CN102997037B - 具有磁屏蔽或电磁屏蔽的杜瓦 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有磁屏蔽或电磁屏蔽的杜瓦，由内筒和外筒两个封闭筒套合构成，内筒和外筒之间抽真空，并在内筒和杜瓦外磁场之间安设一组磁屏蔽体或电磁屏蔽体。各磁屏蔽体用硅钢片制成带状或片状，亦或用导磁性不锈钢制成的外筒壁一体实现；电磁屏蔽体可用导电材料绕制的线圈，首尾闭合形成环绕主磁场的短路环，或用金属板焊接成闭合的筒状。其可同时屏蔽或降低外磁场对超导磁体的负面影响。

Description

具有磁屏蔽或电磁屏蔽的杜瓦

技术领域

本发明属于低温设备制造技术，尤其涉及一种超导磁体杜瓦，主要应用于超导磁体低温杜瓦的制作领域。 

背景技术

超导材料与常规导体相比具有很强的通流能力，常被用来制作各种形式和用途的磁体。超导磁体需要在低温下工作，通常使用杜瓦维持其工作时的低温环境。 

杜瓦由内筒和外筒两个封闭筒构成。内筒封闭的空间为低温区，维持低温环境，超导磁体置于内筒中。内筒和外筒之间的封闭空间为真空区，起到绝热作用。杜瓦可以有多种结构形式，图1、图2为两种主要的杜瓦形式示意图（未添加其它附件），图1为整体型，图2为环型，包括依次由内至外套在磁体3的内筒2和外筒1,内筒和外筒的筒壁多为金属材料制作。 

在超导磁体的使用环境中，经常存在复杂的交变磁场，如在超导电机、超导变压器、超导限流器、超导感应加热炉等设备中。外界磁场对超导磁体的通流性能和低温系统的热损耗有着严重影响。首先，超导材料在垂直磁场的作用下，导电性能会大幅度降低；其次，交变的磁场会在金属杜瓦壁或其他金属件中引起涡流，产生热损耗，加重低温系统的制冷负担。此外，交变磁场若穿过超导磁体包围的空间，还会在磁体中感应出高电压。 

在杜瓦外加装磁屏蔽或电磁屏蔽能够有效地减轻外界磁场对超导磁体及其低温系统的不利影响。磁屏蔽能够对空间漏磁场进行导向，减小垂直于超导磁体导线方向的磁场强度，从而达到提高超导磁体性能的目的。电磁屏蔽针对超导磁体包围空间内的交变磁场进行屏蔽，可以大大减少交变磁场在超导磁体和金属杜瓦中产生的涡流损耗，同时有效地降低交变磁场在超导磁体中产生的感应电压。 

发明内容

本发明的目的是提供一种具有磁屏蔽或电磁屏蔽的杜瓦，以屏蔽或减少外磁场对超导磁体及金属杜瓦的负面影响。 

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案： 

一种具有磁屏蔽或电磁屏蔽的杜瓦，由内筒和外筒两个封闭筒构成，内筒和外筒之间抽真空，在内筒和杜瓦外磁场之间安设一组磁屏蔽体或电磁屏蔽体。

在内筒中放置超导磁体和低温液体。 

所述的杜瓦为整体型和环型杜瓦中的一种。 

如是在内筒和杜瓦外磁场之间安设一组磁屏蔽体，磁屏蔽体安装在外筒的外壁上。

所述的磁屏蔽体制成带状、片状或筒状，由硅钢片、导磁铁板、钢板或磁性塑料高磁导率的材料制成。所述的带状磁屏蔽体是由硅钢片缠绕成圆环，再用工具加压力压成板状而制成；所述的片状磁屏蔽体是将硅钢片剪切成片状后叠加成若干层而制成。 

