包封的非绝缘超导线圈及其包封方法与流程

本发明涉及超导线圈技术领域，并且更具体地，涉及包封的非绝缘超导线圈及其包封方法。能够有效的避免超导线圈的失超情况，保持线圈在力学、电学、热学性能上的稳定。

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，以高温超导为主的超导电力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。

超导线圈的实际应用需要考虑线圈力学、电学、热学各方面情况。

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。无论是受到电磁应力还是振动的传播，如果超导线圈中某段超导导体有细微的振动，时间一长会造成材料的疲劳使其性能下降，从而影响整个超导线圈的性能。

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。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。超导线圈力学方面的不良影响如果得不到很好解决的话会制约超导线圈的应用。

超导导体的电学性能是超导导体最重要的指标，其关系到超导线圈的应用。超导导体电学性能最重要的指标是临界电流，超导导体中承载的电流超过临界电流，超导导体就会失去超导性能，表现为这段导体拥有一定的电阻。超导导体的临界电流和温度及磁场有很大的关系，随着温度的升高，超导导体的临界电流会降低，随着磁场的升高，超导导体的临界电流会也会降低。超导线圈中超导带材的失超往往从一个最薄弱的点开始，其失超后拥有一定电阻，在电流作用下产生了热量，形成了热斑。而热斑会使此段超导导体临界电流降低，经过这样的正反馈过程，如果过程得不到有效抑制，这一点的失超还会沿着超导导体方向传播开来，最终导致超导导体局部或整体的烧毁。正因为如此超导线圈在应用中，失超的探测和保护显得十分重要。然而尤其是高温超导导体，其导体本身是陶瓷氧化物，通常运行在相对较高的温度区间30～77k，热量的传播比起低温超导导体的金属要慢的多，无法通过监测线圈电压等传统的方法及时监测到失超信号，因此很难进行探测和保护。失超保护是当前困扰高温超导线圈技术发展的关键问题之一，这也是超导线圈在一些安全要求较高的工程中应用的制约因素。

超导导体的制冷是其应用的关键，因为超导导体的温度直接影响其电学力学性能。制冷也关系着超导线圈应用的成本，更关系着超导线圈应用的安全。尤其在应用场合，确保制冷效率，及时带走由于局部超导导体失超形成的热斑，对超导线圈的稳定运行具有十分重要的意义。超导线圈在应用中，通常有两种冷却方式，第一种是泡在冷却液中如液氮、液氦，第二种是用制冷机对线圈进行制冷。目前成熟的超导线圈还是用制冷机进行制冷，原因在于除了用昂贵的液氦之外，制冷机能够达到更低的温度，使超导导体具有更高的电学性能，从而体现其较强的性价比；另外制冷机用电即可，较为方便，对应用场地工况要求不高。利用制冷机制冷时，为了防止热量流失，会将超导磁体放入一个密封的真空杜瓦中，将制冷机冷头深入杜瓦内部与超导磁体贴合传导冷却。超导磁体中超导导体匝间如果有空隙没有被填充的话，这部分即成为真空状态，十分不利于传导冷却。此时如果导体由于失超造成的热斑就很不容易即时通过传导冷却被带走，最终导致大问题的出现。高温超导线圈大多用外包绝缘层的超导带材或线材绕制而成。与传统漆包线类似，绝缘层的存在是为了防止线圈匝间短路。然而绝缘层材料如聚酰亚氨、pplp或环氧树脂多为热的不良导体，成为了线圈制冷通路中的障碍。尤其在线圈因为过流或者局部过热而失超的时候，绝缘层的存在会阻碍热量的散失，严重时导致先烧毁。

