CN111933308B - 一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头，其特征在于：基板上表面的一侧固定有“Г”型的支座，支座上部的横杆的端部为带内螺纹的固定环；所述的固定环的内螺纹与加压轴的外螺纹配合，加压轴的下端穿出固定环与轴承的内圈紧配合，轴承的外圈固定在轴承座上，且加压轴的下端面高于轴承座的下表面；所述的轴承座通过定位销依次与下方的压板和基板连接；所述的压板和基板间放置有搭接在一起的两根超导带材的端头，且两根超导带材的端头间还夹有铟片。该串联接头的连接质量好，接触电阻低，热损耗小，能有效提高磁体线圈的载流能力及磁约束聚变磁体的约束能力。

Description

一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头
技术领域
本发明涉及一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头。
背景技术
磁约束聚变磁体是磁约束的核聚变电力装置中用于产生强磁场、以将等离子体约束在规定空间内的重要部件。一般由环向磁场(Toroidal Field,TF)磁体、极向磁场(Poloidal Field,PF)磁体和中心螺线管(Central Solenoid,CS)磁体组成。为了提供足够的磁场强度(10T级别)，磁体线圈要具备超大电流(10kA级别)的承载能力。以中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)为例，其环向磁场磁体的线圈运行电流为87.6kA，最高场强14.3T。
在建的核聚变电力工程中，磁体线圈一般采用多根低温超导线材并联的结构来承载大电流，以产生强磁场。随着百米级高温超导带材的成功量产，采用高温超导带材来绕制聚变磁体线圈具备了工程上的可行性；为了承载大电流，产生强磁场，也需要对多根高温超导带材进行串联或并联。但并联结构对电流源供流能力的要求(10kA级别)极高，供流能力极高的大型电流源成本高昂、占地面积大，提高了磁约束聚变磁体的制备和运行成本。
通过将百米级的高温超导带材串联连接，绕制成线圈总长度达千米级别的高温超导带材磁体线圈，可以在通电电流大幅减少的情况下，产生同样强度的强磁场。从而降低对电流源供流能力的要求，降低电流源的成本和占地面积；进而降低磁约束聚变磁体的制备和运行成本。现有的高温超导带材的串联接头主要为焊接式和压接式两种，两种方式均存在连接难度高，且难以保证连接质量的问题：焊接式接头虽然机械强度强，但磁体线圈接头的施焊难度高，且非浸入式焊接接头的接触电阻不好控制，导致磁体线圈的载流能力下降，热损耗大，可靠性低、寿命短。压接式接头是将两根超导带材的端头搭接在一起，且在两个端头间夹有铟片，然后将搭接端头置于两块压板之间，再用多个螺栓将两块压板连接压紧，实现两根超导带材的压紧串接；其操作难度低于焊接难度，但在栓接时，不能保证每个螺栓同时、同步施加相同的压紧力，会出现应力集中，容易损坏陶瓷属性的超导带材，接头的成品率低；即使没有损坏，超导带材也易受到损伤，降低超导带材的载流性能，且接触电阻的一致性差，导致最终绕制成的磁体线圈产生的磁场强度低，热损耗大，性能差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头，该串联接头的连接质量好，接触电阻低，热损耗小，能有效提高磁体线圈的载流能力及磁约束聚变磁体的约束能力。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头，其特征在于：
基板上表面的一侧固定有“Г”型的支座，支座上部的横杆的端部为带内螺纹的固定环；
所述的固定环的内螺纹与加压轴的外螺纹配合，加压轴的下端穿出固定环与轴承的内圈紧配合，轴承的外圈固定在轴承座上，且加压轴的下端面高于轴承座的下表面；所述的轴承座通过定位销依次与下方的压板和基板连接；所述的压板和基板间放置有搭接在一起的两根超导带材的端头，且两根超导带材的端头间还夹有铟片。
本发明的工作过程和原理如下：
加压轴与固定环形成丝杆丝母机构，由于固定环固定连接在基板上，按设定方向旋转加压轴，加压轴会向下移动，进而带动轴承、轴承座向下移动，使轴承座向下挤压压板，进而使压板逐渐压向基板，逐渐挤压压板和基板之间的超导带材的搭接端头；直至挤压压力达到规定值，搭接接头被压紧，从而实现对超导带材端头的压接连接，形成高温超导带材串联接头。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、加压轴与固定环形成丝杆丝母机构，通过将加压轴在固定环中的旋转运动，转换成轴承座的向下直线移动，再由环状的轴承座向下挤压压板，带动压板压紧压板和基板之间的超导带材的搭接端头。较之现有的多个螺栓的一个一个螺栓分别拧紧的不同步、不均匀的点接触传力；本发明在整个挤压过程中，压板受到的压力是由轴承座的整个底面同时、同步传来的，这种面接触传力，压力施加均匀，不会出现应力集中，不会损伤更不会损坏陶瓷属性的超导带材，其接头的成品率高；保证了超导带材的载流性能，降低了接触电阻，且其一致性好，使得最终绕制成的磁体线圈产生的磁场强度高，热损耗小，性能好；进而使得对电流源要求低的串联结构的高温超导带材磁体线圈，能够得到很好的推广、应用，具有很好的经济效益和社会效益。
二、由于加压轴是通过周面与轴承的内圈接触，而轴承内外圈的旋转运动是独立的，故加压轴只有下压力传递到轴承外圈及轴承座，而扭转力是不能传递到轴承外圈及轴承座；加之，加压轴的下端面高于轴承座的下表面，在整个加压过程中，加压轴与压板并不直接接触，二者之间也不会产生扭转力。因此压板承受并传递挤压力、而不传递扭转力，也避免了扭转力对超导带材造成损伤及损坏，提高了串接接头的成品率和接头的质量。
进一步，本发明的加压轴穿出固定环的上部设有拧转机构。
进一步，本发明的拧转机构的具体构成是：加压轴的侧面开有拧转孔，拧转杆插接或螺纹连接于拧转孔内。
加压轴上设置拧转机构，便于加压轴的旋转操作。
进一步，本发明的轴承座和压板上设有连通的冷却液注入通孔。
在超导磁体线圈工作时，通过冷却液注入通孔注入液氮，能使液氮更迅速的进入、浸没超导带材搭接区域，使超导带材的串联连接区域与其它区域同步进入超导态，保证了超导磁体线圈工作的可靠性和稳定性。
更进一步，本发明的加压轴上设有与轴承内圈的上侧面接触的轴肩。
这样，在加压轴向下挤压的移动过程中，向下的压力由轴肩产生，而不是由加压轴与轴承内圈的接触面产生，以避免加压轴与轴承内圈打滑，保证了带材搭接区域能被可靠压紧，进而保证了接头的质量。
再进一步，本发明的加压轴的上部外套有锁紧壳，锁紧壳的侧面开有用于插锁紧销的锁紧孔，且锁紧孔与拧转孔对齐，锁紧壳的侧面连有侧板；支座上部的横杆上设有用于插横杆锁紧销的横杆锁紧孔，侧板上设有与横杆锁紧孔对齐的侧板锁紧孔。
这样，在接头制好后，将锁紧壳套在加压轴的上部，将锁紧销插入锁紧孔及拧转孔中，同时将横杆锁紧销插入横杆锁紧孔及侧板锁紧孔中，使得加压轴不可能再发生旋转运动，实现对加压轴的锁紧，避免了接头频繁在高低温区转换时，因热胀冷缩使接头机构发生松动，导致加压轴旋转，压紧度降低，接触性能变差。进一步保证了接头质量的稳定性和可靠性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例的高温超导带材串联接头立体结构示意图。
图2为本发明实施例的搭接在一起的两根超导带材的端头放在基板上时的俯视结构示意图。
图3为本发明实施例的锁紧壳的结构示意图。
具体实施方法
实施例
如图1-图3示出，一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头，其特征在于：
基板5上表面的一侧固定有“Г”型的支座8，支座8上部的横杆8a的端部为带内螺纹的固定环8b；
所述的固定环8b的内螺纹与加压轴1的外螺纹配合，加压轴1的下端穿出固定环8b与轴承2的内圈紧配合，轴承2的外圈固定在轴承座3上，且加压轴1的下端面高于轴承座3的下表面；所述的轴承座3通过定位销7依次与下方的压板4和基板5连接；所述的压板4和基板5间放置有搭接在一起的两根超导带材6的端头，且两根超导带材6的端头间还夹有铟片12。
本例的加压轴1穿出固定环8b的上部设有拧转机构。
本例的拧转机构的具体构成是：加压轴1的侧面开有拧转孔11，拧转杆插接或螺纹连接于拧转孔11内。
本例的轴承座3和压板4上设有连通的冷却液注入通孔10。
本例的加压轴1上设有与轴承2内圈的上侧面接触的轴肩1a。
本例的加压轴1的上部外套有锁紧壳9，锁紧壳9的侧面开有用于插锁紧销的锁紧孔9a，且锁紧孔9a与拧转孔11对齐，锁紧壳9的侧面连有侧板9b；支座8上部的横杆8a上设有用于插横杆锁紧销的横杆锁紧孔8c，侧板9b上设有与横杆锁紧孔8c对齐的侧板锁紧孔9c。

