一种用于快速脉冲超导磁体绕组结构的线圈.pdf

一种用于快速脉冲超导磁体绕组结构的线圈，在开有孔的骨架(4)上放置有环氧垫片(5)，第一层超导绕组(6)绕制在环氧垫片(5)上；第一层超导绕组(6)和第二层超导绕组(8)中间缠绕一层环氧玻璃丝带(7)，第一层超导绕组(6)和第二层超导绕组(8)通过低温环氧树脂紧密粘接在一起；第二层超导绕组(8)的表面沿着绕组的圆周方向等间距的布置有环氧玻璃钢条(9)。本发明线圈的超导绕组使用的超导线材是在超导体(1)外包裹由CuNi和铜组成的复合基体(2)，复合基体(2)外表包覆有绝缘层(3)。本发明具有较高的机械稳定性，较好的传热特性，适用于高储能密度和高磁场的快速励磁的大型超导线圈。

1、  一种用于快速脉冲超导磁体绕组结构的线圈，其特征在于，在开有孔的骨架(4)上放置有环氧垫片(5)，第一层超导绕组(6)绕制在环氧垫片(5)上；第一层超导绕组(6)和第二层超导绕组(8)中间缠绕一层环氧玻璃丝带(7)，第一层超导绕组(6)和第二层超导绕组(8)通过环氧树脂紧密粘接在一起；第二层超导绕组(8)的表面沿着绕组的圆周方向等间距的布置有环氧玻璃钢条(9)。

2、  根据权利要求1所述的用于快速脉冲超导磁体绕组结构的线圈，其特征在于，所述的超导绕组使用的超导线材是在超导体(1)外包裹由CuNi和铜组成的复合基体(2)，复合基体(2)外表包覆有绝缘层(3)；超导线材的宽度a和厚度b之比大于2.5。

3、  根据权利要求1所述的用于快速脉冲超导磁体绕组结构的线圈，其特征在于，所述的环氧玻璃钢条(9)厚度为0.3～0.4mm，宽度为0.8～1.2mm。

4、  根据权利要求1至3的任何一项所述的用于快速脉冲超导磁体绕组结构的线圈，其特征在于，所述的线圈用以下方法制作：
在骨架(4)上放置一层环氧垫片(5)，在环氧垫片(5)上面直接绕制第一层超导绕组(6)，在第一层超导绕组(6)上绕制环氧玻璃丝带(7)，并在环氧玻璃丝带(7)上刷低温环氧树脂；然后在环氧玻璃丝带(7)上面再绕制第二层超导绕组(8)，使第一层超导绕组(6)和第二层超导绕组(8)紧密粘接在一起；在第二层超导绕组(8)表面沿着绕组的圆周方向等间距的布置环氧玻璃钢条(9)，形成冷却通道；在环氧玻璃钢条(9)上绕制第三层超导绕组(10)，在第三层超导绕组(10)上再绕制环氧玻璃丝带(11)，并刷低温环氧树脂，在环氧玻璃丝带(11)上绕制第四层超导绕组(12)，使第三层超导绕组(10)和第四层超导绕组(12)紧密粘接在一起；并在第四层超导绕组(12)表面沿着绕组的圆周方向等间距的布置第二层环氧玻璃钢条(13)，形成冷却通道；按照此工艺一层覆盖一层地连续绕制绕组，形成整体线圈。

