CN116959878A - 一种超导磁体的线圈绕制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导磁体的线圈绕制方法，涉及超导磁体技术领域，包括步骤1、确定线圈的设计参数和绕制方案，绕制方案包括绕线顺序、绕线层数、绕线方向；步骤2、准备超导带材，先将超导带材绕制成束，再进行线圈的绕制；步骤3、按照绕制方案绕制超导带材，根据绕线顺序、绕线层数和绕线方向确定初始张紧力，根据初始张紧力将带材缠绕在绕线模具上，形成线圈，计算线圈环向应力；步骤4、根据线圈环向应力对线圈进行预处理，预处理后判断是否满足要求，不满足要求则重新进行步骤3；步骤5、对绕制完成的线圈进行测试。本申请通过控制线圈绕制的张紧力和环向应力，精准控制线圈绕制工艺效果，制备出的超导磁体的安全性和实用性更好。
Description
技术领域
本申请涉及超导磁体技术领域，更具体地，涉及一种超导磁体的线圈绕制方法。
背景技术
超导磁体是一种重要的能量设备，广泛应用于核磁共振成像、磁共振治疗、加速器等领域。其关键组件是超导线圈，该线圈必须保持在低温下，通常使用液氦进行冷却，以达到超导状态。
超导磁体线圈的制造需要复杂的工艺流程，包括线材的制备、线圈的绕制、高温热处理、冷却等环节。其中，线圈的绕制是一个至关重要的环节。线圈的绕制方式不同，会影响到线圈的性能，如线圈的电感、电阻等。
目前，超导磁体线圈绕制存在着一些问题。首先，由于线圈的制造复杂性，绕制过程中的参数不准确，如绕制张力、加热温度等，这些参数的不准确性会影响到线圈的质量和性能。
因此，如何提高超导磁体线圈绕制过程中的参数控制精度，是目前有待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种超导磁体的线圈绕制方法，用以解决现有技术中超导磁体线圈绕制过程中的参数控制精度低的技术问题。所述方法包括：
步骤1、确定线圈的设计参数和绕制方案，设计参数包括磁场强度、线圈几何形状、线圈材料，绕制方案包括绕线顺序、绕线层数、绕线方向；
步骤2、准备超导带材，先将超导带材绕制成束，再进行线圈的绕制；
步骤3、按照绕制方案绕制超导带材，根据绕线顺序、绕线层数和绕线方向确定初始张紧力，根据初始张紧力将带材缠绕在绕线模具上，形成线圈，计算线圈环向应力；
步骤4、根据线圈环向应力对线圈进行预处理，预处理后判断是否满足要求，不满足要求则重新进行步骤3，满足要求后进行线圈的绝缘处理；
步骤5、对绕制完成的线圈进行测试，以确保线圈的性能符合设计要求。
本申请一些实施例中，步骤3还包括：
若步骤4中不满足要求，则重新进行步骤3，根据不满足情况对初始张紧力进行修改。
本申请一些实施例中，步骤3中，根据绕线顺序、绕线层数和绕线方向确定初始张紧力，包括：
根据绕线顺序、绕线层数、绕线方向和张紧力表确定初始张紧力。
本申请一些实施例中，步骤3中，计算线圈环向应力，包括：
其中，P为线圈环向应力，α为转换系数，N是线圈层数，F是初始张紧力，exp是指数函数，n是线圈层数-1，βi是第i层线圈对应的累积效应系数，xi是第i层线圈的径向位移距离。
本申请一些实施例中，步骤4中，根据线圈环向应力对线圈进行预处理，包括：
预处理包括缓慢升温阶段和等温保持阶段；
根据线圈环向应力确定缓慢升温阶段和等温保持阶段中的各项参数，各项参数包括；
缓慢升温阶段中通过第一加热温度进行加热，线圈达到临界温度以上后，维持第一时间后，进入等温保持阶段；
第一加热温度的公式为：
其中，T1为第一加热温度，T0为初始温度，γ0为第一转换系数，γ1为第二转换系数，γ2为第三转换系数，P0、P1、P2均为预设线圈环向应力；
第一时间的公式为：
其中，S1为第一时间，S0为初始时间，δ0为第一转换系数，δ1为第二转换系数，δ2为第三转换系数，P3、P4、P5为预设线圈环向应力，[]为取整符号。
本申请一些实施例中，步骤4中，根据线圈环向应力对线圈进行预处理，包括：
在等温保持阶段中，将线圈温度保持在第二温度下，维持第二时间后结束；
