CN113658770B - 一种环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置，它的组成包括:环形柱状磁体装置(1)，抗径向应力保护壳(2)和抗环向应力夹层(3),环形柱状磁体装置(1)由D形单饼磁体(6)组成，抗径向应力保护壳(2)由支撑内壳(4)和保护外壳(5)两部分组成，相邻两片D形单饼磁体(6)之间使用抗环向应力夹层(3)隔开。抗径向应力保护壳(2)的环向厚度与D形单饼磁体(6)的厚度相同，其中支撑内壳(4)的径向厚度W3均匀，保护外壳(5)的靠直线段侧径向厚度W1较大，长弧段侧径向厚度W2较小，中间部分均匀过渡。可解决磁体所受电磁应力过大且分布集中的问题，将磁体所受的径向、环向及轴向应力限制在合理的范围之内。

Description

一种环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置
技术领域
本发明涉及磁体装置领域，特别涉及一种D形单饼的环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置。
背景技术
环形柱状磁体结构作为典型磁体结构的一种，可以将其产生的磁场有效锁存在磁体内部，储能时具有效率高、密度高、寿命长的优点。储能用环形柱状磁体用于电动汽车充电站储能、电动汽车储能时可有效规避传统锂电池固有的寿命短、处理难度大的问题，是储能以及电动汽车领域的重要研究方向。
储能用环形柱状磁体往往是在高磁场、强电流的环境下工作。但是，高磁场、强电流环境下的环形柱状磁体在使用时会产生非常大的电磁应力，这种不均匀分布且量级过大的电磁应力对于磁体结构是具有破坏性的。电磁应力问题也是限制环形柱状磁体进一步发展以及运用的重要因素之一。
因此，提出一种可有效解决上述问题的环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置是十分必要的。本发明提出的一种抗电磁应力保护装置采用了保护外壳、支撑内壳以及抗环向应力夹层组合使用的全方位包裹保护结构，可有效解决磁体所受电磁应力过大且分布集中的问题，可有效地将磁体所受的径向应力、环向应力以及轴向应力都限制在合理的范围之内。另一方面，本发明提出的抗电磁应力保护装置可以保护磁体避免发生严重的形变以及金属疲劳问题，提高了整个储能系统的利用率和可靠性。
发明内容
本发明提供如下技术方案：
1.一种环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置，它的组成包括:环形柱状磁体装置(1)，抗径向应力保护壳(2)和抗环向应力夹层(3),环形柱状磁体装置(1)由D形单饼磁体(6)组成，抗径向应力保护壳(2)由支撑内壳(4)和保护外壳(5)两部分组成，相邻两片D形单饼磁体(6)之间使用抗环向应力夹层(3)隔开。
2.所述的抗径向应力保护壳(2)的环向厚度与D形单饼磁体(6)的厚度相同，其中支撑内壳(4)的径向厚度W3均匀，保护外壳(5)的靠直线段侧径向厚度W1较大，长弧段侧径向厚度W2较小，中间部分均匀过渡。
3.所述的D形单饼磁体(6)相邻两片之间使用抗环向应力夹层(3)隔开。
4.所述的D形单饼磁体(6)为四段式设计，从内到外依次为长度为L的直线段(7)、两段对称且半径为R的短弧段(8)、角度为0的长弧段(9)，各段之间为平滑过渡。
5.所述的抗径向应力保护壳(2)的材质为高强度碳纤维M60J或高强度碳纤维T800s；
6.所述的抗环向应力夹层(3)的材质为优质碳素结构钢。
本发明的显著优点为：
1.本发明提出的一种环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置采用了保护外壳、支撑内壳以及抗环向应力夹层组合使用的全方位包裹保护结构，可有效解决磁体所受电磁应力过大且分布集中的问题，可有效地将磁体所受的径向应力、环向应力以及轴向应力都限制在合理的范围之内。
2.本发明提出的一种环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置采用了高强度碳纤维M60J或者高强度碳纤维T800s作为抗径向应力保护壳基础材料，采用了优质碳素结构钢作为抗环向应力夹层基础材料，可以有效保护磁体避免发生严重的形变以及金属疲劳问题，提高了整个环形柱状磁体系统的利用率和可靠性。
附图说明
图1是环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置整体结构图。
图2是环形柱状储能磁体用抗径向应力保护壳结构图。
图3是D形单饼磁体的结构及设计原理图。
图4是D形单饼磁体的截面图。
图5是等效应力和保护结构厚度关系图。
图6是最大形变程度和保护结构厚度关系图。
图中：1为环形柱状磁体装置，2为抗径向应力保护壳，3为抗环向应力夹层，4为支撑内壳，5为保护外壳，6为D形单饼磁体，7为长度为L的直线段，8为半径为R的短弧段，9为角度为0的长弧段，10为多匝或多层线圈。
具体实施方式
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详细说明，本发明的保护范围包括但不限于下述实施例。
本实施例以对400MJ级超导电磁储能器用柱状磁体装置的保护作为使用背景，其所用的基于D形单饼磁体的新型环形柱状磁体及其抗电磁应力保护装置的整体结构如图1所示。
其中，磁体为环形柱状结构，其为180片D形单饼磁体沿轴线环状等间隔均匀分布组合而成，相邻两片单饼磁体的分布间隔为2°。如图3所示，每片单饼磁体为四段式D形设计，其近旋转轴侧为直边，远旋转轴侧为弧边；每片单饼磁体的直边与中心轴呈平行、等距关系。单饼磁体采用四段式D形结构设计，从内到外依次为长度为L的直线段(7)、两段对称且半径为R的短弧段(8)、角度为0的长弧段(9)的水平方向轴对称结构。此外，D形单饼磁体中四段之间的连接处为平滑过渡：短弧段与长弧段连接点、该短弧段对应圆心以及长弧段对应圆心三点共线；直线段与短弧段连接点处对应的短弧段半径与直线段相垂直。直线段的长度为L，短弧段对应的半径大小为R，长弧段对应角度为0，即可计算出长弧段对应的半径R’如下式所示：
