超导磁体线圈的加强制造技术

本公开涉及超导磁体线圈的加强。一种具有加强的线圈区域(3)的超导磁体组件，包括形成圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')的分层导体线圈组件(10)，每个圆柱形导体层具有以圆柱对称轴(z)为中心并沿着其对齐的多个圆形导体匝(12)，包括超导元件(13)，沿着导体层的导体匝形成连续路径并携带电流Icond，导体带或导体线在圆形导体匝的周向方向上具有弹性模量Econd，加强的线圈区域还包括分层束腰线圈组件(20)，该分层束腰线圈组件(20)包括束腰带或束腰线，形成圆柱形束腰层(21，21')，具有以z轴为中心并沿着其对齐的多个圆形束腰匝(22)。发明专利技术性组件和方法提供磁体线圈组件抵抗径向磁力的机械加强。力的机械加强。力的机械加强。

【技术实现步骤摘要】
超导磁体线圈的加强


[0001]本专利技术涉及一种超导磁体组件，包括具有圆柱对称轴并具有加强的线圈区域的圆柱形磁体线圈组件，
[0002]加强的线圈区域包括分层导体线圈组件，该分层导体线圈组件包括导体带或导体线，形成至少四个圆柱形导体层，每个圆柱形导体层具有以圆柱对称轴为中心并沿着圆柱对称轴对齐的多个圆形导体匝，
[0003]导体带或导体线包括至少一个超导元件，沿着至少一个圆柱形导体层的圆形导体匝形成连续路径并携带电流Icond，
[0004]导体带或导体线在圆形导体匝的周向方向上具有弹性模量Econd，
[0005]加强的线圈区域还包括分层束腰线圈组件，该分层束腰线圈组件包括束腰带或束腰线，形成至少一个圆柱形束腰层，具有以圆柱对称轴为中心并沿着圆柱对称轴对齐的多个圆形束腰匝，
[0006]束腰带或束腰线在圆形束腰线匝的周向方向上具有弹性模量Ecors，其中：
[0007]Ecors>1.5*Econd，
[0008]分层束腰线圈组件具有大于分层导体线圈组件的外半径的内半径，
[0009]加强的线圈区域还包括束腰片组件，该束腰片组件包括形成至少一个束腰片的束腰箔元件，具有垂直于圆柱对称轴的任意平面的至少一个束腰片的横截面包括以圆柱对称轴为中心的分段圆，
[0010]至少一个束腰片的分段圆的半径大于至少一个圆柱形导体层的半径并且小于至少另一个圆柱形导体层的半径。
[0011]从US 5285181 A1(＝参考文献[1])中已知这种超导磁体组件。

