CN1707706B - 高温超导双饼线圈骨架 - Google Patents

Abstract

一种高温超导双饼线圈骨架，它包括铜骨架(1)，玻璃钢的灭涡销子(2)、环氧板垫片(4)、聚酰亚胺膜(5)。其特征是环形的双饼线圈铜骨架(1)的上下两端分别为内、外凸缘，内凸缘的外径略小于外凸缘的内径，并在沿轴线平行的方向上开有一个1～3毫米的切口；铜骨架(1)用紫铜或黄铜制作，具有良好的导热效果，低温下的热收缩率与绕组相近。本发明通过灭涡销子(2)，使双饼线圈中的涡流损耗降低了98％以上；环氧板垫片(4)的使用有效避免了过渡部分超导带(3)与铜骨架(1)环面间的“台阶”对超导带的破坏作用。本发明已在10KV/1.5KA高温超导限流器用的高温超导实验磁体中应用，77K时磁体的临界电流达到同温度下超导带短样临界点流的48％以上，获得了满意的结果。

Description

高温超导双饼线圈骨架

技术领域

本发明涉及高温超导双饼线圈，特别涉及一种高温超导双饼线圈骨架。

背景技术

高温超导磁体具有高稳定性、大电流密度和低运行成本等优点，在超导电力应用方面具有广阔的前景。许多国家竞相展开有关的研发工作，其中高温超导双饼线圈骨架是研发的关键技术之一。

可用于绕制高温超导磁体的导体有已经商业化生产的铋系银包套带材(Bi-2223/Ag)和目前正在研发的YBCO涂层高温超导带材，它们都是脆性的氧化物陶瓷材料，较大曲率的弯折会导致高温超导带性能的严重退化。这种超导体的带状结构及其脆性易损的机械特性决定了高温超导磁体一般采用双饼线圈结构再通过多个高温超导双饼线圈的串、并联组装成高温超导磁体。

现行的高温超导双饼线圈是在玻璃钢或铜骨架上直接绕制高温超导带，该方法存在较多弊端。双饼线圈是用一根超导带在同一双饼线圈骨架上并列绕两个单饼绕组，即以一根超导带的中间为起点，两端分别在双饼线圈骨架上从最内层开始在与骨架轴向垂直的平面内，一匝一匝的连续绕制，直至达到预定的匝数为止。这样，在双饼线圈骨架上(一个圆环的外环面上)并列绕着两个单饼绕组，线圈的两个端头都在单饼绕组的最外侧，而连接两个单饼绕组的是这根超导带的中间部分，紧贴在骨架环面上，它完成了两个单饼绕组间的过渡。由于两个单饼绕组在两个不同的平面内，并相隔一定的距离(一个超导带与饼间缝隙的宽度之和)，过渡部分超导带在骨架环面上进行易位过渡，从一个单饼绕组所在的平面斜跨到另一个单饼线圈所在的平面。这样，超导带过渡部分的两个端点分别成为两个单饼绕组的起点，而它本身成为整个双饼线圈的第一匝。每个单饼绕组的第一匝要从骨架环面逐渐爬到过渡部分超导带上，由于超导带有一定的厚度，它对单饼绕组该处的超导带形成一个阶跃，底部悬空，类似于台阶。这样，在线圈的绕制过程中的预应力和磁体运行过程中的电磁力容易使这个区域的脆性陶瓷超导带发生形变，导致超导带和磁体的载流能力大幅度退化。

其次，目前双饼线圈骨架一般采用一个闭合的铜圆环，然后在圆环环面上粘一层聚酰亚胺绝缘膜，或者采用玻璃钢圆环作骨架。用铜做的双饼线圈骨架是一个闭合的铜环，在磁体的励磁、退磁过程中，特别是在交流情况下运行时，由于磁通的变化，铜骨架上产生很大的涡流，释放焦耳热。这不仅影响磁体的稳定性，同时会使系统制冷负荷增加，导致运行费用提高。用玻璃钢制作双饼线圈骨架可以避免涡流损耗的产生，但玻璃钢的热收缩率比铜约高一个量级、热导率却比铜小五个量级以上。由于骨架与绕组收缩率的差异，在低温下导致绕组松动，甚至使绕组与玻璃钢骨架脱离。更重要的是，玻璃钢的导热性能差，对磁体的热稳定性，尤其是交流磁体的热稳定性有很大影响。

