用于提高脉冲磁体重复频率的绕组、脉冲磁体及冷却方法与流程

本发明涉及脉冲磁场产生设备技术领域，特别是涉及一种用于提高脉冲磁体重复频率的绕组、脉冲磁体及冷却方法。

背景技术：

强磁场为现代科学研究提供重要的实验条件。强磁场主要包括脉冲强磁场和稳态强磁场两种类型。脉冲强磁场可以提供更高强度的磁场，能满足某些实验对高强度磁场的要求，重频脉冲强磁场则能满足某些对脉冲磁场重复运行频率有特别要求的仪器设备或科学实验的需求。

脉冲大电流通过脉冲磁体绕组(放电)时产生脉冲强磁场，磁体绕组亦会产生并沉积大量的焦耳热。通常，脉冲磁体的散热性能较差，因此，脉冲磁体放电后所需的冷却时间较长，从而限制了脉冲磁体的重复运行频率的提高。

进一步优化脉冲磁体的结构设计，以提高脉冲磁体的冷却速度，达到提高脉冲磁体重复运行频率的目的，是本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

技术实现要素：

针对上述提出的进一步优化脉冲磁体的结构设计，以提高脉冲磁体的冷却速度，达到提高脉冲磁体重复运行频率的目的，是本领域技术人员亟待解决的技术问题之一，本发明提供了一种用于提高脉冲磁体重复频率的绕组、脉冲磁体及冷却方法，采用本方案提供的结构设计和冷却方法，可有效提高脉冲磁体的冷却速度，以提高脉冲磁体的重复运行频率。

本方案的技术手段如下，用于提高脉冲磁体重复频率的绕组，包括由导线绕制而成的绕组导体本体，所述导线为其上设置有流体孔的管状结构。

通常对于10ms～100ms放电脉宽，40t，20mm口径左右的磁体，目前的重频运行能力还不到1次/10分钟(即冷却时间大于10分钟)。

针对脉冲磁体的冷却问题，目前主要通过以下方式来提高脉冲磁体的重复运行频率：(1)降低磁场强度和脉宽以减少磁体发热；(2)减少作为紧固层的不良导热材料的使用或采用其他导热能力较高但抗拉伸强度较低的材料作为紧固层以改善脉冲磁体散热性能，与此同时磁场强度也将降低；(3)减小磁体孔径、缩小磁体体积，从而减小磁体发热，以加快磁体冷却。上述三种方式均是以降低脉冲磁场的性能(场强、脉宽、孔径)为代价来提高脉冲磁体的重复运行频率。

同时现有技术中，基于脉冲磁体各层绕组受力特征，亦有采用将脉冲磁体分割为内、外两个相互独立的线圈，各线圈作为独立的受力单元分别进行设计和加工，再将两线圈嵌套并在线圈间预留冷却通道，该方法增大了脉冲磁体的散热面积，可使脉冲磁体的冷却效率提高3倍左右。

本方案中，采用空心导线绕制脉冲磁体绕组：即所述绕组导体本体即为由导线绕制而成线圈。设置为导线为具有流体孔的管状结构，即脉冲磁体上的绕组绕制成型后，脉冲磁体上绕组的两端分别为流体孔的两个管口，通过向流体孔中注入用于冷却的流体，可通过所述流体将脉冲磁体放电时所产生的热量快速导出磁体，在不明显降低脉冲磁场的强度、脉宽、孔径等的设计基础上，可大幅提高脉冲磁体的冷却速度，可将脉冲磁体的冷却时间由现有的数十分钟缩短到数十秒，达到：通过冷却介质的热传导和/或相变的方式将沉积在脉冲磁体内的欧姆热快速导出脉冲磁体，从而实现脉冲磁体的快速冷却：通过提高脉冲磁体的冷却速度，可有效提高脉冲磁体的重复运行频率。

考虑到脉冲磁体工作过程中的受力，针对脉冲磁体的结构设计，优选采用设置为脉冲磁体采用层间分离方案，如脉冲磁体内部在径向方向上包括多层的绕组，绕组层与层之间采用层间紧固层紧固绕组，同时层间紧固层优选采用纤维材料，以达到绝缘和有效加固目的。

本方案中，通过将绕组本身设置为包括作为冷却介质流通通道的流体孔，这样，由于导线由导电金属制备，故如通过现有金属材料的挤压成型工艺可方便制备出具有流体孔且方便绕线的导线；同时，以上流体孔引入冷却介质时，并不影响导线外壁之间的绝缘、电气性能以及同时作为强度层的绝缘层，故采用本方案还可使得脉冲磁体各部分之间结合紧密、整体结构紧凑，利于保证脉冲磁体性能和强度。

