CN114360846B - 一种多线圈组合的高场超导磁体及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多线圈组合的高场超导磁体及其制作方法。所述高场超导磁体包括不同超导材料形成的第一超导线圈(4)、第二超导线圈(5)、第三超导线圈(6)，还包括第一超导线圈骨架(1)、第二超导线圈骨架(2)、第三超导线圈骨架(3)、所述高场超导磁体共同的端板(11)、导冷带(14)、低熔点金属(16)。通过对各超导线圈之间的间隙填充低熔点金属，并在各超导线圈骨架上插入导冷带而形成整体的高场超导磁体。本发明结构简单，通过低熔点金属的加入，提高强磁场超导磁体中超导线的排布密度，提高超导线圈总的电流密度，提高中心场强。同时，本发明操作简单，成本低廉，适用于大批量产业化制造。

Description

一种多线圈组合的高场超导磁体及其制作方法

技术领域

本发明属于超导磁体领域，具体涉及一种多线圈组合的高场超导磁体及其制作方法。

背景技术

超导材料是当温度降低到超导临界转变温度以后，超导材料内部的电阻突然降为零的一种特殊的材料。利用超导材料制备成的超导体在临界温度以下能够承载较大的电流，这是超导体的零电阻和大电流特性。超导磁体是超导材料的非常重要的应用场合之一。超导磁体是首先利用超导材料制备超导线，将超导线绕制成线圈，在线圈上励磁通电，就会在线圈中间产生磁场。其中，螺线管形超导磁体是最常用的产生强磁场的超导磁体的形式，螺线管超导磁体的中心孔能够产生轴向磁场，用于需要高磁场的场合，例如材料制备，金属冶炼和核磁共振等。

目前比较工程化的超导材料可根据临界温度的高低分为低温超导材料和高温超导材料。低温超导材料的代表是铌钛和铌三锡超导材料。铌钛和铌三锡超导材料的主要区别是临界点的不同，包括不同的临界转变温度和临界场。其中，铌钛超导材料的临界温度为8K-10K，而铌三锡超导材料的临界温度为18K以上。铌钛超导材料在液氦温区的临界磁场约为11T，而铌三锡超导材料在液氦温区的的临界温度为25T以上。高温超导材料的代表为Bi系材料和REBCO系材料等。高温超导材料的临界温度和临界场比低温超导材料要高，在液氮温区就显示出了超导体的性质。其中，YBCO高温超导材料的临界转变温度大于90K，而Bi系超导材料的临界转变温度约为110K。Bi系材料和REBCO系材料在液氦温区的临界磁场要比低温超导材料高很多。

根据不同超导材料的临界温度和临界场的区别，高场超导磁体一般是由多种超导材料组成的超导线圈的内插组合，将不同超导材料绕制的超导线圈组成同心圆，低磁场区域布置临界场较低的低温超导线圈，包括铌钛超导线圈和铌三锡超导线圈。高磁场低磁场区域布置临界场较高的高温超导线圈，如YBCO超导线圈。通过这种组合配置方式，不同区域的超导线圈都将对中心磁场有做大的贡献，因此能够产生最高的中心磁场。

其中，每种超导材料绕制成的超导线圈是将超导线绕制在圆柱形骨架上面，超导线圈绕制完成后，在超导线圈的最外层绕制绑扎层。其中，绑扎层是对超导线圈励磁通电时，能够有效地降低超导线圈内部的环向应力，增大超导线圈的安全裕度，降低超导线圈失超的风险。为了尽可能提高中心场，需要在超导线圈的设计上增大电流密度，在有限的空间上绕制更多的超导线。因此，用于绕制超导线圈的骨架一般具有薄壁结构，以此来减少超导线圈骨架所占的空间。超导线圈的骨架同时起到支撑超导线圈和导冷的目的，壁厚太小的超导线圈骨架不能起到良好的导冷效果，因此，超导线圈骨架的设计是兼顾超导线圈支撑和导冷的目的。超导线圈的性能与超导线圈的工作温度有密切关系，工作温度越低，温度裕度越大，超导线圈的通电载流能力越大，能够产生的磁场越大。因此，需要对超导线圈的骨架进行优化设计，争取达到最优的导冷效果，从而产生最高的磁场。

