CN113690010A - 一种新型混合结构的高温超导储能磁体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型混合结构的高温超导储能磁体，包括装配件，装配件内设置有REBCO线圈，REBCO线圈外套设有导磁件，导磁件外套设有MgB2线圈，REBCO线圈与导磁件之间、导磁件与MgB2线圈之间均存在有间隙。本发明提出在MgB2磁体内插YBCO磁体的混合磁体结构，由于YBCO材料较MgB2材料来说在高场下具有更高的临界电流，相对于普通MgB2磁体，该混合磁体结构能够增加磁体运行电流，提高磁体储能密度。且由于YBCO材料价格较为昂贵，采用混合磁体相对于普通YBCO磁体来说，能够降低磁体制作成本，使超导储能磁体大型化成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁体技术领域，特别是涉及一种新型混合结构的高温超导储能磁体。
背景技术
高温超导磁储能系统具有储能密度高、功率密度高、功率补偿能力强等优点，可以有效的平衡电力系统的负荷波动，维持电压和频率的稳定性，提高电能质量，在电力系统稳定运行方面具有良好的应用前景。
大型超导储能磁体多采用环形结构。对于大型高温超导储能磁体，为保证储能系统储能量足够大，磁体会产生较大的磁场。以10MJ高温超导储能系统为例，其产生的磁场最大处约为3-5T，这就对制作超导储能磁体的带材在高磁场下的运行性能提出了要求。第二代高温超导带材在高场下具有良好的工作性能，是研究大型高温超导储能磁体的首选材料。但是由于第二代高温超导材料价格高昂，导致储能磁体制作成本一直居高不下，严重限制了大型高温超导储能磁体的商业化和实用化。而新型高温超导材料MgB2虽然在高场下临界电流较小，但在低场下具有较好的工作性能，且价格较为便宜。如果能采取措施降低磁体运行过程中自场的对磁体性能的影响，同时，在磁体制造过程中在磁场较低处使用MgB2带材，而在磁场较高处使用YBCO带材，这既保证了磁体具有足够大的运行电流，又能降低磁体的制造成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型混合结构的高温超导储能磁体，以解决上述现有技术存在的问题，提出在MgB2磁体内插YBCO磁体的混合磁体结构，由于YBCO材料较MgB2材料来说在高场下具有更高的临界电流，相对于普通MgB2磁体，该混合磁体结构能够增加磁体运行电流，提高磁体储能密度。且由于YBCO材料价格较为昂贵，采用混合磁体相对于普通YBCO磁体来说，能够降低磁体制作成本，使超导储能磁体大型化成为可能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种新型混合结构的高温超导储能磁体，包括装配件，所述装配件内设置有REBCO线圈，所述REBCO线圈外套设有导磁件，所述导磁件外套设有MgB2线圈，所述REBCO线圈与所述导磁件之间、所述导磁件与所述MgB2线圈之间均存在有间隙，所述REBCO线圈、所述导磁件、所述MgB2线圈通过连接件与所述装配件固接；
所述REBCO线圈包括与所述装配件固接的REBCO骨架，所述REBCO骨架外侧绕设有REBCO线匝；
所述MgB2线圈包括与所述装配件固接的MgB2骨架，所述MgB2骨架外侧绕设有MgB2线匝。
优选的，所述导磁件包括与所述装配件固接的导磁环骨架，所述导磁环骨架外侧绕设有用于聚磁的导磁环。
优选的，所述装配件包括相对设置的前端盖和后端盖，所述REBCO骨架、所述MgB2骨架、所述导磁环骨架均位于所述前端盖与后端盖之间，且所述REBCO骨架、所述MgB2骨架、所述导磁环骨架均通过所述连接件与所述前端盖和后端盖固接。
优选的，所述连接件包括若干连接螺栓，所述REBCO骨架、所述MgB2骨架、所述导磁环骨架上分别开设有若干第一螺纹孔，所述前端盖和所述后端盖上分别开设有若干第二螺纹孔，所述第一螺纹孔与所述第二螺纹孔对应设置，所述第一螺纹孔与所述第二螺纹孔通过连接螺栓连接。
优选的，所述MgB2线匝上方设置有上端盖，所述MgB2线匝下方设置有下端盖，所述上端盖和所述下端盖均位于所述前端盖与所述后端盖之间，且所述上端盖分别与所述前端盖和所述后端盖可拆卸连接，所述下端盖分别与所述前端盖和所述后端盖可拆卸连接。
优选的，所述上端盖和所述下端盖远离所述MgB2线匝的一侧均开设有第三螺纹孔。
