CN108292544A - 线性介质处理系统和使用其进行生产的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于处理精密线性介质的改进的系统，并且特别是一种用于将精密线性介质诸如超导导线或光纤卷绕到线轴上的方法和设备。直接闭环控制和介质路线选择设计的组合促进精密介质的处理而不会造成损坏。在卷绕期间，通过使用张力测量来控制卷绕起始线轴和卷绕终止线轴的转动速度的反馈控制环路，线性介质中的轴向张力可以来严密受到控制。而且，在卷绕期间，精密线性介质仅暴露于大半径弯曲，而不具有反向弯曲。最后，揭示了通过精密线性介质处理使商业化或其他方式的输出装置和特征件成为可能。这包括先进的SC装置和特征件。

Description

线性介质处理系统和使用其进行生产的装置

本申请要求于2015年9月22日提交的名称为“Linear Media Handling System”的美国临时专利申请序列号62/221,910的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。

本申请也要求于2015年10月16日提交的名称为“Linear Media HandlingSystem”的美国临时专利申请序列号62/242,393的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。

本申请也要求于2015年10月20日提交的名称为“Compact AdvancedSuperconducting(SC)Devices”的美国临时专利申请序列号62/243,966的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。

本申请涉及于2014年12月12日提交的待定的美国专利申请序列号14/569,314，其是美国专利申请序列号14/569,314为2011年10月7日提交的美国专利申请序列号13/269,549的部分继续申请，其现为美国专利号8,936,209，美国专利号为8,936,209是2011年5月23日提交的放弃的美国专利申请序列号13/114,012的部分继续申请，其要求2010年5月21日提交的失效的美国临时专利申请序列号61/347,374的权益，上述的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的实施方式大体上涉及处理和操纵精密(delicate，精细，易碎)线性介质的装置和设备，并且具体地涉及用于卷绕线性介质诸如超导线性介质的设备和方法。本发明的其他实施方式从该设备的输出产生，并且具体地为将超导体卷绕成磁体、电缆和电缆磁体制成的装置。

背景技术

在各种应用中，卷绕(winding，绕线、缠绕、绕制)机用于将线性介质诸如传统导体如铜、超导体(SC)、绝缘材料和光纤以具有多种几何形状的导线、条带和电缆的形式卷绕到物品诸如线轴或电缆芯上，以形成物品诸如线圈或用以形成电缆的线性芯。导体线圈是通过围绕线圈成型件(coil form，线圈型)诸如线轴或芯卷绕单个或多个电导体形成的。导体线圈的示例可以在电动机转子中找到，其中转子包括围绕芯诸如铁卷绕的绝缘的电阻性导体(如，由电绝缘体包围的铜导线)。导体电缆通过围绕通常伴随物理芯的轴线卷绕单个或多个电导体而形成的。电缆导体可以以盘旋或螺旋模式卷绕或以更复杂的几何形状诸如部分到全部的换位或编织来交织，提供期望的机械和电磁特性。导体电缆的示例可以在通常由多层交织的导体和绝缘体构成的架空电力和通信传输线中找到。卷绕机通常也用于将导线的线圈、线圈或其他材料卷绕到大型线轴上以用于存储或运输。虽然现有技术的卷绕机对于大多数常规的金属导线而言运行相当好，但是存在许多对现有技术的卷绕机和卷绕技术来说太脆弱的精密线性介质类型。这种精密介质的示例包括：包括中温和高温超导(HTS)导线和超导条带的先进超导体、非常细的常规导线、细丝线性材料、光纤导线、细股碳基纤维、智能织物以及极致密的细纤维基质。超导体诸如经反应的二硼化镁(MgB2)和铌三锡(Nb3Sn)非常脆，并且因此很难在不损坏它们的情况下进行卷绕。先进SC被限定为较现代的和操作上能胜任的的低温和中温SC(LTS&MTS)诸如经反应的Nb3Sn和MgB2，以及高温SC(HTS)诸如包括YBCO的ReBCO。先进SC与传统的LTS相比，先进SC在液氦温度附近运行，这限制了先进SC的广泛应用。

超导体是在主要由所需低温支配的工作范围内表现出不可测量(immeasurably，无限地)低至0电阻的材料。超导线性介质用于各种应用，包括用于磁共振成像(MRI)、核磁共振(NMR)光谱学、质谱仪、马达和发电机以及用于粒子加速器的波束转向磁体的强大电磁体的生产。类似于大多数磁性线圈，超导磁性线圈通过围绕限定线圈形状的成型件卷绕导电材料形成。当线圈温度降低到低于预定阈值时，导体将存在于超导状态，并且导体的载流性能大大增加，其中可以生成大磁场。

如上所述，在试图将先进超导材料卷绕到线圈线轴或电缆芯上时，很容易损坏该先进超导材料。更具体地，电缆、导线和条带在卷绕过程期间是弯曲的。线圈成型件或电缆成型件越小，电缆或导线或条带就必须弯曲得越多。当超导体或超导电缆弯曲时，超导细丝上会产生应变。由于许多超导体是脆性的，弯曲可能导致损坏。例如，当超导导线和条带通过现有技术的卷绕机卷绕到线轴上时，超导细丝上的应力可能大到足以损坏期望的超导特性。从实验和制造实践中得出，对于给定的超导体或超导电缆，超导体或超导电缆可以卷绕的曲率半径存在下限。

“先卷绕后反应(wind-then-react)”的方法通常用于解决处理某些特别脆的、低温和中温超导电缆/导线时的困难。该过程通过围绕成型件或线轴卷绕未反应的超导体前体开始。然后在氧化环境中用高温处理线轴，以将前体材料转变成已经形成为期望的线圈形状的期望的超导体材料。

然而，“先卷绕后反应”的方法有多个缺点。例如，因为必须在将导线盘绕到磁体系统上之后加热前体材料，与线圈相关联的磁体系统的所有部件必须能够经受反应和形成超导体所需的高温。因此，磁体系统不能包括铝或其合金，因为这样的材料在超导体形成期间所使用的温度下会熔融。将绝缘体应用于卷绕的线圈以防止电流在线匝(turn)之间流动也是困难和昂贵的。最后，“先卷绕后反应”的方法也导致存储困难和费用增加，因为超导线性介质不容易提前准备和存储，因为超导线性介质必须在将要使用它的线轴或系统上形成。在磁共振成像(MRI)机器的生产中能够看到一个特别的问题区域。正如大型马达或发电机或大型加速器磁体一样，MRI采用几千米长、重达数百到数千磅的超导导线或条带的线圈。所需的线圈的绝对尺寸在使用“先卷绕后反应”的方法时存在许多困难，因为整个线圈必须放置在烘箱中进行处理。

相反地，“先反应后卷绕”的生产提供了许多优点，包括降低制造和存储成本，以及允许磁体系统使用更宽范围的材料。尽管有这些已知的优点，但是在不损坏的情况下处理较精密的经反应的超导体线性介质尤其是对于较低成本的超导材料如二硼化镁而言的困难已经阻止了“先反应后卷绕”的方法在商业上实现广泛接受。HTS线性介质存在类似的问题。

现有技术卷绕系统的问题在于，在卷绕过程期间所需要的被动或主动的张力控制的手段对于大多数精密线性介质要求来说太苛刻。许多现有技术系统使用用于张力控制的跳动滑轮(dancer pulley)。然而，在高加速或减速曲线情况下使用跳动滑轮进行张力控制的机械作用会在线性介质上产生不可接受的冲击力，这经常损坏介质。而且，一些现有技术系统用来进行张力测量的方法要么不精确要么对介质损坏太大。不幸的是，不存在能够从极精密的、低温超导经反应的二氧化镁(MgB2)和铌三锡(Nb3Sn)和HTS成功卷绕服务级稳健装置的现有技术的卷绕系统(在本申请人的卷绕系统之外的那些卷绕系统)。这个问题被立即传达给所有经卷绕的输出产品。在没有持续的人为干预的情况下制造高温超导导线诸如ReBCO钇钡铜氧化物(YBCO)、铋锶钙铜氧化物(BSCCO)或更大直径的光纤导线会遭遇同样的问题。因此，处理时间长、质量控制差以及难以满足可重复制造标准是常态。通常介质以及由此的最终产品由于卷绕过程受到损坏，因此不能再用于其预期目的，或者由于介质处理引起的疲劳，其具有极短的使用寿命。

由于到目前为止所讨论的卷绕方法的目标结果，SC装置的商业化几十年来一直是横跨各行业的期望。通常，LTS SC商业化应用一直局限于核磁共振光谱法(NMR)。磁共振成像(MRI)和科学实验诸如熔化和高能物理学一直局限于实验室与现场环境，并且不适用于现场操作。然而，期望的是创建在LN2温度或更高温度下操作的HTS装置。LN2是具有商业吸引力的致冷剂，因为地球上N2丰富并且对于致冷剂来说，LN2相对容易制成。与液态氢或混合空气相比，LN2也是非常稳定的较冷的致冷剂选项。与现今每种商业SC应用的常见致冷剂LHe不同，LN2便宜并且可以使用公文包尺寸的装置从周围空气远程地生成。LN2对制冷系统的设计也有吸引力，因为LN2是比LHe更大的分子，使得LN2更容易利用少的多的绝缘体来遏制和运输因为它具有高得多的热容量，并且在77开尔文温度下LN2比通常使用的致冷剂温暖得多，然而对于操作较低温度的致冷剂尤其是LHe难得多。从致冷剂的角度来看，LN2的优点使基于HTS的紧凑型装置成为可能。

长期以来需要一种改进的方法和设备，该方法和设备用于处理精密线性介质并用于将这种精密介质卷绕成用于存储的线圈或卷绕成在SC装置中使用的电缆或线圈。由于实现本文所述的SC的卷绕的显著改进，现在可以预期先前不可用的或以过高代价制造的具有可靠性的SC装置。

发明内容

本发明的一些实施方式的一方面是提供一种改进的方法和设备，该改进的方法和设备用于处理精密线性介质诸如经反应的超导导线和HTS，并且特别地用于将处于线圈模型的精密介质卷绕到有时被称为线轴或线筒的成型器上。其他实施方式将处于电缆模型的这种精密介质卷绕到有时被称为电缆芯的成型器上。本发明的一些实施方式仔细地控制在卷绕过程期间施加到介质的轴向力和横向力，并且消除了处理介质时的所有小半径弯曲、反向弯曲和横向弯曲。直接闭环控制和介质路线选择(routing，布线)设计的组合促进精密介质的处理而不造成损坏。在卷绕过程期间，利用使用张力测量来控制每个卷绕起始部诸如源线轴的转动速度和卷绕终止部诸如线圈或电缆成型器的转动速度的反馈控制环路，施加到线性介质上的轴向张力可以严密地收到控制。而且，在卷绕期间，精密线性介质仅被暴露于没有反向弯曲的大半径弯曲处。因此线性介质处理系统(“LMHS”)是可预期的。当电导体用于输入时，LMHS通常指的是被配置为制造磁体、电缆或从电缆制造磁体的一系列设备，其中电缆被拼成(build，构建)然后被卷绕成磁体。包括磁体或电缆的材料可以是从少到多的先进和精密介质的任意类型的超导(“SC”)和高温超导(HTS)。LMHS的目的是使用自动化解决生产稳健并可靠的商业上可用的磁体、电缆和电缆磁体中的复杂性和费用的问题。LMHS有效地延伸到卷绕其他材料的其他产品，但该其他产品最初针对的是低成本制造，特别是针对相对于使用先进超导体进行生产应用的竞争选项的低成本制造。LMHS的输出产生多种专用产品，包括在本文中描述为LMHS产品实施方式的紧凑型先进超导装置。

没有反向弯曲的线性介质路线选择设计

本发明的一些实施方式使用在将线性介质从存储/反应卷绕起始线轴传送到期望的卷绕终止线轴(或线筒或成型器)时遵循严格设计规则的路线选择设计。非常期望的是，介质路线选择路径没有任何反向弯曲。

弯曲半径控制

当介质路线选择通过卷绕机时，非常优选的是，包括卷绕起始线轴和卷绕终止线轴以及介质在其上越过的任意滑轮的每个弯曲部都应维持最小弯曲半径。该最小半径——也可以表示为最小曲率半径——由正在被处理的介质材料的性质确定。

动态表面

为了使通过摩擦和研磨(这不仅增加了介质上的轴向张力，还趋于损坏任意导线绝缘体)的介质应变和应力最小化，在路线选择过程期间由导线接触的所有表面都将优选地提供在介质运动(即滑轮或轮)的方向上移动的动态路线选择表面。

直接闭环轴向控制

根据本发明的一些实施方式，轴向张力被测量并被用作影响系统的运行的主要控制环路的输入数据。优选地，使用闭环控制，由此通过运转使卷绕起始线轴或卷绕终止线轴(或两者)绕动的马达来启动卷绕过程。

直接闭环横向控制

在本发明的优选实施方式中，还应该控制横向弯曲和横向应力。超导导线应该从卷绕起始线轴解绕、围绕张力感测轮(优选地围绕在周向上近似180度来进行卷绕，以确保张力的准确测量)，并卷绕到卷绕终止线轴，同时保持在基本上同一平面中。

介质编排(orchestrating)路线选择技术

本发明的另一实施方式包括被称为介质编排路线选择技术(MORT)用于快速介质对齐和移动的通用系统。

自由度(DoF)控制

如本文所使用的，术语DoF将用于描述路线选择元件和结构的控制，以调整元件和结构的取向，来提供线性自由度和/或转动自由度，以便利于处理精密介质而不造成损坏。

角度对准/偏移(angle on/off)的卷绕

基于轴向张力值的主动控制环路作为全球控制主机和主从关系的层级的一个实施方式提供了在准确地维持期望的性能值诸如恒定的轴向张力的同时改变节距角的手段。

层的端部感测

当遇到卷绕终止线轴的边缘时，在绕组中发生临界转换。在多层绕组中，必须在该转换处协商方向上的改变。

脱落(dropout)识别

高温超导(“HTS”)材料经常存在“脱落”的缺陷，即降低了最大操作点。本发明实施方式的另一方面是检查正在被处理或正在被形成为电缆或磁体的每个SC股的脱落，然后在将SC股结合电缆或磁体之前结合接头以去除脱落。

材料处理

本发明实施方式的又一方面是提供增强的材料处理能力。更具体地，当前的SC卷绕方法会产生各种水平的应力/应变点，上述应力/应变点导致材料故障和较低的临界SC值，这降低了操作性能。上述应力/应变点将经常存在于卷绕过程和随后的质量保证过程中，但在最坏情况期间会导致最高系统功率或能量操作的故障。

性能的证明

本发明的一些实施方式提供了后卷绕性能(post winding performance)完整性的证明。更具体地，诸如张力和脱落发生率的值在遍及每个SC股的整个长度上进行记录，并因此被记录在最终电缆和磁体中。

逐线匝张力控制

本发明的一些是实施方式的另一方面提供逐线匝张力控制。例如，一些LMHS允许操作者为绕组中的每层乃至每层的每个单独线匝设置张力值。

非接触式传感器

本发明的又一方面是提供一种非接触式传感器。例如，一些LMHS实施方式采用非接触式介质位置或卷绕模式传感器系统，诸如视觉传感器或激光传感器或非接触式张力感测电磁传感器、电阻传感器或电感测量传感器。

反向方向卷绕

卷绕到线筒上的操作通常涉及单个线筒转动方向。本发明的一些实施方式的另一方面是提供一种在线筒上执行反向方向卷绕的LMHS。

接头减轻

由于大量的可控自由度(DoF)，一个实施方式的LMHS提供了减少任意线性介质诸如SC导线或条带所需的接头的数量并且在一些情况下去除任意线性介质所需的接头的能力。

诊断站点

实施方式提供用于电缆和磁体的长时间&可靠的先进SC长度的过程。正如普通技术人员所理解的，HTS具有巨大的潜力，但其存在阻碍商业可行性的问题。提高HTS可靠性特别是对于ReBCO来说的一种方式是识别脱落并改进相关联的拼接技术，使得可以制造出长时间、复杂且可靠的磁体和电缆。

张紧装置和引导件

本发明的一些实施方式的另一方面是提供一种压缩张紧装置和引导件。更具体地，LMHS可以手动或自动地引导和保持电缆或磁体绕组的退绕部分和起绕部分两者的张力，同时允许进行单独的SC操作，诸如发生SC临界值测试和拼接操作。

自动拼接

一些实施方式的另一方面是提供了自动拼接。LMHS可能能够执行手动拼接或自动拼接。用于修复区段或用于将耗尽的SC导线股或条带股与随后的SC导线或条带的线轴交换的单个SC导线股或条带股的自动拼接对于创建具有高操作值的所需的长HTS长度来说是重要的。

自动线轴交换

在卷绕电缆的一些实施方式中，LMHS可以在没有人工干预的情况下自动地换出原始SC线轴并用新的全线轴替换。

低温恒温器包层

本发明的一个实施方式的LMHS提供了联机的低温恒温器包层站点，该站点促进大型商用电缆磁体和商用电力电缆的开发。

磁体站点

本发明的一个实施方式提供了低温恒温器包层站点，该低温恒温器包层站点经由联机的电缆磁体站点促进大型商用电缆磁体的开发。

动态进给卷绕

本发明的一些实施方式的LMHS提供了动态进给卷绕。该方面起因于使用股张力测量反馈来精确地控制待卷绕的多股的进给速率以及动态地进给子部件诸如电缆芯或磁芯的进给速率。