2011年，哈恩提出了超导无绝缘线圈的概念。在这种线圈中，取缔了线圈匝间绝缘，即制备线圈的超导带材表面不喷涂绝缘物质。这种匝间无绝缘的超导线圈避免了绝缘超导磁体伴有的失超现象给磁体带来的潜在危害。在无绝缘超导线圈制备过程中，在相邻超导带材间填充了带有一定导电性的非绝缘材料。无绝缘线圈一旦失超，失超电流可以通过相邻层间流过，从而确保超导线圈能够正常工作。同时，带材间的非绝缘材料具有良好的导热性，因此失超点的热量可以快速散发，有效提升了线圈的热稳定性。然而其付出的代价是线圈的充放电时间。线圈的充放电时间取决于整个无绝缘线圈等效的一个rl并联电路。其中的电感为线圈自身的电感，电阻为电流在匝间流动时的等效径向电阻。线圈绕制完成后，电感变化不大，但线圈的匝间的等效径向电阻变化巨大。因为超导线圈经过应用时的冷热循环后，热胀冷缩会改变相邻超导导线间的空隙大小，从而会使径向电阻有很大的变化。这样的变化会导致超导线圈充放电时间有巨大的变化，不利于超导线圈的工程化应用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种包封的非绝缘超导线圈及其包封方法，该包封的非绝缘超导线圈在超导线圈应用时，可以保证力学、电学、热学各方面情况稳定可靠，从而使超导线圈的应用范围大大的拓宽。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种包封的无绝缘超导线圈，包括：导线线圈本体1和填充包封结构2；其中：

所述导线线圈本体1的内部设有匝间空隙；

所述填充包封结构2局部或整体包封于所述导线线圈本体1的外部，并局部或整体填充所述匝间空隙；

所述填充包封结构2为非绝缘材料体。

优选地，所述导线线圈本体1的外部具有一个整体的外表面，所述填充包封结构2局部或整体包封于所述外表面。

优选地，所述导线线圈本体1中的导线11采用单饼、双饼、鞍形和/或螺线管形式绕制形成导线线圈本体1。

优选地，所述导线线圈本体1的形状为圆形、椭圆形、鞍形、d形或矩形。

优选地，所述匝间空隙为导线线圈本体1中相邻导线11非紧密接触而形成的空隙。

优选地，所述匝间空隙内设有非绝缘材料形式的空心或实心柱体12。

优选地，所述填充包封结构2允许所述导线线圈本体1经受冷热循环而不降低线圈中导线11电流传输能力10％以上。

优选地，所述非绝缘材料体采用金属或固化聚合物。

优选地，所述固化聚合物中包含有导电介质。

优选地，所述导线线圈本体1中的导线11采用如下任意一种：

-超导导线111；

-超导导线111和并绕导线112合并组成的复合导线。

优选地，所述超导导线111的最外层为非绝缘材料层。

优选地，所述并绕导线112为非绝缘材料，进一步的，超导导线111和并绕导线112合并组成的复合导线的电学特性为非绝缘。

优选地，所述并绕导线112为镂空结构。

优选地，所述并绕导线112上设有突起。

优选地，所述并绕导线112沿导线长度方向呈依次连续设置的凸凹结构。

优选地，所述依次连续设置的凸凹结构为波浪形s形或长城形。

根据本发明的第二个方面，提供了一种非绝缘超导线圈包封的方法，包括如下步骤：

绕制固定工序，将导线11绕制成导线线圈本体1，并根据导线线圈本体1的尺寸制作与其相对应的浇筑模具，将导线线圈本体1固定于浇筑模具中；

浇灌工序，将预热过的熔融状态中的填充包封材料浇灌进浇筑模具，使超导线圈充分浸渍；

修整工序，去除多余位置的填充包封材料；

取出冷却工序，待浸渍后的超导线圈充分冷却后，在导线线圈本体1上形成填充包封结构2，从模具中取出并完成包封的非绝缘超导线圈制造。

优选地，在绕制固定工序中，导线11绕制在预制的线圈骨架上。

优选地，在绕制固定工序中，在导线11的匝间插入非绝缘材料形式的空心或实心柱体12。

优选地，所述导线11采用如下任意一种：

-超导导线111；

-超导导线111和至少一根并绕导线112合并组成的复合导线。

优选地，还包括如下步骤：

在取出冷却工序后，通过机械加工方法对导线线圈本体1进行打磨和切削。

优选地，在不破坏导线线圈本体1电学性能的情况下，允许打磨掉导线11的一部分；打磨后的导线线圈本体1经受冷热循环而不降低线圈中导线11电流传输能力10％以上。

根据本发明的第三个方面，提供了一种非绝缘超导线圈包封的方法，包括如下步骤：

绕制固定工序，将导线11绕制成导线线圈本体1，并做相应的固定，保证导线线圈本体1稳定性；

浸泡工序，将导线线圈本体1浸入熔有填充包封材料的熔炉，保证熔炉中熔融状态的填充包封材料液面高于导线线圈本体1；

取出冷却工序，待导线线圈本体1充分浸渍后，将导线线圈本体1取出熔炉；待浸渍后的导线线圈本体1充分冷却后，在导线线圈本体1上形成填充包封结构2，完成包封的非绝缘超导线圈制造。

