CN117649993A - 一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈 - Google Patents

Abstract

本申请涉及高温超导磁体技术领域，具体为一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，包括上超导线圈组及下超导线圈组，所述上超导线圈组与所述下超导线圈组中均包括上法兰盘与下法兰盘，在所述上法兰盘与所述下法兰盘之间夹设有若干层双饼线圈，所述双饼线圈由上至下依次通过铜接头相互连接；在相邻所述双饼线圈之间、所述上法兰盘与所述双饼线圈之间、所述下法兰盘与所述双饼线圈之间均设置有导冷片。与现有技术相比较，本申请提出的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其设置有侧面导冷板和导冷块，质量相对较大，可以储存较多的冷量，能够快速将制冷机的冷量通过侧面导冷板传递到高温超导磁体的内部，同时也有热沉作用。

Description

一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈

技术领域

本申请涉及高温超导磁体技术领域，具体为一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈。

背景技术

超导磁体因其能够在小体积内产生高磁场的特点，可应用于核磁共振、超导储能、加速器和聚变反应等，这是使用普通电阻导体不可能实现的。

低温超导在高场下载流能力衰退严重，不能产生10特斯拉以上的强磁场。而且需在昂贵的液氦环境下工作；室温超导要在1GPa(1万倍左右的大气压)下才能够实现超导态，目前很难实现。而高温超导材料高场载流能力最强，是产生极高磁场的最佳选择。而且临界温度较高，可以在液氮环境中工作，适用范围广且价格低廉。因此，高温超导实现产业化应用的前景更为广阔。

亥姆霍兹线圈(He lmholtz coi l)是一种制造小范围区域均匀磁场的器件，其具有结构简单、耗电较小等特点。使用氦姆霍兹线圈进行磁测量实验，可以得到磁场数值较小但均匀度较好的匀强磁场。氦姆霍兹线圈环上运行电流方向和大小相同，当两线圈之间的距离和线圈半径相等时，线圈的磁场均匀性比较好。因此在超导技术领域和物理研究方面的匀强磁场应用广泛。

但是目前的亥姆霍兹线圈组中制冷结构不合理，导致其制冷效率低下；此外，亥姆霍兹线圈的带材在上下两层线圈之间由于需要跨层，这样会使得带材发生侧向扭曲，然而较大的侧向扭曲会引带材载流能力的退化。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本申请的目的在于提供一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，以解决背景技术中提及的中制冷结构不合理以及带材发生侧向扭曲导致载流能力的退化的问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，包括上超导线圈组及下超导线圈组，所述上超导线圈组与所述下超导线圈组中均包括上法兰盘与下法兰盘，在所述上法兰盘与所述下法兰盘之间夹设有若干层双饼线圈，所述双饼线圈由上至下依次通过铜接头相互连接；

在相邻所述双饼线圈之间、所述上法兰盘与所述双饼线圈之间、下法兰盘与所述双饼线圈之间均设置有导冷片。

进一步，在所述双饼线圈的两侧设置有与所述双饼线圈高度一致的导冷块，在相邻所述导冷块之间、所述上法兰盘与所述导冷块之间、所述下法兰盘与所述导坑块之间均夹住所述导冷片的夹持端。

进一步，所述导冷块、所述导冷片、所述上法兰盘、所述下法兰盘通过不锈钢轴相贴合固定。

进一步，所述导冷块的外侧面设置有螺纹孔，通过所述螺纹孔将所述导冷块与侧面导冷板相连接，所述侧面导冷板还与制冷机相连接。

进一步，在所述上法兰盘与所述导冷片之间、所述下法兰盘盘与所述导冷片之间均设置有聚四氟乙烯垫片。

进一步，在所述上法兰盘与所述下法兰盘盘上还设置有两组相对的铜接头安装座，所述铜接头均通过螺栓固定于所述铜接头安装座上。

进一步，所述铜接头依次交叉设置于两组相对的所述铜接头安装座上。

进一步，所述铜接头与所述双饼线圈的带材相连接的面为斜面，且所述斜面与带材引出方向所在面相切。

进一步，所述双饼线圈包括上环氧板与下环氧板，所述上环氧板与所述下环氧板之间夹设有上层单饼线圈与下层单饼线圈，所述上层单饼线圈中的带材与所述下层单饼线圈中的带材相连接。

