CN101075495B - 一种大型饼式高温超导磁体的承力装置 - Google Patents

Abstract

一种大型饼式高温超导磁体的承力装置，包括承板[1]的内芯筒[4]和外筒[9]力隔板[1]，以及内外支撑承力隔。承力隔板[1]是厚度为t的板状圆环，其内孔与内芯筒[4]的外凸台[7]紧密配合，承力隔板[1]双面有沿径向的冷却通道[3]。内芯筒[4]的高度h与其对应外筒[9]的两环形槽[10]间的距离h3相等，等于该组所有双饼线圈[11]及双饼间垫片的总厚度；内芯筒[4]下端内桶壁有深度为h1的内凹台[6]，上端外桶壁有高度为h2的外凸台[7]；两个内芯筒[4]上下凹凸相配，承力隔板[1]则嵌套在外凸台[7]上，三者紧密配合；承力隔板[1]厚度t、内凹台[6]深度h1、外凸台[7]高度h2满足关系：h2＝h1+t。内芯筒[4]和外筒[9]上均有冷却孔[8]。

Description

一种大型饼式高温超导磁体的承力装置

技术领域

本发明属于超导电工技术领域，涉及一种饼式高温超导磁体的承力装置。

背景技术

高温超导磁体(特别是工作20K及以下温度的)具有高稳定性、大电流密度和低温超导无法达到的高临界磁场等优点，在核磁共振成像、强磁场、储能、超导电力等应用方面具有广阔的前景。

目前可用于绕制高温超导磁体的导体有已经商业化生产的铋系银包套带材(Bi-2223/Ag、Bi-2212/Ag)和目前正在研发的YBCO涂层高温超导带材，长度都很有限，通常为100米～200米，并且导体越长，产品的成品率越低，相应的售价也越高。由于这种超导体为带状结构以及长度有限等特点决定了高温超导磁体一般采用饼式线圈结构，即通过多个高温超导饼式线圈的串、并联组装成高温超导磁体。另外这类高温超导体均为陶瓷材料，这就决定了其机械性能方面存在很大缺陷，如带材的抗拉伸能力尤其是在垂直带材长度方向上的抗挤压能力都很差。尽管许多高温超导带材厂家采取了许多新的工艺来解决这方面的问题，例如美国超导公司推出的不锈钢加强复合超导带以及其它一些公司推出的银合金包套超导带等产品，虽然使沿超导带拉伸应力方面的机械性能有了很大改善，但在垂直超导带长度方向上的抗挤压应力特性没有明显改观。法国科学家的研究结果如图1所示，横轴为机械应力，纵轴为超导带归一化临界电流(I_c/I_c0)，可以看出垂直超导带方向的挤压应力对临界电流的影响很大，不足30MPa带材的临界电流就开始下降。

众所周知，磁体在运行时起主导作用的电磁力是沿磁体辐向向外的扩张力和沿轴向向中间的挤压力。就轴向挤压力来说，在双饼式高温超导磁体中，端部的双饼线圈挤压中间的双饼线圈，在中间位置的双饼线圈受到的轴向挤压应力最大。高温超导磁体中任意一个双饼线圈内超导带的受力情况如图2所示，磁体中辐向的扩张力最终转化、施加到超导带上的力主要是沿带材切线方向的拉伸应力F1和F2，通常F1与F2大小相等、方向相反；磁体中轴向挤压力最终施加在超导带上的是垂直带材长度方向挤压应力P1和P2，P1是上侧的双饼线圈对中间双饼线圈的挤压应力，P2则是下侧双饼线圈对中间双饼线圈的反向挤压应力。在磁体最上端的双饼线圈P1为0，而在磁体中间位置的双饼线圈则P1与P2相等且达到最大。

在强磁场、大电流尤其是用于电力设备中的某些故障大电流冲击情况下的大型高温超导磁体，轴向和辐向的电磁力都非常巨大。由于超导带在拉伸应力方面的改进，例如美国超导公司推出的加强带拉伸应力达到260MPa，加上磁体采用环氧浇铸等工艺，辐向应力得到了较好的解决。因此，如何使轴向挤压应力小于超导带的临界挤压应力值，是研制强磁场、大电流等大型高温超导磁体的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的是克服现有高温超导带横向抗挤压的机械性能差的缺陷，针对大型高温超导磁体的电磁应力分布和磁体的结构特点，提供一种大型饼式高温超导磁体的承力装置，可以有效避免由巨大的电磁应力导致的轴向挤压力对超导磁体造成的破坏作用，提高磁体的轴向抗挤压能力，改善磁体的轴向机械强度，从而提高大型高温超导磁体的机械稳定性。

