CN102735974A - 一种用于测量超导线材失超传播速度的线圈 - Google Patents

Abstract

一种用于测量超导线材失超传播速度的线圈，由线圈骨架、被测超导线材、加热片（5）和电压测试引线（7）组成。所述的被测超导线材绕制在线圈骨架圆柱（1）的螺纹槽内，形成被测线圈；加热片（5）贴附于被测超导线材一端的表面；电压测试引线（7）焊接在被测超导线材表面。线圈骨架由中间的圆柱（1）和两端的法兰（2）组成，圆柱（1）外表面开有多个并行的螺纹槽，所述的螺纹槽有不同的截面轮廓，每个螺纹槽对应一种截面类型的被测超导线材，不同截面类型的被测超导线材沿着不同截面轮廓的螺纹槽绕制。被测超导线材在螺纹槽内沿着螺纹缠绕于所述的圆柱（1）上。

Description

一种用于测量超导线材失超传播速度的线圈

技术领域

本发明涉及一种用于测量超导磁体所用超导线材失超传播速度的设备。

背景技术

超导磁体技术越来越广泛的应用于电力、医学、工业处理、科学探索及军事等领域，它对国民经济发挥着越来越重要的作用。

超导磁体需要在低温且常常在大电流及高磁场环境下工作，线圈震动、环氧破裂、电涌等因素会导致超导磁体局部温度升高，如果温度超过临界值则会导致整个超导体开始失超。在失超过程中，超导线材会由超导态转变成正常电阻态，超导线中的电流会产生欧姆热及电压，互相电磁耦合的超导线圈之间还会产生变化的电流从而导致应力的变化。过高的欧姆热温升、高电压以及过应力会导致超导体不可逆的损害。因此在设计超导磁体时应考虑失超保护以防止这种损害的产生。

在失超过程中，失超区域从初始失超点开始不断向外扩张，它沿着导线，即纵向扩张，同时也垂着与导线，即横向扩张，后者由前者和绝缘材料的特性决定。失超区域的扩张速度决定着超导磁体内线圈的电阻变化快慢，从而决定了超导线圈电流、电压及温升的变化情况。因此对于失超速度的准确测量成为超导磁体失超保护设计过程中一个很重要的参考依据。

随着超导磁体的应用领域越来越广泛，它也变得越来越复杂。一个超导磁体往往含有多个线圈，且线圈采用不同型号乃至不同制线公司的超导线材，不同型号或不同公司的超导线材在线材截面大小、铜超比、临界特性等方面都有较大差异，它们在超导磁体失超时的传播速度也相差较大。因此需要对多种型号的超导线材进行失超传播速度的测量。传统的失超速度测量线圈的绕制方法是先制作一个绝缘骨架，在骨架表面直接绕制欲测的超导线材，或者在骨架表面车有一道与待测超导线材尺寸合适的螺纹槽，将超导线材沿着螺纹槽绕制成线圈。欲测量一种类型超导线材的失超传播速度，需要制造一个骨架，将超导线材绕制成超导线圈，然后通过液氦制冷或者传导制冷创造低温环境，再对测试线圈及背景线圈励磁等测试必须步骤，最后再触发线圈失超从而测量超导线材的失超传播速度。现有的失超传播速度测量设备大都采用如上的线圈制造方法。对于具有多种型号超导线材的超导磁体，若按照传统线圈制造方法进行超导线材失超传播速度的测量，意味着每测量一种超导线材便需要重新制造一个骨架并进行一次制冷和励磁等实验步骤，这无疑会耗费大量的成本和时间，而采用本发明的线圈制造方法将会大大提高测量效率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术对测量多种类型超导线材失超传播速度线圈的效率过低的缺点，提出一种新的用于测量多种超导线材失超传播速度的线圈。

本发明失超传播速度测量线圈由线圈骨架、加热片、电压测试引线及被测超导线材组成。所述的被测超导线材缠绕于线圈骨架的螺纹槽内，形成被测线圈。加热片贴附于超导线材表面，电压测试引线焊接在超导线材表面。

所述的线圈骨架为两端带有法兰的实心圆柱或空心圆柱，所述的圆柱及法兰可以用绝缘材料环氧树脂或者聚四氟乙烯制成。如果需要测量在高磁场条件下超导线材的失超传播速度，可以通过某一螺管线圈来产生所需的高磁场。这一螺管线圈即为背景线圈。所述的线圈骨架应能够放入背景线圈的中心孔内，线圈骨架两端的法兰直径应小于背景线圈中心孔的直径，线圈骨架的长度应大致与背景线圈中心孔中心附近磁场较为均匀的区域的长度相近，以保证线圈骨架不同位置处的被测超导线材的加载磁场相近。

