專利名稱：基于固氮保護(hù)的傳導(dǎo)冷卻高溫超導(dǎo)電磁除鐵器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于港口碼頭煤、火力發(fā)電廠或其他材料中清除鐵磁材料的電磁除鐵 器，尤其涉及一種利用固氮保護(hù)的傳導(dǎo)冷卻高溫超導(dǎo)電磁除鐵器。
技術(shù)背景在煤炭運(yùn)輸領(lǐng)域，隨著煤炭資源的減少，其開采難度加大，造成其中所含雜物的增加。 而國(guó)際上對(duì)于出口煤炭純凈度的要求不斷提高，使得各大煤炭生產(chǎn)及運(yùn)輸企業(yè)對(duì)于煤炭中 鐵性雜質(zhì)去除率不斷提高。例如在清除料厚達(dá)到500mm左右的煤層中所含雷管、導(dǎo)火線等 極細(xì)小的物件(出口煤中對(duì)此有嚴(yán)格的要求其中雷管的含量不得超過3個(gè)/萬噸煤，超 過的按1000美元/個(gè)處以罰款，如果不能有效清除其造成的經(jīng)濟(jì)損失是極為巨大的)，要 有效地清除這樣的物件其所要求的遠(yuǎn)距離磁場(chǎng)需達(dá)到或超過4000G以上，使用常規(guī)的磁體 無論在電能消耗還是磁體本身的散熱處理上都存在較大的問題，如果引入超導(dǎo)磁體則可以 較好地解決這樣的問題，在我國(guó)己經(jīng)在秦皇島港、青島等港口投入了實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。目前的電磁除鐵器大多數(shù)采用常規(guī)線圈，采用水冷、油冷、風(fēng)冷、蒸發(fā)冷卻、熱管等 冷卻方式，磁場(chǎng)方向大多數(shù)為單一方向，磁場(chǎng)方向不可控制。相關(guān)專利很多，比較有代表 性的有下述幾種中國(guó)專利200710013332.3采用常規(guī)線圈，為單一方向的電磁除鐵器，由上 部磁軛、側(cè)部導(dǎo)磁板及底板相互焊接在一起構(gòu)成除鐵器本體內(nèi)腔，線圈內(nèi)部采用導(dǎo)熱液體 強(qiáng)迫冷卻。專利89212992.1是一種油冷式電磁除鐵器，磁體采用外方內(nèi)八角的磁系結(jié)構(gòu)，常 規(guī)線圈，磁場(chǎng)單方向。專利01257542.9是一種新型風(fēng)冷自卸式電磁除鐵器。200410036257.9 是一種蒸發(fā)冷卻式電磁除鐵器。專利02263425.8采用常規(guī)線圈和導(dǎo)磁鐵軛結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝由 云母片和熱管組成的散熱板散熱。專利88105470.4是一種內(nèi)部安裝熱管散熱、單方向、常 規(guī)線圈的電磁除鐵器，懸掛于輸送帶中部或者頭部上方。常規(guī)電磁除鐵器具有能耗高、磁 場(chǎng)強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，常規(guī)線圈可能利用的磁場(chǎng)梯度有限，因此將煤或其他物質(zhì)中較弱磁性 的材料從中清理出來鐵效果較差。為了解決常規(guī)線圈的不足，出現(xiàn)了采用超導(dǎo)磁體方案的超導(dǎo)除鐵器。到目前為止，超 導(dǎo)除鐵器的方案都見于國(guó)外的相關(guān)專利。U.K. Patent Application of Cohen和U.S. Pat. No. 2,064,377(1985)使用一對(duì)超導(dǎo)線圈在水平方向產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)和磁場(chǎng)梯度進(jìn)行除鐵。U.S Patent 4，609，109 (1986)的采用一個(gè)或一對(duì)超導(dǎo)線圈磁體，在垂直方向產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)進(jìn)行除鐵。 