CN114927339B - 高温超导线圈加热湿绕装置及其绕制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温超导线圈加热湿绕装置及其绕制方法和系统，包括焊料涂覆装置、加热绕线装置和绕线电机；焊料涂覆装置包括焊料涂覆针头、膏状焊料、活塞、推杆、直线伺服电机和控制设备；加热绕线装置包括与绕线轴相连的金属线盘和加热台；焊料涂覆装置和加热绕线装置固定于绕线电机同侧，且焊料涂覆装置位于绕线机的进线侧。在线圈绕制的同时，将线圈匝间添加的金属焊料加热融化，从而祛除匝间气隙，实现匝间均匀接触，并在降温凝固后，为线圈提供匝间的机械支撑。本发明实现了无绝缘高温超导线圈更低更均匀的匝间接触电阻率，提升了无绝缘线圈的匝间分流能力和失超稳定性。

Description

高温超导线圈加热湿绕装置及其绕制方法和系统

技术领域

本发明涉及线圈加热湿绕技术领域，具体地，涉及一种高温超导线圈加热湿绕装置及其绕制方法和系统。

背景技术

无绝缘高温超导线圈是一类使用二代高温超导带材绕制而成的新型线圈，其去除了匝间的绝缘材料，保留了相邻两匝带材之间的电接触。当发生局部失超时，部分电流可以通过匝间的通路进行分流，绕过失超区域，从而有效降低失超区域的电流密度，有助于热量耗散和失超恢复。因此，无绝缘高温超导线圈具有更好的自保护特性和电热稳定性。然而，当其应用于某些特殊场合，例如旋转电机的励磁绕组时，需要进一步提升线圈的机械稳定性，以抵抗时变磁场引起的机械扰动和转子旋转引起的旋转振动。因此，超导线圈匝间需要加入机械支撑材料，以避免线圈内部变形或分层退化，随之出现了各类不同的绕线或后处理工艺。

湿绕式工艺是一种低温超导线圈的经典绕制工艺，主要面向细丝多股线导体，其流程为在绕制线圈过程中，将环氧树脂等常温下呈现液态的非导电材料涂在预绕制超导带材表面，随后绕制线圈，经过固化成型，最终绕制成工程可用的超导线圈。湿绕式工艺的优势在于其在圆形细丝多股线之间施加较为均匀的填充和支撑材料，能有效提升线圈的机械稳定性。然而，该工艺目前仅应用于低温超导线圈，不适用于无绝缘高温超导线圈。其首要原因在于无绝缘线圈具有匝间电接触，需要保证匝间的高导电性，因此不能将环氧树脂等绝缘材料作为匝间接触材料。

目前的二代高温超导饼式无绝缘线圈普遍采用干绕式绕线工艺与浸渍工艺相结合的制造方法。干绕工艺是指使用超导带材直接绕制成线圈，绕制过程没有采用液体材料作为匝间的粘合和固定材料。线圈在采用干绕式工艺绕制成型后，采用浸渍工艺进行后处理。浸渍工艺是将线圈浸渍密封在液体固化材料中，后经固化成型，制成工程用无绝缘高温超导线圈。固化材料主要的作用是给线圈提供机械支撑。目前面向干绕式无绝缘线圈的浸渍固化材料主要是绝缘材料环氧树脂、石蜡和金属导电材料焊锡等。其中石蜡和焊锡等常温下的固态材料，在浸渍工艺中需要先将其加热熔融成液态。然而，这种浸渍的干绕式无绝缘线圈有如下问题：二代高温超导体为带状结构，其绕制的饼式线圈，带材之间接触相对紧密，高粘稠度的浸渍材料很难有效流入带材之间的接触空隙，导致线圈匝间的填充不均匀，即经过浸渍工艺的无绝缘线圈，依然有大量的匝间空隙存在，在强电磁应力和高频机械扰动下，线圈的机械稳定性依然不足。