Claims (6)

1.一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头，其特征在于：
基板(5)上表面的一侧固定有“Г”型的支座(8)，支座(8)上部的横杆(8a)的端部为带内螺纹的固定环(8b)；
所述的固定环(8b)的内螺纹与加压轴(1)的外螺纹配合，加压轴(1)的下端穿出固定环(8b)与轴承(2)的内圈紧配合，轴承(2)的外圈固定在轴承座(3)上，且加压轴(1)的下端面高于轴承座(3)的下表面；所述的轴承座(3)通过定位销(7)依次与下方的压板(4)和基板(5)连接；所述的压板(4)和基板(5)间放置有搭接在一起的两根超导带材(6)的端头，且两根超导带材(6)的端头间还夹有铟片(12)。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头，其特征在于：所述的加压轴(1)穿出固定环(8b)的上部设有拧转机构。
3.根据权利要求2所述的一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头，其特征在于：所述的拧转机构的具体构成是：加压轴(1)的侧面开有拧转孔(11)，拧转杆插接或螺纹连接于拧转孔(11)内。
4.根据权利要求1所述的一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头，其特征在于：所述的轴承座(3)和压板(4)上设有连通的冷却液注入通孔(10)。
5.根据权利要求1所述的一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头，其特征在于：所述的加压轴(1)上设有与轴承(2)内圈的上侧面接触的轴肩(1a)。
6.根据权利要求3所述的一种用于磁约束聚变磁体的高温超导带材串联接头，其特征在于：所述的加压轴(1)的上部外套有锁紧壳(9)，锁紧壳(9)的侧面开有用于插锁紧销的锁紧孔(9a)，且锁紧孔(9a)与拧转孔(11)对齐，锁紧壳(9)的侧面连有侧板(9b)；支座(8)上部的横杆(8a)上设有用于插横杆锁紧销的横杆锁紧孔(8c)，侧板(9b)上设有与横杆锁紧孔(8c)对齐的侧板锁紧孔(9c)。
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