骨架的制作方法中，由各相邻的中隔板、绕制槽板和侧隔板构成一个线材绕制槽，在每个线材绕制槽内铺设单层或若干层低温弹性衬垫层，该弹性衬垫层材料使用常规弹性材料进行复核式加工。

本发明的又一目的是提供一种用弹性超导磁体骨架制作的超导磁体，其能够消除现有超导磁体结构形式中的技术缺陷，提高大型超导磁体、超低温超导磁体在工程应用过程中的稳定性与耐久性。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

首先按上述方案的结构设计及制作方法完成弹性超导磁体骨架的搭建，在未压上压板前，先进行各组圆环型分瓣组合式双饼骨架中双饼超导线圈的绕制，各组超导线圈相互串联或并联，完成所有组双饼超导线圈的绕制后加盖上压板，用非导磁拉杆将整合后的超导磁体固紧。

所述的超导磁体中，含有若干双饼超导线圈绕组且它们为相互并联方式时，每组双饼超导线圈间加入组间绝缘层。

本发明的优点是：

1.本发明采用分体式结构设计，可以有效避免骨架在温度变化过程中的热胀冷缩效应；

2.本发明骨架每个线材绕制槽内放置具有低温弹性衬垫层，可以有效的吸收或释放超导线材与骨架在低温环境下因冷热收缩系数不同而产生的相对内应力；

3.本发明骨架的隔板设计为锯齿状，可有效吸收骨架隔板自身的收缩内应力；

4.本发明骨架中加入端头隔板，配装卡具对线圈引线端头进行固定，这些结构设计均可避免引线与超导线材焊接点受力断裂；

5.本发明的结构设计及制作方法可以有效解决超导磁体在特殊运行环境下，绕组骨架在机械强度、绝缘强度和冷缩热涨因素等方面所暴露出的一系列问题，能降低超导磁体因热胀冷缩因素造成磁体损伤的风险，增强超导磁体的低温机械性能和正常运行过程中的稳定性。

6.本发明方法为大型超导磁体、超低温超导磁体的设计工作提供了具有高强度、高稳定性的可行性施工技术方案，解决了影响超导磁体低温可靠性方面的技术难题。

附图说明

图1为本发明弹性超导磁体骨架整体组装截面示意图。

图2为本发明弹性超导磁体骨架的基础单元单体双饼骨架构成示意图（截面效果）。

图3为本发明的双饼错缝拼接示意图。

图4为本发明的绕制层槽板结构示意图。

图5为本发明的端头隔板结构示意图。

图6为本发明的过渡隔板结构示意图。

图7为本发明的隔板结构示意图。

图8为本发明的上（或下）压板结构示意图。

图9为本发明弹性垫层一实施例结构示意图。

图10为本发明的双饼线圈骨架结构示意图（主视）。

图11为本发明线圈叠装工艺示意图（主视）。

图12为本发明磁体叠装工艺示意图（主视）。

图13为本发明超导磁体组装结构示意图（立体效果）。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

具体实施方式

如图13所示本发明弹性超导磁体骨架的主要结构有：若干组圆环型分瓣组合式双饼骨架、上下压板1、2、散热垫片、组绝缘隔板、电流引线铜排11和非导磁拉杆8等。超导磁体则为绕制在该结构弹性超导磁体骨架上的超导线圈通过多组串并联连接形成。

参见图1和图13，本发明弹性超导磁体骨架是由上、下压板1、2夹置若干组相互叠加的圆环型分瓣组合式双饼骨架3而成；每组圆环型分瓣组合式双饼骨架由若干(三瓣以上)的单体双饼骨架拼接成整体的圆环。

