CN103065756B - 卡口式金属超导磁体骨架及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卡口式金属超导磁体骨架及其制作方法，该超导磁体骨架由上、下压板夹置若干个相互叠加的环型金属单体骨架而成，由中间绝缘隔板隔离分成若干的超导线圈绕组饼区；每个环形金属单体骨架均带有一个或多个开口，该开口为直线式卡口或自锁式卡口，在开口缝隙处填充并固定有绝缘材料以使该金属单体骨架成为非全导通的整圆环体骨架；在部分环形金属单体骨架的侧面设有隔板凹槽，所述的绝缘隔板卡装于其中；每个绕制区金属单体骨架的内壁绕制有若干层带绝缘外皮的铜带。其可解决因超导磁体特殊运行环境下的机械强度、热膨胀因素、自身环流和内应力释放等一系列问题。
Description
技术领域
本发明属于超导储能磁体骨架制作过程中的结构工艺技术，尤其涉及一种卡口式金属超导磁体骨架及制作方法，主要用于优化骨架本身的低温机械性能、强化骨架对超导线圈的低温保护性能、减少金属骨架对超导磁体电学性能的影响。
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，超导储能、超导故障限流器、超导变压器、超导电动机、超导发电机等一系列超导电力设备的应用研究得到很大发展，而超导线圈作为重要组成部分，是其应用的一个关键。
在储能磁体方面，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，其作为储能磁体具有功耗极小、储能量大、且储存能量持续稳定等特点，而这些特点是普通常规材料无法实现的，因此在储能磁体中，超导磁体相比常规磁体具有不可替代性。
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接近绝对零度温区或者相反时，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。
在传导冷却式超导储能磁体的研发历程中，为了保证超导线圈具有良好的传导冷却通道，满足超导材料的冷却需要，以及保障磁体的超低温机械性能，超导储能磁体往往选用金属材质加工制作磁体骨架，而常规闭环式金属磁体骨架对超导储能线圈自身电学性能影响较大，尤其是金属骨架在磁体磁场作用下所产生的环流会极大的增加储能磁体在充放电过程中的自身能量损耗，严重时会直接损坏超导线圈，为此，金属储能磁体骨架多为开环式，虽然该结构形式可以基本满足超导储能磁体的制作需要，但对于脆弱的超导线圈确存在较大的安全隐患，通过仿真计算并结合实践经验证明，该形式骨架开口位置为金属环形骨架机械性能最薄弱的内应力集中点，在大跨度温度区间内，该种形式的金属骨架由于热膨胀因素的影响所产生的内应力会完全集中在骨架的开口位置，普通直径方向的直线式开口方式无法通过骨架自身消耗、减弱或均匀分布该内应力，导致金属骨架所产生的内应力完全施加在骨架开口位置所对应的超导线圈上，当骨架内应力过大时，超导线圈会因无法承受该内应力而被拉断，造成线圈断路等一系列严重后果。
发明内容
本发明的目的是提供一种全新的超导储能磁体骨架，其结构的新设计可解决因超导磁体特殊运行环境下的机械强度、热膨胀因素、自身环流和内应力释放等一系列问题。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种卡口式金属超导磁体骨架，该超导磁体骨架由上、下压板夹置若干个相互叠加的环型金属单体骨架而成，由中间绝缘隔板隔离分成若干的超导线圈绕组饼区；每个环形金属单体骨架均带有开口，该开口为直线式卡口或自锁式卡口，在开口缝隙处填充并固定有绝缘材料以使该金属单体骨架成为非全导通的整圆环体骨架。
所述卡口式金属超导磁体骨架的非全导通的整圆环体骨架侧面设有隔板凹槽，所述的绝缘隔板卡装于其中。
所述的卡口式金属超导磁体骨架中，每个绕制区金属单体骨架的内壁绕制有若干层外裹绝缘层的铜带；可以是绕制有2至3层带绝缘外皮的薄铜带为佳,该薄铜带厚度为0.1-1mm。
所述卡口式金属超导磁体骨架的自锁式卡口可以是十字复合型自锁式卡口、Z型自锁式卡口或C型自锁式卡口。
所述的卡口式金属超导磁体骨架中，各卡口缝隙内填充的绝缘材料使用低温粘合剂固定。
若所述卡口式金属超导磁体骨架的自锁式卡口为十字复合型卡口，则在卡口中塞堵十字构型的绝缘材料结构块，用纵向销钉将十字构型的绝缘材料结构块与金属单体骨架安装固紧。
本发明的另一目的是提供一种卡口式金属超导磁体骨架的制作方法。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种如上所述卡口式金属超导磁体骨架的制作方法，其方法如下：
1）根据整体骨架的制作参数和每个环型金属单体骨架的具体尺寸确定：
a）所需环型金属单体骨架的总数量；
b）各超导线圈绕组饼区中环型金属单体骨架的总数量；
2）按在各环型金属单体骨架上均加工出开口，并在该开口缝隙处填充并固定绝缘材料，使各金属单体骨架成为非全导通的整圆环体骨架；