所述的一组磁屏蔽体还可以直接用导磁性不锈钢制成的外筒壁一体实现。 

如是在内筒和杜瓦外磁场之间安设一组电磁屏蔽体，电磁屏蔽体安装在外筒的外壁上。 

当杜瓦为环型时，电磁屏蔽体安装在杜瓦外筒的内壁上。 

所述的电磁屏蔽体用导电材料绕制的线圈首尾闭合形成环绕主磁场的短路环；或用金属板焊接为闭合筒状。 

本发明的优点是：能屏蔽或减少外磁场对超导磁体及金属杜瓦的负面影响，确保超导磁体高性能低损耗的运行；且制作简单，实用，成本低，容易推广应用。 

附图说明

图1　为现有的超导磁体及杜瓦结构示意图（半剖视图，整体型）。 

图2　为现有的超导磁体及杜瓦结构示意图（半剖视图，环型）。 

图3  为本发明具有磁屏蔽体或电磁屏蔽体的杜瓦的外观结构示意图。 

图4  为本发明硅钢片磁屏蔽体的一实施例结构示意图。 

图5  为图4所示的硅钢片磁屏蔽体的制作过程结构示意图。 

图6  为本发明硅钢片磁屏蔽体的一实施例结构示意图。 

图7  为本发明一应用实施例示意图（220kV限流器三相六柱松耦合结构）。 

图8  为图7所示实施例中杜瓦筒壁设计尺寸表。 

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。 

具体实施方式

参阅图3所示，本发明具有磁屏蔽体或电磁屏蔽体的杜瓦包括由内筒2和外筒1套合构成的杜瓦本体，为整体型和环型杜瓦中的一种，内筒和外磁场之间安设一组磁屏蔽体或电磁屏蔽体4。 

所述的磁屏蔽体应用导磁铁板或钢板、硅钢片、磁性塑料等高磁导率的材料制作，本质上是引导磁场分布，利用磁屏蔽层磁导率高的特性使得磁场通过磁屏蔽层而不通过被屏蔽的部位，因此磁屏蔽体安装在屏蔽磁场和被屏蔽部位之间将两者隔开。超导磁体杜瓦的磁屏蔽体就需要安在内筒和外磁场之间，一般就安在杜瓦最外层的外筒壁上。 

常用的磁屏蔽体为硅钢片磁屏蔽，一般采用两种结构，如图4所示，一种为带状磁屏蔽体，将宽度为H的硅钢片缠绕成圆环（如图5中的左图所示），再用工具加压力p压成板状如图5右图，B方向为粘接安装面，外磁场由硅钢片厚度方向进入磁屏蔽体，磁屏蔽损耗小；另一种磁屏蔽体是片状磁屏蔽，是将硅钢片剪切成B×L片状，叠成一定厚度H如图6，B方向为粘接安装面，外磁场由硅钢片厚度方向进入磁屏蔽，磁屏蔽涡流损耗较大，不过后一种制作简单；磁性塑料损耗小可以直接粘接于杜瓦壁上，而不用切割压制。对于上述的磁屏蔽体的具体宽度、场长度和厚度的具体尺寸可不受限制，可以根据实际需要及使用的一组的具体个数来具体设计。 

如果损耗在要求范围内，所述的磁屏蔽体也可以用硅钢片制作为桶状来实现，或者杜瓦最外侧外筒壁可以用导磁性不锈钢制作。外磁场不是很强时，硅钢片可以换做是导磁铁板或钢板（直接由导磁铁板或钢板制成片状），安设在内筒和外磁场之间。 

所述的电磁屏蔽体由电路回路构成，回路要围绕通过杜瓦的主磁场，其本质是增加通过杜瓦和超导磁体主磁路的磁阻。电磁屏蔽体的安装在低温层之外，不与低温层进行导热，可以在杜瓦外筒的外侧壁上，如果是环型也可以安装在杜瓦内侧外筒壁上。可以是应用金属形成的闭合桶状，也可以应用铜导线或铜带或其他导电材料绕制为多匝线圈，首尾闭合形成环绕主磁场的短路环，粘接于杜瓦筒壁上（不粘接于杜瓦壁上也可，只要形成短路环就可）。 

