CN113936816B - 环向场线圈及聚变装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种环向场线圈及聚变装置，其中环向场线圈线圈包括中心柱和与中心柱连接的多个外臂磁体，中心柱包括多个中心柱导体，中心柱导体的个数与外臂磁体的个数相同，每个中心柱导体包括：第一导体，其沿中心柱的轴向设置；第三导体，其沿中心柱的轴向设置，第一导体与第三导体沿中心柱的轴向的投影相邻；第二导体，其一端连接第一导体，另一端连接第三导体；每个外臂磁体的一端与一个中心柱导体的第一导体连接，另一端与相邻的一个中心柱导体的第三导体连接，以使多个外臂磁体通过多个中心柱导体串联。本申请实施例的环向场线圈能够实现相邻线圈各匝的串联的同时，避免对等离子体控制的干扰。
Description
技术领域
本申请属于等离子体约束技术领域，尤其涉及一种环向场线圈及聚变装置。
背景技术
球形托卡马克由于等离子体环大小半径接近，其中心圆孔变得很小。在这孔中，除去容纳真空室壁以外，还要穿过环向场线圈。基于这个特点，球形托卡马克的磁场线圈不同于传统托卡马克。球形托卡马克的磁场线圈由中心柱和外臂磁体组成。其环向场线圈的结构十分紧凑，对电流的汇集机构要求更为严格，如：尺寸紧凑、结构可靠、绝缘安全等。
目前世界上已经建成的球形托卡马克装置主要有：MAST、NSTX、START等，分布于英国、美国和日本等国家。在这些工程中，环向场磁体的结构各异，匝电流的汇集装置也各不相同。比较典型的是在MAST球形托卡马克机构中，其环向场线圈为24匝，各匝的电流通过中心柱汇集，并在底部环形结构实现串联。
此种结构可将环向场线圈电源的正负极连接线设计为一处。降低了电源引线连接的复杂性，并节省了装置空间。若无此串联结构，环向场线圈则需多处引线与电源连接，增大了装置的复杂性。
但如上所述的结构会产生额外的极向磁场，造成球形托卡马克装置磁场的误差。同时，底部的环形结构会增加环向场线圈的整体长度，且增加较多不同铜导体零件的连接接头，增加环向场线圈的电阻值和所需电源功率的上升，增加装置的成本。
发明内容
本申请的目的在于提供一种环向场线圈及聚变装置，能够实现相邻线圈各匝的串联的同时，避免对等离子体控制的干扰。
一方面，本申请实施例提供一种环向场线圈，包括中心柱和与所述中心柱连接的多个外臂磁体，所述中心柱包括多个中心柱导体，所述中心柱导体的个数与所述外臂磁体的个数相同，每个所述中心柱导体包括：
第一导体，其沿所述中心柱的轴向设置；
第三导体，其沿所述中心柱的轴向设置，所述第一导体与所述第三导体沿所述中心柱的轴向的投影相邻；第二导体，其一端连接所述第一导体，另一端连接所述第三导体；
每个所述外臂磁体的一端与一个所述中心柱导体的第一导体连接，另一端与相邻的一个所述中心柱导体的第三导体连接，以使多个所述外臂磁体通过多个所述中心柱导体串联。
可选实施例中，所述中心柱导体的所述第一导体沿所述中心柱的轴向的投影与相邻的所述中心柱导体的所述第三导体沿所述中心柱的轴向的投影重叠。
可选实施例中，所述中心柱导体的所述第一导体绕所述中心柱的轴线呈圆形阵列分布；所述中心柱导体的所述第三导体沿所述中心柱的轴线呈圆形阵列分布。
可选实施例中，所述第二导体的轴线与所述中心柱的轴线的夹角为360/n°，n为所述中心柱导体的个数。
可选实施例中，所述中心柱导体的横截面为梯形或扇形。
可选实施例中，所述外臂磁体包括：与中心柱导体的第一导体相连的第一臂，与相邻中心柱导体的第三导体相连的第二臂，连接第一臂与第二臂的第三臂；所述第三臂沿所述中心柱的轴向设置。
可选实施例中，所述第一臂与所述第二臂均垂直于中心柱轴线。
可选实施例中，所述外臂磁体所在平面与所述中心柱的轴线共面。
第二方面，本申请实施例提供了一种聚变装置，其包括上述实施例所述的环向场线圈线圈。
可选实施例中，所述聚变装置为球形托卡马克或球形环。
本申请实施例提供的一种环向场线圈中，构成中心柱的中心柱导体采用异形结构，所述中心柱导体用于连接外臂磁体的第一导体与第三导体沿所述中心柱的轴向的投影相邻。从而使每个外臂磁体的一端与一个中心柱导体的第一导体连接，而另一端与相邻的一个中心柱导体的第三导体连接，以使多个所述外臂磁体通过多个所述中心柱导体串联。本申请实施例的环向场线圈通过外臂磁体的一端连接一个中心柱导体的第一导体连接，另一端与相邻中心柱导体的第三导体连接，多个外臂磁体均如此连接，即可实现多匝线圈串联结构，又不需要设计原有的环向串联结构，可消除由其造成的误差磁场，避免对等离子体控制的干扰。本申请实施例结构简单，可降低装置复杂性，节省材料和制作周期，节省成本。
