四带并绕高温超导双饼线圈及其绕制模具和绕制方法
【专利摘要】一种四带并绕高温超导双饼线圈及其绕制模具和绕制方法，由四根并绕的超导带（1-4）绕制的正饼和反饼两组线圈，以及饼间支撑垫片（5）组成，饼间支撑垫片（5）将高温超导双饼线圈分隔为正饼和反饼。饼间支撑垫片（5）沿圆周方向在0°和180°位置开有两个换位口；正饼线圈和反饼线圈在两个换位口进行两次换位。绕制此线圈的模具由主轴（6）、第一模板（7）和第二模板（8）、定位螺栓（9）、第一压板（10）和第二压板（11）、第一锁紧螺母（12）和第二锁紧螺母（13）、以及临时挡片（14）组成。第一模板（6）和第二模板（7）外侧沿圆周方向开有小槽，将饼间支撑垫片（8）夹在中间，第一压板（10）和第二压板（11）将第一模板（7）和第二模板（8）压紧。
【专利说明】四带并绕高温超导双饼线圈及其绕制模具和绕制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高温超导带材并联绕制的双饼线圈及其绕制模具和绕制方法。
【背景技术】
[0002]应用于交流电力系统中的高温超导变压器、电抗器和直流电力系统中的平波电抗器需要具备承受高电压和大电流的能力。对于需承受大电流的高温超导磁体而言，由于难以采用多带并联的换位导线制作螺旋式绕组，通常需采用多个双饼线圈组成的并联结构。应用于交流场合时采用多个绕组并联的方式。由于各个绕组所处磁场的位置不同，各绕组之间的自感和互感存在差异，从而导致各绕组的电流分配也存在差异；同时，对于超导绕组，在绕组中部的磁场轴向分量很大，而在绕组端部磁场的径向分量很大。为了解决多个绕组电流分配不均匀的问题，通过改变各并联绕组之间的间隙是一种方式，但是难以从本质上解决环流问题，且增加了绕组的总体高度；采用绕组间换位是另一种方式，但是绕组间的换位常常不是完全换位，环流仍然不可避免存在。另外，绕组间换位通常需要采用普通导线，不仅增加了损耗，而且为高压绝缘的处理带来很多困难。
[0003]另外，高温超导带材还存在外场下临界电流退降的问题。对于Bi和Y系高温超导带材而言，在垂直于带材表面磁场作用下临界电流密度退降很大，但在平行于带材表面磁场作用下二者临界电流退降都比较小。对于应用于超导变压器和电抗器等超导电力装置中的超导绕组而言，绕组端部垂直于超导带材表面的磁场很强，而绕组中部则主要为平行于超导带材表面的磁场；因此，端部线圈的载流能力相较于中部绕组低很多。
[0004]应用于电力系统中的超导变压器低压绕组和超导电抗器绕组的电感值较小，但电流很大，采用多个超导双饼线圈并联绕制更为合适。由于各超导双饼线圈所处的位置不同，超导线圈产生的漏磁场分布及电流分配是不均匀的。图1所示为应用于超导变压器低压绕组的多组超导双饼线圈并联结构及漏磁场分布图；图2所示为应用于铁芯电抗器的多组超导双饼线圈并联结构及漏磁场分布图；图3所示为应用于空芯电抗器的多组超导双饼线圈并联结构及漏磁场分布图。从图1、图2和图3可以看出，对于由多组超导双饼线圈并联组成的大电流超导变压器低压绕组、铁芯电抗器绕组、空芯电抗器绕组，都存在绕组端部横向漏磁场较大，造成超导带材性能退降等问题。另外，通过电磁场电路耦合仿真发现，应用于交流场合，采用多个绕组并联的方式，由于各个绕组所处磁场的位置不同，各绕组之间的自感和互感存在差异，从而导致各绕组的电流分配也存在差异；绕组端部线圈分配的电流为中部线圈的数倍，如图4所示。但是由于绕组端部的横向漏磁场较大，端部线圈的载流量比中部线圈低很多。因此，对于由双饼线圈构造的超导磁体而言，端部的双饼线圈存在采用两根及更多根超导带材绕制的情况，研究多带并绕高温超导双饼线圈的构造方法非常重要。
