一种高温超导储能磁体装置的制作方法

本发明属于高温超导应用技术和新型磁储能技术等领域，具体涉及一种高温超导储能磁体装置，作为储能元件用于高温超导储能系统中，特别适用于基于传导冷却方式的高温超导储能系统，应用于电力系统。

背景技术：

随着高温超导线材技术的进步以及由此而发展起来的超导应用技术的研究热潮，超导磁储能系统（smes）电力装置技术发展迅速，正逐步由试验阶段转入实际工程应用阶段。超导储能技术是利用高温超导线圈将能量以电磁能的形式储存起来，在需要时再将电磁能释放给电力装置。由于超导体的零电阻特性，其线圈载流密度能够达到很高，进而可以降低储能系统的体积和重量，具有高能量密度、高功率密度、快速响应和使用寿命长等特点。这些优势使得smes在提高电力系统动态特性、作为重要设备的紧急备用电源或ups电源，以及在新概念高能武器脉冲功率技术等多种领域和用途上具有明显的优越性。

超导储能磁体作为能量存储单元，是整个超导储能系统最为核心的部件，承担着电磁能的快速存储和释放功能。超导储能系统在实际应用中，超导储能磁体往往需要工作在30k左右的超低温环境和强磁场环境中，将使其承受较大的冷收缩应力和强电磁力的共同作用，进而导致超导磁体内部产生较大的应变，当应变达到一定程度时，一方面会使超导磁体线圈的临界电流密度退化，另一方面会导致磁体内部的复合材料破裂，进而影响超导磁体结构的稳定性。根据日本超导和低温工程协会对世界超导磁体系统的调查研究结果，超导磁体工作电流难以达到其设计要求的大部分原因来源于机械损伤。因此，在高温超导储能磁体装置的设计过程中，应根据磁体结构所受应变分布特征，采取相应的加强措施以确保超导磁体具有足够的机械强度。

另外，在传导冷却方式的高温超导储能磁体系统中，磁体的导冷必须借助金属件完成。然而，高温超导储能磁体在实际工作中会产生交变电流，进而产生交变磁场，使得超导磁体内部的金属结构件中产生较大的涡流损耗。这种涡流损耗产生的热量一方面会引起超导磁体线圈的温度增加，使其实际温度超过设计的工作温度，将导致磁体线圈载流能力降低，同时可能会导致超导磁体线圈局部失超，严重情况下甚至损毁磁体线圈；另一方面，会引起制冷系统的制冷负荷增加，若不能将涡流损耗产生的热量及时带走，将影响整个储能系统的热稳定性，最终将到导致系统无法正常工作。

因此，在保证超导储能磁体具有足够导冷效果的前提下，应尽量减少磁体内部的金属结构件和降低金属结构件的涡流损耗，这是超导储能磁体结构设计的关键环节，也是技术难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对大容量高温超导储能系统的应用场景，提供一种高温超导储能磁体装置，作为储能元件用于高温超导储能系统中，以解决现有高温超导储能磁体装置中超低温和强磁场带来的机械强度问题，以及磁体内部金属件在交变磁场下产生较大涡流损耗带来的超导磁体局部失超风险和影响系统热稳定性等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温超导储能磁体装置，包括支撑内环以及绕制在支撑内环上的高温超导线圈，所述的高温超导线圈外侧套有支撑圆环,高温超导线圈和支撑圆环之间填充有多层过渡超导带，所述的支撑圆环外侧套有支撑外环，支撑圆环和支撑外环之间填充有多层过渡不锈钢带，所述高温超导线圈的前后两侧设置有导热侧板，导热侧板采用螺栓分别与支撑内环和支撑外环进行连接固定，导热侧板的端部连接有过渡冷桥，过度冷桥采用无氧铜材料加工而成，用于将冷源冷量传递到导热侧板上，导热侧板外固定有密封侧板，所述的密封侧板外设有沿周向均匀分布的多个拉杆，拉杆的两端分别与支撑内环和支撑外环连接，所述高温超导线圈引出的电流引线穿出支撑圆环后固定在支撑外环的环氧块上，所有部件组装完成后再利用低温环氧胶进行常温真空浸渍浇注，将所有部件进行固化。