发明内容

针对以上已有技术存在的问题，本发明提供一种高温超导双饼线圈骨架，用这种骨架绕制的高温超导磁体有效克服了上述缺点，使双饼线圈中的涡流损耗降低了98％以上，并有效避免了过渡部分超导带与骨架环面间的“台阶”对超导带的破坏作用。

本发明采用的技术方案：本发明双饼线圈骨架由铜骨架、玻璃钢灭涡销子、环氧板垫片和聚酰亚胺绝缘膜构成。铜骨架是双饼线圈骨架的主体，它的上下两端分别加工成内凸缘和外凸缘，内凸缘的外径略小于外凸缘的内径，并有一定的正负公差配合，以便于下一个双饼线圈的内凸缘嵌套在上一个双饼线圈的外凸缘内，使多个双饼线圈装配成高温超导磁体。在环形的双饼线圈铜骨架上沿与铜骨架轴线平行方向开有一个1～3毫米的切口，使铜骨架成为开环。灭涡销子用玻璃钢加工而成，是一个尺寸等于或略大于与铜骨架切口的长方体，灭涡销子的高度等于铜骨架环面高(不包括内凸缘的高度)。把灭涡销子嵌入铜骨架的切口内，用环氧胶把它们固化为一体，并使灭涡销子的下端与铜骨架下端沿齐平。这样，由于销子的高度等于铜骨架环面的高，销子的上端、骨架的内凸缘处有一个缺口，销子的下端、骨架外凸缘处有一个凸起。在磁体装配时，上一个双饼线圈的凸起嵌套在下一个双饼线圈的缺口内，以防止相邻两个双饼线圈间的相对转动，以免在切口处造成铜骨架短路。消除“台阶”影响的垫片用环氧板加工而成，厚度等于超导带与聚酰亚胺绝缘膜之和，宽度等于铜骨架环面的高度，长等于骨架环面的周长。沿已嵌入灭涡销子的双饼线圈铜骨架环面，用环氧胶固定环氧板垫片，并保证环氧板垫片的一侧与骨架下沿齐平。然后在环氧板垫片中央沿过渡区超导带在环面上的走向加工一条宽度稍大于超导带宽的槽。根据需要，可以在槽的底部粘一层聚酰亚胺薄膜，以提高绕组与骨架间的绝缘强度。聚酰亚胺膜的厚度根据绕组和骨架间的导热效果和绝缘强度来定，并保证膜与超导带的厚度之和等于槽深。这样，两个单饼绕组间过渡部分的超导带嵌入槽内以后，整个骨架的环面等半径，从而消除了“台阶”的不利影响。

本发明铜骨架采用开环结构，并嵌入玻璃钢灭涡销子，从而把因磁体磁场变化引起的涡流损耗降低了98％以上。也避免了用玻璃钢制作双饼线圈骨架因热收缩率高、热导率低导致在低温下绕组松动和磁体的热稳定性差的弊端。通过在双饼线圈铜骨架环面上粘环氧板垫片，把过渡部分超导带嵌入槽内后使整个骨架的环面等半径，从而消除了“台阶”的不利影响，有效克服了在双饼线圈绕制过程中的预应力和磁体运行过程中的电磁力对过渡区超导带的破坏，提高了整个磁体的运行电流。

