CN117476306B - 快脉冲超导磁铁结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及加速器电磁铁技术领域，提供一种快脉冲超导磁铁结构，包括：铁芯；线圈组件，设置于框体的内侧；其中，线圈组件包括：相对设置的一对电缆组件；冷却管道，设置于一对电缆组件之间；且每个电缆组件由多个电缆单元并排设置；并每个电缆单元包括：多根超导线，多根超导线绞绕；绝缘层，设置于多根超导线的外侧。本发明通过线圈组件设置于铁芯框体的内侧，线圈组件内通电可生成磁场，冷却管道设置于一对电缆组件之间，每个电缆组件由多个电缆单元并排设置，相对于现有技术中的超导线直接绕制于冷却管道的外周的大载流超导电缆，可以采用小型超导电缆，所需的工作电流较小，可以使运行电流控制在2kA‑6kA左右。
Description
技术领域
本发明涉及加速器电磁铁技术领域，尤其涉及一种快脉冲超导磁铁结构。
背景技术
重离子加速器是指用来加速比α粒子重的粒子加速器，有时也可以来加速质子，通过重离子加速器可以将大量的重离子加速到很高的速度，甚至接近光速，高速的重离子形成重离子束，用来开展重离子物理研究。
快脉冲磁铁是强流重离子加速器必需的一类磁铁，其主要功能是通过快脉冲磁场使束流迅速从低能态过渡到高能态，以减少束流损失，从而获得强流重离子束流。超导磁铁以其载流能力高、功耗低等优点广泛用于加速器磁铁领域，如LHC(Large HadronCollider，LHC，大型强子对撞机)等加速器装置。快脉冲超导磁铁是加速器超导磁铁的重要组成部分之一，目前，快脉冲超导磁铁通常由使用超导电缆绕制的线圈与室温铁芯或低温铁芯(冷铁芯)构成，其中，用于绕制线圈的超导电缆结构为直接将超导线绞绕在冷却管道上，由管道内的液氦冷却液对超导电缆进行冷却，此种超导电缆的工作电流通常达到10kA以上。并且运行时需要连接室温到低温的万安级电流引线以及万安级的超导电源等配套装置。
但是，对于缺乏万安级电流引线及万安级超导电源的场合来说，具有严重的运行条件的限制。因此，运行电流为千安级的快脉冲超导磁铁的研制是十分有必要的。
发明内容
本发明提供一种快脉冲超导磁铁结构，用以解决现有技术中对于缺乏万安级电流引线及万安超导级电源的场合来说，具有严重的运行条件的限制的缺陷，实现基于小型超导电缆绕制的超导线圈与铁芯的工作电流为2kA-6kA的快脉冲超导磁铁。
本发明提供一种快脉冲超导磁铁结构，包括：
铁芯，设置为框体；
线圈组件，设置于所述框体的内侧；其中，所述线圈组件包括：
相对设置的一对电缆组件；
冷却管道，设置于一对所述电缆组件之间；且每个所述电缆组件由多个电缆单元并排设置；并每个所述电缆单元包括：
多根超导线，多根所述超导线绞绕；
绝缘层，设置于多根所述超导线的外侧。
根据本发明提供的一种快脉冲超导磁铁结构，所述电缆组件还包括：导冷件，设置于所述电缆组件和所述冷却管道之间。
根据本发明提供的一种快脉冲超导磁铁结构，所述导冷件包括铜皮。
根据本发明提供的一种快脉冲超导磁铁结构，所述铁芯包括多个硅钢片，且相邻所述硅钢片之间设置有绝缘胶。
根据本发明提供的一种快脉冲超导磁铁结构，所述铁芯的端部设置有狭缝，所述狭缝包括横向切割缝和/或纵向切割缝。
根据本发明提供的一种快脉冲超导磁铁结构，还包括端板，所述端板设置于所述铁芯端部。
根据本发明提供的一种快脉冲超导磁铁结构，所述线圈组件包括：
第一线圈，呈马鞍型，设置于所述框体的内侧的顶部；
第二线圈，呈倒马鞍型，设置于所述框体的内侧的底部；且所述第一线圈和所述第二线圈均包括相对设置的一对所述电缆组件。
根据本发明提供的一种快脉冲超导磁铁结构，所述冷却管道内流通有流动的液氦冷却液，包括超临界氦或两相流氦。