专利文献CN102856068B(申请号：CN201210322391.X)公开了一种无骨架超导线圈的制作工艺，利用超导线圈(1)和骨架的低温热收缩不同实现超导线圈(1)从骨架筒体(2)的脱离。绕制超导线圈(1)前在骨架筒体(2)外表面和骨架端板(3)内表面贴一层聚四氟乙烯薄膜(4)，绕制结束后再在超导线圈(1)外包一层聚四氟乙烯薄膜(4)，然后再绕制一层矩形截面的铜线(5)。采用绕制过程刷环氧树脂胶的湿绕方法绕制超导线圈(1)。待超导线圈(1)固化后，拆除最外层的铜线(5)和两侧端板(3)。再用冷氮气将骨架筒体(2)和超导线圈(1)慢慢冷却到77K的温度，超导线圈(1)在径向的收缩量小于铝合金骨架筒体(2)，两者间会产生一定的间隙，移除骨架筒体(2)后就得到无骨架超导线圈。

该专利与本发明的主要差别在于：(1)应用对象不同：本发明所提出的加热湿绕工艺应用于无绝缘高温超导线圈，使用常温下为固态的金属焊料作为匝间材料，由此保证无绝缘线圈良好的匝间分流能力；而该专利提出的无骨架超导线圈为具有匝间绝缘的低温超导线圈，其匝间涂刷的材料为环氧树脂胶；(2)加热固化方式不同：本发明所提出的加热湿绕工艺流程为先在预绕制带材表面均匀涂上焊锡薄层，带材随即绕入线圈骨架，并由与线盘紧密贴合的加热器加热熔化匝间的焊锡涂层，形成均匀紧密的匝间连接。其涂焊料和加热是同步进行的，是一种更具效率的绕制工艺；而该专利是在绕制每一层超导线时，在超导线表面涂刷环氧树脂，在线圈完成绕制后将其放置于烘箱中烘烤8小时，将环氧树脂胶加热固化。其加热步骤在绕制完成后进行，耗时较久。

专利文献CN109225754A(申请号：CN201811173925.0)公开了一种微波模块的预涂焊料装置和预涂焊料方法，设置在工作热台上的预涂平台上设置有可放入微波模块并以摩擦方式预涂焊料的沉槽；沉槽的一侧经由加料管与针筒的头部相连接；针筒的内部填装有焊膏，活塞安装在针筒的内部，用于将焊膏密封在针筒内部；推杆的一端连接在活塞上，另一端与气缸的输出端相连接；控制器经由相应的气管与气缸控制连接；沉槽的另一侧经由加气管与氮气罐连通，用于将氮气通过加气管加入到沉槽内部；玻璃罩扣合在预涂平台上。

该专利与本发明的主要差别在于：(1)应用对象不同：本发明中焊料预涂加热工艺的应用对象为无绝缘高温超导线圈，并提出了一种具有匝间焊料涂层的新型无绝缘高温超导线圈；而该专利提出的预涂焊料工艺用于微波模块，且侧重于焊料预涂加热工艺和相关装置，而非新型的微波模块产品；(2)应用场景不同：本发明将焊料预涂加热工艺用于无绝缘高温超导线圈绕制过程，将焊料预涂加热模块与高温超导线圈绕线电机相结合，形成焊料预涂装置位于线圈骨架的进线侧、加热模块与线盘紧密贴合的结构，集成了绕线、涂焊料、加热三种功能；而该专利提出的预涂焊料装置并未与其他功能性设备相结合；(3)工艺流程不同：本发明中的加热湿绕工艺流程为“先在带材上涂覆焊料-随后绕制线圈-同时加热熔化焊料”；而该专利提出的预涂焊料装置和方法，是将焊料预先注入工作热台上的沉槽中加热融化，再放入预热的微波模块，通过在沉槽内部摩擦的方式将焊料涂覆在底面，是一种“先加热熔化焊料-再涂覆焊料”的工艺流程。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高温超导线圈加热湿绕装置及其绕制方法和系统。