所述的线圈骨架的圆柱形外表面上开有两个或两个以上并行的螺纹槽。每个螺纹槽具有不同截面轮廓，且其螺纹具有相同螺距L₀。螺纹槽的个数取决于欲测超导线材的种类数量，每一个螺纹槽对应一种截面类型的被测超导线材，根据被测超导线材的种类数量，相应地可以有更多的螺纹槽。如果被测超导线材截面是近似圆形的，所述的螺纹槽的截面轮廓应近似是半圆的，以利后续电压测试引线的焊接。半圆形螺纹槽截面轮廓的直径应比圆形超导线材截面的直径略大，以保证被测超导线材能够放入螺纹槽内。如果被测超导线材的截面是近似方形的，那么螺纹槽的截面轮廓也为方形，其螺纹槽的槽宽应比被测超导线材的方形截面中较长的一边略长，以保证被测超导线材能够放入螺纹槽内。螺纹槽的槽深应为被测超导线材方形截面另一边的一半，以利后续电压测试引线的焊接。并行的两个螺纹槽中，每个螺纹槽之间至少相隔5mm，以减小各个被测超导线材失超传播时的热耦合。螺纹槽的螺距L₀取决于螺纹槽的个数和被测超导线材的尺寸，若螺纹槽的个数为n（n≥2），被测超导线材截面的尺寸为方形截面的较长边边长a或圆形截面的直径d，则螺距L0至少应为

或

单位mm，螺距越小则在有限长度下的骨架内绕制的匝数越多，这有利于信号测量。

在本发明中，将所有不同截面类型的被测超导线材嵌在不同截面轮廓的螺纹槽内沿着螺纹方向绕制在所述的线圈骨架圆柱上，形成所述的被测线圈，从而实现多种超导线材的同时测量。其中方形截面的被测超导线材其较长边对应槽宽方向。在所述被测线圈的一侧端部，沿着被测超导线材的纵向方向，将不锈钢薄片贴附于被测超导线材上，作为被测超导线材的加热片，并用绝缘线或布缠绕绑扎所述加热片使其与被测超导线材牢固贴紧。可将每个被测超导线材的加热片串联连接到外部电源，或者分别连接到不同的外部电源，加热片之间以及加热片与外部电源的接线可用较粗的铜导线作为加热片电流引线，以减小外部加热电源的负载。

从本发明线圈的一端开始，每隔若干螺距便刮去超导线材露出在外的绝缘漆或绝缘纱布，然后在裸露的超导线材表面焊接电压测试引线。对于每一种被测超导线材，每相邻的两个电压测试引线作为一组，形成差分信号，并将这两根引线互相缠绕成无感引线，这两根引线之间间隔若干个螺距。螺距的个数取决于失超时这两根引线间产生的能被测量仪器分辨的电压信号的大小，若测量设备最小分辨电压为V_res，单匝超导线失超时产生的电压大小为V₀，则螺距的个数为V_res/V₀。每组引线之间可间隔不同大小的螺距，每组引线之间的间距取决于电压测试点的总个数和所述被测线圈的长度，一般要保证每一种截面类型的超导线材的电压测试引线要多于两组。电压测试引线可以采用截面积较小的带绝缘漆的锰铜丝制成。将所有加热片和引线放置好后，可以在所述的线圈表面涂抹环氧树脂以紧固被测超导线材于骨架之上。

测试时，先将所有被测超导线材通电励磁至所需测量的电流大小，如需要背景磁场，则先将背景线圈通电励磁产生所需大小的磁场加至所述的被测线圈上。然后给加热片电流引线通以一定大小的电流脉冲从而加热加热片，电流脉冲大小一般为1A～10A，这取决于被测线圈所处的磁场强度及其工作电流的大小。待被测线圈失超后，测量设备记录各个电压测试引线的失超信号，若同一超导线材两组电压测试信号波形之间的时间间隔为Δt，这两组电压测试引线间超导线的长度为L，则该超导线材的失超传播速度为L/Δt。不同超导线材的信号时间间隔一般是不相同的，由此可得到各超导线材不同的失超传播速度。

本发明适用于不同截面形状的超导线材的失超传播速度测量。所述的不同截面形状的超导线材包括了直径相同或不同的圆形超导线材，以及长宽比相同或不同的方形截面的超导线材。

附图说明

图1是本发明实施例的失超传播速度测量线圈示意图，图中：1线圈骨架圆柱、2法兰、3圆形截面超导线材、4方形截面超导线材、5加热片、6加热片电流引线、7电压测试引线；