绕组成型件填充物

本发明的一些实施方式的另一方面提供了一种包括绕组成型器填充物或桥的LMHS，该绕组成型器填充物或桥防止在起绕材料中发生尖锐弯曲点特别是在电缆中的屈曲或在绕组中的其他感应运动期间。

受管理的卷绕间隙

本发明的一些实施方式提供了被规定且被仔细管理的卷绕材料间的间隙的创建。

先进控制

一个实施方式的LMHS采用超越迄今为止卷绕系统所使用的的先进控制过程和技术。

可变介质

本申请和上述的申请的评论者将认识到，在某些方面，正在被卷绕或传送的介质类型是不相关的。更具体地，经卷绕的介质可以是从一个位置卷绕或传送到另一位置的任意类型的精密材料(例如，超导导线、条带、电缆等)。本领域的普通技术人员还将认识到，可以使用这些申请中描述的设备和方法来创建电缆、磁体、电缆磁体或本领域中已知的包括导线或电缆这类线性介质的任意其他装置。

换位

本文考虑的一些LMHS提供了经卷绕的介质的换位，该经卷绕的介质是条带和/或导线和/或电缆。当经卷绕的介质被放置到成型器上时被设置成换位配置，或在没有被放置到成型器上的情况下被换位。

可变扭转节距和扭转角

LMHS的另一实施方式提供了可选的专用卷绕余量的装置，该卷绕余量伴有供连续的或变化的扭转节距额外的主动DoF，以及用于从卷绕起始线轴开始、穿过传感器系统诸如轴向张力计并进入卷绕终止线轴的连续的或变化的扭转角的另一DoF。

具有换位的子电缆

LMHS的另一实施方式包括换位绕组并从输入SC条带产生子电缆。多个实施方式变型可以实现这些子电缆，诸如相对于起绕部的成型器芯的水平(平坦平面中的SC线轴)与竖向(在一种成角度放置的摩天轮(Ferris Wheel)中的SC线轴的成角度平面)的堆叠体。以下的每个都有益处：竖向SC线轴堆叠体允许在相对较简单且自动控制节距角的情况下以SC两端的节距角恒定卷绕到成型器上、并且容易允许更多SC形成为子电缆。

子电缆、换位和扭转节距

当前的HTS电缆制备方法不允许全换位或一组扭转节距和扭转角度，因为每层的直径变化导致任意的扭转节距和扭转角。瞬变包括由于不允许全换位或者甚至不允许受控的可变扭转节距而导致的AC损耗，瞬变导致基于高功率瞬变的不可接受的损耗以及相关联的高损耗，该不可接受的损耗由感应失配导致。这些瞬变电流损耗在许多高功率应用中是不可接受的，这些高功率应用包括熔化、电力传输线、脉冲功率等。

围绕电缆的线轴转动

为了实现电缆卷绕的完整路线选择位置和DoF控制，线轴系统必须相对于动态成型器或电缆芯转动。这里附图中示出的每个实施方式都具有非旋转式电缆芯。实现相对运动的方法提供了在卷绕过程的两端处不必转动电缆芯的沉重的线轴的优点。实现相对运动的方法还有利于更复杂的过程，诸如卷绕电缆磁体。

编织

LMHS的一个实施方式能够编织高达估计的12个HTS条带以及每个子电缆的更多根导线。本领域的普通技术人员将认识到，全换位是其中每个线性介质呈现为均匀地在子电缆中远离成型器但它们总是顺序相同的每个位置。并且编织是一种全换位技术，其中由于线性介质呈现为均匀地在子电缆中远离成型器的每个位置，交换线性介质的顺序增加了复杂性。

具有张紧装置的转动升降机工作台

为了帮助诸如编织和/或换位的任务，提供使诸如导线或条带的任意种类的使线性介质重叠的手段。一个实施方式是在每个SC线轴位置处结合的主动升降机台，该升降机台仅作为升降机实施方式或作为执行具有另外描述的其他动作实施方式的升降机。

紧凑型先进超导装置

本发明的实施方式的另一方面提供由超导体制成的先进紧凑型装置。该超导体能够使用本文描述的技术来制成或处理。所考虑的紧凑型SC装置包括但不限于：马达和发电机、磁共振成像(MRI)、核磁共振(NMR)、表面NMR(SNMR)、故障电流限制器(FCL)以及任意装置，该任意装置包括或使用高EM场和/或部分到完全由先进SC创建的电流。先进SC含有允许在较高温度下进行超导操作并且通常更显著地在机械上较脆弱的材料。所公开的装置能够用于马达和发电机、医疗、地球科学、诸如风力发电机和水力发电机的可再生能源、混合动力交通工具或全电动交通工具、石油和天然气、磁性遏制件、包括高B磁体(诸如期望的大于16特斯拉(T)磁体)的高能科学和熔化、动力系统、航空和航空航天空间(诸如发射和推进到机载地球外装置使用的航空和航空航天空间、EM推进(磁动力推进)以及EM悬浮(磁悬浮)的航空和航空航天空间)、空间EM屏蔽、航运系统、陆上运输、军事、公用事业、农业、建筑、采矿、环境、资源管理、救灾、考古学以及使用EM系统的任意行业。尽管以下公开中的一些专注于紧凑型系统，但是本领域技术人员将认识到能够制造任意尺寸的SC装置。

紧凑型SC装置

一个实施方式的紧凑型先进SC是尺寸和重量紧凑的高输出和/或高分辨率装置。一些紧凑型SC装置能够是采用电源、能量存储、控制、数据采集(DAQ)、操作者界面和制冷系统的人员便携式装置。

基于超导装置的部件

本发明的另一实施方式包括SC磁体组和被设计为可交换部件或线性可替换单元(LRUs)的其他元件。

现场可操作的超导装置

对于HTS使用，一个常见的实施方式是一个完全遏制的系统，该系统包括允许在现场中长期使用LN2恢复或补充。与其他致冷剂选择相比，LN2的补充很容易实现，因为LN2的成本相对很低，或者易于从空气中远程提取并使用紧凑型单元运输。

现场操作评定的紧凑型先进SC设备是先进SC装置和/或超越SC装置本身的系统级稳健单元，该稳健单元远超任意现有技术商业传统SC应用或任意先进SC应用的稳健单元。

超导装置数据控制

特别感兴趣的实施方式是用于现场可操作和/或基于部件的SC装置的数据控制。特别是从保留原始数据和处理数据中获益的任意尺寸的MRI和一般NMR实施方式。

适应主题位置的膛孔

本发明的SC装置的一个实施方式是尺寸和重量足够紧凑以允许适应诸如期望的操作位置的期望的位置。

NMR和MRI视场

在本发明的一些NMR和MRI装置实施方式中，由于相较于磁体和磁体附近的HTS条带的尺寸，以及相较于视场(FoV)的尺寸，更紧凑的设计允许要求在更小的体积内实现高分辨率、视场均匀性增加和时间稳定性增加的更高的磁场密度。

高渗透深度表面NMR以及更多元件

使用本文所述的的发明的这些方面，实施方式SNMR将延伸用于氢和碳探测的电流限制。

聚焦的磁性阵列

一组常规和/或SC电磁式(EM)SC TFM和/或永久磁体也可能包括诸如铁(Fe)材料的可渗透材料，这些材料都被布置以聚焦磁场同时限制杂散场效应。

几何形状上和操作上可调谐的线圈

在SNMR中(诸如在最困难的技术需要中)涉及在每个分辨率间隙处实现高度可控的DC和RF B，直至达到用于原子倾斜目的的渗透深度，然后探测响应回波。在一个实施方式中，渗透深度越大，用于均匀的B的主线圈越大，并且为了补偿梯度场敏感度的损耗，扫描的数量与深度成比例地增加。该SNMR磁场梯度取决于3个因素：1)工具设计和配置，2)B梯度，以及3)环境状况。

电磁(EM)材料遏制件

遏制大部分到全部电磁(EM)辐射是各行业(但主要是医学MRI专业)关心的问题。当前NMR和MRI最多屏蔽部分电磁噪声。

声学遏制件

遏制大部分到全部噪声是各行业(但主要是医学MRI专业)关心的问题。当前NMR和MRI最多屏蔽部分噪声。

电磁(EM)材料遏制件冷却

将提供允许为所有电磁(EM)遏制屏蔽进行冷却的导热材料。与LHe不同，LN2容易允许所有EM的实施方式屏蔽瞬时加热传导冷却路径而不显著增加致冷剂热负荷。

紧凑型NMR线圈

梯度线圈将包括用以协助时间响应的电容式无功补偿电路。主动梯度屏蔽将使涡流最小，并且k-空间轨迹将针对梯度硬件进行校正。

电磁推进和磁悬浮

该实施方式适于任意及所有SC线性机器、马达和发电机、从非常小到非常大的实施方式。迄今为止，用于电磁推进(magprop)的线性机器以及在磁悬浮情况下的大部分悬浮(磁悬浮)，都是基于永久磁体的常规EM。该实施方式允许选择从小到大的SC线性机器。

混合型超导磁性元件

磁性元件包括与常规电磁体(EM)导体和/或永久磁体混合以完成经卷绕的SC和/或块材(bulk，块体)TFM型SC的实施方式。该实施方式包括使用一种类型的源的磁性元件(诸如受控的和经卷绕的SC)来控制和成型另一类型的源的磁性元件(诸如TFM或永久磁体)，无论是否是相同磁极的部分。

超导磁性元件与速度结合

本发明的另一实施方式是增加部分到全部SC装置的速度以进一步增加能量密度和比能量的组合。

超导磁性原动机功率系统方法

磁性原动机功率系统的焦点对于SC机器来说是非典型的。通常通过增加磁性元件参考框架的相对运动的功率系统器件(例如在同步马达和/或发电机中的电枢和激励器磁场线圈)和/或通过针对特定操作温度(T)来最大化磁性元件气隙磁通密度(B)来实现任意电机的大规模效率和性能增加。在SC材料允许进一步增加后，该功率系统方法就是SC机器的未来。这种常见方法不是该实施方式的直接焦点。相反地，该实施方式包括从增加来自系统状态(mindset)的电流密度(J)获得益处的功率系统方法。

去除超导功率传动系的齿轮箱

SC机器能够经由较高的电流(I)和B两者来提供高得多的扭矩，这使得实际上能够去除齿轮箱。

去除超导功率传动系的转换器

通过使用经良好调谐且稳定滤波的电压变压器系统来替换转换器，较高的电压能够部分地或有时完全地去除功率转换器级(step)以及相关联的损耗。最大化EMF或感应电势(V)是通过最大化每法拉第定律的N来实现的，并且由于电感增加了N的平方因而实现更大的初级到次级磁耦合。产生的电流(I)没有R耗散有功分量(常规机器的最大损耗)并且杂散损耗能够忽略，因此电流(I)仍非常高，这增加了生成的总功率并且仅受限于在每相的串联和并联绕组之间交换的磁通量密度(B)和SC临界值。

在系统规模上该V代替B，并且因此I输出了主导发电机和/或马达减少量，从而完全去除了对功率传动系中电力电子变换器的需求，并且用更大的无功功率滤波器替代了变换器。最终目的是在没有变换器或其他效率降低装置的情况下，允许在间歇式轴转动期间以高V输出来捕获最大能量。捕获的最大能量然后将被提供给具有单个方向功率流配置的大V隔离电容器组合，大V隔离电容器组合然后直接将下一级V逐步加强地(step up)进给到传输线中。

本发明实施方式的又一个方面是提供一种与精密线性介质一起使用的卷绕机，该卷绕机包括：精密线性介质卷绕起始线轴，其用于存储精密的线性介质并且精密线性介质从其去除；与卷绕起始线轴关联的电缆芯；至少一个马达，该马达绕动电缆芯通过旋转管并到达卷绕终止线轴上；以及与旋转管相关联的换位轮，该换位轮被配置为将介质股卷绕到电缆芯上。

一些实施方式的又一方面提供了用于将精密线性介质从精密线性介质源卷绕到线轴上的方法，该方法的步骤包括以下步骤：(a)配置具有以下部件的卷绕机：精密线性介质源，所述线性介质源包括卷绕起始线轴，其中所述卷绕起始线轴用于存储精密线性介质并且精密线性介质从所述卷绕起始线轴去除；用于使卷绕起始线轴转动的第一马达；卷绕终止线轴，所述卷绕终止线轴是待卷绕的线轴，精密线性介质的至少一部分从精密线性介质源去除到卷绕终止线轴上；用于使卷绕终止线轴转动的第二马达；导线张紧装置，所述张紧装置包括张力计和单个张力感测轮；与卷绕起始线轴关联的电缆芯；绕动电缆芯通过旋转管并到达卷绕终止线轴上的第三马达。

本发明的发明内容既不是预期的也不应该被认为代表本发明的全部程度和范围。也就是说，通过本文描述的一个或多个发明，这些及其他方面和优点将显而易见。而且，上述实施方式、方面、目标和配置既不是完整的也不是穷尽的。应理解的是，发明的其他实施方式能够单独地或组合地使用上述和下述的一个或多个特征。此外，这里对“本发明”或其方面的引用应被理解为意指本发明的某些实施方式，并且不应必然地被解释为将所有实施方式限制为特定描述。在发明的发明内容以及附图和发明的具体实施方式中以各种水平的细节阐述了本发明并且不限制本发明的范围，对于本发明的范围，通过在发明的发明内容中包括或不包括的元件、部件等，本发明的范围都是可预期的。通过具体实施方式，特别是当其与附图结合时，本发明的附加方面将变得显而易见。

附图说明

被并入且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式，并且与上文给出的发明的概述和下文给出的附图的详细说明一起用来解释这些发明的原理。

图1示出了根据本发明的优选实施方式的线性介质处理系统的等距前视图；

图2示出了图1的实施方式的等距俯视后视图；

图3示出了其前视图；

图4示出了其俯视图；

图5示出了其侧视图并提供介质路线选择路径的清晰视图；

图6示出了根据本发明的优选实施方式的轴支撑件和轴支撑杆的等距视图；以及

图7示出了图6的其中一个支撑件被示出为透明的的视图。

图8示出了本发明的允许与线轴卷绕终止处的角度持续或变化的一个实施方式；

图9是图8中示出的实施方式作为线性介质处理系统的一部分的图示；

图10是可以用于移动介质处理系统的部件和/或将介质处理系统的部件锁定在适当位置的托架的图示；

图11示出了本发明的实施方式的可以产生四个介质股的全换位绕组的一部分的等距视图；

图12示出了其侧视图；

图13示出了本发明的实施方式的可以产生由四个介质股构成的子电缆的全换位绕组的一部分的等距视图；

图13A是图13的局部详细视图；

图14示出了本发明的实施方式的可以产生四个介质股的全编织绕组的一部分的等距视图；

图15示出了本发明的实施方式的可以产生24个介质股的全换位绕组的一部分的前视图；

图16示出了其后视等距视图和图像放大部分；

图16A是图16的局部详细视图；

图17示出了本发明的实施方式的示出了联机且连续的五个全换位卷绕站点和两个螺旋卷绕站点的侧视等距视图和前视等距视图；

图17A是图17的前视立体图；

图18示出了被暴露以观察内部部件的电缆的等距视图；

图19以轴向刻度示出了换位导线位置的示意图；

图20示出了本发明的实施方式的用作紧凑型MRI的系统和主要部件的等距视图；

图21示出了本发明的实施方式的用作紧凑型SNMR的系统和安装在测试台中的主要部件的等距视图；

图22示出了本发明的实施方式的用作紧凑型超导马达/发电机的经装配的组件的和经分解的组件的等距视图；

图23示出了用于高能物理学目的的cos-θ磁体的实施方式；

图24示出了围绕航天器的电磁B屏蔽的实施方式；

图25示出了用于聚焦围绕一般NMR或MRI视场(FoV)的B的聚焦磁体阵列的实施方式；

图26示出了围绕一组SC块材阱场磁体(TFM)的SC卷绕磁体的实施方式；

图27示出了围绕单个SC块材阱场磁体(TFM)和在单个SC块材阱场磁体上方的SC卷绕磁体的实施方式；

应理解的是，附图不一定成比例。在某些情况下，对于本发明的理解来说不必要的详述或致使其他详述难以理解的详述可能已经被省略。当然，应理解的是，本发明不一定限于本文例示的特定实施方式。

具体实施方式

图1至图5例示了本发明的实施方式，该实施方式满足上述关于将精密线性介质诸如超导导线卷绕成线圈模型的要求。通常，超导导线将被卷绕到线轴上，并且然后如上所述地反应以创建能够产生非常强的电磁场的磁体或模型(shape)。从其上去除导线的经反应的超导导线的线轴(卷绕起始线轴(wind-from spool))被装载到下线轴位置上。根据图1至图4所示的本发明的优选实施方式的系统是双系统，该双系统能够用于两个不同的卷绕起始线轴和两个卷绕终止线轴(wind-to spool)。其他系统配置也可以在本发明的范围内，包括具有N个卷绕起始线轴和N个卷绕终止线轴的系统，其中N可以是1或者N可以大于2。为了清楚地示例设备部件，在这些图中未示出该导线。尽管在图1至图5中示出了磁体的优选实施方式，卷绕起始线轴是下线轴并且卷绕终止线轴是上线轴，但是可以使用任意取向，包括例如反向布置两个线轴或在相同高度处两个线轴并排。