优选的，所述REBCO骨架、所述MgB2骨架、所述导磁环骨架结构相同，所述REBCO骨架包括直边和弧形边，所述直边两端分别与所述弧形边两端固接，所述直边与所述弧形边连接处设置有弧形过渡。
优选的，所述REBCO骨架、所述MgB2骨架、所述导磁环骨架均设置有切割缝隙。
优选的，所述导磁环材质为软磁材料。
优选的，所述前端盖和所述后端盖上均开设有通孔，所述通孔与所述REBCO骨架对应设置。
本发明公开了以下技术效果：
1.通过在MgB2线匝内插YBCO线匝的混合磁体结构，由于YBCO材料较MgB2材料来说在高场下具有更高的临界电流，相对于普通MgB2磁体，该混合磁体结构能够增加磁体运行电流，提高磁体储能密度。
2.由于YBCO材料价格较为昂贵，采用混合磁体相对于普通YBCO磁体来说，能够降低磁体制作成本，使超导储能磁体大型化成为可能。
3.本发明设计的超导储能磁体结构为环形超导储能系统中的一个磁体模块，可根据实际需要将若干超导储能磁体串联组装为一个大型超导储能系统。该结构储能磁体具有运行电流高，制作成本低，能量密度大，散热快，易于加工制造及安装的特点。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为高温超导储能磁体装配完成的立体图；
图2为高温超导磁体内部结构的立体图；
图3为REBCO线圈、导磁件、MgB2线圈位置关系的结构示意图；
图4为REBCO线匝与REBCO骨架位置关系的结构示意图；
图5为前端盖的立体图；
图6为连接螺栓的立体图；
其中，1-REBCO骨架，2-REBCO线匝，3-MgB2骨架，4-MgB2线匝，5-导磁环骨架，6-导磁环，7-前端盖，8-后端盖，9-连接螺栓，10-第一螺纹孔，11-第二螺纹孔，12-上端盖，13-下端盖，14-第三螺纹孔，15-切割缝隙，16-通孔，17-第四螺纹孔。
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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种新型混合结构的高温超导储能磁体，包括装配件，装配件内设置有REBCO线圈，REBCO线圈外套设有导磁件，导磁件外套设有MgB2线圈，REBCO线圈与导磁件之间、导磁件与MgB2线圈之间均存在有间隙，REBCO线圈、导磁件、MgB2线圈通过连接件与装配件固接；REBCO线圈包括与装配件固接的REBCO骨架1，REBCO骨架1外侧绕设有REBCO线匝2；MgB2线圈包括与装配件固接的MgB2骨架3，MgB2骨架3外侧绕设有MgB2线匝4。
组成本发明的高温超导储能磁体的线圈共有两种，REBCO线圈与MgB2线圈，其中REBCO线圈包括REBCO骨架1及其REBCO线匝2，MgB2线圈包括MgB2骨架3及其MgB2线匝4。磁体在运行过程中，磁体上磁场最大处位于磁体内壁处，为了保证磁体有足够大的运行电流，本发明将高场下性能较好的REBCO线匝2内插在MgB2线匝4内侧。
其中，REBCO骨架1主要为REBCO线匝2提供装配固定作用，REBCO线匝2紧密缠绕在REBCO骨架1上，且REBCO线匝2与REBCO骨架1前后应当平齐。MgB2骨架3主要为MgB2线匝4提供装配固定作用，MgB2线匝4紧密缠绕在MgB2骨架3上，且MgB2线匝4与MgB2骨架3前后应当平齐。REBCO线匝2与MgB2线匝4前后应当平齐。
其中，导磁件位于REBCO线匝2与MgB2线匝4之间，导磁件主要起到聚磁作用，减小磁场对REBCO线匝2和MgB2线匝4的影响。
REBCO超导带材主要包括GdBCO超导带材以及YBCO超导带材，本技术方案中，为提高运行电流，REBCO线匝2采用多根YBCO超导带材并联、串联绕制而成。
本技术方案中，绝缘采用聚酰亚胺薄膜。将聚酰亚胺薄膜缠绕在超导带材上后进行超导磁体的绕制。
本技术方案中，整体装置浸泡在液氢环境中冷却。
进一步优化方案，导磁件包括与装配件固接的导磁环骨架5，导磁环骨架5外侧绕设有用于聚磁的导磁环6。导磁环骨架5主要为导磁环6提供装配固定作用，导磁环6内侧与导磁环骨架5外侧紧密接触。导磁环6外侧应当与MgB2骨架3内侧存在间隙，两个并不接触，而导磁环骨架5内侧应当与REBCO线匝2外侧存在间隙，两者之间没有直接接触。
其中，由于REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5主要起到支撑固定的作用，为避免在超导磁体充放电过程中电流变化在骨架内产生涡流，骨架可采用非金属材料，例如用玻璃纤维增强树脂基复合材料。也可以采用黄铜、不锈钢等散热性能好的金属材料，以降低涡流产生的可能性，提高装置使用寿命。
