一种超导磁体的绕制方法

1.本发明涉及超导磁体技术领域，特别是涉及一种超导磁体的绕制方法。


背景技术：

2.基于稀土钡铜氧(reba2cu3o7-x，简称rebco，re为y、gd等稀土元素)材料的涂层导体(也被称为第二代高温超导带材、rebco带材)具有高临界转变温度、强载流能力和机械性能等优点，在电力、能源、强磁场及磁悬浮输运等领域有着广泛的应用前景。
3.rebco带材一般是由金属合金基带(50～100μm)、缓冲层(～200nm)、rebco超导层(1～2μm)、银层(0～2μm)及金属保护层(40～80μm)依次复合而成。其中，缓冲层用于诱导生长rebco超导层。目前，市场上也有售无金属保护层的rebco带材。
4.由于基带和保护层所占带材厚度的比例很高(一般大于90％)，导致带材的工程电流密度(rebco超导层的临界电流与带材总截面积的比值)je不高。在采用rebco带材绕制超导磁体时，基带和保护层不仅对磁场无贡献，而且还会增加外径，进一步降低外层带材对磁体中心场强的贡献。
5.此外，在升降温及励磁过程中，基带和保护层的存在会导致磁体内部将会产生大的热应力和电磁应力，导致带材发生断裂、扭曲和层离损伤，危及磁体运行安全。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种超导磁体的绕制方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低绕制形成的超导磁体的体积和外径，使得超导磁体的结构更加紧凑，且能够产生更高的磁场强度。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种超导磁体的绕制方法，包括以下步骤：
9.(1)准备无金属保护层的rebco带材；
10.(2)准备一根金属管，所述金属管能够导电且能够在高温下抗氧化，用加热装置对金属管加热；
11.(3)将所述rebco带材的第一端的银层与所述金属管的高温外表面接触，使得所述银层与所述金属管的外壁连接在一起；
12.(4)夹紧所述rebco带材的第一端的基带和缓冲层，通过驱动装置驱动所述金属管转动，所述金属管带动所述rebco带材的银层和rebco超导层转动，同时所述rebco超导层与所述缓冲层分离；当所述银层和所述rebco超导层在所述金属管上绕制一匝之后，第二匝的银层会与在第一层的rebco超导层连接，即后一匝的银层与上一匝的rebco超导层连接在一起；在所述金属管上形成第一线圈；
13.(5)当所述第一线圈缠绕到设定的匝数后，停止转动所述金属管；并截断所述rebco带材；
14.(6)重复步骤(3)-(5)在所述金属管上缠绕得到第二线圈，所述第二线圈与所述第
一线圈之间存在间隙，且使得所述第二线圈的绕制方向与所述第一线圈的绕制方向相反；
15.(7)在所述第一线圈和所述第二线圈的周向外侧面镀银；从而将最外层的rebco超导层作为电极；
16.(8)对所述第一线圈和所述第二线圈进行氧化退火热处理，以所述金属管、所述第一线圈和所述第二线圈的组合体作为双饼线圈。
17.优选的，还包括步骤(9)：重复步骤(1)-(8)，得到多个所述双饼线圈；并将多个所述双饼线圈依次连接形成超导磁体；所述双饼线圈中的第一线圈或第二线圈通过超导带材与相邻的所述双饼线圈中的第一线圈或第二线圈电连接。
18.优选的，所述加热装置采用电加热棒，所述金属管套设在所述电加热棒上，且所述金属管的内壁与所述电加热棒之间存在间隙。
19.优选的，所述驱动装置采用减速电机，所述金属管与所述减速电机的输出轴固连，且所述金属管一端与所述输出轴同轴。
20.优选的，所述金属管采用银管。
21.优选的，所述步骤(2)中所述金属管的加热温度为400～960℃。
22.优选的，所述步骤(2)-(5)在氧气氛环境中进行。
23.优选的，所述步骤(4)中所述rebco带材的走带速度为0.001～1m/min；所述金属管的外径大于5mm。
24.优选的，所述步骤(8)中氧化退火热处理的参数包括：氧分压为0.1～15mpa，温度为350～600℃，时间为0.5～300h。
25.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
