CN114300253A - 一种跑道型超导线圈的加固方法 - Google Patents

一种跑道型超导线圈的加固方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种跑道型超导线圈的加固方法，包括：将超导导线绕制在骨架上制成跑道型超导线圈，并将超导线圈固化在骨架上；沿超导线圈和骨架整体的纵向截面均匀缠绕若干层高强度纤维或不锈钢带，并将高强度纤维或不锈钢带拉至紧固，将紧固后的高强度纤维或不锈钢带上均匀涂抹固化胶，使高强度纤维或不锈钢带充分浸渍，完成加固；或将超导线圈和骨架整体装入不锈钢包套中，实现不锈钢包套对超导线圈和骨架的紧密配合，完成加固；骨架的厚度、高强度纤维或不锈钢带的层数以及不锈钢包套的厚度通过仿真模拟方法确定，为使超导线圈中应力低于安全应力值的最优厚度组合。本发明可有效提高超导线圈的运行安全，提升加固效率，减小加固材料成本。

Description

一种跑道型超导线圈的加固方法
技术领域
本发明属于超导电磁技术领域，更具体地，涉及一种跑道型超导线圈的加固方法。
背景技术
跑道型线圈因其独特的结构而能产生特定的磁场位形，被广泛运用于加速器、超导电机、感应加热器、立环式磁选机等电磁装置中，随着对其技术指标要求的提高，即需要更高的运行磁场、更小的系统能耗以及更小的占地空间，跑道型超导线圈被广泛使用。跟铜、铝等阻性材料相比，超导线材具有载流密度高、能耗低的优点，且在超导态通流时不会产生焦耳热，可有效减小能耗。
超导线圈的高载流密度使其在通流时会产生巨大的洛伦兹力，导致线圈发生形变并产生高应力，过大的应力会使得超导线材的临界电流发生不可逆的衰减，甚至损坏导体。跑道型线圈由于其特殊形状，在电磁力的作用下极易出现局部的过应力和严重的变形，在实际运用中需要对线圈进行加固，对于立环式磁选机等带铁芯的应用场合，由于存在贯穿线圈中心孔的铁心，无法采用跨越中心孔的结构进行加固。传统的加固方法包括：最外层加固，该方法容易导致线圈和骨架的分离使得加固效果不佳；另外一种方法为只加包套层而不带骨架加固，该方法的加固效率较低，对于具有大电流密度的超导线圈，需要相当厚的包套层才能抑制超导材料的应力和变形，导致过高的成本。
因此，如何解决传统跑道型超导线圈加固效果不佳、加固效率低、加固材料成本高的问题是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种跑道型超导线圈的加固方法，可有效提高跑道型超导线圈的运行安全，提升加固效率，减小加固材料成本。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种跑道型超导线圈的加固方法，包括如下步骤：
(1)将超导导线绕制在骨架上制成跑道型超导线圈，并将所述跑道型超导线圈固化在骨架上；
(2)沿所述跑道型超导线圈和所述骨架整体的纵向截面均匀缠绕若干层高强度纤维或不锈钢带，并将高强度纤维或不锈钢带拉至紧固，将紧固后的所述高强度纤维或不锈钢带上均匀涂抹固化胶，使所述高强度纤维或不锈钢带充分浸渍，完成加固；或将所述跑道型超导线圈和所述骨架整体装入不锈钢包套中，实现所述不锈钢包套对所述跑道型超导线圈和所述骨架的紧密配合，完成加固；
其中，所述骨架的厚度、所述高强度纤维或不锈钢带的层数以及所述不锈钢包套的厚度通过仿真模拟方法确定，为使所述跑道型超导线圈中应力低于安全应力值的最优厚度组合。
