CN115132447A - 一种s型六极磁体嵌槽式骨架结构及匝间过渡叠绕方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种S型六极磁体嵌槽式骨架结构及匝间过渡叠绕方法，包括空心环形柱体、直线铁芯段、直线段线槽、端部月牙块组、匝间过渡导向块组、入线口、出线口；所述的直线铁芯段、端部月牙块组、匝间过渡导向块组、入线口、出线口均设置于空心环形柱体表面，所述直线铁芯段、端部月牙块组、匝间过渡导向块组的径向外侧表面在同一柱面上并构成的骨架外径；所述的直线铁芯段的数量为多个，沿着圆周周向均匀的分布在所述的空心环形柱体表面，每两个直线铁芯段之间的间隔距离大于导线/缆线的数倍直径，间隔区域构成所述的直线段线槽；所述的入线口位于所述的匝间过渡导向块组的一侧，所述的出线口位于所述的匝间过渡导向块组的另一侧。

Description

一种S型六极磁体嵌槽式骨架结构及匝间过渡叠绕方法

技术领域

本发明涉及电磁体线圈技术领域，具体涉及一种S型六极磁体的匝间过渡叠层连续绕制嵌槽式骨架、及绕制方法。

背景技术

六极磁体在粒子对撞机，重离子加速器，以及质子、重离子治疗等基础研究与民生医用领域都有重要的应用，其中电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance，ECR)离子源是其典型应用之一，ECR离子源磁体是由提供轴向场的若干螺线管线圈和提供的径向场的六极磁体内外嵌套组成。

现有技术中一种新型S型六极磁体克服了传统的六极磁体(跑道型，马鞍型等)在ECR离子源中线圈端部相邻反向应力问题，采用该结构可以通过缩短六极磁体长度而达到应力分布优化的效果，从而使磁体结构更紧凑。ECR离子源应用该结构不仅可以改善六极磁体端部的应力分布，还提高了轴向场的积磁效率，进而实现紧凑结构的ECR离子源磁体。

但由于该新型S型六极磁体具有双向反角度弯曲的磁体结构，制作该S型磁体的技术难度非常大，从磁体结构的提出到现在还没有较好的方法来研制该类型磁体。

发明内容

本发明的目的是提出一种S型六极磁体的匝间过渡叠层连续绕制方法，通过利用本发明中的嵌槽式结构骨架，在匝间过渡导向块组引导下，采用先绕轴向层（匝）再绕径向层（层）的绕线方式，实现六极磁体线圈的叠层串行连续不间断绕制，为制作具有双向反角度弯曲特征的S型及类似S型磁体提供一种解决方法，同时促进ECR离子源磁体紧凑结构及小型化的发展。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种S型六极磁体的匝间过渡叠层连续绕制方法，所述的骨架至少包括空心环形柱体、直线铁芯段、直线段线槽、端部月牙块组、匝间过渡导向块组、入线口、出线口；

所述的直线铁芯段、端部月牙块组、匝间过渡导向块组、入线口、出线口均设置于空心环形柱体表面，所述直线铁芯段、端部月牙块组、匝间过渡导向块组的径向外侧表面在同一柱面上并构成的骨架外径；

所述的直线铁芯段的数量为6个，沿着圆周周向均匀的分布在所述的空心环形柱体表面，每两个直线铁芯段之间的间隔距离大于导线/缆线的数倍直径，间隔区域构成所述的直线段线槽；

所述的入线口位于所述的匝间过渡导向块组的一侧，是开始绕线时的起始位置；

所述的出线口位于所述的匝间过渡导向块组的另一侧，是完成绕线后的导线/缆线引出位置。

进一步的，每个所述的端部月牙块组的数量为5个，分别交替间隔位于所述直线铁芯段左右两端，并设置在靠近空心环形柱体端部，每个所述的端部月牙块包括多个弯曲的月牙块，每个月牙块之间的间隔距离为导线/缆线的直径或数倍直径大小。

进一步的，所述的匝间过渡导向块组数量为1个，位于绕线入线起始位置处，所述的匝间过渡导向块组包括多个弯曲的月牙块组成，每个月牙块之间的间隔距离为导线/缆线的直径或数倍直径大小。

进一步的，所述的直线铁芯段分为两部分，线圈直线段支撑部分和端部直线挡块部分，端部直线块的两端为圆弧形，其中线圈直线段支撑部分采用铁磁材料以增加磁场强度，端部直线挡块可为最外匝的导线/缆线提供侧面支撑。

