CN106098252A - 一种生产磁体用异形超导电缆的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产磁体用异形超导电缆的装置，包括依次排布的内撑芯固定架、绞笼、紧压模、电缆校直机、绝缘带材绕包机、履带牵引机、收排线控制机、收线盘；绞笼包括绞笼主轴，绞笼主轴上安装有绞笼放线架，绞笼放线架上设有绞笼放线盘，绞笼主轴中设有内撑芯，内撑芯的后端与内撑芯固定架相连，内撑芯的前端区域中从后至前依次为固定区、小分线环安装区、超导股线绞入区、超导股线稳定区，超导股线变形过渡区，超导股线变形稳定成型区。本发明保证了绞合时各超导股线能够逐步、平稳过渡，从而保证了各超导股线能够规则、无跳动、依次进入紧压模进行紧压成型，解决了各超导股线不能规则进入紧压模而压伤、受损的难题。

Description

一种生产磁体用异形超导电缆的装置及方法

技术领域

本发明涉及超导电缆，具体涉及一种生产磁体用异形超导电缆的装置及方法。

背景技术

超导电缆以其零电阻、完全抗磁性的特点，在强调低碳经济发展的今天具有广阔的应用前景。异形超导电缆由于其具有超导磁体的零电阻的特性，在处于超导状态时几乎不产生热，因此在不失超的情况下，可使电流很大而又不产生能量消耗，主要应用于高能物理领域以及其它领域磁体线圈的绕制。高能物理是一个国家科技水平发展的标志，近年来北京正负电子对撞机重大改造工程（ＢＥＰＣＩＩ）、上海同步辐射光源（ＳＳＲＦ）、加速器驱动次临界洁净核能系统（ＡＤＳ）、中国散裂中子源等高能物理的国家大型项目的启动更是进一步推动了异形超导电缆的市场需求。此外，还有在ＩＴＥＲ项目点火成功后，在中国建立的热核聚变反应堆，更是为中国超导电缆的产业化描绘了美好的蓝图。除了上述已初具产业化规模的超导电缆应用领域，超导电缆在超导储能、超导磁悬浮也展现了极大的潜力。为了缩小磁体的体积，绕制后结构稳定，绕制的超导电缆一般被设计成异形扁状电缆，电缆结构不同于编织带状电缆，是双层扁电缆，该电缆是通过特制的绞线设备、模具将多根超导股线绞合后逐步由圆形变为扁状后紧压成型为异形扁状电缆，异形扁状电缆具有填充率高（超导线材占电缆体积的百分数），可达90%，没有交叉点，电缆成型紧压后股线不易损伤等特点。

发明内容

本发明针对上述异形扁状超导电缆生产中出现的问题，提出了一种磁体用异形超导电缆生产方式，目的在于解决了异形超导电缆在绞合成型过程中超导股线受损、电缆表面不平整、空隙率不均匀的问题。

本发明通过以下技术方案实现的：一种生产磁体用异形超导电缆的装置，包括依次排布的内撑芯固定架、绞笼、由上、下紧压轮组成的紧压模、电缆校直机、绝缘带材绕包机、履带牵引机、收排线控制机、收线盘；绞笼包括绞笼主轴，绞笼主轴上安装有绞笼放线架，绞笼放线架上安装有与绞笼主轴相配合的绞笼放线盘，绞笼主轴中设有内撑芯，内撑芯的后端与内撑芯固定架相连，内撑芯的前端区域中从后至前依次为固定区、用于调整小分线环前后位置的小分线环安装区、超导股线绞入区、超导股线稳定区，超导股线变形过渡区，超导股线变形稳定成型区，所述超导股线变形稳定成型区在内撑芯的最前端；固定区的末端、中段通过轴承固定于绞笼主轴内，小分线环安装区上安装有小分线环，超导股线变形稳定成型区的中心轴线与紧压模的上、下紧压轮之间的缝隙处于同一水平面。

