CN105304262A - 一种用于交流磁场的高温超导线圈装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于交流磁场的高温超导线圈装置，包括由至少一个高温超导饼式子线圈组成的高温超导单饼绕组，用于绕制所述高温超导饼式子线圈的高温超导带的宽度从高温超导单饼绕组的两端到中心依次降低；高温超导单饼绕组套设在支撑筒上。在本发明实施例中因为高温超导带的宽度从所述高温超导单饼绕组的中心到两端依次变宽，相应的所述高温超导带载流能力也逐渐变大，所以可对越靠近线圈两端的单饼绕组强度越高的垂直磁场进行有效补偿，使得电流通过串联结构的单饼绕组时高温超导带通流安全裕度趋近相等，从而实现所述高温超导单饼绕组在较高的垂直磁场下不失超的目的，进而有效提高了高温超导线圈装置在强磁场下的载流能力及其稳定性。

Description

一种用于交流磁场的高温超导线圈装置

技术领域

本发明涉及超导技术应用领域，特别是涉及一种用于交流磁场的高温超导线圈装置。

背景技术

高温超导体通常是指在液氮温度(77K)以上超导的材料，其具有较高的临界电流密度、临界磁场和临界温度。并且高温超导体的载流能力很强，因此传统导线可以被高温超导线(带)来取代，做成的电力装置体积更小、功率(储能)更大。所以，高温超导在强电领域具有广阔的应用前景。因为诸多高温超导电力装置如超导变压器、超导电机、超导限流器和超导电抗器等的核心部件都是超导线圈，所以高温超导线圈是强电应用中的关键部件。

现有技术中的超导线圈装置，一般是由多个具有相同结构的超导饼即饼式子线圈串联组成。饼式子线圈由超导带绕制卷曲在一起制成饼状形式，所形成的饼式子线圈一般呈环形，其具有内径和外径；在真空环境下进行环氧树脂浸渍固化后的多个饼式子绕组同轴叠装，成为一体结构的超导线圈装置。

但是，由于高温超导线圈在高温超导电力的应用中需要工作于交流状态下，会处于周期性反复的激磁状态，磁通线圈会不断的进出超导，导致超导体内的磁通数目不断改变，这样必然在超导线圈内产生交流损耗，同时不同位置的超导线圈的外界磁场强度也不一样，导致不同位置的超导线圈内产生交流损耗不同。所以，由于上述交流损耗的存在，导致超导线圈装置的稳定性降低，强磁场下的载流能力大大下降。

发明内容

本发明实施例中提供了一种用于交流磁场的高温超导线圈装置，以解决现有技术中的超导线圈装置的稳定性降低以及强磁场下的载流能力降低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