[0005]考虑到单纯通过改变绕组间隙和换位两种方式难以本质上解决环流，以及绕组端部线圈载流能力小两个问题，对于由双饼线圈构造的超导磁体而言，端部的双饼线圈存在采用两根及更多根超导带材绕制的情况。中国发明专利200510086700.8公开了一种采用两根超导线材绕制的双绕双饼线圈，能够将两个饼形线圈绕制成型于一个骨架上，没有涉及到采用两根以上超导带材绕制的双饼线圈。中国发明专利200410009185.9公开了一种双饼线圈绕制装置，其绕制装置和双饼线圈骨架结构无法直接应用于四根高温超导带材并联绕制双饼线圈。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有高温超导双饼线圈仅仅能够采用一根或两根高温超导带材并联绕制，以及现有双饼线圈绕制装置无法直接应用于四带及以上并联带材绕制线圈等缺点，提出了一种应用四根超导带材并联绕制的双饼线圈及相应的绕制模具和绕制方法。本发明可应用于四带及以上Bi系和Y系高温超导带材绕制双饼线圈，从而有效解决由于多个串并联绕组电流分配不均而带来的问题。
[0007]本发明技术方案如下:
[0008]本发明四带并绕高温超导双饼线圈由正饼、反饼和饼间支撑垫片组成，所述的正饼和反饼由四根并绕的超导带绕制。饼间支撑垫片将所述的双饼线圈分隔为正饼和反饼两组线圈，饼间支撑垫片同时作为正饼和反饼两组线圈之间的绝缘。在正饼线圈中，四带并绕的超导带的排列顺序为第一超导带，第二超导带，第三超导带，第四超导带；在反饼线圈中，四带并绕的超导带出头排列顺序为第四超带，第三超导带，第二超导带，第一超导带；饼间支撑垫片沿圆周方向在0°和180°位置开有两个换位口，正饼线圈和反饼线圈在两个换位口进行两次换位。
[0009]所述的绕制四带并绕的高温超导双饼线圈的绕制模具由主轴、第一模板和第二模板、定位螺栓、第一压板和第二压板、第一锁紧螺母和第二锁紧螺母、以及临时挡片组成。
[0010]第一锁紧螺母、第一压板、第一模板、饼间支撑垫片、第二模板、第二压板和第二锁紧螺母依次顺序套在主轴上。第一模板和第二模板的外侧沿圆周方向开有小槽，饼间支撑垫片夹在第一模板和第二模板中间。第一压板位于第一模板外，第二压板位于第二模板外，第一压板和第二压板从两侧将第一模板和第二模板压紧，并防止第一模板和第二模板与主轴之间产生滑移。第一锁紧螺母和第二锁紧螺母分别将第一压板和第二压板锁紧。临时挡片位于正饼和反饼外侧，采用临时挡片可防止线饼绕制时向外侧偏移。
[0011]对于四带并绕的高温超导双饼线圈，超导带可采用Bi系、Y系等超导带材制作；饼间支撑垫片采用玻璃钢材料或NOMEX纸板制作。绕制模具用于夹持饼间支撑垫片的第一模板和第二模板采用光滑、无毛刺的有机玻璃、硬质塑料等非金属材料制作；第一压板和第二压板采用金属或环氧玻璃钢材料制作。临时挡片采用有机玻璃或硬质塑料制作。
[0012]本发明四带并绕高温超导双饼线圈具有载流量大、各带承载电流分配均匀等优点，可应用于制作超导变压器、超导电抗器等大电流交流绕组外，也可应用于制作等超导平波电抗器直流超导绕组。
[0013]采用本发明绕制模具绕制四带并绕的高温超导双饼线圈的方法为:
[0014]把绕有高温超导带的4个放线盘分别固定在4组放线力矩电机上，并使放线盘与绕线盘基本在一个平面内。把4根超导带以一定的角度从放线盘引出，第一超导带和第二超导带在0°换位口交叉换位后由第一模板引入第二模板。第三超导带和第四超导带在0°换位口位于第一超导带和第二超导带的内侧，在180°换位口交叉换位后由第一模板引入第二模板，在180°换位口，第三超导带和第四超导带位于超导带和的外侧；这样，通过在两个换位口的操作，四带并绕超导带的排列顺序由第一超导带，第二超导带，第三超导带，第四超导带变成第四超导带，第三超导带，第二超导带，第一超导带。完成换位后，将双饼线圈绕制所需超导带总长度的一半由0°和180°两个换位口缠绕到第二模板上，并将四根超导带的端头固定。通过放线力矩电机调节超导带上的预应力，防止绕组在低温下松散，然后转动绕线机先完成正饼绕制，通过临时挡片防止线圈向外侧滑移。正饼绕制完成后，将正饼四根超导带端头固定防止滑移，将反饼四根超导带端头通过引带固定在4组收线力矩电机的收线盘上。接下来，反向转动绕线机进而完成反饼绕制。反饼绕制完成后，将反饼四根超导带端头固定防止滑移。正饼和反饼都绕制完成后，连同饼间支撑垫片一起从第一模板和第二模板取下，形成一个完整的四带并绕高温超导双饼线圈。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0016]图1为应用于超导变压器低压绕组的多组超导双饼线圈并联结构及漏磁场分布示意图；
