CN109273189A - 一种基于高温超导圆形环片的超导磁体 - Google Patents

一种基于高温超导圆形环片的超导磁体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于超导磁体应用领域的一种基于高温超导圆形环片的超导磁体。该超导磁体是从下至上按照超导环片、绝缘片交互堆叠构成，上下各加一片法兰片，并通过绝缘拉杆连接固定。其中绝缘片或用双面涂绝缘漆的有径向切口的Cu片代替；超导环片和绝缘片上有定位孔，组装完成后在定位孔中放入磁通泵，超导磁体通过磁通泵励磁，无需电流引线和直流电源，具有结构简单、紧凑、可拆卸、绝缘处理容易、操作简便的优点，能够实现超导磁体的闭环运行。

Description

一种基于高温超导圆形环片的超导磁体
技术领域
本发明属于超导磁体应用领域，特别涉及一种基于高温超导圆形环片的超导磁体。
背景技术
超导磁体具有许多常规磁体所不可比拟的优点，例如磁场强度高、功耗低、体积小、稳定性高。现今实用的超导材料大都采用带状结构，通过绕制带材成双饼式或螺管式结构来制备超导磁体，但是高温超导材料焊接工艺不成熟，无法实现无阻焊接以及超导闭环运行。
超导磁体一般采用处于常温的电源来励磁，用电流引线连接电源和超导体，电流引线两端分别处于低温和室温环境，会有大量的热量传入超导低温容器，同时电流引线电阻以及电流引线和超导线之间的焊接电阻，在通电时会产生焦耳热，损耗功率，提高冷却成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高温超导圆形环片的超导磁体，其特征在于，所述超导磁体是由绝缘片或Cu片与超导环片交互堆叠，上下各加一片法兰片，并通过拉杆和螺栓固定。
本发明基于不同的超导环片的形状分为两种实施方案，每一种实施方案基于定位孔与超导环片内环的位置关系分为三种结构，即提出六种不同的超导磁体结构。不同的超导磁体结构的组装方法相同，如下所述：构成超导磁体的超导片近似看作圆环形，同一磁体绝缘片的形状、尺寸与超导环片相同，且含有位置、大小与超导环片相同的定位孔，定位孔穿过定位杆，首先放置好第一片绝缘片，将第一片超导环片对齐堆叠在第一片绝缘片上面，定位孔位置对齐穿过定位杆。接着将第二片绝缘片对齐堆叠在第一片超导环片上面，将第二片超导环片对齐堆叠在第二片绝缘片上面。然后将第三片绝缘片对齐堆叠在第二片超导环片上面，同理由下至上依次完成堆叠，且最上面一层是绝缘片。堆叠完成后上下各加一片法兰片，法兰片上有位置、大小和超导环片一样的定位孔，法兰片的内半径与超导环片内半径相同，法兰片外半径大于超导环片外半径，在大于超导片的区域对称开四个螺丝孔，通过绝缘拉杆和螺栓进行固定。固定好磁体后取出定位杆，在定位孔处插入磁通泵线圈，磁通泵线圈的引出线与外部电源的接头连接，形成完整的基于超导圆形环片的超导磁体。
所述超导磁体采用液氮浸泡式冷却，其结构基于定位孔与超导环片内环的位置关系分为相交、相切、相离三种形式。
所述超导环片上有定位孔，与绝缘片堆叠成超导磁体后，在定位孔放入励磁磁通泵的线圈，线圈接入外部交流电源，实现磁体的闭环超导运行。
所述超导环片上的定位孔尺寸远小于超导片尺寸，忽略定位孔对磁场的影响。
所述绝缘片主要由PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸、环氧薄片构成，其尺寸与超导环片相同，且分布有位置和尺寸与超导片相同的定位孔。
所述绝缘片或用双面涂绝缘漆的有径向切口的Cu片代替，Cu片外半径比超导环片半径大5-10mm。
本发明的有益效果为：提供了一种基于高温超导圆形环片的超导磁体，并结合超导材料的制作工艺，提出六种超导环片结构，组装成不同结构的超导磁体。该超导磁体制造方便、结构简单、可拆卸，无需电源和电流引线，有助于实现超导磁体的闭环运行高场应用。
附图说明
图1为实施方案一中三种超导环片示意图；
图2为实施方案二中三种超导环片示意图；
图3为实施方案一中绝缘片示意图；
图4为实施方案二中绝缘片示意图；
图5为实施方案一中涂绝缘漆的有径向切口的Cu片结构示意图；
