專利名稱：卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超導(dǎo)儲能磁體骨架制作過程中的結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)，尤其涉及一種卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架及制作方法，主要用于優(yōu)化骨架本身的低溫機械性能、強化骨架對超導(dǎo)線圈的低溫保護性能、減少金屬骨架對超導(dǎo)磁體電學(xué)性能的影響。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)材料在達到一定的低溫環(huán)境下，電阻為零。利用超導(dǎo)材料的這種特性，超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)故障限流器、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電動機、超導(dǎo)發(fā)電機等一系列超導(dǎo)電力設(shè)備的應(yīng)用研究得到很大發(fā)展，而超導(dǎo)線圈作為重要組成部分，是其應(yīng)用的一個關(guān)鍵。在儲能磁體方面，與常規(guī)材料制作的磁體相比，利用超導(dǎo)線材繞制的超導(dǎo)線圈，其作為儲能磁體具有功耗極小、儲能量大、且儲存能量持續(xù)穩(wěn)定等特點，而這些特點是普通常規(guī)材料無法實現(xiàn)的，因此在儲能磁體中，超 導(dǎo)磁體相比常規(guī)磁體具有不可替代性。但是由于超導(dǎo)線材復(fù)雜的制作工藝以及其自身的特殊成分組成，使得超導(dǎo)磁體制作中對骨架的要求很高。目前，無論是第一代B1-2223/Ag鉍系銀包套帶材還是第二代YBCO涂層高溫超導(dǎo)帶材，都是脆性氧化物陶瓷材料，較大曲率的彎折會導(dǎo)致其通流性能變差。此夕卜，超導(dǎo)磁體一般在電力網(wǎng)絡(luò)、高強度磁場、溫度變化幅度較大等場合應(yīng)用，環(huán)境較為惡劣，因此超導(dǎo)磁體的制作需要考慮到制作材料的抗機械電磁作用力、絕緣能力、低溫下強度、大范圍溫度變化下強度變化和熱膨脹系數(shù)、抗疲勞性能等一系列因素。超導(dǎo)磁體在從常溫過渡到接近絕對零度溫區(qū)或者相反時，由于骨架和超導(dǎo)線圈的熱膨脹系數(shù)不同，會導(dǎo)致超導(dǎo)帶材繃得過緊或者過松，甚至?xí)谐瑢?dǎo)帶材繃斷、磁體變形和損壞的嚴重后果。在傳導(dǎo)冷卻式超導(dǎo)儲能磁體的研發(fā)歷程中，為了保證超導(dǎo)線圈具有良好的傳導(dǎo)冷卻通道，滿足超導(dǎo)材料的冷卻需要，以及保障磁體的超低溫機械性能，超導(dǎo)儲能磁體往往選用金屬材質(zhì)加工制作磁體骨架，而常規(guī)閉環(huán)式金屬磁體骨架對超導(dǎo)儲能線圈自身電學(xué)性能影響較大，尤其是金屬骨架在磁體磁場作用下所產(chǎn)生的環(huán)流會極大的增加儲能磁體在充放電過程中的自身能量損耗，嚴重時會直接損壞超導(dǎo)線圈，為此，金屬儲能磁體骨架多為開環(huán)式，雖然該結(jié)構(gòu)形式可以基本滿足超導(dǎo)儲能磁體的制作需要，但對于脆弱的超導(dǎo)線圈確存在較大的安全隱患，通過仿真計算并結(jié)合實踐經(jīng)驗證明，該形式骨架開口位置為金屬環(huán)形骨架機械性能最薄弱的內(nèi)應(yīng)力集中點，在大跨度溫度區(qū)間內(nèi)，該種形式的金屬骨架由于熱膨脹因素的影響所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會完全集中在骨架的開口位置，普通直徑方向的直線式開口方式無法通過骨架自身消耗、減弱或均勻分布該內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致金屬骨架所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力完全施加在骨架開口位置所對應(yīng)的超導(dǎo)線圈上，當(dāng)骨架內(nèi)應(yīng)力過大時，超導(dǎo)線圈會因無法承受該內(nèi)應(yīng)力而被拉斷，造成線圈斷路等一系列嚴重后果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種全新的超導(dǎo)儲能磁體骨架，其結(jié)構(gòu)的新設(shè)計可解決因超導(dǎo)磁體特殊運行環(huán)境下的機械強度、熱膨脹因素、自身環(huán)流和內(nèi)應(yīng)力釋放等一系列問題。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計方案一種卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架，該超導(dǎo)磁體骨架由上、下壓板夾置若干個相互疊加的環(huán)型金屬單體骨架而成，由中間絕緣隔板隔離分成若干的超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)；每個環(huán)形金屬單體骨架均帶有開口，該開口為直線式卡口或自鎖式卡口，在開口縫隙處填充并固定有絕緣材料以使該金屬單體骨架成為非全導(dǎo)通的整圓環(huán)體骨架。所述卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的非全導(dǎo)通的整圓環(huán)體骨架側(cè)面設(shè)有隔板凹槽，所述的絕緣隔板卡裝于其中。所述的卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架中，每個繞制區(qū)金屬單體骨架的內(nèi)壁繞制有若干層外裹絕緣層的銅帶；可以是繞制有2至3層帶絕緣外皮的薄銅帶為佳，該薄銅帶厚度為
