CN108766709A - 高温超导内插线圈及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温超导内插线圈，包括双饼线圈，所述双饼线圈具有独立绕线的至少两个，各所述双饼线圈同轴叠放在支撑结构上，每个所述双饼线圈的线材两端分别形成第一端头和第二端头，相邻两所述双饼线圈的线材端头通过饼间接头连接，最顶层双饼线圈的第一端头连接电流引线一，最底层双饼线圈的第二端头连接电流引线二；每个所述双饼线圈和每个饼间接头上均外接有电位线。本发明的高温超导内插线圈，可以对每个双饼线圈独立的进行性能检测，以及对由多个双饼线圈连接后的整体进行性能检测，确保进入固封阶段的线圈整体性能符合要求，获得性能稳定可靠的高温超导内插线圈，提高内高温超导内插线圈的良率。

Description

高温超导内插线圈及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温超导导磁体技术领域，涉及一种高温超导内插线圈，还涉及一种高温超导内插线圈的制备方法。
背景技术
目前，高温超导线圈最常用的绕线方式是先将单根超导带绕制为单个的双饼线圈，再将多个双饼线圈的接头连接起来，相互叠加串并在一起后组成最终的高温超导线圈。高温超导带材具有脆性易损的机械特性，绕制带材为双饼线圈的过程中、以及双饼线圈的连接过程中都有损伤带材的风险存在，由带有损伤的带材绕制的双饼线圈必然影响内插线圈的整体性能。目前的内插线圈，多个双饼线圈独立绕制结束后叠放固定在一起，由于不能针对每个双饼线圈的性能进行检测使得内插线圈的不良率居高不下。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高温超导内插线圈，可以对每个双饼线圈独立的进行性能检测，以及对由多个双饼线圈连接后的整体进行性能检测，确保进入固封阶段的线圈整体性能符合要求，获得性能稳定可靠的高温超导内插线圈，提高内高温超导内插线圈的良率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高温超导内插线圈，包括双饼线圈，所述双饼线圈具有独立绕线的至少两个，各所述双饼线圈同轴叠放在支撑结构上，每个所述双饼线圈的线材两端分别形成第一端头和第二端头，相邻两所述双饼线圈的线材端头通过饼间接头连接，最顶层双饼线圈的第一端头连接电流引线一，最底层双饼线圈的第二端头连接电流引线二；每个所述双饼线圈和每个饼间接头上均外接有电位线。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述饼间接头的长度为5～10cm。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述电流引线一和电流引线二均使用YBCO带材堆叠焊接。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括每个所述双饼线圈之间、以及两两所述双饼线圈之间均设有绝缘板，各所述双饼线圈和各所述绝缘板同轴叠设的固定在支撑结构上。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述支撑结构包括底板、横截面为“T”字形结构的支撑主体，所述支撑主体上设有螺纹段，所述底板上设有螺纹孔，各所述双饼线圈和各所述绝缘板同轴叠放在支撑主体上，所述螺纹段和螺纹孔配合使得底板锁紧固定在支撑主体上。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括各所述绝缘板的板边均开设有缺口，依次叠放的各所述绝缘板上的所述缺口同轴对齐，所述绝缘板的外侧边缘均超出双饼线圈的外侧边缘，所述双饼线圈的外侧边缘超出缺口的内侧边缘。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述支撑主体内设有霍尔元件。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述双饼线圈包括环形骨架和YBCO带材，所述YBCO带材缠绕在环形骨架上，所述环形骨架的带材绕线表面粘贴有聚酰亚胺胶带。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括其还包括外容器，所述双饼线圈和支撑结构固定后的整体容置在所述外容器内。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种高温超导内插线圈的制备方法，包括以下步骤，
