CN110706860B - 一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆 - Google Patents

一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆 Download PDF

Info

Publication number
CN110706860B
CN110706860B CN201910811804.2A CN201910811804A CN110706860B CN 110706860 B CN110706860 B CN 110706860B CN 201910811804 A CN201910811804 A CN 201910811804A CN 110706860 B CN110706860 B CN 110706860B
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature superconducting
roebel
stack
winding
supporting structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910811804.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110706860A (zh
Inventor
王东全
任勇
温兴毫
张铭
高翔
李君君
刘小刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Original Assignee
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei Institutes of Physical Science of CAS filed Critical Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority to CN201910811804.2A priority Critical patent/CN110706860B/zh
Publication of CN110706860A publication Critical patent/CN110706860A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110706860B publication Critical patent/CN110706860B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/16—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by cooling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Landscapes

  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆，在所述的内部支撑结构的外表面轴向的开有多个沟槽，所述的多个绕组分别内嵌于内部支撑结构的沟槽内，所述的铠甲和绝缘层依次套在内部支撑结构的外面；所述的绕组为两堆叠罗贝尔结构，堆叠是通过多个高温超导带材构成的，通过将两堆叠的高温超导带材彼此之间的换位构成罗贝尔结构的绕组。本发明一是机械结构上保证了带材的完全换位，从而使得不论是绕组还是带材的C轴都完全方向对齐，支撑结构的存在降低了在大电流、复杂磁场环境下绕组的机械应力。二是有效的降低了在励磁及交变电流工作环境下导体的交流损耗和层间涡流损耗，同时降低了超导导体的失超风险。