进一步，在所述上层单饼线圈与所述下层单饼线圈之间还设置有聚酰亚胺薄板。

与现有技术相比较，本申请提出的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其设置有侧面导冷板和导冷块，质量相对较大，可以储存较多的冷量，能够快速将制冷机的冷量通过侧面导冷板传递到高温超导磁体的内部，同时也有热沉作用。此外，简单合理的铜接头布置，保证双饼线圈与双饼线圈之间串联引线过渡焊接超导带材不受损。且铜接头横截面积大，电阻小，产生的焦耳热少。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈的主视结构示意图。

图2为本申请实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈的立体结构示意图。

图3为本申请实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中导冷片的结构示意图。

图4为本申请实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中一侧铜接头安装座的结构示意图。

图5为本申请实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中另一侧铜接头安装座的结构示意图。

图6为本申请实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中双饼线圈相互连接的结构示意图。

图7为本申请实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中双饼线圈的结构示意图。

图8为本申请实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中单饼线圈设置于铜骨架上的结构示意图。

图中示意如下：

100、上法兰盘；200、下法兰盘；300、双饼线圈；400、铜接头安装座；500、侧面导冷板；600、不锈钢轴；310、带材；320、铜骨架；330、上环氧板；340、下环氧板；350、上层单饼线圈；360、下层单饼线圈；370、聚酰亚胺薄板；410、铜接头；411、第一铜接头；412、第二铜接头；413、第三铜接头；414、第四铜接头；415、第五铜接头；416、第六铜接头；417、第七铜接头；420、正极接头；430、负极接头；510、导冷块；520、导冷片；521、夹持端；530、聚四氟乙烯垫片；540、螺纹孔。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-2所示，本申请的实施例提供了一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，该高温超导亥姆霍兹磁体线圈包括上超导线圈组及下超导线圈组，上超导线圈组与下超导线圈组具有相同的结构组成，二者均包括上法兰盘100与下法兰盘200，在上法兰盘100与下法兰盘200之间夹设有三组双饼线圈300；当然本申请中并不限定是三组双饼线圈300，其它数量的双饼线圈300也在本申请的保护范围之内。

如图7和图8所示，在本申请上述实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中，每组双饼线圈300包括上环氧板330与下环氧板340，所述上环氧板330与所述下环氧板340之间夹设有上层单饼线圈350与下层单饼线圈360，所述上层单饼线圈350中的带材310与所述下层单饼线圈360中的带材310相连接；此外，上层单饼线圈350与下层单饼线圈360均沿着铜骨架320绕制，具体来说铜骨架320的骨架材料为黄铜，黄铜具有良好的导热性能，有利于上层单饼线圈350与下层单饼线圈360失超时将产生的热量迅速排走。在本实施例中，采用上层单饼线圈350与下层单饼线圈360的双层线圈绕制可以减少接头的数量，同时带材310的接头都位于圆圈外侧可以便于后期焊接、组装。在本申请上述实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中，铜骨架320和下环氧板340通过螺纹连接固定在一起，上层单饼线圈350和下层单饼线圈360绕铜骨架320外壁上浅槽一层层紧密绕制，上层单饼线圈350和下层单饼线圈360之间有聚酰亚胺薄板370，作为上层线圈绕制的定位平面，保证上层单饼线圈350和下层单饼线圈360在轴向的平齐度，提高磁体的均匀性。将上环氧板330与下环氧板340之间固定上层单饼线圈350和下层单饼线圈360的位置，使得双饼线圈300可以作为一个整体进行后续装配工作。铜骨架320内表面下部设有凹槽，外表面上部设有凸台，可以方便不同双饼线圈300堆叠安装套合定位。铜骨架320上有缺口，减小励磁过程中的涡流产热。

