CN101593597A - 高磁场超导螺线管线圈的应力支撑环及安装方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高磁场超导螺线管线圈的应力支撑环，其特征在于支撑环(4)由内铝合金支撑环(1)和不锈钢外支撑环(2)组成。用冷氮气慢慢将铝合金内支撑环(1)冷却到77K的液氮温度，将不锈钢外支撑环(2)加热到300℃，然后将铝合金内支撑环(1)直接套入到不锈钢外支撑环(2)内，使得不锈钢环和铝合金环之间形成较强的结合力形成支撑环(4)。再将超导线圈(3)用冷氮气体慢慢将其冷却到77K的液氮温度。将支撑环(4)加热到200°C后，直接将超导线圈(3)装配到支撑环(4)内。本发明用于高磁场超导螺线管线圈的应力支撑环能有效抑制高磁场超导线圈的应力问题，减小超导线圈的失超煅炼次数和临界电流密度的退化。

Description

高磁场超导螺线管线圈的应力支撑环及安装方法

技术领域

本发明涉及用于超导线圈的应力支撑环，特别涉及一种用于高磁场超导螺线管线圈的应力支撑环。

背景技术

现代磁体科学仪器依赖于复杂磁场分布的高磁场超导磁体，例如用于极端条件25-30T大型超导磁体和核磁共振磁体系统，其主要的特点是大口径和复杂磁场结构。通常高磁场超导磁体由多种超导线材以非均匀电流密度形式分布，不仅实现高磁场而且节省超导线材的用量。

具有较高中心磁场和大口径的超导磁体，在高磁场下运行时由于电流和磁场的相互作用，洛仑兹(Lorintz)力引起的超导线圈的角向应力σ_θ＝jBr非常大。磁场产生的力作用在绕组上产生的压强为B²/(2μ₀)。对于900MHz的NMR超导磁体而言，其中心磁场为21.1T，所产生的应力相当于1552个大气压。巨大的电磁力使得超导线材所承受的应力超过材料屈服强度，是导致高磁场超导磁体往往达不到其运行值的重要原因之一。大规模极高磁场的磁体本身由复合材料组成，因此在超导磁体运行过程中，超导线和复合支持结构内产生较高的电磁应力，从而使超导磁体产生明显的应变，较大的应变集中导致超导线的临界电流密度降低，较大应变将产生环氧树脂破裂并导致超导磁体在极低的电流下失超，达不到实际的设计要求，严重时将造成磁体系统损坏，从而产生巨大的经济损失。

为减小超导磁体失超次数使超导磁体产生高磁场，最为关键的方法之一是减小超导线圈的环向张应力和轴线压应力。目前主要采用超导线圈环向应力支撑的方法是在超导线圈外绕制不锈钢线。根据线圈的应力分布的特点决定绕制不锈钢线的大小和厚度。这种支撑方法对于中小型磁体是非常有效的方法，但是对于线圈的直径大于500mm、磁场高于10T以上的磁体，这种支撑方式往往导致超导线圈临界电流退化和增加失超锻炼次数。

发明内容

本发明的目的是克服上述线圈不能产生高磁场的缺点，提出一种应用于大口径螺线管线圈和复杂磁场分布的超导线圈的应力支撑环。本发明不仅可以解决高磁场超导线圈的环向应力的支撑，同时也可以对轴线应力的支撑取到较好的作用。

本发明的支撑环由内支撑环和外支撑环组成。本发明支撑环由内到外分别为铝合金内支撑环和不锈钢外支撑环。支撑环紧套在超导线圈外表面，支撑环和超导线圈之间采用过赢配合。内支撑环材料使用铝合金材料。外支撑环材料为不锈钢材料。当超导线圈受到的应力较小时，可以直接使用内支撑环来抑制超导线圈的应力。内支撑环的内半径小于超导线圈的外半径，内支撑环的内表面要求非常光滑。超导线圈的外表面也需要加工成光滑的表面。若超导线圈的应力较大，可在铝合金制作的内支撑环外面紧贴放置较高强度的不锈钢外支撑环共同组成支撑环。由于不锈钢外支撑环和铝合金内支撑环的共同作用，可以支撑更高的超导线圈的环向和径向应力。

本发明的支撑环对于不同长度的超导线圈采用不同高度的支撑环。对于轴向长度较小的线圈，通常用高度和超导线圈的轴向长度相同单个支撑环。对于轴向长度较长的超导线圈，采用多个较短的支撑环，多个支撑环安装后的轴向总长度和超导线圈的轴向长度相同。

本发明支撑环的环壁的厚度的选择以超导线圈的最大形变量应小于线圈整体尺寸的0.4％为标准。

本发明的超导螺线管线圈的应力支撑环的安装方法是首先将超导线圈冷却到液氮温度77K，然后将支撑环的温度加热到一定温度。再将超导线圈直接插入到支撑环内，当超导磁体系统冷却到较低的温度例如4K或1.8K时，由于支撑环收缩尺寸大于超导线圈收缩尺寸，可以使支撑环环向紧贴捆住超导线圈，从而有效支撑超导线圈环向和径向应力的电磁应力。

