專(zhuān)利名稱(chēng)：高磁場(chǎng)超導(dǎo)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈的應(yīng)力支撐環(huán)及安裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于超導(dǎo)線(xiàn)圈的應(yīng)力支撐環(huán)，特別涉及一種用于高磁場(chǎng)超導(dǎo)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈的應(yīng) 力支撐環(huán)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代磁體科學(xué)儀器依賴(lài)于復(fù)雜磁場(chǎng)分布的高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體，例如用于極端條件25-30T 大型超導(dǎo)磁體和核磁共振磁體系統(tǒng)，其主要的特點(diǎn)是大口徑和復(fù)雜磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。通常高磁場(chǎng)超 導(dǎo)磁體由多種超導(dǎo)線(xiàn)材以非均勻電流密度形式分布，不僅實(shí)現(xiàn)高磁場(chǎng)而且節(jié)省超導(dǎo)線(xiàn)材的用 量。
具有較高中心磁場(chǎng)和大口徑的超導(dǎo)磁體，在高磁場(chǎng)下運(yùn)行時(shí)由于電流和磁場(chǎng)的相互作 用，洛侖茲(Lorintz)力引起的超導(dǎo)線(xiàn)圈的角向應(yīng)力( e- j]gr非常大。磁場(chǎng)產(chǎn)生的力作用在 繞組上產(chǎn)生的壓強(qiáng)為^/(2(Xo)。對(duì)于900朋z的畫(huà)R超導(dǎo)磁體而言，其中心磁場(chǎng)為21.1T，所 產(chǎn)生的應(yīng)力相當(dāng)于1552個(gè)大氣壓。巨大的電磁力使得超導(dǎo)線(xiàn)材所承受的應(yīng)力超過(guò)材料屈服 強(qiáng)度，是導(dǎo)致高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體往往達(dá)不到其運(yùn)行值的重要原因之一。大規(guī)模極高磁場(chǎng)的磁體 本身由復(fù)合材料組成，因此在超導(dǎo)磁體運(yùn)行過(guò)程中，超導(dǎo)線(xiàn)和復(fù)合支持結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生較高的電 磁應(yīng)力，從而使超導(dǎo)磁體產(chǎn)生明顯的應(yīng)變，較大的應(yīng)變集中導(dǎo)致超導(dǎo)線(xiàn)的臨界電流密度降低， 較大應(yīng)變將產(chǎn)生環(huán)氧樹(shù)脂破裂并導(dǎo)致超導(dǎo)磁體在極低的電流下失超，達(dá)不到實(shí)際的設(shè)計(jì)要求， 嚴(yán)重時(shí)將造成磁體系統(tǒng)損壞，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
為減小超導(dǎo)磁體失超次數(shù)使超導(dǎo)磁體產(chǎn)生高磁場(chǎng)，最為關(guān)鍵的方法之一是減小超導(dǎo)線(xiàn)圈 的環(huán)向張應(yīng)力和軸線(xiàn)壓應(yīng)力。目前主要采用超導(dǎo)線(xiàn)圈環(huán)向應(yīng)力支撐的方法是在超導(dǎo)線(xiàn)圈外繞 制不銹鋼線(xiàn)。根據(jù)線(xiàn)圈的應(yīng)力分布的特點(diǎn)決定繞制不銹鋼線(xiàn)的大小和厚度。這種支撐方法對(duì) 于中小型磁體是非常有效的方法，但是對(duì)于線(xiàn)圈的直徑大于500mm、磁場(chǎng)高于10T以上的磁 體，這種支撐方式往往導(dǎo)致超導(dǎo)線(xiàn)圈臨界電流退化和增加失超鍛煉次數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述線(xiàn)圈不能產(chǎn)生高磁場(chǎng)的缺點(diǎn)，提出一種應(yīng)用于大口徑螺線(xiàn)管線(xiàn) 圈和復(fù)雜磁場(chǎng)分布的超導(dǎo)線(xiàn)圈的應(yīng)力支撐環(huán)。本發(fā)明不僅可以解決高磁場(chǎng)超導(dǎo)線(xiàn)圈的環(huán)向應(yīng) 力的支撐，同時(shí)也可以對(duì)軸線(xiàn)應(yīng)力的支撐取到較好的作用。