Description

一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆
技术领域
本发明涉及高温超导技术领域，尤其涉及一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆。
背景技术
大口径高场超导磁体，特别是聚变堆托卡马克超导磁体需要在高磁场背景下承载较高的电流。传统的低温超导材料在高磁场下承载电流的能力难以满足下一代托卡马克超导磁体的工作需求。如低温超导材料Nb3Sn线材，在15 T以上的磁场下材料的载流能力将严重下降。高温超导带材，由于其具有更强的载流能力、更高的临界磁场和临界温度，使其正代替传统低温超导线材成为用于制造新型高温超导电缆的新的研究热点。为了提升托卡马克的性能，高温超导电缆将会是下一代超导磁体设计不可或缺的基础，因而设计可用于大电流、高强复杂磁场的高温超导电缆就显得十分具有现实意义。
自1999年美国学者第一次提出罗贝尔电缆的概念以来，基于常规导体的罗贝尔换位线棒已经在诸如旋转电机等电力装备上得到了广泛的应用。这种拓扑结构的线棒能够有效的减少交流电流经导线时所产生的交流损耗。而高温超导材料相较于低温超导材料和常温材料，具有载流能力强，临界磁场高，导热率较低的特点。其中REBCO高温超导带材的临界磁场和临界温度分别大于100 T和90 K。结合高温超导带材与罗贝尔结构的优点，开展将高温超导带材应用到罗贝尔绕组电缆设计中的相关工作有望为未来聚变堆托卡马克磁体的设计提供新的思路和方向。专利CN 206789412U提到了将基于YBCO高温超导带材的罗贝尔电缆应用于高温超导变压器的制造。然而目前基于高温超导带材的罗贝尔绕组电缆仍处于设计实验阶段，绕组和电缆结构设计的好坏将会对后续大电流、高强复杂磁场的设计产生重要影响。在这些基础上开展新型高温超导带材的罗贝尔电缆设计是十分必要的。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆，包括有内部支撑结构、多个绕组、铠甲和绝缘层，在所述的内部支撑结构的外表面轴向的开有多个沟槽，所述的多个绕组分别内嵌于内部支撑结构的沟槽内，所述的铠甲和绝缘层依次套在内部支撑结构的外面；所述的绕组为两堆叠罗贝尔结构，堆叠是通过多个高温超导带材构成的，通过将两堆叠的高温超导带材彼此之间的换位构成罗贝尔结构的绕组。
两堆叠的高温超导带材彼此之间的换位方式具体如下：堆叠一的最上层高温超导带材与堆叠二的最下层高温超导带材换位，堆叠一的上面第二层高温超导带材与堆叠二的下面倒数第二层高温超导带材换位，以此类推，堆叠一的最下层高温超导带材与堆叠二的最上层高温超导带材换位。
每对高温超导带材之间的换位角为39~47°。
所述的高温超导带材在堆叠中进行延伸的异面倾角为1.5°。
在所述的内部支撑结构的内部轴向的开有多个冷却工质流通通道。
所述的内部支撑结构的材质为铜或铝或者铜合金或者铝合金等机械强度高、导热和导电性良好的金属或合金。
所述的铠甲为不锈钢铠甲。
所述的高温超导带材的厚度为0.08 mm~0.3 mm。
支撑结构内部设有冷却工质流通通道，冷却工质通过冷却通道时，通过支撑结构的导热性能对绕组进行传导冷却；支撑结构，保证在大电流、复杂磁场下带材的机械应力满足材料性能要求。而罗贝尔换位结构的设计采用了双罗贝尔排列。
本发明的优点是：本发明根据高温超导材料的各向异性，设计了一种满足材料要求的罗贝尔绕组电缆，保证了在大电流、高磁场环境下基于高温超导带材的罗贝尔绕组电缆稳定工作；一是机械结构上保证了带材的完全换位，从而使得不论是绕组还是带材的C轴都完全方向对齐，支撑结构的存在降低了在大电流、复杂磁场环境下绕组的机械应力。二是有效的降低了在励磁及交变电流工作环境下导体的交流损耗和层间涡流损耗，同时降低了超导导体的失超风险。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为本发明的罗贝尔绕组结构的等轴测图。
图3为本发明的罗贝尔绕组结构的俯视图。
图4为本图2的C-C剖视图。
图5为本发明的示例高温超导带材罗贝尔结构的左视图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆，包括有内部支撑结构3、多个绕组4、铠甲2和绝缘层1，在所述的内部支撑结构3的外表面轴向的开有多个沟槽6，所述的多个绕组4分别内嵌于内部支撑结构3的沟槽6内，所述的铠甲2和绝缘层1依次套在内部支撑结构3的外面；所述的绕组4为两堆叠罗贝尔结构，堆叠7是通过多个高温超导带材构成的，通过将两堆叠7的高温超导带材彼此之间的换位构成罗贝尔结构的绕组。换位使得带材成对上下出现。堆叠罗贝尔高温超导带材彼此之间的换位具有固定的角度，使得各向异性的带材满足完全换位，C轴完全对齐。
如图2、3、4所示，两堆叠的高温超导带材彼此之间的换位方式具体如下：堆叠一7.1的最上层高温超导带材与堆叠二7.2的最下层高温超导带材换位，堆叠一7.1的上面第二层高温超导带材与堆叠二7.2的下面倒数第二层高温超导带材换位，以此类推，堆叠一7.1的最下层高温超导带材与堆叠二7.2的最上层高温超导带材换位。
如图2所示，每对高温超导带材之间的换位角为39~47°。
如图5所示，所述的高温超导带材在堆叠中进行延伸的异面倾角为1.5°。
在所述的内部支撑结构3的内部轴向的开有多个冷却工质流通通道5。
所述的内部支撑结构3的材质为铜或铝或者铜合金或者铝合金等机械强度高、导热和导电性良好的金属或合金。
所述的铠甲2为不锈钢铠甲。
所述的高温超导带材的厚度为0.08 mm~0.3 mm。
如图2、3所示，绕组为两堆叠结构绕组，每个堆叠设计为N层，即具有N条高温超导带材,基于高温超导带材的各向异性和材料特性，所设计的罗贝尔结构带材，在堆叠之间进行转换时的倾角为б，б的值约为39~47°。堆叠A与堆叠B的N条高温超导带材，分别各自穿插构成两条罗贝尔堆叠，两条罗贝尔堆叠以反向互补的方式交叉叠放在一起，从而构成完整的两堆叠高温超导罗贝尔绕组。在实际设计中，由各生产商生产的高温超导带材厚度约为0.08 mm~0.15 mm，其中高温超导部分的厚度约为1 μm，为了增大绕组的载流能力，可以采用两种方案。
方案一：增加罗贝尔绕组的带材数目N，并采用四堆叠，六堆叠甚至八堆叠的方式。该种方案可以有效的增加高温超导罗贝尔绕组截面中高温超导材料截面的面积，从而提高载流能力。
方案二：增加所设计罗贝尔绕组中罗贝尔带材的宽度。罗贝尔带材宽度的增加也能有效增加罗贝尔绕组中高温超导材料截面的面积，进而提高整个绕组的载流能力。
但在实际设计中本发明采用了方案二。虽然方案一比方案二能更有效的增加高温超导材料的截面面积，但同时带来了高温超导罗贝尔绕组匝数的迅速增加，在大电流大磁场背景下，更大厚度和线圈匝数，在绕组出现失超时，将会产生更加巨大的感应电压和电磁应力，往往会对绕组本身产生更大的损坏。考虑到绕组需要在大电流、高磁场环境下稳定工作，优先选用方案二。图4为图2 C-C处的剖视图，图中给出了两堆叠高温超导罗贝尔绕组两堆叠的换位交换方式。其中每个堆叠的带材数目为8，堆叠A的高温超导带材编号分别为：A1-A8；堆叠B的高温超导带材编号分别为B1-B8。罗贝尔结构进行换位时，换位对分别为：A8-B1，A7-B2，A6-B3，A5-B4，A4-B5，A3-B6，A2-B7，A1-B8。
图5显示了单条高温超导带材罗贝尔换位的左视图。图中给出了带材在罗贝尔堆叠中进行延伸的异面倾角δ，考虑到材料的特性和带材制备的实际工艺，异面倾角δ约为1.5°。带材的厚度约为100或150μm。
尽管已经参照本发明的示例对本发明进行了详细的描述，但在相关的变化范围内，专业领域内的人士仍将可以根据具体的应用要求在本发明的基础上进行相应的修改。本发明的示例意在为本领域内的技术人员阐明本发明的原理以及其用途。

