一种用于聚变堆和强磁场装置的紧凑型低温与高温超导混合螺管磁体
阅读说明：本技术 一种用于聚变堆和强磁场装置的紧凑型低温与高温超导混合螺管磁体 (Compact low-temperature and high-temperature superconducting hybrid solenoid magnet for fusion reactor and high-intensity magnetic field device ) 是由 刘小刚 高翔 王东全 吴凡 朱建东 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种用于聚变堆和强磁场装置的紧凑型低温与高温超导混合螺管磁体,由多个低温与高温超导混合螺管模块沿轴向堆叠组成,混合螺管模块包括低温超导绕组、高温超导绕组、低温超导绕组引出线以及高温超导绕组引出线。高温超导绕组同轴地套设在低温超导绕组内。低温与高温超导绕组的引出线,紧贴绕组绕制而出。所述多个低温与高温超导混合螺管模块关于中平面对称,对于中平面以上(或以下)的模块,每个模块的引出线控制在90度方位角之内。在堆叠时,各个模块分别旋转后沿轴向堆叠装配。本发明提高了运行电流和螺管磁体使用性能,降低了制造和使用成本,同时由于其径向占用空间小,还适用于一些紧凑型强磁场和聚变堆的螺管磁体。(The invention provides a compact low-temperature and high-temperature superconducting hybrid solenoid magnet for a fusion reactor and a high-intensity magnetic field device, which is formed by axially stacking a plurality of low-temperature and high-temperature superconducting hybrid solenoid modules, wherein each hybrid solenoid module comprises a low-temperature superconducting winding, a high-temperature superconducting winding, a low-temperature superconducting winding outgoing line and a high-temperature superconducting winding outgoing line. The high-temperature superconducting winding is coaxially sleeved in the low-temperature superconducting winding. The leading-out wires of the low-temperature and high-temperature superconducting windings are wound and attached to the windings. The plurality of low temperature and high temperature superconducting hybrid solenoid modules are symmetric about a midplane, and for modules above (or below) the midplane, the lead-out line of each module is controlled to be within a 90 degree azimuth. When stacking, the modules are respectively rotated and then assembled in an axial stacking mode. The invention improves the running current and the service performance of the solenoid magnet, reduces the manufacturing and using cost, and is also suitable for the solenoid magnets of compact strong magnetic fields and fusion reactors because the radial occupied space is small.)
技术领域
本发明涉及超导磁体技术领域，尤其涉及一种用于聚变堆和强磁场装置的紧凑型低温与高温超导混合螺管磁体。
背景技术
