一種大尺寸超導磁鐵疊壓鐵芯的製備方法
2023-04-27 00:36:36
專利名稱：一種大尺寸超導磁鐵疊壓鐵芯的製備方法
技術領域：
本發明涉及帶電粒子傳輸使用的超導電磁鐵的製造方法，尤其涉及加速器超導磁 鐵的疊壓鐵芯製造方法。
背景技術：
粒子輸運電磁鐵是加速器的主要設備，主要用於帶電粒子在真空腔體內的偏轉和 引出。超導二極磁鐵具有磁場能量高，節省電損耗(超導狀態下線圈電阻為零)，磁場精度 高等特點；在具體設計過程中，出於降低磁鐵中的渦流電損耗及提高材料的均勻性的目的， 磁鐵鐵芯會採用衝片疊壓的方式進行製造；如北京高能所正負電子對撞機Binp的二極磁 鐵，德國重粒子國家實驗室GSI的冷卻儲存環SIS18的二極磁鐵等。德國GSI冷去儲存環 二極磁鐵衝片採用了 Imm的矽鋼片，磁鐵採用整體膠粘疊壓；北京正負電子對撞機內的二 極磁鐵採用0. 5mm的矽鋼片，磁鐵採用整體膠粘疊壓的工藝。通常疊片二極磁鐵尺寸由加速器物理根據粒子的能量及發散度以及磁場的強度 和均勻度所決定。考慮到工程技術的現實制約和經濟成本，大尺寸磁鐵無論從衝片的製造， 塗膠，尺寸檢測，以及疊壓過程都存在著工程技術問題，如國產衝片開卷寬度不夠，塗膠膠 輥長度不夠，無足夠大的檢測設備檢測衝片尺寸精度等等。磁鐵一般不會設計太大。但對 於物理設計而言，有時需要磁鐵孔徑大，磁場強度和精度要求高，卻不得不受制於製造過程 的制約。處於交變電磁場下的電機或者磁元件，為避免在磁鐵內部產生電渦流，從而導致 降低磁鐵的勵磁效率，磁鐵本身常常設計為矽鋼片疊壓的結構。這樣的結構滿足了磁場對 於降低渦流損耗的要求，可是由於矽鋼片的製作是採用衝模在衝床上衝制而成，衝模的造 價和周期決定了磁元件的形狀不能過於複雜，基本上是由一片片的衝片疊壓成直線段或圓 弧段。常規衝片的檢測工藝採用三座標點測儀，對關鍵點的精度做出測量，對於小尺寸 的衝片，由於衝片自然翹曲小，可以得到比較準確的測量結果；但對於大尺寸衝片，衝片面 積大，由於三座標測量儀在測量過程中要求衝片必須墊起一定高度才能滿足測量探頭上位 置傳感器的正常工作，從而造成衝片在三座標測量儀上自身的彎曲變形遠大於儀器的測量 精度，不能真實反映衝片的精度。採用矽鋼片疊壓工藝製成的磁元件，由於結構形式的限制，不能像實心鐵製造的 磁元件那樣可以根據需要做機械加工，這樣會導致疊壓在一起得矽鋼片開裂，或因為切削 力的作用造成卷片，從而造成零件報廢。
發明內容
本發明的目的在於避免現有技術的不足，提供一種大尺寸超導磁鐵疊壓鐵芯的制 備方法。採用本發明的製造方法，可以製造疊片磁鐵鐵芯為20T以上的超導磁鐵，磁鐵鐵芯 疊裝後採用焊接結構保持鐵芯機械尺寸。在保證磁鐵磁場強度和磁場精度的同時，採用了
3合理實用的製造工藝；在衝制，疊壓，烘烤，檢測等諸多過程中，完成了物理設計到工程實施 的轉變。為實現上述目的，本發明採取的技術方案為一種大尺寸超導磁鐵疊壓鐵芯的制 備方法，其主要特點包括如下步驟1.將0. I-Imm矽鋼片衝片開卷衝制；2.檢測採用雷射跟蹤儀，將衝片在00級大理石平臺上貼實壓緊，採用測量頭，對 衝片極頭部分及裝配基準線測量；3.粘結端板將一片片的衝片採用臺階片疊壓成直線段或圓弧段；塗環氧樹脂膠 粘結端板，在磁鐵兩端採用膠片半固化，半固化的溫度為205°C -215°C ；4.機械加工在工裝上按照物理要求加工斜面；5.