适用于动态超导磁体内外杜瓦的支撑装置及动态超导磁体的制作方法

1.本实用新型涉及机械支撑技术领域，尤其涉及一种适用于动态超导磁体内外杜瓦的支撑装置及动态超导磁体。


背景技术：

2.超导电动磁悬浮技术以其被动自稳定悬浮技术特点，在高速及超高速磁浮交通领域具有广阔的应用前景。例如，日本山梨磁浮线，采用电动磁悬浮技术实现了603km/h，迄今为止是地面轨道交通最高的载人运行速度。
3.超导磁体作为电动悬浮系统的核心组成部分，为地面悬浮导向线圈、推进模组提供稳定的强磁场，承受运行过程中的推进、悬浮、制动，推力波动、磁场扰动引起的振动等载荷。因超导磁体独特的工作环境，磁体为双层真空杜瓦绝热结构，既要满足在有限空间内将线圈或内杜瓦产生的电磁载荷可靠传递至外杜瓦或外部接口，又要降低支撑结构传导漏热，为超导创造极低温的工作环境。因此，双层真空杜瓦即内杜瓦、外杜瓦之间需采用高强度、低漏热支撑，确保可靠传递电磁载荷，同时进一步提高内外杜瓦之间的支撑刚性。
4.传统的静态超导磁体，如mri，内外杜瓦之间通常采用复材拉杆式连接，以支撑内杜瓦并降低漏热。因静态超导磁体并不传递电磁载荷，内外杜瓦之间不会存在相对运动，复材拉杆式支撑方式满足要求。然而，对于动态超导磁体，内外杜瓦之间会存在剧烈的相对运动，现有的复材拉杆式支撑方式不再适用，必须采用可靠、固定连接方式，降低因内外杜瓦相对运动，或者内杜瓦弯曲、扭转变形引发的失超风险。


