一种利用脱层超导带材绕制超导线圈的方法

摘要

本发明涉及一种利用脱层超导带材绕制超导线圈的方法，属于超导磁体应用技术领域。首先将超导带材进行脱层处理，使得超导层和过渡层脱离；如何将脱层后的带有超导层的带材绕制在线圈骨架上形成线圈最后将绕制好的超导线圈进行固定、浸蜡等后处理。本发明利用脱层超导带材绕制的超导线圈，可用于超导限流器、电机、调相机等超导强电装备。本发明的超导线圈，重量轻，体积小，当用于超导限流器、电机、调相机等应用装备时，可以有效提升功率密度、减轻重量，并节约设备成本。本发明方法绕制的超导线圈，超导线圈层间没有氧化物过渡层间隔，因此热导率较高，磁体的降温速率和运行热稳定性更优，可以在温度为4K～80K在应用过程中正常工作。

权利要求

1.一种利用脱层超导带材绕制超导线圈的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)利用物理方法对超导带材进行脱层处理，使得超导带材中的超导层和过渡层脱离，得到由超导层和保护层组成的脱层超导带材，其中脱层处理为液氮低温浸泡过程，即首先将超导带材的两侧0.01mm～0.1mm宽的部分剪去，然后超导带材放置于液氮低温环境中，由于带材降温过程中的热应力集中现象，使得超导层和过渡层顺利脱离；所述的超导带材为第二代高温超导带材，具有多层覆膜结构，由保护层、超导层、过渡层和金属基底构成，在脱层超导带材的两侧镀铜作为加强层以增强其机械性能，所述的脱层处理采用液氮低温浸泡方式，使得带材的超导层和过渡层分离，进行连续脱层处理，脱层超导带材长度为1米～

1000米，脱层处理后，脱层超导带材在液氮温度与自场条件下具有临界电流，临界电流为超导带材的50-100％；

(2)将步骤(1)的脱层超导带材绕制在圆柱形线圈骨架上，圆柱形线圈骨架的半径为

0.5cm～100cm，形成超导线圈初品，所述的线圈骨架的材料为铜、不锈钢或铜合金，线圈采用单饼绕制或多饼绕制；

(3)将步骤(3)的超导线圈初品使用环氧树脂进行浸渍固化处理，使浸渍物填满超导线圈初品的空隙中，得到超导线圈，获得的超导线圈在应用过程中的工作温度为4K～80K。

说明书

一种利用脱层超导带材绕制超导线圈的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用脱层超导带材绕制超导线圈的方法，属于超导磁体应用技术领域。

背景技术

[0002] 高温超导带材具有较高的临界电流和良好的机械性能，在高能量密度的电力能源装备中具有广阔的应用前景，因此受到国内外的广泛关注。尤其是在智能电网的应用中具有极大优势。由于高温超导带材具有高通流密度，因此可以在高温超导限流器、电机、调相机等高温超导强电装备中，取代常规的铜导线，绕制各类应用装备的励磁线圈或电枢线圈。高温超导线圈可以实现高磁场，具有结构紧凑的特点，因此可以提高气隙磁通密度，具有非常重要的应用优势。例如，在超导电机装备中，气隙磁通密度的提高减少了切割磁通的导体长度，使得电机的绕组安匝数下降，电感减小，因此超导电机可以具备体积小、重量轻的优势。

[0003] 第二代高温超导带材又被称为高温超导涂层导体，是一种多层覆膜结构的导线，主要由以下几个部分组成：保护层、超导层、过渡层(也称缓冲层)、金属基底。其中金属基底为超导层的制备提供了双轴织构的生长模板，并且提高超导导线的机械强度和耐腐蚀性能；过渡层主要作用是阻隔元素的扩散，并且防止超导层与基底发生反应。除这四个部分外，为了增加机械性能，还可以分别在带材的两侧镀铜作为加强层。超导层作为带材的核心部分，其性能和特质决定了金属基底和过渡层的材料选择。超导层的材料一般为钇钡铜氧或钆钡铜氧，典型的临界转变温度为90K左右。

