作者:左萍 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/4/20 21:21:13
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揭秘电流密度:一匹桀骜不驯的小野马

 

中科院强磁场科学中心水冷磁体运行电流正如一群性烈、自由的草原野马。其强度达上万安培谓之“性烈”,只要是导体就顺着“走”谓之“自由”。那姑且把“电流密度”看作是这个群体中一匹匹的小烈马,水冷磁体设计人为驯服使其按照指令“行动”花了不少心思。驾驭一匹野马,御马者当然首先要摸清楚马的性情。

什么是电流密度呢?水冷磁体中电流密度(包括大小和方向)是描述线圈导体中某点电流强弱和流动方向的一个参量。其大小为流过该点并与之垂直的单位面积上的电流。线圈的性能与电流量紧密相关,而电流密度又是由导体的尺寸来决定的。

如果不采取措施,整个线圈在轴向上从上到下,距离中心轴相同点的电流密度大小都是相同的(还记得jr=j1·a1/r等计算吗?有兴趣可以了解,当然也可以置之不理,这里允许你知其然不知其所以然),但这样可不行,水冷磁体设计人员为目标设计采用的方法就是:把电流密度沿轴向的分布作优化(起个英文名字就是:Opti-Current Density up Grading)。

如何达到目的呢?这里假使你知道了水冷磁体的导体是比特片而非常见的导线:事先计算好在线圈两端什么尺寸范围开始优化,之后,开始变换每匝线圈厚度,即采用不同的装配方法使每匝内包含不同数量的比特片,如中间部分12片为一匝,那两端可以24片为一匝,或者更多等等,这是一个渐变的过程。(匝:只要学过初中物理你就应该知道什么是匝,简单讲就是电流转一圈走过的电路)。

这就是水冷磁体研制人找到的驾驭“电流密度”这匹野马一种行之有效的方法。强磁场中心五台水冷磁体设计均使用了这种优化方法。与优化前比,通入相同的电源功率下产生更强磁场,同时还减弱了线圈两端的电磁应力,起到一箭双雕的功效。

虽然减弱两端线圈内部电磁应力听起来像“副作用”,作用却至关重要。这里顺便也说一点:线圈内部比特片有一秘密武器可抵抗电磁应力,称之为“磁场箝位”,中间的线圈相互吸引就像异性相吸的磁铁一样,即使电磁应力迫使它们向外膨大,磁场箝位仍把它们束缚在一起。但如不作优化,在两端磁场箝位则不足以抵抗电磁应力,这种现象就导致了两端和中间的比特片膨大不一致,造成比特片冷却孔错位、最终堵塞冷却水流通道的现象发生,以致导致严重后果。

驯服电流密度只是间接目的,可别忘了“强磁场”,当然追求更高的磁场强度才是我们的终极目的。

利用了电流密度优化技术,一号水冷磁体场强增加了0.879T,五号水冷磁体场强增加了0.873T。可别瞧不起这不到一个特斯拉的磁场强度,这在极端情况下却是难能可贵的。就如登山运动员,在登顶之前最后迈出的几步都事关成败。

整个故事听起来似乎简单,如要深究实则不易。中科院强磁场中心就因为有“御马有道者”,所以才“培育”出一匹匹“良马”,水冷磁体先后刷新了三项领域内国际纪录。

 
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