用于超导磁体的防低温冷缩偏心定位装置
阅读说明：本技术 用于超导磁体的防低温冷缩偏心定位装置 (Low-temperature cold contraction prevention eccentric positioning device for superconducting magnet ) 是由 董瑞学 成渝 朱思华 周杨 张喜虎 马树奎 黄崇津 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于超导磁体的防低温冷缩偏心定位装置,包括推动端定位块(1)、浮动端定位块(2)、筒体(3)、推动端端板(41)、浮动端端板(42)和内侧锥块(5)；推动端端板和浮动端端板连筒体,超导磁体外壳两端形成锥体结构(61)；浮动端定位块装在浮动端端板上并通过锥面与锥体结构匹配定位,推动端定位块装在推动端端板上并设有径向碟簧组件(71)；内侧锥块通过弧面和锥面装在推动端定位块和锥体结构间,超导磁体外壳同轴装在筒体内；内侧锥块与推动端定位块间装有轴向碟簧组件(72)。本发明能实现超导磁体常温下精确安装定位,克服因零部件冷缩导致磁场中心与温孔不同心及磁体场型和磁场强度不满足要求的问题。(The invention discloses a low-temperature cold contraction prevention eccentric positioning device for a superconducting magnet, which comprises a pushing end positioning block (1), a floating end positioning block (2), a barrel (3), a pushing end plate (41), a floating end plate (42) and an inner side conical block (5); the push end plate and the floating end plate are connected with the cylinder body, and two ends of the superconducting magnet shell form a cone structure (61); the floating end positioning block is arranged on the floating end plate and is matched and positioned with the cone structure through a conical surface, and the pushing end positioning block is arranged on the pushing end plate and is provided with a radial disc spring assembly (71); the inner side conical block is arranged between the pushing end positioning block and the conical structure through the cambered surface and the conical surface, and the superconducting magnet shell is coaxially arranged in the barrel; an axial disc spring component (72) is arranged between the inner side conical block and the pushing end positioning block. The invention can realize the accurate installation and positioning of the superconducting magnet at normal temperature, and overcome the problems that the center of the magnetic field is not concentric with the temperature hole and the field type and the magnetic field strength of the magnet cannot meet the requirements due to the cold contraction of parts.)
