CN102856068A - 一种无骨架超导线圈的制作工艺 - Google Patents

Abstract

一种无骨架超导线圈的制作工艺，利用超导线圈（1）和骨架的低温热收缩不同实现超导线圈（1）从骨架筒体（2）的脱离。绕制超导线圈（1）前在骨架筒体（2）外表面和骨架端板（3）内表面贴一层聚四氟乙烯薄膜（4），绕制结束后再在超导线圈（1）外包一层聚四氟乙烯薄膜（4），然后再绕制一层矩形截面的铜线（5）。采用绕制过程刷环氧树脂胶的湿绕方法绕制超导线圈（1）。待超导线圈（1）固化后，拆除最外层的铜线（5）和两侧端板（3）。再用冷氮气将骨架筒体（2）和超导线圈（1）慢慢冷却到77K的温度，超导线圈（1）在径向的收缩量小于铝合金骨架筒体（2），两者间会产生一定的间隙，移除骨架筒体（2）后就得到无骨架超导线圈。

Description

一种无骨架超导线圈的制作工艺

技术领域

本发明涉及一种超导线圈的制作工艺。

背景技术

超导磁体的运行电流密度高，工作在超导态无焦耳损耗，能够长时间稳定运行，是产生强磁场条件的理想电工装备。高性能绝热稳定的超导磁体采用导体密绕的结构，具有更高的电流密度，主要应用于核磁共振成像（MRI）和核磁共振谱仪（NMR）。由于超导线圈的电流密度和磁场强度高，因此，在设计超导磁体时要仔细考虑磁体的运行稳定性。影响稳定性的因素主要是各种扰动，包括热扰动、内部磁扰动和机械扰动等。

对于高性能绝热稳定的超导磁体，机械扰动是影响磁体性能和运行稳定性的主要因素。洛伦兹力引起的导体运动是最重要的机械扰动源，为了消除导体的运动，保证磁体的可靠运行，发展了灌封环氧和填充强化材料的线圈建造技术，这样就使导体相互粘接在一起，增强了整个线圈绕组的刚度。但是，由于环氧等有机材料在低温下变得很脆，环氧破裂随之成为最主要的机械扰动，此外，超导线圈与骨架间的滑动摩擦也是引起局部温升的扰动源。

采用浮动线圈结构或无骨架形式能够有效地减少由于剪切应力和拉应力引起的环氧破裂。浮动线圈技术是将超导线圈和骨架做成不粘接的结构，这样就能有效地降低线圈内的应力；无骨架超导线圈除了能够减少环氧破裂外，由于不存在骨架筒体也就不存在超导线圈与骨架筒体间的滑动摩擦。因此，无骨架超导线圈具有更好的运行稳定性。

对于多线圈结构的超导磁体，如果内层线圈做成无骨架的结构，可以使超导线圈直接被液氦冷却，增强了超导线圈的冷却效果。另外，由于没有了骨架筒体，超导线圈的径向尺寸可以减小，因此可以减少超导线的用量，降低超导磁体的建造成本。

现有的无骨架超导线圈都采用固化后直接脱模的方法，在室温下通过外力克服超导线圈和骨架筒体间的吸附力，外力一般采用手动敲击或机械的方式来施加。由于超导线圈缠绕过程中导线上施加了张紧力，超导线圈和骨架筒体间有很强的吸附力，直接用外力使两者分离可能会损伤线圈内壁，特别是轴向尺寸大的超导线圈，具有更强的吸附力更容易受到损伤。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有制作工艺容易损伤线圈内壁，难以保证线圈光滑平整的缺点，提出了一种无骨架超导线圈的制作工艺，特别针对铜作为稳定基体的低温超导线缠绕的超导线圈。本发明提出的制作工艺不会损伤线圈内壁，能够有效地保证超导线圈内壁表明光滑平整。

所述的无骨架超导线圈是浸渍环氧树脂的超导线圈。本发明采用绕制过程刷环氧树脂胶的湿绕方法绕制超导线圈，在所述的超导线圈绕制过程中，每绕完一层超导线，用毛刷在超导线表面均匀涂刷一层环氧树脂，绕制完成后所述的超导线圈在60度温度下加热8小时，使环氧树脂完全固化。

在所述的超导线圈制作工艺中采用铝合金骨架作为工装。铝合金骨架是由骨架筒体和两个端板组成的一种分体式结构。线圈绕制前骨架筒体和两个端板由螺钉连接组成绕线骨架，然后在骨架筒体外侧和端板内侧粘贴聚四氟乙烯薄膜。将超导线从一侧端板的进线孔穿入，固定在铝合金骨架的端板外侧。在电机驱动下铝合金骨架连续回转运动，超导线连续不断螺旋缠绕。由于绕制过程中超导线上始终保持一定的张紧力，缠绕在铝合金骨架上的超导线相互之间排列紧密整齐。超导线圈绕制完成后，将超导线从铝合金骨架的端板的出线孔穿出，用螺钉固定在铝合金骨架的端板的外侧。若超导线圈为奇数层，所述的出线孔与进线孔位于同一侧端板上，若超导线圈为偶数层，所述的进线孔和出线孔分别位于两侧端板上。接着在超导线圈上铺一层聚四氟乙烯薄膜，然后在聚四氟乙烯薄膜外侧缠绕一层矩形截面的铜线，所述铜线的进线端和出线端固定在铝合金骨架两侧的端板上。绕制铜线过程中不刷环氧树脂。缠绕铜线时挤出的多余的环氧树脂及时用酒精擦除。待环氧树脂完全固化后将最外层的矩形截面的铜线退绕拆除，然后拆掉下一层的聚四氟乙烯薄膜和两侧的铝合金骨架端板，拆除铜线和铝合金骨架端板后，便剩下包含骨架筒体的超导线圈。