[0017]图2为应用于铁芯电抗器绕组的多组超导双饼线圈并联结构及漏磁场分布示意图；
[0018]图3为应用于空芯电抗器绕组的多组超导双饼线圈并联结构及漏磁场分布示意图；
[0019]图4为多组并联超导双饼线圈电流分布图；
[0020]图5为饼间支撑垫片示意图；
[0021]图6为四带并绕超导双饼线圈绕制模具装配示意图；
[0022]图7为四带并绕超导双饼线圈换位方式示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合本发明一个优选实施例说明四带并绕高温超导双饼线圈的换位方法及绕制模具。
[0024]四带并绕高温超导双饼线圈由正饼、反饼和饼间支撑垫片5组成，所述的正饼和反饼由四根并绕的超导带1-4绕制而成。饼间支撑垫片5将高温超导双饼线圈分隔为正饼和反饼两组线圈，饼间支撑垫片5作为正饼和反饼两组线圈之间的绝缘。在正饼线圈中，四带并绕的超导带1-4的排列顺序为第一超导带1，第二超导带2，第三超导带3，第四超导带4;在反饼线圈中，四带并绕的超导带1-4的出头排列顺序为第四超导带4，第三超导带3，第二超导带2，第一超导带I。饼间支撑垫片5沿圆周方向在0°和180°位置开有两个换位口，如图5所示；正饼线圈和反饼线圈在两个换位口进行两次换位。
[0025]绕制模具由主轴6、第一模板7和第二模板8、定位螺栓9、第一压板10和第二压板
11、第一锁紧螺母12和第二锁紧螺母13、以及临时挡片14组成。
[0026]第一锁紧螺母12、第一压板10、第一模板7、饼间支撑垫片5、第二模板8、第二压板11和第二锁紧螺母13按此顺序依次套在主轴6上；第一模板7和第二模板8的外侧沿圆周方向开有小槽，饼间支撑垫片5夹在第一模板7和第二模板8中间。第一压板10位于第一模板6外,第二压板11位于第二模板8外,第一压板10和第二压板11从两侧将第一模板7和第二模板8压紧,并防止第一模板7和第二模板8与主轴6之间产生滑移。第一锁紧螺母12和第二锁紧螺母13分别将第一压板10和第二压板11锁紧。临时挡片14位于正饼和反饼外侧，可防止正饼和反饼绕制过程中向外侧偏移。
[0027]高温超导双饼线圈中，所述超导带1-4可采用Bi系、Y系等超导带材制作；饼间支撑垫片5采用玻璃钢材料或NOMEX纸板制作。绕制模具中，所述的第一模板7和第二模板8可以采用光滑、无毛刺的有机玻璃、硬质塑料等非金属材料制作；第一压板10和第二压板11采用金属或环氧玻璃钢材料制作；临时挡片14采用有机玻璃或硬质塑料制作。
[0028]采用本发明绕制模具换位绕制四带并绕高温超导双饼线圈的过程如下:
[0029]首先把绕制模具主轴6的一端用绕线机卡盘锁紧，然后按图6所示的顺序依次把第一锁紧螺母12、第一压板10、第一模板7、饼间支撑垫片5、第二模板8、第二压板11和第二锁紧螺母13装在主轴6上，如图6所示。把绕有高温超导带的4个放线盘分别固定在4组放线力矩电机上，并使放线盘与绕线盘基本在一个平面内。把4根超导带以一定的角度从放线盘引出，第一超导带I和第二超导带2在0°换位口交叉换位后由第一模板7引入第二模板8。第三超导带3和第四超导带4在0°换位口位于第一超导带I和第二超导带2的内侧，在180°换位口交叉换位后由第一模板7引入第二模板8，在180°换位口，第三超导带3和第四超导带4位于超导带I和2的外侧；这样，通过在两个换位口的操作，四带并绕超导带的排列顺序由第一超导带1，第二超导带2，第三超导带3，第四超导带4变成第四超导带4，第三超导带3，第二超导带2，第一超导带1，如图7所示。完成换位后，将双饼线圈绕制所需超导带总长度的一半由0°和180°两个换位口缠绕到第二模板8上，并将四根超导带的端头固定。通过放线力矩电机调节超导带上的预应力，防止绕组在低温下松散，然后转动绕线机先完成正饼绕制，通过临时挡片14防止线圈向外侧滑移。正饼绕制完成后，将正饼四根超导带端头固定防止滑移，将反饼四根超导带端头通过引带固定在4组收线力矩电机的收线盘上。接下来，反向转动绕线机进而完成反饼绕制。反饼绕制完成后，将反饼四根超导带端头固定防止滑移。正饼和反饼都绕制完成后，连同饼间支撑垫片一起从第一模板7和第二模板8取下，形成一个完整的四带并绕高温超导双饼线圈。
