CN106816255B - 一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈及组装工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈及组装工艺，包括从内至外依次套装的金属套筒、绝缘套筒、多层密绕复合螺线管、约束套筒、上滑移环、下滑移环，所述上电极盘、上滑移环、金属套筒、下滑移环、下电极盘构成放电回路。本发明避免了现有的电磁驱动磁通压缩技术中金属套筒所受电磁力随金属固体套筒与驱动线圈距离的增大而急剧减少的问题；同时多层密绕复合螺线管结构彻底避免了常规θ‑pinch构型固有的馈流缝隙，解决了现有电磁驱动磁通压缩方法固有的套筒内爆不对称问题。可以显著提高压缩效率，进而增加其磁场峰值。

Description

一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈及组装工艺
技术领域
本发明涉及脉冲强磁场领域，具体涉及一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈。
背景技术
电磁驱动磁通压缩技术的基本原理是：脉冲电容器组对驱动线圈快速放电，从而驱动内层的金属套筒内爆压缩由初始磁场线圈产生的磁通量，由于磁通守恒，套筒内爆压缩过程中实现磁场增强放大。研究表明：电磁驱动磁通压缩方法能够以相对较低的成本、方便简单且高可控地，在较大空间范围内产生超过300 T的脉冲强磁场。目前世界记录是在约6 mm的孔径内产生730 T的脉冲强磁场，其等效磁压高达200 GPa，理论研究表明其完全有潜力在较大空间内产生超过1000 T的强磁场。使用该法所产生的强磁场或超高压力是一种极端物理环境，可用于在室内开展强磁场或超高压力下的材料物性研究。电磁驱动磁通压缩方法的一个核心问题是：在驱动电源储能一定的条件下，如何高效地在较大空间内产生尽可能高的磁场，而其峰值磁场的大小直接取决于能量转换效率和套筒电磁内爆磁通压缩效率的高低。
电磁驱动磁通压缩方法的能量转换效率的高低直接决定了金属固体套筒的内爆速度大小，而内爆速度是获得高峰值磁场的关键因素。研究人员为此开展了大量研究工作使电磁驱动磁通压缩方法的能量转换效率有一定的提高，但是受θ-pinch构型固有的低能量转换效率限制，套筒内爆速度长期停留在2 km/s左右。目前来看，难以通过优化现有驱动线圈结构的方法，继续提高电磁驱动磁通压缩方法的能量转换效率，要进一步提高能量转换效率必须在驱动线圈的构型或电流加载方式上有所创新。另外一个影响最终压缩磁场大小的因素是套筒内爆磁通压缩效率，而套筒内爆磁通压缩效率的高低主要由套筒内爆的对称性和稳定性决定。目前，电磁驱动磁通压缩方法所使用的θ-pinch构型驱动线圈都存在馈流缝隙，而该缝隙会引起套筒上所受的电磁力在环向分布不均匀，从而导致套筒的不对称方式内爆，这种套筒不对称内爆是导致目前电磁驱动磁通压缩方法难以进一步提高峰值磁场的主要原因之一。
发明内容
本发明的目的是解决现有的电磁驱动磁通压缩方法固有的套筒内爆不对称的问题，达到提高磁场的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈，包括从内至外依次套装的金属套筒、绝缘套筒、多层密绕复合螺线管、以及约束套筒，在所述的金属套筒、绝缘套筒、多层密绕复合螺线管的上端部安装有上滑移环，在所述的金属套筒、绝缘套筒的下端部安装有下滑移环，上滑移环与下滑移环均具有一个锥形面，且其两个锥形面相对设置；多层密绕复合螺线管底部的漆包线均匀分布地焊接在上电极盘的圆周上，多层密绕复合螺线管顶部的漆包线均匀分布地焊接在上滑移环圆周上，所述上电极盘、上滑移环、金属套筒、下滑移环、下电极盘构成放电回路。经申请人研究发现：现有技术中影响最终压缩磁场大小的因素是套筒内爆磁通压缩效率，而套筒内爆磁通压缩效率的高低主要由套筒内爆的对称性和稳定性决定。