优选地，在绕制固定工序中，导线11绕制在预制的线圈骨架上。

优选地，在绕制固定工序中，在导线11的匝间插入非绝缘材料形式的空心或实心柱体12。

优选地，所述导线11采用如下任意一种：

-超导导线111；

-超导导线111和至少一根并绕导线112合并组成的复合导线。

优选地，还包括如下步骤：

在取出冷却工序后，通过机械加工方法对导线线圈本体1进行打磨和切削。

优选地，在不破坏导线线圈本体1电学性能的情况下，允许打磨掉导线11的一部分；打磨后的导线线圈本体1经受冷热循环而不降低线圈中导线11电流传输能力10％以上。

根据本发明的第四个方面，提供了一种非绝缘超导线圈包封的方法，包括如下步骤：

绕制固定工序，将导线11绕制成导线线圈本体1的过程中，将熔融状态的填充包封材料均匀地涂抹在导线11表面，确保导线线圈本体1充分的浸渍；

施加张力工序，绕制固定工序完成后，在导线线圈本体1两端施加合适的张力，保证其固化效果；

修整工序，待导线线圈本体1充分冷却后，去除多余的填充包封材料，在导线线圈本体1上形成填充包封结构2，完成包封的非绝缘超导线圈制造。

优选地，在绕制固定工序中，导线11绕制在预制的线圈骨架上。

优选地，在绕制固定工序中，在导线11的匝间插入非绝缘材料形式的空心或实心柱体12。

优选地，所述导线11采用如下任意一种：

-超导导线111；

-超导导线111和至少一根并绕导线112合并组成的复合导线。

优选地，，还包括如下步骤：

在取出冷却工序后，通过机械加工方法对导线线圈本体1进行打磨和切削。

优选地，，在不破坏导线线圈本体1电学性能的情况下，允许打磨掉导线11的一部分；打磨后的导线线圈本体1经受冷热循环而不降低线圈中导线11电流传输能力10％以上。

根据本发明的第五个方面，提供了一种非绝缘超导线圈包封的方法，包括如下步骤：

绕制固定工序，将导线11绕制成导线线圈本体1，并做相应的固定，保证其稳定性；

加热工序，对导线线圈本体1整体进行加热处理，使超导导线111或复合导线表面的非绝缘材料在高温下相互扩散；

取出冷却工序，待导线线圈本体1充分冷却后，在导线线圈本体1上形成填充包封结构2，完成包封的非绝缘超导线圈制造。

优选地，在绕制固定工序中，导线11绕制在预制的线圈骨架上。

优选地，在绕制固定工序中，在导线11的匝间插入非绝缘材料形式的空心或实心柱体12。

优选地，所述导线11采用如下任意一种：

-超导导线111；

-超导导线111和至少一根并绕导线112合并组成的复合导线。

优选地，还包括如下步骤：

在取出冷却工序后，通过机械加工方法对导线线圈本体1进行打磨和切削。

优选地，在不破坏导线线圈本体1电学性能的情况下，允许打磨掉导线11的一部分；打磨后的导线线圈本体1经受冷热循环而不降低线圈中导线11电流传输能力10％以上。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过提供一种包封的非绝缘超导线圈，能够实现本发明的目的，其包含一个导线线圈本体和一个填充包封结构，包封结构局部或整体的包封导线线圈本体的外表面，局部或整体填充导线线圈本体超导导线间的匝间空隙。填充包封结构为一种非绝缘材料体，使用的材料为一种或多种非绝缘材料。

从力学性能来说，对超导线圈进行包封，并用非绝缘材料填充导线间的匝间空隙，能使超导导体(导线)在受到电磁应力以及受到共振、抖动等机械振动或应力时，不宜发生弯折、拉伸、扭曲甚至材料的疲劳，从而损坏超导导体(导线)本身。用非绝缘材料填充导线间的匝间空隙，尤其是使用和超导导体(导线)本身铠装或保护材料属性相近的材料进行填充时，其在低温下与超导导体(导线)热胀冷缩系数接近，不易在冷却期间垂直沿剥离方向对导线施加剥离应力。从而保证了超导线圈在应用中力学性能的稳定。

