CN109950018B - 一种调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架，涉及无绝缘超导磁体支撑骨架领域，包括线圈骨架、夹板和调节装置；其特征在于，所述线圈骨架被配置为无绝缘超导带材绕制磁体提供绕制支架；所述夹板紧贴所述线圈骨架上绕制的磁体线圈；所述调节装置通过调节所述夹板移动部分的相对位置，改变所述线圈骨架上绕制的磁体线圈之间的压力，进而改变磁体的匝间电阻。本发明还公开了所述支撑骨架根据充电延时要求调节匝间电阻的方法。本发明避免了传统浸渍方法下匝间电阻一次成型、超导带材无法重复利用的问题，并且操作简单、可靠，操作过程直观，且匝间电阻可以根据实际需要进行调整。
Description
技术领域
本发明涉及无绝缘超导磁体支撑骨架领域，尤其涉及一种调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架及使用方法。
背景技术
超导现象于1911年被发现，并且由于其零电阻特性、迈斯纳效应等优良特性迅速在世界范围内得到研究者们的关注。目前，超导材料已经实现工业化量产，生产的超导带材能绕制成超导磁体，并能够产生传统永磁体或电磁铁无法达到的强磁场。超导磁体在具备强磁场优势的同时，保证了磁体紧凑化，轻量化的特点。
传统超导磁体为有绝缘磁体，即在绕制磁体的超导带材外包覆绝缘层。绝缘层材料包括低温绝缘清漆或是聚酰亚胺薄膜胶带。这些绝缘材料的导热性能差，导致超导磁体在失超时无法快速释放能量，大大提高了超导磁体烧毁的危险性。无绝缘线圈的概念在2011年由国外学者提出，主要特点是去除了绝缘层，目的在于磁场意外失超时能够快速而安全的释放能量，避免了磁体的烧毁。去除绝缘层以后，磁体中每一匝带材之间的接触电阻大大减少，能够给失超时的电流一个释放能量的通路，因此，无绝缘超导磁体是一种更加可靠和安全性更高的新一代超导磁体。但是，匝间电阻的减少会带来一些其它缺陷，例如充电的延迟。尤其对于大型磁体，充电延迟特性明显。只有精准且方便地控制匝间电阻值，才能够在获得满意的充电时间的前提下得到安全系数较高的磁体。匝间电阻主要由超导带材的表面情况和匝间压力决定。对于某一批次的超导带材，只有通过控制匝间压力才能够调整匝间电阻。对于控制匝间电阻，目前常用的技术手段是通过环氧、石蜡或焊锡等浸渍方法，但浸渍后匝间电阻将会一次成型且无法调整，磁体将无法就各种应用情况而调整合适的匝间电阻值，且浸渍后的超导带材也无法拆卸和重复使用。同时，浸渍过程中容易给超导带材带来损伤，导致其电性能衰减。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架及使用方法，使得能够避免浸渍方法带来的匝间电阻一次成型无法调节和损伤带材的缺点，同时可以重复利用超导带材，并且调节方法简单、直观。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过合理的设计，能够避免浸渍方法带来的匝间电阻一次成型无法调节和损伤带材的缺点，同时可以重复利用超导带材，并且调节方法简单、直观的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架及使用方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架，包括线圈骨架、夹板和调节装置；其特征在于，所述线圈骨架被配置为无绝缘超导带材绕制磁体提供绕制支架，且所述线圈骨架为轴向贯穿中空的几何对称柱体；所述夹板分为固定部分和移动部分；所述固定部分紧贴所述线圈骨架轴向两端的上下外表面；所述移动部分紧贴所述线圈骨架侧面的外表面或内表面，且所述移动部分被配置为改变所述磁体的线圈在所述线圈骨架的径向挤压程度；所述夹板上配置调节装置，所述调节装置通过调节所述移动部分相对所述线圈骨架的径向位置改变所述线圈之间的压力。
进一步地，还包括盖板，所述盖板固定于所述线圈骨架轴向两端的上下表面，与所述夹板的固定部分配合，覆盖所述线圈骨架轴向两端的全部上下表面。
