专利名称：具有分散应力的高磁场超导螺线管线圈及其绕制方法
技术领域：
本发明涉及一种高磁场超导磁体线圈及其绕制方法，特别涉及一种具有分散应力支撑结 构的高磁场超导螺线管线圈及其绕制方法。
背景技术：
超导磁体具有体积小、重量轻、能耗低等特点。对发展用于物理学、生物医学和其他科 学研究应用的高磁场超导磁体系统，超导磁体较混合磁体和脉冲磁体有更大的优势。目前研 制25-30T高磁场的大型超导磁体和核磁共振磁体系统是高磁场超导磁体应用发展的重要方 向。通常高磁场超导磁体由多种超导线材以非均匀电流密度分布的形式实现的。
高磁场的超导磁体运行在较高的电流密度和较高的磁场下，电流和磁场的相互作用在螺 线管线圈内产生角向应力cy^ jSr。如果磁体运行的平均电流密度为1.08A/m2,线圈的平均半 径为0.4m，所产生的磁场为30T，则超导线内产生的最大角向应力为1200MPa。超导线无论 是高温超导带材还是低温超导线材，受到的应力超过一定限度之后，其临界电流密度都会急 剧下降。例如NbTi超导线的最大退化应力在300-400MPa左右，Nb3Sn超导线所能承受的应 变小于0.4%，使用不锈钢加强带的高温超导带材的最大应力在300MPa，没有不锈钢加强带 的高温超导带材最大应力小于100MPa，基于基带加强的YBCO二代高温超导带承受的最大应 力可以到300-500MPa的范围。因此，机械应力和材料屈服是导致高磁场超导磁体线圈不能 承受大电流传输的重要原因之一。
目前主要采用支撑超导线圈环向应力的方法降低超导线圈的应力集中，即在一个超导线 圈绕制完成以后，在其外表面绕制包裹不锈钢丝层对线圈进行加固，这种支撑方法对于磁场 较小、室温孔较小的超导磁体解决应力集中的问题是非常有效。但25 30T的高磁场超导磁 体线圈的匝数和层数较多，由于磁体内部应力过高，光靠线圈外表面的不锈钢丝层不足以解 决超导线圈的应力集中问题。使用单一外围加固的方法不能抑制应力达到或超过超导线临界 电流的最大退化应力值。另外对于径向较厚的超导线圈，由于绕制张力的均匀分布，导致线 圈绕制完成之后，线圈的内层的张应力减小，采用外围绕制不锈钢线的方法对分散线圈应力 的作用不大。
发明内容
为了克服现有高磁场超导磁体应力集中的问题，本发明提出一种具有分散应力的高磁场 超导螺线管线圈结构。本发明不仅可以减小超导绕组内部的应力集中，而且能够大大减小线圏的失超锻炼次数，有效提高磁体的运行电流密度'。
本发明采用分层不锈钢线支撑结构，使线圈的主要电磁应力可以直接转移到不锈钢线支 撑层上。采用分层不锈钢线支撑层加固结构，超导线圈内部应力分布较为均匀。不锈钢线支 撑层厚度的选择应以超导线圈受到电磁应力的形变量小于线圈整体尺寸的0. 4%为标准。
本发明的高磁场超导螺线管线圈通过不锈钢支撑层将超导线圈分成若干层，线圈按径向 方向由内到外首先为超导线层，然后为不锈钢支撑层，依次交替，超导线圈的最外端使用截 面为矩形的不锈钢线绕制端部支撑结构加固线圈整体。这样交替绕制完成的超导线圈具有结 构强度较好、应力分散的特点，能够承受较高的电磁应力，线圈可运行在高电流密度和高磁 场下。
本发明线圈的绕制方法是用圆形或矩形超导线绕制的超导螺线管线圈，然后在超导螺线 管线圈的外表面用与超导螺线管线圈的超导线径相同的圆形不锈钢线绕制一至两层，形成不 锈钢线支撑层。再在不锈钢线支撑层的外表面绕制超导螺线管线圈二，依次再在超导螺线管 线圈二的外表面上使用相同直径的圆形不锈钢线绕制一至两层，形成不锈钢支撑层二，然后 依次交替绕制超导螺线管线圈和不锈钢支撑层，最后在超导线圈的最外端使用截面为矩形的 不锈钢线绕制端部支撑结构加固线圈整体，形成具有分散应力的超导螺线管线圈整体。
本发明不锈钢支撑层的不锈钢线的截面形状和大小与其支撑的超导线圈的超导线的截 面形状和大小相同。
本发明的具有分散应力支撑结构的高磁场超导螺线管线圈适用于高磁场超导磁体系统， 特别是多线圈超导磁体系统，例如高磁场核磁共振超导磁体系统(NMR)和混合高磁场外插磁 体系统等等，特别是25 30T高磁场超导磁体系统。
图l是采用圆形超导线的超导螺线管线圈的结构示意图，图中l超导螺线管线圈一、2 不锈钢线支撑层一、3超导螺线管线圈二、 4不锈钢线支撑层二、 5端部支撑结构一；
图2是采用矩形超导线的超导螺线管线圈的结构示意图;6矩形线超导线螺线管线圈一、 7矩形线不锈钢线支撑层一、8矩形线超导线螺线管线圏二、 9矩形线不锈钢线支撑层二、 10 端部支撑结构二；
图3是超导螺线管线圈整体示意图，图中ll超导线层一、12不锈钢线支撑层一、13 超导线层二、 14不锈钢线支撑层二、 15端部支撑层；
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。