超导线圈外层绑扎层的设计，需要在满足径向绑扎力的同时，尽量减小绑扎层的厚度，来增大超导线圈的厚度，因此增大超导线圈的电流密度。每个超导线圈绕制完成后，需要将多个超导线圈嵌套组合，组成一套同轴的多超导线圈组成的超导磁体组合。因此，为满足超导磁体的安装需要，超导线圈的尺寸上需要留出装配间隙，保证小尺寸的超导线圈成功插入大尺寸的超导线圈的中心孔内。

高场超导磁体的设计需要在满足骨架厚度，绑扎层厚度以及装配间隙等的要求，而高场超导磁体的空间利用率是非常重要的，在如此高的磁场下，提高空间率对于提高中心磁场是不容忽视的。

发明内容

为了克服现有技术的强磁场超导磁体中超导线圈骨架，绑扎层和装配间隙占用超导磁体较多有用空间的问题，利用低熔点金属同时补偿超导线圈的骨架厚度，增大超导线圈的导冷效果，同时降低超导线圈通电励磁时的环向应力，本发明提出一种多线圈组合的高场超导磁体及其制作方法。

本发明的目的是通过下述技术方案而实现的：

一种多线圈组合的高场超导磁体，其特征在于：包括不同超导材料形成的第一超导线圈、第二超导线圈、第三超导线圈，还包括第一超导线圈骨架、第二超导线圈骨架、第三超导线圈骨架、所述高场超导磁体共同的端板、导冷带、低熔点金属；其中，所述第一超导线、第二超导线圈、第三超导线圈分别绕制在所述第一超导线圈骨架、第二超导线圈骨架、第三超导线圈骨架上；所述第一、第二、第三超导线圈具有同轴结构，安装在所述端板不同的径向位置；所述第一、第二、第三超导线圈骨架均具有上端板法兰和下端板法兰；所述上端板法兰加工成多牙结构，牙顶和牙底形成槽；所述下端板法兰带有圆环形凸台；所述第一、第二、第三超导线圈绕制完成后，均在各自的外层绕制绑扎层；所述绑扎层外部设有绝缘层；所述端板为圆柱形结构，其上表面开有圆环形槽，用于嵌入所述圆环形凸台从而使得所述第一、第二、第三超导线圈骨架安装在所述端板上；所述第一、第二、第三超导线圈之间的缝隙通过所述槽填充有所述低熔点金属；所述上端板法兰的槽内插有所述导冷带。

进一步地，所述槽的宽度为2-10mm，深度为5-10mm。

进一步地，所述绑扎层选用金属材料。

进一步地，所述端板采用高导热材料制作。

进一步地，所述低熔点金属采用熔点低于150℃的金属。

进一步地，所述导冷带为高纯铜编织带。

进一步地，所述金属材料为不锈钢丝、铜丝或铝丝。

进一步地，所述高导热材料为高纯铜或铝合金。

进一步地，所述熔点低于150℃的金属为伍德合金或铅锡合金。

本发明还包括一种多线圈组合的高场超导磁体的制作方法，其包括如下步骤：

(1)将所述第一、第二、第三超导线圈的各自的超导线圈骨架的上端板法兰加工成多牙的结构，牙顶和牙底空间形成槽，用于低熔点金属的灌注；在各超导线圈骨架的下端板法兰上加工圆环形凸台；

(2)所述第一、第二、第三超导线圈绕制完成后，在各自的外层绕制绑扎层；所述绑扎层绕制完成后，在所述绑扎层外侧绕制绝缘层；

(3)所述绝缘层制备完成后，按照尺寸大小，依次将所述第一、第二、第三超导线圈放在所述端板上；所述端板上开有的多个圆环形槽用于嵌入所述下端板法兰上的圆环形凸台，进行所述第一、第二、第三超导线圈的装配定位；在所述第三超导线圈外安装一个可以分体的模具外筒，确保所述高场超导磁体的外形轮廓；

