CN112420312B - 一种模块化高温超导磁体系统及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化高温超导磁体系统，包括容器上盖板、超导磁体、框架组件、M个支撑组件和容器下底板，容器上盖板和容器下底板均由本体和连接块组成，框架组件由框架本体以及过渡板组成，超导磁体由磁体下底板、磁体上盖板以及双饼线圈组成，磁体上盖板和磁体下底板上设置有固定块，连接块和固定块均为具有销钉孔的n形块，支撑组件由支撑杆一、支撑杆二和支撑杆三组成，所述超导磁体、支撑组件以及低温管路的外表面均包覆多层绝热材料；还公开了其装配方法，本发明特别适合在高温超导电机中使用，尤其适合在大功率、低转速、结构紧凑、低运行成本等要求的船舶推进用高温超导电动机或高温超导直驱风力发电机中运用。

Description

一种模块化高温超导磁体系统及其装配方法

技术领域

本发明属于超导应用领域，具体涉及一种模块化高温超导磁体系统，以及其装配方法。

背景技术

常规同步电机一般采用铜绕组转子，在运行工况下，由于铜绕组的电阻而产生大量的焦耳热，进而降低电机的效率。

由于超导材料具有在低温环境下电阻变为零的零电阻效应，转子绕组采用超导材料研制成的超导磁体将无功率损耗，进而极大提高电机的效率。此外，与常规铜绕组相比，超导磁体能在强磁场下承载更高的电流，从而使超导电机具有体积小、重量轻、功率密度大以及转矩密度大等优势。近年来，许多研究人员都致力开发一种可行的，高可靠性的高温超导电机。

现有技术中，有多种高温超导电机转子结构。大部分高温超导电机的超导磁体均安装固定于一个低温部件上，磁体与磁体之间通过电流引线串联在一起，与外部磁体电流源形成一个电路回路。其中，为了提供低温真空环境，所有超导磁体与低温部件一起置于一个巨大的真空容器中。在运行工况下，如果其中一个高温超导磁体发生故障，为了对发生故障的高温超导磁体进行维修或更换，则需要打开该真空容器，但如此巨大的真空容器给超导磁体的维修维护带来了很大的难度。

基于此，提出一种模块化超导磁体系统，既能满足运行环境（低温、真空、通流）的要求，又能满足性能（强度与漏热）要求，还能满足维修简单、高可靠性的要求，其中超导磁体系统在结构上是相互独立的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一是从高温超导磁体及其支撑组件的结构入手，考虑装配工艺，提供一种能满足实际工作需求的，并在结构上相互独立的模块化高温超导磁体系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模块化高温超导磁体系统，由真空容器、超导磁体以及支撑组件构成；所述的真空容器由容器上盖板、容器下底板以及通过螺栓和密封圈分别与容器上盖板和容器下底板连接在一起的框架组件组成，所述的容器下底板由下底板本体和成对设置在下底板本体左右侧的下底板连接块组成，所述的容器上盖板由容器上盖板本体和成对设置在容器上盖板本体上的上盖板连接块组成，所述的框架组件由连接容器上盖板和容器下底板的框架本体以及与框架本体相连接的过渡板组成，由分别连接容器上盖板和容器下底板的框架本体以及连接两个框架本体的过渡板组成，所述的过渡板上安装有密封接线柱、抽真空接头以及冷媒传输接头；所述的超导磁体由L形截面的跑道形磁体下底板、磁体上盖板以及夹持在磁体下底板和磁体上盖板之间的N个（N≥2）双饼线圈组成，三者通过销钉和螺栓贯穿连接在一起，形成一个整体，双饼线圈由内环、外环以及通过低温树脂固化在内环和外环之间的超导线圈组成，所述的N个双饼线圈通过引线串联在一起，所述的磁体上盖板和磁体下底板左右侧分别设置有与下底板连接块/上盖板连接块对应的固定块，所述的磁体下底板或磁体上盖板通过管路与冷媒传输接头相连，冷媒传输接头再通过管路与外部低温制冷系统相连，所述的超导磁体通过电流引线与密封接线柱相连，密封接线柱再与外部磁体电流源相连；所述的支撑组件由沿超导磁体长度方向布置在磁体下底板左右侧的多个支撑杆一、沿超导磁体宽度方向以X形交叉布置在磁体下底板上的支撑杆二和沿超导磁体长度方向布置在磁体上盖板左右侧的多个支撑杆三组成，所述的支撑杆一和支撑杆二两端通过销钉分别与下底板连接块和磁体下底板上的固定块连接，所述的支撑杆三两端通过销钉分别与上盖板连接块和磁体上盖板上的固定块连接；所述超导磁体、支撑组件以及低温管路的外表面均包覆多层绝热材料。

