CN113936883B - 动态低温超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导电力技术领域，公开了一种动态低温超导磁体。该超导磁体包括超导线圈、超导线圈骨架、内杜瓦、冷屏、具有外凸部分的外杜瓦和力传递杆，骨架设置在内杜瓦中并与内杜瓦连接，冷屏设置在内杜瓦外，外杜瓦设置在冷屏外且与内杜瓦之间为真空层，力传递杆从超导线圈的中心依次穿过内杜瓦和冷屏伸入外凸部分，力传递杆不与骨架和冷屏接触，外凸部分外部与运动载体连接，力传递杆包括依次连接的第一金属段、复合材料段和第二金属段，第一金属段与内杜瓦连接，第二金属段与外凸部分内部连接，在超导线圈的磁场与外部线圈的磁场相互作用产生电磁力的情况下，超导线圈受到的电磁力依次通过骨架、内杜瓦、力传递杆和外杜瓦传递至运动载体。

Description

动态低温超导磁体

技术领域

本发明涉及超导电力技术领域，尤其涉及一种动态低温超导磁体。

背景技术

超导磁体在低温下达到超导态后可以产生强磁场，利用该强磁场可以将超导磁体应用于电磁弹射、超高速磁悬浮列车等领域。以超高速磁悬浮列车中的超导直线电机为例，超导磁体作为超导直线电机的动子产生的强磁场与固定在轨道梁上的定子产生的磁场相互作用，使得超导磁体受到巨大的悬浮力、推进力以及导向力，从而实现高速磁悬浮。

在这样的应用场景中，外部磁场与超导磁体的磁场相互作用，超导磁体内部的超导线圈是最初的受力部件，需要解决的问题是如何将超导线圈受到的电磁力传递给外部车体或者其他运动部件中。然而，超导磁体内部结构较为复杂，且在高速运动的应用场景下有轻量化的设计需求，因此一种高效且可靠的传力装置是超导磁体应用于高速运动场景下的核心技术方案之一。

国内对于动态超导磁体的研究较少，而且目前大部分的超导应用中，对于超导磁体的重量以及空间限制较少，并没有设计专门的针对运动中超导磁体的传力装置，一般采用直接将超导线圈与超导磁体外壳之间通过支撑部件连接，之后运动载体再通过外部连接件与超导磁体外壳螺接或通过其他方式连接。超导磁体的传力路径为超导线圈的电磁力通过支撑部件首先传递至超导磁体的外壳上，之后再利用外部连接件(如螺栓或者其他结构件)将电磁力传递至运动载体上，从而使得运动载体发生运动。

然而，现有这样的传力结构较为简单，单独利用磁体内部的支撑部件来传递电磁力会导致该传力结构可以传递的力学载荷较小，而在超高速磁悬浮列车以及电磁弹射等应用领域，需要超导磁体传递足够大量级的电磁力，传统的传力结构无法满足结构强度要求，而且所有的传力支撑部件放置于超导磁体内部会导致超导磁体的重量以及空间均变大，无法满足超导磁体轻量化的设计需求。

发明内容

本发明提供了一种动态低温超导磁体，能够解决上述现有技术中的问题。

本发明提供了一种动态低温超导磁体，其中，该超导磁体包括超导线圈、用于绕制所述超导线圈的超导线圈骨架、内杜瓦、冷屏、具有外凸部分的外杜瓦和力传递杆，所述超导线圈骨架设置在所述内杜瓦中并与所述内杜瓦连接，所述内杜瓦中存储有用于冷却所述超导线圈的冷却介质，所述冷屏设置在所述内杜瓦外，所述外杜瓦设置在所述冷屏外且与所述内杜瓦之间为真空层，所述力传递杆从所述超导线圈的中心依次穿过所述内杜瓦和所述冷屏伸入所述外凸部分，且所述力传递杆不与所述超导线圈骨架和所述冷屏接触，所述外凸部分外部与运动载体连接，所述力传递杆包括依次连接的第一金属段、复合材料段和第二金属段，所述第一金属段与所述内杜瓦连接，所述第二金属段与所述外凸部分内部连接，在所述超导线圈的磁场与外部线圈的磁场相互作用产生电磁力的情况下，所述超导线圈受到的电磁力依次通过所述超导线圈骨架、所述内杜瓦、所述力传递杆和所述外杜瓦传递至所述运动载体。