具体的，采用空心导线绕制绕组，绕组导线同时作为导电载体和导流管道。通过在空心绕组导线内注入如高压冷却介质将因脉冲放电而沉积在脉冲磁体绕组内的热快速导出脉冲磁体，从而提高脉冲磁体的冷却速度，达到提高脉冲磁体重复运行频率的目的。采用空心导线会在一定程度上降低脉冲磁体绕组的力学强度，但对于30～40t，口径20mm左右的脉冲磁体(中等口径中等强度的脉冲磁体)，仿真计算表明，空心导线的力学强度能满足设计要求。采用空心导线会减少导线的导电面积，相对于同等尺寸实心导线所绕制的脉冲磁体绕组，绕组电阻要大，从而绕组沉积的焦耳热要大，但相比本快速冷却方法带来的散热能力的提高要小得多：对于30～40t，口径20mm左右的脉冲磁体，通常可将冷却时间由数十分钟降低到数十秒钟。

作为所述的用于提高脉冲磁体重复频率的绕组进一步的技术方案：

为使得导线能够绕制出结构紧凑的脉冲磁体，以保证脉冲磁体的性能以及使用过程中的性能稳定性，设置为：所述导线呈矩管状。采用本方案，在具体绕制脉冲磁体时，通过采用导线靠近脉冲磁体轴线的一侧与脉冲磁体的轴线平行，即可方便的获得结构紧凑的脉冲磁体。

在导线的横截面上，所述流体孔的截面呈椭圆形。本方案的结构设计旨在：首先，如通过挤压成型工艺，便于加工获得导线；其次椭圆形的流体孔在脉冲磁体工作时不易变形。在具体运用时，其在脉冲磁体工作时所呈现的力学强度更好，不易形变。在具体运用时，设置为在脉冲磁体的纵向截面上，截面位置处的流体孔的长轴方向位于脉冲磁体的轴线方向上，这样，在脉冲磁体放电的数十毫秒之内，在洛伦兹力下，所述椭圆形空心导线绕制的脉冲磁体绕组不易发生形变，从而冷却通道不易发生坍缩，利于保证脉冲磁的性能。

同时，本发明还公开了一种脉冲磁体，包括如上所述的绕组。本方案公开了一种包括所述绕组的脉冲磁体。该脉冲磁体不仅冷却迅速，可重复运行频率高；同时包括该冷却方案的脉冲磁体电气性能好、力学性能好。

作为所述脉冲磁体进一步的技术方案，所述导线呈矩管状，在脉冲磁体的纵向截面上，导线的其中两条边的长度方向位于脉冲磁体的轴线方向，另外两条边的长度方向位于脉冲磁体的径向方向。本方案旨在限定导线的具体形态，以实现如上所述的脉冲磁体结构紧凑。如优选设置为以上纵向截面呈长方形状，导线的其中两条长边位于脉冲磁体的轴线方向，另外两条短边位于脉冲磁体的径向方向。

在导线的横截面上，所述流体孔的截面呈椭圆形，且流体孔的长轴方向位于脉冲磁体的轴线方向。本方案旨在限定导线的具体绕制形态，以实现如上所述的流体孔的长轴方向位于脉冲磁体的轴线方向。

还包括匝间绝缘层，所述匝间绝缘层作为在脉冲磁体轴线方向上，相邻两线圈匝之间的绝缘层，所述匝间绝缘层为纤维层。由于针对绕组，其实际上为由导线绕制的线圈，完成绕制后，脉冲磁体上的导线实际上为一根完整的导线，故完成绕制的导线形态呈螺旋状，为实现所述的轴向方向绝缘，实际上轴线绝缘层优选设置为夹持在脉冲磁体轴线方向上的相邻两线圈匝之间的薄层。本方案中，对所述匝间绝缘层的材料限定旨在使得其可为强度层以优化脉冲磁体的绝缘性能。

作为脉冲磁体的具体方案，设置为：在脉冲磁体的径向方向上，绕组导体本体为多层；

还包括层间紧固层，所述层间紧固层作为相邻两绕组导体本体之间的绝缘层和紧固层，所述层间紧固层为纤维层。本方案即为绕组的具体实现方案：绕组为多层不仅可保证脉冲磁体的性能参数，层与层之间间隔分布，层与层之间具有层间紧固层，对层间紧固层的材料限定，亦旨在使得其不仅能够实现层与层之间的紧固，同时发挥绝缘隔离的作用。

同时，本发明还公开了一种脉冲磁体冷却方法，该方法用于对如上所述绕组进行冷却，该方法为向所述流体孔中注入冷却介质。本方案为如上所述的脉冲磁体或绕组的冷却方案，通过所述冷却介质带走脉冲磁体工作过程中所产生的热量，可有效提高脉冲磁体的重复运行频率；同时本方法易于实现；同时本方法不会对脉冲磁体产生不利影响。

