CN1247369A - 无感线圈的绕制方法及用该方法绕制的超导开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出无感线圈新的绕制方法及用此方法制作的超导开关。本发明层间换向反转单绕法是采用单线绕制无感线圈,而在关键层绕制结束时换向反转续绕。这种换向反转操作至少进行一次。无感线圈一般设计为偶数层。为了实现换向反转操作,在线圈主骨架端板上设有若干个换向柱,换向柱两侧有前边槽和后边槽。利用本发明方法制作的超导开关内部应力均匀,质量稳定可靠。本发明方法工艺简便易行,尤其适用于硬粗导线绕制无感线圈。

Description

无感线圈的绕制方法及用该方法绕制的超导开关

本发明属于基本电气元件，具体地说，涉及无感线圈的绕制方法，以及使用该方法绕制的无感线圈，包括超导开关，电阻型超导限流器等电器元件。

在电气工程中，通常的线圈都是具有一定的感应系数的。而有时却需要一种感应系数为零或接近于零的线圈，目的是仅利用其阻抗效应，消除其对电路和环境的感抗影响，这种线圈称之为无感线圈。

常用线圈的绕制方法为单绕法。单绕法通常是被绕导线的一端由线架经夹持装置再经滑轮固定在线圈骨架上，绕线机带动骨架转动使导线绕在其上，绕制结束时，引出另一端，即完成绕制。现有的无感线圈绕制方法为双绕法，它是将用于绕制的一段线材由中点并在一起，先将该中点固定在骨架的某个位置上，然后两股线同时绕制，绕制结束时，线圈的输入端和输出端同时引出，即为无感线圈。双绕法技术在绕制时，两股线的张力不易调整为相同值，即使一时调整为相同值，由于两股线由线架到骨架的输送长度存在着微小差异，致使两股线的张力不能保持为相同值，因此降低了制成品的稳定性。当使用粗线材或缆线绕制无感线圈时，这一矛盾就更为突出。

无感线圈重要而典型的应用是超导开关。超导开关是使用超导磁体的线路中必须具备的使线路闭合和开断的电器设备。超导开关的主体是用超导线材绕制而成的无感线圈。工作时，超导开关在低温环境下可以进行超导态和正常态之间的转换。在超导态，线圈的电阻为零，线路视为闭合；在正常态，线圈的电阻为某一值，线路视为开断。超导开关的这种转换需要加以控制，控制的方式有多种，其中最常用的为热控式。热控式超导开关的转换控制是利用线圈中与超导线材接触的加热丝来实现的。

超导开关的关键技术是性能优良的无感线圈(包括骨架)的结构设计及绕制工艺，而无感线圈的绕制方法又极大地影响和决定了超导开关的结构。现有的超导开关是用前述的双绕法绕制的，由于两股线张力和长度的差异，降低了超导开关的稳定性。当使用粗线材或缆线绕制超导开关时，这一缺陷就更为严重。

本发明的目的是提出一种新的无感线圈的绕制方法，具体地说是一种以单线绕制为基础并配以在关键位置进行反转换向操作的绕制方法，简称为层间换向反转单绕法，并提出与之关联的圆柱面骨架的设计。本发明的另一目的是提出采用本发明方法制造的超导型热控式超导开关的结构。它是应用本发明方法绕制无感线圈的最典型应用实例。

本发明无感线圈绕制方法——层间换向反转单绕法，其实质是采用单线绕制而在关键层绕制结束时将被绕导线换向反转绕制。这种换向反转操作至少一次。为了实现换向反转操作，在线圈主骨架的端板上设有若干个换向柱、入线槽和出线槽，换向柱两侧有前边槽和后边槽。

