[發(fā)明專利]高磁場超導(dǎo)螺線管線圈的應(yīng)力支撐環(huán)及安裝方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910081461.5
• 申請日: 2009-04-03
• 公開（公告）號: CN101593597A
• 公開（公告）日: 2009-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王秋良;嚴(yán)陸光;胡新寧;戴銀明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院電工研究所
• 主分類號: H01F6/06
• 分類號: H01F6/06;H01F6/00;H01F41/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 關(guān) 玲;賈玉忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于超導(dǎo)線圈的應(yīng)力支撐環(huán)，特別涉及一種用于高磁場超導(dǎo)螺線管線圈的應(yīng)力支撐環(huán)。

背景技術(shù)

現(xiàn)代磁體科學(xué)儀器依賴于復(fù)雜磁場分布的高磁場超導(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)雜磁場結(jié)構(gòu)。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形式分布，不僅實(shí)現(xiàn)高磁場而且節(jié)省超導(dǎo)線材的用量。

具有較高中心磁場和大口徑的超導(dǎo)磁體，在高磁場下運(yùn)行時由于電流和磁場的相互作用，洛侖茲(Lorintz)力引起的超導(dǎo)線圈的角向應(yīng)力σ_θ＝j(luò)Br非常大。磁場產(chǎn)生的力作用在繞組上產(chǎn)生的壓強(qiáng)為B²/(2μ₀)。對于900MHz的NMR超導(dǎo)磁體而言，其中心磁場為21.1T，所產(chǎn)生的應(yīng)力相當(dāng)于1552個大氣壓。巨大的電磁力使得超導(dǎo)線材所承受的應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度，是導(dǎo)致高磁場超導(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)行過程中，超導(dǎo)線和復(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)線的臨界電流密度降低，較大應(yīng)變將產(chǎn)生環(huán)氧樹脂破裂并導(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，最為關(guān)鍵的方法之一是減小超導(dǎo)線圈的環(huán)向張應(yīng)力和軸線壓應(yīng)力。目前主要采用超導(dǎo)線圈環(huán)向應(yīng)力支撐的方法是在超導(dǎo)線圈外繞制不銹鋼線。根據(jù)線圈的應(yīng)力分布的特點(diǎn)決定繞制不銹鋼線的大小和厚度。這種支撐方法對于中小型磁體是非常有效的方法，但是對于線圈的直徑大于500mm、磁場高于10T以上的磁體，這種支撐方式往往導(dǎo)致超導(dǎo)線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圈不能產(chǎn)生高磁場的缺點(diǎn)，提出一種應(yīng)用于大口徑螺線管線圈和復(fù)雜磁場分布的超導(dǎo)線圈的應(yīng)力支撐環(huán)。本發(fā)明不僅可以解決高磁場超導(dǎo)線圈的環(huán)向應(yīng)力的支撐，同時也可以對軸線應(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)線圈外表面，支撐環(huán)和超導(dǎo)線圈之間采用過贏配合。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)線圈受到的應(yīng)力較小時，可以直接使用內(nèi)支撐環(huán)來抑制超導(dǎo)線圈的應(yīng)力。內(nèi)支撐環(huán)的內(nèi)半徑小于超導(dǎo)線圈的外半徑，內(nèi)支撐環(huán)的內(nèi)表面要求非常光滑。超導(dǎo)線圈的外表面也需要加工成光滑的表面。若超導(dǎo)線圈的應(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)線圈的環(huán)向和徑向應(yīng)力。

本發(fā)明的支撐環(huán)對于不同長度的超導(dǎo)線圈采用不同高度的支撐環(huán)。對于軸向長度較小的線圈，通常用高度和超導(dǎo)線圈的軸向長度相同單個支撐環(huán)。對于軸向長度較長的超導(dǎo)線圈，采用多個較短的支撐環(huán)，多個支撐環(huán)安裝后的軸向總長度和超導(dǎo)線圈的軸向長度相同。

本發(fā)明支撐環(huán)的環(huán)壁的厚度的選擇以超導(dǎo)線圈的最大形變量應(yīng)小于線圈整體尺寸的0.4％為標(biāo)準(zhǔn)。

本發(fā)明的超導(dǎo)螺線管線圈的應(yīng)力支撐環(huán)的安裝方法是首先將超導(dǎo)線圈冷卻到液氮溫度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，由于支撐環(huán)收縮尺寸大于超導(dǎo)線圈收縮尺寸，可以使支撐環(huán)環(huán)向緊貼捆住超導(dǎo)線圈，從而有效支撐超導(dǎo)線圈環(huán)向和徑向應(yīng)力的電磁應(yīng)力。

本發(fā)明超導(dǎo)線圈的支撐環(huán)適合于高磁場超導(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)。

附圖說明

圖1鋁合金和不銹鋼的支撐環(huán)示意圖，圖中：1鋁合金內(nèi)支撐環(huán)、2不銹鋼外支撐環(huán)；

圖2超導(dǎo)線圈與支撐環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中：3超導(dǎo)線圈；

圖3多段支撐環(huán)支撐超導(dǎo)線圈的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中：4支撐環(huán)。

具體實(shí)施方式

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。