一种用于Bitter型水冷磁体的绝缘片及其绝缘方法
阅读说明：本技术 一种用于Bitter型水冷磁体的绝缘片及其绝缘方法 (Insulating sheet for Bitter type water-cooled magnet and insulating method thereof ) 是由 房震 李见 王忠健 周游 苏剑 张勇 于 2021-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种用于Bitter型水冷磁体的绝缘片,涉及阻磁体绝缘材料技术领域,本发明中的绝缘片上设有与Bitter型水冷磁体中Bitter片对应的冷却水孔,绝缘片为无磁材质,绝缘片的抗拉强度大于400Mpa,弹性模量为180-220GPa,电导率小于10％IACS,绝缘片的一面覆有绝缘陶瓷涂层,本发明还提供用于Bitter型水冷磁体中Bitter片的绝缘方法,本发明的优点为：绝缘片的弹性模量与Bitter片相近,协调变形位移一致,能够有效传递上下Bitter片间的电磁力,保证Bitter间不发生相对滑动,防止冷却水道堵塞和磁体烧毁,防止局部高温导致的绝缘片失效,Bitter片间发生短路现象。(The invention discloses an insulating sheet for a Bitter type water-cooled magnet, which relates to the technical field of insulating materials of magnet resistors, wherein the insulating sheet is provided with cooling water holes corresponding to the Bitter sheet in the Bitter type water-cooled magnet, the insulating sheet is made of nonmagnetic materials, the tensile strength of the insulating sheet is more than 400Mpa, the elastic modulus is 180-plus 220GPa, the conductivity is less than 10% IACS, one surface of the insulating sheet is covered with an insulating ceramic coating, the invention also provides an insulating method for the Bitter sheet in the Bitter type water-cooled magnet, and the insulating method has the advantages that: the elastic modulus of the insulating sheet is close to that of the Bitter pieces, the coordinated deformation displacement is consistent, the electromagnetic force between the upper Bitter piece and the lower Bitter piece can be effectively transmitted, the relative sliding between the Bitter pieces is guaranteed, the cooling water channel is prevented from being blocked and the magnet is prevented from being burnt, the insulating sheet failure caused by local high temperature is prevented, and the short circuit phenomenon between the Bitter pieces is prevented.)
技术领域
本发明涉及有阻磁体技术领域，具体涉及一种用于Bitter型水冷磁体的绝缘片及其绝缘方法。
背景技术
