CN102148083A - 超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超导线圈。该超导磁体包括至少一个超导线圈、至少一个与该超导线圈连接的支撑元件以及至少一个介入超导线圈和支撑元件的顺从连接体。该超导线圈定义了一个径向。该支撑元件沿与径向垂直的轴向支撑该超导线圈。其中当超导磁体通电时，顺从连接体产生径向运动。

Description

超导磁体

技术领域

本发明涉及一种超导磁体，尤其涉及一种设有支撑结构来支撑超导线圈的超导磁体。

背景技术

超导磁体具有多种应用，例如磁共振成像系统以及回旋加速器磁铁系统。超导磁体一般包括用于产生磁场的超导线圈以及一个或者多个用于支撑超导线圈的支撑元件。为了描述方便，在下文中“超导线圈”简称为“线圈”。

当超导磁体通电时，线圈产生轴向电磁力和径向电磁力。一个或者多个支撑元件用于支撑线圈以抵抗轴向电磁力。一般线圈本身的环向应力支撑径向电磁力，产生环向应变以及线圈的径向膨胀。线圈的径向膨胀可以导致在线圈和一个或者多个支撑元件的接触面产生摩擦运动。摩擦运动产生可以引起线圈失超的热量，进而导致超导磁体的磁体不稳定。特别值得注意的是，在低温情况下，如液态氦温度，线圈只有很小的热容量。一个很小的热干扰都可以使线圈的温度超过它的阈值，导致线圈失超。

一些现有的超导磁体允许在线圈和支撑元件接触表面产生部分摩擦运动，通过在线圈上增加超导材料或者常规的金属材料增加导体冷却表面积来吸收摩擦运动产生的热干扰。然而，这些材料尤其是超导材料比较昂贵，从而导致材料和生产成本增加。在另外一些现有的超导磁体中，线圈与支撑元件粘结在一起，粘结面的粘结力使得一个或者多个支撑元件与线圈一起移动。然而，两者不协调的运动可以引起粘结面发生断裂，进而导致对线圈的热干扰。

有鉴于此，需要提供一种具有改进支撑结构的超导磁体，以获得较好的磁体稳定性。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种超导磁体。该超导磁体包括至少一个超导线圈、至少一个与该超导线圈连接的支撑元件以及至少一个介入超导线圈和支撑元件的顺从连接体。该超导线圈定义了一个径向。该支撑元件沿与径向垂直的轴向支撑该超导线圈。其中当超导磁体通电时，顺从连接体产生径向运动。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，以期更好地理解本发明，在附图中：

图1为本发明超导磁体一种实施例的立体示意图；

图2为本发明沿图1剖切线w-w所得的部分立体示意图；

图3为本发明超导磁体另一实施例的部分立体示意图；

图4为本发明超导磁体其他另一实施例的部分立体示意图；

图5为本发明超导磁体其他另一实施例的部分立体示意图；

图6为本发明超导磁体其他另一实施例的部分立体示意图；

图7为本发明超导磁体其他另一实施例的立体示意图；

图8为图7所示超导磁体的部分立体示意图。

具体实施方式

图1示意了本发明的一个实施例超导磁体10。超导磁体10包括两个沿轴向分离设置的线圈12以及位于两相邻线圈12之间提供轴向支撑的支撑元件14。在一个实施例中，线圈12和支撑元件14呈圆筒形，且彼此轴向对齐和同心。在另一实施例中，超导磁体10具有多个片段，且每一片段与图1所示的结构类似。

在本实施例中，在线圈12和支撑元件14之间设有顺从连接体17。当超导磁体10通电时，线圈12产生径向膨胀。而该顺从连接体17的结构设置成可以适应线圈12的径向膨胀以在超导磁体10使用过程中减小或者消除摩擦运动和热干扰。此外，用于制造顺从连接体17的材料和生产成本小于为了吸收因摩擦运动产生的热干扰而直接添加在线圈上的材料成本。因此，设有顺从连接体17的超导磁体10不会增加生产成本。

参阅图1和图2所示，本实施例中的超导磁体10包括顺从连接体17以及顺从层。顺从连接体17、顺从层以及支撑元件14共同构成超导磁体10的支撑结构。本实施例中的顺从连接体17包括数个顺从块16(参阅图1)，且顺从层包括数个顺从垫18。本实施例中的顺从块16环形分布在支撑元件14的端面20上且彼此之间均等间隔。在一个实施例中，顺从块16由金属制成，例如：铝、铜和不锈钢。顺从块16和线圈12的端面21将对应的顺从垫18夹持在中间。