技术领域
本发明涉及一种超导磁体设备，尤其涉及一种用于超导磁体的防低温冷缩偏心定位装置。
背景技术
随着科技的进步及特殊行业需求，越来越多大尺寸、大质量、高精度的复杂回旋管、离子加速器等磁体被研究并制造。高精度主要体现在磁场中心与温孔的同轴度要求上，磁场中心轴和磁体内筒同轴度偏差太大(>0.1mm)，电子(离子)束将无法按照预定轨迹运动，会严重影响输出功率。
对于现有的无骨架磁体由装配线圈组成，外部由壁厚较厚的硬铝管包住，既要在常温下有非常高的装配要求，又要保证低温下装配精度尽可能不变，需要利用铝的热收缩特性予以磁体预紧力，保证磁体装配到位，同时低温下收缩保证装配磁体稳定；磁体两端有拉紧端板及接线口。因此，超导磁体与外部定位零件进行定位，其固定只能置于外部铝管上。常温下装配时，超导磁体同心调整到位并固定好后，常温下可以通过三坐标等手段保证磁体与温孔的同心，但磁体装配到恒温器中只能靠外部铝壳定位，由于铝管在低温下收缩量较大，低温下铝管发生轴向和径向收缩会导致磁体失去同心，定位失效，满足不了同心度要求，降低磁体的性能，且定位零件的剪切力易被剪断。
在磁体的功率、尺寸、重量、精度等要求不断提高的要求下，需要配备更高场强静态磁场、更高的零部件加工装配精度。虽然在常温(300K)条件下，通过控制加工精度，结合三坐标或者激光跟踪仪可以达到0.1mm以下的装配精度，满足同轴度要求。但是超导磁体温度由300K降到4K的过程中，必然会导致其定位零件的冷缩变形，从而破坏磁体的同心度，甚至破坏定位的连接件或者焊缝。特别是对于使用热收缩系数大(铝合金)的材料作为定位零件的超导磁体，磁体的同心度受到零件冷缩的影响严重，导致超导磁体无法满足使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于超导磁体的防低温冷缩偏心定位装置，能实现超导磁体的精确安装定位，并克服了超导磁体由于零部件冷缩导致的磁场中心与温孔不同心的问题，并避免了由上述问题导致的磁体场型和磁场强度不满足要求的情况发生，同时也解决了由于磁体零部件冷缩导致的硬连接件破坏和磁体安装失败的问题。
本发明是这样实现的：
一种用于超导磁体的防低温冷缩偏心定位装置，包括推动端定位块、浮动端定位块、筒体、推动端端板、浮动端端板和内侧锥块；推动端端板和浮动端端板分别安装在筒体的两端，超导磁体外壳的两端形成有向外收窄的锥体结构；若干块浮动端定位块分别间隔安装在浮动端端板上，且每块浮动端定位块上均形成有与锥体结构相匹配的锥面，使超导磁体外壳在浮动端通过若干块浮动端定位块匹配定位；若干块推动端定位块分别间隔安装在推动端端板上，且每块推动端定位块与内侧锥块之间均锁紧安装有径向碟簧组件，内侧锥块的外环形成有与推动端定位块内侧相匹配的弧面，使推动端定位块的内侧弧面与内侧锥块的外环弧面贴合；内侧锥块的内环形成有与锥体结构相匹配的锥面，使若干块内侧锥块分别对应安装在若干块推动端定位块与锥体结构之间，使超导磁体外壳的推动端通过若干块推动端定位块和内侧锥块匹配定位，从而使超导磁体外壳同轴安装在筒体内；每块内侧锥块的轴向端面与推动端定位块之间均沿超导磁体外壳的轴向安装有轴向碟簧组件。
所述的每块推动端定位块上通过安装槽至少嵌装两组径向碟簧组件，且每组径向碟簧组件均沿超导磁体外壳的径向设置。
所述的径向碟簧组件均嵌装在推动端定位块的安装槽内，径向碟簧组件的外侧通过螺母锁紧，使径向碟簧组件的导向块不凸出于推动端定位块的内侧弧面。
所述的每块推动端定位块上通过导向孔至少嵌装两组轴向碟簧组件，且每组轴向碟簧组件均沿超导磁体外壳的轴向设置。
