CN117174426B - 一种阶梯式并绕超导线圈的磁体结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超导磁体技术领域，尤其涉及一种阶梯式并绕超导线圈的磁体结构及其制作方法，磁体结构包括中间超导线圈，中间超导线圈的数量为一个或两个，中间超导线圈的两侧对称设置有扩展超导线圈，中间超导线圈、扩展超导线圈沿磁体结构的轴向布置，中间超导线圈的并绕带材数量与扩展超导线圈的并绕带材数量存在函数关系。中间超导线圈为一个时，中间超导线圈并绕带材数量x₁与扩展超导线圈并绕带材数量y满足x₁≤y₁≤y₂≤……≤y_n‑1≤y_n，且x₁≠y_n；中间超导线圈为两个时，中间超导线圈并绕带材数量x₂与扩展超导线圈并绕带材数量y′满足x₂≤y′₁≤y′₂≤……≤y′_n‑1≤y′_n，且x₂≠y′_n。

Description

一种阶梯式并绕超导线圈的磁体结构及其制作方法

技术领域

本发明属于超导磁体技术领域，尤其涉及一种阶梯式并绕超导线圈的磁体结构及其制作方法。

背景技术

高温超导材料具有银或铜等常规材料不具备的零电阻特性，在特定温度下能够实现无损耗地传输大电流。随着生产工艺和技术手段的不断改进，它们展现出更高的载流能力。由于高温超导材料独特的电磁特性，它们在高场磁体应用领域具有显著的优越性，成为开发高场超导磁体的重要基础材料。饼式绕制方法是螺线管磁体常用的绕制方法，一系列饼式线圈单元通过适当的级联方式串联，同轴堆叠组装形成多线圈超导磁体。

为了保证超导磁体的稳定运行，必须将运行电流限制在高温超导材料的临界电流以下，否则超导材料将会失去超导特性，转换为正常有阻态，严重时会伴随着温升、过电压和带材烧毁等一系列问题。高温超导带材的临界电流I_c有较强的磁场依赖性和各向异性，其受垂直于带材方向的磁场影响较大。

在磁体设计的安全评估中常常关注电流均匀系数（I_op/I_c），即加载因子。因此，设计中需要考虑留出一定的安全裕量，以应对磁体在极限工况下的挑战。传统的超导磁体设计中，通常使用单根超导带材绕制成线圈，然后将多个线圈堆叠组成完整的磁体。由于磁体中磁场分布的不均匀性，两端线圈周围出现较高的垂直磁场，导致该区域载流能力远小于中心线圈，临界电流的减小会限制线圈的最大工作电流，出现木桶效应。因此，在确定磁体的实际运行电流时，需要平衡预留的安全裕量和两端线圈的临界电流，木桶效应导致中心线圈安全裕量过高和带材利用率过低，不利于磁体的紧凑性和经济性。

因此，需要设计一种阶梯式并绕超导线圈的磁体结构及其制作方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种阶梯式并绕超导线圈的磁体结构及其制作方法，以解决上述问题，一方面提高线圈失超的自我保护能力，另一方面使多线圈磁体具有更均匀的电流均匀系数（I_op/I_c）分布，实现带材节约利用，满足大型磁体对安全性、紧凑性和制造成本的要求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种阶梯式并绕超导线圈的磁体结构，包括中间超导线圈，所述中间超导线圈的数量为一个或两个，所述中间超导线圈的两侧对称设置有扩展超导线圈，所述中间超导线圈、所述扩展超导线圈沿磁体结构的轴向布置，所述中间超导线圈的并绕带材数量与所述扩展超导线圈的并绕带材数量存在函数关系；

所述中间超导线圈的数量为一个时，所述扩展超导线圈的数量记为b₁，b₁=1+t₁，t₁≥0且为整数，所述中间超导线圈的并绕带材数量为x₁，所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y，与所述中间超导线圈相邻的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y₁，远离所述中间超导线圈相邻的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y_n，x₁≤y₁≤y₂≤……≤y_n-1≤y_n，且x₁≠y_n；

所述中间超导线圈的数量为两个时，所述扩展超导线圈的数量记为b₂，b₂=2+t₂，t₂≥0且为整数，所述中间超导线圈的并绕带材数量为x₂，所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y′，与所述中间超导线圈相邻的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y′₁，远离所述中间超导线圈相邻的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y′_n，x₂≤y′₁≤y′₂≤……≤y′_n-1≤y′_n，且x₂≠y′_n。

