CN117630776A - 一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置及方法，通过两端铜端子压铟的方式夹紧待测高温超导带材，通过柔性电流引线与室温下的电源连接进行高温超导带材的临界性能测试。待测高温超导带材两端铜端子同开设三圆弧的限位法兰连接，上端铜端子同扭转杆连接，并在中间使用G10做绝缘，下端子受到限位法兰的限制而无法跟跟随转动，实现待测高温超导带材扭转的功能。上法兰和中间法兰之间使用低温轴承与不锈钢转轴连接。不锈钢转轴穿过上法兰低温轴承后外接阻尼转轮，通过阻尼转轮实现即停即止的功能。本发明原理简单、操作简便、简化操作程序、提高工作效率，为高温超导带材实际应用提供可靠的扭转载荷下高温超导带材临界性能参数。
Description
技术领域
本发明涉及高温超导带材临界性能测量领域，具体涉及一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置及方法。
背景技术
稀土钡铜氧化物(REBCO)涂层高温超导复合带材具有高临界温度(Tc)和高上临界磁场(Hc2)等优势，并且能够在液氮(77K)环境下实现超导态，因此在在高场磁体、超导磁储能(SMES)、核磁共振成像(MRI)等领域有着广泛的应用。
在工业应用中，高温超导体为了获得高的电流密度和更小的电感，需要组装在合适的几何结构中，如CORC、TSTC和Roebel cable。在这些导体中，超导带会由于冷却过程中的材料热收缩以及通电产生的电磁力而受到拉伸、扭转和横向载荷的影响，从而影响超导带的应变状态，影响导体的临界电流。为此，不仅要评估超导带的临界性能，还需要评估其机械性能，测量其应变下的临界电流退化程度。而现有的测量装置和方法具有如下缺陷：现有的测量装置和方法无法实现低温下的连续测量，即测量单一扭转载荷后需要回复到室温后，施加所需的扭转载荷后，再次放入低温环境中进行临界性能测试，每测量相应的扭转载荷后，都需要反复进行上述的操作过程，是的测试流程繁琐，测试周期较长。此外，同轴度不能受到保证，使得待测高温超导带材上存在施加的扭转载荷以外的其他载荷，影响实验的测量结果。最后，由于待测高温超导带材以及夹具的热收缩系数的差异，会使得待测高温超导带材由室温进入低温环境后，出现松弛的状态，影响实验的测量结果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置及方法，实现REBCO高温超导带材在低温(77K)、扭转载荷下的临界临界电流测量，为高温超导带材实际应用提供可靠的扭转载荷下高温超导带材临界性能参数。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置，包括高温超导带材样品加载结构、高温超导带材性能测量结构、扭转结构、夹具移动结构；
所述高温超导带材样品加载结构包括两块圆柱形的无氧铜端子，在其中心位置开设相应样品槽以便于安装高温超导带材，同时使用无氧铜盖板通过螺钉拧紧，锁定高温超导带材；
所述高温超导带材性能测量结构通过在无氧铜盖板上焊接柔性电流引线外接电源以提供电流测试条件；
所述扭转结构通过不锈钢旋转轴、两个低温轴承以及阻尼转轮实现其功能；其中，不锈钢转轴焊接在上限位法兰上，上限位法兰与无氧铜端子连接处通过G10绝缘法兰进行转接，以保证绝缘；阻尼转轮外接G10的旋转法兰，以便于旋转操作同时作为二次绝缘；
所述夹具移动结构包括上限位法兰、下限位法兰，两者均开设圆弧形槽口，通过上限位法兰、下限位法兰所共同具有的三根第二不锈钢支撑杆进行约束，以保证上限位法兰、下限位法兰之间的高温超导带材样品加载结构保持垂直方向上的移动；上限位法兰、下限位法兰分别同上下的无氧铜端子之间通过G10绝缘法兰进行转接，以保证高温超导带材样品加载结构同支撑结构之间是绝缘的。
