由于超导导线的性质与特点跟常规导线相差很大，因此超导磁体的设计在很大程度上不同于常规磁体的设计，有自己独特的设计准则。本节主要介绍人们常用的超导磁体设计方法。

一个磁体设计方案必须满足基本使用要求：中心磁场强度，磁场空间均匀性，磁场时间稳定性。其中，对于直流工作且对均匀性要求不特别高的磁体，稳定性更多地依赖于电源的好坏和磁屏蔽的程度等，在设计磁体时更多的是考虑使磁体满足中心场强和均匀性的要求。

在实际的超导磁体设计中，还需要考虑的重要因素包括：磁体的机械强度，即磁体在电磁应力和热应力下的稳定程度；工作的稳定度，即在工作时保证处于超导态的能力；保护措施，即在磁体部分或整体失去超导态时保证磁体和其他设备安全的措施；导线和制冷方式的选择，即选择合适的超导导线和磁体制冷方式以使得成本最小化。此外，由于超导磁体的原料成本一般比较高昂，因此在满足各条件的前提下尽量减少导线的用量也是超导磁体设计的内容^[38]。

中心磁场强度是磁体形状设计最重要的准则，所有磁体设计最重要的指标就是磁体所能达到的最大中心磁场强度。铜导线绕制的磁体在加大磁场时焦耳热损耗二次方增加，因此常规磁体设计中中心场强的主要限制因素是散热和功耗问题。

对于超导磁体而言，不存在焦耳热损耗，但是却存在一个临界磁场和临界电流的限制，这个限制对于各向同性和各向异性的导体而言是不一样的。因此，对于超导磁体设计，其中心场强主要受到临界电流的限制，在设计时需特别考虑这个因素。

当然，单纯满足中心场强的设计要求并不困难；事实上只要磁体被设计的足够厚，一般都可以满足中心场强的要求。

磁场均匀性是磁体设计的另一个重要指标。因为绝大多数磁体应用时都需要在一定的空间范围内提供一个方向、大小相对均匀的磁场，或者是提供一个磁场梯度，否则磁体是无法使用的。因此磁体在设计时不能单单满足磁场强度的要求，同时也要满足磁场均匀度的要求。

提高磁场均匀度一般都是通过改进磁体几何形状来实现的。一般来说，提高磁场均匀性的方法有很多种，其中最简单的一种方法就是增加磁体的长度，因为理想的无限长的磁体内部的磁场是完全均匀的。

因此，单纯需要满足磁场的均匀性要求也并不困难，只要磁体被设计的足够长，总是可以满足均匀性要求的。

虽然只要磁体被设计的足够厚足够长，一般总是可以满足磁场和均匀性要求，然而在实际设计一个磁体时不能单考虑这两项指标；只有综合考虑多种影响因素之后，才能最终确定磁体的设计方案。

一个很重要的考虑因素就是磁体成本问题。一个项目的总成本限制着在绕一个磁体时不可能随心所欲地使用导线，也就意味着设计时在满足磁体设计要求的时候要尽可能地节省导线使用量，从而控制成本。另外，磁体的机械强度、热稳定性、使用空间等都限制磁体的大小。(www.daowen.com)

因而，设计磁体的一个重要命题就是，如何设计一个磁体，才能够在尽可能小的体积和少的导线用量内，满足磁体中心场强和均匀性的要求。

按照一般磁体设计流程，人们首先根据设计要求和经验，得到一个磁体的初步设计方案。接下来，根据这个初步方案对磁体进行解析或者数值计算，并根据超导导线的临界电流情况确定磁体的工作电流，由此得到整个磁体内部的磁场大小和分布。同时进行磁体用线量的计算，即估算磁体的原料成本。根据以上信息，判断这个磁体设计是否满足设计要求；如果不满足，则需在此设计的基础上调整参数，重新设计一个新的几何形状，直到符合要求为止。

得到了一个符合要求的设计方案后，人们还需要将这个方案与其他可行方案进行对比，综合考虑中心场强、磁场均匀性、导线用量、磁体机械强度、热稳定性等因素后，定出一个最优的方案来。从最初的磁体要求开始，直到得到最终方案为止，所有步骤构成了磁体形状设计的整个流程。

从磁体形状确定磁体的临界电流需要用到负载线图。常见的负载线图如图3.2所示。图中曲线为超导导线在温度T下的临界曲线，即临界电流随外加磁场的变化曲线（J-B曲线）。这里需要注意的是，对于各向同性的超导导线，如Nb-Ti和Nb₃Sn而言，垂直场和平行场对导线临界电流的影响是相同的，因此这条曲线对应的磁场B为导线所承受的总磁场，并不区分方向。对于各向异性的超导带材，如Bi-2223和YBCO而言，垂直场对带材临界电流的影响远远大于平行场的影响，以至于在磁体设计时，往往只需要考虑垂直于带材表面的磁场分量，不需要考虑平行带材表面的分量。

图3.2　负载线图

一般来说低温超导（LTS）导线为各向同性的，因此在设计低温超导磁体时，如果绕制整个磁体所用的导线质量相同，则限制磁体临界电流的位置一定是磁体经受的最大磁场的位置。对于螺线管形磁体来说，这个最大磁场出现的位置并不在磁体的中心处，而是在磁体的中心面与磁体内径的交线上，这样，根据设计磁体的几何形状，计算出单位电流在此最大磁场位置产生的磁场强度。由于磁体磁场强度正比于电流，因此可以做出一条B-I直线来。这条直线就叫作负载线。B-I线与J-B曲线的交点决定了磁体的临界电流。这是因为如果大于该值的电流通入磁体的导线上，产生的磁场将大于J-B曲线所显示的临界磁场，导线将会失去超导电性。实线是根据磁体中心场强做出的B-I直线，可以看出，其与J-B曲线的交点高于实际临界点。这样，磁体的临界电流就被确定，其中心场强B_LTS进而也可计算得到。这张图就叫作负载线图，用负载线图确定某个几何形状的超导磁体的临界电流和最大中心场强的方法就叫作负载线法。

而高温超导（HTS）带材一般都是各向异性的，因此在设计高温超导磁体时，需要考虑磁体最大径向磁场对带材电流的限制，这个最大径向磁场一般出现在磁体的两端。

与最大磁场不同的是，最大径向磁场没有解析解，一般来说都需要通过计算机程序计算出数值解。当计算得到磁体通过单位电流时产生的最大径向磁场，并做出磁体最大径向磁场的负载线后，就可以按照与上述相同的方法得到磁体的临界电流和最大中心场强。

随着计算机技术的迅猛发展，到目前为止，计算机已经可以代替人类做绝大多数的计算工作。磁体设计也不例外，使用计算机程序进行磁体设计的现象已经越来越普遍。使用计算机程序可以大大减少设计磁体所需的时间，同时使用合适的优化算法，也能进行磁体设计的优化。传统的设计往往成为计算机程序计算前的估算或者之后的检验。然而，这并不意味着计算机程序可以代替一些设计行为。这不仅体现在传统的计算可以指导并检验程序计算的结果；同时，一个好的设计方法，可以在很大程度上减轻设计的复杂性，减少设计用时，增加设计的可靠性。这往往是不能依赖计算机程序实现的。