陳凌軒，諶 瑾，李位勇，鈕小軍，鄭 軍

高溫超導(dǎo)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)用REBCO線圈的制備與測(cè)試研究

陳凌軒，諶 瑾，李位勇，鈕小軍，鄭 軍

（船舶綜合電力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢 430064）

本文介紹了一種高溫超導(dǎo)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)用跑道型REBCO雙餅線圈的制備和測(cè)試。REBCO帶材具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，在磁體制備過(guò)程中容易因?yàn)閷娱g剝離而導(dǎo)致臨界電流明顯降低。本文采用環(huán)氧浸漬工藝，在77 K和60 K溫區(qū)對(duì)REBCO雙餅線圈進(jìn)行了臨界電流測(cè)試，線圈臨界電流值分別為42 A和148 A。線圈繞制和測(cè)試過(guò)程中保證了REBCO帶材結(jié)構(gòu)完好。為后續(xù)制造高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)打下了基礎(chǔ)。

REBCO帶材跑道型 線圈 臨界電流測(cè)試

0 引言

隨著超導(dǎo)材料和超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)電機(jī)因其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)勢(shì),在諸多領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景。如高溫超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)推進(jìn)電機(jī)[1～2]；磁懸浮用直線電機(jī)[3]；大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)[4]；超導(dǎo)直線發(fā)電機(jī)[5]；以及用于調(diào)整電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功功率的高溫超導(dǎo)調(diào)相機(jī)，都具有良好的發(fā)展前景。

REBCO二代高溫超導(dǎo)帶材為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，由基底、緩沖層、超導(dǎo)層、覆蓋層和穩(wěn)定層組成。各層厚度不一，層厚比可以達(dá)到一百倍，除超導(dǎo)層和緩沖層外，各層材料在力學(xué)和熱學(xué)性能方面差異較大，而且各層間結(jié)合強(qiáng)度也有所差異。這些特點(diǎn)導(dǎo)致帶材容易在制備成線圈的過(guò)程中，在熱應(yīng)力或電磁力作用下發(fā)生層間剝離，從而導(dǎo)致臨界電流明顯降低[7]。用來(lái)浸漬線圈的環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)大于REBCO帶材，在繞制、降溫過(guò)程中累積的徑向應(yīng)力大于帶材發(fā)生剝離的臨界強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致帶材被破壞[8]。

本文針對(duì)一種MW級(jí)高溫超導(dǎo)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，介紹了REBCO跑道型線圈的制備和測(cè)試。對(duì)環(huán)氧浸漬后的線圈進(jìn)行測(cè)試，在60 K和77 K的臨界電流值和表明線圈沒(méi)有明顯的失超。

1 高溫超導(dǎo)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)介紹

高溫超導(dǎo)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)如圖1所示，與常規(guī)電勵(lì)磁凸極同步電機(jī)電機(jī)主要有以下幾點(diǎn)差別：

圖1 高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1）定子齒部用非導(dǎo)磁材料替代，僅作為結(jié)構(gòu)件，不提供磁路。

2）氣隙與定、轉(zhuǎn)子分界面處有屏蔽層，可以削弱磁密諧波，減少超導(dǎo)發(fā)電機(jī)低溫勵(lì)磁繞組漏熱。

3）轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組用高溫超導(dǎo)磁體作為勵(lì)磁繞組，一方面勵(lì)磁電流上限大幅提升，可產(chǎn)生更高的氣隙磁密；另一方面為維持高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)正常工作，需要設(shè)計(jì)低溫系統(tǒng)將轉(zhuǎn)子超導(dǎo)磁體冷卻至30 K。