(4)将所述高场超导磁体连同所述端板一起放到加热台上，进行加热；将所述低熔点金属通过所述第一、第二、第三超导线圈的所述上端板法兰上的槽浇注到彼此的间隙内；

(5)在所述上端板法兰的槽内插入所述导冷带；然后随着所述低熔点金属的凝固，所述导冷带与所述高场超导磁体一同固化成一个整体；

(6)将固化后的所述高场超导磁体连同所述端板从所述加热台取下，去掉最外层的模具外筒，并清除所述高场超导磁体周边多余的凝固金属，将所述导冷带连接到所述制冷媒介上，最后得到所述多线圈组合的高场超导磁体。

有益效果：

为了提高空间利用率，同时兼顾超导线圈导冷，降低通电时的环向应力，以及方便装配等，本发明提出一种多线圈组合的高场超导磁体，将超导线圈的骨架端板加工成多牙的结构，牙顶用于线圈尺寸的定位和定形，牙顶和牙底形成通槽，用于液态金属的灌注。将多个超导线圈装配完成后，利用超导线圈骨架端板的槽，向超导线圈的间隙内浇注低熔点金属。浇注完成后在槽间隙插入高纯的铜编织带，用于线圈导冷。待低熔点金属固化后，多个超导线圈将固化成一个超导磁体组合，超导线圈之间的金属层能够一方面能够对超导线圈起到绑扎加强的作用，一方面通过高导冷的铜编织带将冷量传递到制冷媒介上。

通过建造这样的一种多线圈组合的高场超导磁体，利用低熔点金属的特点，能够在一定程度上起到导冷和降低超导线圈环向应力的作用，因此能够补偿超导线圈骨架和绑扎层对超导线圈的作用，从而减小超导线圈骨架和绑扎层的尺寸，从而增大超导线圈的空间占用，增大超导电流的电流密度，提高中心场强。

也就是说，本发明中采用的多线圈组合的高场超导磁体，用低熔点金属作为多个超导线圈的中间填充层，起到超导线圈的外层绑扎层对超导线圈的绑扎作用，通过低熔点金属层连接导冷带，有利于超导磁体的导冷，从而增大超导磁体的安全裕度。同时，低熔点金属层只占用本身存在的超导线圈之间的间隙，减小绑扎层和超导线圈的骨架的空间，有利于提高超导磁体的电流密度，提高中心磁场，特别适合需要产生高临界磁场的强磁场领域。本发明装置结构简单，操作简单，成本低廉，适用于大批量产业化制造。

附图说明

图1本发明的超导线圈骨架示意图；

图2本发明的绕制完成的超导线圈示意图；

图3本发明的多个超导线圈嵌套组合示意图；

图4本发明的高场超导磁体共同的端板示意图；

图5本发明的超导磁体装配示意图；

图6本发明的浇注低熔点金属后的高场超导磁体示意图。

其中：第一超导线圈骨架1、第二超导线圈骨架2、第三超导线圈骨架3、第一超导线圈4、第二超导线圈5、第三超导线圈6、上端板法兰7、槽8、下端板法兰9、圆环形凸台10、端板11、圆环形槽12、加热台13、导冷带14、模具外筒15、低熔点金属16、绑扎层17、绝缘层18。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1-6所示，本发明的一种多线圈组合的高场超导磁体，包括不同超导材料组成的第一超导线圈4、第二超导线圈5、第三超导线圈6、第一超导线圈骨架1、第二超导线圈骨架2、第三超导线圈骨架3、高场超导磁体共同的端板11和导冷带14等。其中，所述第一超导线圈4绕制在所述第一超导线圈骨架1上。不同的第一、第二、第三超导线圈4、5、6具有同轴结构，安装在所述端板11不同的径向位置，根据超导材料的临界场进行配置。所述第一超导线圈骨架1具有上端板法兰7和下端板法兰9，所述上端板法兰7加工成多牙结构，其牙顶和牙底形成槽8，用于低熔点金属16的灌注。所述牙顶用于各超导线圈尺寸的定位和定形。所述槽8的宽度为2-10mm，深度为5-10mm。所述下端板法兰9带有圆环形凸台10，用于安装定位。所述第一超导线圈4绕制完成后，在所述第一超导线圈4外层绕制绑扎层17。所述绑扎层17的材料选用金属材料，包括不锈钢丝，铜丝，铝丝等。对绕制后的各超导线圈均进行绑扎，可减小各超导线圈通电励磁时的环向应力的作用。所述绑扎层17可根据设计需求，减小其厚度，并通过灌注的低熔点金属16补偿。所述绑扎层17绕制完成后，在所述绑扎层17外侧绕制绝缘层18。所述绝缘层18采用绝缘膜制作，如聚酰亚胺膜，用于各超导线圈的绝缘。所述绝缘层18的厚度在微米级别到几十微米级别，用于对于热量的阻隔。