作为所述脉冲磁体冷却方法进一步的技术方案，所述冷却介质为以下介质中的任意一种：气体介质、液体介质、气液混合介质。

针对如上提供的脉冲磁体整体方案，最为本领域技术人员，为保证脉冲磁体的整体强度和绝缘性能，设置为还包括作为脉冲磁体最外层的外层包裹层以及作为脉冲磁体端部的端部绝缘层，所述外层包裹层及端部绝缘层均优选采用纤维材料，以在发挥绝缘的同时作为脉冲磁体的强度层以承受脉冲磁体工作时的洛伦兹力。

本发明具有以下有益效果：

本方案提供的技术方案提出了一种适宜脉冲磁体的新的冷却形式，该冷却形式可很好的融入复杂和极端的脉冲磁体内部环境中，且兼顾脉冲磁体性能，如磁场强度、脉宽、磁体孔径、磁场均匀度、磁体尺寸、磁体寿命等，同时也从加工的角度上考虑到了技术方案的经济性、加工工艺难度，同时由于本脉冲磁体的冷却配套相应的用于提供和循环冷却介质的冷却系统即可，故本技术方案还具有易于实施、方便维护等特点。

附图说明

图1是本发明所述的脉冲磁体一个具体实施例的结构示意图，该示意图为脉冲磁体的纵向剖视图，且两个剖面过脉冲磁体的轴线；

图2是图1所示a部的局部放大图；

图3是本发明所述的脉冲磁体一个具体实施例中，导线的横截面图。

图中的附图标记分别为：1、绕组导体本体，2、层间紧固层，3、外层包裹层，4、匝间绝缘层，5、流体孔，6、导线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。

实施例1：

如图1至图3所示，用于提高脉冲磁体重复频率的绕组，包括由导线6绕制而成的绕组导体本体1，所述导线6为其上设置有流体孔5的管状结构。

针对脉冲磁体的冷却问题，目前主要通过以下方式来提高脉冲磁体的重复运行频率：(1)降低磁场强度和脉宽以减少磁体发热；(2)减少作为强度层的绝缘层的材料使用以改善脉冲磁体散热性能；(3)减小磁体孔径、缩小磁体体积，以加快磁体冷却。上述三种方式均是以降低脉冲磁场的强度、脉宽、孔径等为代价来换取磁场重复频率的提高。

同时现有技术中，亦有采用将脉冲磁体分割为内、外两个相互独立的线圈，各线圈作为独立的受力单元分别进行设计和加工，再将两线圈嵌套并在线圈间预留冷却通道，该方法增大了脉冲磁体的散热面积，但该方法仅能将脉冲磁体的冷却时间由几小时缩短到半小时左右。

本方案中，所述绕组导体本体1即为由导线6绕制而成线圈，设置为导线6为具有流体孔5的管状结构，即脉冲磁体上的绕组绕制成型后，脉冲磁体上绕组的两端分别为流体孔5的两个管口，通过向流体孔5中注入用于冷却的流体，可通过所述流体将脉冲磁体放电时所产生的热量快速导出磁体，在不明显降低脉冲磁场的强度、脉宽、孔径等的设计基础上，可大幅提高脉冲磁体的冷却速度，可将脉冲磁体的冷却时间由现有的数十分钟缩短到数十秒，达到：通过冷却介质的热传导和/或相变的方式将沉积在脉冲磁体内的欧姆热快速导出脉冲磁体，从而实现脉冲磁体的快速冷却：通过提高脉冲磁体的冷却速度，可有效提高脉冲磁体的重复运行频率。

考虑到脉冲磁体工作过程中的受力，针对脉冲磁体的结构设计，优选采用设置为脉冲磁体采用层间分离方案，如脉冲磁体内部在径向方向上包括多层的绕组，绕组层与层之间采用层间紧固层2隔离密封，同时层间紧固层2优选采用纤维材料，以达到绝缘和有效加固目的。本方案中，通过将绕组本身设置为包括作为冷却介质流通通道的流体孔5，这样，由于导线6由导电金属制备，故如通过现有金属材料的挤压成型工艺可方便制备出具有流体孔5且方便绕线的导线6；同时，以上流体孔5引入冷却介质时，并不影响导线6外壁之间的绝缘、电气性能以及同时作为强度层的绝缘层，故采用本方案还可使得脉冲磁体各部分之间结合紧密、整体结构紧凑，利于保证脉冲磁体性能和强度。

采用本方案，如通常一个40t、口径20mm左右的脉冲磁体的冷却时间需要数十分钟，采用本方案，可使得脉冲磁体的冷却时间缩短到数十秒。

同时，本实施例还公开了一种脉冲磁体，包括如上所述的绕组。本方案公开了一种包括所述绕组的脉冲磁体。该脉冲磁体不仅冷却迅速，可重复运行频率高；同时包括该冷却方案的脉冲磁体电气性能好、力学性能好。

