一种基于磁通泵励磁的超导圆形环片磁体、制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及了一种基于磁通泵励磁的超导圆形环片磁体、制备方法及其应用。该超导圆形环片磁体主要由交替堆叠的圆形超导环片和绝缘片组成，堆叠后经固定装置固定形成。为了便于励磁，在超导环片边上加上半径为R3的半圆形突起，将其置于液氮液面上，在半圆形突起两端放置C字型铁芯励磁，通过脉冲电源供电，通过外加磁场周期性的变化，超导圆形环片回路中的感应电流持续积累增大，产生超导强磁场。本发明专利技术超导圆形环片磁体中各个超导环片之间无需焊接、无需电源和电流引线，具有结构紧凑、可拆卸、稳定性高、制备工艺简单的优点，能稳定输出磁场，能够实现超导磁体的闭环运行。

A Superconducting Circular Ring Magnet Excited by Flux Pump, Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁通泵励磁的超导圆形环片磁体、制备方法及其应用
本专利技术属于超导磁体应用领域，特别提出一种基于磁通泵励磁的超导圆形环片磁体、制备方法及其应用。
技术介绍
超导磁体技术具有许多常规导体不可比拟的优点，如无能量消耗，可以在大空间产生强磁场，体积小，重量轻等。在一些大型科学工程中，如高能加速器，受控核聚变实验装置等，已有超导磁体运行的实例。早期加速器通常采用常规电磁铁来产生主导磁场，它不仅体积庞大，而且耗电大，与之相比采用超导磁体后，磁场可以提高数倍。目前所使用的超导材料多为REBCO超导带材，超导磁体的制作通常是将超导带材绕制成螺管式或者双饼式。对超导磁体施加励磁电流的方式主要有两种，分别为电流驱动和电磁感应两种形式。当超导磁体采用处于常温的电源来励磁，用电流引线连接电源和超导体，电流引线两端分别处于低温和室温环境，会有大量的热量传入超导低温容器(热桥效应)；同时由于存在电流引线电阻以及电流引线和超导线之间的焊接电阻，在通电时会产生焦耳热，损耗功率，提高冷却成本。当超导磁体采用磁场感应方式进行励磁，利用电磁感应原理及超导磁体的超导态和正常态转换来实现，为磁通泵法。磁通泵法的一个最大优点是能利用小电流输入为大电流超导磁体供电励磁，产生强磁场。针对上述问题，并进一步提高磁通泵的使用效率，本专利技术提供一种超导环片制成圆环模型，将定位孔放置在内圆上，该定位孔用于磁体制作时放置定位杆，由超导圆形环片和绝缘片交互堆叠构成，省去了绕制环节；采用磁通泵励磁技术，无需焊接，无需电源和电流引线，可以实现无阻闭环运行；半圆形突起位于液氮液面上方，当C字型铁芯产生的磁场超过半圆形突起区域的临界磁场，会在半圆形突起中产生穿透磁通，减小C字型铁芯的磁场，会在半圆形突起产生净穿透磁通，从而对超导磁体进行励磁。
技术实现思路
本专利技术一方面提供一种基于磁通泵励磁的超导圆形环片磁体，其特征在于，所述超导磁体主要是由绝缘片与REBCO超导圆形环片交互堆叠交替叠加形成，上下加法兰片，通过拉杆螺栓固定。其中，所述REBCO超导圆形环片超导环片主要由保护层，REBCO薄层，保护层，缓冲层和衬底组成。其中，所述REBCO超导圆形环片具有半径为R1的内圆，半径为R2的外圆，所述外圆部分预留出半径为R3的半圆形突起作为励磁部分。其中，内圆半径R1为3mm，外圆半径R2为6mm，半圆形突起的半径R3远远小于内圆的半径R1。其中，所述保护层选自银薄膜保护层或铜薄膜保护层，所述缓冲层为有绝缘特性的金属氧化物，所述衬底材料为不锈钢或哈氏合金。其中，所述绝缘片选自PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片。其中，所述绝缘片与所述REBCO超导圆形环片的截面尺寸相同。本专利技术的另一方面提供一种制备上述结构超导圆形环片磁体的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：REBCO超导圆形环片制备，制备半径为R1的内圆部分，在所述内圆外轮廓上添加半径为R2的外圆部分，在所述外圆部分预留出半径为R3的半圆形突起作为励磁部分，并在超导层上镀上保护层；S2：绝缘片制备，制备与所述REBCO超导圆形环片截面尺寸相同的绝缘片；S3：超导圆形环片磁体制备，在所述超导圆形环片的内圆部分切割一个内圆孔作为定位孔，将定位杆从所述定位孔中穿过，放置第一片绝缘片，然后将一片超导环片放置在绝缘片之上，再放置第二片绝缘片和下一片绝缘片，之后周而复始交替放置超导环片和绝缘片，完成后最顶层为绝缘片，在主体制作结束后，上端和下端分别加入法兰片固定，将所述定位杆取出。本专利技术的第三方面提供，上述方法制备的超导圆形环片磁体在组装超导磁体励磁系统中的应用，将制备获得的超导圆形环片磁体在C字型铁芯励磁状态下，将所述超导圆形环片磁体采用立式放置形式浸入液氮中，再将所述C字形铁芯放置于半圆形突起两端，通过外接脉冲电源连接完成超导磁体励磁系统。本专利技术的上述方案中，首先按照要求的内圆半径长度，设计出超导环片的内圆部分，然后在内圆的外轮廓上添加外圆，内圆用于切割出放置定位杆的内圆孔。