CN1263047C - 液氦冷却的高温超导储能磁体系统 - Google Patents

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Abstract

液氦冷却的高温超导储能磁体系统属于高温超导技术领域，其特征在于：它在不需要专用制冷机的情况下，通过液氦杜瓦提拉装置改变高温储能磁体相对于液面的垂直位置以获得4.2K～77K的温度范围。同时得出各不同温度下磁体的特性。在通过机械提拉装置改变磁体温度的过程中，通过铑电阻和相应的外围电路进行温度监测。

Description

液氦冷却的高温超导储能磁体系统
技术领域
液氦冷却的高温超导储能磁体系统属于高温超导技术领域。
背景技术
H.Kasahara，S.Akita，K.Tasaki，A.Tomioka，T.Hase，K.Ohata，N.Ohtani和H.Sakaguchi在IEEE Transactions on Applied Superconductivity，v 12，n 1，March，2002，p 766-769上发表的一篇名为“Basic characteristic evaluation of cryocooler-cooledHTS coils”的文献上研究了高温超导储能磁体的基本特性，采用制冷机直接冷却的方式来获得所需的实验温度，但制冷机设备达，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过液氦中的杜瓦提拉装置改变高温超导储能磁体相对于液面的垂直位置以获得4.2K～77K的温度范围的高温超导储能磁体系统。
液氦冷却的高温超导储能磁体系统，其特征在于，其包括：
A.线圈装配架
B.联接架
C.壳体
D.杜瓦提拉装置
E.线圈
其中：
A.线圈装配架，它包括：
a1.芯柱，在沿轴向的圆周面上固定着竖筋；
a2.线圈骨架，由沿轴向套在上述竖筋周边的上板、下板以及夹在上、下板之间的内桶组成，所述上、下板紧靠线圈侧的端面是经过割缝处理的；
B.联接架，它由套管、上底板即底盘、下底板、连接在套管和上底板间的斜筋以及连接上、下底板的螺柱连接件构成，所述下底板由上述芯柱底面的凸台定位并托住所述的上板，所述上底板由上述芯柱顶面的凸台定位；在所述上底板上还有两个电流引线孔、测量孔和一个安装上述套管用的螺孔；
C.壳体，它套在线圈装配架和联接架外且由支承柱固定，在壳体内装有液氦；
D.内装液氦的杜瓦提拉装置，它包括：
d1.提拉构件，由丝杠、螺母构成，所述丝杠下端固定着的杆件与上述联接架中的套管相连；
d2.支架，由内装丝杠的另一根套管、固套在该另一根丝杠上端的端环、固接于下端内壁的堵头、套在堵头外的偏心环共同构成，而堵头与壳体内壁相连；
d3.杜瓦盖，上端面被上述丝杠、堵头压住且同时又与上述壳体的端面固定连接；
E.线圈，它由纯铜的绕线轴、用六根美国超导公司ASC的高温超导线制作的一个铋-2223螺线管磁体以及包在上述磁体外的一层不锈钢导线构成；磁体采用干绕方式；整个线圈套在上述芯柱外，装在上述内筒中。
在所述绕线轴两端各埋有一个铑电阻。
在所述支架的另一个套管固定有防辐射板，在它的上面开有固定所述套管的螺孔和两个电流引线孔。
实验证明
(1)干绕制作的鉍-2223高温螺线管储能磁体，通过液氦杜瓦提拉装置改变磁体相对于液面的垂直位置可以获得4.2K~77K的温度范围。
(2)从4.2K到77K不同温度下磁体的稳态临界电流相对于导线的短样数据下降不多。
(3)干绕构成的鉍-2223线圈对快速上升的充电电流引起的脉冲磁力非常敏感。
附图说明
图1.液氦冷却的高温超导储能磁体系统的总装图：
1为线圈骨架，其中11、12分别为上、下板，13为芯柱；
2为超导线圈；
3为联接架，其中
31为上底板，32为下底板，
33为螺柱，34为斜筋，
35为套管；
4为壳体，41为支承柱；
5为支架，其中
51为套管，52为杆件，
53为端环，54为堵头；
6为丝杠，7为螺母；
8为杜瓦盖，9为防辐射板。
图2.线圈装配示意图，其中：
14为立筋，15为内桶。
图3.为联接架示意图，其中：
3a为前视图，3b为侧视图，
3c为上底板俯视图，其中：
36为电流引线孔，37为测量孔；
38为螺柱孔。
图4.为图2的俯视图，其中：10为割缝。
图5.为支架示意图，其中：55为偏心环。
图6.为辐射板示意图。
图7.为杜瓦盖示意图。
图8.临界电流I(A)与温度T(K)的相应的曲线图。
图9.IGBTAC/DC逆变器电流源拓扑结构。
图10.快速充电实验曲线图：
10a.线圈温度T＝20.6K；10b.线圈温度T＝35.4K；