根据第一温度和第一时间分别确定第二温度和第二时间；
其中，T2为第二温度，ε1为第一温度对应的权重，ε2为初始温度对应的权重，T3为等温保持阶段对应的初始温度，S2为第二时间，θ1为第一时间对应的权重，θ2为初始时间对应的权重，S3为等温保持阶段对应的初始时间。
本申请一些实施例中，步骤4中，预处理后判断是否满足要求，不满足要求则重新进行步骤3，满足要求后进行线圈的绝缘处理，包括：
预处理后计算线圈牢固程度，若线圈牢固程度超过预设值，则满足要求；
若线圈牢固程度未超过预设值，则不满足要求。
本申请一些实施例中，根据不满足情况对初始张紧力进行修改，包括：
其中，L为更改后的张紧力，μ1为第一影响权重，E为线圈材料的杨式模量，W为线圈宽度，R为线圈半径，v为线圈材料的泊松比，μ2为第二影响权重，τ为牢固差量对应的转换系数，K是上次预处理后的线圈牢固程度，K0是线圈牢固程度预设值，L0为初始张紧力。
通过应用以上技术方案，步骤1、确定线圈的设计参数和绕制方案，设计参数包括磁场强度、线圈几何形状、线圈材料，绕制方案包括绕线顺序、绕线层数、绕线方向；步骤2、准备超导带材，先将超导带材绕制成束，再进行线圈的绕制；步骤3、按照绕制方案绕制超导带材，根据绕线顺序、绕线层数和绕线方向确定初始张紧力，根据初始张紧力将带材缠绕在绕线模具上，形成线圈，计算线圈环向应力；步骤4、根据线圈环向应力对线圈进行预处理，预处理后判断是否满足要求，不满足要求则重新进行步骤3，满足要求后进行线圈的绝缘处理；步骤5、对绕制完成的线圈进行测试，以确保线圈的性能符合设计要求。本申请通过控制线圈绕制的张紧力和环向应力，精准控制线圈绕制工艺效果，制备出的超导磁体的安全性和实用性更好。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提出的一种超导磁体的线圈绕制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本申请实施例提供一种超导磁体的线圈绕制方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1、确定线圈的设计参数和绕制方案，设计参数包括磁场强度、线圈几何形状、线圈材料，绕制方案包括绕线顺序、绕线层数、绕线方向；
步骤2、准备超导带材，先将超导带材绕制成束，再进行线圈的绕制；
步骤3、按照绕制方案绕制超导带材，根据绕线顺序、绕线层数和绕线方向确定初始张紧力，根据初始张紧力将带材缠绕在绕线模具上，形成线圈，计算线圈环向应力；
步骤4、根据线圈环向应力对线圈进行预处理，预处理后判断是否满足要求，不满足要求则重新进行步骤3，满足要求后进行线圈的绝缘处理；
步骤5、对绕制完成的线圈进行测试，以确保线圈的性能符合设计要求。
本申请一些实施例中，步骤3还包括：
若步骤4中不满足要求，则重新进行步骤3，根据不满足情况对初始张紧力进行修改。
本申请一些实施例中，步骤3中，根据绕线顺序、绕线层数和绕线方向确定初始张紧力，包括：
根据绕线顺序、绕线层数、绕线方向和张紧力表确定初始张紧力。
本申请一些实施例中，步骤3中，计算线圈环向应力，包括：
其中，P为线圈环向应力，α为转换系数，N是线圈层数，F是初始张紧力，exp是指数函数，n是线圈层数-1，βi是第i层线圈对应的累积效应系数，xi是第i层线圈的径向位移距离。
本实施例中，洛伦兹力引起的导体运动是引起磁体失超或损伤的最重要的机械扰动源，为了消除导体的运动，保证磁体的可靠运行，发展了灌封和填充强化材料的线圈建造技术，这样就使导线相互黏接在一起，增强了整个线圈绕组的刚度。线圈绕制过程中在导线上施加一定的张紧力，会使组成超导线圈的导线排列地更加紧密整齐，因此能够减少固化填充材料的体积，减小因固化材料破裂释放的扰动能量。超导线圈内部的洛伦兹力产生朝外的径向拉应力，过大的径向拉应力会导致层间导线的分离，引起固化填充材料从导线的剥离而产生扰动能。因此，需要根据线圈环向应力控制张紧力。
