[發明專利]一種用于快速脈沖超導磁體繞組結構的線圈

有效

• 申請號: 200810224976.1
• 申請日: 2008-10-29
• 公開（公告）號: CN101499351A
• 公開（公告）日: 2009-08-05
• 發明（設計）人: 王秋良;戴銀明;宋守森;胡新寧
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H01F6/06
• 分類號: H01F6/06;H01B12/02;H01F41/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 關 玲;成金玉

技術領域

本發明涉及一種用于高儲能密度、高功率快速脈沖的超導磁體繞組結構的線圈。

背景技術

超導磁體和其它磁體比較具有能耗低、體積小、重量輕、磁場高等優點，因而有廣闊的應用前景。超導磁體可以運行在直流電流和交流電流狀態，或其對應的磁場條件下。在直流電流下運行的超導磁體具有零電阻，損耗幾乎為零，因此超導線圈往往可以使用絕熱穩定化的繞組結構，具有較高的工程電流密度和較好的機械強度。運行在交流電流和磁場條件下的高磁場超導磁體由于電流和磁場隨時間快速變化，在超導線圈內產生交流損耗，包括磁滯損耗、耦合損耗和渦流損耗等等。這些損耗必需及時被冷卻超導線圈的低溫液體帶走，以保證線圈內部沒有能量積累，使得低溫流體的傳熱大于超導本身產生的熱量，這樣超導線圈才有可能在低于其臨界溫度以下運行。

為了發展快速脈沖的超導磁體，磁體使用在例如高功率的超導儲能系統、高磁場外插和其他需要磁場快速變化的磁場區域。為了獲得較高的磁場和較高儲能密度的超導磁體，磁體的線圈繞組應該具有較高的工程電流密度(JE)。超導磁體在快速脈沖運行時將產生交流損耗，一方面我們可以通過改善超導線或超導電纜的結構來減小在脈沖運行過程中的交流損耗，另一方面通過改善線圈的繞組結構，使用有效的超導繞組結構來改善線圈的磁熱和機械穩定性，將超導線在脈沖運行過程中的熱量及時傳出?，F在使用的超導線圈的繞組內部用非金屬材料例如玻璃鋼(FRP)形成的薄片放置在超導繞組每層之間形成冷卻通道，這樣每層超導線能夠直接和低溫液體接觸，將線圈在脈沖運行過程中產生的交流損耗能量傳遞給低溫液體?，F在的這種繞組結構具有較好的低溫傳熱性能，可以較好保證線圈的磁熱穩定性。但是線圈的機械強度較差，線圈在充放電過程中易于產生導體運動，導致平均電流密度較低，獲得較高磁場強度受到限制；同時線圈失超過程中其正常區域的傳播速度較絕熱穩定化的超導線圈而言要低得多，使得磁體失超過程中能量僅消耗在線圈的局部，容易產生線圈的損壞；另外，繞組內安裝冷卻通道之后必然減小線圈的整體剛性，不利于電磁力的支撐。現在使用的繞組結構，線圈局部失超后失超傳播速度只能在一維方向的超導線方向上傳播。

發明內容

為了克服目前快速脈沖超導磁體存在機械強度及穩定性不好、失超傳播速度不高的技術問題，本發明提出一種新型結構繞組的線圈，本發明特別適合于高儲能密度的超導磁體和其他快速脈沖的高磁場超導磁體系統。

本發明利用分層加固技術，將兩層繞組之間加絕緣的玻璃絲帶緊密接觸，形成所謂“三明治”結構的繞組：兩層繞組外加玻璃鋼條薄片，使每兩層繞組之間形成冷卻通道。在骨架上放置有環氧墊片，繞制在環氧墊片的第一層超導繞組；第一層超導繞組和第二層超導繞組中間纏繞一層環氧玻璃絲帶，第一層超導繞組和第二層超導繞組通過環氧樹脂緊密粘接在一起；第二層超導繞組的表面沿著線圈的圓周方向等間距的布置有玻璃鋼條。

本發明可以極大提高線圈的機械剛度以分解整體線圈的電磁應力，可以實現在正常區二維方向的傳播，加快線圈的失超傳播速度，從而較大減小線圈的熱點溫度，保證系統的安全性。本發明還可提高高磁場高儲能密度的超導儲能磁體的穩定性，改善其機械強度和提高繞組的電流密度，同時使得繞組具有較好的低溫傳熱性能。

本發明采用矩形結構的超導導線，超導導線具有的寬厚比大于2.5，以保證結構的穩定性。第一層超導繞組繞制在帶有液氦通孔和沿著線圈的軸線方向開有冷卻槽的骨架上，以保證第一層超導繞組能夠和液氦直接接觸。第一層超導繞組和第二層超導繞組中間纏繞一層環氧玻璃絲帶并通過具有傳熱性好的環氧樹脂緊密粘接在一起，形成所謂的“三明治”結構的繞組。在第二層超導繞組的表面沿著線圈的圓周方向等間距的布置厚度約為0.3～0.4mm，寬約為0.8～1.2mm的玻璃鋼條。

本發明采用兩層繞組之間刷傳熱性好的低溫環氧樹脂。當環氧樹脂固化后具有較高的機械強度，保證多層線圈之間的電磁力能夠分解到每一層內部加強的環氧玻璃絲帶上。提高了機械強度和系統的整體剛性，因此機械強度較高，可以承載較大的電磁力，因此可產生的磁場較高。

本發明是采用每兩層繞組中間刷低溫環氧樹脂、纏一層玻璃絲帶，使兩層繞組緊密貼接在一起，提高了線圈的填充因子，因此線圈的全電流密度也可以大大提高。另外，減小了線圈的體積，提高了線圈的儲能密度。

本發明使用兩層繞組之間具有良好的熱接觸，可以提高線圈的失超傳播速度，保證線圈的失超傳播具有二維特性，使失超傳播方向可以在繞組層間徑向和沿著繞組周向的方向，有效限制了超導線圈的失超過程中熱點溫度。