10c.线圈温度T＝21K；10d.线圈温度T＝54.4K。
具体实施方式
本高温超导储能磁体系统是用于超导储能系统的核心部件之一，它在不需要专用制冷机的情况下，通过液氦杜瓦提拉装置改变高温储能磁体相对于液面的垂直位置以获得4.2K～77K的温度范围，在各温度下研究磁体的基本特性。按照设计结果制作加工机械结构，进行相应装配，在杜瓦装置内充入液氦后，即可通过机械提拉装置改变磁体的温度，在这过程中通过铑电阻和一定外围电路进行温度监测。
为研究高温超导储能磁体的应用特性，用六根美国超导公司(ASC)的高温超导线制作一个鉍-2223螺线管磁体。在77K/oT时，单根超导线的临界电流大于62A。
由于从液氦到液氮不同温度下高温超导磁体的特性是研究的重点，所以研制了用液或气氦冷却的制冷系统。通过液氦杜瓦提拉装置改变高温超导储能磁体相对于液面的垂直位置以获得4.2K～77K的温度范围。
高温超导磁体采用粗短的螺线管结构设计，其优点在于：
(1)能保证磁体的上端和下端温差较小。
(2)在给定特定电流的情况下，尽管较差的磁场均匀度会引起导线载流能力下降，但却能更有效地进行能量存储。
根据鉍-2223超导线的特性设计磁体，具体规格如表1所示。
            表1  磁体规格
  内径   120mm
  外径   180mm
  高度   90mm
  层数   90
  匝数   2430
  电感   0.69H
  Bo@100A   1.77Tesla
  Bmax (∥tape)@100A   2.24Tesla
  Bmax(⊥tape)@100A   1.28Tesla
  Stored energy@100A   3.45kJ
为了改善磁体的冷却，绕线轴由纯铜组成。绕线轴的上下端盘都经过割缝处理以减小涡流损耗。通过环氧树脂来实现绕线与绕线轴之间的绝缘。
磁体采用干绕方式，各匝、各层之间的绝缘通过应用聚酯薄膜实现。两个铑电阻被埋在绕线轴的两端用来监测温度。为了加固磁体结构，绕线的外部包裹一层不锈钢导线。在干绕完成后，测量得到磁体的电感为0.7H。
高温超导储能磁体提拉系统主要由丝杠、螺母、支架、联结架、线圈、螺柱、防辐射板、杜瓦盖等部分组成，其总装图如附图所示。
为了获得高温超导磁体在4.2K到77K不同温度下的临界电流，进行稳态实验研究。
高温超导磁体首先被放置于液氦杜瓦的底部，液氦液面恰好位于磁体上端，磁体被冷却到4.2K。在4.2K的温度下，将磁体的电流从0按每次5A的大小增加，每次增加后电流保持一定时间以保证超导磁体不失超。直到电流达到130A，磁体发生失超，此时，磁体中心的磁场为2.3T，垂直和平行于超导线圈表面的最大磁场分别为1.66T和2.91T。
在4.2K的实验后，通过液氦杜瓦提拉装置改变高温储能磁体相对于液面的垂直位置，同时监测其温度，一旦线圈的温度接近特定值且保持稳定，在此温度下同样进行稳态临界电流实验。(在整个实验过程中，线圈上端与下端的温度差别小于1K)。从几组实验结果得到温度和临界电流的相关曲线，见图8。
为研究高温储能磁体在超导储能装置中的应用，在20K到55K温度范围内，用IGBT交流/直流逆变器电流源以不同的速率对线圈进行快速充电实验。
超导储能磁体的一个重要特征是快速充放电能力。快速变化的电流能够在鉍-2223超导线中引起交流损耗，同时在磁体的铜绕线轴中引起涡流损耗。此外，快速充电电流会对超导线产生脉冲磁力，对引起磁体失超而言，这一磁力比稳态磁力更危险。
用于对磁体快速充电的IGBT直流/交流逆变器电流源的拓扑结构如图9所示。通过一个充电控制算法，充电电流能够以不同的速率上升到特定值。
在20K到55K温度范围内进行快速充电实验。图10给出了特定值为50A时，一些充电实验的典型结果。在图10(a)中，磁体温度为20.6K，电流立刻上升到了15A，在5s之内达到了40A。电流一超过40A磁体立即发生了失超，从而触发了保护放电电路使得磁体电流迅速跌落。失超使得磁体温度上升到了23.7K。当磁体温度被调节到21K时，如图10(b)所示，以较低的速率再次进行充电实验，电流上升到了50A并稳定在这一值。经过整个充电过程后，温度有很小幅度地上升。
当磁体温度为20K到35.4K之间时，按图10(b)中的上升速率进行了几次充电实验，磁体都没有失超，直到温度上升到了35.4K，再次出现失超，失超后温度上升到了38.5K。随着电流上升速率的进一步降低，在35.4K到54.4K温度范围内，又进行了几次充电实验，没有出现失超现象。
通过快速充电实验可知，一次成功的充电不会引起瞬时温度的明显变化，这就表明失超是由快速上升的充电电流引起的脉冲磁力所造成。