本发明承力装置主要由承力隔板以及内外支撑承力隔板的内芯筒和外筒等组成。根据高温超导磁体双饼线圈的数量、轴向挤压应力的情况，把组装磁体的双饼线圈分成多组，每一组用承力隔板托起，隔板的内缘和外缘分别由内芯筒和外筒支撑，从而把磁体的轴向挤压应力分散的传到内外承力筒上。内芯筒的高度h与其对应外筒的两环形槽间的距离h3相等，等于该组所有双饼线圈及双饼间垫片的总厚度；承力隔板是厚度为t的板状圆环，内孔与内芯筒的外凸台紧密配合，外半径较双饼线圈外半径稍大，板厚度t以所托双饼线圈的产生最大电磁力时不变形为准；内芯筒下端内桶壁有深度为h1的内凹台，上端外桶壁有高度为h2的外凸台；其中隔板厚度t、内凹台深度h1以及外凸台高度h2满足关系：h2＝h1+t，两个内芯筒上下凹凸相配，承力隔板则嵌套在外凸台上，三者紧密配合。内外筒上均有冷却孔，承力隔板双面有沿径向的冷却通道，可以增强超导线圈的冷却效果。承力装置的各部件可以采用无磁不锈钢等机械强度较好的金属，也可以采用玻璃钢等机械性能好的非金属材料。若采用金属材料，为降低由于磁体磁场的变化引起的蜗流损耗，承力隔板以及内芯筒沿径向做一个切口，使它们不能自成回路，其次表面要做绝缘处理，如喷镀聚四氟等。

本发明承力装置在高温超导磁体中的装配步骤如下：

(1)将磁体的下法兰平放在水平三角支架上，把最下端的内芯筒与下法兰同心装配，外凸台一端朝上；

(2)将绕制完毕并做了加固处理(如环氧浸渍等)的双饼线圈及双饼间垫片，按照磁体设计的顺序和预设的焊接方案依次套装在内芯筒上；

(3)把承力隔板套装在外凸台上，并使二者的灭涡切口对齐；

(4)把第二个内芯筒的内凹台与第一个芯筒的外凸台凹凸嵌套，并使三者的灭涡切口对齐；

(5)重复(1)～(4)，直到把整个磁体的所有双饼线圈装配完毕；

(6)把四片外筒按照预设位置进行装配，使所有承力隔板的外缘都嵌入对应的外筒环形槽内；

(7)固定外筒：用事先加工好的环形箍紧固外筒，至此完成磁体轴向承力装置的装配。

附图说明

图1Bi系高温超导带材的归一化临界电流随垂直挤压应力和拉伸应力的变化曲线；

图2高温超导磁体中任意一个双饼线圈内超导带的受力情况示意图；

图3承力隔板示意图；

图4承力内芯筒示意图；

图5承力外筒示意图；

图6承力隔板、芯筒以及高温超导双饼线圈的组装示意图；

图7承力隔板、芯筒以及外筒的组装示意图；

图中：1承力隔板，2灭涡切口，3冷却通道，4内芯筒，5灭涡切口，6内凹台，7外凸台，8冷却孔，9外筒，10环形槽，11高温超导双饼线圈，h内芯筒高度，h1内凹台深度，h2外凸台高度，h3外筒上两环形槽间距离。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明承力装置主要由承力隔板1，以及内外支撑承力隔板1的内芯筒4和外筒9等组成。

根据高温超导磁体双饼线圈的数量、轴向挤压应力的情况，把组装磁体的双饼线圈11分成多组，例如图7所示，7个承力隔板1把磁体的双饼线圈分成8组。每一组用承力隔板1托起，隔板1的内缘和外缘分别由内芯筒4和外筒9支撑，从而把磁体的轴向挤压应力分散的传到内芯筒3和外筒9上。

