[发明专利]卡口式金属超导磁体骨架及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于超导储能磁体骨架制作过程中的结构工艺技术，尤其涉及一种卡口式金属超导磁体骨架及制作方法，主要用于优化骨架本身的低温机械性能、强化骨架对超导线圈的低温保护性能、减少金属骨架对超导磁体电学性能的影响。

背景技术

超导材料在达到一定的低温环境下，电阻为零。利用超导材料的这种特性，超导储能、超导故障限流器、超导变压器、超导电动机、超导发电机等一系列超导电力设备的应用研究得到很大发展，而超导线圈作为重要组成部分，是其应用的一个关键。

在储能磁体方面，与常规材料制作的磁体相比，利用超导线材绕制的超导线圈，其作为储能磁体具有功耗极小、储能量大、且储存能量持续稳定等特点，而这些特点是普通常规材料无法实现的，因此在储能磁体中，超导磁体相比常规磁体具有不可替代性。

但是由于超导线材复杂的制作工艺以及其自身的特殊成分组成，使得超导磁体制作中对骨架的要求很高。目前，无论是第一代Bi-2223/Ag铋系银包套带材还是第二代YBCO涂层高温超导带材，都是脆性氧化物陶瓷材料，较大曲率的弯折会导致其通流性能变差。此外，超导磁体一般在电力网络、高强度磁场、温度变化幅度较大等场合应用，环境较为恶劣，因此超导磁体的制作需要考虑到制作材料的抗机械电磁作用力、绝缘能力、低温下强度、大范围温度变化下强度变化和热膨胀系数、抗疲劳性能等一系列因素。超导磁体在从常温过渡到接近绝对零度温区或者相反时，由于骨架和超导线圈的热膨胀系数不同，会导致超导带材绷得过紧或者过松，甚至会有超导带材绷断、磁体变形和损坏的严重后果。

在传导冷却式超导储能磁体的研发历程中，为了保证超导线圈具有良好的传导冷却通道，满足超导材料的冷却需要，以及保障磁体的超低温机械性能，超导储能磁体往往选用金属材质加工制作磁体骨架，而常规闭环式金属磁体骨架对超导储能线圈自身电学性能影响较大，尤其是金属骨架在磁体磁场作用下所产生的环流会极大的增加储能磁体在充放电过程中的自身能量损耗，严重时会直接损坏超导线圈，为此，金属储能磁体骨架多为开环式，虽然该结构形式可以基本满足超导储能磁体的制作需要，但对于脆弱的超导线圈确存在较大的安全隐患，通过仿真计算并结合实践经验证明，该形式骨架开口位置为金属环形骨架机械性能最薄弱的内应力集中点，在大跨度温度区间内，该种形式的金属骨架由于热膨胀因素的影响所产生的内应力会完全集中在骨架的开口位置，普通直径方向的直线式开口方式无法通过骨架自身消耗、减弱或均匀分布该内应力，导致金属骨架所产生的内应力完全施加在骨架开口位置所对应的超导线圈上，当骨架内应力过大时，超导线圈会因无法承受该内应力而被拉断，造成线圈断路等一系列严重后果。

发明内容

本发明的目的是提供一种全新的超导储能磁体骨架，其结构的新设计可解决因超导磁体特殊运行环境下的机械强度、热膨胀因素、自身环流和内应力释放等一系列问题。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种卡口式金属超导磁体骨架，该超导磁体骨架由上、下压板夹置若干个相互叠加的环型金属单体骨架而成，由中间绝缘隔板隔离分成若干的超导线圈绕组饼区；每个环形金属单体骨架均带有开口，该开口为直线式卡口或自锁式卡口，在开口缝隙处填充并固定有绝缘材料以使该金属单体骨架成为非全导通的整圆环体骨架。

所述卡口式金属超导磁体骨架的非全导通的整圆环体骨架侧面设有隔板凹槽，所述的绝缘隔板卡装于其中。

所述的卡口式金属超导磁体骨架中，每个绕制区金属单体骨架的内壁绕制有若干层外裹绝缘层的铜带；可以是绕制有2至3层带绝缘外皮的薄铜带为佳,该薄铜带厚度为0.1-1mm。

所述卡口式金属超导磁体骨架的自锁式卡口可以是十字复合型自锁式卡口、Z型自锁式卡口或C型自锁式卡口。

所述的卡口式金属超导磁体骨架中，各卡口缝隙内填充的绝缘材料使用低温粘合剂固定。

若所述卡口式金属超导磁体骨架的自锁式卡口为十字复合型卡口，则在卡口中塞堵十字构型的绝缘材料结构块，用纵向销钉将十字构型的绝缘材料结构块与金属单体骨架安装固紧。

本发明的另一目的是提供一种卡口式金属超导磁体骨架的制作方法。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种如上所述卡口式金属超导磁体骨架的制作方法，其方法如下：

1）根据整体骨架的制作参数和每个环型金属单体骨架的具体尺寸确定：

a）所需环型金属单体骨架的总数量；

b）各超导线圈绕组饼区中环型金属单体骨架的总数量；