一种用于交流磁场的高温超导线圈装置，其特征在于，包括高温超导单饼绕组和支撑筒，其中：

所述高温超导单饼绕组包括至少一个高温超导饼式子线圈；

用于绕制所述高温超导饼式子线圈的高温超导带的宽度、从所述高温超导单饼绕组的两端到中心依次降低；

所述高温超导单饼绕组套设在所述支撑筒上。

优选地，相邻的两个高温超导饼式子线圈之间设置有绕组间隔环，相邻的所述高温超导饼式子线圈在轴向上具有一定的间距。

优选地，所述支撑筒包括中间的圆柱筒、位于所述圆柱筒两端的环形平板，其中：

所述圆柱筒的外表面沿轴向开设有凹陷的流通槽，所述流通槽的长度等于所述圆柱筒的长度；

所述环形平板上开设有流通孔；

所述高温超导单饼绕组套设在所述圆柱筒上；

优选地，所述环形平板和所述高温超导饼式子线圈之间设置有所述绕组间隔环。

优选地，所述高温超导线圈装置还包括拉杆组件，其中：

所述拉杆组件包括两端设置有外螺纹结构的拉杆和螺帽；

所述拉杆连接上下两个所述环形平板，并通过所述螺帽旋紧固定。

优选地，所述拉杆组件还包括预紧碟垫片，其中：

所述预紧碟垫片套设在所述拉杆上，并通过所述螺帽紧压在所述环形平板上。

所述预紧碟垫片包括不锈钢预紧碟垫片或铍青铜预紧碟垫片。

优选地，所述支撑筒包括玻璃纤维增强环氧树脂支撑筒，所述拉杆包括玻璃纤维增强环氧树脂拉杆，所述螺帽包括玻璃纤维增强环氧树脂螺帽。

优选地，所述高温超导饼式子线圈包括双面高温超导宽带和环形骨架，其中：

所述双面高温超导宽带绕在所述环形骨架上；

所述环形骨架包括玻璃纤维增强环氧树脂环形骨架。

优选地，相邻的所述高温超导饼式子线圈之间的轴向间距为0.5-2mm。

优选地，所述高温超导饼式子线圈的环形骨架外径等于、设置在相邻所述高温超导饼式子线圈之间的绕组间隔环的外径。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的一种用于交流磁场的高温超导线圈装置，包括由至少一个高温超导饼式子线圈组成的高温超导单饼绕组，同时用于绕制所述高温超导饼式子线圈的高温超导带的宽度、从所述高温超导单饼绕组的两端到中心依次降低；所述高温超导单饼绕组套设在支撑筒上。对于高温超导单饼绕组中的高温超导带，外界交流磁场分为影响较小的平行磁场和影响较大的垂直磁场，根据交流磁场在高温超导单饼绕组周围的分布特点，越靠近绕组的两端,垂直于超导带的磁场强度越高。在本发明实施例中的所述高温超导带的宽度、从所述高温超导单饼绕组的中心到两端依次变宽，相应的所述高温超导带载流能力也逐渐变大，可对逐渐增强的磁场进行有效补偿，因此电流通过串联结构的单饼绕组时高温超导带通流安全裕度趋近相等，从而实现所述高温超导单饼绕组在较高的垂直磁场下不失超的目的，进而有效提高了所述高温超导线圈装置的强磁场下的载流能力及其稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于交流磁场的高温超导线圈装置的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于交流磁场的高温超导线圈装置局部立体结构示意图；

图3为图1中的支撑筒的局部立体结构示意图；

图4为图1中的拉杆组件的结构示意图；

图5为本发明提供的一种超导可控电抗器的基本结构示意图；

图1-5中，具体符号表示为：

1-高温超导单饼绕组，11-高温超导饼式子线圈，111-环形骨架，2-支撑筒，21-圆柱筒，211-流通槽，22-环形平板，221-流通孔，3-绕组间隔环，4-拉杆组件，41-拉杆，42-螺帽，43-预紧碟垫片，5-通道，6-外筒，7-内筒，8-冷屏，9-真空空间。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供的一种用于交流磁场的高温超导线圈装置的剖面结构示意图，所述高温超导线圈装置，包括高温超导单饼绕组1和支撑筒2。

所述高温超导单饼绕组1包括至少一个高温超导饼式子线圈11，所述高温超导单饼绕组1套设在所述支撑筒2上。

用于绕制所述高温超导饼式子线圈11的高温超导带的宽度、从所述高温超导单饼绕组1的两端到中心依次降低，同时，高温超导带的宽度与作用其上的垂直磁场强度成正比。

对于高温超导单饼绕组中的高温超导带，外界交流磁场分为影响较小的平行磁场和影响较大的垂直磁场，根据交流磁场在高温超导单饼绕组周围的分布特点，越靠近绕组的两端,垂直于超导带的磁场强度越高。

在本实施例中的所述高温超导带的宽度、从所述高温超导单饼绕组1的中心到两端依次变宽，相应的所述高温超导带载流能力也逐渐变大，所以可对逐渐增强的磁场进行有效补偿，从而实现所述高温超导单饼绕组1在较高的垂直磁场下不失超的目的，进而有效提高了所述高温超导线圈装置的强磁场下的载流能力及其稳定性。

如图2所示，在本实施例中，相邻的两个高温超导饼式子线圈11之间设置有绕组间隔环3，相邻的所述高温超导饼式子线圈11在轴向上具有一定的间距，其中，所述相邻高温超导饼式子线圈11的轴向间距为0.5-2mm，所述绕组间隔环3采用玻璃纤维增强环氧树脂材料制成，当然，并不限于上述间距数值和无磁、绝缘、耐低温材料。

这样相邻的两个所述高温超导饼式子线圈11，因为设置有电器绝缘性能良好的所述绕组间隔环3，所以可以形成环形冷却区；同时，因为相邻的所述高温超导饼式子线圈11之间具有一定的间距，冷却介质能在所述环形冷却区流动，及时带走高温超导体因交流损耗产生的热量，保证了所述高温超导单饼绕组1的充分冷却。

进一步的，为了防止绕在所述高温超导单饼绕组1外周的绝缘部件发生塌陷的问题，所述高温超导饼式子线圈11和环形骨架111整体包裹玻璃纤维后经环氧树脂固化。同时，所述环形骨架111外径等于所述绕组间隔环3的外径。

