CN108636601B - 超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构 - Google Patents

Abstract

超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构，涉及高梯度磁选机机械技术领域。本发明是为了解决现有的缺少一种为超导线圈提供高精度定位的装置的问题。超导磁体的真空容器设置于该正多边体内，超导磁体的颈管组合外筒穿过相邻的两个铁铠侧板露在正多边体外；两个铁铠端板的顶面上对称开有多个螺纹孔，每个螺纹孔中设置一个调整螺栓，上、下面的铁铠端板内的每个调整螺栓分别与真空容器的圆环上端面和下端面分别通过一个上位置调整组件和一个下位置调整组件连接，通过调节调整螺栓使超导磁体处于铁铠侧板的中心位置，两个铁铠端板的中心且多个螺纹孔围成的区域内均开有圆柱形的通孔，两个磁极头分别设置在所述的通孔内。它属于高梯度磁选机。

Description

超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构

技术领域

本发明涉及超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构，属于高梯度磁选机机械技术领域。

背景技术

高梯度磁选是一项利用丝状磁性介质在背景磁场下产生高梯度磁场，从而在其周围对微细粒磁性矿物产生强大磁场吸引力的技术。采用这项技术不可避免的需要用到两个不同的工艺过程，即丝状磁性介质在磁场中吸附磁性矿物，而在磁场外或者没有磁场时卸掉磁性矿物。电磁浆料高梯度磁选机的特点是：主磁回路由铁铠和磁极头构成，在两个磁极头之间产生近似均匀的磁场。保持丝状磁性介质在两个磁极头之间位置不动，通过控制激磁线圈在零电流和工作电流之间作周期性变化来实现磁场的有无，进而磁选机周期性地重复吸附和卸矿两个工艺过程，从而实现连续生产。

更弱磁性的矿物分离需要更强的背景磁场。然而，当磁场超过1个特斯拉时，铁磁材料(磁极头和铁铠)表现出明显的饱和特性。一方面，随着磁场的增加要求按比例增加铁铠的厚度，进而按比例增加铁铠的重量。另一方面，随着磁场的增加要求激磁线圈的电流呈指数增加。对于采用铜导体或铝导体的常导线圈来说，发热功率呈指数的平方增加。所产生的不利影响有：1.激磁线圈的耗电量呈指数增加；2.常导线圈冷却系统的负担呈指数增加；3.激磁电源的功率呈指数增加。这些都增加了设备的硬件成本和使用成本。

由于电阻几乎为零，使用超导体绕制激磁线圈在激磁过程中不产生热功率，不会因激磁电流的增加而增加耗电量，不会因发热功率而增加冷却系统的负担，不会因阻性成分而增加激磁电源的功率。在上述方面，使用超导体制作激磁线圈比常导体具有很大优势。

但是，超导磁体的劣势也是很明显的。在超导磁体中超导线圈与真空容器之间仅仅通过数根非金属的细杆连接在一起，这些细杆构成了超导磁体内部的悬挂式支撑结构，分别在水平方向和垂直方向上约束线圈与真空容器之间的相对位置。可想而知，这些细杆的过载能力是非常有限的。而由于对总漏热的严格限制，通过加粗细杆只能有限提高悬挂式支撑结构的过载能力。

出于重量、占地面积和简化磁分离工艺的考虑，电磁浆料高梯度磁选机总是选择紧凑的磁系结构。它所导致的直接后果是：一方面，铁铠和磁极头需要承受非常大的面向结构中心的磁场力；另一方面，一旦线圈偏离磁系结构的中心位置，线圈受到的磁场力将快速增加，也即作用在线圈上的磁场力对位置变化非常敏感。由非金属细杆组成的悬挂式支撑结构成为整个磁系结构中最薄弱的环节。然而，对于常导线圈而言，没有这种由支撑结构所带来的风险。因为常导线圈体积庞大，几乎充满了铁铠内部除了磁极头之间区域以外的所有空间。所以在结构上可以认为，常导线圈与铁铠是紧密接触在一起的。

其中一种解决思路是：使用整体加工的铁铠作为超导磁体真空容器的一部分，非金属细杆支撑在铁铠上。厚重的铁铠在提供支撑力的同时几乎不产生任何形变，而整体加工的表面则能够为超导线圈提供高精度的定位基准。但是过高的铁铠重量在机械加工、设备组装、运输和现场安装等场合对机床、起吊、运输等工具提出了非常高的要求。例如，对于一台1米口径、2个特斯拉的电磁浆料高梯度磁选机，仅铁铠重量就已经超过15吨。过高的成本严重地限制了该思路的实施。

