CN103511811A - 一种环型超导磁体支撑装置 - Google Patents

Abstract

一种环型超导磁体支撑装置，属于超导磁储能装置的超导双饼支撑装置，解决现有超导磁储能装置中超导磁体在运行时所受到的巨大的电磁力对磁体系统造成负面影响的问题。本发明包括N个超导磁体夹持组件，所述超导磁体夹持组件由内支撑环、外固定板、左盖板和右盖板组成；N个超导磁体夹持组件于上、下端盖之间、沿圆周辐射状均匀竖直放置，上、下端盖通过长螺杆连接固定。工作状态下，超导双饼内环侧由内支撑环支撑，两侧由左盖板和右盖板进行紧固，上下两端由外固定板固定，构成模块化的磁体工作组件；多个磁体工作组件，在上、下端盖之间沿圆周辐射状均匀竖直放置，进行环向支撑固定，提高了环型超导磁体的机械稳定性和运行稳定性。

Description

一种环型超导磁体支撑装置

技术领域

本发明属于超导磁储能装置的超导双饼支撑装置，具体涉及一种环型超导磁体支撑装置。

背景技术

超导磁储能装置因具有调节电力系统尖峰负载，补偿电力系统低频功率，抑制电压突降，从而提高电力系统的稳定性等特性，成为现代电力系统中的重要储能方案。

超导磁储能装置的核心为超导磁体，超导磁体通常由多个超导双饼电气连接构成，如图1所示，超导双饼1-1为圆环形，自左而右顺序由左环氧树脂环1-1A、左线圈1-1B、中环氧树脂环1-1C、右线圈1-1D和右环氧树脂环1-1E构成，左线圈1-1B和右线圈1-1D的匝数相同、由超导带材绕制，绕行方向相反，左线圈1-1B和右线圈1-1D中间夹放中环氧树脂环1-1C，左线圈1-1B左侧和右线圈1-1D右侧分别贴放左环氧树脂环1-1A和右环氧树脂环1-1E。

在实际应用中，超导磁体会受到各种机械应力的作用，在加工时会受到预应力作用，在冷却的过程中会受到热应力(冷收缩应力)作用，在通电运行时会受到电磁力(洛伦兹力)作用。而超导磁体在投入运行时，更多受到电磁力的作用。在弱磁场领域，磁体电流与磁场作用所产生的电磁力较小，而在强磁场领域，由于磁体内的电流密度很大，磁体所产生的磁场又很强，因此，在磁体结构上将产生较大的电磁力，从而使组成超导磁体的超导双饼产生可观的应变，这对超导磁体来说是非常不利的，当应力超过一定值时会使超导双饼的临界电流密度退化，而大应变也可导致环氧树脂环破裂，使超导磁体不能稳定地工作，严重时甚至损毁整个磁体系统，造成较大的经济损失。日本超导和低温工程协会对世界超导磁体系统的研究调查表明，超导磁体运行电流不能达到其设计要求的大部分原因来源于机械损伤与破坏。因此，在进行超导磁体的设计时必须考虑磁体结构上所受到的电磁应力，采取必要措施确保超导磁体具有足够的机械强度。

随着超导磁体的大型化规模化，环型高温超导磁体将成为超导磁储能装置的主流选择，有效的环型超导磁体支撑装置，可以保证超导磁体能够正常运行，已成为超导磁储能装置发展和应用的关键。由于高温超导带材的价格昂贵，目前国内并未研制出环型高温超导磁体装置，国外也仅有少数几套，且大多停留在对超导磁体本身的设计和研究上，并未过多地考虑或提及超导磁体支撑装置，现有的环型超导磁体支撑装置因其结构简陋、且未充分地考虑支撑与导冷相结合的原则，严重影响和制约了环型高温超导磁体的发展。

发明内容

本发明提供一种环型超导磁体支撑装置，解决现有超导磁储能装置中环型高温超导磁体在运行时所受到的巨大的电磁力对磁体系统造成负面影响的问题，以提高机械稳定性和运行稳定性。

本发明所提供的一种环型超导磁体支撑装置，包括N个超导磁体夹持组件以及上端盖和下端盖，N≥3，其特征在于：

所述超导磁体夹持组件由内支撑环、外固定板、左盖板和右盖板组成，所述内支撑环为圆环形，工作状态下嵌于超导双饼的中心孔内；所述外固定板具有圆形通孔，其内径与所述超导双饼的外径相适应，工作状态下所述超导双饼嵌于所述外固定板的圆形通孔内；工作状态下所述左盖板和右盖板分别从左侧和右侧与所述外固定板连接，将所述超导双饼轴向固定于所述外固定板的圆形通孔中；

所述上、下端盖均为具有中心圆孔的圆盘，上端盖的下表面具有从中心圆孔辐射、且沿圆盘圆周均匀分布的N道凹槽，围绕上端盖中心圆孔具有沿圆周均匀分布的内连接孔，接近上端盖边缘具有沿圆周均匀分布的外连接孔；

