一种基于REBCO带材多级绞缆的高温超导导体结构

一种基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体结构
技术领域
1.本发明涉及应用超导技术领域，具体为一种基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体结构。


背景技术：

2.超导体根据临界温度通常分为低温超导体与高温超导体，低温超导体的临界温度低于77k，而高温超导体的临界温度高于77k，因此对于高温超导体而言，液氮是一种很好的冷却剂。自第ii类超导体被发现以来，超导材料已经被应用于各种电力装备及大科学装置超导磁体，包括小型电子产品、电力传输线路、发电机、电动机和高场磁体等。与传统的导电磁体相比，超导磁体可以实现更低的能耗和更紧凑的系统，因为超导体可以在相同的截面内载流能力更大。超导磁体的三大主要应用分别是核聚变、高能物理和磁共振成像(mri)。目前现成的mri磁体的磁场相对较低，从0.2t到3.0t，但一些制造商正在推动使用磁场高达7t的机器，以提高成像质量。聚变反应堆和粒子加速器需要在3t到20t范围内的高磁场。
3.目前用于高场磁体的超导体主要是低温超导体，与高温超导体相比，低温超导体技术更为成熟，nbti和nb3sn的成本都更低。然而，这两种类型的超导体都有局限性，要达到更高的20t以上的磁场，有必要采用高温超导技术。
4.一代高温超导带材bscco目前有两种很有前途的选择：bi2212和bi2223，bi2212具有各向同性材料特性的圆线几何形状，更容易形成电缆，bi2223具有扁平带几何形状，但是都需要在高压环境下进行高温热处理。以rebco为代表的二代高温超导带材制造过程不需要任何热处理，由于基底强度高，具有优良的力学性能。此外，rebco在高于4.2k和高磁场下保持相对较高的临界电流密度，由于这些原因，rebco已经成为高场磁体应用的主要材料。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体结构，在保证高热稳定性和机械性能的同时，而且结构紧凑、机械强度和运行电流高，可实现50千安级别以上的大电流高温超导导体。
6.为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
7.一种基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体结构，所述高温超导导体结构包括多根高温超导电缆、金属中心骨架和不锈钢铠甲；单根所述高温超导电缆的结构由外向内依次为金属包套、子缆苞绕带、螺旋开槽铜芯，堆叠的超导带放置于螺旋开槽铜芯中，使用子缆苞绕带花苞缠绕，再穿入金属包套中，金属填充物均匀填充到堆叠的超导带与螺旋开槽铜芯之间的缝隙；所述多根高温超导电缆扭绞在金属中心骨架上，并在多根高温超导电缆的最外层使用不锈钢带花苞缠绕，最后穿入不锈钢铠甲中；所述堆叠的超导带是由多根rebco高温超导带材形成；所述金属中心骨架为导体提供机械支撑和热稳定性；所述不锈钢铠甲用于封装内部的高温超导电缆。
8.进一步地，所述螺旋开槽铜芯的螺距大于堆叠的超导带所能承受的临界节距。
9.进一步地，所述多根rebco高温超导带材整齐堆叠排列于螺旋开槽铜芯的铜槽内，避免堆叠的超导带由于错位导致额外的应力集中，最大限度的保持其机电性能。
10.进一步地，所述金属填充物为焊锡片。
11.进一步地，所述金属中心骨架选用无氧铜材，所述金属包套为铜包套，所述子缆苞绕带为铜包带。
12.进一步地，所述不锈钢铠甲的横截面为外方内圆或外圆内圆形状，材料选用无磁不锈钢。
13.本发明与现有技术相比的有益效果在于：
14.1.金属中心骨架可以起到分流的作用，同时为导体提供了优良的热稳定性，超导导体外部的不锈钢铠甲可以更好地保护内部的子缆，使得导体具备良好的机械性能；
15.2.螺旋开槽铜芯有着良好的热导电性和机械支撑，扭绞一定的螺距后，有效的降低了自身的交流损耗，同时开槽的尺寸可以直接影响所使用的超导带材宽度和堆叠数量，具有可控的高传输电流密度的特点；
16.3.堆叠型超导带堆可经过金属花苞缠绕，避免了超导带由于错位导致额外的应力集中，最大限度的保持带材自身的机电性能；
17.4.由多根高温超导子缆构成的复合导体，可实现50千安级别以上的传输电流，适用于未来高场应用的超导磁体，具有较强的可扩展性。
附图说明
18.图1为本发明的基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体三维模型结构示意图；
19.图2为本发明的基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体横截面结构示意图；
20.图3为本发明的高温超导电缆三维模型结构示意图；
21.图4为本发明的高温超导电缆横截面结构示意图。
22.图中：1-不锈钢铠甲，2-高温超导电缆，3-金属中心骨架，4-金属包套，5-子缆苞绕带，6-螺旋开槽铜芯，7-金属填充物，8-堆叠的超导带。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图1和图2所示，本发明的一种基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体结构包括多根高温超导电缆2、金属中心骨架3和不锈钢铠甲1。所述高温超导电缆2的结构主要包括金属包套4、子缆苞绕带5、螺旋开槽铜芯6、金属填充物7和堆叠的超导带8；所述多根高温超导电缆2扭绞围绕金属中心骨架3上，并在多根高温超导电缆2的最外层使用不锈钢带花苞缠绕，最后穿入不锈钢铠甲1中；金属中心骨架3为导体提供了优良的机械支撑和热稳定性；不锈钢铠甲1用于封装内部的高温超导电缆2，使得导体具备良好的机械性能。由多根高温超导电缆2构成的导体，可以轻松实现五十千安级别以上的传输电流，适用于未来高场应用的超导磁体，具有较强的可扩展性。所述金属中心骨架3选用无氧铜材，金属包套4为铜包
套或合金包套，子缆苞绕带5为铜包带，不锈钢铠甲1的横截面为外方内圆或外圆内圆形状，材料选用无磁不锈钢。
25.如图3和图4所示，本发明的高温超导电缆2是将堆叠的超导带8放置于螺旋开槽铜芯6后，使用子缆苞绕带5花苞缠绕，再穿入金属包套4中，从而制备成子缆，堆叠的超导带8是由多根rebco高温超导带材整齐堆叠排列于螺旋开槽铜芯6的铜槽内，避免堆叠的超导带8由于错位导致额外的应力集中，最大限度的保持带材自身的机电性能。螺旋开槽铜芯6的螺距应大于超导带材所能承受的临界节距。金属填充物7为焊锡片，将焊锡均匀填充到堆叠的超导带8与螺旋开槽铜芯6之间的缝隙。
26.尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。


