[實用新型]包封的非絕緣超導(dǎo)線圈

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201720470719.0
• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN207124095U
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱佳敏;李柱永;陳思侃;吳蔚;洪智勇
• 申請（專利權(quán)）人: 上海超導(dǎo)科技股份有限公司
• 主分類號: H01F6/06
• 分類號: H01F6/06;H01F41/04
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司31236
• 代理人: 郭國中

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及超導(dǎo)線圈技術(shù)領(lǐng)域，并且更具體地，涉及包封的非絕緣超導(dǎo)線圈。能夠有效的避免超導(dǎo)線圈的失超情況，保持線圈在力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能上的穩(wěn)定。

背景技術(shù)

1911年荷蘭萊頓(Leiden)大學(xué)的卡末林·昂納斯教授在實驗室首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，超導(dǎo)材料及其應(yīng)用一直是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)最活躍的前沿研究領(lǐng)域之一。在過去的十幾年間，以高溫超導(dǎo)為主的超導(dǎo)電力設(shè)備的研究飛速發(fā)展，在超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)電機、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)磁懸浮、核磁共振等領(lǐng)域取得顯著成果。

超導(dǎo)線圈的實際應(yīng)用需要考慮線圈力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)各方面情況。

超導(dǎo)導(dǎo)體的材料屬性決定了其本身比較脆弱，材料受到一定的彎折、拉伸、扭曲等應(yīng)力后，十分容易損壞超導(dǎo)導(dǎo)體本身，使其臨界電流大幅下降。超導(dǎo)線圈正常工作時，超導(dǎo)導(dǎo)體在磁場的作用下常會受到較大的電磁應(yīng)力。此外超導(dǎo)線圈受到的外部機械振動，會傳導(dǎo)給超導(dǎo)導(dǎo)體。尤其在超導(dǎo)電機、超導(dǎo)磁懸浮的這樣的應(yīng)用環(huán)境下，共振、抖動不可避免。無論是受到電磁應(yīng)力還是振動的傳播，如果超導(dǎo)線圈中某段超導(dǎo)導(dǎo)體有細(xì)微的振動，時間一長會造成材料的疲勞使其性能下降，從而影響整個超導(dǎo)線圈的性能。

目前常規(guī)超導(dǎo)線圈在應(yīng)用時通常會用石蠟或者環(huán)氧樹脂對其進(jìn)行真空浸漬，但這種工藝會帶來的一個嚴(yán)重的問題在于，工藝本身有可能會對導(dǎo)體本身具有破壞作用。其破壞的機理在于石蠟或者環(huán)氧樹脂和超導(dǎo)導(dǎo)體組成的材料，在低溫下熱脹冷縮系數(shù)不同，超導(dǎo)導(dǎo)體兩側(cè)的石蠟或者環(huán)氧樹脂極易在冷卻期間垂直沿剝離方向?qū)Τ瑢?dǎo)導(dǎo)線施加剝離應(yīng)力。尤其釔系超導(dǎo)導(dǎo)體是一種多層鍍層材料，層間結(jié)合力弱于剝離應(yīng)力時，導(dǎo)體性能將發(fā)生巨大的折損。即使一開始真空浸漬后沒有出現(xiàn)此問題，但在超導(dǎo)線圈應(yīng)用時多次冷熱循環(huán)以后，此問題也將會出現(xiàn)。超導(dǎo)線圈力學(xué)方面的不良影響如果得不到很好解決的話會制約超導(dǎo)線圈的應(yīng)用。

