1、电工材料 2023 No.1叶新羽等：高温超导线圈的性能研究与应用进展高温超导线圈的性能研究与应用进展叶新羽，姚震，夏芳敏（富通集团（天津）超导技术应用有限公司，天津 300384）摘要：以铜基氧化物超导体为代表的高温超导材料，在液氮温度下将呈现特殊的超导性。使用铜基氧化物超导带材制作的高温超导超导线圈，具备无电阻、高载流、低重量等优势，因此在强磁体、限流器、储能、电机等领域得到广泛应用。由于超导线圈处于“力-电-磁”的复杂工作环境，需要对其机械性能、交流损耗、失超等进行研究。为此，本文综述和分析了高温超导线圈的研究和应用进展。关键词：高温超导；线圈；机械性能；交流损耗；失超中图分类号：TM2
2、6 DOI：10.16786/ki.1671-8887.eem.2023.01.011Progress of Properties Research and Application of HTS CoilsYE Xinyu,YAO Zhen,XIA Fangmin(Futong Group(Tianjin)Superconductor Technologies and Applications Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)Abstract:The high temperature superconductors(HTS)such as cuprates woul
3、d present the unique superconductivity at the temperature of liquid nitrogen.Due to the advantages of zero resistance,high current capacity and low mass,the HTS coils made of cuprates tapes have been widely used in the fields of magnets,fault current limiters,energy storage and motors.As being used
4、in a complex environment of mechanics-electricity-magnetism,the mechanical property,AC losses and quenching of HTS coils should be studied adequately.Therefore,the progress of research and application of HTS coils are reviewed and analyzed.Key words:high temperature superconductors(HTS);coils;mechan
5、ical property;AC losses;quenching引言自超导现象发现以来，在百余年的时间里，各国学者已发现几千种具有超导特性的材料，从铌钛（NbTi）、铌三锡（Nb3Sn）到铜基氧化物超导体、铁基超导体，再到有机超导体、重费米子超导体，超导材料家族的规模不断扩大。一般来说，可以按照25 K的标准对超导材料进行划分，超导临界转变温度在25 K以下的称作低温超导体，25 K以上的称作高温超导体。其中，铋锶钙铜氧（BSCCO）、钇钡铜氧（YBCO）的超导临界转变温度分别达到了约110 K和90 K1。超导材料具有零电阻特性、迈斯纳效应、约瑟夫森效应三大本征特性。其中，直流零电阻特性使
6、超导材料在强电领域得到广泛研究。相比于低温超导体，使用液氮（77 K）作为制冷剂的 BSCCO和YBCO具有更高的实用性。基于BSCCO和YBCO研制的超导带材，可以复绕在波纹管或铜绞体上作为通电导体，也可以绕制为高温超导线圈。高温超导线圈具有零电阻、高载流、低重量的特点，在强磁场下仍可保持大通流能力2，目前已应用于强磁体、超导限流器（饱和铁心型）、储能、电机等诸多领域3。1高温超导线圈类型相比于常导线圈，高温超导线圈由于零电阻特性，自身不产生焦耳热，降低了能量损耗；此外，高温超导线圈具有高载流密度（比常导线圈高12个数量级），因此可以减小设备体积、降低重量，同时基金项目：国家重点研发计划（2
7、018YFB0904400）资助的课题作者简介：叶新羽（1984-），男（汉族），天津人，博士，高级工程师，主要从事材料研发和超导技术应用研究。收稿日期：2021-07-0746电工材料 2023 No.1叶新羽等：高温超导线圈的性能研究与应用进展满足在大空间获得高磁场的需求。通常，高温超导线圈的制作形式包括三种：螺线管式、饼式及层式4。其中较为常用的是螺线管式线圈和饼式线圈（如图 1 所示）。其中图 1(a)为HAMAJIMA 等5研制的螺线管式高温超导线圈（HTS solenoid coils），图 1(b)为 Hahn 等6研制的饼式高温超导线圈（HTS pancake coils）。两
8、种超导线圈的优缺点对比如表1所示。虽然螺线管式超导线圈的接触电阻较小，可以降低损耗，但其在制作过程中，超导带材将产生较大的形变，影响其机械性能，进而影响到载流能力。因此，目前高温超导线圈的应用形式多为饼式。2高温超导线圈的性能研究高温超导带材经绕制成为超导线圈，超导线圈经过骨架固定、低温胶封装，再与低温杜瓦和制冷系统集成，可以作为超导磁体、超导限流器等使用。超导线圈的工作环境受到力、电、磁的复合影响，将直接影响到超导线圈的性能，从而影响到工程样机的运行。为此，本文分别论述了高温超导线圈的机械性能、交流损耗、失超稳定性的研究进展。2.1超导线圈的机械性能高温超导线圈在绕制过程中，需要施加一定的绕
