阅读说明：本技术 一种新型储能用环形柱状磁体装置 (Novel annular columnar magnet device for energy storage ) 是由 方斌 刘阳 屈天柱 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型储能用环形柱状磁体装置,该装置由n片单饼磁体沿轴线环状等间隔均匀分布而组成,相邻两片单饼磁体分布间隔为360/n度,此装置中每片单饼磁体为四段式D形设计,其近旋转轴侧为直边,远旋转轴侧为弧边；直边与中心轴为平行、等距关系；D形单饼磁体是从内到外依次为长度为L的直线段(1)、两段对称且半径为R的短弧段(2)、角度为0的长弧段(3)的水平方向轴对称结构；四段之间的连接处为平滑过渡：短弧段与长弧段连接点、该短弧段对应圆心以及长弧段对应圆心三点共线,直线段与短弧段连接点处对应的短弧段半径与直线段相垂直。这一设计,使其内部磁场及电磁应力分布均匀,提高磁体的利用率和装置整体的效率。(The invention discloses a novel annular columnar magnet device for energy storage, which is formed by uniformly distributing n single-cake magnets at equal intervals annularly along an axis, wherein the distribution interval of two adjacent single-cake magnets is 360/n degrees, each single-cake magnet in the device is in a four-section D-shaped design, the side close to a rotating shaft is a straight edge, and the side far away from the rotating shaft is an arc edge; the straight edge and the central axis are in parallel and equidistant relationship; the D-shaped single-cake magnet is of a horizontal direction axisymmetric structure which is sequentially provided with a straight line section (1) with the length of L, two short arc sections (2) which are symmetrical and have the radius of R and a long arc section (3) with the angle of 0 from inside to outside; the connection between the four sections is smooth transition: the short arc section and the long arc section are connected, the circle center corresponding to the short arc section and the circle center corresponding to the long arc section are collinear, and the radius of the short arc section corresponding to the connection point of the straight line section and the short arc section is vertical to the straight line section. The design makes the internal magnetic field and the electromagnetic stress distributed uniformly, and improves the utilization rate of the magnet and the efficiency of the whole device.)

一种新型储能用环形柱状磁体装置

技术领域

本发明涉及磁体装置领域，特别涉及一种基于D形单饼磁体的储能用环形柱状磁体装置结构。

背景技术

环形柱状磁体结构作为典型磁体结构的一种，可以将其产生的磁场有效锁存在磁体内部，储能时具有效率高、密度高、寿命长的优点。储能用环形柱状磁体用于电动汽车充电站储能、电动汽车储能时可有效规避传统锂电池固有的寿命短、处理难度大的问题，是储能以及电动汽车领域的重要研究方向。

但是，目前环形柱状磁体广泛采用的圆形单饼磁体结构会导致环形柱状磁体在使用时，磁体内部的磁场分布不均匀且集中。高温超导电磁储能装置以及粒子回旋加速器的磁体内侧磁场集中问题会导致其线圈电流不均匀、电磁应力过大且分布集中现象，磁场最大值分布在磁体内部，长期工作还会导致金属疲劳、磁体结构破坏等问题。

因此，提出一种可有效解决上述问题的新型储能用环形柱状磁体装置是十分必要的。本发明提出的一种新型储能用环形柱状磁体装置采用了四段式D形单饼磁体设计，可有效解决磁体内磁场集中问题，使磁场及电磁应力分布均匀，也可以有效减小中心磁场大小，减少磁体受金属疲劳问题的影响，从而提高环形柱状磁体的利用率和可靠性。另一方面，本发明提出的基于角度与长度比的结构参数调节方案可以满足各种使用背景以及生产背景，使得D形单饼磁体的新型环形柱状磁体的运用更为广泛。

发明内容

本发明提供如下技术方案：

1.一种新型储能用环形柱状磁体装置，该装置由n片单饼磁体沿轴线环状等间隔均匀分布而组成，相邻两片单饼磁体分布间隔为360/n度；新型储能用环形柱状磁体装置中每片单饼磁体为四段式D形设计，其近旋转轴侧为直边，远旋转轴侧为弧边；D形单饼磁体的直边与中心轴呈平行、等距关系；D形单饼磁体是从内到外依次为长度为L的直线段1、两段对称且半径为R的短弧段2、角度为0的长弧段3的水平方向轴对称结构；D形单饼磁体中四段之间的连接处为平滑过渡：短弧段与长弧段连接点、该短弧段对应圆心以及长弧段对应圆心三点共线，直线段与短弧段连接点处对应的短弧段半径与直线段相垂直。

2.新型储能用环形柱状磁体中，D形单饼磁体可调节的结构参数为长弧段的角度0与长度比α，其中长度比α可描述为：

α＝L/R

式中，L为直线段的长度，R为短弧段的半径。角度0的变化范围为[0°，180°]，长度比α的变化范围为[0，+∞)。

3.新型储能用环形柱状磁体中，每片D形单饼磁体内部由20-30匝或20-30层线圈4叠加绕制而成。

本发明与现有装置相比，其显著优点为：

1.本发明提出的一种新型储能用环形柱状磁体装置采用了四段式D形单饼磁体设计，可有效解决磁体内磁场集中问题，使其内部磁场及电磁应力分布均匀，也可以使其内部热场分布均匀，提高磁体的利用率和装置整体的效率；

