CN111415793B - 超导线圈装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种超导线圈装置及其制备方法。该装置包括：线基体，包括绕纵轴线螺旋缠绕的带状导体，带状导体的每圈均沿同一方向扭转180°；以及绕设于带状导体上的卷绕体，卷绕体沿带状导体的旋向缠绕并胶接于带状导体。该制备方法包括以下步骤：将带状导体沿螺旋方向绕设，且每圈的带状导体均扭转180°；将卷绕体缠绕于带状导体上置于容器中，注入环氧树脂；取出带状导体并清除多余的环氧树脂；在带状导体的两端并别焊接端盖；设置多个与端盖相连的支撑柱，得到超导线圈的半成品；将该半成品置于温控炉中凝胶、固化，即得超导线圈的成品。由此，增加超导线圈装置的机械稳定性，并减少其在受到外界干扰时的应变。
Description
技术领域
本公开涉及线圈制造技术领域，具体地，涉及一种超导线圈装置以及该超导线圈装置的制备方法。
背景技术
大规模的超导线圈主要是由复合材料组成，基于超导带材的特性可知，其机械性能较为脆弱，在受到弯曲、挤压或者伸展等微小形变时，容易影响超导带材的临界电流，致使该临界电流出现较为明显的下降，可能导致超导线圈的失超，进而影响整个超导储能磁体系统的正常运行。
发明内容
本公开的目的是提供一种超导线圈装置以及该超导线圈装置的制备方法，以减少在受到外界干扰时的应变。
为了实现上述目的，本公开提供一种超导线圈装置，包括：
线基体，包括绕纵轴线螺旋缠绕的带状导体，带状导体的每圈均沿同一方向扭转180°；以及
卷绕体，所述卷绕体绕设于所述带状导体上，并沿所述带状导体的旋向缠绕，且所述卷绕体胶接于所述带状导体。
可选择地，所述装置还包括：
端盖，所述端盖分别设置于所述带状导体的两端，所述带状导体分别连接于所述端盖；以及
支撑件，所述支撑件设置于所述带状导体的外周，并且分别连接所述端盖。
可选择地，所述支撑件包括多组沿平行于所述纵轴线的方向延伸的支撑柱，所述支撑柱可拆卸地连接于所述端盖。
可选择地，所述支撑柱至少为三组。
可选择地，所述带状导体包括分别抵接于所述端盖的带首端和带尾端，所述带首端的端部和所述带尾端的端部在竖直方向上的连线平行于纵轴线。
可选择地，所述带状导体的缠绕层数为偶数层。
可选择地，所述带状导体由镁铝合金材料制成；和/或，所述卷绕体为超导带材。
本公开还提供了一种如上述所述的超导线圈装置的制备方法，包括以下步骤：
将带状导体沿螺旋方向绕设，并且带状导体的每圈均沿同一方向扭转180°；
将卷绕体缠绕于所述带状导体上，并置于容器中；
向所述容器中注入环氧树脂并使环氧树脂完全没过所述带状导体，使带状导体的每圈之间以及带状导体与卷绕体之间的间隙中均填充满环氧树脂；
将所述带状导体从所述容器中取出，并在所述带状导体的两端并别设置端盖，使所述带状导体的带首端和带尾端分别焊接于所述端盖；
绕所述带状导体的周向方向间隔设置多个支撑柱，使所述支撑柱与所述端盖相连，得到超导线圈的半成品；
将该半成品置于温控炉中凝胶、固化，即得到超导线圈的成品。
可选择地，所述卷绕体的旋向与所述带状导体的旋向相同。
可选择地，半成品的凝胶温度75℃～85℃、凝胶时间为22～26h；固化温度为90℃～110℃、固化时间为10～14h。
通过上述技术方案，可以使带状导体的每圈均具有特殊的扭曲形状，避免了普通环带状结构长期单面工作造成带材的龟裂、蠕化变形的问题，从而避免疲劳失效。由此减少微小形变对超导线圈装置临界电流的影响，保证整个超导储能超导线圈装置系统能够正常运行。这种结构还有益于使带状导体的两面能够均匀分担外部的作用力，从而便于超导线圈物理性能的周期性恢复，继而均衡地减少超导线圈装置在受到外界干扰时的应变。