技术实现要素：

5.本实用新型提供了一种适用于动态超导磁体内外杜瓦的支撑装置及动态超导磁体，能够解决现有技术中的技术问题。
6.本实用新型提供了一种适用于动态超导磁体内外杜瓦的支撑装置，其中，该装置包括空心结构件、绝热材料层、嵌套结构件、第一弹性元件和第二弹性元件，所述绝热材料层设置在所述空心结构件的外表面，所述嵌套结构件设置有凹槽，所述第一弹性元件与所述第二弹性元件设置在所述凹槽底部，所述空心结构件的一端插入有氦槽顶头，所述空心结构件的另一端部分插入所述凹槽且与所述第一弹性元件接触，所述嵌套结构件穿过外杜瓦背板使所述氦槽顶头与内杜瓦背板接触并使所述第一弹性元件与所述第二弹性元件处于压缩状态。
7.优选地，该装置还包括密封端盖，用于对暴露在所述外杜瓦背板外侧的所述嵌套结构件进行真空密封。
8.优选地，所述嵌套结构件外表面设置有外螺纹，所述外螺纹与所述外杜瓦背板的螺纹孔适配，通过旋转所述嵌套结构件使所述氦槽顶头与内杜瓦背板接触并使所述第一弹性元件与所述第二弹性元件处于压缩状态。
9.优选地，所述空心结构件为圆柱型空心结构件，所述空心结构件的材料为复合材
料。
10.优选地，所述空心结构件内表面涂覆有绝热润滑材料。
11.优选地，所述第一弹性元件与所述第二弹性元件为金属弹垫、金属弹簧、弹性橡胶件或弹性金属件。
12.优选地，所述嵌套结构件的材料为金属。
13.优选地，所述绝热材料层的材料为玻璃丝布。
14.本实用新型还提供了一种动态超导磁体，其中，该动态超导磁体包括上述的支撑装置。
15.优选地，所述支撑装置的数量为8个，对应于所述动态超导磁体的超导线圈的8个对称点位进行设置。
16.通过上述技术方案，可以在动态超导磁体的内外杜瓦之间设置支撑装置，并利用预压方式使弹性元件发生一定形变。当内杜瓦因制冷发生冷缩变形时，弹性元件释放弹性势能，补偿因内杜瓦冷缩导致的内外杜瓦压缩支撑松动，确保内外杜瓦支撑刚性。
附图说明
17.所包括的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本实用新型的实施例，并与文字描述一起来阐释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为根据本实用新型实施例的一种适用于动态超导磁体内外杜瓦的支撑装置的结构示意图；
19.图2a和2b为根据本实用新型实施例的一种适用于动态超导磁体内外杜瓦的支撑装置的截面图；
20.图3为根据本实用新型实施例的一种八点对称分布式支撑点位布局示意图。
具体实施方式
21.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
23.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技
术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
24.图1为根据本实用新型实施例的一种适用于动态超导磁体内外杜瓦的支撑装置的结构示意图。
25.图2a和2b为根据本实用新型实施例的一种适用于动态超导磁体内外杜瓦的支撑装置的截面图。
26.如图1和2所示，本实用新型实施例提供了一种适用于动态超导磁体内外杜瓦的支撑装置，其中，该装置包括空心结构件2、绝热材料层3、嵌套结构件4、第一弹性元件5和第二弹性元件6，所述绝热材料层3设置在所述空心结构件2的外表面，所述嵌套结构件4设置有凹槽，所述第一弹性元件5与所述第二弹性元件6设置在所述凹槽底部，所述空心结构件2的一端插入有氦槽顶头1 (即，氦槽顶头1插入所述空心结构件2的一端)，所述空心结构件2的另一端部分插入所述凹槽且与所述第一弹性元件5接触，所述嵌套结构件4穿过外杜瓦背板8使所述氦槽顶头1与内杜瓦背板9接触并使所述第一弹性元件5与所述第二弹性元件6处于压缩状态。
27.通过上述技术方案，可以在动态超导磁体的内外杜瓦之间设置支撑装置，并利用预压方式使弹性元件发生一定形变(即，通过施加预压力方式提高内外杜瓦支撑刚性，空心结构件承受压缩载荷)。当内杜瓦因制冷发生冷缩变形时，弹性元件释放弹性势能，补偿因内杜瓦冷缩导致的内外杜瓦压缩支撑松动，确保内外杜瓦支撑刚性。
28.也就是，可以提高超导磁体内外杜瓦之间的刚性，降低磁体运动过程中内外杜瓦之间的相对位移，进而提高超导磁体的抗失超能力。
29.通过设置绝热材料层可以避免与金属结构件直接接触或增大与金属结构件之间的接触热阻，进一步降低漏热，实现低漏热、高刚性的动态超导磁体内外杜瓦支撑，降低磁体失超风险。此外，也可以通过涂抹绝热脂、优化减小支撑件截面积等方式来实现上述目的。
30.其中，所述第一弹性元件5与所述第二弹性元件6可以为相同的元件，且二者的设置位置可以互换(即，如图1所示的，第二弹性元件6设置在凹槽底面上，第一弹性元件5可以设置在第二弹性元件6上；可替换地，第一弹性元件5设置在凹槽底面上，第二弹性元件6可以设置在第一弹性元件5上)。
31.根据本实用新型一种实施例，该装置还包括密封端盖7，用于对暴露在所述外杜瓦背板8外侧的所述嵌套结构件4进行真空密封。
32.也就是，所述嵌套结构件4穿过外杜瓦背板8后，有一部分是位于外杜瓦背板8的外侧，通过密封端盖7进行真空密封，可以同时承受部分支撑载荷，改善嵌套结构件4的受力特性。
33.其中，密封端盖7可以采用焊接方式焊接于外杜瓦背板8上。
34.根据本实用新型一种实施例，所述嵌套结构件4外表面设置有外螺纹，所述外螺纹与所述外杜瓦背板8的螺纹孔适配，通过旋转所述嵌套结构件4使所述氦槽顶头1与内杜瓦
背板9接触并使所述第一弹性元件5与所述第二弹性元件6处于压缩状态。
35.也就是，可以通过旋拧螺纹方式压缩内置于空心结构件与金属嵌套结构件之间的弹性元件，使弹性元件发生压缩形变，储存弹性势能并支撑在内外杜瓦之间。