从电学性能来说，对超导线圈进行包封，并用非绝缘材料填充导线间的匝间空隙，无绝缘线圈一旦失超，失超电流可以通过相邻层间流过，从而确保超导线圈能够正常工作。另外填充导线间的匝间空隙后，超导线圈经过应用时的冷热循环后，导线间的空隙改变几乎可忽略不计。大大稳定了导线的匝间的等效径向电阻，这使得无绝缘线圈等效的一个rl并联电路得以稳定，从而超导线圈充放电时间保持一致，有利于超导线圈的工程化应用。

从热学性能来说，对超导线圈进行包封，并用非绝缘材料填充导线间的匝间空隙，十分有利传导冷却。导线由于失超造成的热斑容易即时通过传导被带走。同时，导线间的非绝缘材料具有良好的导热性，因此失超点的热量可以快速散发，有效提升了超导线圈的热稳定性。

填充包封结构采用一种或多任意多种非绝缘材料，可采用金属或固化聚合物，聚合物中包含导电介质等填充材料的改变，目的是通过改变材料进而改变导线匝间径向电阻，从而影响包封的非绝缘超导线圈的充放电特性。

导线线圈本体可以由超导导线和并绕导线合并绕制而成，并绕导线可以是镂空形式、突起形式、沿导线方向成s形或长城形，在绕制时导线匝间插入非绝缘材料形式的空心或实心柱体，在包封完成后可进行打磨，甚至可以打磨掉超导导体(导线)的一部分，目的是在导线间增加或减少非绝缘材料或者是导电材料，通过调制手段，调制导线匝间径向电阻，从而影响包封的非绝缘超导线圈的充放电特性。

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为整体包封的非绝缘超导线圈的一种结构剖面示意图；

图2为整体包封的非绝缘超导线圈的另一种结构剖面示意图；

图3为局部包封的非绝缘超导线圈结构剖面示意图；

图4为导线线圈本体1的第一种结构示意图；

图5为导线线圈本体1的第一种结构剖面示意图；

图6为导线线圈本体1的第二种结构示意图；

图7为导线线圈本体1的第二种结构剖面示意图；

图8为导线线圈本体1的第三种结构示意图；

图9为并绕导线112的第一种结构示意图；

图10为并绕导线112的第二种结构示意图；

图11为并绕导线112的第三种结构示意图；

图12为并绕导线112的第四种结构示意图；

图中：

1为导线线圈本体；

11为导线；

111为超导导线；

112为并绕导线；

12柱体；

2为填充包封结构。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种包封的非绝缘超导线圈，包括：

导线线圈本体1，其中间具有匝间空隙；和

填充包封结构2，其局部或整体包封于所述导线线圈本体1的外部，局部或整体填充所述匝间空隙。该填充包封结构为非绝缘材料体，使用的材料为一种或任意多种非绝缘材料。

进一步地，导线线圈本体1的外部具有一个整体的外表面，所述填充包封结构2局部或整体包封于所述外表面。

进一步地，所述的导线线圈本体1为导线11绕成的线圈。

进一步地，所述的导线线圈本体1中的导线11通过单饼、双饼、鞍形、螺线管形式绕制形成导线线圈本体1。

进一步地，所述的导线线圈本体1形状为圆形、椭圆形、鞍形、d形或矩形等。

进一步地，所述的匝间空隙为导线线圈本体1中相邻导线11非紧密接触而形成的空隙。

进一步地，所述的匝间空隙中可填有非绝缘材料形式的空心或实心柱体12。

进一步地，所述的填充包封结构2，允许所述导线线圈本体1经受冷热循环而不会降低线圈中导线11电流传输能力10％以上。

进一步地，所述的非绝缘材料体，可采用金属或固化聚合物。

进一步地，所述的固化聚合物中包含有导电介质。

进一步地，所述导线11采用如下任一种：

-超导导线111；

-超导导线111和并绕导线112合并组成的复合导线。

进一步地，所述并绕导线112为一根或多根。

进一步地，所述超导导线111的最外层为非绝缘材料。

进一步地，所述并绕导线112为非绝缘材料，进一步的超导导线111和并绕导线112合并组成的复合导线的电学特性为非绝缘。

进一步地，所述并绕导线112可设计成镂空。

进一步地，所述并绕导线112可设计成点状或条纹状突起。

进一步地，所述并绕导线112沿导线长度方向呈依次连续设置的凹凸结构。

进一步地，所述凹凸结构为波浪形(s形)或长城形。

本实施例提供的包封的非绝缘超导线圈，能使超导线圈在应用时，保证力学、电学、热学各方面情况稳定可靠，超导导线匝间径向电阻一致不变，充放电特性一致不变，从而大大拓宽了超导线圈的应用范围。

