CN101630560A - 一种超导磁体绕制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超导磁体绕制方法，利用两个以上的单饼，由一根带材将两个单饼绕制成双饼，步骤为：1)根据需要设计线轴的形状，各线轴的一侧均设置一凸出环，另一侧均设置一凹进部分；2)绕制双饼：首先，固定一个单饼线轴的位置，将带材自端点起向固定的线轴上缠绕，并将带材与线轴接触表面焊接在一起；其次，同步旋转固定的线轴和带盘，将带材向固定的线轴上缠绕；再次，取定带材的总长度后，将带材截断并固定另一个单饼线轴，将带材的截断处焊接在该单饼线轴上，同步旋转两个单饼的线轴，从一个线轴向另一个线轴上缠绕带材；最后，当两个饼的带材长度和匝数相等时，停止同步旋转，固定其中一个线轴，平移、旋转固定的单饼，使两单饼重合形成一过渡层；3)磁体的组装：双饼线轴的凸出环插入相邻双饼线轴的凹进部分。本发明可广泛应用于各种超导磁体的绕制。

Description

一种超导磁体绕制方法

技术领域

本发明涉及一种超导磁体电工学领域，特别是关于一种超导磁体绕制方法。

背景技术

在超导磁体绕制技术发展的过程中，由于传统的螺线管绕法在很多情况下无法满足超导磁体绕制要求，因此出现了饼状线圈的绕制方法，主要适用于绕制带状导线或是方形截面的导线。最早出现的饼状线圈是单线单饼线圈，然而超导磁体的电阻主要来源于带材与带材之间连接的电阻，单线单饼线圈组装的超导磁体由于使用饼的数目较多，饼之间的焊接点也较多，会增加磁体的损耗和发热，对磁体的制冷是不利的。单线双饼线圈的绕制方法，正是为了减少带材之间的焊接点，降低磁体回路的总电阻而产生的。其优点主要在于：第一，绕制单线双饼线圈所需的单根带材的长度比完整无焊接的传统螺线管绕法要短很多。因为一个完整的磁体由若干个双饼组装而成，所以使用螺线管绕法绕制整个磁体所需带材往往为绕制双饼线圈所需带材的若干倍。第二，不同的双饼之间相对独立，可以尽可能的通过使用不同半径的双饼组装在一起来贴近所需的磁体设计形状。第三，由于双饼之间相对独立，可以避免因为带材中某点的损坏而影响整个磁体，即将带材缺陷的影响限制在一个双饼的范围内。

现有超导带材单线双饼线圈的绕制过程为：以一根超导带材的中点为起始点，分别向两个相反的方向将带材逐圈向外缠绕，形成一个双饼的形状。其特点为导线的绕制方向为从内到外，带材两端分别在两个饼的最外侧。这种绕制方法形状简单，顺应人习惯性思维的方向。然而这种绕制方法对绕制装置的要求较高，在将带材从带盘向双饼线圈的线轴上缠绕时，往往需要有至少一个带盘需要同时作自转和围绕线圈线轴的公转，因此一般的单线双饼线圈绕线机设计繁琐，体积较大，并且由于带盘的运动复杂，难以保持缠绕过程中带材的张力，增加了绕制的复杂性和不确定性。近年来，随着超导磁体的广泛应用，超导带材单线双饼线圈的绕制技术也得到一定的发展和提高，多种单线双饼绕线机被发明出来，但结构复杂，且都是以实现上述绕制方向的双饼为目标。因此，虽然线圈的绕制质量得到提高，但是这种绕制方式所固有的一些缺点却无法避免。首先，导线的端点在饼的外侧，由于其缺乏固定支撑，焊接难度较大。其次，由于焊接点与磁体接触不容易做好，所以难以用常规的接触式制冷进行冷却和保护。第三，两饼之间的过渡圈在最内侧，其弯曲半径最小，又需要有一定得面内形变，有可能影响带材的通流能力。所以，现有的单线双饼线圈绕制技术在提高线圈质量方面并无实质性的进展。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种容易焊接、由多个双饼构成且双饼由一根带材绕制而成的超导磁体绕制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种超导磁体绕制方法，其特征在于：所述磁体的绕制方法利用两个以上的单饼，由一根带材将两个单饼绕制成双饼，其包括以下步骤：1)设计、制造双饼线轴：根据需要设计线轴的形状，线轴为偶数个，在各线轴的一侧均设置有一凸出环，另一侧均设置有一与其他线轴的凸出环紧配合的凹进部分；2)绕制双饼：(1)先固定双饼中一个单饼的线轴的位置，将带材自端点起，在与线轴贴合的部分处理干净，同时将固定的线轴的外侧表面也处理干净，再将带材向固定的线轴上缠绕，缠绕的同时将带材与固定的线轴接触表面焊接在一起，长度为一圈；(2)通过同步旋转固定的线轴和厂商提供的带盘，将带材从带盘上向固定的线轴上缠绕，缠绕长度为单饼的两倍；(3)在取定带材的总长度后，将带材截断，并固定另一个单饼的线轴，将带材的截断处焊接在该单饼的线轴上，通过同步旋转两个单饼的线轴，从一个线轴向另一个线轴上缠绕带材；(4)当两个饼的带材长度和匝数相等时，停止同步旋转，固定其中一个线轴，通过平移、旋转固定的线轴上所缠绕的单饼，使之与另一线轴上所缠绕的单饼重合，在两个饼的最外圈形成一层绷紧的从一个饼斜跨到另一个饼的过渡层；3)磁体的组装：双饼的线轴的凸出环插入相邻双饼的线轴的凹进部分，依次顺次组装好所有双饼线圈，组成超导磁体。