根据本发明提供的高温超导线圈加热湿绕装置，包括：焊料涂覆装置、加热绕线装置和绕线电机；

所述焊料涂覆装置包括焊料涂覆针头、膏状焊料、活塞、推杆、直线伺服电机和控制设备；

所述加热绕线装置包括与绕线轴相连的金属线盘和加热台；

所述焊料涂覆装置和加热绕线装置固定于绕线电机同侧，且焊料涂覆装置位于绕线机的进线侧；

所述活塞后端与推杆的一端相连，所述推杆的另一端与直线伺服电机相连；所述直线伺服电机竖直安装，经由控制线与控制设备相连；所述控制设备输出相应的脉冲控制直线伺服电机，所述直线伺服电机通过控制推杆来控制活塞前移，以将膏状焊料通过焊料涂覆针头涂覆于预绕制超导带材上；

所述绕线轴的一端与金属圆盘相连，另一端与温度均匀可控的加热台相连，所述加热台与绕线主动电机相连。

在线圈绕制的同时，将线圈匝间添加的金属焊料加热融化，绕制完成后，将线圈降温，匝间熔融的金属焊料凝固。

优选的，所述焊料涂覆针头为扁头，针管内存有膏状焊料，通过活塞将其密封于针管中。

优选的，膏状焊料的熔点低于超导带材临界温度。

优选的，绕制线圈时，所述线圈骨架夹在金属圆盘和加热台中，并与加热台紧密贴合，用于熔化匝间膏状焊料。

根据本发明提供的高温超导线圈加热湿绕方法，包括：

步骤1：将预绕制超导线圈的骨架固定在绕线轴上，与温度均匀可控的加热台贴合；

步骤2：启动绕线电机，预绕制超导带材进入绕线状态，若焊料涂覆装置安装于加热绕线装置右侧，则绕线方向为顺时针；反之则为逆时针；

步骤3：通过调节控制设备输出的脉冲，控制直线伺服电机和推杆的推进速度，进而以可控的速度推动活塞；

步骤4：通过固定在绕线机进线侧的扁头状焊料涂覆针头，将膏状焊料均匀地涂抹在预绕制超导带材表面，待膏状焊料用完后注入新的焊料或更换装满膏状焊料的新针管；

步骤5：涂有薄层膏状焊料的预绕制超导带材绕入线圈骨架，被绕制为线圈，同时其匝间的焊料薄层在加热台提供的环境下受热熔化；

步骤6：将制成的线圈从绕线轴上取下，随后在常温环境下静置，匝间液态焊料回温固化后即可形成均匀紧密的匝间焊接层，实现良好的匝间电接触。

优选的，将加热台温度控制为160-250℃，高于膏状焊料的熔点，且低于超导带材的损毁温度。

优选的，控制焊料施加量和焊料涂覆速度，焊料施加量与所需的线圈匝间电阻率和线圈尺寸有关，保持焊料涂覆速度与绕线速度同步。

根据本发明提供的高温超导线圈加热湿绕系统，包括：

模块M1：将预绕制超导线圈的骨架固定在绕线轴上，与温度均匀可控的加热台贴合；

模块M2：启动绕线电机，预绕制超导带材进入绕线状态，若焊料涂覆装置安装于加热绕线装置右侧，则绕线方向为顺时针；反之则为逆时针；

模块M3：通过调节控制设备输出的脉冲，控制直线伺服电机和推杆的推进速度，进而以可控的速度推动活塞；

模块M4：通过固定在绕线机进线侧的扁头状焊料涂覆针头，将膏状焊料均匀地涂抹在预绕制超导带材表面，待膏状焊料用完后注入新的焊料或更换装满膏状焊料的新针管；

模块M5：涂有薄层膏状焊料的预绕制超导带材绕入线圈骨架，被绕制为线圈，同时其匝间的焊料薄层在加热台提供的环境下受热熔化；

