CN209561117U - 超导双饼线圈及超导储能限流磁体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超导双饼线圈及超导储能限流磁体，该超导双饼线圈包括：内骨架、外骨架、绝缘夹层和一根超导带材；其中，内骨架外表面上设置有螺旋凹槽；超导带材绕制于内骨架外表面，形成内骨架轴向垂直平面内的第一单饼绕组和第二单饼绕组，且第一单饼绕组和第二单饼绕组之间的过渡超导带绕制于螺旋凹槽内；绝缘夹层安装于第一单饼绕组和第二单饼绕组之间；外骨架上设置有第一出线口和第二出线口；外骨架套在第一单饼绕组和第二单饼绕组外环，且第一单饼绕组的出线通过第一出线口穿出，第二单饼绕组的出线通过第二出线口穿出。本实用新型可以消除双饼线圈中两个单饼绕组之间的台阶影响。

Description

超导双饼线圈及超导储能限流磁体

技术领域

本实用新型涉及可再生能源发电领域，尤其涉及一种超导双饼线圈及超导储能限流磁体。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

随着可再生能源发电在电网中所占比重的急剧增加，其固有的波动性和随机性会给电网的稳定性和电能质量带来严重的挑战。另外，电网对可再生能源发电的低电压穿越能力要求较高，而风力发电的低电压穿越能力较弱，无法完全满足要求。超导储能限流系统作为物理储能技术的一种，集储能和限流功能于一身，能同时提高可再生能源发电功率输出的稳定性和低电压穿越能力。

超导储能限流系统基于限流集成原理与储能集成原理，共用一个超导磁铁，超导磁铁是指使用超导导线绕制的能产生强磁场的超导线圈。高温超导磁体是指在较高临界温度下电阻为零的超导磁体。目前用于绕制高温超导磁体的超导带材有铋系银包套带材(Bi2223/Ag)和涂层高温超导带材(YBCO)等，这些超导带材都是脆性的氧化物陶瓷材料，成型工艺复杂，长度有限(通常为100-300米)，且导体越长，产品的成品率和均一性越低，相应的售价也越高。由于带状结构、长度有限及其脆性易损等机械特性决定了高温超导磁体一般采用饼式结构，即通过多个高温超导饼式线圈的串、并联组装成高温超导磁体。

双饼线圈是使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，完成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(一个绕包后的超导带宽度与绝缘夹层厚度之和)，过渡部分超导带在骨架环面上进行易位过渡，从正饼绕组所在平面斜跨到反饼绕组所在平面。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。正饼和反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超导带发生形变，导致超导带和超导磁体的载流能力大幅度退化。

为了消除了双饼线圈中两个单饼绕组之间超导带因易位过渡产生的台阶影响，现有技术采用环氧胶粘合剂在双饼线圈骨架环面上固定环氧垫片，并在环氧垫片上沿过渡区超导带的走向加工一条宽度烧大于超导带宽度的槽，使得两个单饼绕组之间的过渡超导带嵌入槽内后整个骨架的环面等半径，进而消除台阶影响。

由于磁体运行过程中的电磁应力和冷热循环，采用环氧胶合剂固定的环氧垫片容易松动脱落，损伤超导带材，降低通流能力。另外，粘贴环氧垫片工序相对复杂，工艺质量因人而异，使得成品质量离散性大。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种超导双饼线圈，用以解决现有技术采用异形环氧垫片来消除双饼线圈过渡超导带产生的台阶影响，导致加工工序复杂且因异形环氧垫片脱落而容易损伤超导带材、降低其通流能力的技术问题，该超导双饼线圈包括：内骨架、外骨架、绝缘夹层和一根超导带材；其中，内骨架外表面上设置有螺旋凹槽；超导带材绕制于内骨架外表面，形成内骨架轴向垂直平面内的第一单饼绕组和第二单饼绕组，且第一单饼绕组和第二单饼绕组之间的过渡超导带绕制于螺旋凹槽内；绝缘夹层安装于第一单饼绕组和第二单饼绕组之间；外骨架上设置有第一出线口和第二出线口；外骨架套在第一单饼绕组和第二单饼绕组外环，且第一单饼绕组的出线通过第一出线口穿出，第二单饼绕组的出线通过第二出线口穿出。

本实用新型实施例还提供一种超导储能限流磁体，用以解决现有技术采用异形环氧垫片来消除双饼线圈过渡超导带产生的台阶影响，导致加工工序复杂且因异形环氧垫片脱落而容易损伤超导带材、降低其通流能力的技术问题，包括上述的超导双饼线圈。

