CN118235218A - Hts线圈的缠绕方法 - Google Patents
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Abstract
一种高温超导HTS励磁线圈。HTS励磁线圈包括多条HTS磁带(510)和基板(500)，该多条HTS磁带(510)被布置为形成HTS励磁线圈的匝，该基板(500)分离每一匝。这些匝形成围绕励磁线圈的内周边的盘绕路径，其中，距励磁线圈的内周边的距离随着沿盘绕路径在第一方向上的移动而单调地增加。对于除了径向最内HTS磁带之外的每条HTS磁带，HTS磁带的每个端部在第一方向上从位于所述HTS磁带的径向内侧的相邻HTS磁带的对应端偏移，并且HTS磁带与相邻HTS磁带重叠至少50％的相邻HTS磁带的长度。每条HTS磁带的长度小于线圈的周长加上HTS磁带的一端与位于HTS磁带的径向外侧的相邻HTS磁带的对应端之间的偏移量。
Description
技术领域
本发明涉及高温超导HTS磁体领域。具体地，本发明涉及一种用于HTS线圈的缠绕方法、由该缠绕方法产生的线圈、以及被配置为执行该缠绕方法的装置。
背景技术
超导材料通常被划分为“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。诸如Nb和NbTi之类的LTS材料是可以通过BCS理论描述其超导性的金属或金属合金。所有低温超导体具有低于约30K的自场临界温度(即使在零外磁场下，在其以上也无法使材料超导的温度)。BCS理论未描述HTS材料的行为，并且这种材料可以具有高于约30K的自场临界温度(尽管应当注意，定义HTS和LTS材料的是成分和超导操作的物理差异，而不是自场临界温度)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”——基于铜酸盐(包含氧化铜基团的化合物)的陶瓷，例如，BSCCO或ReBCO(其中，Re是稀土元素，通常是Y或Gd)。其他HTS材料包括铁磷化物(例如，FeAs和FeSe)和二硼酸镁(MgB2)。
ReBCO通常被制造为磁带，其结构如图1所示。这种磁带100通常为约100微米厚，并且包括基板101(通常是电解抛光的镍-钼合金，例如，约50微米厚的哈氏合金TM(HastelloyTM))，一系列缓冲层通过IBAD、磁控溅射或其他合适的技术沉积在该基板101上，该一系列缓冲层被称为缓冲堆叠102，其厚度约为0.2微米。外延ReBCO-HTS层103(通过金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)或其他合适的技术沉积)覆盖缓冲堆叠，并且通常为1微米厚。1至2微米的银层104通过溅射或其他合适的技术沉积在HTS层上，并且铜稳定剂层105通过电镀或其他合适的技术沉积在磁带上，该铜稳定剂层105通常完全封装该磁带。银层104和铜稳定剂层105也沉积在磁带100和基板101的侧面上，使得这些层围绕磁带100的周边连续地延伸，从而允许进行从磁带100的任一面到ReBCO-HTS层103的电连接。因此，这些层104、105也可以被称为“包层”。通常，银包层在该磁带的两侧和边缘上具有约1至2微米的均匀厚度。在HTS层103和铜层105之间提供银层104防止HTS材料接触铜，该接触可能导致HTS材料被铜污染。为了清楚起见，银层104和铜稳定剂层105的在磁带100的侧面上的部分未在图1中示出。图1也未示出如通常情况下在基板101下方延伸的银层104。银层104形成到ReBCO层103的低电阻率电接口并且在ReBCO层103周围形成气密保护密封，而铜层105使得能够与磁带进行外部连接(例如，允许焊接)并且提供用于电气稳定的平行导电路径。
另外，可以制造“剥离式”HTS磁带，该“剥离式”HTS磁带缺少基板和缓冲堆叠，但通常具有银的“周围涂层”，即，HTS层的两侧和边缘上的层。具有基板的磁带将被称为“基板式”HTS磁带。
HTS电缆包括一条或多条HTS磁带，其经由导电材料(通常为铜)沿其长度连接。HTS磁带可以被堆叠(即，布置为使得HTS层平行)，或者它们可以具有可以沿电缆的长度而变化的一些其他磁带布置。HTS电缆的显著特例是单条HTS磁带和HTS对。HTS对包括一对HTS磁带，其被布置为使得HTS层平行。在使用基板式磁带的情况下，HTS对可以是0型(其中HTS层彼此面对)、1型(其中一条磁带的HTS层面对另一磁带的基板)或2型(其中基板彼此面对)。包括多于2条磁带的电缆可以将一些或全部磁带布置成HTS对。堆叠的HTS磁带可以包括HTS对的各种布置，最常见的布置是1型对的堆叠或0型对(或，等同地，2型对)的堆叠。HTS电缆可以包括基板式磁带和剥离式磁带的混合。
