东莞环球马达有限公司

一、高温超导线圈组装

本文中直线马达动子磁体由四个超导线圈组合而成，利用可编程直流电源对其通以直流电形成励磁磁体，相邻线圈之间的距离等于定子极距的两倍，所有线圈通过带材接头串联。图1给出了串联线圈的连接示意图，图中黑色箭头表示电流的流向，线圈之间相邻的直线边必须使其电流的流向保持一致，以保证相邻通电线圈产生的磁极具有相反的极性，这是直线马达设计中的一般性要求。相邻线圈之间采用软钎焊工艺进行接头焊接，图中所示电阻R12、R23、R34分别对应线圈1-线圈2、线圈2-线圈3、线圈3-线圈4之间的接头电阻。图中标出的D1-D8表示线圈进出线处的电压引线接头，对磁体通电励磁过程中即可通过检测任意两个电压测试点之间的电压获得线圈上或带材接头电阻各自的分电压，从而判断线圈是否失超和计算接头电阻的大小。

由于高温超导涂层带材是由多种金属及非金属组成的多层复合结构，其中ReBCO超导体属于陶瓷材料，没有像低温超导体（NbTi，Nb3Sn)所具有的金属延展性，因此带材在制备过程中釆用了沉积的工艺，即先制作生成金属基带，再将超导体直接沉积并使其均匀生长在基底层表面，超导层中的高温超导体本身之间的连接没有任何机械强度，对带材施加过小的弯曲半径或弯折极易造成超导层的局部断裂，引起超导带材超导特性的退化甚至完全失去超导性。因此，无论是线圈绕制、带材接头制作或者线圈安装过程都需要保持超导带材不受弯折，如有弯曲或路径改变的需要，则必须以圆弧方式对其变形进行过渡且圆弧半径应大于带材规格书中要求的最小弯曲半径。图2给出了四个超导线圈安装至底板后的励磁磁体实物图。为了避免弯折，所有线圈起始层从骨架进出线口引出后均进行了圆弧过渡，之后再从底板上走线孔穿出至底板上表面（本文定义底板与定子直接相对的一面为下表面）进行接头焊接或连接至电流引线铜排。此外，在线圈布局过程中还应考虑到如图中所示底板左右两侧对于线圈终止层走线存在一定的干涉，所以采用了如图所示的两侧线圈的终止层均靠内侧的布局方式（另一种将两侧线圈终止层均靠外侧也能满足实际磁极需要）。最后，每个线圈均使用四颗沉头内六角螺钉与底板进行连接固定，保证垂直方向上足够高的机械强度，以对抗东莞马达厂直线马达动子磁体与定子电枢绕组之间过强的法向力。

超导线圈进出线带材从底板走线孔引出后，需要进行接头制作。本文前期工作研究了高温超导涂层带材的软钎焊连接工艺并开发了一套具有高平整度的接头制作工装平台。图3给出了基于该焊接平台制作超导线圈之间带材接头的过程图。操作过程中需要注意以下几个关键点：首先，应避免带材的弯折，过渡位置必须采用圆弧形状；其次，焊接温度应低于带材规格书中要求的最高温度，以免造成带材超导特性的退化或失超；第三，根据前期接头实验研究发现，带材搭接长度的增加有利于接头电阻值的降低，因此应适当使接头具有较长的搭接长度，本文根据实际需要确定的接头长度为10cm；最后，为了方便接头的制作，线圈预留线长度较长，对于多余长度的带材釆用了圆弧型形状将其绕好后固定在底板。图4给出了焊接完成的动子超导磁体，磁体通过螺栓与铝型材支架进行连接。

图5为组装完成的高温超导直线马达整体图，主要包括平台轨道、三相交变电枢铜绕组、超导直流励磁磁体及低温容器。本文使用的低温容器基于泡沬箱改造而成，由于一般泡沫箱底面较厚，为了尽量减小其底厚对直线马达工作气隙的占用，因此对泡沬箱的改造主要是减小其底厚。先打磨底面，再使用环氧胶2850FT将一块长宽与泡沬箱等尺寸的1毫米厚环氧板与泡沬箱底面连接固定。加固后的泡沬箱具有良好的机械强度同时保证了较小的底面厚度。低温容器放置于动子支架两侧采用铝型材搭建的底托上，并进行固定，动子支架向前运动时带动低温容器同时运动。动子磁体与低温容器之间无刚性连接，没有相互作用力产生，其主要通过磁体底板上侧的铝型材推杆与采用螺栓安装固定在动子支架前后的S型拉压力传感器之间的作用力推动铝型材动子支架向前运动。同时，传感器将对推力进行测量。

