CN112038036A - 一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈及绕制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高温超导技术领域，具体涉及一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈及绕制方法，包括若干个结构相同的D形磁体，所有D形磁体的竖直部分位于聚变堆环向场磁体系统中心，且成圆形均匀布置，D形磁体成放射状对称排列；绕制方法包括制备骨架、制备导体，首先确定导体扭转角度后分别计算截面上各个导体的扭转角度，标记绕制方向，将导体放置于嵌入骨架和连接骨架连接面上的半圆形槽道包围的部分。引入具有共垂面换位特征的导体，对磁体中不同磁场区的导体扭转角度进行单独设计，使磁体能够充分利用第二代高温超导带材在平行场下的高载流能力，极大的减少高温超导带材材料用量，降低磁体建造成本。
Description
技术领域
本发明属于高温超导技术领域，具体涉及一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈及绕制方法。
背景技术
高温超导带材拥有远高于低温超导的运行温度和和临界磁场，为建造强磁场磁体提供了更好的选择，例如用于建造聚变堆磁体、加速器磁体和探测器磁体等。高温超带材的临界电流具有显著的各向异性，当磁场方向平行于带面时临界电流最大，当磁场方向垂直于带面时临界电流最小，二者相差数倍且差异随磁场增加而增大。
对于非稳态运行的高温超导磁体，需要对高温超导电缆进行换位绞制，以此来降低电缆的交流损耗，而普通结构的高温超导电缆在绞制时对带材进行了充分的旋转，带材带面法线随带材长度方向时刻变化，一般难以使所有带材法线都始终与磁场方向垂直，因此很难充分利用所有带材的载流能力，经济性很差。专利CN 110246625 A、CN 110706860 A是典型的卢瑟福电缆，高温超堆叠矩形、圆形股线以一定角度进行空间换位，股线内带材带面在一个周期内旋转360°，当将该类电缆用于绕制磁体时，所有带材都将存在带面法线与磁场平行的部位，导致只能利用带材的最小临界电流。因此充分利用高温超导带材平行场下的载流能力，将极大的节省第二代高温超导带材的用量，降低强磁场高温超导磁体的建造成本。
专利CN 105637592 A提到高温超导磁体绕组的每条带材面基本上平行于磁场，同时堆叠的带材也需要进行扭转和绞合，但专利并未给出具体的、可执行的方法。随着高温超导带材临界电流的提升和分切技术的发展，利用高温超导窄带制作直径较小的圆形导体成为现实，其弯曲性能接近于同直径铜线，可充分利用该优点绕制具有共垂面换位特点的电缆，以此来设计制造高温超导强磁场磁体绕组，能够充分利用第二代高温超导带材平行场下的载流能力，从而极大降低强磁场高温超导磁体的建造成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈及绕制方法，旨在弥补当前高温超导强磁场磁体绕组的带材载流能力利用率低的缺点。
本发明的技术方案如下：
一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈，包括若干个结构相同的D形磁体，所有D形磁体的竖直部分位于聚变堆环向场磁体系统中心，且成圆形均匀布置，D形磁体成放射状对称排列；
所述的D形磁体的截面为矩形，D形磁体由外形为D形的骨架和位于骨架内部的与骨架弯曲方向一致的若干个导体组成；
所述的导体在骨架内部的截面方向呈矩阵式排列；
所述的骨架内顺着D形弯曲的方向加工半圆形槽道，半圆形槽道的半径与导体截面圆半径相适配；
所述的半圆形槽道内壁加工定位槽；所述的导体表面设有定位边条；定位槽与定位边条相配合，使得导体放置于半圆形槽道内。
所述的骨架沿着D形的方向分为若干个部分，包括嵌入骨架和连接骨架；每部分嵌入骨架和其内部嵌入的这些导体共同组成一个双饼线圈；双饼线圈之间即为连接骨架。
