一种无液氦超导磁体骨架、超导磁体和绕制方法
阅读说明：本技术 一种无液氦超导磁体骨架、超导磁体和绕制方法 (Liquid helium-free superconducting magnet framework, superconducting magnet and winding method ) 是由 刘鑫 曲洪一 刘辉 王聪 谢煌 孙金水 刘建华 王秋良 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种无液氦超导磁体骨架、超导磁体和绕制方法,所述无液氦超导磁体骨架包括柱形主体,沿柱形主体的轴向方向,柱形主体上间隔设置有环形隔板,相邻环形隔板之间形成环形线槽,环形线槽以柱形主体的中心横截面对称分布,沿柱形主体的两端向中心方向,环形隔板分为环形端板和至少一个环形分隔板,环形分隔板上沿柱形主体轴向方向开设有导线槽以及至少一个加热片槽,加热片槽内设置有加热片；环形分隔板上沿周向开设有至少一组导冷孔。本发明实现绕制超导磁体线圈、放置加热片、进线以及导冷的功能,结合逐层绕制、层间绝缘以及外层绑扎的湿绕工艺绕制,大大降低了无液氦超导磁体骨架的加工难度,并降低了加工和材料成本。(The invention provides a liquid-helium-free superconducting magnet skeleton, a superconducting magnet and a winding method, wherein the liquid-helium-free superconducting magnet skeleton comprises a cylindrical main body, annular partition plates are arranged on the cylindrical main body at intervals along the axial direction of the cylindrical main body, annular wire grooves are formed between every two adjacent annular partition plates, the annular wire grooves are symmetrically distributed on the central cross section of the cylindrical main body, the annular partition plates are divided into annular end plates and at least one annular partition plate along the central direction of the two ends of the cylindrical main body, a wire groove and at least one heating sheet groove are formed in the annular partition plates along the axial direction of the cylindrical main body, and heating sheets are arranged in the heating sheet grooves; at least one group of cold guide holes are formed in the annular partition plate along the circumferential direction. The invention realizes the functions of winding the superconducting magnet coil, placing the heating sheet, feeding the wire and conducting the cold, combines the wet winding process of winding layer by layer, interlayer insulation and outer layer binding, greatly reduces the processing difficulty of the liquid helium-free superconducting magnet framework, and reduces the processing and material cost.)