Claims (6)

1.一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆，其特征在于：包括有内部支撑结构、多个绕组、铠甲和绝缘层，在所述的内部支撑结构的外表面轴向的开有多个沟槽，所述的多个绕组分别内嵌于内部支撑结构的沟槽内，所述的铠甲和绝缘层依次套在内部支撑结构的外面；所述的绕组为两堆叠罗贝尔结构，堆叠是通过多个高温超导带材构成的，通过将两堆叠的高温超导带材彼此之间的换位构成罗贝尔结构的绕组；
两堆叠的高温超导带材彼此之间的换位方式具体如下：堆叠一的最上层高温超导带材与堆叠二的最下层高温超导带材换位，堆叠一的上面第二层高温超导带材与堆叠二的下面倒数第二层高温超导带材换位，以此类推，堆叠一的最下层高温超导带材与堆叠二的最上层高温超导带材换位；
每对高温超导带材之间的换位角为39~47°。
2.根据权利要求1所述的一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆，其特征在于：所述的高温超导带材在堆叠中进行延伸的异面倾角为1.5°。
3.根据权利要求1所述的一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆，其特征在于：在所述的内部支撑结构的内部轴向的开有多个冷却工质流通通道。
4.根据权利要求3所述的一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆，其特征在于：所述的内部支撑结构的材质为铜或铝或者铜合金或者铝合金。
5.根据权利要求1所述的一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆，其特征在于：所述的铠甲为不锈钢铠甲。
6. 根据权利要求1所述的一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆，其特征在于：所述的高温超导带材的厚度为0.08 mm~0.3 mm。
CN201910811804.2A 2019-08-30 2019-08-30 一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆 Active CN110706860B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910811804.2A CN110706860B (zh) 2019-08-30 2019-08-30 一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910811804.2A CN110706860B (zh) 2019-08-30 2019-08-30 一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110706860A CN110706860A (zh) 2020-01-17
CN110706860B true CN110706860B (zh) 2021-03-19

Family

ID=69193847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910811804.2A Active CN110706860B (zh) 2019-08-30 2019-08-30 一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110706860B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113284666B (zh) * 2020-02-19 2022-05-17 中国科学院高能物理研究所 一种多层封装超导换位电缆及成缆方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3647932A (en) * 1970-12-11 1972-03-07 Westinghouse Electric Corp Transposed conductor for dynamoelectric machines
CN1937103A (zh) * 2005-09-20 2007-03-28 北京英纳超导技术有限公司 高温超导电缆
CN103794297A (zh) * 2014-01-17 2014-05-14 中国科学院等离子体物理研究所 适用于高场超导磁体技术的高温超导导体结构
CN105262261A (zh) * 2014-07-14 2016-01-20 阿尔斯通技术有限公司 用于在电机中使用的罗贝尔线棒
CN206789412U (zh) * 2017-04-19 2017-12-22 上海大学 高温超导变压器
CN109637739A (zh) * 2018-12-20 2019-04-16 深圳供电局有限公司 一种准各向同性高载流超导电缆通电导体