所述线轴上绕制的带材的中点在双饼的最外圈，带材的两个端点分别留在各单饼的最内侧。

所述凸出环的内径与所述线轴的最内径相同，所述凸出环的外径小于所述线轴的最外径，所述凹进部分的内径大于所述线轴的最内径，所述凹进部分的外径与所述线轴的最外径相同。

所述各线轴一侧的所述凸出环为紫铜环，磁体组装时，双饼中一个所述线轴的紫铜环用绝缘且导热好的材料包裹后与双饼中另一个所述线轴的凹进部分紧配合。

所述各线轴一侧的所述凸出环为陶瓷环，磁体组装时，双饼中一个所述线轴的陶瓷环与双饼中另一个所述线轴的凹进部分紧配合。

各所述线轴具有相同的轮廓同心设计，且均为紫铜加工。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、本发明由于采用两个以上的单饼组成双饼，由一根带材绕制成磁体，在线轴上绕制的带材的中点在双饼的最外圈，带材的两个端点分别留在各单饼的最内侧，并且带材的端点可以直接焊接在线轴上，因此有效的降低了焊接的难度，提高了焊接点的可靠性，同时线轴采用高电导材料，通过线轴与线轴之间的直接连接成为磁体的导电通路，增加了整个磁体的结构紧凑性。2、本发明由于各线轴都为高导电、高导热材料的紫铜加工，作为双饼的两个电极，各线轴一侧的凸出环为紫铜环或陶瓷环，磁体组装时，线轴的紫铜环用绝缘且导热好的材料包裹后与另一线轴的凹进部分紧配合；线轴的陶瓷环与另一线轴的凹进部分紧配合，因此保证了电与热的有效导通。3、本发明由于采用焊点与线轴相连，而线轴的材料为高电导高热导的紫铜材料，如果将制冷机的冷头与其线轴接接触，可以有效的导走焊点通流时产生的热量，这部分热量即为超导磁体正常工作时产生的全部热量，因此极大的方便了接触式制冷的过程。4、本发明由于将过渡层设置在最外圈，弯曲半径较大，因此有效的降低了扭绞力及对通流能力的影响，方便了对过渡层的绝缘处理。5、本发明由于采用的绕制结构简单，因此在绕制过程中能很好的控制带材上的张力。6、本发明由于采用的绕制过程较为简洁，绕制磁体结构紧凑，大大减小了绕制磁体的设备所占据的空间。本发明可广泛应用于各种超导磁体的绕制。

附图说明

图1是本发明的双饼线轴组装及线轴结构示意图

图2是本发明的双饼线轴绕制及线轴组装示意图

图3是本发明的跑道形双饼线圈绕制示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明的方法是利用两个以上的单饼组成双饼，由一根带材绕制成磁体，带材的中点在双饼的最外圈，带材的两个端点分别留在各单饼的最内侧，磁体绕制过程较为简洁，结构紧凑。磁体的绕制方法包括以下步骤：

