一种径向加固的饼式结构磁体及其形成方法

1.本发明属于脉冲强磁场技术领域，更具体地，涉及一种径向加固的饼式结构磁体及其形成方法。


背景技术：

2.脉冲强磁场是现代基础科学研究的重要工具，随着凝聚态物理、生物医学、纳米科学以及微重力学等基础研究的不断深入，研究人员对脉冲磁场强度提出了更高的要求。目前，美国强磁场实验室设计的脉冲磁体已经产生100.75t磁场，保持着“非破坏性”脉冲磁场的世界纪录，法国强磁场实验室和德国强磁场实验室分别产生了98.8t和95.6t的脉冲磁场。我国的武汉国家脉冲强磁场科学中心一直致力于脉冲强磁场的研究，将目标瞄准为100t脉冲磁场，最终实现了94.88t磁场，创造了新的亚洲纪录。
3.对于产生超过80t磁场以上的高场脉冲磁体，需要在毫秒级时间内通入巨大的电流，瞬间产生强大的电磁应力和巨大的温升，因此脉冲磁体的体积需要不断增大以抵抗应力和温升。目前，对于80t以上的磁体线圈，其半径超过500mm，而对大半径的线圈进行加固时，使用传统的加固方法即纤维环向加固，加固效率极低。因为磁体线圈半径较大导致环向加固的纤维厚度变厚，电磁应力仅在内层的加固层内传递，不能有效地传递到外层加固层，因此外层加固层不能有效地分担电磁力，导致纤维环向加固对大半径线圈失去加固效果，这也是目前各国强磁场实验室冲击100t磁场失败的主要原因。因此高场脉冲磁体的纤维环向加固技术已经不能抵御磁体内部的巨大电磁力，严重阻碍着高场脉冲磁体的技术发展。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种径向加固的饼式结构磁体及其形成方法，以解决现有纤维环向加固技术不能抵御磁体内部的巨大电磁力，且外层径向加固层不能有效地分担电磁力，导致纤维环向加固对大半径线圈失去加固效果的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种径向加固的饼式结构磁体，每个所述中空饼式线圈由中心向边缘依次包括中空骨架、线圈层和径向加固层；所述线圈层由导线沿所述中空骨架的周向缠绕多匝形成，从而得到中空线圈；所述径向加固层由绝缘的加固纤维沿所述中空线圈的径向缠绕多圈形成，从而得到沿径向加固的所述中空饼式线圈。
6.进一步的，所述径向加固层的厚度为0.5mm-3mm；优选的，所述径向加固层的多圈加固纤维均匀排布。
7.进一步的，所述线圈层为单层线圈。
8.进一步的，所述单层线圈的多匝导线圈均匀分布；更优选的，相邻两匝线圈抵靠接触。
9.进一步的，相邻所述中空饼式线圈之间的线圈层不接触。
10.进一步的，所述中空饼式线圈两两之间通过电极接头连接，且所述电极接头将相邻中空饼式线圈隔绝开。
11.进一步的，多个所述中空饼式线圈的线圈层的导线端面形状不同；优选的，所述导线的端面形状为矩形或圆形；更优选的，矩形导线的端面尺寸为1mm
×
3mm至10mm
×
20mm，圆形导线的端面直径为2mm至20mm。
12.更进一步的，多个所述中空饼式线圈的线圈层的导线电导率不同；优选的，所述导线的电导率为20％-100％iacs。
13.根据本发明的另一个方面，还提供一种如前任一项所述的径向加固的饼式结构磁体的形成方法，包括如下步骤：
14.s1、导线沿中空骨架的周向缠绕在中空骨架的外部，形成线圈层，从而得到中空线圈；
15.s2、加固纤维沿所述中空线圈的径向缠绕在中空线圈的外部，形成径向加固层，以此得到径向加固的中空饼式线圈；
16.s3、将多个中空饼式线圈同轴且等距叠放，且相邻所述中空饼式线圈之间通过电极接头连接，从而形成所述饼式结构磁体。
17.进一步的，所述电极接头一端与位于其上方的中空饼式线圈的下表面焊接，另一端与位于其下方的中空饼式线圈的上表面焊接。
18.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：
19.1.本发明的磁体由多个轴向分布的中空饼式线圈上下层叠同轴设置形成，多个中空饼式线圈在线圈中心孔叠加产生超高脉冲磁场，而线圈层的导线绕中空骨架的周向缠绕成环状，径向加固层的加固纤维的缠绕方向则沿中空线圈的径向方向，即沿中空线圈径向多圈缠绕加固纤维形成径向加固层，使得整个径向加固层上的每一根纤维都能分担线圈层导线后续产生的电磁力，以保证实验时磁体半径较大时纤维加固层能抵御巨大的电磁力，防止磁体失去加固效力。
