一种直流感应加热的对极型超导磁体结构

1.本发明涉及超导磁体技术领域，尤其涉及一种直流感应加热的对极型超导磁体结构。


背景技术：

2.高温超导直流感应加热装置相对于传统交流感应加热，具有效率高、加热质量好、损耗低等优势，在铝、铜及其合金等有色金属加工预热处理方面，具有较大的市场竞争潜力。
3.由于航天、车辆工程等行业对铝合金材料的大量需求，保证铝材质量的前提下，铝工业生产线迫切提高铝棒预热处理速度。圆筒型对极铁芯结构能提高铝棒加热气隙内的磁体密度，所以多超导线圈超导磁体是直流感应加热的必然趋势。


技术实现要素：

4.本发明的实施例提供了一种直流感应加热的对极型超导磁体结构，用于解决现有技术中存在的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
6.一种直流感应加热的对极型超导磁体结构，包括液氮容器、铁芯、超导线圈骨架、超导线圈、对极中心加温棒和电流引线端口；
7.液氮容器内具有液氮温区和加热室温区，加热室温区与外部室温环境相连通，铁芯、超导线圈和超导线圈骨架位于加热室温区内；超导线圈绕制在超导线圈骨架上，超导线圈骨架与铁芯相连接；超导线圈骨架具有引线端子，超导线圈两端分别连接引线端子，引线端子还与电流引线端口相连接；电流引线端口还用于电性连接外部电源；对极中心加温棒贯穿超导线圈；
8.液氮温区通过注入液氮，使位于加热室温区内的铁芯、超导线圈和超导线圈骨架构成高温超导磁体。
9.优选地，铁芯包括环形铁芯和一对对极铁芯，对极铁芯相互对置地布置在环形铁芯的内壁；环形铁芯横向安装在加热室温区内，环形铁芯的空腔与对极铁芯的间隙用于容置超导线圈骨架和超导线圈。
10.优选地，超导线圈骨架包括第一法兰、筒芯和第二法兰，第一法兰和第二法兰通过筒芯相互间隔连接，筒芯的外径小于第一法兰和第二法兰的外径，超导线圈绕制在筒芯外侧；超导线圈骨架具有轴向贯穿设置的腔体，用于容置对极中心加温棒；第一法兰和第二法兰具有第一安装槽，用于连接引线端子。
11.优选地，芯筒外侧面还具有第二安装槽；引线端子为l型结构，包括进线端子和出线端子；进线端子包括相互垂直连接的第一底板和第一端子板，出线端子包括相互垂直连接的第二底板和第二端子板，第一端子板和第二端子板用于安装在第一安装槽内，第一底板和第二底板用于安装在第二安装槽内，第一端子板和第二端子板具有引线孔，第二底板
的一侧具有斜面。
12.优选地，液氮容器为圆桶型结构，液氮温区位于液氮容器的上部，加热室温区位于液氮容器的下部；液氮容器顶部具有可拆卸地盖板，电流引线端口安装在盖板上，包括进线端口和出线端口，进线端口用于连接进线端子，出线端口用于连接出线端子。
13.优选地，液氮容器的侧壁内具有真空夹层。
14.由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供一种直流感应加热的对极型超导磁体结构，是由液氮容器、铁芯、超导线圈骨架、超导线圈、对极中心加温棒和电流引线端口组合而成的。零件之间由螺栓联接，可以根据气隙内磁场需求增加对极铁芯线圈数量与带材匝数。新型超导磁体的铁芯选用电工纯铁dt4材料，用于支撑线圈与引导磁路；线圈骨架选用铝合金材料，减少磁体重量并用于绕制线圈；超导带材(线圈)选用第二代高温超导带材ybco；液氮容器选用s30408不锈钢材料，避免导磁并为超导磁体提供低温运行环境。铁芯大小与线圈数量根据坯料加热功率与目标时间的需求可具体设定。超导磁体放置在液氮容器内，为线圈骨架增加铜引线端子，用于焊接超导带材，并通入同方向电流，增大气息内的磁体密度。超导磁体骨架及其线圈数量不限于图1的单线圈骨架，可根据实际需求设置不同的数量。
15.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明提供的一种直流感应加热的对极型超导磁体结构的整体结构示意图；
