CN115631889A - 一种适用于降低交流损耗的复合化高温超导变入射角导体设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于降低交流损耗的复合化高温超导变入射角导体设计方法，其特征在于：所述的复合化高温超导变入射角导体将超导带材以不同的层入射角度螺旋分层堆叠缠绕于芯棒上，所述的芯棒可根据复合化高温超导导体应用环境使用空心铜管或者多芯软铜线，所述的芯棒尺寸直接影响每层超导带材的入射角极限值，根据芯棒尺寸与每层带材数量确定入射角的范围；考虑不同入射角对于内层高温超导带材磁渗透和损耗变化特征的影响，以降低交流损耗为目标，每层超导带材的入射角度范围与导体载流量为限制条件，优化得到各层的入射角度，达到快速励磁工况下复合化高温超导变入射角导体低损耗运行的最终目的。

Description

一种适用于降低交流损耗的复合化高温超导变入射角导体设 计方法

技术领域

本发明属于高温超导导体设计领域，具体涉及一种适用于降低交流损耗的复合化高温超导变入射角导体设计方法。

背景技术

高温超导材料具有广泛的应用前景，由于它是一种陶瓷材料，所以通常会与金属组合起来以制备应用材料。第一代高温超导带材为采用银包套管制作的铋系超导体线材料。由于一代超导带材在导线被拉长时，内部超导体容易发生断裂，另外由于成本较高，很难被广泛地应用。后来人们考虑使用带材，即在具有很好延展性质的金属带沉积一层超导材料，从而制备高质量的超导带材，称之为第二代高温超导带材，同时超导材料本身也比较脆弱，当应用于电工领域时需要与其他的组件相配，以此来抵抗运行过程中电磁力以及其他作用对于超导材料性能的破环。其中YBCO(YBa2Cu3Oy)带材的强电大规模应用取得了突破性的进展，美国麻省理工大学(MIT)采用第二代高温超导带材绕制了多个D型双饼线圈，6个线圈堆叠组装后形成TF线圈原型件，通过液氢冷却到20K后，在电流激励下，最高场达到了20T，高温超导的应用极大的推动了聚变堆小型化进程。

对于大科学装置(聚变堆、大型加速器)的超导磁体系统，普遍采用了将第二代高温超导带材与固定基体相结合的方式制作成复合化超导导体，固定基体最常见的就是无氧铜材，它为超导带材提供防护与力学支撑的同时，在导体失超时也作为电流分流的载体。最常见的TSTC导体中，超导带材堆叠后组装放入铜套中，使用相应的机械设备将导体进行扭绞后整体锡焊，这种导体由于超导带处于铜材的保护之中，不容易收到外部的机械挤压而导致带材性能折损，但同时，由于带材的各向异性高，扭绞截距收到限制，带材换位不彻底。在绕制成磁体后，不同位置的带材会由于电感的原因载流不均衡，导体在没有达到临界电流时提前失超，极大的影响了导体的应用。同时，较小的扭绞截距会增大导体在面临交变电流与交变磁场时的感应电流回环面积与交流损耗。因此，实现超导带材的完全换位是十分必要的。

美国先进导体有限公司(ACT)通过开发CORC导体来尽量实现带材换位，超导带材通过一定角度放置在中心铜管上，绕制机施加张力使各层带材之间紧密贴合。CORC导体与TSTC导体相比有着明显的换位优势，同时TSTC导体在堆叠带材后普遍需要对整体进行挂锡焊接，工艺较为复杂，CORC导体对绕制工装的要求相对简单。多重因素铸就了CORC导体在强电应用方面的突破与成就。在2016年，van der Laan D C利用CORC导体制作了适用于高磁场的磁体。CORC导体具有较高的临界电流密度，临界电流密度也会随着缠绕层数的增加而随之增加。各机构的研究人员制作了不同层数的CORC导体/电缆，临界电流大多为3-7kA范围。由于高温超导复合化CORC导体的复杂应用工况，对其进行详细的交流损耗分析与优化是十分必要的。