图6为实施方案二中涂绝缘漆的有径向切口的Cu片结构示意图；
图7为实施方案一中采用磁通泵励磁时，定位孔相交时的超导磁体模型示意图；
图8为实施方案一中采用磁通泵励磁时，定位孔相切时的超导磁体模型示意图；
图9为实施方案一中采用磁通泵励磁时，定位孔相离时的超导磁体模型示意图；
图10为实施方案二中采用磁通泵励磁时，定位孔相交时的超导磁体模型示意图；
图11为实施方案二中采用磁通泵励磁时，定位孔相切时的超导磁体模型示意图；
图12为实施方案二中采用磁通泵励磁时，定位孔相离时的超导磁体模型示意图；
图13为泵入磁通泵脉冲交流电源的交变电流波形示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于高温超导圆形环片的超导磁体，下面结合附图和具体实施方案对本发明做进一步的说明。
实施方案一：当需要的超导磁体内径尺寸较大，超导环片的内外半径相差较小时，超导环片的制作要使一侧更宽一些，保证切出定位孔后超导环片的整体宽度一致。
首先按照超导环片要求的径向宽度尺寸，设计出超导环片的一侧更宽，这一侧用于切割出放置磁通泵线圈的定位孔，定位孔的尺寸略大于线圈的外径尺寸。再根据定位孔位置将超导环片分为三种结构，即相交型、相切型、相离型。然后将定位孔中心和超导环片圆心之间连线上的部分切开，使其切孔与超导环片的内部连通。最后在超导环片上镀一层Cu，避免切面分层和超导层的氧化。由于超导环片的宽度没有减小，且切孔的尺寸远小于超导环片的尺寸，仍可以将超导环片看作圆环形。
实施方案二：当需要的超导磁体内径尺寸较小，超导环片的内外半径相差较大时，在超导环片的内径一侧切出定位孔。
首先按照超导环片要求的尺寸，采用成熟的现有切割工艺在制作出的超导环片内径一侧切出固定用的定位孔，定位孔的尺寸略大于线圈部分的外径尺寸。再根据定位孔与超导环片内环的位置关系将超导环片分为三种结构，即相交性、相切型、相离型。然后将定位孔中心和超导环片圆心之间连线上的部分切开，使其切孔与超导片的内部连通。最后在超导片上镀一层Cu，避免切面分层和超导层的氧化。由于超导环片的宽度很大，且切孔的尺寸远小于超导环片的尺寸，可以近似认为切孔对超导环片没有影响。
组成超导磁体的绝缘片可采用现有的PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸、环氧薄片，在三种超导磁体结构下，其截面形状和尺寸分别与超导环片相同，采用液氮浸泡式冷却；或用双面涂绝缘漆的有径向切口的Cu片代替绝缘片，Cu片可以加固磁体增加散热，其切口避免形成回路，Cu片外半径尺寸大于超导环片5-10mm，有效提高冷却效率，此外，Cu片上有位置和大小与超导环片相同的定位孔。
采用超导磁通泵技术向超导磁体供电，磁通泵由脉冲电源和螺管线圈组成。磁通泵采用空心螺管结构的线圈，螺管线圈的外尺寸略小于超导片定位孔的尺寸，螺管线圈高度大于超导磁体高度。磁通泵螺管线圈是插入在超导磁体相应的定位孔位置的，并被固定在磁体上，线圈两端引出两个接头用以接入外部电源。
磁通泵外部电流源采用脉冲电流波，上升沿时间远小于下降沿。励磁持续进行的过程中，每个周期励磁都使超导磁体的磁场增加，当超导磁体的磁场达到要求时，只需断开外部电源，无需撤去磁通泵，超导环片的电流保持恒定，维持一个稳定的磁场。
图1为实施方案一中三种超导环片的示意图，当需要的超导环片内径尺寸r1较大，内外半径相差r12较小时，超导环片的制作采用实施方案一。具体的实施过程为：首先按照超导环片要求的径向宽度尺寸，设计制作出一侧更宽的超导环片，利用现有的切割技术切割出如图1所示一侧半径大于另一侧的超导环片，在半径大的这一侧切割出定位孔，并保证切孔后环片的整体宽度一致，即r12＝r12＇，定位孔的直径d1大于放置的磁通泵线圈部分的直径。根据定位孔和超导环片内环的位置关系，超导环片可以分为相交(图1a所示)、相切(图1b所示)和相离(图1c所示)三种形式。相切和相离形式的超导环片，需要将定位孔中心和超导环片圆心之间连线上连接的超导部分切开，使定位孔与超导环片内部连通。最后在超导环片上镀一层铜，防止切面分层和超导层的氧化。由于超导环片的电流有效宽度没有减小(r12＝r12＇)，且定位孔的尺寸远小于超导片的尺寸(d1<<r1<r2)，所以仍可以将超导片看作圆环形。