PCT/US96/15455采用脈沖超導(dǎo)磁體方案，可以在一個(gè)方向上產(chǎn)生較強(qiáng)磁場(chǎng)，但是工作區(qū)在 磁體封閉的空間內(nèi)，工作區(qū)較為狹小。United States Patent 5,004,539、 4,609,109 3,942,643, 4,153,542， 4，668，383等這些超導(dǎo)線圈都工作在4K左右，采用低溫超導(dǎo)材料繞制，用液氦冷 卻，產(chǎn)生單一方向的磁場(chǎng)和磁場(chǎng)梯度。目前的超導(dǎo)除鐵器廣泛采用低溫NbTi超導(dǎo)體產(chǎn)生4-5T的中心高磁場(chǎng)，在離磁體550mtn 的距離范圍獲得4000G的磁場(chǎng)來吸引弱磁材料。這種方法雖然可以產(chǎn)生較高的磁場(chǎng)，但是存 在的主要問題是低溫超導(dǎo)磁體的臨界溫度較低，磁體不能實(shí)現(xiàn)快速充放電，磁體吸引鐵磁 材料后到卸下這些材料所要求的時(shí)間較長(zhǎng)，因此除鐵效率較低。此外低溫超導(dǎo)磁體在極快 充放電情況下，非常容易失超，其恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)度20天到一個(gè)月，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作。 同時(shí)使用液氦冷卻的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)通常運(yùn)行和維護(hù)較為復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用較高，因此在實(shí)際 的工業(yè)應(yīng)用中面臨，運(yùn)行和維護(hù)成本較高，系統(tǒng)的可靠性較差等許多的技術(shù)問題。目前低溫超導(dǎo)線NbTi/Cu臨界溫度和臨界磁場(chǎng)較低，因此電流的變化引起的交流損耗 將產(chǎn)生超導(dǎo)線圈的失超，這對(duì)于工業(yè)應(yīng)用一港口碼頭運(yùn)行的電磁除鐵器是相當(dāng)不利的。傳 統(tǒng)的超導(dǎo)磁體， 一般是將超導(dǎo)磁體浸泡在低溫液體中。正是由于使用了低溫液體來冷卻超 導(dǎo)磁體系統(tǒng)，使得超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行成本高，系統(tǒng)操作極其困難。使用這樣的系 統(tǒng)運(yùn)行和操作非常不便。單一磁場(chǎng)方向除鐵器的缺點(diǎn)是作用在弱磁材料上的力只是單一方向，例如如果弱磁 性物質(zhì)被壓在較大煤塊下面，即使在某一方向使用較大磁場(chǎng)強(qiáng)度有可能也很難將其清除出 來。發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的電磁除鐵器的磁場(chǎng)方向單一且不可控、常規(guī)線圈磁場(chǎng)提供的磁力較低 等不足，本發(fā)明提出一種采用固態(tài)氮保護(hù)的傳導(dǎo)冷卻高溫超導(dǎo)電磁除鐵器。 本發(fā)明具有以下特點(diǎn)1、 兩個(gè)超導(dǎo)磁體獨(dú)立安裝，磁體軸線正交，提供開放的工作空間，適用的領(lǐng)域更廣泛。2、 本發(fā)明兩個(gè)超導(dǎo)磁體分別供電，通過改變兩個(gè)方向線圈電流產(chǎn)生合成的不同方向的 磁場(chǎng)，在計(jì)算機(jī)的控制下可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域的磁場(chǎng)掃描，實(shí)現(xiàn)高效率的除鐵。