CN102820117A - 用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈及导体绕制成型方法 - Google Patents

用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈及导体绕制成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈及导体绕制成型方法，包括有模具，模具包括有多个成型块和中心支撑柱，成型块包括有两个一端对接的弧形块，每个弧形块的内壁上开有一个装配孔，中心支撑柱的两侧分别自上至下设有数个定位块，每个定位块与上、下相邻的定位块之间有间隔；各成型块的一对弧形块分别自中心支撑柱的两侧卡接于中心支撑柱上，导线在模具上沿着各相邻成型块之间的间隔围绕着中心支撑柱进行连续绕制成型。本发明可以在保证装配空间和降低成本的前提下，有效降低大环圆周最外侧波纹度，进而降低磁体线圈中心等离子体外缘区域波纹度，保证等离子体稳定运行，且线圈导体加工设计和工艺实现合理方便。

Description

用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈及导体绕制成型方法
技术领域
本发明涉及超导托克马克装置领域，具体涉及一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈及导体绕制成型方法。
背景技术
    磁约束是利用强磁场可以很好的约束带电粒子这个特性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。目前随着ITER、EAST、KSTAR等托克马克装置(Tokamak)的建立，聚变能的研究取得了重大的进展。托克马克类型的磁约束研究领先于其他途径的可控热核聚变而被认为是最有希望用于商用能源。
 托克马克是一种环形强磁场装置，其特殊的构造而产生的磁场位形可以使等离子体得到稳定的约束，使得聚变反应自持进行。目前世界各国托克马克装置上纵场磁体线圈内部导体排列沿大环径向均采用矩形截面，该纵场磁体系统可在等离子体中心产生稳定的环向场，用来约束高温等离子体，但此种线圈对于抑制等离子体外缘区域波纹度效果不明显，随着未来装置的升级，等离子体直径也将随之增加，如何确保等离子体外缘区域波纹度将直接影响等离子体运行的稳定性，这是亟待解决的关键问题。降低纵场线圈大环圆周方向的波纹度可有效降低等离子体外缘的波纹度，对于提高等离子体运行的稳定性有着重要意义。
 在圆柱坐标系（r, φ,z）下，纵场磁体线圈系统在大圆面上绕Z轴方向的Bj波纹度ψ可以用下式表达：ψ（r,z）=(Bmax-Bmin)/ (Bmax+Bmin)，若Bj的最大值Bmax在φ=0处，则Bj的最小值Bmin在φ=π/Ncoil处，Ncoil为线圈数。图1为矩形截面和楔形截面磁体线圈磁感应强度最大和最小值示意图，由于楔形截面相对矩形截面线圈两个相邻纵场线圈的大环最外侧距离明显减小，因此相同Bmax下Bmin（楔形截面）> Bmin（矩形截面）。
降低纵场线圈的波纹度目前主要通过调节线圈数量来实现的，考虑增加纵场线圈数目来降低波纹度，同时考虑在通过喷涂磁性材料达到降低纵场波纹度。目前的托克马克装置全部属于实验堆，主要通过增加矩形截面的纵场磁体线圈数量达到降低波纹度，效果良好。但考虑到未来聚变堆实现氘氚反应，对于用于拆卸和维护内部部件的窗口尺寸会要求很大，如果继续按照目前的经验将纵场磁体线圈增加到较高的密度，必然会与装置大窗口尺寸的设计要求相冲突。因此通过调整线圈的形状和尺寸可以在保证装置装配尺寸和不增加纵场线圈数量的基础上，在一定程度上有效降低波纹度，并且保证相邻纵场磁体线圈之间有较大空间保证大型拆卸和维护窗口的实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈及导体绕制成型方法，能够在满足托克马克装置正常运行和保证等离子体中心环向场磁场强度的情况下，同时在不增加磁体线圈数量的前提下，达到一定程度上有效降低大环最外侧波纹度的目的，实现提高等离子体运行的稳定性。同时，楔形截面超导磁体线圈的内部导线采用在特定设计的模具上连续绕制成型，楔形截面线圈导体的绕制模具可以保证线圈绕制加工后楔形截面角度的精确度。
本发明的技术方案如下：
一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈，其特征在于：包括有一个D型线圈，D型线圈由导线绕制成型，D型线圈包括有直线段、两个小圆弧段、大圆弧段，D型线圈的直线段的截面为矩形，D型线圈的小圆弧段、大圆弧段的截面呈楔形，D型线圈的直线段的两端与大圆弧段的两端之间的部分为小圆弧段。
一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈的导体绕制成型方法，其特征在于：包括有模具，所述的模具包括有中心支撑柱，和套在中心支撑柱外的构成D形的多层成型块，每层成型块间有间隔；所述的每层成型块包括有两个一端对接的弧形块，所述的中心支撑柱的两侧分别自上至下设有数个定位块，每个弧形块的内壁上开有装配孔，卡装在定位块上；
具体绕制成型方法如下：
（1）各成型块的一对弧形块分别自中心支撑柱的两侧卡接于中心支撑柱上，中心支撑柱两侧的定位块分别卡于弧形块的装配孔中，每对弧形块的一端对接，各相邻成型块之间有间隔；