进一步的，超导股线绞入区的角度α为5-6度；超导股线稳定区的直径d=n*d1*l/3.14- d1+0.2-0.3mm，其中，n为超导股线绞合根数、d1为超导股线的直径、l为超导股线绞入系数；超导股线稳定区的长度为18-25mm。

进一步的，超导股线变形过渡区角度为β、θ，β为4.5-6度、θ为2-3度。

进一步的，超导股线变形稳定成型区长度b、宽度h、厚度e分别为11-14mm、(n*d1*l)/2- d1mm，1.1-1.4 mm；其中，n为超导股线绞合根数、d1为超导股线的直径、l为超导股线绞入系数。

采用上述装置生产磁体用异形超导电缆的方法，具体包括以下步骤：

A：线芯复倒：按照长度要求将超导股线复倒于绞笼配用盘具，复倒中张力均匀，逐层均匀排线，复倒机放线为主动放线，在放线与收排线间设置张力检测反馈装置，控制放线速度，控制放线张力，张力值控制在18-20N，排线采用丝杆排线；

B：上盘及放线张力调整：将复倒好的线盘按照绞合根数放置到绞笼中的绞笼放线架上，各线盘应均匀分布到绞笼上，超导股线从放线盘放出后经大、小分线环等分穿出，且每根超导股线从绞笼的大、小分线环中穿出的位置相对应，并调整放线张力值，张力值设定在20-25N；绞笼为完全退扭结构，绞笼主轴跳动不大于0.1mm，放线张力采用磁粉张力，实时张力值在操作台主屏上显示，整个绞笼转动时放线张力按照主屏上的显示值随时调节；

C：绞合：在内撑芯上安装大分线环、小分线环，调整紧压模，将所有超导股线从大、小分线环等分穿出并通过紧压模后与引线绑接；绞笼转动时内撑芯不转动，小分线环固定在内撑芯上能够前后调整，以调整绞合时超导股线缠绕在内撑芯上的位置，以实现超导股线在内撑芯上均匀平稳的向紧压模过渡，内撑芯固定不动，小分线环转动；紧压模由上下两个紧压轮组成，紧压轮由齿轮传动实现主动紧压；

D：紧压成型：启动履带牵引机，使引线保持张紧，然后启动紧压轮，并逐步缩小两个紧压轮的间距直至压紧超导绞合股线、调整紧压轮与履带牵引之间的张力保持在130-150N，紧接着启动绞笼，根据异形超导缆的节距的要求来调整主动紧压轮、绞笼的转速，根据异形超导缆的设计结构尺寸对两个紧压轮的间距进行微调，使紧压后的异形超导缆的结构尺寸满足要求；根据紧压后各超导股线绞合排列的情况，可随时停机，对内撑芯端部与紧压模的间距进行微调，使成型后的电缆应立即进入紧压轮进行紧压且绞合后超导电缆表面平整、各超导股线排列规则，超导股线应无跳线、压伤；履带牵引由设在紧压轮与履带牵引机之间绞合的超导电缆上的张力传感器进行控制，当张力值超过或小于设定值时，履带牵引机进行降速或加速，保证张力值在设定的范围之间；

E：校直：调整电缆校直机，使电缆校直机上、下整形轮轮面逐步接近异形超导缆的上、下面，以将电缆调整到一条直线上为准；

F：绕包绝缘带：按照规定的绕包节距范围调整绝缘带材绕包机的转速，绕包平整紧密；为降低绕包带材时引起异形超导电缆的晃动，采用半切式绕包方式，绝缘绕包机上的绕包模具孔形应与异形超导电缆的形状一致，防止绕包时超导电缆晃动，绕包模具的尺寸比线材尺寸大0.5-0.7mm；

G：收线：为保证绕包绝缘带的异形超导电缆能够平整、紧密的收装到收线盘中，收线方式为盘动式收线，被收的线材不动，收线盘在收排线控制机的控制下左右摆动，收线张力由安装在收排线控制机内的超声波张力控制装置进行控制，其原理是采用超声波通过测量电缆的垂度来测量电缆的张力，并通过反馈控制收线张力，以达到恒张力收线的目的，通过上述步骤即生产出磁体用异形超导电缆。