进一步地，所述无氧铜端子及无氧铜盖板的材质为TU1，样品两端采用铟片包裹，放置于无氧铜端子的样品槽中，然后使用通过螺钉将无氧铜盖板锁紧，作为接头。
进一步地，所述柔性电流引线采用铜编织带，以便于在扭转过程中，柔性电流引线跟随转动而不影响样品上扭转载荷的施加，实现扭转的功能。
进一步地，所述上法兰上刻画刻度线，用于控制旋转角度。
进一步地，还包括支撑结构，其采用两段、三轴的支撑方式，其中由上法兰、中间法兰、下法兰分成两段，且上法兰、中间法兰之间由3根第一不锈钢支撑杆进行连接，中间法兰、下法兰则由三根第二不锈钢支撑杆形成三轴进行连接；所述上法兰、中间法兰、下法兰保持平行、同心。
本发明还提供一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量方法，通过两端的无氧铜端子压铟的方式夹紧待测高温超导带材，通过柔性电流引线与室温下的电源连接进行高温超导带材的临界性能测试；设置上法兰、中间法兰、下法兰，法兰与法兰之间通过第一不锈钢支撑杆、第二不锈钢支撑杆的三轴定位连接的方式以确保不锈钢转轴的竖直状态，并实现不锈钢转轴和待测高温超导带材的中心线共线，实现扭转的均匀性；待测高温超导带材两端的无氧铜端子同两端开设的三圆弧的上限位法兰、下限位法兰相装配，上端的无氧铜端子同不锈钢转轴连接，并在中间使用G10绝缘法兰进行过渡用于绝缘保护，下端的无氧铜端子受到下限位法兰的限制而无法跟跟随转动，实现待测高温超导带材扭转的功能；同时下端的无氧铜端子存在竖直方向上下移动的自由度，从而改变两个无氧铜端子之间的距离，以实现测量不同长度高温超导带材的功能。
进一步地，所述上法兰、中间法兰之间使用低温轴承对不锈钢转轴进行限位并保持良好的旋转功能。
进一步地，所述不锈钢转轴穿过低温轴承后外接阻尼转轮，通过阻尼转轮实现即停即止的功能。
有益效果：
本发明能够进行了多种高温超导带材扭转载荷下的临界性能测量，为高温超导带材实际应用提供可靠参数。本发明原理简单，操作简便，通过简单的机械结构实现扭转的功能，保证了扭转的可靠性，并通过相应结构大大简化了操作程序，提高了工作效率，为高温超导带材实际应用提供可靠的扭转载荷下高温超导带材临界性能参数。
本发明将扭转载荷施加的操作区域由低温环境外接到室温环境中，使得可以在室温环境下对待测高温超导带材施加所需的扭转载荷，并且在完成一次临界性能测试后，保持待测高温超导带材仍处于低温环境下，再次改变施加在待测高温超导带材的扭转载荷至所需的数值。简化了操作流程，缩短了测试周期，提高了测试效率。此外，通过两端、三轴的定位方式，能够极大的提高装置上下一体的同轴度，使得待测高温超导带材上的扭转载荷施加的更加准确，提高了测试结果的可靠性。最后，改变了待测高温超导带材两端的固定方式，待测高温超导带材上端无法上下移动，只能沿不锈钢转轴进行旋转，而待测高温超导带材的下端受到下限位法兰的约束无法进行旋转，但可以沿不锈钢转轴的轴向方向进行上下移动，由于待测高温超导带材下端的固定存在上下移动的自由度，使得待测高温超导带材是受到下方的无氧铜端子、无氧铜盖板、G10绝缘法兰以及下限位法兰的重力牵拉而处于绷紧状态，当待测高温超导带材由室温端进入低温环境中，待测高温超导带材仍能保持绷紧状态而不出现松弛，提高了测试结果的可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置的结构图；
图2为本发明的一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置的局部结构图。
图中：1-旋转法兰，2-阻尼转轮，3-上法兰，4-低温轴承，5-第一不锈钢支撑杆，6-中间法兰，7-不锈钢转轴，8-第二不锈钢支撑杆，9-下法兰，10-上限位法兰，11-G10绝缘法兰，12-无氧铜端子，13-待测高温超导带材，14无氧铜盖板，15-下限位法兰，16-输液管，17-保温泡绵，18-环氧支撑板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