优选的，所述中间超导线圈的数量为1个，所述扩展超导线圈的数量为4个，4个所述扩展超导线圈两两为一组分布在所述中间超导线圈轴向的两侧，所述中间超导线圈的并绕带材数量为3根，与所述中间超导线圈相邻的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为4根，远离所述中间超导线圈的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为5根。

优选的，所述中间超导线圈的数量为2个，所述扩展超导线圈的数量为18个，18个所述扩展超导线圈分为两组分布在2个所述中间超导线圈的两侧，2个所述中间超导线圈的并绕带材数量为4根，与所述中间超导线圈相邻的第一个所述扩展超导线圈的并绕带材数量为5根，第二个所述扩展超导线圈和第三个所述扩展超导线圈的并绕带材数量为6根，第四个所述扩展超导线圈和第五个所述扩展超导线圈的并绕带材数量为7根，第六个所述扩展超导线圈至第九个所述扩展超导线圈的并绕带材数量为8根。

一种阶梯式并绕超导线圈的磁体结构的制作方法，包括以下步骤：

S1、绕制所述扩展超导线圈；

S2、绕制所述中间超导线圈；

S3、串联堆叠所述中间超导线圈、所述扩展超导线圈，组装成磁体。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1、相比于传统单绕超导磁体，本发明采用并联共绕技术，并联带材之间的分流显著提高了线圈对带材缺陷的容忍度，同时增强了磁体的自我保护能力。

2、针对超导磁体临界电流分布不均匀导致通流受限的木桶效应，本发明提出的阶梯式并绕结构允许在给定工作电流下时，磁体不同线圈在工作时具有不同的电流密度，通过合理配置阶梯式并绕结构，所有线圈通流均可以逼近其自身的载流能力，改善整个磁体的电流均一性，大幅提高带材的利用率。在保证磁场参数的要求下，该结构可以减少带材用量，降低磁体制造成本。

3、阶梯式并绕磁体中并联带材不受限于超导带材类型，任意宽度或厚度的带材均可用于并绕，封装带材和镀铜带材同样适用，多路并联共绕工艺可以通过多路绕线机实现，该技术在大型强场超导磁体中极具应用潜力和先进性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为传统单绕磁体加载因子分布图；

图2为采用多路并联共绕的线圈结构；

图3为本发明应用于五线圈超导磁体的阶梯式并绕结构示意图；

图4为本发明应用于二十线圈阶梯式并绕超导磁体的加载因子分布图；

图5为基于二十线圈磁体的传统单绕与阶梯式并绕方案下各线圈的平均加载因子对比图；

图6为基于二十线圈磁体的传统单绕方案M与阶梯式并绕方案N下磁场分布对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-图6，本发明提供一种阶梯式并绕超导线圈的磁体结构，包括中间超导线圈，中间超导线圈的数量为一个或两个，中间超导线圈的两侧对称设置有扩展超导线圈，中间超导线圈、扩展超导线圈沿磁体结构的轴向布置，中间超导线圈的并绕带材数量与扩展超导线圈的并绕带材数量存在函数关系；

中间超导线圈的数量为一个时，扩展超导线圈的数量记为b₁，b₁=1+t₁，t₁≥0且为整数，中间超导线圈的并绕带材数量为x₁，扩展超导线圈的并绕带材数量为y，与中间超导线圈相邻的扩展超导线圈的并绕带材数量为y₁，远离中间超导线圈相邻的扩展超导线圈的并绕带材数量为y_n，x₁≤y₁≤y₂≤……≤y_n-1≤y_n，且x₁≠y_n；

中间超导线圈的数量为两个时，扩展超导线圈的数量记为b₂，b₂=2+t₂，t₂≥0且为整数，中间超导线圈的并绕带材数量为x₂，扩展超导线圈的并绕带材数量为y′，与中间超导线圈相邻的扩展超导线圈的并绕带材数量为y′₁，远离中间超导线圈相邻的扩展超导线圈的并绕带材数量为y′_n，x₂≤y′₁≤y′₂≤……≤y′_n-1≤y′_n，且x₂≠y′_n。

进一步优化方案，中间超导线圈的数量为1个，扩展超导线圈的数量为4个，4个扩展超导线圈两两为一组分布在中间超导线圈轴向的两侧，中间超导线圈的并绕带材数量为3根，与中间超导线圈相邻的扩展超导线圈的并绕带材数量为4根，远离中间超导线圈的扩展超导线圈的并绕带材数量为5根。