如图4-6所示，在本申请上述实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中，双饼线圈300由上至下依次通过铜接头410相互连接；并且，所述铜接头410依次交叉设置于两组相对的所述铜接头安装座400上。为了更方便的对铜接头410与双饼线圈300的连接进行说明，以三组双饼线圈300为例，在上超导线圈组中的三组双饼线圈300从上至下依次为第一双饼线圈、第二双饼线圈、第三双饼线圈，在下超导线圈组中的三组双饼线圈300从上至下依次为第四双饼线圈、第五双饼线圈、第六双饼线圈。上述六祖双饼线圈300与铜接头410的连接关系如下：

第一双饼线圈中的上层单饼线圈350的带材310引线与第一铜接头411一侧相连接，第一双饼线圈中的下层单饼线圈360的带材310引线与第二铜接头412的一侧相连接。

第二双饼线圈中的上层单饼线圈350的带材310引线与第二铜接头412的另一侧相连接，第二双饼线圈中的下层单饼线圈360的带材310引线与第三铜接头413的一侧相连接。

第三双饼线圈中的上层单饼线圈350的带材310引线与第三铜接头413的另一侧相连接，第三双饼线圈中的下层单饼线圈360的带材310引线与第四铜接头414的一侧相连接。

第四双饼线圈中的上层单饼线圈350的带材310引线与第四铜接头414的另一侧相连接，第四双饼线圈中的下层单饼线圈360的带材310引线与第四铜接头414的一侧相连接。

第五双饼线圈中的上层单饼线圈350的带材310引线与第五铜接头415的另一侧相连接，第五双饼线圈中的下层单饼线圈360的带材310引线与第六铜接头416的一侧相连接。

第六双饼线圈中的上层单饼线圈350的带材310引线与第六铜接头416的另一侧相连接，第六双饼线圈中的下层单饼线圈360的带材310引线与第七铜接头417的一侧相连接。

此外，在第一铜接头411的另一侧连接有正极接头420，在第七铜接头417的另一侧连接有负极接头430。

这样所有双饼线圈300中的带材310首尾通过铜接头410焊接串联，构成回路，电流走向绕中心轴顺时针，各饼电流方向一致，产生均匀磁场。

在本申请上述实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中,由于第一铜接头411、第三铜接头413、第五铜接头415、第七铜接头417设置于一侧的铜接头安装座400上，第二铜接头412、第四铜接头414、第六铜接头416设置于另一侧的铜接头安装座400上。这样可以铜接头410交叉设置可以避免相邻双饼线圈300轴向间距小，若同侧焊接引线容易短路的问题。同时，所有的铜接头410均布置在双饼线圈300的上下两侧，合理使用双饼线圈300的圆周空间。并且第一铜接头411与第七铜接头417均设置在同一侧的铜接头安装座400上，并且如图5所示，正极接头420与第一铜接头411的左侧相连接，负极接头430与第七铜接头417的右侧相连接，这样可以方便后续组装和制冷机的冷头连接。此外，本申请实施例中，铜接头410交叉设置可以使得铜接头410具有一定厚度，这样使得相邻双饼引线焊接的平顺性，并且又能增大接头的截面积和长度减小焦耳热。具体来说，第四铜接头414的两侧面高度差与第三双饼线圈的下层单饼线圈360和第四双饼线圈的上层单饼线圈350的高度一致，这样保证串联第三双饼线圈和第四双饼线圈时带材310的平顺焊接，不受剪切力。同理，第一铜接头411、第二铜接头412、第三铜接头413、第五铜接头415、第六铜接头416、第七铜接头417的厚度略大于相邻双饼线圈300所串联的单饼线圈带材310引线的轴向距离和，保证带材310引线不用弯曲焊接在铜接头410上。中国专利CN116386978A公开了一种无接头闭环高温超导线圈及超导磁体，在该专利中不同的超导线圈之间通过未分离端部交替连接，虽然该专利中可以实现取消线圈接头，能够实现高温超导磁体零电阻闭环运行，但是该专利中的上下线圈中未分离端部与分离超导带材连接位置处的依然会出现超导带材的折弯，影响了整体线圈的工作性能。

