CN103050276B - 一种恒张力无损超导绕线装置及绕线方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种恒张力无损超导绕线装置及绕线方法，超导绕线装置由主动盘提供绕线转动力；采用扭矩传感器检测被动盘（或称作放线盘）主轴的扭矩，并把数据传回PLC，计算出超导线所受的张力；被动盘采用线性制动器件提供制动力，制动力的大小可以由PLC控制，并且可以实时变化。通过这些技术手段实现了超导线圈的恒张力、无损绕制。本发明可以使超导线免受弯折，减少超导临界电流损失，提高超导线使用的安全性和可靠性；采用线性制动元件作为制动器，方便对恒张力绕制超导线张力的任意设定；采用PLC控制变频器的频率，从而控制主动盘的实时转速，并持张力的恒定。

Description

一种恒张力无损超导绕线装置及绕线方法

技术领域

本发明涉及一种无损绕线技术，特别是一种恒张力无损超导绕线装置及绕线方法。

背景技术

在高温超导磁体制造过程中，超导线圈绕制工艺直接影响超导磁体的性能。研究表明，如果超导线在电磁力的作用下产生机械位移，线匝间发生相对移动，将很有可能发生超导体失超，或者温度过热。因此磁体绕制必须紧密，层间和匝间间隙尽量小，并且均匀分布，绕制后填充适当的填充材料，不留空隙，以防止填充材料开裂、导体移动，造成线材损伤。只有在绕制过程中，精确控制绕线张力，并且不能随意弯折超导线，才能保证绕制的线圈，达到超导磁体系统的设计要求。

为了实现恒张力、无损绕线，对绕制线圈过程中超导线的张力检测必不可少，目前大多采用三个棍轮的办法测定线材张力，该办法会造成超导线的载流能力下降。此外，为了在超导线绕制过程中实现张力的加载，有人或采用加载恒定力矩或采用放线电机的办法。这些办法或者容易对超导线造成很大冲击张力，或者无法实现恒张力、无损绕制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种恒张力无损超导绕线装置及绕线方法，超导绕线装置由主动盘提供绕线转动力；采用扭矩传感器检测被动盘（或称作放线盘）主轴的扭矩，并把数据传回PLC，计算出超导线所受的张力；被动盘采用线性制动器件提供制动力，制动力的大小可以由PLC控制，并且可以实时变化。通过这些技术手段实现了超导线圈的恒张力、无损绕制。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种恒张力无损超导绕线装置，包括绕线机主动盘系统、被动盘系统、张力检测部分和控制系统；其中

1）绕线机主动盘系统：

绕线机主动盘系统包括主动盘、主动轴、减速机、离合器、减速箱和绕线支撑盘；其中减速机通过离合器同减速箱的输入轴相连，减速箱的输出轴同主动轴相连，主动盘安装在主动轴上，而绕线支撑盘固定在主动盘上；绕线时减速机提供系统的主动力，通过控制系统控制减速机的转速从而控制绕线速度；减速机的输出扭矩依次通过离合器、减速箱、主动轴、主动盘传递到绕线支撑盘，从而带动固定在绕线支撑盘上的超导线圈骨架作圆周运动；在主动盘上设置有控制系统的多个位置传感器和主动计数器，由控制系统监测线盘沿圆周方向所处的位置和已经绕线圈数，为变速绕线提供参数；

2）绕线机被动盘系统：

绕线机被动盘系统包括线性制动器件、变速箱、被动盘、被动轴；其中线性制动器件通过扭矩传感器同变速箱输出轴相连，被动轴同变速箱的输入轴相连，被动盘固定在被动轴上；绕线时主动盘的转动经由超导线传递到固定在被动盘上的超导线盘，从而实现被动盘的放线；此时根据控制系统的指令，由线性制动器件提供变化的制动扭矩，从而提供可以实时变化的制动力，保证超导线在绕制过程中张力的恒定，实现被动盘恒张力放线；在被动盘上设置有一个计数器即控制系统的被动计数器，统计放线盘的转动圈数，并把放线盘的转动圈数输入控制系统，为控制系统的恒张力提供参数；