本发明的另一类实施方式采用围绕线性成型器而不是围绕线轴来产生绕组的布置。因此，电缆是从包括先进超导导线的均匀的精密介质产生的。图11至图17/17A示出了作为这类实施方式的实施例的演示器以及部分机器。这些实施例中的每一个实施例均展示了围绕电缆芯旋转介质源线轴以完成卷绕的优选布置。未示出的其它实施方式被布置为使得电缆芯旋转并且介质源线轴具有实现电缆卷绕所需的一个较少的DoF。

导线卷绕机100包括支撑设备的各个部件的框架101。根据本发明的导线卷绕机的优选实施方式可以利用商业上可购得的使用金属框架元件的框架系统，该金属框架元件可以以任意期望的配置安装在一起。在权利要求5的实施方式中，框架元件形成具有用于附加结构支撑的各种交叉构件的矩形箱形状。还参考图10，本发明的优选实施方式可以利用新颖的MMP托架，该托架允许整个外部框架内的框架元件无论是在空载或高负载设置中都容易被移动并被锁定到适当位置。这种允许提供了将框架元件容易地操纵成新的过程配置，这在常规挤出设置中是不可能的。使用MMP托架可以将卷绕起始线轴和卷绕终止线轴两者的手动定位调整到框架内的任意3D位置中。根据本发明的导线卷绕机的优选实施方式还可以包括龙门架或起重机系统，以便容易在单个过程站点内的整个框架内移动负荷或在多个站点之间传送负载。

下线轴110(卷绕起始线轴)通常装载有被传送到上线轴108(卷绕终止线轴)的经反应的超导导线。转动马达134和转动马达135可以分别使下线轴110和上线轴108转动，以便将经反应的导线从下线轴110解绕并将经反映的导线卷绕到上线轴108上。转动马达134和转动马达135可以优选地彼此独立操作。

还参考图5，在由箭头51和箭头52所示的方向上向上并越过导线张力感测系统50的张紧轮103来进给来自下线轴110的导线。根据本发明的优选实施方式，导线张力感测系统50被用作操作整个设备的主要控制环路。这可以被称为直接闭环轴向控制，其通过直接感测线性介质上的轴向张力而进行。对于精密线性介质，轴向张力的确定可能是不确定的。许多类型的现有技术的张力测量系统通过使用与移动介质接触的多个滑轮或杠杆来固有地在介质上引起一些额外的张力。而且，许多现有技术的张力测量系统向线性介质引入小直径弯曲甚至反向弯曲。这些情况中的任意一种都会损坏精密介质诸如超导导线。

通过例如根据本发明的新颖的导线张力感测系统50可以实现轴向张力的准确确定而不损坏精密线性介质。本发明的导线张力感测系统50利用张力感测轮103和张力计104(也参见图1至图3)。

由于张力感测系统部应该具有反向弯曲，所以优选地使用仅一个张力感测轮103，而不是现有技术中更常见的三滑轮张力计。单轮系统也是有利的，因为导线/介质路线选择的复杂性被最小化并且导线表面或光纤结垢的机会较小。在卷绕起始线轴110、张力感测轮103和卷绕终止线轴108之间的优选布置包括围绕张力感测轮103的弯曲(如由图5中的线52所示的)，为了更好的张力测量该弯曲接近180度。由于根据本发明的卷绕机的线轴(装载的和卸载的)和其他部件的尺寸，使用围绕张力感测轮的180度的弯曲通常是不切实际的。在图5中示出的实施方式中，弯曲近似为160度。由角度产生的任意测量误差都小到足以被忽略。可替换地，可以在轴向张力计算期间纠正该误差。在一些优选实施方式中，可以使用低至60度的角度。

介质越过由中心螺栓305(也参见图3)支撑的轮103，该中心螺栓是张力计系统104的一部分。已知的惠斯通电桥(Wheatstone bridge)布置允许测量施加到螺栓的应力达到高度准确性。本领域技术人员将认识到，中心螺栓305也将承受轮103的重量的压力。轮103的重量将需要被清零以便仅测量在轴上的由精密介质引起的应力。根据本发明的优选实施方式，介质上的张力可以使用已知的计算根据导线的角度、轮103的直径、温度以及施加到螺栓305的应力来计算(优选通过在计算机存储器上运行的软件)。对于大多数应用，导线的角度不会变得足够大，但是在发生很大的变化(其可能是由在狭窄的线轴上卷入相对大量的导线或从狭窄线轴卷出相对大量的导线造成的)的情况下，则必须计算该角度。在一些优选实施方式中，该导线角度也可以使用已知技术通过适当的传感器来感测。

尽管这种轮和张力计布置在本领域中是已知的，但是申请人已经发现对于存储线轴的弯曲半径的要求也必须适于这种类型的张力感测轮，以便设备确定介质的轴向张力，从而在不损坏的情况下处理介质。因此，当卷绕例如二硼化镁的超导导线时，轮103将优选地具有至少22英寸的直径。

该轮的相对大的尺寸给张力感测系统50带来许多问题。因为用于测量施加到中心螺栓305上的应力的张力计布置需要能够准确地感测非常小的力(通常小于3磅)，所以大且重的轮通常将会太重以至于会损坏或降低具有覆盖这些很小的力的测量范围的传感器的性能。例如，如果使用非常重的轮，则允许用于精密介质的轴向张力的非常小的力将构成施加到中心螺栓的总力的仅一小部分(其中大部分是轮的质量)。因此待测量的力将在系统噪声范围内大量丢失并且测量精度将非常低。传感器分辨率倾向于被表示为传感器的总测量范围的百分比。例如，如果一类传感器具有0.5％的分辨率，则能够测量最高达例如50磅的传感器将具有0.25磅的分辨率。显然，如上所述，这样的传感器将不能允许系统将轴向张力控制在+/-0.1磅内。然而，具有较高分辨率的传感器将具有相应较低的测量范围。例如，具有11磅的范围的传感器将具有近似为0.05磅的分辨率。这种传感器将提供所需的分辨率，以将轴向张力控制在+/-0.1磅内，但是轮的总重量和张力(例如，期望的张力可以在3-5磅的级上)必须在传感器的测量范围内。技术人员将认识到，优选的是传感器分辨率最好关于允许的轴向张力公差尽可能的低。

因此，作为主要控制反馈机构的轴向张力感测轮的总质量应该尽可能低，以落入精确传感器的限制内，来保持精确的测量以及允许反馈马达正确和安全地控制介质运动。整体质量直接与传感器范围和可能读取的精度限制有关，并且优选值取决于期望传感器反馈的情况。

因此，在一个实施方式中，轮103由非常轻的材料形成，并且轮本身具有多个切口58以减小轮的总重量。在本发明的一个优选实施方式中，尽管轮具有11英寸的半径，但是轮的重量不超过10磅；更优选地，轮将重5磅或更少。测量轮本身的最大允许重量取决于被测量的轴向力和所需的传感器分辨率。例如，在精密线性介质上的最大允许轴向力为3磅并且所需的张力公差(变化)为+/-0.1磅的情况下，则最大优选轮质量近似为7磅(对于分别率，该分辨率近似为允许张力公差的一半)。

轮103可以具有围绕圆周的非常均匀分布的且均衡的质量。质量的任意变化都可以导致轴向力确定的不准确，这对安全的介质处理来说可能是非常不利的。在本发明的优选实施方式中，轮的质量的角变化将不超过期望的卷绕(轴向)张力公差分辨率的1/10。在一些优选实施方式中，质量的微小变化可以通过校准该轮并相应地调整传感器信号来进行补偿。优选地，轮可以由轻质塑料或碳纤维材料形成，但是可以使用刚性足以支撑导线并且围绕轮的圆周保持均衡的质量的任意合适的轻质材料。合适的轮可以由任意合适的手段制造，包括例如注塑成形、3D印刷或立体平版印刷。

通过使用如本文所述的直接闭环轴向控制，精密介质可以从卷绕起始线圈110解绕并卷绕到卷绕终止线圈108上，而不产生将损坏介质的轴向负荷。当介质正从一个线轴传送到另一线轴时，如果轴向张力上升到预设阈值，则系统控制器137将运行以将所感测的轴向张力与预设阈值进行比较，然后例如通过使下卷绕起始线轴110的转动加速较小量来减小张力。如果张力下降得太低，则卷绕起始线轴110的转动可以减慢较小量。在一个优选实施方式中，可以控制两个线轴的转动速度，使得系统可以以期望的卷绕速度来维持适当的介质张力。系统控制器137的运行可以经由计算机和监视器140来编程。

如以上相对于直接闭环横向控制所述，同样优选的是，当导线从下线轴110被卷绕到上线轴108时，导线上的任意横向应力都被消除，或者至少被最小化为不大于最大允许轴向张力的1/10。在本发明的优选实施方式中，这通过将线轴110的退绕点和线轴108的起绕点分别与张力感测轮103维持在基本上同一平面中来实现。这在图3和图4中分别用虚线340和虚线342示出。如图3中所示的，尽管使用了左手(从系统100的前部观察)卷绕系统，但是导线将从下卷绕起始线轴110的最左侧退绕。然后，导线将越过张力轮103并向下退回以便卷绕在上卷绕终止线轴108的最右侧上。导线相对于上线轴108的定位由位于张力感测轮103与卷绕终止线轴108之间的从动轮106(参见图2和图5)辅助。轮103和从动件106优选地能够移动，使得它们可以维持在与卷绕终止线轴108上的期望的位置在很大程度上对齐的位置，这将允许介质被紧密地卷绕到线轴上。优选地，轮103和从动件106的横向移动通过马达132和控制器137来实现，马达和控制器可以被编程为通过考虑因素诸如介质和上线轴108两者的卷绕速度和尺寸来将轮103和从动件106移动到适当的位置中。

卷绕起始线轴110的横向位置可以通过线性马达134和控制器137进行调整。当例如卷绕起始线轴和卷绕终止线轴具有不同尺寸时，需要经常进行调整。在图3中，下线轴110的位置已经通过线性马达123沿下线轴中心支撑杆128进行了调整，使得线轴110的最左侧部分(在本实施例中的退绕位置)也位于平面340中。

图4示出了卷绕过程中同一点的不同视图。退绕位置在下线轴110的最左侧处，而起绕位置在上卷绕终止线轴108的最右侧。技术人员将认识到，布置(即，平面340或平面342)不必在线轴110或线轴108的任意末端处，而是可以定位在下线轴110的任意适当部分(取决于退绕位置)，使得该布置与轮103和从动件106在同一平面中，并且与上卷绕终止线轴108的起绕位置在同一平面中。

该类型的横向控制要求传感器能够确定来自卷绕起始线轴110的导线解绕的位置(退绕点)。在优选实施方式中，用于感测直接闭环横向横向控制系统的介质横向位置的传感器仅仅是转动位置感测编码器，通过在传感器轴上放置一对低质量、平行、可调整的分离杆来将该编码器转变为角度位置系统。介质被绕线通过这些平行杆190(参见图2)，这些平行杆具有与从动件基本在同一平面中的中心。传感器角度位置指示介质相对于从动件平面是远离一个横向侧还是另一横向侧，并因此移动卷绕起始线轴以使线轴导线退绕处与从动件平面重新对齐。横向定位传感器因此形成控制下卷绕起始线轴的横向位置的另一闭合控制环路。通常，横向定位传感器和从动件相对于上卷绕终止线轴的横向位置可以根据线轴和介质尺寸进行编程以产生紧密卷绕的线圈。

行进介质-从动件引导件的端部允许严格的公差条件。两个主要机构提供了这种能力。这种第一机构可手动或自动调整导线引导件的轴线朝向卷绕终止线轴中的介质，以精确地控制介质铺设(lay-up)。第二机构是手动或自动地使接近从动件行进的端部的导线引导件侧移动超出由靠近介质本身的从动件行进侧和/或线轴侧产生的干涉位置，并从而允许行进的端部限制延伸到卷绕终止线轴和/或线轴介质铺设的真正端部。在从动件方向反向之前，限位从动件引导件的该端部将经由机械机构或通过限位开关的线性运动端被动地启动。这两种机构都用于通过卷绕终止线轴的全介质定位控制长度来提供较紧密和更均匀的介质填料因子。

在图1至图7的卷绕系统100中，线轴和中心杆由多个模块化支撑件124支撑，上述模块化支撑件提供简单且划算的构造的方法。支撑件124优选由例如铝或铝合金的矩形挤出件形成。在每个挤出件中中心线上以高精度钻取的孔与套管匹配在一起，该套管支撑线轴的中心轴122并确保它们与这些中心线开口对齐。支撑件124通过支撑轴126和支撑轴128相对于框架101保持在适当位置中。优选地，至少两个支撑轴126或128用于每个支撑件124以提供竖向支撑和转动对齐这两者。这样，部件的位置可以维持在公差内。通过大直径平行支撑轴126和支撑轴128的独特的大分离，支撑件124还提供了成本相对可承受的非常稳健的安装结构。如上所述，支撑件124是MORT技术的中心特征件，该支撑件允许减少线性运动和转动运动之间的零件数量和公差叠加两者。尾座152为卷绕起始线轴110提供附加支撑，并且在一些实施方式中与支撑件124完全相同。本领域技术人员将认识到，MORT技术可以经由悬臂系统起作用以在不使用尾座的情况下保持大线轴。

图9示出了本发明的另一实施方式，该实施方式包括角度对准/偏移的卷绕并且允许与线轴退绕处的角度持续或变化。介质702从卷绕起始线轴704上解绕并以角度742卷绕到卷绕终止线轴706上。从动件710是测量轴向张力的传感器系统。从动件710可以以转动自由度722转动并且还可以以线性自由度724线性地移动。卷绕终止线轴706和卷绕起始线轴704也分别具有被示出为726和728的转动自由度。卷绕起始线轴704通过线轴支撑件732和线轴支撑件734被保持在适当位置。支撑件732具有线性自由度754，同时支撑件734具有转动自由度752。线性自由度和转动自由度二者的组合提供了改变设定的或变化的角度关系的措施，同时维持恒定的轴向张力。基于作为全球控制主机的轴向张力值的主动控制环路和来自该最高级主机的主从机关系的层级提供了改变设定的或变化的角度关系的措施，同时精确地维持期望的性能值诸如恒定的轴向张力。该实施方式允许附加的主动自由度，该附加的主动自由度适合诸如条带介质卷绕或螺旋卷绕的需求，其中卷绕终止线轴必须采取用于卷绕的特定角度，但是从卷绕终止线轴回到卷绕起始线轴的角度必须是恒定的或设定的变化值。本领域技术人员将容易认识到，可以改变卷绕的角度以适合期望的应用，并且也可以自动地控制该实施方式的能力。不太容易认识到的是，与卷绕起始线轴和卷绕终止线轴的张力反馈控制转动耦合的该转动系统包括下述系统：能够允许从一个轴向方向上的卷绕平稳过渡到相反的方向，同时维持在连续张力上的紧密公差。

图8是图9中的实施方式作为线性介质处理系统的一部分的图示。为了清楚，线轴810被示出为透明的。卷绕起始线轴812由支撑件822和支撑件824支撑。底部支撑件822和顶部支撑件824物理连接，但是底部支撑件822在功能上与顶部支撑件824分开，使得底部支撑件提供线性移动而顶部支撑件提供转动移动。张力感测轮826用于测量轴向张力。优选地，卷绕可以以恒定或变化的角度执行以便防止某一条带介质或其他非圆柱形介质应用的折叠或起皱。改变节距角742时，在没有任意其他移动的情况下，介质卷绕到卷绕终止线轴上的角度在线性介质中创建可以超过介质中允许应力的扭结(Kink)。优选地，控制随着节距角变化的卷绕起始线轴和卷绕终止线轴的转动，以避免任意扭结或褶皱。在该实施方式中，主动控制环路使用张力信息来控制转动移动和线性移动，以便维持期望的张力。测量卷绕期间介质中的轴向张力，并将输出反馈回一个或多个系统控制器，这可以调整线轴转动(卷绕起始线轴和卷绕终止线轴两者)中的一个或两个的速度，以便将轴向张力保持在期望的范围内。本领域技术人员将容易理解，主动控制环路可以被自动化以维持期望的张力。

图10是可以用于移动和/或锁定框架元件的托架901的图示。四个手柄902被转动并拉起经机械处理的T形槽杆903。同样参考图9，托架可以被永久地附接在例如支撑梁诸如下水平支撑梁920的端部。T形槽杆824滑入另一梁诸如竖向支撑件922的槽924中。转动手柄拉动该支撑件，T形槽杆在该支撑件中被开槽并将抵靠聚合物垫圈904将梁的上(朝向托架)表面压紧到该支撑件中。垫圈904允许该托架在未被锁定时容易滑动，并且当被夹紧以将该托架锁定在抵靠所附接的梁的适当位置时提供均匀间隔。通过将设备或我们的组件的零件安装到这些托架上，可以松开托架以允许线形运动是沿支撑梁的并随后在任意期望的位置处夹紧到适当位置。也可以使用用于可去除地夹紧支撑梁的其它已知方法。

没有反向弯曲的线性介质路线选择设计

本发明的一些实施方式使用在将线性介质从存储/反应卷绕起始线轴传送到期望的卷绕终止线轴(或线筒或成型器)时遵循严格设计规则的路线选择设计。非常期望的是，介质路线选择路径没有任何反向弯曲。如本文所使用的，术语“反向弯曲”用于表示在沿相反的方向(例如通过使介质沿顺时针方向越过滑轮)首次弯曲介质之后，在一方向上(例如通过使介质在逆时针方向越过第二滑轮)随后弯曲该介质。在图1至图7以及图11至图14中示出了根据本发明的实施方式的这种期望的无反向弯曲路径，其中，介质总是在相同的方向(从图5中示出的视角的顺时针方向以及从图13和图13A的视角示出的逆时针方向)上弯曲。申请人已经发现反向弯曲，即使是较小的反向弯曲诸如在许多现有技术张力计中使用的那些，都可能对精密介质包括例如二硼化镁或铌-锡超导导线有极大损坏。