本实施例有效解决了现有超导线圈很容易烧坏的问题。

实施例2

本实施例提供了几种非绝缘超导线圈包封的方法。

一、灌封法

包括如下步骤：

步骤s1，绕制固定工序，将超导导线111或超导导线111和一根或多根并绕导线112合并组成的复合导线绕制成导线线圈本体1，并根据导线线圈本体1的尺寸制作与其相对应的浇筑模具，将绕制完的导线线圈本体1固定于浇筑模具中。

步骤s2，浇灌工序，将预热过的熔融状态中的填充包封材料浇灌进模具，使导线线圈本体1充分浸渍。

步骤s3，修整工序，去除多余位置的填充包封材料

步骤s4，取出冷却工序，待浸渍后的导线线圈本体1充分冷却后，在导线线圈本体1上形成填充包封结构2，从模具中取出并完成包封的非绝缘超导线圈制造。

二、浸入法

包括如下步骤：

步骤s1，绕制固定工序，将超导导线111或超导导线111和一根或多根并绕导线112合并组成的复合导线绕制成导线线圈本体1，并做相应的固定，保证其稳定性。

步骤s2，浸泡工序，将超导线圈浸入熔有填充包封材料的熔炉，保证熔炉中熔融状态的填充包封材料液面高于导线线圈本体1。

步骤s3，取出工序，待线圈充分浸渍后，将导线线圈本体1取出熔炉。

步骤s4，冷却工序，待浸渍后的导线线圈本体1充分冷却后，在导线线圈本体1上形成填充包封结构2，完成包封的非绝缘超导线圈制造。

三、边绕边浸渍法

包括如下步骤：

步骤s1，绕制固定工序，将超导导线111或超导导线111和一根或多根并绕导线112合并组成的复合导线绕制成导线线圈本体1的过程中，将熔融状态的填充包封材料均匀地涂抹在导线表面，确保线圈充分的浸渍。

步骤s2，施加张力工序，绕制完成后，在导线线圈本体1两端施加合适的张力，保证其固化效果。

步骤s3，修整工序，待导线线圈本体1充分冷却后，去除多余的填充包封材料，在导线线圈本体1上形成填充包封结构2，完成包封的非绝缘超导线圈制造。

四、热扩散法

包括如下步骤：

步骤s1，绕制固定工序，将超导导线111或超导导线111和一根或多根并绕导线112合并组成的复合导线绕制成导线线圈本体1，并做相应的固定，保证其稳定性。

步骤s2，加热工序，对导线线圈本体1整体进行加热处理，使超导导线111或超导导线111和一根或多根并绕导线112合并组成的复合导线表面的非绝缘材料在高温下相互扩散。

步骤s3，取出冷却工序，待导线线圈本体1充分冷却后，在导线线圈本体1上形成填充包封结构2，完成包封的非绝缘超导线圈制造。

进一步地，

在上述四种包封方法的绕制固定工序中，导线11(超导导线111或复合导线)可绕制在预制的线圈骨架上。

在上述四种包封方法的绕制固定工序中，可在导线11的匝间插入非绝缘材料形式的空心或实心柱体12。

在上述四种包封方法的取出冷却工序后，通过机械加工方法对导线线圈本体1进行打磨和切削。在不破坏超导线圈电学性能的情况下，甚至可以打磨掉导线11的一部分。

所述的线圈本体和填充包封结构完成连接后进行打磨，所述线圈本体经受冷热循环而不会降低线圈中导线11电流传输能力10％以上。

以上四种方法在绕制导线线圈本体1时导线11可绕制在预制的线圈骨架上。此外可在导线11匝间插入非绝缘材料形式的空心或实心柱体，目的是在超导导线间增加或减少非绝缘材料或者是导电材料，通过调制手段，调制超导导线匝间径向电阻，从而影响包封超导非绝缘线圈的充放电特性。

以上四种方法在完成超导线圈固化后，可以利用机械加工方法对超导线圈进行打磨、切削。在不破坏超导线圈电学性能的情况下，甚至可以打磨掉超导导体(导线)的一部分，其目的在于调制超导导线匝间电阻，从而影响包封超导非绝缘线圈的充放电特性。

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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。