图2是本发明实施例的失超传播速度测量线圈骨架示意图，图中：8圆形截面螺纹槽、9方形截面螺纹槽。

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。

如图1所示，本发明失超传播速度测量线圈由线圈骨架、被测超导线材、加热片5和电压测试引线7组成。被测超导线材绕制于线圈骨架圆柱1的螺纹槽内，形成被测线圈。多个加热片5贴附于被测超导线材的表面。电压测试引线7焊接在被测超导线材表面。

所述的线圈骨架为两端带有法兰2的实心圆柱或空心圆柱，线圈骨架圆柱1及法兰2用绝缘材料环氧树脂或者聚四氟乙烯制成。如果需要测量在高磁场条件下超导线材的失超传播速度，可以通过某一螺管线圈来产生所需的高磁场。这一螺管线圈即为背景线圈。所述的线圈骨架应能够放入背景线圈的中心孔内，线圈骨架两端的法兰2直径应小于背景线圈中心孔的直径，线圈骨架的长度应大致与背景线圈中心孔中心附近磁场较为均匀的区域的长度相近，以保证线圈骨架不同位置处的被测超导线材的加载磁场相近。

如图2所示，在线圈骨架圆柱1的外表面上开有两个或两个以上并行的螺纹槽8、9，螺纹槽8、9有不同的截面轮廓，且螺纹槽8、9的螺纹具有相同螺距L0。螺纹槽的个数取决于被测超导线材的个数，每一个螺纹槽对应一种截面类型的被测超导线材3、4，根据被测超导线材的个数可以相应地有更多的螺纹槽。如果欲测量的是圆形截面超导线材3，那么圆形截面螺纹槽8的截面轮廓应近似是半圆的，以利后续电压测试引线的焊接。圆形截面螺纹槽8的截面轮廓的直径d应比圆形截面超导线材3圆形截面的直径略大，如大0.2mm，以保证圆形截面超导线材3能够放入圆形截面螺纹槽8内；如果欲测量的是方形截面超导线材4，那么方形截面螺纹槽9的截面轮廓应是方形的，其槽宽a应比方形截面超导线材4的方形截面中较长的一边略长，如长出0.2mm，以保证方形截面超导线材4能够放入方形截面螺纹槽9内，而槽深b应为方形截面超导线材4方形截面另一边的一半，以利后续电压测试引线7的焊接。两个螺纹槽之间相隔至少5mm，以减小各超导线材失超传播时的热耦合。螺纹槽的螺距L0取决于螺纹槽的个数和被测超导线材的尺寸，若螺纹槽的个数为n（n≥2），被测超导线材截面的尺寸为方形截面的较长边边长a或圆形截面的直径d，则螺距L₀至少应为

或单位mm，螺距越小则在有限长度下的骨架内绕制的匝数越多，这有利于信号测量。

如图1所示，将圆形截面超导线材3嵌入螺纹槽8内，方形截面超导线材4嵌入方形截面螺纹槽9内，沿着螺纹方向绕制在线圈骨架1上，形成被测线圈，从而实现对多种超导线材失超传播速度的同时测量。其中方形截面超导线材4其截面的较长边对应方形截面螺纹槽9的槽宽方向。加热片5为长度约2cm～3cm，厚度约0.05mm～0.2mm，宽度与螺纹槽槽宽相等的不锈钢薄片。在本发明线圈的一侧端部，沿着被测超导线材纵向方向，将所述的加热片5贴附于被测超导线材上，并用绝缘线或布缠绕绑扎加热片5，使其与被测超导线材牢固贴紧。可将每个被测超导线材的加热片串联起来连接到一个外部电源，或者将加热片分别连接到不同的外部电源，加热片之间以及加热片与外部电源的接线可用较粗的电流引线6，以减小外部加热电源的负载。

如图1所示，从本发明线圈的一端开始，每隔若干螺距便刮去被测超导线材露出在外的绝缘漆或绝缘纱布，然后在裸露的被测超导线材表面焊接电压测试引线7。对于每一种被测超导线材，每相邻的两根电压测试引线7作为一组，形成差分信号，并将这两根电压测试引线互相缠绕成无感引线，两根电压测试引线之间间隔若干个螺距，所选取的螺距的个数取决于失超时这两根引线间产生的能被测量仪器分辨的电压信号的大小，若测量设备最小分辨电压为V_res，单匝超导线失超时产生的电压大小为V₀，则螺距的个数为V_res/V₀；每组引线之间可间隔不同大小的螺距，这取决电压测试点的总个数和所述被测线圈的长度，一般要保证每一种截面类型超导线材的电压测试引线多于两组。电压测试引线7可以采用截面较小的带绝缘漆的锰铜丝制成。将所有加热片和引线放置好后，可以在被测线圈表面涂抹环氧树脂以紧固超导线材3、4于线圈骨架圆柱1之上。

