CN105355358B - 一种含铁磁环的超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含铁磁环的超导磁体，其包括非磁性筒形骨架、超导螺线管线圈和两个环形盖板；在环形盖板靠近超导螺线管线圈的表面上，嵌入一个铁磁环，并且铁磁环与环形盖板共轴；其中，铁磁环靠近超导螺线管线圈的表面上，形成具有一定槽深的环形凹槽，从而在铁磁环的内边缘与外边缘上分别形成内环形凸台和外环形凸台，并且内环形凸台与外环形凸台的径向宽度数值上等于环形凹槽的槽深；超导螺线管线圈的端面与环形凹槽的底面相平行且间距为环形凹槽的槽深，超导螺线管线圈端面的内边沿与内环形凸台的间距和超导螺线管线圈端面的外边沿与外环形凸台的间距数值上均等于环形凹槽的槽深。本发明通过衰减垂直磁场分量而提高超导磁体的临界电流。

Description

一种含铁磁环的超导磁体

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，特别涉及一种含铁磁环的超导磁体。

背景技术

与常规铜、铝导电导线相比，超导导线具有非常高的临界电流密度和近似为零的电阻率。近年来，由超导导线绕制的超导磁体在电力、能源领域中已得到广泛应用，如超导磁储能线圈、超导变压器绕组、超导电抗器绕组、超导发电机绕组等。

超导磁体常采用螺线管空芯线圈结构，以获得较高的电感量和储能密度。但是，在这种螺线管空芯线圈结构中，位于磁体两个端部的轴向线圈层所在的背景磁场主要分量为垂直超导导线宽表面的垂直磁场分量。而垂直磁场分量将极大地衰减超导磁体内部的超导导线的临界电流密度，进而增加整个超导磁体的运行能量损耗。为了降低垂直磁场分量大小，人们常采用各种结构优化算法对端部轴向线圈层进行优化设计，如遗传算法、模拟退火算法等，但是优化后的线圈几何结构较为复杂，增加了实际绕制和加工的难度，同时还增加了超导磁体内部的导线焊接点数量。此外，目前也有研究人员在螺线管空芯线圈的两端加入圆环形铁磁片，通过引入具有高磁导率的铁磁片来减小垂直磁场分量。但是，该方案需要厚度和宽度较大的圆环形铁磁片，一方面额外增加了大量的铁磁损耗，同时还增加了整个超导磁体的体积和重量，对超导磁体在低温杜瓦容器内的实际安装和运行造成困难。此外，圆环形铁磁片对靠近绕线骨架的内层线圈导线周围的垂直磁场分量的衰减效果较差，容易造成内层线圈导线的临界电流密度过低，进而引起导线失超过快、局部过热等安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于：衰减超导磁体的垂直磁场分量，进而提高超导磁体内部的超导导线的临界电流并降低整个超导磁体的运行能量损耗，同时优化结构，减小超导磁体的体积和重量，便于运行和安装。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种含铁磁环的超导磁体，其包括非磁性筒形骨架、超导螺线管线圈和两个环形盖板，并且所述超导螺线管线圈绕制在所述非磁性筒形骨架上，所述非磁性筒形骨架的两端各设置一个所述环形盖板，用于盖住所述超导螺线管线圈的两端部，而且，在所述环形盖板靠近所述超导螺线管线圈的表面上，嵌入一个铁磁环，并且所述铁磁环与所述环形盖板共轴；其中，

所述铁磁环靠近所述超导螺线管线圈的表面上，形成具有一定槽深的环形凹槽，从而在所述铁磁环的内边缘与外边缘上分别形成内环形凸台和外环形凸台，并且所述内环形凸台与所述外环形凸台的径向宽度数值上等于所述环形凹槽的槽深；

所述超导螺线管线圈的端面与所述环形凹槽的底面相平行且间距为所述环形凹槽的槽深，所述超导螺线管线圈端面的内边沿与所述内环形凸台的间距和所述超导螺线管线圈端面的外边沿与所述外环形凸台的间距数值上均等于所述环形凹槽的槽深。

