一種大型餅式高溫超導磁體的承力裝置的製作方法

2024-01-27 23:20:15

專利名稱：一種大型餅式高溫超導磁體的承力裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於超導電工技術領域，涉及一種餅式高溫超導磁體的承力裝置。
背景技術：
高溫超導磁體(特別是工作20K及以下溫度的)具有高穩定性、大電流密度和低溫超導無法達到的高臨界磁場等優點，在核磁共振成像、強磁場、儲能、超導電力等應用方面具有廣闊的前景。
目前可用於繞制高溫超導磁體的導體有已經商業化生產的鉍系銀包套帶材(Bi-2223/Ag、Bi-2212/Ag)和目前正在研發的YBCO塗層高溫超導帶材，長度都很有限，通常為100米～200米，並且導體越長，產品的成品率越低，相應的售價也越高。由於這種超導體為帶狀結構以及長度有限等特點決定了高溫超導磁體一般採用餅式線圈結構，即通過多個高溫超導餅式線圈的串、並聯組裝成高溫超導磁體。另外這類高溫超導體均為陶瓷材料，這就決定了其機械性能方面存在很大缺陷，如帶材的抗拉伸能力尤其是在垂直帶材長度方向上的抗擠壓能力都很差。儘管許多高溫超導帶材廠家採取了許多新的工藝來解決這方面的問題，例如美國超導公司推出的不鏽鋼加強複合超導帶以及其它一些公司推出的銀合金包套超導帶等產品，雖然使沿超導帶拉伸應力方面的機械性能有了很大改善，但在垂直超導帶長度方向上的抗擠壓應力特性沒有明顯改觀。法國科學家的研究結果如圖1所示，橫軸為機械應力，縱軸為超導帶歸一化臨界電流(Ic/Ic0)，可以看出垂直超導帶方向的擠壓應力對臨界電流的影響很大，不足30MPa帶材的臨界電流就開始下降。
眾所周知，磁體在運行時起主導作用的電磁力是沿磁體輻向向外的擴張力和沿軸向向中間的擠壓力。就軸向擠壓力來說，在雙餅式高溫超導磁體中，端部的雙餅線圈擠壓中間的雙餅線圈，在中間位置的雙餅線圈受到的軸向擠壓應力最大。高溫超導磁體中任意一個雙餅線圈內超導帶的受力情況如圖2所示，磁體中輻向的擴張力最終轉化、施加到超導帶上的力主要是沿帶材切線方向的拉伸應力F1和F2，通常F1與F2大小相等、方向相反；磁體中軸向擠壓力最終施加在超導帶上的是垂直帶材長度方向擠壓應力P1和P2，P1是上側的雙餅線圈對中間雙餅線圈的擠壓應力，P2則是下側雙餅線圈對中間雙餅線圈的反向擠壓應力。在磁體最上端的雙餅線圈P1為0，而在磁體中間位置的雙餅線圈則P1與P2相等且達到最大。
在強磁場、大電流尤其是用於電力設備中的某些故障大電流衝擊情況下的大型高溫超導磁體，軸向和輻向的電磁力都非常巨大。由於超導帶在拉伸應力方面的改進，例如美國超導公司推出的加強帶拉伸應力達到260MPa，加上磁體採用環氧澆鑄等工藝，輻向應力得到了較好的解決。因此，如何使軸向擠壓應力小於超導帶的臨界擠壓應力值，是研製強磁場、大電流等大型高溫超導磁體的關鍵技術之一。

發明內容
本發明的目的是克服現有高溫超導帶橫向抗擠壓的機械性能差的缺陷，針對大型高溫超導磁體的電磁應力分布和磁體的結構特點，提供一種大型餅式高溫超導磁體的承力裝置，可以有效避免由巨大的電磁應力導致的軸向擠壓力對超導磁體造成的破壞作用，提高磁體的軸向抗擠壓能力，改善磁體的軸向機械強度，從而提高大型高溫超導磁體的機械穩定性。