[0004] 目前已实现产业化的第二代高温超导带材是带状导线，由于采用镍基合金或不锈钢作为基带，涂层导体的机械性能在长度和宽度方向具有较强的优势，但是在厚度方向的黏着强度则较弱(典型为20MPa左右)，所以容易出现脱层现象。根据前期研究与文献调研，通过合适的脱层处理之后，超导带材的超导层和过渡层可以脱离，并且具有超导层一侧的超导带材具有的临界电流值可达到原始带材的50％～90％。

[0005] 在高温超导限流器、电机、调相机等高温超导强电装备中，核心部件为超导线圈。超导线圈主要由线圈骨架和超导带材、馈穿结构、支撑结构等构成，在运行时通过抽真空，实现磁体与外界的绝热，并可以通过馈穿结构将液氮等冷却介质通入线圈内部，降低温度使得超导带材达到超导态，同时将电流引线通过电流引线馈穿件进入线圈内部，与超导带材进行焊接。目前，超导带材厚度一般为0.2mm～0.5mm，普通磁体的绕线量一般为百米级长度；在MW级高温超导强电装备的超导磁体中，线圈总厚度一般为10mm～20mm左右，因此线圈的质量和体积较大，需要更多的空间，功率密度较低；同时另一方面，由于超导带材内部的过渡层一般为氧化物，因此导热能力较差，线圈的冷却降温时间较长，线圈在运行中的热稳定性也较差。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提出一种利用脱层超导带材绕制超导线圈的方法，使制得的超导线圈具有较小的体积和较好的导热能力，以用于超导限流器、电机、调相机等超导强电装备。

[0007] 本发明提出的利用脱层超导带材绕制超导线圈的方法，该包括以下步骤：

[0008] (1)利用物理或化学方法对超导带材进行脱层处理，使得超导带材中的超导层和过渡层脱离，得到由超导层和保护层组成的脱层超导带材；

[0009] (2)将步骤(1)的脱层超导带材绕制在线圈骨架上，形成超导线圈初品，其中所述的线圈骨架为圆柱形，圆柱形线圈骨架的半径为0.5cm～100cm，线圈骨架的材料为铜、不锈钢或铜合金；

[0010] (3)将步骤(3)的超导线圈初品进行浸渍处理，使浸渍物填满超导线圈初品的空隙中，得到超导线圈。

[0011] 上述方法中的步骤(2)中，线圈骨架的材料为铜、不锈钢或铜合金。

[0012] 上述方法中的步骤(2)中，线圈骨架为圆柱形，圆柱形线圈骨架的半径为0.5cm～100cm。

[0013] 本发明提出的利用脱层超导带材绕制超导线圈的方法，其优点是：

[0014] 本发明利用脱层超导带材绕制的超导线圈，可用于超导限流器、电机、调相机等超导强电装备。本发明的超导线圈，由于超导带材的厚度降低了一半左右，从而降低了线圈的质量，并缩小线圈直径，因此该类超导线圈用于超导限流器、电机、调相机等应用装备时，可以有效提升功率密度、减轻重量，并节约设备成本。本发明方法绕制的超导线圈，相对于传统超导磁体，本发明超导线圈层间没有氧化物过渡层间隔，因此各超导层之间的热导率较高，磁体的降温速率和运行热稳定性更优。本发明方法绕制的超导线圈，可以在温度为4K～80K在应用过程中正常工作。

附图说明

[0015] 图1是本发明方法中使用的超导带材样品结构图。

[0016] 图2是本发明方法利用脱层超导带材绕制的单个超导线圈结构示意图。

[0017] 图3是本发明方法利用脱层超导带材绕制的多个超导线圈为一体的结构示意图。

[0018] 图1-图3中，101为超导带材，102为保护层，103为超导层，104为金属基底，105为过渡层，201为单个线圈骨架，202为超导线圈，203为铜端子，204为内环，205为外环。

具体实施方式

[0019] 本发明提出的利用脱层超导带材绕制超导线圈的方法，该包括以下步骤：

[0020] (1)利用物理或化学方法对超导带材进行脱层处理，使得超导带材中的超导层和过渡层脱离，得到由超导层和保护层组成的脱层超导带材；

[0021] 目前商用的超导带材一般为第二代高温超导涂层导体，是一种多层覆膜结构，如图1所示，超导带材101主要由以下几个部分组成：保护层102、超导层103、过渡层105和金属基底104。其中金属基底为超导层的制备提供了双轴织构的生长模板，并且提高超导导线的机械强度和耐腐蚀性能；过渡层主要作用是阻隔元素的扩散，并且防止超导层与基底发生反应；同时还有银保护层涂敷在超导层表面。除这四个部分外，为了增加机械性能，还可以分别在上下方镀铜作为加强层。而本发明的方法是将对已有的超导材料进行处理，处理方法可以采用液氮低温浸泡、电磁感应加热、机械劈裂等方式，使得超导带材的超导层和过渡层分离。经过脱层处理后，脱层超导带材在液氮温度与自场条件下具有临界电流，其临界电流为原始带材的50-100％。本步骤可以利用辊到辊系统进行连续脱层处理，脱层超导带材长度为1米～1000米。