如图2所示，在本实施例中，所述支撑筒2包括中间的圆柱筒21、位于所述圆柱筒21两端的环形平板22。

所述圆柱筒21的外表面沿轴向开设有凹陷的流通槽211，所述流通槽211的长度等于所述圆柱筒21的长度；所述环形平板22上开设有流通孔221；所述高温超导单饼绕组1套设在所述圆柱筒21上。

通过设置所述流通槽211，冷却介质便能沿所述圆柱筒21的外表面沿其轴线方向自由流动；通过开设所述流通孔221，冷却介质气化产生的气体便可以从所述支撑筒2的下方向上方运动。所以所述流通槽211和所述流通孔221促进了冷却介质及其气化气体的自由流通，避免了所述高温超导单饼绕组1的局部温升。

进一步的，所述环形平板22和所述高温超导饼式子线圈11之间也设置有所述绕组间隔环3，这样处于所述高温超导单饼绕组1两端的所述高温超导饼式子线圈11便可以与所述环形平板22之间形成也环形冷却区。

本实施例通过在所述圆柱筒21的外表面开设流通槽211、所述环形平板22上开设流通孔221，用于供冷却介质的流过，由所述间隔环3形成的环形冷却区促进了冷却介质的流动，所以所述流通槽211、所述流通孔221和所述间隔环3的设置有效防止了冷却介质温升气化后聚集所造成的高温超导体失超问题。

如图4所示，所述高温超导线圈装置还包括拉杆组件4，所述拉杆组件4包括两端设置有外螺纹结构的拉杆41和螺帽42，所述拉杆41连接上下两个所述环形平板22，并通过所述螺帽42旋紧固定，所述环形平板22与所述圆柱筒21活动连接。

所述高温超导线圈装置装配时，将所述高温超导单饼绕组1套设在所述圆柱筒21上后，将所述环形平板22安装在所述柱形套筒的两端，然后通过所述拉杆组件4将所述高温超导线圈装置拉紧并固定。在使用过程中，若有高温超导饼式子线圈发生损坏的问题，便可以拆开所述高温超导线圈装置，进行问题高温超导饼式子线圈的更换工作，具有方便灵活的优点。

进一步的，所述拉杆组件4还包括预紧碟垫片43，所述预紧碟垫片43套设在所述拉杆41上，并通过所述螺帽42紧压在所述环形平板22上。所述预紧碟垫片43呈圆锥形盘状，既可以单个使用，又可以多个串联使用，在上内缘和下外缘处承受沿轴向作用的静态或动态载荷，被压缩后产生变形，以储存能量形式作为活载荷，具有体积小、负荷大以及载荷集中传递的优点。本实施例通过在所述拉杆组件4上设置所述预紧碟垫片43能够有效保证所述拉杆4在低温环境下的预紧力。所述预紧碟垫片43可以由机械性能良好的不锈钢材料或铍青铜材料制成，当然并不限于所述材料。

本实施例中，所述高温超导饼式子线圈11为通过双面高温超导宽带在环形骨架111上进行绕制，绕制完成的单饼绕组经过真空压力浸渍工艺进行绝缘处理后形成的，其中，所述环形骨架由玻璃纤维增强环氧树脂制成。进一步的，所述支撑筒2、所述拉杆41以及所述螺帽42均由玻璃纤维增强环氧树脂制成。

玻璃纤维增强环氧树脂为玻璃纤维和树脂复合的复合材料，具有力学强度高、成型收缩小、尺寸稳定性好和电器绝缘性能好的优点，本实施例通过将所述高温超导装置中的支撑筒等部件使用玻璃纤维增强环氧树脂部件，取代现有技术中的不锈钢材料等金属部件，可以有效解决金属部件会在交流磁场下产生涡流损耗的问题，因此本实施例通过采用无磁、绝缘且耐低温的复合材料制成的支撑筒等部件，可有效提高所述高温超导装置的稳定性。当然，所述环形骨架、所述支撑筒2、所述拉杆41以及所述螺帽42并不限于均由玻璃纤维增强环氧树脂制成，还可以是其中的某几个部件使用该复合材料。

通过上述实施例可见，本实施例提供的高温超导线圈装置具有热稳定性高、低温热负荷低、可靠性高的特点，通过逐渐调高绕组两端高温超导带材宽度的设计可以提高其在高强度垂直磁场下的抗失超能力，通过设置冷却介质流通通道以及环形冷却区促进了冷却介质的流动，有效防止了冷却介质温升气化后聚集所造成的高温超导体失超问题，通过采用无磁、绝缘、耐低温玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制作环形骨架、绕组间隔环、支撑筒及拉杆组件，降低了高温超导线圈装置的附件产生的低温热负荷。因此，本实施例提供的高温超导线圈装置对应用于电力系统具有重要意义。