进一步地，还包括固定装置，所述固定装置将紧贴所述线圈骨架轴向上下表面的所述夹板的固定部分和所述盖板固定于所述线圈骨架。
进一步地，所述固定装置选择非导磁材料的大平头对锁螺丝。
进一步地，所述夹板和所述盖板设置用于所述固定装置的沉降孔，使得紧固后的所述固定装置的外表面不高于所述夹板和所述盖板外表面。
进一步地，所述调节装置为非导磁螺丝。
进一步地，所述夹板设置观察孔，所述观察孔被配置为观察所述线圈的径向挤压情况。
进一步地，所述柱形线圈骨架侧面还固定有一片硬质阳极氧化后的铝合金分道片，所述分道片被配置为绕制双饼线圈的两个线圈提供隔离面。
进一步地，所述线圈骨架和所述夹板材料选择硬质阳极氧化后的铝合金。
进一步地，本发明还提供了一种调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架的使用方法，包括以下步骤：
步骤一、将无绝缘超导带材围绕线圈骨架绕制成磁体；
步骤二、测试所述磁体的充电延时；
步骤三、若充电延时不满足要求，调节装置调节夹板移动部分的相对位置，改变所述磁体的线圈的挤压程度，再次测试；
步骤四、重复步骤二和步骤三至所述磁体的充电延时最终满足要求。
和现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)通过调节磁体线圈之间压力改变磁体的匝间电阻，避免了浸渍方法下匝间电阻一次成型无法调节和损伤带材的缺点，同时可以重复利用超导带材，适用于各种充电延时的场合；
(2)通过非导磁螺丝的调节夹板移动部分对于线圈骨架径向的相对位置来改变线圈之间的压力，调节方法简单、直观和可靠；
(3)在夹板固定部分和盖板上设置沉降孔，使得紧固后的固定部分外表面不裸露，使得整个装置表面平整，增加磁体的磁场利用率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的一种调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架示意图；
图2是图1所示实施例的线圈骨架示意图；
图3是图1所示实施例的夹板示意图；
图4是图1所示实施例的盖板示意图；
图5是图1所示实施例的分道片示意图；
图6是本发明的另一个较佳实施例的大平头对锁螺丝示意图；
图7是图6所示实施例对固定装置进行振动试验的测试结果图；
图8是本发明的另一个较佳实施例的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架使用方法的可重复性试验的测试结果图；
图9是图8所示实施例的磁体电压性能可重复性试验的测试结果图。
其中，1-线圈骨架；2-夹板；3-调节装置；4-盖板；5-分道片；6-观察孔；7-沉降孔。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例一
图1所示是本发明的一个较佳实施例的用于双饼线圈的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架示意图，图2、图3、图4和图5分别为图1所示支撑骨架的线圈骨架、夹板、盖板和分道片示意图。
本实施例中，所述的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架包括线圈骨架1、夹板2、调节装置3、盖板4和分道片5；线圈骨架1为无绝缘超导带材绕制磁体提供绕制支架，且线圈骨架1为轴向贯穿中空的几何对称柱体，所述柱体的横截面内侧边形状为圆角矩形，外侧边形状为短边为半椭圆的矩形，如图2所示；夹板2分为固定部分和移动部分；所述固定部分紧贴线圈骨架1轴向的上下两个外表面；所述移动部分紧贴柱形线圈骨架1侧面的内表面，且所述移动部分被用于改变所述线圈在线圈骨架1的径向挤压程度；夹板2上配置调节装置3，调节装置3通过调节所述移动部分相对线圈骨架1的径向位置改变所述磁体线圈之间的压力。应当注意，本发明的线圈骨架1的所述轴向贯穿中空的几何对称柱体的形状，并非限制于本实施例描述的所述形状。