图2为实施方案二中三种超导环片的示意图，当需要的超导环片内径尺寸r3较小，内外半径相差r34较大时，超导片的制作采用实施方案二。具体的实施过程为：首先按照超导环片要求的径向宽度尺寸，制作出超导环片，利用现有的切割技术在超导环片一侧切割出如图2所示的定位孔，定位孔的直径d1大于放置的磁通泵线圈部分的直径。根据定位孔和超导环片内环的位置关系，实施方案二制作的超导环片可以分为相交(图2a)、相切(图2b)和相离(图2c)三种形式。相切和相离形式的超导环片，需要将定位孔中心和超导环片圆心之间连线上连接的超导部分切开，使定位孔与超导环片内部连通。最后在超导环片上镀一层铜，防止切面分层和超导层的氧化。由于定位孔的尺寸远小于超导片的尺寸(d1<<r34)，超导环片的半径近似是均匀的(r34＝r34＇)，仍可以将超导环片看作圆环形。
图3、图4为绝缘片示意图，绝缘片可以采用现有的PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸、环氧薄片，其形状、尺寸大小与相应的超导环片相同，图3绝缘片的形状对应于实施方案一中的相交形(图3a所示)、相切形(图3b所示)和相离形(图3c所示)；图4绝缘片的形状对应于实施方案二中的相交形(图4a所示)、相切形1(图4b所示)和相离形(图4c所示)。
图5为实施方案一中超导磁体所用的Cu片结构示意图，Cu片外表面均涂有绝缘漆并保证有径向切口，以防止形成闭环，该Cu片可以代替绝缘片，起到绝缘和加固磁体的作用。Cu片外半径大于超导环片外半径5-10mm，可以有效增加散热效果。根据定位孔的位置不同，绝缘Cu片可分为相交形(图5a所示)、相切形(图5b所示)和相离形(图5c所示)。
图6为实施方案二中超导磁体所用的Cu片结构示意图，Cu片外表面均涂有绝缘漆并保证有径向切口，以防止形成闭环，该Cu片可以代替绝缘片，Cu片外半径大于超导环片外半径5-10mm，起到增加散热的效果。根据定位孔的位置不同，绝缘Cu片可分为相交形(图6a所示)、相切形(图6b所示)和相离形(图6c所示)。
由实施方案一制作的相交型的超导环片和绝缘片所构成的超导磁体结构图如图7所示，构成超导磁体的具体实施过程为：取一个定位杆，将绝缘片的定位孔穿过定位杆，先放置好第一片绝缘片7(图3a中所示7)，将第一片超导环片1(图1a中所示1)的定位孔穿过定位杆堆叠在第一片绝缘片7(图3a中所示7)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第二片绝缘片7(图3a中所示7)堆叠在第一片超导环片1(图1a中所示1)上面，再将第二片超导环片1(图1a中所示1)堆叠在第二片绝缘片7(图3a中所示7)上面。然后将第三片绝缘片7(图3a中所示7)堆叠在第二片超导环片1(图1a中所示1)上面，依次类推，一片片地由下至上完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下各加法兰片19固定，法兰片上的定位孔穿过杆和超导环片以及绝缘片上的定位孔对齐，法兰片的外部尺寸要大于超导片外部尺寸，在大于的区域对称开4个定位孔20，通过绝缘拉杆21和螺栓22进行固定。励磁磁通泵的线圈部分为空心螺线管，最后把便于磁体的装配使用的定位杆抽出，插入空心螺线管23，引出磁通泵外部电源接头，即可组装成实施方案一中的相交型超导圆形环片的超导磁体。