技术领域
本发明属于超导磁体
技术领域
，尤其涉及一种无液氦超导磁体骨架、超导磁体和绕制方法。背景技术
超导磁体是利用超导材料代替一般线圈经过绕制、绝缘、绑扎等一系列步骤制成的磁体，由于其在极端条件下具有零电阻或极低电阻的特性，能够在产生极高磁场的同时磁损耗几乎为零。因此，超导磁体具有能耗低、体积小、重量轻和磁场高等优点，广泛应用于科学工程、科学仪器和生物医学工程等领域，其中现代医用磁共振成像仪(MRI)最具代表。
一般来说，MRI的成像质量与超导磁体的磁场强度呈正比，目前市场上大部分MRI的磁场强度为1.5T和3T，采用的均是超导磁体。除了场强以外，磁场均匀度也是MRI成像质量好坏的重要因素。而超导磁体是由超导线圈在骨架上绕制而成，骨架设计的优劣以及超导线圈在骨架上的绕制方法显得尤为重要，磁体骨架通过绕线刚性支撑圆盘、夹具、绕线中心转轴等工装固定在绕线机上。绕制过程中，绕线机通过绕线工装带动超导磁体骨架匀速转动，将超导线均匀、紧密地缠绕在骨架上。
由于液氦资源的紧缺以及液氦价格的昂贵，无液氦超导磁体系统开始快速发展。无液氦超导磁体系统和有液氦超导磁体系统的差异在于超导磁体的冷却方式。其中，有液氦超导磁体系统具有一个供液氦容置的液氦仓，并在液氦仓内注入液氦用于控制超导线圈的环境温度；无液氦超导磁体系统是通过接触导热的方式，在超导线圈的外侧缠绕用于导热的金属带，金属带的端部与制冷机的二级冷头连接。无液氦超导磁体系统相较于有液氦磁体系统而言，生产成本较低，对于液氦资源的需求较少，是超导磁体系统的发展趋势。无液氦超导磁体依赖制冷机冷却至超导温区，因此，骨架的设计和线圈绕制要综合考虑与低温制冷系统的配合，否则将极大地影响冷却效果。
CN111668011A公开了一种无液氦无骨架超导磁体的生产工艺，解决了现阶段超导磁体在生产过程中若检测不合格造成大量超导磁体报废的问题。其技术方案要点是一种无液氦无骨架超导磁体的生产工艺，包括：S1、通过绕线机生产超导线圈；S2、待超导磁体的所有超导线圈生产完成后，将超导线圈安装至安装架上；S3、采用超导接头工艺将相邻超导线圈连通；S4、使用高斯计测量超导磁体的磁感应强度；所述无液氦无骨架超导磁体的生产工艺能够减少当超导磁体产生缺陷时超导线的损害，并提高无液氦无骨架超导磁体的生产效率。
CN109300646A公开了一种用于超导磁体的线圈结构以及超导磁体，用于超导磁体的线圈结构，包括线圈，还设有与所述线圈热耦合的传热管。该发明采用传热管与线圈进行换热的方式，即保证换热效果，又可以降低制冷剂的损耗，仅需常规超导磁体30％的制冷剂液位高度，即可节省约60％的液氦充装量。
现有超导磁体均使用液氦冷却，存在成本高的问题，因此，需要一种无液氦超导磁体，具有失超概率低和成本低等特点，成为目前迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种无液氦超导磁体骨架、超导磁体和绕制方法，通过设置环形线槽、加热片槽以及导冷孔等结构，用于绕制超导磁体线圈、放置加热片以及实现导冷功能，此外超导磁体的每层超导线之间均设置第二绝缘层，减少滑移摩擦，降低失超概率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种无液氦超导磁体骨架，所述无液氦超导磁体骨架包括柱形主体，沿所述柱形主体的轴向方向，所述柱形主体上间隔设置有环形隔板，相邻所述环形隔板之间形成环形线槽，所述环形线槽以柱形主体的中心横截面对称分布，沿所述柱形主体的两端向中心方向，所述环形隔板分为环形端板和至少一个环形分隔板，所述环形分隔板上沿柱形主体轴向方向开设有导线槽以及至少一个加热片槽，所述加热片槽内设置有加热片；所述环形分隔板上沿周向开设有至少一组导冷孔。
