超导线圈及制作方法
阅读说明：本技术 超导线圈及制作方法 (Superconducting coil and method of manufacture ) 是由 朱佳敏 吴蔚 陈思侃 赵跃 张超 甄水亮 连亚博 高中赫 王臻郅 丁逸珺 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种超导线圈及制作方法,包括：导线线圈本体和填充包封结构；所述导线线圈本体采用超导带材和并绕材料并行绕制而成,匝间具有匝间空隙；所述填充包封结构局部或整体包封于所述导线线圈本体的所述匝间空隙中；所述包封结构的材料包括环氧。并绕材料的层间结合力低于超导带材的层间结合力或超导带材与所述包封结构之间的结合力,或者并绕材料与所述包封结构之间的结合力低于超导带材的层间结合力或超导带材与所述包封结构之间的结合力。本发明通过在超导线圈中加入了比超导带材更容易层间剥离的并绕材料,且并绕材料与环氧的结合截面也更容易被剥离,因而不会使超导带材本身的多层结构产生剥离和损毁。(The invention provides a superconducting coil and a manufacturing method thereof, comprising the following steps: the wire coil body and the filling and encapsulating structure; the wire coil body is formed by winding a superconducting strip and a parallel winding material in parallel, and turn-to-turn gaps are formed between turns; the filling encapsulation structure is partially or wholly encapsulated in the inter-turn gap of the wire coil body; the material of the encapsulating structure comprises epoxy. The interlayer bonding force of the parallel winding material is lower than that of the superconducting tape or that between the superconducting tape and the encapsulation structure, or the bonding force between the parallel winding material and the encapsulation structure is lower than that between the superconducting tape or that between the superconducting tape and the encapsulation structure. The invention adds the parallel winding material which is easier to strip layers than the superconducting tape into the superconducting coil, and the combined section of the parallel winding material and the epoxy is easier to strip, thereby avoiding the stripping and damage of the multilayer structure of the superconducting tape.)
技术领域
本发明涉及超导材料领域，具体地，涉及一种超导线圈及制作方法。
背景技术
1911年荷兰莱顿(Leiden)大学的卡末林•昂纳斯教授在实验室首次发现超导现象以来，超导材料及其应用一直是当代科学技术最活跃的前沿研究领域之一。在过去的十几年间，以第二代高温超导带材为代表的高温超导电力和磁体设备的研究飞速发展，在超导储能、超导电机、超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导磁悬浮、核磁共振等领域取得显著成果。
超导导体的材料属性决定了其本身比较脆弱，材料受到一定的弯折、拉伸、扭曲等应力后，十分容易损坏超导导体本身，使其临界电流大幅下降。超导线圈正常工作时，超导导体在磁场的作用下常会受到较大的电磁应力。此外超导线圈受到的外部机械振动，会传导给超导导体。尤其在超导电机、超导磁悬浮的这样的应用环境下，共振、抖动不可避免。每匝产生位移，匝间出现摩擦生热，最终导致导体失超。此外超导线圈在绕制过程中匝间会不可避免地留有缝隙，这也会影响超导磁体的冷却效率。