由于本实施例线圈骨架1的横截面短边为半椭圆的矩形，为保持夹板2对磁体各线圈相同的挤压调节作用，优选地，夹板2的固定部分覆盖范围为线圈骨架1轴向上下表面的矩形区域，夹板2的移动部分覆盖范围为柱形线圈骨架1侧面的内表面的矩形部分，夹板2的挤压部分覆盖范围为线圈骨架1径向外表面的矩形部分，如图3所示。
考虑到本实施例中夹板2所述的固定部分不能完全覆盖线圈骨架1轴向的上下表面，为避免磁体线圈在组装、移动或使用过程中损坏，优选地，设置盖板4，与夹板2的固定部分配合，确保完全覆盖线圈骨架1轴向上下表面，用于保护磁体在轴向的裸露线圈。本实施例中，在线圈骨架1横截面两端的椭圆部分，设置4片完全相同的盖板4，如图4所示。
由于盖板4本身紧贴或者靠近与磁体线圈，为进一步提高磁体状态转换时的导冷能力，优选地，盖板4选用导冷性能较好的铝合金。
本实施例的支撑骨架用于双饼线圈，为分离线圈骨架1上下两个子线圈，同时起到平整线圈的作用，优选地，线圈骨架1径向外表面水平设置一片分道片5，如图5所示。为进一步提高分道片的坚固性和轻质，同时兼顾良好的低温导冷性能和绝缘性能，优选地，分道片5材料选择硬质阳极氧化后的铝合金，如铝合金6063。若将本实施例的支撑骨架用于单饼线圈，则此时无需分道片5。
考虑调节方便且不能影响所述磁体的磁场，优选地，调节装置3选择非导磁的螺丝。
如图1所示，本实施例中，线圈骨架1沿横截面短边的对称方向，每侧设置一块夹板2，每块夹板2的移动部分在线圈骨架1的侧面的内表面设置了调节装置3；调节装置3为三枚铝合金外六角螺丝。
为方便观察调节装置3通过夹板2对线圈径向挤压的调整情况，优选地，夹板2上还设置观察孔6，以方便观察调节过程中无绝缘超导带材的压紧情况。
应当注意，本发明通过调节装置3调节匝间压力时，应保证调节后磁体的磁场依然对称，优选地，调节装置3调节压力过程中的所有铝合金外六角螺丝变动情况保持同步和一致。
实施例二
本实施例中，所述支撑骨架还包括固定装置。
由于磁体一般应用于电机，定子和转子在运行中电磁力会相互作用；而电机本身也可能直接用于运动场景。这是，磁体或支撑骨架在运行过程中不可避免的受力。为防止支撑骨架或磁体在运行中受振动而产生移位、失超或漏磁增大等情况出现，优选地，支撑骨架各部位组装完成之后，再使用固定装置对各支撑骨架的各进行紧固，如夹板2的固定部分与线圈骨架1轴向上下表面连接处、盖板4与线圈骨架1轴向上下表面连接处。
考虑紧固操作的简便性和对紧固程度要求的可靠性，以及避免对无绝缘超导磁体的磁场产生影响，优选地，固定装置选择非导磁材料大平头对锁螺丝。
为防止在振动过程中发生所述非导磁材料大平头对锁螺丝旋转或松动，导致磁体匝间电阻发生变化，优选地，采用低温硅胶紧固所有所述非导磁材料大平头。
本实施例采用了图6所示的大平头对锁螺丝。为进一步说明固定装置在所述支撑骨架中的紧固作用，本实施例还模拟了真实超导磁悬浮列车运行时的工况，即在高速运行时(>600km/h)，振动加速度为±15g，频率最高为350Hz。测试结果如图7所示，曲线1是无振动时的支撑骨架及磁体的振动加速度，即参考值；参考值与经过固定装置紧固的支撑骨架及磁体的振动加速度曲线比较接近，未出现振幅急剧增大的情况，能够安全稳定运行，且振动测试后磁体的电性能未发生变化。
此外，为避免紧固后的固定装置凸出导致整个装置表面的不平整，优选地，在过盖板4和夹板2上设置沉降孔7，使得紧固后的固定装置沉入整个装置内。
本实施例中，固定装置采用M6大平头对锁不锈钢螺丝固定；螺头沉入沉降孔7内还可有效减少装置表面到超导线圈表面的高度，增加了磁体的磁场利用率。此外，为了防止振动导致的固定装置的螺丝松动，优选地，在对锁螺丝紧固后在螺头周围覆盖低温硅胶。
为进一步提高支撑骨架的坚固性和轻质，同时兼顾良好的低温导冷性能和绝缘性能，优选地，线圈骨架1和夹板2材料均选择硬质阳极氧化后的铝合金，如铝合金6063。
实施例三
本实施例通过具体实验，详细说明了本发明涉及的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架的使用方法，具体包括以下步骤：