在本申请上述实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中,由于高温超导带材310力学性能优良，但其抗拉不抗剪，带材310容易受剪切应力剥落，这样将铜接头410与所述双饼线圈300的带材310相连接的面为设置为斜面，且所述斜面与带材310引出方向所在面相切，这样保证带材310只有弯曲，没有侧向扭曲。中国专利CN101075496A中公开了一种高温超导磁体双饼线圈间的接头及其焊接方法，其中上层单饼线圈和下层单饼线圈通过NbTi桥，但是通过CN101075496A中的【0028】段及图4可以知道，不同的双饼线圈之前的连接是依靠上抽头与下抽头之间的低阻值焊接，这样由于不同的双饼线圈之间存在一定的高度差，因此上抽头和下抽头之间的焊接必然会导致带材的侧向扭曲，影响整体线圈的工作性能。

在本申请上述实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中，由于双饼线圈300中带材310串联焊接的铜接头410具有一定的电阻，在运行过程中，可能带来焦耳热，引起高温超导的带材310出现失超现象，将铜接头安装座400的材质选择为环氧树脂板，这样可以起到绝缘导冷的作用，可一定程度减小铜接头410产生的焦耳热。并且铜接头410横截面大电阻小，产生焦耳热也小。此外，中国专利CN109102987A公开了一种高温超导磁体双饼线圈相邻饼间跨层连接结构，该专利中采用双饼线圈中每饼线圈的外侧面上均固定焊接有左、右高纯铜接头，上层饼线圈的左高纯铜接头与下层饼线圈的右高纯铜接头之间通过有阻焊接连接有与高温超导磁体双饼线圈材料相同的连接超导带材。具体来说，单个双饼线圈之间的上层线圈和下层线圈之间是通过连接超导带材进行连接，连接超导带材分别焊接在设置于上层线圈和下层线圈上的铜接头。但是该专利中铜接头是设置于上层线圈和下层线圈的外侧面上，这样当超导线圈工作时，铜接头产生的热量会很快的传到至线圈中的带材上，影响超导线圈的工作性能。

如图1-3所示，在本申请上述实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中，在相邻所述双饼线圈300之间、上法兰盘100与双饼线圈300之间、下法兰盘200与双饼线圈300之间均设置有导冷片520。在所述双饼线圈300的两侧设置有与所述双饼线圈300高度一致的导冷块510，在相邻所述导冷块510之间、所述上法兰盘100与所述导冷块510之间、所述下法兰盘200与所述导坑块之间均夹住所述导冷片520的夹持端521。所述导冷块510、所述导冷片520、所述上法兰盘100、所述下法兰盘200通过不锈钢轴600相贴合固定。所述导冷块510的外侧面设置有螺纹孔540，通过所述螺纹孔540将所述导冷块510与侧面导冷板500相连接，所述侧面导冷板500还与制冷机相连接。在所述上法兰盘100与所述导冷片520之间、所述下法兰盘200与所述导冷片520之间均设置有聚四氟乙烯垫片530。