本实用新型实施例中，通过在双饼线圈内骨架外表面设置螺旋凹槽，通过该螺旋凹槽绕制双饼线圈中两个单饼绕组之间的过渡超导带，以消除双饼线圈中两个单饼绕组之间的台阶影响。本实用新型实施例提供的超导双饼线圈，由于没有采用异形环氧垫片，不仅简化了加工工序，而且可以避免异形环氧垫片松动脱落而导致超导带材损伤或降低其通流能力的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本实用新型实施例中提供的一种超导双饼线圈剖面示意图；

图2为本实用新型实施例中提供的一种超导双饼线圈内骨架示意图；

图3为本实用新型实施例中提供的一种超导双饼线圈外骨架示意图；

图4为本实用新型实施例中提供的一种超导双饼线圈绝缘夹层示意图；

图5为本实用新型实施例中提供的一种超导双饼线圈实物示意图。

附图标记：1、内骨架，2、外骨架，3、绝缘夹层，4、超导带材，A、螺旋凹槽，B、切向出线口。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

本实用新型实施例中提供了一种超导双饼线圈，图1为本实用新型实施例中提供的一种超导双饼线圈剖面示意图，如图1所示，该超导双饼线圈包括：内骨架1、外骨架2、绝缘夹层3和一根超导带材4；

其中，内骨架1外表面上设置有螺旋凹槽；超导带材4绕制于内骨架1外表面，形成内骨架1轴向垂直平面内的第一单饼绕组和第二单饼绕组，且第一单饼绕组和第二单饼绕组之间的过渡超导带绕制于螺旋凹槽内；绝缘夹层3安装于第一单饼绕组和第二单饼绕组之间；外骨架2上设置有第一出线口和第二出线口；外骨架2套在第一单饼绕组和第二单饼绕组外环，且第一单饼绕组的出线通过第一出线口穿出，第二单饼绕组的出线通过第二出线口穿出。

优选地，本实用新型实施例提供的超导双饼线圈可以是由高温超导带材绕制的双饼线圈。高温超导带材各向异性，适合绕制双饼线圈类型。

作为一种可选的实施方式，本实用新型实施例提供的超导双饼线圈中，内骨架1和外骨架2均为环形。

可选地，内骨架1和外骨架2的高度相等，均等于超导带材宽度的两倍与绝缘夹层厚度之和。通过这种设计，可以使得超导双饼线圈在环氧浸渍固化后形成轴向和径向的全方位保护层。

优选地，本实用新型实施例中内骨架1和外骨架2采用环氧层压玻璃布板或其他耐低温性能良好的高强度绝缘材料制成。其设计尺寸可将超导带材完全包裹起来，从而保护超导带材不受外力损伤。

可选地，上述超导带材4为高温超导带材。进一步地，该超导带材4可以是通过如下任意一种材料包覆的绕包绝缘超导带材：丝绸、NOMEX纸或玻璃丝带。这种情况下，内骨架1和外骨架2的高度等于绕包绝缘超导带材宽度的两倍与绝缘夹层厚度之和。例如，采用韧性和环氧浸渍性能良好的丝绸带半叠包在高温超导带材表面，形成绕包绝缘的超导带材。

由于丝绸、NOMEX纸或玻璃丝带等材料具有柔软特性，非常适合作为作为超导带材包覆的增韧材料，这些材料还适合环氧浸渍，在环氧浸渍后起到加强筋骨的作用，有效防止环氧开裂。

需要说明的是，高温超导双饼线圈在绕制过程中，两个单饼绕组的超导带在骨架环面上易位过渡时，由于超导带有一定的厚度，会形成一个阶跃，类似于“台阶”。由于目前用于绕制高温超导磁体的超导带材都是脆性的氧化物陶瓷材料，在线圈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超导带发生形变，导致超导带和超导磁体的载流能力大幅度退化。

本实用新型实施例采用一根超导带材(例如，绕包绝缘高温超导带材)绕制，从超导带的中间位置开始绕制，加合适的力在一外环面刻有螺旋凹槽的内骨架1上绕制双饼线圈的一个单饼(第一单饼绕组)，内骨架高度等于两个绕包绝缘带材的宽度与一个绝缘夹层厚度之和，从而避免超导带材在两个单饼过渡时在内骨架环面上产生的“台阶”影响。当第一单饼绕组完成后，装配绝缘夹层3，然后沿着绝缘夹层3在内骨架1上另一面绕制另一个单饼(第二单饼绕组)。