由实施方案一制作的相切型的超导环片和绝缘片所构成的超导磁体结构图如图8所示，构成超导磁体的具体实施过程为：取一个定位杆，将绝缘片的定位孔穿过定位杆，先放置好第一片绝缘片8(图3b中所示8)，将第一片超导环片2(图1b中所示2)的定位孔穿过定位杆堆叠在第一片绝缘片8(图3b中所示8)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第二片绝缘片8(图3b中所示8)堆叠在第一片超导环片2(图1b中所示2)上面，再将第二片超导环片2(图1b中所示2)堆叠在第二片绝缘片8(图3b中所示8)上面。依次类推，一片片地由下至上完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下各加法兰片19固定，法兰片上的定位孔穿过杆和超导环片以及绝缘片上的定位孔对齐，通过绝缘拉杆21和螺栓22进行固定。励磁磁通泵的线圈部分为空心螺线管，最后把便于磁体的装配使用的定位杆抽出，插入空心螺线管23，引出磁通泵外部电源接头，即可组装成实施方案一中的相切型超导圆形环片的超导磁体。
由实施方案一制作的相离型的超导环片和绝缘片所构成的超导磁体结构图如图9所示，构成超导磁体的具体实施过程为：取一个定位杆，将定位孔穿过定位杆，先放置好第一片绝缘片9(图3c中所示9)，将第一片超导环片3(图1c中所示3)的定位孔穿过杆堆叠在第一片绝缘片9(图3c中所示9)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第二片绝缘片9(图3c中所示9)堆叠在第一片超导环片3(图1c中所示3)上面，再将第二片超导环片3(图1c中所示3)堆叠在第二片绝缘片9(图3c中所示9)上面。依次类推，一片片地由下至上完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下各加法兰片19固定，法兰片上的定位孔穿过杆和超导环片以及绝缘片上的定位孔对齐，通过绝缘拉杆21和螺栓22进行固定。励磁磁通泵的线圈部分为空心螺线管，最后把便于磁体的装配使用的定位杆抽出，插入空心螺线23，引出磁通泵外部电源接头，即可组装成实施方案一中的相离型超导圆形环片的超导磁体。
图10所示为由实施方案二制作的相交型的超导环片和绝缘片所构成的超导磁体结构图，构成超导磁体的具体实施过程为：取一个定位杆，将绝缘片的定位孔穿过定位杆，先放置好第一片绝缘片10(图4a中所示10)，将第一片超导环片4(图2a中所示4)的定位孔穿过定位杆堆叠在第一片绝缘片10(图4a中所示10)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第二片绝缘片10(图4a中所示10)堆叠在第一片超导环片4(图2a中所示4)上面，再将第二片超导环片4(图2a中所示4)堆叠在第二片绝缘片10(图4a中所示10)上面。然后将第三片绝缘片10(图4a中所示10)堆叠在第二片超导环片4(图2a中所示4)上面，依次类推，一片片地由下至上完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下各加法兰片19固定，法兰片的内直径与超导环片内径r1相同，法兰片上有位置、大小与超导环片相同的切孔，可以穿过定位杆和超导环片以及绝缘片上的切孔对齐，法兰片的外部尺寸要大于超导片外部尺寸，在大于的区域对称开4个定位孔20，通过绝缘拉杆21和螺栓22进行固定。励磁磁通泵的线圈部分为空心螺线管，最后把便于磁体的装配使用的定位杆抽出，插入空心螺线管23，引出磁通泵外部电源接头，即可组装成实施方案二中的相交型超导圆形环片的超导磁体。
图11所示为由实施方案二制作的相切型的超导环片和绝缘片所构成的超导磁体结构图，构成超导磁体的具体实施过程为：取一个定位杆，将绝缘片的定位孔穿过定位杆，先放置好第一片绝缘片11(图4b中所示11)，将第一片超导环片5(图2b中所示5)的定位孔穿过定位杆堆叠在第一片绝缘片11(图4b中所示11)上面。接着将第二片绝缘片11(图4b中所示11)堆叠在第一片超导环片5(图2b中所示5)上面，再将第二片超导环片5(图2b中所示5)堆叠在第二片绝缘片11(图4b中所示11)上面。依次类推，一片片地由下至上完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下各加法兰片19固定，法兰片上的定位孔穿过杆和超导环片以及绝缘片上的定位孔对齐，法兰片的外部尺寸要大于超导片外部尺寸，在大于的区域对称开4个定位孔20，通过绝缘拉杆21和螺栓22进行固定。励磁磁通泵的线圈部分为空心螺线管，最后把便于磁体的装配使用的定位杆抽出，插入空心螺线管23，引出磁通泵外部电源接头，即可组装成实施方案二中的相切型超导圆形环片的超导磁体。