18.图2为本发明提供的一种直流感应加热的对极型超导磁体结构的铁芯结构示意图；
19.图3为本发明提供的一种直流感应加热的对极型超导磁体结构的超导线圈骨架结构图；
20.图4为本发明提供的一种直流感应加热的对极型超导磁体结构的进线端口结构示意图；
21.图5为本发明提供的一种直流感应加热的对极型超导磁体结构的出线端口结构示意图；
22.图6为本发明提供的一种直流感应加热的对极型超导磁体结构的液氮容器结构图。
23.图中：
24.1.液氮容器11.盖板111.进线端口112.出线端口12.真空夹层2.铁芯21.环形铁芯22.对极铁芯23.连接脚；
25.3.超导线圈骨架31.第一法兰32.第二法兰33.筒芯34.进线端子341.第一底板
342.第一端子板35.出线端子351.第二底板352.第二端子板36.第一安装槽37.第二安装槽38.安装耳；
26.4.加温棒5.支架。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
28.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
29.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
30.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
31.参见图1，本发明提供的一种直流感应加热的对极型超导磁体结构，包括液氮容器1、铁芯2、超导线圈骨架3、超导线圈(图中未示出)、对极中心加温棒4和电流引线端口。
32.液氮容器1内具有液氮温区和加热室温区，液氮温区为密闭结构，加热室温区具有开口，与室温环境相连通。铁芯2、超导线圈和超导线圈骨架3安装在极中心铝棒加热室温区内。超导线圈绕制在超导线圈骨架3上，超导线圈骨架3与铁芯2相连接；超导线圈骨架3具有引线端子，超导线圈两端分别连接引线端子，引线端子还与电流引线端口相连接。电流引线端口还用于电性连接外部电源。对极中心加温棒4贯穿超导线圈，用于给铁芯2、超导线圈和超导线圈骨架3加温。
33.液氮温区通过注入液氮，使位于极中心铝棒加热室温区内的所述铁芯2、超导线圈和超导线圈骨架3被构造成高温超导磁体。
34.在本发明提供的优选实施例中，铁芯2是由高电导率材料电工纯铁dt4制成，如图2所示，其分为环形铁芯21与对极铁芯22两部分。环形铁芯21用于引导磁路，减少漏磁，同时也起到机械支撑的作用。对极铁芯22起到安装线圈支架5并形成加热气隙的作用。如图所示，环形铁芯21为圆环体型结构，横向(中轴沿水平方向)安装在加热室温区内。对极铁芯22相互对置地布置在环形铁芯21的内壁(内腔的侧壁)，并彼此具有一定间隙。可以根据线圈数量的实际需求调整对极铁芯22该间隙的宽度。环形铁芯21用于引导磁路，减少漏磁，同时也起到机械支撑的作用。对极铁芯22起到安装线圈支架5并形成加热气隙的作用。
35.在本发明提供的优选实施例中，如图3所示，超导线圈骨架3包括第一法兰31、筒芯
33和第二法兰32，第一法兰31和第二法兰32通过筒芯33相互间隔连接，即筒芯33位于中间，两个法兰分别连接在筒芯33两侧。筒芯33的外径小于第一法兰31和第二法兰32的外径，使得两个法兰构造出护耳，用于防止超导线圈脱落，超导线圈绕制在筒芯33外侧。超导线圈骨架3具有轴向贯穿设置的腔体，用于容置对极中心加温棒4。第一法兰31和第二法兰32具有第一安装槽36，用于连接引线端子。