1、设计、制造双饼线轴：

如图1所示，以螺线管形磁体为例，首先根据需要设计双饼线轴的形状，线轴1、2、3…N为偶数个，线轴1、2、3…N具有相同的轮廓同心设计，且均使用高导电、高导热材料的紫铜加工。在各线轴1的一侧均设置有一凸出环4，另一侧均设置有一与其他线轴的凸出环4紧配合的凹进部分5。其中，凸出环4的内径与线轴1的最内径相同，凸出环4的外径小于线轴1的最外径，凹进部分5的内径大于线轴1的最内径，凹进部分5的外径与线轴1的最外径相同。双饼线轴的制造有两种方法，一种方法是将双饼中的一个线轴1一侧的凸出环4设置为陶瓷环，陶瓷环可使双饼内两线轴1之间绝缘。双饼中的另一个线轴1一侧的凸出环4仍为紫铜环，作为双饼的电极。另一种方法是所有的线轴1都具有相同的结构，即线轴1两侧的凸出环4和凹进部分5都为紫铜加工，将双饼中的一个线轴1的凸出环4的凸出部分缠绕上绝缘且导热较好的材料，例如聚酰亚胺胶带，用于使双饼内两线轴1之间绝缘，保证了一定的导热能力。

2、绕制双饼(如图2所示)：

(1)先固定双饼中一个线轴1的位置，将带材自端点起，在与线轴1贴合的部分处理干净，也就是将带材的最内一圈的内表面处理干净。同时将固定的线轴1的外侧表面也处理干净，再将带材向固定的线轴1上缠绕，缠绕的同时将带材与固定的线轴1接触表面焊接在一起，长度为一圈。

(2)通过同步旋转固定的线轴1和厂商提供的带盘6，将带材从带盘6上向固定的线轴1上缠绕，缠绕长度为线轴1的单饼A的两倍，即为绕制双饼所需带材的总长度。

(3)在取定带材的总长度后，将带材截断，并固定另一个线轴2，将带材的截断处焊接在线轴2上，通过同步旋转单饼A的线轴1和单饼B的线轴2，带材从单饼A的线轴1向单饼B的线轴2上缠绕带材。

(4)当单饼A和单饼B两个饼的带材长度和匝数相等时，停止同步旋转，固定其中一个单饼A的线轴1，通过平移、旋转线轴2上所缠绕的单饼B，使之与线轴1上所缠绕的单饼A重合并紧紧贴在一起，同时通过加张力使带材保持绷紧，最终在两个饼的最外圈形成一层绷紧的从一个饼斜跨到另一个饼的过渡层7，过渡层7即为带材的中点。其中双饼内两线轴1、2之间通过陶瓷的凸出环4与凹进部分5紧配合，起到同轴和绝缘的效果，同时保证了一定的导热能力。

3、磁体的组装：双饼的线轴1的凸出环4插入相邻双饼的线轴3的凹进部分5，形成紧配合。依次顺次组装好所有双饼线圈，即组成了超导磁体。

下面通过具体实施例对本发明的方法进行进一步的描述。

实施例1：

如图1所示，根据本发明的绕制方法，本实施例的螺线管形磁体的绕制和组装步骤如下：

1、双饼线轴的设计与制造：双饼内的线轴分别为线轴1和线轴2，线轴1和2具有相同的轮廓同心设计，均使用紫铜加工。其中，线轴1最外径为56mm，最内径为42mm，总长为7mm。线轴1的一侧紫铜的凸出环4的长度为2mm，外径为48mm，内径为42mm。线轴1的另一侧凹进部分5的长度为2mm，外径为56mm，内径为50mm，从而实现了跟线轴2的外径为50mm，内径为42mm的陶瓷的凸出环4紧配合。线轴2最外径为56mm，最内径为42mm，总长为5mm。线轴2的凹进部分5的长度为3mm，外径为56mm，内径为50mm，用于跟其它双饼陶瓷凸出环4紧配合，从而使双饼内的线轴1和线轴2绝缘。

2、绕制双饼：

(1)先固定双饼中的一个单饼的线轴1的位置，将带材自端点起需和线轴贴合的部分，即为最内一圈的带材的内表面处理干净，同时将线轴1的外侧表面处理干净，将带材向底部线轴1上缠绕的同时将两者的接触表面焊接在一起，长度为一圈。

(2)然后通过同步旋转线轴1和厂商提供的带盘6将带材从带盘6上向底部线轴1上缠绕，缠绕长度为单饼的两倍，即为绕制双饼所需带材的总长，共计51.0m，172匝。此时饼的外径为131.8mm。