在本实施例中，每一顺从块16包括两个侧板22以及两个顺从板24。其中一个侧板22固定或者连接到支撑元件14的端面20上，而另一侧板22固定或者连接到顺从垫18和线圈12的端面21上。在一个实施例中，侧板22通过两个阻挡部26固定定位，如图2中所示。在图2所示的实施例中，两阻挡部26从侧板22的顶表面延伸出且分别固定到线圈12的外径表面和支撑元件14的外径表面上。可以理解的是，如图1所示，阻挡部26仅仅是固定顺从块16和顺从垫18的一种装置。在其他实施例中，侧板22通过螺栓、粘合剂或者其他合适的方式进行连接。

两顺从板24从一个侧板22延伸出，且终止在另一侧板22上。两顺从板24彼此相隔且相互平行。在一个实施例中，两顺从板24朝向线圈12倾斜一个角度。在另一实施例中，具有多于两个的顺从板24。采用此种结构，侧板22可以平行移动，且顺从板24在轴向电磁力的作用下可以径向弯曲。此外，可以通过调整顺从块16的各种参数使得顺从快16在超导磁体10运行过程中产生与线圈12的径向膨胀一致的径向位移。

当超导磁体10通电时，线圈12产生轴向电磁力和径向电磁力。线圈12的环向应力支撑径向电磁力，导致线圈12的径向膨胀。轴向电磁力压缩顺从块16，促使顺从板24弯曲且使得线圈端的侧板22产生了径向位移。该径向位移与线圈的径向膨胀一致，因此，在侧板22和线圈12之间不会产生摩擦运动，进而提高了磁体稳定性。

在一个实施例中，顺从垫18用于进一步调整线圈12的径向膨胀与顺从块16的径向位移之间的残余差异。顺从垫18是在冷却剂温度下具有顺从性，例如皮革。当然其他具有相似特性的材料也在本发明的保护范围内。

图3示意了本发明的另一实施例超导磁体28的一部分。该超导磁体28包括至少一个线圈30和至少轴向支撑线圈30的支撑元件32。在一个实施例中，线圈30呈圆筒状，与图1所示的线圈12类似。

在本实施例中的支撑元件32也呈圆筒状，与图1所示的支撑元件14类似。支撑元件32包括支撑部34、与支撑部34连接的顺从部36以及夹持部34。顺从部36也称作与支撑部34一体的顺从连接体。顺从部36在径向具有顺从性。夹持部38形成在顺从部36的头部且与线圈30的边缘部固定连接，这样顺从部36与线圈30可一起运动。

如图3所示，夹持部38不仅部分覆盖线圈30的外径表面40，还设有部分覆盖线圈30端面42的延伸唇部。在一个实施例中，顺从部36设有一个便于顺从部36与线圈30配合的凹口。当超导磁体28通电时，顺从部36弯曲且在轴向电磁力的作用下产生径向位移。

通过调整顺从部36的各种参数例如厚度、材料和长度，使得顺从部36具有足够的压缩力来支撑线圈30的轴向电磁力，且在径向弯曲的方向具有顺从性。这样在超导磁体28运行过程中，可以产生与线圈30的径向膨胀一致的径向位移。因此，在线圈30和支撑元件32之间不会产生摩擦运动，进而提高磁体的稳定性。

在一个实施例中，顺从部36与支撑部34一体设计，如图3所示。在另一实施例中，顺从部36设置成可以通过各种方式固定到支撑部34上的独立元件。该独立元件的设计及参数计算与顺从部36类似。

图4示意了本发明其他另一实施例超导磁体44的一部分。该超导磁体44包括至少一个线圈46、至少一个轴向支撑线圈46的支撑元件48、位于线圈46和支撑元件48之间的顺从连接体以及位于顺从连接体和线圈46之间的顺从层。该顺从连接体与顺从层和线圈46连接，这样他们可以一起移动。

在一个实施例中，线圈46和支撑元件48呈圆筒状，与图1所示的线圈12和支撑元件14类似。本实施例中的顺从连接体包括数个架体50。这些架体50环形分布在支撑元件48的端面上且彼此均匀相隔。在一个实施例中，一个半径约0.5m(米)的超导磁体，安装有16个这样的架体50。架体50的数量可以根据超导磁体的大小以及需要支撑的电磁力的大小来确定。在一个实施例中，架体50由金属制成，例如铝、铜以及不锈钢。本实施例中的顺从层包括数个顺从垫52。每一顺从垫52介入对应架体50与线圈46之间。在一个实施例中，顺从垫52由皮革制成。

请参阅图4所示，架体50呈T型，每一架体50包括介入顺从垫52和支撑元件48之间的径向部54以及从径向部54顶端延伸出且部分覆盖线圈外径表面58和支撑元件外径表面60的轴向部56。在图4所示的实施例中，轴向部56固定到线圈外径表面58以实现架体50与线圈46一起移动。其中固定轴向部56可采用多种方式固定，例如，采用粘合剂固定。