本实施例还提供了安装有所述高温超导装置的超导可控电抗器。如图5所示，所述超导可控电抗器包括由外筒6和内筒7组成的电抗器单元，其中，所述外筒6和所述内筒7之间为真空空间9,所述真空空间9内设置有冷屏8，所述电抗器单元的顶部设置有供冷却介质气化气体排除的通道5。所述高温超导装置设置在所述电抗器单元中。

在结构上，用于所述超导可控电抗器的高温超导单饼绕组1具有单饼匝数少、绕组多的特点，以尽可能降低处于交流磁场中的高温超导体产生的交流损耗；冷却介质在环形冷却区流动能够及时带走高温超导体因交流损耗产生的热量，保证了所述高温超导单饼绕组1的充分冷却，支撑筒2上的流通孔和流通槽促进了冷却介质气化气体的自由流通，避免了高温超导体局部温升。

当然，本实施例提供的高温超导线圈装置还可以应用于其它的高温超导电力装置，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于交流磁场的高温超导线圈装置，其特征在于，包括高温超导单饼绕组(1)和支撑筒(2)，其中：

所述高温超导单饼绕组(1)包括至少一个高温超导饼式子线圈(11)；

用于绕制所述高温超导饼式子线圈(11)的高温超导带的宽度、从所述高温超导单饼绕组(1)的两端到中心依次降低；

所述高温超导单饼绕组(1)套设在所述支撑筒(2)上。

2.根据权利求1所述的用于交流磁场的高温超导线圈装置，其特征在于，相邻的所述高温超导饼式子线圈(11)之间设置有绕组间隔环(3)，相邻的所述高温超导饼式子线圈(11)在轴向上具有一定的间距。

3.根据权利求1或2所述的用于交流磁场的高温超导线圈装置，其特征在于，所述支撑筒(2)包括中间的圆柱筒(21)、位于所述圆柱筒(21)两端的环形平板(22)，其中：

所述圆柱筒(21)的外表面沿轴向开设有凹陷的流通槽(211)，所述流通槽(211)的长度等于所述圆柱筒(21)的长度；

所述环形平板(22)上开设有流通孔(221)；

所述高温超导单饼绕组(1)套设在所述圆柱筒(21)上。

4.根据权利要求3所述的用于交流磁场的高温超导线圈装置，其特征在于，所述环形平板(22)和所述高温超导饼式子线圈(11)之间设置有所述绕组间隔环(3)。

5.根据权利要求4所述的用于交流磁场的高温超导线圈装置，其特征在于，所述高温超导线圈装置还包括拉杆组件(4)，其中：

所述拉杆组件(4)包括两端设置有外螺纹结构的拉杆(41)和螺帽(42)；

所述拉杆(41)连接上下两个所述环形平板(22)，并通过所述螺帽(42)旋紧固定。

6.根据权利要求5所述的用于交流磁场的高温超导线圈装置，其特征在于，所述拉杆组件(4)还包括预紧碟垫片(43)，其中：

所述预紧碟垫片(43)套设在所述拉杆(41)上，并通过所述螺帽(42)紧压在所述环形平板(22)上；

所述预紧碟垫片(43)包括不锈钢预紧碟垫片或铍青铜预紧碟垫片。

7.根据权利要求5或6所述的用于交流磁场的高温超导线圈装置，其特征在于，所述支撑筒(2)包括玻璃纤维增强环氧树脂支撑筒，所述拉杆(41)包括玻璃纤维增强环氧树脂拉杆，所述螺帽(42)包括玻璃纤维增强环氧树脂螺帽。

8.根据权利要求1所述的用于交流磁场的高温超导线圈装置，其特征在于，所述高温超导饼式子线圈(11)包括双面高温超导宽带和环形骨架(111)，其中：

所述双面高温超导宽带绕制在所述环形骨架(111)上；

所述环形骨架(111)包括玻璃纤维增强环氧树脂环形骨架。

9.根据权利要求2所述的用于交流磁场的高温超导线圈装置，其特征在于，相邻的所述高温超导饼式子线圈(11)之间的轴向间距为0.5-2mm。

10.根据权利要求2或8所述的用于交流磁场的高温超导线圈装置，其特征在于，所述高温超导饼式子线圈(11)的环形骨架(111)外径等于、设置在相邻所述高温超导饼式子线圈(11)之间的绕组间隔环(3)的外径。