[0022] (2)将步骤(1)的脱层超导带材绕制在线圈骨架上，形成超导线圈初品，其中所述的线圈骨架为圆柱形，圆柱形线圈骨架的半径为0.5cm～100cm，线圈骨架的材料为铜、不锈钢或铜合金；

[0023] (3)将步骤(3)的超导线圈初品进行浸渍处理，使浸渍物填满超导线圈初品的空隙中，得到超导线圈。

[0024] 上述方法的步骤(2)中，线圈骨架的材料为铜、不锈钢或铜合金。

[0025] 上述方法的步骤(2)中，线圈骨架为圆柱形，圆柱形线圈骨架的半径为0.5cm～100cm。

[0026] 在本方法的步骤(1)中，脱层处理可以采用液氮低温浸泡、电磁感应加热、机械劈裂等方式，使得带材的超导层和过渡层分离。具体而言，对于机械劈裂方法，首先利用镊子等工具在超导带材101的端部进行短距离剥离，使得超导层103和过渡层105出现脱离，如图2的右端所示。然后将剥离的两层样品分别粘贴在两个圆柱滚轴上，同时要保证圆柱滚轴的直径要大于超导带材101的临界半径，防止超导带材101内部超导层103受损。利用双面胶将保护层103贴在上圆柱滚轴上，将金属基底104贴在下圆柱滚轴上，然后将两个圆柱滚轴进行反方向的旋转，从而使得后续带材能够脱层，在进行旋转滚轴时要保持上下两个圆柱滚轴的旋转速度相同，以免对超导层造成损坏。可选的，对于液氮低温浸泡方法，首先利用剪刀等工具，将超导带材101两侧0.01mm～0.1mm宽的部分剪去，然后超导带材101放置于液氮低温环境中，由于带材降温过程中的热应力集中现象，使得超导层103和过渡层105能够顺利脱离。此外，也可以选用电磁感应加热方法，该方法也首先利用剪刀等工具，将超导带材
101两侧0.01mm～0.1mm宽的部分剪去，然后对超导带材进行感应加热处理，由于带材升温过程中也存在热应力集中现象，使得超导层103和过渡层105能够顺利脱离。经过上述脱层处理后，带有超导层的带材在液氮温度与自场条件下具有临界电流，且其临界电流为原始带材的50-100％。利用辊到辊系统进行连续脱层处理，可以获得脱层超导带材长度为1米～
1000米。

[0027] 在本方法的步骤(2)中，线圈骨架的材料可以为铜、不锈钢、铜合金等；线圈骨架为圆柱形，其半径为0.5cm～100cm；线圈可以采用单饼绕制，也可采用多饼绕制。将脱层处理好的超导带材绕制到线圈骨架201上时，需要提前将骨架制作完成。可以将一个骨架201来作为超导线圈202绕制的载体，得到如图2所示的超导线圈，单个线圈骨架适用于对磁场要求较小，对用线量较小的需求。也可将多个骨架201进行堆叠放置，在进行堆叠时，内外环相互嵌套，最终形成堆叠式线圈绕制骨架，并得到如图3所示的超导线圈。堆叠线圈骨架适用于对磁场要求较大的需求。

[0028] 将脱层处理好的超导带材绕制到线圈骨架201上时，既可以将超导层置于内侧缠绕，也可以置于外侧缠绕。超导线圈202的绕制的方法可以参考双饼线圈的绕制方法。对于多个超导线圈堆叠形成的磁体，两个线圈绕组之间通过铜端子203进行连接，连接方式为焊接，。在所述步骤S3中浸渍处理可以使用环氧树脂等有机材料，超导线圈在应用过程中的工作温度为4K～80K。