根据本发明提供的一种快脉冲超导磁铁结构，还包括焊板，所述焊板设置于所述铁芯的外侧，且所述焊板的长度与所述铁芯的长度相适配。
根据本发明提供的一种快脉冲超导磁铁结构，所述焊板包括：
多个焊角单元，所述焊角单元设置于所述铁芯的棱角处，且每个所述焊角单元的端部均设置有狭缝。
本发明提供的快脉冲超导磁铁结构，通过线圈组件设置于铁芯框体的内侧，线圈组件内通电可生成磁场，线圈组件包括相对设置的一对电缆组件，冷却管道设置于一对电缆组件之间，每个电缆组件由多个电缆单元并排设置，并每个电缆单元包括多根绞绕的超导线，绝缘层设置于多根超导线的外侧，相对于现有技术中的超导电缆直接绕制于冷却管道的外周，可以采用小型超导电缆，所需的工作电流较小，可以使运行电流控制在2kA-6kA左右。
而且，铁芯和焊板的端部设置有狭缝，能够有效减少铁芯和焊板上的涡流损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的电缆单元的结构示意图；
图2是本发明提供的线圈组件的剖视图；
图3是本发明提供的铁芯的部分结构示意图；
图4是本发明提供的快脉冲超导磁铁结构的结构示意图；
附图标记：
1、铁芯；2、线圈组件；3、端板；4、焊板；
11、狭缝；
21、电缆组件；22、冷却管道；211、电缆单元；2111、超导线；2112、绝缘层；23、导冷件；201、第一线圈；202、第二线圈。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合图1至图4描述本发明的快脉冲超导磁铁结构。
如图1、图2和图4所示，本发明实施例提供一种快脉冲超导磁铁结构，包括铁芯1和线圈组件2，其中，铁芯1设置为框体；线圈组件2设置于框体的内侧；其中，线圈组件2包括：相对设置的一对电缆组件21；冷却管道22设置于一对电缆组件21之间，用于实现对电缆组件21的冷却；且每个电缆组件21由多个电缆单元211并排设置；并且电缆单元211由多根超导线2111绞绕而成；绝缘层2112设置于多根超导线2111的外侧。
本发明实施例的快脉冲超导磁铁结构，每个电缆单元包括多根绞绕的超导线，绝缘层2112设置于多根超导线2111的外侧，相对于现有技术中的超导电缆直接绕制于冷却管道的外周，超导电缆的数量可以布置更多，即超导电缆可以采用小型超导电缆，所需的工作电流较小，可以使运行电流控制在2kA-6kA左右。其中，超导电缆是一种利用超导体制成的电缆，具有高载流、极低损耗、节约能源和环保等优势。
其中，对于磁场低于2T的加速器磁铁，通常采用铁芯主导型设计，这是由于铁芯1尚未达到饱和状态，对中心磁场的贡献较大。铁芯1形状一般采用窗口型或H型。超导线圈采用超导电缆按照一定规律进行排列，提供励磁所需的安匝数。超导电缆形式为经过换位的圆形或方形电缆。
铁芯1和线圈组件2均需工作在零下269℃的液氦温区，铁芯1和线圈组件2上布置冷却管道22，通过冷却管道22内流动的液氦对线圈组件2和铁芯1进行传导冷却。其中冷却管道22内的液氦为具有一定压力的处于迫流流动状态的冷媒，可设计成超临界态单相流或气、液两相流。结构紧凑、体积小，线圈绕制简单，非常适合应用于加速器快脉冲超导磁铁结构。
在本发明的一个实施例中，电缆组件21还包括导冷件23，设置于电缆组件21和冷却管道22之间。为了增加导冷效率，在液氦冷却管道22与电缆组件21之间增加导冷件23，使液氦冷却量快速地传导至电缆组件21中，从而减少电缆组件21与液氦之间的温差，并使温度分布均匀。从冷却管道22与超导电缆的导冷距离，导冷路径上的热阻等入手，对冷却管道22的布置进行优化设计，以满足不同磁场变化率与不同周期脉冲运行的快脉冲超导磁铁需求。
需要说明的是，冷却管道22紧挨超导电缆排布，使导冷路径最短，最大程度降低液氦与超导电缆之间的热阻。