步骤一、将无绝缘超导带材围绕线圈骨架1绕制成磁体；
步骤二、测试所述磁体的充电延时；
步骤三、若磁体的充电延迟过长，则线圈匝间压力太大，用调节装置3增加夹板2移动部分的相对位置，降低所述磁体的线圈的挤压程度，再次测试；反之，则用调节装置3减少夹板2移动部分的相对位置，增加所述磁体的线圈的挤压程度，再次测试；
步骤四、重复步骤二和步骤三至所述磁体的充电延时最终满足要求。
图8和图9所示分别是本实施例匝间电阻调整到位后，磁体多次实验的电磁试验结果图和磁体的电气性能；多次测试结果基本一致，可重复性高。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架，包括线圈骨架、夹板和调节装置；其特征在于，所述线圈骨架被配置为无绝缘超导带材绕制磁体提供绕制支架，且所述线圈骨架为轴向贯穿中空的几何对称柱体；所述夹板分为固定部分和移动部分；所述固定部分紧贴所述线圈骨架轴向两端的上下外表面；所述移动部分紧贴所述线圈骨架侧面的外表面或内表面，且所述移动部分被配置为改变所述磁体的线圈在所述线圈骨架的径向挤压程度；所述夹板上配置调节装置，所述调节装置通过调节所述移动部分相对所述线圈骨架的径向位置，改变所述线圈之间的压力。
2.如权利要求1所述的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架，其特征在于，还包括盖板，所述盖板固定于所述线圈骨架轴向两端的上下表面，与所述夹板的固定部分配合，覆盖所述线圈骨架轴向两端的全部上下表面。
3.如权利要求2所述的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架，其特征在于，还包括固定装置，所述固定装置将紧贴所述线圈骨架轴向上下表面的所述夹板的固定部分和所述盖板固定于所述线圈骨架。
4.如权利要求3所述的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架，其特征在于，所述固定装置选择非导磁材料的大平头对锁螺丝。
5.如权利要求3所述的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架，其特征在于，所述夹板和所述盖板设置用于所述固定装置的沉降孔，使得紧固后的所述固定装置的外表面不高于所述夹板和所述盖板外表面。
6.如权利要求1所述的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架，其特征在于，所述调节装置为非导磁螺丝。
7.如权利要求1所述的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架，其特征在于，所述夹板设置观察孔，所述观察孔被配置为观察所述线圈的径向挤压调整情况。
8.如权利要求1所述的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架，其特征在于，柱形线圈骨架侧面还固定有一片硬质阳极氧化后的铝合金材料的分道片，所述分道片被配置为绕制双饼线圈两个线圈提供隔离面。
9.如权利要求1-8任意所述的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架，其特征在于，所述线圈骨架和夹板均选择硬质阳极氧化后的铝合金材料。
10.一种如权利要求1-9任意所述的调节无绝缘超导磁体匝间电阻的支撑骨架的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将无绝缘超导带材围绕线圈骨架绕制成磁体；
步骤二、测试所述磁体的充电延时；
步骤三、若充电延时不满足要求，调节装置调节夹板移动部分的相对位置，改变所述磁体的线圈的挤压程度，再次测试；
步骤四、重复步骤二和步骤三至所述磁体的充电延时最终满足要求。
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