本發(fā)明的支撐環(huán)由內(nèi)支撐環(huán)和外支撐環(huán)組成。本發(fā)明支撐環(huán)由內(nèi)到外分別為鋁合金內(nèi)支 撐環(huán)和不銹鋼外支撐環(huán)。支撐環(huán)緊套在超導(dǎo)線(xiàn)圈外表面，支撐環(huán)和超導(dǎo)線(xiàn)圈之間采用過(guò)贏配合。內(nèi)支撐環(huán)材料使用鋁合金材料。外支撐環(huán)材料為不銹鋼材料。當(dāng)超導(dǎo)線(xiàn)圈受到的應(yīng)力較 小時(shí)，可以直接使用內(nèi)支撐環(huán)來(lái)抑制超導(dǎo)線(xiàn)圈的應(yīng)力。內(nèi)支撐環(huán)的內(nèi)半徑小于超導(dǎo)線(xiàn)圈的外 半徑，內(nèi)支撐環(huán)的內(nèi)表面要求非常光滑。超導(dǎo)線(xiàn)圈的外表面也需要加工成光滑的表面。若超 導(dǎo)線(xiàn)圈的應(yīng)力較大，可在鋁合金制作的內(nèi)支撐環(huán)外面緊貼放置較高強(qiáng)度的不銹鋼外支撐環(huán)共 同組成支撐環(huán)。由于不銹鋼外支撐環(huán)和鋁合金內(nèi)支撐環(huán)的共同作用，可以支撐更高的超導(dǎo)線(xiàn) 圈的環(huán)向和徑向應(yīng)力。
本發(fā)明的支撐環(huán)對(duì)于不同長(zhǎng)度的超導(dǎo)線(xiàn)圈采用不同高度的支撐環(huán)。對(duì)于軸向長(zhǎng)度較小的 線(xiàn)圈，通常用高度和超導(dǎo)線(xiàn)圈的軸向長(zhǎng)度相同單個(gè)支撐環(huán)。對(duì)于軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)的超導(dǎo)線(xiàn)圈， 采用多個(gè)較短的支撐環(huán)，多個(gè)支撐環(huán)安裝后的軸向總長(zhǎng)度和超導(dǎo)線(xiàn)圈的軸向長(zhǎng)度相同。
.本發(fā)明支撐環(huán)的環(huán)壁的厚度的選擇以超導(dǎo)線(xiàn)圈的最大形變量應(yīng)小于線(xiàn)圈整體尺寸的 0. 4%為標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明的超導(dǎo)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈的應(yīng)力支撐環(huán)的安裝方法是首先將超導(dǎo)線(xiàn)圈冷卻到液氮溫度 77K，然后將支撐環(huán)的溫度加熱到一定溫度。再將超導(dǎo)線(xiàn)圈直接插入到支撐環(huán)內(nèi)，當(dāng)超導(dǎo)磁 體系統(tǒng)冷卻到較低的溫度例如4K或1. 8K時(shí)，由于支撐環(huán)收縮尺寸大于超導(dǎo)線(xiàn)圈收縮尺寸， 可以使支撐環(huán)環(huán)向緊貼捆住超導(dǎo)線(xiàn)圈，從而有效支撐超導(dǎo)線(xiàn)圈環(huán)向和徑向應(yīng)力的電磁應(yīng)力。
本發(fā)明超導(dǎo)線(xiàn)圈的支撐環(huán)適合于高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，特別是多線(xiàn)圈超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，例 如高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體，NMR和MRI以及制冷機(jī)冷卻的傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。


圖l鋁合金和不銹鋼的支撐環(huán)示意圖，圖中；l鋁合金內(nèi)支撐環(huán)、2不銹鋼外支撐環(huán)； 圖2超導(dǎo)線(xiàn)圈與支撐環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中3超導(dǎo)線(xiàn)圈； 圖3多段支撐環(huán)支撐超導(dǎo)線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中4支撐環(huán)。
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(shuō)明本發(fā)明。
本發(fā)明的支撐環(huán)由鋁合金內(nèi)支撐環(huán)和不銹鋼外支撐環(huán)組成。鋁合金內(nèi)支撐環(huán)使用鋁合金 A1-6061材料或具有冷熱收縮大、強(qiáng)度高的材料。不銹鋼外支撐環(huán)材料為不銹鋼材料。當(dāng)超 導(dǎo)線(xiàn)圈受到應(yīng)力較小時(shí)可以直接使用內(nèi)支撐環(huán)來(lái)抑制超導(dǎo)線(xiàn)圈的應(yīng)力。內(nèi)支撐環(huán)的內(nèi)半徑小 于超導(dǎo)線(xiàn)圈的外半徑，內(nèi)支撐環(huán)的內(nèi)表面要求非常光滑。超導(dǎo)線(xiàn)圈的外表面也需要加工成光 滑的表面。若超導(dǎo)線(xiàn)圈應(yīng)力較大，可在鋁合金內(nèi)支撐環(huán)外面緊貼放置較高強(qiáng)度的不銹鋼外支 撐環(huán)共同組成支撐環(huán)。由于不銹鋼和鋁合金支撐環(huán)的共同作用，可以支撐更高的超導(dǎo)線(xiàn)圈的 環(huán)向和徑向應(yīng)力。
