小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头和制备方法

本发明涉及超导磁体，具体涉及小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头和制备方法。

背景技术：

1、高磁场的产生和应用研究对极端条件科学设施、生物医学工程、高精度的科学仪器以及农业应用都具有重要的意义。以rebco带材为代表的高温超导材料在20t以上高磁场中具有较高的载流能力，其基带为金属材料，机械强度高，并且已经实现了商业化生产，是实现高场条件的理想材料之一。

2、目前世界上众多研究机构和商业化公司已经开展了高场高温超导磁体的研发和生产，磁场记录不断刷新。高温超导词条绕制方法主要两种：层绕和饼绕。层绕方法为高温超导带材从最内层到最外层依次缠绕，但是对带材的单根长度和性能均匀性要求很高。对于传统的双饼绕制方法，每饼是从带材的中点开始并从内匝到外匝向外螺旋绕制，该绕制方法灵活性高，对带材长度和均匀性要求也较低，因此更适合于高温超导磁体的绕制。在极高场用户设施和核磁共振领域，为了控制成本，并实现更高磁场，高温超导磁体的绕制内径只有十几毫米。这会导致处于双饼线圈最内层的高温超导带材弯曲应变超过临界值，载流能力大幅衰退。因此需要一种内部连接接头，实现双饼中的上下单饼的电连接，同时避免最内层超导带材出现过大的弯曲应变。相邻的上下单饼通过内部电连接接头形成双饼线圈，相邻的双饼线圈通过外接头组成一个完整的高温超导磁体。

3、现有的高温超导磁体内部连接接头的制备一般采用传统的整体锡焊方法，不仅电阻难以控制，而且单一的连接通道缺乏安全冗余。此外内部连接接头处于应力最高区域，现有接头的机械强度和支撑稳定性不足，在磁体高场励磁过程中极易发生性能衰退乃至断裂。现有内部连接接头的制备过程无法与目前饼式线圈的绕制工艺有效兼容。如果在绕制前完成接头焊接，在绕制上单饼时，下单饼带材会跟随旋转从而极易受损；如果强行分步，又往往导致定位不准和制备成功率低，造成昂贵超导带材的浪费。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头和制备方法，该接头具有多通道并联、低电阻、高机械强度及高安全冗余的特点，且其制备方法与饼式线圈绕制工艺有效兼容，避免了绕制过程中的超导带材损伤，提高了极高场小孔径超导磁体的制备成功率。