本发明的有益效果是：

1.本发明放线盘21张力采用磁粉张力，实时张力值在主屏上显示，绞笼8转动时放线张力实现了对放线张力的精准控制，保证绞合时各超导股线放线张力均匀一致，从而保证了的各超导股线规则稳定地导入到内撑芯11上。

2．本发明具有独特结构的内撑芯11，缠绕在内撑芯上的股线通过内撑芯的各个功能区段实现绞合的形状由圆形逐步过渡到异形并通过紧压模13紧压成型，由于内撑芯11各区段按照等周长的原理合理设计，保证了绞合时各超导股线能够逐步、平稳过渡，从而保证了各超导股线能够规则、无跳动、依次进入紧压模进行紧压成型，解决了各超导股线不能规则进入紧压模而压伤、受损的难题。

3. 本发明小分线环12内圈安装轴承并固定在内撑芯11上，小分线环12能够方便的前、后调整，根据绞合成型的异形超导电缆14规格来调整小分线环的位置，保证超导股线10能够顺利导入到内撑芯11超导股线绞入区3中，实现超导股线10在内撑芯11上的正常绞合。

4. 本发明采用了同一驱动的上下两个主动紧压轮24进行紧压，防止了紧压成型过程中由于履带牵引机17力量过大，致使紧压模与绞合成型的异形超导电缆14间产生相对运动（俗称打滑），造成绞合成型的异形超导电缆不能匀速、稳定的前行，致使超导股线在进入紧压轮24前堆积，各超导股线间互相重叠，进入紧压轮24后产生严重压伤的问题发生。

5. 本发明通过张力传感器23控制紧压模13与履带牵引机之间绞合成型的异形超导电缆14上的张力，使张力值保持在合理的范围内，如果张力过大会造成绞合成型的异形超导电缆14变形，甚至影响紧压模的转速，从而影响超导股线的紧压成型；如果过小，绝缘带材绕包机无法绕包绝缘带材。

6. 本发明通过采用盘动式（被收的线材不动，收线线盘左右摆动）解决了采用固定式收线方式（收线线盘不动，被收的线材左右摆动）时绞合成型的异形超导电缆14在离开中心位置向收线盘19侧边靠近时受力增大易变形的难题，从而保证了绞合成型的异形超导电缆不发生变形，结构尺寸保持一致。

通过上述方式绞合成型的异形超导电缆，有效地解决了绞合中异形超导电缆不能稳定成型、超导股线易受损伤的难题，生产的异形超导电缆的的电流损耗不超过5%。

附图说明

图1. 为本发明的磁体用异形超导电缆生产的工艺流程图；

图2. 为本发明的磁体用异形超导电缆生产的结构示意图；

图3. 为本发明图2的局部放大图；

图4. 为本发明内撑芯主视图；

图5. 为本发明内撑芯俯视图。

图中：1、固定区，2、小分线环安装区，3、超导股线绞入区，4、超导股线稳定区，5、超导股线变形过渡区，6、超导股线变形稳定成型区，7、绞笼，8、绞笼放线架，9、大分线环，10、超导股线，11、内撑芯，12、小分线环，13、紧压模，14、绞合成型的异形超导电缆，15、电缆校直机，16、绝缘带材绕包机，17、履带牵引机，18、收排线控制机，19、收线盘，20、内撑芯固定架，21、放线盘，22、绞笼主轴，23、张力传感器，24、紧压轮。