所述的一种模块化高温超导磁体系统，其下底板连接块和上盖板连接块由不锈钢板、铝合金板、钛合金板或铜板加工而成。

所述的一种模块化高温超导磁体系统，其支撑杆一、支撑杆二和支撑杆三由截面为圆形或方形的中间段以及带有销钉孔的前端部和后端部组成，由全复合材料、钛合金、不锈钢、铝合金或复合材料与金属材料形成的组合材料加工而成。

所述的一种模块化高温超导磁体系统，其内环和外环由不锈钢板、铝合金板、钛合金板、无氧铜板或玻璃纤维复合材料板加工而成。

所述的一种模块化高温超导磁体系统，其支撑杆一与超导磁体连接的低温端靠近超导磁体的几何中心，而与真空容器连接的常温端远离超导磁体的几何中心，支撑杆一与容器下底板和超导磁体的装配角度大于0°且不大于45°。

本发明的目的之二是提供上述模块化高温超导磁体系统的装配方法，步骤为：

步骤1，绕制多个双饼线圈，加工所有零部件；

步骤2，用销钉和螺栓贯穿整个内环、超导线圈和外环，将双饼线圈、磁体上盖板和磁体下底板连接成一个整体；

步骤3，将支撑杆一沿长度方向连接在磁体下底板和下底板连接块之间，将每对支撑杆二呈X形连接在磁体下底板和下底板连接块之间，放入销钉并锁紧；

步骤4，通过销钉将剩余支撑杆三的两端分别与磁体上盖板和上盖板连接块连接并锁紧；

步骤5，在超导磁体以及支撑组件外表面包覆多层绝热材料；

步骤6，然后置于框架本体中，分别用螺栓及密封圈将框架本体与容器上盖板以及容器下底板进行密封连接；

步骤7，将超导磁体的电流引线与密封接线柱相连，通过管路与冷媒传输接头相连；

步骤8，在管路外表面包覆多层绝热材料；

步骤9，将装有密封接线柱、抽真空接头以及冷媒传输接头的过渡板密封安装在框架本体上，即得到模块化高温超导磁体系统。

本发明的有益效果是：本发明的高温超导磁体系统是一个独立单元，在结构上与其它超导磁体系统是分开的，具有独立的真空容器，将该超导磁体系统用于高温超导船舶推进电动机或高温超导风力发电机时，与所有超导磁体均安装固定于一个低温部件上，且共用一个巨大真空容器的方案相比，当某个超导磁体发生故障时，仅需打开发生故障超导磁体的真空容器，而无需打开其它超导磁体的真空容器，降低了超导磁体维修维护的难度，提高了超导电机的可维修性和整机可靠性。

而本发明所述超导磁体及其支撑组件是在设计单位装配完成的，电机装配人员无需了解低温与真空，降低了电机装配的技术要求和难度。

再次，本发明所述支撑组件的两端分别通过销钉与超导磁体和真空容器连接在一起，且采用间隙配合，降低了销钉装配的难度，而且当超导磁体处于低温环境时，由于材料的低温冷收缩，超导磁体无论在长度方向还是宽度方向均有一定的缩短，而该间隙正好可以补偿超导磁体的冷收缩量，可使支撑组件与超导磁体和真空容器的连接在低温环境下，处于一个紧配合，进而提高整个磁体系统在低温工作工况下的刚度。