通过缠绕HTS电缆或通过提供由HTS电缆制成的线圈的部分并将它们连接在一起，将HTS电缆(或单独的HTS磁带，其出于该描述的目的可以被视为单磁带电缆)布置成线圈来形成超导磁体。HTS线圈分为三大类：
·绝缘的，在匝之间具有电绝缘材料(使得电流仅可以在“螺旋路径”中流过HTS电缆)。
·非绝缘的，其中这些匝径向地电连接以及沿电缆电连接。
·部分绝缘的，其中通过使用具有高电阻(例如，与铜相比)的材料或通过在线圈之间提供间歇性绝缘，将这些匝与受控电阻径向地连接。
非绝缘线圈也可以被认为是部分绝缘线圈的低电阻情况。
HTS线圈通常如图2所示通过向HTS电缆210的线轴201提供磁力制动器202以施加张力来制造。然后，通过围绕线圈移动线轴(从限定线圈的形状的线圈架或支撑结构203开始)或者使线圈绕其轴旋转同时保持线轴静止，将电缆逐匝地缠绕到线圈上。诸如绝缘体、部分绝缘层(即，在其内部具有电流路径的绝缘体、或电阻介于典型绝缘体和导体之间的材料)、失超检测组件等附加层可以与HTS电缆一起缠绕。
这并不适合于所有线圈形状和电缆结构。具体地，堆叠的磁带电缆(包括在所有点处都与线圈相切的若干条平行HTS磁带)不能以这种方式缠绕在具有急转弯的线圈上，因为这将在这些匝外部的磁带上产生很大的应变。对于这种线圈，可以使用如图3所示的备选缠绕方法，其中，通过提供HTS磁带301a至301e的多个线轴来现场构建堆叠的磁带电缆，因此HTS磁带同时从若干个线轴缠绕到线圈302上。HTS磁带可以在它们被缠绕时涂上助焊剂，并且随后可以用焊料浸渍线圈以便将HTS磁带接合在一起，或者HTS磁带可以在它们被缠绕时焊接在一起。后者通常更适合于较大的线圈，以避免长时间将整个线圈保持在高温下，这将带来HTS磁带劣化的风险。与前一情况类似，其他组件可以缠绕在形成每个电缆的HTS磁带层之间。
通常难以获得足够长度的HTS磁带，以使得图3中的HTS磁带的每个线轴可以容纳足够整个线圈的磁带。然而，HTS磁带可以在每条HTS磁带用完时或按照预定图案进行替换。结果是如图4中示意性所示(其中线圈“拉直”并且长度显著缩短)的磁带端到磁带端“对接”接头的图案，其中，HTS磁带的每个层包括对接接头401，其中，HTS磁带停止，并且其他层的HTS磁带402与该对接接头重叠，从而产生与典型砌砖类似的整体图案。如前所述，图4中的长度显著缩短——通常每条HTS磁带具有数米至数百米量级的长度以及百分之几毫米至十分之几毫米量级的厚度。
使用单独磁带的缠绕方法的一个缺点是：焊接是一次性完成的。线圈必须保持在高温下的时间随着线圈尺寸和缠绕截面的增加而增加。如果超出了温度随着时间积分的公认限制，这可能导致HTS的临界电流下降的问题。它还使得焊接错误难以检测和修复。另外，对于承载大电流或在需要大量磁带的极端环境中操作的线圈，单独磁带线轴的数量对构造缠绕机构提出了挑战。
这两种缠绕方法都难以引入线圈的“分级”——即，具有围绕线圈而变化的零场临界电流(通常是为了在使用时补偿线圈上的不均匀的磁场、温度或应变)的HTS线圈，因为它们产生基本上均匀的线圈。通过包括沿特定弧的附加HTS电缆或磁带，可以在一定程度上缓解这种情况，但这需要附加工具。
另外，上述缠绕方法难以在复杂的线圈形状(例如，在单个平面中不是凸形的HTS线圈)上实现。对于非凸形状，必须对任何凹形部分采取特殊措施，以防止HTS磁带在这些部分上“桥接”，并且对于非平面线圈，HTS线轴(或线圈本身)的运动可能非常复杂。
最后，这两种方法都依赖于具有较长长度的HTS磁带，使得可以用磁带或电缆的尽可能少的部分来缠绕线圈。较长HTS磁带通常比同等总长度的较短HTS磁带更昂贵。
发明内容
根据第一方面，提供了一种高温超导HTS励磁线圈。HTS励磁线圈包括多条HTS磁带和基板，该多条HTS磁带被布置为形成HTS励磁线圈的匝，该基板分离每一匝。这些匝形成围绕励磁线圈的内周边的盘绕路径，其中，距励磁线圈的内周边的距离随着沿盘绕路径在第一方向上的移动而单调地增加；对于除了径向最内HTS磁带之外的每条HTS磁带，HTS磁带的每个端部在第一方向上从位于所述HTS磁带的径向内侧的相邻HTS磁带的对应端偏移，并且HTS磁带与相邻HTS磁带重叠至少50％的相邻HTS磁带的长度。每条HTS磁带的长度小于线圈的周长加上HTS磁带的一端与位于HTS磁带的径向外侧的相邻HTS磁带的对应端之间的偏移量。
