一种超导带材测试用跑道型背景磁体的制作方法

本发明属于超导材料检测技术领域，涉及一种超导带材在背景磁场下特性参数测量的装置。

背景技术：

超导材料及其应用是进入21世纪以来国内外发展最迅速的高科技领域之一，超导体具有零电阻、低损耗、高电磁密度和环境友好等优势，对提升电磁设备能效，改善运行性能，提升运行磁场和能量、功率密度有重大意义。

高温超导材料往往工作在复杂的电磁环境下，而外界的磁场会对其临界电流、交流损耗等特性产生较大的影响。当超导体传输交流电流或处于交变磁场中时，超导体内产生的交流损耗直接关系到高温超导电力设备的设计、制造以及应用。对高温超导带材在背场下交流损耗的测量，及高温超导材料交流损耗产生机制、各向异性、伏安特性以及临界电流的频率依赖性等的研究，有助于实现低损耗、高电流的超导材料，对超导电力技术的应用与发展具有极为重要的意义。

目前所使用的产生背场的背景磁体主要为传统的圆形亥姆霍兹线圈。在两线圈之间的轴线中间产生小范围内的均匀磁场，其他空间位置不能视为匀强磁场。针对高温超导带材这样长度较长的被测样品，传统圆形亥姆霍兹线圈所需要的线圈半径更大、匝数更多，增大装置体积、重量，增加线圈、骨架等制作成本。且会降低磁场的均匀度及幅值无法达到测量要求，不同方向的磁场作用于高温超导带材，会在一定程度上增加其交流损耗，无法精确的测量不同磁场强度大小及方向下，超导带材交流损耗的变化情况。

现有测试装置不设有角度变换部分，带材处于磁场中固定位置，无法变化带材与磁场之间的夹角，无法对高温超导带材的各向异性进行测量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在问题，提供一种超导带材测试用跑道型背景磁体。

本发明的技术方案：一种超导带材测试用跑道型背景磁体，该装置是将铜线分别绕在左侧、右侧线圈骨架上形成左侧、右侧跑道型线圈；所述的左侧、右侧线圈骨架的一端分别装配在中间磁场发生区框架第一、第二跑道型定位槽中；所述的左侧、右侧线圈骨架的另一端分别装配在左侧、右侧固定板跑道型定位槽；

所述左侧跑道型线圈一端的引出线从左侧固定板第一出线口引出；所述左侧跑道型线圈另一端的引出线从左侧固定板第二出线口引出；

所述右侧跑道型线圈一端的引出线从右侧固定板第三出线口引出；所述右侧跑道型线圈另一端的引出线从右侧固定板第四出线口引出；

第一至第四螺纹杆分别穿过第一至第四左侧板固定孔及第一至第四右侧板固定孔，再利用螺母在每个螺纹杆两头拧紧，使中间磁场发生区框架、左侧跑道型线圈、右侧跑道型线圈、左侧固定板及右侧固定板搭建构成一个结构紧凑的装配体；

顶板与中间磁场发生区框架通过螺栓穿过顶板第一通孔与框架第一螺纹孔固定连接；

底板与中间磁场发生区框架通过螺栓穿过底板第一通孔与框架第二螺纹孔固定连接；

顶板与左侧、右侧固定板通过螺栓穿过顶板第二、第三通孔与左侧固定板的第一螺纹孔及右侧固定板的第三螺纹孔螺钉连接；

底板与左侧、右侧固定板通过螺栓穿过底板第二、第三固定通孔与左侧固定板的第二螺纹孔及右侧固定板的第四螺纹孔螺钉连接；

带材夹与带材装配体两端分别穿过顶板中央圆孔及底板中央圆孔，将它放置于带材磁场通道中；再将顶部带材夹固定圆盘及底部带材夹固定圆盘分别从带材夹与带材装配体两端插入安装于顶板中央圆孔与底板中央圆孔中，使带材夹与带材装配体卡在顶部带材夹固定框及底部带材夹固定框中；将顶部带材夹固定圆盘的角度固定左翼及角度固定右翼置于第一、第二矩形齿槽中或第十九、第二十矩形齿槽作为初始位置；