本发明提供的跑道型超导线圈的加固方法，通过对超导线圈和骨架整体加装高强度包套层，即不锈钢包套或纵向截面均匀缠绕在该整体上的若干层高强度纤维或不锈钢带，形成骨架和包套层对超导线圈的联合约束，使得跑道型超导线圈的受力可以有效传递至骨架和包套层上，可避免传统外层加固中因线圈和骨架分离导致加固效率降低的问题，有效抑制跑道型超导线圈的变形和过应力，提高跑道型超导线圈的结构稳定性从而保证运行安全；同时，相比于传统只加包套层而不带骨架加固，本发明将跑道型超导线圈固化在骨架上可增加结构的横向刚度，提供良好的横向和环向约束，可有效抑制由于线圈导体材料横向刚度过低造成的过应变和过应力，并降低对包套层厚度的要求，从而有效节省加固材料成本。
在其中一个实施例中，所述跑道型超导线圈包括圆角矩形跑道线圈或标准形式跑道线圈。
在其中一个实施例中，所述跑道型超导线圈中的超导材料采用低温超导导体或高温超导导体，所述低温超导导体采用NbTi或NB3Sn低温超导线材，所述高温超导导体采用REBCO或BSCCO高温超导带材。
在其中一个实施例中，所述NbTi或NB3Sn低温超导线材绕制的跑道型超导线圈采用湿绕法或真空浸渍法固化在所述骨架上。
在其中一个实施例中，所述REBCO或BSCCO高温超导带材采用无绝缘技术或有绝缘技术绕制在所述骨架上制成跑道型超导线圈，绕制好后采用焊锡浇筑法或真空浸渍法固化在所述骨架上。
在其中一个实施例中，所述高强度纤维采用Zylon纤维、碳纤维或玻璃纤维。
在其中一个实施例中，所述不锈钢包套由304或316L高强度不锈钢制成。
第二方面，本发明提供了一种加固型跑道型超导线圈，由上述所述的跑道型超导线圈的加固方法得到。
第三方面，本发明还提供一种上述加固型跑道型超导线圈在加速器、立环式磁选机、超导电机或感应加热器中作为励磁线圈的应用。
本发明提供的加固型跑道型超导线圈，通过对超导线圈和骨架整体加装高强度包套层，即不锈钢包套或纵向截面均匀缠绕在该整体上的若干层高强度纤维或不锈钢带，形成骨架和包套层对超导线圈的联合约束，使得跑道型超导线圈的受力可以有效传递至骨架和包套层上，可避免传统外层加固中因线圈和骨架分离导致加固效率降低的问题，有效抑制跑道型超导线圈的变形和过应力，提高跑道型超导线圈的结构稳定性从而保证运行安全；同时，相比于传统只加包套层而不带骨架加固，本发明将跑道型超导线圈固化在骨架上可增加结构的横向刚度，提供良好的横向和环向约束，可有效抑制由于线圈导体材料横向刚度过低造成的过应变和过应力，并降低对包套层厚度的要求，从而有效节省加固材料成本。
附图说明
图1是本发明一实施例中跑道型超导线圈的加固方法的流程图；
图2是本发明一实施例中的加固型跑道型超导线圈的俯视图；
图3是采用本发明第一实施例中跑道型超导线圈的加固方法得到的加固型跑道型超导线圈的立体图；
图4是采用本发明第一实施例中跑道型超导线圈的加固方法得到的加固型跑道型超导线圈的立体剖视图；
图5是采用本发明第二实施例中跑道型超导线圈的加固方法得到的加固型跑道型超导线圈的立体图；
图6是采用本发明第二实施例中的跑道型超导线圈的加固方法得到的加固型跑道型超导线圈的立体剖视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在加速器、超导电机、感应加热器、立环式磁选机等电磁装置中，通常需要特殊的磁场位形，且需要利用铁心汇聚磁力线从而提高目标磁场区域的磁场强度。基于以上要求，跑道型超导线圈因其独特的结构而能产生特定的磁场位形，常作为励磁线圈被广泛运用于此类电磁装置中，一方面，跑道型超导线圈中的超导材料可以大幅提高线圈载流密度，减小线圈的体积；另一方面，因为超导材料的零电阻特性可以避免产生焦耳热，使得线圈的能耗能够大幅降低。但跑道型超导线圈的独特结构容易产生应力集中，尤其在大电流和磁场导致的洛伦兹力下，会发生变形且产生过应力，过量的应力应变会降低超导材料的临界电流，严重情况下会导致跑道型超导线圈失超和结构破坏。