根据第二方面，提供了一种缠绕高温超导HTS磁场线圈的方法。提供线圈架，该线圈架限定励磁线圈的内周边。在线圈架上铺设第一HTS磁带；顺序地铺设多条HTS磁带以形成HTS励磁线圈的匝，每条HTS磁带与前一HTS磁带重叠至少50％的前一HTS磁带的长度，使得HTS磁带的每个端部围绕励磁线圈的周边在第一方向上从前一HTS磁带的对应端偏移。在铺设多条HTS磁带期间，围绕励磁线圈缠绕基板以分离由HTS磁带形成的匝。每条HTS磁带的长度小于励磁线圈的周长加上HTS磁带的一端与下一HTS磁带的对应端之间的偏移量。
根据第三方面，提供了一种用于在HTS励磁线圈上铺设高温超导HTS磁带的装置。该装置包括线轴、馈送机构、磁带切割器、推进系统和控制器。线轴被配置为容纳HTS磁带。馈送机构被配置为将HTS磁带从线轴分配到HTS励磁线圈上。磁带切割器被配置为将铺设在励磁线圈上的HTS磁带与线轴上的HTS磁带分离。推进系统被配置为使该装置围绕HTS励磁线圈的周边沿两个方向移动。控制器被配置为：
使馈送机构将HTS磁带分配到HTS励磁线圈上，同时推进系统使该装置围绕该周边沿第一方向移动；
在已经分配了指定长度的HTS磁带之后，使磁带切割器将所分配的HTS磁带与线轴上的HTS磁带分离；
使推进系统使该装置围绕该周边沿第二方向移动；
重复分配HTS磁带、分离所分配磁带、以及沿第二方向向后移动的步骤，使得每条HTS磁带被分配有在第一方向上从前一HTS磁带的起始位置偏移的起始位置。
其他实施例在权利要求2及其以下各项权利要求中提出。
附图说明
附图仅用于示出特定概念，并且不应被视为特定装置、方法或方法结果的确切表示。除非另外指示，否则附图中的元件并未按比例呈现，并且仅示出了理解所呈现的概念所需的那些元件(例如，通常省略支撑结构)。
图1是高温超导HTS磁带的图示；
图2是已知缠绕方法的图；
图3是备选已知缠绕方法的图；
图4是已知HTS电缆的简化截面；
图5A至图5E示出了在HTS线圈上铺设HTS磁带的示例性方法；
图6示出了以可变偏移铺设的HTS线圈；
图7是另一示例性HTS线圈的匝的截面，其示出了特定基板选项；
图8是用于在HTS线圈上铺设HTS磁带的装置的示意图；以及
图9是用于缠绕HTS线圈的装置的示意图；
图10是在HTS线圈上铺设HTS磁带的另一示例性方法的示意图；
图11是根据图10铺设的HTS线圈的匝的示意图。
具体实施方式
与使用背景技术中所描述的缠绕方法不同，本文描述了使用多个相对较短长度的HTS磁带的缠绕过程，这些HTS磁带以重叠的“瓦状”图案铺设。
图5A至图5E是将HTS磁带铺设到线圈上的简化方法的示意图。为了便于示出，将线圈表示为平坦线，但应当理解，相同的原理也适用于缠缠绕圈。
在图5A中，第一HTS磁带501被铺设到基板500上。一旦被构造，基板就会分离HTS线圈的匝，因此根据最终线圈设计的需要，HTS线圈可以是导电的、绝缘的或部分绝缘的，并且可以包括附加组件，诸如失超检测组件、传感器等。在缠绕线圈期间，基板可以变化，例如，对于初始匝，基板可以是线圈的线圈架或支撑结构，然后在第二匝开始缠绕之前改变为具有用于分离这些匝的适当特性的基板。
在图5B中，第二HTS磁带502被铺设在第一HTS磁带的上方，使得它与大部分长度的HTS磁带502重叠，其中在第一HTS磁带的起点和第二HTS磁带的起点之间具有距离S1，并且在第一HTS磁带的终点和第二HTS磁带的终点之间具有距离E1。至少在该示例中，距离S1和E1可以基本上相等(即，第一HTS磁带和第二HTS磁带可以具有相同的长度)，或者它们可以不同(即，HTS磁带可以具有不同的长度)，但第二HTS磁带的起点将比第一HTS磁带的起点更靠近线圈，并且第二HTS磁带的终点将比第二HTS磁带的终点更靠近线圈。请注意，虽然HTS磁带在该图以及图5A和图5C中被示出为平坦且水平的，但这仅是为了便于绘图——HTS磁带可以被铺设为使得区域E1的一部分位于基板上。
在图5C中，以与将第二HTS磁带铺设在第一HTS磁带上方基本相同的方式将第三HTS磁带503铺设在第二HTS磁带上——即，第三HTS磁带与第二HTS磁带的大部分重叠，其中在第二HTS磁带和第三HTS磁带的起点与第二HTS磁带和第三HTS磁带的终点之间具有相应的距离S2和E2。
