[0001] 本发明涉及电磁技术领域，特别是涉及一种线圈间距调整装置、超导磁体和线圈间距调整方法。

[0002] 随着半导体和光伏等行业的快速发展，对高质量单晶材料的需求不断增加。磁控直拉单晶技术是生长大直径高纯度单晶硅的有效手段。多种磁场类型中以勾形场(CUSP)最
优。能够产生勾形场的超导磁体由上下分布的两个磁场方向反向串联通电的线圈组成，其
设计一般取决于坩埚的外形尺寸，在坩埚侧壁和底部产生特定的磁场分布，一旦设计方案
确定，上下线圈的间距则无法改变。然而，针对市场上多种尺寸坩埚的使用需要，以及，研究
不同磁场分布对单晶硅的质量和性能的需求，提高线圈间距的灵活性成为需要解决的问
题。

[0003] 相关技术中，针对线圈间距固定包括软件模拟仿真和硬件结构调整两种，其中，软件模拟仿真通过计算机算法进行建模计算，但仿真结果与实际测量结果相比，准确度较低；
硬件结构调整主要依靠电机和丝杆螺母进行间距调节，然而电机和丝杆螺母的调节精度限
制了间距调节精度，并且，额外增加的元器件缩小了设备内部空间，提升了设备成本，增加
了控制的复杂度。

[0004] 针对相关技术中线圈间距调节精度低下的问题，尚未提出有效的解决方案。

[0027] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发
明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不
违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0028] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0029] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0030] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0031] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0032] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以
是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平
的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施
方式。

[0033] 超导磁体是指低温下用具有高转变温度和临界磁场特别高的第二类超导体制成线圈的一种电磁体。通过设置不同的线圈尺寸和线圈间距，可形成不同的磁场分布。现有技
术中用于磁控单晶炉的超导磁体，一般采用的是一个磁体只能形成单一磁场的设计，这种
设计限制了针对不同磁场对单晶硅产量以及质量的研究。相关技术中采用增设电机与丝杠
螺母的方法调控线圈间距，但是这种调节方式需要保证多个丝杠螺母动作的一致性，并且
调节精度受限于电机和螺纹的精度，间距的调节效果不佳。此外，增设的电机和丝杠螺母占
用了较大的设备内部空间，增加了设备的安装复杂度，提高了维护成本，此外，强磁场环境
可能导致电机失效，导致间距调节功能失灵。因此，亟需一种能够精准调节超导磁体的线圈
间距的装置。

[0034] 请参阅图1至图6，本发明提供一种线圈间距调节装置，应用于超导磁体，线圈间距调节装置包括相对设置的两个线圈限位件100和连接两个线圈限位件的间距调节件200。线
圈限位件100用于容置超导磁体的线圈。在超导磁体技术应用中，通过间隔相对设置的两个
线圈通电形成勾形磁场。线圈容置于线圈限位件100时，通过调节连接线圈限位件100的间
距调节件200的长度，即可调节线圈之间的距离。间距调节件200包括伸缩杆210、磁流体220
以及磁化线圈230，伸缩杆210可通过多杆套接的方式组成，处于内部的杆体可在套筒内部
自由活动。伸缩杆210的两端分别与两个线圈限位件100连接，套接部分为伸缩部。磁流体
220又称磁性液体、铁磁流体或磁液。磁流体220既具有液体的流动性又具有磁体的磁性。当
无外部磁场存在时，磁流体220呈现出液体的流动性。当外部磁场存在时，由于磁流体220的
磁性，在外部磁场作用下，磁流体220的流动阻尼增大并固化。磁流体220设置于伸缩杆210
的伸缩部，伸缩部即套接部。磁化线圈230套设于伸缩部的外侧，并可与外部电源电连接。磁
化线圈230用于为磁流体220提供外部磁场。当外部电源未启用时，磁化线圈230不工作，位
于伸缩部的磁流体220展现液体的流动性，伸缩杆210在线圈限位件100内的线圈重力的作
用下缩短；若线圈限位件100内的线圈通电，该线圈之间的斥力大于重力，伸缩杆210在线圈
限位件100的带动下可伸长；通过控制线圈限位件100内的线圈通电与否，即可调节伸缩杆
210的长度，进而调节线圈间距。当外部电源启用，磁化线圈230通电，磁化线圈230产生外部
磁场，处于外部磁场内的磁流体220阻尼增大并固化，使得伸缩杆210的伸缩部固定。从而使
得完成间距调节后的线圈间距保持在目标距离。

[0035] 本申请实施例的间距调节装置包括伸缩杆210、磁流体220以及磁化线圈230的组合设计，基于磁流体220的基本特性，借助磁化线圈230通电产生的外部磁场，通过控制外部
磁场的磁场强度，改变磁流体220的阻尼和粘度，使得伸缩杆210进行伸长、缩短以及固定，
实现了线圈间距的灵活和精准调节。本实施例中的间距调节装置设计精巧，无需配置额外
的电机以及连动机构，节约了超导磁体的内部空间，同时，解决了相关技术中电机受强磁场
环境作用而失效的问题，提高了间距调节装置的设备可靠性。