在另一实施例中，轴向部56设置成不覆盖支撑元件外径表面60的任何部分。在其他另一实施例中，不设置轴向部56。而径向部54通过粘合剂或者其他合适的固定方法连接到顺从垫52和线圈46的端面上，来实现架体50与线圈46一起移动的目的。

架体50可以靠着支撑元件48滑动，且架体50和支撑元件48之间的滑动表面(未标示)至少一个是设置成光滑的。术语“光滑”在本发明中是指滑动表面的摩擦系数大约小于等于0.1。当超导磁体44通电时，线圈可能产生径向膨胀，其促使架体50沿支撑元件48滑动。因为滑动表面设置成光滑的，因此在滑动过程中仅产生少量的热量。为了保护线圈46不受热干扰，使用冷却剂例如液态氦在这些少量的热量到达线圈46之前将其冷却。在一个实施例中，径向部54包括数个孔53，位于孔53内的冷却剂例如液态氦减轻热干扰。

图5示意了本发明其他另一实施例超导磁体62的一部分。超导磁体62与超导磁体44类似，但不同的是顺从连接体的结构。在图5所示的实施例中，顺从连接体包括数个在线圈46的端面上环性分布的滑行块64。在一个实施例中，滑行块64由金属制成，例如铝、铜和不锈钢。

每一滑行块64包括第一部分66和第二部分68。第一部分66和第二部分68相互抵靠滑动且包括位于两者之间的滑动表面。在一个实施例中，其中一个滑动表面是光滑的。在另一实施例中，所有的滑动表面都是光滑的。在本实施例中，第一部分66固定到支撑元件48上，而第二元件68固定到顺从垫52和线圈46上。

第一部分66包括一个楔形槽70和一个悬臂梁74。楔形槽70用于收容设置在第二部分68上的楔形部72。当超导磁体62通电时，轴向电磁力促使第二部分68在楔形槽70内产生滑动。同时，产生的反作用力平衡轴向电磁力且使得悬臂梁74发生变形产生径向位移。通过调整悬臂梁74的各种参数例如厚度、材料和长度，使得悬臂梁74产生的径向位移与线圈46在径向电磁力作用下产生的径向膨胀一致。这样，线圈46和第二部分68之间不会产生摩擦运动。

由于第一部分66和第二部分68的滑动表面是光滑的，因此在滑行运动过程中仅产生少量的热量。这些少量的热量在到达线圈46之前采用冷却剂例如液态氦将其冷却掉。在一个实施例中，第二部分68包括数个用于保留冷却剂例如液态氦用于冷却的数个孔76。

图6示意了本发明其他另一实施例超导磁体78的一部分。超导磁体78包括至少一个线圈80、至少一个轴向支撑线圈80的支撑元件82、位于支撑元件82和线圈80之间的楔形环84以及位于楔形环84和线圈80之间的顺从环86。在一个实施例中，楔形环84由金属制成，例如铝、铜以及不锈钢。在另一实施例中，楔形环84由复合材料制成。

楔形环84固定到顺从环86和线圈80上，而楔形环84和支撑元件82可相互抵靠滑动。在轴向电磁力的作用下，楔形环84靠着设置在支撑元件82的倾斜面滑动而产生一个径向位移。楔形环84设置成产生的径向位移与在超导磁体78运行过程中线圈80产生的径向膨胀相一致。这样，楔形环84与线圈80之间不会发生摩擦运动。顺从环86用来适应楔形环84的径向位移和线圈80的径向膨胀的任何小差异。因此，在超导线圈78运行过程中，楔形环84和顺从环86之间以及顺从环86和线圈80之间均不会发生断裂。

在本实施例中，楔形环84设有一个滑行表面，且该滑行表面和支撑元件82的倾斜面至少其中一个设置成光滑的。因此在滑动过程中，仅产生少量的热量。冷却剂例如液态氦用来在热量到达线圈80之前将热量消除以冷却超导磁体78，据此提高磁体稳定性。在一个实施例中，楔形环84包括数个可以保留冷却剂的孔90。在本实施例中，楔形环84和顺从环86沿超导磁体78的整个圆周延伸。在一个实施例中，楔形环84由环向分布在线圈80端面上(如图5所示的滑行块64的分布)的数个彼此相隔的楔形片段代替。顺从环86对应地由数个顺从垫代替。

图7示意了本发明其他另一实施例超导磁体92。该超导磁体92包括轴向分离设置的数个线圈94以及将线圈94保持在适当位置的支撑元件96。支撑元件96包括数个支撑环98以及数个支撑条100。在一个实施例中，线圈94和支撑环98成圆筒状。