为了避免超导层的氧化，需要在超导片上镀上一层保护层，保护层可以是银薄膜保护层或铜薄膜保护层。超导环片主要由保护层，REBCO薄层，保护层，缓冲层和衬底组成。缓冲层的材料为有绝缘特性的金属氧化物，衬底材料为不锈钢或哈氏合金，保护层的材料为银膜保护层或铜薄膜保护层。其可以在较高的温度和磁场下使用，性能上具有明显优势。基于磁通泵励磁的超导圆形环片磁体主要是由超导圆形环片，与超导圆形环片尺寸相同的绝缘片以及法兰片构成。主要的制作步骤为：首先在内圆部分切割一个内圆孔作为定位孔，然后将定位杆从定位孔中穿过。将第一片绝缘片放置，然后将一片超导环片放置在绝缘片之上，然后再放置第二片绝缘片，然后再放置下一片绝缘片，之后周而复始交替放置超导环片和绝缘片，注意在制作完成后最顶层为绝缘片。在主体制作结束后，上端和下端分别加入法兰片，注意法兰片的尺寸要略大于超导环片，在大于超导圆形环片的位置对整体进行固定，主要是通过螺栓和有绝缘特性的拉杆进行固定。最后将原先放置好的定位杆取出。本专利技术采用的超导环片，其中在圆形环片增加一个半圆形突起。利用C字型电磁铁芯对半圆形突起进行励磁。在起始励磁时，将磁通泵主体置于液氮中，其中半圆形突起置于液氮液面上方，当C字型磁铁产生的磁场超过临界磁场时，C字形电磁铁芯产生的磁通能够穿过超导环片，保证对超导环片进行持续励磁。一次励磁结束后，移去C字型铁芯，半圆形突起中的净磁通将冻结在超导回路中，从而在超导圆形环片的闭合回路中产生与磁通有关的电流。本专利技术的有益效果为：本专利技术提出了一种基于磁通泵励磁的超导圆形环片磁体，其中超导磁体的主体主要是由超导圆形环片与绝缘片相互叠加构成，在超导圆形环片边增加半圆形突起，其中半圆形突起位于超导圆形环片外圆的部分区域，半圆形突起尺寸较小，可以防止失超扩散。通过使半圆形突起置于液氮面上方，从而C字型电磁铁芯对超导环片的励磁能够正常进行，其中超导环片采用的圆形结构。利用半圆形区域施加磁场强度大小和其临界磁场大小的差值，使得半圆形区域产生净穿透磁通，在超导圆形环片感应出感应电流，从而使得内部实现高效的无阻式闭环运行。附图说明附图1为单元超导圆形环片的结构示意图；附图2为绝缘片结构示意图；附图3为C字型铁芯示意图；附图4为超导圆形环片磁体结构示意图；附图说明：R1-超导圆形环片内半径；R2-超导圆形环片外半径；R3-半圆形突起半径；1-法兰；2-螺栓；3-螺母；4-REBCO圆形超导环片；5-REBCO圆形绝缘；6-C字型铁芯；7-空心螺管线圈；8-脉冲电源。具体实施方式本专利技术提供了一种基于磁通泵励磁的超导圆形环片磁体、制备方法及其应用，下面将结合附图对本专利技术进行详细的说明。图1为单个超导圆形环片的正视图。详细的制作步骤为：首先按照要求的内圆半径R1的长度，设计出超导环片的内圆部分，然后在内圆的外轮廓上添加外圆，半径R2。在外圆部分预留出半径为R3的半圆形突起作为励磁部分。半圆形突起的半径R3远远小于内圆的半径R1。为了避免超导层面的氧化，需要在超导层上镀上一层保护层，保护层的材料可以是银薄膜保护层或铜薄膜保护层。图2展示了绝缘片的平面图，可以用来制作绝缘片的材料有很多，目前常用的材料有有机绝缘薄膜，牛皮纸，PP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁通泵励磁的超导圆形环片磁体，其特征在于，所述超导磁体由绝缘片与REBCO超导圆形环片交替叠加形成，上下加法兰片，通过拉杆螺栓固定，其中所述REBCO超导圆形环片超导环片主要由保护层，REBCO薄层，保护层，缓冲层和衬底组成。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁通泵励磁的超导圆形环片磁体，其特征在于，所述超导磁体由绝缘片与REBCO超导圆形环片交替叠加形成，上下加法兰片，通过拉杆螺栓固定，其中所述REBCO超导圆形环片超导环片主要由保护层，REBCO薄层，保护层，缓冲层和衬底组成。2.根据权利要求1所述的超导圆形环片磁体，其中，所述REBCO超导圆形环片具有半径为R1的内圆，半径为R2的外圆，所述外圆部分预留出半径为R3的半圆形突起作为励磁部分。3.根据权利要求1-2所述的超导圆形环片磁体，其中，所述内圆半径R1为3mm，所述外圆半径R2为6mm，所述半圆形突起的半径R3远远小于内圆的半径R1。4.根据权利要求1-3任一项所述的超导圆形环片磁体，其中，所述保护层选自银薄膜保护层或铜薄膜保护层，所述缓冲层为有绝缘特性的金属氧化物，所述衬底材料为不锈钢或哈氏合金。5.根据权利要求1-4任一项所述的超导圆形环片磁体，其中，所述绝缘片选自PPLP绝缘材料、有机绝缘薄膜、牛皮纸或环氧薄片。6.根据权利要求1-5任一项所述的超导圆形环片磁体，其中，所述绝缘片与所述REBCO超导圆形环片的截面尺寸相同。...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔玉凯，王银顺，李继春，
申请(专利权)人：华北电力大学，富通集团天津超导技术应用有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11