附图说明

图1为本发明具体实施方式退涡结构图，图1A为组装前，图1B为组装后；

图2为本发明具体实施方式环面结构图，图2A为整体结构图，图2B为沿CC′骨架剖视图；

图3本发明具体实施方式高温超导双饼线圈剖视示意图；

图中：双饼线圈铜骨架1，灭涡销子2，高温超导带3，环氧板垫片4，聚酰亚胺膜5，绝缘片6，单饼绕组7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1A所示，铜骨架1是双饼线圈骨架的主体，它的上下两端分别有内凸缘和外凸缘，内凸缘的外径略小于外凸缘的内径，并有一定的正负公差配合；在环形的双饼线圈铜骨架1上沿与铜骨架轴线平行方向有一个1～3毫米的切口，使铜骨架1成为开环。玻璃钢灭涡销子2的尺寸等于或略大于与铜骨架1切口的长方体，玻璃钢灭涡销子的高度等于铜骨架环面不包括内凸缘的高度h。如图1A和B所示，灭涡销子2嵌入铜骨架1的切口内，保证销子2的下端与铜骨架1下端沿齐平并把它们固化为一体。如图1B所示，销子2的A端、骨架1的内凸缘处有一个缺口，销子2的B端、骨架1外凸缘处有一个凸起。在磁体装配时，上一个双饼线圈的凸起嵌套在下一个双饼线圈的缺口内，防止相邻两个双饼线圈间的相对转动，在切口处造成铜骨架短路。

本发明适合于任何高温超导带绕制的高温超导双饼线圈。如图2A所示，骨架环面不包括内凸缘的高度h应稍大于两倍的超导带宽，若两个并列的单饼绕组之间需要绝缘6，应在两单饼绕组间嵌入绝缘片6，h应比两倍的超导带宽与绝缘片6厚度之和稍大些。为便于多个双饼线圈的相互配合，内、外凸缘的高度应在2～3毫米间，并保证有较大的正负公差配合。

环氧板垫片4的厚度等于超导带3与聚酰亚胺膜5厚度之和，宽度等于铜骨架1的环面高度h，长等于骨架1环面的周长。在图1B所示的双饼线圈铜骨架1环面上用环氧胶固定环氧板垫片4，使环氧垫片4的一侧与骨架1下沿齐平。如图2A所示，在环氧板垫片4上沿过渡区超导带3的走向加工一条宽度稍大于超导带3宽的槽，如图2B所示，槽的底部粘一层聚酰亚胺膜5，使聚酰亚胺膜5与超导带3的厚度之和等于槽深。如图3所示，两个单饼绕组间过渡部分超导带3嵌入槽内后，整个骨架的环面等半径，从而消除了“台阶”的不利影响，提高了磁体运行电流。

如图1A和B所示，在保证铜骨架1不产生形变的情况下(可以采用线切割技术加工)，沿与铜骨架1轴线平行方向加工一个1～3毫米的切口。用玻璃钢或其他绝缘材料做一个尺寸与铜骨架1上的切口一致或稍大的长方体灭涡销子2。把灭涡销子2的表面与铜骨架1的切口用无水乙醇擦拭干净，并均匀涂上调和好的环氧胶(可以根据情况采用强度好的速凝环氧胶、DW3)。然后把铜骨架1与灭涡销子2按图1所示装配，并保证灭涡销子2的B端与铜骨架1下端沿齐平(如图1B所示)，灭涡销子2的A端内凸缘上则有一个缺口。然后把铜骨架1与灭涡销子2一起平放在铺有聚酰亚胺膜的桌上，待环氧胶慢慢凝固。环氧胶完全凝固后，用整形锉修平，使灭涡销子2的外缘与铜骨架1的外环面成同一曲度，二者构成一个完整的圆环曲面。