再将带材通道封板插入中间磁场发生区框架开口处；同时，第一、第二电压引线通过电压引线孔引出。

所述左侧固定板和右侧固定板呈对称状态，左侧固定板和右侧固定板分别设有左侧固定板跑道型定位槽、右侧固定板跑道型定位槽，其尺寸与左侧线圈骨架与右侧线圈骨架跑道型截面形状完全相同；在左侧、右侧固定板跑道型定位槽弯道与直道交接部分分别设置第一、第二铜线出线口及第三、第四铜线出线口，间距与线圈厚度相同。

所述的带材夹与带材装配体包括带材夹、第一、第二t形铜片、高温超导带材及第一、第二电压引线；所述第一、第二t形铜片镶嵌在带材夹两端，在其t形的横边上分别设有第一、第二通电电缆螺纹孔；所述高温超导带材放置于带材夹中央矩形区域中，两端分别放置第一、第二压带材铜片，通过螺钉分别穿过第一、第二压带材铜片两端的通孔及第一至第四固定螺栓通道与螺母连接，将高温超导带材固定在带材夹的中央矩形区域中；第一、第二电压引线的一端分别焊接在高温超导带材中部，两个焊接点间隔10～15mm，以“8”字形绕法拧成一股线通过电压引线孔引出。

所述的顶板设有顶板中央圆孔，其圆周上设第一至第二十矩形齿槽，位于同一条直径上的两个矩形齿槽为一组，每组之间相隔10°，第一矩形齿槽c1与第十九矩形齿槽c19、第二矩形齿槽c2与第二十矩形齿槽c20之间相隔90°；

所述的顶部带材夹固定圆盘两侧分别伸出角度固定左齿及角度固定右齿，两者中心线在同一直径上，其形状尺寸与第一至第二十矩形齿槽完全相同，相互配合。

本发明与现有技术相比，所具有的有益效果：本装置的跑道型亥姆霍兹线圈能够在直道部分产生较长且均匀度较高的均匀磁场，使长超导带材处于特定方向、大小的磁场中。改变线圈通入电流，可以改变外场磁场强度大小同时不会降低磁场均匀度。测量研究不同外场磁场强度大小对超导带材交流损耗的影响。且对于传统背景磁体，本装置增加了角度变换部分，能够实现高温超导带材与磁场夹角不同情况下交流损耗测量功能，研究高温超导带材的各向异性。为多根带材叠绕的高温超导装置的设计和应用提供更可靠的实验依据。跑道型亥姆霍兹线圈所需要的线圈半径更小、匝数更少，减小装置体积、重量，降低制作成本。

