CN113076642B - 根据线圈设计定制化超导带材的方法、超导带材及线圈 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种根据线圈设计定制化超导带材的方法、超导带材及线圈，包括：步骤S1：进行线圈建模和电磁仿真，获取所述线圈在达到额定设计值时整个超导带材的临界电流分布；步骤S2：将所述临界电流分布换算成制备超导带材的工艺参数；步骤S3：根据所述工艺参数制备超导带材。根据需求提前进行超导带材的制备工艺制定，在大规模量产节省原材料，节省不必要的浪费。对带材保护层分流能力的要求低。线圈失超时，所有带材的失超均匀，不易产生局部损坏。

Description

根据线圈设计定制化超导带材的方法、超导带材及线圈
技术领域
本发明涉及超导材料领域，具体地，涉及一种根据线圈设计定制化超导带材的方法、超导带材及线圈。
背景技术
超导线圈根据形状的不同分为圆形、跑道形、马鞍型等，根据绕制方式不同分为层绕式和双饼式两种，又根据导线是否绝缘分为有绝缘和无绝缘两种。目前世界上许多研究机构和实验室开展了直流高温超导磁体项目。截止到目前，磁场最高的超导内插磁体，是由美国高场实验室Hahn团队采用无绝缘绕制工艺制作的REBCO层绕内插磁体，它在31T的阻性磁体中产生了9.2T的磁场，其中心磁场达到了40.2T，绕组的工程电流密度接近达到了破纪录的905A/mm2。
一个磁体可以由若干个线圈堆叠而成，一个线圈由一根超导带材绕制而成，短则几十米，长则几千米。由于线圈在空间中产生的磁场不同，因此在一个线圈上的每一段超导带材上受到的磁场不同，这段超导带材的临界电流也不一致。线圈可以是传导冷却也可以是浸泡式冷却。尤其传导冷却的大线圈，由于线圈上有一个温度梯度的分布，因此在一个线圈上的每一段带材上受到的温度不同，这段带材的临界电流也会不一致。
通常来说，都是拿一根固定临界电流的长带材来绕制线圈做成磁体的，如果线圈各点温度相同，磁场的最高处超导带材的临界电流就会衰减最大，这一点就会最为薄弱。一个线圈发生过流，带材发生失超往往从这一点的局部开始，再往外扩散。当然实际的情况是磁场和温度这两个参数会耦合，有时候局部没有控制好，线圈容易在此处烧毁。
US20200194154A1《Fast inductive heaters for active quench protectionof superconducting coil》美国高场实验室设计了一种加热器置于模块之间。当检测线圈总端压达到1V时便进行主动保护，即切断磁体电源并对加热器进行加热。通过对模型线圈进行失超测试发现，主动失超保护系统能有效保护REBCO线圈。该保护的机理就是在带材局部有失超时，通过加热盘加热让所有带材一起失超触发电源开断，从而保护局部失超的带材由于电源系统没有动作而被烧毁。
无感的超导应用，如超导电缆和电阻型超导限流器中，需要带材的临界电流均匀性好。不希望带材有低电流段，在磁体中同样也是如此。但是生产的一根临界电流非常均一的超导带材，绕制成线圈后。由于每一处磁场和温度的不同，势必在每段带材上的临界电流不一致。图1、图2和图3分别为某二代高温超导带材在不同温度(15K，30K，50K)，不同磁场1-8T，不同角度0-240°下的临界电流变化。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种根据线圈设计定制化超导带材的方法、超导带材及线圈。
根据本发明提供的一种根据线圈设计定制化超导带材的方法，包括：
步骤S1：进行线圈建模和电磁仿真，获取所述线圈在达到额定设计值时整个超导带材的临界电流分布；
步骤S2：将所述临界电流分布换算成制备超导带材的工艺参数；
步骤S3：根据所述工艺参数制备超导带材。
优选地，所述工艺参数包括：
镀制超导层过程中带材基底的温度；
脉冲激光沉积超导层过程中的激光功率；
脉冲激光沉积超导层过程中的脉冲频率。
优选地，步骤S3包括：
在基带上制备缓冲层、种子层、帽子层、超导层和保护层，其中，所述超导层在制备过程中根据所述工艺参数进行控制。
优选地，所述超导层的制备方式包括：脉冲激光沉积或金属有机沉积。
优选地，所述步骤S1还包括：
对温度场进行仿真，对获取的整个超导带材的临界电流分布进行修正。
根据本发明提供的一种超导带材，采用上述的根据线圈设计定制化超导带材的方法制备得到。
根据本发明提供的一种线圈，采用上述的超导带材绕制而成。
优选地，在到达额定电流时，所述线圈每一处的超导带材的临界电流值的偏差在预设范围之内。
优选地，所述预设范围包括20％。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、根据需求提前进行超导带材的制备工艺制定，在大规模量产节省原材料，节省不必要的浪费。
2、对带材保护层分流能力的要求低。
3、线圈失超时，所有带材的失超均匀，不易产生局部损坏。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为二代高温超导带材在15K温度，1-8T磁场，不同角度0-240°下的临界电流变化示意图；
图2为二代高温超导带材在30K温度，1-8T磁场，不同角度0-240°下的临界电流变化示意图；
