一種無絕緣超導(dǎo)磁體制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無絕緣超導(dǎo)磁體。本發(fā)明專利技術(shù)的無絕緣超導(dǎo)磁體，包括線圈骨架和繞制在線圈骨架上的超導(dǎo)線,所述的超導(dǎo)線表面無絕緣層或包裹的絕緣層是不完整的，在超導(dǎo)線匝間填充有導(dǎo)電材料、導(dǎo)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(dǎo)電材料0.01-99.9%，導(dǎo)熱材料0-99.99%，固化材料0-99%，0-5%潤濕材料。本發(fā)明專利技術(shù)的無絕緣超導(dǎo)磁體在每一匝超導(dǎo)線圈之間填充有導(dǎo)電成分，使匝間維持較高的電阻，既發(fā)揮了匝間無絕緣特點，又有利于超導(dǎo)磁體的充電勵磁和失超保護。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種無絕緣超導(dǎo)磁體
本專利技術(shù)屬于超導(dǎo)
，具體涉及一種無絕緣超導(dǎo)磁體。
技術(shù)介紹
超導(dǎo)磁體是超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的最主要方面之一，依據(jù)工作形式的不同，可劃分為低溫超導(dǎo)磁體和高溫超導(dǎo)磁體。低溫超導(dǎo)磁體通常是指工作在液氦溫度下（4.2K）的超導(dǎo)磁體，高溫超導(dǎo)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(dǎo)磁體一般是采用NbTi、Nb3Sn、Bi系、MgB2、YBCO等超導(dǎo)線或帶材繞制而成的，其中絕大部分超導(dǎo)磁體中所用的超導(dǎo)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(dǎo)線繞制完成的超導(dǎo)磁體，一般還要經(jīng)過浸蠟或浸環(huán)氧樹脂等填充技術(shù)將超導(dǎo)磁體內(nèi)部的空隙填滿，填充材料要具有耐低溫、導(dǎo)熱好等特性。絕緣和填充的主要目的是使超導(dǎo)磁體匝間良好絕緣。超導(dǎo)磁體的磁場一般為0.5T-20T，對磁體進行填充的另一目的是確保超導(dǎo)磁體內(nèi)部的超導(dǎo)線被牢牢的固定好，避免在強大的磁場力作用下發(fā)生位移，降低超導(dǎo)體發(fā)生失超的風險。一般低溫超導(dǎo)磁體工作時要浸沒在液氦內(nèi)。高溫超導(dǎo)磁體工作時可以浸沒在液氮內(nèi)，也可以浸沒在液氦內(nèi)。由于浸沒在液氦、液氮這些冷量較大的導(dǎo)冷液體內(nèi)，超導(dǎo)磁體溫度通常都會被冷卻到低溫液體的沸點溫度。超導(dǎo)磁體內(nèi)稍有溫度升高，就會蒸發(fā)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(shù)的發(fā)展，近年出現(xiàn)工作溫度達到4.2K或20K的低溫制冷機。用導(dǎo)冷材料將超導(dǎo)磁體與制冷機相連，將超導(dǎo)磁體降到工作溫度，這種工作方式被稱為傳導(dǎo)冷卻。無論是低溫超導(dǎo)磁體還是高溫超導(dǎo)磁體，由于導(dǎo)熱能力有限，傳導(dǎo)冷卻方式難以克服的缺點是超導(dǎo)磁體上各處溫度不均勻。因為導(dǎo)熱不良，當超導(dǎo)磁體內(nèi)部出現(xiàn)熱、電、磁的擾動時，容易引起局部溫度過高，發(fā)生失超傳播的風險也比較嚴重。一般超導(dǎo)線的直徑在1毫米左右，超導(dǎo)帶材的厚度一般在0.5毫米左右，寬度5毫米左右，在超導(dǎo)線和帶材內(nèi)部通常有多股超導(dǎo)細絲，細絲數(shù)量幾至幾萬不等，超導(dǎo)細絲（超導(dǎo)細絲外部偶爾會包裹阻隔層金屬）被嵌在作為溫度穩(wěn)定體的銅或銀等導(dǎo)熱好的金屬基體內(nèi)。在穩(wěn)定的工作條件下，超導(dǎo)磁體內(nèi)部電流只在作為超導(dǎo)材料的超導(dǎo)細絲內(nèi)流動，不在包裹超導(dǎo)材料的銅、銀等溫度穩(wěn)定體中流動，在工作電流穩(wěn)定不變條件下，超導(dǎo)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(fā)揮作用。另外在超導(dǎo)磁體發(fā)生故障時，需要對超導(dǎo)磁體采取保護措施，絕緣材料會約束電流，對超導(dǎo)磁體產(chǎn)生不利影響。