本发明通过设置环形线槽、导线槽、加热片槽以及导冷孔，实现绕制超导磁体线圈、放置加热片、进线以及导冷的功能，具有结构简单和质量轻等特点，大大降低了无液氦超导磁体骨架的加工难度，并降低了加工和材料成本。
需要说明的是，本发明对环形隔板的宽度不做具体要求和特殊限定，每个环形隔板的宽度可以相同也可以不同，本领域技术人员可根据环形线槽内缠绕的超导线情况，即受力分析以及强度校核，合理设置环形隔板的宽度。
需要说明的是，本发明中的中心横截面代表的是：垂直于柱形主体的轴线，并且位于中心位置的横截面。
需要说明的是，本发明对导冷孔的直径不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据设计要求合理选择导冷孔的直径，例如能够与14-M6钢丝螺套匹配。
作为本发明的一个优选技术方案，所述环形线槽的内壁面上设置有第一绝缘层。
本发明通过在环形线槽的内壁面上设置有第一绝缘层，起到绝缘超导线圈的作用，并且该结构能够进一步地降低骨架的重量和成本。
优选地，所述第一绝缘层的厚度≤200μm，但不包括0，例如为20μm、40μm、60μm、80μm、100μm、120μm、140μm、160μm、180μm或200μm。
优选地，所述第一绝缘层的材质包括聚四氟乙烯。
作为本发明的一个优选技术方案，沿所述柱形主体的两端向中心方向，所述环形线槽的宽度不同。
优选地，沿所述柱形主体的两端向中心方向，所述环形线槽的宽度逐渐减小。
优选地，沿所述柱形主体的两端向中心方向，所述环形线槽的深度逐渐减小。
优选地，相邻所述环形隔板上的导冷孔沿柱形主体的轴向排布。
优选地，所述不同环形隔板上加热片槽的深度不同。
需要说明的是，本发明对加热片槽的深度、环形线槽的宽度和环形线槽的深度不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据磁场设计要求，合理选择加热片槽的深度、环形线槽的宽度和环形线槽的深度，例如，超导线缠绕后的高度与加热片槽的上沿平齐。
作为本发明的一个优选技术方案，所述无液氦超导磁体骨架中一侧所述环形端板开设有进线槽，所述进线槽位于靠近环形线槽的表面上，所述进线槽的一端与环形端板的外表面平齐，另一端与环形线槽的底面平齐。
优选地，所述柱形主体的材质包括6061-T6铝合金。
优选地，所述无液氦超导磁体骨架为一体式结构。
优选地，所述柱形主体的两侧端面均开设有夹具孔，所述夹具孔用于与夹具配合使用。
优选地，所述环形线槽的数量为6个。
优选地，所述导冷孔上连接有导出管，所述导出管用于连接导冷接口。
第二方面，本发明提供了一种超导磁体，所述超导磁体包括如第一方面所述的无液氦超导磁体骨架，以及缠绕于所述环形线槽内的超导线，相邻两层所述超导线之间设置有第二绝缘层。
本发明通过在相邻两层超导线之间设置第二绝缘层，使得超导磁体中超导线之间不易发生相对的滑移摩擦，可以降低在超导线圈励磁过程中相邻超导线之间发生失超的概率。
作为本发明的一个优选技术方案，同一所述环形线槽内所述超导线缠绕形成至少两层超导线层，所述超导线层中超导线的缠绕匝数相等。
优选地，缠绕后所述超导线的边缘与所述加热片槽的上边缘平齐。
优选地，所述第二绝缘层的厚度≤10μm，但不包括0，例如为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。
优选地，所述第二绝缘层的材质包括超低温密封结构胶粘剂。
优选地，所述超低温密封结构胶粘剂包括聚氨酯改性环氧树脂。
需要说明的是，本发明中采用的超低温密封结构胶粘剂，上海华谊树脂有限公司出售牌号为DW-3的超低温胶粘剂。
作为本发明的一个优选技术方案，位于最外层所述超导线层的外表面依次设置有第三绝缘层和第四绝缘层。
优选地，位于最外层所述超导线层的外表面与第三绝缘层之间还设置有一层第二绝缘层。
优选地，所述加热片设置于第三绝缘层和第四绝缘层之间，所述加热片位于所述加热片槽的对应位置。
优选地，所述第三绝缘层包括玻璃丝布。
优选地，所述第四绝缘层包括至少两层层叠设置的玻璃丝布，所述玻璃丝布的外表面均设置有第二绝缘层。
优选地，所述第四绝缘层的外部还缠绕有外导线，所述外导线的缠绕方式与超导线的缠绕方式相同。
优选地，所述外导线包括铜包铝线。
示例性地，将超导磁体的多个导冷孔通过铜导冷接口连接制冷机的二级冷头，构成导冷平台，以实现无液氦制冷。