本发明在降低电机装配的技术要求和难度、降低维修维护难度、提高整机可靠性、提高磁体系统刚度等方面均有较大程度的创新，特别适合在高温超导电机中使用，尤其适合在大功率、低转速、结构紧凑、运行成本低等要求的船舶推进用高温超导电动机或高温超导直驱风力发电机中运用。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明隐去框架组件后的示意图；

图3为本发明超导磁体的结构示意图；

图4为本发明超导磁体的横截面结构示意图；

图5为本发明超导磁体双饼线圈的结构示意图；

图6为本发明超导磁体下底板的结构示意图；

图7为本发明超导磁体上盖板的结构示意图；

图8为本发明超导磁体与支撑组件连接的结构示意图；

图9为本发明超导磁体与支撑组件连接的仰视图；

图10为本发明超导磁体与支撑组件连接的俯视图；

图11为本发明支撑组件的结构示意图；

图12为本发明容器下底板的结构示意图；

图13为本发明容器上盖板的结构示意图；

图14为本发明框架组件的结构示意图；

图15为本发明的横截面结构示意图。

各附图标记为：1—容器下底板，11—下底板本体，12—下底板连接块，2—支撑组件，21—支撑杆一，22—支撑杆二，23—支撑杆三，211—前端部，212—中间段，213—后端部，3—螺栓，4—框架组件，41—抽真空接头，42—冷媒传输接头，43—框架本体，44—密封接线柱，431/432/433—配合面，5—超导磁体，51—双饼线圈，52—磁体下底板，53—磁体上盖板，511—内环，512—超导线圈，513—外环，521—磁体下底板本体，522/523/532—带销孔n形块，531—磁体上盖板本体，6—容器上盖板，61—上盖板连接块，62—容器上盖板本体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明在降低电机装配的技术要求和难度、降低维修维护难度、提高整机可靠性、提高磁体系统刚度等方面均有较大程度的创新。本发明适于高温超导磁体的应用场合，特别适于作大功率、低转速、结构紧凑、高功率密度以及高转矩密度等要求的高温超导船舶推进电动机或高温超导风力发电机。

本发明公开了一种模块化高温超导磁体系统，包括容器上盖板6、超导磁体5、框架组件4、M个支撑组件2和容器下底板1，其中M≥4，容器上盖板6和容器下底板1均由本体（下底板本体11/容器上盖板本体62）和成对出现的连接块（下底板连接块12/上盖板连接块61）组成，其中连接块为具有销钉孔的n形块，n形块数量一共为M对（M≥4），超导磁体5由N个双饼线圈51、磁体上盖板53以及磁体下底板52组成，其中N≥2，磁体上盖板53和磁体下底板52均由本体和固定块组成，其中固定块为具有销钉孔的n形块，与连接块对应，n形块数量一共为M对，M个支撑组件2的两端分别置于超导磁体5、容器上盖板6和容器下底板1的n形块内，其沿超导磁体5长度方向布置时，与超导磁体5和真空容器的装配角度为θ（0°＜θ≤45°），其沿超导磁体宽度方向成对交叉布置，呈X形。该布置方法在满足漏热要求的同时，极大降低了超导磁体及其支撑组件的总高度，减小了总体尺寸；此外，本发明所述支撑组件沿超导磁体宽度方向布置时，其成对交叉布置，呈X形。该布置方法在满足漏热要求的同时，提高了系统稳定性，进而提高了系统的可靠性。