3）根据超导线圈绕组饼区的个数确定所需绝缘隔板的个数，并选择在匹配数量的环型金属单体骨架上加工出用于安设绝缘隔板的隔板凹槽；
4）将各环型金属单体骨架从下压板板面始依次向上累加叠放，在每一个超导线圈绕组饼区的最上层放置是加工有隔板凹槽的环型金属单体骨架，并在此处安设绝缘隔板；
5）在所有超导线圈绕组饼区组装完成后加盖上压板，用非导磁拉杆固定整体骨架。
所述卡口式金属超导磁体骨架的制作方法中，在所述步骤4中，每完成一个超导线圈绕组饼区的叠放，即在该超导线圈绕组饼区对应的金属单体骨架共体上的内壁绕制若干层带绝缘外皮的铜带。
所述卡口式金属超导磁体骨架的制作方法中，各环型金属单体骨架上加工的开口为直线式卡口或自锁式卡口；其中，自锁式卡口为十字复合型自锁式卡口、Z型自锁式卡口或C型自锁式卡口。
本发明的优点是：可以有效解决超导储能磁体在特殊运行环境下，骨架在机械强度、热膨胀因素等方面所暴露出的一系列问题，降低磁体骨架在大跨度温区变化时其内应力造成线圈损伤的风险，有效增强磁体的低温机械性能，提高磁体正常使用过程中的稳定性与耐久性。
附图说明
图1为本发明卡口式金属超导磁体骨架结构示意图。
图2为本卡口式金属超导磁体骨架的直线式卡口结构示意图。
图3为本卡口式金属超导磁体骨架的十字复合型卡口结构示意图。
图4为本卡口式金属超导磁体骨架的Z型卡口结构示意图。
图5为本卡口式金属超导磁体骨架的C型卡口结构示意图。
图6为环型金属单体骨架结构示意图（局部剖开）。
图7为缠绕绝缘铜带后的环型金属单体骨架结构示意图（局部）。
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1所示，本发明卡口式金属超导磁体骨架是由上、下压板2、3夹置若干个相互叠加的环型金属单体骨架1而成，由中间绝缘隔板4将该骨架隔离分成若干的超导线圈绕组饼区（图中所示实施例中为五个饼区）。
本发明所做的新设计是：让每个环形金属单体骨架至少带有一个开口5，该开口可以是直线式卡口或自锁式卡口，在开口缝隙处填充并固定有绝缘材料以使该金属单体骨架成为非全导通的整圆环体骨架。
图1至图4展示了四不同结构形式的开口方式，其仅为几个具有代表性质的实施例。
如图1所示，开口11为直线式卡口，可在卡口缝隙处填充绝缘材料，使用低温粘合剂将环型金属单体骨架1粘接恢复成整圆。
图2所示的开口11为十字复合型自锁卡口，中间填充十字型结构绝缘材料体，使用纵向销钉将十字型绝缘材料体与环型金属单体骨架1安装固紧，恢复骨架整圆。
图3、4示出的是自锁式卡口，一个呈Z型，另一个呈C型，还可以是类似结构的不同种设计，通过设计不同的卡接结构，使骨架在不破坏整圆的前提下实现自锁功能，卡口缝隙内填充绝缘材料并使用低温粘合剂固定。
本发明卡口式金属超导磁体骨架所有的环型金属单体骨架1可以带有均一式的开口，或是这四种开口方式的组合。
本发明所做的又一新设计是：在非全导通的环型金属单体骨架侧面设计有隔板凹槽6，将超导线圈上下饼之间的绝缘隔板4卡装于其中，骨架通过中间的绝缘隔板被分为上下两个绕组区，可有效约束整体环型金属骨架的变形量，并防止上下线圈接触造成匝间短路，如图6所示。
为了进一步防止骨架内应力对超导线材造成损坏，本发明所做的再一新设计是：在每个绕制区开始绕制超导线圈之前，先绕制2至3层外表带绝缘外皮的薄铜带（厚度一般在1mm以下），如图7所示，该目的是通过铜带将金属骨架的内应力进一步均匀分化，减轻骨架对超导线材的集中作用力。
本发明卡口式金属超导磁体骨架的制作方法是：首先要根据整体骨架的制作参数（直径、总高度）要求和环型金属单体骨架的具体尺寸来确定所需环型金属单体骨架的总数量及各超导线圈绕组饼区的总数量，备出相应数量的环型金属单体骨架，在这些环型金属单体骨架上加工直线式卡口、十字复合型自锁卡口、Z型自锁式卡口或C型自锁式卡口，可以是均一的一种，亦可是混搭；并在当中选择与超导线圈绕组饼区总数量一致量的环型金属单体骨架加工出用于安设绝缘隔板的隔板凹槽；再将各环型金属单体骨架1从下压板3板面始依次向上累加叠放，在每一个超导线圈绕组饼区的最上层放置是加工有隔板凹槽的环型金属单体骨架，并在此处安设绝缘隔板4，在该超导线圈绕组饼区对应的金属单体骨架共体上的内壁绕制若干层带绝缘外皮的铜带，参见图1，在所有超导线圈绕组饼区组装完成后加盖上压板2，用非导磁拉杆5固定整体骨架。
由于各环形金属单体骨架是一个非全导通的整圆环体骨架，因而即可避免如常规闭环式金属磁体骨架对超导储能线圈自身电学性能的影响，又可解决开环式金属储能磁体骨架由于热膨胀因素的影响所产生的内应力会完全集中在骨架的开口位置而导致的金属骨架所产生的内应力完全施加在骨架开口位置所对应的超导线圈上的问题。
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，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。
Claims (4)