第三方面，本发明提供了一种如第二方面所述的超导磁体的绕制方法，所述的绕制方法包括：
将超导线逐层缠绕至一端的环形线槽内，并通过导线槽依次向下一个环形线槽内缠绕，制备得到所述的超导磁体。
作为本发明的一个优选技术方案，所述的绕制方法具体包括以下步骤：
(Ⅰ)将超导线进线槽由引入环形线槽，转动并缠绕超导线，利用压板抵住缠绕的超导线，缠绕一层超导线后，设置第二绝缘层，改变缠绕方向继续缠绕下一层超导线，重复设置第二绝缘层并缠绕下一层超导线，直至最后一层超导线表面设置第二绝缘层，超导线由导线槽至下一个环形线槽绕制；
(Ⅱ)在最后一层环氧树脂胶层的表面设置第三绝缘层，并在加热片槽位置设置加热片后，再设置第四绝缘层，最后在第四绝缘层外表面缠绕与超导线缠绕方式相同的外导线，制备得到所述的超导磁体。
本发明通过采用逐层绕制、层间绝缘以及外层绑扎的湿绕工艺绕制，保证匝与匝之间排列紧密整齐无缝隙，在绕制过程中运用了多种绝缘手段，降低了绝缘骨架被撕裂的概率，并且降低了在励磁过程中，超导线圈发生失超的概率。
需要说明的是，本发明可以通过在绕线机中进行缠绕超导线，本领域技术人员可根据实际操作需求合理选择绕线方式。
作为本发明的一个优选技术方案，所述压板的材质包括聚四氟乙烯。
本发明通过利用压板抵住超导线，保证匝与匝之间排列紧密整齐无缝隙，防止励磁时超导线发生相对滑移而导致失超。
优选地，所述第二绝缘层的设置形式包括涂覆。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过设置环形线槽、导线槽、加热片槽以及导冷孔，实现绕制超导磁体线圈、放置加热片、进线以及导冷的功能，具有结构简单和质量轻等特点，大大降低了无液氦超导磁体骨架的加工难度，并降低了加工和材料成本。
(2)本发明通过在相邻两层超导线之间设置第二绝缘层，使得超导磁体中超导线之间不易发生相对的滑移摩擦，可以降低在超导线圈励磁过程中相邻超导线之间发生失超的概率。
(3)本发明通过采用逐层绕制、层间绝缘以及外层绑扎的湿绕工艺绕制，保证匝与匝之间排列紧密整齐无缝隙，在绕制过程中运用了多种绝缘手段，降低了绝缘骨架被撕裂的概率，并且降低了在励磁过程中，超导线圈发生失超的概率。
附图说明
图1为本发明一个
具体实施方式
中提供的无液氦超导磁体骨架的三维结构示意图；
图2为本发明一个具体实施方式中提供的无液氦超导磁体骨架的主视图；
图3为本发明一个具体实施方式中提供的无液氦超导磁体骨架的侧视图；
图4为本发明一个具体实施方式中提供的导冷孔的放大图；
图5为本发明一个具体实施方式中提供的超导磁体的三维结构示意图；
图6为本发明一个具体实施方式中提供的超导磁体的主视图。
其中，1-柱形主体；2-环形线槽；3-加热片槽；4-导线槽；5-导冷孔；6-进线槽；7-端面；8-超导线。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种无液氦超导磁体骨架，如图1、图2和图3所示，所述无液氦超导磁体骨架包括柱形主体1，沿柱形主体1的轴向方向，柱形主体1上间隔设置有环形隔板，相邻环形隔板之间形成环形线槽2，环形线槽2以柱形主体1的中心横截面对称分布，沿柱形主体1的两端向中心方向，环形隔板分为环形端板和至少一个环形分隔板，环形分隔板上沿柱形主体1轴向方向开设有导线槽4以及至少一个加热片槽3，加热片槽3内设置有加热片；如图4所示，环形分隔板上沿周向开设有至少一组导冷孔5。
本发明通过设置环形线槽2、导线槽4、加热片槽3以及导冷孔5，实现绕制超导磁体线圈、放置加热片、进线以及导冷的功能，具有结构简单和质量轻等特点，大大降低了无液氦超导磁体骨架的加工难度，并降低了加工和材料成本。
其中，每个环形隔板的宽度可以相同也可以不同，导冷孔5的直径能够与14-M6钢丝螺套匹配。
进一步地，环形线槽2的内壁面上设置有第一绝缘层，第一绝缘层的厚度≤200μm，材质包括聚四氟乙烯。本发明通过在环形线槽2的内壁面上设置有第一绝缘层，起到绝缘超导线圈的作用，并且该结构能够进一步地降低骨架的重量和成本。
进一步地，沿柱形主体1的两端向中心方向，环形线槽2的宽度不同。更进一步地，沿柱形主体1的两端向中心方向，环形线槽2的宽度逐渐减小。沿柱形主体1的两端向中心方向，环形线槽2的深度逐渐减小。
