CN103035354B - 一种无绝缘超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明属于超导技术领域，具体涉及一种无绝缘超导磁体。本发明的无绝缘超导磁体，包括线圈骨架和绕制在线圈骨架上的超导线,所述的超导线表面无绝缘层或包裹的绝缘层是不完整的，在超导线匝间填充有导电材料、导热材料、固化材料和润湿材料的混合物，匝间电阻在0.1欧姆‑100千欧姆之间；其中各部分材料按体积百分比为：导电材料0.01‑99.9%，导热材料0‑99.99%，固化材料0‑99%，0‑5%润湿材料。本发明的无绝缘超导磁体在每一匝超导线圈之间填充有导电成分，使匝间维持较高的电阻，既发挥了匝间无绝缘特点，又有利于超导磁体的充电励磁和失超保护。

Description

一种无绝缘超导磁体

技术领域

本发明属于超导技术领域，具体涉及一种无绝缘超导磁体。

背景技术

超导磁体是超导技术应用的最主要方面之一，依据工作形式的不同，可划分为低温超导磁体和高温超导磁体。低温超导磁体通常是指工作在液氦温度下（4.2K）的超导磁体，高温超导磁体则通常工作在液氦温度以上，一般工作温度为10-100K。超导磁体一般是采用NbTi、Nb₃Sn、Bi系、MgB₂、YBCO等超导线或带材绕制而成的，其中绝大部分超导磁体中所用的超导线、带外表都要包裹绝缘材料，通常是Kapton带和绝缘漆等材料，用包裹有绝缘层的超导线绕制完成的超导磁体，一般还要经过浸蜡或浸环氧树脂等填充技术将超导磁体内部的空隙填满，填充材料要具有耐低温、导热好等特性。绝缘和填充的主要目的是使超导磁体匝间良好绝缘。超导磁体的磁场一般为0.5T-20T，对磁体进行填充的另一目的是确保超导磁体内部的超导线被牢牢的固定好，避免在强大的磁场力作用下发生位移，降低超导体发生失超的风险。

一般低温超导磁体工作时要浸没在液氦内。高温超导磁体工作时可以浸没在液氮内，也可以浸没在液氦内。由于浸没在液氦、液氮这些冷量较大的导冷液体内，超导磁体温度通常都会被冷却到低温液体的沸点温度。超导磁体内稍有温度升高，就会蒸发掉大量低温液体把热量带走以保持温度恒定。随着低温技术的发展，近年出现工作温度达到4.2K或20K的低温制冷机。用导冷材料将超导磁体与制冷机相连，将超导磁体降到工作温度，这种工作方式被称为传导冷却。无论是低温超导磁体还是高温超导磁体，由于导热能力有限，传导冷却方式难以克服的缺点是超导磁体上各处温度不均匀。因为导热不良，当超导磁体内部出现热、电、磁的扰动时，容易引起局部温度过高，发生失超传播的风险也比较严重。

一般超导线的直径在1毫米左右，超导带材的厚度一般在0.5毫米左右，宽度5毫米左右，在超导线和带材内部通常有多股超导细丝，细丝数量几至几万不等，超导细丝（超导细丝外部偶尔会包裹阻隔层金属）被嵌在作为温度稳定体的铜或银等导热好的金属基体内。在稳定的工作条件下，超导磁体内部电流只在作为超导材料的超导细丝内流动，不在包裹超导材料的铜、银等温度稳定体中流动，在工作电流稳定不变条件下，超导线、带材外面包裹的绝缘材料是完全没有作用的，只有在磁体充磁、退磁时，绝缘材料才发挥作用。另外在超导磁体发生故障时，需要对超导磁体采取保护措施，绝缘材料会约束电流，对超导磁体产生不利影响。