其中，每个单体双饼骨架呈扇形，一般是由3层的锯齿型隔板3直接夹置两层绕制槽板4组合而成，其为对称结构，中心是中隔板,从中隔板向上、下两侧依次为绕制槽板4和侧隔板层3，各层间错缝拼接，如图2和图3所示；该中隔板、绕制槽板和侧隔板的内径相同，而中隔板和侧隔板的外径要大于绕制槽板的外径，由此而形成线材绕制槽，在上述形成的线材绕制槽内铺设有弹性垫层6。所述绕制槽板4的结构可参见图4。所述锯齿型隔板3的结构设计可参见图5至图7，可以根据成品组装的需要配置三种相应形式的隔板：带有外突起段311的引线端头隔板31，带有凹槽321的导线过渡隔板32和全部为锯齿边的隔板33。对于各隔板上的锯齿齿槽深度设计应满足:1）所绕线圈的厚度越大,齿槽深度越深；2）由于齿槽底部铺设低温弹性衬层,为了防止弹性衬垫层在后期线圈及骨架进行整体浇筑固化工艺环节中被固化剂完全浸渍而失去弹性特征,所以骨架齿槽的槽深最低点要保证在低温弹性衬层之上，使衬垫层与两侧隔板组成一个相对封闭的空间，防止固化剂浸渍低温弹性衬层。

所述上、下压板的结构可参见图8，在上、下压板上开设双圈供非导磁拉杆8穿入的固定孔5。

每组圆环型分瓣组合式双饼骨架上的固定孔是由所有拼接层叠加后集合形成的孔。

所述在形成的线材绕制槽内铺设的弹性垫层6的材料可以使用常规弹性材料进行复核式加工，使其形成单层或多层弹性衬垫层，该弹性材料外侧可粘接0.01mm环氧板作为护套，使其借用环氧板材料自身的钢性特征进行自我弹性修复，为超导线材提供具有可吸收或释放内应力能力的柔性基底。其至少是一层环氧薄片层的低温弹性垫层，环氧材料具有较高的介电常数，可以对超导线圈实施较好的绝缘保护。若为若干组合层，则为环氧薄片、弹性双面胶和柔软弹性材质等中两种以上的组合层。优选的一实施例是使用5层复合方式：参见图9，中心层为具备柔软弹性特性的海绵材质61（聚苯板），两侧粘贴弹性双面胶62，两面胶外侧粘贴环氧薄片63，环氧薄片63作为最外层的护套。该结构形式主要由环氧薄片提供弹性反馈力，中部柔性材料为环氧薄板提供弹性变形量的余度空间，弹性双面胶主要作为两者间的粘结层，并辅助中心柔性材料一同为环氧薄片提供余度空间。

参见图2，所述弹性超导磁体骨架中，在每组圆环型分瓣组合式双饼骨架中还配装有对线圈引线端头进行固定的卡具7。

参见图1和图13，本发明中的超导磁体骨架选用环氧树脂材料或其他一切非导磁材料为骨架的加工原材料，可以采用分层分段的结构方式组装粘合并进行有序的叠放固定而成，在双饼线圈间夹置有散热垫片10。

本发明的各组圆环型分瓣组合式双饼骨架的制作既可以是：先分别制作出对应个数的中隔板层、绕制槽板层及侧隔板层，将每一层的扇型环瓣拼接成一个园环，再分别按从中部向上、下两侧依次为中隔板、绕制槽板和侧隔板层的对称结构将五层圆环交接错缝叠加在一起，同时将各层部件上的固定孔对齐，并用低温胶进行粘接以形成基础骨架，再在此基础骨架形成的每个线材绕制槽内铺设低温弹性衬垫层。亦可以是：首先，分别制作出对应个数的扇形单体双饼骨架：按从中部向上、下两侧依次为中隔板、绕制槽板和侧隔板层的对称结构将一中隔板层、两个绕制槽板层及两个侧隔板层叠加在一起，且同时将各层部件上的穿孔对齐，粘接后得到一个扇形单体双饼骨架；再集合一组所需个数的扇形单体双饼骨架并将它们对接为一组圆环，再在此基础上形成的每个线材绕制槽内放置具有低温弹性衬垫层，得到一组圆环型分瓣组合式双饼骨架。