在径向方向，超导线圈内部都处于相互挤压状态；在环向方向，内层导线处于压应力状态，外层导线主要受导线张紧力的影响，因此处于拉应力状态。增加导线的绕制预应力能够增大线圈内的径向压应力，使导线排列的更加紧密，从而能够增强超导磁体的机械稳定性。但是，带来的问题是使内层导线的环向应力增大。高的应力状态可能会使内层导线发生失稳，所以在超导线圈建造过程中要根据实际情况施加合理的绕制张紧力。
本实施例中，整个绕制过程中导线上施加了一定的绕制张紧力。每层导线绕上时，相当于该层导线对已绕上的导线施加一个外压，使它们沿径向产生一个小的位移。随着绕制层数的不断增加，线圈外半径不断增加，线圈的不同层上产生不同的累积效应，在线圈最外层的径向压应力为0。
本申请一些实施例中，步骤4中，根据线圈环向应力对线圈进行预处理，包括：
预处理包括缓慢升温阶段和等温保持阶段；
根据线圈环向应力确定缓慢升温阶段和等温保持阶段中的各项参数，各项参数包括；
缓慢升温阶段中通过第一加热温度进行加热，线圈达到临界温度以上后，维持第一时间后，进入等温保持阶段；
第一加热温度的公式为：
其中，T1为第一加热温度，T0为初始温度，γ0为第一转换系数，γ1为第二转换系数，γ2为第三转换系数，P0、P1、P2均为预设线圈环向应力；
第一时间的公式为：
其中，S1为第一时间，S0为初始时间，δ0为第一转换系数，δ1为第二转换系数，δ2为第三转换系数，P3、P4、P5为预设线圈环向应力，[]为取整符号。
本实施例中，超导磁体的线圈绕制后需要进行固化处理，以保证线圈具有良好的力学强度和稳定性能。固化处理的主要目的是将线圈中的超导体材料转变为完全的超导态，并使其与绕制材料牢固粘合在一起。
固化处理的过程包括两个主要的步骤：缓慢升温和等温保持。在缓慢升温阶段，线圈被加热到超导材料的临界温度以上，并维持在此温度一段时间，使线圈内部的超导材料逐渐转变为超导态。在等温保持阶段，线圈保持在一定的温度下，以确保线圈中的所有超导材料都处于超导态，并且与绕制材料牢固结合。
固化处理的温度和时间取决于超导材料的类型和线圈的尺寸等因素。过高的温度或过长的时间会导致超导材料的退火和失超，从而降低线圈的超导性能。因此，固化处理过程需要精确控制，以保证线圈具有优良的超导性能和稳定性。
本申请一些实施例中，步骤4中，根据线圈环向应力对线圈进行预处理，包括：
在等温保持阶段中，将线圈温度保持在第二温度下，维持第二时间后结束；
根据第一温度和第一时间分别确定第二温度和第二时间；
其中，T2为第二温度，ε1为第一温度对应的权重，ε2为初始温度对应的权重，T3为等温保持阶段对应的初始温度，S2为第二时间，θ1为第一时间对应的权重，θ2为初始时间对应的权重，S3为等温保持阶段对应的初始时间。
本申请一些实施例中，步骤4中，预处理后判断是否满足要求，不满足要求则重新进行步骤3，满足要求后进行线圈的绝缘处理，包括：
预处理后计算线圈牢固程度，若线圈牢固程度超过预设值，则满足要求；
若线圈牢固程度未超过预设值，则不满足要求。
本实施例中，固化后的线圈牢固程度计算，是本领域常规技术，在此不再赘述。
本申请一些实施例中，根据不满足情况对初始张紧力进行修改，包括：
其中，L为更改后的张紧力，μ1为第一影响权重，E为线圈材料的杨式模量，W为线圈宽度，R为线圈半径，v为线圈材料的泊松比，μ2为第二影响权重，τ为牢固差量对应的转换系数，K是上次预处理后的线圈牢固程度，K0是线圈牢固程度预设值，L0为初始张紧力。
本实施例中，根据不满足情况对初始张紧力进行修改，表示新计算的张紧力，μ2τ(K-K0)L0表示补偿量。