采用液氮挥发产生的冷氮气或液氮将包含骨架筒体的超导线圈结构降温到77K的低温，由于铝合金的低温热收缩率大于超导线圈的径向热收缩率，因此，降温到77K温度后铝合金骨架筒体的径向变形量大于超导线圈的径向变形量，两者之间会产生一定的间隙，此时移除骨架筒体，便得到不含骨架的超导线圈。

附图说明

图1绕制完成的超导线圈结构图，图中：1超导线圈、2骨架筒体、3端板、4四氟薄膜、5外层铜线；

图2包含骨架筒体的超导线圈结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明在超导线圈绕制过程中利用铝合金骨架作为绕线骨架。

本发明绕制工艺的步骤如下：

1、首先将铝合金骨架的两个端板3置于铝合金骨架筒体2两端，用螺钉固定，组成绕线骨架。端板3上开有穿线孔和出线孔。

2、在两个端板3靠近骨架筒体2一侧的平面粘贴一层聚四氟乙烯薄膜4，在骨架筒体2的外圆柱面上粘贴聚四氟乙烯薄膜4。

3、超导线由一个端板3上的进线孔穿入，将超导线的进线端用螺钉固定在此端板3的外侧。安装在绕线机卡盘上的铝合金骨架在电机驱动下连续回转运动，带动超导线螺旋缠绕在铝合金骨架筒体2上。绕制过程中超导线上始终保持13公斤力的张力。绕制每一层超导线后，都要用毛刷在所绕制的超导线表面均匀涂刷环氧树脂。当绕制完成所有层数的超导线后，将超导线由端板3的出线孔穿出，用螺钉把超导线的出线端固定在端板3的外侧，制得超导线圈1。

4、在超导线圈1的外表面涂刷环氧树脂，然后再在超导线圈上铺覆一层聚四氟乙烯薄膜4。在聚四氟乙烯薄膜4外缠绕一层矩形截面的铜线。缠绕铜线的过程中所述的铜线上始终施加30MPa左右的预张力。绕制铜线过程中会有环氧树脂从聚四氟乙烯薄膜4接缝处和端部溢出，用酒精将端部和接缝区域的环氧树脂擦净。为了保证外层铜线5不会松散，所述铜线的进线端和出线端也都用螺栓固定在端板3的外侧。

5、将上述步骤制得的包含外层铜线5、铝合金骨架的超导线圈放置在烘箱里烘烤，烘烤温度为60度，烘烤8小时后取出。然后将完全固化的超导线圈重新装夹到绕线机上，退绕拆除外层铜线5，然后拆除聚四氟乙烯薄膜4和两侧的端板3。用液氮挥发产生的冷氮气将包含超导线圈1、铝合金骨架筒体2的超导线圈缓慢冷却到77K的温度，由于铝合金的低温热收缩率大于超导线圈1的径向热收缩率，因此降温到77K温度后铝合金骨架筒体2的径向变形量大于超导线圈1的径向变形量，在铝合金骨架筒体2和超导线圈1之间产生一定的间隙，移除铝合金骨架筒体2，便得到不含骨架的超导线圈。

Claims (2)

1.一种无骨架超导线圈的制作工艺，其特征在于利用铝合金的低温热收缩率大于超导线圈的径向热收缩率的特性，使铝合金骨架筒体从超导线圈中分离。

2.根据权利要求1所述的无骨架超导线圈的制作工艺，其特征在于所述的制作工艺如下：

（1）首先将铝合金骨架的两个端板（3）置于铝合金骨架筒体（2）两端，用螺钉固定；

（2）在两个端板（3）靠近铝合金骨架筒体（2）一侧的平面粘贴一层聚四氟乙烯薄膜（4），在铝合金骨架筒体（2）的外圆柱面上粘贴聚四氟乙烯薄膜（4）；

（3）将超导线的进线端从铝合金骨架端板（3）上的进线孔穿入，将超导线的进线端用螺钉固定在此端板（3）的外侧；将铝合金骨架安装在绕线机卡盘上，在电机驱动下铝合金骨架连续回转运动，带动超导线螺旋缠绕在铝合金骨架筒体（2）上；绕制每一层超导线后，用毛刷在所绕制的超导线表面涂刷环氧树脂；当绕制完成所有层数的超导线后，将超导线的出线端由端板（3）的出线孔穿出，用螺钉把超导线的出线端固定在此端板（3）的外侧，制得超导线圈（1）；

（4）在步骤（3）绕制得到的超导线圈（1）的外表面涂刷环氧树脂，然后再在超导线圈（1）上铺覆一层聚四氟乙烯薄膜（4），在聚四氟乙烯薄膜（4）外缠绕一层矩形截面的铜线（5）；所述铜线（5）的进线端和出线端用螺栓固定在端板（3）的外侧。

（5）将上述步骤（4）制得的包含铜线（5）、铝合金骨架的超导线圈放置烘箱中烘烤，烘烤温度为60度，烘烤8小时后取出；然后将超导线圈重新装夹到绕线机上，退绕拆除外层的铜线（5），再拆除聚四氟乙烯薄膜（4）和两侧的端板（3），剩下包含超导线圈（1）、铝合金骨架筒体（2）的超导线圈；

（6）用液氮挥发产生的冷氮气或液氮将包含超导线圈（1）、铝合金骨架筒体（2）的超导线圈缓慢冷却到77K的温度；移除铝合金骨架筒体（2），便得到不含铝合金骨架的超导线圈。

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