由高溫超導(dǎo)線圈疊加組成的高溫超導(dǎo)磁體作為電機(jī)的重要部件，在設(shè)計(jì)和工藝方面都是常規(guī)電機(jī)未曾涉足的領(lǐng)域。在空載工況下，電機(jī)磁密分布如圖2（a）所示，超導(dǎo)磁體的工作電流直接決定了勵(lì)磁產(chǎn)生的氣隙磁密。磁體又是由多個(gè)雙餅線圈堆疊串聯(lián)制成。圖2（b）是單個(gè)磁體的邊界處磁密矢量圖，勵(lì)磁繞組通流受帶材的垂直場(chǎng)分量最大處的限制，因此組成磁體的跑道型雙餅線圈的設(shè)計(jì)和制備是超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。

本文選用了工藝較為復(fù)雜的REBCO第二代高溫超導(dǎo)帶材制備磁體，完成了一種跑道型雙餅線圈的制備與測(cè)試。由于高溫超導(dǎo)帶材成本較高，在繞制時(shí)縮短了電機(jī)軸向，即線圈直線段尺寸，這種縮比例樣件產(chǎn)生的誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)分析幾乎沒(méi)有影響。

圖2 高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載氣隙磁密

1.1 REBCO線圈介紹

為驗(yàn)證環(huán)氧浸漬工藝對(duì)REBCO線圈性能的影響，選用蘇州新材料研究所有限公司的帶材繞制了跑道型線圈并進(jìn)行了測(cè)試研究[10]，帶材基本參數(shù)如表1。

表1 跑道型線圈詳細(xì)參數(shù)

圖3 雙餅線圈主要尺寸示意圖

單個(gè)雙餅線圈用線量為820 m，共用5根REBCO帶材。單根帶材寬度5 mm，性能最好的帶材在77 K自場(chǎng)下的臨界電流能達(dá)到到150 A，性能較差的臨界電流為120 A。線圈采用干式繞線法在自制的跑道型骨架上繞制。繞制時(shí)調(diào)整繞線機(jī)位置以保證每匝線圈處在同一平面，設(shè)置參數(shù)保證繞線過(guò)程中張力恒定。完成線圈繞制后，在直線端留出足夠長(zhǎng)度制作電流接頭，為通電測(cè)試做準(zhǔn)備。

線圈內(nèi)布置了11個(gè)電壓測(cè)點(diǎn)，其中雙餅內(nèi)側(cè)線圈測(cè)點(diǎn)較為密集，上層線圈第5到第95匝使用了性能較差的120 A臨界電流線圈，是降溫升流后最先達(dá)到臨界電流的部分，因此針對(duì)性的密集布置了3個(gè)測(cè)點(diǎn)。電壓測(cè)點(diǎn)在線圈中的位置如圖4所示。

圖4 雙餅線圈電壓測(cè)點(diǎn)分布圖

因REBCO帶材內(nèi)部電流分布不均勻，在ANSYS中建立二維軸對(duì)稱有限元模型，計(jì)算線圈內(nèi)部電壓分布[9～10]。采用多次迭代的計(jì)算方法，利用畢奧-薩伐爾定律和帶材不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和角度下的臨界電流數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算線圈每匝的電壓，從而得到整個(gè)線圈的電壓分布，獲得線圈的I-V曲線，驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

線圈在降溫之前，需要經(jīng)過(guò)環(huán)氧浸漬來(lái)增強(qiáng)超導(dǎo)線圈磁體的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度，而且磁體線圈的真空浸漬強(qiáng)固化還有利于提高磁體線圈的熱交換效率。環(huán)氧樹脂在注入線圈外殼后，需要保持幾百帕斯卡真空環(huán)境下保持?jǐn)?shù)小時(shí)，以確保充滿線圈。