3、本發(fā)明利用高溫超導(dǎo)體具有較高的臨界參數(shù)特點(diǎn)，采用最先進(jìn)的周態(tài)氮保護(hù)低溫技術(shù)，超導(dǎo)磁體穩(wěn)定性較高，超導(dǎo)磁體充放電速度較快，從而使該除鐵器適合于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境運(yùn) 行。4、 本發(fā)明采用傳導(dǎo)冷卻方式，采用GM制冷機(jī)提供冷量，冷卻固態(tài)氮和超導(dǎo)線圈。5、 本發(fā)明使用高飽和的鐵磁材料作為鐵芯，能夠提供較高磁力,.同時(shí)能夠進(jìn)一步減小 磁體端部的徑向磁場(chǎng)和高溫超導(dǎo)帶材的最大磁場(chǎng)，從而減小大口徑超導(dǎo)線圈的環(huán)向應(yīng)力和 應(yīng)變，進(jìn)一步提高磁體的電流傳輸特性及磁體的穩(wěn)定性，運(yùn)行更加可靠。本發(fā)明的高溫超導(dǎo)除鐵器由兩個(gè)獨(dú)立的超導(dǎo)磁體、兩個(gè)程控超導(dǎo)電源、磁場(chǎng)解算及狀 態(tài)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)組成。每個(gè)超導(dǎo)磁體包括高飽和磁場(chǎng)的導(dǎo)磁鐵軛、低溫制冷系統(tǒng)、低溫容器、 高溫超導(dǎo)線圈、高溫超導(dǎo)電流引線、熱輻射屏、液氮容器、固氮容器以及位于高溫超導(dǎo)磁 體系統(tǒng)內(nèi)部的失超檢測(cè)與保護(hù)結(jié)構(gòu)組成。本發(fā)明固態(tài)氮保護(hù)的高溫超導(dǎo)電磁除鐵器的核心部件是兩個(gè)方向布置的超導(dǎo)磁體。兩 個(gè)超導(dǎo)磁體的線圈軸線相互正交，磁場(chǎng)區(qū)為開放空間。磁體除了線圈放置方向和低溫容器 形狀不同，結(jié)構(gòu)基本是相同的。水平向超導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁鐵軛呈"E"形結(jié)構(gòu)包圍磁體，垂直向超導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁鐵軛呈"M" 形結(jié)構(gòu)包圍磁體，導(dǎo)磁鐵軛中間部分插入磁體室溫孔徑，其余部分將磁體包圍起來，用于 收集發(fā)散的磁場(chǎng)。導(dǎo)磁鐵軛的制作材料選擇飽和磁密高、磁導(dǎo)率高的材料， 一般選擇坡莫 合金復(fù)合軟磁材料。低溫系統(tǒng)包括低溫容器、內(nèi)熱輻射屏、液氮容器和固氮容器。低溫容器采用無磁不銹 鋼材料制作。熱輻射屏置于低溫容器內(nèi)，由鑿有通氣孔的多層鋁箔制作而成。超導(dǎo)磁體內(nèi) 部的失超檢測(cè)與保護(hù)結(jié)構(gòu)位于熱輻射屏上端蓋之下。液氮容器位于低溫容器和熱輻射屏之 間，液氮容器的上部通孔分別接室溫液氮注入和排出孔，液氮容器的下部通孔連接固氮容 器的液氮注入和排出孔。固態(tài)氮容器位于熱輻射屏內(nèi)。高溫超導(dǎo)線圈和線圈支持結(jié)構(gòu)位于 固氮容器內(nèi)，由低溫固態(tài)氮保護(hù)。本發(fā)明的低溫制冷系統(tǒng)采用兩級(jí)GM制冷機(jī)提供低溫冷量。磁體的冷頭法蘭外接GM制 冷機(jī)，GM制冷機(jī)的一級(jí)冷頭冷卻熱輻射屏，二級(jí)冷頭通過導(dǎo)熱帶超導(dǎo)線圈相連。 一級(jí)冷頭 冷卻溫度在77K, 二級(jí)冷頭溫度為4K，磁體的工作溫度為4.2K 30K。 GM制冷機(jī)的冷頭和 超導(dǎo)線圈的低溫系統(tǒng)之間采用高純銅導(dǎo)冷線軟連接以減小線圈和制冷機(jī)二級(jí)冷頭之間的溫 差。高溫超導(dǎo)線圈和低溫超導(dǎo)NbTi線圈相比具有較高的臨界溫度和磁場(chǎng)，因此超導(dǎo)磁體系 統(tǒng)具有較大的抗干擾能力，避免因電流的變化產(chǎn)生的交流損耗而失超超導(dǎo)磁體。