水冷磁体是强磁场实验室的主体实验装置，由于其磁场强度高、升场速率快等特点，是备受关注的极端条件实验平台。水冷磁体磁场强度高，最高可达40T以上，消耗功率为数十兆瓦量级，水冷磁体通过高速去离子冷却水带走大量的焦耳热，保证磁体温度正常。
麻省理工学院的物理学家Francis Bitter首次提出带孔圆环片的概念，一种有望产生更高磁场的全新方式，因此后来将这种带孔圆环导体片命名为Bitter片。如图1和图2所示，Bitter片和绝缘片是组成水冷磁体线圈的两个基本元素，Bitter片上布满冷却水孔，并开有隔断缝；绝缘片大小通常是Bitter片的几分之一到十几分之一，并有与Bitter片一致的冷却孔，如公开号为CN110170945A的专利申请公开一种水冷磁体并联线圈组装工夹具及并联线圈组装工艺。
随着水冷磁体磁场越做越高，水冷磁体线圈的稳定性越来越受到挑战，如图3所示，Bitter片和绝缘片通过规律的错位堆叠形成螺旋上升的电流通道，形成水冷磁体线圈。Bitter片因为有间隔缝的存在，在巨大电磁力作用下，上下两片Bitter片约束条件不一致，Bitter片间可能出现Bitter片间错位滑移，造成冷却水孔堵塞，造成局部高温，从而造成磁体烧毁。
如图4所示，现有用于Bitter型水冷磁体的绝缘片为高分子有机材料聚酰胺薄膜(图书Herlach F,Miura N.High magnetic fields.Science and technology.Vol.1:Magnet technology and experimental techniques.第137页)，该绝缘片弹性模量小，是Bitter片材料的3.5％左右，因此绝缘片和Bitter片协调变形，位移一致传递的电磁力只有Bitter片的3.5％，容易造成上下两片Bitter片错位堵塞冷却水孔，造成局部高温，烧毁磁体；因此，需要绝缘片具备Bitter片间绝缘的同时，还必须具备有效传递上下Bitter片间不平衡的电磁力能力，同时聚酰胺薄膜耐高温性能一般，许用温度为300℃以下，如果温度超过300℃绝缘失效，会形成Bitter片之间短路，烧毁磁体。因此，聚酰胺薄膜绝缘片在保证电磁力作用下Bitter片间结构稳定性和高温下绝缘性能都有一定的缺陷。
公开号为CN109346264A的专利公开一种基于环形超导片的导冷式超导磁体，其虽然也公开了绝缘片，但其绝缘片是用于导冷式超导磁体，超导磁体中的绝缘片与本发明中的绝缘片无法通用，超导磁体中的绝缘片解决的是绝缘与导冷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为现有技术中用于Bitter型水冷磁体的绝缘片保障电磁力作用下线圈结构稳定性和高温下绝缘性能都有一定的缺陷，提供一种用于Bitter型水冷磁体的绝缘片及其绝缘方法。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：
一种用于Bitter型水冷磁体的绝缘片，所述绝缘片上设有与Bitter型水冷磁体中Bitter片对应的冷却水孔，所述绝缘片为无磁材质，所述绝缘片的抗拉强度大于400Mpa，弹性模量为180-220GPa，电导率小于10％IACS，所述绝缘片的一面或两面覆有绝缘陶瓷涂层。
有益效果：Bitter片材料为铜银合金，抗拉强度为850Mpa以上，弹性模量120GPa，本发明中的绝缘片抗拉强度大于400Mpa，弹性模量为180-220GPa，电导率小于10％IACS的无磁材料，其弹性模量与Bitter片相近，协调变形位移一致，能够有效传递上下Bitter片间的电磁力，保证Bitter间不发生相对滑动，防止冷却水道堵塞，从而防止磁体烧毁，保证电磁力作用下Bitter片间结构稳定性和高温下的绝缘性能。
同时绝缘陶瓷涂层具有耐高温，能够耐热500℃以上，能够防止局部高温导致的绝缘片失效，Bitter片间发生短路现象。
电导率太大，绝缘片上走的电流多，电磁应力也大，会影响绝缘片稳定，因此，需满足电导率小于10％IACS。
本申请中的绝缘片与超导磁体中的绝缘片不同，超导磁体中的绝缘片与本发明中的绝缘片无法通用，超导磁体中的绝缘片解决绝缘与导冷，而本发明解决的技术问题为绝缘和传力。
本发明不仅可以两面覆有绝缘陶瓷涂层，也可以一面覆有绝缘陶瓷涂层，当一面覆有绝缘陶瓷涂层时，可以节约成本，同时由于绝缘片上也开设冷却水孔，也有冷却水冷却，因此，允许绝缘片表面未覆有绝缘陶瓷涂层的一面与Bitter片接触后走少量的环形电流，但绝缘片上有一面绝缘陶瓷涂层，将其置于两片相邻Bitter片之间，就可以阻止上下两片Bitter片间的纵向电流流动，在上下两片Bitter片间形成绝缘。