2011年，國外新發(fā)展出一種無絕緣超導(dǎo)磁體技術(shù)，即在繞制超導(dǎo)磁體時，在超導(dǎo)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(dǎo)電金屬帶作為超導(dǎo)線、帶材之間的間隔材料，繞組內(nèi)部的每匝超導(dǎo)線、帶材之間是導(dǎo)電、短路接觸的，匝間接觸電阻通常小于0.01歐姆，這對于超導(dǎo)磁體的充電勵磁造成比較嚴重的困難。對于無絕緣超導(dǎo)磁體在超導(dǎo)磁體工作過程中，一旦超導(dǎo)體發(fā)生局部失超，超導(dǎo)線、帶某段上出現(xiàn)電阻，電流會被分流到相鄰超導(dǎo)線上，對于超導(dǎo)磁體保護比較有利。失超的超導(dǎo)線、帶材不會被大工作電流持續(xù)加熱，可以避免損壞超導(dǎo)磁體，而現(xiàn)有包裹絕緣材料，匝間絕緣的磁體內(nèi)一旦出現(xiàn)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(nèi)將超導(dǎo)磁體電流降到無害水平，因此無絕緣超導(dǎo)磁體技術(shù)可以大幅度降低損壞超導(dǎo)磁體的風險。目前這種最新的無絕緣技術(shù)中所謂的無絕緣，實質(zhì)上是完全的導(dǎo)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(tǒng)的浸蠟或浸環(huán)氧樹脂等填充技術(shù)相比，采用無絕緣技術(shù)的超導(dǎo)磁體的導(dǎo)熱性能更好，有利于超導(dǎo)磁體內(nèi)部溫度均衡，避免磁體內(nèi)部出現(xiàn)局部溫度過高的區(qū)域而危害超導(dǎo)磁體工作。對于目前備受關(guān)注的制冷機傳導(dǎo)冷卻磁體具有更重要的意義。據(jù)目前最新文獻報道，國外對無絕緣超導(dǎo)磁體技術(shù)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(tài)。目前國外研制的無絕緣超導(dǎo)磁體，在超導(dǎo)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(yōu)點是導(dǎo)熱性能很好，缺點是導(dǎo)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(dǎo)磁體的充電勵磁，對于磁體內(nèi)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(dǎo)磁體，充電勵磁時間需要十幾天以上，在實際應(yīng)用過程中是無法接受的。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本專利技術(shù)提供一種無絕緣超導(dǎo)磁體，目的是在增強超導(dǎo)磁體內(nèi)部導(dǎo)熱能力的同時，著重控制超導(dǎo)磁體內(nèi)部的匝間電阻不致過小，得到導(dǎo)熱率和溫度穩(wěn)定性高，且匝間電阻比較高的無絕緣超導(dǎo)磁體。本專利技術(shù)的無絕緣超導(dǎo)磁體，包括線圈骨架和繞制在線圈骨架上的超導(dǎo)線,所述的超導(dǎo)線表面無絕緣層或包裹的絕緣層是不完整的，在超導(dǎo)線匝間填充有導(dǎo)電材料、導(dǎo)熱材料、固化材料和潤濕材料，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(dǎo)電材料0.01-100%，導(dǎo)熱材料0-99.99%，固化材料0-99%，0-5%潤濕材料。所述的導(dǎo)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(dǎo)體化合形成的化合物；錫、鉛、鋅、鋁、銅、鎵、銦、鎘、銻、鉍、鎂、鈣、鋇、鋰、鈉、鉀、汞、鈦、鋯、釩、鈮、錳、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(dǎo)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(dǎo)體化合形成的化合物；或上述合金與上述半導(dǎo)體的化合物。所述的固化材料是蟲膠、漆、蠟、環(huán)氧樹脂、瀝青、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。