第一、第二、第三超导线圈4-6的绝缘层18制备完成后，按照尺寸大小，依次将第一、第二、第三超导线圈4-6放在所述高场超导磁体共同的端板11上。所述高场超导磁体共同的端板11为圆柱形结构，采用高导热材料制作，包括高纯铜和铝合金等。所述第二超导线圈2和第三超导线圈3与所述第一超导线圈1结构相同，直径不同。所述端板11的上表面开有多个圆环形槽12用于嵌入第一、第二、第三超导线圈骨架1-3上各自的圆环形凸台10以进行定位。将连同第一、第二、第三超导线圈骨架1-3安装在所述高场超导磁体共同的所述端板11上。然后将所述端板11放置在所述加热台13上，所述加热台13用于对所述高场超导磁体进行加热，加热温度不高于150℃，防止温度过高对于各超导线圈的超导性能产生影响。然后在最外层的第三超导线圈6的外层安装两瓣结构的模具外筒15，所述模具外筒15为两瓣分体结构，用于保证所述高场超导磁体的外形轮廓。通过各超导线圈顶部的上端板法兰7上的槽8从第一、第二、第三超导线圈骨架1-3上方向各超导线圈之间的缝隙填充融化的低熔点金属16。所述低熔点金属16采用熔点低于150℃的金属，包括伍德合金，铅锡合金等。所述加热台13加热到所述低熔点金属16的熔点以上。所述低熔点金属16的液面高于所述上端板法兰7后，在所述上端板法兰7的槽8内插入所述导冷带14。所述导冷带14的材料采用高纯铜编织带。所述导冷带14具有良好的导冷性，并且柔软可随意弯曲，能够在各超导线圈的装配过程中方便的排布位置，便捷的连接到制冷媒介上。待所述低熔点金属16固化后，第一、第二、第三超导线圈4-6将固化成一个高场超导磁体，所述导冷带14和所述高场超导磁体共同浇注成一个整体。各超导线圈之间的所述低熔点金属16形成的层一方面能够对各超导线圈起到绑扎加强的作用，一方面通过高导冷的铜编织带将冷量传递到所述制冷媒介上。所述端板11采用导冷效果良好的高纯铜制作，在所述高场超导磁体的使用过程中，所述端板11通过连接到制冷媒介上，用于对整个超导磁体进行导冷。

本发明的多线圈组合的高场超导磁体的制作过程如下：

(1)将所述第一、第二、第三超导线圈4-6的各自的超导线圈骨架的上端板法兰7加工成多牙的结构，牙顶和牙底空间形成槽8，用于低熔点金属16的灌注。各超导线圈骨架的下端板法兰9加工成带有圆环形凸台10的形状。上、下端板法兰7，9中间用于各自的超导线圈的绕制。

(2)所述第一、第二、第三超导线圈4-6绕制完成后，在所述第一、第二、第三超导线圈4-6的外层绕制绑扎层17。所述绑扎层17绕制完成后，在所述绑扎层17外侧绕制绝缘层18。

(3)所述第一、第二、第三超导线圈4-6的绝缘层18制备完成后，按照尺寸大小，依次将所述第一、第二、第三超导线圈4-6放在所述高场超导磁体共同的端板11上。所述端板11上开有多个圆环形槽12用于嵌入各超导线圈4-6的下端板法兰9上的圆环形凸台10，进行所述第一、第二、第三超导线圈4-6的装配定位。在第三超导线圈6外安装一个可以分体的模具外筒15，确保所述高场超导磁体的外形轮廓。