為了進(jìn)一 步提高超導(dǎo)線圈運(yùn)行的穩(wěn)定性和較小低溫系統(tǒng)的運(yùn)行耗費(fèi)，本發(fā)明采用具有高熱容的固態(tài) 氮來減小超導(dǎo)線圈運(yùn)行過程的溫度升高，從而減小制冷機(jī)時(shí)工作時(shí)間。超導(dǎo)線圈采用Bi2223高溫超導(dǎo)帶材制作，采用餅狀線圈結(jié)構(gòu)，兩個(gè)單餅線圈采用一根 超導(dǎo)帶材繞制構(gòu)成雙餅線圈，雙餅線圈的兩個(gè)單餅之間使用厚度為0.5 1毫米的環(huán)氧片夾 層，以提高超導(dǎo)線圈之間的絕緣，從而提高它們的耐高電壓的能力。雙餅線圈的兩個(gè)單餅 之間使用開有間隙的高導(dǎo)熱銅片，提高冷卻效果。超導(dǎo)線圈使甩高導(dǎo)無氧銅(OFHC)材料 作為骨架。高溫超導(dǎo)餅狀線圈疊加，產(chǎn)生所需要的高磁場(chǎng)。如果產(chǎn)生3T的中心磁場(chǎng)，需要 IO個(gè)以上的雙餅線圈串聯(lián)起來。在雙餅超導(dǎo)線圈之間安裝銅片導(dǎo)熱，形成較好的冷卻效果。 Bi2223高溫超導(dǎo)帶材具有較高上臨界磁場(chǎng)，防止高溫超導(dǎo)線圈在快速充電時(shí)的失超，增加 磁體運(yùn)行的穩(wěn)定性。Bi系高溫超導(dǎo)帶材運(yùn)行在20K,有較大的溫度裕度和較小的AC損耗， 使得超導(dǎo)磁體系統(tǒng)在電流快速變化的情況下超導(dǎo)磁體系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。超導(dǎo)線圈運(yùn)行在30K以 下的極低溫環(huán)境，采用固態(tài)氮保護(hù)，固態(tài)氮能夠提高超導(dǎo)線圈的熱容，具有較高的穩(wěn)定性。 整體超導(dǎo)線圈建造成功之后，采用真空浸漬環(huán)氧樹脂工藝處理，對(duì)線圈進(jìn)行加固，從而進(jìn) 一步消除超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的電磁力，提高超導(dǎo)磁體的穩(wěn)定性。計(jì)算機(jī)和超導(dǎo)電源保證磁體正常供電和勵(lì)磁。兩個(gè)超導(dǎo)電源分別與超導(dǎo)磁體連接。電源的電流輸出受控于計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有兩項(xiàng)功能， 一是對(duì)于兩個(gè)磁體的運(yùn)行電流 進(jìn)行解算，控制程控電源給線圈供電，從而實(shí)現(xiàn)所需的磁場(chǎng)方向；二是收集磁體運(yùn)行溫度、 失超保護(hù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)磁體系統(tǒng)的監(jiān)控和保護(hù)。 本發(fā)明的工作過程如下-除鐵器工作時(shí)，先把超導(dǎo)磁體抽真空到10—4Pa，然后制冷機(jī)工作，注入液氮，進(jìn)一步冷 卻到20K，固氮容器的液氮凝固成固態(tài)，磁體通電運(yùn)行。在煤炭傳輸帶經(jīng)過磁場(chǎng)工作區(qū)時(shí)， 通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)整運(yùn)行電流，使工作區(qū)磁場(chǎng)方向按一定規(guī)律變化，在平面內(nèi)產(chǎn)生不 同方向的電磁力，從而能夠從不同方向?qū)⑷醮盼镔|(zhì)分離出來。此外，本發(fā)明也可以用于選 礦，使得鐵磁材料的礦物質(zhì)和非磁性雜質(zhì)分離。計(jì)算機(jī)和程控電源的磁場(chǎng)解算過程和控制過程第一步根據(jù)磁場(chǎng)要求，計(jì)算機(jī)求解電流?？