半鐵芯疊壓及焊接對中間部分的磁鐵進行膠片固化，即對中間1/3-1/2長度 的衝片塗膠後加溫固化，固化溫度為205°C _215°C，對固化後的整體再採用機加工，加工後 在加工槽內嵌入電工純鐵製造的部件；6.在磁鐵衝片外圍焊接鋼板材料選用電工純鐵DT4，每塊焊接鈑上除了四周的角 焊縫外，在鋼板中心開長的焊接槽；7.整體鐵芯裝配在上下磁鐵之間加裝導向柱，導向柱分別裝配在上下鐵芯上， 通過調試使相互間配合良好，固定上下導向柱的位置；裝配時，在上鐵芯下降過程快接近超 導線圈杜瓦盒時，導向柱開始工作，以保證不會因為上鐵芯不能對正而破壞外杜瓦盒。本發明的有益效果本發明採用合理的工藝及結構，實現了大尺寸，高精度衝片磁 鐵的製造加工。在中科院近代物理研究所為德國重粒子實驗室GSI製造的FAIR-CR超導二 極磁鐵中，採用本工藝，順利了完成了相關任務。為我國研究所和企業更好地參與國際大科 學裝置的合作提供了良好的條件。同時為國內各個加速器研究部門製造同類型的電磁鐵提 供了經驗和具體方案。能為相關製造單位節省人力資源和研發資金。本發明的優點是可以製造疊片磁鐵鐵芯為20T以上的超導磁鐵，磁鐵鐵芯疊裝後 採用焊接結構保持鐵芯機械尺寸。在保證磁鐵磁場強度和磁場精度的同時，採用了合理實 用的製造工藝；在衝制，疊壓，烘烤，檢測等諸多過程中，完成了物理設計到工程實施的轉 變。
圖1是本發明的實施例1的示意圖。圖中1.磁體上壓板；2.上鐵芯左粘結端板；3.拉杆；4.上鐵芯焊接段；5.上鐵 芯右粘結端板；6.下鐵芯右粘結端板；7.中間焊接部件；8.下鐵芯焊接段；9.下鐵芯左粘 結端板；10.導向杆；11.磁鐵下壓板。圖2是本發明檢測示意圖。圖中衝片1-1，雷射跟蹤儀測量球1-2，測量球工裝1-3，大理石平臺1-4。圖3是本發明矽鋼片疊壓示意圖。圖4是本發明磁鐵裝配導向杆示意圖。圖中，2-1.導向柱；2-2.固定螺栓；2-3.導向套；2_4.下鐵芯；2_5.上鐵芯。
具體實施例方式以下對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限 定本發明的範圍。實施例1 一種大尺寸超導磁鐵疊壓鐵芯的製備方法，包括如下步驟磁體結構如圖1所示，整個磁元件重約24T，長約2010mm，寬約2200mm，高約 750mmo要求磁元件為0. 5mm矽鋼片疊壓而成，兩端斜面角度為15°，單邊7. 5°。磁鐵兩 端和中間各有一塊粘結端板，中間採用不塗膠的光片疊壓後焊接。1.將0. 5mm矽鋼片衝片；衝片採用國家標準中所規定的0. 5mm矽鋼片，矽鋼片可 根據磁場要求選取不同牌號。2.檢測見圖2，採用雷射跟蹤儀，將衝片1-1在00級大理石平臺1-4上貼實壓緊， 採用測量頭，對衝片極頭部分及裝配基準線測量；對衝片極頭部分及裝配基準線測量後，所 得到的測量重複精度達到μ級，高於衝片製造精度o.oi毫米一個量級，可以滿足測量要 求。圖中衝片1-1，雷射跟蹤儀測量球1-2，測量球工裝1-3，大理石平臺1-4。3.粘結端板見圖3，將一片片的衝片採用臺階片疊壓成直線段或圓弧段；塗環氧 樹脂膠粘結端板，在磁鐵兩端採用膠片半固化，半固化的溫度為205°C -215°C ；以防止磁鐵 在加電運行過程中衝片之間由於磁場洛侖磁力而相互斥開，從而影響磁場質量。對兩端需 要加工斜面的，結構上採用環氧樹脂膠疊壓後，在215°C，壓力300MPa。疊壓完成後用結構 鋼板對衝片進行焊接以強化磁鐵機械剛性。進行保溫固化，使得鐵心固化為整體。同時在粘 結後的短板上焊有0 10的鋼條，以防止在機械加工時，由於進刀時突然受力產生了剝離力。