本技术方案中，采用MgB2线匝4形成的MgB2磁体内插REBCO线匝2形成的YBCO磁体的混合磁体结构，由于YBCO材料较MgB2材料来说在高场下具有更高的临界电流，相对于普通MgB2磁体，该混合磁体结构能够增加磁体运行电流，提高磁体储能密度。但由于YBCO材料价格较为昂贵，采用混合磁体相对于普通YBCO磁体来说，能够降低磁体制作成本，使超导储能磁体大型化成为可能。
进一步优化方案，装配件包括相对设置的前端盖7和后端盖8，REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5均位于前端盖7与后端盖8之间，且REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5均通过连接件与前端盖7和后端盖8固接。前端盖7和后端盖8的大小、尺寸应当相同，前端盖7和后端盖8起到支撑REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5的作用，在连接件的作用下，使得三者安装在前端盖7和后端盖8上，进而使得REBCO线匝2、MgB2线匝4、导磁环6位置的固定。
进一步优化方案，连接件包括若干连接螺栓9，REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5上分别开设有若干第一螺纹孔10，前端盖7和后端盖8上分别开设有若干第二螺纹孔11，第一螺纹孔10与第二螺纹孔11对应设置，第一螺纹孔10与第二螺纹孔11通过连接螺栓9连接。第一螺纹孔10和第二螺纹孔11的大小、尺寸相同，其中，前端盖7和后端盖8上分别存在三组依次排列的第二螺纹孔11，以分别对应REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5上的第一螺纹孔10，在连接螺栓9的作用下，即可实现REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5的位置固定。
进一步优化方案，MgB2线匝4上方设置有上端盖12，MgB2线匝4下方设置有下端盖13，上端盖12和下端盖13均位于前端盖7与后端盖8之间，且上端盖12分别与前端盖7和后端盖8可拆卸连接，下端盖13分别与前端盖7和后端盖8可拆卸连接。上端盖12和下端盖13的设置是为了提高前端盖7和后端盖8连接的牢固性，进而提高整体装置的牢固性，上端盖12和下端盖13大小、尺寸应当相同。其宽度与前端盖7和后端盖8一致；其厚度与REBCO线匝2以及REBCO骨架1厚度一致。在上端盖12和下端盖13中间各设有一排水平排列的前后贯穿的第四螺纹孔17，通过第四螺纹孔17使得上端盖12和下端盖13可以与前端盖7和后端盖8连接固定。
本技术方案中，REBCO线匝2等左右两端不设有端盖，可以增加REBCO线匝2等与冷却剂的接触面积，增加REBCO线匝2等冷却速度，提高REBCO线匝2等散热效率。
进一步优化方案，上端盖12和下端盖13远离MgB2线匝4的一侧均开设有第三螺纹孔14。上端盖12顶端有一组向下的第三螺纹孔14，下端盖13底端有一组向上的第三螺纹孔14，用于该超导储能磁体模块与储能系统的装配。
进一步优化方案，REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5结构相同，REBCO骨架1包括直边和弧形边，直边两端分别与弧形边两端固接，直边与弧形边连接处设置有弧形过渡。REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5的结构相同，通过设置直边和弧形边，进而降低了超导带材所受张力，且在直边和弧形边的连接处设置成弧形过渡，以便于REBCO线匝2绕设在REBCO骨架1上。
本技术方案中，高温超导磁体均采用根据Princeton-D恒张力线圈理论优化而来双饼线圈环绕排列而成，而非传统的常规圆环型结构线圈，该线圈在运行时仅仅承受恒等的张力而不受弯矩，相对于常规圆环型结构线圈来说，可以有效减小应力，达到降低支撑结构难度并减小磁体整体尺寸，提高磁体储能密度的目的。