模块M6：将制成的线圈从绕线轴上取下，随后在常温环境下静置，匝间液态焊料回温固化后即可形成均匀紧密的匝间焊接层，实现良好的匝间电接触。

优选的，将加热台温度控制为200℃，高于膏状焊料的熔点。

优选的，控制焊料施加量和焊料涂覆速度，焊料施加量与所需的线圈匝间电阻率和线圈尺寸有关，保持焊料涂覆速度与绕线速度同步。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提出一种无绝缘高温超导线圈的加热湿绕装置和工艺，其集成了添加匝间焊料-加热-绕线圈-成型多项功能，在绕制线圈时向带材表面施加均匀膏状焊料涂层，并在带材绕入线圈后同步加热熔化，使相邻匝带材紧密焊接在一起；从而，成型的湿绕式无绝缘高温超导线圈的匝间焊料层有效地均匀和降低了匝间电阻率，增强了无绝缘高温超导线圈的匝间分流性能，进一步提升其失超稳定性；

(2)相比于浸渍的干绕式工艺，本发明提出的加热湿绕工艺能有效避免高粘稠度的浸渍材料难以有效填满匝间接触空隙、导致线圈匝间气隙形成的问题，匝间焊料层对成型线圈有效地施加了机械支撑，提升超导线圈的结构紧凑性和机械稳定性，进一步提升超导线圈的运行安全性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为高温超导线圈加热湿绕装置的主视图；

图2为加热绕线装置的侧视图；

图3a为干绕式无绝缘线圈；图3b为浸渍的干绕式无绝缘线圈；图3c为湿绕式无绝缘线圈；

图中，1-绕线电机；2-焊料涂覆针头；3-膏状焊料；4-活塞；5-推杆；6-直线伺服电机；7-控制器；8-预绕制带材；9-绕线轴；10-金属线盘；11-加热台；12-绕线骨架；13-超导带材；14-浸渍材料；15-匝间涂层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

本发明提出一种具有匝间焊料涂层的无绝缘高温超导线圈加热湿绕装置、绕制方法和系统。该加热湿绕技术方案将膏状焊料均匀涂抹在待绕制的高温超导带材表面，带材随后绕入线圈骨架，在绕制线圈的同时通过与线盘紧密贴合的加热器加热熔化匝间焊料，形成均匀紧密的匝间焊接层，实现了添加匝间焊料-加热-绕制-成型的一体化功能。具体的，焊锡作为一种导电材料，能够保证无绝缘高温超导线圈良好的匝间电接触，但其在常温下为固态金属颗粒，因此在绕制线圈的同时将匝间焊料加热熔融为液态，可促使形成均匀紧密的匝间接触。

如图1所示，本发明提出的高温超导线圈加热湿绕装置主要由三部分构成：焊料涂覆装置、加热绕线装置、绕线电机1。焊料涂覆装置包括焊料涂覆针头2、膏状焊料3、活塞4、推杆5、直线伺服电机6和控制设备7。加热绕线装置包括与绕线轴9相连的金属线盘10和加热台11。焊料涂覆装置和加热绕线装置固定于绕线电机1同侧，且焊料涂覆装置位于绕线机的进线侧。针管内存有膏状焊料3，活塞4将其密封于针管中。活塞4后端与推杆5的一端相连，推杆5的另一端与直线伺服电机6相连。直线伺服电机6竖直安装，经由控制线与控制设备7相连。控制设备7输出相应的脉冲控制直线伺服电机6，直线伺服电机6通过控制推杆5来控制活塞4前移，以将膏状焊料3通过焊料涂覆针头2涂覆于预绕制超导带材8上。

