高温超导直驱风力发电机用REBCO线圈的制备与测试研究

陈凌轩，谌 瑾，李位勇，钮小军，郑 军

高温超导直驱风力发电机用REBCO线圈的制备与测试研究

陈凌轩，谌 瑾，李位勇，钮小军，郑 军

（船舶综合电力技术重点实验室武汉 430064）

本文介绍了一种高温超导直驱风力发电机用跑道型REBCO双饼线圈的制备和测试。REBCO带材具有多层复合结构，在磁体制备过程中容易因为层间剥离而导致临界电流明显降低。本文采用环氧浸渍工艺，在77 K和60 K温区对REBCO双饼线圈进行了临界电流测试，线圈临界电流值分别为42 A和148 A。线圈绕制和测试过程中保证了REBCO带材结构完好。为后续制造高温超导风力发电机打下了基础。

REBCO带材跑道型 线圈 临界电流测试

0 引言

随着超导材料和超导电机技术的发展，高温超导电机因其体积小、重量轻、效率高等优势,在诸多领域都有广阔的发展前景。如高温超导旋转推进电机[1～2]；磁悬浮用直线电机[3]；大型风力发电机[4]；超导直线发电机[5]；以及用于调整电网动态无功功率的高温超导调相机，都具有良好的发展前景。

REBCO二代高温超导带材为多层复合结构，由基底、缓冲层、超导层、覆盖层和稳定层组成。各层厚度不一，层厚比可以达到一百倍，除超导层和缓冲层外，各层材料在力学和热学性能方面差异较大，而且各层间结合强度也有所差异。这些特点导致带材容易在制备成线圈的过程中，在热应力或电磁力作用下发生层间剥离，从而导致临界电流明显降低[7]。用来浸渍线圈的环氧树脂热膨胀系数大于REBCO带材，在绕制、降温过程中累积的径向应力大于带材发生剥离的临界强度，会导致带材被破坏[8]。

本文针对一种MW级高温超导直驱风力发电机，介绍了REBCO跑道型线圈的制备和测试。对环氧浸渍后的线圈进行测试，在60 K和77 K的临界电流值和表明线圈没有明显的失超。

1 高温超导直驱风力发电机介绍

高温超导直驱风力发电机电磁结构如图1所示，与常规电励磁凸极同步电机电机主要有以下几点差别：

图1 高温超导风力发电机结构示意图

1）定子齿部用非导磁材料替代，仅作为结构件，不提供磁路。

2）气隙与定、转子分界面处有屏蔽层，可以削弱磁密谐波，减少超导发电机低温励磁绕组漏热。

3）转子励磁绕组用高温超导磁体作为励磁绕组，一方面励磁电流上限大幅提升，可产生更高的气隙磁密；另一方面为维持高温超导发电机正常工作，需要设计低温系统将转子超导磁体冷却至30 K。

由高温超导线圈叠加组成的高温超导磁体作为电机的重要部件，在设计和工艺方面都是常规电机未曾涉足的领域。在空载工况下，电机磁密分布如图2（a）所示，超导磁体的工作电流直接决定了励磁产生的气隙磁密。磁体又是由多个双饼线圈堆叠串联制成。图2（b）是单个磁体的边界处磁密矢量图，励磁绕组通流受带材的垂直场分量最大处的限制，因此组成磁体的跑道型双饼线圈的设计和制备是超导电机设计制造过程中的关键技术。

本文选用了工艺较为复杂的REBCO第二代高温超导带材制备磁体，完成了一种跑道型双饼线圈的制备与测试。由于高温超导带材成本较高，在绕制时缩短了电机轴向，即线圈直线段尺寸，这种缩比例样件产生的误差对实验分析几乎没有影响。

图2 高温超导风力发电机空载气隙磁密

1.1 REBCO线圈介绍

为验证环氧浸渍工艺对REBCO线圈性能的影响，选用苏州新材料研究所有限公司的带材绕制了跑道型线圈并进行了测试研究[10]，带材基本参数如表1。

表1 跑道型线圈详细参数

图3 双饼线圈主要尺寸示意图

单个双饼线圈用线量为820 m，共用5根REBCO带材。单根带材宽度5 mm，性能最好的带材在77 K自场下的临界电流能达到到150 A，性能较差的临界电流为120 A。线圈采用干式绕线法在自制的跑道型骨架上绕制。绕制时调整绕线机位置以保证每匝线圈处在同一平面，设置参数保证绕线过程中张力恒定。完成线圈绕制后，在直线端留出足够长度制作电流接头，为通电测试做准备。