对此，本发明提供了一种针对跑道型超导线圈的加固方法，主要通过骨架和包套层的联合约束，来抑制跑道型超导线圈中的变形和应力，有效提高其加固效率，且该种方法采用到的加固结构无需穿过跑道型超导线圈的中间孔，尤其适用于带铁心的跑道型超导线圈加固。
图1是本发明一实施例提供的跑道型超导线圈的加固方法的流程图，如图1所示，该加固方法包括步骤S10和步骤S20，详述如下：
S10，将超导导线绕制在骨架上制成跑道型超导线圈，并将跑道型超导线圈固化在骨架上，以防止其松动。具体地，跑道型超导线圈可采用湿绕法、真空浸渍法或焊锡浇筑法等措施固化在骨架上。
在步骤S10中，骨架可由304、316L等高强度不锈钢制作。跑道型超导线圈采用的超导材料可采用低温超导导体或高温超导导体，其中，低温超导导体可采用NbTi、NB3Sn等低温超导线材，高温超导导体可采用REBCO、BSCCO等高温超导带材。对低温超导线材绕制的跑道型超导线圈，可采用湿绕法或真空浸渍法固化在骨架上；对于高温超导带材可采用无绝缘技术或有绝缘技术绕制在骨架上制成跑道型超导线圈，也可在绕制好后采用焊锡浇筑或真空浸渍固化在骨架上。制成的跑道型超导线圈包括不限于圆角矩形跑道线圈和标准形式跑道线圈。
S20，跑道型超导线圈绕制完毕后，可根据需求将跑道型超导线圈脱模，套入新的骨架上；或直接将原来的跑道型超导线圈和骨架作为整体。再沿跑道型超导线圈和骨架的纵向截面均匀缠绕若干层高强度纤维或不锈钢带，保证均匀缠绕的若干层高强度纤维或不锈钢带具有一致的厚度，以使得超导线圈的受力可以有效传递至骨架和高强度纤维或不锈钢带上；并将高强度纤维或不锈钢带拉至紧固，然后再将紧固后的高强度纤维或不锈钢带上均匀涂抹固化胶，使高强度纤维或不锈钢带充分浸渍，保证对超导线圈的有效加固。
或将跑道型超导线圈和骨架整体装入不锈钢包套中，实际操作中可采用焊接等方法将不锈钢包套进行封装，实现不锈钢包套对跑道型超导线圈和骨架的紧密配合，使跑道型超导线圈的受力可有效传递至不锈钢包套上，保证对超导线圈的有效加固。
其中，骨架的厚度、高强度纤维或不锈钢带的层数以及不锈钢包套的厚度通过仿真模拟方法确定，例如可通过参数扫描法，即选取一定范围内的厚度值组合，构建对应有限元模型分别进行仿真，找到使超导线圈中应力低于安全应力值的最优厚度组合。
本实施例提供的跑道型超导线圈的加固方法，通过对超导线圈和骨架整体加装高强度包套层，即不锈钢包套或纵向截面均匀缠绕在该整体上的若干层高强度纤维或不锈钢带，形成骨架和包套层对超导线圈的联合约束，使得跑道型超导线圈的受力可以有效传递至骨架和包套层上，可避免传统外层加固中因线圈和骨架分离导致加固效率降低的问题，有效抑制跑道型超导线圈的变形和过应力，保证提高跑道型超导线圈的结构稳定和运行安全；同时，相比于传统只加包套层而不带骨架加固，本实施例将跑道型超导线圈固化在骨架上可增加结构的横向刚度，提供良好的横向和环向约束，可有效抑制由于线圈导体材料横向刚度过低造成的过应变和过应力，并降低对包套层厚度的要求，从而有效节省加固材料成本。
如图2所示，本发明还提供了一种上述跑道型超导线圈的加固方法得到的加固型跑道型超导线圈，该加固型跑道型超导线圈可作为励磁线圈应用于加速器、超导电机、感应加热器、立环式磁选机等电磁装置中。具体地，该加固型跑道型超导线圈包括骨架100、跑道型超导线圈200和包套层，该包套层可以为上述不锈钢包套，或为上述沿纵向截面均匀缠绕在跑道型超导线圈200和骨架100整体上的若干层高强度纤维或不锈钢带。
