[发明专利]一种含铁磁环的超导磁体

说明书

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，特别涉及一种含铁磁环的超导磁体。

背景技术

与常规铜、铝导电导线相比，超导导线具有非常高的临界电流密度和近似为零的电阻率。近年来，由超导导线绕制的超导磁体在电力、能源领域中已得到广泛应用，如超导磁储能线圈、超导变压器绕组、超导电抗器绕组、超导发电机绕组等。

超导磁体常采用螺线管空芯线圈结构，以获得较高的电感量和储能密度。但是，在这种螺线管空芯线圈结构中，位于磁体两个端部的轴向线圈层所在的背景磁场主要分量为垂直超导导线宽表面的垂直磁场分量。而垂直磁场分量将极大地衰减超导磁体内部的超导导线的临界电流密度，进而增加整个超导磁体的运行能量损耗。为了降低垂直磁场分量大小，人们常采用各种结构优化算法对端部轴向线圈层进行优化设计，如遗传算法、模拟退火算法等，但是优化后的线圈几何结构较为复杂，增加了实际绕制和加工的难度，同时还增加了超导磁体内部的导线焊接点数量。此外，目前也有研究人员在螺线管空芯线圈的两端加入圆环形铁磁片，通过引入具有高磁导率的铁磁片来减小垂直磁场分量。但是，该方案需要厚度和宽度较大的圆环形铁磁片，一方面额外增加了大量的铁磁损耗，同时还增加了整个超导磁体的体积和重量，对超导磁体在低温杜瓦容器内的实际安装和运行造成困难。此外，圆环形铁磁片对靠近绕线骨架的内层线圈导线周围的垂直磁场分量的衰减效果较差，容易造成内层线圈导线的临界电流密度过低，进而引起导线失超过快、局部过热等安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于：衰减超导磁体的垂直磁场分量，进而提高超导磁体内部的超导导线的临界电流并降低整个超导磁体的运行能量损耗，同时优化结构，减小超导磁体的体积和重量，便于运行和安装。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种含铁磁环的超导磁体，其包括非磁性筒形骨架、超导螺线管线圈和两个环形盖板，并且所述超导螺线管线圈绕制在所述非磁性筒形骨架上，所述非磁性筒形骨架的两端各设置一个所述环形盖板，用于盖住所述超导螺线管线圈的两端部，而且，在所述环形盖板靠近所述超导螺线管线圈的表面上，嵌入一个铁磁环，并且所述铁磁环与所述环形盖板共轴；其中，

所述铁磁环靠近所述超导螺线管线圈的表面上，形成具有一定槽深的环形凹槽，从而在所述铁磁环的内边缘与外边缘上分别形成内环形凸台和外环形凸台，并且所述内环形凸台与所述外环形凸台的径向宽度数值上等于所述环形凹槽的槽深；

所述超导螺线管线圈的端面与所述环形凹槽的底面相平行且间距为所述环形凹槽的槽深，所述超导螺线管线圈端面的内边沿与所述内环形凸台的间距和所述超导螺线管线圈端面的外边沿与所述外环形凸台的间距数值上均等于所述环形凹槽的槽深。

根据一种具体的实施方式，所述超导螺线管线圈由一定数量的轴向线圈层构成，每个所述轴向线圈层具有相同的匝数；其中，在所述超导螺线管线圈的中心区域设置数量大于总量三分之一的轴向线圈层，并且各个轴向线圈层之间的轴向气隙相等；

将剩下的轴向线圈层平分后，分别设置在所述超导螺线管线圈的两端区域，并且越接近所述超导螺线管线圈端部，轴向线圈层之间的所述轴向气隙递增。

根据一种具体的实施方式，在所述超导螺线管线圈中，从一端端部的轴向线圈层中最里面或最外面的线圈上引出一条引线，并且引出所述引线的线圈由内至外或由外至内依次串联该轴向线圈层的所有线圈，通过该轴向线圈层最外面或最里面的线圈与相邻的轴向线圈层串联，直至将所述超导螺线管线圈的所有轴向线圈层的每匝线圈均串联在一起，最后从另一端端部的轴向线圈层中最外面或最里面的线圈引出另一条引线。

根据一种具体的实施方式，在所述超导螺线管线圈的两端区域中，所述轴向线圈层之间所述轴向气隙呈等差递增。

根据一种具体的实施方式，所述超导螺线管线圈由ReBCO超导带材，或BSCCO超导带材，或MgB2超导带材绕制而成。

根据一种具体的实施方式，在所述环形凹槽内均匀填充非磁性材料，并且填充的非磁性材料不超出所述环形凹槽。

根据一种具体的实施方式，在所述环形盖板的外边缘上开设至少两个轴向通孔，将螺杆分别穿过位于所述非磁性筒形骨架两端的所述环形盖板上的一个轴向通孔后，锁紧所述螺杆，以将所述环形盖板固定在所述非磁性筒形骨架的两端。

根据一种具体的实施方式，在所述环形盖板的内边缘上开设至少两个轴向通孔，将螺钉穿过内边缘上的轴向通孔拧入所述非磁性筒形骨架内，以将所述环形盖板固定在所述非磁性筒形骨架上。

与现有技术相比，本发明的有益效果：