本发明超导线圈的支撑环适合于高磁场超导磁体系统，特别是多线圈超导磁体系统，例如高磁场超导磁体，NMR和MRI以及制冷机冷却的传导冷却超导磁体系统。

附图说明

图1铝合金和不锈钢的支撑环示意图，图中：1铝合金内支撑环、2不锈钢外支撑环；

图2超导线圈与支撑环结构示意图，图中：3超导线圈；

图3多段支撑环支撑超导线圈的结构示意图，图中：4支撑环。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的支撑环由铝合金内支撑环和不锈钢外支撑环组成。铝合金内支撑环使用铝合金Al-6061材料或具有冷热收缩大、强度高的材料。不锈钢外支撑环材料为不锈钢材料。当超导线圈受到应力较小时可以直接使用内支撑环来抑制超导线圈的应力。内支撑环的内半径小于超导线圈的外半径，内支撑环的内表面要求非常光滑。超导线圈的外表面也需要加工成光滑的表面。若超导线圈应力较大，可在铝合金内支撑环外面紧贴放置较高强度的不锈钢外支撑环共同组成支撑环。由于不锈钢和铝合金支撑环的共同作用，可以支撑更高的超导线圈的环向和径向应力。

本发明支撑环4由内到外分别为铝合金内支撑环1和不锈钢外支撑环2。支撑环4套在超导线圈3外表面，支撑环4和超导线圈3之间采用过赢配合。

本发明的支撑环对于不同长度的超导线圈采用轴向长度不同的支撑环。对于轴向长度较小的超导线圈，例如，轴向长度为50-200mm的超导线圈，通常用轴向长度和超导线圈的轴向长度相同单个支撑环支撑。对于轴向长度较长的超导线圈，例如轴向长度大于200mm的超导线圈采用多个较短的支撑环，多个支撑环安装后的轴向总长度和超导线圈的轴向长度相同。

如图1所示，用冷氮气体慢慢将铝合金内支撑环1冷却到77K的液氮温度，将不锈钢外支撑环2加热到150°～300℃甚至更高的温度。由于铝合金的冷收缩和不锈钢的热膨胀，很容易将铝合金内支撑环1直接套入到不锈钢外支撑环2内，使得不锈钢外支撑环2和铝合金内支撑环1之间形成较强的结合力。

如图2所示，将超导线圈3使用冷氮气慢慢将其冷却到液氮77K温度。将铝合金环内支撑环1装入不锈钢外支撑环2后共同加热，达到例如200℃或甚至更高的温度。由于热膨胀，铝合金内支撑环1和不锈钢外支撑环2的半径增大，而超导线圈的冷却收缩，半径减小，可以直接将线圈装配进入到铝合金环内支撑环1内。当超导磁体系统冷却到较低的温度例如4K或1.8K时，由于支撑环收缩尺寸大于超导线圈收缩尺寸，可以使支撑环4环向紧贴捆住超导线圈3，从而有效支撑超导线圈3环向和径向应力的电磁应力。

如图3所示，铝合金内支撑环1和不锈钢外支撑环2组成整体的支撑环4。由于大口径的超导线圈通常放置在磁体系统的最外面，为了获得均匀的磁场，线圈轴向长度通常较长，例如高磁场混合磁体外插超导线圈的轴向长度超过1m～1.5m，。为了便于线圈的装配，同时解决支撑结构从室温到低温下的热胀冷缩所产生的超导线圈3和支撑环4长度方向不匹配的问题，应该采用多个高度较小的支撑环4，每两个支撑环4安装时之间留下0.5mm～2mm的间隙。按照图2所述的安装方法，将多个支撑环4由超导线圈3的一端依次安装，安装完成后，多个支撑环4的轴向总长度等于超导线圈3的轴向长度。

铝合金内支撑环1和不锈钢外支撑环2组成的支撑环4，支撑环4的环壁的厚度的选择以超导线圈的最大形变量应小于线圈整体尺寸的0.4％为标准。

Claims (6)

1、一种用于高磁场超导螺线管线圈的应力支撑环，其特征在于所述支撑环(4)由内铝合金支撑环(1)和不锈钢外支撑环(2)组成；支撑环(4)由内到外分别为铝合金内支撑环(1)和不锈钢外支撑环(2)。支撑环(4)套在超导线圈(3)外表面；铝合金内支撑环(1)的内半径小于超导线圈(3)的外半径，铝合金内支撑环(1)的内表面和超导线圈(3)的外表面光滑。

2、按照权利要求1所述的用于超导线圈的支撑环，其特征在于，所述铝合金内支撑环(1)采用高强度的Al6061材料。

3、按照权利要求1或2所述的超导线圈的支撑环，其特征在于对轴向长度在50-200mm范围内的超导线圈，采用单个所述支撑环(4)支撑；对轴向长度大于200mm的超导线圈，使用多个所述支撑环(4)支撑；多个所述支撑环(4)安装后的支撑环(4)轴向总长度和超导线圈的轴向长度相同，每个支撑环(4)之间的间隙在0.5mm-2mm之间。

4、按照权利要求1或2所述的超导线圈的支撑环，其特征在于支撑环(4)和超导线圈(3)之间采用过赢配合。

5、按照权利要求1或2所述的超导线圈的支撑结构，其特征在于，支撑环(4)的环壁厚度的选择以超导线圈的最大形变量应小于线圈整体尺寸的0.4％为标准。

6、安装如权利要求1所述的用于高磁场超导螺线管线圈的应力支撑环的方法，其特征在于首先用冷氮气体将铝合金内支撑环(1)冷却到77K的液氮温度，将不锈钢外支撑环(2)加热到300℃，然后将铝合金内支撑环(1)直接套入不锈钢外支撑环(2)内，形成支撑环(4)；再将超导线圈(3)用冷氮气冷却到77K的液氮温度；将支撑环(4)加热到200℃；然后直接将超导线圈(3)装配到支撑环(4)内。

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