臻g內(nèi)任一點(diǎn)P (P， Z)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)橢圓積分法求解螺線管磁場(chǎng)5z(尸)=^ f ,必f2 /z(A z)必= / Fp(x,y，z)其中Bz—磁場(chǎng)的軸向分量； BP—磁場(chǎng)的徑向分量； L—螺線管的半長(zhǎng)度； Rl—螺線管的內(nèi)徑； RI—螺線管的外徑；200710176105.2 /如》<formula>formula see original document page 7</formula>柳<formula>formula see original document page 7</formula>，K (k)， E (k)為模數(shù)為k的第一類和第二類橢圓積分:i五("=J^U2 sin2 由水平和垂直兩個(gè)方向線圈產(chǎn)生的空間合成磁場(chǎng)》在笛卡爾坐標(biāo)系下展開:"一5 =5 +寫成矩陣形式5,,義.系數(shù)矩陣中的參數(shù)和線圈本身參數(shù)有關(guān)，可以通過計(jì)算機(jī)數(shù)值積分實(shí)時(shí)得到。給定場(chǎng)強(qiáng)IBI大小和方向可以求得兩個(gè)方向的分量Bx叫BI畫，By=|B|coscp，從而電流密度Jx， Jy可以解積分方程得，根據(jù)螺線管線圈電流密度 2/(/ 2-/ l)， N為線圈匝 數(shù)，從而對(duì)應(yīng)的電流Ix， Iy可以求得。上述計(jì)算通過編寫計(jì)算機(jī)軟件，由磁場(chǎng)解算計(jì)算機(jī)完 成電流計(jì)算。第二步，通過計(jì)算機(jī)串行接口與直流程控電源連接，直流程控電源根據(jù)計(jì)算機(jī)串口數(shù) 據(jù)決定加載電流的大小。本發(fā)明選用的直流程控電源是智能化的程控電源，其輸出電流值 可以通過串行口由計(jì)算機(jī)控制。第三步，直流程控電源加載電流給線圈，實(shí)現(xiàn)所需要的磁場(chǎng)。 本發(fā)明固態(tài)氮保護(hù)的高溫超導(dǎo)電磁除鐵器與以往的除鐵器具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。 采用兩個(gè)方向獨(dú)立的超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)，分別供電，在計(jì)算機(jī)的控制下，產(chǎn)生不同方向的 磁場(chǎng)掃描除鐵器工作區(qū)，能夠從不同方向有效地將弱磁物質(zhì)分離出來。采用高溫超導(dǎo)帶材繞制線圈，當(dāng)前主流的高溫超導(dǎo)帶材為Bi系超導(dǎo)帶材，在4K的溫度范圍其電流密度具有Jc=105-106A/cm2，從而產(chǎn)生較高的磁場(chǎng)。在4K溫區(qū)運(yùn)行的高溫超 導(dǎo)磁體能夠充分利用4 K溫區(qū)的制冷機(jī)成熟的技術(shù)，同時(shí)又可充分利用高溫超導(dǎo)體的載流 能力和超導(dǎo)帶材的高熱導(dǎo)、熱容，因此高溫超導(dǎo)磁體具有較高的穩(wěn)定性。由于高溫超導(dǎo)材 料具有較高的臨界溫度，因此基于高溫超導(dǎo)材料發(fā)展的磁體系統(tǒng)能夠承受較高的溫度波動(dòng)， 超導(dǎo)線圈能夠在快速變化的電流條件下運(yùn)行而不會(huì)產(chǎn)生失超行為。采用傳導(dǎo)冷卻的超導(dǎo)磁體，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)操作方便，無需低溫液體冷卻，不受 液氦或其它低溫條件的限制，整個(gè)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊和輕量化的特點(diǎn)。采用固態(tài)氮保護(hù)超導(dǎo)磁體，充分利用固態(tài)氮具有較高的熱容從而較小系統(tǒng)在快速升溫 和降溫過程中的溫度漂移，提高磁體系統(tǒng)在除鐵過程中的磁體穩(wěn)定性能，從而大大提高系 統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，同時(shí)使得系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用極大地減小，系統(tǒng)運(yùn)行和操作更加方便。