需要说明的是，本实施例提供的加固型跑道型超导线圈与前述实施例中的跑道型超导线圈的加固方法是基于同一个发明构思下的两个方面，在前面已经对方法实施过程做了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施例中的加固型跑道型超导线圈的结构，为了说明书的简洁，此处不再赘述。
本实施例提供的加固型跑道型超导线圈，通过对超导线圈和骨架整体加装高强度包套层，即不锈钢包套或纵向截面均匀缠绕在该整体上的若干层高强度纤维或不锈钢带，形成骨架和包套层对超导线圈的联合约束，使得跑道型超导线圈的受力可以有效传递至骨架和包套层上，可避免传统外层加固中因线圈和骨架分离导致加固效率降低的问题，有效抑制跑道型超导线圈的变形和过应力，保证提高跑道型超导线圈的结构稳定和运行安全；同时，相比于传统只加包套层而不带骨架加固，本实施例将跑道型超导线圈固化在骨架上可增加结构的横向刚度，提供良好的横向和环向约束，可有效抑制由于线圈导体材料横向刚度过低造成的过应变和过应力，并降低对包套层厚度的要求，从而有效节省加固材料成本。
为更清楚地说明本发明，以下结合具体实施例进行相应说明：
本发明第一实施例提供了一种跑道型超导线圈的加固方法，用于抑制超导线圈中的应力和变形，提高超导线圈的结构稳定和运行安全性。图3和图4分别是采用本发明第一实施例中跑道型超导线圈的加固方法得到的加固型跑道型超导线圈的立体图和立体剖视图。
该跑道型超导线圈的加固方法包括以下步骤：
(1)将超导导线绕制在骨架100上制作跑道型超导线圈200，同时均匀浸渍固化或采取其他固定措施，以防止其松动。
(2)超导导线绕制完毕后，可根据需求将跑道型超导线圈200脱模，套入新的骨架上；或者直接将原来的骨架100和跑道型超导线圈200作为整体。再沿跑道型超导线圈200和骨架100整体的纵向截面均匀缠绕若干层加固带310，比如高强度纤维或不锈钢带，并涂抹固化胶使其充分浸渍，完成加固。
具体地，该加固方法中的跑道型超导线圈200包括但不限于圆角矩形跑道线圈和标准形式跑道线圈。跑道型超导线圈200中的超导材料可采用低温超导导体或高温超导导体，其中，低温超导导体可采用NbTi、NB3Sn等低温超导线材，高温超导导体可采用REBCO、BSCCO等高温超导带材。对低温超导线材绕制的跑道型超导线圈，可采用湿绕法或真空浸渍法固化在骨架上；对于高温超导带材可采用无绝缘技术或有绝缘技术绕制在骨架上制成跑道型超导线圈，也可在绕制好后采用焊锡浇筑法或真空浸渍法固化在骨架上。
更进一步地，高强度纤维包括但不限于Zylon纤维，碳纤维或玻璃纤维等材料，它们具有优良的拉伸强度且重量远低于金属，加固过程灵活方便。不锈钢带可由304、316L等高强度不锈钢制作，它们在低温下具有很高的屈服应力，在4.2K下可高达600MPa-800MPa。
更进一步地，纵向截面均匀缠绕在跑道型超导线圈200和骨架100上的若干层高强度纤维或不锈钢带应当保证有一定的层数，并拉至紧固，使其具有一致的厚度，在包绕完成后，会在跑道型超导线圈200边缘处形成圆角。该结构使得跑道型超导线圈200的受力可以有效传递至骨架100和高强度纤维或不锈钢带上，避免了因线圈和骨架分离导致加固效率降低的问题，且通过骨架100提供良好的环向约束，弥补了高强度纤维或不锈钢带由于在横向模量较小而使得加固强度较低的缺陷，从而有效抑制跑道型超导线圈200的变形和过应力。
本发明第二实施例提供了一种跑道型超导线圈的加固方法，用于抑制超导线圈中的应力和变形，提高超导线圈的结构稳定和运行安全性。图5和图6分别是采用本发明第二实施例中跑道型超导线圈的加固方法得到的加固型跑道型超导线圈的立体图和立体剖视图。