实施例1

参照图1至图15所示，本发明的一个基本实施例。

一种模块化高温超导磁体系统，由真空容器、超导磁体5以及支撑组件2构成，所述的真空容器由容器上盖板6、容器下底板1以及框架组件4组成，所述的容器下底板1由下底板本体11和成对设置在下底板本体11左右侧的下底板连接块12组成，所述的容器上盖板6由容器上盖板本体62和成对设置在容器上盖板本体62上的上盖板连接块61组成，下底板连接块12和上盖板连接块61由不锈钢板、铝合金板、钛合金板或铜板加工而成的具有销钉孔的n形块，n形块数量一共为18对。所述的框架组件4通过螺栓3和密封圈分别与容器上盖板6和容器下底板1连接在一起，所述的框架组件4由框架本体43、密封接线柱44、抽真空接头41以及冷媒传输接头42组成，其中密封接线柱44、抽真空接头41以及冷媒传输接头42均密封安装在过渡板上，过渡板再密封安装在框架本体43上，所述的框架本体43采用П形结构，含有3个配合面，其中配合面431为框架本体43与容器下底板1的配合面，配合面432为框架本体43与容器上盖板6的配合面，配合面433为框架本体43与外部结构的配合面，配合面均由金属加工而成，真空容器的容器上盖板6、容器下底板1以及框架本体43由Q235加工而成。

所述的超导磁体5由8个双饼线圈51、磁体上盖板53以及磁体下底板52组成，三者通过销钉和螺栓3贯穿连接在一起，形成一个整体，8个双饼线圈51通过引线串联在一起，双饼线圈51由内环511、外环513和超导线圈512组成，三者通过低温树脂固化成一体，其中内环511由铜板、外环513由铝合金板加工而成，所述的磁体上盖板53和磁体下底板52结构形式为L形截面的跑道形板，所述的磁体下底板52由磁体下底板本体521和横向排列的带销孔n形块522、纵向排列的带销孔n形块523组成，所述的磁体上盖板53由磁体上盖板本体531和位于磁体上盖板本体531中部左右侧凹槽内的带销孔n形块532组成，n形块数量一共为18对，由不锈钢板加工而成，所述的磁体上盖板53或磁体下底板52通过管路与框架组件4的冷媒传输接头42相连，冷媒传输接头42再通过管路与外部低温制冷系统相连，由于超导磁体的特殊性，其涉及到绕制工艺、低温、真空保持、刚强度以及漏热等方面，对场地和人员技术均有较高的要求，因此一般电机厂暂未配置超导磁体的绕制车间。目前，超导磁体一般由设计人员设计、绕制以及试验，试验合格后再将超导磁体由设计单位运至电机总装车间进行总装配。在此过程中，由于运输的不可控因素以及电机装配人员对超导磁体性能理解的不全面，可能会对超导磁体的性能带来一定的隐患。而且，在电机总装车间，现场装配超导磁体，也给电机装配人员带来了很大的挑战和困难。

所述的超导磁体5通过电流引线与框架组件4的密封接线柱44相连，密封接线柱44再与外部磁体电流源相连，所述的支撑组件2其结构形式为两端带有销钉孔的杆，截面为方形，由玻璃钢的中间段212以及带有销钉孔的不锈钢前端部211和不锈钢后端部213组成，其中前端部211置于带销孔n形块522、带销孔n形块523及带销孔n形块532内，后端部213置于下底板连接块12和上盖板连接块61的n形块内，连接方式采用销钉连接，间隙配合，该间隙稍大于过渡配合的间隙，降低了销钉装配的难度。而且当超导磁体处于低温环境时，由于材料的低温冷收缩，超导磁体无论在长度方向还是宽度方向均有一定的缩短，而该间隙正好可以补偿超导磁体的冷收缩量，可使支撑组件与超导磁体和真空容器的连接在低温环境下，处于一个紧配合，进而提高整个磁体系统在低温工作工况下的刚度。