目前，电磁驱动磁通压缩方法所使用的θ-pinch构型驱动线圈都存在馈流缝隙，而该缝隙会引起套筒上所受的电磁力在环向分布不均匀，从而导致套筒的不对称方式内爆，这种套筒不对称内爆是导致目前电磁驱动磁通压缩方法难以进一步提高峰值磁场的主要原因之一；而且，在内爆过程中，由于施加电压后，内套筒在磁力的作用下向内收缩，导致内套筒逐渐远离驱动线圈，从而使电磁力迅速减少，使得其驱动效率受到限制；而本发明通过在多层密绕复合螺线管的上端部和下端部分别安装有一个上滑移环、下滑移环，上滑移环与下滑移环均具有一个锥形面，且其两个锥形面相对设置；多层密绕复合螺线管底部的漆包线均匀分布地焊接在上电极盘的圆周上，多层密绕复合螺线管顶部的漆包线均匀分布地焊接在上滑移环圆周上，所述上电极盘、上滑移环、金属套筒、下滑移环、下电极盘构成放电回路，在放电过程中，由于电磁力的作用，使得金属套筒受到径向的作用力，会使其沿上滑移环和下滑移环移动，其锥形面的设置使得金属套筒在移动过程中保持与上滑移环和下滑移环的紧密接触，保持了其通电状态，使得电磁力能够持续的对金属套筒作用，其能量转换效率能够Z-pinch构型媲美，经估算，本发明的峰值磁场具备达到1000T的潜力。
在所述绝缘套筒的外侧套装有一个固定在上电极盘与下电极盘之间的绝缘支撑环。进一步讲，通过设置绝缘支撑环，可以将上电极盘和下电极盘固定在绝缘支撑环上，同时也作为上下电极之间的绝缘结构，起到稳定的作用。
所述多层密绕复合螺线管是沿绝缘套筒的轴向进入并以螺旋缠绕的方式铺设在绝缘套筒外侧的。进一步讲，如此的螺旋环绕形式可以形成较长的传输线路，同时可以使得螺旋铜带的线头均匀分布在圆周上，便于形成均匀的连接点和传输点，提高其对称性。
一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈的组装工艺，包括以下步骤：
（a）将绝缘套筒同轴紧配合地套装在金属套筒上；
（b）将由多根超细漆包线构成的铜带沿绝缘套筒的轴向进入并以螺旋缠绕的方式从绝缘套筒的一端紧密缠绕到另一端，形成密实均匀的多层密绕复合螺线管；
（c）将约束套筒套在多层密绕复合螺线管外；
（d）将多层密绕复合螺线管顶端的铜带中漆包线均匀分布地焊接在上滑移环上；
（e）将多层密绕复合螺线管下端的铜带中漆包线周向均匀分布地焊接在上电极盘上；
（f）安装下滑移环；
（g）安装绝缘支撑环；
（h）安装下电极盘。
本发明的另一个目的是提供一种该一体化驱动线圈的组装工艺，根据其部件的特殊性，申请人对组装工艺进行了不同的设计，通过理论分析和实验，最终得到了本发明的工艺，按照此工艺，该种线圈的单个组装时间较短，而且，产品的稳定性和一致性高。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈，彻底避免了常规θ-pinch构型固有的馈流缝隙，解决了现有电磁驱动磁通压缩方法固有的套筒内爆不对称问题；
2、本发明一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈，具有如Z-pinch构型一样较高的能量转换效率，其电磁力随着套筒内径的减小而增加，避免了像现有的电磁驱动磁通压缩技术中电磁力随金属固体套筒与驱动线圈距离的增大而急剧减少的问题；
3、本发明一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈，由多根超细漆包线组成的铜带按照螺旋缠绕的方式从绝缘套筒的一端紧密缠绕到另一端，形成密实均匀的多层密绕复合螺线管，达到磁场分布均匀，进一步避免套筒内爆不对称性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明Hybrid-pinch型高对称性一体化驱动线圈剖面图；
图2为本发明Hybrid-pinch型高对称性一体化驱动线圈中多层密绕复合螺线管的绕制示意图；