附图说明

图1为本发明的测量装置的立体结构示意图；

图2为本发明的测量装置的主视图；

图3为本发明的测量装置的左视图；

图4为本发明的测量装置的右视图

图5为本发明的测量装置的俯视图；

图6为本发明的测量装置的仰视图；

图7为图2的a-a剖面图；

图8为中间磁场发生区框架的主视图；

图9为中间磁场发生区框架的俯视图；

图10为中间磁场发生区框架的仰视图；

图11为图9的b-b剖视图；

图12为中间磁场发生区框架的左视图；

图13为中间磁场发生区框架的右视图；

图14为带材通道封板的立体结构示意图；

图15为左侧固定板结构的主视图；

图16为图15的c-c剖视图；

图17为左侧固定板的俯视图；

图18为左侧固定板的仰视图；

图19为右侧固定板结构的主视图；

图20为图19的d-d剖视图；

图21为右侧固定板的俯视图；

图22为右侧固定板的仰视图；

图23为带材夹与高温超导带材装配体的主视图；

图24为带材夹与高温超导带材装配体的俯视图；

图25为图24的x1-x1的剖面图

图26为图24的x2-x2的剖面图

图27为带材夹与t形铜片装配体立体结构示意图

图28为第一t形铜片立体结构示意图；

图29为带材夹与t形铜片装配体的主视图；

图30为图29的e-e剖面图；

图31为顶板结构的主视图；

图32为图31的f-f剖面图

图33为顶部带材夹固定圆盘的立体结构示意图；

图34为底板结构的主视图；

图35为图34的g-g剖面图

图36为底部带材夹固定圆盘的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

超导带材测试用跑道型背景磁体，如图1～图34所示。

该装置包括：左侧固定板1，左侧固定板跑道型定位槽1-1，右侧固定板2，右侧固定板跑道型定位槽2-1，左侧跑道型线圈3，右侧跑道型线圈4，中间磁场发生区框架5，带材夹6，顶板7，顶部带材夹固定圆盘8，第一t形铜片9-1，第二t形铜片9-2，底板10，底部带材夹固定圆盘11，带材夹与带材装配体12，左侧固定板第一出线口13-1，左侧固定板第二出线口13-2，右侧固定板第一出线口13-3，右侧固定板第二出线口13-4，高温超导带材14，带材磁场通道15，左侧线圈骨架16，右侧线圈骨架17，第一固定螺栓通道18-1，第二固定螺栓通道18-2，第三固定螺栓通道18-3，第四固定螺栓通道18-4，带材通道封板19，电压引线孔20，角度固定左齿21-1，角度固定右齿21-2，顶部带材固定框22，框架第一螺纹孔23-1，框架第二固定螺纹孔23-2，第一跑道型定位槽24-1，第二跑道型定位槽24-2，第一压带材铜片25-1，第二压带材铜片25-2，底部带材固定框26，第一通电电缆螺纹孔27-1，第二通电电缆螺纹孔27-2，第一左侧板固定孔28-1，第二左侧板固定孔28-2，第三左侧板固定孔28-3，第四左侧板固定孔28-4，顶板第一通孔29-1，顶板第二通孔29-2，顶板第三通孔29-3，底板第一通孔30-1，底板第二通孔30-2，底板第三通孔30-3，顶板中央圆孔31，底板中央圆孔32，第一螺纹杆33-1，第二螺纹杆33-2，第三螺纹杆33-3，第四螺纹杆33-4，第一右侧板固定孔38-1，第二右侧板固定孔38-2，第三右侧板固定孔38-3，第四右侧板固定孔38-4，左侧固定板的第一螺纹孔39-1，左侧固定板的第二螺纹孔39-2，右侧固定板的第三螺纹孔39-3，右侧固定板的第四螺纹孔39-4，第一电压引线40-1，第二电压引线40-2，第一矩形齿槽c1，第二矩形齿槽c2，第三矩形齿槽c3，第四矩形齿槽c4，第五矩形齿槽c5，第六矩形齿槽c6，第七矩形齿槽c7，第八矩形齿槽c8，第九矩形齿槽c9，第十矩形齿槽c10，第十一矩形齿槽c11，第十二矩形齿槽c12，第十三矩形齿槽c13，第十四矩形齿槽c14，第十五矩形齿槽c15，第十六矩形齿槽c16，第十七矩形齿槽c17，第十八矩形齿槽c18，第十九矩形齿槽c19，第二十矩形齿槽c20零部件，各零部件之间的连接：

将铜线分别绕在左侧、右侧线圈骨架16、17上形成左侧、右侧跑道型线圈3、4；所述的左侧、右侧线圈骨架16、17的一端分别装配在中间磁场发生区框架第一、第二跑道型定位槽24-1、24-2中；所述的左侧、右侧线圈骨架16、17的另一端分别装配在左侧、右侧固定板跑道型定位槽1-1、2-1。

所述左侧跑道型线圈3一端的引出线从左侧固定板第一出线口13-1引出；所述左侧跑道型线圈3另一端的引出线从左侧固定板第二出线口13-2引出。

所述右侧跑道型线圈4一端的引出线从右侧固定板第三出线口13-3引出；所述右侧跑道型线圈4另一端的引出线从右侧固定板第四出线口13-4引出。

第一至第四螺纹杆33-1、33-2、33-3、33-4分别穿过第一至第四左侧板固定孔28-1、28-2、28-3、28-4及第一至第四右侧板固定孔38-1、38-2、38-3、38-4，再利用螺母在每个螺纹杆两头拧紧，使中间磁场发生区框架5、左侧跑道型线圈3、右侧跑道型线圈4、左侧固定板1及右侧固定板2搭建构成一个结构紧凑的装配体。