通过应用以上技术方案，步骤1、确定线圈的设计参数和绕制方案，设计参数包括磁场强度、线圈几何形状、线圈材料，绕制方案包括绕线顺序、绕线层数、绕线方向；步骤2、准备超导带材，先将超导带材绕制成束，再进行线圈的绕制；步骤3、按照绕制方案绕制超导带材，根据绕线顺序、绕线层数和绕线方向确定初始张紧力，根据初始张紧力将带材缠绕在绕线模具上，形成线圈，计算线圈环向应力；步骤4、根据线圈环向应力对线圈进行预处理，预处理后判断是否满足要求，不满足要求则重新进行步骤3，满足要求后进行线圈的绝缘处理；步骤5、对绕制完成的线圈进行测试，以确保线圈的性能符合设计要求。本申请通过控制线圈绕制的张紧力和环向应力，精准控制线圈绕制工艺效果，制备出的超导磁体的安全性和实用性更好。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种超导磁体的线圈绕制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、确定线圈的设计参数和绕制方案，设计参数包括磁场强度、线圈几何形状、线圈材料，绕制方案包括绕线顺序、绕线层数、绕线方向；
步骤2、准备超导带材，先将超导带材绕制成束，再进行线圈的绕制；
步骤3、按照绕制方案绕制超导带材，根据绕线顺序、绕线层数和绕线方向确定初始张紧力，根据初始张紧力将带材缠绕在绕线模具上，形成线圈，计算线圈环向应力；
步骤4、根据线圈环向应力对线圈进行预处理，预处理后判断是否满足要求，不满足要求则重新进行步骤3，满足要求后进行线圈的绝缘处理；
步骤5、对绕制完成的线圈进行测试，以确保线圈的性能符合设计要求。
2.如权利要求1所述的超导磁体的线圈绕制方法，其特征在于，步骤3还包括：
若步骤4中不满足要求，则重新进行步骤3，根据不满足情况对初始张紧力进行修改。
3.如权利要求1所述的超导磁体的线圈绕制方法，其特征在于，步骤3中，根据绕线顺序、绕线层数和绕线方向确定初始张紧力，包括：
根据绕线顺序、绕线层数、绕线方向和张紧力表确定初始张紧力。
4.如权利要求1所述的超导磁体的线圈绕制方法，其特征在于，步骤3中，计算线圈环向应力，包括：
其中，P为线圈环向应力，α为转换系数，N是线圈层数，F是初始张紧力，exp是指数函数，n是线圈层数-1，βi是第i层线圈对应的累积效应系数，xi是第i层线圈的径向位移距离。
5.如权利要求4所述的超导磁体的线圈绕制方法，其特征在于，步骤4中，根据线圈环向应力对线圈进行预处理，包括：
预处理包括缓慢升温阶段和等温保持阶段；
根据线圈环向应力确定缓慢升温阶段和等温保持阶段中的各项参数，各项参数包括；
缓慢升温阶段中通过第一加热温度进行加热，线圈达到临界温度以上后，维持第一时间后，进入等温保持阶段；
第一加热温度的公式为：
其中，T1为第一加热温度，T0为初始温度，γ0为第一转换系数，γ1为第二转换系数，γ2为第三转换系数，P0、P1、P2均为预设线圈环向应力；
第一时间的公式为：
其中，S1为第一时间，S0为初始时间，δ0为第一转换系数，δ1为第二转换系数，δ2为第三转换系数，P3、P4、P5为预设线圈环向应力，[]为取整符号。
6.如权利要求5所述的超导磁体的线圈绕制方法，其特征在于，步骤4中，根据线圈环向应力对线圈进行预处理，包括：
在等温保持阶段中，将线圈温度保持在第二温度下，维持第二时间后结束；
根据第一温度和第一时间分别确定第二温度和第二时间；
其中，T2为第二温度，ε1为第一温度对应的权重，ε2为初始温度对应的权重，T3为等温保持阶段对应的初始温度，S2为第二时间，θ1为第一时间对应的权重，θ2为初始时间对应的权重，S3为等温保持阶段对应的初始时间。
7.如权利要求2所述的超导磁体的线圈绕制方法，其特征在于，步骤4中，预处理后判断是否满足要求，不满足要求则重新进行步骤3，满足要求后进行线圈的绝缘处理，包括：
预处理后计算线圈牢固程度，若线圈牢固程度超过预设值，则满足要求；
若线圈牢固程度未超过预设值，则不满足要求。
8.如权利要求7所述的超导磁体的线圈绕制方法，其特征在于，根据不满足情况对初始张紧力进行修改，包括：
其中，L为更改后的张紧力，μ1为第一影响权重，E为线圈材料的杨式模量，W为线圈宽度，R为线圈半径，v为线圈材料的泊松比，μ2为第二影响权重，τ为牢固差量对应的转换系数，K是上次预处理后的线圈牢固程度，K0是线圈牢固程度预设值，L0为初始张紧力。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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