将测试达到预期性能的双饼线圈依次同轴堆叠固定在支撑结构上，双饼线圈之间、以及两两双饼线圈之间通过绝缘板绝缘；
使用饼间接头连接相邻两个双饼线圈的线材端头，最顶层双饼线圈的第一端头外接电流引线一，最底层双饼线圈的第二端头外接电流引线二，每个双饼线圈和每个饼间接头上均外接电位线；
将固定有多个双饼线圈的支撑结构整体放入外容器内，在真空环境下加热外容器至30℃，从缺口处向双饼线圈内注入环氧树脂，对双饼线圈进行抽真空浸渍处理，环氧树脂固化后冷却获得高温超导内插线圈。
本发明的高温超导内插线圈，可以对每个双饼线圈独立的进行性能检测，以及对由多个双饼线圈连接后的整体进行性能检测，确保进入固封阶段的线圈整体性能符合要求，获得性能稳定可靠的高温超导内插线圈，提高内高温超导内插线圈的良率。
附图说明
图1是本发明优选实施例中内插线圈的立体结构示意图；
图2是图1中隐去外容器后的内插线圈的立体结构示意图；
图3是图1中双饼线圈(带绝缘板)的立体结构示意图；
图4是图1中支撑结构的结构示意图；
图5是图1中内插线圈电位线的二维结构示意图。
其中：2-双饼线圈，4-支撑结构，6-饼间接头，8-电流引线一，10-电流引线二，11-电位线，12-绝缘板，14-底板，16-螺纹段，18-缺口，20-骨架，22-外容器，24-带材，26-支撑杆，28-底盘，30-电位线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
如图1-2所述，本实施例公开了一种高温超导内插线圈，包括双饼线圈2、支撑结构4和外容器22。
其中，如图3所示，上述双饼线圈2包括环形骨架20和YBCO带材24，环形骨架20优选采用无磁性的316L不锈钢制成；YBCO带材为超导带材。上述YBCO带材24缠绕在环形骨架20上，采用无绝缘绕制技术缠绕带材，使得匝间存在较强的电流分配；YBCO带材24缠绕在环形骨架20上后，线材的两端分别形成第一端头和第二端头。本实施例技术方案中，单个双饼线圈2的线材端头可以有以下几个方面的作用：①用于与相邻双饼线圈2的线材端头连接，使得多个双饼线圈2的线材能够连接为一根整的比较长的线材；②用于外接电流引线，给线圈提供电源；③外接电位线，用于单个双饼线圈的性能检测。
上述环形骨架20的带材绕线表面平整粘贴有聚酰亚胺胶带，聚酰亚胺胶带用于绝缘，YBCO带材绕制在环形骨架20表面制成单个双饼线圈2。
如图4所述，上述支撑结构4包括底板14、横截面为“T”字形结构的支撑主体，上述支撑主体包括中空结构的支撑杆26和同轴连接在支撑杆26端部的底盘28，上述支撑杆26和底盘28可以是一体式结构，也可以是分体结构连接为一体，上述支撑杆26、底盘28和底板14均优选使用无磁性的316L不锈钢支制成。上述支撑杆26上设有螺纹段16，上述底板14的中心设有螺纹孔。
本实施例技术方案中，高温超导内插线圈具有独立绕线的多个双饼线圈2，如图2所示，使用四个双饼线圈2，四个双饼线圈2依次同轴叠放的套在支撑杆26上，随后将底板14穿入支撑杆26上，通过螺纹孔和螺纹段的配合、底板14和底盘28的限位将四个双饼线圈2叠放整体锁紧固定在支撑杆26上，为超导带材提供足够的支撑以抵抗各种力的载荷。
四个双饼线圈2依次同轴叠放固定在支撑结构4上以后，相邻两个双饼线圈2的线材端头通过饼间接头6连接，使用三个饼间接头6连接四个双饼线圈2，通过饼间接头6将四个双饼线圈2的带材串联在一起，形成一根更长的带材。饼间接头6使用YBCO带材，以“桥接”的方式焊接，此处的桥接是用另一段超导带材与待连接的两根超导带材分别连接起来；桥接长度大于5cm，控制在10cm以内，以此来减小接头电阻。
最顶层双饼线圈2的第一端头连接电流引线一8，最底层双饼线圈2的第二端头连接电流引线二10；双饼线圈2的线材端头与电流引线采用“搭接”的方式焊接，此处的“搭接”是经待连接的两根超导带直接连接起来。本实施例技术方案中，电流引线使用多根YBCO带材堆叠焊接而成，能够提高电流引线载流能力和机械强度。