3）张力检测部分：

张力检测部分是指扭矩传感器；扭矩传感器固定在被动盘系统的变速箱的输出轴上；扭矩传感器通过实时检测被动盘的扭矩，并由控制系统换算出超导线所受的张力；采用扭矩传感器代替目前传统绕线机采用的测定线材张力办法，可以减少由于弯折对超导线材的损伤；

4）控制系统：

控制系统包括PLC、触摸屏、空气开关、接触器、位置传感器、主动计数器、被动计数器；PLC、触摸屏、空气开关、接触器等安装在控制柜内，位置传感器、主动计数器安装在主动盘上，被动计数器安装在被动盘上；工作时，PLC控制变频器的频率，从而控制主动盘减速机的转速；同时PLC通过控制制动器的供电电流，从而实时控制线性制动器件的扭矩，从而保持张力的恒定；扭矩传感器输出的信号通过变换后在触摸屏上实时显示检测到的绕线张力，并且作为控制张力的依据。

控制系统部分具体控制流程和绕线机工作原理为：PLC为控制部分的核心器件，是信号采集和控制指令发布的中心；信号采集部分由主动计数器，被动计数器，位置传感器，扭矩传感器构成。主动计数器和被动计数器是分别安装在主动盘和被动盘支架上感应接近开关，每转动一周计数器加1。位置传感器是由安装在主动盘下方支架上的12个感应接近开关构成，沿圆周方向每30°安装一个，根据实际需求也可以调节成不均匀分布。当安装在主动盘上的铁质金属经过接近开关时，PLC可以判断为主动盘上的铁质金属进入当前接近开关和下一个接近开关之间的区间，从而判断当前主动盘位置。扭矩传感器安装在被动盘系统的输出轴上，扭矩传感器输出电流信号到PLC，由PLC判断此时的扭矩，并计算出此时在超导线上的张力。指令执行部分由离合器、制动器、变频器、减速机等构成，该部分执行PLC发出的指令。离合器安装在主动盘的输入轴上，离合器的允许扭矩可以任意设定，当扭矩超过允许值时，离合器打滑，无法传递过大的扭矩，从而防止超导线受到伤害。变频器、减速机安装在主动盘的输入轴上，由PLC设定变频器的频率，从而控制减速机的转速。制动器安装在被动盘系统的输出轴上，由PLC发出电流信号，实时控制制动器的扭矩，从而保证绕线过程中超导线材的张力恒定。停机指令主要由PLC发出，具体的停机条件主要有以下几种：张力超过允许值、达到设定的绕制圈数、离合器超载、手动停机。触摸屏是人机交流的界面，参数或结果的输入、输出都是通过触摸屏来实现的。

本发明的一种恒张力无损超导绕线方法，包括使用恒张力无损超导绕线装置，具体过程为：

第一步，把线圈骨架安装在主动盘上，超导线盘安装在被动盘上；

第二步，把超导线盘上的超导线固定在超导线圈骨架上；

第三步，启动总开关；

第四步，在触摸屏上输入超导线盘上超导线的起始半径，主动盘沿圆周方向不同位置的转动角速度，然后选择确定；

第五步，在触摸屏上输入需要的张力值、主动盘的转动方向；

第六步，在触摸屏上启动开始绕线按钮，如绕线过程中有问题可以启动暂停按钮，待问题决绝后可以再次按下暂停按钮继续绕线；

第七步，绕线结束后，按下停止按钮，待处理完绕制后的磁体，按下停止总开关，绕线结束。

通过采用上述技术方案，本发明与现有的超导绕线装置相比，其进步之处在于：

1、采用扭矩传感器检测被动盘主轴的扭矩，从而计算出超导线材所受的张力，这样就可以使超导线免受弯折，减少超导临界电流损失，提高超导线使用的安全性和可靠性。此外每一时刻绕线张力可以记录，便于对绕制磁体问题的追述。