9、制张力，绕制张力的大小会影响到线圈的载流性能和失超稳定性。因此，有必要优化绕制张力，在确保绕制结构需求的同时，尽量降低张力对超导带材性能的劣化。李兰凯等7提出了超导线圈绕制过程中的应力理论模型，如公式（1）、（2）所示。rw,k=rk,i（1）w,k=w0,k+k,i（2）式中，rw,k、w,k分别为线圈第k层带材的径向应力和环向应力，rk,i、k,i分别为第i层带材的压力在第k层的径向正应力和环向正应力，w0,k为第k层的预制绕应力。计算表明，当预制绕应力由 40 MPa增加至80 MPa时，内层导线的环向应力将达到 100 MPa，极易导致内层超导带材性能失稳。除了制作过程中的绕制张力，超
10、导线圈在运行过程中会受到电磁力、热应力、弯曲应力的协同作用，对超导线圈的应力应变行为产生影响。黄晨光等8通过有限元方法研究了超导线圈的应力-应变行为，仿真分析的依据如式（3）所示。r=dudr-0E+rT,t=ur+0E+tT,z=C（3）式中，r、t、z分别为超导线圈在切向、径向和轴向的应变，u为位移量，r为半径，为泊松比，0为弯曲应力，E为弹性模量，为热膨胀系数，T为线圈温度，C为常量。经仿真分析发现，随着电流密度的增大，线圈各处应力随之增大，导致某点率先达到屈服极限而发生塑性变形。塑性变形将由线圈内侧扩展至线圈外侧，增加支撑结构将有效改善超导线圈的力学性能。2.2超导线圈的交流损耗如上文
11、所述，超导材料具有直流零电阻特性，但是在传输交流电或者处于交变磁场中时，会产生交流损耗。超导线圈中的交流损耗将以热量的形式存在，会增加超导工程设备低温系统的负荷，并在较长时间运行后劣化超导线圈的运行稳定性。因此，对于超导线圈的交流损耗研究始终是本领域的热点之一。超导线圈交流损耗的研究方法主要包括理论计算、数值仿真以及实验测量，其中实验测量又分为电测法、磁测法和热测法三种。通常，需要结合仿真计算和实验测量的结果进行综合分析。张国民等9首先通过对局域功率损耗进行积分计算出超导线圈的交流损耗，之后选用宽度 4.1 mm、厚度0.3 mm的Ag包套的BSCCO超导带材，在不锈钢骨架上绕制成超导双饼线圈
12、，通过电测法在(a)螺线管线圈(b)饼式线圈图1高温超导线圈表1两种高温超导线圈特点对比类型螺线管式饼式特点制作工艺复杂简单接触电阻较小较大超导带材形变较大较小47电工材料 2023 No.1叶新羽等：高温超导线圈的性能研究与应用进展50 Hz下对样品进行交流损耗测试。在使用锁相放大器、罗氏线圈的锁相法的基础上，增加了锁放保护装置以及补偿线圈，以提高测试精度。实验结果表明，电测法获得的交流损耗损耗数据略高于理论计算值，其原因在于理论计算过程中忽略了Ag包套材料的影响。宋文娟10选用宽度 4.0 mm、厚度0.1 mm的YBCO超导带材，绕制内径60 mm的饼式线圈，采用电测法在不同频率下（13
13、.96 Hz、19.96 Hz、26.62 Hz、43.96 Hz）进行交流损耗测试。在相同的频率和测试电流下，YBCO绕制的超导线圈与BSCCO绕制的超导线圈相比，其交流损耗低一个数量级，说明在液氮温区使用YBCO绕制超导线圈是更优选择。2.3超导线圈的稳定性超导材料进入超导态，需要满足一定的温度、载流密度和磁场强度，即临界温度、临界电流、临界磁场。如果受到工作环境中力、热、电、磁的影响，将导致超导材料失超（Quench）。局部失超后，电阻升高产生焦耳热，随着热量的传播，发生失超传播（Quench propagation）。对于超导线圈而言，如果不能确保其稳定性，将在超导设备运行过程中造成超
14、导线圈烧毁的严重后果。因此，需要做好失超检测以及预防工作，以期确保超导线圈始终工作在安全温度范围以内。图2为高温超导线圈在工频电流下相位角随电流的变化情况。以往的研究表明，进行超导线圈失超分析的方法包括温升、流量、压力、超声波等检测方法。但是，在工频交流的运行情况下，超导线圈中将产生一个极大的电感电压，对超导线圈的失超判断分析带来不利影响。为此，周羽生等11提出了通过相位角变化进行失超判断的方法。在一定的电流频率下，超导线圈的电流电压的相位取决于常态电阻；当发生失超时，超导线圈的常态电阻将迅速增大，使相位角产生显著变化，从而判断出线圈的失超状态。如图2所示，超导线圈失超后，相位角发生了明显变化
15、，从82.44 下降至78.66。赖凌峰3以YBCO超导线圈为研究对象，分析了临界电流、工作温度以及超导带材中铜稳定层厚度对超导线圈稳定性的影响。分析结果表明：临界电流的提升会增加线圈稳定性，但继续增大后效果趋于饱和；降低工作温度可改善线圈稳定性，但造成低温系统负担增加；增加超导带材铜稳定层厚度可一定程度提高超导线圈的稳定性。3结论和展望高温超导线圈由于其自身性能优势，特别是在强磁场环境中仍可保持高载流能力的特点，使其在超导强电领域得到广泛应用，在超导限流器、超导储能、超导电机等方面已实现工程示范应用，在感应加热器方面已步入商业化阶段。相比于BSCCO高温超导带材，YBCO超导带材在高磁场下特
16、别是垂直磁场下的载流能力更优，是未来超导线圈应用的优选材料。另外，为了进一步缩小超导磁体体积，近年来无绝缘高温超导线圈逐步成为本领域的研究热点。参考文献：1 叶新羽,雷俊玲,张恩,等.超导电缆终端系统的设计与应用J.电工材料,2017(3):32-34.2 李盼.Bi-2223超导线圈的设计研究D.沈阳:东北大学,2015.3 赖凌峰.高温超导线圈稳定性研究D.北京:清华大学,2015.4 施方圆,周羽生,胡鑫,等.基于ANSYS的大电流高温超导线圈的环流分析J.低温与超导,2011(12):21-24.5 HAMAJIMA T,HARADA N,TSUDA M,et al.Analysis of current distributions in a multi-laminated HTS tape conductor for solenoid coilsJ.Cryogenics,2004,44(5):341-348.61 HAHN S,DONG K P,BASCUNAN J,et al.HTS pancake coils without turn-to-turn insulation
