一种部分绝缘高温超导线圈、高温超导磁体及磁悬浮列车制造技术

本申请提供的一种部分绝缘高温超导线圈、高温超导磁体及磁悬浮列车，包括：高温超导带材和绝缘层，采用所述高温超导带材绕制线圈，每n匝高温超导带材为一组线圈，每组中的n匝线圈中的相邻的高温超导带材为无绝缘，每组线圈之间设置有一层绝缘层，依次类推，直到整个线圈绕制完成。本申请提出的磁悬浮列车用部分绝缘高温超导线圈，兼顾了失超自保护的同时缩短了充放电时间，更加适用于超导高速磁悬浮列车。车。车。

【技术实现步骤摘要】
一种部分绝缘高温超导线圈、高温超导磁体及磁悬浮列车


[0001]本申请涉及超导电动悬浮高速磁浮交通领域，尤其是磁悬浮列车用高温超导线圈，具有失超自保护、充电时长可调节等优点，特别地涉及一种部分绝缘高温超导线圈及磁悬浮列车。

技术介绍

[0002]在超导电动悬浮高速磁悬浮列车中，车辆两侧安装的超导磁体与地面长定子和悬浮线圈相互作用，产生牵引力和电动悬浮力，从而实现列车的牵引和悬浮。与低温超导材料相比，高温超导材料具有制冷难度较低、临界电流较大、强磁场下性能更佳等优点，因此用高温超导材料绕制的高温超导线圈比低温超导线圈具有更好的应用前景。高温超导线圈可以分为无绝缘高温超导线圈和有绝缘高温超导线圈，无绝缘线圈具有更好的电热稳定性和失超自保护等优点，但具有充放电时间较长等缺点；有绝缘高温超导线圈具有充放电时间短等优点，但具有失超保护较困难等缺点。因此，无论是无绝缘线圈还是有绝缘线圈，直接应用于高速磁浮都有相应的工程难点。
[0003]如图1所示，现有技术中的磁悬浮系统包括：车体1、8字形悬浮线圈2、直线同步电机定子线圈3、高温超导磁体4，轨道5。高温超导磁体4位于磁悬浮列车车体1的两侧，高温超导磁体4产生的强磁场与地面的直线同步电机长定子线圈3和悬浮线圈相互作用产生牵引力和悬浮力，从而实现列车的牵引、悬浮、导向。高温超导磁体由高温超导线圈和低温杜瓦组成，高温超导线圈承载大电流从而产生强磁场，低温杜瓦给高温超导线圈提供30K左右的低温环境，从而保证高温超导材料能够正常工作。
[0004]如图2所示，高温超导线圈为由高温超导带材绕制的跑道型线圈如图2中的子图(a)所示。
[0005]高温超导带材41以螺旋型的方式绕制在跑道型线盘43上，匝与匝之间紧密贴合。高温超导线圈一般分为有绝缘高温超导线圈和无绝缘高温超导线圈。有绝缘高温超导线圈采用绕包绝缘后的高温超导带材绕制，即高温超导带材的匝与匝之间有绝缘层(一般为聚酰亚胺薄膜)，如图2中的子图(b)所示，有绝缘高温超导线圈的相邻高温超导带材之间都有绝缘层，即一层高温超导带材41一层绝缘层42。无绝缘线圈直接将高温超导带材绕制成线圈，高温超导带材匝与匝之间没有绝缘层，从图2中的子图(c)可以看出，无绝缘高温超导线圈的相邻高温超导带材之间没有绝缘层，直接由高温超导带材41紧密贴合。
[0006]有绝缘和无绝缘高温超导线圈的等效电路如图3所示，其中图3中的子图(b)为有绝缘高温超线圈等效电路，其中图3中的子图(c)为无绝缘高温超线圈等效电路，V
coil
代表线圈的充电电压，I
op
代表线圈的充电电流，I
s
代表沿高温超导带材绕制方向的电流(称为切向电流)，I
r
代表垂直高温超导带材绕制方向的电流(称为径向电流)，L
coil
代表线圈电感，R
s
代表沿高温超导带材绕制方向的电阻(称为切向电阻)，R
s
为可变电阻的原因是切向电阻与线圈所处的温度有关，R
r
代表垂直高温超导带材绕制方向的电阻(称为径向电阻)，高温超导线圈的电路可以等效为线圈电感L
coil
与切向电阻R
s
串联后再与径向电阻Rr并联。
[0007]图4
‑
图5为高温超导线圈充电特性，有绝缘线圈的充电过程如图4所示，由于有绝缘高温超导线圈的相邻高温超导带材匝之间具有绝缘层，绝缘层的电阻可以视为无穷大，所以充电电流只能沿切向流通，切向电流完全等于充电电流，径向电流为零，当充电电流达到稳定值时，充电完成。无绝缘线圈的充电过程如图5所示，在充电电流不断增大的时候，由于线圈电感的作用会在线圈两端感应出较大的充电电压，而无绝缘线圈的高温超导带材匝之间没有绝缘层，径向电阻Rr即为匝间金属层的电阻，在充电电压的作用下，一部分充电电流从径向电阻流过，因此切向电流会小于径向电流；当充电电流稳定后，在线圈两端的感应电压逐渐减小，由于线圈的切向电阻(超导层电阻几乎为零)远远小于径向电阻(金属层具有电阻)，导致充电电流会逐渐都往切向流，因此切向电流逐渐增大而径向电流逐渐减小，当切向电流几乎等于充电电流的时候，充电完成。从图5可以看出，无绝缘线圈的充电时间远远大于有绝缘线圈，同理无绝缘线圈的放电时间也会远远大于有绝缘线圈。
[0008]在失超保护方面，在无绝缘线圈中，当线圈局部发生失超的时候，局部温度急剧升高导致超导层的电阻急剧增大，由于在匝间没有绝缘层，电流会自然通过匝间的金属层径向流通，从而使通过失超区域的电流减小，避免温度进一步快速上升。局部的热量通过热传递逐渐扩散，从而逐渐使失超区域的温度降低，防止失超区域的扩散，因此具有失超自保护能力，电热稳定性较好；在有绝缘线圈中，由于匝间有绝缘层，电流只能在高温超导带材里切向流动，当线圈局部发生失超的的时候，超导层的电阻急剧增大，但电流还是只能流过失超区域，从而产生较大热量，导致失超区域的温度进一步升高，使失超区域进一步扩散，因此有绝缘线圈没有失超自保护能力，电热稳定性较差。
[0009]在超导电动高速磁浮系统的应用场景中，既要求高温超导线圈的充放电时长较短，又要求超导线圈的具有较好的电热稳定性和失超自保护能力，因此无绝缘线圈和有绝缘线圈都具有各自的缺点，难以直接适用于超导电动高速磁浮系统。
[0010]专利申请号为201980011273.7，名称为部分绝缘HTS线圈提出的部分绝缘是在线匝之间增加带窗口的部分绝缘层，这样线匝之间虽然能共享电流，但是依然解决不了上述问题；专利公开号为US9324486B2，名称为《Partial insulation superconducting magnet》以及其同族专利《Partial insulation magnet with directed quench energy dump》都是针对核聚变所用超导磁体提出的部分绝缘技术，仍然不能解决上述问题。发表在IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,VOL.17,NO.2的论文《The Project Overview of the HTS Magnet for Superconducting Maglev》将多匝高温超导带材并联后再进行匝间绝缘，同样不能解决上述问题。