图12所示为由实施方案二制作的相离型的超导环片和绝缘片所构成的超导磁体结构图，构成超导磁体的具体实施过程为：取一个定位杆，将绝缘片的定位孔穿过定位杆，先放置好第一片绝缘片12(图4c中所示12)，将第一片超导环片6(图2c中所示6)的定位孔穿过定位杆堆叠在第一片绝缘片12(图4c中所示12)上面，堆叠时要做到上下完全对齐。接着将第二片绝缘片12(图4c中所示12)堆叠在第一片超导环片6(图2c中所示6)上面，再将第二片超导环片6(图2c中所示6)堆叠在第二片绝缘片12(图4c中所示12)上面。依次类推，由下至上完成超导环片和绝缘片的交互堆叠。堆叠完毕后上下各加法兰片19固定，法兰片上的定位孔穿过杆和超导环片以及绝缘片上的定位孔对齐，法兰片的外部尺寸要大于超导片外部尺寸，在大于的区域对称开4个定位孔20，通过绝缘拉杆21和螺栓22进行固定。励磁磁通泵的线圈部分为空心螺线管，最后把便于磁体的装配使用的定位杆抽出，插入空心螺线管23，引出磁通泵外部电源接头，即可组装成实施方案二中的相离型超导圆形环片的超导磁体。
上述磁体组装过程中的绝缘片可以相应的用图5、图6中涂绝缘漆有径向切口的Cu片代替，Cu片外表面均涂有绝缘漆起到绝缘的作用，并保证有径向切口防止形成闭环，Cu的热传导系数比较高，半径比超导环片大5-10mm，增加热稳定性。超导磁体采用浸泡式冷却方法，整个过程需保持低温制冷系统的正常运行，保证超导环片在超导状态。
超导磁体的励磁采用磁通泵技术，励磁磁通泵采用空心螺管线圈23，螺管线圈的高度大于超导磁体的高度，超导磁体的定位孔尺寸大于螺管线圈的外环尺寸，螺管线圈同心同轴地插入定位孔，外接交流电源24。通过外部电源24在螺管线圈中输入脉冲电流，对超导环片超导磁体励磁。外接电流源的交变电流波形不限，上升速率应当远大于下降速率，图13所示电流波形为三角波形状示例(t1<<t2-t1)。通过在螺管线圈中周期性地泵入交变电流，就可以使超导环片的感应电流逐渐增大。在电流满足期望值后切断交变电流，超导环片的电流保持恒定，维持一个稳定的强磁场。

Claims (6)

1.一种基于高温超导圆形环片的超导磁体，其特征在于，所述超导磁体的组装方式为：将绝缘片的定位孔穿过定位杆，放置好第一片绝缘片，将第一片超导环片的定位孔穿过定位杆堆叠在第一片绝缘片上面；将第二片绝缘片堆叠在第一片超导环片上面，将第二片超导环片堆叠在第二片绝缘片上面；将第三片绝缘片堆叠在第二片超导环片上面，依次类推，由下至上一片片地完成超导环片和绝缘片的交互堆叠，且保证最上层为绝缘片；堆叠完毕后上下各加一片法兰片，并通过拉杆和螺栓固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于超导圆形环片的超导磁体，其特征在于，所述超导磁体采用液氮浸泡式冷却，其结构基于定位孔与超导环片内环的位置关系分为相交、相切、相离三种形式。
3.根据权利要求1所述的一种基于高温超导圆形环片的超导磁体，其特征在于，所述超导环片上有定位孔，与绝缘片堆叠成超导磁体后，在定位孔放入励磁磁通泵的线圈，线圈接入外部交流电源，实现磁体的闭环超导运行。
4.根据权利要求3所述的一种基于高温超导圆形环片的超导磁体，其特征在于，所述超导环片上的定位孔尺寸远小于超导片尺寸，忽略定位孔对磁场的影响。
5.根据权利要求1所述的一种基于高温超导圆形环片的超导磁体，其特征在于，所述绝缘片主要由PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸、环氧薄片构成，其尺寸与超导环片相同，且分布有位置和尺寸与超导片相同的定位孔。
6.根据权利要求1所述的一种基于高温超导圆形环片的超导磁体，其特征在于，所述绝缘片或用双面涂绝缘漆的有径向切口的Cu片代替，Cu片外半径比超导环片半径大5-10mm。
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