(3)在取定长度将带材截断，并固定另一个饼的线轴2，将带材自截断处焊接在线轴2上，通过同步旋转线轴1和线轴2，从线轴1向线轴2上缠绕带材。

(4)当两个饼的带材长度和匝数相等，各102匝时，停止同步旋转，固定其中一个线轴2，通过平移、旋转线轴1上所缠绕的饼使之与线轴2上所缠绕的饼重合，并紧紧贴在一起，同时通过加张力使带材保持绷紧，最终在两个饼的最外圈形成一层绷紧的从一个饼斜跨到另一个饼的过渡层7。此时双饼的外径为101.4mm。其中双饼内两线轴1、2之间通过一个外径50mm，内径42mm，高5.5mm的陶瓷环紧配合，起到同轴和绝缘的效果，同时保证了一定的导热能力。

3、磁体的组装：双饼中的线轴1的凸出部分插入相邻双饼中的另一线轴的凹进部分形成紧配合。依次顺次组装好所有双饼线圈。

实施例2：

如图1所示，根据本发明的绕制方法，本实施例利用聚酰亚胺胶带绝缘的螺线管形磁体的绕制和组装步骤如下：

1、双饼线轴的设计与制造：双饼内的线轴均使用紫铜加工的线轴1和线轴2，线轴1、2具有圆形轮廓同心。线轴1最外径56mm，最内径42mm，总长7mm。线轴1一侧的凸出环4的长度为2mm，外径为48mm，内径为42mm。另一侧的凹进部分5的长度为2mm，外径为56mm，内径为48mm，用于跟线轴2的外径48mm，内径42mm的凸出环4紧配合。

2、绕制双饼：

(1)先固定双饼中的一个单饼的线轴1的位置，将带材自端点起需和单饼的线轴1贴合的部分，即为最内一圈的带材的内表面处理干净，同时将线轴1的外侧表面处理干净，将带材向线轴1上缠绕的同时将两者的接触表面焊接在一起，长度为一圈。

(2)然后通过同步旋转线轴1和厂商提供的带盘6将带材从带盘6上向线轴1上缠绕，缠绕长度为单饼的两倍，即为绕制双饼所需带材的总长，共计55.2m，180匝。此时饼的外径为138.9mm。

(3)在取定长度将带材截断，并固定另一个单饼的线轴2，将带材自截断处焊接在线轴2上，通过同步旋转线轴1和线轴2，从线轴1向线轴2上缠绕带材。

(4)当两个饼的带材长度和匝数相等，各108匝时，停止同步旋转，固定其中一个线轴2，通过平移、旋转线轴1上所缠绕的单饼使之与线轴2上所缠绕的单饼重合并紧紧贴在一起，同时通过加张力使带材保持绷紧，最终在两个饼的最外圈形成一层绷紧的从一个饼斜跨到另一个饼的过渡层7。此时双饼的外径为53.0mm。其中双饼内两线轴1、2之间通过在其中线轴2的凸起部分缠绕聚酰亚胺胶带绝缘，同时保证了一定的导热能力。

3、磁体的组装：双饼中线轴1的凸出部分插入相邻双饼中线轴的凹进部分形成紧配合。依次顺次组装好所有双饼线圈。

实施例3：

如图3所示，根据本发明的绕制方法，本实施例的跑道形磁体的绕制和组装步骤如下

1、双饼线轴的设计与制造：设计方法与实施例1相似，只是线轴的形状变为跑道形，两侧半圆的大小与实施例一中圆的一半大小相同，中间直的部分为长度为60mm。

2、绕制双饼：绕制过程需要严格计算控制带材的长度误差不能超过1mm。

(1)先固定双饼中的一个饼的线轴8的位置，将带材自端点起需和线轴8贴合的部分，即为最内一圈的带材的内表面处理干净，同时将线轴8的外侧表面处理干净，将带材向线轴8上缠绕的同时将两者的接触表面焊接在一起，长度为一圈。

(2)然后通过同步旋转线轴8和厂商提供的带盘6将带材从带盘上向线轴8上缠绕，缠绕长度为单饼的两倍，即为绕制双饼所需带材的总长，共计33.266m。

(3)之后在取定长度将带材截断，并固定另一个饼的线轴9，将带材自截断处焊接在线轴9上，通过同步旋转线轴8和线轴9，从线轴8向线轴9上缠绕带材。

(4)当两个饼的带材长度和匝数相等，各49.5匝时，停止同步旋转，固定其中一个线轴8，通过平移、旋转线轴9上所缠绕的饼使之与线轴8上所缠绕的饼重合，并紧紧贴在一起，同时通过加张力使带材保持绷紧，最终在两个跑道形饼的一端的圆弧部分最外圈形成一层绷紧的从一个饼斜跨到另一个饼的过渡层。此时双饼上带材各有50匝。其中双饼内两线轴之间通过在其中一个线轴的凸起部分缠绕聚酰亚胺胶带绝缘，同时保证了一定的导热能力。