本專利技術(shù)的特點是：具有不同于任何傳統(tǒng)磁體的結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮超導(dǎo)材料導(dǎo)電、傳輸電流的特點，消除線圈匝間高度絕緣或完全導(dǎo)電的接觸形式，以電阻接觸取而代之。這充分發(fā)揮了超導(dǎo)技術(shù)的特點，是對傳統(tǒng)磁體結(jié)構(gòu)的大幅改進。本專利技術(shù)的無絕緣超導(dǎo)磁體是在超導(dǎo)磁體匝間加入導(dǎo)電材料，保持匝間均勻的低電阻無絕緣狀態(tài)，通過調(diào)整導(dǎo)電材料所占的比重，使匝間電阻遠高于導(dǎo)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(dǎo)熱材料有助于磁體的溫度均勻，提高溫度穩(wěn)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(wěn)定性；增加固化、潤濕材料有助于提高導(dǎo)電材料與導(dǎo)熱材料的微觀結(jié)合性能，增加磁體整體的導(dǎo)熱能力和力學性能。本專利技術(shù)的無絕緣超導(dǎo)磁體與傳統(tǒng)的超導(dǎo)磁體相比，在超導(dǎo)線外表不使用絕緣層或使用不完整的絕緣層，提高了超導(dǎo)磁體的整體電學性能。通過在每一匝超導(dǎo)線圈之間填充低溫下導(dǎo)熱性能優(yōu)良的導(dǎo)熱材料，提高了超導(dǎo)磁體的綜合導(dǎo)熱能力和熱容，達到提高磁體低溫溫度穩(wěn)定性的目的，本專利技術(shù)的無絕緣超導(dǎo)磁體在每一匝超導(dǎo)線圈之間填充有導(dǎo)電成分，使匝間維持較高的電阻，既發(fā)揮了匝間無絕緣特點，又有利于超導(dǎo)磁體的充電勵磁和失超保護。本專利技術(shù)的無絕緣超導(dǎo)磁體的具體優(yōu)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(yīng)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(dǎo)磁體快速充電勵磁；（3）提高超導(dǎo)磁體內(nèi)部導(dǎo)熱能力，提高本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種無絕緣超導(dǎo)磁體，包括線圈骨架和繞制在線圈骨架上的超導(dǎo)線,其特征在于所述的超導(dǎo)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(dǎo)線匝間填充有導(dǎo)熱材料、導(dǎo)電材料、固化材料和潤濕材料，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(dǎo)電材料0.01?99.9%，導(dǎo)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。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種無絕緣超導(dǎo)磁體，包括線圈骨架和繞制在線圈骨架上的超導(dǎo)線，超導(dǎo)線由超導(dǎo)細絲和金屬溫度穩(wěn)定體組成，其特征在于所述的超導(dǎo)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(dǎo)線匝間填充有導(dǎo)熱材料、導(dǎo)電材料、固化材料和潤濕材料，每匝之間的電阻在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(dǎo)電材料0.01-99.9%，導(dǎo)熱材料0.01-99.99%，固化材料0-99%，且固化材料體積分數(shù)不為0%，0-5%潤濕材料，四者之和為百分之百；所述的導(dǎo)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，或碳、硅、鍺、磷、硫、硒或砷之間化合反應(yīng)形成的化合物；或上述合金與碳、硅、鍺、磷、硫、硒或砷的化合物；其具體填充方式是在導(dǎo)熱材料顆粒的外表面包裹薄層金屬導(dǎo)電材料形成導(dǎo)電顆粒，當固化材料體積分數(shù)不為0%時，大量的導(dǎo)電顆粒混合到導(dǎo)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：白質(zhì)明，
申請(專利權(quán))人：白質(zhì)明，
類型：發(fā)明
國別省市：