包括粘接到支撐結構的線圈的超導電磁體的製作方法
2023-05-28 08:13:41
專利名稱：包括粘接到支撐結構的線圈的超導電磁體的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括粘接到支撐結構的超導導線線圈的超導電磁體。具體地，本發明涉及如下組件的改進，該組件在其出現突然溫度變化的情形下減少線圈和支撐結構之間的熱誘導應力。本發明特別涉及包括由環形線圈組成的基本上圓柱狀組件的電磁體，環形線圈關於公共軸線對齊，但沿該軸線相對於彼此移位。這種布局結構(或稱裝置，arrangement)通常被稱為螺線管磁體，雖然它們在嚴格的字面意義上可能並不是螺線管。
背景技術：
圖1-4示意性地例示了粘接到支撐結構(如螺線管磁體)的線圈的某些布局結構。圖I示出了ー種非常著名的傳統布局結構，其中超導導線線圈10卷繞在線圈架12內的環形凹腔中。該結構基本上具有關於軸線A-A的360度對稱，並且也基本上具有關於平面B-B的反射対稱。線圈架典型為車制鋁管，其中形成有環形通道。在其它較不常見的變體中，線圈架可被模製而成或以合成材料(例如玻璃纖維增強環氧樹脂)車制而成。在典型的製造エ藝中，用硬化材料(典型地為環氧樹脂)浸潰線圈10，硬化材料會將線圈中的導線粘接在一起。典型地，利用在線圈和線圈架之間形成滑移面的材料，線圈10在其徑向內表面(稱為Al表面)、軸向內表面(稱為BI表面)和軸向外表面(稱為B2表面)上與線圈架12絕緣。相對於磁體中心來定義這些尺寸。在替代性實施例中，線圈可在所有面上粘接到支撐結構。如圖I所示，表面Al和A2分別在距軸線A-A的半徑Al、A2處，並且表面BI和B2分別在距平面B-B的軸向位移BI、B2處。所謂的「中心線圈」相對於B-B對稱平面被定義為具有Bl=O和被對稱平面所反射的B2，。所有其它線圈能夠由對稱平面中反射的BI和B2限定。圖2示出了一種替代性布局結構，其中沒有提供這種線圈架。作為替代，線圈10在其徑向外表面(稱為A2表面)被粘接到典型地基本上圓柱形的支撐結構14。這種結構可通過將線圈10卷繞成線圈架，將填充材料(例如玻璃纖維布)卷繞在線圈的徑向外表面上，並且利用硬化材料(例如環氧樹脂)浸潰整個結構來製造。線圈10因此僅僅通過其徑向外(A2)表面粘接到支撐結構14。圖3示出了另ー種可能。這裡，線圈10被卷繞在支撐元件16之間。線圈10被粘接到支撐元件16，例如通過硬化材料(例如環氧樹脂)來粘接。線圈10因此僅僅通過其軸向內表面BI和軸向外表面B2粘接到包括支撐元件16的支撐結構。這種結構可通過將支撐元件16臨時附接到繞組管，將線圈10卷繞在支撐結構之間的繞組管上，利用硬化材料例如環氧樹脂浸潰線圈10來形成，環氧樹脂也可用來將線圈10粘接到支撐元件16。圖3的支撐元件16可為由鋁、複合材料或任何具有適當機械強度、熱膨脹係數、密度特性的材料製成的環形零件。適當的材料包括金屬，典型地為鋁和不鏽鋼；例如那些商標名為Tufnol、Durostone的複合材料；各種填充有玻璃球或布料的環氧樹脂；或者具有適當機械強度、楊氏模量和熱膨脹係數特性的材料的任何其它組合。圖4示出了圖3布局結構的變體的部分切除視圖，其中圖3的環形支撐元件16被支撐塊18取代，其圍繞線圈的軸向表面被周向地隔開。這種結構可通過類似於為製造圖3的結構所描述的エ藝製造，但其中，間隔塊(未示出)被定位在支撐塊18之間以確保支撐塊的正確間隔，支撐線圈繞組和在浸潰過程期間使樹脂移位。