專利名稱：具有分散應(yīng)力的高磁場超導(dǎo)螺線管線圈及其繞制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高磁場超導(dǎo)磁體線圈及其繞制方法，特別涉及一種具有分散應(yīng)力支撐結(jié) 構(gòu)的高磁場超導(dǎo)螺線管線圈及其繞制方法。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)磁體具有體積小、重量輕、能耗低等特點(diǎn)。對(duì)發(fā)展用于物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和其他科 學(xué)研究應(yīng)用的高磁場超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，超導(dǎo)磁體較混合磁體和脈沖磁體有更大的優(yōu)勢(shì)。目前研 制25-30T高磁場的大型超導(dǎo)磁體和核磁共振磁體系統(tǒng)是高磁場超導(dǎo)磁體應(yīng)用發(fā)展的重要方 向。通常高磁場超導(dǎo)磁體由多種超導(dǎo)線材以非均勻電流密度分布的形式實(shí)現(xiàn)的。
高磁場的超導(dǎo)磁體運(yùn)行在較高的電流密度和較高的磁場下，電流和磁場的相互作用在螺 線管線圈內(nèi)產(chǎn)生角向應(yīng)力cy^ jSr。如果磁體運(yùn)行的平均電流密度為1.08A/m2,線圈的平均半 徑為0.4m，所產(chǎn)生的磁場為30T，則超導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生的最大角向應(yīng)力為1200MPa。超導(dǎo)線無論 是高溫超導(dǎo)帶材還是低溫超導(dǎo)線材，受到的應(yīng)力超過一定限度之后，其臨界電流密度都會(huì)急 劇下降。例如NbTi超導(dǎo)線的最大退化應(yīng)力在300-400MPa左右，Nb3Sn超導(dǎo)線所能承受的應(yīng) 變小于0.4%，使用不銹鋼加強(qiáng)帶的高溫超導(dǎo)帶材的最大應(yīng)力在300MPa，沒有不銹鋼加強(qiáng)帶 的高溫超導(dǎo)帶材最大應(yīng)力小于100MPa，基于基帶加強(qiáng)的YBCO二代高溫超導(dǎo)帶承受的最大應(yīng) 力可以到300-500MPa的范圍。因此，機(jī)械應(yīng)力和材料屈服是導(dǎo)致高磁場超導(dǎo)磁體線圈不能 承受大電流傳輸?shù)闹匾蛑弧?br> 目前主要采用支撐超導(dǎo)線圈環(huán)向應(yīng)力的方法降低超導(dǎo)線圈的應(yīng)力集中，即在一個(gè)超導(dǎo)線 圈繞制完成以后，在其外表面繞制包裹不銹鋼絲層對(duì)線圈進(jìn)行加固，這種支撐方法對(duì)于磁場 較小、室溫孔較小的超導(dǎo)磁體解決應(yīng)力集中的問題是非常有效。但25 30T的高磁場超導(dǎo)磁 體線圈的匝數(shù)和層數(shù)較多，由于磁體內(nèi)部應(yīng)力過高，光靠線圈外表面的不銹鋼絲層不足以解 決超導(dǎo)線圈的應(yīng)力集中問題。使用單一外圍加固的方法不能抑制應(yīng)力達(dá)到或超過超導(dǎo)線臨界 電流的最大退化應(yīng)力值。另外對(duì)于徑向較厚的超導(dǎo)線圈，由于繞制張力的均勻分布，導(dǎo)致線 圈繞制完成之后，線圈的內(nèi)層的張應(yīng)力減小，采用外圍繞制不銹鋼線的方法對(duì)分散線圈應(yīng)力 的作用不大。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有高磁場超導(dǎo)磁體應(yīng)力集中的問題，本發(fā)明提出一種具有分散應(yīng)力的高磁場 超導(dǎo)螺線管線圈結(jié)構(gòu)。本發(fā)明不僅可以減小超導(dǎo)繞組內(nèi)部的應(yīng)力集中，而且能夠大大減小線圏的失超鍛煉次數(shù)，有效提高磁體的運(yùn)行電流密度'。
本發(fā)明采用分層不銹鋼線支撐結(jié)構(gòu)，使線圈的主要電磁應(yīng)力可以直接轉(zhuǎn)移到不銹鋼線支 撐層上。采用分層不銹鋼線支撐層加固結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)線圈內(nèi)部應(yīng)力分布較為均勻。不銹鋼線支 撐層厚度的選擇應(yīng)以超導(dǎo)線圈受到電磁應(yīng)力的形變量小于線圈整體尺寸的0. 4%為標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明的高磁場超導(dǎo)螺線管線圈通過不銹鋼支撐層將超導(dǎo)線圈分成若干層，線圈按徑向 方向由內(nèi)到外首先為超導(dǎo)線層，然后為不銹鋼支撐層，依次交替，超導(dǎo)線圈的最外端使用截 面為矩形的不銹鋼線繞制端部支撐結(jié)構(gòu)加固線圈整體。這樣交替繞制完成的超導(dǎo)線圈具有結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度較好、應(yīng)力分散的特點(diǎn)，能夠承受較高的電磁應(yīng)力，線圈可運(yùn)行在高電流密度和高磁 場下。