该实施例中的支撑组件2有三种形式的支撑组件，分别为沿超导磁体5长度方向布置的支撑杆一21和支撑杆三23，以及沿超导磁体5宽度方向布置的支撑杆二22，下底板连接块12通过销钉孔连接支撑杆一21和支撑杆二22的一端，支撑杆一21和支撑杆二22的另一端通过销钉孔连接磁体下底板52上的固定块，上盖板连接块61通过销钉孔连接支撑杆三23的一端，支撑杆三23的另一端通过销钉孔连接磁体上盖板53上的固定块，其中支撑杆一21和支撑杆三23的低温端前端部211靠近超导磁体5的几何中心，常温端后端部213远离超导磁体5的几何中心；沿超导磁体5宽度方向的支撑杆二22成对交叉布置呈X形，所述的支撑组件2与销钉之间的配合、与超导磁体5和n形块之间的配合以及销钉与超导磁体5和n形块之间的配合均为间隙配合，配合公差均为H7/h6，所述的支撑杆二22沿超导磁体5长度方向布置时，中间段212与超导磁体5和真空容器的装配角度为10°，所述超导磁体5、支撑组件2以及管路外表面均包覆多层绝热材料。

上述模块化高温超导磁体系统的装配方法步骤为：

步骤1，绕制N个（N≥2）双饼线圈51，加工所有零部件。

步骤2，将N个双饼线圈51、磁体上盖板53以及磁体下底板52通过销钉和螺栓3连接在一起，其中销钉和螺栓3贯穿整个超导线圈512、内环511和外环513，形成一个整体。

步骤3，将支撑杆一21沿长度方向连接在磁体下底板52和下底板连接块12之间，将每对支撑杆二22呈X形连接在磁体下底板52和下底板连接块12之间，放入销钉并锁紧。

步骤4，通过销钉将剩余支撑杆三23的两端分别与磁体上盖板53和上盖板连接块61连接并锁紧。

步骤5，在超导磁体5以及支撑组件2外表面包覆多层绝热材料。

步骤6，将包覆完多层绝热材料的部件置于П形结构的框架本体43中，分别用螺栓3及密封圈将框架本体43与容器上盖板6以及容器下底板1进行密封连接。

步骤7，将超导磁体5的电流引线与框架组件4的密封接线柱44相连，通过管路与框架组件4的冷媒传输接头42相连。

步骤8，在管路外表面包覆多层绝热材料；

步骤9，将装有密封接线柱44、抽真空接头41以及冷媒传输接头42的过渡板密封安装在框架本体43上，即得到模块化高温超导磁体系统。

实施例2

与实施例1不同的是内环511和外环513均由铝合金板加工而成。还可由不锈钢板、钛合金板或铜板加工而成。

实施例3

与实施例1不同的是支撑组件2截面为圆形，由钛合金加工而成。还可由全复合材料、不锈钢、铝合金或复合材料与金属材料形成的组合材料加工而成。

实施例4

与实施例1不同的是支撑组件2沿超导磁体长度方向布置时，本体212与超导磁体5和真空容器的装配角度为5°。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种模块化高温超导磁体系统，其特征在于：由真空容器、超导磁体（5）以及支撑组件（2）构成；

所述的真空容器由容器上盖板（6）、容器下底板（1）以及通过密封圈分别与容器上盖板（6）和容器下底板（1）连接的框架组件（4）组成，所述的容器下底板（1）由下底板本体（11）和成对设置在下底板本体（11）左右侧的下底板连接块（12）组成，所述的容器上盖板（6）由容器上盖板本体（62）和成对设置在容器上盖板本体（62）上的上盖板连接块（61）组成，所述的框架组件（4）由连接容器上盖板（6）和容器下底板（1）的框架本体（43）以及与框架本体（43）相连接的过渡板组成，所述的过渡板上安装有密封接线柱（44）、抽真空接头（41）以及冷媒传输接头（42）；

