高溫超導直驅風力發電機用REBCO線圈的制備與測試研究

陳凌軒，諶 瑾，李位勇，鈕小軍，鄭 軍

高溫超導直驅風力發電機用REBCO線圈的制備與測試研究

陳凌軒，諶 瑾，李位勇，鈕小軍，鄭 軍

（船舶綜合電力技術重點實驗室武漢 430064）

本文介紹了一種高溫超導直驅風力發電機用跑道型REBCO雙餅線圈的制備和測試。REBCO帶材具有多層復合結構，在磁體制備過程中容易因為層間剝離而導致臨界電流明顯降低。本文采用環氧浸漬工藝，在77 K和60 K溫區對REBCO雙餅線圈進行了臨界電流測試，線圈臨界電流值分別為42 A和148 A。線圈繞制和測試過程中保證了REBCO帶材結構完好。為后續制造高溫超導風力發電機打下了基礎。

REBCO帶材跑道型 線圈 臨界電流測試

0 引言

隨著超導材料和超導電機技術的發展，高溫超導電機因其體積小、重量輕、效率高等優勢,在諸多領域都有廣闊的發展前景。如高溫超導旋轉推進電機[1～2]；磁懸浮用直線電機[3]；大型風力發電機[4]；超導直線發電機[5]；以及用于調整電網動態無功功率的高溫超導調相機，都具有良好的發展前景。

REBCO二代高溫超導帶材為多層復合結構，由基底、緩沖層、超導層、覆蓋層和穩定層組成。各層厚度不一，層厚比可以達到一百倍，除超導層和緩沖層外，各層材料在力學和熱學性能方面差異較大，而且各層間結合強度也有所差異。這些特點導致帶材容易在制備成線圈的過程中，在熱應力或電磁力作用下發生層間剝離，從而導致臨界電流明顯降低[7]。用來浸漬線圈的環氧樹脂熱膨脹系數大于REBCO帶材，在繞制、降溫過程中累積的徑向應力大于帶材發生剝離的臨界強度，會導致帶材被破壞[8]。

本文針對一種MW級高溫超導直驅風力發電機，介紹了REBCO跑道型線圈的制備和測試。對環氧浸漬后的線圈進行測試，在60 K和77 K的臨界電流值和表明線圈沒有明顯的失超。

1 高溫超導直驅風力發電機介紹

高溫超導直驅風力發電機電磁結構如圖1所示，與常規電勵磁凸極同步電機電機主要有以下幾點差別：

圖1 高溫超導風力發電機結構示意圖

1）定子齒部用非導磁材料替代，僅作為結構件，不提供磁路。

2）氣隙與定、轉子分界面處有屏蔽層，可以削弱磁密諧波，減少超導發電機低溫勵磁繞組漏熱。

3）轉子勵磁繞組用高溫超導磁體作為勵磁繞組，一方面勵磁電流上限大幅提升，可產生更高的氣隙磁密；另一方面為維持高溫超導發電機正常工作，需要設計低溫系統將轉子超導磁體冷卻至30 K。

由高溫超導線圈疊加組成的高溫超導磁體作為電機的重要部件，在設計和工藝方面都是常規電機未曾涉足的領域。在空載工況下，電機磁密分布如圖2（a）所示，超導磁體的工作電流直接決定了勵磁產生的氣隙磁密。磁體又是由多個雙餅線圈堆疊串聯制成。圖2（b）是單個磁體的邊界處磁密矢量圖，勵磁繞組通流受帶材的垂直場分量最大處的限制，因此組成磁體的跑道型雙餅線圈的設計和制備是超導電機設計制造過程中的關鍵技術。

本文選用了工藝較為復雜的REBCO第二代高溫超導帶材制備磁體，完成了一種跑道型雙餅線圈的制備與測試。由于高溫超導帶材成本較高，在繞制時縮短了電機軸向，即線圈直線段尺寸，這種縮比例樣件產生的誤差對實驗分析幾乎沒有影響。

圖2 高溫超導風力發電機空載氣隙磁密

1.1 REBCO線圈介紹

為驗證環氧浸漬工藝對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行了測試研究[10]，帶材基本參數如表1。

表1 跑道型線圈詳細參數

圖3 雙餅線圈主要尺寸示意圖

單個雙餅線圈用線量為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自場下的臨界電流能達到到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。繞制時調整繞線機位置以保證每匝線圈處在同一平面，設置參數保證繞線過程中張力恒定。完成線圈繞制后，在直線端留出足夠長度制作電流接頭，為通電測試做準備。

線圈內布置了11個電壓測點，其中雙餅內側線圈測點較為密集，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到臨界電流的部分，因此針對性的密集布置了3個測點。電壓測點在線圈中的位置如圖4所示。

圖4 雙餅線圈電壓測點分布圖

因REBCO帶材內部電流分布不均勻，在ANSYS中建立二維軸對稱有限元模型，計算線圈內部電壓分布[9～10]。采用多次迭代的計算方法，利用畢奧-薩伐爾定律和帶材不同磁場強度和角度下的臨界電流數據庫，計算線圈每匝的電壓，從而得到整個線圈的電壓分布，獲得線圈的I-V曲線，驗證測試結果。