进一步的，所述的端部月牙块组内每两个月牙块间的间距等于所述的匝间过渡导向块组内月牙块的间距。

根据本发明的另一方面，提出一种S型六极磁体的匝间过渡叠层连续绕制方法，其中，匝间过渡导向块组包括m个月牙块和m+1个线槽，端部月牙块组也包括m个月牙块和m+1个月牙线槽，即磁体轴向方向共有m+1匝，其特征在于，第一层绕制，包括如下步骤：

步骤1、导线/缆线从入线口开始绕线，首先经过第一直线段线槽一直绕制到第一月牙块组中对应的最内侧端部第一月牙线槽，然后绕制到第二月牙块组的最外侧即第m+1月牙线槽，接着一直绕制到匝间过渡导向块组的最外侧线槽内，即第m+1 线槽，即结束线圈的第一匝绕制。经导向块的最外侧即第m月牙块处左侧位置过渡到第二匝起始处，即第一直线段线槽位置，开始绕制第二匝；

步骤2、第二匝经过第一直线段线槽绕制到第一月牙块组的第二月牙线槽，然后一直绕到匝间过渡导向块组第m线槽结束第二匝绕制；

步骤3、第k匝经过第一直线段线槽，再绕制到第一月牙块组的第k月牙线槽，然后一直绕到匝间过渡导向块组第k-1线槽结束第k匝绕制。

进一步的，第二层包括如下步骤：

步骤1、导线/缆线从匝间过渡导向块组第一线槽开始绕线，首先经过第一直线段线槽绕制到第一月牙块组中对应的最外侧端部第m+1月牙线槽，然后绕制到第二月牙块组的最内侧的第一月牙线槽，接着一直绕制到第六直线段线槽，然后绕制到匝间过渡导向块组第一月牙块右侧处，即结束第二层第一匝绕制。经匝间过渡导向块组第一月牙块右侧位置过渡到第二匝起始处，即导线块组第二线槽位置，开始绕制第二匝；

步骤2、第二匝经过匝间过渡导向块组第二线槽绕制，然后一直绕到匝间过渡导向块组第二月牙块右侧位置结束第二匝绕制；

步骤3、第k匝经过匝间过渡导向块组第k线槽绕制，然后一直绕到匝间过渡导向块组第k月牙块右侧位置结束第k匝绕制；然后经由匝间过渡导向块组第m月牙块右侧位置、出线口引出导线/缆线。

相较于现有技术，本发明的有益效果在于：

1. 本发明提供了一种S型六极磁体的匝间过渡叠层连续绕制方法，其中端月牙块和匝间过渡导向块为S型线圈的端部的双向弯曲提供支撑，并通过与中间轴向直线绕线段的错位配合，实现了磁体主体直线段的密绕，提高磁场及线材利用率，同时，为S型双向反角度弯曲磁体的端部提供有效支撑；

2. 本发明提供了一种S型六极磁体的匝间过渡叠层连续绕制方法，设计实现了S型六极磁体的叠层串行连续不间断绕线，减少了导线间接头的制作；匝间过渡导向块还引导导线绕制时匝数的正向过渡，以及绕制方向相反时实现匝间的反向过渡，即同时实现由外向内换匝数和由内向外换匝数的作用，从而在整个绕制过程中引导改变绕制方向并实现导线的匝间过渡，从而实现导线不间断的连续绕制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明S型六极磁体的匝间过渡叠层连续绕制嵌槽式骨架结构总体示意图；

图2为本发明骨架侧视图；

图3为本发明骨架仰视图与俯视图；

图4为本发明中骨架的直线块的结构分解图；

图5为本发明中骨架的月牙块组示意图；

图6为本发明中骨架的匝间过渡导向块组示意图；

图7为本发明中多层绕制匝间过渡导向块组的侧视图；

图8为本发明中S型六极磁体第一层绕线示意图；

图9为本发明中S型六极磁体第二层绕线示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案进行详细说明。其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

根据本发明的实施例，提出一种S型六极磁体的匝间过渡连续绕制嵌槽式骨架及其匝间过渡叠层串行连续绕制方法，如图1-4所示，所述的骨架至少包括空心环形柱体、直线铁芯段、直线段线槽、端部月牙块组、匝间过渡导向块组、入线口、出线口。