2、为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头，包括：

4、上单饼超导带材、下单饼超导带材以及不少于三个的电流通道超导带材，还包括带有凹槽的高温超导饼式线圈骨架；

5、所述上单饼超导带材与所述下单饼超导带材平行且并列排布，二者之间留有间隙；

6、各所述电流通道超导带材之间相互平行排布，且各所述电流通道超导带材的长度方向分别与所述上单饼超导带材、所述下单饼超导带材的长度方向垂直排布；

7、所述上单饼超导带材和所述下单饼超导带材的超导面分别通过超导面对焊的方式与各所述电流通道超导带材的超导面进行锡焊搭接，形成电连接；

8、各所述电流通道超导带材嵌入所述高温超导饼式线圈骨架的所述凹槽内，并通过环氧树脂填充所述电流通道超导带材与所述凹槽之间的缝隙固化成型。

9、进一步地，各所述电流通道超导带材与所述上单饼超导带材、所述下单饼超导带材的厚度和宽度均相同。

10、进一步地，各所述电流通道超导带材的长度等于所述上单饼超导带材的宽度、所述下单饼超导带材的宽度以及二者之间的所述间隙宽度之和。

11、进一步地，所述间隙的宽度根据双饼线圈饼间绝缘片的厚度而定。

12、进一步地，各所述电流通道超导带材分别与所述上单饼超导带材、所述下单饼超导带材垂直搭接。

13、进一步地，每个垂直搭接区域的长度等于带材的宽度，即每根电流通道超导带材与上、下单饼超导带材的总搭接面积为带材宽度平方的二倍。

14、进一步地，相邻所述电流通道超导带材之间的边缘间距不少于4mm。

15、进一步地，所述电流通道超导带材包括第一电流通道超导带材、第二电流通道超导带材和第三电流通道超导带材。

16、进一步地，所述高温超导饼式线圈骨架上还开设有贯穿的液氦流通孔。

17、本发明还提供一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头的制备方法，包括以下步骤：

18、步骤1：剪取多根电流通道超导带材，清洗上单饼超导带材、下单饼超导带材和各电流通道超导带材，并在各带材待焊接的超导面上预挂锡和助焊剂；

19、步骤2：将各电流通道超导带材与上单饼超导带材垂直排列，且端部对齐齐平，进行锡焊固定，完成内部连接接头一半的焊接；

20、步骤3：将完成一半焊接的内部连接接头缠绕在高温超导饼式线圈骨架上，使各电流通道超导带材完全嵌入骨架的凹槽内，随后完成上单饼线圈的绕制；

21、步骤4：按照由内到外的顺序，将下单饼超导带材与各电流通道超导带材的另一端部对齐齐平并进行锡焊，随后完成下单饼线圈的绕制；

22、步骤5：用环氧树脂填充电流通道超导带材与骨架凹槽之间的缝隙，完成内部连接接头的固化及制备。

23、有益效果：

24、1、本发明摒弃了传统的单一宽桥接带或整体弯折连接方式，采用了多通道并联分布与骨架限位协同的设计。使用了多个相互独立的电流通道超导带材（不少于3个，且保持4mm以上间距）。一方面显著增大了总有效接触面积，降低了接头电阻；另一方面构建了多条并联的电流传输路径，在极高场下运行中，若其中某个电流通道超导带材出现损伤或断裂，电流可迅速自动转移至其它未损坏的电流通道带材中，提高了磁体运行的安全冗余。同时，该结构替代了传统双饼线圈最内层的极小半径弯曲过渡段，消除了面内及面外弯曲应变对超导带材载流能力的破坏。

25、2、内部连接接头处于磁体应力最高区域。本发明通过在骨架上设置专门的凹槽，将各电流通道超导带材完全嵌入凹槽中，并使用环氧树脂填充缝隙进行局部固化。固化后在相邻电流通道超导带材之间形成坚固的隔离支撑结构，与骨架共同承担极高场下的电磁洛伦兹力和极低温下的热应力，同时增强了接头的电气冗余与机械承载能力。

26、3、本发明的制备方法突破了传统接头一次性焊死的局限，采用分步半焊和分步绕制的兼容工艺，且该工艺依赖于骨架凹槽在半焊状态下即对电流通道超导带材提供定位与支撑这一结构基础。先将上单饼超导带材与各电流通道带材上端焊接并绕制上单饼，此时下单饼带材尚未连接，无需跟随上单饼一起旋转，从根本上避免了下单饼超导带材因扭绞、旋转产生的应力损伤。另外分步焊接还提供了接头检修窗口，若上单饼绕制时接头出现瑕疵，可在下单饼绕制前及时修正，避免昂贵超导带材的浪费，大幅提高了小孔径双饼线圈的制备成功率。

1.一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头，其特征在于，各所述电流通道超导带材与所述上单饼超导带材、所述下单饼超导带材的厚度和宽度均相同。

3.根据权利要求1所述的一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头，其特征在于，各所述电流通道超导带材的长度等于所述上单饼超导带材的宽度、所述下单饼超导带材的宽度以及二者之间的所述间隙宽度之和。

4.根据权利要求3所述的一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头，其特征在于，所述间隙的宽度根据双饼线圈饼间绝缘片的厚度而定。

5.根据权利要求1所述的一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头，其特征在于，各所述电流通道超导带材分别与所述上单饼超导带材、所述下单饼超导带材垂直搭接。

6.根据权利要求1所述的一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头，其特征在于，每个垂直搭接区域的长度等于带材的宽度，即每根电流通道超导带材与上、下单饼超导带材的总搭接面积为带材宽度平方的二倍。

7.根据权利要求1所述的一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头，其特征在于，相邻所述电流通道超导带材之间的边缘间距不少于4mm。

8.根据权利要求1所述的一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头，其特征在于，所述电流通道超导带材包括第一电流通道超导带材、第二电流通道超导带材和第三电流通道超导带材。

9.根据权利要求1所述的一种小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头，其特征在于，所述高温超导饼式线圈骨架上还开设有贯穿的液氦流通孔。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的小孔径高温超导饼式线圈内部连接接头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：