另，以上桥接饼间接头和搭接电流引线，主要涉及一下三个方面：
为减少线圈发热量，提高运行安全性，要尽可能减少接头电阻，使电阻其能达到10-8级；在磁场环境中，线圈会受到较大的电磁力，故要增强接头的力学性能，保证线圈正常运行；焊接接头时焊接温度一直不能超过200℃，避免过高的温度使YBCO带材性能退化，影响线圈的性能。我们采用“桥接”的技术路径焊接饼间接头，接头材料采用力学性能好、电阻较小、与YBCO带材宽度相同的Bi-2223带材；此处“桥接”技术为：接头有两部分组成，一部分为围绕每个双饼线圈最外层线圈一周的Bi-2223带材，以尽可能减少接头电阻，使其电阻能达到10-8级；另一部分是连接两个双饼线圈临近的两个出线头的Bi-2223带材；具体步骤为：截取长度为双饼线圈最外层周长的Bi-2223带材，使用电络铁在Bi-2223带材一侧面上挂上一层薄薄的低温锡(145℃)，电络铁的温度控制在200℃；然后以每个双饼线圈的上部分单饼线圈的出线头端部为起点，用温度为200℃的电络铁将一根Bi-2223带材锡焊在上部分单饼线圈的最外层的YBCO带材的表面，并且Bi-2223挂锡的一侧要朝向YBCO带材，相当于每个双饼线圈的上部分单饼线圈的最外层的YBCO带材的表面包覆上一根Bi-2223带材，以相同的方法在每个双饼线圈中下部分单饼线圈的最外层的YBCO带材的表面锡焊上一根Bi-2223带材。下一步截取若干根长度为相邻的两个双饼线圈中邻近的两个出线头之间高度的Bi-2223带材，用温度为200℃的电络铁在所有Bi-2223带材一侧面上挂上一层薄薄的低温锡(145℃)，以每四根Bi-2223带材为一组，将四根Bi-2223带材堆叠锡焊成一体，用温度为200℃的电络铁将两组堆叠成一体的Bi-2223带材以并列的方式锡焊在相邻的两个双饼线圈中邻近的表面锡焊有Bi-2223带材的两个出线头的端部上，所用焊锡仍为145℃低温锡，此时可加少量的松香助焊剂，以提高焊接效率，注意不能使用磷酸做为助焊剂，以免腐蚀带材，使用两组堆叠成一体的Bi-2223带材以并列的方式焊接接头，可增强了接头的力学性能，为线圈的稳定运行提供足够的安全裕度；用相同的方法在所有相邻的两个双饼线圈中邻近的两个出线头的端部上以并列的方式锡焊上两组堆叠成一体的Bi-2223带材。我们采用“搭接”的方法焊接端部双饼线圈与外部电源连接的电流引线接头，接头材料仍是Bi-2223带材，截取8根一定长度(足够与外部电源线相连)的Bi-2223带材，以每四根Bi-2223带材为一组，将四根Bi-2223带材堆叠锡焊成一体。用温度为200℃的电络铁将两组堆叠成一体的Bi-2223带材分别锡焊在上端部双饼线圈的上部分单饼线圈的表面锡焊有Bi-2223带材的出线头端部上和位于下端部的下部分单饼线圈的表面锡焊有Bi-2223带材的出线头端部上，所用焊锡仍为145℃低温锡，可加少量的松香助焊剂，不能使用磷酸做为助焊剂。
如图5所示，本实施例技术方案中的内插线圈，在每个双饼线圈、整个线圈、相邻饼间接头和电流引线接头分别焊接有一对电位线，多个双饼线圈2同轴叠放固定在一起后，借助电位线11能够独立的检测各个双饼线圈2的性能，所有双饼线圈2的性能均符合要求的情况下再进行下一步操作，以此能够筛选出带材绕制成双饼线圈过程中、以及多个双饼线圈焊接为整体过程中带材有损伤的双饼线圈，确保进入固封阶段的线圈整体的性能稳定。另一方面，采用多通道电位检测的方式，实时检测每个双饼线圈和接头电阻的性能，最小程度消除线圈安全运行的隐患。
具体焊接电位线时：用温度为200℃的电络铁将每对电位线中的两根信号线分别锡焊在每个双饼线圈中上部分单饼线圈和下部分单饼线圈YBCO带材的表面上。相邻饼间接头电位线的焊接：使用相同方法将每对电位线中的两根信号线分别锡焊在相邻双饼线圈接头的上下两端处。电流引线接头的焊接：使用相同的方法将每对电位线中的两根信号线分别锡焊在电流引线接头上和电流引线接头旁的YBCO带材表面。
每个上述双饼线圈2之间、以及两两上述双饼线圈2之间均设有绝缘板12，各上述双饼线圈2和各上述绝缘板12同轴叠设的固定在支撑结构4上；绝缘板12优选使用环氧材料，为双饼线圈层与层之间和饼与饼之间提供绝缘。