具体的，焊料涂覆针头2为扁头，其宽度、厚度可根据具体的应用背景做出调整。

如图2所示，图2是加热绕线装置的线盘侧视图；具体的，绕线轴9的一端与金属圆盘10相连，另一端与温度均匀可控的加热台11相连，加热台11与绕线主动电机1相连。绕制线圈时，线圈骨架12夹在金属圆盘10和加热台11中，并与加热台11紧密贴合，以熔化匝间膏状焊料。

较好的是，膏状焊料的熔点低于超导带材临界温度，因此该涂覆加热过程不会影响超导带材的性能。

本发明提出的加热湿绕工艺步骤叙述如下：

(1)将预绕制超导线圈的骨架12固定在绕线轴9上，与温度均匀可控的加热台11贴合；具体的，加热台温度控制在200℃，略高于膏状焊料3的熔点，且低于高温超导带材的临界温度；

(2)启动绕线电机1，预绕制带材8进入绕线状态，若焊料涂覆装置安装于加热绕线装置右侧，则绕线方向为顺时针；反之则为逆时针；

(3)通过调节控制设备7输出的脉冲，控制直线伺服电机6和推杆5的推进速度，进而以可控的速度推动活塞4；具体的，焊料施加量和焊料涂覆速度是可控的，焊料施加量与所需的线圈匝间电阻率和线圈尺寸有关，焊料涂覆速度与绕线速度同步；

(4)通过固定在绕线机进线侧的扁头状焊料涂覆针头2，将膏状焊料3均匀地涂抹在预绕制超导带材8表面；待膏状焊料3用完后，可注入新的焊料或更换装满膏状焊料3的新针管；

(5)涂有薄层膏状焊料的预绕制带材8绕入线圈骨架12，被绕制为线圈，同时其匝间的焊料薄层在加热台11提供的环境下受热熔化；

(6)将上述步骤制成的线圈从绕线轴9上取下，随后在常温环境下静置，匝间液态焊料回温固化后即可形成均匀紧密的匝间焊接层，实现良好的匝间电接触。

本发明所提出的加热湿绕技术方案的产品为一种具有匝间焊料涂层的湿绕式无绝缘高温超导线圈，如图3c所示，其本体采用超导带材13绕制而成，其匝间具有均匀的焊料涂层15，相邻带材间由焊料均匀紧密地焊接在一起。该湿绕式无绝缘高温超导线圈产品具有以下优势：(1)相邻匝带材间均匀分布的焊料可以进一步降低无绝缘线圈的匝间电阻率，提升其匝间分流能力；(2)通过浸渍材料14能够有效避免浸渍的干绕式无绝缘高温超导线圈中存在的匝间空隙问题，具有更高的机械稳定性和结构紧凑性，进一步提升其运行安全性。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种具有匝间焊料涂层的无绝缘高温超导线圈加热湿绕装置，其特征在于，包括：焊料涂覆装置、加热绕线装置和绕线电机（1）；

所述焊料涂覆装置包括焊料涂覆针头（2）、膏状焊料（3）、活塞（4）、推杆（5）、直线伺服电机（6）和控制设备（7）；

所述加热绕线装置包括与绕线轴（9）相连的金属圆盘（10）和加热台（11）；

所述焊料涂覆装置和加热绕线装置固定于绕线电机（1）同侧，且焊料涂覆装置位于绕线机的进线侧；

所述活塞（4）后端与推杆（5）的一端相连，所述推杆（5）的另一端与直线伺服电机（6）相连；所述直线伺服电机（6）竖直安装，经由控制线与控制设备（7）相连；所述控制设备（7）输出相应的脉冲控制直线伺服电机（6），所述直线伺服电机（6）通过控制推杆（5）来控制活塞（4）前移，以将膏状焊料（3）通过焊料涂覆针头（2）涂覆于预绕制超导带材（8）上；