参照图2-图3，以由五个线圈堆叠组成的阶梯式并绕（PW，parallel wound）超导磁体为例。串联堆叠线圈组成的磁体在稳态运行时，不同区域线圈的安全裕量并不一致。具体来说，两端线圈的安全裕量较低，而中心线圈的安全裕量较高。针对这种情况，共选用三种不同带材并联数量的并绕工艺，分别是PW3、PW4和PW5，如图2所示。这里的PWx代表线圈并绕时所使用的带材数量，其中x为并联带材根数。需要注意的是，此处的并绕带材数量仅用于说明阶梯式分布特点，不是固定的方案。

两端线圈考虑采用更多根并联数量的并绕工艺绕制，以提高自我保护能力，中心线圈考虑采用更少根并联数量的并绕工艺绕制，以提高带材利用水平。图3展示了阶梯式并绕超导磁体的示意图，不同颜色深度的线圈代表采用不同并绕工艺绕制而成。其中，n₁≤n₂≤n₃，通过将多个并绕数量的超导带材分配到不同线圈上，可以最大限度地减小中心线圈区域的带材浪费，同时提高磁体的失超鲁棒性。

进一步优化方案，中间超导线圈的数量为2个，扩展超导线圈的数量为18个，18个扩展超导线圈分为两组分布在2个中间超导线圈的两侧，2个中间超导线圈的并绕带材数量为4根，与中间超导线圈相邻的第一个扩展超导线圈的并绕带材数量为5根，第二个扩展超导线圈和第三个扩展超导线圈的并绕带材数量为6根，第四个扩展超导线圈和第五个扩展超导线圈的并绕带材数量为7根，第六个扩展超导线圈至第九个扩展超导线圈的并绕带材数量为8根。

有限元仿真将为磁体预留一定的安全裕量，即最大加载因子不大于0.8。以图1中基于单绕的二十线圈磁体为对照，图4给出相同尺寸下采用阶梯式并绕结构的磁体在最大通流时的加载因子分布图，图4中的二十个单元是二维轴对称建模下的不同线圈。图4中的颜色深浅表示该区域带材实际电流小于其临界电流的程度，颜色越深代表该处带材利用率越高，反之则利用率越低。结果表明，与传统单绕结构相比，采用阶梯式并绕结构时，加载因子的最小值提高了80%，提高了带材的利用率。图5给出两种磁体结构中各线圈的平均加载因子，可见阶梯式并绕结构提高了整个磁体的电流均一性，中心线圈的带材利用水平显著提高。

图6展示了传统单绕与阶梯式并绕磁体的磁场分布图，阶梯式并绕结构并不会影响超导磁体产生的磁场分布规律。结果显示，对于同等尺寸的超导磁体，使用同等长度的超导带材，阶梯式并绕结构使最大磁场提高了近26%。因此，采用阶梯式并绕结构可以有效提高磁场参数。

一种阶梯式并绕超导线圈的磁体结构的制作方法，以三个线圈堆叠形成磁体为例，包括以下步骤：

S1、采用第一类并绕数量工艺绕制扩展超导线圈；扩展超导线圈的数量为两个；

S2、采用第二类并绕数量工艺绕制中间超导线圈；第二类并绕数量工艺中的并绕数量不超过第一类并绕数量工艺中的并绕数量；

S3、串联堆叠中间超导线圈、扩展超导线圈，组装成磁体。扩展超导线圈位于磁体的顶部和底部，中间超导线圈位于磁体中间。

通过以上步骤，实现了阶梯式并绕结构的三线圈堆叠。四线圈磁体的结构设计中，则增加一个由第二类并绕数量工艺绕制的中间超导线圈，并将中间超导线圈放置于磁体中间；五线圈磁体的结构设计中，则再采用第三类并绕数量工艺绕制第五个超导线圈，第三类并绕数量工艺的并绕数量不超过第二类并绕数量工艺的并绕数量，并将第五个超导线圈作为中间超导线圈放置于磁体中间，以此类推。根据这种线圈堆叠规则，磁体多线圈结构的并绕带材数量呈现阶梯式分布，即本专利提出的阶梯式并绕结构。