多个双饼线圈2同轴叠放固定在支撑结构上后的整体容置在外容器22内。上述底盘28上和各上述绝缘板12的板边均开设有缺口18，底盘28和依次叠放的各上述绝缘板12上的上述缺口18同轴对齐，上述绝缘板12的外侧边缘均超出双饼线圈2的外侧边缘，上述双饼线圈2的外侧边缘超出缺口18的内侧边缘。多个双饼线圈2同轴叠放固定在支撑结构上后的整体容置在外容器22内后，通过缺口18向双饼线圈2内注入环氧树脂，以此固定双饼线圈2，防止线圈通电时带材移动，增强线圈的稳定性。
作为本发明的进一步改进，上述支撑杆的中空结构内设有霍尔元件，霍尔元件用于检测磁场信号。
以上结构的高温超导内插线圈，结构简单、易于装配、稳定可靠，用于提供一个稳定的强磁场环境。
实施例二
本实施例提供了一种高温超导内插线圈的制备方法，包括以下步骤，
将测试达到预期性能的双饼线圈依次同轴堆叠固定在支撑结构上，双饼线圈之间、以及两两双饼线圈之间通过绝缘板绝缘；
使用饼间接头连接相邻两个双饼线圈的线材端头，最顶层双饼线圈的第一端头外接电流引线一，最底层双饼线圈的第二端头外接电流引线二，每个双饼线圈和每个饼间接头上均外接电位线；
借助电位线检测组装后的各个双饼线圈的性能，不满足要求的双饼线圈剔除重新组装，直至每个双饼线圈的性能、线圈整体的性能都满足要求后进入下一步；
将固定有多个双饼线圈的支撑结构整体放入外容器内，在真空环境下加热外容器至30℃，从缺口处向双饼线圈内注入环氧树脂，对双饼线圈进行抽真空浸渍处理，环氧树脂固化后冷却获得高温超导内插线圈。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种高温超导内插线圈，包括双饼线圈，所述双饼线圈具有独立绕线的至少两个，各所述双饼线圈同轴叠放在支撑结构上，每个所述双饼线圈的线材两端分别形成第一端头和第二端头，其特征在于：相邻两所述双饼线圈的线材端头通过饼间接头连接，最顶层双饼线圈的第一端头连接电流引线一，最底层双饼线圈的第二端头连接电流引线二；每个所述双饼线圈和每个饼间接头上均外接有电位线。
2.如权利要求1所述的高温超导内插线圈，其特征在于：所述饼间接头的长度为5～10cm。
3.如权利要求1所述的高温超导内插线圈，其特征在于：所述电流引线一和电流引线二均使用YBCO带材堆叠焊接。
4.如权利要求1所述的高温超导内插线圈，其特征在于：每个所述双饼线圈之间、以及两两所述双饼线圈之间均设有绝缘板，各所述双饼线圈和各所述绝缘板同轴叠设的固定在支撑结构上。
5.如权利要求4所述的高温超导内插线圈，其特征在于：所述支撑结构包括底板、横截面为“T”字形结构的支撑主体，所述支撑主体上设有螺纹段，所述底板上设有螺纹孔，各所述双饼线圈和各所述绝缘板同轴叠放在支撑主体上，所述螺纹段和螺纹孔配合使得底板锁紧固定在支撑主体上。
6.如权利要求4所述的高温超导内插线圈，其特征在于：各所述绝缘板的板边均开设有缺口，依次叠放的各所述绝缘板上的所述缺口同轴对齐，所述绝缘板的外侧边缘均超出双饼线圈的外侧边缘，所述双饼线圈的外侧边缘超出缺口的内侧边缘。
7.如权利要求5所述的高温超导内插线圈，其特征在于：所述支撑主体内设有霍尔元件。
8.如权利要求1所述的高温超导内插线圈，其特征在于：所述双饼线圈包括环形骨架和YBCO带材，所述YBCO带材缠绕在环形骨架上，所述环形骨架的带材绕线表面粘贴有聚酰亚胺胶带。
9.如权利要求1所述的高温超导内插线圈，其特征在于：其还包括外容器，所述双饼线圈和支撑结构固定后的整体容置在所述外容器内。
10.一种高温超导内插线圈的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
将测试达到预期性能的双饼线圈依次同轴堆叠固定在支撑结构上，双饼线圈之间、以及两两双饼线圈之间通过绝缘板绝缘；
使用饼间接头连接相邻两个双饼线圈的线材端头，最顶层双饼线圈的第一端头外接电流引线一，最底层双饼线圈的第二端头外接电流引线二，每个双饼线圈和每个饼间接头上均外接电位线；
将固定有多个双饼线圈的支撑结构整体放入外容器内，在真空环境下加热外容器至30℃，从缺口处向双饼线圈内注入环氧树脂，对双饼线圈进行抽真空浸渍处理，环氧树脂固化后冷却获得高温超导内插线圈。
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