(4)所述第一、第二、第三超导线圈4-6在所述端板11上装配完成后，将所述高场超导磁体连同所述端板11一起放到所述加热台13上，进行加热。将所述低熔点金属16通过所述第一、第二、第三超导线圈4-6的所述上端板法兰7上的槽8浇注到各超导线圈4-6的间隙内。

(5)在所述第一、第二、第三超导线圈4-6的上端板法兰7的槽8内插入导冷带14。然后随着所述低熔点金属16的凝固，所述导冷带14与所述高场超导磁体一同固化成一个整体。

(6)将固化后的所述高场超导磁体连同所述端板11从所述加热台13取下，去掉最外层的模具外筒15，并清除所述高场超导磁体周边多余的凝固金属，将所述导冷带14连接到所述制冷媒介上，最后得到所述多线圈组合的高场超导磁体。

以下通过两个实施例进一步描述本发明的技术方案。

实施例一

第一超导线圈4的材料为铌钛超导材料、第二超导线圈5的材料为铌三锡超导材料、第三超导线圈6的材料为钇钡铜氧超导材料。第一、第二、第三超导线圈骨架1、2、3的上端板法兰7加工成多牙的结构，牙顶和牙底空间形成槽8，槽8宽2mm，深10mm。下端板法兰9带有圆环形凸台10，用于安装定位。第一超导线圈4绕制完成后，在其外层绕制绑扎层17。绑扎层17材料采用不锈钢。所述绑扎层17绕制完成后，在绑扎层17外侧绕制绝缘层18。绝缘层18采用40微米的聚酰亚胺胶带。各超导线圈4-6的绝缘层18制备完成后，按照尺寸大小，依次将各超导线圈4-6放在所述高场超导磁体共同的端板11上。端板11上表面开的环形槽12内嵌入各超导线圈骨架1-3上的圆环形凸台10。端板11采用导冷效果良好的高纯铜制作。然后将端板11放置在加热台13上，用于对所述高场超导磁体进行加热到100℃。然后在第三超导线圈3的外层安装两瓣结构的模具外筒15。从各超导线圈骨架上的槽8向各超导线圈之间的缝隙填充融化的低熔点金属16——伍德合金。所述伍德合金的液面高于各超导线圈骨架的上端板法兰7后，从上端板法兰7的8槽内插入导冷带14，导冷带14材料采用高纯铜编织带。待低熔点金属16固化后，将导冷带14和超导磁体共同浇注成一个整体。

实施例二

第一超导线圈4的材料为铌钛超导材料、第二超导线圈5材料为铌三锡超导材料、第三超导线圈6材料为Bi超导材料。第一、第二、第三超导线圈骨架1-3的上端板法兰7加工成多牙的结构，牙顶和牙底空间形成槽8，槽8宽10mm，深5mm。所述绑扎层17材料采用铜丝。所述绝缘层18采用40微米的特氟龙胶带。所述加热台13对所述高场超导磁体进行加热到120℃。所述低熔点金16为铅锡合金。其余均与实施例一相同。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多线圈组合的高场超导磁体，其特征在于：包括不同超导材料形成的第一超导线圈（4）、第二超导线圈（5）、第三超导线圈（6），还包括第一超导线圈骨架（1）、第二超导线圈骨架（2）、第三超导线圈骨架（3）、所述高场超导磁体共同的端板（11）、导冷带（14）、低熔点金属（16）；其中，所述第一超导线圈（4）、第二超导线圈（5）、第三超导线圈（6）分别绕制在所述第一超导线圈骨架（1）、第二超导线圈骨架（2）、第三超导线圈骨架（3）上；所述第一、第二、第三超导线圈（4）、（5）、（6）具有同轴结构，安装在所述端板（11）不同的径向位置；所述第一、第二、第三超导线圈骨架（1）、（2）、（3）均具有上端板法兰（7）和下端板法兰（9）；所述上端板法兰（7）加工成多牙结构，牙顶和牙底形成槽（8）；所述下端板法兰（9）带有圆环形凸台（10）；所述第一、第二、第三超导线圈（4）、（5）、（6）绕制完成后，均在各自的外层绕制绑扎层（17）；所述绑扎层（17）外部设有绝缘层（18）；所述端板（11）为圆柱形结构，其上表面开有圆环形槽（12），用于嵌入所述圆环形凸台（10）从而使得所述第一、第二、第三超导线圈骨架（1）、（2）、（3）安装在所述端板（11）上；所述第一、第二、第三超导线圈（4）、（5）、（6）之间的缝隙通过所述槽（8）填充有所述低熔点金属（16）；所述上端板法兰（7）的所述槽（8）内插有所述导冷带（14）；