圖l是整個(gè)固氮保護(hù)高溫超導(dǎo)除鐵器組成結(jié)構(gòu)示意圖，圖中l(wèi)磁場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)，2垂 直向程控電源，3水平向程控電源，4垂直向超導(dǎo)磁體，5水平向超導(dǎo)磁體，6煤層，7傳送 帶；圖2是垂直方向超導(dǎo)磁體4結(jié)構(gòu)示意圖，圖中7法蘭、8—級(jí)冷頭、9高溫超導(dǎo)電流 引線、IO二級(jí)冷頭、ll導(dǎo)冷帶、12液氮容器、13失超保護(hù)裝置、14餅式線圈、15固氮容 器、16熱輻射屏、17低溫容器、18導(dǎo)磁鐵軛；圖3a為水平方向超導(dǎo)磁體5結(jié)構(gòu)圖，圖3b為水平方向磁體右視圖(不含導(dǎo)磁鐵軛)；圖4a優(yōu)化后磁體參考外形,19優(yōu)化后的超導(dǎo)線圈，20導(dǎo)磁鐵軛。圖4b在550mm距離上， 磁體相關(guān)尺寸優(yōu)化后徑向磁場(chǎng)分布圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖l是本發(fā)明固氮保護(hù)高溫超導(dǎo)除鐵器組成結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明固氮保護(hù)高溫超導(dǎo)除鐵 器由磁場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)l、垂直向程控電源2、水平向程控電源3、垂直向超導(dǎo)磁體4、水平向 超導(dǎo)磁體5組成，可以將傳送帶7上的煤層6中的鐵磁雜質(zhì)分離出來。磁場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)l完成磁場(chǎng)解算和狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。磁場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)l串口與兩個(gè)程控超 導(dǎo)電源2和3的串口連接。兩個(gè)程控超導(dǎo)電源2和3分別給超導(dǎo)磁體4和5供龜。垂直向超導(dǎo)磁 體4位于傳送帶6上部垂直位置，水平向超導(dǎo)磁體5位于傳送帶6側(cè)面水平位置。超導(dǎo)磁體3、 4內(nèi)部線圈軸線相互垂直，在磁軸平面內(nèi)構(gòu)成空間工作磁場(chǎng)。通過磁場(chǎng)控 制計(jì)算機(jī)1調(diào)整程控電源2和3電流的大小，從而控制工作空間磁場(chǎng)的方向和大小。在傳送帶 6不斷的前進(jìn)中，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和位于煤層6下面的微小的弱磁性材料的枏互作用產(chǎn)生電
磁力，從而將弱磁物質(zhì)分離出來。圖2所示是垂直向超導(dǎo)磁體4的結(jié)構(gòu)。垂直向超導(dǎo)磁體4用于提供垂直方向的磁力。超導(dǎo) 磁體4外部由"M"形導(dǎo)磁鐵軛18包圍，導(dǎo)磁鐵軛18插入低溫容器17的室溫孔中。超導(dǎo)磁體4的組成結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)為低溫容器17、液氮容器12、熱輻射屏16、固氮容器 15、餅式線圈14。