如图2A所示，超导带3的中段在铜骨架1环面上环绕一周，实现两个单饼之间的过渡，然后用超导带的A、B两端分别在铜骨架1上从最内层开始在铜骨架1轴向垂直的平面内，一匝一匝的连续绕制，直至达到预定的匝数为止，构成并列的两个单饼绕组，即双饼线圈(其剖视示意图见图3)。由于每个单饼绕组的第一匝要搭在过渡部分超导带与铜骨架1环面形成的“台阶”上，为消除“台阶”的影响，在绕制之前，需加工一条宽度等于铜骨架1的环面宽、长等于环面周长的环氧板垫片4，如图2B所示。环氧板垫片4的厚度应等于超导带3和聚酰亚胺膜5厚度之和。用无水乙醇把图1B所示的骨架和环氧板垫片4擦拭干净。然后把铜骨架1的环面和环氧板垫片4的一面均匀的涂上环氧胶，把环氧板垫片4沿铜骨架1环面压紧，并用胶带或玻璃布带把二者固定。环氧胶完全凝固后，用一段超导带3绕环面一周(如图2A所示)，并调整好位置，用夹子或胶带把超导带3临时固定。然后用刻刀或笔沿超导带3的两侧在铜骨架1环面的环氧板垫片4上画线。取下超导带3，用刻刀、锉或其他加工工具把环氧板垫片4上两条线之间的部分除掉。这样，铜骨架1外环面上用于嵌入过渡部分超导带3的槽加工成了。若把铜骨架1环面切开、拉直，则在平面内槽的形状象一个“S”，从矩形的一侧弯到另一侧。为保证绕组7与铜骨架1之间的绝缘强度，裁一条宽度等于槽宽的聚酰亚胺膜5(聚酰亚胺膜5的厚度根据绝缘强度而定，我们所用的为50μm厚，一面有粘性)，然后把它与槽底的铜骨架1粘为一体，并把多余的聚酰亚胺膜5剪掉。这样，高温超导双饼线圈骨架加工完成，可以绕制双饼线圈。

本发明的灭涡销子2、环氧板垫片4可以采用其他的绝缘材料代替，聚酰亚胺膜5可以采用其他绝缘膜代替，铜骨架1也可采用其他金属代替。

采用本发明，已研制成功10KV/1.5KA高温超导限流器用的高温超导实验磁体，77K时磁体的临界电流达到同温度下超导带短样临界电流的43％以上，获得了满意的结果。

Claims (5)

1.一种高温超导双饼线圈骨架，包括双饼线圈铜骨架(1)，其特征是它还包括玻璃钢灭涡销子(2)、环氧板垫片(4)、聚酰亚胺绝缘膜(5)；双饼线圈铜骨架(1)为环形，其上下两端分别为内、外凸缘，内凸缘的外径略小于外凸缘的内径，并在铜骨架(1)上沿与铜骨架轴线平行方向上开有一个1～3毫米的切口，灭涡销子(2)嵌入所述切口内。

2.按照权利要求1所说的高温超导双饼线圈骨架，其特征是双饼线圈铜骨架(1)环面不包括内凸缘的高度h应稍大于两倍的超导带宽。

3.按照权利要求1所说的高温超导双饼线圈骨架，其特征是当两个并列的单饼绕组之间嵌入绝缘片(6)时，双饼线圈铜骨架(1)环面不包括内凸缘的高度h比两倍的超导带宽与绝缘片(6)厚度之和稍大。

4.按照权利要求1或2所说的高温超导双饼线圈骨架，其特征是玻璃钢灭涡销子(2)是尺寸等于或略大于双饼线圈铜骨架(1)切口的长方体，灭涡销子(2)的高度等于铜骨架环面高度h，并嵌入铜骨架(1)切口内，用环氧胶把灭涡销子(2)和铜骨架(1)固化为一体，并使灭涡销子(2)的下端与铜骨架(1)下端沿齐平。

5.按照权利要求1或2所说的高温超导双饼线圈骨架，其特征是沿嵌入灭涡销子(2)的双饼线圈铜骨架(1)环面用环氧胶固定有环氧板垫片(4)，该环氧板垫片(4)的厚度等于超导带和聚酰亚胺绝缘膜的厚度之和，宽度等于铜骨架(1)的环面高度h，长度等于铜骨架(1)环面周长；环氧板垫片(4)上开有一条沿过渡区超导带(3)的走向、宽度稍大于超导带(3)宽的槽，槽深等于环氧板垫片(4)的厚度，槽的底部粘有一层聚酰亚胺绝缘膜(5)。

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