所述的一种高温超导储能磁体装置，其高温超导线圈通过高温超导带材绕制而成，采用截面为圆形或d形的双饼结构，线圈两端的电流引线同侧引出进行衔接固定。

所述的一种高温超导储能磁体装置，其支撑内环通过玻璃纤维增强树脂基复合材料编织而成，采用阶梯式圆环结构，用于高温超导线圈的内部支撑，以及导热侧板和拉杆的端部固定。

所述的一种高温超导储能磁体装置，其多层过渡超导带采用n（n=3～6）根超导带拼接而成，用于缓解和减小高温超导线圈与支撑圆环由于不同收缩率导致的低温下两者收缩界面处的间隙，每根超导带保持断开，n根超导带构成n个具有断口的同心圆，断口采用聚酰亚胺胶带进行包扎，相邻两个圆断口所处位置在圆周方向保持间隔360/n度。

所述的一种高温超导储能磁体装置，其支撑圆环采用玻璃纤维增强树脂基复合材料编织而成，其内径与多层过渡超导带外径一致，厚度与高温超导线圈的一致，圆环宽度为30～40mm；支撑圆环上分别沿着高温超导线圈两端电流引线的出线方向开设宽1mm深6mm的出线槽，用于电流引线的出线。

所述的一种高温超导储能磁体装置，其多层过渡不锈钢带采用n（n=3～6）根厚度小于0.3mm的不锈钢带拼接而成，用于缓解和减小支撑圆环与支撑外环由于不同收缩率导致的低温下两者收缩界面处的间隙，每根不锈钢带保持断开，断口和不锈钢带本体均采用聚酰亚胺胶带进行包扎，相邻两匝的断口所处位置在圆周方向保持间隔360/n度。

所述的一种高温超导储能磁体装置，其支撑外环和拉杆均采用不锈钢材料加工而成；支撑外环并采用内圆外方结构，其内径与支撑圆环的外径一致，且厚度与支撑圆环厚度一致，从内圆到外侧的最大宽度不超过20mm；拉杆沿圆周呈辐射状分布，且分布在左右两侧的拉杆数量相对分布在上下侧数量较多，用于进一步增加装置的整体机械强度，同时并未带来较多的涡流损耗，拉杆厚度为5～10mm，宽度为15～25mm，长度尺寸根据超导线圈的径向长度进行确定。

所述的一种高温超导储能磁体装置，其导热侧板采用无氧铜材料按照特殊结构形式加工而成，并采用内圆外方结构，用于超导线圈的导冷，其厚度为3mm～6mm，板面开设一系列1mm～3mm宽的直槽，其径向长度需确保槽口超出超导线圈所在径向区域，槽口沿圆周呈辐射状分布，槽之间的最大距离为15～20mm，四周外部和内圆附近未开槽区域的宽度为15～20mm。同时，沿水平方向中部区域的槽口朝圆心方向全部切断，以使内圆附近的未开槽区域分断，失去连续性。

所述的一种高温超导储能磁体装置，其密封侧板采用环氧酚醛层压玻璃布板加工而成，并采用内圆外方结构，用于整体结构的封装，其内圆直径与支撑内环的内径一致，外侧尺寸与支撑外环的外侧尺寸一致，厚度为3～5mm。