超導(dǎo)導(dǎo)體的電學(xué)性能是超導(dǎo)導(dǎo)體最重要的指標(biāo)，其關(guān)系到超導(dǎo)線圈的應(yīng)用。超導(dǎo)導(dǎo)體電學(xué)性能最重要的指標(biāo)是臨界電流，超導(dǎo)導(dǎo)體中承載的電流超過臨界電流，超導(dǎo)導(dǎo)體就會失去超導(dǎo)性能，表現(xiàn)為這段導(dǎo)體擁有一定的電阻。超導(dǎo)導(dǎo)體的臨界電流和溫度及磁場有很大的關(guān)系，隨著溫度的升高，超導(dǎo)導(dǎo)體的臨界電流會降低，隨著磁場的升高，超導(dǎo)導(dǎo)體的臨界電流會也會降低。超導(dǎo)線圈中超導(dǎo)帶材的失超往往從一個最薄弱的點開始，其失超后擁有一定電阻，在電流作用下產(chǎn)生了熱量，形成了熱斑。而熱斑會使此段超導(dǎo)導(dǎo)體臨界電流降低，經(jīng)過這樣的正反饋過程，如果過程得不到有效抑制，這一點的失超還會沿著超導(dǎo)導(dǎo)體方向傳播開來，最終導(dǎo)致超導(dǎo)導(dǎo)體局部或整體的燒毀。正因為如此超導(dǎo)線圈在應(yīng)用中，失超的探測和保護(hù)顯得十分重要。然而尤其是高溫超導(dǎo)導(dǎo)體，其導(dǎo)體本身是陶瓷氧化物，通常運行在相對較高的溫度區(qū)間30～77K，熱量的傳播比起低溫超導(dǎo)導(dǎo)體的金屬要慢的多，無法通過監(jiān)測線圈電壓等傳統(tǒng)的方法及時監(jiān)測到失超信號，因此很難進(jìn)行探測和保護(hù)。失超保護(hù)是當(dāng)前困擾高溫超導(dǎo)線圈技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一，這也是超導(dǎo)線圈在一些安全要求較高的工程中應(yīng)用的制約因素。

超導(dǎo)導(dǎo)體的制冷是其應(yīng)用的關(guān)鍵，因為超導(dǎo)導(dǎo)體的溫度直接影響其電學(xué)力學(xué)性能。制冷也關(guān)系著超導(dǎo)線圈應(yīng)用的成本，更關(guān)系著超導(dǎo)線圈應(yīng)用的安全。尤其在應(yīng)用場合，確保制冷效率，及時帶走由于局部超導(dǎo)導(dǎo)體失超形成的熱斑，對超導(dǎo)線圈的穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。超導(dǎo)線圈在應(yīng)用中，通常有兩種冷卻方式，第一種是泡在冷卻液中如液氮、液氦，第二種是用制冷機對線圈進(jìn)行制冷。目前成熟的超導(dǎo)線圈還是用制冷機進(jìn)行制冷，原因在于除了用昂貴的液氦之外，制冷機能夠達(dá)到更低的溫度，使超導(dǎo)導(dǎo)體具有更高的電學(xué)性能，從而體現(xiàn)其較強的性價比；另外制冷機用電即可，較為方便，對應(yīng)用場地工況要求不高。利用制冷機制冷時，為了防止熱量流失，會將超導(dǎo)磁體放入一個密封的真空杜瓦中，將制冷機冷頭深入杜瓦內(nèi)部與超導(dǎo)磁體貼合傳導(dǎo)冷卻。超導(dǎo)磁體中超導(dǎo)導(dǎo)體匝間如果有空隙沒有被填充的話，這部分即成為真空狀態(tài)，十分不利于傳導(dǎo)冷卻。此時如果導(dǎo)體由于失超造成的熱斑就很不容易即時通過傳導(dǎo)冷卻被帶走，最終導(dǎo)致大問題的出現(xiàn)。高溫超導(dǎo)線圈大多用外包絕緣層的超導(dǎo)帶材或線材繞制而成。與傳統(tǒng)漆包線類似，絕緣層的存在是為了防止線圈匝間短路。然而絕緣層材料如聚酰亞氨、PPLP或環(huán)氧樹脂多為熱的不良導(dǎo)體，成為了線圈制冷通路中的障礙。尤其在線圈因為過流或者局部過熱而失超的時候，絕緣層的存在會阻礙熱量的散失，嚴(yán)重時導(dǎo)致先燒毀。