2、采用线性制动元件作为制动器，方便对恒张力绕制超导线张力的任意设定，结构小巧、运行稳定可靠。

3、采用PLC控制变频器的频率，从而控制主动盘的实时转速。同时PLC实时控制线性制动器件的扭矩，从而保持张力的恒定。扭矩传感器输出的信号通过变换后在触摸屏上实时显示绕线张力，并且作为控制张力的依据。

附图说明

图1是绕线机机械部分结构示意图。

图2是控制系统部分具体控制流程和绕线机工作原理图。

图1中，1—主动盘，2—线圈骨架，3—超导线，4—被动轴，5—超导线盘，6—被动盘，7—扭矩传感器，8—制动器，9—被动计数器，10—减速机，11—离合器，12—位置传感器，13—主动计数器。

具体实施方式

下面结合附图对本专利进一步解释说明。但本专利的保护范围不限于具体的实施方式。

本发明的一种恒张力无损超导绕线装置，由：绕线机主动盘系统、被动盘系统、张力检测和控制系统组成，其中：

1）绕线机主动盘系统：

绕线机主动盘系统主要包括主动盘、主动轴、减速机、离合器、减速箱和绕线支撑盘等。其中减速机通过离合器同减速箱的输入轴相连，减速箱的输出轴同主动轴相连，主动盘安装在主动轴上，而绕线支撑盘固定在主动盘上。绕线时减速机提供系统的主动力，通过控制系统控制减速机的转速从而控制绕线速度；减速机的输出扭矩依次通过离合器、减速箱、主动轴、主动盘传递到绕线支撑盘，从而带动固定在绕线支撑盘上的超导线圈骨架作圆周运动；在主动盘上还安装多个位置传感器和主动计数器，由控制系统监测线盘沿圆周方向所处的位置和已经绕线圈数，为变速绕线提供参数。

2）绕线机被动盘系统：

绕线机被动盘系统主要包括线性制动器件、变速箱、被动盘、被动轴等。其中线性制动器件，通过扭矩传感器同变速箱输出轴相连，被动轴同变速箱的输入轴相连，被动盘固定在被动轴上。在绕线时主动盘的转动，经由超导线传递到固定在被动盘上的超导线盘转动，从而实现被动盘的放线。此时根据控制系统的指令，由线性制动器件提供变化的制动扭矩，从而提供可以实时变化的制动力，保证超导线在绕制过程中张力的恒定，实现被动盘恒张力放线。此外在被动盘上安装一个计数器（即被动计数器），统计放线盘的转动圈数，并把放线盘的转动圈数输入控制系统，为控制系统的恒张力提供参数。

3）张力检测部分是指扭矩传感器。扭矩传感器固定在被动盘系统的变速箱的输出轴上。张力检测部分的作用是实时检测被动盘的扭矩，并由控制系统换算出超导线所受的张力。采用扭矩传感器代替目前传统绕线机采用的测定线材张力办法，可以减少由于弯折对超导线材的损伤。

4）控制系统：

控制系统主要包括PLC、触摸屏、空气开关、接触器、位置传感器、主动计数器、被动计数器等。PLC、触摸屏、空气开关、接触器等安装在控制柜内，位置传感器、主动计数器安装在主动盘上，被动计数器安装在被动盘上。工作时，PLC控制变频器的频率，从而控制主动盘减速机的转速；同时PLC通过控制制动器的供电电流，从而实时控制线性制动器件的扭矩，从而保持张力的恒定；扭矩传感器输出的信号通过变换后在触摸屏上实时显示检测到的绕线张力，并且作为控制张力的依据。