液氮容器12安裝在熱輻射屏16蓋板上，熱輻射屏16通過環(huán)氧拉桿吊在低 溫容器17內(nèi)部，固氮容器15通過環(huán)氧拉桿吊裝在熱輻射屏16內(nèi)部，餅式線圈14安裝在固氮 容器15內(nèi)部。低溫容器17保持系統(tǒng)的運(yùn)行溫度。低溫容器17為圓柱形，有室溫通孔，用于放置導(dǎo)磁 鐵軛18。液態(tài)氮容器12位于低溫容器17和熱輻射屏16之間，用于保護(hù)熱輻射屏16的溫度不 會(huì)升高。磁體3的制冷部分是通過GM制冷機(jī)提供冷量，GM制冷機(jī)安裝在法蘭7上。制冷機(jī) 一級(jí)冷頭8冷卻低溫容器的熱輻射屏16。 二級(jí)冷頭10冷卻超導(dǎo)線圈14和固氮容器15內(nèi)的固態(tài) 氮，以及高溫超導(dǎo)電流引線9。制冷機(jī)將超導(dǎo)線圈的溫度降低到超導(dǎo)體的運(yùn)行溫度20K。固 氮容器15內(nèi)的固態(tài)氮用于保證超導(dǎo)線圈14使其在電流變化時(shí)系統(tǒng)不會(huì)失超。餅式高溫超導(dǎo) 線圈14通過導(dǎo)冷帶11與二級(jí)冷頭10相連，保證磁體3的運(yùn)行溫度。高溫超導(dǎo)電流引線9通過 一塊導(dǎo)冷板安裝在二級(jí)冷頭10位置，在磁體3降至運(yùn)行溫度20K后，通過高溫超導(dǎo)電流引線9 給磁體3通電。失超保護(hù)裝置13位于熱輻射屏16下端蓋，對(duì)磁體3進(jìn)行失超保護(hù)。圖3所示是水平向超導(dǎo)磁體5的結(jié)構(gòu)。水平向超導(dǎo)磁體5用于提供水平方向的磁力。水平 向超導(dǎo)磁體4結(jié)構(gòu)與垂直方向超導(dǎo)磁體4結(jié)構(gòu)相同。線圈14水平放置，低溫容器17設(shè)計(jì)上要 適應(yīng)線圈的安裝，采用水平圓柱體和垂直圓柱體無縫焊接的結(jié)構(gòu)工藝，如圖3b,低溫容器 17的上部為豎直的圓柱體結(jié)構(gòu)，下部為水平放置的圓柱體結(jié)構(gòu)，水平放置的圓柱體結(jié)構(gòu)中 間有室溫孔。水平向超導(dǎo)磁體外部由"E"形導(dǎo)磁鐵軛18包圍。下部的水平圓柱體結(jié)構(gòu)中間 的室溫孔用于放置導(dǎo)磁鐵軛18。兩個(gè)超導(dǎo)線圈3、 4軸線相互垂直，保證產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立方向的磁場(chǎng)，并消除磁場(chǎng)相互影 響。在磁場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)l的控制下，通過調(diào)整兩個(gè)超導(dǎo)線圈3、 4電流，在工作區(qū)平面內(nèi)可以 產(chǎn)生任意方向的磁場(chǎng)，達(dá)到不同方向除鐵的效果。圖4a是優(yōu)化后磁體參考外形，為磁體結(jié)構(gòu)四分之一剖視圖，優(yōu)化后的超導(dǎo)線圈19為薄 壁型結(jié)構(gòu)，周屈為導(dǎo)磁鐵軛20。圖4b是在550 mm距離上，磁體相關(guān)尺寸優(yōu)化后的一個(gè)實(shí)施 實(shí)例徑向磁場(chǎng)分布圖。從圖4b上可以看出，對(duì)于單個(gè)磁體而言，在550 mm距離上，場(chǎng)強(qiáng)超 過0.2T的區(qū)域半徑超過0.6m，即有效工作區(qū)域面積能達(dá)到li^以上，能夠很好的滿足除鐵需 要。
權(quán)利要求