图3为本发明Hybrid-pinch型高对称性一体化驱动线圈内爆压缩过程中的剖面图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-金属套筒，2-绝缘套筒，3-多层密绕复合螺线管，4-约束套筒，5-上滑移环，6-下滑移环，7-上电极盘，8-下电极盘，9-绝缘支撑环。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1至3所示，本发明一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈，包括绝缘套筒2，所述绝缘套筒2内侧套装金属套筒1，所述绝缘套筒2外侧套装连接多层密绕复合螺线管3；所述多层密绕复合螺线管3一端铜带中的漆包线周向均匀分布地焊接在上电极盘7上，所述上电极盘7下方依次连接在绝缘套筒2外侧的绝缘支撑环9和与金属套筒1连接下电极盘8，多层密绕复合螺线管3另一端铜带中的漆包线周向均匀分布地焊接在上滑移环5上，所述下电极盘8连接与上滑移环5对称的下滑移环6，多层密绕复合螺线管3外侧套装连接约束套筒4，多层密绕复合螺线管3由多根超细漆包线组成的铜带按照螺旋缠绕，形成密实均匀的多层密绕复合螺线管3，当脉冲驱动电源对本发明放电后，金属套筒1与多层密绕复合螺线管3间产生电磁排斥力，该电磁力驱动金属套筒1径向内爆，金属套筒1的两端沿着上滑移环5和下滑移环6向内滑动，内爆时本发明的半剖结构示意图见图3，避免了像现有的电磁驱动磁通压缩技术中电磁力随金属套筒与驱动线圈距离的增大而急剧减少的问题，多层密绕复合螺线管结构彻底避免了常规θ-pinch构型固有的馈流缝隙，解决了现有电磁驱动磁通压缩方法固有的套筒内爆不对称问题。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈，其特征在于：包括从内至外依次套装的金属套筒（1）、绝缘套筒（2）、多层密绕复合螺线管（3）、以及约束套筒（4），在所述的金属套筒（1）、绝缘套筒（2）、多层密绕复合螺线管（3）的上端部安装有上滑移环（5），在所述的金属套筒（1）、绝缘套筒（2）的下端部安装有下滑移环（6），上滑移环（5）与下滑移环（6）均具有一个锥形面，且其两个锥形面相对设置；多层密绕复合螺线管（3）底部的漆包线均匀分布地焊接在上电极盘（7）的圆周上，多层密绕复合螺线管（3）顶部的漆包线均匀分布地焊接在上滑移环（5）圆周上，所述上电极盘（7）、上滑移环（5）、金属套筒（1）、下滑移环（6）、下电极盘（8）构成放电回路。
2.根据权利要求1所述的一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈，其特征在于：在所述绝缘套筒（2）的外侧套装有一个固定在上电极盘（7）与下电极盘（8）之间的绝缘支撑环（9）。
3.根据权利要求1所述的一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈，其特征在于：所述多层密绕复合螺线管（3）是沿绝缘套筒（2）的轴向进入并以螺旋缠绕的方式铺设在绝缘套筒（2）外侧的。
4.一种用于电磁驱动磁通压缩的一体化驱动线圈的组装工艺，其特征在于包括以下步骤：（a）将绝缘套筒（2）同轴紧配合地套装在金属套筒（1）上；
（b）将由多根超细漆包线构成的铜带沿绝缘套筒（2）的轴向进入并以螺旋缠绕的方式从绝缘套筒（2）的一端紧密缠绕到另一端，形成密实均匀的多层密绕复合螺线管（3）；
（c）将约束套筒（4）套在多层密绕复合螺线管（3）外；
（d）将多层密绕复合螺线管（3）顶端的铜带中漆包线均匀分布地焊接在上滑移环（5）上；
（e）将多层密绕复合螺线管（3）下端的铜带中漆包线周向均匀分布地焊接在上电极盘（7）上；
（f）安装下滑移环（6）；
（g）安装绝缘支撑环（9）；
（h）安装下电极盘（8）。
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