在本发明的一个实施例中，导冷件23包括铜皮。铜具有良好的导电性和导热性，在金属中仅次于银，通过导冷件23设置为铜皮，能够提高导冷率。
在本发明的一个实施例中，在保证励磁效率的前提下，为了减少涡流损耗，铁芯1使用电导率相对低且磁导率较高的硅钢片叠片加工，以阻断沿铁芯1长度方向的涡流回路，达到降低涡损的目的。铁芯1包括多个硅钢片，且相邻硅钢片之间设置有绝缘胶。变化的磁场会在金属中感应涡流，从而产生涡流损耗，对于冷铁来说，涡流损耗是低温系统的发热源之一，需要将其优化到最小值。铁芯1采用硅钢片进行叠片加工，目的是切断大的涡流回路，从而降低涡流损耗，硅钢片之间涂抹低温胶进行绝缘。其中，硅钢是一种含硅的钢，其含硅量在0.8-4.8％，由硅钢片做成的铁芯1，是因为硅钢本身是一种导磁能力很强的磁性物质，在通电线圈中，它可以产生较大的磁感应强度，从而使电磁铁结构的体积缩小。
如图3所示，在本发明的一个实施例中，铁芯1的端部设置有狭缝，能够进一步减少涡流，阻断涡流回路。狭缝可以包括横向切割缝，也可以包括纵向切割缝，也可以是横向切割缝、纵向切割缝的结合。铁芯1端部加工狭缝，进一步减小端部磁场变化所引起的沿垂直于铁芯1长度方向的涡流。
在本发明的一个实施例中，还包括端板3，端板3设置于铁芯1端部。根据磁场变化率的大小，对端板3的涡流回路进行阻断，可以采用狭缝或挖孔的方式。其中，端板3可以采用不锈钢材质。
在本发明的一个实施例中，线圈组件2包括第一线圈201和第二线圈202，第一线圈201呈马鞍型，设置于框体的内侧的顶部；第二线圈202呈倒马鞍型，设置于框体的内侧的底部；且第一线圈201和第二线圈202均包括相对设置的一对电缆组件21。
在本发明的一个实施例中，冷却管道22内流通有液氦冷却液。液氦冷却液是一种利用液氦的特殊性质进行冷却的液体。液氦是一种最主要的低温源，被用作超级冷却剂。其表面张力很小、导热性很强、黏度极低，甚至液化后的氦可达到接近绝对零度的低温(约为-273.15℃)，这一特性，在任何低温冷源中都没有能够替代氦气作为超级冷却剂。此外，氦的化学性质稳定，几乎不与其他任何元素化合。线圈组件2运行在液氦温度，需要使用液氦进行冷却。本实施例中在冷却管道22中流动的迫流液氦对超导线2111间接传导冷却，使其达到超导态。铁芯1则单独使用在铁芯1上的液氦管道进行传导冷却。铁芯1上的液氦管道与冷却管道22上的液氦管道可以串联连接，也可以并联连接。为了减少涡流损耗，线圈骨架采用非金属高强度G10材料，G10是玻璃纤维与树脂碾压复合材料，能够承受极大的力量而不会破坏变形。
在本发明的一个实施例中，还包括焊板4，焊板4设置于铁芯1的外侧，且焊板4的长度与铁芯1的长度相适配。焊板4设置的目的为把叠片的硅钢片连接起来，虽然硅钢片之间用绝缘胶粘接，但是受力后可能会散开，焊板4把叠片的硅钢片连接起来，形成整体，以使结构更加稳定。
在本发明的一个实施例中，焊板4包括多个焊角单元，焊角单元设置于铁芯1的棱角处，且每个焊角单元的端部均设置有狭缝11，狭缝11的设置也是为了降低涡流。
本发明提供的快脉冲超导磁铁的设计方法为：
(1)根据物理设计要求，比如中心磁场、好场区范围、有效长度等作为输入参数进行电磁场设计。同时考虑预留用于线圈冷却的冷却管道22的空间，本发明采用液氦管道位于线圈截面中间的结构，超导线2111排布在冷却管道22的两侧，具体的线圈截面结构如图2所示。
(2)优化铁芯1和焊板4的涡流分布，优化超导线2111在快脉冲运行时的交流损耗，使超导磁铁上产生的交流损耗尽可能小。降低铁芯涡流损耗使用的方法是在这些部件的局部进行开槽处理形成狭缝，特别是磁铁端部，以阻隔涡流分布回路，从而达到降低涡流损耗的目的。经过开槽处理后的铁芯如图3所示。超导线2111的交流损耗来自于超导线材的磁滞损耗和耦合电流损耗，主要由超导线2111的直径与扭矩决定，可根据需求选择合适的超导线制作超导电缆。