顶板7，见图31，与中间磁场发生区框架5，见图8，9,，10，11，12，13，通过螺栓穿过顶板第一通孔29-1与框架第一螺纹孔23-1固定连接。

底板10，见图33，与中间磁场发生区框架5通过螺栓穿过底板第一通孔30-1与框架第二螺纹孔23-2固定连接。

顶板7与左侧固定板1，见图15-18，右侧固定板2，见图19-22，通过螺栓穿过顶板第二、第三通孔29-2、29-3与左侧固定板的第一螺纹孔39-1及右侧固定板的第三螺纹孔39-3螺钉连接。

底板10与左侧、右侧固定板1、2通过螺栓穿过底板第二、第三固定通孔30-2、30-3与左侧固定板的第二螺纹孔39-2及右侧固定板的第四螺纹孔39-4螺钉连接。

带材夹与带材装配体12，见图23、24，两端分别穿过顶板中央圆孔31及底板中央圆孔32，将它放置于带材磁场通道15中；再将顶部带材夹固定圆盘8及底部带材夹固定圆盘11分别从带材夹与带材装配体12两端插入安装于顶板中央圆孔31与底板中央圆孔32中，使带材夹与带材装配体12卡在顶部带材夹固定框22及底部带材夹固定框26中；将顶部带材夹固定圆盘8的角度固定左翼21-1及角度固定右翼21-2置于第一、第二矩形齿槽c1、c2中或第十九、第二十矩形齿槽c19、c20作为初始位置。顶部带材夹固定圆盘8及底部带材夹固定圆盘11上分别设两个相同的通孔，协助带材夹与带材装配体12旋转。

再将带材通道封板19，见图14，插入中间磁场发生区框架5开口处；同时，第一、第二电压引线40-1、40-2通过电压引线孔20引出。

所述左侧固定板1和右侧固定板2呈对称状态，左侧固定板1和右侧固定板2分别设有左侧固定板跑道型定位槽1-1、右侧固定板跑道型定位槽2-1，其尺寸与左侧线圈骨架16与右侧线圈骨架17跑道型截面形状完全相同；在左侧、右侧固定板跑道型定位槽1-1、2-1弯道与直道交接部分分别设置第一、第二铜线出线口13-1、13-2及第三、第四铜线出线口13-3,、13-4，间距与线圈厚度相同。

所述的带材夹与带材装配体12包括：带材夹6、第一t形铜片9-1、第二t形铜片9-2、高温超导带材14及第一、第二电压引线40-1、40-2；所述第一、第二t形铜片9-1、9-2镶嵌在带材夹6两端，在其t形的横边上分别设有第一、第二通电电缆螺纹孔27-1、27-2；所述高温超导带材14放置于带材夹6中央矩形区域中，两端分别放置第一、第二压带材铜片25-1、25-2，通过螺钉分别穿过第一、第二压带材铜片25-1、25-2两端的通孔及第一至第四固定螺栓通道18-1、18-2、18-3、18-4与螺母连接，将高温超导带材14固定在带材夹6的中央矩形区域中；第一、第二电压引线40-1、40-2的一端分别焊接在高温超导带材14平面内距中心距离大于带材半宽的三倍的位置，拧成一股线通过电压引线孔20引出；第一、第二t形铜片9-1、9-2结构完全相同；第一、第二压带材铜片25-1、25-2结构完全相同。

所述的顶板7设有顶板中央圆孔31，其圆周上设第一至第二十矩形齿槽c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c9、c10、c11、c12、c13、c14、c15、c16、c17、c18、c19、c20，位于同一条直径上的两个矩形齿槽为一组，每组之间相隔10°，第一矩形齿槽c1与第十九矩形齿槽c19、第二矩形齿槽c2与第二十矩形齿槽c20之间相隔90°；