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1932086C3 (de) * 1969-06-25 1976-01-08 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen Aus Supraleitermaterial und bei der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzter Hohlleiter
DE2723744C3 (de) * 1977-05-26 1982-02-04 Vacuumschmelze Gmbh, 6450 Hanau Volltransponierter bandförmiger Leiter
DE50114092D1 (de) * 2000-02-14 2008-08-21 Siemens Ag Wie vorrichtung zu dessen herstellung und dessen verwendung
EP1733402A4 (en) * 2004-03-31 2010-04-07 Gen Cable Superconductors Ltd CONNECTED SUPERCONDUCTOR CABLE MADE BY TRANSPOSING PLANAR SUBLECTS
US8630688B2 (en) * 2007-03-16 2014-01-14 Siemens Energy, Inc. Winding for use in high temperature superconducting generator
WO2011159176A1 (en) * 2010-06-18 2011-12-22 General Cable Superconductors Limited Improved transposed superconducting cable

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3647932A (en) * 1970-12-11 1972-03-07 Westinghouse Electric Corp Transposed conductor for dynamoelectric machines
CN1937103A (zh) * 2005-09-20 2007-03-28 北京英纳超导技术有限公司 高温超导电缆
CN103794297A (zh) * 2014-01-17 2014-05-14 中国科学院等离子体物理研究所 适用于高场超导磁体技术的高温超导导体结构
CN105262261A (zh) * 2014-07-14 2016-01-20 阿尔斯通技术有限公司 用于在电机中使用的罗贝尔线棒
CN206789412U (zh) * 2017-04-19 2017-12-22 上海大学 高温超导变压器
CN109637739A (zh) * 2018-12-20 2019-04-16 深圳供电局有限公司 一种准各向同性高载流超导电缆通电导体

Also Published As

Publication number Publication date
CN110706860A (zh) 2020-01-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101005234B (zh) 圆筒型电机
Malozemoff et al. Power applications of high-temperature superconductors: status and perspectives
EP3622544B1 (en) Superconducting magnet
KR20110027705A (ko) 초전도 도체 밴드로 구성된 2개 이상의 복합 도체를 구비한 저항성 스위칭 소자용 도체 배치 구조
US20020018327A1 (en) Multi-winding fault-current limiter coil with flux shaper and cooling for use in an electrical power transmission/distribution application
US20230101820A1 (en) Partitioned Superconducting Cable
AU2021240133B2 (en) High temperature superconductor magnet
CN110494925A (zh) 超导磁体中的淬火保护
US20160351310A1 (en) Low Temperature Superconductive and High Temperature Superconductive Amalgam Magnet
Rey et al. HTS dipole insert developments
CN111627683B (zh) 一种超导限流变压器的绕组结构
CN110706860B (zh) 一种用于大电流、强磁场的高温超导罗贝尔绕组电缆
GB2562385A (en) Superconducting magnet for producing part of a substantially toroidal field
Bromberg et al. Status of high temperature superconducting fusion magnet development
Sato et al. High field generation using silver-sheathed BSCCO conductor
Champailler et al. Experiments of bending strain on reduced-scale HTS conductors for fusion energy reactors
Lee et al. Design of HTS modular magnets for a 2.5 MJ toroidal SMES: ReBCO vs. BSCCO
Xia et al. Optimization of transposition in stator bars of hydro-generators
CN113363046B (zh) 一种超导波荡器及其换线方法
US20080242551A1 (en) Wire-in-conduit magnetic conductor technology
JP2001307917A (ja) 超電導線接続方法
US20240088773A1 (en) Wind Turbine Generator with High Temperature Superconducting Elements
Tsuda et al. Suitable method for increasing current carrying capacity of HTS toroidal coils for SMES and DC reactor
WO2024118671A1 (en) High-temperature superconductor magnets with quench damage resiliency
KR20230011341A (ko) 하이 필드 자석들에서 힘들을 분배하는 기술들 및 관련 시스템들 및 방법들

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant