CN112133515A - 一种超导线圈绝缘支架及超导线圈与绕制方法 - Google Patents

一种超导线圈绝缘支架及超导线圈与绕制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超导线圈绝缘支架及超导线圈与绕制方法，属于超导线圈技术领域。超导线圈绝缘支架包括芯轴以及布置在芯轴外周面上的至少两个骨架组；每个骨架组内设有布置在同一平面内的至少两个骨架，相邻的骨架间隔布置，用于绕制超导线圈的超导带材通过；不同的骨架组所在平面相互交叉，交叉线穿过所述芯轴。进一步，所述芯轴沿轴向设有贯通的内腔，且沿径向设有芯轴通孔；所述骨架的端面上设有骨架通孔。相互交叉设置的骨架使超导线圈的绕组呈交叉状，增大绕组与液氮的接触面积，提高散热性能；芯轴的内腔、芯轴通孔、骨架通孔的设计，有助于加快散热；环氧树脂浸渍中，通过氮化硼纳米片提高热量传播介质的导热性。

Description

一种超导线圈绝缘支架及超导线圈与绕制方法
技术领域
本发明属于超导线圈技术领域，涉及一种超导线圈绝缘支架及超导线圈与绕制方法。
背景技术
树脂基复合材料在超导线圈中起着连接、紧固、密封、填充、导热和绝缘的作用，其性能的好坏直接关系到超导线圈或超导磁体的安全和稳定运行。为保证超导线圈可靠运行，通常对其进行环氧树脂浸渍固化，增强机械强度，提升绝缘性能。在环氧树脂浸渍工艺中，会涉及热处理，超导线圈需要经受超过100℃的温度变化，由于用于绕制超导线圈的超导材料与环氧树脂材料之间的热收缩系数不匹配，经环氧树脂浸渍的超导线圈的热稳定性和电稳定性会下降。此外，当超导线圈工作在液氮温区时可能会造成环氧树脂的破裂，导致超导线圈损坏。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种一种超导线圈绝缘支架及超导线圈与绕制方法，提高超导线圈的散热性能，加强超导线圈的热稳定性，保障超导线圈的使用寿命，解决传统超导线圈受温度影响而存在的用于浸渍固化的环氧树脂容易开裂以致超导线圈损坏的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超导线圈绝缘支架，包括芯轴以及布置在芯轴外周面上的至少两个骨架组；每个骨架组内设有布置在同一平面内的至少两个骨架，相邻的骨架间隔布置，用于绕制超导线圈的超导带材通过；不同的骨架组所在平面相互交叉，交叉线穿过所述芯轴。
进一步，不同的骨架组所在平面相互交叉形成的夹角角度为15°-45°。
进一步，所述芯轴沿轴向设有贯通的内腔，且沿径向设有芯轴通孔；所述骨架的端面上设有骨架通孔。
进一步，所述芯轴和骨架一体成型。
进一步，所述芯轴的两端分别连接有盖板，所述盖板包括外环和设置在外环内的至少两个辐条，所述辐条的一端顶在芯轴的外周面上。
一种超导线圈，包括以上任一项所述的超导线圈绝缘支架和由超导带材缠绕在超导线圈绝缘支架上所形成的交叉状的绕组。
一种超导线圈绕制方法，包括以下步骤：
制作线圈单元：在各骨架组上分别固定一条超导带材的端头，将各骨架组上固定的超导带材依次围绕芯轴绕制一圈，得到交叉状的线圈单元；
制作绕组：循环重复步骤“制作线圈单元”，得到由各线圈单元形成的交叉状的绕组；
浸渍固化处理：对交叉状的绕组进行环氧树脂浸渍固化处理，使绕组中的各线圈单元粘结为一体，得到超导线圈。
进一步，所述步骤“浸渍固化处理”包括将E51环氧树脂、甲级四氢苯酐、2，4，6—三(二甲胺基甲基)苯酚和氮化硼纳米片按质量比为100：80：1：423的比例混合，在50℃-70℃下真空搅拌，并在10min内加热至90℃-110℃，然后将混合物均匀浇筑在交叉状的绕组上，抽真空以消除各线圈单元之间的空隙，再于70℃-90℃下加热固化。