1.一种卡口式金属超导磁体骨架的制作方法，所述卡口式金属超导磁体骨架的超导磁体骨架由上、下压板夹置若干个相互叠加的环型金属单体骨架而成，由中间绝缘隔板隔离分成若干的超导线圈绕组饼区；每个环形金属单体骨架均带有多个开口，各开口为自锁式卡口，在开口缝隙处填充并固定有绝缘材料以使该金属单体骨架成为非全导通的整圆环体骨架；其特征在于方法如下：
1）根据整体骨架的制作参数和每个环型金属单体骨架的具体尺寸确定：
a）所需环型金属单体骨架的总数量；
b）各超导线圈绕组饼区中环型金属单体骨架的总数量；
2）在各环型金属单体骨架上均加工出开口，并在该开口缝隙处填充并固定绝缘材料，使各金属单体骨架成为非全导通的整圆环体骨架；
3）根据超导线圈绕组饼区的个数确定所需绝缘隔板的个数，并选择在匹配数量的环型金属单体骨架上加工出用于安设绝缘隔板的隔板凹槽；
4）将各环型金属单体骨架从下压板板面开始依次向上累加叠放，在每一个超导线圈绕组饼区的最上层放置加工有隔板凹槽的环型金属单体骨架，并在此处安设绝缘隔板；
5）在所有超导线圈绕组饼区组装完成后加盖上压板，用非导磁拉杆固定整体骨架。
2.根据权利要求1所述的卡口式金属超导磁体骨架的制作方法，其特征在于：在所述步骤4中，每完成一个超导线圈绕组饼区的叠放，即在该超导线圈绕组饼区对应的金属单体骨架共体上的内壁绕制若干层带绝缘外皮的铜带。
3.根据权利要求1所述的卡口式金属超导磁体骨架的制作方法，其特征在于：其中，自锁式卡口为十字复合型自锁式卡口、Z型自锁式卡口或C型自锁式卡口。
4.根据权利要求2所述的卡口式金属超导磁体骨架的制作方法，其特征在于：在所述每个绕制区金属单体骨架的内壁绕制2至3层外裹绝缘层的铜带。
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Legal Events
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| PD01 | Discharge of preservation of patent |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 102600 West A, floor 3, building B, No. 7, Rongchang East Street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing Co-patentee after: YUN NAN ELECTRIC TEST & RESEARCH INSTITUTE GROUP Co.,Ltd. ELECTRIC INSTITUTE Patentee after: Beijing innopower superconductor power technology Co.,Ltd. Address before: 100176 Beijing City, Rongchang Daxing District economic and Technological Development Zone Industrial Park Longsheng Street No. 7 room 503 Co-patentee before: YUN NAN ELECTRIC TEST & RESEARCH INSTITUTE GROUP Co.,Ltd. ELECTRIC INSTITUTE Patentee before: Beijing Innopower Superconductor Cable Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191225 Address after: Yunda economic and Technological Development Zone in Yunnan province Kunming City 650000 West Road No. 105 Patentee after: YUNNAN ELECTRIC POWER TEST & RESEARCH INSTITUTE (GROUP) Co.,Ltd. Address before: 102600 West A, floor 3, building B, No. 7, Rongchang East Street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing Co-patentee before: YUN NAN ELECTRIC TEST & RESEARCH INSTITUTE GROUP Co.,Ltd. ELECTRIC INSTITUTE Patentee before: Beijing innopower superconductor power technology Co.,Ltd. |