优选地，所述绝缘片的材质为不锈钢。
有益效果：不锈钢较硬，其弹性模量与Bitter片材料相近，协调变形位移一致可以有效平衡Bitter片上电磁力，保证Bitter片间不发生相对滑动。
不锈钢电阻率比Bitter片材料高两个量级，不锈钢也有冷却水冷却，因此允许不锈钢面与Bitter片接触后走少量的环形电流，但不锈钢上有一面氧化铝，将其垫在两片Bitter片之间就可以阻止上下两片Bitter片间的纵向电流流动，在上下两片Bitter片间形成绝缘。
优选地，所述绝缘片的材质为316L不锈钢。
优选地，所述绝缘陶瓷涂层为氧化铝涂层或氧化钛涂层。
优选地，所述绝缘片和绝缘陶瓷涂层的总厚度为0.125mm。
目前，通用的聚酰胺薄膜绝缘厚度为0.125mm。
优选地，所述绝缘片的厚度为0.09-0.11mm，所述绝缘陶瓷涂层的厚度为0.015-0.035mm。
优选地，所述绝缘片的厚度为0.10mm，所述绝缘陶瓷涂层的厚度为0.025mm。
优选地，所述绝缘片的厚度为0.09mm，所述绝缘陶瓷涂层的厚度为0.035mm。
优选地，所述绝缘片的厚度为0.11mm，所述绝缘陶瓷涂层的厚度为0.015mm。
优选地，所述绝缘片上氧化铝涂层的制备方法包括以下步骤：对绝缘片喷涂绝缘陶瓷涂层，然后对绝缘片上冷却水孔内的绝缘陶瓷涂层进行打磨。
有益效果：喷涂时冷却水孔里残余的绝缘陶瓷涂层热系数远比Bitter片材料差，因此，要清除掉冷却水孔中的残余绝缘陶瓷涂层，保证冷却水孔与Bitter片之间的换热。
本发明还提供一种将上述绝缘片用于Bitter型水冷磁体中Bitter片的绝缘方法，包括以下步骤：将绝缘片置于Bitter片的隔断缝处，将绝缘片的冷却水孔与Bitter片的冷却水孔对应，然后旋转绝缘角度放置另一片Bitter片与绝缘片，然后依次叠加，带有绝缘片的Bitter片错位堆叠形成螺旋上升的电流通道；当绝缘片的一面覆有绝缘陶瓷涂层，所述绝缘片上的绝缘陶瓷涂层朝向相同。
有益效果：当绝缘片的一面覆有绝缘陶瓷涂层时，绝缘片上也开设冷却水孔，也有冷却水冷却，因此，允许绝缘片表面未覆有绝缘陶瓷涂层的一面与Bitter片接触后走少量的环形电流，但绝缘片上有一面绝缘陶瓷涂层，将其置于两片相邻Bitter片之间，就可以阻止上下两片Bitter片间的纵向电流流动，在上下两片Bitter片间形成绝缘。
放置的绝缘片其弹性模量与Bitter片相近，协调变形位移一致，能够有效传递上下Bitter片间的电磁力，保证Bitter间不发生相对滑动，防止冷却水道堵塞，从而防止磁体烧毁保，证电磁力作用下Bitter片间结构稳定性和高温下的绝缘性能。
本发明的优点在于：Bitter片材料为铜银合金，抗拉强度为850Mpa以上，弹性模量120GPa，本发明中的绝缘片抗拉强度大于400Mpa，弹性模量为180-220GPa，电导率小于10％IACS的无磁材料，其弹性模量与Bitter片相近，协调变形位移一致，能够有效传递上下Bitter片间的电磁力，保证Bitter间不发生相对滑动，防止冷却水道堵塞，从而防止磁体烧毁，保证电磁力作用下Bitter片间结构稳定性和高温下的绝缘性能。
同时绝缘陶瓷涂层具有耐高温，能够耐热500℃以上，能够防止局部高温导致的绝缘片失效，Bitter片间发生短路现象。
电导率太大，绝缘片上走的电流多，电磁应力也大，会影响绝缘片稳定，因此，需满足电导率小于10％IACS。
本申请中的绝缘片与超导磁体中的绝缘片不同，超导磁体中的绝缘片与本发明中的绝缘片无法通用，超导磁体中的绝缘片解决绝缘与导冷，而本发明解决的技术问题为绝缘和传力。
本发明不仅可以两面覆有绝缘陶瓷涂层，也可以一面覆有绝缘陶瓷涂层，当一面覆有绝缘陶瓷涂层时，可以节约成本，同时由于绝缘片上也开设冷却水孔，也有冷却水冷却，因此，允许绝缘片表面未覆有绝缘陶瓷涂层的一面与Bitter片接触后走少量的环形电流，但绝缘片上有一面绝缘陶瓷涂层，将其置于两片相邻Bitter片之间，就可以阻止上下两片Bitter片间的纵向电流流动，在上下两片Bitter片间形成绝缘。
不锈钢较硬，其弹性模量与Bitter片材料相近，协调变形位移一致可以有效平衡Bitter片上电磁力，保证Bitter片间不发生相对滑动。
不锈钢电阻比Bitter片材料高两个量级，不锈钢也有冷却水冷却，因此允许不锈钢面与Bitter片接触后走少量的环形电流，但不锈钢上有一面氧化铝，将其垫在两片Bitter片之间就可以阻止上下两片Bitter片间的纵向电流流动，在上下两片Bitter片间形成绝缘。
