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。

本实施例以对400MJ级超导电磁储能器用柱状磁体装置的保护作为使用背景，其所用的基于D形单饼磁体的新型环形柱状磁体及其抗电磁应力保护装置的整体结构如图1所示。

其中，磁体为环形柱状结构，其为180片D形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3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。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(7)、两段对称且半径为R的短弧段(8)、角度为0的长弧段(9)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，+∞)。

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4所示，图中10是D形单饼磁体截面，其为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。

本实施例所用基于D形单饼磁体的环形柱状储能磁体装置的各项参数总结如表1所示。

表1

通入大电流后，本实施例所述的高温超导电磁储能器用环形柱状磁体内侧会产生19.9T大小的磁场。因此该环境下其必然会产生巨大的电磁应力f_EM，其可用下述公式进行描述：

f_EM＝J×B

式中，J为电流密度，B为所处环境下磁场强度的大小。产生巨大的电磁应力后，必然会导致产生巨大的形变与应变关系，其与应力的关系可用下述公式进行描述：

ε＝D·u

f＝C·ε

式中，u为形变，ε为应变，f为应力，D为系数，C为模量。由此，可以对原有模型进行仿真运算，即可得到本实施例中磁体所受的最大等效应力、各向最大应力以及形变程度，其总结如表2所示。

表2

本实施例采用抗电磁应力保护装置，用于对该环形柱状磁体的保护，其组成包括抗径向应力保护壳以及抗环向应力夹层，其中抗径向应力保护壳由支撑内壳和保护外壳两部分组成；抗径向应力保护壳的环向厚度与D形单饼磁体的厚度相同，其中支撑内壳的径向厚度W₃均匀，保护外壳的靠直线段侧径向厚度W₁较大，长弧段侧径向厚度W₂较小，中间部分均匀过渡；相邻两片D形单饼磁体之间使用抗环向应力夹层隔开。

抗径向应力保护壳的材质为高强度碳纤维M60J或者高强度碳纤维T800s；抗环向应力夹层的材质为优质碳素结构钢。这三种保护用材料的杨氏模量以及泊松比如表3所示。

表3

其中，固定内侧支撑用保护壳的径向厚度W₃为77mm，保护外壳的长弧段侧径向厚度W₂为150mm不变，固定抗环向应力夹层材料为优质碳素结构钢，改变抗径向应力保护壳的材料以及保护外壳的直线段侧径向厚度W₁的大小，可以得到对应等效应力、最大形变程度和材料、厚度的关系图如图5和图6所示。由图5和图6可知，高强度碳纤维M60J保护效果优于高强度碳纤维T800s；保护外壳的直线段侧径向厚度W₁越大，保护效果越好，且当厚度大于350mm时，保护效果的提升不再明显。

结合上述分析，可给出本实施例的环形柱状储能磁体用抗电磁应力保护装置的方案如表4所示。

表4

对上述抗电磁应力保护装置保护前后环形柱状磁体所受的最大等效应力以及形变程度进行对比总结，如表5所示。

表5

在使用了本发明所述的抗电磁应力保护装置后，82.06Mpa的最大等效应力和0.285mm的最大形变程度都在ReBCO带材的可承受范围以内。本实施例中的环形柱状磁体所受等效应力以及产生的最大形变程度分别仅为原来的1.7％和1.0％，保护效果显著。环形柱状磁体在使用时量级大且分布不均匀的电磁应力问题和超过材料可承受范围的形变问题都可通过本发明所述的抗电磁应力保护装置得以解决。

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。