图5D示出了在铺设多条HTS磁带510之后的结果。在每种情况下，“第n”HTS磁带覆盖“第n-1”HTS磁带，与其大部分重叠，其中在第n-1HTS磁带511(即，先前铺设的HTS磁带)和第n HTS磁带512(即，最近铺设的HTS磁带)的起点之间具有距离Sn-1，并且在第n-1HTS磁带和第n HTS磁带的终点之间具有距离En-1。结果是“瓦状”图案的HTS磁带，其中，每条磁带与先前缠绕的若干条磁带重叠，并且与稍后缠绕的若干条磁带重叠。
在图5E中，基板500被覆盖到先前放置的HTS磁带510上，最多直到要铺设的下一HTS磁带的起点。(应当注意，该图是HTS线圈的线性表示，因此基板上的被示出为覆盖HTS磁带的点X可以与该图下方HTS磁带下面的基板上的点Y相同)。通过不断铺设附加基板和其他HTS磁带，HTS线圈可以被构建为任何期望的匝数。
图5所示的缠绕方法的结果是包括被布置为形成匝的多条HTS磁带和分离每一匝的基板在内的HTS励磁线圈。这些匝形成围绕励磁线圈的内周边的盘绕路径，其中，距该内周边的距离随着沿盘绕路径在第一方向上的移动而单调地增加。对于除了最内磁带之外的每条HTS磁带，HTS磁带的每个端部在第一方向上从位于HTS磁带的径向内侧的相邻HTS磁带的对应端偏移，并且HTS磁带与相邻HTS磁带重叠至少50％的相邻HTS磁带的长度。50％重叠将提供在匝的任何给定截面中仅具有两条磁带的线圈，因此在具有大电流要求的线圈中，该重叠可以是至少90％(每匝截面10条磁带)或至少95％(每匝截面20条磁带)。每条HTS磁带的长度小于线圈的周长加上相对于下一磁带(即，位于径向外侧的相邻带)的偏移量。这是允许将下一磁带放置在尚未铺设基板的位置处的最大长度。特别是对于具有高度重叠的线圈，即，在重叠很短并且量级为基板的最小弯曲半径的情况下，最大长度可以被认为是线圈的周长。
图6示出了如何通过改变HTS磁带610彼此重叠的距离SnEn来实现线圈的分级。在区域601中，偏移距离使得在线圈的截面中存在3条HTS磁带。在区域602中，偏移距离增加，并且线圈的等级下降到在给定截面中仅具有两条HTS磁带。在区域602中，偏移距离减小，并且线圈的等级上升到在给定截面中具有5条HTS磁带。一般而言，在线圈的这些距离较大的区域中，电缆的给定截面内的HTS磁带的数量将减少，并且在这些距离较小的区域中，电缆的给定截面内的HTS磁带的数量将增加。由于给定温度下的零场临界电流取决于匝的截面中的HTS导体的数量，因此这将导致线圈的分级。一般而言，对于线圈的所有匝(即，使得对于所有匝，给定弧的分级是相似的)，偏移距离可以围绕线圈而变化，并且在特定示例中，它们可以变化，使得线圈的第一弧中的平均偏移(减小该弧中的电流密度)大于线圈的第二弧中的平均偏移(增加该电弧中的电流密度)。
取决于最终线圈的所需性质，基板可以是绝缘体、连接这些匝的导电材料、半导体、或其任何组合(例如，具有穿过其的导电路径以预定电阻径向地连接这些匝的绝缘条)。基板可以包括其内具有沟道的导电材料，并且HTS磁带可以铺设在该沟道内，在这种情况下，基板可以附加地包括该导电材料的外部上的绝缘层以分离这些匝，该绝缘层可以具有或可以不具有通过其的导电路径。
当每条磁带结束时，流过线圈的电流将需要在HTS磁磁带之间移动。磁带之间的大量重叠意味着由此引入的电阻非常低，并且焦耳损失的任何微小增加都可以通过本领域公知的方法对HTS线圈进行附加冷却来补偿。通过导电固定介质(例如，焊料或诸如导电环氧树脂之类的导电树脂、或用导电材料浸渍的树脂)来固定磁带，并且磁带之间的大部分电流传输将发生在该介质内以及单独磁带上的导电(例如，铜)包层内。可以通过提供桥接所有磁带的侧面的附加导电路径来获得对电阻的进一步改进，这意味着从磁带堆叠的“底部”流到磁带堆叠的“顶部”的电流仅需要穿过该导电路径，而不是穿过每条中间HTS磁带。该导电路径可以由单独接合的导电元件来提供，或者如图7所示，其为线圈的匝的端部截面，基板可以包括u形铜沟道701，HTS磁带702铺设到该u形铜沟道701中，其中U形的侧面将形成导电路径。基板可以包括附加元件703、704以分离这些匝和/或隔离U形沟道的外边缘。
HTS磁带可以通过在缠绕之后用焊料或其他固定介质(例如，导电树脂)浸渍线圈来固定到位。备选地，焊料或其他固定介质可以与HTS磁带共同缠绕，并且在缠绕期间被熔化、固化或以其他方式被诱导以固定磁带。后一种工艺减少了HTS材料在高温下花费的时间，并且还允许在缠绕期间监测每条HTS磁带的接合是否有缺陷，从而允许在缠绕工艺期间检测到任何错误并且可能纠正这些错误(例如，通过回流焊料、或反转接合并重新缠绕磁带的该部分)。