2011年，国外新发展出一种无绝缘超导磁体技术，即在绕制超导磁体时，在超导线、带材之间不使用绝缘材料，或直接使用不锈钢带或哈氏合金带（Hastelloy）等导电金属带作为超导线、带材之间的间隔材料，绕组内部的每匝超导线、带材之间是导电、短路接触的，匝间接触电阻通常小于0.01欧姆，这对于超导磁体的充电励磁造成比较严重的困难。对于无绝缘超导磁体在超导磁体工作过程中，一旦超导体发生局部失超，超导线、带某段上出现电阻，电流会被分流到相邻超导线上，对于超导磁体保护比较有利。失超的超导线、带材不会被大工作电流持续加热，可以避免损坏超导磁体，而现有包裹绝缘材料，匝间绝缘的磁体内一旦出现失超，则需要有保护电路立刻工作，在零点几秒或几秒时间内将超导磁体电流降到无害水平，因此无绝缘超导磁体技术可以大幅度降低损坏超导磁体的风险。目前这种最新的无绝缘技术中所谓的无绝缘，实质上是完全的导电接触。线圈匝间电阻极小，不利于磁体正常充电励磁。

与传统的浸蜡或浸环氧树脂等填充技术相比，采用无绝缘技术的超导磁体的导热性能更好，有利于超导磁体内部温度均衡，避免磁体内部出现局部温度过高的区域而危害超导磁体工作。对于目前备受关注的制冷机传导冷却磁体具有更重要的意义。据目前最新文献报道，国外对无绝缘超导磁体技术的研究刚刚起步，还局限于从高度绝缘直接过渡到匝间电阻仅有几毫欧姆的简单无绝缘状态。

目前国外研制的无绝缘超导磁体，在超导线或带材之间直接接触不做绝缘，或简单采用金属做间隔材料，其优点是导热性能很好，缺点是导电性能过强、匝间电阻几乎没有。这样完全摆脱掉原有绝缘层的阻隔作用，十分不利于超导磁体的充电励磁，对于磁体内部接近微欧的极低电阻，电感为亨利量级的大型无绝缘超导磁体，充电励磁时间需要十几天以上，在实际应用过程中是无法接受的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种无绝缘超导磁体，目的是在增强超导磁体内部导热能力的同时，着重控制超导磁体内部的匝间电阻不致过小，得到导热率和温度稳定性高，且匝间电阻比较高的无绝缘超导磁体。

本发明的无绝缘超导磁体，包括线圈骨架和绕制在线圈骨架上的超导线,所述的超导线表面无绝缘层或包裹的绝缘层是不完整的，在超导线匝间填充有导电材料、导热材料、固化材料和润湿材料，匝间电阻在0.1欧姆-100千欧姆之间；其中各部分材料按体积百分比为：导电材料0.01-100%，导热材料0-99.99%，固化材料0-99%，0-5%润湿材料。

所述的导热材料是氮化铝、氮化硼、氧化铝、氧化铍、氧化锌、氧化硅、氧化镁、氯化铝、碳化硅或碳化铝；硅、锗、磷、硫、硒、砷、硼或碳，或上述半导体化合形成的化合物；锡、铅、锌、铝、铜、镓、铟、镉、锑、铋、镁、钙、钡、锂、钠、钾、汞、钛、锆、钒、铌、锰、铁、钴、镍或铜，及其合金、氧化物、硫化物、氮化物、氟化物、氯化物、碳化物。

其中所述的导电材料是锡、铅、锌、铝、铜、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、镓、铟、镉、锑、铋、镁、钙、钡、锂、钠、钾或汞,或上述金属化合形成的合金；或碳、硅、锗、磷、硫、硒或砷，或上述半导体化合形成的化合物；或上述合金与上述半导体的化合物。

所述的固化材料是虫胶、漆、蜡、环氧树脂、沥青、油、水、玻璃粉、玻璃纤维或石棉。

所述的润湿材料是氧化铟、氧化锡、氯化锡、氯化钯、硼酸或硬脂酸钠。

本发明的特点是：具有不同于任何传统磁体的结构，充分发挥超导材料导电、传输电流的特点，消除线圈匝间高度绝缘或完全导电的接触形式，以电阻接触取而代之。这充分发挥了超导技术的特点，是对传统磁体结构的大幅改进。

本发明的无绝缘超导磁体是在超导磁体匝间加入导电材料，保持匝间均匀的低电阻无绝缘状态，通过调整导电材料所占的比重，使匝间电阻远高于导体之间的接触电阻，以利于减少磁体充电励磁难度；同时大量使用的高导热材料有助于磁体的温度均匀，提高温度稳定性，增加材料的使用量有助于增加总体热容量，提高磁体低温稳定性；增加固化、润湿材料有助于提高导电材料与导热材料的微观结合性能，增加磁体整体的导热能力和力学性能。