所述的一种高温超导储能磁体装置，其电流引线采用无氧铜带与超导带拼接而成，其中无氧铜带的宽度和厚度分别与超导带的宽度和厚度一致，两者之间通过焊接方式进行连接。

本发明通过采取以上技术方案，具有以下优势：

1、采用玻璃纤维增强树脂基复合材料的支撑内环，既可以显著降低磁体装置工作时的涡流损耗，同时可以为防止超导线圈出现机械损伤提供有效保障；

2、采用多层过渡超导带和多层不锈钢带可以有效缓解不同材料部件之间由于不同收缩率导致的低温下收缩界面处的间隙；

3、采用玻璃纤维增强树脂基复合材料编织而成的支撑圆环套在高温超导线圈外侧，且开设呈八字形分布的宽1mm，深6mm的出线槽，确保支撑圆环具有足够的机械强度，进而提高了超导线圈的抗变形能力；

4、采用无氧铜材料按照特殊结构形式加工而成的导热侧板，在保证导热侧板具有一定导冷效果的基础上，既能大大降低导热侧板工作时的涡流损耗，又能使其具有足够的机械强度；

5、采用沿圆周呈辐射状分布的不锈钢拉杆，一端固定在复合材料支撑内环上，另一端固定在不锈钢支撑外环上，在未带来较多的涡流损耗的同时，可增加装置的整体机械强度。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明多层过渡超导带的结构示意图；

图4为本发明支撑圆环的结构示意图；

图5为本发明导热侧板的结构示意图。

图中标记说明：1—高温超导线圈，2—支撑内环，3—多层过渡超导带，4—支撑圆环，5—多层过渡不锈钢带，6—支撑外环，7—导热侧板，8—过渡冷桥，9—密封侧板，10—拉杆，11—电流引线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1、图2所示，本发明公开了一种高温超导储能磁体装置，包括高温超导线圈1、支撑内环2、多层过渡超导带3、支撑圆环4、多层过渡不锈钢带5、支撑外环6、导热侧板7、过渡冷桥8、密封侧板9、拉杆10和电流引线11。

所述的高温超导线圈1按照工艺要求绕制在支撑内环2上，所述的支撑圆环4套在所述的高温超导线圈1外侧，两者之间的缝隙采用多层过渡超导带3进行填充。所述的支撑外环6套在所述的支撑圆环4外侧，两者之间的缝隙采用多层过渡不锈钢带5进行填充。所述的导热侧板7位于高温超导线圈1两侧，并采用螺栓连接形式分别与支撑内环2和支撑外环6进行连接固定。所述的过渡冷桥8采用无氧铜材料加工而成，用于将冷源冷量传递到导热侧板上，固定在两侧的导热侧板7端部之间，采用螺栓连接形式与导热侧板7进行连接固定。所述的密封侧板9通过螺栓连接分别固定在导热侧板7侧面，所述的拉杆10位于密封侧板9外侧，其两端分别与支撑外环6与支撑内环2进行螺栓连接，沿周向按照一定规律进行分布。所述的电流引线11通过焊接方式分别与高温超导线圈1两端电流接头进行连接，并穿过支撑圆环4和支撑外环6的线槽固定在外侧的环氧块上，所有部件组装完成后再利用低温环氧胶进行常温真空浸渍浇注，将所有部件进行固化。

所述的高温超导线圈1通过高温超导带材绕制而成，采用双饼结构，可分为圆形和d形两种结构形式，由超导带材连续绕制而成，线圈的两端电流接头从同侧引出，并与所述的电流引线11进行衔接固定。高温超导线圈1作为载流元件，工作温度一般为30k左右，通电后将电能转换为磁场能储存起来，根据系统需求完成其储能和释能功能，具有零电阻和高电流密度等特性。

所述的支撑内环2采用玻璃纤维增强树脂基复合材料编织而成，并采用阶梯式圆环结构，最大外径与高温超导线圈1内径一致，用于高温超导线圈1的内部支撑，以及导热侧板7和拉杆10的端部固定。在超导储能磁体工作过程中，支撑内环2所处位置的磁场是整个磁体装置中最大区域，采用非金属复合材料，可以显著降低磁体装置工作时的涡流损耗。同时，采用玻璃纤维材料编织而成，具有较好的机械强度，为防止超导线圈出现机械损伤提供了有效保障。