所述的超导磁体（5）由L形截面的磁体下底板（52）、磁体上盖板（53）以及夹持在磁体下底板（52）和磁体上盖板（53）之间的多个双饼线圈（51）组成，双饼线圈（51）由内环（511）、外环（513）以及通过低温树脂固化在内环（511）和外环（513）之间的超导线圈（512）组成，所述的双饼线圈（51）通过引线串联在一起，所述的磁体上盖板（53）和磁体下底板（52）左右侧分别设置有与下底板连接块（12）/上盖板连接块（61）对应的固定块，所述的磁体下底板（52）或磁体上盖板（53）通过管路与冷媒传输接头（42）相连，冷媒传输接头（42）通过管路与外部低温制冷系统相连，所述的超导磁体（5）通过电流引线与密封接线柱（44）相连，密封接线柱（44）与外部磁体电流源相连；

所述的支撑组件（2）由沿超导磁体（5）长度方向布置在磁体下底板（52）左右侧的多个支撑杆一（21）、沿超导磁体（5）宽度方向以X形交叉布置在磁体下底板（52）上的支撑杆二（22）和沿超导磁体（5）长度方向布置在磁体上盖板（53）左右侧的多个支撑杆三（23）组成，所述的支撑杆一（21）和支撑杆二（22）两端通过销钉分别与下底板连接块（12）和磁体下底板（52）上的固定块连接，所述的支撑杆三（23）两端通过销钉分别与上盖板连接块（61）和磁体上盖板（53）上的固定块连接；

所述超导磁体（5）、支撑组件（2）以及管路的外表面均包覆多层绝热材料。

2.根据权利要求1所述的一种模块化高温超导磁体系统，其特征在于，所述的下底板连接块（12）和上盖板连接块（61）由不锈钢板、铝合金板、钛合金板或铜板加工而成。

3.根据权利要求1或2所述的一种模块化高温超导磁体系统，其特征在于，所述的支撑杆一（21）、支撑杆二（22）和支撑杆三（23）由截面为圆形或方形的中间段（212）以及带有销钉孔的前端部（211）和后端部（213）组成，由全复合材料、钛合金、不锈钢、铝合金或复合材料与金属材料形成的组合材料加工而成。

4.根据权利要求3所述的一种模块化高温超导磁体系统，其特征在于，所述的内环（511）和外环（513）由不锈钢板、铝合金板、钛合金板、无氧铜板或玻璃纤维复合材料板加工而成。

5.根据权利要求4所述的一种模块化高温超导磁体系统，其特征在于，所述的支撑杆一（21）与超导磁体（5）连接的低温端靠近超导磁体（5）的几何中心，支撑杆一（21）与容器下底板（1）和超导磁体（5）的装配角度大于0°且不大于45°。

6.一种如权利要求1所述模块化高温超导磁体系统的装配方法，其特征在于，步骤为：

步骤1，绕制多个双饼线圈（51），加工所有零部件；

步骤2，用销钉和螺栓（3）贯穿整个内环（511）、超导线圈（512）和外环（513），将双饼线圈（51）、磁体上盖板（53）和磁体下底板（52）连接成一个整体；

步骤3，将支撑杆一（21）沿长度方向连接在磁体下底板（52）和下底板连接块（12）之间，将每对支撑杆二（22）呈X形连接在磁体下底板（52）和下底板连接块（12）之间，放入销钉并锁紧；

步骤4，通过销钉将支撑杆三（23）的两端分别与磁体上盖板（53）和上盖板连接块（61）连接并锁紧；

步骤5，在超导磁体（5）以及支撑组件（2）外表面包覆多层绝热材料；

步骤6，然后置于框架本体（43）中，分别用螺栓（3）及密封圈将框架本体（43）与容器上盖板（6）以及容器下底板（1）进行密封连接；

步骤7，将超导磁体（5）的电流引线与密封接线柱（44）相连，通过管路与冷媒传输接头（42）相连；

步骤8，在管路外表面包覆多层绝热材料；

步骤9，将装有密封接线柱（44）、抽真空接头（41）以及冷媒传输接头（42）的过渡板密封安装在框架本体（43）上，即得到模块化高温超导磁体系统。

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