根据一种具体的实施方式，所述超导螺线管线圈由一定数量的轴向线圈层构成，每个所述轴向线圈层具有相同的匝数；其中，在所述超导螺线管线圈的中心区域设置数量大于总量三分之一的轴向线圈层，并且各个轴向线圈层之间的轴向气隙相等；

将剩下的轴向线圈层平分后，分别设置在所述超导螺线管线圈的两端区域，并且越接近所述超导螺线管线圈端部，轴向线圈层之间的所述轴向气隙递增。

根据一种具体的实施方式，在所述超导螺线管线圈中，从一端端部的轴向线圈层中最里面或最外面的线圈上引出一条引线，并且引出所述引线的线圈由内至外或由外至内依次串联该轴向线圈层的所有线圈，通过该轴向线圈层最外面或最里面的线圈与相邻的轴向线圈层串联，直至将所述超导螺线管线圈的所有轴向线圈层的每匝线圈均串联在一起，最后从另一端端部的轴向线圈层中最外面或最里面的线圈引出另一条引线。

根据一种具体的实施方式，在所述超导螺线管线圈的两端区域中，所述轴向线圈层之间所述轴向气隙呈等差递增。

根据一种具体的实施方式，所述超导螺线管线圈由ReBCO超导带材，或BSCCO超导带材，或MgB2超导带材绕制而成。

根据一种具体的实施方式，在所述环形凹槽内均匀填充非磁性材料，并且填充的非磁性材料不超出所述环形凹槽。

根据一种具体的实施方式，在所述环形盖板的外边缘上开设至少两个轴向通孔，将螺杆分别穿过位于所述非磁性筒形骨架两端的所述环形盖板上的一个轴向通孔后，锁紧所述螺杆，以将所述环形盖板固定在所述非磁性筒形骨架的两端。

根据一种具体的实施方式，在所述环形盖板的内边缘上开设至少两个轴向通孔，将螺钉穿过内边缘上的轴向通孔拧入所述非磁性筒形骨架内，以将所述环形盖板固定在所述非磁性筒形骨架上。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明中的铁磁片可以极大地衰减垂直磁场分量，进而提高超导磁体内部的超导导线的临界电流，及降低整个超导磁体的运行能量损耗。

2、本发明中的铁磁片可以有效降低靠近绕线骨架的内层线圈导线周围的垂直磁场分量大小，避免了因内层线圈导线的临界电流密度过低而引起的导线失超过快、局部过热等安全隐患。

3、本发明中的铁磁片的厚度和宽度非常小，不会对超导磁体的体积和重量造成影响，利于超导磁体在低温杜瓦容器内的实际安装和运行。

4、本发明中的超导磁体本体可以采用单根超导导线直接绕制而成，降低了实际绕制和加工的难度，且内部无导线焊接点，减少了失超安全隐患。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的铁磁环的剖面图；

图3是本发明的一种实施结构图；

图4是本发明超导螺线管线圈的结构示意图；

图5是本发明的另一种实施结构图。

1：非磁性筒形骨架 2：超导螺线管线圈 3：环形盖板 4：铁磁环 5：螺杆 6：螺钉7：非磁性材料

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

结合图1和图2分别所示的本发明的结构示意图以及本发明的铁磁环的剖面图；其中，本发明含铁磁环的超导磁体，其包括非磁性筒形骨架1、超导螺线管线圈2和两个环形盖板3，并且超导螺线管线圈2绕制在非磁性筒形骨架1上，非磁性筒形骨架1的两端各设置一个环形盖板3，用于盖住超导螺线管线圈2的两端部，而且，在环形盖板3靠近超导螺线管线圈2的表面上，嵌入一个铁磁环4，并且铁磁环4与环形盖板3共轴。

并且，在铁磁环4靠近超导螺线管线圈2的表面上，形成具有一定槽深的环形凹槽，从而在铁磁环4的内边缘与外边缘上分别形成内环形凸台和外环形凸台，并且内环形凸台与外环形凸台的径向宽度数值上等于环形凹槽的槽深。