发明内容

本发明是为了解决现有的缺少一种为超导线圈提供高精度定位的装置的问题。现提供超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构。

超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构，它包括超导磁体1、两个铁铠端板2、多个铁铠侧板3、两个磁极头4、多个上位置调整组件6和多个下位置调整组件7，

铁铠端板2截面为正多边形，铁铠端板2为台阶式结构，

两个铁铠端板2和多个铁铠侧板3围成正多边体结构，多个铁铠侧板3的上下端面分别设置在两个铁铠端板2的内台阶上，

超导磁体1的真空容器101设置于该正多边体内，超导磁体1的颈管组合外筒104穿过相邻的两个铁铠侧板3露在正多边体外；

两个铁铠端板2的顶面上对称开有多个螺纹孔，每个螺纹孔中设置一个调整螺栓5，

上面的铁铠端板2内的每个调整螺栓5与真空容器101的圆环上端面通过一个上位置调整组件6连接，下面的铁铠端板2内的每个调整螺栓5与真空容器的下端面通过一个下位置调整组件7连接，

通过调节调整螺栓5使超导磁体1处于铁铠侧板3的中心位置，

两个铁铠端板2的中心且多个螺纹孔围成的区域内均开有圆柱形的通孔，两个磁极头4分别设置在所述的通孔内，且两个磁极头4的外端分别与两个铁铠端板2的表面齐平，两个磁极头4的内端分别嵌在超导磁体1的真空容器的内环壁的上下部。

本发明的有益效果为：

本申请将两个磁极头设置在真空容器的中心，使铁铠端板、铁铠侧板、磁极头之间满足自支撑要求，即在巨大磁场力的作用下结构能够自持稳定；利用圆柱形磁极头的定位作用，使得超导线圈在水平方向上位于铁铠组合的结构中心；使得整个结构处于稳定状态。利用圆周均布的4个下位置调整组件上的压力称重传感器，通过调节上、下位置调整组件上的调整螺栓，使得超导线圈在垂直方向上位于铁铠组合的结构中心。从而使得通电状态下的超导线圈在水平和垂直两个方向上受到的磁场合力均近似为零，以此来防止相对结构中心微小位置变化而导致的较大磁场合力对超导磁体内部悬挂式支撑结构的破坏，保障设备安全运行。本申请在水平方向上不需配备力的检测和位置调整机构，简化了磁系结构，在垂直方向上使用最少数量的压力称重传感器检测超导磁体是否处于垂直位置，使用调整螺栓使超导磁体处于铁铠侧板的中心位置，为设备的安全运行提供了严格的保障措施。本申请的磁系结构紧凑，同时方便了机械加工、设备组装、运输和现场安装等过程。本申请适用于背景磁场为1.5～2特斯拉的电磁浆料高梯度磁选机。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构的整体结构示意图；

图2为图1中超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构的纵剖图；

图3为超导磁体的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为图4的A-A视图；

图6为上位置调整组件的结构示意图；

图7为图6的纵剖图；

图8为下位置调整组件的结构示意图；

图9为图8的纵剖图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构，它包括超导磁体1、两个铁铠端板2、多个铁铠侧板3、两个磁极头4、多个上位置调整组件6和多个下位置调整组件7，

铁铠端板2截面为正多边形，铁铠端板2为台阶式结构，

两个铁铠端板2和多个铁铠侧板3围成正多边体结构，多个铁铠侧板3的上下端面分别设置在两个铁铠端板2的内台阶上，

超导磁体1的真空容器101设置于该正多边体内，超导磁体1的颈管组合外筒104穿过相邻的两个铁铠侧板3露在正多边体外；

两个铁铠端板2的顶面上对称开有多个螺纹孔，每个螺纹孔中设置一个调整螺栓5，

上面的铁铠端板2内的每个调整螺栓5与真空容器101的圆环上端面通过一个上位置调整组件6连接，下面的铁铠端板2内的每个调整螺栓5与真空容器的下端面通过一个下位置调整组件7连接，

通过调节调整螺栓5使超导磁体1处于铁铠侧板3的中心位置，

两个铁铠端板2的中心且多个螺纹孔围成的区域内均开有圆柱形的通孔，两个磁极头4分别设置在所述的通孔内，且两个磁极头4的外端分别与两个铁铠端板2的表面齐平，两个磁极头4的内端分别嵌在超导磁体1的真空容器的内环壁的上下部。

本实施方式中，铁铠端板2的内、外沿为台阶结构。其中，外沿台阶使得铁铠端板2克服面向结构中心的垂直方向的磁场力，使得铁铠侧板3克服面向结构中心的水平方向的磁场力；而内沿台阶使得磁极头4克服面向结构中心的垂直方向的磁场力。

