CN116313374B - 用于磁约束装置的高温超导饼式线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，包括单饼线圈，所述单饼线圈为空心饼状线圈，包括中空磁通部和线圈部，所述中空磁通部径向向外由导体材料绕制成所述线圈部，所述线圈部包括内部线圈（I）和外部线圈（O），所述内部线圈（I）采用第一种导电带材由内向外绕制而成，所述外部线圈（O）是在所述内部线圈（I）外部采用第二种导电带材由内向外绕制而成，所述第一种导电带材采用高温超导材料。本发明提供的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，可提高高温超导磁约束装置的磁约束能力，利于实现聚变或其它需要高等离子体通量的高温超导磁约束装置，扩展了聚变反应堆等设备的设计空间。
Description
技术领域
本发明属于高温超导磁体领域，特别涉及一种用于磁约束装置的高温超导饼式线圈。
背景技术
强磁场可用于改变原子核与核外电子间的磁力距，从而改变物质的特性。而高强磁场的磁体则是许多高新技术应用领域的核心与基础装置，在诸如材料科学、粒子物理、医学成像、新能源、新交通等领域有着广泛而重要的应用前景。螺管磁体是磁体和聚变装置系统的重要组成部分，它的作用是产生和稳定磁体装置里的等离子体,保证磁体和聚变装置的安全稳定运行。而目前螺管磁体受低温超导导体强度影响，普遍磁场强度低于13T以下，磁体运行性能不高，且径向占用空间较大，难以在紧凑型强磁场和聚变堆中使用。
自1911年实验室首次发现超导现象以来，超导材料及其应用一直是当代科学技术最活跃的前沿研究领域之一。目前在磁约束装置中以低温超导材料（LTS）制造的中心螺线管（Central Solenoid，CS）磁体不仅结构不够紧凑，占地面积大，而且LTS磁体液氦温区的运行温度和复杂的电源系统大大增加了CS磁体的运行成本与系统的维护难度。其磁场也难以逾越24T的强场。
在过去的十几年间，以第二代高温超导带材为代表的高温超导电力和磁体设备的研究飞速发展，在超导储能、超导电机、超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导磁悬浮、核磁共振等领域取得显著成果。其中，第二代YBCO（钇钡铜氧）高温超导材料凭借着其较高的临界电流密度和优异的磁场特性，被视为工业界更具有应用前景的高温超导材料，已应用于大型超导电缆、大功率发电机、电动机、限流器、储能器、特别是强磁体等工业产品的研制。
随着结构紧凑、高稳定性、低损耗且运行成本较低的高温超导磁体技术的发展，其有望在用于聚变反应堆或其它需要高等离子体通量的直线等离子体设备中的磁约束装置中替代低温超导磁体。不过目前的高温超导磁体领域尚未实现真正可应用于聚变或其它需要高等离子体通量的磁约束装置的磁体。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种用于磁约束装置的高温超导饼式线圈。
本发明提供的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，包括：单饼线圈，所述单饼线圈为空心饼状线圈，包括中空磁通部和线圈部，
其中，
所述空心饼状线圈由其中心径向向外延展出的饼形中空空间形成所述中空磁通部；
所述中空磁通部径向向外由导体材料绕制成所述线圈部，所述线圈部包括内部线圈I和外部线圈O；
所述内部线圈I采用第一种导电带材由内向外绕制而成，所述内部线圈I的内端设有第一引线端L1，外端设有第二引线端L2，所述内部线圈I的各匝线圈之间由绝缘材料隔开；
所述外部线圈O是在所述内部线圈I外部采用第二种导电带材由内向外绕制而成，所述外部线圈O的内端设有第三引线端L3，外端设有第四引线端L4，所述外部线圈O的各匝线圈之间亦由所述绝缘材料隔开；
所述第一种导电带材采用高温超导材料；
所述内部线圈I和外部线圈O的安匝数相同；
所述第二引线端L2和第三引线端L3处于同一匝道，二者距离不小于线圈匝间距，并由所述绝缘材料隔开，或所述第二引线端L2和第三引线端L3处于相邻匝道或相隔一匝道；