（2）导线在模具上沿着各相邻成型块之间的间隔围绕着中心支撑柱进行连续绕制成型；
（3）在线圈的绕制过程中，导线表面采用聚酰亚胺薄膜+玻璃丝纤维复合材料包绕，即边对导线进行包绕，边把包绕好的导线在模具上进行绕制；
（4）线圈绕制成型后，先把各成型块从中心支撑柱上取下，再取下成型后的线圈；
（5）在脱模后的成型线圈中原设置成型块的导体间隙位置填塞绝缘垫块；
（6）对线圈通过环氧树脂真空注胶（VPI）工艺进行固化成型；
（7）根据固化成型的线圈的形状及尺寸，通过焊接工艺制造一个相应形状及尺寸的线圈壳，把线圈放入线圈壳中。
所述的导线的材料为超导磁体。
所述的线圈壳主要由316L不锈钢分段组焊成的厚度为10mm左右的壳体。
所述的绝缘垫块的材料为G10材料，G10是一种由玻璃纤维布与环氧数脂所合成的复合材料。
本发明实现楔形截面的超导磁体线圈内部导线绕制成型的模具主要由多个成型块和中心支撑柱两部分组成，其中预加工形状和角度的多个成型块叠加装配在中心支撑柱上组合而成。成型块与中心支撑柱的装配结构可以在线圈导体绕制成型后灵活拆卸，以方便楔形截面磁体线圈的顺利脱模。
考虑导体通电后受得电磁力较大，为保证绝缘结构强度，在脱模后的线圈原设置成型块的导线间隙位置添加G10材料绝缘垫块，最后通过环氧树脂真空注胶（VPI）工艺固化成型。外部磁体线圈壳通过焊接工艺加工制造，对内部超导磁体起强化和装配支撑作用，保证内部导体和绝缘结构不受电磁力、部件位移产生的扭矩和弯矩而破坏。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明外部的线圈壳通过焊接工艺加工制造，对内部的线圈起强化和装配支撑作用，保证内部结构不受电磁力、部件位移产生的扭矩和弯矩而破坏。
（2）为保证线圈的结构强度，在沿大环圆周方向的磁体线间隙中采用添加G10材料绝缘垫块。
（3）由于在大环圆周的最外侧磁体线圈截面按照一定角度φ呈扇形绕制排列，因此两个相邻纵场线圈的大环最外侧距离明显减小，达到减小波纹度的目的；由于总匝数不变，纵场线圈系统中心等离子体处产生的磁场强度保持不变。
附图说明
图1为矩形截面磁体线圈磁感应强度最大和最小值示意图。
图2为本发明的楔形截面线圈磁感应强度最大和最小值示意图。
图3为本发明的楔形截面超导磁体线圈在托克马克装置中空间布局示意图。
图4为本发明单个楔形截面超导磁体线圈绕制成型后的结构示意图。
图5为本发明的用于楔形截面磁体线圈内部导体绕制成型的模具结构示意图。
图6为本发明的用于内部导体绕制成型的模具的成型块的结构示意图。
图7为本发明的用于内部导体绕制成型的模具的中心支撑柱的结构示意图。
具体实施方式
参见附图。图中标号：1－导线，2－绝缘垫块，3－中心支撑柱，4－成型块，5－装配孔，6－定位块，7－各相邻成型块之间的间隔，8-导线引入和引出线。
一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈，包括有一个D型线圈，D型线圈由导线1绕制成型，D型线圈包括有直线段、两个小圆弧段、大圆弧段，D型线圈的直线段的截面为矩形，D型线圈的小圆弧段、大圆弧段的截面呈楔形，D型线圈的直线段的两端与大圆弧段的两端之间的部分为小圆弧段。
一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈的绕制成型方法，包括有模具，模具包括有多层成型块4和中心支撑柱3，每层成型块4包括有两个一端对接的弧形块，每个弧形块的内壁上开有一个装配孔5，中心支撑柱3的两侧分别自上至下设有数个定位块6，每个定位块6与上、下相邻的定位块6之间有间隔；
具体绕制成型方法如下：
（1）各成型块4的一对弧形块分别自中心支撑柱3的两侧卡接于中心支撑柱3上，中心支撑柱3两侧的定位块6分别卡于弧形块的装配孔5中，每对弧形块的一端对接，各相邻成型块4之间有间隔7；
（2）导线1在模具上沿着各相邻成型块4之间的间隔7围绕着中心支撑柱3进行连续绕制成型（图4中，导线引入和引出线8）；
（3）在线圈的绕制过程中，导线1表面采用聚酰亚胺薄膜+玻璃丝纤维复合材料包绕，即边对导线1进行包绕，边把包绕好的导线1在模具上进行绕制；
（4）线圈绕制成型后，先把各成型块4从中心支撑柱3上取下，再取下成型后的线圈；
（5）在脱模后的成型线圈中原设置成型块4的导体间隙位置填塞绝缘垫块2；
（6）对线圈通过环氧树脂真空注胶（VPI）工艺进行固化成型；
（7）根据固化成型的线圈的形状及尺寸，通过焊接工艺制造一个相应形状及尺寸的线圈壳，把线圈放入线圈壳中。
导线1的材料为超导磁体。
线圈壳主要由316L不锈钢分段组焊成的厚度为10mm左右的壳体。
绝缘垫块2的材料为G10材料，G10是一种由玻璃纤维布与环氧数脂所合成的复合材料。
按照成型块4的尺寸和位置来保证成型后的线圈截面楔形角度的精确度。
通过采用本发明的超导托克马克装置非圆截面楔形线圈，一定程度上有效降低大环圆周最外侧波纹度，以往当等离子体区域位置不变时，减小等离子体区域的磁场波纹度主要依靠增大线圈的数量，但考虑装置的空间限制，并且随着线圈数的增加，波纹度的下降变得平缓，效果并不明显。此外，采用在真空室外壁喷涂磁性材料降低等离子外缘区域的波纹度的制造工艺复杂，且成本昂贵。采用非圆截面楔形线圈可以保证装配空间和降低成本的前提下，有效降低大环圆周最外侧波纹度，进而降低磁体线圈中心等离子体外缘区域波纹度，保证等离子体稳定运行，工程设计和工艺实现合理方便。