本发明的一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置主要包括高温超导带材样品加载结构、高温超导带材性能测量结构、扭转结构、夹具移动结构以及相应的支撑结构和功能结构。
如图1-图2所示，所述高温超导带材样品加载结构包括两块圆柱形的无氧铜端子12，在其中心位置开设相应样品槽以便于安装高温超导带材，同时使用无氧铜盖板14通过螺钉拧紧，锁定高温超导带材。其中，无氧铜端子12及无氧铜盖板14的材质为TU1，样品两端采用铟片包裹，放置于无氧铜端子12的样品槽中，然后使用通过螺钉将无氧铜盖板14锁紧，作为接头。
所述高温超导带材性能测量结构通过在无氧铜盖板14上焊接柔性电流引线外接电源以提供电流测试条件。其中，使用铜编织带作为柔性电流引线，以便于在扭转过程中，柔性电流引线跟随转动而不影响样品上扭转载荷的施加，实现扭转的功能。
所述扭转结构通过不锈钢旋转轴7、两个低温轴承4以及阻尼转轮2实现其功能；其中，不锈钢转轴7焊接在上限位法兰10上，上限位法兰10与无氧铜端子12连接处通过G10绝缘法兰11进行转接，以保证绝缘；阻尼转轮2外接G10的旋转法兰1，以便于旋转操作同时作为二次绝缘。同时，在上法兰3上刻画刻度线，用于控制旋转角度。
所述夹具移动结构包括上限位法兰10、下限位法兰15，两者均开设圆弧形槽口，通过上限位法兰10、下限位法兰15所共同具有的三根支撑轴进行约束，以保证上限位法兰10、下限位法兰15之间的高温超导带材样品加载结构保持垂直方向上的移动；上限位法兰10、下限位法兰15分别同上下的无氧铜端子12之间通过G10绝缘法兰11进行转接，以保证高温超导带材样品加载结构同支撑结构之间是绝缘的。
所述的支撑结构包括上法兰3、中间法兰6、下法兰9以及法兰与法兰之间的第一不锈钢支撑杆5、第二不锈钢支撑杆8，通过两段、三轴的支撑方式确保了整个装置的稳定性。
所述的功能性结构包括输液管16、保温泡绵17、环氧支撑板18等，其中输液管16用于液氮的输入，保温泡绵17包围测量装置的外围，用于隔热，以减少液氮的挥发；环氧支撑板18设置在保温泡绵17外部，用于保温泡绵间的支撑以及加强多层隔热，减少液氮的挥发。
所述支撑结构采用两段、三轴的支撑方式，以确保三个法兰保持平行、同心。其中，由上法兰3、中间法兰6、下法兰9分成两段，且上法兰3、中间法兰6之间由3根第一不锈钢支撑杆5进行连接，中间法兰6、下法兰9则由三根第二不锈钢支撑杆8形成三轴进行连接。所述上法兰3、中间法兰6、下法兰9保持平行、同心。
本发明通过两端的无氧铜端子12压铟的方式夹紧待测高温超导带材13，通过柔性电流引线与室温下的电源连接进行高温超导带材的临界性能测试；设置上法兰3、中间法兰6、下法兰9，法兰与法兰之间通过第一不锈钢支撑杆5、第二不锈钢支撑杆8三轴定位连接的方式以确保不锈钢转轴7的竖直状态，并实现不锈钢转轴7和待测高温超导带材的中心线共线，实现扭转的均匀性；待测高温超导带材两端的无氧铜端子12同两端开设的三圆弧的上限位法兰10、下限位法兰15相装配，上端的无氧铜端子12同不锈钢转轴7连接，并在中间使用G10绝缘法兰11进行过渡用于绝缘保护，下端的无氧铜端子12受到下限位法兰15的限制而无法跟跟随转动，实现待测高温超导带材扭转的功能；同时下端的无氧铜端子12存在竖直方向上下移动的自由度，从而改变两个无氧铜端子12之间的距离，以实现测量不同长度高温超导带材的功能。上法兰3、中间法兰6之间使用低温轴承4对不锈钢转轴7进行限位并保持良好的旋转功能。不锈钢转轴7穿过低温轴承4后外接阻尼转轮2，通过阻尼转轮2实现即停即止的功能。
Claims (8)
1.一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置，其特征在于，包括高温超导带材样品加载结构、高温超导带材性能测量结构、扭转结构、夹具移动结构；