本发明的无绝缘超导磁体与传统的超导磁体相比，在超导线外表不使用绝缘层或使用不完整的绝缘层，提高了超导磁体的整体电学性能。通过在每一匝超导线圈之间填充低温下导热性能优良的导热材料，提高了超导磁体的综合导热能力和热容，达到提高磁体低温温度稳定性的目的，本发明的无绝缘超导磁体在每一匝超导线圈之间填充有导电成分，使匝间维持较高的电阻，既发挥了匝间无绝缘特点，又有利于超导磁体的充电励磁和失超保护。

本发明的无绝缘超导磁体的具体优点包括以下几个方面：

（1）保持一定的匝间电阻，减小磁体失超时高温升、高温度梯度和热应力破坏的危险；

（2）保持较高的匝间电阻，有利于电感较大的超导磁体快速充电励磁；

（3）提高超导磁体内部导热能力，提高温度稳定性；

（4）提高超导磁体的总体热容，使超导磁体耐受热和电磁扰动的能力提高；

（5）技术成熟易于制造。

附图说明

图1是现有技术中的典型超导磁体绕线结构示意图；

图2是图1中A部分的局部放大图；

图3是现有技术中的典型超导磁体填充固化后的结构示意图；

图4是图3中B部分的局部放大图；

图5是本发明是实施例1-3的无绝缘超导磁体微观结构示意图；

图6是本发明实施例4中的无绝缘超导磁体结构示意图；

图7是本发明的无绝缘超导磁体微观结构对应的等效电路示意图；

图8是本发明的超导磁体的等效电路结构示意图；

图9是本发明的超导磁体的等效电路图；

图10是本发明的超导磁体的等效电路数据：总电阻随线圈层数变化趋势曲线；

图中：1：线圈骨架；2：超导线；3：绝缘层；4：超导细丝；5：金属温度稳定体；6：导热固化材料；7：导热材料；8：固化材料；9：导电材料；10：不完整绝缘层；11：线圈总等效电阻；12：总层数为奇数的线圈总电阻数据点；13：总层数为偶数的线圈总电阻数据点。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

现有技术中的超导磁体结构如图1-图4所示，也包括线圈骨架（1）和超导线（2），其中超导线（2）由超导细丝（4）和金属温度稳定体（5）组成，并在超导线外部包覆有完整的绝缘层（3），以达到线圈匝间绝缘的目的，为固定超导线，在线圈匝间通常要灌充环氧树脂固化剂，在固化剂内通常混合氧化铝或氮化铝之类导热性能好的粉末颗粒以增加固化材料的导热性能，如图4所示的导热固化材料（6）。

本发明的无绝缘超导磁体同样包括线圈骨架（1）和超导线（2），其中超导线（2）由超导细丝（4）和金属温度稳定体（5）组成，不同之处在于超导线外部包覆的是不完整的绝缘层（10）如图6所示，或者无绝缘层，如图5所示，在超导线（2）的匝间填充有导热材料（7）、导电材料（9）、固化材料（8）的混合物，线圈填充和固化过程中往往需要使用提高粉末与超导线表面活性的润湿材料，以便于减少固化过程中的空泡，提高固化组分的均匀性和固化质量，如图5和图6所示，其结构是在氧化铝一类的导热材料（7）颗粒的外表面包裹薄层金属导电材料（9），使原本不导电的绝缘颗粒变成导电的颗粒，大量的导电颗粒混合到导电或环氧树脂类不导电的固化材料（8）中，使材料导电能力大范围变化，改变导电颗粒的导电性能和用量就可以很简便地调整匝间电阻，可以形成包括不完整绝缘在内的多种形式无绝缘磁体结构，超导线圈的匝间为非绝缘接触，通过调整各组成材料的体积百分比可以有目的地改变匝间电阻，使之达到0.1欧姆-100千欧姆。