所述的轴向碟簧组件包括导向杆和安装在导向杆上的碟簧，且碟簧的轴向平行于超导磁体外壳的轴向；导向杆的一端固定安装在内侧锥块的表面，导向杆的另一端插入在推动端定位块的导向孔内。
所述的若干块推动端定位块沿超导磁体外壳的外侧壁周向均匀布置，若干块内侧锥块沿超导磁体外壳推动端的外侧壁周向均匀布置，使若干块内侧锥块间隔安装在超导磁体外壳与推动端定位块之间，若干块浮动端定位块沿超导磁体外壳的外侧壁周向均匀布置。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明在超导磁体外壳的两端形成锥体结构，并通过浮动端定位块和内侧锥块形成的匹配的锥面，使超导磁体外壳的两端能匹配定位和安装，避免由于铝制外壳收缩导致的磁体偏心问题，确保超导磁体形成的磁体场型和磁场强度满足使用要求。
2、本发明在超导磁体外壳的一端通过内侧锥块定位的同时安装了轴向碟簧组件，通过沿超导磁体外壳轴向设置的蝶形弹簧提供预紧力，进一步确保锥体结构与锥面的贴合度，从而保证磁体低温收缩状态下仍然同心。
3、本发明在超导磁体外壳的一端通过推动端定位块加固的同时安装了径向碟簧组件，通过沿超导磁体外壳径向设置的蝶形弹簧提供预紧力，能进一步避免超导磁体由于收缩导致的整体高度下降，并能一定程度上降低对轴向碟簧组件的预紧力要求。
附图说明
图1是本发明用于超导磁体的防低温冷缩偏心定位装置的轴向剖面图；
图2是图1的A-A向截面图；
图3是图1的B-B向截面图。
图中，1推动端定位块，2浮动端定位块，3筒体，41推动端端板，42浮动端端板，5内侧锥块，6超导磁体外壳，61锥体结构，71径向碟簧组件，72轴向碟簧组件，8螺母。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参见附图1至附图3，一种用于超导磁体的防低温冷缩偏心定位装置，包括推动端定位块1、浮动端定位块2、筒体3、推动端端板41、浮动端端板42和内侧锥块5；推动端端板41和浮动端端板42分别安装在筒体3的两端，铝制的超导磁体外壳6的两端形成有向外收窄的锥体结构61；若干块浮动端定位块2分别间隔安装在浮动端端板42上，且每块浮动端定位块2上均形成有与锥体结构61相匹配的锥面，使超导磁体外壳6在浮动端通过若干块浮动端定位块2匹配定位；若干块推动端定位块1分别间隔安装在推动端端板41上，且每块推动端定位块1与内侧锥块5之间均锁紧安装有径向碟簧组件71，通过螺母锁紧径向碟簧组件71，给予超导磁体外壳6足够的预紧力，内侧锥块5的外环形成有与推动端定位块1内侧相匹配的弧面，确保推动端定位块1的内侧弧面与内侧锥块5的外环弧面贴合，超导磁体外壳6安装完成后松掉螺母；内侧锥块5的内环形成有与锥体结构61相匹配的锥面，使若干块内侧锥块5分别对应安装在若干块推动端定位块1与锥体结构61之间，使超导磁体外壳6的推动端通过若干块推动端定位块1和内侧锥块5匹配定位，从而使超导磁体外壳6同轴安装在筒体3内；每块内侧锥块5的轴向端面与推动端定位块1之间均沿超导磁体外壳6的轴向安装有轴向碟簧组件72，从而给予超导磁体外壳6足够的轴向预紧力。超导磁体外壳6的两端均通过锥面配合定位，并结合超导磁体外壳6推动端的径向碟簧组件71和轴向碟簧组件72提供的预紧力，确保锥面的贴合度，实现超导磁体外壳6径向收缩导致高度下降时的自适应定位。锥体结构61以及浮动端定位块2和内侧锥块5的锥面锥度可根据其采用的材质、材质的膨胀系数等确定，并通过精加工完成。
所述的每块推动端定位块1上通过安装槽(图中未示出)至少嵌装两组径向碟簧组件71，且每组径向碟簧组件71均沿超导磁体外壳6的径向设置。通过径向碟簧组件71为推动端定位块1提供径向的预紧力，确保超导磁体外壳6两端的锥体结构61与两个锥面之间的贴合度，从而缓解超导磁体外壳6由于收缩导致的磁体整体下降的问题。
所述的径向碟簧组件71包括碟簧、球垫和导向块；径向碟簧组件71匹配嵌装在推动端定位块1的安装槽内，径向碟簧组件71的外侧通过螺母锁紧，使导向块不凸出于推动端定位块1的内侧弧面，球垫用于微调导向块的中心轴线，使其经过超导磁体外壳6的中心，从而使碟簧给予超导磁体外壳6足够的预紧力。通过径向设置的蝶形弹簧(碟簧)为超导磁体外壳6的径向稳定提供了保障，也能一定程度上分散轴向碟簧组件72的受力，从而降低对轴向碟簧组件71的碟簧预紧力的要求。