线圈内布置了11个电压测点，其中双饼内侧线圈测点较为密集，上层线圈第5到第95匝使用了性能较差的120 A临界电流线圈，是降温升流后最先达到临界电流的部分，因此针对性的密集布置了3个测点。电压测点在线圈中的位置如图4所示。

图4 双饼线圈电压测点分布图

因REBCO带材内部电流分布不均匀，在ANSYS中建立二维轴对称有限元模型，计算线圈内部电压分布[9～10]。采用多次迭代的计算方法，利用毕奥-萨伐尔定律和带材不同磁场强度和角度下的临界电流数据库，计算线圈每匝的电压，从而得到整个线圈的电压分布，获得线圈的I-V曲线，验证测试结果。

2 实验验证

线圈在降温之前，需要经过环氧浸渍来增强超导线圈磁体的机械强度和绝缘强度，而且磁体线圈的真空浸渍强固化还有利于提高磁体线圈的热交换效率。环氧树脂在注入线圈外壳后，需要保持几百帕斯卡真空环境下保持数小时，以确保充满线圈。

图5 77 K温区线圈局部测点电压随时间和电流变化曲线

环氧浸渍完成后，开始降温过程开展临界电流测试研究。线圈温度稳定在77 K后，以0.25 s/A的速度升流，磁体电流35 A以下时，电流每增加10 A保持60 s左右，观察磁体电压稳定后继续升流。以0.01 µV/cm作为临界电流判据，测得磁体77 K下的临界电流约为42 A，如图5所示。通过比较各个电压测点的电压降，最先达到临界电流的是测点6、8之间的带材。

在液氮温区测试完成后，线圈放入低温恒温器中进行传导冷却试验。降温设备使用住友公司的CH-330型GM制冷机。线圈安装在紫铜冷板上，由冷头制冷。线圈用超过20层绝热材料包裹，多层绝热材料的密度约为每毫米5层。

总功率200 W的加热器直接安装在导冷板上并采用EastChanging公司的TC280温控器控制线圈温度。有三个Lakeshore公司Cernox CX-1050型温度传感器用以监测线圈温度，三个温度传感器分别安装于线圈上盖板、导冷板和内电流引线处。选择导冷板处的温度测点作为控制点，设置目标温度60 K。

降温过程完成后达到目标温度后，采用与77 K温区相近的方法进行升流试验。在120 A以后，每次升流5 A，观察到线圈在148 A处达到0.01 µVcm临界电流判据临界电流，如图6。第7、8通道间的部分是电压降的主要产生区域，其他部分无明显电压降，可以认为尚未达到临界电流。同时，实验发现带材质量也是影响失超的主要因素，相较与第5、6通道的内侧线圈，第7、8通道间的带材临界电流仅为120 A，电磁性能较差，从而成为最先失超的区域。后续研究过程中，可以考察在不同背景磁场下，线圈的电磁性能。

图6 60 K下REBCO线圈各测点电压随时间和电流变化曲线

77 K和60 K温区I-V曲线如图7所示，将60 K和77 K两次升流的V-I曲线对比发现在60K温区临界电流上升为77 K温区的3倍左右，达到了148 A左右。77 K和60 K温区测试的临界电流值与计算值误差在5%范围内。

图7 77 K和60 K温区电压随电流变化曲线

3 结论

应实际工程需求，制备了环氧浸渍跑道型REBCO线圈并进行了测试，得到以下结论：

1）使用长543 mm，宽278 mm的磁体骨架绕制了460匝的双饼线圈。

2）分别在77 K温区和60 K温区进行升流试验，临界电流分别为42 A和148 A。

3）在60 K温区，磁体电流可以达到148 A，且电压降主要在线圈内侧，电磁性能较差的带材上。

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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

陈凌轩（1996-），男，硕士，主要从事电机电磁设计。E-mail: 469951809@qq.com