所述的嵌入骨架和连接骨架的连接面顺着D形弯曲的方向加工半圆形槽道，嵌入骨架和连接骨架的连接起来，导体位于两部分骨架连接面上的半圆形槽道包围的部分。
位于边缘的连接骨架外侧表面是光滑的，即为D形磁体的表面。
所述的D形磁体分为3部分，即有3个双饼线圈，相邻双饼线圈之间通过连接骨架连接，每个双饼线圈嵌入两排导体。
所述的导体包括内部的电缆骨架、缠绕在电缆骨架外部的股线和包围的股线外部的金属护套，所述的金属护套的外壁上加工定位边条。
所述的股线包括包覆金属和内部的带材，带材为高温超导材料制成的堆叠导体。
所述的高温超导材料为第二代高温超导REBCO。
所述的带材规格为宽度1-5mm，厚度0.05-0.2mm。
股线的包覆金属材料为锡、铅、锡铅合、金、铝、或者铜。
一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈绕制方法，包括如下步骤：
步骤1、制备骨架
加工截面为矩形的D形骨架；
将骨架沿着D形的方向分为嵌入骨架和连接骨架；
嵌入骨架和连接骨架的连接面顺着D形弯曲的方向加工半圆形槽道；
步骤2、制备导体
2.1首先确定导体扭转角度
利用D形线圈体积空间内的磁场位形计算线圈绕制时导体扭转的角度，计算多个截面上的磁场方向下的扭转角度，截面之间的间距取线圈截面边长的5倍；
2.2然后分别计算截面上各个导体的扭转角度
以截面上导体的中心为原点，以骨架的半圆形槽顶点连线为Xc轴，截面上Xc轴的垂线为Yc轴，导体的中轴线为Zc轴，建立子坐标轴；
根据截面上导体的坐标计算子坐标与磁场位形主坐标轴X，Y，Z的夹角
利用
计算子坐标系下的磁场分量BXc，BYc，BZc；
其中BX，BY，BZ是磁场位形主坐标系下的磁场分量；
利用θ＝atan(BYc/BXc)求得当前位置导体的扭转角度θ；
重复步骤2.2的以上过程，计算出每个截面上不同位置的导体的扭转角度；
步骤3、标记绕制方向
3.1根据步骤2.2所求扭转角度，将同一导体在不同位置的截面上的扭转角度标记在骨架的半圆形槽弧面上，并将各标记点连接形成一条平滑曲线，最后根据平滑曲线位置在半圆形槽上加工出定位槽；
3.2导体浸入液氮中，在垂直于高温超导长度方向上施加1T背景磁场，然后向导体通入电流至临界，临界后将电流退至零；
3.3将导体旋转5～8°，重复上述步骤3.2，直到将导体旋转90°，最后将最大临界电流的角度位置标记在导体表面；
将各截面的标记点连接形成一条平滑曲线，最后根据平滑曲线位置在导体表面焊接出定位边条；
步骤4将导体放置于嵌入骨架和连接骨架连接面上的半圆形槽道包围的部分；
4.1选取单个加工有定位槽的骨架，将带有定位边条的导体绕制到骨架的半圆形槽当中，并使定位边条准确嵌入定位槽；在嵌入骨架绕制两排导体后形成单个高温超导双饼线圈；
4.2将多个双饼线圈通过连接骨架并行安装形成完整高温超导线圈。
所述的步骤3.2中，临界判据为1uV/cm。
所述的步骤3.3中，以导体直径20倍间距，测定导体的最大临界电流角度，并标记在导体表面。
本发明的显著效果如下：
与现有技术手段相比，本发明的有益效果为：
1.在设计强磁高温超导磁体线圈时，引入具有共垂面换位特征的导体，对磁体中不同磁场区的导体扭转角度进行单独设计，使磁体能够充分利用第二代高温超导带材在平行场下的高载流能力，极大的减少高温超导带材材料用量，降低磁体建造成本。
2.线圈采用多个双饼线圈并行组装，在双饼骨架中开半圆槽，使得绕制线圈时导体能够得到必要的扭转，以保持导体带面与其所在区域磁场保持平行或具有最小夹角。
通过磁场分析在双饼骨架的半圆槽中设置定位槽，通过测试在导体表面设置定位边条，通过定位槽和定位边条充分保证绕制过程中导体内的带材平面按照预期方向排列，以保持导体内的超导带材带面与其所在区域磁场保持平行或具有最小夹角。
附图说明
图1为聚变堆环向场磁体系统磁体线圈示意图；
图2a为D形磁体的截面示意图；
图2b为骨架分布以及双饼线圈示意图；
图2c为骨架分布以及双饼线圈的截面方向示意图；