在本申请上述实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中，不锈钢轴600为中心对称的台阶轴，两端为外螺纹。安装亥姆赫兹线圈时，先将下法兰盘200穿过8根不锈钢轴600，依次放置聚四氟乙烯垫片530和导冷片520，然后将双饼线圈300放置在导冷片520上。再将两个导冷块510分别穿过不锈钢轴600与导冷片520贴实，然后在依次放置导冷片520和双柄线圈。同理继续在两侧继续堆放导冷块510和导冷片520，放置双饼线圈300。完成三个双饼线圈300的堆叠工作后还需继续在双柄线圈上再一次放置导冷片520和聚四氟乙烯垫片530。最后将上法兰盘100压在聚四氟乙烯垫片530上，通过螺母和不锈钢轴600的螺纹连接锁紧三个双饼线圈300，这样就完成了上超导线圈组的组装；下超导线圈组的组装与上超导线圈组完全相同，即依次按照下法兰盘200、聚四氟乙烯垫片530、导冷片520、导冷块510、双饼线圈300、导冷片520、导冷块510、双饼线圈300、导冷片520、导冷块510、双饼线圈300、导冷片520、聚四氟乙烯垫片530、上法兰盘100的顺序穿过不锈钢轴600上圆孔堆叠安装，最后通过螺母锁紧上法兰盘100与下法兰盘200。

在本申请上述实施例提供的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈中，聚四氟乙烯垫片530由于有一定弹性，可保证螺母在压紧法兰盘时，消除各个零件之间堆叠间隙，保证导冷块510和导冷片520接触良好。同时所有导冷块510的侧面有螺纹孔540，侧面导冷板500通过螺纹连接串联起来，保证制冷机的冷量能通过侧面导冷板500一次传送到导冷块510和导冷片520，再到各层双饼线圈300。导冷块510在各层都有布置且和导冷片520接触面积大，传送冷量也更均匀。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

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

Claims (10)

1.一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其特征在于，包括上超导线圈组及下超导线圈组，所述上超导线圈组与所述下超导线圈组中均包括上法兰盘与下法兰盘，在所述上法兰盘与所述下法兰盘之间夹设有若干层双饼线圈，所述双饼线圈由上至下依次通过铜接头相互连接；

在相邻所述双饼线圈之间、所述上法兰盘与所述双饼线圈之间、所述下法兰盘与所述双饼线圈之间均设置有导冷片。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其特征在于，在所述双饼线圈的两侧设置有与所述双饼线圈高度一致的导冷块，在相邻所述导冷块之间、所述上法兰盘与所述导冷块之间、所述下法兰盘与所述导坑块之间均夹住所述导冷片的夹持端。

3.根据权利要求2所述的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其特征在于，所述导冷块、所述导冷片、所述上法兰盘、所述下法兰盘通过不锈钢轴相贴合固定。

4.根据权利要求3所述的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其特征在于，所述导冷块的外侧面设置有螺纹孔，通过所述螺纹孔将所述导冷块与侧面导冷板相连接，所述侧面导冷板还与制冷机相连接。

5.根据权利要求4所述的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其特征在于，在所述上法兰盘与所述导冷片之间、所述下法兰盘盘与所述导冷片之间均设置有聚四氟乙烯垫片。

6.根据权利要求5所述的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其特征在于，在所述上法兰盘与所述下法兰盘盘上还设置有两组相对的铜接头安装座，所述铜接头均通过螺栓固定于所述铜接头安装座上。

7.根据权利要求6所述的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其特征在于，所述铜接头依次交叉设置于两组相对的所述铜接头安装座上。

8.根据权利要求7所述的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其特征在于，所述铜接头与所述双饼线圈的带材相连接的面为斜面，且所述斜面与带材引出方向所在面相切。

9.根据权利要求8所述的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其特征在于，所述双饼线圈包括上环氧板与下环氧板，所述上环氧板与所述下环氧板之间夹设有上层单饼线圈与下层单饼线圈，所述上层单饼线圈中的带材与所述下层单饼线圈中的带材相连接。

10.根据权利要求9所述的一种高温超导亥姆霍兹磁体线圈，其特征在于，在所述上层单饼线圈与所述下层单饼线圈之间还设置有聚酰亚胺薄板。