技术特征：
1.一种基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体结构，其特征在于：所述高温超导导体结构包括多根高温超导电缆、金属中心骨架和不锈钢铠甲；单根所述高温超导电缆的结构由外向内依次为金属包套、子缆苞绕带、螺旋开槽铜芯，堆叠的超导带放置于螺旋开槽铜芯中，使用子缆苞绕带花苞缠绕，再穿入金属包套中，金属填充物均匀填充到堆叠的超导带与螺旋开槽铜芯之间的缝隙；所述多根高温超导电缆扭绞围绕金属中心骨架上，并在多根高温超导电缆的最外层使用不锈钢带花苞缠绕，最后穿入不锈钢铠甲中；所述堆叠的超导带是由多根rebco高温超导带材形成；所述金属中心骨架为导体提供机械支撑和热稳定性；所述不锈钢铠甲用于封装内部的高温超导电缆。2.根据权利要求1所述的一种基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体结构，其特征在于：所述螺旋开槽铜芯的螺距大于堆叠的超导带所能承受的临界节距。3.根据权利要求1所述的一种基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体结构，其特征在于：所述多根rebco高温超导带材整齐堆叠排列于螺旋开槽铜芯的铜槽内，避免堆叠的超导带由于错位导致额外的应力集中，最大限度的保持其机电性能。4.根据权利要求1所述的一种基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体结构，其特征在于：所述金属填充物为焊锡片。5.根据权利要求1所述的一种基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体结构，其特征在于：所述金属中心骨架选用无氧铜材，所述金属包套为铜包套，所述子缆苞绕带为铜包带。6.根据权利要求1所述的一种基于rebco带材多级绞缆的高温超导导体结构，其特征在于：所述不锈钢铠甲的横截面为外方内圆或外圆内圆形状，材料选用无磁不锈钢。

技术总结
本发明公开了一种基于REBCO带材多级绞缆的高温超导导体结构。所述高温超导导体结构包括多根高温超导电缆、金属中心骨架和不锈钢铠甲；单根所述高温超导电缆的结构主要包括金属包套、子缆苞绕带、螺旋开槽铜芯、金属填充物和堆叠的超导带，多根高温超导电缆扭绞在金属中心骨架上，最后穿入不锈钢铠甲中；所述金属中心骨架为导体提供了足够的机械支撑和优良的热稳定性；所述不锈钢铠甲用于封装内部高温超导电缆子缆，使得导体具备良好的机械性能。本发明结构紧凑，机械强度和运行电流高，可应用于超导技术领域。于超导技术领域。于超导技术领域。


技术研发人员：刘华军 陶书 徐先锋 马红军 施毅 刘方
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2022.11.18
技术公布日：2023/3/3