O.1 -1mnin所述卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的自鎖式卡口可以是十字復(fù)合型自鎖式卡口、Z型自鎖式卡口或C型自鎖式卡口。所述的卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架中，各卡口縫隙內(nèi)填充的絕緣材料使用低溫粘合劑固定。若所述卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的自鎖式卡口為十字復(fù)合型卡口，則在卡口中塞堵十字構(gòu)型的絕緣材料結(jié)構(gòu)塊，用縱向銷釘將十字構(gòu)型的絕緣材料結(jié)構(gòu)塊與金屬單體骨架安裝固緊。本發(fā)明的另一目的是提供一種卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的制作方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下設(shè)計方案一種如上所述卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的制作方法，其方法如下I)根據(jù)整體骨架的制作參數(shù)和每個環(huán)型金屬單體骨架的具體尺寸確定a)所需環(huán)型金屬單體骨架的總數(shù)量；b)各超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)中環(huán)型金屬單體骨架的總數(shù)量；2)按在各環(huán)型金屬單體骨架上均加工出開口，并在該開口縫隙處填充并固定絕緣材料，使各金屬單體骨架成為非全導(dǎo)通的整圓環(huán)體骨架；3)根據(jù)超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)的個數(shù)確定所需絕緣隔板的個數(shù)，并選擇在匹配數(shù)量的環(huán)型金屬單體骨架上加工出用于安設(shè)絕緣隔板的隔板凹槽；4)將各環(huán)型金屬單體骨架從下壓板板面始依次向上累加疊放，在每一個超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)的最上層放置是加工有隔板凹槽的環(huán)型金屬單體骨架，并在此處安設(shè)絕緣隔板；5)在所有超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)組裝完成后加蓋上壓板，用非導(dǎo)磁拉桿固定整體骨架。所述卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的制作方法中，在所述步驟4中，每完成一個超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)的疊放，即在該超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)對應(yīng)的金屬單體骨架共體上的內(nèi)壁繞制若干層帶絕緣外皮的銅帶。所述卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的制作方法中，各環(huán)型金屬單體骨架上加工的開口為直線式卡口或自鎖式卡口 ；其中，自鎖式卡口為十字復(fù)合型自鎖式卡口、Z型自鎖式卡口或C型自鎖式卡口。本發(fā)明的優(yōu)點是可以有效解決超導(dǎo)儲能磁體在特殊運行環(huán)境下，骨架在機械強度、熱膨脹因素等方面所暴露出的一系列問題，降低磁體骨架在大跨度溫區(qū)變化時其內(nèi)應(yīng)力造成線圈損傷的風(fēng)險，有效增強磁體的低溫機械性能，提高磁體正常使用過程中的穩(wěn)定性與耐久性。


圖1為本發(fā)明卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的直線式卡口結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的十字復(fù)合型卡口結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的Z型卡口結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的C型卡口結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為環(huán)型金屬單體骨架結(jié)構(gòu)示意圖(局部剖開)。圖7為纏繞絕緣銅帶后的環(huán)型金屬單體骨架結(jié)構(gòu)示意圖(局部)。下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