4.機械加工；將焊接好的粘結端板放在加工工裝上，選取合理的加工參數。完成 整個端板的加工。5.半鐵芯疊壓及焊接對中間部分的磁鐵進行膠片固化，即對中間1/3-1/2長度 的衝片塗膠後加溫固化，固化溫度為205°C _215°C，對固化後的整體再採用機加工，加工後 在加工槽內嵌入電工純鐵製造的部件；6.在磁鐵衝片外圍焊接鋼板材料選用電工純鐵DT4，每塊焊接鈑上除了四周的角 焊縫外，在鋼板中心開長的焊接槽，保證焊接強度。7整體鐵芯裝配見圖4，在上下磁鐵之間加裝導向柱2-1，導向柱2-1分別裝配在 上鐵芯2-5、下鐵芯2-4上，通過調試使相互間配合良好，固定上下導向柱2-1的位置；裝配 時，在上鐵芯2-5下降過程快接近超導線圈杜瓦盒時，導向柱2-1開始工作，以保證不會因 為上鐵芯2-5不能對正而破壞外杜瓦盒。圖中，2-1.導向柱；2-2.固定螺栓；2-3.導向套； 2-4.下鐵芯；2-5.上鐵芯。上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原 則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種大尺寸超導磁鐵疊壓鐵芯的製備方法，其特徵包括如下步驟1).將0.1 1mm矽鋼片衝片開卷衝制；2).檢測採用雷射跟蹤儀，將衝片在00級大理石平臺上貼實壓緊，採用測量頭，對衝片極頭部分及裝配基準線測量；3).粘結端板將一片片的衝片採用臺階片疊壓成直線段或圓弧段；塗環氧樹脂膠粘結端板，在磁鐵兩端採用膠片半固化，半固化的溫度為205℃ 215℃；4).機械加工在工裝上按照物理要求加工斜面；5).半鐵芯疊壓及焊接對中間部分的磁鐵進行膠片固化，即對中間1/3 1/2長度的衝片塗膠後加溫固化，固化溫度為205℃ 215℃，對固化後的整體再採用機加工，加工後在加工槽內嵌入電工純鐵製造的部件；6).在磁鐵衝片外圍焊接鋼板材料選用電工純鐵DT4，每塊焊接鈑上除了四周的角焊縫外，在鋼板中心開長的焊接槽；7).整體鐵芯裝配在上下磁鐵之間加裝導向柱，導向柱分別裝配在上下鐵芯上，通過調試使相互間配合良好，固定上下導向柱的位置；裝配時，在上鐵芯下降過程快接近超導線圈杜瓦盒時，導向柱開始工作，以保證不會因為上鐵芯不能對正而破壞外杜瓦盒。
全文摘要
本發明涉及帶電粒子傳輸使用的超導電磁鐵的製造方法。一種大尺寸超導磁鐵疊壓鐵芯的製備方法，其主要特點包括衝片、檢測、粘結端板、機械加工、半鐵芯疊壓及焊接、整體鐵芯裝配，在上下磁鐵之間加裝導向柱，導向柱分別裝配在上下鐵芯上，通過調試使相互間配合良好，固定上下導向柱的位置；裝配時，在上鐵芯下降過程快接近超導線圈杜瓦盒時，導向柱開始工作，以保證不會因為上鐵芯不能對正而破壞外杜瓦盒。本發明的優點是可以製造疊片磁鐵鐵芯為20T以上的超導磁鐵，磁鐵鐵芯疊裝後採用焊接結構保持鐵芯機械尺寸。在保證磁鐵磁場強度和磁場精度的同時，採用了合理實用的製造工藝；在衝制，疊壓，烘烤，檢測等諸多過程中，完成了物理設計到工程實施的轉變。
文檔編號H01F41/02GK101968997SQ201010285638
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月16日 優先權日2010年9月16日
發明者何長喜, 孫國平, 張小奇, 張斌, 徐大宇, 李學敏, 柴志良, 王文進, 董志武, 魏良棟 申請人:中國科學院近代物理研究所