所述的直线铁芯段、端部月牙块组、匝间过渡导向块组、入线口、出线口均紧贴于空心环形柱体表面，所述直线铁芯段、端部月牙块组、匝间过渡导向组块的径向外侧表面在同一柱面上并构成的骨架外径；

所述的直线铁芯段的数量为6个，均匀的分布在所述的空心环形柱体表面，每两个直线铁芯段之间的间隔距离稍大于导线/缆线数倍直径，间隔区域构成所述的直线段线槽，所述的直线段线槽的数量也为6个；

所述的端部月牙块组有5个，每个所述的端部月牙块组分别间隔位于所述直线铁芯段左右两端，并靠近空心环形柱体端部，每个所述的端部月牙块由若干m个一定角度弯曲的月牙块组成，每个月牙块之间的间隔距离为导线/缆线的直径或数倍直径大小；

所述的匝间过渡导向块组有1个，位于绕线入线起始位置处，所述的匝间过渡导向块组由m个具有一定角度弯曲的月牙块组成，每个月牙块之间的间隔距离为导线/缆线的直径或数倍直径大小；

所述的入线口位于所述的匝间过渡导向块组的一侧，是开始绕线时入线的起始位置；

所述的出线口位于所述的匝间过渡导向块组的另一侧，是完成绕线后的导线/缆线进口位置；

进一步的，所述的直线铁芯段可分为2部分，线圈直线段支撑部分和端部直线挡块部分，其中线圈直线段支撑部分可以采用铁磁材料以增加磁场强度，端部直线挡块部分可为其它材料，可为最外匝的导线/缆线提供侧面支撑；

进一步的，所述的端部月牙块组内每两个月牙块间的间距等于所述的匝间过渡导向块组内月牙块的间距；

进一步的，所述的直线段线槽的槽宽，应等于或略大于端部月牙块组内每两个月牙块间的间距乘以m;

参见图1所示，本发明以在轴向上绕制m=3，n=2层的磁体为例来做说明，该磁体骨架整体大致可分为包括空心环形柱体1、直线铁芯块2、直线段线槽3、端部月牙块组4、匝间过渡导向块组5、入线口6、出线口7。整个骨架最外层构成一个圆柱面，如图2所示。

其中，直线铁芯块共有6个，均匀的分布在空心环形主体的外表面，如图2-3中的201、202、203、204、205、206。直线铁芯块分为2部分，如图4所示，2-1为铁磁材料以提高磁场强度；2-2可为其它材料，例如G10等材料，可以为端部绕线提供侧向支撑；如图4中所示直线铁芯块的侧面2-3为倾斜侧壁，与空心环形主体外表面具有一定倾斜角度，直线块的两端为圆弧形。

每两直线铁芯块中间区域构成直线段线槽3，共有6个直线段线槽，如图3中的301、302、303、304、305、306。

磁体的端部依靠5个端部月牙块组（图5）和1个匝间过渡导向块组（图6）为S型磁体的两个端部绕线提供支撑，并辅助完成S型六极磁体双向反角度的绕制。每个端部月牙块组都有m个月牙块组成，构成m+1个端部线槽，本实施例中m为3，端部线槽的个数由待绕线圈的匝数决定。如图5所示的端部月牙块组包括标号为4-1,4-2,4-3的3个月牙块，可以用于绕制4匝线圈。月牙块的两侧长度决定了所构成的线槽位置，左右两端对应的月牙块线槽以及直线段线槽的部分区域构成了S型轨迹。所述的两侧长度是指以平分线o为中心，向两边分别延伸的长度。端部月牙块组4沿着圆周分布，每个端部月牙块组的标号分别为401,402,403,404,405，参见图2-3。

如图6所示，匝间过渡导向块组5同样也是由m个月牙块组成，构成m+1个端部线槽，端部线槽的个数由待绕线圈的匝数决定，本实施例中m为3，每个月牙块的标号分别为5-1,5-2,5-3。

与图5所示的端部月牙块组不同的是，匝间过渡导向块组中的每层月牙块两侧的长度不同，图5给出的是绕制2层的匝间过渡导向块组。如图6中所示匝间过渡导向块组第三月牙块5-3的左侧第一层8-3长度比第二层左侧10-3长度大约短一根导线/缆线线径的宽度x，目的是为第一层绕制时实现绕线匝数的由外匝向内匝的过渡（所述的外指的是外侧线槽比如图8中501-4，内指的是内一匝的线槽，比如图8中501-3），以实现向内换匝数目的。第二层左侧10-3的长度与月牙块组对应位置的月牙块一侧的长度相同，为原本长度，可以实现不改变匝数的S型绕线。