本发明的每层环形板材可根据磁体的直径大小进行数目不定的均分，形成多个扇型环瓣分体加工；并根据超导磁体的绕制匝数确定绕制线材的线槽深度。由于本发明的全新设计，也同时可以获得一种全新形式的超导磁体，先将超导线圈绕制在本发明全新设计的弹性超导磁体骨架的各双饼超导线圈骨架上，然后将各组双饼线圈骨架上的超导线圈相互串或并联连接，当含有若干个双饼超导线圈组且它们为相互并联方式时，每组双饼超导线圈间应加入组间绝缘层9，参见图1。

下面以具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

本实施例运用本发明的设计原理，设计加工220kV超导饱和铁心故障限流器中的超导磁体，磁体双饼骨架参数为：内径1920mm，绕制层槽板外径1980mm，隔板外径2016mm,上下压板外径2070mm，每层六等分。

磁体为5组线圈并联，每组线圈由9个双饼线圈串联。外形尺寸：高度930mm，外径2082mm（含电流引线外尺寸）。

其结构如图10所示，1、5为侧隔板层；3为由隔板、端头隔板和过渡隔板组成的中隔板层，可均选用1mm环氧树脂板加工；2、4为超导线材的绕制槽板层，选用6mm环氧树脂板加工；低温弹性衬垫层6厚5mm，该层选用柔软保温材料作为主弹性材料，两侧附加胶粘层和0.01mm厚的环氧板，在液氮环境下，该种复核材料具备弹性形变特征，具有形变自恢复能力，且可以在外力的作用下适度收缩或扩展。

当双饼骨架制作完成以后，将超导线材正反绕制在单饼骨架内，最终形成双饼超导线圈。

实施例2

如图11所示，为了增加超导线材与液氮之间的热交换空间，超导线圈叠放过程中每两个双饼线圈之间加入厚度为3mm的环氧树脂垫片10（为散热垫片），使每一个双饼骨架内的超导线材完全暴露在液氮之中，提高线材与液氮之间的热交换效率。

实施例3

超导磁体为多组线圈并联方式，两组线圈100、200相邻的两个双饼线圈之间将承受磁体的整体压降值，因此需要对该部位进行额外加强。如图12所示,为了增加超导磁体的整体耐压强度，每组超导线圈间加入组绝缘层9。组绝缘层尺寸：内径1920mm，外径2070mm。

将所有双饼超导线圈从下压板向上依次叠放，并按照本发明的工艺要求叠放散热垫片和组绝缘层隔板，当所有的双饼超导线圈组装完成后加盖上压板，使用非导磁拉杆穿入所有固定线圈骨架的销环孔以及上下压板的固定孔将整个超导磁体固紧（如图13所示）。

综上所述，本发明采用分体式结构设计，参照环氧材料在受温度变化影响下的冷缩系数可以精确设计每个扇型环瓣的弧长值，能有效避免骨架在温度变化过程中的热胀冷缩效应；为了更有效的吸收或释放超导线材与骨架在低温环境下因冷热收缩系数不同而产生的相对内应力。骨架每个线材绕制槽内放置具有低温弹性衬垫层，骨架的隔板设计为锯齿状，可有效吸收骨架隔板自身的收缩内应力；骨架中间层加入端头隔板，配装卡具对线圈引线端头进行固定，能够避免引线与超导线材焊接点受力断裂。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种弹性超导磁体骨架，由上、下压板夹置若干组相互叠加的环型分瓣组合式双饼骨架而成，每组环型分瓣组合式双饼骨架含有三瓣以上的单体双饼骨架，每个单体双饼骨架采用对称结构且呈扇形，从中心向两侧依次为中隔板层、绕制槽板层和侧隔板层，该中隔板、绕制槽板和侧隔板的内径相同，而中隔板和侧隔板的外径大于绕制槽板的外径以形成线材绕制槽；其特征在于：在各单体双饼骨架结构中，所述的中隔板和侧隔板采用外圈带有锯齿的端头隔板或过渡隔板的一种，其中，端头隔板是带有外突起段的引线端头隔板，过渡隔板是带有凹槽的导线过渡隔板；在形成的线材绕制槽内铺设有弹性垫层，该弹性垫层至少为含有一层环氧薄片层的低温弹性垫层，若为若干组合层，则为环氧薄片、弹性双面胶和柔软弹性材质中两种以上的组合层。