根据交流损耗的来源，将其主要分为磁滞损耗、耦合损耗、涡流损耗。磁滞损耗主要来源于超导体的磁通钉扎效应，磁化强度滞后于磁场强度；涡流损耗是指超导带材或者导体中的常规金属部分由于磁场感应电流引起的损耗；而耦合损耗是在电流高频率的工况下，带材基底材料之间的耦合电流带来的损耗，耦合损耗通常是在带材之间的接触电阻较低与电流频率较高时产生。在CORC导体中，带材的绕制张力普遍较低，导致耦合电流无法跨越相邻层间隙构成回路，因此在针对CORC导体交流损耗的仿真中，耦合损耗通常忽略不计，只计算铜管的涡流损耗以及超导带材的磁滞损耗。

常见的复合化高温超导导体为了绕制方便，每层超导带材的入射角是固定的，这种工艺带来的结果是超导带材对金属芯管的覆盖率不足，交变的外磁场会在芯管上产生感应电流，进而产生交流损耗。在固定的入射角下，超导带材彼此之间的覆盖率无法控制，覆盖率较高，内层超导带会受到磁通屏蔽的保护，交流损耗较低。当复合化高温超导CORC导体通入交变电流时，若想要得到最低的交流传输损耗，则需要调整每层带材的入射角，使复合化高温超导导体中心的磁通量为0。因此，通过有限元仿真得到最佳的入射角度对于降低复合化高温超导导体的交流损耗意义重大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于降低交流损耗的复合化高温超导变入射角导体设计方法，基于复合化高温超导变入射角导体的螺旋缠绕方式，通过不断优化各层超导带材的入射角度，开发出具有低交流损耗特征的复合化高温超导导体设计方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明中的复合化高温超导变入射角导体高温超导带材包括多层，每层以不同的层入射角度螺旋分层堆叠缠绕于芯棒上，所述的芯棒使用空心的铜管或者多芯软铜线，所述的复合化高温超导变入射角导体根据所需的弯曲半径确定带材之间的安全距离，进而确定分层堆叠角度的限制范围，以避免弯曲时各层之间高温超导带材出现挤压；所述的复合化高温超导变入射角导体根据导体实际运行工况开展初步的入射角优化分析，以交流损耗最小为优化目标，复合化高温超导变入射角导体的临界载流与每层高温超导带材的入射角度范围为限制条件，使用有限元方法优化得到入射角度分布的最优结果。

进一步的，铜管的尺寸与超导带材的层数决定了绕制角度的范围，铜管的尺寸越大，说明每层可以排布更多数量的超导带材；同样的，固定尺寸的铜管，每层排布超导带材的数量越多，绕制角度的范围就越小。入射角度决定每层高温超导带材的截距，在一个完整截距内，必须能够排布该层所有的高温超导带材，即截距必须大于该层所有高温超导带材宽度的总和，从而得到第i层的入射角上限值θmax。

进一步的，所述的变入射角复合化高温超导导体在弯曲后内层超导带边缘会相互靠近，而入射角度决定了带材之间的间距，弯曲导体的内侧周长必须大于超导带材宽度的总和，通过有限元的定态运动仿真分析，得到第i层的入射角下限值θmin。

进一步的，根据各层超导带材入射角范围，以交流损耗最小为优化目标，复合化高温超导变入射角导体的临界载流与每层高温超导带材的入射角度范围为限制条件，使用有限元方法对不同层入射角分布下的超导导体进行计算，忽略超导带材的厚度，将超导带材简化为三维空间曲面，通过迭代，得到带材表面电流密度与电场强度的乘积最小时的结果，也即复合化高温超导变入射导体的最优层入射角分布。

进一步的，所述的复合化高温超导变入射角导体将超导带材螺旋缠绕于芯管之上时，通过伺服电机施加一定的绕制张力，保证带材之间有足够的压力，通道内的超临界氦通过热传导的方式来冷却带材，足够的接触压力能够降低接触热阻，局部的热扰动引发失超时，产生的焦耳热能够及时被带走。