在樹脂浸潰之後，可從結構移除這些間隔塊。 在這種布局結構中，線圈10因此僅通過其軸向內表面BI和軸向外表面B2，而且僅在周向隔開的位置被粘接到包括支撐塊18的支撐結構。圖4的支撐塊18可為由鋁、複合材料或任何具有適當機械強度、熱膨脹係數和密度特性的複合材料製成的零件。適當的材料包括金屬，典型地為鋁和不鏽鋼；或例如那些以Tufnol, Durostone為商標銷售的複合材料；各種填充有玻璃球或布料的環氧樹脂；或者具有適當機械強度、楊氏模量和熱膨脹係數特性的材料的任何其它組合。線圈10由超導導線構成，其典型地由在銅基體中的NbTi基體絲構成。導線匝被非常薄的電絕緣材料(例如環氧樹脂)層分開。然而，線圈的熱膨脹係數和熱傳導性接近圓周方向銅的熱膨脹係數和熱傳導性。在徑向和軸向方向，熱膨脹係數由導線和樹脂複合層的熱膨脹係數的組合確定。支撐結構的材料——例如鋁或GRP (玻璃纖維增強塑料)——熱傳導性和熱膨脹係數頗為不同。當線圈和支撐結構組件經歷溫度突變，線圈和支撐結構將以不同程度並以不同比率膨脹或收縮。對於具有相對低熱傳導性的材料，溫度變化將僅僅慢慢地起作用，而對於具有較高熱傳導性的材料，溫度變化將更迅速地起作用。此外，具有較大熱膨脹係數的材料與具有較低熱膨脹係數的材料相比，因溫度變化導致的膨脹或收縮程度更大。由於材料隨著溫度膨脹或收縮，應變值可被定義成材料尺寸變化的比例。例如，如果長度d的物體以A d改變長度，相應的應變可表達為J d/d。對於不同的材料，即使其溫度變化可能相似，應變值也將不同。在上述任何線圈組件內，線圈中的應變與相鄰的支撐結構中的應變不同。因為粘接界面處存在剪切應變，這使得線圈和支撐結構之間的粘接界面有損壞風險。線圈上的合成機械カ可導致線圈在使用中運動、粘接到支撐結構的線圈在界面處破裂、引起應カ和內部破裂的線圈彎曲的風險，其可導致失超(quench)。失超期間，由於擾亂了超導狀態(典型地，是由與支撐結構的機械相互作用、或線圈內的樹脂的內部破裂、或線圈過度應カ產生的熱引起的)，存儲在超導磁體磁場中的能量突然被耗散成線圈和磁體結構內的熱。在一個線圈出現失超後，許多已知的布局結構能夠將能量分散在多個線圈上。然而，這會導致線圈快速發熱，但粘接到線圈的支撐結構並不會同樣快地發熱。這將導致線圈和支撐結構之間的表面應變差異，冒有損害線圈和支撐結構之間粘接的風險。在例如圖I所示的磁體結構中，線圈可利用線圈和支撐結構之間的滑移面獨立於支撐結構自由移動，因此線圈和線圈架間的損害僅限於粘滑問題。在類似於圖I所示的具有粘接到線圈架的線圈的磁體結構中，對線圈和線圈架間粘接的損害可導致失超。在例如圖2所示的磁體結構中，對線圈10和支撐結構14間粘接的損害可使得線圈出現一定的軸向移動，而這又可能導致失超。
在例如圖3和圖4所示的磁體結構中，對線圈10和支撐結構16、18之間的粘接的損害可破壞該結構作為一個整體的機械完整性，因為其基本上僅通過線圈和支撐元件之間的粘接保持在一起。對粘接的損害可表現為破裂的形式，其可導致磁體失超。
發明內容
因此，本發明g在提供當線圈經歷溫度突變時， 用於減少線圈和相鄰支撐結構之間界面應變差異的方法和裝置。這種溫度變化的示例包括將磁體初始冷卻到工作溫度，以及失超時磁體的發熱。為此，本發明提供了所附權利要求中限定的裝置。
根據下文對本發明某些實施例的描述，並結合附圖，本發明的上述及更多目標、特徵和優點將的描述變得更加明顯，附圖中