弯曲半径控制

为了处理根据本发明优选实施方式的经反应的MgB2或Nb3Sn类型的精密超导导线，对于在平坦(即，近似未弯曲)状态下反应的介质，最小弯曲半径应至少为11英寸(27.9cm)，这等于至少22英寸(55.9cm)的弯曲直径。曲率半径用于确定介质在不会遭受机械损坏情况下可以被暴露的最大应力点。

在介质横截面上，曲率半径用于限定中性轴线相对于材料质心的运动。在处于给定曲率半径的材料内部，与中性轴线分离提供了压缩力和张力，这确定了介质应力和应变关系，这些关系有助于材料疲劳点和故障点。被应用到导线路线选择，因此曲率半径可以用于确定在各种条件下允许的最小弯曲半径。例如，如果二硼化镁导线平坦地反应，则包括半径的反应几何形状变为无应力点。然后，曲率半径弯曲限制是在一个方向上为完全弯曲而没有反向弯曲，在从线性反应点起的任一方向上为该弯曲半径值的一半，或者是使弯曲限制总计为约无应力半径的一些其他布置。类似的理念决定了(dictate)任意起始无应力反应过程点和相关联的弯曲半径限制。作为示例，根据本发明的实施方式的典型卷绕将使用已经平坦地反应然后在一个方向上弯曲而没有反向弯曲的导线。该实施例反映了典型的用途，但也可以采用其他曲率半径选项。例如，导线可以在盘绕时反应，然后基于作为无应力点的盘绕位置确定可接受的曲率。附图示出了卷绕机的各种实施方式，并且并非全部被配置为安全地处理大多数脆弱介质的弯曲半径要求。图5的视角示出了从退绕线轴100到张力测量线轴103并到起绕线轴108上的大半径。表示电缆卷绕实施方式的图13和13A的视角示出了从退绕线轴1003到张力测量线轴1004并到起绕线轴1020上的路线选择。特别地，张力测量线轴1004弯曲半径小于22英寸。电缆卷绕机的实施方式可以适应最脆弱的SC的弯曲半径控制，但是由于这些大直径部件在运动的交叉平面中相互挤在一起，所以这会造成工程挑战。

动态表面

目的是通过允许较少静态摩擦或没有静态摩擦表面来为线性介质提供额外的保护，从而通过确保在介质运动方向上的摩擦系数是动态摩擦系数而不是静态摩擦系数，来降低轴向应力同时保护介质的表面，如果介质在静止表面上滑动，则会出现这种情况。参见图5中的引导轮106和图11中的引导轮105。

直接闭环轴向控制

测量卷绕期间介质中的轴向张力并将输出反馈到一个或多个系统控制器，这可以调整线轴(卷绕起始线轴和卷绕终止线轴两者)转动的速度，以便将轴向张力保持在期望的范围内。如前所述，本发明的导线张力感测系统50利用张力感测轮103和张力计104(也参见图1至图3)。轴向张力必须足够低，使得介质不受损坏。轴向张力的上限将取决于介质。对于大多数超导导线应用，稳态张力将小于5磅，更优选地小于3磅。允许张力和传感器分辨率之间的裕度越大(在下面讨论)，可以安全实现的吞吐速度就越高。对于大多数应用，需要控制张力以加/减非常小的值(变化)，优选地在+/-0.1磅内并且对于小绕组甚至更小。轴向张力将需要足够高，使得介质以期望的铺设方式和取向从卷绕起始线轴解绕并到卷绕终止线轴上。至少1磅的轴向张力适合于大多数情况下的卷绕精密介质。在极精密的情况下，对于即使是中等尺寸的绕组，轴向张力也可以容易地控制在约0.5磅，并且对于小绕组则可以控制在0.1磅。传感器分辨率(在下面讨论)和张力之间的裕度越大，可以达到的吞吐速度就越高。

直接闭环横向控制

在优选实施方式中，这通过位于张力感测轮与卷绕终止线轴之间的从动轮(参见图5中的106和图11中的1005)来辅助。轮和从动件优选地是能够移动的，以便它们可以维持与在与卷绕终止线轴上期望的位置基本对齐的位置，这将允许介质被紧密地卷绕在线轴上。如有必要，可以改变卷绕起始线轴的横向位置，以将当前从卷绕起始线轴110解绕的介质的那部分保持在与卷绕到卷绕终止线轴(或线筒)108上的介质的那部分同一平面中。材料位置传感器可以用于确定何时需要通过马达134调整卷绕起始线轴110的位置，从而维持适当的横向取向以防止损坏介质。如本文所使用的，将两个线轴的退绕点和起绕点于张力感测轮维持在基本上同一的平面中指的是将这些点的位置维持得足够接近于同一平面，使得精密线性介质上的横向张力不超过特定卷绕任务的最大轴向张力限制的10％。

介质编排路线选择技术

在磁体或线轴卷绕实施方式中，MORT是卷绕起始线轴和卷绕终止线轴两者附接到线性运动结构的基础，并且在具有即使多个自由度的线性介质的对齐和运动期间通过使用单件主要结构材料(即，在下面描述的支撑件124)提供高精确的低公差叠加。MORT允许介质经由正面、侧面或顶部装载和卸载选项插入和去除，无论是将负载滑动跨过保持轴还是在负荷位置处结合轴去除部分。尽管通过MORT轻松实现尾座，但MORT也可以用于在不使用经由悬臂系统的尾座的情况下保持大线轴。根据本发明的优选实施方式，包括支撑件的MORT系统可以被配置成允许足够的线性自由度和转动自由度两者，以提供和控制介质路线选择。

自由度(DoF)控制

对于任意机动的单一或组合DoF，可通过自动化、部分自动化和完全手动方式对线性介质运动进行独立控制或电子传动控制。选项包括允许为特定的移动打开/关闭单个到多个DoF的硬件操纵杆、软件操纵杆或部分自动化的运动控制。这种能力允许用户根据特定需求协调运动。优选地，实现任意机动化的单个DoF或多个DoF组合的自动化、部分自动化和/或完全手动控制以实现运动，同时精确地维持期望的性能值诸如恒定的轴向张力。在下面描述的实施例中，例如，机动DoF提供持续的或变化的卷绕节距角。基于作为全球控制主机的轴向张力值以及主从关系的层级的主动控制环路提供了改变节距角同时精确地保持期望的性能值诸如恒定的轴向张力的手段。

一个实施方式的LMHS的路线选择设计和受控的DoF不仅提供了具有最小化力的无弯曲情况，而且还在起绕位置处为条带提供点初始接触处的线，以便进一步最小化线性介质中的应力和弯曲。这是通过受控的设计路线选择&DoF控制来实现的。材料的具有有限弯曲的单个卷绕平面以及在任意方向上的有限应力允许有限的应变最终产品。在磁体&电缆制造过程期间引入的弯曲和应力越多，允许的操作值就越低。

角度对准/偏移的卷绕

可选的专用卷绕余量的一种手段是由额外的主动DoF来实现的，该额外的主动DoF提供从卷绕起始线轴、跨过传感器系统诸如轴向张力并到卷绕终止线轴中的持续或变化的节距角(图8提供了示意图并且图9提供了这种附加DoF的说明性视图)。导线和条带介质卷绕所需的主要实施例包括螺旋卷绕、部分到全换位卷绕以及编织，其中卷绕终止线轴必须采取用于卷绕的特定角度，但是从卷绕终止线轴回到卷绕起始线轴的角度必须是恒定的或设定的变化值。实际的解决方案是通过在线轴上添加转动DoF以及与当前线性运动机构和转动运动机构一起工作的所有导线路线选择机构来实现。这种能力根据任意期望需求延伸到用于任意系统的自动地到半自动地控制完全起绕角/退绕角。

层的端部感测

用于磁体或线圈卷绕的LMHS的一个实施方式提供了用以确定层的端部状况的感测机构。参考图4，由于起绕线轴被命令为向左和向右以实现期望的绕组配置，因此感测机构将向一个或两个凸缘110发出卷绕平面342接近的信号。这有助于提供额外的主动精度控制反馈以帮助常规的人类互动，并增加绕组生产量，而没有误差。感测可以利用任意数量的机构完成，该机构包括电感式近距离传感器、机械接触件、光学传感器、视觉传感器和激光传感器。

脱落识别

一种预期的LMHS实施方式受益于开放式框架架构，并且采用用于在卷绕过程期间但在起绕之前诊断每个单独的SC材料股的脱落的系统。另外的实施方式要求用于联机空间的开放式架构，以便随后允许用接头来替换脱落位置。脱落识别可以在机器卷绕操作中联机实现，也可以作为独立的过程利用将重绕的介质来实现。

最终的电缆或磁体然后可以以较高的总功率或能量来操作，包括商业上可接受的操作值诸如电压和电流以及安全系数，因为已经为SC材料的整个长度建立了较高的脱落限制。

材料处理

卷绕过程期间，本文考虑的一些LMHS去除了高轴向张力以及不均衡的轴向张力，使得在所有非轴向张力小到可忽略不计，去除了所有反向弯曲，将所有弯曲保留为单个和大半径，使所有侧向弯曲小到可忽略不计等。对于非圆形的诸如矩形横截面的类似于条带的导线，侧向弯曲是特别有问题的。

而且，在制作电缆时，最终的电缆起绕比期望的弯曲小。为了减轻附加的应力和应变，这种小半径弯曲操作在卷绕过程结束时当股与成型器接触并从未从该位置解绕时仅发生一次。一旦精密SC股被卷绕成最终的电缆或磁体子部件布置，它们通常经由绝缘层或护套层受到保护而免受任意进一步损坏性机械操纵。

然后，最终的电缆或磁体可以以较高的总功率或能量操作，包括商业上可接受的操作值诸如电压和电流以及安全系数，因为不会通过单独的SC股而将额外的性能问题引入到处理引起的应力和应变的SC系统介质中。

性能证明

由于如果需要的话每毫米记录了张力等，因此可以在最终产品中的任意位置提供用于每个SC导线(注意：“股”或“导线”有时在本文中可互换使用)的电缆和磁体制造值。

一些实施方案的SC股测试设置小规模地确认了每个单独的SC股对材料处理的敏感程度。最终的电缆和磁体SC产品中放大了每个股中的问题，因为多个SC股必须全部相互作用并且作为整个系统仍能正常工作。

逐线匝的张力控制

绕组由每层(1到x)线匝数和(1到y)层数构成。该功能允许最终的磁体在预张紧或预压缩的状态下产生。在层与层的比例尺上，当将径向向内的环向应力和相关联的力与生成径向向外力的导线的滞后应力进行比较时，这允许中性轴线相对于原始卷绕变化。另外，操作的中性轴线可以通过使原始磁体构建卷绕考虑操作的机械力、电磁力、热力和运动的动态力而被进一步定位。给定的卷绕角和张力值允许确定层中线匝数之间的一侧到一侧压缩的量，该压缩的量可以改变以产生期望的总体最终磁体卷绕应力。

在用途的一个实施例中，该特征允许通常期望的多层或精密中央线轴卷绕的情况。磁体可以被张紧地卷绕，这随后提供径向向外的卷绕应力，从而降低来自最终机械卷绕环的径向向内应力和径向应力值以及操作应力。

将每个线匝都张紧或压缩地卷绕的情况要求理解卷绕材料、几何形状以及径向和轴向两者上的位置。由一些LMHS汽车使用的操作代码计算可变的一线匝到一线匝的张力值，以提供期望的最终整体磁体卷绕应力。本领域的普通技术人员将认识到，LMHS控制所有自由度(DoF)中的应力值。

LMHS产品精确控制磁体中每个点处的最终装置固有机械应力的能力允许提供优秀得多的磁体性能和结构可靠性的能力。

非接触式传感器

至少一个传感器通过线性和非线性控制技术来提供反馈机构以支持卷绕控制和优化。视觉传感器在位置、通用导线位置和整体卷绕模式上提供精确的多维卷绕，并且因此是非常期望的。

本文考虑的一些LMHS通过添加新的和专用机器感测输入来移动超出用于控制值权重和增益逻辑的常见运动感觉输入的限制。在用途的一个实施例中，视觉传感器通过用于常见感觉系统的视觉分辨率和识别技术协助控制和执行优化研究。

反向方向卷绕

在本发明的一个实施方式中，当线筒模型影响经卷绕的线性材料中的曲线或者以某种方式被设定使其卷绕到线筒上的方式反向时，线性材料不断地卷绕到线筒上并且线筒卷绕转动反向。采用LMHS反馈环路和多DoF运动控制来满足该绕组配置。该卷绕结果的常见用途是在处于相同和相反的配置的相同线性介质的两个相对的绕组的中间建立相对的磁场诸如零磁通量区域。

接头减轻

如上所述，在现有的生产工艺产生所谓的“脱落”(SC特性低于可接受的限制)之前，HTS条带具有降低片(piece，工件)长的特别大的问题。这导致大量的修复接头，其中每个接头都难以制造，产生低机械强度的局部区域，并形成不再超导的微欧姆电阻区域。封闭式线圈的机械强度和极低的电阻值可能看起来无关紧要，直到考虑到SC线圈经常在来自高磁场力和极端的热循环结合的极高的机械应力和疲劳环境下运行。当条带/导线进入和脱离连续模式时，拼接的不利影响通常非常明显，但特别地当完全通电的SC线圈从SC进入常规模式时，对于接头位置两端的任意SC失超传播的关注非常明显。而且，接头通常是失超起始位置。所有这些导致SC电缆或磁体具有更多的接头，从而SC失导的可能性更高，使得电缆或磁体脱离SC模式，这在高能量和带电操作期间可能是灾难性的。

对于马达/发电卷绕(参见图22)，经由相同的拼接限制机构，LMHS能够具有多相w/多相弦。LMHS还能够每个槽每相平行地卷绕多个线圈，或者与安装系统具有同等的位置，以便利用被示出为由线1191连接的卷绕极的每个实施例来提供在机器两端的没有拼接处的平行线圈组。

为了是使用导线还是更重要地使用宽的和/或厚的条带介质来并行地生产多个线圈诸如饼磁体(pancake magnet)，LMHS可以卷绕多个饼作为独立的平行绕组，然后将内和/或外卷绕半径处的绕组电连接，诸如通过使用低电阻焊接连结。LMHS的卷绕角能力也可以用于卷绕多个线圈诸如饼磁体作为单个连接绕组，而不需要对导线甚至非常困难的条带状介质情况进行焊接连结。在所有情况下，这些多个线圈可以以相同或相反的卷绕方向卷绕，并且可以彼此平行或串联地卷绕。在所有情况下，多个介质可以在平行的绕组情况下被一次卷绕成单个线圈，诸如卷绕到每个超导层或多个SC之间的绝缘体以及被直接平行卷绕成磁体线匝的绝缘体。

诊断站点

通过设计，LMHS的多用途模块化平台(MMP)开放式架构允许充分访问绕组。MMP是所有LMHS附图中注意到的所有LMHS机器的挤出成型基座。这方面允许将诊断站点放置在SC材料离开线轴并且正好在包含物进入磁体和/或电缆绕组之前的位置处。因此所有SC材料都可以被测试，或者仅预选部分可以被测试。因此，可以使用局部连续或离散的手动或自动测试站点诸如低温冷却测试仪来确定SC值，这有助于识别性能不佳的位置。在一个实施方式中，在低于临界温度的设定温度下关键磁性和电流密度的SC值提供用于SC状态的测量。设定最小脱落阈值并与测量值进行比较。这种差异提供了具有安全系数的可能的SC操作范围。

当材料表现出性能不佳时诸如低于期望的性能水平时，将期望结合站点以便手动或自动地切割出该部分并创建接头。此外，所有接头位置都被识别为关键位置，以维持低温冷却的额外的稳健性。最终的磁体或电缆通过去除所有材料性能不佳的部分来实现较高的整体操作性能。这允许大长度的SC性能较高。

然后，将SC的整个长度的所有实际SC数据记录为低至mm的长度增量，并与最终制造的磁体或电缆一起提供给客户。

张力器和引导件

压缩张紧装置和引导件的成型件或起绕侧允许准确稳定的起绕张力控制，从而提供换出(swap out)线筒的张紧件。压缩张紧装置和引导件的线轴或原材料侧允许在卷绕到最终成型器和换出线轴的张紧件之前结合各个SC处理站点。

对于先进的SC，用于自动化地处理脆弱介质的LMHS的原理是始终维持诸如不大的纵向轴向或侧向负荷同时还将具有起绕过程的张力的SC保持在适当位置。由于包括HTS的所有SC都可以处理正交于条带或等效导线的平坦表面的大压缩应力，因此可以结合SC平面或等效放置的被动或主动控制按压机构。实施方式包括允许SC滑动穿过的按压机构或具有在一个或两个辊子上使控制机构绕动的一组辊子。在线轴张力将完全丧失的操作诸如拼接操作期间，该压缩张紧装置进一步压缩以通过结合在接头的两侧上来将SC保持在适当位置。该特征件可以作为结合工作站点拼接过程中，并且可以用于帮助将最终SC引导和张紧到成型器上。此外，该特征件能够位于每个原始SC条带状线轴退绕位置以用于任意期望的用途。