其实上述的闭合桶状磁屏蔽体如果为导电材料也有电磁屏蔽的作用。 

下面是一具体应用的实施例： 

三相220kV/300MVA饱和铁心型超导限流器应用的具有磁屏蔽和电磁屏蔽的高温超导磁体杜瓦，杜瓦盛装液氮达到高温超导材料的工作环境。

限流器应用了三相六柱松耦合结构，如图7所示，外围的六个柱形圆环为交流绕组，六个交流绕组套在六个铁心磁路上，六个铁心磁路的另一柱并在一起由直流绕组统一励磁。限流器串联在电路中，正常情况（稳态运行）时，直流绕组励磁使铁心处于深度饱和近似于空气，交流绕组阻抗小不影响电路运行；短路故障时，切断直流励磁，铁心退出饱和状态，交流绕组阻抗增加限制短路电流。直流绕组需要很强的励磁能力，而且尺寸要求尽可能小，这样铁心尺寸也相应小，进而制作容易而且响应时间短。因此直流绕组选用超导带材绕制，也因此应用到了杜瓦10。 

稳态运行时，铁心交流柱处于深度饱和状态，交流绕组漏磁大，其交变漏磁场在直流绕组杜瓦中会产生的涡流，进而增加热负荷损耗液氮，因此要加磁屏蔽。另外由于六柱铁心并非完全对称，而且由于铁心饱和的原因，铁心直流柱中的磁场也会有一定幅度的交变，进而杜瓦10也会发生感应增加热负荷损耗液氮，因此要加电磁屏蔽。 

杜瓦10由304不锈钢制作，为环形结构（本体的结构可参见图2所示）：杜瓦有四层筒壁，内筒2（内壁21和外壁22）封闭且其内充满液氮并放置超导绕组3，外筒1（内壁11和外壁12）和内筒2之间封闭且其内抽真空绝热。在外筒的外壁12上粘贴导磁材料作为磁屏蔽，屏蔽铁心交流柱交变漏磁场，使杜瓦内筒不受其影响而产生涡流，也就不会产生涡流热负荷来消耗液氮。在外筒内壁11外侧加多匝铜绕组，首尾闭合形成短路环构成电磁屏蔽，稳定铁心直流柱磁场。 

该实施例中，杜瓦筒壁设计参数如表1所示（参见图8） 

磁屏蔽粘贴于外筒的外壁12侧，即杜瓦最外层上。电磁屏蔽粘贴于外筒的内壁11与空气接触的那一面上。屏蔽设计尺寸如下：

a) 磁屏蔽宽B为200mm，长L为1200mm的0.23mm的23ZH90定向电磁钢板；

b) 磁屏蔽每组由 层状电磁钢板粘贴一起形成（如图6所示），每组厚度H为0.92mm（即4层硅钢片），杜瓦壁每隔38mm贴一组，共30组；

c) 电磁屏蔽由30mm2铜线，绕10匝，粘贴于筒壁1上。

加装磁屏蔽和电磁屏蔽后，杜瓦每日液氮消耗预计将会由未加屏蔽前203升变为95升；超导磁体通流能力由未加屏蔽前285A变为310A。 

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及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本申请专利的保护范围。 

Claims (4)

1. 一种具有磁屏蔽或电磁屏蔽的杜瓦，由内筒和外筒两个封闭筒构成，内筒和外筒之间抽真空，内筒中放置超导磁体和低温液体；其特征在于：在内筒和杜瓦外磁场之间安设一组磁屏蔽体，该磁屏蔽体制成带状、片状或筒状，由硅钢片、导磁铁板、钢板或磁性塑料高磁导率的材料制成，所述的带状磁屏蔽体是由硅钢片缠绕成圆环，再用工具加压力压成板状而制成；所述的片状磁屏蔽体是将硅钢片剪切成片状后叠加成若干层而制成；还在内筒和杜瓦外磁场之间安设一组电磁屏蔽体，电磁屏蔽体为用导电材料绕制的线圈首尾闭合形成环绕主磁场的短路环。

2.根据权利要求1所述的具有磁屏蔽或电磁屏蔽的杜瓦，其特征在于：杜瓦为整体型和环型杜瓦中的一种。

3.根据权利要求1所述的具有磁屏蔽或电磁屏蔽的杜瓦，其特征在于：所述的一组磁屏蔽体直接用导磁性不锈钢制成的外筒壁一体实现。

4.根据权利要求2所述的具有磁屏蔽或电磁屏蔽的杜瓦，其特征在于：杜瓦为环型时，电磁屏蔽体安装在杜瓦外筒的内壁上。