26.本发明的超导磁体的绕制方法移除了rebco带材中的基带、缓冲层及保护层，仅以银层和rebco超导层形成磁体线圈，大幅降低了超导磁体绕制形成的超导磁体的体积和外径，绕制得到的超导磁体的结构更加紧凑，且能够产生更高的磁场强度。
27.具体的，由于rebco带材中rebco超导层与缓冲层的层间结合力最弱，因此可以利用银在高温下变软并富有黏性的特点将银层与其它材料连接，从而将银层和rebco超导层从带材上剥离出来，并以此绕制具有高工程电流密度的超导磁体。
28.另一方面，银层和rebco超导层之间紧密结合在一起，具有更高的层间结合力、电导率和热导率，对磁体有更好的失超保护能力。此外，银层具有高的氧扩散系数，在氧化退火过程中可以让氧更易渗透进入磁体线圈内部，快速恢复rebco超导层的超导性能。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明的超导磁体的绕制方法中绕制第一线圈的示意图；
31.图2为本发明的超导磁体的绕制方法中绕制第二线圈的示意图；
32.图3为本发明的超导磁体的绕制方法绕制得到的超导磁体的结构示意图；
33.其中，1、银层；2、rebco超导层；3、缓冲层；4、基带；5、金属管；6、第一线圈；7、双饼
线圈；8、超导带材。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明的目的是提供一种超导磁体的绕制方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低绕制形成的超导磁体的体积和外径，使得超导磁体的结构更加紧凑，且能够产生更高的磁场强度。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.如图1-图3所示，本实施例提供一种超导磁体的绕制方法，包括以下步骤：
38.(1)准备无金属保护层的rebco带材；
39.(2)准备一根金属管5，金属管5能够导电且能够在高温下抗氧化，用加热装置对金属管5加热至400～960℃；采用能够在高温下抗氧化的金属管5的原因在于：金属管表面如果氧化就会和银层脱离，并且产生很大的电阻，不利于电流传输及产热危及磁体安全等。
40.于本实施例中，金属管5的外径大于5mm，且金属管5优先采用银管，本实施例中之所以采用银管作为金属管5是因为还有以下考虑：银和银之间容易扩散连接到一起，利于剥离；加热装置采用电加热棒，金属管5套设在电加热棒上，且金属管5的内壁与电加热棒之间存在间隙；这样电加热棒通过热辐射对金属管5进行加热，且金属管5的转动不会干涉到电加热棒；
41.(3)将rebco带材的第一端的银层1与金属管5的高温外表面接触，使得银层1与金属管5的外壁连接在一起；
42.(4)夹紧rebco带材的第一端的基带4和缓冲层3，通过驱动装置驱动金属管5转动，于本实施例中驱动装置采用减速电机，金属管5与减速电机的输出轴固连，且金属管5一端与输出轴同轴；
43.金属管5转动时带动rebco带材的银层1和rebco超导层2转动，rebco带材的走带速度为0.001～1m/min；同时rebco超导层2与缓冲层3分离；当银层1和rebco超导层2在金属管5上绕制一匝之后，第二匝的银层1会与在第一层的rebco超导层2连接，即后一匝的银层1与上一匝的rebco超导层2连接在一起；在金属管5上形成第一线圈6；
44.(5)当第一线圈6缠绕到设定的匝数后，停止转动金属管5；并截断rebco带材；
45.步骤(2)-(5)在氧气氛环境中进行；
46.(6)重复步骤(3)-(5)在金属管5上缠绕得到第二线圈，第二线圈与第一线圈6之间存在间隙，且使得第二线圈的绕制方向与第一线圈6的绕制方向相反；
47.(7)在第一线圈6和第二线圈的周向外侧面镀银；从而将最外层的rebco超导层2作为电极；
48.(8)对第一线圈6和第二线圈进行氧化退火热处理，以金属管5、第一线圈6和第二线圈的组合体作为双饼线圈7；
49.氧化退火热处理的参数包括：氧分压为0.1～15mpa，温度为350～600℃，时间为0.5～300h；
50.(9)重复步骤(1)-(8)，得到多个双饼线圈7；并将多个双饼线圈7依次连接形成超导磁体；双饼线圈7中的第一线圈6或第二线圈通过超导带材8与相邻的双饼线圈7中的第一线圈6或第二线圈电连接(参照图3)。