具体实施方式

一种生产磁体用异形超导电缆的装置，包括依次排布的内撑芯固定架20、绞笼7、由上、下紧压轮组成的紧压模13、电缆校直机15、绝缘带材绕包机16、履带牵引机17、收排线控制机18、收线盘19；绞笼包括绞笼主轴22，绞笼主轴22上安装有绞笼放线架8，绞笼放线架8上安装有与绞笼主轴22相配合的绞笼放线盘24，绞笼主轴22中设有内撑芯11，内撑芯11的后端与内撑芯固定架20相连，内撑芯11的前端区域中从后至前依次为固定区1、用于调整小分线环前后位置的小分线环安装区2、超导股线绞入区3、超导股线稳定区4，超导股线变形过渡区5，超导股线变形稳定成型区6，所述超导股线变形稳定成型区6在内撑芯的最前端；固定区1的末端、中段通过轴承固定于绞笼主轴22内，小分线环安装区2上安装有小分线环12，超导股线变形稳定成型区6的中心轴线与紧压模13的上、下紧压轮之间的缝隙处于同一水平面。如图4、5所示，固定区1的外径为与固定内撑芯并与绞笼配合的轴承的内径尺寸（轴承与内撑芯为紧配合）；小分线环安装区2的外径为小分线环相配轴承的内径，小分线环安装区2的长度为80-115mm，主要用于调整小分线环的前后位置，以便于调整超导股线导入超导股线绞入区的角度和位置，超导股线绞入区3的角度α为5-6度；超导股线稳定区4的直径d=n*d1*l/3.14- d1+0.2-0.3mm，其中n为超导股线绞合根数、d1为超导股线的直径、l为超导股线绞入系数，超导股线稳定区的长度为18-25mm，如果太长会造成超导股线绞合时阻力太大，造成超导股线受损；如果太短超导股线绞合时易跳线；超导股线变形过渡区角度β、θ分别为4.5-6度、2-3度；超导股线变形稳定成型区长度b、宽度h、厚度e分别为11-14mm、(n*d1*l)/2- d1mm（其中n为超导股线绞合根数、d1为超导股线的直径、l为超导股线绞入系数1.1-1.4 mm。

以绞合36根0.73mm异形超导电缆为例，内撑芯超导股线稳定区的直径为9.16mm，超导股线稳定区的长度为22mm，超导股线变形过渡区角度β、θ分别为4.5-6度、2-3度；超导股线变形稳定成型区长度b、宽度h、厚度e分别为13mm、12.4 mm、1.2 mm。

按照上述方法生产的36根0.73mm的异形超导电缆表面平整，无跳线、压伤等不良现象，生产的异形超导电缆完全满足技术规范的要求。目前，正在为国内高能磁体提供性能稳定的异形超导电缆。

如图1所示，采用上述装置生产磁体用异形超导电缆的方法，具体包括以下步骤：

A：复倒超导股线，按照长度要求将超导股线复倒于绞笼配用盘具，复倒中张力应均匀，防止超导股线受损，应逐层均匀排线。设备要求：要求复倒机放线为主动放线，在放线与收排线间设置张力检测、反馈装置，以控制放线速度，从而控制放线张力，张力值控制在18-20N,排线采用丝杆排线，达到排线节距精准控制。

B：将复倒好的线盘按照绞合根数放置到绞笼中的绞笼放线架上，各线盘应均匀分布到绞笼上，超导股线应从放线盘放出后经绞笼的分线环等分穿出，并调整放线张力值，张力值设定在20-25N。设备要求：绞笼应为完全退扭结构，绞笼中放置60个绞笼放线架，每个放线架放置一个放线盘，所有的放线盘必须放置在同一个绞笼中，绞笼主轴跳动不大于0.1mm，放线张力应采用磁粉张力，实时张力值在主屏上显示，绞笼转动时放线张力可随时调节。

C：安装大分线环、内撑芯、小分线环，调整紧压模，将所有超导股线从大、小分线环等分穿出并通过紧压模后与引线绑接。设备要求：内撑芯固定在绞笼上且能够伸缩便于调整内撑芯端部与紧压模的间距，绞笼转动时内撑芯不转动，小分线环固定在内撑芯上且能够前后调整，以调整绞合时超导股线缠绕在内撑芯上的位置，以实现超导股线在内撑芯上均匀平稳的向紧压模过渡，内撑芯固定不动，小分线环转动。紧压模由上下两个紧压轮组成，紧压轮由齿轮轮传动为主动紧压。具体异形超导电缆生产过程示意图见图1，绞笼、绞笼端部、内撑芯、小分线环、紧压模装配见图2，内撑芯主视图、俯视图分别见图3。