图8示出了用于铺设用于上述缠绕方法的HTS磁带的示例性装置。该装置跟随线圈(包括基板850和已铺设的HTS磁带851)的路径，并且具有保持其与线圈对准的引导件801。该装置具有包含HTS磁带803的HTS磁带线轴802，当该装置沿第一方向(图中右侧，下文中“线圈的上方”，尽管这应当仅被认为是相对方向)行进时，该HTS磁带803被铺设到线圈上，通过馈送机构从线轴802馈送出，该馈送机构包括挤压器804和/或被配置为转动HTS磁带线轴的电机、以及辊805或可以被弹簧加载或类似地被偏置以将HTS磁带按压在线圈的已铺设的磁带(或基板)上的类似装置。经由位于相对于辊的线圈上方的喷嘴或其他分配器806施加接合剂(例如，焊膏、诸如环氧树脂、导电环氧树脂之类的树脂、或助焊剂)，使得所沉积的接合剂最终位于HTS磁带803和已铺设的HTS磁带851之间。接合剂激活器807存在于(如果需要的话)相对于辊的线圈下方，以提供接合剂所需的任何加热、固化或其他激活——例如，接合剂激活器可以是提供加热至足以熔化焊料的温度的加热器。可以在相对于辊的线圈下方(例如，接合剂激活器的任一侧)使用传感器808来测量HTS磁带803和已铺设的HTS磁带851之间的接合是否可接受。这些传感器可以包括相机、电传感器、热传感器(例如，热相机或温度探针)或任何其他合适的传感器。确定该接合是否可接受可以基于预校准值、经由基于已知良好样本和已知不良样本的机器学习的确定、或对传感器输出或其样本的人类监测。
该装置包括位于相对于辊的线圈上方的磁带切割器809(例如，刀)，当该装置到达给定磁带应该结束的位置时，该磁带切割器809切割磁带。
在铺设磁带期间，该装置从第一端开始铺设每条HTS磁带，并且继续在线圈上方行进并铺设磁带，直到它到达磁带的期望终点(在该点切割磁带)为止，并且该装置继续行进而不馈送出附加磁带，直到HTS磁带完全接合到先前铺设的HTS磁带为止。然后，该装置在线圈下方移动回到下一HTS磁带的起点，并且重复该过程。以这种方式，该装置可以沿线圈铺设若干条HTS磁带，如参照图5A至图5E所描述的。
位置传感器810可以用于监测从HTS磁带线轴801分配的磁带量，并且确定是否存在足够的剩余磁带以将下一HTS磁带分配到线圈上。可以使用另一位置传感器811来确定该装置位于线圈上的位置，并且因此根据用于期望线圈的预先配置的铺设图案来确定何时开始和结束HTS磁带的铺设。
实际上，该装置“骑”在线圈上，就像过山车上的车来回移动一样，当磁带在线圈“上方”行进时，铺设磁带，然后切割磁带，并且然后该装置在线圈“下方”行进到下一磁带的起点。该装置可以包括诸如动力轮之类的推进系统，或者使引导件交替地夹紧线圈或其支撑结构，并且相对于该装置移动，使得它可以沿线圈“爬行”。备选地，推进系统可以在主装置的外部，例如，被配置为围绕线圈适当地移动该装置的台架。
该装置的操作由控制器来控制，该控制器可以与该装置集成或者可以是向该装置发送适当输入的远程设备。控制器使该装置的各种组件执行如上所述的磁带铺设方法。在一些实现中，控制器可以分布在若干个组件中，例如，作为分布式计算架构，或者作为各个部件的单独电气或机械控制系统，这些组件可以由中央控制器来协调。
为了确保HTS磁带的起点被正确地接合到线圈，该装置可以移动以在HTS磁带的起始位置处沉积一片接合剂，然后将HTS磁带分配到该片接合剂上以在继续分配磁带之前形成初始牢固接合。
以上所示的装置将根据图5A至图5E的示例来铺设HTS磁带，但不铺设基板本身。如图9所示，这可以通过单独线轴901来完成，该单独线轴901例如以HTS磁带铺设装置的平均速度围绕线圈902连续地行进，使得在HTS磁带长度的端部(其中它不覆盖任何先前磁带)处总是存在用于要铺设HTS磁带的基板910，而且还使得基板不铺设在尚未铺设磁带的起始位置之上。然后，图8的装置903跟随该线轴，来回移动以铺设单独的HTS磁带。
图10示意性地示出了备选“混合”缠绕方法。该方法组合了图2或图3所示的常规缠绕方法和图5A至图5E所示的新颖缠绕方法的特征，并且例如在由图5A至图5E的缠绕方法引入的附加电阻不可接受的情况下可以是有利的。在该混合缠绕方法中，最初根据图2或图3所示的常规方法或缠绕HTS电缆以形成励磁线圈的任何其他连续缠绕方法来缠绕线圈。在该缠绕方法期间——无论是在缠绕HTS电缆的同时，还是在缠绕HTS电缆的暂停期间——图5A至图5E所示的缠绕方法用于沿励磁线圈的弧铺设与HTS电缆电接触的多层磁带。这些多层磁带将充当HTS电缆的“分流器”，其与电缆电接触并且可以与HTS电缆共享电流，从而提供沿励磁线圈的弧的附加电流路径(并且因此提供附加电流承载能力)。