进一步优化方案，REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5均设置有切割缝隙15。通过设置REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5的结构以及材料选择，在保证满足支撑强度要求后，通过在REBCO骨架1、MgB2骨架3、导磁环骨架5上切割出切割缝隙15来降低涡流，进一步提高装置的使用寿命。
进一步优化方案，导磁环6材质为软磁材料。导磁环6选用软磁材料，其聚磁效果好。
进一步优化方案，前端盖7和后端盖8上均开设有通孔16，通孔16与REBCO骨架1对应设置。通孔16的设置，一方面降低了整体装置的重量，另一方面便于REBCO线匝2等与外部冷却液接触，提高散热效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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发明，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发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种新型混合结构的高温超导储能磁体，其特征在于，包括装配件，所述装配件内设置有REBCO线圈，所述REBCO线圈外套设有导磁件，所述导磁件外套设有MgB2线圈，所述REBCO线圈与所述导磁件之间、所述导磁件与所述MgB2线圈之间均存在有间隙，所述REBCO线圈、所述导磁件、所述MgB2线圈通过连接件与所述装配件固接；
所述REBCO线圈包括与所述装配件固接的REBCO骨架(1)，所述REBCO骨架(1)外侧绕设有REBCO线匝(2)；
所述MgB2线圈包括与所述装配件固接的MgB2骨架(3)，所述MgB2骨架(3)外侧绕设有MgB2线匝(4)。
2.根据权利要求1所述的新型混合结构的高温超导储能磁体，其特征在于：所述导磁件包括与所述装配件固接的导磁环骨架(5)，所述导磁环骨架(5)外侧绕设有用于聚磁的导磁环(6)。
3.根据权利要求2所述的新型混合结构的高温超导储能磁体，其特征在于：所述装配件包括相对设置的前端盖(7)和后端盖(8)，所述REBCO骨架(1)、所述MgB2骨架(3)、所述导磁环骨架(5)均位于所述前端盖(7)与后端盖(8)之间，且所述REBCO骨架(1)、所述MgB2骨架(3)、所述导磁环骨架(5)均通过所述连接件与所述前端盖(7)和后端盖(8)固接。
4.根据权利要求3所述的新型混合结构的高温超导储能磁体，其特征在于：所述连接件包括若干连接螺栓(9)，所述REBCO骨架(1)、所述MgB2骨架(3)、所述导磁环骨架(5)上分别开设有若干第一螺纹孔(10)，所述前端盖(7)和所述后端盖(8)上分别开设有若干第二螺纹孔(11)，所述第一螺纹孔(10)与所述第二螺纹孔(11)对应设置，所述第一螺纹孔(10)与所述第二螺纹孔(11)通过连接螺栓(9)连接。
5.根据权利要求3所述的新型混合结构的高温超导储能磁体，其特征在于：所述MgB2线匝(4)上方设置有上端盖(12)，所述MgB2线匝(4)下方设置有下端盖(13)，所述上端盖(12)和所述下端盖(13)均位于所述前端盖(7)与所述后端盖(8)之间，且所述上端盖(12)分别与所述前端盖(7)和所述后端盖(8)可拆卸连接，所述下端盖(13)分别与所述前端盖(7)和所述后端盖(8)可拆卸连接。
6.根据权利要求5所述的新型混合结构的高温超导储能磁体，其特征在于：所述上端盖(12)和所述下端盖(13)远离所述MgB2线匝(4)的一侧均开设有第三螺纹孔(14)。
7.根据权利要求2所述的新型混合结构的高温超导储能磁体，其特征在于：所述REBCO骨架(1)、所述MgB2骨架(3)、所述导磁环骨架(5)结构相同，所述REBCO骨架(1)包括直边和弧形边，所述直边两端分别与所述弧形边两端固接，所述直边与所述弧形边连接处设置有弧形过渡。
8.根据权利要求2所述的新型混合结构的高温超导储能磁体，其特征在于：所述REBCO骨架(1)、所述MgB2骨架(3)、所述导磁环骨架(5)均设置有切割缝隙(15)。
9.根据权利要求2所述的新型混合结构的高温超导储能磁体，其特征在于：所述导磁环(6)材质为软磁材料。
10.根据权利要求5所述的新型混合结构的高温超导储能磁体，其特征在于：所述前端盖(7)和所述后端盖(8)上均开设有通孔(16)，所述通孔(16)与所述REBCO骨架(1)对应设置。
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