支撑环98粘结到或者采用其他方式固定到对应线圈94的外径表面(未标示)上。在一个实施例中，支撑环98由玻璃纤维或碳纤维复合材料制作。在另一实施中，支撑环98是缠绕且通过粘结剂如环氧树脂固定在线圈94外径表面上的金属线。金属线可以是铝、铜或者不锈钢。

参阅图7和图8所示，支撑条100空间地彼此平行且沿支撑环98的外径表面(未标示)环形分布。每一支撑条100包括用于部分收容以及轴向定位支撑环98的数个凹槽102。在一个实施例中，支撑环98通过环氧树脂或者其他合适的固定方法保持在凹槽102内。在进一步的实施方式中，凹槽102的深度设置成稍微小于支撑环98的厚度，这样，线圈94的两端就不会受到支撑条100的束缚。在一个实施例中，支撑条100由复合材料制作或者是如不锈钢、铜、铝等金属材料制成。

当超导磁体92通电时，支撑环98和线圈94均支撑作用于线圈94上的径向电磁力，而作用于线圈94的轴向电磁力通过支撑环98传递给支撑条100。支撑条100的径向弯曲可以适应不同线圈94径向膨胀的差异。因此，在超导磁体92运行过程中，通过在支撑条100和线圈94之间设置支撑环98，避免了发生摩擦运动，因此提高超导磁体92的磁体稳定性。

尽管为了描述方便，在各种实施例的描述过程中没有解释超导磁体的其他部件或者元件。应当理解的是，本发明并不限于超导磁体仅包括上述元件。在进一步的实施方式中，超导磁体可以包括冷却环路或者根据实际应用设置的其他冷却装置。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以对本发明作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书意图覆盖在本发明真正构思范围内的所有这些修改和变型。

Claims (15)

1.一种超导磁体，包括：

至少一个超导线圈，其定义一个径向；

至少一个支撑元件，其连接到超导线圈上且沿与径向垂直的轴向支撑所述超导线圈；以及

至少一个介入超导线圈和支撑元件的顺从连接体，其中当超导磁体通电时，顺从连接体产生径向运动。

2.如权利要求1所述的超导磁体，其中所述顺从连接体与超导线圈连接且靠着所述支撑元件滑行；其中所述顺从连接体和支撑元件之间设有滑行表面且至少一个滑行表面是光滑的。

3.如权利要求1或者2所述的超导磁体，其中所述顺从连接体与超导线圈连接且包括数个环形分布在超导线圈端面上的数个架体。

4.如权利要求1所述的超导磁体，其中所述顺从连接体包括数个滑行块，且每一滑行块包括固定到支撑元件的第一部分以及固定到超导线圈的第二部分。

5.如权利要求4所述的超导磁体，其中所述第一部分设有凹槽，所述第二部分在所述凹槽内滑行；其中每一滑行块在第一部分和第二部分之间设有光滑的滑行表面。

6.如权利要求1所述的超导磁体，其中所述顺从连接体包括具有一个光滑倾斜面的楔形环；其中所述支撑元件包括靠着楔形环的所述一个光滑倾斜面滑行的另一光滑倾斜面。

7.如权利要求1所述的超导磁体，其中所述顺从连接体是径向顺从的。

8.如权利要求7所述的超导磁体，其中所述顺从连接体包括数个顺从块，每一顺从块包括两个紧靠所述超导线圈和所述支撑元件的两相对端面上的侧板；以及两个或者多个彼此相隔用于连接两侧板的顺从板。

9.如权利要求8所述的超导磁体，其中当超导磁场通电时，所述顺从板设置成产生与所述超导线圈产生的径向膨胀一致的径向位移。

10.如权利要求1所述的超导磁体，进一步包括位于所述顺从连接体与所述超导线圈之间的皮革层。

11.如权利要求1所述的超导磁体，其中所述顺从连接体与支撑元件是一体的。

12.如权利要求1所述的超导磁体，其中所述顺从连接体包括数个支撑环，且每一支撑环固定到对应超导线圈外径表面上；其中所述支撑元件包括数个支撑条，且每一支撑条通过固定到所述支撑环外径表面上而实现与所述超导线圈的连接。

13.如权利要求12所述的超导磁体，其中每一支撑条包括数个用于保持所述支撑环的凹槽；其中凹槽的深度小于支撑环的厚度。

14.如权利要求12所述的超导磁体，其中所述支撑条沿支撑环的外径表面环形分布且彼此相隔。

15.如权利要求1所述的超导磁体，其中所述顺从连接体由金属、玻璃纤维或碳纤维复合材料制成；其中所述支撑元件由金属或者复合材料制成。

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