超导螺线管线圈2的端面与环形凹槽的底面相平行且间距为环形凹槽的槽深，超导螺线管线圈2端面的内边沿与内环形凸台的间距和超导螺线管线圈2端面的外边沿与外环形凸台的间距数值上均等于环形凹槽的槽深。

在实施时，环形凹槽的槽深数值上设为铁磁环厚度的一半。而且，经过测试和验证，两端安装不具有环形凹槽和环形凸台的铁磁环的超导磁体，与本发明的在两端安装具有环形凹槽和环形凸台的铁磁环的超导磁体相比，本发明的超导磁体具有更大的临界电流密度。

在此基础上，分别对环形凹槽的槽深、环形凸台的径向宽度以及超导螺线管线圈端面边沿与环形凸台的间距，按照单独对比的原则，进行定量分析。

设其他变量一定，仅改变环形凹槽的槽深，随着槽深逐渐增加，环形凸台在轴向上的高度也相应增加，而超导磁体的电流密度是呈逐渐增大然后逐渐减小，并且在槽深为铁磁环厚度一半时，具有最大的临界电流密度。

接着，设环形凹槽的槽深数值上为铁磁环厚度一半，超导螺线管线圈端面的边沿与环形凸台的间距一定，仅改变环形凸台的径向宽度，当环形凸台的轴向宽度逐渐增加时，超导磁体的电流密度是呈逐渐增大然后逐渐减小，并且在径向宽度为环形凹槽的槽深，即铁磁环厚度一半时，具有最大的临界电流密度。

最后，设环形凹槽的槽深和环形凸台的径向宽度按数值上均为铁磁环厚度一半，仅改变超导螺线管线圈端面的边沿与环形凸台的间距，当间距逐渐增加时，超导磁体的电流密度是呈逐渐增大然后逐渐减小，并且间距为环形凸台的径向宽度时，具有最大的临界电流密度。

结合图3所示的本发明的一种实施结构图，其中，本发明的超导螺线管线圈2由一定数量的轴向线圈层构成，每个轴向线圈层具有相同的匝数；其中，在超导螺线管线圈2的中心区域设置数量大于总量三分之一的轴向线圈层，并且各个轴向线圈层之间的轴向气隙相等。

将剩下的轴向线圈层平分后，分别设置在超导螺线管线圈2的两端区域，并且越接近超导螺线管线圈2端部，轴向线圈层之间的轴向气隙递增。

其中，在两端区域的轴向线圈层之间设置递增的轴向气隙，可以将垂直磁场分量较为均匀地分布在不同的轴向线圈层中，从而有效降低位于超导螺线管线圈2端部最外层的轴向线圈层的垂直磁场分量大小，提高超导磁体内部的超导导线的临界电流。

在实施时，在超导螺线管线圈2的两端区域中，轴向线圈层之间轴向气隙呈等差递增。

结合图4所示的本发明超导螺线管线圈的结构示意图，其中，本发明的超导螺线管线圈2各个轴向线圈层的连接方式为串联连接。该串联连接的方式为：从一端端部的轴向线圈层中最里面或最外面的线圈上引出一条引线，并且引出引线的线圈由内至外或由外至内依次串联该轴向线圈层的所有线圈，通过该轴向线圈层最外面或最里面的线圈与相邻的轴向线圈层串联，直至将超导螺线管线圈2的所有轴向线圈层的每匝线圈均串联在一起，最后从另一端端部的轴向线圈层中最外面或最里面的线圈引出另一条引线。

因此，本发明中的超导磁体可以采用单根超导导线直接绕制而成，降低了实际绕制和加工的难度，且内部无导线焊接点，减少了失超安全隐患。

本发明中，超导螺线管线圈由ReBCO超导带材，或BSCCO超导带材，或MgB2超导带材绕制而成。

结合图5所示的本发明另一种实施结构图，其中，在环形盖板3的外边缘上开设至少两个轴向通孔，将螺杆5分别穿过位于非磁性筒形骨架1两端的环形盖板3上的一个轴向通孔后，锁紧螺杆5，以将环形盖板3固定在非磁性筒形骨架1的两端。