图3为二代高温超导带材在50K温度，1-8T磁场，不同角度0-240°下的临界电流变化示意图；
图4为本发明的根据线圈设计定制化超导带材的流程图；
图5为本发明的定制化超导线圈的电流图；
图6为不同温度下的临界电流示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图4所示，根据本发明提供的一种根据线圈设计定制化超导带材的方法，包括：
步骤S1：进行线圈建模和电磁仿真，获取所述线圈在达到额定设计值时整个超导带材的临界电流分布。对温度场进行仿真，对获取的整个超导带材的临界电流分布进行修正。
步骤S2：将所述临界电流分布换算成制备超导带材的工艺参数。工艺参数包括：镀制超导层过程中带材基底的温度、脉冲激光沉积超导层过程中的激光功率或脉冲激光沉积超导层过程中的脉冲频率。
步骤S3：根据所述工艺参数制备超导带材。包括在基带上制备缓冲层、种子层、帽子层、超导层和保护层，其中，所述超导层在制备过程中根据所述工艺参数进行控制，超导层的制备方式包括：脉冲激光沉积或金属有机沉积。
如图6所示，在加热灯的不同输出电压下(不同的加热温度下)，镀制的超导层的临界电流会随之变化。由于加热的温度较高，加热腔内设置温度采集设备会容易导致损坏，因此图6中提供了通过采集超导层表面灰度值来判断温度的方式，通常的，加热温度越高，超导层表面的颜色就会越浅。具体测试步骤如下：
灰度采集步骤：实时获取镀膜过程中待测带材的膜层(超导层)所在侧的灰度图像，将每条待测带材按照宽度方向划分为多个部分，对每个部分预设探测区域进行灰度值检测，得到对应的多个灰度值。
灰度差计算步骤：分别将每个部分的灰度值与预设值相减，得到灰度差。
反馈控制步骤：根据所述灰度差反馈控制镀膜的温度(加热灯等加热设备)，在所述灰度差为正的情况下降低相应部分的温度，在所述灰度差为负的情况下增加相应部分的温度。
为了避免环境光对检测带来的影响，采集待测带材的灰度图像，并对灰度图像进行背景灰度校准。背景灰度校准包括设置多个背景灰度校准点，通过对图中的其中一个或多个背景灰度校准点的校准同时校准图中的其他部分。具体的，可以设置多个具有已知标准灰度值的校准物体，分布于图像中的不同位置，每个校准物体负责校准预定区域的灰度。将采集到的灰度图像中其中一个校准物体的灰度值与实际值进行比对，将图像中校准物体的灰度值校准至实际值，从而调整相应区域的回复，实现灰度图像的整体灰度值校准。
由于在镀膜过程中，带材需要沿着其长度方向运动实现连续镀膜，若镀膜的温度在带材的宽度方向上出现偏差，那么同一条带材的性能就会在宽度方向出现偏差，甚至在多条带材同时进行镀膜时，不同带材之间的性能会有较大的区别。本发明分别将相邻两个部分的灰度值相减，得到多个第二灰度差，根据多个第二灰度差得到镀膜温度的横向变化情况，从而及时进行温度的调整，避免上述情况的发生。
本领域技术人员指导，超导线圈为螺旋状的圆形卷状结构，在通电状态下，越在圈内磁场越大，而磁场的增加可能会导致超导材料产生失超的情况。因此，本实施例通过上述方法制备了一个定制化的超导线圈，其采用的带材在线圈的内部宽度大于线圈外部的宽度，因此内部可以通过更大的电流，从而避免失超的情况发生，其电流检测如图5所示。
本发明可用于超导带材的制备，同时得到的超导带材用于绕制线圈。在到达额定电流时，所述线圈每一处的超导带材的临界电流值的偏差在20％之内。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种根据线圈设计定制化超导带材的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：进行线圈建模和电磁仿真，获取所述线圈在达到额定设计值时整个超导带材的临界电流分布；
步骤S2：将所述临界电流分布换算成制备超导带材的工艺参数；
步骤S3：根据所述工艺参数制备超导带材；
所述工艺参数包括：
镀制超导层过程中带材基底的温度；
脉冲激光沉积超导层过程中的激光功率；
脉冲激光沉积超导层过程中的脉冲频率。
2.根据权利要求1所述的根据线圈设计定制化超导带材的方法，其特征在于，步骤S3包括：
在基带上制备缓冲层、种子层、帽子层、超导层和保护层，其中，所述超导层在制备过程中根据所述工艺参数进行控制。
3.根据权利要求2所述的根据线圈设计定制化超导带材的方法，其特征在于，所述超导层的制备方式包括：脉冲激光沉积或金属有机沉积。
4.根据权利要求1所述的根据线圈设计定制化超导带材的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
对温度场进行仿真，对获取的整个超导带材的临界电流分布进行修正。
5.一种超导带材，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的根据线圈设计定制化超导带材的方法制备得到。
6.一种线圈，其特征在于，采用权利要求5所述的超导带材绕制而成。
7.根据权利要求6所述的线圈，其特征在于，在到达额定电流时，所述线圈每一处的超导带材的临界电流值的偏差在预设范围之内。
8.根据权利要求7所述的线圈，其特征在于，所述预设范围包括20％。
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