如图6中所示匝间过渡导向块组第三月牙块5-3的右侧长度第一层9-3长度与月牙块组对应位置的月牙块在一侧的长度相同，为原本长度，实现不改变匝数的S型绕线。第二层11-3长度比第一层9-3短大约一根导线/缆线线径的宽度x，以实现第二层绕线时由内匝向外匝过渡的目的。每层月牙块两侧不同的长度起到引导不同层间换匝数绕制、换向绕制的作用。所述的两侧长度是指以平分线o为中心，向两边分别延伸的长度；

图7中为绕制层数n=10时匝间过渡导向块组5的侧视图。靠近入线口的一侧定义为左侧，靠近出线口的一侧定义为右侧。月牙块左侧原本长度位置如图7中9所示，右侧原本长度位置如图7中10所示。第一层左侧8比正常长度短x,从第二层到第n层，后面层数左侧长度均为原本长度。月牙块右侧第一层10长度为原本长度，右侧第二层11比正常长度短x，右侧第三层12比正常长度长x，……，以此交替，一直到第n层，实现偶数层由内侧向外侧换匝数，奇数层由外侧向内侧换匝数的目的。

其中绕线过程具体如下：

第一层绕制思路：

参见图8，图6，匝间过渡导向块组5的第一线槽501-1、第二线槽501-2、第三线槽501-3、第四线槽501-4；第一月牙块组401的第一月牙线槽401-1、第二月牙线槽401-2、第三月牙线槽401-3、第四月牙线槽401-4；

导线从入线口图8所示的入线口6位置开始绕线，首先经过图8中匝间过渡导向块组5中第三月牙块5-3的一端、第一直线段线槽301一直绕制到第一月牙块组401中对应的最内侧端部第一月牙线槽401-1，然后绕制到第二月牙块组402的最外侧的第四月牙线槽402-4，接着一直绕制到匝间过渡导向块组501的第四线槽501-4内，即绕满骨架第一匝，经匝间过渡导向块组的第三月牙块5-3处左侧8-3位置过渡到第二匝起始处，开始绕制第二匝；第二匝经过第一月牙块组401的第二月牙线槽401-2绕制，然后一直绕到导向块的第三线槽501-3结束第二匝绕制，按照此思路一直绕制到导向块的第一线槽501-1内，完成第一层4匝的绕线；

第一层绕线从匝间过渡导向块组来看，绕制方向是从由最外侧槽向最内侧槽绕制，即由外向内绕制。

第二层绕制过程：

进一步结合图9，从匝间过渡导向块组5的第一线槽501-1内引出后，在第一直线段线槽301内绕制到第一月牙块组401的最外侧线槽集第四月牙线槽401-4，然后一直绕制到第六直线段线槽306与匝间过渡导向块组第一线槽501-1的交界处，绕完第一匝，接着直接经匝间过渡导向块组第一月牙块5-1的右侧处过渡到匝间过渡导向块组第二线槽501-2线槽，开始绕制第二匝，依次思路，依序绕制到匝间过渡导向块组第四线槽501-4线槽内，最后经由第六直线段线槽306，绕制到匝间过渡导向块组第二线槽501-4月牙块右侧位置，完成第二层4匝的绕线；

第二层绕线从匝间过渡导向块组来看，绕制方向是从由最内侧槽向最外侧槽绕制，即由内向外绕制，与第一层绕制方向相反。

如果需要一直绕制到n层，接下来的奇数层绕线与第一层绕制思路一致，偶数层绕线与第二层绕制思路一致,…,一直到第n层。导向块组在奇数层时实现由外侧向内侧换匝数，偶数层时可实现由内侧向外侧换匝数。当n为偶数时，出线口可以直接在第n层的第六直线段线槽306线槽引出，可使所有导线均在同一圆柱外表面上。

以上所述，仅为本发明的一个具体实施方式，具体实施方式是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种S型六极磁体的匝间过渡连续绕制嵌槽式骨架，其特征在于，所述的骨架至少包括空心环形柱体、直线铁芯段、直线段线槽、端部月牙块组、匝间过渡导向块组、入线口、出线口；

所述的直线铁芯段、端部月牙块组、匝间过渡导向块组、入线口、出线口均设置于空心环形柱体表面，所述直线铁芯段、端部月牙块组、匝间过渡导向块组的径向外侧表面在同一柱面上并构成的骨架外径；