按体积比计算变化范围：导热材料0.01-99.99%，导电材料0.01-99.9%，固化材料0-99%，0-5%润湿材料。

本发明的无绝缘超导磁体的超导线内部匝间结构可以分解为如图7所示的电路结构，每一匝超导线可以用一个小电感来表述，每匝之间的电阻就是无绝缘技术中的匝间电阻，超导线圈内部的电路结构可以用图8所示的电感、电阻网络来描述，复杂网络的电路参数难以计算，线圈绕制层数、总层数为奇数、总层数为偶数等因素都会大幅度影响总体电阻，若采用图9所示的电路来描述无绝缘磁体线圈的整体电路特性，与常规超导磁体明显不同之处在于存在与磁体电感并联的阻值较小的电阻，利用图8所示的电阻网络可获得与无绝缘磁体线圈电感并联的总电阻随线圈绕制层数变化规律，如图10所示，线圈匝间电阻与线圈的并联总电阻之间存在清晰的计算关系。

本发明的线圈骨架外观形状不仅包括附图中所示的圆筒形，还包括马鞍形和跑道型等各种现有的线圈骨架形状，超导磁体的绕线方式不仅包括附图中所示的螺旋形式，还包括现有的双饼形式、单饼形式、跑道型、马鞍型等多种绕线方式。

本发明无绝缘超导磁体的制造过程与传统方法类似，下面进行具体说明。

实施例1

在线圈骨架上绕制超导线，同时将经过表面活化的微米或纳米级氧化铝粉末以干粉末或湿润粉末的形式散布到线圈匝间，在1-100Pa的真空室中，将超导线绕制完成的超导线圈浸没到150-300℃的金属锡液体中，然后去掉真空，依靠大气压力，或同时施加0.1-10MPa的压力，使金属锡液体浸入到超导线圈匝间，金属冷却后即得到结构如图5所示的无绝缘超导磁体，按体积百分比，超导磁体填充有1%-99%的氧化铝类导热材料，灌充有0.1%-99%的兼具固化、导电作用的金属锡类材料，单纯的无机固化材料用量为0%。

所述的经表面活化的微米或纳米级氧化铝粉末是指在使用前采用现有技术中的物理或化学方法对氧化铝粉末颗粒表面包裹金属，或者直接采用氯化锡或氯化钯溶液润湿粉末颗粒的表面，或者使用硬脂酸钠或硼酸使氧化铝粉末颗粒表面与作为导电材料的金属等成分良好润湿；所述的微米或纳米级氧化铝粉末非常细密，通过调节超导磁体内部氧化铝粉末体积比，减少磁体内部微小空隙量，以使浸入磁体内部的金属锡的体积达到2%-10%，这样可以使匝间平均电阻率达到纯金属锡电阻率的十几倍，使匝间电阻比金属之间直接接触电阻提高十倍以上,对于大线圈直径、小匝间距比的磁体，匝间电阻能达到0.1欧姆；对于小线圈直径、大匝间距的磁体，匝间电阻能达到1欧姆以上。

还可以直接选用金属铅、锌，或金属锡、铅、锌等与铝、铜、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、镓、铟、镉、锑、铋、镁、钙、钡、锂、钠、钾或汞制成的合金替换纯金属锡，作为导电材料填充到超导线匝间，也可以形成不同的匝间电阻，其中采用高电阻率的康铜合金进行填充，能够使匝间电阻进一步提高，达到1欧姆至10欧姆。

其中当在金属锡中增加铅降低成本时，须提高真空灌浸金属时的工作温度，在浸入合金中增加铝、铜、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍等金属的用量能够大幅度改变灌浸金属的电阻率，相对纯金属锡大幅提高匝间电阻；在浸入合金中增加镓、铟、镉、锑、铋、镁、钙、钡、锂、钠、钾或汞的用量，能够降低磁体浸入合金时的工作温度；采用含不同比例铅、锡、铋、镉、铟的伍德合金类型低熔点金属，能够使磁体浸入合金时的工作温度降到47℃-200℃。