进一步，还包括步骤“连接盖板”，在缠绕有浸渍固化后的交叉状的绕组的芯轴的两端分别连接上盖板。
进一步，在所述步骤“制作绕组”中，得到交叉状的绕组后，采用热缩套管套住交叉状的绕组的超导带材出线头，并固定在绕组上。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明公开的超导线圈绝缘支架，不同的骨架组所在的平面相互交叉，一方面为使用本绝缘支架绕制而成的超导线圈的绕组提供支撑；另一方面使绕组呈交叉状，在超导线圈绕制过程涉及热处理时可以加快散热，而且在超导线圈工作于液氮温区时，增大绕组与液氮的接触面积，从而提高超导线圈的散热性能，加强超导线圈的热稳定性，防止环氧树脂开裂，保障超导线圈的使用寿命。
(2)本发明公开的超导线圈绝缘支架，芯轴的内腔、芯轴通孔、骨架通孔的设计，有助于在绕制过程涉及热处理时以及超导线圈工作于液氮温区时，提高散热效率，改善散热性能。
(3)本发明公开的超导线圈绕制方法，在浸渍固化处理中，采用导热系数较高的氮化硼纳米片对环氧树脂进行改性，改性后的浇筑用的混合物(导热系数达1.7Wm-1K-1以上)相较改性前的环氧树脂(导热系数为0.2-0.5Wm-1K-1)，热量传播介质的导热系数更高，从而使超导线圈具有高导热性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为一种超导线圈绝缘支架的结构示意图；
图2为使用图1所示的超导线圈绝缘支架绕制而成的超导线圈的结构示意图；
图3为图2所示的超导线圈的绕制方法的流程示意图。
附图标记：芯轴1、骨架2、盖板3、绕组4。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示，本实施例提供一种超导线圈绝缘支架，包括芯轴1以及布置在芯轴外周面上的至少两个骨架组；每个骨架组内设有布置在同一平面内的至少两个骨架2，相邻的骨架2间隔布置，用于绕制超导线圈的超导带材通过；不同的骨架组所在平面相互交叉，交叉线穿过所述芯轴1。不同的骨架组所在平面相互交叉设置，一方面为使用本绝缘支架绕制而成的超导线圈的绕组4提供支撑；另一方面使绕组4呈交叉状，在超导线圈绕制过程涉及热处理时可以加快散热，而且在超导线圈工作于液氮温区时，增大绕组4与液氮的接触面积，从而提高超导线圈的散热性能，加强超导线圈的热稳定性，防止环氧树脂开裂，保障超导线圈的使用寿命。
具体来说，本实施例中骨架组有两个，两个骨架组沿芯轴1的轴向中心线对称设置，两个骨架组所在平面相互交叉形成的夹角角度为15°-45°，优选地，该夹角角度为30°。每一骨架组包括两个扇形片状的骨架2，每一骨架组的两个骨架2在芯轴1端面上的投影外径大于或等于超导线圈的绕组4在芯轴1端面上的投影外径。
所述芯轴1沿轴向设有贯通的内腔，且沿径向设有芯轴通孔；所述芯轴通孔沿芯轴1轴向等距布设有三排，且沿芯轴1外周面均布；所述骨架2的端面上布满骨架通孔。芯轴1的内腔、芯轴通孔、骨架通孔的设计，有助于在绕制过程涉及热处理时以及超导线圈工作于液氮温区时，提高散热效率，改善散热性能。
此外，所述芯轴1的两端分别连接有盖板3，所述盖板3包括外环和设置在外环内的八个均布的辐条，所述辐条的一端顶在芯轴1的外周面上。盖板3的存在起到支撑超导线圈的作用，还可以防止超导线圈的绕组4从芯轴1的两端滑脱。所述芯轴1通过螺钉与盖板3的各辐条相连；所述芯轴1和骨架2一体成型；芯轴1、骨架2和盖板3均采用绝缘材料制成。
如图2所示，本实施例还提供一种超导线圈，所述超导线圈包括本实施例提供的超导线圈绝缘支架和由超导带材缠绕在超导线圈绝缘支架上所形成的交叉状的绕组4。
如图3所示，本实施例提供的超导线圈的绕制方法，包括以下步骤：
S1.制作线圈单元：利用聚酰亚胺胶带在各骨架组上分别固定一条超导带材的端头，在聚酰亚胺胶带拉紧状态下，将各骨架组上固定的超导带材依次围绕芯轴1绕制一圈，得到交叉状的线圈单元；