该跑道型超导线圈的加固方法包括以下步骤：
(1)将超导导线绕制在骨架100上制作跑道型超导线圈200，同时均匀浸渍固化或采取其他固定措施，以防止其松动。
(2)跑道型超导线圈200绕制完毕后，可根据需求将跑道型超导线圈200脱模，套入新的骨架上；或者直接将原来的骨架和跑道型超导线圈作为整体。再将跑道型超导线圈和骨架装入不锈钢包套320。可采用焊接等方法将不锈钢包套320进行封装，实现不锈钢包套320对跑道型超导线圈200和骨架100整体的紧密配合，完成加固。
具体地，该加固方法中的跑道型超导线圈200包括但不限于圆角矩形跑道线圈和标准形式跑道线圈。不锈钢包套320可由304、316L等高强度不锈钢制作，它们在低温下具有很高的屈服应力。该结构通过不锈钢包套320和骨架100的联合约束，使得跑道型超导线圈200的受力可以有效传递至骨架100和不锈钢包套320上，避免了传统外层加固中因线圈和骨架分离导致加固效率降低的问题，可有效抑制跑道型超导线圈200的变形和过应力。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种跑道型超导线圈的加固方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将超导导线绕制在骨架上制成跑道型超导线圈，并将所述跑道型超导线圈固化在骨架上；
(2)沿所述跑道型超导线圈和所述骨架整体的纵向截面均匀缠绕若干层高强度纤维或不锈钢带，并将高强度纤维或不锈钢带拉至紧固，将紧固后的所述高强度纤维或不锈钢带上均匀涂抹固化胶，使所述高强度纤维或不锈钢带充分浸渍，完成加固；或将所述跑道型超导线圈和所述骨架整体装入不锈钢包套中，实现所述不锈钢包套对所述跑道型超导线圈和所述骨架的紧密配合，完成加固；
其中，所述骨架的厚度、所述高强度纤维或不锈钢带的层数以及所述不锈钢包套的厚度通过仿真模拟方法确定，为使所述跑道型超导线圈中应力低于安全应力值的最优厚度组合。
2.根据权利要求1所述的跑道型超导线圈的加固方法，其特征在于，所述跑道型超导线圈包括圆角矩形跑道线圈或标准形式跑道线圈。
3.根据权利要求1或2所述的跑道型超导线圈的加固方法，其特征在于，所述跑道型超导线圈中的超导材料采用低温超导导体或高温超导导体，所述低温超导导体采用NbTi或NB3Sn低温超导线材，所述高温超导导体采用REBCO或BSCCO高温超导带材。
4.根据权利要求3所述的跑道型超导线圈的加固方法，其特征在于，所述NbTi或NB3Sn低温超导线材绕制的跑道型超导线圈采用湿绕法或真空浸渍法固化在所述骨架上。
5.根据权利要求3所述的跑道型超导线圈的加固方法，其特征在于，所述REBCO或BSCCO高温超导带材采用无绝缘技术或有绝缘技术绕制在所述骨架上制成跑道型超导线圈，绕制好后采用焊锡浇筑法或真空浸渍法固化在所述骨架上。
6.根据权利要求1或2所述的跑道型超导线圈的加固方法，其特征在于，所述高强度纤维采用Zylon纤维、碳纤维或玻璃纤维。
7.根据权利要求1或2所述的跑道型超导线圈的加固方法，其特征在于，所述不锈钢包套由304或316L高强度不锈钢制成。
8.一种加固型跑道型超导线圈，其特征在于，由权利要求1～7任意一项所述的跑道型超导线圈的加固方法得到。
9.如权利要求8所述的加固型跑道型超导线圈在加速器、立环式磁选机、超导电机或感应加热器中作为励磁线圈的应用。
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