具體實施例方式參閱圖1所示，本發(fā)明卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架是由上、下壓板2、3夾置若干個相互疊加的環(huán)型金屬單體骨架I而成，由中間絕緣隔板4將該骨架隔離分成若干的超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)(圖中所示實施例中為五個餅區(qū))。本發(fā)明所做的新設(shè)計是讓每個環(huán)形金屬單體骨架至少帶有一個開口 5，該開口可以是直線式卡口或自鎖式卡口，在開口縫隙處填充并固定有絕緣材料以使該金屬單體骨架成為非全導(dǎo)通的整圓環(huán)體骨架`。圖1至圖4展示了四不同結(jié)構(gòu)形式的開口方式，其僅為幾個具有代表性質(zhì)的實施例。如圖1所示，開口 11為直線式卡口，可在卡口縫隙處填充絕緣材料，使用低溫粘合劑將環(huán)型金屬單體骨架I粘接恢復(fù)成整圓。圖2所示的開口 11為十字復(fù)合型自鎖卡口，中間填充十字型結(jié)構(gòu)絕緣材料體，使用縱向銷釘將十字型絕緣材料體與環(huán)型金屬單體骨架I安裝固緊，恢復(fù)骨架整圓。圖3、4示出的是自鎖式卡口，一個呈Z型，另一個呈C型，還可以是類似結(jié)構(gòu)的不同種設(shè)計，通過設(shè)計不同的卡接結(jié)構(gòu)，使骨架在不破壞整圓的前提下實現(xiàn)自鎖功能，卡口縫隙內(nèi)填充絕緣材料并使用低溫粘合劑固定。本發(fā)明卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架所有的環(huán)型金屬單體骨架I可以帶有均一式的開口，或是這四種開口方式的組合。本發(fā)明所做的又一新設(shè)計是在非全導(dǎo)通的環(huán)型金屬單體骨架側(cè)面設(shè)計有隔板凹槽6，將超導(dǎo)線圈上下餅之間的絕緣隔板4卡裝于其中，骨架通過中間的絕緣隔板被分為上下兩個繞組區(qū)，可有效約束整體環(huán)型金屬骨架的變形量，并防止上下線圈接觸造成匝間短路，如圖6所示。為了進一步防止骨架內(nèi)應(yīng)力對超導(dǎo)線材造成損壞，本發(fā)明所做的再一新設(shè)計是在每個繞制區(qū)開始繞制超導(dǎo)線圈之前，先繞制2至3層外表帶絕緣外皮的薄銅帶(厚度一般在Imm以下)，如圖7所示，該目的是通過銅帶將金屬骨架的內(nèi)應(yīng)力進一步均勻分化，減輕骨架對超導(dǎo)線材的集中作用力。
本發(fā)明卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的制作方法是首先要根據(jù)整體骨架的制作參數(shù)(直徑、總高度)要求和環(huán)型金屬單體骨架的具體尺寸來確定所需環(huán)型金屬單體骨架的總數(shù)量及各超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)的總數(shù)量，備出相應(yīng)數(shù)量的環(huán)型金屬單體骨架，在這些環(huán)型金屬單體骨架上加工直線式卡口、十字復(fù)合型自鎖卡口、Z型自鎖式卡口或C型自鎖式卡口，可以是均一的一種，亦可是混搭；并在當(dāng)中選擇與超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)總數(shù)量一致量的環(huán)型金屬單體骨架加工出用于安設(shè)絕緣隔板的隔板凹槽；再將各環(huán)型金屬單體骨架I從下壓板3板面始依次向上累加疊放，在每一個超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)的最上層放置是加工有隔板凹槽的環(huán)型金屬單體骨架，并在此處安設(shè)絕緣隔板4，在該超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)對應(yīng)的金屬單體骨架共體上的內(nèi)壁繞制若干層帶絕緣外皮的銅帶，參見圖1，在所有超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)組裝完成后加蓋上壓板2，用非導(dǎo)磁拉桿5固定整體骨架。由于各環(huán)形金屬單體骨架是一個非全導(dǎo)通的整圓環(huán)體骨架，因而即可避免如常規(guī)閉環(huán)式金屬磁體骨架對超導(dǎo)儲能線圈自身電學(xué)性能的影響，又可解決開環(huán)式金屬儲能磁體骨架由于熱膨脹因素的影響所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會完全集中在骨架的開口位置而導(dǎo)致的金屬骨架所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力完全施加在骨架開口位置所對應(yīng)的超導(dǎo)線圈上的問題。上述各實施例可在不脫離本發(fā)明的范圍下加以若干變化，故以上的說明所包含及附圖中所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)視為例 示性，而非用以限制本發(fā)明申請專利的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架，該超導(dǎo)磁體骨架由上、下壓板夾置若干個相互疊加的環(huán)型金屬單體骨架而成，由中間絕緣隔板隔離分成若干的超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)；其特征在于每個環(huán)形金屬單體骨架均帶有一個或多個開口，該開口為直線式卡口或自鎖式卡口，在開口縫隙處填充并固定有絕緣材料以使該金屬單體骨架成為非全導(dǎo)通的整圓環(huán)體骨架。