2. 根据权利要求1所述的弹性超导磁体骨架，在上、下压板及每组的环型分瓣组合式双饼骨架上都开设供非导磁拉杆穿入的固定孔, 并配设电流引线铜排。

3.根据权利要求1所述的弹性超导磁体骨架，其特征在于：所述弹性垫层为五层对称组合，中心层为海绵材质层，其两侧粘贴弹性双面胶层，双面胶层外侧粘贴环氧薄片层。

4.根据权利要求1所述的弹性超导磁体骨架，其特征在于：在每组环型分瓣组合式双饼骨架中配装有对线圈引线端头进行固定的卡具。

5.一种弹性超导磁体骨架的制作方法，其特征在于方法如下：

1）根据整体双饼骨架的制作参数确定所需环型分瓣组合式双饼骨架的组数、每组中所需等分的扇形单体双饼骨架的个数及各扇形单体双饼骨架中的中隔板、绕制槽板和侧隔板的内径与外径的制作规格； 

2）按设计的尺寸规格制作出全部所需的扇型环瓣隔板、绕制槽板、侧隔板及成品时所用的上、下压板，在所有的板上均开设固定孔，其中在上、下压板上开有内、外的两圈固定孔，将中隔板和侧隔板的板外圈加工出带有锯齿状型的边；

3）制备所需组数的环型分瓣组合式双饼骨架，其中，是采用下列两种方式之一完成各组环型分瓣组合式双饼骨架的制作：

方式一，首先，分别制作出对应个数的中隔板层、绕制槽板层及侧隔板层，将每一层的扇型环瓣拼接成一个圆环，再分别按从中部向上、下两侧依次为中隔板、绕制槽板和侧隔板层的对称结构将五层圆环交接错缝叠加在一起，同时将各层部件上的固定孔对齐，并用低温胶进行粘接以形成基础骨架；

方式二，首先，分别制作出对应个数的扇形单体双饼骨架：按从中部向上、下两侧依次为中隔板、绕制槽板和侧隔板层的对称结构将一中隔板层、两个绕制槽板层及两个侧隔板层叠加在一起，且同时将各层部件上的穿孔对齐，粘接后得到一个扇形单体双饼骨架；再集合一组所需个数的扇形单体双饼骨架并将它们对接为一组圆环，得到一组圆环型分瓣组合式双饼骨架；

4）先将各分瓣的下压板组合为一圈，穿入内圈的一组非导磁拉杆，将各组的圆环型分瓣组合式双饼骨架从下压板板面始依次向上累加叠放，累加叠放时，将各圆环型分瓣组合式双饼骨架的固定孔套合在对应位置上的非导磁拉杆上，在每两组圆环型分瓣组合式双饼骨架之间的非线材绕制部位加入散热垫片，并在每组超导线圈间加入组绝缘隔板；由各相邻的中隔板、绕制槽板和侧隔板构成一个线材绕制槽，在每个线材绕制槽内铺设单层或若干层低温弹性衬垫层，该弹性衬垫层材料使用常规弹性材料进行复合式加工；在所有的双饼超导线圈组装完成后加盖上压板，用非导磁拉杆固定整体骨架。

6.一种用权利要求3所述的弹性超导磁体骨架制作的超导磁体，其特征在于：将超导线圈绕制在所述弹性超导磁体骨架的双饼超导线圈组骨架上，各组超导线圈相互串联或并联；含有若干双饼超导线圈绕组且它们为相互并联方式时，每组双饼超导线圈间加入组间绝缘层。