图3为导体示意图；
图4为股线示意图；
图5为截面上的导体扭转角度示意图；
图中：1.聚变堆环向场磁体系统；2.D形磁体；3.截面；4.双饼线圈；5.骨架；5-1.半圆形槽；5-2.定位槽；6.导体；6-1定位边条；7.股线；8.带材；9.电缆骨架；10.金属护套。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，聚变堆环向场磁体系统1的磁体线圈由16个结构相同的D形磁体2对称排列构成。
如图2a、图2b和图2c所示的D形磁体2的内部结构。
D形磁体2的截面3为矩形，D形磁体2由外形为D形的骨架5和位于骨架5内部的与骨架5弯曲方向一致的若干个导体6组成。
导体6在骨架5内部的截面方向呈矩阵式排列。导体6之间的部分也为骨架5，即导体6嵌入骨架5内部。
为了将导体6固定于骨架5内，将骨架1沿着D形的方向分为若干个部分，包括嵌入骨架和连接骨架。
每部分嵌入骨架和其内部嵌入的这些导体6共同组成一个双饼线圈4。双饼线圈4之间即为连接骨架。
上述的嵌入骨架和连接骨架的连接面顺着D形弯曲的方向加工半圆形槽道5-1，半圆形槽道5-1的半径与导体6截面圆半径相适配，使得两部分骨架连接起来，导体6能够位于两部分骨架连接面上的半圆形槽道5-1包围的部分。
当然位于边缘的连接骨架外侧表面是光滑的，即为D形磁体2的表面。
本实施例中如图2a所示，D形磁体2分为3部分，即有3个双饼线圈4，相邻双饼线圈4之间通过连接骨架连接。每个双饼线圈4嵌入两排导体6。
如图3所示，导体6即为高温超导电缆，其包括内部的电缆骨架9和缠绕在电缆骨架9外部的股线7，以及包围的股线7外部的金属护套10，金属护套10的外壁上加工定位边条6-1。
如图4所示，股线7包括包覆金属和内部的带材8，带材8的层数为5-50层。
带材8为高温超导材料制成的堆叠导体，带材8规格为宽度1-5mm，厚度0.05-0.2mm。带材8选择为第二代高温超导材料(REBCO)，规格为宽度1-5mm，厚度0.05-0.2mm。
股线4的包覆金属材料为锡、铅、锡铅合、金、铝或者铜。
在上述的半圆形槽道5-1内壁加工定位槽5-2，用于绕制线圈时匹配导体6表面定位边条6-1。
半圆形槽道5-1是在定位导体6的同时实现绕制导体6扭转，使其内部高温超导带材8带面方向与所处位置磁场平行或具有最小夹角。
半圆形槽道5-1内壁开有定位槽5-2，用于绕制线圈时匹配导体6表面定位边条6-1。
通过设置定位槽5-2和定位边条6-1能够保证绕制高温超导线圈时，导体6内部的高温超导带材8带面按预期方向排列。
按照上述结构，本实施例绕制形成D形线圈的步骤如下：
步骤1、制备骨架
加工截面为矩形的D形骨架1；
将骨架1沿着D形的方向分为若干个部分，包括嵌入骨架和连接骨架；
嵌入骨架和连接骨架的连接面顺着D形弯曲的方向加工半圆形槽道5-1；
在半圆形槽道5-1内壁加工定位槽5-2；
步骤2、制备导体6
2.1首先确定导体扭转角度
本方案实施的必要输入数据是已根据聚变堆磁体磁场位形要求，设计并分析获得的D形线圈2体积空间内的磁场位形。利用D形线圈2体积空间内的磁场位形计算线圈绕制时导体6扭转的角度。导体6沿绕制方向扭转的角度通过计算多个截面上的磁场方向获得，截面之间的间距取线圈截面边长的5倍。此部分是成熟的现有技术。
本实施例扭转角度取0-90°；
2.2然后分别计算截面3上各个导体6的扭转角度
如图2b和图5所示，以截面3上导体6的中心为原点上，以骨架5的半圆形槽顶点连线为Xc轴，截面3上Xc轴的垂线为Yc轴，导体6的中轴线为Zc轴，建立子坐标轴。
根据截面上导体6的坐标计算子坐标与磁场位形主坐标轴X，Y，Z的夹角
利用
计算子坐标系下的磁场分量BXc，BYc，BZc；
其中BX，BY，BZ是磁场位形主坐标系下的磁场分量。
利用θ＝atan(BYc/BXc)求得当前位置导体6的扭转角度θ。
重复步骤2.2的以上过程，计算出每个截面3上不同位置的导体6的扭转角度。
步骤3、标记绕制方向