目前常规超导线圈在应用时通常会用石蜡或者环氧树脂对其进行真空浸渍，但这种工艺会带来的一个严重的问题在于，工艺本身有可能会对导体本身具有破坏作用。如图1所示，其破坏的机理在于石蜡或者环氧树脂和超导导体组成的材料，在低温下热胀冷缩系数不同，超导导体两侧的石蜡或者环氧树脂极易在冷却期间垂直沿剥离方向对超导导线施加剥离应力。尤其钇系超导导体是一种多层镀层材料，层间结合力弱于剥离应力时，导体性能将发生巨大的折损。即使一开始真空浸渍后没有出现此问题，但在超导线圈应用时多次冷热循环以后，此问题也将会出现。
环氧浸渍目前已经成为了业界最难以攻克的问题。
为此行业内想了很多方式：
欧洲的C Barth等人在《Degradation free epoxy impregnation of REBCOcoils and cables》中使用了在环氧胶中掺入石英的方式来调整环氧胶和超导带材的热胀冷缩率。
中国的叶新羽等人在CN112143175A《一种超导磁体用环氧树脂复合材料及其制备方法》制备了一种热膨胀系数、高热导率、高弹性模量的树脂基复合材料用来浸渍线圈。
日本东芝公司的H. Miyazaki等人在《Delamination Stresses of DifferentTypes of REBCO-Coated Conductors and Method for Reducing Radial ThermalStresses of Impregnated REBCO Pancake Coils》中使用了扎带分段控制应力的方法来防止累积应力撕开带材。
韩国的HyungSeop Shin等人在《Characterization of transverse tensilestress response of critical current and delamination behaviour in GdBCOcoated conductor tapes by anvil test》中发展了毡头测试的方法，来表征超导带材的抗脱层应力。
美国的Ibrahim Kesgin等人在《Influence of superconductor filmcomposition on adhesion strength of coated conductors》中采用了劈裂的方法来表征带材的抗脱层应力。
中国的戴凯航等人在《Improving Delamination Strength by Patterning theBuffer Layers of Coated Conductors》中发展了超导带材激光打动电镀铜柱的方式来增加带材的脱层应力。
中国的赵跃等人在CN107103957A《提高第二代高温超导带材层间结合力的处理方法》中发展了增加缓冲层粗糙程度来增加带材脱层应力的方法。
中国的朱佳敏等人在CN107275471A《一种超导带材封装装置》中发展了增加封装层来增加带材脱层应力的方法。
中国的瞿体明等人在CN106373772A《高温超导线圈和高温超导线圈的制作方法》中发展了线圈中间石蜡浸渍外侧包裹环氧的方式。石蜡的浸渍还是会碎裂，时间一长则会出现损坏现象。
中国的胡磊等人在CN113085071A《一种超导线圈浸渍模具及其使用方法》中发展了线圈环氧浸渍的方法。
中国的李亮等人在CN110111969A《一种超导线圈的绝缘加固方法》中采用了水在低温下凝固成冰来代替环氧浸渍线圈。这样的用法有效但是是一次性的。
但至今没有一种方法彻底解决这个问题。这个问题依然阻碍着行业的进步。
线圈如果不用环氧浸渍，只能短时间使用，长时间使用必坏无疑。但如果线圈浸渍，一旦环氧收缩横向撕开超导带材，绕成的线圈是无法拆开的。通常短则几百米的超导带材，长则数公里的超导带材一次性报废。如果环氧胶选择不好或者细节没做到位。可能几十个线圈绕下来，无一例外的会失败。按照超导带材目前400元/米人民币的价格，根本无法接受这样的失败。这个问题不解决，超导的应用就会停滞不前，这俨然成为了制约超导应用进一步发展的重要的瓶颈问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超导线圈及制作方法。
根据本发明提供的一种超导线圈，包括：导线线圈本体和填充包封结构；
所述导线线圈本体采用超导带材和并绕材料并行绕制而成，所述导线线圈本体的匝间具有匝间空隙；
所述填充包封结构局部或整体包封于所述导线线圈本体的所述匝间空隙中；
所述包封结构的材料包括环氧；
并绕材料的层间结合力低于超导带材的层间结合力或超导带材与所述包封结构之间的结合力，或者并绕材料与所述包封结构之间的结合力低于超导带材的层间结合力或超导带材与所述包封结构之间的结合力。
优选地，所述并绕材料包括多层复合材料或多层绝缘纸。
优选地，所述并绕材料包括聚四氟乙烯。
优选地，所述超导带材通过绕包绝缘或涂漆绝缘。