所述槽（8）的宽度为2-10mm，深度为5-10mm；

所述牙顶用于线圈尺寸的定位和定形，牙顶和牙底形成通槽，用于液态金属的灌注；将多个超导线圈装配完成后，利用超导线圈骨架端板的槽，向超导线圈的间隙内浇注低熔点金属；浇注完成后在槽间隙插入高纯的铜编织带，用于线圈导冷；待低熔点金属固化后，多个超导线圈固化成一个超导磁体组合，超导线圈之间的金属层能够对超导线圈起到绑扎加强的作用，且通过高导冷的铜编织带将冷量传递到制冷媒介上。

2.根据权利要求1所述的多线圈组合的高场超导磁体，其特征在于：所述绑扎层（17）选用金属材料。

3.根据权利要求1所述的多线圈组合的高场超导磁体，其特征在于：所述端板（11）采用高导热材料制作。

4.根据权利要求1所述的多线圈组合的高场超导磁体，其特征在于：所述低熔点金属（16）采用熔点低于150℃的金属。

5.根据权利要求1所述的多线圈组合的高场超导磁体，其特征在于：所述导冷带（14）为高纯铜编织带。

6.根据权利要求2所述的多线圈组合的高场超导磁体，其特征在于：所述金属材料为不锈钢丝、铜丝或铝丝。

7.根据权利要求3所述的多线圈组合的高场超导磁体，其特征在于：所述高导热材料为高纯铜或铝合金。

8.根据权利要求4所述的多线圈组合的高场超导磁体，其特征在于：所述熔点低于150℃的金属为伍德合金或铅锡合金。

9.根据权利要求1-8之一所述的多线圈组合的高场超导磁体的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将所述第一、第二、第三超导线圈（4）、（5）、（6）的各自的超导线圈骨架的上端板法兰（7）加工成多牙的结构，牙顶和牙底空间形成槽（8），用于低熔点金属（16）的灌注；在所述各自的超导线圈骨架的下端板法兰（9）上加工出圆环形凸台（10）；

（2）所述第一、第二、第三超导线圈（4）、（5）、（6）绕制完成后，在各自的外层绕制绑扎层（17）；所述绑扎层（17）绕制完成后，在所述绑扎层（17）外侧绕制绝缘层（18）；

（3）所述绝缘层（18）制备完成后，按照尺寸大小，依次将所述第一、第二、第三超导线圈（4）、（5）、（6）放在所述端板（11）上；所述端板（11）上开有的多个圆环形槽（12）用于嵌入所述下端板法兰（9）上的圆环形凸台（10），进行所述第一、第二、第三超导线圈（4）、（5）、（6）的装配定位；在所述第三超导线圈（6）外安装一个可以分体的模具外筒（15），确保所述高场超导磁体的外形轮廓；

（4）将所述高场超导磁体连同所述端板（11）一起放到加热台（13）上，进行加热；将所述低熔点金属（16）通过所述第一、第二、第三超导线圈（4）、（5）、（6）的所述上端板法兰（7）上的槽（8）浇注到彼此的间隙内；

（5）在所述上端板法兰（7）的槽（8）内插入所述导冷带（14）；然后随着所述低熔点金属（16）的凝固，所述导冷带（14）与所述高场超导磁体一同固化成一个整体；

（6）将固化后的所述高场超导磁体连同所述端板（11）从所述加热台（13）取下，去掉最外层的模具外筒（15），并清除所述高场超导磁体周边多余的凝固金属，将所述导冷带（14）连接到所述制冷媒介上，最后得到所述多线圈组合的高场超导磁体。