本发明的高磁场超导螺线管线圈由不锈钢支撑层将超导线圈分成若干层，线圈按径向方向由内到外首先为超导线层，然后为不锈钢支撑层，依次交替，超导线圈的最外端使用截面 为矩形的不锈钢线绕制端部支撑结构加固线圈整体。这样交替绕制完成的超导线圈具有结构 强度较好、应力分散的特点，能够承受较高的电磁应力，线圈可运行在高电流密度和高磁场 下。
如图1所示，用圆形超导线绕制的超导螺线管线圈一 1，然后在超导螺线管线圈一 1的 外表面用与超导螺线管线圈一l的超导线径相同的圆形不锈钢线绕制一至两层，形成不锈钢
线支撑层一 2。再在不锈钢线支撑层一 2的外表面绕制超导螺线管线圈二 3，依次再在超导 螺线管线圈二 3的外表面上使用相同直径的圆形不锈钢线绕制一至两层，形成不锈钢支撑层 二4，然后依次交替绕制超导螺线管线圈和不锈钢支撑层，最后在超导线圈的最外端使用截 面为矩形的不锈钢线绕制端部支撑结构一 5加固线圈整体，形成具有分散应力的超导螺线管 线圈整体。
如图2所示，用矩形线超导线绕制的矩形线超导螺线管线圈一6，然后在矩形线超导螺 线管线圈一6的外表面用与矩形线超导螺线管线圈一6的超导线径相同的矩形线不锈钢线绕 制一至两层，形成矩形线不锈钢线支撑层一 7。再在矩形线不锈钢线支撑层一 7的外表面绕 制矩形线超导螺线管线圈二 8，依次再在矩形线超导螺线管线圈二 8的外表面上使用相同直 径的矩形不锈钢线绕制一至两层，形成矩形线不锈钢支撑层二 9，然后依次交替绕制超导螺 线管线圈和不锈钢支撑层，最后在超导线圈的最外端使用矩形不锈钢线绕制端部支撑结构二 IO加固线圈整体，形成具有分散应力的超导螺线管线圈整体。
图3为超导螺线管线圈的整体示意图。线圈按径向方向由内到外首先为超.导线圈一ll， 然后为不锈钢线支撑层一 12，然后为超导线圈二 13，然后为不锈钢支撑层二 14，如此依次 交替绕制，线圈外表面由不锈钢的端部支撑层15加固。
权利要求
1、一种具有分散应力的高磁场超导螺线管线圈，其特征在于，所述的超导螺线管线圈由不锈钢支撑层将超导线圈分成若干层，超导线圈按径向方向由内到外首先为超导线圈一(11)，然后为不锈钢支撑层一(12)，不锈钢支撑层一(12)外为超导线圈二(13)，超导线圈二(13)外为不锈钢支撑层二(14)，超导线圈和不锈钢支撑层如此依次交替；超导线圈的最外端使用截面为矩形的不锈钢线绕制端部支撑层(15)加固线圈整体。
2、 绕制权利要求1所述的高磁场超导螺线管线圈的方法，其特征在于，首先用超导线 绕制超导螺线管线圈一 (1)，然后在超导螺线管线圈一 (1)的外表面用与超导螺线管线圈 一 (1)的超导线径相同的不锈钢线绕制一至两层，形成不锈钢线支撑层一 (2);再在不锈 钢线支撑层一 (2)的外表面绕制超导螺线管线圈二 (3)，然后再在超导螺线管线圈二 (3) 的外表面上使用相同直径的不锈钢线绕制一至两层，形成不锈钢支撑层二 (4);依次交替绕 制超导螺线管线圈和不锈钢支撑层，最后在超导线圈的最外端使用截面为矩形的不锈钢线绕 制端部支撑结构一 (5)加固线圈整体，形成具有分散应力的超导螺线管线圈整体。
3、 按照权利要求2所述的绕制高磁场超导螺线管线圈的方法，其特征在于，所述的绕 制超导螺线管线圈一 (1)和超导螺线管线圈二 (3)的超导线材为圆形或矩形，绕制不锈钢 支撑层一 (2)和不锈钢支撑层二 (4)的不锈钢线材为圆形或矩形。
4、 按照权利要求2所述的超导线圈的支撑结构，其特征在于，不锈钢线支撑层厚度的 选择应以超导线圈受到电磁应力的形变量小于线圈整体尺寸的0. 4%为标准。
5、 按照权利要求2或3所述的超导线圈的支撑结构，其特征在于，不锈钢支撑层的不 锈钢线的截面形状和大小与其支撑的超导线圈的超导线的截面形状和大小相同。
全文摘要
本发明公开一种具有分散应力的高磁场超导螺线管线圈及其绕制方法，由不锈钢支撑层将超导线圈分成若干层，超导线圈按径向方向由内到外首先绕制超导线层，在超导线层的外表面用与超导线径相同的不锈钢线绕制一至两层，形成不锈钢线支撑层。然后依次交替绕制，最后在超导线圈的最外端使用矩形不锈钢线绕制端部支撑结构加固线圈整体，形成具有分散应力的超导螺线管线圈整体。本发明不仅可以减小超导绕组内部的应力集中，而且能够大大减小线圈的失超锻炼次数，有效提高磁体的运行电流密度。本发明结构的线圈适合于高磁场超导磁体系统特别是25～30T高磁场超导磁体系统。
文档编号H01F6/06GK101577166SQ20091008057
公开日2009年11月11日 申请日期2009年3月20日 优先权日2009年3月20日
发明者严陆光, 王秋良, 胡新宁 申请人:中国科学院电工研究所