所述第二种导电带材为高温超导材料或常温导电材料，
所述第二种导电带材采用所述高温超导材料时，所述内部线圈I的高度HH和所述外部线圈O的高度H相同；
所述第二种导电带材采用所述常温导电材料时，所述内部线圈I的高度HH和所述外部线圈O的高度H满足：1/3≤(H-HH)/HH≤2/3；
所述外部线圈O的绕制方向与所述内部线圈I的绕制方向相同或相反，所述内部线圈I用于产生用于磁约束的轴向磁场，当所述外部线圈O和所述内部线圈I绕制方向相同时，二者通入反向电流，或当所述内部线圈I和所述外部线圈O绕制方向相反时，二者通入同向电流。
进一步，
所述常温导电材料为铜。
进一步，
所述单饼线圈具有相对的第一顶面和第二顶面，所述第一引线端L1和第四引线端L4均通过贴附所述第一顶面或第二顶面且沿线圈的径向设置的引线引出。
进一步，
所述单饼线圈为N个，包括：单饼线圈A1，A2，…，AN，N为大于1的整数，
所述单饼线圈A1，A2，…，AN具有相同的对称轴且沿所述对称轴依次排列；
所述单饼线圈A1，A2，…，AN具有相同的所述内部线圈I的内半径R1和外半径R2，以及所述外部线圈O的外半径R3；
所述单饼线圈A1，A2，…，AN的外部线圈O之间并联，内部线圈I之间并联。
进一步，
设J1为整数且1≤J1≤N-1，所述单饼线圈A1，A2，…，AN中相邻的单饼线圈AJ1和AJ1+1之间的间距为D，则满足D≤H/2。
进一步，
所述单饼线圈为NN个，包括：单饼线圈B1，B2，…，BNN，NN为大于1的整数，
所述单饼线圈B1，B2，…，BNN具有相同的对称轴且沿所述对称轴依次排列；
所述单饼线圈B1，B2，…，BNN的所述内部线圈I的内半径R1和外半径R2，以及所述外部线圈O的外半径R3依次递减；
所述单饼线圈B1，B2，…，BNN各自的所述内部线圈I和外部线圈O均分别单独外接独立电源。
进一步，
设J2为整数且1≤J2≤NN-1，所述单饼线圈B1，B2，…，BNN中相邻的单饼线圈为单饼线圈BJ2和BJ2+1，且设所述单饼线圈BJ2的内部线圈I1的内半径为RI11、外半径为RI12，外部线圈O1的外半径为RO13，所述单饼线圈BJ2+1的内部线圈I2的外半径为RI22，外部线圈O2的外半径为RO23，满足：RO23≤RO13且RI11≤RI22。
进一步，
RO23≤RI12。
本发明提供的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，提高了高温超导磁约束装置的磁约束的能力，当其中的外部线圈O采用铜等现有常温导体材料时，对来自线圈外部的物理冲击提供了保护功能且令所述外部线圈便于装配至磁约束装置；本发明提供的第一多饼线圈增强了线圈所生成的磁约束磁场，相比于现有的CS线圈，更利于实现聚变或其它需要高等离子体通量的高温超导磁约束装置，扩展了聚变反应堆等设备的设计空间。尤其，本发明提供的第二多饼线圈，解决了锥台状磁约束装置杂散场或误差磁场难以抵消的问题，利于实现理想的聚变或其它需要高等离子体通量的设备。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了根据本发明实施例的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈结构示意图一；
图2示出了根据本发明实施例的外部线圈绕制带材为铜时、用于磁约束装置的高温超导饼式线圈横截面示意图；
图3示出了根据本发明实施例的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈侧视结构示意图三；
图4示出了根据本发明实施例的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈侧视结构示意图四。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