20.2.本发明的磁体的径向加固层，采用的径向加固工艺，相比于常规的环向加固工艺，随着应力的增大，采用径向缠绕工艺的纤维厚度的增加速率远低于环向缠绕工艺，当抵御超大的应力时，若要达到相同的加固效率，则环向缠绕工艺需要的纤维厚度要远大于本发明采用的径向缠绕工艺需要的纤维厚度，因此本发明中的纤维加固层厚度更薄且加固效果更佳。
21.3.本发明的磁体通过使各个中空饼式线圈呈轴向分布，相邻中空饼式线圈通过电极接头焊接在一起，且电极接头将相邻中空饼式线圈隔绝开；当磁体进行放电时，电极接头暴露在空气中，在不影响磁体本身结构稳定性情况下加速磁体的冷却，极大地缩短了下一次磁体放电的时间，提高了磁体在放电实验中的实验效率，满足实验室中高场脉冲磁体的实验要求。
22.4.相比与常规磁体，当其线圈通电流时，在径向磁场的作用下会在线圈上下两端产生轴向电磁力，导致线圈从两端向中间挤压，而电极接头连接电缆固定不动，轴向电磁力过大时会拉断线圈两端的电极接头；本发明的磁体中由于相邻中空饼式线圈相互独立，能避免轴向电磁力导致相邻中空饼式线圈的线圈层的导线匝之间互相挤压，还能有效防止中空饼式线圈之间焊接的电极接头被拉断。
23.5.本发明的磁体中，中空饼式线圈可以设计不同的导线形状和电导率，如矩形端面的导线和圆形端面的导线，电导率设置在20％-100％iacs，通过不同导线形状和/或不同
电导率的中空饼式线圈的组合，可以极大地优化组合之后磁体的电阻和电磁受力情况；不同数量的中空饼式线圈组合，还可配合不同的电源系统供电，优化磁体的电流密度，降低最大电磁应力。
附图说明
24.图1是本发明实施例提供的一种饼式结构磁体结构示意图；
25.图2是本发明实施例提供的5个中空饼式线圈组成的磁体结构示意图；
26.图3是传统筒式结构磁体结构俯视示意图；
27.图4是传统筒式结构磁体的径向加固层的受力分析示意图；
28.图5是本发明实施例提供的饼式结构磁体和传统筒式结构磁体的纤维加固厚度效果对比图；
29.图6是采用不同加固方式的磁体线圈最大电磁应力变化对比图。
30.图中：1-中空骨架，2-线圈层，3-径向加固层，4-中间支撑结构，5-外部线圈，6-环向加固层。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.实施例1
33.本实施例提供一种径向加固的饼式结构磁体，该磁体包括n个同轴设置且上下两两连接的中空饼式线圈，如图1所示，每个中空饼式线圈上设置有中空骨架1，线圈层2(图中若干圈横向的粗实线)和径向加固层3(图中若干圈纵向的细实线)，导线绕中空骨架1的周向整圈缠绕形成线圈层2；本实施例的线圈层2包含多匝导线圈，且各个导线圈均匀分布；径向加固层3由缠绕在线圈层2外部的加固纤维形成，加固纤维的缠绕方向垂直于线圈层2的导线缠绕方向，使得整个平面上的每一根纤维都能分担导线的电磁力。
34.前述的径向加固层3由加固纤维沿线圈层2的上下表面的径向方向对线圈层2进行整圈缠绕形成，且径向加固层的多圈加固纤维均匀排布；径向加固层3的材料为绝缘材料，绝缘加固纤维包括zylon、glass、kevlar等拉伸强度高且绝缘性好的纤维材料；径向加固层3的厚度根据中空饼式线圈所通入的电流大小而定，具体厚度为0.5mm-3mm，能够提供足够的加固强度，并能有效地分担磁体产生的巨大的电磁力，避免磁体受损。
35.本实施例中，相邻中空饼式线圈之间的线圈层2不接触；具体的，中空饼式线圈两两之间通过电极接头连接，且电极接头将相邻中空饼式线圈隔绝开，当磁体放电时，电极接头处于空气中能够对磁体进行散热冷却，极大地缩短了下一次磁体放电的时间，提高了放电实验的实验效率。
36.且由于本实施例中多个轴向分布的中空饼式线圈是独立分布的，与传统的筒式结构磁体相比，轴向电磁力不会使得导线匝间互相挤压，能有效防止线圈电极被拉断。
37.本实施例中，中空骨架1为由绝缘材料制成的筒状骨架。
38.本实施例中，多个中空饼式线圈的导线形状相同，电导率也相同，导线形状为横截
面3mm
×
6mm矩形导线，导体电导率为95％iacs((internat ional annealing copper standard，国际退火铜标准)，多个中空饼式线圈组合后，可配合不同的电源系统供电，进而优化磁体线圈的电流密度，降低最大电磁应力。
39.实施例2