利用超导磁体1使得两个磁极头4之间的磁场达到1.5～2个特斯拉。

本申请采用分体组装的铁铠结构，超导磁体使用独立的真空容器；使用内、外沿均为台阶结构的铁铠端板；使圆柱形磁极头与超导磁体真空容器内筒紧密配合。

磁极头4上的通孔为矿浆流道。两个磁极头4之间的圆柱形区域将被填充以丝状磁性介质。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构作进一步说明，本实施方式中，上位置调整组件6和下位置调整组件7均为4个，两个铁铠端板2的顶面上均匀开有4个螺纹孔。

具体实施方式三：参照图3至图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构作进一步说明，本实施方式中，超导磁体1包括真空容器101、冷屏102、超导线圈103、颈管组合外筒104、氦制冷机105、真空抽口106、室温电极107和支撑座108，

真空容器101为圆环体，该圆环体的内部设置有冷屏102和超导线圈103，超导线圈103沿圆环体的腔体内壁环形布置，冷屏102设置在超导线圈103外圆周，真空容器101的上下环形面上分别均匀设置有4个支撑座108，

L型的颈管组合外筒104嵌在真空容器101的侧壁内，L型的颈管组合外筒104的顶端插入有氦制冷机105和真空抽口106，真空抽口106用于将真空容器101抽真空，氦制冷机105用于同时为冷屏102、超导线圈103提供制冷量，

L型的颈管组合外筒104的顶端设置室温电极107，室温电极107用于连接激磁电源，为超导线圈103提供激磁电流。

本实施方式中，超导线圈103与真空容器101之间采用由非金属细杆组成的悬挂式支撑结构，以减小来自室温的漏热。颈管组合的轴线与超导线圈轴线保持平行，其上集成了超导磁体的全部对外接口，主要有氦制冷机接口、室温电极接口和真空抽口。

支撑座108与真空容器101的端板之间保持较高的定位精度并焊接在一起。

颈管组合位于铁铠的外面，简化铁铠的结构；氦制冷机轴线平行于重力方向，满足氦制冷机运行对自身姿态的要求；支撑座108对承力点做适当的结构加强，提高真空容器101端板的强度。

具体实施方式四：参照图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构作进一步说明，本实施方式中，每个上位置调整组件6均包括一号压体601、一号压头602、一号紧固螺栓603和一号定位螺柱604，

一号压体601与一号压头602之间通过一号紧固螺栓603固定在一起，一号定位螺柱604的一端拧入一号紧固螺栓603内，一号定位螺柱604的另一端插入到一个铁铠端板2的定位孔中，

一号压头602顶在支撑座108上，

调整螺栓5底端设置在一号压体601顶面上，通过调节调整螺栓5使超导磁体1处于铁铠侧板3的中心位置。

本实施方式中，一号压体601的中心开有螺纹孔作辅助安装用途。

通过旋转两个铁铠端板2上的8个调整螺栓5即可以改变超导磁体的垂直位置。这个改变量只需要-3～+3mm就足够了。

一号压体601、一号紧固螺栓603和一号定位螺柱604等零件均能够与下位置调整组件7共用，最大限度地减少设备的备品备件。

具体实施方式五：参照图8和图9具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构作进一步说明，本实施方式中，每个下位置调整组件7均包括二号压体701、压力称重传感器702、二号紧固螺栓703和二号定位螺柱704，

二号压体701与压力称重传感器702之间通过二号紧固螺栓703连接，二号定位螺柱704的一端拧入二号紧固螺栓703内，与压力称重传感器702固定连接，一号定位螺柱704的另一端插入到另一个铁铠端板2的定位孔中，

压力称重传感器702垂直顶在支撑座108上，压力称重传感器702用于测量磁极头4与超导磁体支撑座108之间的相互作用力，

调整螺栓5底端设置在二号压体701顶面上，通过调节调整螺栓5使超导磁体1处于铁铠侧板3的中心位置。

本实施方式中，二号压体701的中心开有螺纹孔作辅助安装用途。

本装置的设置能够保证在传递垂直方向压紧力的同时避免压力称重传感器702和支撑座108之间出现旋转运动，保护压力称重传感器702的信号线不会因为旋转而受到损坏。

仅在超导磁体的真空容器的下端面设置压力称重传感器，配合上、下位置调整组件，在垂直方向上调节超导线圈的结构中心；利用压力称重传感器实时监视超导磁体的受力变化，并为激磁电流提供联锁信号，把磁场力始终限制在安全范围之内。

