專利名稱：具有分散應力的高磁場超導螺線管線圈及其繞制方法
技術領域：
本發明涉及一種高磁場超導磁體線圈及其繞制方法，特別涉及一種具有分散應力支撐結 構的高磁場超導螺線管線圈及其繞制方法。
背景技術：
超導磁體具有體積小、重量輕、能耗低等特點。對發展用于物理學、生物醫學和其他科 學研究應用的高磁場超導磁體系統，超導磁體較混合磁體和脈沖磁體有更大的優勢。目前研 制25-30T高磁場的大型超導磁體和核磁共振磁體系統是高磁場超導磁體應用發展的重要方 向。通常高磁場超導磁體由多種超導線材以非均勻電流密度分布的形式實現的。
高磁場的超導磁體運行在較高的電流密度和較高的磁場下，電流和磁場的相互作用在螺 線管線圈內產生角向應力cy^ jSr。如果磁體運行的平均電流密度為1.08A/m2,線圈的平均半 徑為0.4m，所產生的磁場為30T，則超導線內產生的最大角向應力為1200MPa。超導線無論 是高溫超導帶材還是低溫超導線材，受到的應力超過一定限度之后，其臨界電流密度都會急 劇下降。例如NbTi超導線的最大退化應力在300-400MPa左右，Nb3Sn超導線所能承受的應 變小于0.4%，使用不銹鋼加強帶的高溫超導帶材的最大應力在300MPa，沒有不銹鋼加強帶 的高溫超導帶材最大應力小于100MPa，基于基帶加強的YBCO二代高溫超導帶承受的最大應 力可以到300-500MPa的范圍。因此，機械應力和材料屈服是導致高磁場超導磁體線圈不能 承受大電流傳輸的重要原因之一。
目前主要采用支撐超導線圈環向應力的方法降低超導線圈的應力集中，即在一個超導線 圈繞制完成以后，在其外表面繞制包裹不銹鋼絲層對線圈進行加固，這種支撐方法對于磁場 較小、室溫孔較小的超導磁體解決應力集中的問題是非常有效。但25 30T的高磁場超導磁 體線圈的匝數和層數較多，由于磁體內部應力過高，光靠線圈外表面的不銹鋼絲層不足以解 決超導線圈的應力集中問題。使用單一外圍加固的方法不能抑制應力達到或超過超導線臨界 電流的最大退化應力值。另外對于徑向較厚的超導線圈，由于繞制張力的均勻分布，導致線 圈繞制完成之后，線圈的內層的張應力減小，采用外圍繞制不銹鋼線的方法對分散線圈應力 的作用不大。
發明內容
為了克服現有高磁場超導磁體應力集中的問題，本發明提出一種具有分散應力的高磁場 超導螺線管線圈結構。本發明不僅可以減小超導繞組內部的應力集中，而且能夠大大減小線圏的失超鍛煉次數，有效提高磁體的運行電流密度'。
本發明采用分層不銹鋼線支撐結構，使線圈的主要電磁應力可以直接轉移到不銹鋼線支 撐層上。采用分層不銹鋼線支撐層加固結構，超導線圈內部應力分布較為均勻。不銹鋼線支 撐層厚度的選擇應以超導線圈受到電磁應力的形變量小于線圈整體尺寸的0. 4%為標準。
本發明的高磁場超導螺線管線圈通過不銹鋼支撐層將超導線圈分成若干層，線圈按徑向 方向由內到外首先為超導線層，然后為不銹鋼支撐層，依次交替，超導線圈的最外端使用截 面為矩形的不銹鋼線繞制端部支撐結構加固線圈整體。這樣交替繞制完成的超導線圈具有結 構強度較好、應力分散的特點，能夠承受較高的電磁應力，線圈可運行在高電流密度和高磁 場下。
本發明線圈的繞制方法是用圓形或矩形超導線繞制的超導螺線管線圈，然后在超導螺線 管線圈的外表面用與超導螺線管線圈的超導線徑相同的圓形不銹鋼線繞制一至兩層，形成不 銹鋼線支撐層。再在不銹鋼線支撐層的外表面繞制超導螺線管線圈二，依次再在超導螺線管 線圈二的外表面上使用相同直徑的圓形不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼支撐層二，然后 依次交替繞制超導螺線管線圈和不銹鋼支撐層，最后在超導線圈的最外端使用截面為矩形的 不銹鋼線繞制端部支撐結構加固線圈整體，形成具有分散應力的超導螺線管線圈整體。
本發明不銹鋼支撐層的不銹鋼線的截面形狀和大小與其支撐的超導線圈的超導線的截 面形狀和大小相同。
本發明的具有分散應力支撐結構的高磁場超導螺線管線圈適用于高磁場超導磁體系統， 特別是多線圈超導磁體系統，例如高磁場核磁共振超導磁體系統(NMR)和混合高磁場外插磁 體系統等等，特別是25 30T高磁場超導磁體系統。
圖l是采用圓形超導線的超導螺線管線圈的結構示意圖，圖中l超導螺線管線圈一、2 不銹鋼線支撐層一、3超導螺線管線圈二、 4不銹鋼線支撐層二、 5端部支撐結構一；
圖2是采用矩形超導線的超導螺線管線圈的結構示意圖;6矩形線超導線螺線管線圈一、 7矩形線不銹鋼線支撐層一、8矩形線超導線螺線管線圏二、 9矩形線不銹鋼線支撐層二、 10 端部支撐結構二；
圖3是超導螺線管線圈整體示意圖，圖中ll超導線層一、12不銹鋼線支撐層一、13 超導線層二、 14不銹鋼線支撐層二、 15端部支撐層；
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。
本發明的高磁場超導螺線管線圈由不銹鋼支撐層將超導線圈分成若干層，線圈按徑向方向由內到外首先為超導線層，然后為不銹鋼支撐層，依次交替，超導線圈的最外端使用截面 為矩形的不銹鋼線繞制端部支撐結構加固線圈整體。這樣交替繞制完成的超導線圈具有結構 強度較好、應力分散的特點，能夠承受較高的電磁應力，線圈可運行在高電流密度和高磁場 下。
如圖1所示，用圓形超導線繞制的超導螺線管線圈一 1，然后在超導螺線管線圈一 1的 外表面用與超導螺線管線圈一l的超導線徑相同的圓形不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼
線支撐層一 2。再在不銹鋼線支撐層一 2的外表面繞制超導螺線管線圈二 3，依次再在超導 螺線管線圈二 3的外表面上使用相同直徑的圓形不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼支撐層 二4，然后依次交替繞制超導螺線管線圈和不銹鋼支撐層，最后在超導線圈的最外端使用截 面為矩形的不銹鋼線繞制端部支撐結構一 5加固線圈整體，形成具有分散應力的超導螺線管 線圈整體。
如圖2所示，用矩形線超導線繞制的矩形線超導螺線管線圈一6，然后在矩形線超導螺 線管線圈一6的外表面用與矩形線超導螺線管線圈一6的超導線徑相同的矩形線不銹鋼線繞 制一至兩層，形成矩形線不銹鋼線支撐層一 7。再在矩形線不銹鋼線支撐層一 7的外表面繞 制矩形線超導螺線管線圈二 8，依次再在矩形線超導螺線管線圈二 8的外表面上使用相同直 徑的矩形不銹鋼線繞制一至兩層，形成矩形線不銹鋼支撐層二 9，然后依次交替繞制超導螺 線管線圈和不銹鋼支撐層，最后在超導線圈的最外端使用矩形不銹鋼線繞制端部支撐結構二 IO加固線圈整體，形成具有分散應力的超導螺線管線圈整體。
圖3為超導螺線管線圈的整體示意圖。線圈按徑向方向由內到外首先為超.導線圈一ll， 然后為不銹鋼線支撐層一 12，然后為超導線圈二 13，然后為不銹鋼支撐層二 14，如此依次 交替繞制，線圈外表面由不銹鋼的端部支撐層15加固。
權利要求
1、一種具有分散應力的高磁場超導螺線管線圈，其特征在于，所述的超導螺線管線圈由不銹鋼支撐層將超導線圈分成若干層，超導線圈按徑向方向由內到外首先為超導線圈一(11)，然后為不銹鋼支撐層一(12)，不銹鋼支撐層一(12)外為超導線圈二(13)，超導線圈二(13)外為不銹鋼支撐層二(14)，超導線圈和不銹鋼支撐層如此依次交替；超導線圈的最外端使用截面為矩形的不銹鋼線繞制端部支撐層(15)加固線圈整體。
2、 繞制權利要求1所述的高磁場超導螺線管線圈的方法，其特征在于，首先用超導線 繞制超導螺線管線圈一 (1)，然后在超導螺線管線圈一 (1)的外表面用與超導螺線管線圈 一 (1)的超導線徑相同的不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼線支撐層一 (2);再在不銹 鋼線支撐層一 (2)的外表面繞制超導螺線管線圈二 (3)，然后再在超導螺線管線圈二 (3) 的外表面上使用相同直徑的不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼支撐層二 (4);依次交替繞 制超導螺線管線圈和不銹鋼支撐層，最后在超導線圈的最外端使用截面為矩形的不銹鋼線繞 制端部支撐結構一 (5)加固線圈整體，形成具有分散應力的超導螺線管線圈整體。
3、 按照權利要求2所述的繞制高磁場超導螺線管線圈的方法，其特征在于，所述的繞 制超導螺線管線圈一 (1)和超導螺線管線圈二 (3)的超導線材為圓形或矩形，繞制不銹鋼 支撐層一 (2)和不銹鋼支撐層二 (4)的不銹鋼線材為圓形或矩形。
4、 按照權利要求2所述的超導線圈的支撐結構，其特征在于，不銹鋼線支撐層厚度的 選擇應以超導線圈受到電磁應力的形變量小于線圈整體尺寸的0. 4%為標準。
5、 按照權利要求2或3所述的超導線圈的支撐結構，其特征在于，不銹鋼支撐層的不 銹鋼線的截面形狀和大小與其支撐的超導線圈的超導線的截面形狀和大小相同。
全文摘要
本發明公開一種具有分散應力的高磁場超導螺線管線圈及其繞制方法，由不銹鋼支撐層將超導線圈分成若干層，超導線圈按徑向方向由內到外首先繞制超導線層，在超導線層的外表面用與超導線徑相同的不銹鋼線繞制一至兩層，形成不銹鋼線支撐層。然后依次交替繞制，最后在超導線圈的最外端使用矩形不銹鋼線繞制端部支撐結構加固線圈整體，形成具有分散應力的超導螺線管線圈整體。本發明不僅可以減小超導繞組內部的應力集中，而且能夠大大減小線圈的失超鍛煉次數，有效提高磁體的運行電流密度。本發明結構的線圈適合于高磁場超導磁體系統特別是25～30T高磁場超導磁體系統。
文檔編號H01F6/06GK101577166SQ20091008057
公開日2009年11月11日 申請日期2009年3月20日 優先權日2009年3月20日
發明者嚴陸光, 王秋良, 胡新寧 申請人:中國科學院電工研究所