自动拼接

对于先进SC，LMHS处理脆弱介质的原理是维持用于自动拼接。因此，拼接机构只有当SC诊断系统指示不可接受值时或者在导线或条带长度的端部处才会启用。由于包括HTS的所有SC在正交于平坦条带表面的方向上可以接受大的压缩应力而没有SC劣化，因此使用按压装置向SC施加力，其中不施加大的纵向轴向的或侧向的负荷。在SC被保持用于拼接操作的恰当位置时，辊子将未切割的导线或条带移动到拼接操作的位置。拼接机构包括按需使用的保持按压装置，该保持按压装置用于成型器或起绕处以及线轴或线轴的原材料侧。

为了连续操作，不论拼接是手动的还是自动的，拼接机构都可以具有定位在靠近活动线轴的第二原始SC材料线轴和张力系统，并且可以被配置为使得将SC进给到诊断和拼接操作区域中，以便有效地交替SC条带和导线。拼接机构可以位于每个原始SC脱离线轴位置。在一个替代性实施方式中，拼接机构是独立的处理站点，该处理站点随后可以自动地移动到期望的拼接位置并执行拼接动作。可以设想的是，当在自动化机器中使用时，拼接站点将与压缩张紧装置和引导件或用于保持SC的等同装置共同工作。

在另外的实施方式中，自动拼接的实施方式允许LMHS机器用于连续长度使用。这方面的主要示例将是使用LMHS来进行电缆生产，该电缆生产从单个SC开始并包括在电缆安装处所需的所有最终元件。在这里，一个或多个LMHS能够正在开发SC电缆，同时处理SC电缆系统，该SC电缆系统包括生产任意可能的扭转或编织的子电缆。将该SC电缆系统联机插入或包覆到电缆低温容器或低温恒温器，然后也能够执行将其进给安装件中。在安装位置处制备SC电缆的主要期望是去除将整个SC电缆连接在一起所需的接头。因此，能够创建等长的无限长SC电缆，该电缆具有纵长连续操作值以及包括下至单个SC水平的所有部件，其中构成最终SC电缆系统的每个元件在进入SC电缆系统处理过程之前被拼接在一起。

自动线轴交换

LMHS的实施方式自动换出耗尽的原始SC线轴并且用新的全线轴替换而不需要人工干预，该实施方式也与前文所述的自动拼接结合在一起，从而允许生产任意长度的电缆的真正的自动化机器。

低温恒温包层

在另一实施方式中，与上述拼接概念相似，部分自动到全自动的联机低温恒温器站点允许整个LMHS被部署到现场中以用于连续长度使用。主要示例是在电缆安装位置处使用LMHS进行电缆生产。在这个示例中，一个或多个LMHS开发的SC电缆能够通过使用放置在SC电缆绕组系统中的下行线的LMHS的进一步实施方式而被卷绕以包括任意期望的电缆扭转件或编织件，然后联机地插入或包覆到电缆低温容器或低温恒温器中，该一个或多个LMHS开发的SC电缆随后被进给到安装件。图18表示1191的低温恒温器包层和1193和绝缘体被围绕超导体芯1192放置。

磁体站点

本发明的该实施方式在电缆制备之后立即将完成的电缆卷绕到最终的电缆磁体中，用于实现最小弯曲并因此实现应力和应变以及增加生产时间和空间效率。当用新进卷绕的介质覆盖的电缆成型器离开LMHS时，预期的附加实施方式命令磁体成型器前后移动以完成卷绕期望的磁体构造，从而保护SC电缆免于不必要的重新卷绕、运送和存储。通过添加图1以接受图16/16A或图17/17A的输出来考虑这个问题。

动态进给卷绕

该方面限定了将精密线性介质(诸如SC导线或条带)卷绕到长元件(诸如长电缆或圆环)上的能力。编织机器和等同物已经使用了几十年，但没有像LMHS那样结合感测和控制的水平以适应可靠地卷绕SC导线和条带的需要。在由线性介质绕组输出的独立控制的进给速率所产生的结果后，一个实施方式的LMHS能够用于创建复杂的布置，诸如在缆线制造期间线性介质的全换位和编织。

非SC实施方式包括用于极精密的磁体绕组的非常细的常规导线、细丝线性材料、光纤导线、细股碳基纤维、智能织物和极致密的细纤维基体。应用实施方式包括诸如高精度地震计的精确磁体、用于诸如心脏孔塞的精密医疗装置的编织物以及用于冲击或极端环境保护的基质。

绕组形成件填充物

为了减轻大多数绕组中固有地存在的卷绕介质与换位绕组的必要副产品之间的间隙的问题，填充材料结合到介质下方的间隙位置处或一直在介质绕组下方。填充材料能够是诸如绝缘条带的桥的形式或者填充间隙的某种形式的一致材料。可替换地，桥能够是变化宽度的条带状绝缘体，以匹配换位、编织等交叉位置。此外，填充材料能够是在常规卷绕过程期间自然形成或通过特殊工艺形成的一致材料，这些工艺诸如：1)加热填充物；2)填充间隙；以及3)在处理完成后形成间隙填充固体。

在许多卷绕构造中经常出现的结果是在每层磁体中或在沿轴向长度的电缆卷绕/编织过程中从一线匝到另一线匝的经卷绕的股之间存在间隙。有时这些间隙随绕组的前进而在宽度和高度上变化。在磁体和电缆两者中，可能期望具有用于从冷却剂流向环氧树脂填充的用途的空隙。然而，在经卷绕的产品内的间隙形成不可接受的SC弯曲位置。在电缆中填充这些间隙能够使电缆弯曲，降低材料内部的应力。一个示例是卷绕在换位部的任意一对或多个条带。条带到条带交叉位置能够在SC中产生尖锐的轴向条带宽度弯曲或条带宽度两端弯曲，从而降低SC性能。间隙填充也能够用于在其宽度两端变硬并卷绕在弯曲的成型体两端的条带。因此，一些LMHS实施方式能够以手动或自动的方式填充一个SC和另一SC、绝缘体、成型器等之间的间隙。

管理绕组间隙

与实现其他目标相反，在卷绕过程期间使用张力反馈和独立控制的股和芯进给速率相结合来建立卷绕股与绝缘体、成型体等之间的间隙的特定模式。这些间隙能够提供降低电缆或电缆元件(诸如来自弯曲部或绕组中其他感应运动的卷绕介质)中应力的优点。此外，能够通过添加间隙填充材料来适应间隙以提供冷却剂或结构稳定性。

先进控制

模糊逻辑、神经逻辑和模拟退火提供了高度先进的控制解决方案，这些方案允许卷绕精密导线和条带超过当前的能力。在一个使用示例中，现场可编程门阵列(FPGA)用于快速控制响应和模式识别软件处理需求。与适当的机械设计技术结合的定制主动闭环感应和异构(FPGA和CPU)控制架构使用能够是实现精密线性介质处理要求所必需的。LMHS通过结合控制处理技术(诸如FPGA处理能力、LMHS线性控制和诸如量级和导数算子以及非线性控制和优化技术(诸如遗传算法)的优化技术)来提升现有技术。

可变介质

而且，最后的电缆制备机器路径旨在处理所有经典到先进SC材料和几何形状以及非SC材料。LMHS卷绕发明旨在包括单个机器，其用于处理从圆形到矩形线以及条带和较大规模电缆的脆弱线性介质。这可能源于机器本身或经由工具更改。机器的更进一步的实施方式旨在处理不同尺寸的绕组子电缆。

广泛的REBCO如YBCO是LMHS发明的一个很好的候选者，因为它是一种脆弱的SC，其根据换位和编织的经尝试的几何学卷绕实例，揭示了条带转动、条带折叠、条带节距、扭结角等困难的卷绕问题。诸如降低电缆中的瞬时电磁(EM)损耗的各种目的继续要求具有完全移位的平坦编织物的绕组或对具有完全移位元件的完整格子编织物的进一步修改。

换位

经卷绕的股的全换位意味着导体的精确位置，这导致没有感应失配或股之间包围的净自场磁通量，并因此导致AC产生的低剩余磁化强度。子电缆的全换位意味着均匀的电流分布。在该全换位绕组的实例中，每个子电缆的HTS层依次交替。例如，将4个HTS条带状子电缆顺序(1，2，3，4)与芯接触将交替为(2，3，4，1)然后(3，4，1，2)然后(4，1，2，3)并且然后从(1，2，3，4)开始。换位是通过其他实施方式机构实现的，该其他实施方式机构包括围绕电缆和具有张紧装置的转动升降机工作台的线轴转动。

诸如低摩擦表面或辊子的引导件的系统能够被使用以将导线和/或条带在其全部宽度两端保持在相对彼此同一平面或曲面中，以协助诸如平放在任意诸如圆的或平坦的几何形状的成型器表面上的需要。该系统能够用于多个单独的导线和/或条带被换位，以使电缆和/或多个单独的子电缆被换位。常见的使用示例是当制作SC电缆、磁体或电缆磁体时，部分换位到全换位共宽度或变宽度的多个HTS条带以放置到中心电缆芯成型器上。

图11示出了为了演示换位电缆绕组而创建的本发明的实施方式。精密马达被同步以使电缆芯1010经由旋转管1006而转动离开卷绕起始线轴1008并且转动到卷绕终止线轴1009上。换位轮1015被附接到旋转管1006，从而使4个介质股被卷绕到电缆芯1010上。四个卷绕站点1001向电缆芯1010提供介质和路线选择引导。每股离开卷绕起始线轴1003、围绕张力感测轮1004、跨越引导轮1005然后到1010上。如上所述并在图19中示出的，当换位轮1015围绕1010旋转时，其也围绕其转动中心轴线转动，使得介质在电缆芯1010上交替相对位置。卷绕站点1001的作用是松开介质，同时维持由其张力感测轮1004测量的精确张力，卷绕站点1001独立于安装在其上的换位轮1015转动，使得由轮1004和轮1005对齐的介质将总是被指向电缆芯1010并达到与电缆芯准确地相切，并且如其线轴和轮所限定的那样提升和下降其卷绕平面，使得来自卷绕站点进一步来自电缆芯1010的介质被提升以将介质从靠近1010的卷绕站点清除。当电缆芯在卷绕操作期间线性平移时，由于换位轮旋转并使所有卷绕站点转动，该提升和下降导致在电缆芯上的换位模式。应注意，如果换位轮转动停止，则可以停止卷绕站点提升和下降，并且仅通过(围绕电缆芯的换位轮的)旋转来产生螺旋卷绕模式。为许多运动控制阶段和传感器提供电源和数据也需要创新。在图11中示出了控制面板1011。图12示出了位置1012、位置1013和位置1014，每个位置包括滑动环以适应电连接。

可变扭转节距和扭转角

基于轴向张力值的主动控制环路作为全球控制主机和主从关系的层级提供了改变扭转节距和扭转角同时准确地维持诸如恒定的轴向张力的期望的性能值的手段。需要的主要示例是条带状介质卷绕或螺旋形绕组，其中卷绕终止线轴必须对绕组呈现特定角度，但从卷绕终止线轴回到卷绕起始线轴的角度必须是恒定的或设定的变化值。实际的解决方案是通过在线轴上添加额外的转动DoF以及与当前线性运动机构和转动运动机构一起工作的所有导线卷绕机构来实现的。这些能力能够延伸到自动地到半自动地控制任意系统的完整的起绕角/退绕角以满足任意期望需要。

本发明的这个方面与应用无关：从一个线轴到另一线卷绕原材料，从线轴卷绕原材料以创建磁体、卷绕电缆、卷绕电缆以创建电缆磁体等。

对于磁体的示例，图8的原理图示出了在成型器706上建立扭转节距的扭转角742。为了创建该角度，张力测量轮角722以及在绕至起始线轴704下面的MORT必须仔细地维持相同的角度，使绕组702在其平移724时保持在平面中。图9是被设计以完成图8原理图所规定的卷绕的实施方式。如图23所示，在可变扭转节距和扭转角的另一实施方式中，输出cosθ磁体配置为高能物理学提供高B聚焦，该实施方式是完全自动化的LMHS输出。

为了考虑用于可变扭转节距控制的电缆示例，返回到图11中的换位演示器实施方式。现在在图12中检查该换位演示器的侧视图。注意可调伸缩柱1007控制换位轮的角度。这设定了卷绕角中的主要分量，从而确定了扭转节距。对该柱提供功率并自动操作以便适应续卷绕层之间乃至沿卷绕电缆的长度变化的可变扭转节距。具有可变扭转节距和扭转角的全换位是一种HTS电缆类型的优先选择，其有希望具有长的长度，并且通过添加更多REBCO层而缩放为高直流、交流和脉冲电流。然而，随着每层直径变化，这导致任意的扭转节距和扭转角。由于感应失配和相关的高损耗，最终电缆中的可变扭转节距和扭转角导致较差的AC特性，这在包括熔化的许多高功率AC应用中是不可接受的。所描述的LMHS实施方式将为电缆设计者提供自动扭转节距和扭转角控制的手动算法，以允许控制到恒定的电缆最终扭转节距和扭转角以用于瞬时电缆使用。

具有换位的子电缆

图13和图13A示出了LMHS的布置，其中卷绕站点1001如图11中的换位电缆实施方式那样转动和提升。然而，现在换位轮不围绕电缆芯旋转，而是只能在平面中转动，并且能够产生全换位的子电缆，该子电缆可以被卷绕到诸如1020的线轴上或被直接卷绕到如磁体工作站部分所述的磁体中。视图1021展示了将会随着饼磁体卷绕模式布置的卷绕进行来转动位置的介质股的严格检查，其中线性介质不接触，直到其接触线轴。

子电缆允许缩放绕组复杂性。就像单根导线或条带被卷绕到电缆成型器上一样，LMHS也能够卷绕子电缆。然后将子电缆绕组线轴放置到LMHS上，并以与常规线性介质卷绕线轴相同的方式使用。换位能够在子电缆卷绕中完成，然后能够将一批这样的子电缆与换位或编织几何形状一起卷绕到电缆中。因此，复杂的电缆源自LMHS发明的独立的子电缆绕组实施方式。

当电缆穿过机器一次时，根据每次芯的方向，这些子电缆能够以顺时针和/或逆时针方向卷绕到成型器芯上并因此在每个LMHS卷绕站点两端被分组。这相当于当电缆穿过机器一次时，根据每次芯的方向，在非电缆成型件中每个单独的SC线性介质如何顺时针和/或逆时针地直接卷绕到成型器芯上，并因此在每个LMHS卷绕站点两端分组。

具有延伸端部的子电缆组——诸如每组4个条带具有平坦的侧面一起为1-2-1的顶部到底部定向的实施方式——具有当被卷绕在一起时诸如当卷绕到电缆上时从子电缆到子电缆可以重叠的端部。当子电缆被分离或可能在被换位时，卷绕这些子电缆组有助于增加子子电缆的填料因子(packing factor，紧束因子)。

任意类型的LMHS直接电缆卷绕包括直接卷绕到电缆成型器上的全换位和编织卷绕，其中线性介质不与其他线性介质接触，直到在起绕点处接触电缆成型器。这不仅允许额外的卷绕位置控制，而且不存在线性介质侧向弯曲，但不会有条带扭转的机会。

子电缆、换位和扭转节距

LMHS将为电缆设计人员提供用于交流电缆使用的自动扭转节距控制的手动算法，以及整个堆叠体的部分换位到全部换位，这造成了每个子电缆的每个单独条带的换位以及每个子电缆到子电缆的换位。绕组的换位意味着导体的精确位置。电缆的换位意味着均匀的电流分布。股的换位意味着低剩余磁化强度。

在电缆水平LMHS的换位为电缆设计人员提供了更多的选择。能够使用单一套换位来跨越可变节距角等来开发HTS电缆。构成子电缆的SC的数量取决于成型器的芯尺寸，因为LMHS能够容易地将许多SC线轴安装到如电缆设计师可能需要的单个LMHS卷绕站点中。当前，LMHS卷绕站点能够包括超过20个线轴。图15和图16/图16A呈现了由共同保持24个介质线轴1041的3个换位轮1040构成的LMHS的实施方式。1042示出了来自一个代表性线轴的介质的卷绕路径。通过同步提升卷绕站点和下降卷绕站点，来自所有24个线轴的介质避免了纠缠，并且能够进行全换位卷绕模式。

LMHS发明的另一实施方式开发了SC子电缆(就像罗贝尔组装涂层导体(RoebelAssembled Coated Conductor)(RACC)子电缆一样)并将它们放入堆叠的电缆设置中(必须像使用RACC子电缆的涂层导体卢瑟福电缆(Coated Conductor Rutherford Cable)(CCRC)电缆设置)。每个LMHS卷绕站点提供了一个新的子电缆组，其随后以交替方式被包裹到成型器芯上。

最后，上述的子电缆能够提供另一选择，即全换位这些全换位的子电缆，然后以可变的扭转节距等再次卷绕到成型器上。由于现在旋转子系统的数量非常大，这种生产选择再次受到成型器芯的限制，但也限制为全换位这些子电缆所需的站点有多大。

使用机械臂以在保持位置抓取和释放每个转动卷绕站点系统的大的设计变化能够进一步扩大全换位的子缆线的数量。此外，机器人或等价的抓取和释放每个线轴能够以任意期望的方式编织和换位线性材料。该实施方式相当于人类手臂抓取和释放下一步将被编织或换位到堆叠体中的线的任意手段。

通过添加更多REBCO层，HTS电缆能够达到非常高的电流。然而，当前电缆制备技术中使用的部分换位可能不适用于高能物理和熔化应用。HTS的全换位需要用于诸如在产生AC损耗的股之间没有净自场通量并因此成为LMHS的焦点之一的目的。目前没有已知的系统全换位SC，无论是否是手动地换位(当然不是在自动化机器中)。