Claims (5)

1.超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构，其特征在于，它包括超导磁体(1)、两个铁铠端板(2)、多个铁铠侧板(3)、两个磁极头(4)、多个上位置调整组件(6)和多个下位置调整组件(7)，

铁铠端板(2)截面为正多边形，铁铠端板(2)为台阶式结构，

两个铁铠端板(2)和多个铁铠侧板(3)围成正多边体结构，多个铁铠侧板(3)的上下端面分别设置在两个铁铠端板(2)的内台阶上，

超导磁体(1)的真空容器(101)设置于该正多边体内，超导磁体(1)的颈管组合外筒(104)穿过相邻的两个铁铠侧板(3)露在正多边体外；

两个铁铠端板(2)的顶面上对称开有多个螺纹孔，每个螺纹孔中设置一个调整螺栓(5)，

上面的铁铠端板(2)内的每个调整螺栓(5)与真空容器(101)的圆环上端面通过一个上位置调整组件(6)连接，下面的铁铠端板(2)内的每个调整螺栓(5)与真空容器的下端面通过一个下位置调整组件(7)连接，

通过调节调整螺栓(5)使超导磁体(1)处于两个铁铠端板(2)和多个铁铠侧板(3)围成正多边体结构的中心位置，

两个铁铠端板(2)的中心且多个螺纹孔围成的区域内均开有圆柱形的通孔，两个磁极头(4)分别设置在所述的通孔内，且两个磁极头(4)的外端分别与两个铁铠端板(2)的表面齐平，两个磁极头(4)的内端分别嵌在超导磁体(1)的真空容器的内环壁的上下部。

2.根据权利要求1所述的超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构，其特征在于，上位置调整组件(6)和下位置调整组件(7)均为4个，两个铁铠端板(2)的顶面上均匀开有4个螺纹孔。

3.根据权利要求2所述的超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构，其特征在于，超导磁体(1)包括真空容器(101)、冷屏(102)、超导线圈(103)、颈管组合外筒(104)、氦制冷机(105)、真空抽口(106)、室温电极(107)和支撑座(108)，

真空容器(101)为圆环体，该圆环体的内部设置有冷屏(102)和超导线圈(103)，超导线圈(103)沿圆环体的腔体内壁环形布置，冷屏(102)设置在超导线圈(103)外圆周，真空容器(101)的上下环形面上分别均匀设置有4个支撑座(108)，

L型的颈管组合外筒(104)嵌在真空容器(101)的侧壁内，L型的颈管组合外筒(104)的顶端插入有氦制冷机(105)和真空抽口(106)，真空抽口(106)用于将真空容器(101)抽真空，氦制冷机(105)用于同时对冷屏(102)、超导线圈(103)进行制冷，

L型的颈管组合外筒(104)的顶端设置室温电极(107)，室温电极(107)用于连接激磁电源，为超导线圈(103)提供激磁电流。

4.根据权利要求3所述的超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构，其特征在于，每个上位置调整组件(6)均包括一号压体(601)、一号压头(602)、一号紧固螺栓(603)和一号定位螺柱(604)，

一号压体(601)与一号压头(602)之间通过一号紧固螺栓(603)固定在一起，一号定位螺柱(604)的一端拧入一号紧固螺栓(603)内，一号定位螺柱(604)的另一端插入到上面的铁铠端板(2)的定位孔中，

一号压头(602)顶在支撑座(108)上，

调整螺栓(5)底端设置在一号压体(601)顶面上，通过调节调整螺栓(5)使超导磁体(1)处于两个铁铠端板(2)和多个铁铠侧板(3)围成正多边体结构的中心位置。

5.根据权利要求3所述的超导电磁浆料高梯度磁选机磁系的机械结构，其特征在于，每个下位置调整组件(7)均包括二号压体(701)、压力称重传感器(702)、二号紧固螺栓(703)和二号定位螺柱(704)，

二号压体(701)与压力称重传感器(702)之间通过二号紧固螺栓(703)连接，二号定位螺柱(704)的一端拧入二号紧固螺栓(703)内，与压力称重传感器(702)固定连接，一号定位螺柱(704)的另一端插入到下面的铁铠端板(2)的定位孔中，

压力称重传感器(702)垂直顶在支撑座(108)上，压力称重传感器(702)用于测量磁极头(4)与超导磁体支撑座(108)之间的相互作用力，

调整螺栓(5)底端设置在二号压体(701)顶面上，通过调节调整螺栓(5)使超导磁体(1)处于两个铁铠端板(2)和多个铁铠侧板(3)围成正多边体结构的中心位置。