分流器以与欧洲专利EP 3747034 B1中描述的方式类似的方式起作用，除了代替单条HTS磁带或常规HTS磁带堆叠之外，HTS分流器具有上述重叠磁带的布置，即，分流器的每条HTS磁带的起点和终点围绕线圈在一个方向上从位于其径向内侧的HTS磁带的起点和终点偏移。对于完全使用图5的方法而缠绕的线圈，可以如上面所讨论的那样对HTS分流器的磁带进行类似的修改——例如，可以改变HTS分流器的HTS磁带的间距以控制励磁线圈的任何给定截面中的HTS量，或者可以在HTS分流器的侧面提供附加导电路径，或先前讨论的任何其他修改。
在图10的示例中，HTS电缆1010的线轴1001用于以与图2的线轴201和HTS电缆210类似的方式提供主绕组1011。根据图8和所关联的描述的装置1003沿主绕组行进，并且在所选择的区域1021中(在所示的示例中，在环形励磁线圈的中心柱部分中)铺设附加HTS磁带1020以形成HTS分流器。装置1003可以跟随线圈周围的主绕组线轴201(即，在区域1021之外的线圈周围行进，但不铺设附加磁带)，或者可以在从主绕组线轴缠绕电缆时从线圈中移除，并且每当要铺设附加HTS磁带的一部分时，都被重新引入。可以在线圈周围添加多个HTS分流器，并且可以将HTS分流器添加到主绕组的任何匝数。
图11示意性地示出了在缠绕线圈之后具有附加磁带的区域中的单个匝的特写。该匝包括形成励磁线圈1101(仅示出了其一部分)的HTS电缆。在弧1110中，包括HTS磁带1111的HTS分流器被设置在HTS电缆上。虽然该图中仅示出了四条HTS磁带，但可以使用任何数量的HTS磁带来形成HTS分流器，只要对于除了径向内部HTS磁带之外的每条HTS磁带，HTS磁带的每个端部在第一方向上从位于所述HTS磁带的径向内侧的相邻HTS磁带的对应端偏移。
主HTS线圈和HTS分流器之间将存在一定电阻，但该电阻将非常低，因为电流可以沿分流器的整个长度传输到分流器或从分流器传输出去。如果线圈没有被设置为绝缘，使得电流可以从任一侧进入分流器，则情况也是如此——尽管在HTS分流器由具有基板的HTS磁带制成的情况下，HTS分流器的基板侧的电阻将高于HTS侧的电阻。因此，当线圈中的电流使得如果单独的主HTS电缆的临界电流在该弧中不足以通过分流器承载传输电流时，则多余的电流将容易地被分流到HTS分流器。当电流小于分级区域中的主HTS电缆的临界电流时，绝大多数电流将主要在主HTS电缆中流动。当HTS电缆电流接近电缆的经历较高磁场(或较高温度，或磁场角度与ReBCO HTS层的c轴不太一致)的部分的临界电流时，HTS将产生电压，该电压将通过主电缆和分流器之间的小电阻来驱动多余的电流。每米HTS产生的电压(EHTS)由给出，其中，E0＝1μV/cm是所定义的临界电流标准，IC是该标准下的磁带的临界电流，并且n是模拟超导到正常转变的锐度的实验参数；对于ReBCO，n通常在20至50范围内。取决于n的值，当α＝I/IC的值小于约0.8时，该电压可忽略不计。高于局部临界电流的多余电流将被分流到分流器中。这将以最小的耗散发生，并且所产生的少量热量将通过线圈冷却系统的设计来容纳。可以基于保持比率α在线圈的所有部分中大致相同所需的HTS量来选择分流器的数量和每个分流器中的磁带的数量。主HTS电缆可以具有允许HTS分流器与其电连接的任何结构，例如，它可以是堆叠的磁带电缆。
当沿线圈的弧设置分流器时，它们可以均匀地设置到HTS电缆的所有匝(例如，HTS电缆的每一匝可以具有包括两条磁带的HTS分流器)，或者分流器的分布可以在线圈截面上变化(例如，为朝向TF线圈的中心柱外部的每一匝提供分流器，并且由于磁场较低，仅向每个其他匝提供分流器和/或为朝向TF线圈的中心柱内部的匝提供具有较少HTS磁带的分流器)。
虽然上述示例已经考虑了通过与图5A至图5E所示的方法类似的方法来铺设HTS分流器的情况，但图8的装置也可以用于铺设作为更典型的堆叠磁带电缆的HTS分流器。例如，在每条磁带覆盖先前铺设的磁带的一部分的情况下(即，在铺设每条磁带时，其中每个端部相对于先前铺设的磁带朝向磁带的中心偏移)，或者在每条磁带完全覆盖先前铺设的磁带的情况下，或者可以通过顺序地铺设HTS磁带而形成的任何其他布置。