【权利要求】
1.一种四带并绕高温超导双饼线圈，其特征在于，所述的高温超导双饼线圈由正饼、反饼和饼间支撑垫片(5)组成；所述的正饼和反饼由四根并绕的超导带(1-4)绕制而成；所述的饼间支撑垫片(5)将高温超导双饼线圈分隔为正饼和反饼两组线圈，饼间支撑垫片(5)作为正饼和反饼两组线圈之间的绝缘；在正饼线圈中，四带并绕的超导带(1-4)排列顺序为第一超导带(1)，第二超导带(2)，第三超导带(3)，第四超导带(4);在反饼线圈中，四带并绕的超导带(1-4)的出头排列顺序为第四超导带(4)，第三超导带(3)，第二超导带(2)，第一超导带(I);饼间支撑垫片(5)沿圆周方向在0°和180°位置开有两个换位口；正饼线圈和反饼线圈在两个换位口进行两次换位。
2.如权利要求1所述的高温超导双饼线圈，其特征在于:所述超导带(1-4)采用Bi系或Y系超导带材制作；所述的饼间支撑垫片(5)采用玻璃钢材料或NOMEX纸板制作。
3.绕制权利要求1所述的四带并绕高温超导双饼线圈的模具，其特征在于:所述的绕制模具由主轴(6)、第一模板(7)和第二模板(8)、定位螺栓(9)、第一压板(10)和第二压板(11)、第一锁紧螺母(12)和第二锁紧螺母(13)、以及临时挡片(14)组成；第一锁紧螺母(12)、第一压板(10)、第一模板(7)、饼间支撑垫片(5)、第二模板(8)、第二压板(11)和第二锁紧螺母(13)顺序依次套入主轴上；第一模板(6)和第二模板(7)的外侧沿圆周方向开有小槽，饼间支撑垫片(8)夹在第一模板(7)和第二模板(8)中间；第一压板(10)位于第一模板(6)外，第二压板(11)位于第二模板(8)外，第一压板(10)和第二压板(11)从两侧将第一模板(7)和第二模板(8)压紧,并防止第一模板(7)和第二模板(8)与主轴(6)之间产生滑移；第一锁紧螺母(12)和第二锁紧螺母(13)分别将第一压板(10)和第二压板(11)锁紧；临时挡片(14)位于正饼和反饼外侧，防止正饼和反饼绕制过程中向外侧偏移。
4.如权利要求3所述的绕制模具，其特征在于:所述的第一模板(7)和第二模板(8)采用光滑、无毛刺的非金属材料制作；第一压板(10)和第二压板(11)采用金属或环氧玻璃钢材料制作；临时挡片(14)采用有机玻璃或硬质塑料制作。
5.应用权利要求3所述绕制模具绕制高温超导双饼线圈的方法，其特征在于，所述绕制方法采用换位绕制:把4根超导带以一定的角度从放线盘弓I出，第一超导带(I)和第二超导带(2)在0°换位口交叉换位后，由第一模板(7)引入第二模板(8);第三超导带(3)和第四超导带(4)在0°换位口位于第一超导带(I)和第二超导带(2)的内侧，第三超导带(3)和第四超导带(4)在180°换位口交叉换位后，由第一模板(7)引入第二模板(8)，在180°换位口，第三超导带(3)和第四超导带(4)位于超导带(I)和(2)的外侧；这样，通过在两个换位口的操作，四带并绕超导带的排列顺序由第一超导带(1)，第二超导带(2)，第三超导带(3)，第四超导带(4)变成第四超导带(4)，第三超导带(3)，第二超导带(2)，第一超导带(I)。
【文档编号】H01F41/06GK103632801SQ201310647037
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】邱清泉, 戴少涛, 王子凯, 马韬, 胡磊, 张京业, 张国民, 肖立业 申请人:中国科学院电工研究所