D：启动履带牵引，使引线保持张紧，然后启动主动紧压轮并逐步缩小两个紧压轮的间距直至压紧超导绞合股线、调整紧压轮与履带牵引之间的张力保持在130-150N，紧接着启动绞笼，根据异形超导缆的节距的要求来调整主动紧压轮、绞笼的转速，根据异形超导缆的设计结构尺寸对紧压装置的两个紧压轮的间距进行微调，以保证紧压后的异形超导缆的结构尺寸满足技术要求。在上述过程中可随时停车，根据紧压后各超导股线绞合排列的情况，对内撑芯端部与紧压模的间距进行微调，调整原则是保证成型后的电缆应立即进入紧压轮进行紧压且绞合后超导电缆表面平整、各超导股线排列规则，超导股线应无跳线、压伤等不良现象。设备要求：紧压轮的位置应能够上、下、左、右前后均能够调整，调整量应能够根据标尺准确读出，履带牵引由设在紧压轮与履带牵引之间绞合的超导电缆上的张力传感器进行控制，当张力值超过或小于设定值时，履带牵引进行降速或加速，保证张力值在设定的范围之间。

E：调整整形校直轮，使上、下整形轮轮面逐步接近异形超导缆的上、下面，以将电缆调整到一条直线上为准。

F：绕包绝缘带，按照规定的绕包节距范围调整绕包头的转速，绕包应平整紧密。设备要求：为尽可能降低绕包带材时引起异形超导电缆的晃动，应采用半切式绕包方式。采用固定模具的孔形应与异形超导电缆的形状一致，模具尺寸较线材尺寸放大0.5-0.7mm。

G：收线，收线应平整、紧密。设备要求：收线应采用盘动式（被收的线材不动，收线线盘左右摆动）收线机，收线张力采用超声波张力控制装置进行控制，其原理是采用超声波通过测量电缆的垂度来测量电缆的张力，并通过反馈控制放线张力，以达到恒张力的目的。

Claims (5)

1.一种生产磁体用异形超导电缆的装置，包括依次排布的内撑芯固定架（20）、绞笼（7）、由上、下紧压轮组成的紧压模（13）、电缆校直机（15）、绝缘带材绕包机（16）、履带牵引机（17）、收排线控制机（18）、收线盘（19）；绞笼包括绞笼主轴（22），绞笼主轴（22）上安装有绞笼放线架（8），绞笼放线架（8）上安装有与绞笼主轴（22）相配合的绞笼放线盘（21），其特征在于：绞笼主轴（22）中设有内撑芯（11），内撑芯（11）的后端与内撑芯固定架（20）相连，内撑芯（11）的前端区域中从后至前依次为固定区（1）、用于调整小分线环前后位置的小分线环安装区（2）、超导股线绞入区（3）、超导股线稳定区（4），超导股线变形过渡区（5），超导股线变形稳定成型区(6)，所述超导股线变形稳定成型区(6)在内撑芯的最前端；固定区（1）的末端、中段通过轴承固定于绞笼主轴（22）内，小分线环安装区（2）上安装有小分线环（12），超导股线变形稳定成型区(6)的中心轴线与紧压模（13）的上、下紧压轮之间的缝隙处于同一水平面。

2.如权利要求1所述的一种生产磁体用异形超导电缆的装置，其特征在于：超导股线绞入区（3）的角度α为5-6度；超导股线稳定区（4）的直径d=n*d1*l/3.14- d1+0.2-0.3mm，其中，n为超导股线绞合根数、d1为超导股线的直径、l为超导股线绞入系数；超导股线稳定区（4）的长度为18-25mm。