本發(fā)明線圈的繞制方法是用圓形或矩形超導(dǎo)線繞制的超導(dǎo)螺線管線圈，然后在超導(dǎo)螺線 管線圈的外表面用與超導(dǎo)螺線管線圈的超導(dǎo)線徑相同的圓形不銹鋼線繞制一至兩層，形成不 銹鋼線支撐層。再在不銹鋼線支撐層的外表面繞制超導(dǎo)螺線管線圈二，依次再在超導(dǎo)螺線管 線圈二的外表面上使用相同直徑的圓形不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼支撐層二，然后 依次交替繞制超導(dǎo)螺線管線圈和不銹鋼支撐層，最后在超導(dǎo)線圈的最外端使用截面為矩形的 不銹鋼線繞制端部支撐結(jié)構(gòu)加固線圈整體，形成具有分散應(yīng)力的超導(dǎo)螺線管線圈整體。
本發(fā)明不銹鋼支撐層的不銹鋼線的截面形狀和大小與其支撐的超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)線的截 面形狀和大小相同。
本發(fā)明的具有分散應(yīng)力支撐結(jié)構(gòu)的高磁場超導(dǎo)螺線管線圈適用于高磁場超導(dǎo)磁體系統(tǒng)， 特別是多線圈超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，例如高磁場核磁共振超導(dǎo)磁體系統(tǒng)(NMR)和混合高磁場外插磁 體系統(tǒng)等等，特別是25 30T高磁場超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。


圖l是采用圓形超導(dǎo)線的超導(dǎo)螺線管線圈的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中l(wèi)超導(dǎo)螺線管線圈一、2 不銹鋼線支撐層一、3超導(dǎo)螺線管線圈二、 4不銹鋼線支撐層二、 5端部支撐結(jié)構(gòu)一；
圖2是采用矩形超導(dǎo)線的超導(dǎo)螺線管線圈的結(jié)構(gòu)示意圖;6矩形線超導(dǎo)線螺線管線圈一、 7矩形線不銹鋼線支撐層一、8矩形線超導(dǎo)線螺線管線圏二、 9矩形線不銹鋼線支撐層二、 10 端部支撐結(jié)構(gòu)二；
圖3是超導(dǎo)螺線管線圈整體示意圖，圖中l(wèi)l超導(dǎo)線層一、12不銹鋼線支撐層一、13 超導(dǎo)線層二、 14不銹鋼線支撐層二、 15端部支撐層；
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。
本發(fā)明的高磁場超導(dǎo)螺線管線圈由不銹鋼支撐層將超導(dǎo)線圈分成若干層，線圈按徑向方向由內(nèi)到外首先為超導(dǎo)線層，然后為不銹鋼支撐層，依次交替，超導(dǎo)線圈的最外端使用截面 為矩形的不銹鋼線繞制端部支撐結(jié)構(gòu)加固線圈整體。這樣交替繞制完成的超導(dǎo)線圈具有結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度較好、應(yīng)力分散的特點(diǎn)，能夠承受較高的電磁應(yīng)力，線圈可運(yùn)行在高電流密度和高磁場 下。
如圖1所示，用圓形超導(dǎo)線繞制的超導(dǎo)螺線管線圈一 1，然后在超導(dǎo)螺線管線圈一 1的 外表面用與超導(dǎo)螺線管線圈一l的超導(dǎo)線徑相同的圓形不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼
線支撐層一 2。再在不銹鋼線支撐層一 2的外表面繞制超導(dǎo)螺線管線圈二 3，依次再在超導(dǎo) 螺線管線圈二 3的外表面上使用相同直徑的圓形不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼支撐層 二4，然后依次交替繞制超導(dǎo)螺線管線圈和不銹鋼支撐層，最后在超導(dǎo)線圈的最外端使用截 面為矩形的不銹鋼線繞制端部支撐結(jié)構(gòu)一 5加固線圈整體，形成具有分散應(yīng)力的超導(dǎo)螺線管 線圈整體。
如圖2所示，用矩形線超導(dǎo)線繞制的矩形線超導(dǎo)螺線管線圈一6，然后在矩形線超導(dǎo)螺 線管線圈一6的外表面用與矩形線超導(dǎo)螺線管線圈一6的超導(dǎo)線徑相同的矩形線不銹鋼線繞 制一至兩層，形成矩形線不銹鋼線支撐層一 7。再在矩形線不銹鋼線支撐層一 7的外表面繞 制矩形線超導(dǎo)螺線管線圈二 8，依次再在矩形線超導(dǎo)螺線管線圈二 8的外表面上使用相同直 徑的矩形不銹鋼線繞制一至兩層，形成矩形線不銹鋼支撐層二 9，然后依次交替繞制超導(dǎo)螺 線管線圈和不銹鋼支撐層，最后在超導(dǎo)線圈的最外端使用矩形不銹鋼線繞制端部支撐結(jié)構(gòu)二 IO加固線圈整體，形成具有分散應(yīng)力的超導(dǎo)螺線管線圈整體。
