CN104658736B - 用于使导体弯曲并卷绕以制造超导线圈的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于使导体弯曲并卷绕以制造超导线圈的装置和方法，所述装置包括解绕导体(C)的线圈并提供矫直的导体(C)的第一工作单元(10)以及包括弯曲设备(14)和转盘(16)的第二工作单元(12)，弯曲设备布置成使离开第一工作单元的矫直的导体(C)弯曲，离开弯曲设备的弯曲导体(C)放置在转盘上，由此形成一组匝以制造超导线圈(B)。转盘能围绕固定竖直轴线(z)旋转地安装。弯曲设备安装成能在与由第一工作单元供应至弯曲设备的矫直的导体(C)的纵轴线方向一致的纵向方向(x)上并在与纵向方向(x)垂直的横向方向(y)上平移。第一工作单元安装成连同弯曲设备一起仅能在横向方向(y)上平移。

Description

用于使导体弯曲并卷绕以制造超导线圈的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于使导体弯曲并卷绕以制造超导线圈的装置和方法，特别地，涉及具有环形匝的超导线圈。
背景技术
用于使导体弯曲并卷绕以制造超导线圈的典型装置基本包括解绕和矫直单元以及弯曲和卷绕单元。解绕和矫直单元具有使线圈围绕竖直轴线解绕的功能，该解绕和矫直单元由以恒定半径弯曲且沿着柱形螺旋路径卷绕的导体形成，从而提供矫直的导体。因此，解绕和矫直单元使得线圈围绕其竖直轴线旋转并且同时借助于滚动矫直设备将离开线圈的导体矫直。线圈通常以恒定速度连续地解绕，但是，出于各种原因，操作员或者控制系统也可改变速度，例如，该速度可在随后卷绕操作的一些关键阶段期间减小。弯曲和卷绕单元包括弯曲设备以及转盘(rotary table，旋转台)，该弯曲设备布置成使矫直的导体弯曲，离开弯曲设备的弯曲导体被放置在该转盘上，因此，形成一组匝以制造超导线圈。额外的设备可设置于解绕和矫直单元与弯曲和卷绕单元之间，这些设备布置成对离开解绕和矫直单元的矫直的导体进行加工，比如，放置在滚动矫直设备下游的一个或多个精密矫直设备进一步使导体、清洁设备以及喷沙设备矫直。然而，喷沙设备可放置在弯曲设备的下游而非上游。另外的设备可放置在弯曲设备与转盘之间以对离开弯曲设备的弯曲导体进行加工。
通常，并非通过沿着具有竖直轴线的柱形螺旋路径卷绕导体而获得超导线圈(并因此其中利用恒定的半径是导体弯曲)，而是以下列模式获得超导线圈。首先，用恒定的半径将导体弯曲成大角度(例如，330度)，然后，制造通常被称为“匝间过渡”的结合部，该接合部具有高达周角的剩余角度(例如，30度)。这种结合部被制造成使得以导体为端部，该导体布置成再次正切于线圈轴线，但与其向内或向外间隔开成一匝距(一匝距通常等于一匝的横向尺寸加上绝缘层占据的空间)。这种模式允许获得大角度的完美轴向对称平坦绕组(其对于确保线圈的正确操作很重要)，非轴向对称路径局限于相对窄的角(相对于周角而言)。
从一匝至相邻的一匝的过渡可借助于液压操作模具而制造成S形。这个操作必须手动完成并且使用转盘止动，因此，涉及制造线圈所需的整体时间的增加以及定位错误的风险。因此，虽然这个第一解决方案允许限制过渡的角度，但其目前并不是优选的一种解决方法。根据可替代解决方案(即，目前优选的一种解决方案)，从一匝至下一匝的过渡可通过利用弯曲设备在具有恒定弯曲半径的部分的端部制造结合部而获得，该结合部包括具有较小弯曲半径(相对于前述恒定弯曲半径)的部分以及具有较大弯曲半径(再次相对于前述恒定弯曲半径)的部分。首先使具有更小弯曲半径的部分允许从之前形成的匝移位至新的内匝，并且然后使具有更大弯曲半径的部分允许从之前形成的匝移位至新的内匝，同时这两个部分按照相反顺序允许从之前形成的匝移位至新的外匝。优选地，具有较大弯曲半径的部分是平直部(即，具有无限弯曲半径的部分)，这是因为使这个部分作为平直部允许(在其他条件均相同的情况下)使结合部的总长度最小化。