技术介绍

[0012]本专利技术的应用领域是超导磁体组件的圆柱形磁体线圈组件抵抗作用在超导体上的磁力的机械加强。在圆柱形磁体线圈组件中，磁力轴向压缩线圈并使线圈径向变形，径向变形导致导体中的周向应变和应力(环向应力)。
[0013]圆柱形磁体线圈组件的圆形导体匝中的环向应力与圆形导体匝的半径、与圆形导体匝中磁场的轴向分量的强度以及与圆形导体匝中的电流密度(电流除以导体的横截面积)成比例。圆形导体匝的周向应变与环向应力和导体弹性模量的倒数成比例，并且不得超过最大值，超过该最大值会使导体的超导元件的临界电流密度退化。
[0014]周向应变的这种限制对圆柱形磁体线圈组件的圆形导体匝中的最大允许电流密度施加了限制。限制圆柱形磁体线圈组件中的电流密度意味着需要更多的圆形导体匝数来生成相同的磁场，这使得圆柱形磁体线圈组件更大且更昂贵。因此，抵抗磁力的机械加强的目标是减小导体体积和成本。
[0015]圆柱形磁体线圈组件的机械加强通常通过导体本身的内部或外部加强来实现，从而增加导体的整体弹性模量，或者通过将结构机械加强元件结合到圆柱形磁体线圈组件中
来实现，从而减少导体中的环向应力。
[0016]导体的内部加强是通过将加强材料的绞线结合到导体的前体材料中并且然后将导体加工成其最终形式来实现的。这种方法不适用于与某些类型的超导体结合，并且会显著增加材料和加工成本。因此，本专利技术的应用领域限于超导磁体组件的圆柱形磁体线圈组件的机械加强，而不是通过导体的内部加强。
[0017]圆柱形磁体线圈组件的一种机械加强涉及在导体制造之后将结构加强材料应用到导体上。从参考文献[2]、[3]和[4]中已知这种外部加强导体。在[2]中，超导细丝在整个导体长度上嵌入高强度材料的绞线中。在[3]中，在圆柱体表面的内侧和外侧，将纤维加强元件应用于具有中空圆柱体形式的超导绞线。在[4]中，具有超导细丝的复合线包覆有高强度材料。通过应用外部加强元件使导体加固增加了其承受圆柱形磁体线圈组件中磁力的能力，但它也会阻碍将导体加工成期望的形式，例如，如果要求小的弯曲半径的话。而且，外部加强不适用于一些类型的超导体，并且会显著增加材料和加工成本。外部导体加强也会使磁体线圈绕组的几何精度恶化，从而导致磁场不均匀。
[0018]因此，对于具有圆柱形磁体线圈组件的超导磁体组件的许多应用，更合适的是不将机械加强元件结合到导体上，而是结合到圆柱形磁体线圈组件的结构中。从参考文献[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]和[13]中已知用于圆柱形磁体线圈组件的结构加强元件。
[0019]第一类结构磁体线圈加强元件是应用在分层导体线圈组件外侧的外部束腰。在[5]中，实心管安装在多层超导线圈的外侧。在[6]中，束腰线缠绕在多层超导线圈的外侧。分层导体线圈组件外侧的这种加强元件在整个分层导体线圈组件中具有有限的效率。分层导体线圈组件不是刚性结构并且可以在径向方向上显著压缩，这主要是由于各个圆柱形导体层之间的空隙或由于线圈结构内侧的可压缩部件，主要是软电绝缘材料。
[0020]这个问题的解决方案是用刚性填充材料浸渍分层导体线圈组件和/或在分层导体线圈组件内侧引入加强结构，优选地在每个单独的圆柱形导体层上或甚至与每个圆形导体匝共同缠绕。在[7]中，圆柱形磁体线圈组件由几个嵌套的子线圈构成，每个子线圈都有其自己的加强结构，该加强结构包含空心圆柱体，阻碍子线圈的各个圆形导体匝。在[8]中，空心圆柱体形式的超导体层用加强绞线材料(例如，钢丝)包裹，并借助于焊料或树脂接合到束腰。在[9]中，提出了用于分层导体线圈组件的圆柱形导体层或各个圆形导体匝的多个机械稳定结构，以及附加的几种粘性填充材料。在[10]中，线圈加强是通过在每个圆柱形导体层上施加纤维层来实现的，分层导体线圈组件用填充材料浸渍，然后使用湿缠绕用钢带捆扎。在[11]中，纤维加强塑料矩形线与超导线共同缠绕。在[12]中，提出了几种刚性填充材料来加强分层导体线圈组件，填充材料经过优化以避免在机械负载下开裂。在[13]中，提出了热塑性填充材料。
[0021]即使，就遍及整个分层导体线圈组件的有效加强而言，使用刚性填充材料逐层或逐匝应用加强和/或线圈加固优于仅在外部应用到本质上是软的分层导体线圈组件的加强，但是这些解决方案本身有几个缺点。除了线圈制造过程中的额外工作外，提出的分层导体线圈组件内侧的加强元件会使磁体线圈绕组的几何精度恶化，导致磁场不均匀。而且，在每个圆柱形导体层之后缠绕圆柱形束腰层要求切割和拼接导体，这增加了贯穿整个分层导体线圈组件的超导路径的不完善的风险。如[12]中提出的那样，可以通过优化填充材料来