所述高温超导带材样品加载结构包括两块圆柱形的无氧铜端子，在其中心位置开设相应样品槽以便于安装高温超导带材，同时使用无氧铜盖板通过螺钉拧紧，锁定高温超导带材；
所述高温超导带材性能测量结构通过在无氧铜盖板上焊接柔性电流引线外接电源以提供电流测试条件；
所述扭转结构通过不锈钢旋转轴、两个低温轴承以及阻尼转轮实现其功能；其中，不锈钢转轴焊接在上限位法兰上，上限位法兰与无氧铜端子连接处通过G10绝缘法兰进行转接，以保证绝缘；阻尼转轮外接G10的旋转法兰，以便于旋转操作同时作为二次绝缘；
所述夹具移动结构包括上限位法兰、下限位法兰，两者均开设圆弧形槽口，通过上限位法兰、下限位法兰所共同具有的三根第二不锈钢支撑杆进行约束，以保证上限位法兰、下限位法兰之间的高温超导带材样品加载结构保持垂直方向上的移动；上限位法兰、下限位法兰分别同上下的无氧铜端子之间通过G10绝缘法兰进行转接，以保证高温超导带材样品加载结构同支撑结构之间是绝缘的。
2.根据权利要求1所述的一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置，其特征在于，所述无氧铜端子及无氧铜盖板的材质为TU1，样品两端采用铟片包裹，放置于无氧铜端子的样品槽中，然后使用通过螺钉将无氧铜盖板锁紧，作为接头。
3.根据权利要求1所述的一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置，其特征在于，所述柔性电流引线采用铜编织带，以便于在扭转过程中，柔性电流引线跟随转动而不影响样品上扭转载荷的施加，实现扭转的功能。
4.根据权利要求1所述的一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置，其特征在于，所述上法兰上刻画刻度线，用于控制旋转角度。
5.根据权利要求1所述的一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置，其特征在于，还包括支撑结构，其采用两段、三轴的支撑方式，其中由上法兰、中间法兰、下法兰分成两段，且上法兰、中间法兰之间由3根第一不锈钢支撑杆进行连接，中间法兰、下法兰则由三根第二不锈钢支撑杆形成三轴进行连接；所述上法兰、中间法兰、下法兰保持平行、同心。
6.根据权利要求1-5之一所述的一种扭转载荷下高温超导带材临界性能测量装置的测量方法，其特征在于，通过两端的无氧铜端子压铟的方式夹紧待测高温超导带材，通过柔性电流引线与室温下的电源连接进行高温超导带材的临界性能测试；设置上法兰、中间法兰、下法兰，法兰与法兰之间通过第一不锈钢支撑杆、第二不锈钢支撑杆的三轴定位连接的方式以确保不锈钢转轴的竖直状态，并实现不锈钢转轴和待测高温超导带材的中心线共线，实现扭转的均匀性；待测高温超导带材两端的无氧铜端子同两端开设的三圆弧的上限位法兰、下限位法兰相装配，上端的无氧铜端子同不锈钢转轴连接，并在中间使用G10绝缘法兰进行过渡用于绝缘保护，下端的无氧铜端子受到下限位法兰的限制而无法跟跟随转动，实现待测高温超导带材扭转的功能；同时下端的无氧铜端子存在竖直方向上下移动的自由度，从而改变两个无氧铜端子之间的距离，以实现测量不同长度高温超导带材的功能。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述上法兰、中间法兰之间使用低温轴承对不锈钢转轴进行限位并保持良好的旋转功能。
8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述不锈钢转轴穿过低温轴承后外接阻尼转轮，通过阻尼转轮实现即停即止的功能。
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