在实施时，在环形盖板3的内边缘上开设至少两个轴向通孔，将螺钉6穿过内边缘上的轴向通孔拧入非磁性筒形骨架1内，已将环形盖板3固定在非磁性筒形骨架1上。

在具体实施时，由于超导螺线管线圈2的端部与铁磁环4之间为没有支撑结构，而且需要保持超导螺线管线圈2的端面与铁磁环4的环形凹槽的底面的平行且间距为环形凹槽槽深的位置关系，因此，在环形凹槽内均匀填充非磁性材料7，并且填充的非磁性材料7不超出环形凹槽，从而避免在生产过程中，大量地对超导螺线管线圈2与铁磁环4的位置进行校准，降低生产效率。

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (8)

1.一种含铁磁环的超导磁体，包括非磁性筒形骨架、超导螺线管线圈和两个环形盖板，并且所述超导螺线管线圈绕制在所述非磁性筒形骨架上，所述非磁性筒形骨架的两端各设置一个所述环形盖板，用于盖住所述超导螺线管线圈的两端部，其特征在于，在所述环形盖板靠近所述超导螺线管线圈的表面上，嵌入一个铁磁环，并且所述铁磁环与所述环形盖板共轴；其中，

所述铁磁环靠近所述超导螺线管线圈的表面上，形成具有一定槽深的环形凹槽，从而在所述铁磁环的内边缘与外边缘上分别形成内环形凸台和外环形凸台，并且所述内环形凸台与所述外环形凸台的径向宽度数值上等于所述环形凹槽的槽深；

所述超导螺线管线圈的端面与所述环形凹槽的底面相平行且间距为所述环形凹槽的槽深，所述超导螺线管线圈端面的内边沿与所述内环形凸台的间距和所述超导螺线管线圈端面的外边沿与所述外环形凸台的间距数值上均等于所述环形凹槽的槽深。

2.如权利要求1所述的含铁磁环的超导磁体，其特征在于，所述超导螺线管线圈由一定数量的轴向线圈层构成，每个所述轴向线圈层具有相同的匝数；其中，在所述超导螺线管线圈的中心区域设置数量大于总量三分之一的轴向线圈层，并且各个轴向线圈层之间的轴向气隙相等；

将剩下的轴向线圈层平分后，分别设置在所述超导螺线管线圈的两端区域，并且越接近所述超导螺线管线圈端部，轴向线圈层之间的轴向气隙递增。

3.如权利要求2所述的含铁磁环的超导磁体，其特征在于，在所述超导螺线管线圈中，从一端端部的轴向线圈层中最里面或最外面的线圈上引出一条引线，并且引出所述引线的线圈由内至外或由外至内依次串联该轴向线圈层的所有线圈，通过该轴向线圈层最外面或最里面的线圈与相邻的轴向线圈层串联，直至将所述超导螺线管线圈的所有轴向线圈层的每匝线圈均串联在一起，最后从另一端端部的轴向线圈层中最外面或最里面的线圈引出另一条引线。

4.如权利要求2所述的含铁磁环的超导磁体，其特征在于，在所述超导螺线管线圈的两端区域中，所述轴向线圈层之间所述轴向气隙呈等差递增。

5.如权利要求2所述的含铁磁环的超导磁体，其特征在于，所述超导螺线管线圈由ReBCO超导带材，或BSCCO超导带材，或MgB₂超导带材绕制而成。

6.如权利要求1所述的含铁磁环的超导磁体，其特征在于，在所述环形凹槽内均匀填充非磁性材料，并且填充的非磁性材料不超出所述环形凹槽。

7.如权利要求1所述的含铁磁环的超导磁体，其特征在于，在所述环形盖板的外边缘上开设至少两个轴向通孔，将螺杆分别穿过位于所述非磁性筒形骨架两端的所述环形盖板上的一个轴向通孔后，锁紧所述螺杆，以将所述环形盖板固定在所述非磁性筒形骨架的两端。

8.如权利要求7所述的含铁磁环的超导磁体，其特征在于，在所述环形盖板的内边缘上开设至少两个轴向通孔，将螺钉穿过内边缘上的轴向通孔拧入所述非磁性筒形骨架内，以将所述环形盖板固定在所述非磁性筒形骨架上。