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架，其特征在于在所述的非全導(dǎo)通的整圓環(huán)體骨架側(cè)面設(shè)有隔板凹槽，所述的絕緣隔板卡裝于其中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架，其特征在于每個繞制區(qū)金屬單體骨架的內(nèi)壁繞制有若干層帶絕緣外皮的銅帶。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架，其特征在于所述每個繞制區(qū)金屬單體骨架的內(nèi)壁繞制有2至3層外裹絕緣層的薄銅帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架，其特征在于所述的自鎖式卡口為十字復(fù)合型自鎖式卡口、Z型自鎖式卡口或C型自鎖式卡口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架，其特征在于各卡口縫隙內(nèi)填充的絕緣材料使用低溫粘合劑固定。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架，其特征在于所述的自鎖式卡口為十字復(fù)合型卡口，卡口中塞堵十字構(gòu)型的絕緣材料結(jié)構(gòu)塊，用縱向銷釘將十字構(gòu)型的絕緣材料結(jié)構(gòu)塊與金屬單體骨架安裝固緊。
8.—種權(quán)利要求1所述卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的制作方法，其特征在于方法如下 1)根據(jù)整體骨架的制作參數(shù)和每個環(huán)型金屬單體骨架的具體尺寸確定 a)所需環(huán)型金屬單體骨架的總數(shù)量； b)各超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)中環(huán)型金屬單體骨架的總數(shù)量； 2)按在各環(huán)型金屬單體骨架上均加工出開口，并在該開口縫隙處填充并固定絕緣材料，使各金屬單體骨架成為非全導(dǎo)通的整圓環(huán)體骨架； 3)根據(jù)超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)的個數(shù)確定所需絕緣隔板的個數(shù)，并選擇在匹配數(shù)量的環(huán)型金屬單體骨架上加工出用于安設(shè)絕緣隔板的隔板凹槽； 4)將各環(huán)型金屬單體骨架從下壓板板面始依次向上累加疊放，在每一個超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)的最上層放置是加工有隔板凹槽的環(huán)型金屬單體骨架，并在此處安設(shè)絕緣隔板； 5)在所有超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)組裝完成后加蓋上壓板，用非導(dǎo)磁拉桿固定整體骨架。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的制作方法，其特征在于在所述步驟4中，每完成一個超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)的疊放，即在該超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)對應(yīng)的金屬單體骨架共體上的內(nèi)壁繞制若干層帶絕緣外皮的銅帶。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架的制作方法，其特征在于各環(huán)型金屬單體骨架上加工的開口為直線式卡口或自鎖式卡口 ；其中，自鎖式卡口為十字復(fù)合型自鎖式卡口、Z型自鎖式卡口或C型自鎖式卡口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種卡口式金屬超導(dǎo)磁體骨架及其制作方法，該超導(dǎo)磁體骨架由上、下壓板夾置若干個相互疊加的環(huán)型金屬單體骨架而成，由中間絕緣隔板隔離分成若干的超導(dǎo)線圈繞組餅區(qū)；每個環(huán)形金屬單體骨架均帶有一個或多個開口，該開口為直線式卡口或自鎖式卡口，在開口縫隙處填充并固定有絕緣材料以使該金屬單體骨架成為非全導(dǎo)通的整圓環(huán)體骨架；在部分環(huán)形金屬單體骨架的側(cè)面設(shè)有隔板凹槽，所述的絕緣隔板卡裝于其中；每個繞制區(qū)金屬單體骨架的內(nèi)壁繞制有若干層帶絕緣外皮的銅帶。其可解決因超導(dǎo)磁體特殊運行環(huán)境下的機械強度、熱膨脹因素、自身環(huán)流和內(nèi)應(yīng)力釋放等一系列問題。
文檔編號H01F6/00GK103065756SQ20131002379
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者田波, 龔偉志, 李強, 曹昆南, 宋萌, 王達達 申請人:北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司, 云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院