恒张力无损超导绕线方法，具体使用前述恒张力无损超导绕线装置，具体过程为：

第一步，把待绕制线圈的线圈骨架安装在主动盘上，超导线盘安装在被动盘上；

第二步，把超导线盘上的超导线固定在线圈骨架上；

第三步，启动总开关；

第四步，在触摸屏上输入超导线盘上超导线的起始半径，主动盘沿圆周方向不同位置的转动角速度，然后选择确定；

第五步，在触摸屏上输入需要的张力值、主动盘的转动方向；

第六步，在触摸屏上启动开始绕线按钮，如绕线过程中有问题可以启动暂停按钮，待问题决绝后可以再次按下暂停按钮继续绕线；

第七步，绕线结束后，按下停止按钮，待处理完绕制后的磁体，按下停止总开关，绕线结束。

Claims (2)

1.一种恒张力无损超导绕线装置，其特征是：包括绕线机主动盘系统、被动盘系统、张力检测部分和控制系统；其中

1）绕线机主动盘系统：

绕线机主动盘系统包括主动盘、主动轴、减速机、离合器、减速箱和绕线支撑盘；其中减速机通过离合器同减速箱的输入轴相连，减速箱的输出轴同主动轴相连，主动盘安装在主动轴上，而绕线支撑盘固定在主动盘上；绕线时减速机提供系统的主动力，通过控制系统控制减速机的转速从而控制绕线速度；减速机的输出扭矩依次通过离合器、减速箱、主动轴、主动盘传递到绕线支撑盘，从而带动固定在绕线支撑盘上的超导线圈骨架作圆周运动；在主动盘上设置有控制系统的多个位置传感器和主动计数器，由控制系统监测线盘沿圆周方向所处的位置和已经绕线圈数，为变速绕线提供参数；

2）绕线机被动盘系统：

绕线机被动盘系统包括线性制动器件、变速箱、被动盘、被动轴；其中线性制动器件通过扭矩传感器同变速箱输出轴相连，被动轴同变速箱的输入轴相连，被动盘固定在被动轴上；绕线时主动盘的转动经由超导线传递到固定在被动盘上的超导线盘，从而实现被动盘的放线；此时根据控制系统的指令，由线性制动器件提供变化的制动扭矩，从而提供可以实时变化的制动力，保证超导线在绕制过程中张力的恒定，实现被动盘恒张力放线；在被动盘上设置有一个计数器即控制系统的被动计数器，统计放线盘的转动圈数，并把放线盘的转动圈数输入控制系统，为控制系统的恒张力提供参数；

3）张力检测部分：

张力检测部分是指扭矩传感器；扭矩传感器固定在被动盘系统的变速箱的输出轴上；扭矩传感器通过实时检测被动盘的扭矩，并由控制系统换算出超导线所受的张力；

4）控制系统：

控制系统包括PLC、触摸屏、空气开关、接触器、位置传感器、主动计数器、被动计数器；PLC、触摸屏、空气开关、接触器安装在控制柜内，位置传感器、主动计数器安装在主动盘上，被动计数器安装在被动盘上；工作时，PLC控制变频器的频率，从而控制主动盘减速机的转速；同时PLC通过控制制动器的供电电流，从而实时控制线性制动器件的扭矩，从而保持张力的恒定；扭矩传感器输出的信号通过变换后在触摸屏上实时显示检测到的绕线张力，并且作为控制张力的依据。

2.一种恒张力无损超导绕线方法，包括使用权利要求1所述的恒张力无损超导绕线装置，具体过程为：

第一步，把线圈骨架安装在主动盘上，超导线盘安装在被动盘上；

第二步，把超导线盘上的超导线固定在超导线圈骨架上；

第三步，启动总开关；

第四步，在触摸屏上输入超导线盘上超导线的起始半径，主动盘沿圆周方向不同位置的转动角速度，然后选择确定；

第五步，在触摸屏上输入需要的张力值、主动盘的转动方向；

第六步，在触摸屏上启动开始绕线按钮，如绕线过程中有问题可以启动暂停按钮，待问题决绝后可以再次按下暂停按钮继续绕线；

第七步，绕线结束后，按下停止按钮，待处理完绕制后的磁体，按下停止总开关，绕线结束。