36.根据本实用新型一种实施例，所述空心结构件2为圆柱型空心结构件，所述空心结构件2的材料为复合材料。
37.其中，圆柱型空心结构件与氦槽顶头和凹槽的插入方式可以为同心设置 (即，同心支撑方式)。由此，在同心设置的基础上利用复合材料高抗压缩强度、低漏热的特点，可以更好地抵抗因超导线圈电磁载荷引起的内外杜瓦相对运动、内杜瓦扭转、弯曲变形(即，提高了内杜瓦抗弯、抗扭刚性)。
38.举例来讲，复合材料可以为碳纤维、玻璃纤维、三氧化二铝纤维或g10\g11。其他具有低热导率、高压缩强度的复合材料也可以引用于本实用新型。
39.本领域技术人员应当理解，上述空心结构件的形状仅仅是示例性的，并非用于限定本实用新型，其他空心截面形式也可以应用于本实用新型。
40.根据本实用新型一种实施例，所述空心结构件2内表面涂覆有绝热润滑材料。
41.举例来讲，可以涂覆真空润滑脂、绝热脂等兼具润滑和增大接触热阻的绝热润滑材料。
42.根据本实用新型一种实施例，所述第一弹性元件5与所述第二弹性元件6 为金属弹垫、金属弹簧、弹性橡胶件或弹性金属件。
43.举例来讲，在第一弹性元件和第二弹性元件采用金属材料时，金属材料可以为不锈钢或钛合金。
44.本领域技术人员应当理解，上述关于弹性元件的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本实用新型，其他具有储存弹性势能的金属/橡胶结构元件也可以用作本实用新型的弹性元件。
45.根据本实用新型一种实施例，所述嵌套结构件4的材料为金属。
46.举例来讲，所述嵌套结构件4的材料为钛合金或不锈钢(高强不锈钢)。
47.根据本实用新型一种实施例，所述绝热材料层3的材料为玻璃丝布。
48.玻璃丝布可以通过缠绕包裹的方式设置在空心结构件2外表面。
49.其中，绝热材料层3的层数可以为多层，本实用新型不对此进行限定。
50.本实用新型还提供了一种动态超导磁体，其中，该动态超导磁体包括上述实施例所述的支撑装置。
51.通过上述技术方案，可以在动态超导磁体的内外杜瓦之间设置支撑装置，并利用预压方式使弹性元件发生一定形变(即，通过施加预压力方式提高内外杜瓦支撑刚性，空心结构件承受压缩载荷)。当内杜瓦因制冷发生冷缩变形时，弹性元件释放弹性势能，补偿因内杜瓦冷缩导致的内外杜瓦压缩支撑松动，确保内外杜瓦支撑刚性。
52.根据本实用新型一种实施例，所述支撑装置的数量为8个，对应于所述动态超导磁体的超导线圈10的8个对称点位11进行设置。
53.也就是，每个点位11对应设置一个支撑装置，通过8个支撑装置同时对内外杜瓦进行支撑。
54.举例来讲，如图3所示，对于跑道形超导线圈，可以在超导线圈的中间布置四个点
位11，在超导线圈的4个角点各布置一个点位11。
55.由此，可以采用八点对称分布式多点支撑方式，提高内外杜瓦之间的支撑刚性以及内杜瓦抗弯、抗扭刚性，从而确保全工作过程内外杜瓦处于压缩支撑状态。
56.本领域技术人员应当理解，上述点位数量和支撑装置数量的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本实用新型，可根据实际情况适当增减支撑点位。
57.举例来讲，在实际运用过程中，可以首先通过截面优化设计，确定复材支撑件(空心结构件)截面形式和截面积大小；复材支撑件表面包裹绝热材料层，增大复材与金属接触热阻等方式降低漏热。其次，可以将金属或非金属结构弹性元件内置于复材支撑件和金属嵌套结构件的同心支撑结构内，通过外杜瓦螺纹孔与金属嵌套结构件外表面对应的外螺纹，经旋拧螺纹方式预压弹性元件(例例如，嵌套结构件具有方头，可以通过旋拧方头使氦槽顶头与内杜瓦背板接触，进而压缩弹性元件，从而在内外杜瓦之间施加复材支撑件受压的支撑载荷)，使复材支撑件承受压缩载荷并牢牢固定在内外杜瓦之间。此外，在超导线圈对应内杜瓦位置设置八点对称多点分布式支撑点位，抵抗因超导线圈电磁载荷引起的内外杜瓦相对运动、内杜瓦扭转、弯曲变形。当内杜瓦温度降低至超导工作温区，弹性元件释放弹性势能补偿内杜瓦冷缩引发的支撑松动，通过增大接触热阻、采用低漏热复材、优化支撑截面等多种形式达到极低漏热，进而增强内外杜瓦支撑刚性，提高内杜瓦抗弯、抗扭变形能力的效果。
58.从上述实施例可以看出，本实用新型通过内置金属弹垫/金属橡胶/低温橡胶/弹性金属等具有储存弹性势能的金属或非金属结构弹性元件，利用预压方式使弹性元件发生一定形变。当内杜瓦因制冷发生冷缩变形时，弹性元件释放弹性势能，补偿因内杜瓦冷缩导致的内外杜瓦压缩支撑松动，确保内外杜瓦支撑刚性。单个超导线圈对应的内外杜瓦之间，设置复合材料制成的空心圆截面同心支撑结构，八点对称分布式多点支撑方式，抵抗因超导线圈电磁载荷引起的内外杜瓦相对运动、内杜瓦扭转、弯曲变形；通过复材高抗压缩强度、低漏热、优化支撑截面、缠绕玻璃丝布/多层绝热材料等方式提高复材与金属接触热阻，达到极低漏热下，内外杜瓦支撑刚性增强，提高内杜瓦抗弯、抗扭变形能力的效果。此外，支撑装置为独立体，可在磁体总装完成后，经外杜瓦加工的螺纹孔进行装配，具有简单、方便的优点。
59.也就是，本实用新型利用高强度、绝热支撑结构设计、点位布置，提高超导磁体内外杜瓦之间的弯曲、扭转刚性。此外，通过绝热设计，达到低漏热磁体刚性增强设计。
60.在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
61.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器
件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
62.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
63.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。