本实用新型实施例提供的超导双饼线圈中，超导带材4的中点为第一单饼绕组和第二单饼绕组的绕线起始点，且超导带材4在第一单饼绕组和第二单饼绕组中的绕线方向相反。也即，第一单饼绕组为正饼绕组的情况下，第二单饼绕组为反饼绕组；第一单饼绕组为反饼绕组的情况下，第二单饼绕组为正饼绕组。

由上可知，在本实用新型实施例中，通过在双饼线圈内骨架外表面设置螺旋凹槽，通过该螺旋凹槽绕制双饼线圈中两个单饼绕组之间的过渡超导带，以消除双饼线圈中两个单饼绕组之间的台阶影响。本实用新型实施例提供的超导双饼线圈，由于没有采用异形环氧垫片，不仅简化了加工工序，而且可以避免异形环氧垫片松动脱落而导致超导带材损伤或降低其通流能力的问题。

当内骨架1和外骨架2均为环形的情况下，内骨架1外表面上螺旋凹槽A的起始点和末尾点均与环形内骨架1的外环面相切，且螺旋凹槽A的宽度等于超导带材4的宽度，螺旋凹槽A的深度等于超导带材4的厚度。当超导带材4是绕包绝缘超导带材的情况下，螺旋凹槽A的深度等于绕包绝缘超导带材的厚度。

图2为本实用新型实施例中提供的一种超导双饼线圈内骨架示意图，如图2所示，螺旋凹槽A的深度等于绕包绝缘超导带材的厚度，宽度等于绕包绝缘超导带材的宽度，且螺旋凹槽A的起始点和末尾点均与内骨架1的外环面沿面相切。通过施加一定的预应力使线圈层间紧密，绕制预设匝数后则形成一个单饼线圈。

本实用新型实施例提供的超导双饼线圈，内骨架外表面的螺旋凹槽可消除正反饼绕组过渡超导带产生的台阶影响，减少异形垫片加工和粘贴工序，结构简单，易于工程化应用。

由于高温超导双饼线圈装配过程中，出线端子容易损坏，由此，作为一种可选的实施方式，当内骨架1和外骨架2均为环形的情况下，第一出线口和第二出线口可以是沿外骨架2内外表面切向开的出线口，如图3中所示外骨架2的两个切向出线口B。当高温超导双饼线圈的第一单饼绕组和第二单饼绕组绕制完成后，将外骨架2套在超导线圈外环，并将高温超导带材出线端从外骨架2的两个切向出线口穿出。本实用新型实施例提供的超导双饼线圈，外骨架沿内外表面切向开两个出线口，可以有效保护出线端子在环氧浸渍固化和装配过程中的损坏。

可选地，还可以利用玻璃丝带绑扎绕制完成的高温超导双饼线圈，以免出现塌饼。

作为一种可选的实施方式，本实用新型实施例提供的超导双饼线圈，由环氧树脂(特别地，可以是低温环氧树脂)浸渍固化为一体。由于液态环氧树脂具有耐低温、韧性好、粘度小等优点，可以有效提高高温超导带材通流能力。

将绑扎好的高温超导双饼线圈按置在经过预处理的模具上，固定夹具，螺栓拧紧。将模具放入真空浸渍设备中进行低温环氧胶的浸渍，并加温一段时间使其固化成一体，即完成高温超导双饼线圈制作。优选地，如图4所示，本实用新型实施例提供的超导双饼线圈中，绝缘夹层3上设置有槽或圆孔，以利于环氧浸渍。

图5为本实用新型实施例中提供的一种超导双饼线圈实物示意图。

需要注意的是，采用低温环氧树脂将高温超导双饼线圈固化为一个整体，可以使得使高温超导双饼线圈承受电磁应力的轴向挤压和径向拉伸时，减少对磁体承力骨架的依赖，简化骨架结构，降低磁体总重量。同时避免了因冷热循环导致环氧开裂、绕组松动和磁体的热稳定性差的弊端，还可有效提高高温超导带材的通流能力，适合大规模工程化应用。

