[发明专利]具有分散应力的高磁场超导螺线管线圈及其绕制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高磁场超导磁体线圈及其绕制方法，特别涉及一种具有分散应力支撑结构的高磁场超导螺线管线圈及其绕制方法。

背景技术

超导磁体具有体积小、重量轻、能耗低等特点。对发展用于物理学、生物医学和其他科学研究应用的高磁场超导磁体系统，超导磁体较混合磁体和脉冲磁体有更大的优势。目前研制25～30T高磁场的大型超导磁体和核磁共振磁体系统是高磁场超导磁体应用发展的重要方向。通常高磁场超导磁体由多种超导线材以非均匀电流密度分布的形式实现的。

高磁场的超导磁体运行在较高的电流密度和较高的磁场下，电流和磁场的相互作用在螺线管线圈内产生角向应力σ_θ＝jBr。如果磁体运行的平均电流密度为10⁸A/m²，线圈的平均半径为0.4m，所产生的磁场为30T，则超导线内产生的最大角向应力为1200MPa。超导线无论是高温超导带材还是低温超导线材，受到的应力超过一定限度之后，其临界电流密度都会急剧下降。例如NbTi超导线的最大退化应力在300-400MPa左右，  Nb₃Sn超导线所能承受的应变小于0.4％，使用不锈钢加强带的高温超导带材的最大应力在300MPa，没有不锈钢加强带的高温超导带材最大应力小于100MPa，基于基带加强的YBCO二代高温超导带承受的最大应力可以到300-500MPa的范围。因此，机械应力和材料屈服是导致高磁场超导磁体线圈不能承受大电流传输的重要原因之一。

目前主要采用支撑超导线圈环向应力的方法降低超导线圈的应力集中，即在一个超导线圈绕制完成以后，在其外表面绕制包裹不锈钢丝层对线圈进行加固，这种支撑方法对于磁场较小、室温孔较小的超导磁体解决应力集中的问题是非常有效。但25～30T的高磁场超导磁体线圈的匝数和层数较多，由于磁体内部应力过高，光靠线圈外表面的不锈钢丝层不足以解决超导线圈的应力集中问题。使用单一外围加固的方法不能抑制应力达到或超过超导线临界电流的最大退化应力值。另外对于径向较厚的超导线圈，由于绕制张力的均匀分布，导致线圈绕制完成之后，线圈的内层的张应力减小，采用外围绕制不锈钢线的方法对分散线圈应力的作用不大。

发明内容

为了克服现有高磁场超导磁体应力集中的问题，本发明提出一种具有分散应力的高磁场超导螺线管线圈结构。本发明不仅可以减小超导绕组内部的应力集中，而且能够大大减小线圈的失超锻炼次数，有效提高磁体的运行电流密度。

本发明采用分层不锈钢线支撑结构，使线圈的主要电磁应力可以直接转移到不锈钢线支撑层上。采用分层不锈钢线支撑层加固结构，超导线圈内部应力分布较为均匀。不锈钢线支撑层厚度的选择应以超导线圈受到电磁应力的形变量小于线圈整体尺寸的0.4％为标准。

本发明的高磁场超导螺线管线圈通过不锈钢支撑层将超导线圈分成若干层，线圈按径向方向由内到外首先为超导线层，然后为不锈钢支撑层，依次交替，超导线圈的最外端使用截面为矩形的不锈钢线绕制端部支撑结构加固线圈整体。这样交替绕制完成的超导线圈具有结构强度较好、应力分散的特点，能够承受较高的电磁应力，线圈可运行在高电流密度和高磁场下。

本发明线圈的绕制方法是用圆形或矩形超导线绕制的超导螺线管线圈，然后在超导螺线管线圈的外表面用与超导螺线管线圈的超导线径相同的圆形不锈钢线绕制一至两层，形成不锈钢线支撑层。再在不锈钢线支撑层的外表面绕制超导螺线管线圈二，依次再在超导螺线管线圈二的外表面上使用相同直径的圆形不锈钢线绕制一至两层，形成不锈钢支撑层二，然后依次交替绕制超导螺线管线圈和不锈钢支撑层，最后在超导线圈的最外端使用截面为矩形的不锈钢线绕制端部支撑结构加固线圈整体，形成具有分散应力的超导螺线管线圈整体。

本发明不锈钢支撑层的不锈钢线的截面形状和大小与其支撑的超导线圈的超导线的截面形状和大小相同。

本发明的具有分散应力支撑结构的高磁场超导螺线管线圈适用于高磁场超导磁体系统，特别是多线圈超导磁体系统，例如高磁场核磁共振超导磁体系统(NMR)和混合高磁场外插磁体系统等等，特别是25～30T高磁场超导磁体系统。

附图说明

图1是采用圆形超导线的超导螺线管线圈的结构示意图，图中：1超导螺线管线圈一、2不锈钢线支撑层一、3超导螺线管线圈二、4不锈钢线支撑层二、5端部支撑结构一；

图2是采用矩形超导线的超导螺线管线圈的结构示意图；6矩形线超导线螺线管线圈一、7矩形线不锈钢线支撑层一、8矩形线超导线螺线管线圈二、9矩形线不锈钢线支撑层二、10端部支撑结构二；