3.如权利要求1或2所述的一种生产磁体用异形超导电缆的装置，其特征在于：超导股线变形过渡区角度为β、θ，β为4.5-6度、θ为2-3度。

4.如权利要求3所述的一种生产磁体用异形超导电缆的装置，其特征在于：超导股线变形稳定成型区长度b、宽度h、厚度e分别为11-14mm、(n*d1*l)/2- d1mm，1.1-1.4 mm；其中，n为超导股线绞合根数、d1为超导股线的直径、l为超导股线绞入系数。

5.一种采用如权利要求1所述装置生产磁体用异形超导电缆的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

A：线芯复倒：按照长度要求将超导股线复倒于绞笼配用盘具，复倒中张力均匀，逐层均匀排线，复倒机放线为主动放线，在放线与收排线间设置张力检测反馈装置，控制放线速度，控制放线张力，张力值控制在18-20N，排线采用丝杆排线；

B：上盘及放线张力调整：将复倒好的线盘按照绞合根数放置到绞笼中的绞笼放线架上，各线盘应均匀分布到绞笼上，超导股线从放线盘放出后经大、小分线环等分穿出，且每根超导股线从绞笼的大、小分线环中穿出的位置相对应，并调整放线张力值，张力值设定在20-25N；绞笼为完全退扭结构，绞笼主轴（22）跳动不大于0.1mm，放线张力采用磁粉张力，实时张力值在操作台主屏上显示，整个绞笼转动时放线张力按照主屏上的显示值随时调节；

C：绞合：在内撑芯（11）上安装大分线环、小分线环，调整紧压模，将所有超导股线从大、小分线环等分穿出并通过紧压模后与引线绑接；绞笼转动时内撑芯不转动，小分线环固定在内撑芯上能够前后调整，以调整绞合时超导股线缠绕在内撑芯上的位置，以实现超导股线在内撑芯上均匀平稳的向紧压模过渡，内撑芯固定不动，小分线环转动；紧压模由上下两个紧压轮组成，紧压轮由齿轮传动实现主动紧压；

D：紧压成型：启动履带牵引机，使引线保持张紧，然后启动紧压轮（24），并逐步缩小两个紧压轮的间距直至压紧超导绞合股线、调整紧压轮与履带牵引之间的张力保持在130-150N，紧接着启动绞笼，根据异形超导缆的节距的要求来调整主动紧压轮、绞笼的转速，根据异形超导缆的设计结构尺寸对两个紧压轮的间距进行微调，使紧压后的异形超导缆的结构尺寸满足要求；根据紧压后各超导股线绞合排列的情况，可随时停机，对内撑芯端部与紧压模的间距进行微调，使成型后的电缆应立即进入紧压轮进行紧压且绞合后超导电缆表面平整、各超导股线排列规则，超导股线应无跳线、压伤；履带牵引由设在紧压轮与履带牵引机之间绞合的超导电缆上的张力传感器（23）进行控制，当张力值超过或小于设定值时，履带牵引机进行降速或加速，保证张力值在设定的范围之间；

E：校直：调整电缆校直机，使电缆校直机上、下整形轮轮面逐步接近异形超导缆的上、下面，以将电缆调整到一条直线上为准；

F：绕包绝缘带：按照规定的绕包节距范围调整绝缘带材绕包机的转速，绕包平整紧密；为降低绕包带材时引起异形超导电缆的晃动，采用半切式绕包方式，绝缘绕包机上的绕包模具孔形应与异形超导电缆的形状一致，防止绕包时超导电缆晃动，绕包模具的尺寸比线材尺寸大0.5-0.7mm；

G：收线：为保证绕包绝缘带的异形超导电缆能够平整、紧密的收装到收线盘中，收线方式为盘动式收线，被收的线材不动，收线盘在收排线控制机的控制下左右摆动，收线张力由安装在收排线控制机内的超声波张力控制装置进行控制，其原理是采用超声波通过测量电缆的垂度来测量电缆的张力，并通过反馈控制收线张力，以达到恒张力收线的目的，通过上述步骤即生产出磁体用异形超导电缆。