包括粘接到支撑结构的线圈的超导电磁体制造技术

本发明专利技术涉及一种螺线管超导电磁体，其包括超导导线的多个环形线圈，所述多个环形线圈沿轴向方向布置，粘接到支撑结构，所述支撑结构包括环形的支撑元件，所述环形的支撑元件设置在相邻的超导导线环形线圈之间，用于支撑这些环形线圈，其中，这些线圈仅仅通过它们的轴向内表面和轴向外表面被粘接到所述支撑结构。

【技术实现步骤摘要】
本申请是2012年2月23日提交的名称为“包括粘接到支撑结构的线圈的超导电磁体”、申请号为201210041837.1的中国专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及包括粘接到支撑结构的超导导线线圈的超导电磁体。具体地，本专利技术涉及如下组件的改进，该组件在其出现突然温度变化的情形下减少线圈和支撑结构之间的热诱导应力。本专利技术特别涉及包括由环形线圈组成的基本上圆柱状组件的电磁体，环形线圈关于公共轴线对齐，但沿该轴线相对于彼此移位。这种布局结构（或称装置，arrangement）通常被称为螺线管磁体，虽然它们在严格的字面意义上可能并不是螺线管。
技术介绍
图1-4示意性地例示了粘接到支撑结构（如螺线管磁体）的线圈的某些布局结构。图1示出了一种非常著名的传统布局结构，其中超导导线线圈10卷绕在线圈架12内的环形凹腔中。该结构基本上具有关于轴线A-A的360度对称，并且也基本上具有关于平面B-B的反射对称。线圈架典型为车制铝管，其中形成有环形通道。在其它较不常见的变体中，线圈架可被模制而成或以合成材料（例如玻璃纤维增强环氧树脂）车制而成。在典型的制造工艺中，用硬化材料（典型地为环氧树脂）浸渍线圈10，硬化材料会将线圈中的导线粘接在一起。典型地，利用在线圈和线圈架之间形成滑移面的材料，线圈10在其径向内表面（称为A1表面）、轴向内表面（称为B1表面）和轴向外表面（称为B2表面）上与线圈架12绝缘。相对于磁体中心来定义这些尺寸。在替代性实施例中，线圈可在所有面上粘接到支撑结构。如图1所示，表面A1和A2分别在距轴线A-A的半径A1、A2处，并且表面B1和B2分别在距平面B-B的轴向位移B1、B2处。所谓的“中心线圈”相对于B-B对称平面被定义为具有B1=0和被对称平面所反射的B2，。所有其它线圈能够由对称平面中反射的B1和B2限定。图2示出了一种替代性布局结构，其中没有提供这种线圈架。作为替代，线圈10在其径向外表面（称为A2表面）被粘接到典型地基本上圆柱形的支撑结构14。这种结构可通过将线圈10卷绕成线圈架，将填充材料（例如玻璃纤维布）卷绕在线圈的径向外表面上，并且利用硬化材料（例如环氧树脂）浸渍整个结构来制造。线圈10因此仅仅通过其径向外（A2）表面粘接到支撑结构14。图3示出了另一种可能。这里，线圈10被卷绕在支撑元件16之间。线圈10被粘接到支撑元件16，例如通过硬化材料（例如环氧树脂）来粘接。线圈10因此仅仅通过其轴向内表面B1和轴向外表面B2粘接到包括支撑元件16的支撑结构。这种结构可通过将支撑元件16临时附接到绕组管，将线圈10卷绕在支撑结构之间的绕组管上，利用硬化材料例如环氧树脂浸渍线圈10来形成，环氧树脂也可用来将线圈10粘接到支撑元件16。图3的支撑元件16可为由铝、复合材料或任何具有适当机械强度、热膨胀系数、密度特性的材料制成的环形零件。适当的材料包括金属，典型地为铝和不锈钢；例如那些商标名为Tufnol、Durostone的复合材料；各种填充有玻璃球或布料的环氧树脂；或者具有适当机械强度、杨氏模量和热膨胀系数特性的材料的任何其它组合。图4示出了图3布局结构的变体的部分切除视图，其中图3的环形支撑元件16被支撑块18取代，其围绕线圈的轴向表面被周向地隔开。这种结构可通过类似于为制造图3的结构所描述的工艺制造，但其中，间隔块（未示出）被定位在支撑块18之间以确保支撑块的正确间隔，支撑线圈绕组和在浸渍过程期间使树脂移位。在树脂浸渍之后，可从结构移除这些间隔块。在这种布局结构中，线圈10因此仅通过其轴向内表面B1和轴向外表面B2，而且仅在周向隔开的位置被粘接到包括支撑块18的支撑结构。图4的支撑块18可为由铝、复合材料或任何具有适当机械强度、热膨胀系数和密度特性的复合材料制成的零件。