优选地，所述超导带材通过单饼、双饼、鞍形和/或螺线管形式绕制形成导线线圈本体；和/或所述导线线圈本体的外部具有外表面，所述填充包封结构局部或整体包封于所述外表面。
优选地，所述导线线圈本体的形状为圆形、椭圆形、鞍形、D形或矩形。
优选地，所述填充包封结构允许所述导线线圈本体经受冷热循环而不降低超导线圈的电流传输能力10%以上。
根据本发明提供的一种超导线圈的制作方法，包括：
步骤S1：将超导带材和并绕材料并行绕制得到导线线圈本体，所述导线线圈本体的匝间具有匝间空隙；
步骤S2：对所述导线线圈本体进行环氧处理，使所述导线线圈本体的匝间填充环氧，形成包封结构；
并绕材料的层间结合力低于超导带材的层间结合力或超导带材与所述包封结构之间的结合力，或者并绕材料与所述包封结构之间的结合力低于超导带材的层间结合力或超导带材与所述包封结构之间的结合力。
优选地，所述步骤S2中环氧处理的方式包括：将所述导线线圈本体设置于真空浸渍模具进行浸渍。
优选地，所述步骤S1还包括：对所述导线线圈本体进行固定和焊接接头。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过在超导线圈中加入了比超导带材更容易层间剥离的并绕材料，且并绕材料与环氧的结合截面也更容易被剥离，因而不会使超导带材本身的多层结构产生剥离和损毁。
通过本发明，在线圈临界电流的临界退化＜10%的标准下，90%的线圈经过浸渍能够一次成功。这对整个行业的推进是起到了重大的意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为超导线圈中一段超导带材在真空浸渍时的破坏机理；
图2为本发明的一种结构示意图；
图3为PPLP材料的各项性能参数表；
图4为本发明实施例的测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的一种超导线圈，包括：导线线圈本体和填充包封结构。如图2所示，导线线圈本体采用超导带材1和并绕材料2并行绕制而成，所述导线线圈本体的匝间具有匝间空隙。填充包封结构局部或整体包封于导线线圈本体的匝间空隙中，同时也可以局部或者整体包封在导线线圈本体的外部，填充包封结构的材料包括环氧。本发明的填充包封结构允许导线线圈本体经受冷热循环而不降低超导线圈的电流传输能力10%以上。
本发明在超导线圈中加入比超导带材更薄弱的并绕层，且这一层与环氧胶的结合截面容易被拉开，或者这一层自身容易被拉开。
实施例1
在本实施例中，并绕材料包括多层复合材料，多层复合材料的层间结合力低于超导带材的层间结合力或超导带材与环氧胶之间的结合力，或者多层复合材料与环氧胶之间的结合力低于超导带材的层间结合力或超导带材与环氧胶之间的结合力。
以多层PPLP为例，聚丙烯层压纸PPLP（Polypropylene laminated paper）是由多孔的纸浆材料同聚丙烯膜压制而成，具有良好的浸汲性能，因而可有效的防止气隙的产生从而减小局部放电的发生。而聚丙烯薄膜具有较高的介电强度，低温下具有良好的机械性能，因此，PPLP兼具良好的浸汲性及较高的介电强度，是一种很好的低温绝缘材料。在77K液氮浸汲条件下，压力为1atm时，其相对介电常数为2.21，介质损耗因数为8×10-4，介电强度为40-45kV/mm，其介电强度随着厚度的增大而下降。液氮温度，0.1-0.6MPa压力下，液氮浸汲PPLP复合绝缘结构的局部放电初始放电电场为15-24kV/mm。由于PPLP同样具有较高的电阻率，有望用于直流套管的复合绝缘。图3为PPLP材料的介电性能情况。
采用多层PPLP作为并绕材料，并用Stycast 1266A/B按照一定的配比进行包封，进行了12组测试，测试结果得到的电压电流关系如图4所示。
在本发明中，超导带材通过绕包绝缘或涂漆实现绝缘。超导带材的卷绕方式包括图1所示的单饼、双饼、鞍形和/或螺线管形式绕制形成导线线圈本体。导线线圈本体的外部具有外表面，填充包封结构也可以同时局部或整体包封于外表面。导线线圈本体的形状有多种，包括圆形、椭圆形、鞍形、D形或矩形。
实施例2
在本实施例中，并绕材料包括多层绝缘纸，多层绝缘纸的层间结合力低于超导带材的层间结合力或超导带材与环氧胶之间的结合力，或者多层绝缘纸与环氧胶之间的结合力低于超导带材的层间结合力或超导带材与环氧胶之间的结合力。
实施例3
在本实施例中，并绕材料包括聚四氟乙烯，聚四氟乙烯与环氧胶之间的结合力低于超导带材的层间结合力或超导带材与环氧胶之间的结合力（使聚四氟表面光滑度较大，从而降低聚四氟乙烯与环氧胶之间的结合力）。
本发明的超导线圈的制作方法，包括：
步骤S1：将超导带材和并绕材料并行绕制得到导线线圈本体，导线线圈本体的匝间具有匝间空隙，然后对导线线圈本体进行固定和焊接接头。
步骤S2：对导线线圈本体进行环氧处理，使导线线圈本体的匝间填充环氧，形成包封结构。环氧处理的方式包括：将导线线圈本体设置于真空浸渍模具进行浸渍。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。