优选地，所述复合材料段内部包裹有金属杆。

优选地，所述第一金属段与所述复合材料段连接的一端以及所述第二金属段与所述复合材料段连接的一端均具有与所述复合材料段适配的空心槽，所述复合材料段插入空心槽与所述第一金属段和所述第二金属段连接。

优选地，所述超导线圈骨架通过螺钉与所述内杜瓦连接，所述第一金属段与所述内杜瓦之间采用螺纹连接，所述第二金属段通过螺钉与所述外凸部分内部连接，所述外凸部分外部与运动载体之间采用嵌入式连接或采用螺栓连接。

优选地，所述超导线圈骨架、所述内杜瓦、所述外杜瓦、所述第一金属段和所述第二金属段的材料为钛合金。

优选地，所述复合材料段的材料为碳纤维。

优选地，所述金属杆的材料为不锈钢或钛合金。

优选地，所述冷屏的材料为铝。

通过上述技术方案，本发明的超导磁体可在超高速和高载荷环境下进行超导磁体电磁力的传递，在可靠的传导电磁力的同时最大程度的减少超导磁体系统的漏热，提高超导磁体的安全裕度。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明一种实施例的一种动态低温超导磁体的结构示意图；以及

图2示出了根据本发明一种实施例的一种力传递杆的结构示意图；

图3示出了根据本发明一种实施例的复合材料段的截面示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本发明一种实施例的一种动态低温超导磁体的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种动态低温超导磁体，其中，该超导磁体包括超导线圈1、用于绕制所述超导线圈1的超导线圈骨架2、内杜瓦3、冷屏4、具有外凸部分的外杜瓦5和力传递杆，所述超导线圈骨架2设置在所述内杜瓦3中并与所述内杜瓦3连接，所述内杜瓦3中存储有用于冷却所述超导线圈1的冷却介质，所述冷屏4设置在所述内杜瓦3外，所述外杜瓦5设置在所述冷屏4外且与所述内杜瓦3之间为真空层，所述力传递杆从所述超导线圈1的中心依次穿过所述内杜瓦3和所述冷屏4伸入所述外凸部分，且所述力传递杆不与所述超导线圈骨架2和所述冷屏4接触，所述外凸部分外部与运动载体9连接，所述力传递杆包括依次连接的第一金属段6、复合材料段7和第二金属段8，所述第一金属段6与所述内杜瓦3连接，所述第二金属段8与所述外凸部分内部连接，在所述超导线圈1的磁场与外部线圈的磁场相互作用产生电磁力的情况下，所述超导线圈1受到的电磁力依次通过所述超导线圈骨架2、所述内杜瓦3、所述力传递杆和所述外杜瓦5传递至所述运动载体9。

其中，可以通过将冷屏中部加工一个尺寸大于力传递杆尺寸的空间，使力传递杆顺利穿过冷屏，从而确保力传递杆不与超导线圈骨架和冷屏直接接触。

通过上述技术方案，力传递杆中可以部分采用复合材料，使得本发明的超导磁体可在超高速和高载荷环境下进行超导磁体电磁力的传递，在可靠的传导电磁力的同时最大程度的减少超导磁体系统的漏热，提高超导磁体的安全裕度。