适当的材料包括金属，典型地为铝和不锈钢；或例如那些以Tufnol、Durostone为商标销售的复合材料；各种填充有玻璃球或布料的环氧树脂；或者具有适当机械强度、杨氏模量和热膨胀系数特性的材料的任何其它组合。线圈10由超导导线构成，其典型地由在铜基体中的NbTi基体丝构成。导线匝被非常薄的电绝缘材料（例如环氧树脂）层分开。然而，线圈的热膨胀系数和热传导性接近圆周方向铜的热膨胀系数和热传导性。在径向和轴向方向，热膨胀系数由导线和树脂复合层的热膨胀系数的组合确定。支撑结构的材料——例如铝或GRP（玻璃纤维增强塑料）——热传导性和热膨胀系数颇为不同。当线圈和支撑结构组件经历温度突变，线圈和支撑结构将以不同程度并以不同比率膨胀或收缩。对于具有相对低热传导性的材料，温度变化将仅仅慢慢地起作用，而对于具有较高热传导性的材料，温度变化将更迅速地起作用。此外，具有较大热膨胀系数的材料与具有较低热膨胀系数的材料相比，因温度变化导致的膨胀或收缩程度更大。由于材料随着温度膨胀或收缩，应变值可被定义成材料尺寸变化的比例。例如，如果长度d 的物体以Δd改变长度，相应的应变可表达为Δd/d 。对于不同的材料，即使其温度变化可能相似，应变值也将不同。在上述任何线圈组件内，线圈中的应变与相邻的支撑结构中的应变不同。因为粘接界面处存在剪切应变，这使得线圈和支撑结构之间的粘接界面有损坏风险。线圈上的合成机械力可导致线圈在使用中运动、粘接到支撑结构的线圈在界面处破裂、引起应力和内部破裂的线圈弯曲的风险，其可导致失超（quench）。失超期间，由于扰乱了超导状态（典型地，是由与支撑结构的机械相互作用、或线圈内的树脂的内部破裂、或线圈过度应力产生的热引起的），存储在超导磁体磁场中的能量突然被耗散成线圈和磁体结构内的热。在一个线圈出现失超后，许多已知的布局结构能够将能量分散在多个线圈上。然而，这会导致线圈快速发热，但粘接到线圈的支撑结构并不会同样快地发热。这将导致线圈和支撑结构之间的表面应变差异，冒有损害线圈和支撑结构之间粘接的风险。在例如图1所示的磁体结构中，线圈可利用线圈和支撑结构之间的滑移面独立于支撑结构自由移动，因此线圈和线圈架间的损害仅限于粘滑问题。在类似于图1所示的具有粘接到线圈架的线圈的磁体结构中，对线圈和线圈架间粘接的损害可导致失超。在例如图2所示的磁体结构中，对线圈10和支撑结构14间粘接的损害可使得线圈出现一定的轴向移动，而这又可能导致失超。在例如图3和图4所示的磁体结构中，对线圈10和支撑结构16、18之间的粘接的损害可破坏该结构作为一个整体的机械完整性，因为其基本上仅通过线圈和支撑元件之间的粘接保持在一起。对粘接的损害可表现为破裂的形式，其可导致磁体失超。
技术实现思路
因此，本专利技术旨在提供当线圈经历温度突变时，用于减少线圈和相邻支撑结构之间界面应变差异的方法和装置。这种温度变化的示例包括将磁体初始冷却到工作温度，以及失超时磁体的发热。为此，本专利技术提供了所附权利要求中限定的装置。附图说明根据下文对本专利技术某些实施例的描述，并结合附图，本专利技术的上述及更多目标、特征和优点将的描述变得更加明显，附图中：图1-4示出了包括粘接到支撑结构的线圈的螺线管超导电磁体的示例；图4A示出了可在本专利技术某些实施例中使用的成型支撑区段；图5示出了传统失超保护电路的示例；图6示出了传统失超保护电路的另一示例；图7示出了窗穿过传统结构“末端”线圈70的轴向部分横截面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种螺线管超导电磁体，其包括超导导线（10）的多个环形线圈，所述多个环形线圈沿轴向方向布置，粘接到支撑结构，所述支撑结构包括环形的支撑元件（16），所述环形的支撑元件（16）设置在相邻的超导导线环形线圈之间，用于支撑这些环形线圈，其中，这些线圈仅仅通过它们的轴向内表面（B1）和轴向外表面（B2）被粘接到所述支撑结构。

【技术特征摘要】
2011.02.23 GB 1103052.51.一种螺线管超导电磁体，其包括超导导线（10）的多个环形线圈，所述多个环形线圈沿轴向方向布置，粘接到支撑结构，所述支撑结构包括环形的支撑元件（16），所述环形的支撑元件（16）设置在相邻的...

【专利技术属性】
技术研发人员：HA布莱克斯，MJ隆菲尔德，PW雷茨，
申请(专利权)人：英国西门子公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB