一種無絕緣超導磁體的制作方法

專利名稱：一種無絕緣超導磁體的制作方法
一種無絕緣超導磁體技術領域
本發明屬于超導技術領域，具體涉及一種無絕緣超導磁體。
背景技術：
超導磁體是超導技術應用的最主要方面之一，依據工作形式的不同，可劃分為低溫超導磁體和高溫超導磁體。低溫超導磁體通常是指工作在液氦溫度下(4. 2K)的超導磁體，高溫超導磁體則通常工作在液氦溫度以上，一般工作溫度為10-100K。超導磁體一般是采用NbT1、Nb3Sn、Bi系、MgB2、YBC0等超導線或帶材繞制而成的，其中絕大部分超導磁體中所用的超導線、帶外表都要包裹絕緣材料，通常是Kapton帶和絕緣漆等材料，用包裹有絕緣層的超導線繞制完成的超導磁體，一般還要經過浸蠟或浸環氧樹脂等填充技術將超導磁體內部的空隙填滿，填充材料要具有耐低溫、導熱好等特性。絕緣和填充的主要目的是使超導磁體阻間良好絕緣。超導磁體的磁場一般為O. 5T-20T,對磁體進行填充的另一目的是確保超導磁體內部的超導線被牢牢的固定好，避免在強大的磁場力作用下發生位移，降低超導體發生失超的風險。
一般低溫超導磁體工作時要浸沒在液氦內。高溫超導磁體工作時可以浸沒在液氮內，也可以浸沒在液氦內。由于浸沒在液氦、液氮這些冷量較大的導冷液體內，超導磁體溫度通常都會被冷卻到低溫液體的沸點溫度。超導磁體內稍有溫度升高，就會蒸發掉大量低溫液體把熱量帶走以保持溫度恒定。隨著低溫技術的發展，近年出現工作溫度達到4. 2K或 20K的低溫制冷機。用導冷材料將超導磁體與制冷機相連，將超導磁體降到工作溫度，這種工作方式被稱為傳導冷卻。無論是低溫超導磁體還是高溫超導磁體，由于導熱能力有限，傳導冷卻方式難以克服的缺點是超導磁體上各處溫度不均勻。因為導熱不良，當超導磁體內部出現熱、電、磁的擾動時，容易引起局部溫度過高，發生失超傳播的風險也比較嚴重。
一般超導線的直徑在I毫米左右，超導帶材的厚度一般在O. 5毫米左右，寬度5毫米左右，在超導線和帶材內部通常有多股超導細絲，細絲數量幾至幾萬不等，超導細絲(超導細絲外部偶爾會包裹阻隔層金屬)被嵌在作為溫度穩定體的銅或銀等導熱好的金屬基體內。在穩定的工作條件下，超導磁體內部電流只在作為超導材料的超導細絲內流動，不在包裹超導材料的銅、銀等溫度穩定體中流動，在工作電流穩定不變條件下，超導線、帶材外面包裹的絕緣材料是完全沒有作用的，只有在磁體充磁、退磁時，絕緣材料才發揮作用。另外在超導磁體發生故障時，需要對超導磁體采取保護措施，絕緣材料會約束電流，對超導磁體產生不利影響。
2011年，國外新發展出一種無絕緣超導磁體技術，即在繞制超導磁體時，在超導線、帶材之間不使用絕緣材料，或直接使用不銹鋼帶或哈氏合金帶(Hastelloy)等導電金屬帶作為超導線、帶材之間的間隔材料，繞組內部的每匝超導線、帶材之間是導電、短路接觸的，匝間接觸電阻通常小于O. 01歐姆，M這對于超導磁體的充電勵磁造成比較嚴重的困難。 對于無絕緣超導磁體在超導磁體工作過程中，一旦超導體發生局部失超，超導線、帶某段上出現電阻，電流會被分流到相鄰超導線上，對于超導磁體保護比較有利。失超的超導線、帶材不會被大工作電流持續加熱，可以避免損壞超導磁體，而現有包裹絕緣材料，匝間絕緣的磁體內一旦出現失超，則需要有保護電路立刻工作，在零點幾秒或幾秒時間內將超導磁體電流降到無害水平，因此無絕緣超導磁體技術可以大幅度降低損壞超導磁體的風險。目前這種最新的無絕緣技術中所謂的無絕緣，實質上是完全的導電接觸。線圈匝間電阻極小，不利于磁體正常充電勵磁。
與傳統的浸蠟或浸環氧樹脂等填充技術相比，采用無絕緣技術的超導磁體的導熱性能更好，有利于超導磁體內部溫度均衡，避免磁體內部出現局部溫度過高的區域而危害超導磁體工作。對于目前備受關注的制冷機傳導冷卻磁體具有更重要的意義。據目前最新文獻報道，國外對無絕緣超導磁體技術的研究剛剛起步，還局限于從高度絕緣直接過渡到匝間電阻僅有幾毫歐姆的簡單無絕緣狀態。
目前國外研制的無絕緣超導磁體，在超導線或帶材之間直接接觸不做絕緣，或簡單采用金屬做間隔材料，其優點是導熱性能很好，缺點是導電性能過強、匝間電阻幾乎沒有。這樣完全擺脫掉原有絕緣層的阻隔作用，十分不利于超導磁體的充電勵磁，對于磁體內部接近微歐的極低電阻，電感為亨利量級的大型無絕緣超導磁體，充電勵磁時間需要十幾天以上，在實際應用過程中是無法接受的。發明內容
針對現有技術存在的不足，本發明提供一種無絕緣超導磁體，目的是在增強超導磁體內部導熱能力的同時，著重控制超導磁體內部的匝間電阻不致過小，得到導熱率和溫度穩定性高，且匝間電阻比較高的無絕緣超導磁體。
本發明的無絕緣超導磁體，包括線圈骨架和繞制在線圈骨架上的超導線，所述的超導線表面無絕緣層或包裹的絕緣層是不完整的，在超導線匝間填充有導電材料、導熱材料、固化材料和潤濕材料，匝間電阻在O.1歐姆-100千歐姆之間；其中各部分材料按體積百分比為導電材料O. 01-100%,導熱材料0-99. 99%，固化材料0_99%，0-5%潤濕材料。
所述的導熱材料是氮化鋁、氮化硼、氧化鋁、氧化鈹、氧化鋅、氧化硅、氧化鎂、氯化鋁、碳化硅或碳化鋁；硅、鍺、磷、硫、硒、砷、硼或碳，或上述半導體化合形成的化合物；錫、 鉛、鋅、招、銅、鎵、銦、鎘、鋪、秘、鎂、韓、鋇、鋰、鈉、鉀、萊、鈦、錯、銀、銀、猛、鐵、鈷、鎳或銅， 及其合金、氧化物、硫化物、氮化物、氟化物、氯化物、碳化物。
其中所述的導電材料是錫、鉛、鋅、鋁、銅、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、鎵、銦、鎘、銻、鉍、鎂、鈣、鋇、鋰、鈉、鉀或汞，或上述金屬化合形成的合金；或碳、硅、鍺、磷、硫、硒或砷，或上述半導體化合形成的化合物；或上述合金與上述半導體的化合物。
所述的固化材料是蟲膠、漆、蠟、環氧樹脂、浙青、油、水、玻璃粉、玻璃纖維或石棉。
所述的潤濕材料是氧化銦、氧化錫、氯化錫、氯化鈀、硼酸或硬脂酸鈉。
本發明的特點是具有不同于任何傳統磁體的結構，充分發揮超導材料導電、傳輸電流的特點，消除線圈匝間高度絕緣或完全導電的接觸形式，以電阻接觸取而代之。這充分發揮了超導技術的特點，是對傳統磁體結構的大幅改進。
本發明的無絕緣超 導磁體是在超導磁體匝間加入導電材料，保持匝間均勻的低電阻無絕緣狀態，通過調整導電材料所占的比重，使匝間電阻遠高于導體之間的接觸電阻，以利于減少磁體充電勵磁難度；同時大量使用的高導熱材料有助于磁體的溫度均勻，提高溫度穩定性，增加材料的使用量有助于增加總體熱容量，提高磁體低溫穩定性；增加固化、潤濕材料有助于提高導電材料與導熱材料的微觀結合性能，增加磁體整體的導熱能力和力學性能。
本發明的無絕緣超導磁體與傳統的超導磁體相比，在超導線外表不使用絕緣層或使用不完整的絕緣層，提高了超導磁體的整體電學性能。通過在每一匝超導線圈之間填充低溫下導熱性能優良的導熱材料，提高了超導磁體的綜合導熱能力和熱容，達到提高磁體低溫溫度穩定性的目的，本發明的無絕緣超導磁體在每一匝超導線圈之間填充有導電成分，使匝間維持較高的電阻，既發揮了匝間無絕緣特點，又有利于超導磁體的充電勵磁和失超保護。
本發明的無絕緣超導磁體的具體優點包括以下幾個方面(1)保持一定的匝間電阻，減小磁體失超時高溫升、高溫度梯度和熱應力破壞的危險；(2)保持較高的匝間電阻，有利于電感較大的超導磁體快速充電勵磁；(3)提高超導磁體內部導熱能力，提高溫度穩定性；(4)提聞超導磁體的總體熱容，使超導磁體耐受:熱和電磁擾動的能力提聞；(5)技術成熟易于制造。


圖1是現有技術中的典型超導磁體繞線結構示意圖；圖2是圖1中A部分的局部放大圖；圖3是現有技術中的典型超導磁體填充固化后的結構示意圖；圖4是圖3中B部分的局部放大圖；圖5是本發明是實施例1-3的無絕緣超導磁體微觀結構示意圖；圖6是本發明實施例4中的無絕緣超導磁體結構示意圖；圖7是本發明的無絕緣超導磁體微觀結構對應的等效電路示意圖；圖8是本發明的超導磁體的等效電路結構示意圖；圖9是本發明的超導磁體的等效電路圖；圖10是本發明的超導磁體的等效電路數據總電阻隨線圈層數變化趨勢曲線；圖中1 :線圈骨架；2 :超導線；3 :絕緣層；4 :超導細絲；5 :金屬溫度穩定體；6 :導熱固化材料；7 :導熱材料；8 :固化材料；9 :導電材料；10 :不完整絕緣層；11 :線圈總等效電阻； 12 :總層數為奇數的線圈總電阻數據點；13 :總層數為偶數的線圈總電阻數據點。
具體實施方式
下面結合說明書附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步說明。
現有技術中的超導磁體結構如圖1-圖4所示，也包括線圈骨架(I)和超導線(2)， 其中超導線(2)由超導細絲(4)和金屬溫度穩定體(5)組成，并在超導線外部包覆有完整的絕緣層(3)，以達到線圈匝間絕緣的目的，為固定超導線，在線圈匝間通常要灌充環氧樹脂固化劑，在固化劑內通常混合氧化鋁或氮化鋁之類導熱性能好的粉末顆粒以增加固化材料的導熱性能，如圖4所示的導熱固化材料(6)。
本發明的無絕緣超導磁體同樣包括線圈骨架(I)和超導線(2)，其中超導線(2)由超導細絲(4)和金屬溫度穩定體(5)組成，不同之處在于超導線外部包覆的是不完整的絕緣層(10)如圖6所示，或者無絕緣層，如圖5所示，在超導線(2)的匝間填充有導熱材料(7)、導電材料(9)、固化材料(8)的混合物，線圈填充和固化過程中往往需要使用提高粉末與超導線表面活性的潤濕材料，以便于減少固化過程中的空泡，提高固化組分的均勻性和固化質量，如圖5和圖6所示，其結構是在氧化鋁一類的導熱材料(7)顆粒的外表面包裹薄層金屬導電材料(9)，使原本不導電的絕緣顆粒變成導電的顆粒，大量的導電顆粒混合到導電或環氧樹脂類不導電的固化材料(8)中，使材料導電能力大范圍變化，改變導電顆粒的導電性能和用量就可以很簡便地調整匝間電阻，可以形成包括不完整絕緣在內的多種形式無絕緣磁體結構，超導線圈的匝間為非絕緣接觸，通過調整各組成材料的體積百分比可以有目的地改變匝間電阻，使之達到O.1歐姆-100千歐姆。
按體積比計算變化范圍導熱材料O. 01-99. 99%，導電材料O. 01-99. 9%，固化材料 0-99%, 0-5%潤濕材料。
本發明的無絕緣超導磁體的超導線內部匝間結構可以分解為如圖7所示的電路結構，每一匝超導線可以用一個小電感來表述，每匝之間的電阻就是無絕緣技術中的匝間電阻，超導線圈內部的電路結構可以用圖8所示的電感、電阻網絡來描述，復雜網絡的電路參數難以計算，線圈繞制層數、總層數為奇數、總層數為偶數等因素都會大幅度影響總體電阻，若采用圖9所示的電路來描述無絕緣磁體線圈的整體電路特性，與常規超導磁體明顯不同之處在于存在與磁體電感并聯的阻值較小的電阻，利用圖8所示的電阻網絡可獲得與無絕緣磁體線圈電感并聯的總電阻隨線圈繞制層數變化規律，如圖10所示，線圈匝間電阻與線圈的并聯總電阻之間存在清晰的計算關系。
本發明的線圈骨架外觀形狀不僅包括附圖中所示的圓筒形，還包括馬鞍形和跑道型等各種現有的線圈骨架形狀，超導磁體的繞線方式不僅包括附圖中所示的螺旋形式，還包括現有的雙餅形式、單餅形式、跑道型、馬鞍型等多種繞線方式。
本發明無絕緣超導磁體的制造過程與傳統方法類似，下面進行具體說明。
實施例1在線圈骨架上繞制超導線，同時將經過表面活化的微米或納米級氧化鋁粉末以干粉末或濕潤粉末的形式散布到線圈匝間，在1-1OOPa的真空室中，將超導線繞制完成的超導線圈浸沒到150-300°C的金屬錫液體中，然后去掉真空，依靠大氣壓力，或同時施加 O.1-1OMPa的壓力，使金屬錫液體浸入到超導線圈匝間，金屬冷卻后即得到結構如圖5所示的無絕緣超導磁體，按體積百分比，超導磁體填充有1%_99%的氧化鋁類導熱材料，灌充有 O. 1%-99%的兼具固化、導電作用的金屬錫類材料，單純的無機固化材料用量為0%。
所述的經表面活化的微米或納米級氧化鋁粉末是指在使用前采用現有技術中的物理或化學方法對氧化鋁粉末顆粒表面包裹金屬，或者直接采用 氯化錫或氯化鈀溶液潤濕粉末顆粒的表面，或者使用硬脂酸鈉或硼酸使氧化鋁粉末顆粒表面與作為導電材料的金屬等成分良好潤濕；所述的微米或納米級氧化鋁粉末非常細密，通過調節超導磁體內部氧化鋁粉末體積比，減少磁體內部微小空隙量，以使浸入磁體內部的金屬錫的體積達到2%-10%， 這樣可以使匝間平均電阻率達到純金屬錫電阻率的十幾倍，使匝間電阻比金屬之間直接接觸電阻提高十倍以上，對于大線圈直徑、小匝間距比的磁體，匝間電阻能達到O.1歐姆；對于小線圈直徑、大匝間距的磁體，匝間電阻能達到I歐姆以上。
還可以直接選用金屬鉛、鋅，或金屬錫、鉛、鋅等與鋁、銅、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、 鎵、銦、鎘、銻、鉍、鎂、鈣、鋇、鋰、鈉、鉀或汞制成的合金替換純金屬錫，作為導電材料填充到超導線匝間，也可以形成不同的匝間電阻，其中采用高電阻率的康銅合金進行填充，能夠使匝間電阻進一步提高，達到I歐姆至10歐姆。
其中當在金屬錫中增加鉛降低成本時，須提高真空灌浸金屬時的工作溫度，在浸入合金中增加鋁、銅、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳等金屬的用量能夠大幅度改變灌浸金屬的電阻率，相對純金屬錫大幅提高匝間電阻；在浸入合金中增加鎵、銦、鎘、銻、鉍、鎂、鈣、鋇、鋰、 鈉、鉀或汞的用量，能夠降低磁體浸入合金時的工作溫度；采用含不同比例鉛、錫、鉍、鎘、銦的伍德合金類型低熔點金屬，能夠使磁體浸入合金時的工作溫度降到47°C -200°C。
在滿足導電特性的同時須增強磁體低溫條件下的導熱、蓄熱性能，也可以采用氮化鋁、氧化鈹、氮化硼、碳化硅、氧化硅、氧化鎂等多種低溫導熱好的無機材料代替氧化鋁起到類似的導熱效果，氧化鋅、氯化鋁或碳化鋁，或硅、鍺、磷、硫、硒、砷、硼、碳半導體及其化合物；或錫、鉛、鋅、招、銅、鎵、銦、鎘、鋪、秘、鎂、 丐、鋇、鋰、鈉、鉀、萊、鈦、錯、銀、銀、猛、鐵、 鈷、鎳、銅的氧化物、硫化物、氮化物、氟化物、氯化物以及碳化物都可以作為替代氧化鋁的導熱材料，雖然這些材料的低溫導熱特性不如氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、氮化硼、碳化硅等材料，但在100K以上比較高的溫度條件下仍可以作為導熱、蓄熱綜合性能比較好的材料使用。
由于氧化鋁類粉末的粒度非常小，在用量比較小的情況下，還可以將其混入液體金屬導電材料中，用真空或壓力法一次性灌充到磁體中，以簡化磁體制造過程，采用這種灌充方式，最終磁體中導電金屬占的體積比較大，非導電的導熱材料占的比重偏少，不易形成較高匝間電阻，適用于匝間電阻較低的磁體，其中導熱材料占的體積比可以減至1%_30%，導電材料占的體積比可以達到70%-99%。
在磁體外部可以大量使用金屬、合金或三氧化鋁等高熱容、熱導的導熱材料以增加磁體總體熱容量，有助于增加低溫穩定性，大量使用氧化鈹、氮化鋁、氮化硼、碳化硅、氧化鋅、氧化硅、氧化鎂、氯化鋁或碳化鋁等材料替換上述磁體中的氧化鋁，可以調整出最佳的低溫熱容和導熱性能，以適應相應的超導工作溫度，為提高磁體導熱和蓄冷性能，在磁體超導線外圍大量使用導熱材料，可以使磁體總體使用的導熱材料體積比高達99%。
實施例2首先將微米或納米級氮化鋁粉末在氯化錫液體中潤濕、風干，制成具有表面活性的粉末，采用電化學方法將粉末顆粒表面包裹很薄的金屬銀導電層，形成具有導電能力的導電微粉，導電微粉的體積比用量在1%_50%，由于導電金屬材料僅僅附著在氮化鋁粉末顆粒外表面一薄層，氮化鋁粉末顆粒越大表面金屬的相對體積比重越小，導電材料在最終線圈匝間填充材料中的體積比在O. 1%_1%，其余為環氧樹脂類固化材料，體積比約占50%-99%。
在線圈骨架上繞制超導線圈的同時，將導電微粉涂布到超導線圈之間，將繞制完成的磁體放入真空容器內，控制真空度I Pa -lOOPa，除去磁體匝間的空氣，將超導線圈浸沒在環氧樹脂液中，然后去除真空，依靠大氣壓力，或同時施加O.1-1OMPa壓力的氣壓，使環氧樹脂液滲入全部匝間空隙，冷卻至室溫，環氧樹脂固化后即得到結構如圖5所示的無絕緣超導磁體，因為有大量表面導電的氮化鋁粉末顆粒，固化后的環氧樹脂具有明顯的導電性，可以形成較大的匝間電阻，調整導電氮化鋁粉末顆粒的用量和體積比重，匝間電阻在I歐姆-100千歐姆之間。
還可以選用銅、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、鎵、氧化銦作為導電材料，替代銀包裹氮化鋁粉末顆粒，降低原材料成本；可以選用氧化鋁、氧化鈹、氮化硼、碳化硅、氧化硅、氧化鎂類低溫導熱好的無機材料代替氮化鋁，起到同樣的導熱效果，或者選用氧化鋅、氯化鋁或碳化招，娃、鍺、磷、硫、硒、砷、 l、碳半導體及其化合物，錫、鉛、鋅、招、銅、鎵、銦、鎘、鋪、秘、 鎂、 丐、鋇、鋰、鈉、鉀、萊、鈦m、猛、鐵、鈷、鎳、銅的氧化物、硫化物、氮化物、氟化物、 氯化物以及碳化物作為替代氮化鋁的導熱材料。具有導電性能的金屬粉末或半導體粉末可以不用包裹金屬，同時具備導電和導熱性能。
在液態環氧樹脂中直接混入碳粉或錫、鉛、鋅、鋁、銅、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、鎵、 銦的金屬或合金粉末；或硅、鍺、磷、硫、硒、砷半導體或其化合物等其他導電粉末，同樣可以達到讓固化后的環氧樹脂具有導電性的目的。
還可以選用蟲膠、漆、蠟、浙青、油、水類在低溫下凝結成較硬固體的材料替代環氧樹脂。
對于這類磁體超導磁體，在磁場較小應力強度要求較低的情況下，可以少用甚至不用固化材料，在不用固化材料的情況下，氮化鋁類粉末顆粒的體積比用量能達到99. 99%， 氮化鋁類粉末顆粒表層金屬的體積比重達O. 01%，匝間電阻可達到100歐姆-100千歐姆。 通過高溫處理磁體可以使氮化鋁類粉末顆粒表層的金屬互相融合，起到一定的固化效果， 同時增加導電性能，使匝間電阻大幅度降低到10歐姆-1千歐姆。
實施例3用水或蟲膠將碳化硅粉末調和成糊狀，將玻璃纖維編織帶浸滿糊狀的碳化硅導熱和金屬鉛導電粉末，將附著有粉末的玻璃纖維扁帶與超導扁帶并列繞制成超導單餅或雙餅形式的線圈，將繞制完成的磁體放入真空容器內，控制真空度在Ι-lOPa，利用高溫加熱，使玻璃纖維編織帶金屬鉛熔化，與碳化硅導熱粉末融合在一起，在匝間形成導電電阻較高的隔層， 得到無絕緣超導磁體。
薄的玻璃纖維編織帶中只浸有少量導電、導熱材料，有助于形成較低的匝間電阻， 通常制成的玻璃纖維導電帶厚度要小于超導帶厚度。玻璃纖維是導電、導熱材料的附著體，通過調節纖維編織帶的厚度和浸入導電成分的用量可以控制匝間電阻，可采用體積比 10%-50%的碳化硅和10%-50%的鉛混合浸入體積比占40%-80%的玻璃纖維編織帶，制得線圈的匝間電阻可控制在I歐姆-100千歐姆之間。
還可 以選用無紡玻璃纖維以及石棉替代玻璃纖維編織帶；可以選用如實施例1和 2所述的導電材料和導熱材料混合制成低溫條件下導電性能滿足要求，導熱性能良好的混合粉末；使用5%-10%的蟲膠有助于導電導熱粉末更好地附著在玻璃纖維帶上，減少蟲膠使用量有助于提高無絕緣磁體的導電、導熱能力。用漆、蠟、環氧樹脂、浙青、油等粘著劑替換蟲膠可得到不同的效果。
用成型的導電帶與超導帶繞制完成的單餅、雙餅或跑道型線圈，也可以浸入導電金屬用金屬進行進一步固化，最終匝間電阻較低，可控制在O.1歐姆-100歐姆之間。在成型的導電帶中加入玻璃粉等其他低熔點材料，經過加熱爐加熱使玻璃微粉熔化，可將磁體燒結成一個用玻璃固化的整體，有助于提高磁體的強度。
實施例4首先將導線外表面，即金屬溫度穩定體表面氧化，形成不導電的薄的金屬氧化層，超導線表面電阻很大。隨著表面氧化層的增厚，表面電阻可以接近半絕緣狀態。之后在超導線表面附著氧化銦等惰性導電保護層。用經過表面處理的超導線圈繞制成超導磁體。將繞制完成的線圈放入真空容器內，控制真空度Ι-lOOPa，除去匝間的空氣，浸到250-500°C的金屬鉛液體中，后去除真空，依靠大氣壓力，或同時施加O.1-1OMPa壓力的氣壓，使金屬液體浸入到匝間，得到無絕緣超導磁體。通過控制超導體表面電阻層厚度可以調節匝間電阻，可使匝間電阻達到I歐姆-1兆歐姆。除去少量氧化銦，匝間導電金屬材料的體積比可達99. 9%。
這種方法大量使用金屬作為匝間填充材料，無絕緣磁體總體導電、導熱性能都比較好，耐應力強度也很高。這種方式與其它方式不同之處在于，無絕緣磁體中控制匝間電阻的關鍵集中在超導線表面上。制造工藝要求比較高，膜層易在繞磁體過程中被刮傷，影響匝間電阻的均勻性。另外，超導線表面的電阻層比較厚時，對磁體導熱性能有較大不利影響。
超導線表面的電阻層既可以利用金屬氧化物薄層獲得，也可以用薄的不完全絕緣的硫化物、氮化物、氟化物、氯化物、碳化物薄層獲得，還可以通過涂敷半導體電阻涂層獲得，只要可以實現表面電阻狀態即可。還可以將超導線表面先包裹傳統絕緣層，再將表面的部分絕緣層以螺旋線等規則圖案形式剝掉，按一定比例暴露出超導線的導電表面，參見圖6。調整導電表面暴露的面積用于形成不同的平均表面電阻，進而形成具有匝間不同導電性能的無絕緣結構。采用混合有導電金屬粉末顆粒的傳統絕緣材料包裹超導線，也可以實現超導線表面非絕緣效果。
這種無絕緣超導磁體結構中，可使用錫、鉛、鋅、鋁、銅、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、 鎵、銦、鎘、銻、鉍、鎂、鈣、鋇、鋰、鈉、鉀或汞，或上述金屬化合形成的合金；或碳、硅、鍺、磷、 硫、硒或砷，或上述半導體化和形成的化合物；或上述合金與上述半導體的化合物作導電材料，替換金屬鉛進行固化填充。
這種無絕緣超導磁體結構中，可以在導電材料中填充增強導熱性能的氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、氮化硼、碳化硅、氧化鋅、氯化鋁或碳化鋁，或硅、鍺、磷、硫、硒、砷、硼、碳半導體及其化合物；或錫、鉛、鋅、招、銅、鎵、銦、鎘、鋪、秘、鎂、 丐、鋇、鋰、鈉、鉀、萊、鈦、錯、銀、 鈮、錳、鐵、鈷、鎳、銅的氧化物、硫化物、氮化物、氟化物、氯化物以及碳化物作為導熱材料。 導熱材料通常以微細粉末顆粒形式加入，使用前粉末顆粒外表面需進行金屬化、合金化處理以增加與金屬的潤濕能力。最終匝間材料中導熱材料所占體積比重達到1%_70%，導電材料所占體積比重達到30%-99%，匝間電阻控制在I歐姆-100千歐姆之間。
權利要求
1.一種無絕緣超導磁體，包括線圈骨架和繞制在線圈骨架上的超導線，其特征在于所述的超導線表面包裹的絕緣層是不完整的或者無絕緣層包裹，在超導線匝間填充有導熱材料、導電材料、固化材料和潤濕材料，匝間電阻在O.1歐姆-100千歐姆之間；其中各部分材料按體積百分比為導電材料O. 01-99. 9%，導熱材料0-99. 99%，固化材料0_99%，0_5%潤濕材料，四者之和為百分之百。
2.根據權利要求1所述的一種無絕緣超導磁體，其特征在于所述的導熱材料是氮化招、氮化硼、氧化招、氧化鈹、氧化鋅、氧化娃、氧化鎂、氯化招、碳化娃或碳化招；娃、鍺、磷、硫、硒、砷、硼或碳，或上述半導體化合形成的化合物；錫、鉛、鋅、鋁、銅、鎵、銦、鎘、銻、鉍、鎂、 丐、鋇、鋰、鈉、鉀、萊、鈦、錯、銀、銀、猛、鐵、鈷、鎳或銅，及其合金、氧化物、硫化物、氮化物、氟化物、氯化物、碳化物。
3.根據權利要求1所述的一種無絕緣超導磁體，其特征在于所述的導電材料是錫、鉛、鋅、招、銅、鈦、銀、鉻、猛、鐵、鈷、鎳、鎵、銦、鎘、鋪、秘、鎂、 丐、鋇、鋰、鈉、鉀或萊，或上述金屬化合形成的合金；或碳、硅、鍺、磷、硫、硒或砷，或上述半導體化和形成的化合物；或上述合金與上述半導體的化合物。
4.根據權利要求1所述的一種無絕緣超導磁體，其特征在于所述的固化材料是蟲膠、漆、蠟、環氧樹脂、浙青、油、水、玻璃粉、玻璃纖維或石棉。
5.根據權利要求1所述的一種無絕緣超導磁體，其特征在于所述的潤濕材料是氧化銦、氧化錫、氯化錫、氯化鈀、硼酸或硬脂酸鈉。
全文摘要
本發明屬于超導技術領域，具體涉及一種無絕緣超導磁體。本發明的無絕緣超導磁體，包括線圈骨架和繞制在線圈骨架上的超導線,所述的超導線表面無絕緣層或包裹的絕緣層是不完整的，在超導線匝間填充有導電材料、導熱材料、固化材料和潤濕材料的混合物，匝間電阻在0.1歐姆-100千歐姆之間；其中各部分材料按體積百分比為導電材料0.01-99.9%，導熱材料0-99.99%，固化材料0-99%，0-5%潤濕材料。本發明的無絕緣超導磁體在每一匝超導線圈之間填充有導電成分，使匝間維持較高的電阻，既發揮了匝間無絕緣特點，又有利于超導磁體的充電勵磁和失超保護。
文檔編號H01F6/00GK103035354SQ20121056927
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者白質明 申請人:白質明