图1示出了本发明提供的第一种用于磁约束装置的高温超导饼式线圈——单饼线圈的结构示意图。参见图1可知，所述单饼线圈为空心饼状线圈，包括中空磁通部和线圈部，空心饼状线圈由其中心径向向外延展出的饼形中空空间形成中空磁通部，中空磁通部径向向外由导体材料绕制成线圈部，在线圈部接通电流后，在中空磁通部中生成用于如聚变所需磁场。中空磁通部的尺寸或者说半径依磁约束装置的配置和所需磁场而定。
所述线圈部包括内部线圈I和外部线圈O。其中，内部线圈I采用第一种导电带材由内向外绕制而成，内部线圈I的内端设有第一引线端L1，内部线圈I的外端设有第二引线端L2，内部线圈I的各匝线圈之间由绝缘材料隔开。外部线圈O是在内部线圈I外部采用第二种导电带材由内向外绕制而成，外部线圈O的绕制方向可与内部线圈I的绕制方向相同如图1所示，也可绕制方向相反。外部线圈O的内端设有第三引线端L3，外部线圈O的外端设有第四引线端L4，外部线圈O的各匝线圈之间亦由绝缘材料隔开。所述第一种导电带材采用高温超导材料如YBCO，所述第二种导电带材可为高温超导材料如YBCO、亦可为常温导电材料如铜。第二引线端L2和第三引线端L3处于同一匝道，二者距离不小于线圈匝间距，并可由绝缘材料隔开。第二引线端L2和第三引线端L3还可处于相邻匝道或相隔一匝道。内部线圈I和外部线圈O的安匝数相同。
单饼线圈具有相对的第一顶面如上顶面和第二顶面如下顶面，第一引线端L1和第四引线端L4均通过贴附单饼线圈的第一顶面或第二顶面且沿线圈的径向设置的引线引出。
内部线圈I用于产生用于磁约束的轴向磁场，但内部线圈I在产生轴向磁场的同时，也会产生第一杂散场或第一误差磁场，会影响磁约束装置中的气体击穿过程。当内部线圈I和外部线圈O绕制方向相同时，二者通入反向电流，或当内部线圈I和外部线圈O绕制方向相反时，二者通入同向电流，由于外部线圈O与内部线圈I在同一单饼线圈中相邻绕制且安匝数相同，因此，外部线圈O产生了与第一杂散场或第一误差磁场基本大小相同且完全反向的第二杂散场或第二误差磁场，从而充分抵消了第一杂散场或第一误差磁场，提高了磁约束装置的磁约束的能力。
当内部线圈I和外部线圈O均采用高温超导材料如YBCO时，内部线圈I的高度HH和外部线圈O的高度（即厚度）H相同。但考虑到现有高温超导材料如YBCO的带材的机械性能较为脆弱，对弯曲、挤压或者伸展等微小形变极为敏感，因此，外部线圈O可采用机械性能优异的常温导电材料如铜绕制而成，外部线圈O在内部线圈I外绕制而成，为内部由高温超导材料绕制而成的内部线圈I提供了良好的机械保护，明显减少了弯曲、挤压或者伸展等微小形变。此外，考虑到现有高温超导材料如YBCO的带材的带宽上限为12mm（毫米）左右，且在实际应用本发明提供的高温超导饼式线圈时，为了提高外部线圈O对来自线圈外部的物理冲击的保护能力及便于装配至磁约束装置，可令外部线圈O的高度H大于内部线圈I的高度HH，图2为相应的示意图，即图2为本发明提供的外部线圈绕制带材为铜时、用于磁约束装置的高温超导饼式线圈横截面示意图，此时，外部线圈O的高度H和内部线圈I的高度HH之间的关系优选满足：1/3≤(H-HH)/HH≤2/3。图2中虚线代表单饼线圈的对称轴，R1为内部线圈I的内半径，R2为内部线圈I的外半径及外部线圈O的内半径，R3为外部线圈O的外半径。
在实际应用上述单饼线圈时，一般工况下不会只采用一个单饼线圈，图3和图4分别示出了两种情况下，本发明提供的第二种用于磁约束装置的高温超导饼式线圈——多饼线圈的结构示意图。
所述多饼线圈包括多个（即多于一个）上述单饼线圈，图3所示为需配置线圈的部分磁约束装置为圆柱状时的第一多饼线圈的结构示意图，如图所示，第一多饼线圈包括N个上述单饼线圈A1，A2，…，AN，N为大于1的整数，单饼线圈A1，A2，…，AN具有相同的对称轴且沿对称轴依次排列，圆柱形磁约束装置贯穿于单饼线圈A1，A2，…，AN的中空磁通部。图3中，D为相邻的单饼线圈AJ1（如A1）和AJ1+1（如A2）之间的间距，为了提高第一多饼线圈所产生的磁场，实现高效的磁约束，兼顾配置磁约束装置时引线等工艺要求，D优选满足：D≤H/2。其中，J1为整数且1≤J1≤N-1。单饼线圈A1，A2，…，AN的外部线圈O之间并联或串联，优选并联，同样，线圈A1，A2，…，AN的内部线圈I之间并联或串联，优选并联。第一多饼线圈在每个单饼线圈都降低了杂散场或误差磁场的基础上，通过采用高温超导带材作为线圈绕制材料，增强了线圈所生成的磁约束磁场，磁场产生效率高于现有的CS线圈，更利于实现聚变或其它需要高等离子体通量的磁约束装置，扩展了聚变反应堆等设备的设计空间。