圖1-4示出了包括粘接到支撐結構的線圈的螺線管超導電磁體的示例；
圖4A示出了可在本發明某些實施例中使用的成型支撐區段；
圖5示出了傳統失超保護電路的示例；
圖6示出了傳統失超保護電路的另ー示例；
圖7示出了窗穿過傳統結構「末端」線圈70的軸向部分橫截面；
圖8示出了圖7的結構，其由於末端線圈的膨脹而變形；以及 圖9-12示出了根據本發明某些實施例的粘接到支撐結構的加熱元件的示例性布局結構。
具體實施例方式根據本發明，加熱元件被提供為與支撐結構熱接觸，並且被布置成在溫度突然轉變期間加熱支撐結構，以便減少線圈與支撐結構之間界面應變的差異。在一些實施例中，加熱元件也被提供為與線圈熱接觸，並被布置成在溫度突然轉變期間根據需要加熱線圈，以便減少線圈與支撐結構之間界面應變的差異。失超和初始冷卻是引起溫度突變的兩種最常見事件。失超期間，如上所述，由於從超導狀態轉變到電阻狀態在線圏內引起的的能量耗散，和線圈的熱膨脹係數通常較大，因此，線圈將突然發熱，且往往比支撐結構膨脹得更多和更快。在初始冷卻期間，線圈和支撐結構將根據各自所含材料熱傳導性和熱膨脹係數的不同以不同的比率收縮。溫度變化最終將導致線圈和支撐結構出現尺寸變化，所出現的穩態界面應變將依賴於線圈和支撐結構各自的熱膨脹係數。根據本發明，提供了ー種布局結構，用於加熱支撐結構以便在線圈溫度變化期間，使線圈和支撐結構之間的表面界面應變差異最小化。根據本發明，這種用於加熱支撐結構的布局結構還將在冷卻和溫度上升期間使結構彎曲導致的線圈內應カ最小化，從而減少線圈內的環氧樹脂破裂的ー個因素。
在本發明的實施例中，電阻性導體，例如一定長度的導線被提供在支撐結構內或支撐結構的表面上用作加熱元件。具體的布局結構將依賴於支撐結構的材料。例如，如果支撐結構由例如GPR的複合材料組成，當製造支撐結構時將電阻性導線嵌入到支撐結構中相對簡単。另ー方面，如果支撐結構由鋁製成，將電阻性導線附接到支撐結構表面可能更實際，通過這種方式，電阻性導線與鋁支撐結構電絕緣並且與其熱接觸。在某些實施例中，電阻性導體被布置成通過與失超保護電路的適當連接來承載在線圈中流動的一部分電流。 圖5示出了如提供在已知超導磁體中的典型失超保護電路的ー個示例，其可在本發明的實施例中使用。線圈10通過兩個超導開關22和24串聯連接。每個超導開關包括示意性地以26表示的一定長度的超導開關導線和以28表示的開關加熱器。使用時，開關22處於其閉合狀態。開關22的超導導線26通過應用到線圈10的製冷布局結構被冷卻到其超導轉變溫度以下。由於開關22的加熱器28由超導線圈和在閉合狀態的超導開關進行旁通，因而沒有功率供應給開關22的加熱器28。超導開關24被用於控制將電流引入磁體線圈10中以及控制將電流從磁體線圈10的移除。如果電流將被引入或移除，那麼功率被供應給開關加熱器28。這會使開關導線26失超，並且允許外部的磁體功率供應單元(未示出)根據需要將電流引入線圈10或從線圈10移除電流。一旦達到需要的電流水平，就移除開關加熱器28的功率，開關導線26被冷卻到其轉變溫度以下，超導電路形成。如果在電流流經線圈10時，線圈10發生失超，電壓將出現在該線圈上。流過其中的電流將開始下降，並且反向電壓將出現在其它線圈上。這些電壓將導致開關加熱器28上出現電壓，並且功率將被供應給開關加熱器28。這將導致開關導線26失超，變得有電阻。電壓將出現在開關導線26上，並且ー些電流將通過連接30轉移到本發明的加熱布局結構40。