本发明层间反转单绕法与采用此法绕制的无感线圈的结构设计是密切相关的，线圈的绕制工艺与线圈骨架的结构设计的关键技术有：

(1)线圈层数的确定，以及关键层即换向位置的确定。换向位置与线圈的层数有关，与正向绕制部分和反向绕制部分的里外层搭配有关；

(2)在线圈骨架端板上设置换向柱，换向柱的个数和位置与换向次数和换向层的位置有关，换向柱两边有前边槽和后边槽；

(3)在端板上开有入线槽和出线槽，入线槽和出线槽的位置和倾斜方向，与线圈层数及换向次数有关。

用本发明层间换向反转单绕法绕制的无感线圈一般设计为偶数层，并且至少为二层，换向位置(即关键层)的设计至关重要。其设计原则是：(1)使整个线圈的正向绕制部分和反向绕制部分体积尽量相等，里外层配合要适当；(2)只有线圈总层数能被4除尽时，正向绕制部分和反向绕制部分才能完全搭配。所谓完全搭配，是指线圈以完整层数绕制时，通过里外层的适当配合可以使其正向绕制部分和反向绕制部分体积完全相等。其它情况，当正向绕制部分和反向绕制部分不能完全搭配时，在最外层应减少匝数，以使两部分的体积大体相等；(3)尽量减少换向柱的个数。

换向柱的位置按如下规则确定：若在双数层结束后换向，换向柱设在入线槽所在的端板(例如下端板)上；若在单数层结束后换向，则换向柱设在另一端板(例如上端板)上。

端板上入线槽和出线槽是这样设计的：由于层间反转无感线圈一般设计为偶数层，故入线槽和出线槽都设在下端板上，当换向次数为单数时，出线槽的倾斜方向与入线槽一致，并且出线槽与入线槽可以共用。当换向次数为双数时，则出线槽的倾斜方向与入线槽相反。有时，入线槽和出线槽可以用斜孔代替。

本发明层间换向反转单绕法制作的无感线圈，可以把整个线圈看成是由正向绕组部分和反向绕组部分两部分组成。这两部分沿径向分开并相互嵌套，两部分具有相同的自感系数。由电磁感应原理可知，如果正反两部分的自感值相等，且两部分之间的互感值也与各自的自感值相等，则整个线圈的感应系数为零。一个实际的线圈可以尽量减少上述各量的差值以使整个线圈仅有极微小的自感。对完全搭配的线圈，可以做到正反两部分之间的互感与各自的自感仅有微小差异，使得线圈的总感应系数近似为零。对不能完全搭配的线圈，也可以通过体积补偿及合适的位置搭配使正反两部分之间的互感与各自的自感的差异减至最小，因此线圈的感应系数减至最小。采用本发明层间反转单绕法绕制的无感线圈与双绕法制作的无感线圈相比，二者微小的自感系数在同一数量级，但内部应力的均匀性及整体的稳定性都超过双绕法制作的无感线圈。层间反转单绕法克服了双绕法的弊端，为采用硬粗导线制作大容量超导开关及其它无感线圈提供了可行而有效的方法，提高了产品的质量和运行可靠性。

图1.本发明层间换向反转单绕法绕制无感线圈示意图

图2.热控式层间反转超导开关的结构图

图3.层间反转超导开关绕制中副骨架与主骨架的连接图

图4.采用本发明绕制的无感线圈正反两部分绕组的配置设计

A.二层绕组无感线圈

B.四层绕组无感线圈

C.六层绕组无感线圈(在第一层和第四层绕制结束时换向反转)

D.八层绕组无感线圈

以下结合附图所示实施例，进一步说明本发明方法及典型制品。

如图1所示的一个实施例，层间反转无感线圈的骨架有上端板14，下端板17，中间以圆柱管18相连并合为一体。上端板14上有换向柱12，换向柱两侧有前边槽11和后边槽13，下端板17上开有入线槽19。欲绕制的导线由下端板17上的入线槽19导入骨架，绕线机带动骨架顺时针(俯视)转动，绕出换向前绕层16(假设它为关键层)，当关键层绕制结束后，导线由换向柱12一侧的后边槽13引出，然后变更绕线机转动方向(即变为反时针方向)，将导线绕过换向柱12，由换向柱另一侧的前边槽11引回骨架，完成换向操作后，启动绕线机绕制出换向后绕层15。变更绕线机转动方向时要注意保持导线的张力。