二代高温超导带材的临界电流有较强的磁场依赖性和各向异性，其临界电流密度受垂直于带材方向的磁场影响较大。然而，在高场磁体中，磁场的空间分布不均匀，导致磁体各区域线圈的临界电流差异明显。特殊地，磁体端部位置处，垂直于带材方向的磁场分量相对较大，以至于两端线圈的临界电流低于磁体中间区域线圈的临界电流值。现有的研究和工程实践中，超导磁体的线圈单元大多采用单根带材绕制，为了保证磁体稳定运行，传统单绕磁体的实际运行电流不应大于磁体中临界电流最小值，即木桶效应，磁体中临界电流的不均匀性限制了磁体的工程通流，导致中心线圈超导带材的实际电流远低于其临界电流，加载因子不高，造成了带材的浪费。图1中研究对象为由二十个单绕线圈堆叠组成的超导磁体，展示了保留20%安全裕量时整个磁体的加载因子分布。

针对现有技术的缺陷，本发明提出一种新的超导磁体结构，即阶梯式并绕超导线圈磁体结构。本发明的核心技术是在超导磁体多线圈中各线圈单元采用并联数量不同的多路并联共绕工艺，通过调整磁体总电流，实现对不同位置线圈中单根带材上通流的区别控制。综合分析单绕工艺下传统磁体各线圈的载流能力和并绕工艺下不同区域的安全裕度，实现不同线圈带材并绕数量的阶梯式分布设计，即两端的超导线圈采用更多根带材并绕，中间超导线圈并绕根数最少。超导磁体在预留一定安全裕量的情况下，采用阶梯式并绕结构，一方面提高了线圈失超的自我保护能力，另一方面多线圈磁体具有更均匀的电流均匀系数（I_op/I_c）分布，特别地，中心线圈的电流均匀系数（I_op/I_c）大幅提高，实现带材节约利用，有望同时满足大型磁体对安全性、紧凑性和制造成本的要求。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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发明，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发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种阶梯式并绕超导线圈的磁体结构，其特征在于，包括中间超导线圈，所述中间超导线圈的数量为一个或两个，所述中间超导线圈的两侧对称设置有扩展超导线圈，所述中间超导线圈、所述扩展超导线圈沿磁体结构的轴向布置，所述中间超导线圈的并绕带材数量与所述扩展超导线圈的并绕带材数量存在函数关系；

所述中间超导线圈的数量为一个时，所述扩展超导线圈的数量记为b₁，b₁=1+t₁，t₁≥0且为整数，所述中间超导线圈的并绕带材数量为x₁，所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y，与所述中间超导线圈相邻的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y₁，远离所述中间超导线圈相邻的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y_n，x₁≤y₁≤y₂≤……≤y_n-1≤y_n，且x₁≠y_n；

所述中间超导线圈的数量为两个时，所述扩展超导线圈的数量记为b₂，b₂=2+t₂，t₂≥0且为整数，所述中间超导线圈的并绕带材数量为x₂，所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y′，与所述中间超导线圈相邻的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y′₁，远离所述中间超导线圈相邻的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为y′_n，x₂≤y′₁≤y′₂≤……≤y′_n-1≤y′_n，且x₂≠y′_n；

所述中间超导线圈的数量为1个，所述扩展超导线圈的数量为4个，4个所述扩展超导线圈两两为一组分布在所述中间超导线圈轴向的两侧，所述中间超导线圈的并绕带材数量为3根，与所述中间超导线圈相邻的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为4根，远离所述中间超导线圈的所述扩展超导线圈的并绕带材数量为5根；

所述中间超导线圈的数量为2个，所述扩展超导线圈的数量为18个，18个所述扩展超导线圈分为两组分布在2个所述中间超导线圈的两侧，2个所述中间超导线圈的并绕带材数量为4根，与所述中间超导线圈相邻的第一个所述扩展超导线圈的并绕带材数量为5根，第二个所述扩展超导线圈和第三个所述扩展超导线圈的并绕带材数量为6根，第四个所述扩展超导线圈和第五个所述扩展超导线圈的并绕带材数量为7根，第六个所述扩展超导线圈至第九个所述扩展超导线圈的并绕带材数量为8根；

所述阶梯式并绕超导线圈的磁体结构的制作方法，包括以下步骤：

S1、绕制所述扩展超导线圈；

S2、绕制所述中间超导线圈；

S3、串联堆叠所述中间超导线圈、所述扩展超导线圈，组装成磁体。