2.本发明提出的一种新型储能用环形柱状磁体装置采用了四段式D形单饼磁体设计可以有效减小中心磁场大小，减少磁体受金属疲劳问题的影响，从而提高环形柱状磁体的可靠性；

3.本发明提出的基于角度与长度比的D形单饼磁体结构参数调节方案可以满足各种使用背景以及生产背景，使得D形单饼磁体的新型储能用环形柱状磁体装置方便设计与生产，运用面也更广。

附图说明

图1是基于D形单饼磁体的新型储能用环形柱状磁体装置整体结构图。

图2是D形单饼磁体的结构及设计原理图。

图3是D形单饼磁体的截面图。

图4是角度参数0与磁场大小关系的拟合曲线图。

图5是长度比参数α与磁场大小关系的拟合曲线图。

图中:1为长度为L的直线段，2为半径为R的短弧段，3为角度为0的长弧段，4为20-30匝或20-30层线圈。

具体实施方式

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详细说明，本发明的保护范围包括但不限于下述实施例。

本实施例以400MJ级超导电磁储能器用环形柱状磁体装置作为使用背景，其所用的基于D形单饼磁体的新型储能用环形柱状磁体装置整体结构如图1所示，磁体装置为环形柱状结构，其为180片单饼磁体沿轴线环状等间隔均匀分布组合而成，相邻两片单饼磁体的分布间隔为2°。如图2所示，每片单饼磁体为四段式D形设计，其近旋转轴侧为直边，远旋转轴侧为弧边；每片单饼磁体的直边与中心轴呈平行、等距关系。

本实施例所述超导电磁储能器用磁体装置中，D形单饼线圈材料为第二代高温超导材料稀土钡铜氧化合物(ReBCO)。如图3所示，D形单饼磁体截面4为27匝高温超导带材绕制而成，每匝带材内通入400A的电流，从而得到一个可储存400MJ级能量的高温超导电磁储能器用磁体装置。

该磁体装置的基本参数如表1所示。

表1

本实施例中，单饼磁体采用四段式D形结构设计，从内到外依次为长度为L的直线段1、两段对称且半径为R的短弧段2、角度为0的长弧段3的水平方向轴对称结构。此外，D形单饼磁体中四段之间的连接处为平滑过渡：短弧段与长弧段连接点、该短弧段对应圆心以及长弧段对应圆心三点共线；直线段与短弧段连接点处对应的短弧段半径与直线段相垂直。直线段的长度为L，短弧段对应的半径大小为R，长弧段对应角度为0，即可计算出长弧段对应的半径R’如下式所示：

因此，当直线段的长度L，短弧段对应的半径R，长弧段对应角度0三个参数固定时，即可得到固定的D形单饼磁体结构。

本发明将D形单饼磁体可调节的结构参数定为长弧段的角度0与长度比α，其中长度比α可描述为：

α＝L/R

式中，L为直线段的长度，R为短弧段的半径。角度0的变化范围为[0°，180°]，长度比α的变化范围为[0，+∞)。当长度比α＝0时，单饼线圈为圆形设计；当长度比α趋向+∞时，单饼线圈为绝对D形设计。

本实施例假设所提供用于D形单饼的ReBCO带材总长度固定为S，则可以得到如下式所示的长度关系式：

根据上式，结合有限元分析法，可以得到本实施例中超导电磁储能器用磁体装置的中心磁场最大值与角度参数0和长度比参数α关系曲线分别如图4和图5所示。其中，中心磁场最大值受角度参数0的影响较小，随着角度增大，磁场最大值略有减小；中心磁场最大值受长度比参数α影响较大，随着长度比增大，磁场最大值随之减小，且减小速度越来越小，从而得到一条类收敛曲线。

由上述结果可得，当角度参数0和长度比参数α取较大时，可以有效减小超导电磁储能器用磁体装置中中心磁场的大小，从而改善磁场集中、应力集中以及磁场分布不均匀的问题。但是，当角度参数0和长度比参数α取值过大时，一方面会导致直线段与短弧段之间的结构衔接不平滑，不利于ReBCO带材的绕制；另一方面，会导致短弧段过短，磁体在短弧段与长弧段的衔接处曲率过大，甚至会导致ReBCO带材内部结构的破坏。此外，长度比参数α在取1.5以上时，中心磁场最大值与之关系曲线已经收敛，磁场随之变化并不明显。考虑到实际生产以及使用背景，本实施例采用的D形单饼线圈结构参数如表2所示。

表2

上表结构参数对应的基于D形单饼磁体的新型储能用环形柱状磁体装置。D形单饼磁体的新型储能用环形柱状磁体装置内部磁场分布平滑，磁场强度最大值也只有19.9T，磁场大小变化总结如表3。

表3

由上表可得，使用D形单饼磁体可以将磁场最大值下降到传统磁体装置磁场最大值的76.5％，磁场大小控制效果显著。另一方面，D形单饼磁体结构可以使得磁场强度峰值不再分布在磁体内部，可以显著减少运行时的金属疲劳以及电流不均匀现象。

由上述实施例可以得到，本发明提出的D形单饼磁体结构可以有效解决磁体内部磁场强度过大且分布集中的问题，达到了磁场分布优化以及磁场峰值减小的效果。此外，本发明提出的基于角度参数0与长度比参数α的D形单饼磁体结构参数调节方案可以满足各种使用背景以及生产背景，提高了新型储能用环形柱状磁体的适用性，也使得新型环形柱状磁体的运用场景更为广泛。

显然，本发明的上述实施例的提出仅仅是为了说明本发明而作的举例过程，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，只要是使用做出些许简单修改或修饰的技术方案，均在本发明的保护范围之内。