S2.制作绕组4：循环重复步骤S1“制作线圈单元”，得到由各线圈单元形成的交叉状的绕组4；采用热缩套管套住交叉状的绕组4的超导带材出线头，并固定在绕组4上。
S3.浸渍固化处理：对步骤S3“制作绕组”中得到的交叉状的绕组4进行环氧树脂浸渍固化处理，使绕组4中的各线圈单元粘结为一体；
具体而言，将E51环氧树脂、甲级四氢苯酐、2，4，6—三(二甲胺基甲基)苯酚和氮化硼纳米片按质量比为100：80：1：423的比例混合，在60℃下真空搅拌，并在10min内加热至100℃，然后将混合物均匀浇筑在交叉状的绕组4上，抽真空以消除各线圈单元之间的空隙，再于80℃下加热固化。通过导热系数较高的氮化硼纳米片对环氧树脂进行改性，改性后的浇筑用的混合物(导热系数达1.7Wm-1K-1以上)相较改性前的环氧树脂(导热系数为0.2-0.5Wm-1K-1)，热量传播介质的导热系数更高，从而使超导线圈具有高导热性。
S4.连接盖板3：在缠绕有浸渍固化后的交叉状的绕组4的芯轴1的两端分别连接上盖板3，得到超导线圈。
优选地，在步骤S1“制作线圈单元”中不同超导带材可根据需求进行串联或者并联。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种超导线圈绝缘支架，其特征在于，包括芯轴以及布置在芯轴外周面上的至少两个骨架组；每个骨架组内设有布置在同一平面内的至少两个骨架，相邻的骨架间隔布置，用于绕制超导线圈的超导带材通过；不同的骨架组所在平面相互交叉，交叉线穿过所述芯轴。
2.如权利要求1所述的超导线圈绝缘支架，其特征在于，不同的骨架组所在平面相互交叉形成的夹角角度为15°-45°。
3.如权利要求1所述的超导线圈绝缘支架，其特征在于，所述芯轴沿轴向设有贯通的内腔，且沿径向设有芯轴通孔；所述骨架的端面上设有骨架通孔。
4.如权利要求1所述的超导线圈绝缘支架，其特征在于，所述芯轴和骨架一体成型。
5.如权利要求1所述的超导线圈绝缘支架，其特征在于，所述芯轴的两端分别连接有盖板，所述盖板包括外环和设置在外环内的至少两个辐条，所述辐条的一端顶在芯轴的外周面上。
6.一种超导线圈，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的超导线圈绝缘支架和由超导带材缠绕在超导线圈绝缘支架上所形成的交叉状的绕组。
7.一种超导线圈绕制方法，其特征在于，包括以下步骤：
制作线圈单元：在各骨架组上分别固定一条超导带材的端头，将各骨架组上固定的超导带材依次围绕芯轴绕制一圈，得到交叉状的线圈单元；
制作绕组：循环重复步骤“制作线圈单元”，得到由各线圈单元形成的交叉状的绕组；
浸渍固化处理：对交叉状的绕组进行环氧树脂浸渍固化处理，使绕组中的各线圈单元粘结为一体，得到超导线圈。
8.如权利要求7所述的超导线圈绕制方法，其特征在于，所述步骤“浸渍固化处理”包括将E51环氧树脂、甲级四氢苯酐、2，4，6—三(二甲胺基甲基)苯酚和氮化硼纳米片按质量比为100：80：1：423的比例混合，在50℃-70℃下真空搅拌，并在10min内加热至90℃-110℃，然后将混合物均匀浇筑在交叉状的绕组上，抽真空以消除各线圈单元之间的空隙，再于70℃-90℃下加热固化。
9.如权利要求7所述的超导线圈绕制方法，其特征在于，还包括步骤“连接盖板”，在缠绕有浸渍固化后的交叉状的绕组的芯轴的两端分别连接上盖板。
10.如权利要求7所述的超导线圈绕制方法，其特征在于，在所述步骤“制作绕组”中，得到交叉状的绕组后，采用热缩套管套住交叉状的绕组的超导带材出线头，并固定在绕组上。
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