1、一種高溫超導(dǎo)電磁除鐵器，包括超導(dǎo)磁體、程控電源、計(jì)算機(jī)(1)，每個(gè)超導(dǎo)磁體包括高飽和磁場(chǎng)的導(dǎo)磁鐵軛(18)、低溫制冷系統(tǒng)、低溫容器(17)、高溫超導(dǎo)線圈、高溫超導(dǎo)電流引線、熱輻射屏(16)以及位于高溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)內(nèi)部的失超檢測(cè)與保護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征在于垂直向和水平向兩個(gè)超導(dǎo)磁體(4、5)的螺管線圈軸線相互垂直，分別由兩臺(tái)程控電源(2、3)供電；在磁軸平面內(nèi)構(gòu)成空間工作磁場(chǎng)；垂直向超導(dǎo)磁體(4)外部由“M”形導(dǎo)磁鐵軛(18)包圍，導(dǎo)磁鐵軛(18)插入低溫容器(17)的室溫孔中；水平向超導(dǎo)磁體(5)外部由“E”形導(dǎo)磁鐵軛(18)包圍，水平向超導(dǎo)磁體(5)下部的水平圓柱體結(jié)構(gòu)中間的室溫孔放置導(dǎo)磁鐵軛(18)；低溫容器(17)為圓柱形，低溫容器(17)有室溫通孔，用于放置導(dǎo)磁鐵軛(18)；液態(tài)氮容器(12)位于低溫容器(17)和熱輻射屏(16)之間，液氮容器(12)安裝在熱輻射屏(16)蓋板上，熱輻射屏(16)吊裝在低溫容器(17)內(nèi)部，固氮容器(15)吊裝在熱輻射屏(16)內(nèi)部，餅式線圈(14)安裝在固氮容器(15)內(nèi)部；磁場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)(1)串口與兩個(gè)程控超導(dǎo)電源(2)和(3)的串口連接，磁場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)(1)調(diào)整程控電源(2)和(3)電流的大小，從而控制工作空間磁場(chǎng)的方向和大小。
2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的高溫超導(dǎo)電磁除鐵器，其特征在于磁場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)(1)和兩 臺(tái)程控電源(2、 3)的磁場(chǎng)解算過程和控制過程如下-第一步根據(jù)磁場(chǎng)要求，計(jì)算機(jī)(1)求解電流Ix， Iy;第二步，直流程控電源(2、 3)根據(jù)計(jì)算機(jī)(1)串口數(shù)據(jù)決定加載電流的大小； 第三步，直流程控電源(2、 3)加載電流給超導(dǎo)磁體線圈，實(shí)現(xiàn)所需要的磁場(chǎng)。
全文摘要
一種高溫超導(dǎo)電磁除鐵器，包括超導(dǎo)磁體、程控電源、磁場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)(1)。垂直向和水平向兩個(gè)超導(dǎo)磁體(4、5)的螺管線圈軸線相互垂直，分別由兩臺(tái)程控電源(2、3)供電；在磁軸平面內(nèi)構(gòu)成空間工作磁場(chǎng)。液態(tài)氮容器(12)位于低溫容器(17)和熱輻射屏(16)之間，液氮容器(12)安裝在熱輻射屏(16)蓋板上，熱輻射屏(16)吊裝在低溫容器(17)內(nèi)部，固氮容器(15)吊裝在熱輻射屏(16)內(nèi)部，餅式線圈(14)安裝在固氮容器(15)內(nèi)部。磁場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)(1)串口與兩個(gè)程控超導(dǎo)電源(2)和(3)的串口連接，磁場(chǎng)控制計(jì)算機(jī)(1)調(diào)整程控電源(2)和(3)電流的大小，從而控制工作空間磁場(chǎng)的方向和大小。
文檔編號(hào)H01F6/00GK101130179SQ20071017610
公開日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2007年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月19日
發(fā)明者王厚生, 王春忠, 王秋良 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所