本發明承力裝置主要由承力隔板以及內外支撐承力隔板的內芯筒和外筒等組成。根據高溫超導磁體雙餅線圈的數量、軸向擠壓應力的情況，把組裝磁體的雙餅線圈分成多組，每一組用承力隔板託起，隔板的內緣和外緣分別由內芯筒和外筒支撐，從而把磁體的軸向擠壓應力分散的傳到內外承力筒上。內芯筒的高度h與其對應外筒的兩環形槽間的距離h3相等，等於該組所有雙餅線圈及雙餅間墊片的總厚度；承力隔板是厚度為t的板狀圓環，內孔與內芯筒的外凸臺緊密配合，外半徑較雙餅線圈外半徑稍大，板厚度t以所託雙餅線圈的產生最大電磁力時不變形為準；內芯筒下端內桶壁有深度為h1的內凹臺，上端外桶壁有高度為h2的外凸臺；其中隔板厚度t、內凹臺深度h1以及外凸臺高度h2滿足關係h2＝h1+t，兩個內芯筒上下凹凸相配，承力隔板則嵌套在外凸臺上，三者緊密配合。內外筒上均有冷卻孔，承力隔板雙面有沿徑向的冷卻通道，可以增強超導線圈的冷卻效果。承力裝置的各部件可以採用無磁不鏽鋼等機械強度較好的金屬，也可以採用玻璃鋼等機械性能好的非金屬材料。若採用金屬材料，為降低由於磁體磁場的變化引起的蝸流損耗，承力隔板以及內芯筒沿徑向做一個切口，使它們不能自成迴路，其次表面要做絕緣處理，如噴鍍聚四氟等。
本發明承力裝置在高溫超導磁體中的裝配步驟如下(1)將磁體的下法蘭平放在水平三角支架上，把最下端的內芯筒與下法蘭同心裝配，外凸臺一端朝上；(2)將繞制完畢並做了加固處理(如環氧浸漬等)的雙餅線圈及雙餅間墊片，按照磁體設計的順序和預設的焊接方案依次套裝在內芯筒上；(3)把承力隔板套裝在外凸臺上，並使二者的滅渦切口對齊；(4)把第二個內芯筒的內凹臺與第一個芯筒的外凸臺凹凸嵌套，並使三者的滅渦切口對齊；(5)重複(1)～(4)，直到把整個磁體的所有雙餅線圈裝配完畢；
(6)把四片外筒按照預設位置進行裝配，使所有承力隔板的外緣都嵌入對應的外筒環形槽內；(7)固定外筒用事先加工好的環形箍緊固外筒，至此完成磁體軸向承力裝置的裝配。


圖1Bi系高溫超導帶材的歸一化臨界電流隨垂直擠壓應力和拉伸應力的變化曲線；圖2高溫超導磁體中任意一個雙餅線圈內超導帶的受力情況示意圖；圖3承力隔板示意圖；圖4承力內芯筒示意圖；圖5承力外筒示意圖；圖6承力隔板、芯筒以及高溫超導雙餅線圈的組裝示意圖；圖7承力隔板、芯筒以及外筒的組裝示意圖；圖中1承力隔板，2滅渦切口，3冷卻通道，4內芯筒，5滅渦切口，6內凹臺，7外凸臺，8冷卻孔，9外筒，10環形槽，11高溫超導雙餅線圈，h內芯筒高度，h1內凹臺深度，h2外凸臺高度，h3外筒上兩環形槽間距離。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。
本發明承力裝置主要由承力隔板1，以及內外支撐承力隔板1的內芯筒4和外筒9等組成。
根據高溫超導磁體雙餅線圈的數量、軸向擠壓應力的情況，把組裝磁體的雙餅線圈11分成多組，例如圖7所示，7個承力隔板1把磁體的雙餅線圈分成8組。每一組用承力隔板1託起，隔板1的內緣和外緣分別由內芯筒4和外筒9支撐，從而把磁體的軸向擠壓應力分散的傳到內芯筒3和外筒9上。
如圖3所示，承力隔板1是厚度為t的板狀圓環，其內孔與內芯筒4的外凸臺7緊密配合，外半徑較雙餅線圈11外半徑稍大，板厚度t以所託的所有雙餅線圈11產生最大電磁力時不變形為準；承力隔板1雙面有沿徑向的冷卻通道3，可以增強超導磁體的冷卻效果。
如圖4所示，內芯筒4的高度h與其對應外筒9的兩環形槽10間的距離h3相等，等於該組所有雙餅線圈11及雙餅間墊片的總厚度；內芯筒4下端內桶壁有深度為h1的內凹臺6，上端外桶壁有高度為h2的外凸臺7；其中承力隔板1厚度t、內凹臺6深度h1、外凸臺7高度h2滿足關係h2＝h1+t，兩個內芯筒4上下凹凸相配，承力隔板1則嵌套在外凸臺7上，三者緊密配合，如圖6所示。內芯筒4和外筒9上均有冷卻孔8。
本發明承力裝置的各部件可以採用無磁不鏽鋼等機械強度較好的金屬，也可以採用玻璃鋼等機械性能好的非金屬材料。若採用金屬材料，為降低由於磁體磁場的變化引起的蝸流損耗，承力隔板1以及內芯筒4沿徑向做滅渦切口2和5，使它們不能自成迴路；同時承力隔板1、內芯筒4以及外筒9表面要做絕緣處理，如噴鍍聚四氟等。