技术实现思路

[0011]针对上述问题，本申请提供一种部分绝缘高温超导线圈及磁悬浮列车。
[0012]本申请提供了一种部分绝缘高温超导线圈，包括：高温超导带材和绝缘层，采用所述高温超导带材绕制线圈，每n匝高温超导带材为一组线圈，每组中的n匝线圈中的相邻的高温超导带材为无绝缘，每组线圈之间设置有一层绝缘层，依次类推，直到整个线圈绕制完成。
[0013]在一些实施例中，所述高温超导带材采用不绕包绝缘的高温超导带材。
[0014]在一些实施例中，所述高温超导带材以螺旋型的方式绕制在跑道型线盘上。
[0015]在一些实施例中，所述每组线圈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种部分绝缘高温超导线圈，其特征在于，包括高温超导带材和绝缘层，采用所述高温超导带材绕制线圈，每n匝高温超导带材为一组线圈，每组中的n匝线圈中的相邻的高温超导带材为无绝缘，每组线圈之间设置有一层绝缘层，依次类推，直到整个线圈绕制完成。2.根据权利要求1所述的部分绝缘高温超导线圈，其特征在于，所述高温超导带材采用不绕包绝缘的高温超导带材。3.根据权利要求1所述的部分绝缘高温超导线圈，其特征在于，所述高温超导带材以螺旋型的方式绕制在跑道型线盘上。4.根据权利要求1所述的部分绝缘高温超导线圈，其特征在于，所述每组线圈中的高温超导带材的匝与匝之间紧密贴合。5.根据权利要求1所述的部分绝缘高温超导线圈，...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯江华，赵岸峰，胡云卿，石煜，许义景，袁贤珍，冯瑶鑫，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：