其中，超导线圈1为超导磁体的核心部件，由超导线材绕制而成，超导线圈在超导态下励磁完成后可以产生强磁场，与超导磁体外部磁场相互作用可以产生电磁力。通过将超导线圈1绕制在超导线圈骨架2上，可以在超导线圈绕制与固化时起到支撑作用，同时超导线圈的电磁力首先传递给超导线圈骨架2。力传递杆将内杜瓦所受到的电磁力传递给外杜瓦，是超导磁体传力的核心部件，它连接着内杜瓦、外杜瓦以及运动载体。

在本发明中，运动载体可以根据实际的应用场景确定，本发明不对此进行限定。

根据本发明一种实施例，内杜瓦3中存储的冷却介质可以为液氦，超导线圈处于液氦温区可以达到超导态。

图2示出了根据本发明一种实施例的一种力传递杆的结构示意图。

图3示出了根据本发明一种实施例的复合材料段的截面示意图。

如图2和3所示，所述复合材料段7内部可以包裹有金属杆10。

也就是，金属杆10完全包覆在复合材料段7内，金属杆10本身不会与第一金属段6和第二金属段8接触。

由此，可以在保证低漏热的基础上同时增强力传递杆的复合材料段7的结构强度。

根据本发明一种实施例，所述第一金属段6与所述复合材料段7连接的一端以及所述第二金属段8与所述复合材料段7连接的一端均具有与所述复合材料段7适配的空心槽，所述复合材料段7插入空心槽与所述第一金属段6和所述第二金属段8连接。

也就是，复合材料段7通过过盈配合的方式与第一金属段6和第二金属段8连接。

采用复合材料段减轻了传力结构的质量，一方面复合材料段自身密度小，另外一方面复合材料段与两端金属材料段连接时金属部分需要做成空心结构来实现过盈配合，满足动态磁体的轻量化设计。

根据本发明一种实施例，所述超导线圈骨架2通过螺钉与所述内杜瓦3连接，所述第一金属段6与所述内杜瓦3之间采用螺纹连接，所述第二金属段8通过螺钉与所述外凸部分内部连接，所述外凸部分外部与运动载体9之间采用嵌入式连接或采用螺栓连接。

举例来讲，所述超导线圈骨架2可以通过6个M10螺钉与所述内杜瓦3连接，进而可以通过M10螺钉将电磁力再传递给内杜瓦3。

以上述描述的连接方式为例，超导磁体将受到的电磁力传递给运动载体的传力路径为：首先超导线圈的磁场与外界线圈的磁场相互作用，超导线圈受到电磁力；超导线圈绕制在超导线圈骨架上，因此可以将超导线圈受到的电磁力传递至超导线圈骨架上；超导线圈骨架与内杜瓦进行螺钉连接，因此超导线圈骨架的力可传递至螺钉及内杜瓦上；力传递杆通过螺纹连接和螺钉连接的方式分别连接着超导磁体的内杜瓦以及外杜瓦，同时力传递杆与外杜瓦外凸部分连接，而外凸部分与运动载体连接，由此最终可以将超导线圈受到的电磁力传递给运动载体。