在满足导电特性的同时须增强磁体低温条件下的导热、蓄热性能，也可以采用氮化铝、氧化铍、氮化硼、碳化硅、氧化硅、氧化镁等多种低温导热好的无机材料代替氧化铝起到类似的导热效果，氧化锌、氯化铝或碳化铝，或硅、锗、磷、硫、硒、砷、硼、碳半导体及其化合物；或锡、铅、锌、铝、铜、镓、铟、镉、锑、铋、镁、钙、钡、锂、钠、钾、汞、钛、锆、钒、铌、锰、铁、钴、镍、铜的氧化物、硫化物、氮化物、氟化物、氯化物以及碳化物都可以作为替代氧化铝的导热材料，虽然这些材料的低温导热特性不如氧化铝、氮化铝、氧化铍、氮化硼、碳化硅等材料，但在100K以上比较高的温度条件下仍可以作为导热、蓄热综合性能比较好的材料使用。

由于氧化铝类粉末的粒度非常小，在用量比较小的情况下，还可以将其混入液体金属导电材料中，用真空或压力法一次性灌充到磁体中，以简化磁体制造过程，采用这种灌充方式，最终磁体中导电金属占的体积比较大，非导电的导热材料占的比重偏少，不易形成较高匝间电阻，适用于匝间电阻较低的磁体，其中导热材料占的体积比可以减至1%-30%，导电材料占的体积比可以达到70%-99%。

在磁体外部可以大量使用金属、合金或三氧化铝等高热容、热导的导热材料以增加磁体总体热容量，有助于增加低温稳定性，大量使用氧化铍、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化锌、氧化硅、氧化镁、氯化铝或碳化铝等材料替换上述磁体中的氧化铝，可以调整出最佳的低温热容和导热性能，以适应相应的超导工作温度，为提高磁体导热和蓄冷性能，在磁体超导线外围大量使用导热材料，可以使磁体总体使用的导热材料体积比高达99%。

实施例2

首先将微米或纳米级氮化铝粉末在氯化锡液体中润湿、风干，制成具有表面活性的粉末，采用电化学方法将粉末颗粒表面包裹很薄的金属银导电层，形成具有导电能力的导电微粉，导电微粉的体积比用量在1%-50%，由于导电金属材料仅仅附着在氮化铝粉末颗粒外表面一薄层，氮化铝粉末颗粒越大表面金属的相对体积比重越小，导电材料在最终线圈匝间填充材料中的体积比在0.1%-1%，其余为环氧树脂类固化材料，体积比约占50%-99%。

在线圈骨架上绕制超导线圈的同时，将导电微粉涂布到超导线圈之间，将绕制完成的磁体放入真空容器内，控制真空度1 Pa -100Pa，除去磁体匝间的空气，将超导线圈浸没在环氧树脂液中，然后去除真空，依靠大气压力，或同时施加0.1-10MPa压力的气压，使环氧树脂液渗入全部匝间空隙,冷却至室温，环氧树脂固化后即得到结构如图5所示的无绝缘超导磁体，因为有大量表面导电的氮化铝粉末颗粒，固化后的环氧树脂具有明显的导电性，可以形成较大的匝间电阻，调整导电氮化铝粉末颗粒的用量和体积比重，匝间电阻在1欧姆-100千欧姆之间。

还可以选用铜、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、镓、氧化铟作为导电材料，替代银包裹氮化铝粉末颗粒，降低原材料成本；可以选用氧化铝、氧化铍、氮化硼、碳化硅、氧化硅、氧化镁类低温导热好的无机材料代替氮化铝，起到同样的导热效果，或者选用氧化锌、氯化铝或碳化铝，硅、锗、磷、硫、硒、砷、硼、碳半导体及其化合物，锡、铅、锌、铝、铜、镓、铟、镉、锑、铋、镁、钙、钡、锂、钠、钾、汞、钛、锆、钒、铌、锰、铁、钴、镍、铜的氧化物、硫化物、氮化物、氟化物、氯化物以及碳化物作为替代氮化铝的导热材料。具有导电性能的金属粉末或半导体粉末可以不用包裹金属，同时具备导电和导热性能。

在液态环氧树脂中直接混入碳粉或锡、铅、锌、铝、铜、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、镓、铟的金属或合金粉末；或硅、锗、磷、硫、硒、砷半导体或其化合物等其他导电粉末，同样可以达到让固化后的环氧树脂具有导电性的目的。