如傳統中的情況ー樣，一些電流還將被提供給熱連接到線圈10的失超加熱器(未示出)。此電流將加熱任一未失超的線圈，使其全部失超，因此將失超引起的熱量散播開，從而防止最初失超的線圈出現過熱。通過將本發明的加熱器連接到失超保護電路，支撐結構可被加熱，並且線圈和支撐結構之間的界面應變的差異可被減少，從而減少了由於失超引起的損害的風險。圖6示出了有所簡化的替代性布局結構。這裡，僅僅提供了ー個超導開關24，在將電流引入到線圈10或從線圈10移除電流時使用。在失超發生在任何一個線圈10的情形下，該線圈將突然變得有電阻，並且電壓差將出現在該線圈上。由於感應線圈對抗失超線圈引起的電流減少，反向電壓將出現在其它的線圏。電壓將因此出現在輸出32處，其可被使用以對根據本發明提供的加熱布局結構40提供功率。如傳統中的情況一祥，ー些電流還將被提供給熱連接到線圈10的失超加熱器(未示出)。此電流將加熱任一未失超的線圈，使其全部失超，因此在所有磁體線圈上共享失超引起的存儲能量的耗散，且因此防止最初失超的線圈出現過熱。通過將本發明的加熱元件連接到失超保護電路，支撐結構可被加熱，並且線圈和支撐結構之間的界面應變的差異可被減少，從而減少由於失超引起損害的風險。在本發明的另ー應用中，加熱元件可被用於加熱支撐結構，以便減少傳統磁體末端線圈上失超期間的表面應變差異，磁體末端線圈由它們的徑向外表面支撐。圖7示出了穿過傳統結構的「末端」線圈70的軸向部分橫截面。在這種傳統布局結構中，末端線圈在其軸向內表面BI和徑向外表面A2表面上被附接到線圈支撐結構74的剰餘部分的支撐環72支撐。線圈沒有被粘接到支撐結構，而是在線圈和支撐之間具有材料層，其形成允許線圈相對支撐結構移動的滑移面。在使用中，由於末端線圈產生的磁場和磁體的剰餘部分產生的磁場的交互作用引起圓周應力，使得這種末端線圈具有膨脹的趨勢。如果失超事件發生在末端線圈70中，線圈將突然發熱並膨脹。這種膨脹引起的直徑增加將壓靠圖8所示的支撐環72，引起線圈和支撐環變形。這種變形可對線圈的結構造成機械損害，例如由於破壞了線圈70的線匝之間的樹脂粘接。 線圈的這種膨脹還可導致支撐結構彎曲，導致支撐環的永久變形並造成不正確的支撐線圈70，這又會因為大的線圈移動導致線圈失超。在本發明的實施例中，加熱布局結構被提供為與支撐環72熱接觸。在失超的情況下，加熱布局結構加熱支撐環，從而導致其比無發熱布局結構的情況更快地膨脹，從而減少末端線圈70和支撐環72之間的應變差異。下面計算說明了，根據本發明的實施例，可從典型磁體(例如，圖4中所示的)獲得足夠的能量，以在類似時間內將支撐結構18加熱到ー個溫度，該溫度造成的的熱應變類似於線圈達到的熱應變，因此減少了線圈和支撐結構之間的剪切應カ。對於給定的質量m，根據材料的初始溫度到最後溫度的熱函變化，可計算出増加支撐結構18的溫度所需的熱Q。熱函變化通過比熱容Cp在溫度變化上的積分計算
Q mlCrJT = m [H(T12) - H(ハ)]，