强磁场可以改变原子核与核外电子间的磁力距，从而改变物质的特性。因此强磁场为基础科学以及交叉科学提供新的研究方向。高强磁场的磁体是许多高新技术应用领域的核心与基础装置，在诸如材料科学、粒子物理、医学成像、新能源、新交通等领域有着广泛而重要的应用前景。螺管磁体是磁体和聚变装置系统的重要组成部分，它的作用是产生和稳定磁体装置里的等离子体,保证磁体和聚变装置的安全稳定运行。而目前螺管磁体受低温超导导体强度影响，普遍磁场强度低于13T以下，磁体运行性能不高，且径向占用空间较大，难以在紧凑型强磁场和聚变堆中使用。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，发明一种用于聚变堆和强磁场装置的紧凑型低温与高温超导混合螺管磁体，通过在外部低温超导和内部插入高温超导导体，在节约成本的同时，在高磁场中，提高运行电流，提高螺管磁体的运行性能，并且径向占用空间小，适用于一些紧凑型强磁场和聚变堆的螺管磁体，本发明通过如下技术方案实现的：
一种用于聚变堆和强磁场装置的紧凑型低温与高温超导混合螺管磁体，由多个低温与高温超导混合螺管模块沿轴向堆叠组成，所述混合螺管模块包括外部低温超导绕组、内部高温超导绕组、低温超导绕组引出线以及高温超导绕组引出线。高温超导绕组同轴地套设在低温超导绕组内。低温超导绕组引出线设置于低温超导绕组上。高温超导绕组引出线设置于高温超导绕组上。电流通过绕组引出线通入磁体中，产生磁场。所述多个低温与高温超导混合螺管模块关于中平面对称，中平面以上模块的引出线从上方引出，中平面以下模块的引出线从下方引出。例如，所述低温与高温超导混合螺管模块的个数为8个(或6个)。所述8个(或6个)模块关于中平面对称，中平面以上4个(或3个)模块的引出线从上方引出，中平面以下4个(或3个)模块的引出线从下方引出。
进一步地，所述低温超导绕组引出线，紧贴所述低温超导绕组绕制而出，优选所述的紧贴是指所述低温超导绕组引出线与低温超导绕组距离≤90mm。且不仅限于此距离。
进一步地，所述高温超导绕组引出线，紧贴所述高温超导绕组绕制而出，优选所述的紧贴是指高温超导绕组引出线与高温超导绕组距离≤70mm。且不仅限于此距离。
进一步地，所述低温与高温超导混合螺管磁体，高温超导绕组采用YBCO铠装电缆导体绕制，磁场可达20T以上；低温超导绕组采用Nb3Sn铠装电缆导体绕制，磁场可达14T以上；产生中心场可达20T以上。
进一步地，所述多个低温与高温超导混合螺管模块沿轴向同轴堆叠。堆叠后，各个低温与高温超导混合螺管模块同轴。
进一步地，每个低温与高温超导混合螺管模块结构相同。
进一步地，对于中平面以上或中平面以下的多个模块，每个模块的引出线控制在90度方位角之内；在堆叠时，各个模块分别旋转后沿轴向堆叠装配。例如，所述低温与高温超导混合螺管模块的个数为8个，对于中平面以上(或以下)的4个模块，每个模块的引出线控制在90度方位角之内；在堆叠时，各个模块分别旋转0°、90°、180°、270°后沿轴向堆叠装配。
进一步地，引出线通过与最外层或最内层的引出点相切且保证与绕组不干涉的情况下贴近超导体的两段或多段弧形导线引出。
进一步地，高温超导绕组引出线包括高温超导绕组下引出线和高温超导绕组上引出线。
进一步地，低温超导绕组引出线包括低温超导绕组下引出线和低温超导绕组上引出线。
进一步地，对于每个模块，高温超导绕组轴向匝数为偶数，高温超导绕组的上、下引出线都位于该模块内侧；低温超导绕组轴向匝数也为偶数，低温超导绕组的上、下引出线都位于该模块外侧。
进一步地，磁体内侧磁场高于低温超导绕组引出线的临界磁场，低温超导绕组引出线布置在每个模块的外侧。
进一步地，低温超导绕组与高温超导绕组之间有装配间隙。考虑到每个模块中高温超导绕组与低温超导绕组的绕制误差，设计时在内部高温超导绕组与外部低温超导绕组之间留有装配间隙。
具体地，一种用于聚变堆和强磁场装置的紧凑型低温与高温超导混合螺管磁体，由八层相同混合螺管磁体单总成在轴向上堆叠组成，混合螺管磁体单总成包括外部低温超导绕组、低温超导绕组上下引出线、内部高温超导绕组和高温超导绕组上下引出线。其中，所述八层相同混合螺管磁体单总成，是由8个混合螺管磁体单总成在轴向上堆叠形成的。
进一步地，所述混合螺管磁体关于中平面对称。中平面以上有四层相同混合螺管磁体单总成，中平面以下有四层相同混合螺管磁体单总成。
进一步地，所述中平面以上的四层相同混合螺管磁体单总成在轴向上堆叠组成，是通过混合螺管磁体单总成分别旋转0°、90°、180°、270°向上堆叠。
进一步地，所述中平面以下的四层相同混合螺管磁体单总成在轴向上堆叠组成，是通过混合螺管磁体单总成分别旋转0°、90°、180°、270°向下堆叠。
进一步地，所述四层相同混合螺管磁体单总成在轴向上堆叠组成，每层磁体内外上下引出线布置区域小于90°避免向上旋转堆叠时，引出线相互干涉。
进一步地，所述该低温与高温超导混合螺管磁体，外部磁场低的区域采用低温超导绕组，内部磁场高的区域采用高温超导绕组。
进一步地，所述低温与高温超导混合螺管磁体，是由导体使用层绕工艺，通过层间过渡与匝间过渡绕制而成。
进一步地，所述低温与高温超导混合螺管磁体，所述的高温超导绕组轴向匝数为偶数，从内向外绕制，上下引出线都在绕组内侧。低温超导绕组轴向匝数为偶数，由外向内绕制，上下引出线都在绕组外侧。
进一步地，所述低温超导绕组引出线在绕组外侧，由于低温超导绕组内侧磁场强度过高，低温超导绕组引出线强度不够，必须布置在绕组外侧。
进一步地，所述低温与高温超导混合螺管磁体的上下引出线，采用近似磁体内半径或外半径的两段或多段弧形导线紧贴磁体绕出，从而减少整个磁体在径向空间的占用。