3、磁体的组装：双饼的线轴8的凸出部分插入相邻双饼的线轴的凹进部分形成紧配合。依次顺次组装好所有双饼线圈。

上述各实施例中，仅为本发明的一个应用，并非用于限定本发明的实施范围。还可以在结构和连接上有其它变化，例如，线轴的形状可以是椭圆形或是其它等更加复杂的形状，双饼内两个线轴之间的绝缘材料也可以是玻璃、复合材料等，凡基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1、一种超导磁体绕制方法，其特征在于：所述磁体的绕制方法利用两个以上的单饼，由一根带材将两个单饼绕制成双饼，其包括以下步骤：

1)设计、制造双饼线轴：根据需要设计线轴的形状，线轴为偶数个，在各线轴的一侧均设置有一凸出环，另一侧均设置有一与其他线轴的凸出环紧配合的凹进部分；

2)绕制双饼：

(1)先固定双饼中一个单饼的线轴的位置，将带材自端点起，在与线轴贴合的部分处理干净，同时将固定的线轴的外侧表面也处理干净，再将带材向固定的线轴上缠绕，缠绕的同时将带材与固定的线轴接触表面焊接在一起，长度为一圈；

(2)通过同步旋转固定的线轴和厂商提供的带盘，将带材从带盘上向固定的线轴上缠绕，缠绕长度为单饼的两倍；

(3)在取定带材的总长度后，将带材截断，并固定另一个单饼的线轴，将带材的截断处焊接在该单饼的线轴上，通过同步旋转两个单饼的线轴，从一个线轴向另一个线轴上缠绕带材；

(4)当两个饼的带材长度和匝数相等时，停止同步旋转，固定其中一个线轴，通过平移、旋转固定的线轴上所缠绕的单饼，使之与另一线轴上所缠绕的单饼重合，在两个饼的最外圈形成一层绷紧的从一个饼斜跨到另一个饼的过渡层；

3)磁体的组装：双饼的线轴的凸出环插入相邻双饼的线轴的凹进部分，依次顺次组装好所有双饼线圈，组成超导磁体。

2、如权利要求1所述的一种超导磁体绕制方法，其特征在于：所述线轴上绕制的带材的中点在双饼的最外圈，带材的两个端点分别留在各单饼的最内侧。

3、如权利要求1所述的一种超导磁体绕制方法，其特征在于：所述凸出环的内径与所述线轴的最内径相同，所述凸出环的外径小于所述线轴的最外径，所述凹进部分的内径大于所述线轴的最内径，所述凹进部分的外径与所述线轴的最外径相同。

4、如权利要求2所述的一种超导磁体绕制方法，其特征在于：所述凸出环的内径与所述线轴的最内径相同，所述凸出环的外径小于所述线轴的最外径，所述凹进部分的内径大于所述线轴的最内径，所述凹进部分的外径与所述线轴的最外径相同。

5、如权利要求1或2或3或4所述的一种超导磁体绕制方法，其特征在于：所述各线轴一侧的所述凸出环为紫铜环，磁体组装时，双饼中一个所述线轴的紫铜环用绝缘且导热好的材料包裹后与双饼中另一个所述线轴的凹进部分紧配合。

6、如权利要求1或2或3或4所述的一种超导磁体绕制方法，其特征在于：所述各线轴一侧的所述凸出环为陶瓷环，磁体组装时，双饼中一个所述线轴的陶瓷环与双饼中另一个所述线轴的凹进部分紧配合。

7、如权利要求5所述的一种超导磁体绕制方法，其特征在于：所述各线轴一侧的所述凸出环为陶瓷环，磁体组装时，双饼中一个所述线轴的陶瓷环与双饼中另一个所述线轴的凹进部分紧配合。

8、如权利要求1或2或3或4或7所述的一种超导磁体绕制方法，其特征在于：各所述线轴具有相同的轮廓同心设计，且均为紫铜加工。

9、如权利要求5所述的一种超导磁体绕制方法，其特征在于：各所述线轴具有相同的轮廓同心设计，且均为紫铜加工。

10、如权利要求6所述的一种超导磁体绕制方法，其特征在于：各所述线轴具有相同的轮廓同心设计，且均为紫铜加工。

Images