40.如图2所示，为本实施例提供的一种5个中空饼式线圈组成的磁体结构示意图，5个轴向分布的中空饼式线圈均包含中间支撑结构1，线圈层2以及径向加固层3。
41.线圈层2的导线绕图中箭头所示的周向方向缠绕，形成中空线圈，径向加固层3的加固纤维沿中空线圈的径向缠绕，其缠绕方向垂直于线圈层2的导线缠绕方向，使得每一根纤维都能分担导线的电磁力，5个轴向分布的中空饼式线圈在线圈中心孔中叠加产生超高脉冲磁场。
42.本实施例中的径向加固层3的加固纤维采用zylon纤维，其具备较高的拉伸强度和绝缘性，能够使形成的径向加固层3更加紧密牢固且与外界绝缘。
43.本实施例中的线圈层2的导线形状为圆柱形，即其端面为圆形，且圆形的直径为6mm，其电导率为95％iacs。
44.本实施例中，相邻中空饼式线圈之间的线圈层2也不接触，中空饼式线圈两两之间通过电极接头连接(图中未示出)，且电极接头将相邻中空饼式线圈隔绝开，当磁体放电时，电极接头处于空气中能够对磁体进行散热冷却。
45.图3为传统筒式结构磁体结构俯视示意图，其包含中间支撑结构4，外部线圈5，环向加固层6；环向加固层6采用环向加固工艺，加固层6的纤维缠绕方向与外部线圈5的导线绕制方向平行，当线圈半径过大时，电磁应力仅在内层的纤维加固层内传递，不能有效地传递到外层纤维加固层，因此外层纤维加固层不能有效地分担电磁力。
46.图4为采用环向加固工艺时，纤维层中的应力分布情况，可以看出，当纤维厚度增加到7mm以上时，大于7mm的纤维应力为0，即外部纤维没有为导线分担电磁力，失去加固效果。
47.如图6所示，为加固缠绕工艺优化前后的饼式结构磁体的最大电磁应力对比图，从图中可以看出，随着磁场磁感应强度不断增大，采用环向加固工艺(组合优化前)的磁体相比于采用径向加固工艺(组合优化后)的电磁应力增加速度速率更大；如图5所示，图5为采用环向加固工艺和径向加固工艺时，电磁应力变化时两种工艺所需的纤维厚度对比，可以看出随着应力的增大，采用径向缠绕工艺的纤维厚度增加速率远低于环向缠绕工艺的纤维厚度；当要抵御3.5gpa的应力时，环向缠绕工艺需要的纤维厚度为7mm，而径向缠绕工艺需要的纤维厚度仅为2.5mm，加固效率提高了2.8倍。
48.实施例3
49.本实施例提供一种径向加固的饼式结构磁体，该磁体包括30个同轴设置且上下两两连接的中空饼式线圈，每个中空饼式线圈上设置有同实施例1和2中相同的绝缘中空骨架1，线圈层2和径向加固层3；不同的是，每个中空饼式线圈的线圈层2的导线形状均不同，包括矩形导线形成的线圈以及圆柱形导线形成的线圈，且不同形状导线的中空饼式线圈间隔排布，矩形导线形成的中空饼式线圈的导线端面尺寸为10mm
×
20mm，圆柱形导线的端面直径为20mm。
50.导线绕中空骨架1的周向整圈缠绕形成单层多匝的线圈层2，得到中空线圈；径向
加固层3由加固纤维沿中空线圈的径向方向多圈缠绕形成，缠绕时，在中空饼式线圈的中心插入绝缘棒，将加固纤维沿径绕开中心绝缘棒进行缠绕，缠绕后向加固纤维上涂布固化胶水进行固化，固化后取下绝缘棒，以在加固的中空饼式线圈的上下表面中心留下孔，以使中空饼式线圈中部为上下贯通的空腔，便于将磁体应用到磁场实验中时，更方便地测量空腔中的磁场；前述径向加固层3的纤维缠绕方向始终沿中空线圈的径向方向，且径向加固层3的厚度约为1.5mm，每一根纤维都能分担导线的电磁力；径向加固层3的材料为kevlar纤维，其拉伸强度高且绝缘性好。
51.本实施例中，相邻中空饼式线圈之间通过焊接的金属电极接头连接，焊接工艺为真空电子束焊接或激光焊接，金属电极接头有多个，且均匀分布在中空饼式线圈两两表面之间，且电极接头将相邻中空饼式线圈隔绝开一定距离，该距离为2mm，当磁体放电时，电极接头全部处于空气中，从而能够通过电极接头对磁体进行散热冷却，缩短下一次放电时间，提高脉冲放电实验的效率；同时，轴向电磁力不会使得导线匝间互相挤压，能有效防止线圈电极被拉断。
52.本实施例中，多个中空饼式线圈组合后，可配合不同的电源系统供电，进而优化磁体线圈的电流密度，降低最大电磁应力。
53.本发明的磁体，在中空饼式线圈半径较大时，由于采用径向加固纤维，电磁应力既能在内层的径向加固层内传递，又能有效地传递到外层径向加固层，因此外层径向加固层能有效地分担电磁力。
54.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。