进一步地，所述的低温与高温超导混合螺管磁体的上下引出线通过与最外层或最内层引出点相切的两段或多段弧形导线引出。
进一步地，所述外部低温超导绕组与内部高温超导绕组之间留有装配间隙。
有益效果：
本发明的系统结构，在满足用于强磁场和聚变堆的螺管磁体磁场强度＞18T高磁场背景下，使用低温超导和高温超导混合磁体，不仅提高了运行电流，提高螺管磁体使用性能，而且还降低了制造和使用成本，同时由于其径向占用空间小，还适用于一些紧凑型强磁场和聚变堆的螺管磁体。
附图说明
图1为本发明一种用于聚变堆和强磁场装置的紧凑型低温与高温超导混合螺管磁体的总成示意图；
图2为本发明一种用于聚变堆和强磁场装置的紧凑型低温与高温超导混合螺管磁体的混合螺管磁体单总成示意图；
图3为本发明一种用于聚变堆和强磁场装置的紧凑型低温与高温超导混合螺管磁体的单总成混合螺管磁体的俯视图；
图4为本发明一种用于聚变堆和强磁场装置的紧凑型低温与高温超导混合螺管磁体的引出线的绕制和引出图；
图中，1-混合螺管磁体单总成；2-高温超导绕组；3-高温超导绕组下引出线；4-高温超导绕组上引出线；5-低温超导绕组；6-低温超导绕组下引出线；7-低温超导绕组上引出线；8-装配间隙；9、10-引出线引出弧形，11-中平面。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参考图1、图2和图3及图4，本发明实施例的混合螺管磁体由八层相同混合螺管磁体单总成1组成，混合螺管磁体单总成1包括：高温超导绕组2，高温超导绕组下引出线3，高温超导绕组上引出线4，低温超导绕组5，低温超导绕组下引出线6，低温超导绕组上引出线7，装配间隙8，引出线引出弧形9、10。所述低温超导绕组5与高温超导绕组2均为线圈。所述的八层相同混合螺管磁体单总成1即是由八个相同混合螺管磁体单总成1沿轴向堆叠形成。
高温超导绕组2同轴地套设在低温超导绕组5内，且低温超导绕组5与高温超导绕组2之间有装配间隙8。考虑到每个混合螺管磁体单总成1中高温超导绕组2与低温超导绕组5的绕制误差，设计时在内部高温超导绕组与外部低温超导绕组之间留有装配间隙8。
高温超导绕组2的线圈的两端导线分别弯曲呈弧形，形成高温超导绕组下引出线3和高温超导绕组上引出线4。其中高温超导绕组下引出线3位于高温超导绕组2的下部，高温超导绕组上引出线4位于高温超导绕组2的上部。
低温超导绕组5的线圈的两端导线分别弯曲呈弧形，形成低温超导绕组下引出线6和低温超导绕组上引出线7。其中，低温超导绕组下引出线6位于低温超导绕组5的下部，低温超导绕组上引出线7位于低温超导绕组5的上部。
高温超导绕组下引出线3、高温超导绕组上引出线4、低温超导绕组下引出线6和低温超导绕组上引出线7均具有引出线引出弧形9、10，通过所述引出弧形，使引出线向上延伸。例如，引出线向上延伸至高于超导绕组的高度。使用时，电流通过绕组引出线通入磁体中，产生磁场。
参考图1和图2，本发明实施例的混合螺管磁体关于中平面11对称，中平面11以上由四个混合螺管磁体单总成1分别旋转0°、90°、180°、270°沿轴向向上堆叠组成。中平面11以下由四个混合螺管磁体单总成1分别旋转0°、90°、180°、270°沿轴向向下堆叠组成。堆叠后，各个混合螺管磁体单总成1同轴。中平面11以上四个混合螺管磁体单总成1的引出线从上方引出，中平面11以下四个混合螺管磁体单总成1的引出线从下方引出。
混合螺管磁体单总成1中的低温超导绕组下引出线6，低温超导绕组上引出线7，高温超导绕组下引出线3，高温超导绕组上引出线4布置区域需要＜90°，避免混合螺管磁体单总成1向上旋转堆叠时，各引出线互相干涉。
参考图2，所述低温超导绕组5与高温超导绕组2，是由导体使用层绕工艺，通过层间过渡与匝间过渡绕制而成。高温超导绕组2轴向匝数为偶数，从内向外绕制，上下引出线3、4都在绕组内侧。低温超导绕组5轴向匝数为偶数，由外向内绕制，上下引出线6、7都在绕组外侧。磁体内侧磁场高于低温超导绕组引出线的临界磁场，因此必须将低温超导绕组引出线布置在每个混合螺管磁体单总成1的外侧。高温超导绕组采用YBCO铠装电缆导体绕制，磁场可达20T以上；低温超导绕组采用Nb3Sn铠装电缆导体绕制，磁场可达14T以上；产生中心场可达20T以上。
参考图3，本发明实施例的混合螺管磁体磁场的低温与高温超导绕组之间存在装配间隙8，单总成模块的引出线均位于90°范围内，保证了各单总成模块互不干涉。
参考图2、图4，所述的低温与高温超导混合螺管磁体，低温超导绕组下引出线6和低温超导绕组上引出线7，分别紧贴所述低温超导绕组5绕制而出。高温超导绕组下引出线3和高温超导绕组上引出线4，分别紧贴所述高温超导绕组2绕制而出。高温超导绕组下引出线3、高温超导绕组上引出线4、低温超导绕组下引出线6、低温超导绕组上引出线7通过与引出点相切且紧靠低温与高温超导混合螺管磁体的连续两段或多段弧形导线绕制引出，引出线引出弧形9、10导线的半径应尽量贴近磁体外半径或内半径，这样不仅保证了引出线紧贴磁体绕出，从而可以减少整个磁体在径向空间的占用，而且保证了引出线弯曲半径满足导体最小弯曲半径要求。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
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