Claims (5)

1.一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈，其特征在于：包括有一个D型线圈，D型线圈由导线绕制成型，D型线圈包括有直线段、两个小圆弧段、大圆弧段，D型线圈的直线段的截面为矩形，D型线圈的小圆弧段、大圆弧段的截面呈楔形，D型线圈的直线段的两端与大圆弧段的两端之间的部分为小圆弧段。
2.一种用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈的导体绕制成型方法，其特征在于：包括有模具，所述的模具包括有中心支撑柱，和套在中心支撑柱外的构成D形的多层成型块，每层成型块间有间隔；所述的每层成型块包括有两个一端对接的弧形块，所述的中心支撑柱的两侧分别自上至下设有数个定位块，每个弧形块的内壁上开有装配孔，卡装在定位块上；
具体绕制成型方法如下：
各成型块的一对弧形块分别自中心支撑柱的两侧卡接于中心支撑柱上，中心支撑柱两侧的定位块分别卡于弧形块的装配孔中，每对弧形块的一端对接，各相邻成型块之间有间隔；
导线在模具上沿着各相邻成型块之间的间隔围绕着中心支撑柱进行连续绕制成型；
在线圈的绕制过程中，导线表面采用聚酰亚胺薄膜+玻璃丝纤维复合材料包绕，即边对导线进行包绕，边把包绕好的导线在模具上进行绕制；
线圈绕制成型后，先把各成型块从中心支撑柱上取下，再取下成型后的线圈；
在脱模后的成型线圈中原设置成型块的导体间隙位置填塞绝缘垫块；
对线圈通过环氧树脂真空注胶（VPI）工艺进行固化成型；
根据固化成型的线圈的形状及尺寸，通过焊接工艺制造一个相应形状及尺寸的线圈壳，把线圈放入线圈壳中。
3.根据权利要求2所述的用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈的导体绕制成型方法，其特征在于：所述的导线的材料为超导磁体。
4.根据权利要求2所述的用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈的导体绕制成型方法，其特征在于：所述的线圈壳主要由316L不锈钢分段组焊成的厚度为10mm左右的壳体。
5.根据权利要求2所述的用用于降低波纹度的楔形截面超导磁体线圈的导体绕制成型方法，其特征在于：所述的绝缘垫块的材料为G10材料，G10是一种由玻璃纤维布与环氧数脂所合成的复合材料。
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