3.1根据步骤2.2所求扭转角度，将同一导体6在不同位置的截面3上的扭转角度标记在骨架5的半圆形槽弧面上，并将各标记点连接形成一条平滑曲线，最后根据平滑曲线位置在半圆形槽5-1上加工出定位槽5-2。
3.2导体6浸入液氮中，在垂直于高温超导长度方向上施加1T背景磁场，然后向导体6通入电流至临界，临界后将电流退至零，临界判据为1uV/cm。
3.3将导体旋转5°，重复上述步骤3.2，直到将导体旋转90°，最后将最大临界电流的角度位置标记在导体表面。
以导体6直径20倍间距，测定导体的最大临界电流角度，并标记在导体表面。将各标记点连接形成一条平滑曲线，最后根据平滑曲线位置在导体6表面焊接出定位边条6-1。
步骤4将导体6放置于嵌入骨架和连接骨架连接面上的半圆形槽道5-1包围的部分；
4.1选取单个加工有定位槽的骨架5，将带有定位边条导体6绕制到骨架5的半圆形槽5-1当中，并使定位边条6-1准确嵌入定位槽5-2。在骨架5上绕制完两侧导体6后形成单个高温超导双饼线圈4。
4.2将多个高温超导双饼线圈4通过连接骨架并行安装形成完整高温超导线圈。由于定位槽5-2角度各不相同，并行安装时双饼线圈4的定位槽角度必须与2.2中计算位置一一对应。
定位槽5-2和定位边条6-1相配合，使得导体6内部的高温超导带材8带面按预期方向排列。
Claims (13)
1.一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈，其特征在于：包括若干个结构相同的D形磁体(2)，所有D形磁体(2)的竖直部分位于聚变堆环向场磁体系统中心，且成圆形均匀布置，D形磁体(2)成放射状对称排列；
所述的D形磁体(2)的截面3为矩形，D形磁体(2)由外形为D形的骨架(5)和位于骨架(5)内部的与骨架(5)弯曲方向一致的若干个导体(6)组成；
所述的导体(6)在骨架(5)内部的截面方向呈矩阵式排列；
所述的骨架(5)内顺着D形弯曲的方向加工半圆形槽道(5-1)，半圆形槽道(5-1)的半径与高温超导导体(6)截面圆半径相适配；
所述的半圆形槽道(5-1)内壁加工定位槽(5-2)；所述的导体(6)表面设有定位边条(6-1)；定位槽(5-2)与定位边条(6-1)相配合，使得导体(6)放置于半圆形槽道(5-1)内。
2.如权利要求1所述的一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈，其特征在于：所述的骨架(1)沿着D形的方向分为若干个部分，包括嵌入骨架和连接骨架；每部分嵌入骨架和其内部嵌入的这些导体(6)共同组成一个双饼线圈(4)；双饼线圈(4)之间即为连接骨架。
3.如权利要求2所述的一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈，其特征在于：所述的嵌入骨架和连接骨架的连接面顺着D形弯曲的方向加工半圆形槽道(5-1)，嵌入骨架和连接骨架的连接起来，导体(6)位于两部分骨架连接面上的半圆形槽道(5-1)包围的部分。
4.如权利要求3所述的一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈，其特征在于：位于边缘的连接骨架外侧表面是光滑的，即为D形磁体(2)的表面。
5.如权利要求3所述的一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈，其特征在于：所述的D形磁体(2)分为3部分，即有3个双饼线圈(4)，相邻双饼线圈(4)之间通过连接骨架连接，每个双饼线圈(4)嵌入两排导体(6)。
6.权利要求3所述的一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈，其特征在于：所述的导体(6)包括内部的电缆骨架(9)、缠绕在电缆骨架(9)外部的股线(7)和包围的股线(7)外部的金属护套(10)，所述的金属护套(10)的外壁上加工定位边条(6-1)。