喷涂时冷却水孔里残余的绝缘陶瓷涂层热系数远比Bitter片材料差，因此，要清除掉冷却水孔中的残余绝缘陶瓷涂层，保证冷却水孔与Bitter片之间的换热。
附图说明
图1为本发明背景技术中水冷磁体Bitter片结构示意图；
图2为本发明背景技术中水冷磁体Bitter片绝缘片结构示意图；
图3为本发明背景技术中Bitter片和绝缘片组装成的水冷磁体线圈结构示意图；
图4为本发明背景技术中聚酰胺薄膜绝缘结构示意图；
图5为本发明实施例1中镀氧化铝涂层的不锈钢316L薄片绝缘结构示意图。
图中：1、Bitter片组装固定孔；2、Bitter片隔断缝；3、Bitter片冷却水孔；4、绝缘片组装固定孔；5、绝缘片冷却水孔；6、绝缘片；7、Bitter片；8、固定杆；9、聚酰胺薄膜；10、氧化铝涂层；11、不锈钢316L薄片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1
一种用于Bitter型水冷磁体的绝缘片，绝缘片表面开设与Bitter片对应的冷却水孔，本实施例中绝缘片为316L不锈钢材质，绝缘片的厚度为0.1mm，绝缘片表面涂覆一层氧化铝涂层10，氧化铝涂层10的厚度为0.025mm。
绝缘片的制备方法包括以下步骤：
(1)利用现有的Bitter模具对0.1mm的不锈钢316L薄片11进行冲片，形成含有冷却水孔360度圆盘；
(2)涂层的制备：对步骤(1)中圆盘的一面进行氧化铝(Al2O3)热喷涂，喷涂厚度为0.025mm；
(3)利用激光切割将360度圆盘切割成绝缘片需要的角度；其中激光切割为现有技术；
(4)对冷却孔内壁残余的氧化铝涂层进行打磨处理，得到涂覆一层氧化铝10的绝缘片，如图5所示。
实施例2
一种用于Bitter型水冷磁体的绝缘片，绝缘片表面开设与Bitter片对应的冷却水孔，本实施例中绝缘片为316L不锈钢材质，绝缘片的厚度为0.09mm，绝缘片表面涂覆一层氧化铝涂层，氧化铝涂层的厚度为0.035mm。
绝缘片的制备方法包括以下步骤：
(1)利用现有的Bitter模具对0.09mm的不锈钢316L薄片进行冲片，形成含有冷却水孔360度圆盘；
(2)涂层的制备：对步骤(1)中圆盘的一面进行氧化铝(Al2O3)热喷涂，喷涂厚度为0.035mm；
(3)利用激光切割将360度圆盘切割成绝缘片需要的角度；其中激光切割为现有技术；
(4)对冷却孔内壁残余的氧化铝涂层进行打磨处理，得到涂覆一层氧化铝的绝缘片。
实施例3
一种用于Bitter型水冷磁体的绝缘片，绝缘片表面开设与Bitter片对应的冷却水孔，本实施例中绝缘片为316L不锈钢材质，绝缘片的厚度为0.11mm，绝缘片表面涂覆一层氧化铝涂层，氧化铝涂层的厚度为0.015mm。
绝缘片的制备方法包括以下步骤：
(1)利用现有的Bitter模具对0.11mm的不锈钢316L薄片进行冲片，形成含有冷却水孔360度圆盘；
(2)涂层的制备：对步骤(1)中圆盘的一面进行氧化铝(Al2O3)热喷涂，喷涂厚度为0.015mm；
(3)利用激光切割将360度圆盘切割成绝缘片需要的角度；其中激光切割为现有技术；
(4)对冷却孔内壁残余的氧化铝涂层进行打磨处理，得到涂覆一层氧化铝的绝缘片。
实施例4
本实施例与实施例1的区别之处在于：绝缘片表面涂覆一层氧化钛涂层。
实施例5
本实施例与实施例2的区别之处在于：绝缘片表面涂覆一层氧化钛涂层。
实施例6
本实施例与实施例3的区别之处在于：绝缘片表面涂覆一层氧化钛涂层。
实施例7
采用实施例1中绝缘片用于Bitter型水冷磁体中Bitter片的绝缘方法，绝缘片的装配方法与图3相同，具体包括以下步骤：
将绝缘片置于Bitter片的隔断缝处，绝缘片边缘与间隔缝对齐，两者冷却孔对齐，再旋转一个绝缘角度放置另外一片Bitter片和绝缘片，然后依次叠加，Bitter片的片数根据实际需要设置，带有绝缘片的Bitter片错位堆叠形成螺旋上升的电流通道，装配后，最顶端为Bitter片(图未示)，当绝缘片上的氧化铝涂层朝向相同时，均朝向上面一层Bitter片或均朝向下面一层Bitter片。
实施例2-实施例6中绝缘片的绝缘方法与本实施例相同，只需将绝缘片替换即可，这里不再赘述。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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