测试时，先将所有被测超导线材通电励磁至所需测量的电流大小，如需要背景磁场，则先将背景线圈通电励磁产生所需大小的磁场加至所述的被测线圈上。然后给加热片电流引线6通以一定大小的电流脉冲从而加热加热片5，电流脉冲大小一般为1A～10A，这取决于被测线圈所处的磁场强度及其工作电流的大小。待被测线圈失超后，测量设备记录各个电压测试引线7的失超信号，若同一截面类型超导线材两组电压测试信号波形之间的时间间隔为Δt，这两组电压测试引线间超导线的长度为L，则该被测超导线材的失超传播速度为L/Δt。不同截面类型超导线材的信号时间间隔一般是不相同的，由此可得到各超导线材不同的失超传播速度。

Claims (10)

1.一种用于测量超导线材失超传播速度的线圈，其特征是，所述的失超传播速度测量线圈由线圈骨架、被测超导线材、加热片（5）及电压测试引线（7）组成；所述的被测超导线材绕制在线圈骨架圆柱（1）的螺纹槽内，形成被测线圈；加热片（5）贴附于被测超导线材一端的表面；电压测试引线（7）焊接在被测超导线材表面。

2.按照权利要求1所述的用于测量超导线材失超传播速度的线圈，其特征是，所述的线圈骨架为两端带有法兰（2）的实心圆柱或空心圆柱，线圈骨架圆柱（1）外表面上开有多个并行的螺纹槽，所述的螺纹槽有不同的截面轮廓，螺纹槽的螺纹具有相同螺距L0；每个螺纹槽对应一种截面类型的被测超导线材，不同截面类型的被测超导线材嵌在不同截面轮廓的螺纹槽内沿着螺纹方向绕制在所述的线圈骨架圆柱（1）上。

3.按照权利要求2所述的用于测量超导线材失超传播速度的线圈，其特征是，所述的被测超导线材是圆形截面超导线材（3），嵌入此圆形截面超导线材（3）的圆形截面螺纹槽（8）的截面轮廓为近似半圆；所述的圆形截面螺纹槽（8）的截面轮廓的直径d比圆形截面超导线材（3）的截面直径略大。

4.按照权利要求2所述的用于测量超导线材失超传播速度的线圈，其特征是，所述的被测超导线材是方形截面超导线材（4），嵌入此方形截面超导线材（4）的方形截面螺纹槽（9）的截面轮廓为方形；所述的方形截面螺纹槽（9）的槽宽a比方形截面超导线材（4）的方形截面中较长的一边略长，方形截面螺纹槽（9）的槽深b为方形截面超导线材（4）方形截面另一边的一半。

5.按照权利要求2所述的用于测量超导线材失超传播速度的线圈，其特征是，所述的螺纹槽的螺距L0为或

式中：n为螺纹槽的个数，n≥2，a和d为上述各超导线材截面的尺寸。

6.按照权利要求2所述的测量超导线材失超传播速度的线圈，其特征是，两个所述的螺纹槽之间相隔至少5mm。

7.按照权利要求1所述的用于测量超导线材失超传播速度的线圈，其特征是，若所述的被测线圈的线圈骨架放入背景线圈的中心孔内，线圈骨架的法兰（2）的直径小于背景线圈中心孔直径，线圈骨架的长度与背景线圈中心附近磁场较为均匀的区域长度相近。

8.按照权利要求1所述的用于测量超导线材失超传播速度的线圈，其特征是，所述的加热片（5）贴附于所述的被测线圈一端的被测超导线材表面，加热片（5）的长度方向上的两端焊接有两条加热片电流引线（6）。

9.按照权利要求1所述的用于测量超导线材失超传播速度的线圈，其特征是，所述的被测超导线材表面间隔焊有电压测试引线（7）；同一截面形状的超导线材中，每相邻的两根电压测试引线（7）互相缠绕成无感引线。

10.按照权利要求1或2所述的用于测量超导线材失超传播速度的线圈，其特征是，所述的线圈骨架圆柱（1）及法兰（2）用环氧树脂或聚四氟乙烯制成。

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