本發(fā)明支撐環(huán)4由內(nèi)到外分別為鋁合金內(nèi)支撐環(huán)1和不銹鋼外支撐環(huán)2。支撐環(huán)4套在超導(dǎo)線(xiàn)圈3外表面，支撐環(huán)4和超導(dǎo)線(xiàn)圈3之間采用過(guò)贏配合'。
本發(fā)明的支撐環(huán)對(duì)于不同長(zhǎng)度的超導(dǎo)線(xiàn)圈采用軸向長(zhǎng)度不同的支撐環(huán)。對(duì)于軸向長(zhǎng)度較 小的超導(dǎo)線(xiàn)圈，例如，軸向長(zhǎng)度為50-200mm的超導(dǎo)線(xiàn)圈，通常用軸向長(zhǎng)度和超導(dǎo)線(xiàn)圈的軸 向長(zhǎng)度相同單個(gè)支撐環(huán)支撐。對(duì)于軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)的超導(dǎo)線(xiàn)圈，例如軸向長(zhǎng)度大于200ram的超 導(dǎo)線(xiàn)圈采用多個(gè)較短的支撐環(huán)，多個(gè)支撐環(huán)安裝后的軸向總長(zhǎng)度和超導(dǎo)線(xiàn)圈的軸向長(zhǎng)度相 同。
如圖1所示，用冷氮?dú)怏w慢慢將鋁合金內(nèi)支撐環(huán)1冷卻到77K的液氮溫度，將不銹鋼外 支撐環(huán)2加熱到15(T 30(TC甚至更高的溫度。由于鋁合金的冷收縮和不銹鋼的熱膨脹，很 容易將鋁合金內(nèi)支撐環(huán)1直接套入到不銹鋼外支撐環(huán)2內(nèi)，使得不銹鋼外支撐環(huán)2和鋁合金 內(nèi)支撐環(huán)1之間形成較強(qiáng)的結(jié)合力。
如圖2所示，將超導(dǎo)線(xiàn)圈3使用冷氮?dú)饴龑⑵淅鋮s到液氮77K溫度。將鋁合金環(huán)內(nèi)支 撐環(huán)1裝入不銹鋼外支撐環(huán)2后共同加熱，達(dá)到例如200°C或甚至更高的溫度。由于熱膨脹， 鋁合金內(nèi)支撐環(huán)1和不銹鋼外支撐環(huán)2的半徑增大，而超導(dǎo)線(xiàn)圈的冷卻收縮，半徑減小，可 以直接將線(xiàn)圈裝配進(jìn)入到鋁合金環(huán)內(nèi)支撐環(huán)1內(nèi)。當(dāng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)冷卻到較低的溫度例如4K 或1.8K時(shí)，由于支撐環(huán)收縮尺寸大于超導(dǎo)線(xiàn)圈收縮尺寸，可以使支撐環(huán)4環(huán)向緊貼捆住超 導(dǎo)線(xiàn)圈3，從而有效支撐超導(dǎo)線(xiàn)圈3環(huán)向和徑向應(yīng)力的電磁應(yīng)力。
如圖3所示，鋁合金內(nèi)支撐環(huán)1和不銹鋼外支撐環(huán)2組成整體的支撐環(huán)4。由于大口徑 的超導(dǎo)線(xiàn)圈通常放置在磁體系統(tǒng)的最外面，為了獲得均勻的磁場(chǎng)，線(xiàn)圈軸向長(zhǎng)度通常較長(zhǎng)， 例如高磁場(chǎng)混合磁體外插超導(dǎo)線(xiàn)圈的軸向長(zhǎng)度超過(guò)lm 1.5m，。為了便于線(xiàn)圈的裝配，同時(shí) 解決支撐結(jié)構(gòu)從室溫到低溫下的熱脹冷縮所產(chǎn)生的超導(dǎo)線(xiàn)圈3和支撐環(huán)4長(zhǎng)度方向不匹配的 問(wèn)題，應(yīng)該采用多個(gè)高度較小的支撐環(huán)4，每?jī)蓚€(gè)支撐環(huán)4安裝時(shí)之間留下0.5mm 2懇的間 隙。按照?qǐng)D2所述的安裝方法，將多個(gè)支撐環(huán)4由超導(dǎo)線(xiàn)圈3的一端依次安裝，安裝完成后， 多個(gè)支撐環(huán)4的軸向總長(zhǎng)度等于超導(dǎo)線(xiàn)圈3的軸向長(zhǎng)度。