采用本发明方法绕制的无感线圈一般设计为偶数层。具体地说，对二、四、六、八层无感线圈的换向位置和正向、反向两部分绕组以如下规则配置：

(1)对双层绕组，在第一层结束时换向，第二层减匝，参阅图4-A。

(2)对四层绕组，在第一层和第三层结束时两次换向，参阅图4-B。

(3)对六层绕组，有二种换向和配置方案：

第一种，在第一层和第四层绕制结束时两次换向，第六层减匝，参阅图4-C。

第二种，在第一层、第三层和第五层绕制结束时三次换向，第六层减匝。

(4)对八层绕组线圈，在第二层和第六层绕制结束时两次换向，参阅图4-D。

以上换向位置和正反两部分绕组配置的设计实例，考虑了上述各项基本原则。若无感线圈绕组仅为一层，采用本发明绕制方法时，只能在线圈中间设置换向柱，以至正反向两部分绕组的距离拉大，造成整个线圈的电感相对较大，因此一般不使用本发明方法制作一层无感线圈绕组。

应用本发明方法绕制的超导开关，我们称之为层间反转超导开关，其结构特点是线圈绕组至少有两层，一般为偶数层；整个线圈可以分成正向绕制部分和反向绕制部分并且这两部分的体积大体相等，整个线圈绕制时这种换向反转至少进行一次；在线圈主骨架的端板上设有若干换向柱、入线槽和出线槽，换向柱两侧有前边槽和后边槽。

换向柱的个数和位置根据需要确定，线圈的结构若是在双数层结束后换向，换向柱设在入线槽所在的端板上，若在单数层结束后换向，则换向柱设在另一端板上。

如果在主骨架的下端板上设置出线槽，一般是这样设计的：若线圈层间换向次数为单数，则出线槽的倾斜方向与入线槽一致，并且出线槽与入线槽可以共用；若层间换向次数为双数，则出线槽的倾斜方向与入线槽相反(倾斜方向不同的出线槽在图中未标出)。入线槽和出线槽也可以设计成斜孔。

超导开关主骨架的设计还要考虑与整个磁体系统的固定和安装，而这一点因系统装置的结构不同而异。

图2是热控式超导开关的一个实例。上端板31，圆柱管33，下端板37组成主骨架。在上端板上有换向柱32，换向柱两侧有前边槽321和后边槽322。下端板37上有入线槽36。主骨架中心是中孔38。主骨架上有超导线绕组34和加热丝绕组35。超导线绕组34分成两部分，即内绕组341和外绕组342。加热丝绕组35夹在内、外超导线绕组341和342之间。由于绕制工艺需要，上端板上还有用于固定副骨架的盲螺孔39。

为使加热丝绕组35在通电时无感升流并减少其对外界的影响，加热丝绕组35也应无感绕制。其换向柱可共用超导开关的换向柱，但要注意与超导线的绝缘，

绕制加热丝绕组35时需要使用副骨架。其作用是用来暂时存放尚未绕完的超导线，以便在线圈的中间部分绕制加热丝，并在绕加热丝时使副骨架上的待绕导线一起转动。图3显示了副骨架20与主骨架10的连接形式。副骨架20由上、下两端板和圆柱管组成，其中一侧端板要考虑与主骨架的固定并带有跨线用的入线槽201。该入线槽201应与主骨架10上的前边槽321相通并且出线方向一致，其深度应达及圆柱面，入线槽拐角处平滑过渡。超导开关制作完成后一般要将副骨架拆除。在本实施例中，加热丝位于超导开关线圈绕组中部，绕制时需要配置副骨架。如果加热丝的位置设计在超导开关线圈最内层或最外层，绕制时则无需副骨架。将主骨架的圆柱管加长也可以存放待绕导线，但在开关制作完成后一般要将加长部分除去。使用副骨架的好处是制作多个开关时可以重复使用。