36.芯筒外侧面在邻接第一安装槽36的区域还具有两个第二安装槽37。如图4和5所示，引线端子为l型结构，包括进线端子34和出线端子35。进线端子34包括相互垂直连接的第一底板341和第一端子板342，出线端子35包括相互垂直连接的第二底板351和第二端子板352，底板水平，端子板竖直设置。两个引线端子都是由导电材料和绝缘材料组合而成，但是结构与安装位置不同。第一端子板342和第二端子板352用于安装在第一安装槽36内，第一底板341和第二底板351用于安装在第二安装槽37内。进线端子34的第一底板341安装在第一端子板342的底部，二者长度相同。出线端子35的第二底板351镶嵌在第二端子板352侧面底部，第二底板351一侧设计有斜坡，防止出线超导带材出线机械损坏。两个引线端子的端子板具有引线孔，两个端子板的顶部还具有安装板，其中进线端子34的安装板具有安装孔。
37.超导线圈骨架3与对极铁芯22相连接安装，如图3所示，超导线圈骨架3在第一法兰31/第二法兰32侧部具有一对安装耳38，超导线圈骨架3通过该安装耳38与对极铁芯22相互安装。对应，对极铁芯22相应开设安装用的孔。
38.铁芯2的安装采用螺栓连接的方式，如图1和6所示，在环形铁芯21侧面下部具有四个连接脚23，所述液氮温区底部上对应设置4个支架5，连接脚23和支架5具有螺栓孔。铁芯2优选电工纯铁dt4材料，超导线圈优选第二代高温超导带材ybco，铁芯2大小与每组超导线圈骨架3的超导线圈的匝数根据坯料加热功率与目标时间的需求可具体设定。超导线圈骨架3可以根据实际需要设置一组或多组，当其为多组时采用相互并排安装的方式，超导线圈骨架3的数量可以通过设置环形铁芯21的内径，以及对极铁芯22的宽度、间距进行调节。
39.在本发明提供的实施例中，液氮容器1是由s30408不锈钢材料支撑，如图1和6所示，一方面起到冷却超导线圈的作用，另一方面支撑铁芯2。容器形成两个环境温区，其一为内部77k液氮温区，其二为对极中心加温棒4的加热室温区，根据待加温棒4直径尺寸需求设置室温腔大小。77k液氮温区主要由液氮制冷提供，加温棒4室温区暴露于空气中，为室温环境，为避免热交换与热对流，液氮容器1的环形腔壁制作为真空夹层12。液氮温区内注入液氮后，不需要另外的能量输入，由液氮提供制冷能量。加温棒4优选铝棒。
40.为了保证容器内部低温环境，同时减少内外热对流，液氮容器1的侧壁为内外两层，形成真空夹层12。
41.液氮容器1的顶部设有盖板11，电流引线端口安装在盖板11上，包括进线端口111和出线端口112，进线端口111用于连接进线端子34，出线端口112用于连接出线端子35。电流引线端口是由紫铜制成，绝缘材料用环氧树脂制成，起到绝缘作用并固定引线端子。
42.本超导磁体结构的工作原理如下：将引线端子固定在超导线圈骨架3的凹槽(筒芯33)上，用螺栓固定，并利用环氧板绝缘。将超导带材接线端焊接在引线端子，绕制线圈，并焊接出线。将整体线圈安装于对极铁芯22之上，用螺栓固定，放置由于电磁力而发生移动。将对极铁芯22和环形铁芯21于室温环境下，安装与液氮容器1内，为放置铁芯2移动，将其与
底部支架5用螺栓联接。将对极铁芯22与液氮容器1环形室温腔保持在同一轴线，将电流引线与超导线圈骨架3上的引线端子联接。安装容器上方的盖板11，从液氮注入口注入液氮，静止5分钟，待内部环境为77k，开始通入电流。
43.综上所述，本发明提供一种直流感应加热的对极型超导磁体结构，是由液氮容器、铁芯、超导线圈骨架、超导线圈、对极中心加温棒和电流引线端口组合而成的。零件之间由螺栓联接，可以根据气隙内磁场需求增加对极铁芯线圈数量与带材匝数。新型超导磁体的铁芯选用电工纯铁dt4材料，用于支撑线圈与引导磁路；线圈骨架选用铝合金材料，减少磁体重量并用于绕制线圈；超导带材(线圈)选用第二代高温超导带材ybco；液氮容器选用s30408不锈钢材料，避免导磁并为超导磁体提供低温运行环境。铁芯大小与线圈数量根据坯料加热功率与目标时间的需求可具体设定。超导磁体放置在液氮容器内，为线圈骨架增加铜引线端子，用于焊接超导带材，并通入同方向电流，增大气息内的磁体密度。超导磁体骨架及其线圈数量不限于图1的单线圈骨架，可根据实际需求设置不同的数量。