鋁合金內(nèi)支撐環(huán)1和不銹鋼外支撐環(huán)2組成的支撐環(huán)4，支撐環(huán)4的環(huán)壁的厚度的選 擇以超導(dǎo)線(xiàn)圈的最大形變量應(yīng)小于線(xiàn)圈整體尺寸的0. 4%為標(biāo)準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種用于高磁場(chǎng)超導(dǎo)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈的應(yīng)力支撐環(huán)，其特征在于所述支撐環(huán)(4)由內(nèi)鋁合金支撐環(huán)(1)和不銹鋼外支撐環(huán)(2)組成；支撐環(huán)(4)由內(nèi)到外分別為鋁合金內(nèi)支撐環(huán)(1)和不銹鋼外支撐環(huán)(2)。支撐環(huán)(4)套在超導(dǎo)線(xiàn)圈(3)外表面；鋁合金內(nèi)支撐環(huán)(1)的內(nèi)半徑小于超導(dǎo)線(xiàn)圈(3)的外半徑，鋁合金內(nèi)支撐環(huán)(1)的內(nèi)表面和超導(dǎo)線(xiàn)圈(3)的外表面光滑。
2、 按照權(quán)利要求l所述的用于超導(dǎo)線(xiàn)圈的支撐環(huán)，其特征在于，所述鋁合金內(nèi)支撐環(huán) (1)采用高強(qiáng)度的A16061材料。
3、 按照權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)線(xiàn)圈的支撐環(huán)，其特征在于對(duì)軸向長(zhǎng)度在50-200mrn 范圍內(nèi)的超導(dǎo)線(xiàn)圈，采用單個(gè)所述支撐環(huán)(4)支撐；對(duì)軸向長(zhǎng)度大于200mm的超導(dǎo)線(xiàn)圈， 使用多個(gè)所述支撐環(huán)(4)支撐；多個(gè)所述支撐環(huán)(4)安裝后的支撐環(huán)(4)軸向總長(zhǎng)度和 超導(dǎo)線(xiàn)圈的軸向長(zhǎng)度相同，每個(gè)支撐環(huán)(4)之間的間隙在0.5mm-2訓(xùn)之間。
4、 按照權(quán)利要求l或2所述的超導(dǎo)線(xiàn)圈的支撐環(huán)，其特征在于支撐環(huán)(4)和超導(dǎo)線(xiàn) 圈(3)之間采用過(guò)贏配合。
5、 按照權(quán)利要求l或2所述的超導(dǎo)線(xiàn)圈的支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，支撐環(huán)(4)的環(huán) 壁厚度的選擇以超導(dǎo)線(xiàn)圈的最大形變量應(yīng)小于線(xiàn)圈整體尺寸的0. 4%為標(biāo)準(zhǔn)。
6、 安裝如權(quán)利要求1所述的用于高磁場(chǎng)超導(dǎo)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈的應(yīng)力支撐環(huán)的方法，其特征 在于首先用冷氮?dú)怏w將鋁合金內(nèi)支撐環(huán)(1)冷卻到77K的液氮溫度，將不銹鋼外支撐環(huán)(2) 加熱到30(TC，然后將鋁合金內(nèi)支撐環(huán)(1)直接套入不銹鋼外支撐環(huán)(2)內(nèi)，形成支撐環(huán)(4);再將超導(dǎo)線(xiàn)圈(3)用冷氮?dú)饫鋮s到77K的液氮溫度；將支撐環(huán)(4)加熱到20CT C; 然后直接將超導(dǎo)線(xiàn)圈(3)裝配到支撐環(huán)(4)內(nèi)。
全文摘要
一種用于高磁場(chǎng)超導(dǎo)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈的應(yīng)力支撐環(huán)，其特征在于支撐環(huán)(4)由內(nèi)鋁合金支撐環(huán)(1)和不銹鋼外支撐環(huán)(2)組成。用冷氮?dú)饴龑X合金內(nèi)支撐環(huán)(1)冷卻到77K的液氮溫度，將不銹鋼外支撐環(huán)(2)加熱到300℃，然后將鋁合金內(nèi)支撐環(huán)(1)直接套入到不銹鋼外支撐環(huán)(2)內(nèi)，使得不銹鋼環(huán)和鋁合金環(huán)之間形成較強(qiáng)的結(jié)合力形成支撐環(huán)(4)。再將超導(dǎo)線(xiàn)圈(3)用冷氮?dú)怏w慢慢將其冷卻到77K的液氮溫度。將支撐環(huán)(4)加熱到200°C后，直接將超導(dǎo)線(xiàn)圈(3)裝配到支撐環(huán)(4)內(nèi)。本發(fā)明用于高磁場(chǎng)超導(dǎo)螺線(xiàn)管線(xiàn)圈的應(yīng)力支撐環(huán)能有效抑制高磁場(chǎng)超導(dǎo)線(xiàn)圈的應(yīng)力問(wèn)題，減小超導(dǎo)線(xiàn)圈的失超煅煉次數(shù)和臨界電流密度的退化。
文檔編號(hào)H01F6/00GK101593597SQ20091008146
公開(kāi)日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者嚴(yán)陸光, 戴銀明, 王秋良, 胡新寧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所