[0036] 在其中的一个实施例中，如图3所示，线圈限位件100的外侧壁包括线圈容置槽110，该线圈容置槽110为弧形槽或方形槽，用以容置线圈；在线圈通电时，两个线圈限位件
100受到使其相互远离的斥力。具体地，如图4所示，由于两个线圈限位件100内的线圈电流
方向相反，电流产生的磁场发生排斥，产生使两个线圈相互远离的斥力，一般的，该斥力大
于线圈和线圈容置槽自身的重力，因而可以通过对线圈通电增大线圈间距。

[0037] 在其中的一个实施例中，线圈限位件100为矩形或环形，优选的，线圈限位件为圆环状。

[0038] 在其中的一个实施例中，线圈间距调节装置包括多组间距调节件200和两个线圈限位件100。间距调节件200的数量可以是两组、三组或三组以上。两个线圈限位件100的尺
寸相同。多组间距调节件200环设于两个线圈限位件100之间，使两个线圈限位件100的圆心
共轴。

[0039] 在其中的一个具体实施例中，线圈间距调节装置包括四组间距调节件200，间距调节件200按90°夹角均匀设置于两个线圈限位件100之间。

[0040] 在其中的一个实施例中，间距调节件200与线圈限位件100通过焊接方式和/或螺纹方式连接。

[0041] 在其中一个实施例中，如图2、图5以及图6所示，伸缩杆210包括套接的导向筒211和导向杆212，磁化线圈230套接于导向筒211的外侧壁，磁流体220设置于导向筒211内侧壁
与导向杆212外侧壁之间的缝隙内，磁流体220和磁化线圈230隔导向筒相对设置。

[0042] 在其中的一个实施例中，导向筒211的内侧壁沿导向筒轴向方向设置有导向槽2111，导向杆212的外侧壁沿导向杆的轴向方向设置有导向条2121，导向槽2111与导向条
2121配合使伸缩杆210沿导向杆212的轴向方向伸展或收缩。

[0043] 本申请还提供了一种超导磁体，该超导磁体包括第一线圈、第二线圈以及如上述任一实施例中的线圈调节装置，其中，第一线圈和第二线圈分别设置于线圈限位件内。第一
线圈和第二线圈通电后可形成勾形磁场。

[0044] 本实施例的超导磁体，通过改变线圈间的间距，形成多种不同角度的磁场分布，可适用不同坩埚尺寸的拉晶，提升了超导磁体的兼容性；为超导磁体对拉晶的影响实验提供
了多种可能，结合模拟仿真，改变超导磁体内的线圈间距，进行实际拉晶实验，进一步提高
拉晶质量和拉晶效率。并且，本申请实施例的超导磁体可以适用多种尺寸的坩埚拉晶，使得
企业无需购买不同规格的磁体来匹配不同的坩埚。

[0045] 本申请还提供了一种线圈间距调节方法，应用于如上一实施例所记载的超导磁体，如图7所示，该线圈间距调节方法包括：

[0046] 步骤S701，获取增大线圈间距的第一间距调节量；

[0047] 步骤S702，基于第一间距调节量对两个线圈限位件内的线圈分别施加方向相反的电流，使线圈限位件在磁场斥力的作用下相互远离，间距调节件在线圈限位件的带动下伸
展，直至间距调节件长度达到第一目标长度；

[0048] 步骤S703，控制磁化线圈通电，使得磁流体固化以固定间距调节件的长度；

[0049] 步骤S704，控制线圈限位件内的线圈断电。

[0050] 具体地，第一间距调节量即需要增大的线圈间距调节量。当线圈间距需要变大时，对超导磁体的线圈逐渐通入电流，磁化线圈不通电，由于勾形磁场CUSP的磁体上下线圈电
流方向相反，上下线圈形成互斥的电磁力，互斥电磁力会随着线圈电流的增加而增加，线圈
间的互斥力可以在0到80吨之间调节，通过预先测量和计算，可以通过线圈的互斥力变大线
圈的间距，当线圈间距改变到需要的间距，即第一目标长度时，给磁化线圈通电，使得导向
筒内磁流体阻尼增大并固化，进而使得上下线圈间距不再改变，此时将上下线圈电流褪去，
线圈间距保持不变。

[0051] 在其中的一个实施例中，如图8所示，线圈间距调节方法还包括：

[0052] 步骤S801，获取缩小线圈间距的第二间距调节量；

[0053] 步骤S802，基于第二间距调节量减小通过磁化线圈的电流，使得磁流体液化，两个线圈限位件在重力作用下相互靠近，间距调节件在线圈限位件的带动下收缩，直至间距调
节件的长度达到第二目标长度。

[0054] 步骤S803，增大通过磁化线圈的电流，使得磁流体固化以固定间距调节件长度。

[0055] 具体地，第二间距调节量即需要缩小的线圈间距调节量，当线圈间距需要减小时，降低磁化线圈的电流，电流减小到目标值，磁流体固化减弱，阻尼变小。导向升降杆在导向
筒内相对滑动，当减小到目标的线圈间距，间距调节件的长度达到第二目标长度，此时增大
磁化线圈的电流，重新将磁流体固化，使得两个线圈限位件在磁流体大阻尼下无法相对靠
近，从而缩小线圈间距，改变了磁场角度的分布。

[0056] 以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛
盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0057] 以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在
不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。