7.权利要求6所述的一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈，其特征在于：所述的股线(7)包括包覆金属和内部的带材(8)，带材(8)为高温超导材料制成的堆叠导体。
8.权利要求7所述的一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈，其特征在于：所述的高温超导材料为第二代高温超导材料REBCO。
9.权利要求7所述的一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈，其特征在于：所述的带材(8)规格为宽度1-5mm，厚度0.05-0.2mm。
10.权利要求7所述的一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈，其特征在于：股线(4)的包覆金属材料为锡、铅、锡铅合、金、铝或者铜。
11.一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈绕制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、制备骨架
加工截面为矩形的D形骨架(1)；
将骨架(1)沿着D形的方向分为嵌入骨架和连接骨架；
嵌入骨架和连接骨架的连接面顺着D形弯曲的方向加工半圆形槽道5-1；
步骤2、制备导体(6)
2.1首先确定导体扭转角度
利用D形线圈(2)体积空间内的磁场位形计算线圈绕制时导体(6)扭转的角度，计算多个截面(3)上的磁场方向下的扭转角度，截面(3)之间的间距取线圈截面边长的5倍；
2.2然后分别计算截面(3)上各个导体(6)的扭转角度
以截面(3)上导体(6)的中心为原点，以骨架(5)的半圆形槽顶点连线为Xc轴，截面(3)上Xc轴的垂线为Yc轴，导体(6)的中轴线为Zc轴，建立子坐标轴；
根据截面上导体(6)的坐标计算子坐标与磁场位形主坐标轴X，Y，Z的夹角
利用
计算子坐标系下的磁场分量BXc，BYc，BZc；
其中BX，BY，BZ是磁场位形主坐标系下的磁场分量；
利用θ＝atan(BYc/BXc)求得当前位置导体(6)的扭转角度θ；
重复步骤2.2的以上过程，计算出每个截面(3)上不同位置的导体(6)的扭转角度；
步骤3、标记绕制方向
3.1根据步骤2.2所求扭转角度，将同一导体(6)在不同位置的截面3上的扭转角度标记在骨架(5)的半圆形槽弧面上，并将各标记点连接形成一条平滑曲线，最后根据平滑曲线位置在半圆形槽(5-1)上加工出定位槽(5-2)；
3.2导体(6)浸入液氮中，在垂直于高温超导长度方向上施加1T背景磁场，然后向导体(6)通入电流至临界，临界后将电流退至零；
3.3将导体(6)旋转5～8°，重复上述步骤3.2，直到将导体(6)旋转90°，最后将最大临界电流的角度位置标记在导体(6)表面；
将各截面的标记点连接形成一条平滑曲线，最后根据平滑曲线位置在导体(6)表面焊接出定位边条(6-1)；
步骤4将导体(6)放置于嵌入骨架和连接骨架连接面上的半圆形槽道5-1包围的部分；
4.1选取单个加工有定位槽(5-2)的骨架(5)，将带有定位边条(6-1)的导体(6)绕制到骨架(5)的半圆形槽(5-1)当中，并使定位边条(6-1)准确嵌入定位槽(5-2)；在嵌入骨架绕制两排导体(6)后形成单个双饼线圈(4)；
4.2将多个双饼线圈(4)通过连接骨架并行安装形成完整高温超导线圈。
12.如权利要求11所述的一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈绕制方法，其特征在于：所述的步骤3.2中，临界判据为1uV/cm。
13.如权利要求11所述的一种聚变堆环向场高温超导磁体线圈绕制方法，其特征在于：所述的步骤3.3中，以导体(6)直径20倍间距，测定高温超导导体的最大临界电流角度，并标记在高温超导导体表面。
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