圖5 77 K溫區(qū)線圈局部測(cè)點(diǎn)電壓隨時(shí)間和電流變化曲線

環(huán)氧浸漬完成后，開(kāi)始降溫過(guò)程開(kāi)展臨界電流測(cè)試研究。線圈溫度穩(wěn)定在77 K后，以0.25 s/A的速度升流，磁體電流35 A以下時(shí)，電流每增加10 A保持60 s左右，觀察磁體電壓穩(wěn)定后繼續(xù)升流。以0.01 μV/cm作為臨界電流判據(jù)，測(cè)得磁體77 K下的臨界電流約為42 A，如圖5所示。通過(guò)比較各個(gè)電壓測(cè)點(diǎn)的電壓降，最先達(dá)到臨界電流的是測(cè)點(diǎn)6、8之間的帶材。

在液氮溫區(qū)測(cè)試完成后，線圈放入低溫恒溫器中進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻試驗(yàn)。降溫設(shè)備使用住友公司的CH-330型GM制冷機(jī)。線圈安裝在紫銅冷板上，由冷頭制冷。線圈用超過(guò)20層絕熱材料包裹，多層絕熱材料的密度約為每毫米5層。

總功率200 W的加熱器直接安裝在導(dǎo)冷板上并采用EastChanging公司的TC280溫控器控制線圈溫度。有三個(gè)Lakeshore公司Cernox CX-1050型溫度傳感器用以監(jiān)測(cè)線圈溫度，三個(gè)溫度傳感器分別安裝于線圈上蓋板、導(dǎo)冷板和內(nèi)電流引線處。選擇導(dǎo)冷板處的溫度測(cè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，設(shè)置目標(biāo)溫度60 K。

降溫過(guò)程完成后達(dá)到目標(biāo)溫度后，采用與77 K溫區(qū)相近的方法進(jìn)行升流試驗(yàn)。在120 A以后，每次升流5 A，觀察到線圈在148 A處達(dá)到0.01 μVcm臨界電流判據(jù)臨界電流，如圖6。第7、8通道間的部分是電壓降的主要產(chǎn)生區(qū)域，其他部分無(wú)明顯電壓降，可以認(rèn)為尚未達(dá)到臨界電流。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)帶材質(zhì)量也是影響失超的主要因素，相較與第5、6通道的內(nèi)側(cè)線圈，第7、8通道間的帶材臨界電流僅為120 A，電磁性能較差，從而成為最先失超的區(qū)域。后續(xù)研究過(guò)程中，可以考察在不同背景磁場(chǎng)下，線圈的電磁性能。

圖6 60 K下REBCO線圈各測(cè)點(diǎn)電壓隨時(shí)間和電流變化曲線

77 K和60 K溫區(qū)I-V曲線如圖7所示，將60 K和77 K兩次升流的V-I曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)在60K溫區(qū)臨界電流上升為77 K溫區(qū)的3倍左右，達(dá)到了148 A左右。77 K和60 K溫區(qū)測(cè)試的臨界電流值與計(jì)算值誤差在5%范圍內(nèi)。

圖7 77 K和60 K溫區(qū)電壓隨電流變化曲線

3 結(jié)論

應(yīng)實(shí)際工程需求，制備了環(huán)氧浸漬跑道型REBCO線圈并進(jìn)行了測(cè)試，得到以下結(jié)論：

1）使用長(zhǎng)543 mm，寬278 mm的磁體骨架繞制了460匝的雙餅線圈。

2）分別在77 K溫區(qū)和60 K溫區(qū)進(jìn)行升流試驗(yàn)，臨界電流分別為42 A和148 A。

3）在60 K溫區(qū)，磁體電流可以達(dá)到148 A，且電壓降主要在線圈內(nèi)側(cè)，電磁性能較差的帶材上。

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Testing of epoxy impregnated REBCO coil for HTS Wind power generator

Chen Lingxuan, Chen Jin, Li Weiyong, Niu Xiaojun, Zheng Jun

(Science and Technology on Ship Integrated Power System Technology Laboratory, Wuhan 430064, China)

TM26

A

1003-4862（2022）03-0061-04

2021-12-24

陳凌軒（1996-），男，碩士，主要從事電機(jī)電磁設(shè)計(jì)。E-mail: 469951809@qq.com