一种用于快速脉冲超导磁体绕组结构的线圈
技术领域
本发明涉及一种用于高储能密度、高功率快速脉冲的超导磁体绕组结构的线圈。
背景技术
超导磁体和其它磁体比较具有能耗低、体积小、重量轻、磁场高等优点，因而有广阔的应用前景。超导磁体可以运行在直流电流和交流电流状态，或其对应的磁场条件下。在直流电流下运行的超导磁体具有零电阻，损耗几乎为零，因此超导线圈往往可以使用绝热稳定化的绕组结构，具有较高的工程电流密度和较好的机械强度。运行在交流电流和磁场条件下的高磁场超导磁体由于电流和磁场随时间快速变化，在超导线圈内产生交流损耗，包括磁滞损耗、耦合损耗和涡流损耗等等。这些损耗必需及时被冷却超导线圈的低温液体带走，以保证线圈内部没有能量积累，使得低温流体的传热大于超导本身产生的热量，这样超导线圈才有可能在低于其临界温度以下运行。
为了发展快速脉冲的超导磁体，磁体使用在例如高功率的超导储能系统、高磁场外插和其他需要磁场快速变化的磁场区域。为了获得较高的磁场和较高储能密度的超导磁体，磁体的线圈绕组应该具有较高的工程电流密度(J_E)。超导磁体在快速脉冲运行时将产生交流损耗，一方面我们可以通过改善超导线或超导电缆的结构来减小在脉冲运行过程中的交流损耗，另一方面通过改善线圈的绕组结构，使用有效的超导绕组结构来改善线圈的磁热和机械稳定性，将超导线在脉冲运行过程中的热量及时传出。现在使用的超导线圈的绕组内部用非金属材料例如玻璃钢(FRP)形成的薄片放置在超导绕组每层之间形成冷却通道，这样每层超导线能够直接和低温液体接触，将线圈在脉冲运行过程中产生的交流损耗能量传递给低温液体。现在的这种绕组结构具有较好的低温传热性能，可以较好保证线圈的磁热稳定性。但是线圈的机械强度较差，线圈在充放电过程中易于产生导体运动，导致平均电流密度较低，获得较高磁场强度受到限制；同时线圈失超过程中其正常区域的传播速度较绝热稳定化的超导线圈而言要低得多，使得磁体失超过程中能量仅消耗在线圈的局部，容易产生线圈的损坏；另外，绕组内安装冷却通道之后必然减小线圈的整体刚性，不利于电磁力的支撑。现在使用的绕组结构，线圈局部失超后失超传播速度只能在一维方向的超导线方向上传播。
发明内容
为了克服目前快速脉冲超导磁体存在机械强度及稳定性不好、失超传播速度不高的技术问题，本发明提出一种新型结构绕组的线圈，本发明特别适合于高储能密度的超导磁体和其他快速脉冲的高磁场超导磁体系统。
本发明利用分层加固技术，将两层绕组之间加绝缘的玻璃丝带紧密接触，形成所谓“三明治”结构的绕组：两层绕组外加玻璃钢条薄片，使每两层绕组之间形成冷却通道。在骨架上放置有环氧垫片，绕制在环氧垫片的第一层超导绕组；第一层超导绕组和第二层超导绕组中间缠绕一层环氧玻璃丝带，第一层超导绕组和第二层超导绕组通过环氧树脂紧密粘接在一起；第二层超导绕组的表面沿着线圈的圆周方向等间距的布置有玻璃钢条。
本发明可以极大提高线圈的机械刚度以分解整体线圈的电磁应力，可以实现在正常区二维方向的传播，加快线圈的失超传播速度，从而较大减小线圈的热点温度，保证系统的安全性。本发明还可提高高磁场高储能密度的超导储能磁体的稳定性，改善其机械强度和提高绕组的电流密度，同时使得绕组具有较好的低温传热性能。
本发明采用矩形结构的超导导线，超导导线具有的宽厚比大于2.5，以保证结构的稳定性。第一层超导绕组绕制在带有液氦通孔和沿着线圈的轴线方向开有冷却槽的骨架上，以保证第一层超导绕组能够和液氦直接接触。第一层超导绕组和第二层超导绕组中间缠绕一层环氧玻璃丝带并通过具有传热性好的环氧树脂紧密粘接在一起，形成所谓的“三明治”结构的绕组。在第二层超导绕组的表面沿着线圈的圆周方向等间距的布置厚度约为0.3～0.4mm，宽约为0.8～1.2mm的玻璃钢条。
本发明采用两层绕组之间刷传热性好的低温环氧树脂。当环氧树脂固化后具有较高的机械强度，保证多层线圈之间的电磁力能够分解到每一层内部加强的环氧玻璃丝带上。提高了机械强度和系统的整体刚性，因此机械强度较高，可以承载较大的电磁力，因此可产生的磁场较高。