其中m為結構的總質量，Tl和T2分別為初始溫度和最後溫度，H(T)為相關材料在溫度T的熱函，其為熱容的積分。存儲在典型的3特斯拉超導磁體中的電能大約是12MJ，該電存儲磁體能量的一小部分可從磁體中得到，並且可用於加熱支撐結構18。假設線圈失超溫度變化，熱膨脹係數、支撐結構的質量、以及失超期間的熱函變化，對於特定的磁體設計和線圈失超情景，使差熱應變最小化所需的能量能被優化，並且加熱元件被設計和提供以確保不同的表面應變最小化。現在將以示例方式描述根據本發明某些實施例的加熱元件的某些示例。在圖9的示例中，為了通過磁體電流加熱分段的支撐結構(如上文所述示例中的支撐結構)，每個支撐區段18被提供有加熱元件42，所述加熱元件42由卷繞在每個區段內或區段上的電阻性導線形成。替代性地，如圖10中例示的，電阻性加熱器44可被拴接(SP用螺栓連接)或以其他方式附接到支撐元件18，其用作散熱器。在失超時，使用例如圖5和圖6中例示的電路，一定比例的線圈電流被轉移到這些電阻性導線或加熱器。由此產生的歐姆熱對支撐結構18進行加熱，並且提供了形成支撐結構中所需應變所需要的能量。在圖11所示的替代性布局結構中，提供的用於加熱支撐結構18的加熱元件沒有電連接到失超保護電路或磁體結構的線圏。用幹支撐結構18的加熱元件46均通過卷繞在支撐件18中的導線的電短路閉合迴路形成。失超時，變化的磁場感應耦合到支撐結構內的閉合電路，從而引起撐結構出現渦電流以及電阻性加熱。與通過感應線圈提供的由電阻性加熱供給結構的能量相比，這種閉合迴路感應電路46被設計成通過構成支撐結構的合成物的熱傳導性、熱膨脹的適當選擇來產生所需加熱以及支撐結構中的應變。圖12示出了另ー替代結構，其中電阻性導線48在相鄰的線圈之間圍繞整個支撐結構周向地卷繞。對於粘接到兩個線圈的支撐結構，結構內的電流能沿著其長度被改變，以補償兩個線圈中的應變的任何差異。類似地，電阻性導線42或電阻性加熱器44的分布可適於提供鄰近每個線圈的所需應變。這種思想能被應用到任何或所有的軸向、徑向和環向應變。線圈10和支撐結構18之間的差熱應變問題也發生在超導磁體被從室溫冷卻到低溫以誘發NbTi絲從電阻狀態轉變到超導狀態，以準備將電流引入線圈吋。這在通過添加犧牲性製冷劑(例如氮，其為液氦的添加做準備)來預冷卻磁體的情形下尤 為正確，因為這些情形下冷卻得非常快。在例如通過運行低溫致冷器使磁體更慢冷卻的布局結構中也可能發生問題。由於熱膨脹係數和熱傳導性的差異，不同材料的不同比率的熱收縮在冷卻期間能導致線圈10和支撐結構18之間界面的高機械應力。對此的解決方案是通過在每ー這些材料內使用加熱器來控制支撐結構和線圈的冷卻速度。由於在磁體的冷卻期間將沒有來自超導磁體的變化磁場，這些加熱器不能通過到磁體的感應耦合被供電。相反，在冷卻過程期間，加熱器必須通過電連接到磁體、或合適地修改的分離失超保護電路、或連接到專門電路來被供電。與上述鋁間隔件18類似形式的間隔件可由鋁、不鏽鋼或銅的浸潰樹脂的線圈構成。在冷卻階段，這些線圈可被電連接在一起，且被連接到失超電路或用於提供電流的電路。替代性地，間隔件中的線圈可被電短路以形成導電迴路，其在失超事件期間和逐漸縮小的磁場感應耦合，從而在失超事件期間在線圈中感應電流，由此加熱間隔教案。替代性地，或另外，間隔件可被布置成感應地接收在失超期間從超導磁體的逐漸縮小的磁場的電功率。為此，可將多個間隔件電串聯連接起來，或者，可將每個間隔件中的線圈短路成ー個閉合迴路。根據本發明，在本發明的某些實施例中，熱被提供給保持超導線圈的支撐結構，使得線圈和相鄰的支撐結構在失超期間，並且額外地或替代性地，在冷卻階段具有類似的應變。在本發明的實施例中，不但要考慮用幹支撐結構的材料的機械強度和低溫的公差，而且要考慮間隔件的熱傳導性和熱膨脹係數。雖然已具體參考了其中超導線圈為環形的實施例對本發明進行了描述，但是本發明可應用於具有任何形狀線圈的超導電磁體。本發明可應用於導電材料例如鋁形成的支撐結構，並且應用於非導電材料(例如玻璃纖維增強塑性合成物)形成的支撐結構。雖然已參考某些類型的支撐結構對本發明進行描述，但本發明可有效地應用於其中線圈被粘接到支撐結構的任何超導磁體結構。雖然已參考有限數量的特定實施例對本發明進行描述，但眾多變型和替代性實施例對於本領域技術人員而言將是明顯的。本發明的範圍由所附權利要求限定。