圖3為超導(dǎo)螺線管線圈的整體示意圖。線圈按徑向方向由內(nèi)到外首先為超.導(dǎo)線圈一ll， 然后為不銹鋼線支撐層一 12，然后為超導(dǎo)線圈二 13，然后為不銹鋼支撐層二 14，如此依次 交替繞制，線圈外表面由不銹鋼的端部支撐層15加固。
權(quán)利要求
1、一種具有分散應(yīng)力的高磁場超導(dǎo)螺線管線圈，其特征在于，所述的超導(dǎo)螺線管線圈由不銹鋼支撐層將超導(dǎo)線圈分成若干層，超導(dǎo)線圈按徑向方向由內(nèi)到外首先為超導(dǎo)線圈一(11)，然后為不銹鋼支撐層一(12)，不銹鋼支撐層一(12)外為超導(dǎo)線圈二(13)，超導(dǎo)線圈二(13)外為不銹鋼支撐層二(14)，超導(dǎo)線圈和不銹鋼支撐層如此依次交替；超導(dǎo)線圈的最外端使用截面為矩形的不銹鋼線繞制端部支撐層(15)加固線圈整體。
2、 繞制權(quán)利要求1所述的高磁場超導(dǎo)螺線管線圈的方法，其特征在于，首先用超導(dǎo)線 繞制超導(dǎo)螺線管線圈一 (1)，然后在超導(dǎo)螺線管線圈一 (1)的外表面用與超導(dǎo)螺線管線圈 一 (1)的超導(dǎo)線徑相同的不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼線支撐層一 (2);再在不銹 鋼線支撐層一 (2)的外表面繞制超導(dǎo)螺線管線圈二 (3)，然后再在超導(dǎo)螺線管線圈二 (3) 的外表面上使用相同直徑的不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼支撐層二 (4);依次交替繞 制超導(dǎo)螺線管線圈和不銹鋼支撐層，最后在超導(dǎo)線圈的最外端使用截面為矩形的不銹鋼線繞 制端部支撐結(jié)構(gòu)一 (5)加固線圈整體，形成具有分散應(yīng)力的超導(dǎo)螺線管線圈整體。
3、 按照權(quán)利要求2所述的繞制高磁場超導(dǎo)螺線管線圈的方法，其特征在于，所述的繞 制超導(dǎo)螺線管線圈一 (1)和超導(dǎo)螺線管線圈二 (3)的超導(dǎo)線材為圓形或矩形，繞制不銹鋼 支撐層一 (2)和不銹鋼支撐層二 (4)的不銹鋼線材為圓形或矩形。
4、 按照權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)線圈的支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，不銹鋼線支撐層厚度的 選擇應(yīng)以超導(dǎo)線圈受到電磁應(yīng)力的形變量小于線圈整體尺寸的0. 4%為標(biāo)準(zhǔn)。
5、 按照權(quán)利要求2或3所述的超導(dǎo)線圈的支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，不銹鋼支撐層的不 銹鋼線的截面形狀和大小與其支撐的超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)線的截面形狀和大小相同。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有分散應(yīng)力的高磁場超導(dǎo)螺線管線圈及其繞制方法，由不銹鋼支撐層將超導(dǎo)線圈分成若干層，超導(dǎo)線圈按徑向方向由內(nèi)到外首先繞制超導(dǎo)線層，在超導(dǎo)線層的外表面用與超導(dǎo)線徑相同的不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼線支撐層。然后依次交替繞制，最后在超導(dǎo)線圈的最外端使用矩形不銹鋼線繞制端部支撐結(jié)構(gòu)加固線圈整體，形成具有分散應(yīng)力的超導(dǎo)螺線管線圈整體。本發(fā)明不僅可以減小超導(dǎo)繞組內(nèi)部的應(yīng)力集中，而且能夠大大減小線圈的失超鍛煉次數(shù)，有效提高磁體的運(yùn)行電流密度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)的線圈適合于高磁場超導(dǎo)磁體系統(tǒng)特別是25～30T高磁場超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01F6/06GK101577166SQ20091008057
公開日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者嚴(yán)陸光, 王秋良, 胡新寧 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所