图4所示为需配置线圈的部分磁约束装置为锥台状（考虑到上述单饼线圈的厚度，球状、半球状磁约束装置可由多个锥台状磁约束装置拟合近似）时的第二多饼线圈的结构示意图，如图4所示，第二多饼线圈包括NN个上述单饼线圈B1，B2，…，BNN，NN为大于1的整数，单饼线圈B1，B2，…，BNN具有相同的对称轴且沿对称轴依次排列，锥台状磁约束装置贯穿于单饼线圈B1，B2，…，BNN的中空磁通部。第二多饼线圈和前述第一多饼线圈的差别在于，各单饼线圈B1，B2，…，BNN的内部线圈I的内半径R1和外半径R2，以及外部线圈O的外半径R3依次递减，具体尺寸依锥台状磁约束装置的尺寸、配置和所需磁场而定。其中，记相邻的单饼线圈BJ2（如B1）和BJ2+1（如B2）的外部线圈O分别为O1和O2，内部线圈I分别为I1和I2，则记单饼线圈BJ2的内部线圈I1的内半径为RI11、外半径为RI12，以及外部线圈O1的外半径为RO13，同时，记单饼线圈BJ2+1的内部线圈I2的内半径为RI21、外半径为RI22，以及外部线圈O2的外半径为RO23，满足RO23≤RO13优选RO23≤RI12，且RI11≤RI22。其中，J2为整数且1≤J2≤NN-1。第二多饼线圈中，单饼线圈BJ2+1中的外部线圈O2不仅抵消了内部线圈I2第一杂散场或第一误差磁场，还抵消了内部线圈I1第一杂散场或第一误差磁场，进一步提高了锥台状磁约束装置的磁约束能力。考虑到单饼线圈B1，B2，…，BNN的外部线圈O和内部线圈I的匝数需依锥台状磁约束装置的尺寸、配置和所需磁场依次调整，单饼线圈B1，B2，…，BNN各自的外部线圈O和内部线圈I均优选分别单独外接独立电源，以实现对各单饼线圈B1，B2，…，BNN中电流的精确控制。总之，第二多饼线圈中的单饼线圈BJ2+1的外部线圈O2产生的磁场，不仅可用于抵消其内部线圈I2产生的杂散场或误差磁场，还抵消了单饼线圈BJ2的内部线圈I1产生的杂散场或误差磁场，进而从总体上进一步降低了第二多饼线圈总体的杂散场或误差磁场，解决了锥台状磁约束装置杂散场或误差磁场难以抵消的问题，利于实现理想的聚变或其它需要高等离子体通量的设备。
综上，本发明提供的单饼线圈，提高了高温超导磁约束装置的磁约束能力，当其中的外部线圈O采用铜等现有常温导体材料时，对来自线圈外部的物理冲击提供了保护功能且令所述外部线圈便于装配至磁约束装置。本发明提供的第一多饼线圈增强了线圈所生成的磁约束磁场，相比于现有的CS线圈，更利于实现聚变或其它需要高等离子体通量的磁约束装置，扩展了聚变反应堆等设备的设计空间。尤其，本发明提供的第二多饼线圈解决了锥台状磁约束装置杂散场或误差磁场难以抵消的问题，利于实现理想的聚变或其它需要高等离子体通量的设备。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，其特征在于，包括：单饼线圈，所述单饼线圈为空心饼状线圈，包括中空磁通部和线圈部，
其中，
所述空心饼状线圈由其中心径向向外延展出的饼形中空空间形成所述中空磁通部；
所述中空磁通部径向向外由导体材料绕制成所述线圈部，所述线圈部包括内部线圈（I）和外部线圈（O）；
所述内部线圈（I）采用第一种导电带材由内向外绕制而成，所述内部线圈（I）的内端设有第一引线端（L1），外端设有第二引线端（L2），所述内部线圈（I）的各匝线圈之间由绝缘材料隔开；
所述外部线圈（O）是在所述内部线圈（I）外部采用第二种导电带材由内向外绕制而成，所述外部线圈（O）的内端设有第三引线端（L3），外端设有第四引线端（L4），所述外部线圈（O）的各匝线圈之间亦由所述绝缘材料隔开；
所述第一种导电带材采用高温超导材料；
所述内部线圈（I）和外部线圈（O）的安匝数相同；