二、东莞环球马达阐述临界电流测试

动子超导磁体组装完成后首先需要对其整体临界电流进行测试，只有在确认磁体整体临界电流后才能确定其工作电流大小。图6为超导磁体中各线圈及接头电阻上的分电压随电流变化的曲线图。从图中可以看出其中线圈2和接头R23上分电压明显高于其余部分，线圈2最先发生失超。

图7为动子超导磁体电压随电流变化的V-I特性曲线，整体临界电流为131.48A，由图6可知，这一临界电流值主要由线圈2决定，该电流下其余线圈上的分电压仍较低，未发生失超。基于以上实验测试结果，同时初步考虑到外加的定子绕组行波磁场对超导体临界参数的影响及余量的考虑，确定本文超导磁体额定工作电流为80A，在该电流下经过多次测试，动子超导磁体性能未出现衰退。

三、静态测试

超导磁体因其线圈由具有零电阻高电流特性的超导带材绕制而成，通常其直流载流能力是常规铜导体的数十倍，因此超导磁体能产生比常导电磁体或永磁体更高的磁场，具有显著的应用优势。然而，超导磁体必须工作在一定的环境条件下，如果超导体处于环境参数超过其临界参数范围，超导体将失去超导性，表现出电阻性，且其电阻率反而会高于铜导体，尤其是对于具有陶瓷特性的高温超导体而言，失超以后涂层超导带材中的超导层电阻率会远髙于其金属稳定层（铜和银)。超导体的临界参数主要包括临界温度、临界磁场和临界电流，且其三者之间存在非线性的相互依赖关系。通常以临界电流作为主要考量的因变量，保证环境温度和磁场一定时，其临界电流也将被确定。高温超导直线马达系统中，超导体通以直流电流，其磁场环境主要由两部分叠加形成，包括动子超导磁体自身的励磁磁场和三相交变电枢绕组产生的三相行波磁场，由于实验中采用液氮浸泡方式进行冷却，液氮具有良好的传热效率，因此可以认为超导体的环境温度为一定值，本文以下实验部分主要研究磁场对超导线圈中电流的影响。

环球马达分析静态测试具体操作方法为，先通过可编程直流电源对超导磁体以一定速率增加电流至预定值，控制整个动子框架不动，输出三相交变电流至定子电枢绕组，观察超导磁体回路电流变化情况。动子电流、定子电流、定子频率和气隙高度分别为80A、14.5A、5Hz和26mm时超导磁体回路电流变化曲线，从图中可以看出，受定子行波磁场的影响，超导磁体电流波动剧烈，最大电流为132A，升高65%，最小电流为29.6A，降低63%。静态测试下，这一变化呈现出正弦波动规律。

此外，我们以电流最大变化量为指标比较了不同动子磁体电流、不同定子绕组频率和不同气隙高度下超导磁体回路电流变化情况。可以看出对于超导磁体不同原始电流值，其最大变化量基本一致，说明变化的电流主要由定子磁场引起，但这一变化并未改变超导带材的超导特性。对于同一原始电流值，随着定子磁场频率的增大，电流最大变化量也随之增大。显超导磁体中电流最大变化量随着东莞环球马达气隙的增加逐渐减小。

四、动态测试

超导磁体电流动态测试是指在动子部分自由运动状态下测试超导线圈回路电流变化情况，具体操作方法与静态测试类似，但不对动子框架进行限位。由于直线马达系统运行路径上的阻力存在变化，以及定子绕组电阻随温度实时改变。本文动态测试只开展了定性程度的实验。动子运行过程中超导磁体回路电流变化曲线，东莞马达可以看出电流改变量动态变化，这与动子运动的速度实时变化存在一定的关系。经过整个轨道路径运动测试，针对超导磁体不同原始电流的情况下，其最大变化量仍保持基本相同。

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