CN109979745A - 提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架及其绕制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架及其绕制方法，其中骨架包括盖板(1)和至少三个缠绕骨架；所述超导线圈由超导带材在所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架上绕制形成；所述盖板(1)和缠绕骨架通过设定的安装结构，可拆卸地依次间隔设置，即每个缠绕骨架两侧均可拆卸地设置有盖板(1)；所述超导带材绕制在缠绕骨架上形成设定形状结构的超导线圈。本发明可以有效的减小带材面对的磁场垂直分量，从而提高超导线圈的临界电流，为超导线圈提供更大的工作电流值；在需要保证一定工作电流的要求下，可以节约超导带材用量，降低超导线圈成本；同时不会影响到超导线圈产生的整体磁场分布，不对其实际应用造成额外的限制。

Description

提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架及其绕制方法
技术领域
本发明涉及超导技术，具体地，涉及一种提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架及其绕制方法。
背景技术
高温超导线圈是第二代高温超导带材的一个主要应用方面。其原理是通过使用扁带状结构的二代高温超导带材，通过绕制方式制造出具有超导特性的线圈。在超导线圈的实际应用，如电力与核磁共振等设备中，线圈整体结构一般为螺线管式。由于超导线圈中的超导体相对传统的铜导体线圈具有更高的运行电流密度，因而可以产生更强的磁场，并拥有远小于铜导体线圈的损耗。临界电流作为超导体的重要参数，决定着超导体所在超导状态下的最大工作电流。
然而，第二代高温超导带材的临界电流具有着明显的磁场依赖特性，随磁场增大，临界电流会被减小。并且由于超导带材的扁平结构，使其具有着各向异性，即作用在超导带材上磁场的角度不同会导致临界电流的衰减程度也有所不同。在垂直场情况下，临界电流衰减最大；在平行场情况下，临界电流衰减最小。在超导线圈应用中，产生的磁场会作用于超导带材，减小带材临界电流；而临界电流的减小，会限制超导线圈的最大工作电流，这会使超导线圈在应用过程中出现工作电流不足，必须增加匝数的情况。这种情况会导致线圈电感增大，并且更多的带材用料会使得线圈成本增加。
经过检索发现，当前尚没有通过线圈结构方式提高超导线圈临界电流的设计和方法，亦无公开的专利和文献。但有部分类似的文献，其主要内容如下：
相关科技论文主要有：
Fei Liang,et al.,“AC loss modelling and experiment of two types oflow-inductance solenoidal coils”Supercond.Sci.Technol.,vol.29,2016,Art.no.115006.(“两种低电感螺线管线圈的交流损耗模型及实验研究”《超导科学与技术》)
主要内容：文献研究了两种无感线圈的临界电流和交流损耗，结果表明无感线圈可有效的提高超导线圈的临界电流，降低交流损耗。
该文献虽然能提高临界电流并降低交流损耗，但其实际是通过导线正绕和反绕产生磁场相互抵消来产生效果的，所以最终无感线圈对外基本不产生磁场的，其应用场合受到着很大的限制。
Yusuke Sogabe,et al.,“AC Loss Characteristics in REBCO CoilAssemblies With Different Geometries and Conductors,”IEEETrans.Appl.Supercond., vol.28,no.3,Apr.2018,Art.no.4700105.(“不同几何和种类的REBCO导体线圈组合体的交流损耗特性”《IEEE应用超导》)
主要内容：使用不同临界电流的二代高温超导带材混合绕制超导线圈。因为线圈螺线结构的首末端部受到的磁场影响更明显，故在端部采用临界电流更大的带材绕制线圈的部分匝数，从而达到增大整体临界电流的目的。
该文献中使用不同批次和参数的超导导体可能造成线圈运行不稳定的情况，并且不同超导导体会存在磁场相互作用，使得螺线结构中间部分的线圈匝数受到更多影响，从而影响到该方法的整体效果。
因此，提供一种新型的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架及其绕制方法具有较高的实用价值和意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架及其绕制方法。
根据本发明提供的一种提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，适用于超导线圈的绕制，包括盖板和至少三个缠绕骨架；
所述超导线圈由超导带材在所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架上绕制形成；
所述盖板和缠绕骨架通过设定的安装结构，可拆卸地依次间隔设置，即每个缠绕骨架两侧均可拆卸地设置有盖板；
所述超导带材绕制在缠绕骨架上形成设定形状结构的超导线圈。
优选地，所述缠绕骨架包括第一角度环和第二角度环；所述第一角度环和第二角度环对称地设置在所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架的两侧。
优选地，所述第一角度环和第二角度环的形状结构包括设定尺寸的圆台环，并且通过该圆台环的顶面、底面分别与盖板可拆卸地相连；
其中，所述圆台环是指由前驱平面图形以设定的对称轴旋转360°得到的几何体；所述前驱平面图形包括与对称轴成设定角度、距对称轴设定距离的平面四边形。
优选地，所述第一角度环和第二角度环的形状结构包括设定尺寸的圆台环，并且通过该圆台环的顶面、底面分别与盖板可拆卸地相连；
其中，所述圆台环是指由前驱平面图形以设定的对称轴旋转360°得到的几何体；所述前驱平面图形包括将N条边替换为设定曲线的、与对称轴成设定角度、距对称轴设定距离的平面四边形，N为不大于4、不小于1的整数。
优选地，所述设定的安装结构包括骨架主体圆柱；
所述第一角度环、第二角度环以及盖板均套设在骨架主体圆柱上，实现可拆卸地连接。
优选地，所述设定的安装结构包括骨架主体圆柱，并且
-相邻的盖板之间设置有第一角度环或第二角度环；或者
-相邻的盖板通过骨架主体圆柱上设定结构以设定距离固定，相邻的盖板间不包括其他结构。
优选地，在忽略盖板的状态下，所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架的外沿形状，即缠绕骨架和/或骨架主体圆柱的外沿形状满足设定的外沿条件。
优选地，所述外沿条件通过如下步骤计算得到：
外沿条件计算步骤：根据设定的应用要求设计超导线圈的初始参数，并根据该超导线圈的初始参数通过有限元仿真的方法计算得到外沿条件。
优选地，所述外沿条件计算步骤包括如下子步骤：
步骤1：根据设定的应用要求设计超导线圈的几何尺寸和匝数，并设定初始外沿条件；
步骤2：通过超导线圈的几何尺寸和匝数，以有限元仿真的方法得到总磁场与超导带材的矢量夹角；
步骤3：依次调整各处初始外沿条件，使得外沿角度与对应的磁场平行，直至得到最终的外沿条件。
根据本发明提供的一种提高超导线圈临界电流的线圈绕制方法，利用上述的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，包括：
骨架拆卸步骤：拆卸盖板和缠绕骨架，直至所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架一端尽头的待绕制区域暴露；
线圈绕制步骤：在暴露的待绕制区域使用设定的超导带材绕制设定的匝数；
骨架安装步骤：待绕制区域的超导带材绕制完成后，安装对应的盖板和缠绕骨架，形成另一待绕制区域并暴露；
重复安装步骤：重复线圈绕制步骤和骨架安装步骤直至全部线圈绕制完毕；
绕制完成步骤：安装剩余的盖板，完成绕制。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，具有结构简单，成本低，绕制效率高的优点；
2、本发明提供的提高超导线圈临界电流的线圈绕制方法，可以有效的减小带材面对的磁场垂直分量，从而提高超导线圈的临界电流，为超导线圈提供更大的工作电流值；
3、本发明提供的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架及其绕制方法，在需要保证一定工作电流的要求下，可以节约超导带材用量，降低超导线圈成本；
4、本发明提供的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架及其绕制方法，不会影响到超导线圈产生的整体磁场分布，不对其实际应用造成额外的限制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架的原理示意图；
图2为本发明提供的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架的结构示意图；
图3为本发明提供的提高超导线圈临界电流的线圈绕制方法得到的线圈结构示意图。
图中示出：
盖板1
骨架主体圆柱2
第一角度环3
第二角度环4
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，适用于超导线圈的绕制，包括盖板1和至少三个缠绕骨架；所述超导线圈由超导带材在所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架上绕制形成；所述盖板1和缠绕骨架通过设定的安装结构，可拆卸地依次间隔设置，即每个缠绕骨架两侧均可拆卸地设置有盖板1；
所述超导带材绕制在缠绕骨架上形成设定形状结构的超导线圈。优选地，所述缠绕骨架包括第一角度环3和第二角度环4；所述第一角度环3和第二角度环4对称地设置在所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架的两侧。所述第一角度环3和第二角度环4的形状结构包括设定尺寸的圆台环，并且通过该圆台环的顶面、底面分别与盖板1 可拆卸地相连；其中，所述圆台环是指由前驱平面图形以设定的对称轴旋转360°得到的几何体；所述前驱平面图形包括将N条边替换为设定曲线的、与对称轴成设定角度、距对称轴设定距离的平面四边形，N为不大于4、不小于1的整数。
具体地，所述设定的安装结构包括骨架主体圆柱2；所述第一角度环3、第二角度环4以及盖板1均套设在骨架主体圆柱2上，实现可拆卸地连接。所述设定的安装结构包括骨架主体圆柱2，并且
-相邻的盖板1之间设置有第一角度环3或第二角度环4；或者
-相邻的盖板1通过骨架主体圆柱2上设定结构以设定距离固定，相邻的盖板1间不包括其他结构。
在忽略盖板1的状态下，所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架的外沿形状，即缠绕骨架和/或骨架主体圆柱2的外沿形状满足设定的外沿条件。所述外沿条件通过如下步骤计算得到：
外沿条件计算步骤：根据设定的应用要求设计超导线圈的初始参数，并根据该超导线圈的初始参数通过有限元仿真的方法计算得到外沿条件。
所述外沿条件计算步骤包括如下子步骤：
步骤1：根据设定的应用要求设计超导线圈的几何尺寸和匝数，并设定初始外沿条件；
步骤2：通过超导线圈的几何尺寸和匝数，以有限元仿真的方法得到总磁场与超导带材的矢量夹角；
步骤3：依次调整各处初始外沿条件，使得外沿角度与对应的磁场平行，直至得到最终的外沿条件。
根据本发明提供的一种提高超导线圈临界电流的线圈绕制方法，利用上述的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，包括：
骨架拆卸步骤：拆卸盖板1和缠绕骨架，直至所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架一端尽头的待绕制区域暴露；
线圈绕制步骤：在暴露的待绕制区域使用设定的超导带材绕制设定的匝数；
骨架安装步骤：待绕制区域的超导带材绕制完成后，安装对应的盖板1和缠绕骨架，形成另一待绕制区域并暴露；
重复安装步骤：重复线圈绕制步骤和骨架安装步骤直至全部线圈绕制完毕；
绕制完成步骤：安装剩余的盖板1，完成绕制。
进一步地，在高温超导线圈的实际应用中，其临界电流大小是一个十分重要的参数。然而，临界电流的磁场依赖性使得超导线圈整体产生的磁场会导致线圈临界电流地下降，其中线圈临界电流实际是由线圈中受磁场影响导致临界电流下降最严重的超导带材部分决定的。由于第二代高温超导材料REBCO中，高角度晶体边界会减低临界电流密度。为了最小化晶体边界的障碍，现有制造出的二代高温超导材料均为扁带状的高横纵比几何结构，具有着很强的超导各向异性。因此，垂直于带材宽表面的外部磁场会对带材临界电流产生最为明显的影响。
由于第二代高温超导带材均为扁带结构，宽度为一般为4～12mm，其机械特决定了非平面弯转难以实现，并且会降低临界电流。然而随着制备原理和工艺的发展，超导带材在同等宽度下可以获得更大的临界电流，考虑到原有的临界电流大小已经可以满足很多高温超导应用场合的要求，我们提出使用宽度减小到1～2mm的二代高温超导带材宽度。这使得超导带材的非平面弯转应用成为可能。
本发明优选例可以有效的减小带材面对的磁场垂直分量，从而提高超导线圈的临界电流，为超导线圈提供更大的工作电流值。同时，在需要保证一定工作电流的要求下，本发明也可以节约超导带材用量，降低成本。
更进一步地，本发明优选例主要是在现有第二代高温超导带材绕制线圈的基础上，针对其临界电流在磁场影响下的减小现象，提出了一种新型线圈结构。该结构能够有效的削弱磁场对临界电流的影响，提高超导线圈的整体临界电流，使得同等匝数设计的超导线圈能够在更大的工作电流下运行，解决线圈中垂直磁场对超导带材的严重影响，减少带材用量，降低线圈应用成本。
其中相关的名词解释如下：
临界电流：超导体中流过电流时，超导体处于超导态并保持无阻的情况存在一电流上限，这一使超导体失去超导特性的电流临界值，被称为临界电流。
磁场依赖性：超导体的临界电流受到外部磁场的显著影响。随着外部磁场的增大，临界电流会明显降低，这一现象被称为磁场依赖性。
本发明优选例的主要技术方案是：
(1)现阶段，高温超导材料在超导电机、超导磁悬浮、超导电力设备等方面都有着很大的应用潜力。在这些应用中，超导材料的主要应用形式为制造产生高质量磁场并且低损耗的超导线圈。而在这一过程中，需要通过电磁计算，确定超导线圈几何尺寸和匝数，从而产生具体应用设计所需的磁场分布及幅值。
(2)如图1所示，利用有限元仿真方法得出对应线圈的磁场分布。可以看出线圈端部磁场有明显的垂直于超导带材的分量。根据仿真分析结果确定总磁场与超导带材的矢量夹角。
(3)为实现新型线圈绕制，使非平面弯转的超导带材部分可被良好固定，根据磁场矢量夹角度数为新型线圈骨架设计制造“角度环”组件。角度环内径与骨架线圈容纳处圆柱部分的直径相同，角度环的倾斜角度决定了带材的非平面弯转角度。通过打开相应盖板，将角度环套入骨架主体圆柱部分，最终得到用于绕制新型线圈的骨架如图2所示。针对实际应用要求涉及的弯转角度改变，只需通过改变角度环即可实现。
(4)使用角度环对线圈端部相应位置带材进行非平面弯转处理。超导带材具有一定的延展性，随着带材宽度的减小，非平面弯转所能实现的角度也有所增加。根据所需弯转角度，选择对应角度的角度环，将超导带材施加一定拉力沿角度环紧绕，实现非平面弯转。非平面玩转处理使得其对应磁场与带材平行，消除磁场中对带材临界电流影响最严重的垂直分量，使得带材上的磁场全部为平行分量。相应线圈结构的变化如图3所示。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，其特征在于，适用于超导线圈的绕制，包括盖板(1)和至少三个缠绕骨架；
所述超导线圈由超导带材在所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架上绕制形成；
所述盖板(1)和缠绕骨架通过设定的安装结构，可拆卸地依次间隔设置，即每个缠绕骨架两侧均可拆卸地设置有盖板(1)；
所述超导带材绕制在缠绕骨架上形成设定形状结构的超导线圈。
2.根据权利要求1所述的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，其特征在于，所述缠绕骨架包括第一角度环(3)和第二角度环(4)；所述第一角度环(3)和第二角度环(4)对称地设置在所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架的两侧。
3.根据权利要求2所述的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，其特征在于，所述第一角度环(3)和第二角度环(4)的形状结构包括设定尺寸的圆台环，并且通过该圆台环的顶面、底面分别与盖板(1)可拆卸地相连；
其中，所述圆台环是指由前驱平面图形以设定的对称轴旋转360°得到的几何体；所述前驱平面图形包括与对称轴成设定角度、距对称轴设定距离的平面四边形。
4.根据权利要求2所述的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，其特征在于，所述第一角度环(3)和第二角度环(4)的形状结构包括设定尺寸的圆台环，并且通过该圆台环的顶面、底面分别与盖板(1)可拆卸地相连；
其中，所述圆台环是指由前驱平面图形以设定的对称轴旋转360°得到的几何体；所述前驱平面图形包括将N条边替换为设定曲线的、与对称轴成设定角度、距对称轴设定距离的平面四边形，N为不大于4、不小于1的整数。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，其特征在于，所述设定的安装结构包括骨架主体圆柱(2)；
所述第一角度环(3)、第二角度环(4)以及盖板(1)均套设在骨架主体圆柱(2)上，实现可拆卸地连接。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，其特征在于，所述设定的安装结构包括骨架主体圆柱(2)，并且
-相邻的盖板(1)之间设置有第一角度环(3)或第二角度环(4)；或者
-相邻的盖板(1)通过骨架主体圆柱(2)上设定结构以设定距离固定，相邻的盖板(1)间不包括其他结构。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，其特征在于，在忽略盖板(1)的状态下，所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架的外沿形状，即缠绕骨架和/或骨架主体圆柱(2)的外沿形状满足设定的外沿条件。
8.根据权利要求7所述的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，其特征在于，所述外沿条件通过如下步骤计算得到：
外沿条件计算步骤：根据设定的应用要求设计超导线圈的初始参数，并根据该超导线圈的初始参数通过有限元仿真的方法计算得到外沿条件。
9.根据权利要求8所述的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，其特征在于，所述外沿条件计算步骤包括如下子步骤：
步骤1：根据设定的应用要求设计超导线圈的几何尺寸和匝数，并设定初始外沿条件；
步骤2：通过超导线圈的几何尺寸和匝数，以有限元仿真的方法得到总磁场与超导带材的矢量夹角；
步骤3：依次调整各处初始外沿条件，使得外沿角度与对应的磁场平行，直至得到最终的外沿条件。
10.一种提高超导线圈临界电流的线圈绕制方法，其特征在于，利用权利要求1至9中任一项所述的提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架，包括：
骨架拆卸步骤：拆卸盖板(1)和缠绕骨架，直至所述提高超导线圈临界电流的线圈绕制骨架一端尽头的待绕制区域暴露；
线圈绕制步骤：在暴露的待绕制区域使用设定的超导带材绕制设定的匝数；
骨架安装步骤：待绕制区域的超导带材绕制完成后，安装对应的盖板(1)和缠绕骨架，形成另一待绕制区域并暴露；
重复安装步骤：重复线圈绕制步骤和骨架安装步骤直至全部线圈绕制完毕；
绕制完成步骤：安装剩余的盖板(1)，完成绕制。
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