所述绕线轴（9）的一端与金属圆盘（10）相连，另一端与温度均匀可控的加热台（11）相连，所述加热台（11）与绕线电机（1）相连；

在线圈绕制的同时，将线圈匝间添加的金属焊料加热熔化，绕制完成后，将线圈降温，匝间熔融的金属焊料凝固；

所述焊料涂覆针头（2）为扁头，针管内存有膏状焊料（3），通过活塞（4）将其密封于针管中；

膏状焊料（3）的熔点低于超导带材（8）临界温度；

绕制线圈时，线圈骨架（12）夹在金属圆盘（10）和加热台（11）中，并与加热台（11）紧密贴合，用于熔化匝间膏状焊料。

2.一种具有匝间焊料涂层的无绝缘高温超导线圈加热湿绕方法，其特征在于，采用权利要求1所述的具有匝间焊料涂层的无绝缘高温超导线圈加热湿绕装置，包括：

步骤1：将预绕制超导线圈的骨架（12）固定在绕线轴（9）上，与温度均匀可控的加热台（11）贴合；

步骤2：启动绕线电机（1），预绕制超导带材（8）进入绕线状态，若焊料涂覆装置安装于加热绕线装置右侧，则绕线方向为顺时针；反之则为逆时针；

步骤3：通过调节控制设备（7）输出的脉冲，控制直线伺服电机（6）和推杆（5）的推进速度，进而以可控的速度推动活塞（4）；

步骤4：通过固定在绕线机进线侧的扁头状焊料涂覆针头（2），将膏状焊料（3）均匀地涂抹在预绕制超导带材（8）表面，待膏状焊料（3）用完后注入新的焊料或更换装满膏状焊料（3）的新针管；

步骤5：涂有薄层膏状焊料（3）的预绕制超导带材（8）绕入线圈骨架（12），被绕制为线圈，同时其匝间的焊料薄层在加热台（11）提供的环境下受热熔化；

步骤6：将制成的线圈从绕线轴（9）上取下，随后在常温环境下静置，匝间液态焊料回温固化后形成均匀紧密的匝间焊接层，实现良好的匝间电接触；

将加热台温度控制为160-250℃，高于膏状焊料（3）的熔点，且低于二代高温超导带材的损伤温度；

控制焊料施加量和焊料涂覆速度，焊料施加量与所需的线圈匝间电阻率和线圈尺寸有关，保持焊料涂覆速度与绕线速度同步。

3.一种具有匝间焊料涂层的无绝缘高温超导线圈加热湿绕系统，其特征在于，采用权利要求1所述的具有匝间焊料涂层的无绝缘高温超导线圈加热湿绕装置，包括：

模块M1：将预绕制超导线圈的骨架（12）固定在绕线轴（9）上，与温度均匀可控的加热台（11）贴合；

模块M2：启动绕线电机（1），预绕制超导带材（8）进入绕线状态，若焊料涂覆装置安装于加热绕线装置右侧，则绕线方向为顺时针；反之则为逆时针；

模块M3：通过调节控制设备（7）输出的脉冲，控制直线伺服电机（6）和推杆（5）的推进速度，进而以可控的速度推动活塞（4）；

模块M4：通过固定在绕线机进线侧的扁头状焊料涂覆针头（2），将膏状焊料（3）均匀地涂抹在预绕制超导带材（8）表面，待膏状焊料（3）用完后注入新的焊料或更换装满膏状焊料（3）的新针管；

模块M5：涂有薄层膏状焊料（3）的预绕制超导带材（8）绕入线圈骨架（12），被绕制为线圈，同时其匝间的焊料薄层在加热台（11）提供的环境下受热熔化；

模块M6：将制成的线圈从绕线轴（9）上取下，随后在常温环境下静置，匝间液态焊料回温固化后形成均匀紧密的匝间焊接层，实现良好的匝间电接触；

将加热台温度控制为160-250℃，高于膏状焊料（3）的熔点，且低于二代高温超导带材的损毁温度；

控制焊料施加量和焊料涂覆速度，焊料施加量与所需的线圈匝间电阻率和线圈尺寸有关，保持焊料涂覆速度与绕线速度同步。

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