通过该制备方法制备超导线圈装置，可以使环氧树脂能够填满带状导体的每圈之间的间隙和带状导体与卷绕体之间的间隙，并通过凝胶、固化后，环氧树脂可以使卷绕体与带状导体能够较好的结合在一起，从而保证带状导体与卷绕体之间的相对位置，提高超导线圈装置的机械性能。其中，端盖和支撑柱的设置不仅有益于保持带状导体的相对位置，还便于安装于其它安装环境。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开提供的超导线圈装置在一种实施例中的结构示意图；
图2是本公开提供的超导线圈装置中线基体在一种实施例中的结构示意图；
图3是本公开提供的超导线圈装置中带状导体在一种实施例中的结构示意图；
图4是本公开提供的超导线圈装置中带状导体和卷绕体的结构示意图。
附图标记说明
1-带状导体，2-卷绕体，3-端盖，4-支撑柱。
具体实施方式
为使本公开实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施方式中的附图，对本公开实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本公开实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本公开的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本公开的范围，而是仅仅表示本公开的选定实施方式。基于本公开中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明公开产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，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公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本公开的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
根据本公开的第一方面，提供了一种超导线圈装置，图1至图4示出了其中一种具体实施方式。
该超导线圈装置包括：线基体，包括绕纵轴线螺旋缠绕的带状导体1，带状导体1的每圈均沿同一方向扭转180°；以及卷绕体2，所述卷绕体2绕设于所述带状导体1上，并沿所述带状导体1的旋向缠绕，且所述卷绕体2胶接于所述带状导体1。
对于带状导体1和卷绕体2而言，由于适当大小的拉伸应力很难保证这两者之间不留空隙，为防止通电应用时超导带材的机械扰动，在卷绕体2绕制完成后胶接于带状导体1，有益于使线圈形成一个整体，从而减少空隙，防止卷绕体2可能的运动，从而保证整个带状导体1与卷绕体2之间位置的可靠性，增加超导线圈装置的机械稳定性。
通过上述技术方案，可以使带状导体1的每圈均具有特殊的扭曲形状，避免了普通环带状结构长期单面工作造成带材的龟裂、蠕化变形的问题，从而避免疲劳失效。由此减少微小形变对超导线圈装置临界电流的影响，保证整个超导储能超导线圈装置系统能够正常运行。这种结构还有益于使带状导体1的两面能够均匀分担外部的作用力，从而便于超导线圈物理性能的周期性恢复，继而均衡地减少超导线圈装置在受到外界干扰时的应变。
如图1所述，在一种实施例，该超导线圈装置还包括：端盖3，所述端盖3分别设置于所述带状导体1的两端，所述带状导体1分别抵接于所述端盖3；以及支撑件，所述支撑件设置于所述带状导体1的外周，并且分别连接所述端盖3。这样，有益于保持带状导体1的螺旋结构，从而减少带状导体1发生龟裂、蠕化变形等问题几率，减少微小形变对超导线圈装置临界电流的影响，继而减少超导线圈装置在受到外界干扰时的应变。
在本公开提供的具体实施方式中，支撑件可以构造为任意合适的结构。
在一种实施例中，所述支撑件可以包括多组沿平行于所述纵轴线的方向延伸的支撑柱4，所述支撑柱4可拆卸地连接于所述端盖3，从而便于安装和拆卸。在本公开中，支撑柱4的两端设有螺柱，端盖3上设有与该螺柱相配合的螺纹孔，由此使支撑柱4通过螺接的方式连接于端盖3。在其它实施方式中，螺柱还可以通过卡接、插接等任意合适的可拆卸的连接方式连接于端盖3，本公开对此不做限制。
为便于更好的保持线基体的结构，所述支撑柱4的数量为至少三组，这样，可以使支撑柱4能够平稳地承载来自于带状导体1的横向载荷，继而减少带状导体1的微小形变，由此减少超导线圈装置在受到外界干扰时的应变。在本公开中，支撑柱4的数量为4组。在其它实施例中，支撑柱4的数量还可以是3组、5组等任意合适的数量，本领域技术人员可以根据带状导体1的直径而定，本公开对此不做限制。
需要说明的是，此处所述的“组”是指一根支撑柱为一组，在某些特殊应用场合，也可以是两根或者三根支撑柱为一组。
对于线基体的结构，可以结合图2至图4所示来进行理解。首先将一条子带状导体扭转180°，并大致围成莫比乌斯环，但注意该环的两端并不相连，并且使该环开放的一端上抬，另一端下压。按照此方式制备多个类似于莫比乌斯环的子带状导体。将其中一个子带状导体作为基准，然后将其它带状导体1与其相连，即，将带状导体1的略微上抬的上端与另一组带状导体1略微下压的下端相连，重复进行多次，即得到线基体。在此情况下，可以理解的是，带状导体1可以包含多个子带状导体。此处的子带状导体可以理解为带状导体的每圈。
而在另一种实施例中，也可以是将一根长的带状导体1沿螺旋方向设置，并且每旋转一周后扭转180°，从而使得带状导体1的每圈均有扭曲结构，从而保证超导线圈装置的机械稳定性。
在本公开中，如图1和图2所示，所述带状导体1包括分别抵接于所述端盖3的带首端和带尾端，所述带首端的端部和所述带尾端的端部在竖直方向上的连线平行于纵轴线。也即是说，如图2所示，带首端和带尾端在竖直方向是相平的。这样，有益于形成均衡且稳定的磁力。
在一种实施例中，如图1所示，所述带状导体1的缠绕层数为偶数层，这样，可以相邻的两圈带状导体1磁力线的闭合于外部，或者，相邻的两圈带状导体1磁力线方向相反而抵消磁力，或者，使得磁力能够进入其它线圈的内部，从而加强其它线圈内部的磁场，从而减少在受到外界干扰时对超导线圈装置临界电流的影响。
镁铝合金具有密度小，强度高、刚性和韧性较好的特点，同时兼具有较高的减震性。作为一种选择，所述带状导体1可以由镁铝合金材料制成。这样，可以减少长期单面工作造成带材的龟裂、蠕化变形的问题，从而避免疲劳失效。由此减少微小形变对超导线圈装置临界电流的影响。
由于高温超导带材具有临界转变温度(Tc)，需在液氮温度条件下工作。在本公开提供的一种实施例中，所述卷绕体2为超导带材。具体地，卷绕体2可以为第一代超导带材，即Bi-2223超导带材。Bi2223超导带材具有高的临界电流密度和机械性能，而且损耗低，以此作为卷绕体，可以提高该超导线圈装置的稳定性。当然，卷绕体2也可以为第二代超导带材，具体地，为YBCO超导带材，该材料的各向异性较弱，具有横好的磁场特性和机械特性，有益于减少微小形变对超导线圈装置临界电流的影响，保证整个超导储能超导线圈装置系统能够正常运行。
根据本公开的第二方面，提供了一种超导线圈装置的制备方法。
该超导线圈装置的制备方法包括以下步骤：将带状导体1沿螺旋方向绕设，并且带状导体1的每圈均沿同一方向扭转180°；将卷绕体2缠绕于所述带状导体1上，并置于容器中，注入环氧树脂并使环氧树脂完全没过所述带状导体1，使得各层带状导体1、带状导体1与卷绕体2之间的间隙中均填充满环氧树脂；将所述带状导体1从所述容器中取出，清除所述带状导体1和所述卷绕体2表面多余的环氧树脂；在所述带状导体1的两端并别设置端盖3，并使带状导体1的带首端和带尾端分别焊接于所述端盖3，绕所述带状导体1的周向方向间隔设置多个支撑柱4，得到超导线圈的半成品；将该半成品置于温控炉中凝胶、固化，即得到超导线圈的成品。
通过上述技术方案，可以使环氧树脂能够填满带状导体的每圈1之间的间隙和带状导体1与卷绕体2之间的间隙，并通过凝胶、固化后，环氧树脂可以使卷绕体2与带状导体1能够较好的结合在一起，从而保证带状导体1与卷绕体2之间的相对位置，提高超导线圈装置的机械性能。其中，端盖3和支撑柱4的设置不仅有益于保持带状导体1的相对位置，还便于安装于其它安装环境。
在本公开提供的实施例中，所述卷绕体2的旋向与所述带状导体1的旋向相同，可便于缠绕卷绕体2。
另外，作为一种选择，可以是半成品的凝胶温度为75℃、凝胶时间为22h；固化温度为90℃、固化时间可以为10h。作为再一种选择，也可以是半成品的凝胶温度为80℃、凝胶时间为24h；固化温度为100℃、固化时间可以为12h。此外，还可以是半成品的凝胶温度为85℃、凝胶时间为26h；固化温度为110℃、固化时间为14h。本领域技术人员可以根据实际需求灵活设置，本公开对此不做限制。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (8)
1.一种超导线圈装置，其特征在于，包括：
线基体，包括绕纵轴线螺旋缠绕的带状导体（1），带状导体（1）的每圈均沿同一方向扭转180°，所述带状导体（1）由镁铝合金材料制成；以及
卷绕体（2），所述卷绕体（2）绕设于所述带状导体（1）上，并沿所述带状导体（1）的旋向缠绕，且所述卷绕体（2）胶接于所述带状导体（1），所述卷绕体（2）为超导带材；
其中，所述装置还包括：
端盖（3），所述端盖（3）分别设置于所述带状导体（1）的两端，所述带状导体（1）的两端分别连接于所述端盖（3）；以及
支撑件，所述支撑件设置于所述带状导体（1）的外周，并且所述支撑件的两端分别连接所述端盖（3）。
2.根据权利要求1所述的超导线圈装置，其特征在于，所述支撑件包括多组沿平行于所述纵轴线的方向延伸的支撑柱（4），所述支撑柱（4）可拆卸地连接于所述端盖（3）。
3.根据权利要求2所述的超导线圈装置，其特征在于，所述支撑柱（4）至少为三组。
4.根据权利要求1所述的超导线圈装置，其特征在于，所述带状导体（1）包括分别抵接于所述端盖（3）的带首端和带尾端，所述带首端的端部和所述带尾端的端部在竖直方向上的连线平行于纵轴线。
5.根据权利要求1所述的超导线圈装置，其特征在于，所述带状导体（1）的缠绕层数为偶数层。
6.一种如权利要求1~5中任一项所述的超导线圈装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将带状导体（1）沿螺旋方向绕设，并且带状导体（1）的每圈均沿同一方向扭转180°；
将卷绕体（2）缠绕于所述带状导体（1）上，并置于容器中；
向所述容器中注入环氧树脂并使环氧树脂完全没过所述带状导体（1），使带状导体（1）的每圈之间以及带状导体（1）与卷绕体（2）之间的间隙中均填充满环氧树脂；
将所述带状导体（1）从所述容器中取出，并在所述带状导体（1）的两端并别设置端盖（3），使所述带状导体（1）的带首端和带尾端分别焊接于所述端盖（3）；
绕所述带状导体（1）的周向方向间隔设置多个支撑柱（4），使所述支撑柱（4）与所述端盖（3）相连，得到超导线圈的半成品；
将该半成品置于温控炉中凝胶、固化，即得到超导线圈的成品。
7.根据权利要求6所述的超导线圈装置的制备方法，其特征在于，所述卷绕体（2）的旋向与所述带状导体（1）的旋向相同。
8.根据权利要求6所述的超导线圈装置的制备方法，其特征在于，半成品的凝胶温度75℃~85℃、凝胶时间为22~26h；固化温度为90℃~110℃、固化时间为10~14h。
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