用于制造匝间过渡的上文所述第二解决方案需要较宽的平移角，但这种解决方案更为快速和准确并且并不包括装置的止动机构。
为了使用第二解决方案允许装置实施匝间过渡，已知必须具有连同解绕和矫直单元一起并且连同弯曲设备的上游的另外的设备(如果有的话)一起的固定的弯曲设备，并且必须具有能够在水平平面内(特别地，在矫直的导体的向前方向上(下文被称为纵向方向或者x方向)并且在垂直于x方向的方向上(下文被称为横向方向或者y方向)平移的转盘，从而在过渡阶段开始时改变弯曲半径时并且直至该阶段结束时允许转盘在水平面中(因此，在x方向上并且在y方向上)改变其位置。在过渡阶段结束时，转盘将位于沿x方向的与初始阶段相同的位置，而其沿着y方向移位的距离等于一匝距。一旦该过渡阶段完成并且直至下一个过渡阶段，转盘仅遵循旋转移动。
当生产具有20米以上级别直径的大尺寸超导线圈时，很难使转盘在水平平面上平移。因此，根据上文所述第二解决方案生产这种尺寸的线圈并获得匝间过渡的装置非常复杂且昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于使导体弯曲并卷绕以制造超导线圈的装置和方法，本发明允许获得根据上文讨论的第二解决方案的并且较现有技术不复杂的匝间过渡。
借助于用于使导体弯曲并卷绕以分别制造本发明中所限定的超导线圈的装置和方法，根据本发明完全实现了这些目的以及其他目的。
在本申请中阐述了本发明的另外的有利特征，其内容被视为下文说明书的整体和构成部分。
简言之，本发明基于这样一种构思，即，将转盘设置成仅能围绕其轴线旋转移动、将装置的位于转盘上游的全部部件(即，解绕和矫直单元、弯曲设备以及(如果有的话)设置在解绕和矫直单元与弯曲设备之间的另外的设备)设置成沿着横向方向平移移动、以及将弯曲设备设置成也仅进行纵向平移移动，由此，匝间过渡阶段通过对转盘的旋转移动、装置的位于转盘上游的部件(包括弯曲设备)在横向方向上的平移移动以及弯曲设备在纵向方向上的平移移动进行适当地组合而实施。
附图说明
将参考附图仅通过非限制性实施例的方式使本发明的另外特征和优点从下文的细节描述中变得更为清晰，附图中：
图1是根据本发明的实施方式的用于使导体弯曲并卷绕以制造超导线圈的转至的示意性平面图；
图2是图1中的装置的弯曲设备的立体图；以及
图3a至图3g是按顺序示出了如何使用根据本发明的装置和方法实施匝间过渡阶段的示意图。
具体实施方式
首先参考图1，用于使导体C弯曲并卷绕以制造超导线圈B的装置基本上包括：
-解绕和矫直单元10，该解绕和矫直单元用于使线圈围绕竖直轴线解绕，该线圈由以恒定直径弯曲并沿着柱形螺旋路径卷绕的导体C形成，并且该解绕和矫直单元用于提供矫直的导体C；
-弯曲和卷绕单元12，该弯曲和卷绕单元包括弯曲设备14以及转盘16，该弯曲设备布置成使离开解绕和矫直单元10的矫直的导体C弯曲，离开弯曲设备14的弯曲的导体C放置在该转盘上，由此，形成一组匝以制造超导线圈B；以及
-多个中间设备，该多个中间设备放置在解绕和矫直单元10与弯曲和卷绕单元12之间，并且该多个中间设备布置成处理弯曲和卷绕单元12上游的导体C，比如，所述中间设备比如为一个或多个精密的矫直设备18、清洁设备20以及喷沙设备22，所述一个或多个精密的矫直设备布置成进一步矫直离开解绕和矫直单元10的导体C。
转盘16安装成可围绕其轴线z(竖直轴线)旋转并且可沿着该轴线平移。然而，转盘16在水平面内不可移动，并且因此，其轴线z的位置是固定的。弯曲设备14可沿着x方向(下文被称为纵向方向)平移，x方向与由解绕和矫直单元10供应至弯曲设备14的矫直的导体C的纵轴线方向一致。放置在转盘16上游的装置的所有部件(即，弯曲设备14、解绕和矫直单元10以及(如果有的话)介于弯曲设备14与解绕和矫直单元10之间的中间设备18、20、22)可沿着y方向(下文被称为横向方向)平移，y方向水平地定向并且垂直于纵向方向。