Figure BDA0003203590700000031
因此，当直线段的长度L，短弧段对应的半径R，长弧段对应角度0三个参数固定时，即可得到固定的D形单饼磁体结构。本发明将D形单饼磁体可调节的结构参数定为长弧段的角度0与长度比α，其中长度比α可描述为：
α＝L/R
式中，L为直线段的长度，R为短弧段的半径。角度0的变化范围为[0°，180°]，长度比α的变化范围为[0，+∞)。
D形单饼线圈材料为第二代高温超导材料稀土钡铜氧化合物(ReBCO)。如图4所示，图中10是D形单饼磁体截面，其为27匝高温超导带材绕制而成，每匝带材内通入400A的电流，从而得到一个可储存400MJ级能量的高温超导电磁储能器用磁体装置。
本实施例所用基于D形单饼磁体的环形柱状储能磁体装置的各项参数总结如表1所示。
表1
Figure BDA0003203590700000041
通入大电流后，本实施例所述的高温超导电磁储能器用环形柱状磁体内侧会产生19.9T大小的磁场。因此该环境下其必然会产生巨大的电磁应力fEM，其可用下述公式进行描述：
fEM＝J×B
式中，J为电流密度，B为所处环境下磁场强度的大小。产生巨大的电磁应力后，必然会导致产生巨大的形变与应变关系，其与应力的关系可用下述公式进行描述：
ε＝D·u
f＝C·ε
式中，u为形变，ε为应变，f为应力，D为系数，C为模量。由此，可以对原有模型进行仿真运算，即可得到本实施例中磁体所受的最大等效应力、各向最大应力以及形变程度，其总结如表2所示。
表2
Figure BDA0003203590700000051
本实施例采用抗电磁应力保护装置，用于对该环形柱状磁体的保护，其组成包括抗径向应力保护壳以及抗环向应力夹层，其中抗径向应力保护壳由支撑内壳和保护外壳两部分组成；抗径向应力保护壳的环向厚度与D形单饼磁体的厚度相同，其中支撑内壳的径向厚度W3均匀，保护外壳的靠直线段侧径向厚度W1较大，长弧段侧径向厚度W2较小，中间部分均匀过渡；相邻两片D形单饼磁体之间使用抗环向应力夹层隔开。
抗径向应力保护壳的材质为高强度碳纤维M60J或者高强度碳纤维T800s；抗环向应力夹层的材质为优质碳素结构钢。这三种保护用材料的杨氏模量以及泊松比如表3所示。
表3
Figure BDA0003203590700000052
其中，固定内侧支撑用保护壳的径向厚度W3为77mm，保护外壳的长弧段侧径向厚度W2为150mm不变，固定抗环向应力夹层材料为优质碳素结构钢，改变抗径向应力保护壳的材料以及保护外壳的直线段侧径向厚度W1的大小，可以得到对应等效应力、最大形变程度和材料、厚度的关系图如图5和图6所示。由图5和图6可知，高强度碳纤维M60J保护效果优于高强度碳纤维T800s；保护外壳的直线段侧径向厚度W1越大，保护效果越好，且当厚度大于350mm时，保护效果的提升不再明显。
结合上述分析，可给出本实施例的环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置的方案如表4所示。
表4
Figure BDA0003203590700000061
对上述抗电磁应力保护装置保护前后环形柱状磁体所受的最大等效应力以及形变程度进行对比总结，如表5所示。
表5
Figure BDA0003203590700000062
在使用了本发明所述的抗电磁应力保护装置后，82.06Mpa的最大等效应力和0.285mm的最大形变程度都在ReBCO带材的可承受范围以内。本实施例中的环形柱状磁体所受等效应力以及产生的最大形变程度分别仅为原来的1.7％和1.0％，保护效果显著。环形柱状磁体在使用时量级大且分布不均匀的电磁应力问题和超过材料可承受范围的形变问题都可通过本发明所述的抗电磁应力保护装置得以解决。
显然，本发明的上述实施例的提出仅仅是为了说明本发明而作的举例过程，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，只要是使用做出些许简单修改或修饰的技术方案，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置，它的组成包括:环形柱状磁体装置(1)，抗径向应力保护壳(2)和抗环向应力夹层(3),其特征在于：环形柱状磁体装置(1)由D形单饼磁体(6)组成，抗径向应力保护壳(2)由支撑内壳(4)和保护外壳(5)两部分组成，相邻两片D形单饼磁体(6)之间使用抗环向应力夹层(3)隔开，抗径向应力保护壳(2)的材质为高强度碳纤维M60J或高强度碳纤维T800s，其环向厚度与D形单饼磁体(6)的厚度相同，其中支撑内壳(4)的径向厚度W3均匀，保护外壳(5)的靠直线段侧径向厚度W1较大，长弧段侧径向厚度W2较小，中间部分均匀过渡。
2.根据权利要求1所述的环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置，其特征在于：所述的D形单饼磁体(6)相邻两片之间使用抗环向应力夹层(3)隔开。
3.根据权利要求1所述的环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置，其特征在于：所述的D形单饼磁体(6)为四段式设计，从内到外依次为长度为L的直线段(7)、两段对称且半径为R的短弧段(8)、角度为θ的长弧段(9)，各段之间为平滑过渡。
4.根据权利要求1所述的环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置，其特征在于：所述的抗环向应力夹层(3)的材质为优质碳素结构钢。
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