Claims (28)
1.一种高温超导HTS励磁线圈，包括：
多条HTS磁带，被布置为形成所述HTS励磁线圈的匝，所述匝形成围绕所述励磁线圈的内周边的盘绕路径，其中，距所述励磁线圈的内周边的距离随着沿所述盘绕路径在第一方向上的移动而单调地增加；
基板，分离所述匝中的每一匝；
其中，对于除了径向最内HTS磁带之外的每条HTS磁带：
所述HTS磁带的每个端部在所述第一方向上从位于所述HTS磁带的径向内侧的相邻HTS磁带的对应端偏移；并且
所述HTS磁带与所述相邻HTS磁带重叠至少50％的所述相邻HTS磁带的长度，
并且其中，每条HTS磁带的长度小于所述线圈的周长加上所述HTS磁带的一端与位于所述HTS磁带的径向外侧的相邻HTS磁带的对应端之间的偏移量。
2.根据权利要求1所述的HTS励磁线圈，其中，每条HTS磁带通过以下项之一接合到相邻HTS磁带：
焊膏；
助焊剂；
树脂；以及
用导电材料浸渍的树脂。
3.根据前述权利要求中任一项所述的HTS励磁线圈，其中，每条HTS磁带和相邻HTS磁带之间的偏移围绕所述线圈而变化。
4.根据权利要求3所述的HTS励磁线圈，其中，对于所述线圈的所有匝，所述偏移的变化使得所述线圈的第一弧中的平均偏移大于所述线圈的第二弧中的平均偏移。
5.根据前述权利要求中任一项所述的HTS励磁线圈，其中，所述基板包括以下项中的任一项或多项：
绝缘体；
导电材料，将所述匝电连接；以及
半导体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的HTS励磁线圈，其中，所述基板包括其内具有沟道的导电材料，并且其中，所述HTS磁带在所述沟道内，使得所述沟道的侧面将所述HTS磁带彼此电连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的HTS励磁线圈，其中，每条HTS磁带与位于所述HTS磁带的径向外侧的相邻HTS磁带重叠至少90％的所述相邻HTS磁带的长度，更优选地重叠至少95％的所述相邻HTS磁带的长度。
8.一种缠绕高温超导HTS励磁线圈的方法，所述方法包括：
提供限定所述励磁线圈的内周边的线圈架；
在所述线圈架上铺设第一HTS磁带；
顺序地铺设多条HTS磁带以形成所述HTS励磁线圈的匝，每条HTS磁带与前一HTS磁带重叠至少50％的所述前一HTS磁带的长度，使得所述HTS磁带的每个端部围绕所述励磁线圈的周边在第一方向上从所述前一HTS磁带的对应端偏移；
在铺设所述多条HTS磁带期间，围绕所述励磁线圈缠绕基板以分离由所述HTS磁带形成的匝；
其中，每条HTS磁带的长度小于所述励磁线圈的周长加上所述HTS磁带的一端与下一HTS磁带的对应端之间的偏移量。
9.根据权利要求8所述的方法，并且包括：在铺设每条HTS磁带期间或之前，在每条HTS磁带和前一HTS磁带之间施加接合剂。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述接合剂是焊料。
11.根据权利要求10所述的方法，并且包括：在铺设下一HTS磁带之前，将每条HTS磁带加热至足以熔化所述焊料的温度。
12.根据权利要求10所述的方法，并且包括：在铺设所述多条HTS磁带之后，将所述HTS励磁线圈加热至足以熔化所有HTS磁带之间的焊料的温度。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，所述线圈架包括所述基板的初始部分，并且其中，所述第一HTS磁带铺设在所述基板的所述初始部分上。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，并且包括：在铺设所述HTS磁带之后监测每条HTS磁带，并且确定所述HTS磁带是否已经正确地铺设在所述HTS励磁线圈上。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的方法，其中，每条HTS磁带的每个端部与相邻HTS磁带的对应端之间的偏移距离围绕所述线圈而变化。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，对于所述线圈的所有匝，所述偏移的变化使得所述线圈的第一弧中的平均偏移大于所述线圈的第二弧中的平均偏移。
17.一种用于在高温超导HTS励磁线圈上铺设HTS磁带的装置，所述装置包括：