在具体应用中，可通过如下流程绕制本实用新型实施例提供的超导双饼线圈：

(1)超导带材绕包绝缘，将其缠绕成线盘，准备绕制双饼线圈；

(2)将内骨架1固定在超导双饼线圈绕制装置上，从一根绕包绝缘后的超导带材中间位置开始，沿内骨架螺旋凹槽A顺时针绕制绕包绝缘的超导带材，形成第一单饼绕组；

(3)安装第一单饼绕组与第二单饼绕组之间的绝缘夹层3；

(4)将剩余一半的超导带材从中间开始，逆时针绕制另一个单饼绕组(第二单饼绕组)，以形成一个螺旋绕制的高温超导双饼线圈，且两个单饼绕组的出线端子都在超导线圈的外侧；

(5)装配外骨架2，将两个单饼绕组的出线端子沿外骨架2上两个切向出线口B(切向出线口B内外分别与外骨架2内外面相切)穿出，用丝绸带沿内、外骨架将高温超导双饼线圈螺旋缠绕紧实；

(6)将绕制完成的高温超导双饼线圈干燥箱干燥后放入事先准备好的环氧浸渍模具中，卡好夹具，拧紧螺栓，设置浇注口、排气口后进行低温环氧浸渍；

(7)浸渍一段时间后，开始升温固化，按照设定的固化工艺进行，随炉冷却。开模取出固化为一体的高温超导双饼线圈；

(8)进行高温超导双饼线圈临界电流和绝缘性能测试。

本实用新型实施例中还提供了一种超导储能限流磁体，包括上述任意一种可选的或优选的超导双饼线圈。由于该超导储能限流磁体实施例解决问题的原理与超导双饼线圈相似，因此该超导储能限流磁体实施例的实施可以参见超导双饼线圈实施例的实施，重复之处不再赘述。

通过本实用新型实施例提供的超导双饼线圈，研制高温超导储能限流磁体(由特定数量的高温超导双饼线圈串、并联组成)，可适用于风电场并网。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超导双饼线圈，其特征在于，包括：内骨架(1)、外骨架(2)、绝缘夹层(3)和一根超导带材(4)；

其中，所述内骨架(1)外表面上设置有螺旋凹槽；

所述超导带材(4)绕制于所述内骨架(1)外表面，形成所述内骨架(1)轴向垂直平面内的第一单饼绕组和第二单饼绕组，且所述第一单饼绕组和所述第二单饼绕组之间的过渡超导带绕制于所述螺旋凹槽内；

所述绝缘夹层(3)安装于所述第一单饼绕组和所述第二单饼绕组之间；

所述外骨架(2)上设置有第一出线口和第二出线口；所述外骨架(2)套在所述第一单饼绕组和所述第二单饼绕组外环，且所述第一单饼绕组的出线通过所述第一出线口穿出，所述第二单饼绕组的出线通过所述第二出线口穿出。

2.如权利要求1所述的超导双饼线圈，其特征在于，所述内骨架(1)和所述外骨架(2)为环形。

3.如权利要求2所述的超导双饼线圈，其特征在于，所述超导带材(4)为通过如下任意一种材料包覆的绕包绝缘超导带材：丝绸、NOMEX纸或玻璃丝带。

4.如权利要求3所述的超导双饼线圈，其特征在于，所述内骨架(1)和所述外骨架(2)的高度相等，且等于绕包绝缘超导带材宽度的两倍与绝缘夹层厚度之和。

5.如权利要求2所述的超导双饼线圈，其特征在于，所述第一出线口和所述第二出线口为沿所述外骨架(2)内外表面切向开的出线口。

6.如权利要求2所述的超导双饼线圈，其特征在于，所述内骨架(1)外表面上螺旋凹槽的起始点和末尾点均与环形内骨架(1)的外环面相切，且所述螺旋凹槽的宽度等于所述超导带材(4)的宽度，所述螺旋凹槽的深度等于所述超导带材(4)的厚度。

7.如权利要求1所述的超导双饼线圈，其特征在于，所述超导带材(4)的中点为所述第一单饼绕组和所述第二单饼绕组的绕线起始点，且所述超导带材(4)在所述第一单饼绕组和所述第二单饼绕组中的绕线方向相反。

8.如权利要求1所述的超导双饼线圈，其特征在于，所述绝缘夹层(3)上设置有槽或圆孔。

9.如权利要求1至8任一所述的超导双饼线圈，其特征在于，所述超导双饼线圈由环氧树脂浸渍固化为一体。

10.一种超导储能限流磁体，其特征在于，包括权利要求1至9任一所述的超导双饼线圈。