进一步的，所述的芯棒采用铜管能够为冷却介质的迫流提供空间。同时在高温超导导体面对交变电流与交变磁场时，芯棒产生的感应电流会产生交流损耗，且数值占到总体损耗相当大的一部分，采用多芯铜软线可以减小感应电流的回环面积，降低交流损耗。

本发明的有益效果在于：

本发明主要实现了一种适用于降低交流损耗的复合化高温超导变入射角导体设计方法。复合化高温超导导体将超导带材以一定的入射角度螺旋缠绕堆叠于铜基体上，所使用的铜基采用铜芯管或者多芯软铜线的形式。不同尺寸的铜芯管对应的超导带材的入射角范围不同，需要经过计算，确定导体各层带材的绕制极限角度。根据临界电流参数选择合适尺寸的铜芯管与绕制超导带材的层数，铜芯管的尺寸确定对应各层超导带的入射角限制范围。根据各层超导带的入射角限制范围，改变各层的入射角度，使用有限元方法对入射角度分布进行优化，达到降低导体交流损耗的最终目的。普通的高温超导复合化导体各层的绕制入射角是固定的，本发明基于降低交流损耗的最终目的，改变各层超导带材的入射角度，形成了针对于复合化高温超导变入射角导体的设计方法。

附图说明

图1是本发明的复合化高温超导变入射角导体细节示意图。

图2是本发明复合化高温超导变入射角导体的各层超导带材同向绕制的外观示意图。

图3是本发明的复合化高温超导变入射角导体绕制方式示意图。

图4a，图4b为常规固定入射角高温超导导体与复合化高温超导变入射角导体对比示意图；其中，图4a为同一入射角示意图，图4b为变入射角示意图。

图5为本发明的弯曲的复合化高温超导变入射角导体带材边缘危险位置的示意图。

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。

如图1所示，本发明的复合化高温超导变入射角导体包括芯棒1，高温超导带材。所述高温超导带材通过带材盘以一定的入射角度同时施加绕制张力螺旋缠绕于芯棒1上，在设计过程中考虑不同层的第一-第四层高温超导带材2、3、4、5的入射角度在快速励磁工况下的交流损耗。芯棒1的尺寸直接影响每层高温超导带材的入射角，根据芯棒1的尺寸与每层高温超导带材的数量确定入射角的上限值；导体不同层的第一-第四层高温超导带材2、3、4、5的入射角度根据快速励磁工况开展入射角优化分析，以交流损耗最小为优化目标，复合化高温超导变入射角导体的临界载流与每层高温超导带材的入射角度范围为限制条件，使用有限元方法对不同层入射角分布下的超导导体进行优化，设置电流密度垂直带材方向的分量，忽略超导带材的厚度，将超导带材简化为三维空间曲面，导体端部添加周期性边界条件降低自由度数量，通过不断迭代，得到带材表面电流密度与电场强度的乘积最小时的结果，也即复合化高温超导变入射导体的最优层入射角分布。

如图2所示为在复合化高温超导的不同入射角具体实施过程中，多层高温超导带材的奇数层或是偶数层的不同入射角渐变过程。不涉及具体绕制过程，其绕制过程可参考图3。

如图3所示为一种适用于降低交流损耗的复合化高温超导变入射角导体设计方法，第一、二、三带材盘负责调整第一、二、三层带材的入射角度与绕制张力，其均采用有机玻璃制成，避免引出带材盘时刮伤带材。第一、二、三带材盘在尺寸上保持一致。第一、二、三层超导带材螺旋选缠绕的方向相同，第一、二、三层带材的入射角度是不同的，需要根据优化得到的结果进行设置。复合化高温超导变入射角导体内层的第一层带材在最内层，由于拉压应力最高，容易受到外界扰动而失超，若芯棒1采用空心的铜管形式进行迫流冷却，能够及时带走扰动能量，提高整体运行裕度。同时，在面对高频交流电或交变磁场时，若芯棒1采用金属材料，表面会产生感应电流以抵抗中心磁通的变化，进而产生涡流损耗。芯棒1采用多芯软铜线相当于进行了细丝化处理，减小了感应电流的回环面积，同时增加了铜超比，提高了芯棒的分流能力。