图2示出了可在使导体弯曲并卷绕以制造超导线圈的装置中使用的弯曲设备14的典型实例，更具体地为所谓的三辊式弯曲设备(即，该弯曲设备包括通常分别被称为第一辊、中间辊以及弯曲辊的三个辊24、26和28，该三个辊以这样一种方式放置，即，被供应穿过弯曲设备14的导体C在一侧上经过第一辊24与弯曲辊28之间并且在相对侧上经过中间辊26。在图2中示出的实施方式中，弯曲设备14包括额外的辊30和32，该额外的辊分别放置在上述三个辊的上游和下游，但也可省去这些额外的辊。而且，弯曲设备14还可具有与本文示出的弯曲设备所不同的构造。
对于两匝之间的结合部包括第一弯曲部(该第一弯曲部具有较小的弯曲半径)和第二平直部的情况，现将参考图3a至图3g描述在根据本发明的装置中实施匝间过渡阶段(更具体地，从线圈B的外匝Se至内匝Si的过渡)的方式。
图3a示出了在主恒定半径匝部的端部处的情况。在制造这个匝部的整个过程中，弯曲设备14并不沿着x方向移动，装置的放置在转盘16上游的部件(包括弯曲设备14)并不沿着y方向移动，并且转盘16设置成随着导体C沿着x方向(例如，以恒定速度)从解绕和矫直单元10向前行进至弯曲设备14而围绕轴线z(例如，以恒定速度)旋转。
在匝间过渡阶段期间，以如下文解释的方式来控制放置在转盘16上游的装置的部件沿着y方向的平移移动、弯曲设备14沿着x方向的平移移动以及转盘16围绕其轴线z的旋转移动。
只要涉及弯曲设备14沿着x方向的平移移动，则优选适用的移动规律如下：
Δx(α)＝R·sinα,
其中，α是从过渡起始点测量的转盘16(因此，为在转盘16上形成的线圈B)的当前角位置，并且R是转盘16(即，线圈B)的旋转轴线z与第一过渡部分(弯曲部)的曲率中心之间的距离，即，已经形成的匝Se的半径与第一过渡部分的半径之间的差值。
只要完成恒定半径匝部，则弯曲设备优选地根据上文所述移动规律而开始在x方向上移动(见图3b和图3c)，从而满足导体C的纵轴线与当前点的过渡弧的相切要求。在制造弯曲的过渡部的过程中，调节弯曲设备14的辊的位置以限定弯曲的过渡部的正确半径。而且，在制造弯曲的过渡部的过程中，致使装置的放置在转盘16上游的部件沿着y方向朝向(相对于转盘16)与内匝Sì对应的半径位置移动。
图3d示出了弯曲的过渡部的端点。在这种情况下，弯曲设备14到达其沿着x方向的最大向前位置，而装置的放置在转盘16上游的部件随着其沿着y方向移动一匝距而沿着y方向到达与内匝Si对应的位置。在图3d中所示的情况下，转盘16的旋转和导体C的向前移动停止以允许弯曲设备14沿着x方向移动回到正确位置，从而能够使主恒定半径部开始弯曲(见图3f)，该主恒定半径部所具有的半径等于之前的匝Se减去一匝距。
为了允许弯曲设备14沿着x方向以与之前的移动相反的方向移动，首先，必须使弯曲设备14的辊(具体地，弯曲辊28)的位置适于导体C的平直部。图3e中示出了这个阶段。
图3f指已完全完成过渡部的情况。在这个图中，过渡部的弯曲部表示为L1，而平直部表示为L2。
图3g示出了已经制成的内匝Si的第一恒定半径部。弯曲辊28(随着图3e中所示的阶段结束)到达适于形成内匝Si的位置。贯穿内匝Si的恒定半径部，考虑因素与参考图3a所阐述的考虑因素相同。
对于弯曲设备14的辊在y方向上的移动(即，产生并控制导体C的弯曲的移动)而言，其通常取决于导体C穿过弯曲设备本身的向前移动而进行调节，并且更具体地，取决于离开弯曲设备的导体的移动而进行调节。在这种情况下，这种移动为相对向前移动，即，离开弯曲设备14的导体C相对于弯曲设备本身的向前移动。当前的过渡弧表示为Δt，过渡半径表示为r，适于下列等式：
Δt＝α.r.