进一步地，相邻环形隔板上的导冷孔5沿柱形主体1的轴向排布。不同环形隔板上加热片槽3的深度不同。超导线8缠绕后的高度与加热片槽3的上沿平齐。
进一步地，无液氦超导磁体骨架中一侧所述环形端板开设有进线槽6，进线槽6位于靠近环形线槽2的表面上，进线槽6的一端与环形端板的外表面平齐，另一端与环形线槽2的底面平齐。
进一步地，柱形主体1的材质包括6061-T6铝合金。无液氦超导磁体骨架为一体式结构。
进一步地，柱形主体1的两侧端面7均开设有夹具孔，夹具孔用于与夹具配合使用。
进一步地，环形线槽2的数量为6个。导冷孔5上连接有导出管，导出管用于连接导冷接口。
本发明还提供了一种超导磁体，如图5和图6所示，所述超导磁体包括上述的无液氦超导磁体骨架，以及缠绕于所述环形线槽2内的超导线8，相邻两层所述超导线8之间设置有第二绝缘层。
本发明通过在相邻两层超导线8之间设置第二绝缘层，使得超导磁体中超导线8之间不易发生相对的滑移摩擦，可以降低在超导线圈励磁过程中相邻超导线8之间发生失超的概率。
进一步地，同一环形线槽2内所述超导线8缠绕形成至少两层超导线层，超导线层中超导线8的缠绕匝数相等。缠绕后超导线8的边缘与加热片槽3的上边缘平齐。
进一步地，第二绝缘层的厚度≤10μm。第二绝缘层的材质包括超低温密封结构胶粘剂，超低温密封结构胶粘剂包括聚氨酯改性环氧树脂。可选地，第二绝缘层的材质为超低温密封结构胶粘剂DW-3。
进一步地，位于最外层超导线层的外表面依次设置有第三绝缘层和第四绝缘层。位于最外层所述超导线层的外表面与第三绝缘层之间还设置有一层第二绝缘层。加热片设置于第三绝缘层和第四绝缘层之间，加热片位于所述加热片槽3的对应位置。第三绝缘层包括玻璃丝布。第四绝缘层包括至少两层层叠设置的玻璃丝布，所述玻璃丝布的外表面均设置有第二绝缘层。
进一步地，第四绝缘层的外部还缠绕有外导线，外导线的缠绕方式与超导线8的缠绕方式相同。外导线包括铜包铝线。
示例性地，将超导磁体的多个导冷孔5通过铜导冷接口连接制冷机的二级冷头，构成导冷平台，以实现无液氦制冷。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种上述的超导磁体的绕制方法，所述的绕制方法具体包括以下步骤：
(Ⅰ)将超导线8进线槽6由引入环形线槽2，转动并缠绕超导线8，利用聚四氟乙烯压板抵住缠绕的超导线8，缠绕一层超导线8后，设置第二绝缘层，改变缠绕方向继续缠绕下一层超导线8，重复设置第二绝缘层并缠绕下一层超导线8，直至最后一层超导线8表面设置第二绝缘层，超导线8由导线槽4至下一个环形线槽2绕制；
(Ⅱ)在最后一层环氧树脂胶层的表面设置第三绝缘层，并在加热片槽3位置设置加热片后，再设置第四绝缘层，最后在第四绝缘层外表面缠绕与超导线8缠绕方式相同的外导线，制备得到所述的超导磁体。
本发明通过采用逐层绕制、层间绝缘以及外层绑扎的湿绕工艺绕制，保证匝与匝之间排列紧密整齐无缝隙，在绕制过程中运用了多种绝缘手段，降低了绝缘骨架被撕裂的概率，并且降低了在励磁过程中，超导线圈发生失超的概率。
可选地，本发明通过在绕线机中进行缠绕超导线8。
本发明通过设置环形线槽2、导线槽4、加热片槽3以及导冷孔5，实现绕制超导磁体线圈、放置加热片、进线以及导冷的功能，具有结构简单和质量轻等特点，大大降低了无液氦超导磁体骨架的加工难度，并降低了加工和材料成本。
本发明通过在相邻两层超导线8之间设置第二绝缘层，使得超导磁体中超导线8之间不易发生相对的滑移摩擦，可以降低在超导线圈励磁过程中相邻超导线8之间发生失超的概率。
本发明通过采用逐层绕制、层间绝缘以及外层绑扎的湿绕工艺绕制，保证匝与匝之间排列紧密整齐无缝隙，在绕制过程中运用了多种绝缘手段，降低了绝缘骨架被撕裂的概率，并且降低了在励磁过程中，超导线圈发生失超的概率。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于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，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
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