所述的多层过渡超导带3采用n（3～6）根超导带拼接而成，用于缓解和减小高温超导线圈1与支撑圆环4由于不同收缩率导致的低温下两者收缩界面处的间隙。每根超导带长度按所处直径位置上一匝计算，且每根超导带保持断开，断口采用聚酰亚胺胶带进行包扎，相邻两匝的断口所处位置在圆周方向保持间隔360/n度。图3所示为3层过渡超导带结构示意图，每匝超导带的断口与相邻匝的断口圆周方向上间隔120度。

所述的支撑圆环4采用玻璃纤维增强树脂基复合材料编织而成，其内径与多层过渡超导带3外径一致，厚度与高温超导线圈1的厚度一致，圆环宽度为30～40mm；支撑圆环4上分别沿着高温超导线圈1两端电流引线11的出线方向开设宽1mm，深6mm的出线槽，用于电流引线11的出线，两端出线槽呈八字形分布，并分布于两侧，如图4所示，以保持支撑圆环4结构的连续性，从而确保支撑圆环4具有足够的机械强度。在超导储能磁体工作过程中，超导线圈主要受到径向朝外分布的电磁力，使超导线圈发生向外扩张的变形趋势，支撑圆环4较好的机械强度提高了超导线圈的抗变形能力。

所述的多层过渡不锈钢带5采用n（3～6）根厚度小于0.3mm的不锈钢带拼接而成，用于缓解和减小支撑圆环4与支撑外环6由于不同收缩率导致的低温下两者收缩界面处的间隙。每根不锈钢带长度按所处直径位置上一匝计算，且每根不锈钢带保持断开，断口和不锈钢带本体均采用聚酰亚胺胶带进行包扎，相邻两匝的断口所处位置在圆周方向保持间隔360/n度。

所述的支撑外环6采用不锈钢材料加工而成，并采用内圆外方结构，其内径与支撑圆环4的外径一致，且厚度与支撑圆环4厚度一致，从内圆到外侧的最大宽度不超过20mm。

所述的导热侧板7采用无氧铜材料按照特殊结构形式加工而成，如图5所示，并采用内圆外方结构，用于高温超导线圈1的导冷，其厚度为3mm～6mm，板面开设一系列1mm～3mm宽的直槽，其径向长度需确保槽口超出超导线圈所在径向区域，槽口沿圆周呈辐射状分布，槽之间的最大距离为15～20mm，四周外部和内圆附近未开槽区域的宽度为15～20mm。同时，沿水平方向中部区域的槽口朝圆心方向全部切断，以使内圆附近的未开槽区域分断，失去连续性。

这种设计在保证导热侧板7具有一定导冷效果的基础上，既能大大降低导热侧板7工作时的涡流损耗，又能使其具有足够的机械强度；进一步的效果在于，开设宽度较小的槽口，可以减少后续固化过程中浸渍的用胶量，进而减少了混入气泡的量，使浸渍固化效果得以改善。

所述的密封侧板9采用环氧酚醛层压玻璃布板加工而成，并采用内圆外方结构，用于整体结构的封装，其内圆直径与支撑内环2的内径一致，外侧尺寸与支撑外环6的外侧尺寸一致，厚度为3～5mm。

所述的拉杆10采用不锈钢材料加工而成，沿圆周呈辐射状分布，且分布在左右两侧的数量相对分布在上下侧数量较多，用于进一步增加装置的整体机械强度，同时并未带来较多的涡流损耗。拉杆10厚度为5～10mm，宽度为15～25mm，长度尺寸根据超导线圈的径向长度进行确定。

所述的电流引线11采用无氧铜带与超导带按照特殊方式拼接而成，其中无氧铜带的宽度和厚度分别与超导带的宽度和厚度一致，两者之间通过焊接方式进行连接。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例，并不说明本发明的局限性，对于类似于该结构的高温超导储能磁体装置都应视为本发明的保护范围。