Claims (3)

1.液氦冷却的高温超导储能磁体系统，其特征在于，其包括：
A.线圈装配架
B.联接架
C.壳体
D.杜瓦提拉装置
E.线圈
其中：
A.线圈装配架，它包括：
a1.芯柱，在沿轴向的圆周面上固定着竖筋；
a2.线圈骨架，由沿轴向套在上述竖筋周边的上板、下板以及夹在上、下板之间的内桶组成，所述上、下板紧靠线圈侧的端面是经过割缝处理的；
B.联接架，它由套管、上底板即底盘、下底板、连接在套管和上底板间的斜筋以及连接上、下底板的螺柱连接件构成，所述下底板由上述芯柱底面的凸台定位并托住所述的上板，所述上底板由上述芯柱顶面的凸台定位；在所述上底板上还有两个电流引线孔、测量孔和一个安装上述套管用的螺孔；
C.壳体，它套在线圈装配架和联接架外且由支承柱固定，在壳体内装有液氦；
D.内装液氦的杜瓦提拉装置，它包括：
d1.提拉构件，由丝杠、螺母构成，所述丝杠下端固定着的杆件与上述联接架中的套管相连；
d2.支架，由内装丝杠的另一根套管、固套在该另一根丝杠上端的端环、固接于下端内壁的堵头、套在堵头外的偏心环共同构成，而堵头与壳体内壁相连；
d3.杜瓦盖，上端面被上述丝杠、堵头压住且同时又与上述壳体的端面固定连接；
E.线圈，它由纯铜的绕线轴、用六根美国超导公司ASC的高温超导线制作的一个铋-2223螺线管磁体以及包在上述磁体外的一层不锈钢导线构成；磁体采用干绕方式；整个线圈套在上述芯柱外，装在上述内筒中。
2.根据权利要求1所述的液氦冷却的高温超导储能磁体系统，其特征在于：在所述绕线轴两端各埋有一个铑电阻。
3.根据权利要求1所述的液氦冷却的高温超导储能磁体系统，其特征在于：在所述支架的另一个套管上固定有防辐射板，在它的上面开有固定所述套管的螺孔和两个电流引线孔。
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