同时，本实施例还公开了一种脉冲磁体冷却方法，该方法用于对如上所述绕组进行冷却，该方法为向所述流体孔5中注入冷却介质。本方案为如上所述的脉冲磁体或绕组的冷却方案，通过所述冷却介质带走脉冲磁体工作过程中所产生的热量，可有效提高脉冲磁体的重复运行频率；同时本方法易于实现；同时本方法不会对脉冲磁体产生不利影响。

实施例2：

如图1至图3所示，本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：为使得导线6能够绕制出结构紧凑的脉冲磁体，以保证脉冲磁体的性能以及使用过程中的性能稳定性，设置为：所述导线6呈矩管状。采用本方案，在具体绕制脉冲磁体时，通过采用导线6靠近脉冲磁体轴线的一侧与脉冲磁体的轴线平行，即可方便的获得结构紧凑、力学性能良好的脉冲磁体。

在导线6的横截面上，所述流体孔5的截面呈椭圆形。本方案的结构设计旨在：首先，如通过挤压成型工艺，便于加工获得导线6；其次椭圆形的流体孔5在脉冲磁体工作时不易变形。在具体运用时，设置为在脉冲磁体的纵向截面上，截面位置处的流体孔5的长轴方向位于脉冲磁体的轴线方向上，这样，在脉冲磁体工作的数十毫秒之内，在洛伦兹力下，所述导线6的各点不易因形变而改变流体孔5的形状，这样，流体孔5在脉冲磁体冷却时不易发生堵塞。

本实施例中，针对如上提供的脉冲磁体整体方案，最为本领域技术人员，为保证脉冲磁体的整体强度和绝缘性能，设置为还包括作为脉冲磁体最外层的外层包裹层3以及作为脉冲磁体端部的端部绝缘层，所述外层包裹层3及端部绝缘层均优选采用纤维材料，以在发挥绝缘的同时作为脉冲磁体的强度层以承受脉冲磁体工作时的洛伦兹力。

实施例3：

如图1至图3所示，本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：作为所述脉冲磁体进一步的技术方案，所述导线6呈矩管状，在脉冲磁体的纵向截面上，导线6的其中两条边的长度方向位于脉冲磁体的轴线方向，另外两条边的长度方向位于脉冲磁体的径向方向。本方案旨在限定导线6的具体形态，以实现如上所述的脉冲磁体结构紧凑。

在导线6的横截面上，所述流体孔5的截面呈椭圆形，且流体孔5的长轴方向位于脉冲磁体的轴线方向。本方案旨在限定导线6的具体绕制形态，以实现如上所述的流体孔5的长轴方向位于脉冲磁体的轴线方向。

还包括匝间绝缘层4，所述匝间绝缘层4作为在脉冲磁体轴线方向上，相邻两线圈匝之间的绝缘层，所述匝间绝缘层4为纤维层。由于针对绕组，其实际上为由导线6绕制的线圈，完成绕制后，脉冲磁体上的导线6实际上为一根完整的导线6，故完成绕制的导线6形态呈螺旋状，为实现所述的轴向方向绝缘，实际上轴线绝缘层优选设置为夹持在脉冲磁体轴线方向上的相邻两线圈匝之间的薄层。本方案中，对所述匝间绝缘层4的材料限定旨在使得其可为强度层以优化脉冲磁体的绝缘性能。

作为脉冲磁体的具体方案，设置为：在脉冲磁体的径向方向上，绕组导体本体1为多层；

还包括层间紧固层2，所述层间紧固层2作为相邻两绕组导体本体1之间的绝缘层和紧固层，所述层间紧固层2为纤维层。本方案即为绕组的具体实现方案：绕组为多层不仅可保证脉冲磁体的性能参数，层与层之间间隔分布，层与层之间具有层间紧固层2，对层间紧固层2的材料限定，亦旨在使得其不仅能够实现层与层之间的紧固，同时发挥绝缘隔离的作用。

实施例4：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：作为所述脉冲磁体冷却方法进一步的技术方案，所述冷却介质为以下介质中的任意一种：气体介质、液体介质、气液混合介质。作为本领域技术人员，以上冷却介质在吸收热量时，是否发生相变均可。针对现有脉冲磁体的具体设计参数，如导线6上流体孔5的孔径、导线6的长度、导线6的承压能力、现有加压设备的性能、流体输送设备的性能和现有密封技术等，可设置为以上进入流体孔的冷却介质为压力介质，具体压力范围根据现有脉冲磁体的具体设计参数，可具体在1～10mpa范围内进行选择。以上为压力介质的方案，能实现导热介质在流体孔内的快速流动，从而提高热交换能力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在对应发明的保护范围内。