所述下端盖的上表面具有从中心圆孔辐射、且沿圆盘圆周均匀分布的N道凹槽；围绕下端盖中心圆孔具有沿圆周均匀分布的内连接孔，接近下端盖边缘具有沿圆周均匀分布的外连接孔；所述上端盖的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影分别与所述下端盖的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影重合；

所述N个超导磁体夹持组件分别位于所述上、下端盖的内连接孔和外连接孔之间，并嵌入所述上端盖的凹槽和下端盖的凹槽之间，N个超导磁体夹持组件的上端面与所述上端盖通过螺钉固定连接，N个超导磁体夹持组件的下端面与所述下端盖通过螺钉固定连接；上、下端盖的各内连接孔和各外连接孔内分别穿有长螺杆，用于固定所述上、下端盖。

所述的环型超导磁体支撑装置，其特征在于：

所述外固定板、左盖板和右盖板均用不锈钢制成；

所述上、下端盖用黄铜制成；

所述内支撑环由环氧树脂或黄铜制成，当内支撑环由黄铜制作时，内支撑环具有割缝，以减小涡流损耗。

所述的环型超导磁体支撑装置，其特征在于：

所述超导磁体夹持组件中，所述外固定板的圆形通孔具有连通外固定板侧边的开口，开口角度小于90°；组装时，外固定板的开口朝向环型超导磁储能装置的径向外侧。

工作状态下，本发明对超导双饼进行径向、轴向的支撑和夹持，超导双饼内环侧由内支撑环支撑，两侧由左盖板和右盖板进行紧固，上下两端由外固定板固定，构成模块化的磁体工作组件；

本发明对超导磁体夹持组件进行环向的支撑，稳定性高，可靠性强，多个模块化的磁体工作组件，在上、下端盖之间沿圆周辐射状均匀竖直放置，各磁体工作组件通过特殊的耐低温导线进行电气连接，构成环型高温超导磁体。即使在较强的电磁力作用下，超导双饼仍不易变形，磁体系统亦不会被轻易破坏。理想情况下，超导双饼的轴向方位不会受到电磁力的作用，但在实际情况下可能由于工艺问题致使超导双饼两侧表面不平整，导致轴向方位受力，因此本发明采用左盖板和右盖板对超导双饼进行了轴向紧固；上、下端盖用黄铜制成，且进行开凹槽设计，一方面可以将超导磁体夹持组件更牢固地卡在其中，不易发生侧滑，稳定性高，另一方面也增大了上、下端盖与超导磁体夹持组件之间的接触面积，为磁体的制冷提供了更多通道；外固定板用不锈钢制作而成，作为支撑结构的同时，可作为径向的导冷通道，直接为超导双饼提供冷量，为整体的制冷提供了便利；

根据不同的应用场合，可以由两种不同材料制作内支撑环，环氧树脂制成的内支撑环适用于通流密度、磁场及储能量相对较小的小型磁体，而黄铜制成的内支撑环适用于通流密度、磁场及储能量相对较大的大型磁体，当内支撑环由黄铜制作时，须进行割缝处理，以减小涡流损耗，进而使整体的热损耗降低，无形中也节约了制冷成本，且从组装的角度来看，割断后的内支撑环更便于组装。

为了节省材料，外固定板上可以开口，在保证其具备足够的支撑强度下，提高了材料的利用率。

附图说明

图1(a)为超导双饼示意图；

图1(b)为超导双饼的结构示意图；

图2为本发明实施例的整体示意图；

图3(a)为超导磁体夹持组件示意图；

图3(b)为超导磁体夹持组件分解示意图；

图3(c)为内支撑环的示意图；

图3(d)为外固定板的示意图；

图3(e)为左盖板的示意图；

图3(f)为右盖板的示意图；

图4(a)为上端盖的俯视图；

图4(b)为上端盖的底视图；

图5为本发明实施例的组装示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，本发明的实施例，包括12个超导磁体夹持组件1以及上端盖2和下端盖3；12个超导磁体夹持组件于上、下端盖之间、沿圆周辐射状均匀竖直放置，上、下端盖通过长螺杆4连接固定。

如图3(a)～图3(f)所示，所述超导磁体夹持组件1由内支撑环1-2、外固定板1-3、左盖板1-4和右盖板1-5组成，所述内支撑环1-2为圆环形，工作状态下嵌于超导双饼1-1的中心孔内；所述外固定板1-3具有圆形通孔1-3A，其内径与所述超导双饼1-1的外径相适应，工作状态下所述超导双饼1-1嵌于所述外固定板1-3的圆形通孔1-3A内；工作状态下所述左盖板1-4和右盖板1-5分别从左侧和右侧与所述外固定板1-3连接，将所述超导双饼1-1轴向固定于所述外固定板1-3的圆形通孔1-3A中；