所述的顶部带材夹固定圆盘8两侧分别伸出角度固定左齿21-1及角度固定右齿21-2，两者中心线在同一直径上，其形状尺寸与第一至第二十矩形齿槽c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c9、c10、c11、c12、c13、c14、c15、c16、c17、c18、c19、c20完全相同，相互配合。

左侧固定板1，右侧固定板2，中间磁场发生区框架5，带材夹6，顶板7，顶部带材夹固定圆盘8，底板10，底部带材夹固定圆盘11，左侧线圈骨架16，右侧线圈骨架17，带材通道封板19，第一螺纹杆33-1，第二螺纹杆33-2，第三螺纹杆33-3，第四螺纹杆33-4及螺钉、螺母均采用聚四氟乙烯绝缘材料。

实验测量所需带材磁场通道15中的磁场强度为100mt～200mt，且磁场均匀度达97％以上，据此确定线圈的弯道直径，直道长度及线圈层数及每层匝数、铜线直径。

实验前，将左侧固定板第二出线口13-2引出的铜线与右侧固定板第二出线口13-4引出的铜线相连，将左侧、右侧跑道型线圈3、4进行串联连接；左侧固定板第一出现口13-1及右侧固定板第二出现口13-3引出的铜线分别连接可编程控制直流电源的正负极，为左侧、右侧跑道型线圈3、4同时提供电能，使左侧、右侧跑道型线圈通过的电流相同，产生的磁场大小方向一致。高温超导带材14通过第一通电电缆螺纹孔27-1，第二通电电缆螺纹孔27-2与锁相放大器进行连接。锁相放大器输出的信号较小，因此在测量过程中加入功率放大器及降压放大器，将电流最高升至250a以满足测试需要。罗氏线圈的引线接入锁相放大器a通道，第一电压引线40-1与第二电压引线40-2接入b通道。两路电压的采集通过锁相在a、b两路通道中来回切换而实现。高温超导带材14的阻性电压信号v由锁相放大器测量，传输电流i大小罗氏线圈进行测量。

实验时，将本发明装置装入耐低温容器中，调整高温超导带材14至初始位置第一、第二矩形齿槽c1、c2中后，缓慢通入液氮直至装置全部浸泡于液氮中，并持续冷却10～15min。开通可编程控制直流电源给左侧、右侧跑道型线圈供电。开通锁相放大器、功率放大器、降压变压器给高温超导带材供电。通过锁相放大器测量的电压参数及罗氏线圈测量到的传输电流参数，由q＝iv计算出初始状态下高温超导带材14的交流损耗。

将角度固定左齿21-1，角度固定右齿21-2放入与第三、第四矩形齿槽c3、c4中，即将高温超导带材14在磁场中旋转了10°，测出此时电压电流参数，计算出当前状态下的交流损耗；再将角度固定左齿21-1，角度固定右齿21-2放入与第五、第六矩形齿槽c5、c6中，即将高温超导带材14在磁场中旋转了20°，测出此时电压电流参数，计算交流损耗；同理，可算出0°～90°的高温超导带材14的交流损耗。

改变高温超导带材传输电流大小，重复上述实验步骤，可测出不同电流下高温超导带材各向异性。

将霍尔元件安装在高温超导带材14中央，通过测量霍尔元件的电压并利用相应的公式计算出高温超导带材14所处的磁场大小。通过改变可编程控制直流电源通入左侧、右侧跑道型线圈3、4电流大小，改变磁场幅值并利用霍尔元件进行测量，可对高温超导带材14进行不同背场下交流损耗特性变化进行测量研究。

本发明装置可测量高温超导带材14：传输电流及外界磁场强度不变时，不同磁场角度下交流损耗变化；传输电流大小及一定磁场角度下，外界磁场变化对交流损耗产生的影响；外界磁场强度不变时，一定磁场角度下，不同传输电流引起交流损耗的变化。

本发明操作简单，使用方便，测量准确，相较于传统的背景磁体，跑道型背景磁体具有长度更长，均匀性更优的背景磁场，更有利于宽厚比较大的高温超导带材交流损耗特性测量，同时也可用于高温超导带材临界电流特性测量，功能多样化。使用装置时，将装置平放至耐低温容器中，可有效减少液氮材料的使用。