所述的直线铁芯段的数量为6个，沿着圆周周向均匀的分布在所述的空心环形柱体表面，每两个直线铁芯段之间的间隔距离大于导线/缆线的数倍直径，间隔区域构成所述的直线段线槽；

所述的入线口位于所述的匝间过渡导向块组的一侧，是开始绕线时的起始位置；

所述的出线口位于所述的匝间过渡导向块组的另一侧，是完成绕线后的导线/缆线引出位置。

2.根据权利要求1所述的一种S型六极磁体的匝间过渡连续绕制嵌槽式骨架，其特征在于，

每个所述的端部月牙块组数量为5个，分别交替间隔位于所述直线铁芯段左右两端，并设置在靠近空心环形柱体端部，每个所述的端部月牙块包括多个弯曲的月牙块，每个月牙块之间的间隔距离为导线/缆线的直径或数倍直径大小。

3.根据权利要求1所述的一种S型六极磁体的匝间过渡连续绕制嵌槽式骨架，其特征在于，

所述的匝间过渡导向块组数量为1个，位于绕线入线起始位置处，所述的匝间过渡导向块组包括多个弯曲的月牙块组成，每个月牙块之间的间隔距离为导线/缆线的直径或数倍直径大小。

4.根据权利要求1所述的一种S型六极磁体的匝间过渡连续绕制嵌槽式骨架，其特征在于，

所述的直线铁芯段分为两部分，线圈直线段支撑部分和端部直线挡块部分，端部直线块的两端为圆弧形，其中线圈直线段支撑部分采用铁磁材料以增加磁场强度，端部直线挡块为最外匝的导线/缆线提供侧面支撑。

5.根据权利要求1所述的一种S型六极磁体的匝间过渡连续绕制嵌槽式骨架，其特征在于，

所述的端部月牙块组内每两个月牙块间的间距等于所述的匝间过渡导向块组内月牙块的间距。

6.一种S型六极磁体的匝间过渡叠层连续绕制方法，利用权利要求1-5之一所述的骨架，其中，匝间过渡导向块组包括m个月牙块和m+1个线槽，端部月牙块组也包括m个月牙块和m+1个月牙线槽，即磁体轴向方向共有m+1匝，其特征在于，第一层绕制，包括如下步骤：

步骤1、导线/缆线从入线口开始绕线，首先经过第一直线段线槽一直绕制到第一月牙块组中对应的最内侧端部第一月牙线槽，然后绕制到第二月牙块组的最外侧即第m+1月牙线槽，接着一直绕制到匝间过渡导向块组的最外侧线槽内，即第m+1 线槽，即结束线圈的第一匝绕制；经导向块的最外侧即第m月牙块处左侧位置过渡到第二匝起始处，即第一直线段线槽位置，开始绕制第二匝；

步骤2、第二匝经过第一直线段线槽绕制到第一月牙块组的第二月牙线槽，然后一直绕到匝间过渡导向块组第m线槽结束第二匝绕制；

步骤3、第k匝经过第一直线段线槽，再绕制到第一月牙块组的第k月牙线槽，然后一直绕到匝间过渡导向块组第k-1线槽结束第k匝绕制。

7.根据权利要求6所述的一种S型六极磁体的匝间过渡叠层连续绕制方法，其特征在于，第二层包括如下步骤：

步骤1、导线/缆线从匝间过渡导向块组第一线槽开始绕线，首先经过第一直线段线槽绕制到第一月牙块组中对应的最外侧端部第m+1月牙线槽，然后绕制到第二月牙块组的最内侧的第一月牙线槽，接着一直绕制到第六直线段线槽，然后绕制到匝间过渡导向块组第一月牙块右侧处，即绕满骨架第二层第一匝，经匝间过渡导向块组第一月牙块右侧位置过渡到第二匝起始处，即导线块组第二线槽位置，开始绕制第二匝；

步骤2、第二匝经过匝间过渡导向块组第二线槽绕制，然后一直绕到匝间过渡导向块组第二月牙块右侧位置结束第二匝绕制；

步骤3、第k匝经过匝间过渡导向块组第k线槽绕制，然后一直绕到匝间过渡导向块组第k月牙块右侧位置结束第k匝绕制；然后经由匝间过渡导向块组第m月牙块右侧位置、出线口引出导线/缆线。

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