还可以选用虫胶、漆、蜡、沥青、油、水类在低温下凝结成较硬固体的材料替代环氧树脂。

对于这类磁体超导磁体，在磁场较小应力强度要求较低的情况下，可以少用甚至不用固化材料，在不用固化材料的情况下，氮化铝类粉末颗粒的体积比用量能达到99.99%，氮化铝类粉末颗粒表层金属的体积比重达0.01%，匝间电阻可达到100欧姆-100千欧姆。通过高温处理磁体可以使氮化铝类粉末颗粒表层的金属互相融合，起到一定的固化效果，同时增加导电性能，使匝间电阻大幅度降低到10欧姆-1千欧姆。

实施例3

用水或虫胶将碳化硅粉末调和成糊状，将玻璃纤维编织带浸满糊状的碳化硅导热和金属铅导电粉末，将附着有粉末的玻璃纤维扁带与超导扁带并列绕制成超导单饼或双饼形式的线圈，将绕制完成的磁体放入真空容器内，控制真空度在1-10Pa，利用高温加热，使玻璃纤维编织带金属铅熔化，与碳化硅导热粉末融合在一起，在匝间形成导电电阻较高的隔层，得到无绝缘超导磁体。

薄的玻璃纤维编织带中只浸有少量导电、导热材料，有助于形成较低的匝间电阻，通常制成的玻璃纤维导电带厚度要小于超导带厚度。玻璃纤维是导电、导热材料的附着体，通过调节纤维编织带的厚度和浸入导电成分的用量可以控制匝间电阻，可采用体积比10%-50%的碳化硅和10%-50%的铅混合浸入体积比占40%-80%的玻璃纤维编织带，制得线圈的匝间电阻可控制在1欧姆-100千欧姆之间。

还可以选用无纺玻璃纤维以及石棉替代玻璃纤维编织带；可以选用如实施例1和2所述的导电材料和导热材料混合制成低温条件下导电性能满足要求，导热性能良好的混合粉末；使用5%-10%的虫胶有助于导电导热粉末更好地附着在玻璃纤维带上，减少虫胶使用量有助于提高无绝缘磁体的导电、导热能力。用漆、蜡、环氧树脂、沥青、油等粘着剂替换虫胶可得到不同的效果。

用成型的导电带与超导带绕制完成的单饼、双饼或跑道型线圈，也可以浸入导电金属用金属进行进一步固化，最终匝间电阻较低，可控制在0.1欧姆-100欧姆之间。在成型的导电带中加入玻璃粉等其他低熔点材料，经过加热炉加热使玻璃微粉熔化，可将磁体烧结成一个用玻璃固化的整体，有助于提高磁体的强度。

实施例4

首先将导线外表面，即金属温度稳定体表面氧化，形成不导电的薄的金属氧化层，超导线表面电阻很大。随着表面氧化层的增厚，表面电阻可以接近半绝缘状态。之后在超导线表面附着氧化铟等惰性导电保护层。用经过表面处理的超导线圈绕制成超导磁体。将绕制完成的线圈放入真空容器内，控制真空度1-100Pa，除去匝间的空气，浸到250-500℃的金属铅液体中，后去除真空，依靠大气压力，或同时施加0.1-10MPa压力的气压，使金属液体浸入到匝间，得到无绝缘超导磁体。通过控制超导体表面电阻层厚度可以调节匝间电阻，可使匝间电阻达到1欧姆-1兆欧姆。除去少量氧化铟，匝间导电金属材料的体积比可达99.9%。

这种方法大量使用金属作为匝间填充材料，无绝缘磁体总体导电、导热性能都比较好，耐应力强度也很高。这种方式与其它方式不同之处在于，无绝缘磁体中控制匝间电阻的关键集中在超导线表面上。制造工艺要求比较高，膜层易在绕磁体过程中被刮伤，影响匝间电阻的均匀性。另外，超导线表面的电阻层比较厚时，对磁体导热性能有较大不利影响。

超导线表面的电阻层既可以利用金属氧化物薄层获得，也可以用薄的不完全绝缘的硫化物、氮化物、氟化物、氯化物、碳化物薄层获得，还可以通过涂敷半导体电阻涂层获得，只要可以实现表面电阻状态即可。还可以将超导线表面先包裹传统绝缘层，再将表面的部分绝缘层以螺旋线等规则图案形式剥掉，按一定比例暴露出超导线的导电表面，参见图6。调整导电表面暴露的面积用于形成不同的平均表面电阻，进而形成具有匝间不同导电性能的无绝缘结构。采用混合有导电金属粉末颗粒的传统绝缘材料包裹超导线，也可以实现超导线表面非绝缘效果。