设置换位以及可变扭转节距和扭转角等，这些对填料因子产生不利影响，使设计人员能够根据其需要选择最佳选择。现今的螺旋形SC绕组还存在另一问题，即每个SC也热屏蔽先前的层。这需要更积极的冷却以及正确放置的铜稳定器以确保安全操作。然而，对于换位、节距角等，允许较低的填料因子也允许有利于为铜稳定器和/或冷却留出空间。

线轴围绕电缆转动

通过在其中心轴线上转动电缆芯并保持线轴系统固定或围绕电缆芯转动线轴系统的实施方式来完成电缆卷绕。图11示出了大多数情况下的优选实施方式。尽管创建大部分几何形状的数量更多，但是介质线轴比电缆芯线轴和经卷绕的电缆线轴的运动控制要轻得多。

编织

编织是换位方式的一种类型，尤其比全换位更复杂。全换位能够通过围绕每个定位位置的元件的简单的顺时针或逆时针转动来完成。为了编织，元件在任意转动之间交换位置。这导致绕组与完全转换位置的介质相互交织在一起，沿经卷绕的输出产品以设定的间隔完全转换位置。

具有全换位的SC电缆的典型几何形状包括经卷绕的子电缆的HTS层，其遵循先前呈现的图案，其中子电缆位置以转动顺序交替。例如，相对于接触芯，4个HTS条带状子电缆顺序(1，2，3，4)将交替为(2，3，4，1)，然后(3，4，1，2)，然后(4，1，2，3)，并且然后从(1，2，3，4)开始。在具有最简单水平编织的电缆中，在HTS全换位之外还有下一水平的复杂程度，HTS条带顺序具有交替的内部序列，其进一步降低了阻抗损耗。在编制这个4导线实例中，子电缆1和2和/或3和4在所呈现的循环序列中的4个位置之一处交换位置。像换位一样，编织是通过包括围绕电缆的转动的线轴和具有张紧装置的转动升降机工作台的其他实施方式机构来实现的，但是本节将进一步描述在换位轮上转动和/或交换线轴。

图14示出了完成涉及两对两个线轴的转动的编织的一个实施方式，并且类似于图13/13A所示的四个线轴的全换位。控制线轴1003的每对卷绕站点1001可以分别转动1032，因为两对的集合在公共编织轮1031上转动。每个介质线轴必须随着协调定时而提升和下降，以避免纠缠并且将每规格介质放置到成型器上。正如全换位一样，随着所有线轴转动，编织继续，然后将在设定位置或在编织轮转动1031中的位置处的这些对交换位置。观察经卷绕的电缆1030上的结果，与更简单的全换位相比，编织降低了填料因子，但为经路线选择的介质提供了更多复杂性，能够提供减少大电流瞬变所经历的感应EMF电阻的优点。LMHS使用平坦的编织技术来卷绕中心芯电缆，并使用格子或全编织技术提供完整的SC电缆。使用任意一种技术都能够进行部分换位到全换位。

条带张紧装置的转动升降机工作台

LMHS的重要方面是具有换位的电缆绕组，它是在远离某个名义卷绕平面的交替方向上提供介质的相对运动。如果所有介质线轴都在同一平面上，或者即使它们在不同的平面上保持静止，则换位卷绕努力时也会发生介质股之间的干扰。为了成功，相对运动必须发生在介质线轴之间，使得在介质线轴平面与那些相互交叉的相同介质股或其他的卷绕站点不对齐的时间期间，介质线轴平面彼此穿过。相对提升运动必须大于介质宽度和线轴厚度，但较大的升力运动趋向于绕组输出中较大的间隙。通过如同步介质沉积到电缆成型器上而测量的，使用电动升降机工作台能够提供更大的控制灵活性和运动轮廓灵活性，这能够获得更大的成功。

在用于卷绕电缆的一个实施方式中，该升降机工作台与转动工作台堆叠以创建卷绕工作台1001的基础，该基础能够同时移动垂直于卷绕平面的介质并使其保持指向电缆成型器。添加张力传感器和用于介质线轴松开的转动工作台以及产生的卷绕站点组件1001是本发明的致密的高度实用的实施方式，该实施方式形成运动控制的基础，其实现了用于精密介质的电缆换位和编织。这个系统能够用来制作子目录，并且能够用来换位或编制这些子目录。

紧凑型先进超导装置

图20-22示出了人员便携式装置，其尺寸和重量比现有技术的导电低温冷却系统或传统液浴设计更紧凑。

图20示出了整个系统人员便携式紧凑型MRI，其用于检查末端和神经成像，其中SC磁体是1109到1112。市场上或任意已知的开发中不存在人员便携式或紧凑型的3特斯拉高分辨率或甚至接近1特斯拉的任性类型的NMR或MRI工具。

而且，图20中示出的MRI实施方式包括将MRI分成连接的部分(诸如两半)以允许使用紧凑型和便携式装置进行更大的主体扫描。一个实施方式使用弯曲和/或分开的半部或部分来容纳用于便携式诊断的躯干的一部分，而不需要现今的全身MRI的尺寸。这些实施方式包括所有MRI类型，包括人员便携式、手动轮式系统便携式(诸如手推车或任意脚轮的以及小型交通工具便携式)的实施方式，这些实施方式现今在除了大规模MRI构建成18轮式半成品的之外的任意形式都不可用。紧凑型MRI系统是先进全身MRI的逻辑子电缆装置。然后将包括磁性遏制件和声学遏制件的紧凑单元的实施方式条带入到全身MRI中。

表面核磁共振(SNMR)类似于接收单面MRI扫描，诸如低于地面的MRI扫描。SNMR实施方式包括紧凑型SNMR单元，诸如地球科学需要查看地面或类似的基底。图21中示出了整个系统人员便携式SNMR实施方式。其中1160到1163示出了SC磁体。

马达和/或发电机型机器实施方式包括诸如任意马达和/或发电机用途的单元。如果在图22中示出了足够紧凑的人员便携式马达和/或发电机实施方式，则其中某些低温恒温器元件被去除以示出SC线圈1185。马达和发电机实施方式范围跨越所有类型的转动式AC和线性AC，诸如同步和感应电机，以及用于到完整SC电枢的混合件和/或到完整的SC有源和/或无源励磁机磁场线圈的混合件两者的DC电机，其中磁极范围来自单个部件、卷绕件、TFM、实心磁极等中的一个或其组合。实施方式还包括背铁(back iron，护铁)或特别是混合芯和/或空气芯马达和/或发电机，其中背铁的去除允许较轻的机器并降低频率损失，使SC磁性元件允许紧凑型机器。马达和发电机的实施方式跨越大量的行业和应用，这些行业和应用太详尽而不容易列出。一个实施方式是风力或水力涡轮发电机。另一实施方式是包括部分到完整SC型马达或发电机的实施方式的混合式或全电动空中、陆地、海洋或空间交通工具马达和发电机。期望与所有类型和尺寸的所有电动飞行器的混合件的实施方式本身，并且特别是涉及组合式超导磁性元件和速度发明公开以及潜在的混合式超导磁性发明公开的特定实施方式来大量使用本发明。

如图24所示的宇宙飞船EM屏蔽所举例说明的，在人员便携式的严格意义上不是紧凑型系统的另一实施方式是关于所有元件如何必须尽可能轻的紧凑型示例。在这种情况下，围绕宇宙飞船布置的一组大型SC线圈提供B屏蔽，以保护宇宙飞船和乘员免受有害的EM辐射和离子。尽管该线圈非常大，但它们呈现出紧凑型线圈的许多特性，诸如需要增加特定的功率和功率密度以允许发射到空间中然后在空间中使用以及长期稳健而没有故障。因此，所有适当的实施方式适用于这个较大的系统

基于部件的超导装置

图20-图22示出了基于模块化和组件的SC人员便携式正在。图20示出了1101、1104和1106主要部件。图21示出了1155、1157和1159主要部件。、图22示出了1180、1182和1185主要部件，其中如图21和图22所示的电源和其他外部部件被去除。允许多个独立的部件构成SC系统提供了易于交换的元件的益处，诸如磁体组和低温恒温器、制冷系统、电源以及数据捕获和计算机元件。例如，紧凑型MRI的常见实施方式包括用于将特定交通工具插入或降至人员便携式重量和尺寸水平、供应椅元件以及现场可交换和可存储系统的尺寸。这样的实施方式能够取代用于末端装置的目前医疗MRI中的磁体组，该末端装置不被认为是便携式的或现场可操作的，并且然后该相同的组件可替换的磁体组能够用于完全紧凑型便携式MRI中，以用于具有作为人员便携式和现场可操作的能力的末端装置。

现场可操作的超导装置

图20-图22示出了现场可操作SC人员便携式装置。这里只将许多可能的装置中的一些详细描述为实施方式。

医疗MRI领域手术包括超越传统数十年来仅在高度受控环境中使用MRI的任意手术。遍及医院和医疗中心的实施方式包括住院室和门诊房间到房间的能力，诸如包括常见的和混合式实时介入程序的手术室包括术中MRI和血管造影手术室、急诊室、重症监护室、患者室和一般移动护理。医院和医疗中心以外的实施方式包括移动医疗供应者(要求移动运输的患者，诸如救护车、直升机等，以及访问医师协会、家庭护理患者、运动医学等)、诸如US FEMA的现场紧急救灾、诸如药店到购物广场的紧急壶里设施、农村地区(农场、牧场、美国印第安人保留区、第三世界国家等)、军队(前沿作战基地、机动军医外科医院、医疗航班、医疗船等)。MRI现场操作实施方式能够包括远离来自相邻建筑物或全世界的MRI的诊断支持。目前全部或部分地不存在这样的医疗MRI现场实施方式。

SNMR现场实施方式包括查看地面(包括地面构成的一般特征(包括位置、渗透率、烃类型、岩石的水力传导率、不饱和和饱和区孔隙率、矿物学、pH水平，并且对于液体：盐度、类型以及诸如停滞或移动的状况))以及观察和测量其他支撑构造(包括地下特征和安全施工场地选择和规划道路、结构、排水、灌溉、混凝土老化和其他项目)、石油和天然气(包括提供井下和管线结构完整性以及环境安全、膛孔现场定位和勘探的置信度)、采矿(包括诸如顶面页岩、煤层和碳氢化合物检测的地下构成，以及结构完整性和气窝或泄漏检测的置信度)、环境工程师和资源管理者(包括对土地开垦、土壤毒性和修复、碳氢化合物检测、有害材料容器泄漏等的土壤风险评估的碳封存，增加温室气体和全球温度、不能处理的CO2气体和增加的N2O气体的森林)、军事(包括检测包括分解装置和目标的地下威胁，永久性和快速施工需求以及对远期作业基地(FOB)、机场、道路、机械化作业、建筑工地等的建设)、救灾(包括灾害现场表面构成识别，其包括被困空气和有毒气窝以及搜救营运支持)、公用事业(包括公用事业线路布局和管道结构完整性)、考古学(包括现场确定和挖掘前)以及农业用途(包括土地、水、肥料、能源和其他资源的优化利用、测量水分和养分含量、氢分子类型、氮、碳等，检测地下物理和化学性质，大多数植物根系、土壤侵蚀和沉积物运输所需的深度检测水平，转基因作物、消耗表土的浅根、工厂奶牛场以及无法管理的粪便污染空气和水)。

超导装置数据控制

如图20的MRI和图21的SNMR所示，主要实施方式是保留SC装置输出数据，诸如NMR、MRI或SNMR扫描数据。然后将其用于保留在所有数据的数据库中的数据的实施方式中，该所有数据跨越所有扫描，该所有扫描用于从一般数据保留到后处理需求(诸如数据工具的分析过程以用于跨扫描类型的趋势以与单次扫描进行比较)的客户服务使用。

数据保留的主要实施方式是以延迟到实时的方式建立全球远程本地到全世界全球的装置和用户之间的链接。

在MRI示例中，临床医生实时地或几乎实时地连接。这允许MRI操作者一次跨越多个MRI定位远程协助的商业模式。例如，示例包括患者本地紧急护理商业设施以跨越世界的现场地点，该地点包括远离24/7即时医疗临床诊断检查和决策支持的偏远地区和军事行动区。

在一个SNMR示例中，农业生产者和自然资源管理者为客户提供重要的土壤数据需求。并网连接多个SNMR单元，以便同时跨越更大的区域捕获信息，以供操作者使用和作出决策。

对主题位置取向的孔

特别的用途是MRI和常见NMR实施方式受益于能够呈现期望取向(诸如对人类患者或兽医患者或任意感兴趣的结构或位置进行取向)的孔。当前没有定向孔的兽医患者使用麻醉诸如马的动物以将其放置在桌上并使其腿部水平延伸到孔中。作为该实施方式的替换，该孔能够被定向以允许马以其腿以自然的竖向取向来站立到适当位置。在图20中提供了水平或竖向取向的MRI或常见NMR孔定向的示例。

NMR和MRI的视场

该FoV方面有利于任意尺寸的MRI和常见NMR实施方式。

如图20和针对基于FoV的聚焦的磁体阵列的图25所示，用于该紧凑型系统的SC线圈需要复杂的形状(诸如零通量构造)以便维持磁约束，同时仍获得足够大的高分辨率FoV。这随后会导致更复杂的低温恒温器、磁约束以及包装设计。LMHS允许将线圈卷绕成3D弯曲鞍座的能力(即使是棒球线圈末端配置)，以增加源聚焦功率传输、有限噪声的回波拾音响应和磁遏制，这些都是要求具有足够FoV的适当的和紧凑的装置。FoV应该获得精确到毫米部分的期望的调谐精度以解析3D立体像素。在1T以上的这种线圈配置预计会实现＜0.1ppm/小时的时间稳定性，以及作为具有可接受的信噪比(SNR)的体积RMS而被测量的FoV中的<0.5ppm的空间均匀性。

由于3D弯曲主线圈产生高度均匀的FoV，小FoV与线圈尺寸促进FoV均匀性，并且LMHS去除了大部分主线圈制造误差，同时允许先进的3D线圈几何形状以构造期望的B。

高渗透深度表面NMR和更多元件

非SC膛孔NMR和SNMR装置在渗透深度方面受到限制。例如，新设计的小膛孔NMR每USGS提供了最大为20.3厘米(cm)的径向敏感体积和低至2毫米(mm)的低分辨率间隙。目前的SNMR回声探测装置使用高达200米直径EM线圈来探测超过20米深度的地下水，但分辨率和灵敏度极其有限并且只能探测到各向异性的孤立的氢同位素的同核自旋对。目前具有更高分辨率的SNMR马蹄形和条形磁体类型包括经典的NMR-鼠形，其提供1cm的有限的渗透深度。较大的非人员便携式装置将渗透深度限制到7.5厘米，美国农业部(USDA)正在对15厘米的可能情况进行调查。所有这些值都不足够高使得适当的磁通密度(B)场能够很好地达到所需的土壤层。所有这些单元仅解决了各向异性氢同位素问题。

如图21所示，SNMR实施方式用于实现高达和超过20cm渗透深度的氢探测，其中客观目标为50cm并最终达到2m渗透深度，该客观目标是USDA限定的土壤水平深度。分辨率能够是过程值，并能够降至几分之一毫米。

特别是诸如任意尺寸的SNMR实施方式的单面NMR可从高渗透深度的观察和更多构成元件的测量中受益。

聚焦的磁性阵列

类似于具有空间转动磁化模式的某些海尔贝克阵列(Halbach Array)取向，磁源被取向为向一个或多个相邻的磁体提供相对的极性以将B磁性地容纳到期望路径并限制远离该路径的杂散场。常见的实施方式是一组磁体，其具有可能的Fe添加物，该Fe添加物以弯曲取向布置，以增加跨越共同气隙(诸如马达、发电机、MRI、NMR等)的两个弯曲端磁极两端的最大值B，同时最小化杂散磁通。

常规和/或SC EM也能够采取多个线圈或多线匝单个线圈的分布式绕组的形式，其帮助将B聚焦在期望的路径中，同时限制使杂散通量无效。一个实施方式是诸如部分非闭环取向的经卷绕的弯曲扇形物。在这种情况下，该弯曲的线圈将具有连续的其他可变横截面的实施方式。阵列的最后EM部分能够是拼接在一起的独立的磁体，也能够是由一个或多个连续线性介质卷绕的单个磁体。

就像公知的Fe材料的磁保持器一样，一些实施方式甚至大部分将完成几乎完全转向自身的整个磁通量路径。如图25所示，该实施方式的示例将是聚焦的磁性阵列，以将NMR和/或MRIB路径取向到气隙FoV的两侧。SNMR实施方式也将使用该阵列来将B聚焦到期望的路径并限制杂散通量。

一些实施方式将涉及紧密接近但由于一个或多个直流电流和/或瞬时值(诸如一个或多个交流电流和/或一个或多个脉冲电流)而分离的B路径内的磁体和/或可渗透材料。在这些实施方式中，瞬时导电屏蔽效应能够经由在“几何形状上和操作上可调谐的线圈”权利要求中讨论的技术被最小化而无效。

在材料的一个实施方式中，所有EM(特别是SC)线圈是空气芯型的其他有限的可渗透材料，诸如用以在关键位置处设定正常的B路径的Fe芯。Fe芯磁体使用正交矢量来聚焦B离开Fe，这允许经由该较高的B来获得较高的局部传感器分辨率，但是它也比空气芯更早地将B矢量转回到源，该空气芯将渗透深度限制在渗透性材料或B源之外，并且限制成另一可渗透材料和/或相对极B源。在EM卷绕实施方式中，取决于期望的B路径取向和响应，独立的绕组能够以相同或相反的方向卷绕，以用于独立的或连续的无接头的卷绕介质。