线轴，被配置为容纳所述HTS磁带；
馈送机构，被配置为将HTS磁带从所述线轴分配到所述HTS励磁线圈上；
磁带切割器，被配置为将铺设在所述励磁线圈上的HTS磁带与所述线轴上的HTS磁带分离；
推进系统，被配置为使所述装置围绕所述HTS励磁线圈的周边沿两个方向移动；
控制器，被配置为：
使所述馈送机构将HTS磁带分配到所述HTS励磁线圈上，同时所述推进系统使所述装置围绕所述周边沿第一方向移动；
在已经分配了指定长度的HTS磁带之后，使所述磁带切割器将所分配的HTS磁带与所述线轴上的HTS磁带分离；
使所述推进系统将所述装置围绕所述周边沿第二方向移动；
重复分配HTS磁带、分离所分配的磁带、以及沿所述第二方向向后移动的步骤。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述控制器被配置为：重复分配HTS磁带、分离所分配的磁带、以及沿所述第二方向向后移动的步骤，使得每条HTS磁带被分配有在所述第一方向上从前一HTS磁带的起始位置偏移的起始位置。
19.根据权利要求17或18所述的装置，并且包括接合剂分配器，所述接合剂分配器被配置为：当分配所述HTS磁带时，将接合剂施加到所述HTS励磁线圈上。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述接合剂是以下项之一：
焊膏；
助焊剂；
树脂；以及
用导电材料浸渍的树脂。
21.根据权利要求19或20所述的装置，其中，所述接合剂分配器被配置为：在分配所述HTS磁带之前将一片接合剂施加到所述励磁线圈，以便将所述HTS磁带的起始位置接合到所述励磁线圈。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的装置，并且包括接合剂激活器，所述接合剂激活器被配置为：在分配所述HTS磁带之后，激活所述接合剂并且使所述接合剂将所述HTS磁带接合到所述励磁线圈。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的装置，并且包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为监测所分配的HTS磁带。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述传感器包括以下项中的任一项或多项：
相机；
热传感器；
导电率传感器；以及
位置传感器。
25.根据权利要求23或24所述的装置，其中，所述控制器被配置为：根据所述传感器的输出来确定所述HTS磁带是否已经被正确地施加到所述励磁线圈。
26.根据权利要求17至25中任一项所述的装置，其中，所述馈送机构包括以下项中的一项或多项：
挤压器；
电机，被配置为转动所述HTS磁带的线轴；
辊，可选地包括偏置装置，所述辊被配置为将所分配的HTS磁带与所述励磁线圈对准。
27.一种高温超导HTS励磁线圈，包括：
HTS电缆，被布置为形成具有多个匝的螺旋体；
一个或多个HTS分流器，每个HTS分流器：
沿所述线圈的弧布置在相应的一对相邻匝之间，使得电流可以在所述HTS电缆与所述HTS分流器的至少一侧之间共享；
包括多条HTS磁带，使得每条HTS磁带位于所述弧内，并且对于除了每个HTS分流器的径向最内HTS磁带之外的每条HTS磁带：
所述HTS磁带的每个端部围绕所述励磁线圈的周边在第一方向上从位于所述HTS磁带的径向外侧的相邻HTS磁带的对应端偏移；以及
所述HTS磁带与所述相邻HTS磁带重叠至少50％的所述相邻HTS磁带的长度。
28.一种制造高温超导HTS励磁线圈的方法，所述方法包括：
缠绕HTS电缆以提供具有多个匝的励磁线圈；
在缠绕所述HTS电缆期间，通过以下方式沿所述励磁线圈的弧将HTS分流器与所述线圈的前一匝相邻地放置：
在所述HTS电缆上铺设第一HTS磁带；
顺序地铺设多条HTS磁带以形成所述HTS分流器，每条HTS磁带与前一HTS磁带重叠至少50％的所述前一HTS磁带的长度，使得所述HTS磁带的每个端部围绕所述励磁线圈的周边在第一方向上从所述前一HTS磁带的对应端偏移；
缠绕所述HTS电缆，使得所述HTS分流器夹在所述励磁线圈的匝和前一匝之间，使得电流可以在所述HTS分流器和所述HTS电缆之间共享。
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