[发明专利]一种无绝缘超导磁体

说明书

技术领域

本发明属于超导技术领域，具体涉及一种无绝缘超导磁体。

背景技术

超导磁体是超导技术应用的最主要方面之一，依据工作形式的不同，可划分为低温超导磁体和高温超导磁体。低温超导磁体通常是指工作在液氦温度下（4.2K）的超导磁体，高温超导磁体则通常工作在液氦温度以上，一般工作温度为10-100K。超导磁体一般是采用NbTi、Nb₃Sn、Bi系、MgB₂、YBCO等超导线或带材绕制而成的，其中绝大部分超导磁体中所用的超导线、带外表都要包裹绝缘材料，通常是Kapton带和绝缘漆等材料，用包裹有绝缘层的超导线绕制完成的超导磁体，一般还要经过浸蜡或浸环氧树脂等填充技术将超导磁体内部的空隙填满，填充材料要具有耐低温、导热好等特性。绝缘和填充的主要目的是使超导磁体匝间良好绝缘。超导磁体的磁场一般为0.5T-20T，对磁体进行填充的另一目的是确保超导磁体内部的超导线被牢牢的固定好，避免在强大的磁场力作用下发生位移，降低超导体发生失超的风险。

一般低温超导磁体工作时要浸没在液氦内。高温超导磁体工作时可以浸没在液氮内，也可以浸没在液氦内。由于浸没在液氦、液氮这些冷量较大的导冷液体内，超导磁体温度通常都会被冷却到低温液体的沸点温度。超导磁体内稍有温度升高，就会蒸发掉大量低温液体把热量带走以保持温度恒定。随着低温技术的发展，近年出现工作温度达到4.2K或20K的低温制冷机。用导冷材料将超导磁体与制冷机相连，将超导磁体降到工作温度，这种工作方式被称为传导冷却。无论是低温超导磁体还是高温超导磁体，由于导热能力有限，传导冷却方式难以克服的缺点是超导磁体上各处温度不均匀。因为导热不良，当超导磁体内部出现热、电、磁的扰动时，容易引起局部温度过高，发生失超传播的风险也比较严重。

一般超导线的直径在1毫米左右，超导带材的厚度一般在0.5毫米左右，宽度5毫米左右，在超导线和带材内部通常有多股超导细丝，细丝数量几至几万不等，超导细丝（超导细丝外部偶尔会包裹阻隔层金属）被嵌在作为温度稳定体的铜或银等导热好的金属基体内。在稳定的工作条件下，超导磁体内部电流只在作为超导材料的超导细丝内流动，不在包裹超导材料的铜、银等温度稳定体中流动，在工作电流稳定不变条件下，超导线、带材外面包裹的绝缘材料是完全没有作用的，只有在磁体充磁、退磁时，绝缘材料才发挥作用。另外在超导磁体发生故障时，需要对超导磁体采取保护措施，绝缘材料会约束电流，对超导磁体产生不利影响。

2011年，国外新发展出一种无绝缘超导磁体技术，即在绕制超导磁体时，在超导线、带材之间不使用绝缘材料，或直接使用不锈钢带或哈氏合金带（Hastelloy）等导电金属带作为超导线、带材之间的间隔材料，绕组内部的每匝超导线、带材之间是导电、短路接触的，匝间接触电阻通常小于0.01欧姆，这对于超导磁体的充电励磁造成比较严重的困难。对于无绝缘超导磁体在超导磁体工作过程中，一旦超导体发生局部失超，超导线、带某段上出现电阻，电流会被分流到相邻超导线上，对于超导磁体保护比较有利。失超的超导线、带材不会被大工作电流持续加热，可以避免损坏超导磁体，而现有包裹绝缘材料，匝间绝缘的磁体内一旦出现失超，则需要有保护电路立刻工作，在零点几秒或几秒时间内将超导磁体电流降到无害水平，因此无绝缘超导磁体技术可以大幅度降低损坏超导磁体的风险。目前这种最新的无绝缘技术中所谓的无绝缘，实质上是完全的导电接触。线圈匝间电阻极小，不利于磁体正常充电励磁。

与传统的浸蜡或浸环氧树脂等填充技术相比，采用无绝缘技术的超导磁体的导热性能更好，有利于超导磁体内部温度均衡，避免磁体内部出现局部温度过高的区域而危害超导磁体工作。对于目前备受关注的制冷机传导冷却磁体具有更重要的意义。据目前最新文献报道，国外对无绝缘超导磁体技术的研究刚刚起步，还局限于从高度绝缘直接过渡到匝间电阻仅有几毫欧姆的简单无绝缘状态。

目前国外研制的无绝缘超导磁体，在超导线或带材之间直接接触不做绝缘，或简单采用金属做间隔材料，其优点是导热性能很好，缺点是导电性能过强、匝间电阻几乎没有。这样完全摆脱掉原有绝缘层的阻隔作用，十分不利于超导磁体的充电励磁，对于磁体内部接近微欧的极低电阻，电感为亨利量级的大型无绝缘超导磁体，充电励磁时间需要十几天以上，在实际应用过程中是无法接受的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种无绝缘超导磁体，目的是在增强超导磁体内部导热能力的同时，着重控制超导磁体内部的匝间电阻不致过小，得到导热率和温度稳定性高，且匝间电阻比较高的无绝缘超导磁体。