本发明是采用每两层绕组中间刷低温环氧树脂、缠一层玻璃丝带，使两层绕组紧密贴接在一起，提高了线圈的填充因子，因此线圈的全电流密度也可以大大提高。另外，减小了线圈的体积，提高了线圈的储能密度。
本发明使用两层绕组之间具有良好的热接触，可以提高线圈的失超传播速度，保证线圈的失超传播具有二维特性，使失超传播方向可以在绕组层间径向和沿着绕组周向的方向，有效限制了超导线圈的失超过程中热点温度。
本发明在两层绕组外部放置玻璃钢条作为分离结构，使得液氦可以从绕组的两边进入到绕组的内部，同时两层绕组之间具有良好的热接触，保证了绕组具有较好的传热特性，使得线圈在脉冲运行过程中产生的热量能够快速转移到低温液体中，保证了线圈的磁热稳定性。
本发明的主要优点在于：
1、和现在的脉冲超导磁体的绕组相比较，本发明的绕组具有较高的工程电流密度因而获得高储能密度。线圈承载充放电的电压较高，可获得较高的输出功率。
2、由于绕组采用所谓的“三明治”结构，有效离散了总体电磁应力，使得系统的结构稳定，整体机械强度较高，线圈结构紧凑可以承载较高的机械应力，使得磁体可以产生更高的磁场。
3、两层绕组之间具有良好的热接触，提高了线圈失超过程中正常区的传播速度，减小了线圈失超过程中产生的热点温度。
4、线圈内部放置冷却通道可以保证线圈在脉冲运行条件下超导体产生的焦耳热和交流损耗热及时传出，保证了线圈的磁热稳定特性。
5、超导线圈采用具有较高宽厚比的超导线以及“三明治”绕组结构，可以减小线圈在充电和放电过程中可能产生的导线运动导致线圈失超。
本发明具有较高的机械稳定性，较好的传热特性，可保证超导磁体在快速脉冲条件下系统的稳定性。在失超过程中磁体具有较快的失超传播速度，本发明绕组和常规的绕组相比较具有较高的工程电流密度。特别适用于高储能密度的超导线圈和高稳定高磁场的快速励磁的大型线圈。
附图说明
图1是本发明线圈的超导导线的结构示意图，图中：1超导体、2CuNi和铜组成的复合基体、3绝缘层；
图2a是超导绕组结构的主视图，图2b是超导绕组结构的俯视图，图中：4骨架、5环氧垫片、6第一层超导绕组、7环氧玻璃丝带、8第二层超导绕组、9环氧玻璃钢条、10第三层超导绕组、11环氧玻璃丝带、12第四层超导绕组、13第二层环氧玻璃钢条。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明线圈的超导绕组使用的超导线材由传输电流的超导体1和稳定性较好的CuNi和铜组成的复合基体2、外加绝缘层3组成。超导体(1)外包裹由CuNi和铜组成的复合基体(2)，复合基体(2)外表包覆有绝缘层(3)。超导线的宽度a和厚度b之比大于2.5，以保证结构的稳定性。
如图2a和图2b所示为本发明线圈的结构，骨架4通常由环氧玻璃钢或不锈钢材料制成，骨架4上开有较多的孔以便液氦通过，在骨架4上放置一层环氧垫片5，环氧垫片5对环氧玻璃钢或不锈钢骨架起绝缘和液氦通道的作用，对于环氧玻璃钢或不锈钢骨架起液氦通道的作用。在环氧垫片5上面直接绕制第一层超导绕组6，以保证第一层绕组能够和液氦直接接触。在第一层超导绕组6上绕制环氧玻璃丝带7，并在环氧玻璃丝带7上刷传热性好的低温环氧树脂，然后在环氧玻璃丝带7的上面再绕制第二层超导绕组8，使第一层超导绕组6和第二层超导绕组8紧密粘接在一起。在第二层超导绕组8表面沿着绕组的圆周方向等间距的布置厚度为0.3～0.4mm，宽度为0.8～1.2mm的环氧玻璃钢条9，形成冷却通道。在环氧玻璃钢条9上绕制第三层超导绕组10，在第三层超导绕组10上再绕制环氧玻璃丝带11并刷传热性好的低温环氧树脂，在环氧玻璃丝带上绕制第四层超导绕组12，使第三层超导绕组10和第四层超导绕组12紧密粘接在一起。在第四层超导绕组12表面沿着绕组的圆周方向等间距的布置厚度为0.3～0.4mm，宽度为0.8～1.2mm的第二层环氧玻璃钢条13，形成冷却通道。按照此工艺一层覆盖一层地连续绕制超导绕组，形成整体具有新型绕组结构的超导线圈。
本发明新型绕组结构的线圈具有较高的机械稳定性，较好的传热特性，可保证超导磁体在快速脉冲条件下系统的稳定性。在失超过程中磁体具有较快的失超传播速度，特别适用于高储能密度的超导线圈和高稳定高磁场的快速励磁的大型线圈。