这种无绝缘超导磁体结构中，可使用锡、铅、锌、铝、铜、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、镓、铟、镉、锑、铋、镁、钙、钡、锂、钠、钾或汞,或上述金属化合形成的合金；或碳、硅、锗、磷、硫、硒或砷，或上述半导体化和形成的化合物；或上述合金与上述半导体的化合物作导电材料，替换金属铅进行固化填充。

这种无绝缘超导磁体结构中，可以在导电材料中填充增强导热性能的氧化铝、氮化铝、氧化铍、氮化硼、碳化硅、氧化锌、氯化铝或碳化铝，或硅、锗、磷、硫、硒、砷、硼、碳半导体及其化合物；或锡、铅、锌、铝、铜、镓、铟、镉、锑、铋、镁、钙、钡、锂、钠、钾、汞、钛、锆、钒、铌、锰、铁、钴、镍、铜的氧化物、硫化物、氮化物、氟化物、氯化物以及碳化物作为导热材料。导热材料通常以微细粉末颗粒形式加入，使用前粉末颗粒外表面需进行金属化、合金化处理以增加与金属的润湿能力。最终匝间材料中导热材料所占体积比重达到1%-70%，导电材料所占体积比重达到30%-99%，匝间电阻控制在1欧姆-100千欧姆之间。

Claims (4)

1. 一种无绝缘超导磁体，包括线圈骨架和绕制在线圈骨架上的超导线，超导线由超导细丝和金属温度稳定体组成，其特征在于所述的超导线表面包裹的绝缘层是不完整的或者无绝缘层包裹，在超导线匝间填充有导热材料、导电材料、固化材料和润湿材料，每匝之间的电阻在0.1欧姆-100千欧姆之间；其中各部分材料按体积百分比为：导电材料0.01-99.9%，导热材料0.01-99.99%，固化材料0-99%，且固化材料体积分数不为0%，0-5%润湿材料，四者之和为百分之百；所述的导电材料是锡、铅、锌、铝、铜、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、镓、铟、镉、锑、铋、镁、钙、钡、锂、钠、钾或汞，或上述金属化合形成的合金；或碳、硅、锗、磷、硫、硒或砷，或碳、硅、锗、磷、硫、硒或砷之间化合反应形成的化合物；或上述合金与碳、硅、锗、磷、硫、硒或砷的化合物；其具体填充方式是在导热材料颗粒的外表面包裹薄层金属导电材料形成导电颗粒，当固化材料体积分数不为0%时，大量的导电颗粒混合到导电或不导电的固化材料中，使材料导电能力大范围变化，通过改变导电颗粒的导电性能和用量来调整每匝之间的电阻，通过调整各组成材料的体积百分比改变超导线圈每匝之间的电阻，使之达到0.1欧姆-100千欧姆。

2.根据权利要求1所述的一种无绝缘超导磁体，其特征在于所述的导热材料是氮化铝、氮化硼、氧化铝、氧化铍、氧化锌、氧化硅、氧化镁、氯化铝、碳化硅或碳化铝；硅、锗、磷、硫、硒、砷、硼或碳，或硅、锗、磷、硫、硒、砷、硼或碳之间化合形成的化合物；锡、铅、锌、铝、铜、镓、铟、镉、锑、铋、镁、钙、钡、锂、钠、钾、汞、钛、锆、钒、铌、锰、铁、钴、镍或铜，及其合金、氧化物、硫化物、氮化物、氟化物、氯化物、碳化物。

3.根据权利要求1所述的一种无绝缘超导磁体，其特征在于所述的固化材料是虫胶、漆、蜡、环氧树脂、沥青、油、水、玻璃粉、玻璃纤维或石棉。

4.根据权利要求1所述的一种无绝缘超导磁体，其特征在于所述的润湿材料是氧化铟、氧化锡、氯化锡、氯化钯、硼酸或硬脂酸钠。