所述的每块推动端定位块1上通过导向孔(图中未示出)至少嵌装两组轴向碟簧组件72，且每组轴向碟簧组件72均沿超导磁体外壳6的轴向设置。通过轴向碟簧组件72为推动端定位块1提供轴向的预紧力，轴向和径向相配合能可靠保证锥体结构61与两个锥面之间的精确贴合，从而解决超导磁体外壳6由于收缩导致的磁体整体下降的问题。
所述的轴向碟簧组件72包括导向杆和安装在导向杆上的碟簧，且碟簧的轴向平行于超导磁体外壳6的轴向；导向杆的一端固定安装在内侧锥块5的表面，导向杆的另一端插入在推动端定位块1的导向孔内。既实现了内侧锥块5与推动端定位块1和超导磁体外壳6的稳定装配，也通过轴向设置的蝶形弹簧(碟簧)为超导磁体外壳6的轴向稳定提供了保障。
所述的若干块推动端定位块1沿超导磁体外壳6的外侧壁周向均匀布置，若干块内侧锥块5沿超导磁体外壳6推动端的外侧壁周向均匀布置，使若干块内侧锥块5间隔安装在超导磁体外壳6与推动端定位块1之间，若干块浮动端定位块2沿超导磁体外壳6的外侧壁周向均匀布置。确保推动端定位块1、浮动端定位块2和内侧锥块5对超导磁体外壳6端部的承托力更均匀和稳定，有利于保持超导磁体外壳6的同心度。
常温同心后，温度降低到4.2k，铝制的超导磁体外壳6收缩较大，通过径向碟簧组件71和轴向碟簧组件72的预紧力保证超导磁体外壳6两端的锥面结构61与浮动端定位块2的锥面和内侧锥块5的内环弧面配合，进而防止超导磁体外壳6偏心。
所述的推动端定位块1、浮动端定位块2和内侧锥块5的数量根据超导磁体的重量和尺寸确定。优选的，推动端定位块1、浮动端定位块2和内侧锥块5均设置三块。
本发明用于超导磁体的防低温冷缩偏心定位装置的装配过程如下：
1、水平固定推动端端板41，推动端端板41为与筒体3相匹配的圆形板状结构，在推动端端板41上周向安装三个推动端定位块1并焊固定，三个推动端定位块1等间隔120°设置。
2、安装推动端定位块1的径向碟簧组件71，每块推动端定位块1的两端均设有安装孔，用于安装两组径向碟簧组件71。径向碟簧组件71包括沿超导磁体外壳6径向设置的碟簧、用于安装碟簧的球垫和用于定位径向碟簧组件71的导向块，每组径向碟簧组件71均用螺母8拉紧，保证导向块上面不突出推动端定位块1的内环面。
3、安装三块内侧锥块5及其轴向碟簧组件72，轴向碟簧组件72的数量可根据超导磁体外壳6的重量确定，轴向碟簧组件72包括碟簧和导向杆；内侧锥块5的端面焊接有两根导向杆，导向杆用于安装蝶簧，使碟簧沿超导磁体外壳6的轴向设置，推动端定位块1上有两个导向孔，将导向杆对应插入导向孔内。三块内侧锥块5的弧面分别与三块推动端定位块1一一对应贴合，三块内侧锥块5的锥面分别周向贴合在超导磁体外壳6推动端的锥体结构61的表面上。完成推动端的定位结构的装配。
4、将超导磁体外壳6的一端插入防偏心定位装置的推动端的定位结构内，使超导磁体外壳6的推动端通过若干块推动端定位块1匹配定位。将用于拉紧径向碟簧组件71的螺母8松掉，使超导磁体外壳6压紧在径向碟簧组件71的碟簧上，在径向碟簧组件71的碟簧的预紧力作用下，确保冷缩后的超导磁体外壳6在径向上的高度变化较小。
5、将超导磁体外壳6和防偏心定位装置的推动端插入筒体3，并将推动端端板41焊接固定在筒体3的推动端上。
6、在浮动端端板42上安装三个浮动端定位块2并焊接加固，三个浮动端定位块2等间隔120°设置，并将浮动端定位块2插入筒体3的浮动端内，三个浮动端定位块2的锥面分别周向贴合在超导磁体外壳6浮动端的锥体结构61的表面上，使超导磁体外壳6的浮动端通过若干块浮动端定位块2实现匹配定位，从而保证了锥面与锥体结构61的配合压紧，最后将浮动端端板42焊接固定在筒体3的浮动端上。即完成了超导磁体的同心安装。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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