51.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
52.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种超导磁体的绕制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)准备无金属保护层的rebco带材；(2)准备一根金属管，所述金属管能够导电且能够在高温下抗氧化，用加热装置对金属管加热；(3)将所述rebco带材的第一端的银层与所述金属管的高温外表面接触，使得所述银层与所述金属管的外壁连接在一起；(4)夹紧所述rebco带材的第一端的基带和缓冲层，通过驱动装置驱动所述金属管转动，所述金属管带动所述rebco带材的银层和rebco超导层转动，同时所述rebco超导层与所述缓冲层分离；当所述银层和所述rebco超导层在所述金属管上绕制一匝之后，第二匝的银层会与在第一层的rebco超导层连接，即后一匝的银层与上一匝的rebco超导层连接在一起；在所述金属管上形成第一线圈；(5)当所述第一线圈缠绕到设定的匝数后，停止转动所述金属管；并截断所述rebco带材；(6)重复步骤(3)-(5)在所述金属管上缠绕得到第二线圈，所述第二线圈与所述第一线圈之间存在间隙，且使得所述第二线圈的绕制方向与所述第一线圈的绕制方向相反；(7)在所述第一线圈和所述第二线圈的周向外侧面镀银；从而将最外层的rebco超导层作为电极；(8)对所述第一线圈和所述第二线圈进行氧化退火热处理，以所述金属管、所述第一线圈和所述第二线圈的组合体作为双饼线圈。2.根据权利要求1所述的超导磁体的绕制方法，其特征在于：还包括步骤(9)：重复步骤(1)-(8)，得到多个所述双饼线圈；并将多个所述双饼线圈依次连接形成超导磁体；所述双饼线圈中的第一线圈或第二线圈通过超导带材与相邻的所述双饼线圈中的第一线圈或第二线圈电连接。3.根据权利要求1所述的超导磁体的绕制方法，其特征在于：所述加热装置采用电加热棒，所述金属管套设在所述电加热棒上，且所述金属管的内壁与所述电加热棒之间存在间隙。4.根据权利要求1所述的超导磁体的绕制方法，其特征在于：所述驱动装置采用减速电机，所述金属管与所述减速电机的输出轴固连，且所述金属管一端与所述输出轴同轴。5.根据权利要求1所述的超导磁体的绕制方法，其特征在于：所述金属管采用银管。6.根据权利要求1所述的超导磁体的绕制方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述金属管的加热温度为400～960℃。7.根据权利要求1所述的超导磁体的绕制方法，其特征在于：所述步骤(2)-(5)在氧气氛环境中进行。8.根据权利要求1所述的超导磁体的绕制方法，其特征在于：所述步骤(4)中所述rebco带材的走带速度为0.001～1m/min；所述金属管的外径大于5mm。9.根据权利要求1所述的超导磁体的绕制方法，其特征在于：所述步骤(8)中氧化退火热处理的参数包括：氧分压为0.1～15mpa，温度为350～600℃，时间为0.5～300h。

技术总结
本发明公开了一种超导磁体的绕制方法，涉及超导磁体技术领域，包括以下步骤：(1)准备无金属保护层的REBCO带材；(2)准备一根金属管，并加热金属管；(3)使得REBCO带材的银层与金属管连接在一起；(4)夹紧REBCO带材的基带和缓冲层，转动金属管，在金属管上绕制形成第一线圈；(5)当第一线圈缠绕到设定的匝数后，停止转动金属管；并截断REBCO带材；(6)重复步骤(3)-(5)在金属管上缠绕得到第二线圈；(7)在第一线圈和第二线圈的周向外侧面镀银；(8)对第一线圈和第二线圈进行氧化退火热处理。本发明大幅降低了超导磁体绕制形成的超导磁体的体积和外径，绕制得到的超导磁体的结构更加紧凑，且能够产生更高的磁场强度。够产生更高的磁场强度。够产生更高的磁场强度。


技术研发人员：黄大兴 丁发柱 古宏伟 董浩 王锴 王同鑫
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/8/28