44.本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
45.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
46.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种直流感应加热的对极型超导磁体结构，其特征在于，包括液氮容器、铁芯、超导线圈骨架、超导线圈、对极中心加温棒和电流引线端口；所述液氮容器内具有液氮温区和加热室温区，所述加热室温区与外部室温环境相连通，所述铁芯、超导线圈和超导线圈骨架位于所述加热室温区内；所述超导线圈绕制在所述超导线圈骨架上，所述超导线圈骨架与所述铁芯相连接；所述超导线圈骨架具有引线端子，所述超导线圈两端分别连接所述引线端子，所述引线端子还与所述电流引线端口相连接；所述电流引线端口还用于电性连接外部电源；所述对极中心加温棒贯穿所述超导线圈；所述液氮温区通过注入液氮，使位于所述加热室温区内的所述铁芯、超导线圈和超导线圈骨架构成高温超导磁体。2.根据权利要求1所述的对极型超导磁体结构，其特征在于，所述铁芯包括环形铁芯和一对对极铁芯，所述对极铁芯相互对置地布置在所述环形铁芯的内壁；所述环形铁芯横向安装在所述加热室温区内，所述环形铁芯的空腔与所述对极铁芯的间隙用于容置所述超导线圈骨架和超导线圈。3.根据权利要求2所述的对极型超导磁体结构，其特征在于，所述超导线圈骨架包括第一法兰、筒芯和第二法兰，所述第一法兰和第二法兰通过所述筒芯相互间隔连接，所述筒芯的外径小于所述第一法兰和第二法兰的外径，所述超导线圈绕制在所述筒芯外侧；所述超导线圈骨架具有轴向贯穿设置的腔体，用于容置所述对极中心加温棒；所述第一法兰和第二法兰具有第一安装槽，用于连接所述引线端子。4.根据权利要求3所述的对极型超导磁体结构，其特征在于，所述芯筒外侧面还具有第二安装槽；所述引线端子为l型结构，包括进线端子和出线端子；所述进线端子包括相互垂直连接的第一底板和第一端子板，所述出线端子包括相互垂直连接的第二底板和第二端子板，所述第一端子板和第二端子板用于安装在第一安装槽内，所述第一底板和第二底板用于安装在第二安装槽内，所述第一端子板和第二端子板具有引线孔，所述第二底板的一侧具有斜面。5.根据权利要求4所述的对极型超导磁体结构，其特征在于，所述液氮容器为圆桶型结构，所述液氮温区位于所述液氮容器的上部，所述加热室温区位于所述液氮容器的下部；所述液氮容器顶部具有可拆卸地盖板，所述电流引线端口安装在所述盖板上，包括进线端口和出线端口，所述进线端口用于连接所述进线端子，所述出线端口用于连接所述出线端子。6.根据权利要求1至5任一所述的对极型超导磁体结构，其特征在于，所述液氮容器的侧壁内具有真空夹层。

技术总结
本发明提供一种直流感应加热的对极型超导磁体结构，是由液氮容器、铁芯、超导线圈骨架、超导线圈、对极中心加温棒和电流引线端口组合而成的。零件之间由螺栓联接，可以根据气隙内磁场需求增加对极铁芯线圈数量与带材匝数。新型超导磁体的铁芯选用电工纯铁DT4材料，用于支撑线圈与引导磁路；线圈骨架选用铝合金材料，减少磁体重量并用于绕制线圈；超导带材(线圈)选用第二代高温超导带材YBCO；液氮容器选用S30408不锈钢材料，避免导磁并为超导磁体提供低温运行环境。铁芯大小与线圈数量根据坯料加热功率与目标时间的需求可具体设定。超导磁体放置在液氮容器内，为线圈骨架增加铜引线端子，用于焊接超导带材，并通入同方向电流，增大气息内的磁体密度。大气息内的磁体密度。大气息内的磁体密度。


技术研发人员：戴少涛 王幸 马韬
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/21