權利要求
1.ー種超導電磁體，其包括粘接到支撐結構的超導導線線圈(10)，所述支撐結構包括定位在相鄰線圈之間周向間隔位置處的多個支撐塊(18)，其特徵在於，電阻加熱元件被提供為與所述支撐塊熱接觸，以便加熱所述支撐塊。
2.ー種超導電磁體，其包括粘接到支撐結構的超導導線線圈(10)，所述支撐結構包括線圈架(12)，所述線圈架(12)具有環形凹腔，所述環形凹腔中卷繞有所述線圈，其特徵在幹，電阻加熱元件被提供為與所述線圈架熱接觸，以便加熱所述線圈架。
3.ー種超導電磁體，其包括超導導線線圈(10)，所述超導導線線圈在它們的徑向外表面上粘接到基本上圓柱形的支撐結構(14)，其特徵在幹，加熱元件被提供為與所述基本上圓柱形的支撐結構熱接觸。
4.根據前述權利要求中任一項所述的超導電磁體，其中所述加熱元件包括導線閉合迴路，所述導線閉合迴路被布置成在所述電磁體產生的磁場強度變化期間通過電感應接收能量。
5.根據權利要求1-3中任一項所述的超導電磁體，其中所述加熱元件包括電阻器，所述電阻器被機械地安裝在所述支撐結構上，並且提供有電連接，籍此以在需要加熱所述支撐結構時接收電能。
6.根據權利要求1-3中任一項所述的超導電磁體，其中所述加熱元件包括電阻性導線線圈，所述電阻性導線線圈被機械地安裝在所述支撐結構上或所述支撐結構中，並且提供有電連接，籍此以在需要加熱所述支撐結構時接收電能。
7.根據權利要求5或權利要求6所述的超導磁體，其中所述加熱元件被連接到失超保護電路，籍此以在電磁體失超情況下接收電能。
8.根據權利要求4所述的超導電磁體，其中所述閉合迴路被布置成使得，在所述電磁體失超的情況下，所述電磁體的變化磁場在所述閉合迴路中感應出電流，籍此引起所述閉合迴路以及所述支撐結構的歐姆加熱。
9.根據前述權利要求中任一項所述的超導電磁體，其中所述支撐結構為非導電材料。
10.根據權利要求1-8中任一項所述的超導電磁體，其中所述支撐結構為導電材料。
11.根據權利要求4或權利要求6所述的超導電磁體，其中所述迴路或導線線圈皆被放置在所述支撐結構中形成的孔或腔中，所述孔或腔填充有硬化材料。
12.根據權利要求1、2、3、5、6、7中任一項所述的超導電磁體，其中電功率源用於在所述超導電磁體的運行的冷卻階段加熱所述支撐結構。
13.根據前述權利要求中任一項所述的超導電磁體，其中所述支撐結構包括支撐環(72)，其將所述線圈中的ー個保持在所述支撐環的徑向外表面上，並且所述電阻加熱元件中的至少ー個被布置成用於加熱所述支撐環。
全文摘要
本發明涉及包括粘接到支撐結構的線圈的超導電磁體。具體地，提供了一種包括粘接到支撐結構的超導導線線圈的超導電磁體，其中加熱元件被提供為與所述支撐結構熱接觸，以便加熱所述支撐結構。
文檔編號H01F6/00GK102651265SQ20121004183
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月23日 優先權日2011年2月23日
發明者H.A.布萊克斯, M.J.隆菲爾德, P.W.雷茨 申請人:英國西門子公司