减轻由于刚性填充材料在作用于圆柱形磁体线圈组件的磁力下破裂而导致超导磁体失超(quenching)的风险，但无法完全避免。
[0022]在最初引用的参考文献[1]中，箔元件被用作分层导体线圈组件中的机械加强，与分层束腰线圈组件结合使用。箔元件是安装在圆柱形导体层上的条带，每个都与圆柱形磁体线圈组件的圆柱对称轴对齐。具有与圆柱形磁体线圈组件的圆柱对称轴垂直的任意平面的安装在圆柱形导体层上的条带的横截面是具有若干片段的断续圆形线，每个片段属于单个箔条带。箔条带仅作用以抵抗轴向力(沿着圆柱形磁体线圈组件的圆柱对称轴)，而导致超导体中环向应力的径向力(垂直于圆柱形磁体线圈组件的圆柱对称轴)仅受到分层导体线圈组件的导体线和分层束腰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超导磁体组件(1)，包括具有圆柱对称轴(z)并具有加强的线圈区域(3，3')的圆柱形磁体线圈组件(2)，加强的线圈区域(3，3')包括分层导体线圈组件(10，10')，该分层导体线圈组件(10，10')包括导体带或导体线，形成至少四个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')，每个圆柱形导体层具有以圆柱对称轴(z)为中心并沿着圆柱对称轴(z)对齐的多个圆形导体匝(12)，导体带或导体线包括至少一个超导元件(13)，沿着至少一个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')的圆形导体匝(12)形成连续路径并携带电流Icond，导体带或导体线在圆形导体匝(12)的周向方向上具有弹性模量Econd，加强的线圈区域(3，3')还包括分层束腰线圈组件(20，20')，该分层束腰线圈组件(20，20')包括束腰带或束腰线，形成至少一个圆柱形束腰层(21，21')，具有以圆柱对称轴(z)为中心并沿着圆柱对称轴(z)对齐的多个圆形束腰匝(22)，束腰带或束腰线在圆形束腰匝(22)的周向方向上具有弹性模量Ecors，其中：Ecors>1.5*Econd，分层束腰线圈组件(20，20')具有大于分层导体线圈组件(10，10')的外半径的内半径，加强的线圈区域(3，3')还包括束腰片组件(30，30')，该束腰片组件(30，30')包括形成至少一个束腰片(31，31'，31”)的束腰箔元件，具有垂直于圆柱对称轴(z)的任意平面(A)的至少一个束腰片(31，31'，31”)的横截面包括以圆柱对称轴(z)为中心的分段圆(32，32')，至少一个束腰片(31，31'，31”)的分段圆(32，32')的半径大于至少一个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')的半径并且小于至少另一个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')的半径，其特征在于具有至少一个垂直于圆柱对称轴(z)的平面(A)的至少一个束腰片(31，31'，31”)的横截面包括分段圆(32，32')，分段圆(32，32')覆盖整个圆的至少90％且具有不超过四个片段；束腰箔元件具有平面内弹性模量Efoil，其中Ecors>1.5*Econd；并且分层导体线圈组件(10，10')具有至少一个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')，所述至少一个圆柱形导体层(11，11'，11”，11”')具有至少一个圆形导体匝(12)，其中：Icond>0.005*Econd*Acond/(Bz*r)，其中Icond是圆形导体匝(12)中的电流，Acond是圆形导体匝(12)的导体带或导体线的横截面积，Bz是圆形导体匝(12)中沿着圆柱对称轴(z)的磁场分量，r是圆形导体匝(12)的半径。2.根据权利要求1所述的超导...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：布鲁克瑞士股份公司，
类型：发明
国别省市：