所述第二引线端（L2）和第三引线端（L3）处于同一匝道，二者距离不小于线圈匝间距，并由所述绝缘材料隔开，或所述第二引线端（L2）和第三引线端（L3）处于相邻匝道或相隔一匝道；
所述第二种导电带材为高温超导材料或常温导电材料，其中，当所述第二种导电带材为常温导电材料时，所述外部线圈（O）还用于为所述内部线圈（I）提供机械保护且所述外部线圈（O）还用于装配至磁约束装置；
所述第二种导电带材采用所述高温超导材料时，所述内部线圈（I）的高度HH和所述外部线圈（O）的高度H相同；
所述第二种导电带材采用所述常温导电材料时，所述内部线圈（I）的高度HH和所述外部线圈（O）的高度H满足：1/3≤(H-HH)/HH≤2/3；
所述外部线圈（O）的绕制方向与所述内部线圈（I）的绕制方向相同或相反，所述内部线圈（I）用于产生用于磁约束的轴向磁场，当所述外部线圈（O）和所述内部线圈（I）绕制方向相同时，二者通入反向电流，或当所述内部线圈（I）和所述外部线圈（O）绕制方向相反时，二者通入同向电流。
2.根据权利要求1所述的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，其特征在于，所述常温导电材料为铜。
3.根据权利要求1-2任一所述的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，其特征在于，所述单饼线圈具有相对的第一顶面和第二顶面，所述第一引线端（L1）和第四引线端（L4）均通过贴附所述第一顶面或第二顶面且沿线圈的径向设置的引线引出。
4.根据权利要求3所述的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，其特征在于，所述单饼线圈为N个，包括：单饼线圈（A1），（A2），…，（AN），N为大于1的整数，所述单饼线圈（A1），（A2），…，（AN）具有相同的对称轴且沿所述对称轴依次排列；
所述单饼线圈（A1），（A2），…，（AN）具有相同的所述内部线圈（I）的内半径（R1）和外半径（R2），以及所述外部线圈（O）的外半径（R3）；
所述单饼线圈（A1），（A2），…，（AN）的外部线圈（O）之间并联，内部线圈（I）之间并联。
5.根据权利要求4所述的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，其特征在于，设J1为整数且1≤J1≤N-1，所述单饼线圈（A1），（A2），…，（AN）中相邻的单饼线圈AJ1和AJ1+1之间的间距为D，则满足D≤H/2。
6.根据权利要求3所述的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，其特征在于，所述单饼线圈为NN个，包括：单饼线圈（B1），（B2），…，（BNN），NN为大于1的整数，所述单饼线圈（B1），（B2），…，（BNN）具有相同的对称轴且沿所述对称轴依次排列；
所述单饼线圈（B1），（B2），…，（BNN）的所述内部线圈（I）的内半径（R1）和外半径（R2），以及所述外部线圈（O）的外半径（R3）依次递减；
所述单饼线圈（B1），（B2），…，（BNN）各自的所述内部线圈（I）和外部线圈（O）均分别单独外接独立电源。
7.根据权利要求6所述的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，其特征在于，设J2为整数且1≤J2≤NN-1，所述单饼线圈（B1），（B2），…，（BNN）中相邻的单饼线圈为单饼线圈BJ2和BJ2+1，且设所述单饼线圈BJ2的内部线圈（I1）的内半径为RI11、外半径为RI12，外部线圈（O1）的外半径为RO13，所述单饼线圈BJ2+1的内部线圈（I2）的外半径为RI22，外部线圈（O2）的外半径为RO23，满足：RO23≤RO13且RI11≤RI22。
8.根据权利要求7所述的用于磁约束装置的高温超导饼式线圈，其特征在于，RO23≤RI12。
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