在EM卷绕实施方式中，取决于期望的B路径取向和响应，独立的绕组能够以相同或相反的方向卷绕，以用于独立的或连续的无接头的卷绕介质。

几何形状上和操作上可调谐的线圈

在可调谐天线和RF线圈的操作方面的一个实施方式中，虽然对于DC场和顶端角(tip angle)，在50cm处仅需要几个高斯，但是在源和高RF探针灵敏度处需要非常大的场来监测自旋回波(spin echoes)。为了在衰减噪声时优化该范围的实施方式，主线圈和RF线圈都将具有改变感兴趣的渗透深度的B量级的能力。RF线圈工作频率和带宽也是可控的，以调谐合适的拉莫尔频率(Larmor frequency)深度。也会一次采用多个RF线圈，以允许便针对感兴趣的材料类型和渗透深度进行频率调谐。

在用于可调谐梯度线圈的操作方面的一个实施方式中，梯度线圈被设置用于成角度方向的脉冲场梯度，并且响应回波对磁化率之间的差异进行调谐并过滤，诸如在岩石颗粒、气孔或自由表面流体等的SNMR实例中。由于线圈的几何形状并且由于土壤中的磁化率变化而进一步失真，执行常规频率/相位的编码成像需要远离线性和正交的脉冲场梯度。

正交梯度线圈磁体相对于其他线圈磁体的要求严重限制了SNMR的深度。在一个实施方式中，这通过以相对于地面15到75度的特定角度被取向并指向中心主线圈轴线的高功率梯度线圈的组来解决，以允许更深的渗透深度，其作为与在其他地方列出的权利要求“聚焦的磁性阵列”相结合的解决方案。在一个实施方式中，通过将4个均匀成对的梯度线圈组(在x和y轴上)聚焦在选定深度处的单个测量点处(在z轴上进入地面)，梯度线圈磁体将工作以实现在感兴趣的深度处与主线圈B正交的最大正交B。为了更好地辅助该系统，梯度线圈能够被设置为允许相对于地面可变的角度，并且因此经由物理定位而将梯度B的正交分量调谐到主线圈B以获得感兴趣的深度。

在如图21所示的SNMR实施方式中，单侧主磁体已经产生了梯度，该梯度能够用于选择作为敏感体积的部分，但是本发明正在推动深渗透深度。因此，类似MRI中使用的梯度，线圈的添加有助于实现更高的分辨率、高渗透深度处的必要响应以及支持断层摄影术选项。

在操作调谐的一个实施方式中，将使用具有经检验的模拟比较的数据处理来解析包括去除被识别为不是正交磁性读数的一部分的数据的测量值。尽管结果不是相对于主线圈B的理想正交梯度B方向，但由于高功率SC，该系统应该仍然允许足够的脉冲来在期望的渗透深度处捕获良好的数据。几何形状上，梯度线圈呈现近似等边三角形或等效几何形状来聚焦中心磁体，并且允许更轻松地进行模拟比较。这种方法以及“聚焦磁阵列”的问题是，梯度线圈如何在下面的所有线圈中感应EMF，从而为其他线圈提供梯度B屏蔽并增加电流密度。由于梯度场的瞬时时间，线圈相对几何形状，立即通过介质本身或线性介质到线性介质中或整个线圈的单个线圈线性介质的扭转或换位技术，或通过屏蔽所有其他线圈与梯度线圈来抵消所引起的相互作用的能力目前不被视为一个问题。如果这成为问题，那么另一实施方式是经由改变梯度线圈几何形状和/或将梯度线圈进一步远离主线圈中心轴线移动来减小与其他线圈重叠的梯度B.

为了增加响应分辨率，一个实施方式使得线圈成组地工作以实现围绕感兴趣的特定拉莫尔(Larmor)频率灵敏体积的发射传输带宽信号和探测响应。较大面积的RF线圈可获得均匀的脉冲响应和较高的回波灵敏度，从而获得较高的渗透深度。RF探头是双组相位阵列表面线圈，其被组合以在线圈正下方的区域中产生具有最佳响应的圆极化场，其中来自每个90度线圈组的磁通线大致垂直。

RF发射线圈的一个实施方式以简单的圆形直径开始，该RF发射线圈具有提供较高渗透深度的较大的直径。另外的RF发射线圈实施方式包括对称配置(包括双对称配置、正交对称配置等)，并且将正确地电连接以提供从源到回波响应模式的噪声消除和功率增加。由于对称RF线圈配置在感兴趣区域和线圈本身之间在几何学上高度依赖，因此另一实施方式考虑的是比所示RF阵列大2倍的阵列。由于降低了辐射损耗，因此某一实施方式是分配到多线匝传输线EM共振器(TEM到MTLR)，因为在高频处效率增加。为了在较短的轴向长度上增加TEM灵敏度，并联电容器是具有增加SNR并改善均匀性的解耦的TEM线圈的实施方式。

特别是，诸如任意尺寸的SNMR实施方式的单面NMR都可从几何形状上和操作上可调谐的线圈受益。

电磁(EM)遏制件

在MRI操作问题的实施方式中，所涉及的是静态到高频磁体。由于所有设备甚至安置MRI的整个房间都必须磁屏蔽，因此MRI的任意使用都需要对所有金属仪器进行计算并将其固定到下至计算每根针、导线、神经肌肉监测装置等的水平。手机、电子平板电脑、寻呼机计算器、电脑、手表等有必要关闭以消除MRI周围的RF噪声和干扰。由于我们的紧凑型系统实施方式的封闭性质，大部分到全部EM辐射不仅被屏蔽，而且首次用于大部分遏制的医疗MRI实施方式。

即使有主动屏蔽环，最大的EM损耗也会出现在NMR或MRI的孔开口处，或者在转动马达或发电机的轴上出现，这对瞬时EM来说很糟糕。相反地，导电端实施方式用作磁镜，并且达到集肤深度有效地使电长度加倍，这显着提高了均匀性。

如在医学MRI实施方式示例中那样，如图2所示，在两个孔处可移动EM屏蔽(被称为端板和端环)的实施方式与1108一起提供了机械闭合机构，为SC装置端提供磁镜响应。当观察诸如MRI实施方式中肢体的端部(诸如手和脚)的部分时，端板近似地使RF响应加倍并用于远端孔闭合。端环围绕主题松散地或紧密地卷绕并用于所有通过肢体的位置，并在包括端提供更大的RF响应和相关联的EM屏蔽。在另一实施方式中，可渗透件(诸如Fe)屏蔽所有EM端部屏蔽以遏制B0。而且，在一个实施方式中，在用以关闭下至孔通道中患者肢体的端环百叶窗闭合机构中结合的EM和Fe屏蔽，与附加的外部Fe和EM屏蔽(诸如屏蔽壳或屏蔽毯)一起，可以被添加到医学MRI以限制信噪比和5高斯人类健康安全区域的边缘场。

另外的实施方式包括低温恒温器，其包括导电壁，该导电壁用作除了面向孔的表面(诸如NMR和MRI实施方式)之外的所有表面上的EM屏蔽。杜瓦(dewar)EM屏蔽将围绕除了孔开口之外的线圈，并用作法拉第盒，以保护外部SC装置区域免受EM瞬变同时还为RF源和回波响应EM功率方向需要提供次要波导。在一个实施方式中，铝是强而质量较轻的材料，以在法拉第箱需求之间进行交换，而不会从RF线圈瞬时感应电流引入高百分比的源功率损耗。在低温恒温器的低温侧，所有铝或等效导电材料在LN2温度下将获得比在室温下高得多的EM屏蔽的集肤深度，这极大地有助于遏制EM瞬变。将低温恒温器分成EM屏蔽区域以进一步降低源功率损耗将是从RF线圈开始的另一实施方式。在另一实施方式中，薄Fe屏蔽被放置在主线圈之外并且可能作为低温恒温器外壁，该薄Fe屏蔽保持静态场(B0)同时保持在可携带重量限制内。

在某些实施方式中(诸如SNMR)，如图21中示出为1159的低温恒温器将包括导电顶部和面向地面的非导电基座。该顶部将HTS线圈一直围绕到地面，并直接地或通过导电插入件而用作地面上法拉第盒，该地面上法拉第盒既能屏蔽来自上方的外部EM噪声，又能为RF源和回波响应提供较小的波导。

磁源和周围材料将被布置以建立波导件，该波导件将辐射噪声引导到磁阱中或者相反地将磁力引导到期望的感兴趣位置中，该磁阱远离MRI视场(FoV)或等效磁噪声减弱区域。这种引导件被分成感兴趣的磁频率区域。

特别是从EM遏制件中获益的任意尺寸的MRI和一般NMR实施方式。

声学遏制件

由于紧凑型SC系统的封闭性，绝大多数噪声不仅被屏蔽而且大部分被遏制。作为实施方式的示例，紧凑型MRI具有闭合的磁孔，并且远小于全身MRI。而且，如图20中用1108示出的端板和环空孔闭合机构将围绕主题卷绕而进一步遏制声学噪声。

电磁(EM)材料遏制件冷却

在一个实施方式中，冷却路径将允许去除EM感应热的选项，诸如EM瞬变或诸如潜在液氮的任意源热进入低温冷却区域。这些屏蔽将包括将所有热感应件(特别是瞬时EM感应件)冷却到制冷系统中。对于紧凑型MRI，实施方式将包括如图20中用1108示出的环孔闭合机构，这将涉及所有EM屏蔽需要的冷却尖峰。此外，电磁导体的任意冷却件都会进一步提高EM导体的电磁屏蔽效率，从而有助于电磁屏蔽。

特别是从EM遏制件冷却中获益的任意尺寸的MRI和一般NMR实施方式。

紧凑型NMR线圈

在MRI实施方式中，匀场线圈去除了小卷绕线圈磁矩不均匀性。这些线圈制造误差是由机器误差引起的，诸如定位线圈槽、卷绕期间的导线分布、冷却到冷却剂温度时系统的收缩、磁力引起的导线偏移、周围结构磁体杂质以及运输期间的机械应力。对于这一要求，由于三维弯曲主线圈产生高度均匀的视场(FoV)，小FoV与线圈尺寸有助于FoV均匀性，并且LMHS去除了大多数主线圈制造误差同时允许用以构造如图20所示的期望的B的先进3D线圈几何形状，因此匀场线圈使用减少。

电磁推进和磁悬浮

该实施方式允许气隙中的大B，其继而允许包括更高速度和扭矩推进系统的更高动力系统以及用于组合使用磁悬浮和磁浮的更高能量的悬浮系统。一个实施方式是用于诸如航空和航空的交通工具发射目的的基于SC的线性马达。另一实施方式是诸如基于HTS的超导磁悬浮和/或电磁推进的先进SC，其包括商用列车速度达到超出包括1马赫数或更大测试滑车的商用列车限制的高速交通工具。

混合型超导磁体元件

这些混合型磁性元件的马达和发电机实施方式包括常规磁性元件与混合型SC以完成SC电枢、励磁机励磁线圈和AC感应机无源导体。包括SNMR、MRI、FCL等实施方式的NMR包括装置中的任意磁体。各种磁性元件选项的这些实施方式(特别是SC卷绕件和TFM的组合)不仅允许针对给定任务的适当的磁性元件解决方案，而且特别允许非常紧凑的机器。

用于任意SC装置的关键实施方式是诸如磁性线圈的经卷绕的SC，其用于激活并随后修改TFM的磁场。作为另外的实施方式，这些组合的SC型极可以作为独立的单元被创建，以包括在机器中，以便易于装配以及在SC装置之外或者部分或全部在最终的SC装置中的适当位置处激活TFM。

在马达和/或发电机实施方式中，包括SC组合单元的任意磁性元件类型经由环氧树脂和/或机械螺栓和/或楔形榫头和/或绑环/扣环而被压下，这通过更大气隙增加了杂散损耗，然后不同的绑带选项通常用于高速机器等。

历史上，SC块材和导线材料在不同应用中分开使用。迄今为止，两者的组合好处并未在单个单元中使用。

在一个实施方式中，提出了一种用于组合SC导线和阱场块材材料的系统。这种组合提供了在常见的低温状态下捕获两种SC形式的最大益处的能力。益处包括磁场形成到块材材料激活。

本发明涉及为了TFM激活、高B增强控制和处于期望的输出形式的高B场从SC材料产生高磁场的方法。

1.将超导(SC)导线线圈和SC阱场磁体(TFM)块材材料组合使用以补充彼此的SC磁场。

a.TFM可以定位在SC线圈的磁性较低点或较高点，以补充产生的DC或AC电场。

b.TFM放置在SC线圈两侧之间的典型空隙中，并且在操作中使用两种SC类型，允许比单独使用TFM或SC线圈更高的B能力。

2.SC导线线圈用于增强TFM磁场

a.根据期望的输出B，随着可变静态DC电场改变甚至变为AC到瞬变，在SC导线上容易改变磁通密度B。

b.增强场机器提供了一种极好的机器控制技术。增强一个独特的高B目前在实践中是闻所未闻的。

3.使用SC导线线圈来提供高TFM材料激活能。

a.TFM需要高激活能才能获得高B。这种激活非常难以实现。由于诸如通向磁散逸的自感应路径和在尝试在SC低温恒温器外部激活时的导电屏蔽的原因，获得高B到TFM的能力出现困难。通过将SC导线放置在具有TFM块材的相同低温恒温器内部，则个人不仅可以利用SC导线线圈的高B容量，而且还可以使SC导线产生的B与TFM激活捕获的B极为接近。

b.与常规的传统导体(例如铜)不同，当缺乏销连接中心并通常产生比纯导体更少的热能的数量级时，SC导线可以在短时间内处理极端电流。最小化发热量对于任意SC线圈都非常有益。

c.无论在整个SC块材包装周围还是靠近单独的TFM，导线都自动地位于低温恒温器内部。在单独的TFM实例中，线圈可以物理地位于TFM周围或在TFM中心的顶部。在这种情况下，多个SC线圈可以串联和/或并联连接以实现激活。

4.使用SC导线线圈来提供高TFM材料去激活能。

本发明的相同线圈实例也可以用于使TFM块材材料去激活。在这种情况下，通过诸如但不限于迫使一个或多个SC线圈猝透外部电源或者由于诸如引起局部加热区的原因而突然打开潜在的持续开关。

SC导线可以被形成为从纯螺线管到鞍形线圈的多种形状，但由于多个线圈支架在该区域中强烈地相互作用，因此该形式总是具有磁场分布，诸如在线圈线匝处较高的B点。TFM是一种小型实体，其在TFM本身的中心区域提供高达TFM饱和电平的磁通量密度场，在TFM本身的中心区域，B分布近似为近似于冰淇淋锥形状。这种组合允许个人使用固有的两种材料形式的B分布，以便从均匀的B中最佳地创建期望的输出场，其中平滑的进入极和退出极区域进入机器气隙以降低非基波分量。这些影响辅助机器设计偶极或四极粒子加速器磁体，其中非常高但均匀的B是至关重要的。对于机器实例，将TFM放置到SC线圈边之间的典型空隙中并且在操作时并行地使用SC线圈和TFM两者，这可以获得比独立的SC线圈或TFM更高的输出B。与单独的SC线圈或TFM相比，这允许更高功率密度的机器。

对于大型机器，TFM的激活和去激活是非常重要的，但迄今尚未解决。激活技术是复杂的并且在受控制的B和低温下工作，激活技术甚至可能涉及受控的低温压力。为了使用SC导线和SC TFM块材两者必须存在于包括致冷剂的SC临界状态的事实，然后个人可以容易地使用将两个SC放入相同的低温恒温器中。使用该SC线圈进行激活具有极大的益处，即不会强迫B脉冲通过导电低温恒温器壁和其他支撑材料，并且SC导线生成比使用典型导体激活生成的更小的热量的数量级。为了补充，当尽可能接近TFM时，通过使TFM激活和去激活，然后TFM激活或去激活需要较少的总能量。

在图26和图22中提供了具有围绕该堆叠体的单个SC卷绕线圈的TFM束的示例，其中场磁极1187具有围绕TFM堆叠体1190卷绕的线圈1188。图27中提供了单个TFM的示例，无论围绕TFM的外部还是以TFM物理中心为中心，每个TFM都具有专用的单个SC卷绕线圈。在第二示例中，专用TFM线圈以并联和/或串联连接方式连接到外部电源。在SC线圈和TFM情况下，SC线圈和TFM材料可能在同一个低温恒温器中，但不一定是必要的，因为将SC块材和SC导线线圈分离也有优势(由于诸如使用磁性阻尼器)。在SC线圈和TFM实例中，SC持续开关能够或不能够被使用。

本发明适用于任意尺寸的装置。本发明适用于低温和高温SC导线和块材材料。本发明适用于各种各样的机器，包括但不限于转动式和线性马达和发电机。

超导磁性元件与速度结合

这些实施方式不仅支持用于给定任务的磁性元件解决方案，而且特别允许非常紧凑的机器。

特别是任意尺寸和用途的马达和发电机机器实施方式均受益于增加装置中磁性元件的速度，这受益于如其他地方所讨论的磁性原动机功率系统方法。特定的实施方式是与所有电动飞机马达和发电机混合的并且在用于发电机的图22中总体呈现，对于该用途，特别是高速发电机实施方式，该高速发电机实施方式在约16，000至20，000rpm下运转并且高速马达实施方式在约3000至7000rpm下运转。磁气隙通常为1特斯拉(T)以上，特别是2T以及2T以上。