根据本发明一种实施例，所述超导线圈骨架2、所述内杜瓦3、所述外杜瓦5、所述第一金属段6和所述第二金属段8的材料为钛合金。

本领域技术人员应当理解，上述描述的钛合金仅仅是示例性的，并非用于限定部分，其他高强度的非导磁材料也可以适用于本发明。

根据本发明一种实施例，所述复合材料段7的材料为碳纤维。

本领域技术人员应当理解，上述描述的碳纤维仅仅是示例性的，并非用于限定部分，其他高强度且热导率低的材料也可以适用于本发明。

根据本发明一种实施例，所述金属杆的材料为不锈钢或钛合金。

金属杆也可以为其他的高强度的非导磁材料。

根据本发明一种实施例，所述冷屏4的材料为铝。

通过采用铝板来包裹内杜瓦，可以减少处于低温的内杜瓦对环境的辐射漏热。并且，外杜瓦与内杜瓦之间为真空夹层，可以有效减少内杜瓦的热对流漏热。

举例来讲，冷屏可以选用低热导率的G10拉杆固定在内外杜瓦之间。

从上述实施例可以看出，本发明可以高效可靠的将超导线圈受到的电磁力传递给运动载体：超导线圈通过超导线圈骨架、内杜瓦、力传递杆进行力传递，最终将超导线圈的电磁力传递至运动载体上，在保证结构强度的同时，尽可能的减少了传力结构的重量以及占用空间。大大减少了超导磁体的漏热，提高了系统的安全裕度。力传递杆作为传力结构的核心部件连接着超导磁体的内外杜瓦，当超导磁体处于超导态时，内杜瓦的温度为4.2K，外杜瓦的温度可以达到室温300K，因此连接内外杜瓦的力传递杆是超导磁体系统中非常大的漏热点。本发明中在力传递杆中间采用一段高强度低热导率的复合材料部分，在既保证传力结构可靠性的同时，同时大大减少了磁体系统的漏热，提高了磁体的安全裕度。满足动态磁体的轻量化设计。此外，碳纤维与金属棒嵌套的结构既可以保证结构的强度，同时可以在一定程度上减轻传力结构的重量。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动态低温超导磁体，其特征在于，该超导磁体包括超导线圈(1)、用于绕制所述超导线圈(1)的超导线圈骨架(2)、内杜瓦(3)、冷屏(4)、具有外凸部分的外杜瓦(5)和力传递杆，所述超导线圈骨架(2)设置在所述内杜瓦(3)中并与所述内杜瓦(3)连接，所述内杜瓦(3)中存储有用于冷却所述超导线圈(1)的冷却介质，所述冷屏(4)设置在所述内杜瓦(3)外，所述外杜瓦(5)设置在所述冷屏(4)外且与所述内杜瓦(3)之间为真空层，所述力传递杆从所述超导线圈(1)的中心依次穿过所述内杜瓦(3)和所述冷屏(4)伸入所述外凸部分，且所述力传递杆不与所述超导线圈骨架(2)和所述冷屏(4)接触，所述外凸部分外部与运动载体(9)连接，所述力传递杆包括依次连接的第一金属段(6)、复合材料段(7)和第二金属段(8)，所述第一金属段(6)与所述内杜瓦(3)连接，所述第二金属段(8)与所述外凸部分内部连接，在所述超导线圈(1)的磁场与外部线圈的磁场相互作用产生电磁力的情况下，所述超导线圈(1)受到的电磁力依次通过所述超导线圈骨架(2)、所述内杜瓦(3)、所述力传递杆和所述外杜瓦(5)传递至所述运动载体(9)，所述冷却介质为液氦。

2.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述复合材料段(7)内部包裹有金属杆(10)。

3.根据权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，所述第一金属段(6)与所述复合材料段(7)连接的一端以及所述第二金属段(8)与所述复合材料段(7)连接的一端均具有与所述复合材料段(7)适配的空心槽，所述复合材料段(7)插入空心槽与所述第一金属段(6)和所述第二金属段(8)连接。

4.根据权利要求3所述的超导磁体，其特征在于，所述超导线圈骨架(2)通过螺钉与所述内杜瓦(3)连接，所述第一金属段(6)与所述内杜瓦(3)之间采用螺纹连接，所述第二金属段(8)通过螺钉与所述外凸部分内部连接，所述外凸部分外部与运动载体(9)之间采用嵌入式连接或采用螺栓连接。

5.根据权利要求4所述的超导磁体，其特征在于，所述超导线圈骨架(2)、所述内杜瓦(3)、所述外杜瓦(5)、所述第一金属段(6)和所述第二金属段(8)的材料为钛合金。

6.根据权利要求5所述的超导磁体，其特征在于，所述复合材料段(7)的材料为碳纤维。

7.根据权利要求6所述的超导磁体，其特征在于，所述金属杆的材料为不锈钢或钛合金。

8.根据权利要求7所述的超导磁体，其特征在于，所述冷屏(4)的材料为铝。