如图4(a)、图4(b)所示，所述上、下端盖均为具有中心圆孔的圆盘，上端盖2的下表面具有从中心圆孔2-1辐射、且沿圆盘圆周均匀分布的12道凹槽2-2，围绕上端盖中心圆孔2-1具有沿圆周均匀分布的内连接孔2-3，接近上端盖边缘具有沿圆周均匀分布的外连接孔2-4；

如图5所示，所述下端盖3的上表面具有从中心圆孔辐射、且沿圆盘圆周均匀分布的12道凹槽；围绕下端盖中心圆孔具有沿圆周均匀分布的内连接孔，接近下端盖边缘具有沿圆周均匀分布的外连接孔；所述上端盖的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影分别与所述下端盖的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影重合；

所述12个超导磁体夹持组件1分别位于所述上、下端盖的内连接孔和外连接孔之间，并嵌入所述上端盖的凹槽和下端盖的凹槽之间，12个超导磁体夹持组件1的上端面与所述上端盖2通过螺钉固定连接，12个超导磁体夹持组件的下端面与所述下端盖3通过螺钉固定连接；上、下端盖的各内连接孔和各外连接孔内分别穿有长螺杆4，用于固定所述上、下端盖。

本实施例中，所述外固定板1-3、左盖板1-4和右盖板1-5均用不锈钢制成；所述上、下端盖用黄铜制成，具有较好的强度与导热性；

所述内支撑环1-2由黄铜制成，具有割缝1-2A，以减小涡流损耗，黄铜制成的内支撑环适用于通流密度、磁场及储能量相对较大的大型磁体。

所述内支撑环1-2也可由环氧树脂制成，环氧树脂制成的内支撑环适用于通流密度、磁场及储能量相对较小的小型磁体；

所述超导磁体夹持组件中，所述外固定板1-3的圆形通孔1-3A具有连通外固定板侧边的开口1-3B，开口角度为60°；组装时，外固定板的开口1-3B朝向环型超导磁储能装置的径向外侧。

由于环型超导磁体所受的电磁力主要表现为超导双饼的自膨胀效果和磁体的径向内聚焦效果，因此径向外侧受力较小，外固定板的开口可以在保证支撑可靠的情况下，提高材料利用率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种环型超导磁体支撑装置，包括N个超导磁体夹持组件(1)以及上端盖(2)和下端盖(3)，N≥3，其特征在于：

所述超导磁体夹持组件(1)由内支撑环(1-2)、外固定板(1-3)、左盖板(1-4)和右盖板(1-5)组成，所述内支撑环(1-2)为圆环形，工作状态下嵌于超导双饼(1-1)的中心孔内；所述外固定板(1-3)具有圆形通孔(1-3A)，其内径与所述超导双饼(1-1)的外径相适应，工作状态下所述超导双饼(1-1)嵌于所述外固定板(1-3)的圆形通孔(1-3A)内；工作状态下所述左盖板(1-4)和右盖板(1-5)分别从左侧和右侧与所述外固定板(1-3)连接，将所述超导双饼(1-1)轴向固定于所述外固定板(1-3)的圆形通孔(1-3A)中；

所述上、下端盖均为具有中心圆孔的圆盘，上端盖(2)的下表面具有从中心圆孔(2-1)辐射、且沿圆盘圆周均匀分布的N道凹槽(2-2)，围绕上端盖中心圆孔(2-1)具有沿圆周均匀分布的内连接孔(2-3)，接近上端盖边缘具有沿圆周均匀分布的外连接孔(2-4)；

所述下端盖(3)的上表面具有从中心圆孔辐射、且沿圆盘圆周均匀分布的N道凹槽；围绕下端盖中心圆孔具有沿圆周均匀分布的内连接孔，接近下端盖边缘具有沿圆周均匀分布的外连接孔；所述上端盖的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影分别与所述下端盖的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影重合；

所述N个超导磁体夹持组件(1)分别位于所述上、下端盖的内连接孔和外连接孔之间，并嵌入所述上端盖的凹槽和下端盖的凹槽之间，N个超导磁体夹持组件(1)的上端面与所述上端盖(2)通过螺钉固定连接，N个超导磁体夹持组件的下端面与所述下端盖(3)通过螺钉固定连接；上、下端盖的各内连接孔和各外连接孔内分别穿有长螺杆(4)，用于固定所述上、下端盖。

2.如权利要求1所述的环型超导磁体支撑装置，其特征在于：

所述外固定板(1-3)、左盖板(1-4)和右盖板(1-5)均用不锈钢制成；

所述上、下端盖用黄铜制成；

所述内支撑环(1-2)由环氧树脂或黄铜制成，当内支撑环由黄铜制作时，内支撑环具有割缝(1-2A)，以减小涡流损耗。

3.如权利要求1或2所述的环型超导磁体支撑装置，其特征在于：

所述超导磁体夹持组件中，所述外固定板(1-3)的圆形通孔(1-3A)具有连通外固定板侧边的开口(1-3B)，开口角度小于90°；组装时，外固定板的开口(1-3B)朝向环型超导磁储能装置的径向外侧。

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