本發明在高溫超導磁體的裝配步驟如下(1)將磁體的下法蘭平放在水平三角支架上，把最下端的內芯筒4與下法蘭同心裝配，有外凸臺7一端朝上；(2)將繞制完畢並做了加固處理(如環氧浸漬等)的雙餅線圈11及雙餅間墊片，按照磁體設計的順序和預設的焊接方案依次套裝在內芯筒4上；(3)把承力隔板1套裝在外凸臺7上；(4)如圖6所示，把第二個內芯筒4的內凹臺6與第一個芯筒4的外凸臺7凹凸嵌套；(5)重複(1)～(4)，直到把整個磁體的所有雙餅線圈裝配完畢；(6)如圖7所示，把四片外筒9按照預設位置進行裝配，使所有承力隔板1的外緣都嵌入對應的外筒環形10槽內；(7)固定外筒用事先加工好的環形箍緊固外筒8，至此完成磁體軸向承力裝置的裝配。
本發明結構簡單，易於實施，並且不影響超導磁體的散熱效果，可以有效提高磁體的軸向抗擠壓能力，改善磁體的軸向機械強度，從而提高大型高溫超導磁體的機械穩定性。
權利要求
1.一種大型餅式高溫超導磁體的承力裝置，其特徵在於主要由承力隔板[1]，以及內外支撐承力隔板[1]的內芯筒[4]和外筒[9]組成；組裝磁體的雙餅線圈[11]分成多組，每一組用承力隔板[1]託起，承力隔板[1]的內緣和外緣分別由內芯筒[4]和外筒[9]支撐；承力隔板[1]是厚度為t的板狀圓環，其內孔與內芯筒[4]的外凸臺[7]緊密配合，外半徑較雙餅線圈[11]外半徑稍大，板厚度t以所託的所有雙餅線圈[11]產生最大電磁力時不變形為準；承力隔板[1]雙面有沿徑向的冷卻通道[3]，內芯筒[4]的高度h與其對應外筒[9]的兩環形槽[10]間的距離h3相等，等於該組所有雙餅線圈[11]及雙餅間墊片的總厚度；內芯筒[4]下端內桶壁有深度為h1的內凹臺[6]，上端外桶壁有高度為h2的外凸臺[7]；兩個內芯筒[4]上下凹凸相配，承力隔板[1]則嵌套在外凸臺[7]上，三者緊密配合；內芯筒[4]和外筒[9]上均有冷卻孔[8]。
2.按照權利要求1所述的大型餅式高溫超導磁體的承力裝置，其特徵在於承力隔板[1]厚度t、內凹臺[6]深度h1、外凸臺[7]高度h2滿足關係h2＝h1+t。
3.按照權利要求1所述的大型餅式高溫超導磁體的承力裝置，其特徵在於承力隔板[1]、內芯筒[4]和外筒[9]採用無磁不鏽鋼等機械強度較好的金屬或玻璃鋼等機械性能好的非金屬材料；採用金屬材料時，承力隔板[1]及內芯筒[4]沿徑向做滅渦切口[2和5]，同時承力隔板[1]、內芯筒[4]以及外筒[9]表面要做絕緣處理。
全文摘要
一種大型餅式高溫超導磁體的承力裝置，包括承板[1]的內芯筒[4]和外筒[9]力隔板[1]，以及內外支撐承力隔。承力隔板[1]是厚度為t的板狀圓環，其內孔與內芯筒[4]的外凸臺[7]緊密配合，承力隔板[1]雙面有沿徑向的冷卻通道[3]。內芯筒[4]的高度h與其對應外筒[9]的兩環形槽[10]間的距離h3相等，等於該組所有雙餅線圈[11]及雙餅間墊片的總厚度；內芯筒[4]下端內桶壁有深度為h1的內凹臺[6]，上端外桶壁有高度為h2的外凸臺[7]；兩個內芯筒[4]上下凹凸相配，承力隔板[1]則嵌套在外凸臺[7]上，三者緊密配合；承力隔板[1]厚度t、內凹臺[6]深度h1、外凸臺[7]高度h2滿足關係h2＝h1+t。內芯筒[4]和外筒[9]上均有冷卻孔[8]。
文檔編號H01F6/06GK101075495SQ200710098559
公開日2007年11月21日 申請日期2007年4月20日 優先權日2007年4月20日
發明者張京業, 王子凱, 張東, 張豐元, 戴少濤, 肖立業, 林良真 申請人:中國科學院電工研究所