应当理解，前面的一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，而不是用于限制本申请。
本申请中描述的技术的各种实现或示例的概述，并不是所公开技术的全部范围或所有特征的全面公开。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对本申请的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
图1示出了本申请环向场线圈一实施例的结构示意图。
图2示出了本申请环向场线圈的中心柱导体一实施例的结构示意图。
图3示出了本申请环向场线圈的中心柱导体一实施例轴向投影的第一导体和第三导体的位置关系示意图。
图4示出了本申请环向场线圈的一实施例中相邻两中心柱导体及相连接的外臂磁体的结构示意图。
图5示出了图4中电流走向示意图。
图6示出了本申请环向场线圈一实施例的顶视结构示意图。
图中标号说明
1-中心柱；10中心柱导体；101-第一导体；101＇-第一导体虚拟延伸部；102-第二导体；103-第三导体；103＇-第三导体虚拟延伸部；11-第一中心柱导体；12-第二中心柱导体；2-外臂磁体；21-第一臂；22第二臂；23-第三臂；201-第一外臂磁体；202-第二外臂磁体；203-第三外臂磁体。
具体实施方式
为了使得本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
为了保持本申请实施例的以下说明清楚且简明，本申请省略了已知功能和已知部件的详细说明。
参见图1-6，本申请实施例公开了一种环向场线圈，包括中心柱1和与中心柱1连接的多个外臂磁体2，中心柱1包括多个中心柱导体10，中心柱导体10的个数与外臂磁体2的个数相同，每个中心柱导体10包括：
第一导体101，其沿中心柱1的轴向设置；
第三导体103，其沿中心柱1的轴向设置，第一导体101与第三导体103沿中心柱1的轴向的投影相邻；第二导体102，其一端连接第一导体101，另一端连接第三导体103；
每个外臂磁体2的一端与一个中心柱导体10的第一导体101连接，另一端与相邻的一个中心柱导体10的第三导体103连接，以使多个外臂磁体2通过多个中心柱导体10串联。
本申请实施例提供的环向场线圈中，构成中心柱1的中心柱导体10采用异形结构，中心柱导体10用于连接外臂磁体2的第一导体101与第三导体103沿中心柱1的轴向的投影相邻。从而使每个外臂磁体2的一端与一个中心柱导体10的第一导体101连接，而另一端与相邻的一个中心柱导体10的第三导体103连接，以使多个外臂磁体2通过多个中心柱导体10串联。本申请实施例的环向场线圈通过外臂磁体2的一端连接一个中心柱导体10的第一导体101连接，另一端与相邻中心柱导体10的第三导体103连接，多个外臂磁体2均如此连接，即可实现多匝线圈串联结构，又不需要设计原有的环向串联结构，可消除由其造成的误差磁场，避免对等离子体控制的干扰。本申请实施例结构简单，可降低装置复杂性，节省材料和制作周期，节省成本。
参见图2，图中的中心柱导体10两侧的虚线分别表示第一导体虚拟延伸部101＇和第三导体虚拟延伸部103＇。多个中心柱导体10构成中心柱1时，第一导体虚拟延伸部101＇所在位置亦为相邻的中心柱导体10的第三导体103所在位置。第三导体虚拟延伸部103＇所在位置亦为另一侧相邻的中心柱导体10的第一导体101所在位置。
一些实施例中，一中心柱导体10的第一导体101沿中心柱1的轴向的投影与相邻的中心柱导体10的第三导体103沿中心柱1的轴向的投影重叠。本申请实施例中，中心柱1的轴向投影中，相邻两中心柱导体10中，其中一中心柱导体10的第一导体101的投影与另一中心柱导体10的第三导体103的投影重叠。上述两个投影的形状、位置相同。若中心柱导体10的第三导体103相对第一导体101向顺时针方向旋转，则中心柱1中的任意一中心导体的第一导体101的投影与逆时针方向一侧相邻的中心柱导体10的第三导体103的投影重叠。若中心柱导体10的第三导体103相对第一导体101向逆时针方向旋转，则中心柱1中的任意一中心导体的第一导体101的投影与顺时针方向一侧相邻的中心柱导体10的第三导体103的投影重叠。
参见图6，一些实施例中，中心柱导体10的第一导体101绕中心柱1的轴线呈圆形阵列分布。中心柱导体10的第三导体103沿中心柱的轴线呈圆形阵列分布。
一些实施例中，第二导体102的轴线与中心柱的轴线的夹角为360/n°，n为中心柱导体10的个数。第二导体102用于将平行的第一导体101和第二导体102连接。第一导体101和第二导体102沿中心柱的轴线方向设置。第二导体102的轴线与中心柱的轴线之间形成一定的角度。两者之间的夹角为360/n°，n为中心柱导体10的个数。