2 實驗驗證

線圈在降溫之前，需要經過環氧浸漬來增強超導線圈磁體的機械強度和絕緣強度，而且磁體線圈的真空浸漬強固化還有利于提高磁體線圈的熱交換效率。環氧樹脂在注入線圈外殼后，需要保持幾百帕斯卡真空環境下保持數小時，以確保充滿線圈。

圖5 77 K溫區線圈局部測點電壓隨時間和電流變化曲線

環氧浸漬完成后，開始降溫過程開展臨界電流測試研究。線圈溫度穩定在77 K后，以0.25 s/A的速度升流，磁體電流35 A以下時，電流每增加10 A保持60 s左右，觀察磁體電壓穩定后繼續升流。以0.01 μV/cm作為臨界電流判據，測得磁體77 K下的臨界電流約為42 A，如圖5所示。通過比較各個電壓測點的電壓降，最先達到臨界電流的是測點6、8之間的帶材。

在液氮溫區測試完成后，線圈放入低溫恒溫器中進行傳導冷卻試驗。降溫設備使用住友公司的CH-330型GM制冷機。線圈安裝在紫銅冷板上，由冷頭制冷。線圈用超過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冷板上并采用EastChanging公司的TC280溫控器控制線圈溫度。有三個Lakeshore公司Cernox CX-1050型溫度傳感器用以監測線圈溫度，三個溫度傳感器分別安裝于線圈上蓋板、導冷板和內電流引線處。選擇導冷板處的溫度測點作為控制點，設置目標溫度60 K。

降溫過程完成后達到目標溫度后，采用與77 K溫區相近的方法進行升流試驗。在120 A以后，每次升流5 A，觀察到線圈在148 A處達到0.01 μVcm臨界電流判據臨界電流，如圖6。第7、8通道間的部分是電壓降的主要產生區域，其他部分無明顯電壓降，可以認為尚未達到臨界電流。同時，實驗發現帶材質量也是影響失超的主要因素，相較與第5、6通道的內側線圈，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域。后續研究過程中，可以考察在不同背景磁場下，線圈的電磁性能。

圖6 60 K下REBCO線圈各測點電壓隨時間和電流變化曲線

77 K和60 K溫區I-V曲線如圖7所示，將60 K和77 K兩次升流的V-I曲線對比發現在60K溫區臨界電流上升為77 K溫區的3倍左右，達到了148 A左右。77 K和60 K溫區測試的臨界電流值與計算值誤差在5%范圍內。

圖7 77 K和60 K溫區電壓隨電流變化曲線

3 結論

應實際工程需求，制備了環氧浸漬跑道型REBCO線圈并進行了測試，得到以下結論：

1）使用長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溫區和60 K溫區進行升流試驗，臨界電流分別為42 A和148 A。

3）在60 K溫區，磁體電流可以達到148 A，且電壓降主要在線圈內側，電磁性能較差的帶材上。

[1] Nam G D, Sung H J, Kim C, et al. Design and characteristic analysis of a 1 MW superconducting motor for ship propulsions[J]. IEEE Transactions on Appiled Superconductivity, 2019, 29(5):1-5.

[2] Shoykhet B A,Umans S D. Quench in high-temperature Superconducting motor field coils: computer simulations and comparison with experiments[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007, 17(2):1623-1628.L.

[3] Deng Z, Zhang W, Zheng J, et al. A high-temperature superconducting maglev-evacuated tube transport (hts maglev-ett) test system[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, 27(6):1-8.

[4] Song X, Buhrer C, Molgaard A, et al. Commissioning of the world's first full-scale mw-class superconducting generator on a direct drive wind turbine[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2020, PP(99):1-1.

[5] 徐杰. 超導磁懸浮列車用直線發電機的設計與特性解析分析[D]. 北京交通學, 2020. DOI:10. 26944/d. cnki.gbfju.2020.001866.

[6] Miyazoe A, Zhang Z, Matsumoto S, et al. The critical current of REBCO coated conductors and experimental observation of delamination due to the screening current at 4.2 K[J]. IEEE transactions on applied superconductivity, 2013, 23(3): 6602904-6602904.

[7] T. Takematsu, R. Hu, T. Takao, Y. Yanagisawa, H. Nakagome, D. Uglietti, T. Kiyoshi, M. Takahashi, H. Maeda,"Degradation of the performance of a YBCO-coated conductor double pancake coil due to epoxy impregnation,"Physica C: Superconductivity and its Applications,vol. 470, pp. 674-677, 2010.

[8] W. Y. Li, J. Zheng, S. S. Peng, X. J. Niu, Y. J. Dai, W. Chen, X. H. Guo, "The Study of Epoxy-impregnated REBCO Coils," Proceedings of 2020 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices, Tianjin, China, Oct. 16-18, 2020.

[9] W. Y. Li, X. J. Niu, and H. Su, "A Study on HTS Double Pancake Coil for Electric Machine," IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices, Bei jing, China, Oct. 25-27, 2013.

[10] Y. Adanny, Y. Wolfus, A. Friedman, F. Kopansky, Y. Yeshurun, and Z. Bar-Haim, "Calculated E-I characteristics of HTS pancakes and coils exposed to inhomogeneous magnetic fields," Journal of Physics: Conference Series (7th European Conference on Applied Superconductivity), vol. 43, pp. 1068-1071, 2006.

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，主要從事電機電磁設計。E-mail: 469951809@qq.com