(3)根据第(2)步计算得到的涡流损耗功率，以线圈的温度低于分流温度为目标，设计冷却管道22的大小和数量。其中铁芯单独布置冷却管道，和超导线圈的冷却管道22之间采用串联或并联连接，可使用超临界液氦或者两相流氦作为冷源。
(4)通常，根据计算结果需要进行第(1)～(3)步的迭代设计，最终达到满足物理设计要求的优化方案，最终的设计结构如图4所示。
综上，本发明实施例的快脉冲超导磁铁结构，提出一种基于小型超导电缆的超导线圈与铁芯的快脉冲超导磁铁设计，以使其运行电流控制在2kA-6kA左右，同时减少铁芯1和线圈组件2上的涡流损耗，并且使用迫流液氦对铁芯1和线圈组件2进行间接传导冷却。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“方式”、“具体方式”、或“一些方式”等的描述意指结合该实施例或方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或方式中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或方式以及不同实施例或方式的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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 (9)
1.一种快脉冲超导磁铁结构，其特征在于，包括：
铁芯(1)，提供磁回路，设置为框体；所述铁芯(1)的端部设置有狭缝(11)，所述狭缝(11)包括横向切割缝和/或纵向切割缝；
线圈组件(2)，设置于所述框体的内侧；其中，所述线圈组件(2)包括：
相对设置的一对电缆组件(21)；
冷却管道(22)，设置于一对所述电缆组件(21)之间；且每个所述电缆组件(21)由多个电缆单元(211)并排设置；并每个所述电缆单元(211)包括：
多根超导线(2111)，多根所述超导线(2111)绞绕；
绝缘层(2112)，设置于多根所述超导线(2111)的外侧。
2.根据权利要求1所述的快脉冲超导磁铁结构，其特征在于，所述电缆组件(21)还包括：
导冷件(23)，设置于所述电缆组件(21)和所述冷却管道(22)之间。
3.根据权利要求2所述的快脉冲超导磁铁结构，其特征在于，所述导冷件(23)包括铜皮。
4.根据权利要求1所述的快脉冲超导磁铁结构，其特征在于，所述铁芯(1)包括多个硅钢片，且相邻所述硅钢片之间设置有绝缘胶。
5.根据权利要求1所述的快脉冲超导磁铁结构，其特征在于，还包括端板(3)，所述端板(3)设置于所述铁芯(1)端部。
6.根据权利要求1所述的快脉冲超导磁铁结构，其特征在于，所述线圈组件(2)包括：
第一线圈(201)，呈马鞍型，设置于所述框体的内侧的顶部；
第二线圈(202)，呈倒马鞍型，设置于所述框体的内侧的底部；且所述第一线圈(201)和所述第二线圈(202)均包括相对设置的一对所述电缆组件(21)。
7.根据权利要求1所述的快脉冲超导磁铁结构，其特征在于，所述冷却管道(22)内流通有流动的液氦冷却液，包括超临界氦或两相流氦。
8.根据权利要求1所述的快脉冲超导磁铁结构，其特征在于，还包括焊板(4)，所述焊板设置于所述铁芯(1)的外侧，且所述焊板(4)的长度与所述铁芯(1)的长度相适配。
9.根据权利要求8所述的快脉冲超导磁铁结构，其特征在于，所述焊板(4)包括：
多个焊角单元，所述焊角单元设置于所述铁芯(1)的棱角处，且每个所述焊角单元的端部均设置有狭缝(11)。
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