如图3所示，承力隔板1是厚度为t的板状圆环，其内孔与内芯筒4的外凸台7紧密配合，外半径较双饼线圈11外半径稍大，板厚度t以所托的所有双饼线圈11产生最大电磁力时不变形为准；承力隔板1双面有沿径向的冷却通道3，可以增强超导磁体的冷却效果。

如图4所示，内芯筒4的高度h与其对应外筒9的两环形槽10间的距离h3相等，等于该组所有双饼线圈11及双饼间垫片的总厚度；内芯筒4下端内桶壁有深度为h1的内凹台6，上端外桶壁有高度为h2的外凸台7；其中承力隔板1厚度t、内凹台6深度h1、外凸台7高度h2满足关系：h2＝h1+t，两个内芯筒4上下凹凸相配，承力隔板1则嵌套在外凸台7上，三者紧密配合，如图6所示。内芯筒4和外筒9上均有冷却孔8。

本发明承力装置的各部件可以采用无磁不锈钢等机械强度较好的金属，也可以采用玻璃钢等机械性能好的非金属材料。若采用金属材料，为降低由于磁体磁场的变化引起的蜗流损耗，承力隔板1以及内芯筒4沿径向做灭涡切口2和5，使它们不能自成回路；同时承力隔板1、内芯筒4以及外筒9表面要做绝缘处理，如喷镀聚四氟等。

本发明在高温超导磁体的装配步骤如下：

(1)将磁体的下法兰平放在水平三角支架上，把最下端的内芯筒4与下法兰同心装配，有外凸台7一端朝上；

(2)将绕制完毕并做了加固处理(如环氧浸渍等)的双饼线圈11及双饼间垫片，按照磁体设计的顺序和预设的焊接方案依次套装在内芯筒4上；

(3)把承力隔板1套装在外凸台7上；

(4)如图6所示，把第二个内芯筒4的内凹台6与第一个芯筒4的外凸台7凹凸嵌套；

(5)重复(1)～(4)，直到把整个磁体的所有双饼线圈装配完毕；

(6)如图7所示，把四片外筒9按照预设位置进行装配，使所有承力隔板1的外缘都嵌入对应的外筒环形10槽内；

(7)固定外筒：用事先加工好的环形箍紧固外筒8，至此完成磁体轴向承力装置的装配。

本发明结构简单，易于实施，并且不影响超导磁体的散热效果，可以有效提高磁体的轴向抗挤压能力，改善磁体的轴向机械强度，从而提高大型高温超导磁体的机械稳定性。

Claims (3)

1.一种大型饼式高温超导磁体的承力装置，其特征在于主要由承力隔板(1)，以及内外支撑承力隔板(1)的内芯筒(4)和外筒(9)组成；组装磁体的双饼线圈(11)分成多组，每一组用承力隔板(1)托起，承力隔板(1)的内缘和外缘分别由内芯筒(4)和外筒(9)支撑；承力隔板(1)是厚度为t的板状圆环，其内孔与内芯筒(4)的外凸台(7)紧密配合，外半径较双饼线圈(11)外半径稍大，板厚度t以所托的所有双饼线圈(11)产生最大电磁力时不变形为准；承力隔板(1)双面有沿径向的冷却通道(3)，内芯筒(4)的高度h与其对应外筒(9)的两环形槽(10)间的距离h3相等，等于该组所有双饼线圈(11)及双饼间垫片的总厚度之和；内芯筒(4)下端内桶壁有深度为h1的内凹台(6)，上端外桶壁有高度为h2的外凸台(7)；两个内芯筒(4)上下凹凸相配，承力隔板(1)则嵌套在外凸台(7)上，三者紧密配合；内芯筒(4)和外筒(9)上均有冷却孔(8)。

2.按照权利要求1所述的大型饼式高温超导磁体的承力装置，其特征在于承力隔板(1)厚度t、内凹台(6)深度h1、外凸台(7)高度h2满足关系：h2＝h1+t。

3.按照权利要求1所述的大型饼式高温超导磁体的承力装置，其特征在于承力隔板(1)、内芯筒(4)和外筒(9)采用无磁不锈钢或玻璃钢；采用无磁不锈钢时，承力隔板(1)及内芯筒(4)沿径向做灭涡切口(2,5)，同时承力隔板(1)、内芯筒(4)以及外筒(9)表面做绝缘处理。 

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