如图4a，图4b所示，其为复合化高温超导同一入射角和不同入射角绕制的导体对比图。图4a为同一入射角绕制导体，图4b为不同入射角绕制的导体。

如图5所示，所述的复合化高温超导变入射角导体弯曲时内侧圆周长会逐渐减小，高温超导带材的两侧边缘逐渐接近，当互相碰撞后会造成超导体失效。弯曲导体的内侧周长必须大于超导带材宽度的总和，通过有限元的仿真分析，约束导体两端固定，不断改变导体的弯曲半径，当带材变压之间出现挤压时，得到第i层的入射角最小值θmin。同时，根据载流量要求与实际工况下的背景磁场强度，拟定所需的高温超导带材数量N；同时根据低温系统的设备状况，结合复合化导体绕制的实际需要，确定变入射角导体芯管的外径尺寸D，确定所需的层数m与每层导体根数n，同时有关系N＝m×n。入射角度决定每层高温超导带材的截距，在一个完整截距内，必须能够排布该层所有的高温超导带材，即截距必须大于该层所有高温超导带材宽度的总和，同时，在导体的横截面上，采用铜管的芯棒的截面周长必须大于高温超导带材宽度的总和。因此结合高温超导带材自身的厚度T与宽度W，确定对应各层超导带的入射角θ限制范围。第i层带材的入射角的最大值为：

进一步的，所述的复合化高温超导变入射角导体将高温超导带材螺旋缠绕于芯棒1之上时，通过伺服电机施加一定的绕制张力，保证带材之间有足够的压力，通道内的超临界氦通过热传导的方式来冷却带材，足够的接触压力能够降低接触热阻，局部的热扰动引发失超时，产生的焦耳热能够及时被带走。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种适用于降低交流损耗的复合化高温超导变入射角导体设计方法，其特征在于：基于复合化高温超导带材的螺旋缠绕方式，通过不断改变各层高温超导带材的入射角度，形成具有低交流损耗特征的复合化高温超导导体；所述的复合化高温超导变入射角导体的高温超导带材包括多层，每层以不同的层入射角度螺旋分层堆叠缠绕于芯棒上，所述的芯棒使用空心的铜管或者多芯软铜线，所述铜管的尺寸直接影响每层高温超导带材的入射角，根据铜管的尺寸与每层高温超导带材的数量确定入射角的上限值；所述的复合化高温超导变入射角导体根据所需的弯曲半径确定高温超导带材之间的安全距离，进而确定分层堆叠入射角度的下限值，以避免弯曲时各层之间高温超导带材出现挤压；所述的复合化高温超导变入射角导体根据快速励磁工况开展入射角优化分析，以交流损耗最小为优化目标，以复合化高温超导变入射角导体的临界载流与每层高温超导带材的入射角度范围为限制条件，使用有限元方法对不同层入射角分布下的导体进行优化计算，设置电流密度垂直带材分量为基础变量，忽略高温超导带材的厚度，将高温超导带材简化为三维空间曲面，通过迭代，得到带材表面电流密度与电场强度的乘积最小时的结果，也即复合化高温超导变入射导体的最优层入射角分布。

2.根据权利要求1所述的适用于降低交流损耗的复合化高温超导变入射角导体设计方法，其特征在于：所述芯棒使用所述空心的铜管以实现迫流冷却或使用所述多芯软铜线使得复合化高温超导变入射角导体具有更高的弯曲绕制性能。

3.根据权利要求2所述的适用于降低交流损耗的复合化高温超导变入射角导体设计方法，其特征在于：所述铜管的尺寸直接影响每层高温超导带材的入射角极限值，根据铜管的尺寸与每层高温超导带材的数量确定入射角的范围，每层高温超导带材入射角对应的截距大于该层超导带材宽度的总和，同时在导体截面上，高温超导带材的截面弧长总和小于铜管的周长，根据优化得到的结果，改变各层高温超导带材的入射角度，达到降低导体交流损耗的最终目的。

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