考虑到，上述等式仅指“弯曲后”的参数，诸如，α和Δt，而导体相对于弯曲设备的向前移动被称为“离开弯曲设备”。原因在于这样使等式不因弯曲设备内部的导体长度变化而被近似误差影响。然而，特别是在包含半径变化的过渡的情况下，实际上难于在弯曲之后测量导体相对于弯曲设备的向前移动。因此，只要考虑过渡，实际上就允许使用弯曲之前的向前移动，这是因为使用适当的编码器系统易于进行测量，从而通过相对较短的长度检查与长度变化关联的较小误差。
除了对于制造匝间过渡提供结构上较不复杂的解决方案之外(该解决方案在大尺寸线圈的情况下特别有利)，由于导体的在弯曲设备的辊之间所包括的部分的弹性，所以本发明所提供的优点为允许进行补偿误差所需要的位置修正。通常，离开弯曲设备的导体的曲率中心并不位于弯曲设备本身的中横平面(即，穿过弯曲设备的中间辊的轴线且与进入弯曲设备的导体的纵向垂直的平面)内。这归因于导体的在弯曲设备的辊之间所包括的部分的弹性部件。该弹性部件进而在导体离开弯曲设备时被释放。通常，离开弯曲设备的导体的曲率中心的位置与所述中横平面在纵向方向x及横向方向y上显著地间隔开。必须对这种效果进行补偿，其中，必须尽可能地消除导体的在弯曲设备与转盘之间所包括的弯曲部的弹性应力，这是因为这些应力可引起导体变形，当然，这是不希望的。通过沿着x方向和y方向适当地移动弯曲设备和/或通过沿着y方向适当地移动装置的在弯曲设备上游的部件，可对根据本发明的装置进行所需要的修正。
实际上，本发明的原理保持不变，因此，在不背离所附权利要求中限定的保护范围的前提下，可相对于本文所描述及示出的内容仅通过非限制性实例的方式而对实施方式和结构细节进行大量修改。

Claims (6)

1.用于使导体(C)弯曲并卷绕以制造超导线圈(B)的装置，所述装置包括：
第一工作单元(10)，所述第一工作单元用于解绕所述导体(C)的线圈并提供矫直的所述导体(C)；以及
第二工作单元(12)，所述第二工作单元包括弯曲设备(14)以及转盘(16)，所述弯曲设备布置成使离开所述第一工作单元(10)的矫直的所述导体(C)弯曲，离开所述弯曲设备(14)的弯曲的所述导体(C)被放置于所述转盘上，由此，形成一组匝以制造所述超导线圈(B)；
其特征在于：
所述转盘(16)围绕固定竖直轴线(z)能旋转地安装；
所述弯曲设备(14)安装成能在纵向方向(x)以及横向方向(y)上平移，所述纵向方向与由所述第一工作单元(10)供应至所述弯曲设备(14)的矫直的所述导体(C)的纵轴线的方向一致，所述横向方向垂直于所述纵向方向(x)；并且
所述第一工作单元(10)安装成连同所述弯曲设备(14)一起仅能在所述横向方向(y)上平移。
2.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括位于所述第一工作单元(10)与所述第二工作单元(12)之间的多个中间设备(18、20、22)，所述中间设备布置成处理所述第二工作单元(12)上游的矫直的所述导体(C)，所述中间设备(18、20、22)连同所述第一工作单元(10)和所述弯曲设备(14)一起仅能在所述横向方向(y)上平移。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述中间设备(18、20、22)包括一个或多个精密的矫直设备(18)和/或清洁设备(20)和/或喷沙设备(22)，所述一个或多个精密的矫直设备布置成进一步矫直离开所述第一工作单元(10)的矫直的所述导体(C)。
4.一种用于使导体(C)弯曲并卷绕以制造超导线圈(B)的方法，所述方法包括下列步骤：
a)在第一工作单元(10)中解绕所述导体(C)的线圈并且提供矫直的所述导体(C)；
b)借助于弯曲设备(14)将矫直的所述导体(C)弯曲；以及
c)将弯曲的所述导体(C)放置在能围绕固定竖直轴线(z)旋转的转盘(16)上，由此，形成一组匝以制造所述超导线圈(B)；
其中，实施所述步骤b)和c)以便每次形成一匝，所述匝具有主部以及过渡部，所述主部具有恒定的弯曲半径，所述过渡部使该匝的主部与下一匝的主部连接，所述过渡部形成为以所述导体(C)放置得与所述超导线圈(B)的竖直轴线(z)相切而结束，但所述过渡部与第一匝向内或向外地间隔开一距离，并且所述过渡部包括第一部分(L1)和第二部分(L2)，所述第一部分所具有的弯曲半径小于所述第一匝的主部的弯曲半径，并且所述第二部分所具有的弯曲半径大于所述第一匝的主部的弯曲半径；并且
其中，通过控制所述转盘(16)围绕所述竖直轴线(z)的旋转移动、所述弯曲设备(14)在与矫直的所述导体(C)的纵轴线一致的纵向方向(x)上的平移移动、以及所述弯曲设备(14)连同所述第一工作单元(10)一起在与所述纵向方向(x)垂直的横向方向(y)上的平移移动而获得所述过渡部。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过使所述转盘(16)围绕所述竖直轴线(z)旋转并通过同时使所述弯曲设备(14)在所述纵向方向(x)上平移以及使所述弯曲设备(14)连同所述第一工作单元(10)一起在所述横向方向(y)上平移而获得所述第一部分(L1)。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的方法，其中，所述第二部分(L2)是平直部分，并且在所述转盘(16)停止的情况下通过使所述弯曲设备(14)在所述纵向方向(x)上平移而获得所述第二部分。
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