参见图6，一些实施例中，中心柱导体10的横截面为梯形或扇形。本申请实施例中，中心柱1可以呈圆柱形，或近似圆柱形。或者中心柱1可以呈多棱柱形。该多棱柱的横截面的外轮廓为正多边形或近似正多边形。多边形的变数与中心柱导体10的个数相同。
参见图4，一些实施例中，外臂磁体2包括：与中心柱导体10的第一导体101相连的第一臂21，与相邻中心柱导体10的第三导体103相连的第二臂22，连接第一臂21与第二臂22的第三臂23；第三臂23沿中心柱1的轴向设置。示例性实施例中，第一臂21、第二臂22与第三臂23基本为U形。第一臂21和第二臂22用于外臂磁体2与中心柱1连接。第三臂23与中心柱1轴线平行设置。
一些实施例中，第一臂21与第二臂22均垂直于中心柱1轴线。
一些实施例中，外臂磁体2所在平面与中心柱1的轴线共面。第一臂21与第二臂22沿中心柱1的径向设置。
图5示出了本申请环向场线圈的一实施例的中心柱导体及外臂磁体电流走向示意图。图中包括两个中心柱导体和三个外臂磁体。为便于说明，其中两个中心柱导体分别为第一中心柱导体11和第二中心柱导体12。三个外臂磁体分别为第一外臂磁体201、第二外臂磁体202和第三外臂磁体203。其中第一外臂磁体201仅显示与第一中心柱导体11的第三导体连接的部分，第三外臂磁体203显示与第二中心柱导体12的第一导体连接的部分。第二外臂磁体202的第一臂连接第一中心柱导体11的第一导体，第二外臂磁体202的第二臂连接第二中心柱导体12的第三导体。图中，电流依次流经第一外臂磁体201、第一中心柱导体11、第二外臂磁体202、第二中心柱导体12和第三外臂磁体203。
第二方面，本申请实施例提供了一种聚变装置，其包括上述实施例的环向场线圈线圈。
一些实施例中，聚变装置为球形托卡马克或球形环。
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本申请的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。
Claims (10)
1.一种环向场线圈，包括中心柱和与所述中心柱连接的多个外臂磁体，所述中心柱包括多个中心柱导体，所述中心柱导体的个数与所述外臂磁体的个数相同，其特征在于，每个所述中心柱导体包括：
第一导体，其沿所述中心柱的轴向设置；
第三导体，其沿所述中心柱的轴向设置，所述第一导体与所述第三导体沿所述中心柱的轴向的投影相邻；第二导体，其一端连接所述第一导体，另一端连接所述第三导体；
每个所述外臂磁体的一端与一个所述中心柱导体的第一导体连接，另一端与相邻的一个所述中心柱导体的第三导体连接，以使多个所述外臂磁体通过多个所述中心柱导体串联。
2.根据权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，所述中心柱导体的所述第一导体沿所述中心柱的轴向的投影与相邻的所述中心柱导体的所述第三导体沿所述中心柱的轴向的投影重叠。
3.根据权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，所述中心柱导体的所述第一导体绕所述中心柱的轴线呈圆形阵列分布；所述中心柱导体的所述第三导体沿所述中心柱的轴线呈圆形阵列分布。
4.根据权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，所述第二导体的轴线与所述中心柱的轴线的夹角为360°/n，n为所述中心柱导体的个数。
5.根据权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，所述中心柱导体的横截面为梯形或扇形。
6.根据权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，所述外臂磁体包括：与中心柱导体的第一导体相连的第一臂，与相邻中心柱导体的第三导体相连的第二臂，连接第一臂与第二臂的第三臂；所述第三臂沿所述中心柱的轴向设置。
7.根据权利要求6所述的环向场线圈，其特征在于，所述第一臂与所述第二臂均垂直于中心柱轴线。
8.根据权利要求1所述的环向场线圈，其特征在于，所述外臂磁体所在平面与所述中心柱的轴线共面。
9.一种聚变装置，其包括权利要求1-8任一项所述的环向场线圈。
10.根据权利要求9所述的聚变装置，其特征在于，所述聚变装置为球形托卡马克或球形环。
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