超导磁性原动机电力系统方法

由电力传输和配电行业采用的用以获得最大电力传输的磁性线圈的电力系统方法聚焦于最大化J，即使以SC中的磁性线圈B为代价。确实，B与电流(I)和线匝数(N)成比例，因此在孤立的发电机规模上占主导地位，但在这种情况下，从更大的系统角度来看，并不总是占主导地位。如图22所示的最大化EMF或生成的电势(V)是通过最大化每法拉第定律的线匝数(N)来实现的，并且因此由于电感增加到N的平方而具有更大的初级到次级磁耦合。对于我开发的冷却到近似这种效应的SC或非SC致冷剂，其没有电阻(R)耗散能量分量(该分量是传统机器的最大损耗)以及可忽略的杂散损耗。因此，我开发的这种低损耗增加了总发电量，并且仅受限于在每相的串联绕组的组和并联绕组的组之间进行交换的B和SC临界值。由于诸如风力涡轮机的常见可再生系统机器速度相对慢，所以电感时滞仍将允许最大气隙功率传输。由于R和相关联的热负荷在SC中不是问题，因此N的增加再次仅受B、J和T临界SC操作值的限制。因此，这种马达、发电机等功率焦点通过在没有传导热损失的情况下增加电感来提供从机器初级到次级的更高效的直接功率传输。这有助于本实施方式克服在轻负载或小功率尺寸下不能高效运转的常见的机器问题。用热的方法，该实施方式也不具有小型机器的散热问题。在操作上，无论是连续操作还是间歇操作，机器都基于生成的V，与I的高感应时滞相比，该生成的V瞬时产生。

特别是任意尺寸和用途的马达和发电机的实施方式均受益于磁性原动机功率系统方法。

去除超导功率传动系齿轮箱

齿轮箱是包括可再生风力发电机的许多行业中最大的故障和预防性维护问题。常见的期望的示例是在HTS处运转到低至LTS温度的HTS。由于诸如图22的的SC装置具有经由较高的电流(I)和B两者而得到的非常高的转矩，具有有限空间的紧凑型机器的实施方式大量使用去除齿轮箱的结构。

特别是任意尺寸和用途的马达和发电机机构实施方式均受益于去除齿轮箱。

去除超导功率传动系转换器

在一个公用事业规模实施方式中，兆瓦(MW)规模的许多常见的可再生尺寸的发电机产生600V至4280V的较低水平的电压，然而13.6kV公共事业规模配电线路需要约13.8kV的中等电压水平，在138kV到500kV或更大的公共事业配电线路之前，V增加。发电机和马达制造商看到这种更大的V输出和输入系统效率的益处，并且在13.8kV常规发电机上工作，该常规发动机通常最终成为超大直径机器，其中2MW、13.8kV发电机可以具有在气隙之间3.5米(m)的直径、超过2m的磁轴向长度并因此是巨大的。在正确设计的SC机器中，只要最大化N从而将V提高到临界I和B，就可以直接允许该所需的介质V和I输出，而不会产生过高的重量、体积和相关的材料成本损失。这不仅归因于高V输出量级，而且归因于与固态转换器V斩波和级相比的直接V模拟输出。

转换器是极好的工具，但会产生损失。常用的机器转换器是具有中心稳定性电容器的组合式整流器和逆变器，该机器转换器通常依赖于绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)或绝缘栅极换流晶闸管(IGCT)技术，这些技术通常被限制在仅1.2kV到2.5kV范围的通常多级H桥配置，其中这些级在正负电压方向上都施加，这仅增加损耗。脉冲宽度调制(PWM)技术是一个极好的系统，但其功率仍然受限于元件V最大值、所有转换器元件的R损耗以及交换谐波的占空比的最大载波频率限制，并因此受限于更高功率输送能力的效率。该转换器不仅是本身是直接功率损耗元件，而且PWM方案还以电压尖峰形式将功率波反射回马达和/或发电机本身，这在导体中产生瞬时损耗，并且还会导致铁(Fe)滞后损耗。最后，由于PWM操作中的转换器电压尖峰，转换器两侧的任意滤波和直接连接的功率传输元件也将具有R损耗。因此，根据另一实施方式，从良好调谐的稳定滤波器去除高压和功率转换器会消除整个系统的损耗。由于载波切换频率开始在50KHz以及的更大的高功率转换器范围内操作，然后损耗会被最小化，但这些高功率转换的日子仍将出现在进一步的将来。恒定的发电机轴转动速度机构(诸如流体速度控制器或等同物)消除了对转换器的需求，但是这些项目的效率水平较低并且最适合于较低MW范围齿轮的系统，其去除了许多先进SC机器(诸如图22的先进SC机器)的益处。因此，这里描述的一个实施方式的最终目的是允许在没有转换器或其他效率降低装置的情况下，在跨越间歇轴转动的高V输出下实现最大的能量捕获。这将随后被提供给具有单向功率流配置的大V隔离电容器组，该大V隔离电容器组然后直接进给下一级V提升到或退出输电线路。

整体描述

尽管上面对本发明的一些实施方式的描述主要针对超导导线、条带和电缆，但应该认识到，本发明可适用于任意精密线性介质。如本文所使用的，术语“精密线性介质”将包括先进超导导线和条带、非常细的常规线材、细丝线性材料，光纤导线，细股碳基纤维、智能织物以及极致密的精密纤维基质。

而且，本发明不仅可以应用于线圈和电缆绕组，而且还可应用于任意其他精密的介质处理过程，这些处理过程包括但不限于介质绝缘、弯曲、编织、成型、拼接、加热或化学处理(诸如反应、封装、检查以及需要安全地处理介质的任意手动或自动过程)。如本文所使用的，术语“导线”、“条带”、“电缆”和“介质”可互换使用。本发明的优选实施方式可以应用于允许自动卷绕(或其他类似方式)的过程。而且，术语“线轴”在本文中指的是不论物体形状如何，精密线形介质都卷绕在其上的任意物体。工业用语通常涉及被称为“线轴”的卷绕起始线轴以及被称为“成型器”或“线筒”的卷绕终止线轴，并且这些术语在本文中也可以互换使用。每当本文使用术语“自动的”，“自动化”或类似术语时，这些术语将被理解为包括手动启动自动的或自动化过程或步骤。

还应该认识到，本发明的实施方式可以通过计算机硬件或软件或两者的结合来实现。该方法可以使用标准编程技术在计算机程序中实现，这些标准编程技术包括配置有计算机程序的计算机可读存储介质，其中被这样配置的存储介质根据在该说明书中描述的方法和附图而使计算机以特定且预定的方式操作。每个程序可以用高级程序或面向对象的编程语言来实现，以与计算机系统通信。但是，如果期望，程序可以以汇编语言或机器语言来实现。无论如何，该语言可以是编译性或解释性语言。此外，该程序可以在为此目的而编程的专用集成电路上运行。

而且，方法可以在任意类型的计算平台中实现，包括但不限于个人计算机、小型计算机、大型主机、工作站、联网或分布式计算环境，独立的、集成的或与条带电粒子工具通信的计算机平台或其他成像装置等。本发明的各个方面可以以存储在存储介质或装置上的机器可读代码来实现，不管是可去除的还是集成到计算平台的机器可读代码(诸如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等)使得其可由用于配置和操作计算机的可编程计算机读取，当该存储介质和装置由计算机读取以执行本文所述的程序时，配置和操作计算机。当这些介质包括用于实现上述结合微处理器或其他数据处理器描述的步骤的指令或程序时，这里描述的本发明包括这些和其他各种类型的计算机可读存储介质。当根据本文所述的方法和技术进行编程时，本发明还包括计算机本身。

本发明具有广泛的适用性并且可以提供如上述示例中所描述和显示的许多益处。实施方式将根据具体应用而变化很大，并且不是每个实施方式都将提供所有的益处并且满足本发明可实现的所有目标。在前面的讨论和权利要求中，术语“包括”和“包括”以开放式的方式使用，因此应该被解释为意指“包括但不限于......”任意术语在本说明书中都没有特别限定，就此而言，其意图是该术语被给定其普通和通常含义。附图旨在帮助理解本发明，并且除非另有说明，否则不是按比例绘制的。

虽然已经详细描述了本发明的各种实施方式，但是显而易见的是，本领域技术人员将会想到这些实施方式的修改和变更。应该明确理解的是，这样的修改和变更在如所附权利要求中所阐述的本发明的范围和精神内。而且，应理解的是，本文所述的一个或多个发明在其应用上并不限于在前面的描述中阐述或在附图中示例的部件的构造和布置的细节。本发明可以具有其他实施方式并且可以以各种方式实践或执行。而且，应理解的是，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。本文中“包含”、“包括”或“具有”及其变型的使用意味着包括其后列出的项目及其等同物以及附加项目。

Claims (37)

1.一种供精密线性介质使用的卷绕机，包括：

精密线性介质卷绕起始线轴，所述精密线性介质卷绕起始线轴用于存储所述精密线性介质，并且所述精密线性介质从所述精密线性介质卷绕起始线轴去除；

与所述卷绕起始线轴相关联的电缆芯；

至少一个马达，所述至少一个马达绕动所述电缆芯通过旋转管并到达卷绕终止线轴上；以及

与所述旋转管相关联的换位轮，所述换位轮被配置为将介质股缠绕到所述电缆芯上。

2.根据权利要求1所述的卷绕机，其中，所述至少一个马达包括被同步化以绕动所述电缆芯的第一马达和第二马达。

3.根据权利要求1所述的卷绕机，其中，所述换位轮被配置为围绕所述电缆芯旋转，这引起所述线性介质使所述线性介质在所述电缆芯上的相对位置交替排列。

4.根据权利要求1所述的卷绕机，其中，在操作期间，所述线性介质不会通过任意反向弯曲部。

5.根据权利要求1所述的卷绕机，其中，所处理的线性介质是超导的导线、条带或电缆。

6.根据权利要求1所述的卷绕机，还包括在将所述线性介质放置到所述卷绕终止线轴上之前评估所述线性介质的诊断站点。

7.根据权利要求1所述的卷绕机，还包括低温恒温器包层站点，所述低温恒温器包层站点在将所述线性介质放置到所述卷绕终止线轴之前将包层和绝缘材料结合到所述线性介质上。

8.根据权利要求1所述的卷绕机，其中，来自所述卷绕终止线轴的线性介质在超导装置中被使用。

9.根据权利要求8所述的卷绕机，其中，来自所述超导装置的输出被保存在数据库中，其中，所述输出用于将所述超导装置全球地链接至临床医生。

10.根据权利要求1所述的卷绕机，其中，所述超导装置是磁共振成像(MRI)装置。

11.根据权利要求10所述的卷绕机，其中，所述MRI具有能够呈现期望取向的镗孔。

12.根据权利要求1所述的卷绕机，其中，所述超导装置是核磁共振机。

13.根据权利要求1所述的卷绕机，还包括卷绕站点，所述卷绕站点从所述卷绕起始线轴接收线性介质并且将线性介质供应和引导到所述电缆芯，其中，所述线性介质从所述卷绕起始线轴起行进、绕过感测轮、穿过引导轮并行进到所述电缆芯上。

14.根据权利要求13所述的卷绕机，其中，所述卷绕站点包括可选择性改变的卷绕平面，所述卷绕平面被定位成相对于所述电缆芯呈一角度，其中，由于当所述电缆芯沿平行于所述电缆芯的方向线性移动时，所述换位轮使所述卷绕站点旋转并转动，所述卷绕平面相对于所述电缆芯的角度的改变在所述电缆芯上产生换位模式。

15.根据权利要求1所述的卷绕机，还包括系统控制器，所述系统控制器接收感测的轴向张力，并控制所述至少一个马达以在所述精密线性介质中维持期望的轴向张力。

16.根据权利要求15所述的卷绕机，其中，所述系统控制器被配置为调整所述卷绕起始线轴和所述卷绕终止线轴的转动速度，以将所述轴向张力保持在期望的范围内。

17.根据权利要求16所述的卷绕机，其中，所述控制系统采用主动控制环路以提供用于改变扭转节距和扭转角度的措施。

18.根据权利要求15所述的卷绕机，其中，所述系统控制器被配置为选择性地更改所述卷绕起始线轴的横向位置。

19.根据权利要求15所述的卷绕机，其中，所述系统控制器包括角度对准/偏移的卷绕，所述角度对准/偏移的卷绕允许与所述卷绕起始线轴的角度持续或变化。

20.根据权利要求15所述的卷绕机，其中，所述系统控制器与至少一个视觉传感器通信，所述至少一个视觉传感器在不接触所述线性介质的情况下提供与多维起绕位置、大致导线位置和总体卷绕模式中的至少一种有关的精确信息。

21.一种用于将精密线性介质从精密线性介质源卷绕到线轴上的方法，包括下述步骤：

(a)配置卷绕机具有：

精密线性介质源，所述线性介质源包括卷绕起始线轴，其中，所述卷绕起始线轴用于存储所述精密线性介质，并且所述精密线性介质从所述卷绕起始线轴去除；

第一马达，用于使所述卷绕起始线轴转动；

卷绕终止线轴，所述卷绕终止线轴是待在其上卷绕从所述精密线性介质源去除的所述精密线性介质的至少一部分的线轴；

第二马达，用于使所述卷绕终止线轴转动；

导线张紧系统，所述张紧系统包括张力计和单个张力感测轮；

电缆芯，所述电缆芯与所述卷绕起始线轴相关联；

第三马达，所述第三马达绕动所述电缆芯通过旋转管并到达卷绕终止线轴上；

与所述旋转管相关联的换位轮，所述换位轮被配置为将介质股缠绕到所述电缆芯上；以及

系统控制器，所述系统控制器被配置为接收所感测的轴向张力并控制所述第一马达和所述第二马达；

(b)使用所述第一马达转动所述卷绕起始线轴；

(c)使用所述第二马达转动所述卷绕终止线轴；

(d)在所述卷绕机运行期间使用所述导线张紧系统感测在所述精密线性介质上的所述轴向张力；

(e)向所述系统控制器发送在所述精密线性介质上所感测的轴向张力；以及

(f)控制所述第一马达和所述第二马达以维持所感测的轴向张力，从而维持在所述精密线性介质上的期望的轴向张力。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述卷绕机还包括卷绕站点，所述卷绕站点从所述卷绕起始线轴接收线性介质并且将线性介质供应和引导到所述电缆芯，其中，所述线性介质从所述卷绕起始线轴起行进、绕过感测轮、穿过引导轮并行进到所述电缆芯上。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述卷绕站点包括可选择性改变的卷绕平面，所述卷绕平面被定位成相对于所述电缆芯呈一角度，其中，由于当所述电缆芯沿平行于所述电缆芯的方向线性移动时，所述换位轮使所述卷绕站点旋转并转动，所述卷绕平面相对于所述电缆芯的角度的改变在所述电缆芯上产生换位模式。

24.根据权利要求21所述的方法，其中，维持期望的轴向张力包括将期望的轴向张力维持在0.1磅或更少的变化内。

25.根据权利要求21所述的方法，其中，所述期望的轴向张力在大约0.1磅至5磅之间。

26.根据权利要求21所述的方法，其中，所述精密线性介质不会穿过任意反向弯曲。

27.根据权利要求21所述的方法，其中，所述卷绕机还包括位于所述张力感测轮和所述卷绕终止线轴之间的从动轮，所述从动轮被定位成使得来自所述精密线性介质源的所述精密线性介质在卷绕到所述卷绕终止线轴之前越过所述从轮轮，并且其中，所述方法还包括当将所述精密线性介质卷绕在所述卷绕终止线轴时，通过移动所述从动轮来控制所述精密线性介质的横向位置。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，当将所述精密线性介质卷绕到所述卷绕终止线轴时控制所述精密线性介质的所述横向位置将两个线轴的退绕点和起绕点以及所述张力感测轮维持在基本上同一平面中。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述卷绕机还包括：

传感器，所述传感器能够确定所述导线从所述卷绕起始线轴解绕的位置；

横向定位马达，用于调整所述卷绕起始线轴的横向位置；以及

其中，所述方法还包括下述步骤：控制所述卷绕起始线轴的所述横向位置，使得所述退绕点和所述从动轮维持在近似同一平面中。

30.根据权利要求1所述的卷绕机，其中，添加到起绕线轴的所述线性介质是编织的。

31.根据权利要求1所述的卷绕机，其中，添加到所述起绕线轴的所述线性介质是全换位的。

32.根据权利要求1所述的卷绕机，还包括用于在将所述线性介质放置到所述卷绕终止线轴上之前识别所述线性介质中的接头的装置。

33.根据权利要求12所述的卷绕机，其中，NMR是能够扫描能够扫描达到从大约0.5米到大约2.0米深度的SNMR。

34.根据权利要求12所述的卷绕机，其中，所述NMR采用一系列磁环或磁性材料以提供增加的分辩率。

35.根据权利要求12所述的卷绕机，其中，NMR遏制过度的磁场，其中，距离所述NMR大约1米或更近处的磁场是可忽略的。

36.根据权利要求12所述的卷绕机，其中，NMR遏制过度的声能，其中，来自所述NMR大约1米或更近处的声效应是可忽略的。

37.根据权利要求8所述的卷绕机，其中，所述线性介质由导线、条带、阱场磁体和永久磁体中的至少一种构成，其中，所述磁场的形状是受控的，包括阱场磁体激活。