图4表示了无感线圈总层数为二、四、六、八层时其换向层的设计，即正向绕制部分和反向绕制部分搭配的设计。图中较亮部分为正向绕制部分，较暗部分为反向绕制部分。线圈绕制的结构特点归纳如下：

(1)对两层绕组，如图4-A所示，是在第一层结束时换向，故第一层和第二层的绕制方向相反。

(2)对四层绕组，如图4-B所示，是在第一层和第三层结束时换向，故第一层和第四层的绕制方向相同，为正向，第二层和第三层的绕制方向相同，为反向。

(3)对六层绕组，有二种换向和配置方案：

第一种，如图4-C所示，是在第一层和第四层绕制结束时换向，第六层减匝，则其第一层、第五层和第六层的绕制方向相同，为正向；第二层、第三层和第四层的绕制方向相同，为反向。

第二种，在第一层、第三层和第五层绕制结束时换向，第六层减匝，则其第一层、第四层和第五层的绕制方向相同，为正向；第二层、第三层和第六层的绕制方向相同，为反向。

(4)对八层绕组线圈，如图4-D所示，在第二层和第六层绕制结束时换向，所以其第一层、第二层、第七层和第八层的绕制方向相同，为正向，第三层、第四层、第五层和第六层的绕制方向相同，为反向。

采用本发明专利设计制造的层间换向反转超导开关已经成功地应用在千安级超导磁体系统上。系列试验表明，其性能稳定，运行正常，技术指标全部达到设计要求。

Claims (10)

1.一种无感线圈的绕制方法——层间换向反转单绕法，其特征是采用单线绕制而在关键层绕制结束时换向反转绕制，这种换向反转操作至少进行一次；为了实现换向操作，在线圈主骨架的端板上设有若干换向柱、入线槽和出线槽，换向柱两侧有前边槽和后边槽。

2.如权利要求1所述的无感线圈的绕制方法，其特征是所绕制的无感线圈一般设计为偶数层，至少为两层，整个线圈的正向绕制部分和反向绕制部分适当配置，使两部分的体积相等或大体相等。

3.如权利要求2所述的无感线圈的绕制方法，其特征是线圈总层数能被4除尽时，正向绕制部分和反向绕制部分能完全搭配；在其它情况不能完全搭配时，应在最外层减少匝数，使正向绕制部分和反向绕制部分的体积大体相等。

4.如权利要求2或3所述的无感线圈的绕制方法，其特征是对双层绕组线圈，在第一层绕制结束时换向，第二层减匝；对四层绕组线圈，在第一层和第三层绕制结束时换向；对八层绕组线圈，在第二层和第六层绕制结束时换向。

5.如权利要求2或3所述的无感线圈的绕制方法，其特征是对六层绕组线圈，在第一层和第四层绕制结束时换向，第六层减匝；或在第一层、第三层和第五层绕制结束时换向，第六层减匝。

6.用层间换向反转单绕法绕制的超导开关，其特征是超导线圈绕组至少有两层，一般为偶数层，其绕组结构特点是在关键层绕制结束后转换绕制方向而反转绕制，致使整个线圈可以分成正向绕制部分和反向绕制部分，线圈的绕制换向反转至少有一次，线圈骨架端板上有若干换向柱、入线槽和出线槽，换向柱两侧有前边槽和后边槽。

7.如权利要求6所述的超导开关，其特征是换向柱的位置是这样确定的：若在双数层绕制结束后换向，换向柱处在入线槽所在的端板上；若在单数层结束后换向，则换向柱处在另一端板上。

8.如权利要求6所述的超导开关，其特征是端板上入线槽和出线槽是这样设计的：当整个线圈为偶数层时，入线槽和出线槽都在下端板上，当换向次数为单数时，出线槽的倾斜方向与入线槽一致，并且出线槽与入线槽可以共用；当换向次数为双数时，则出线槽的倾斜方向与入线槽的倾斜方向相反。

9.如权利要求6所述的超导开关，其特征是超导线圈为二层绕组时，第一层和第二层的绕制方向相反；为四层绕组时，第一层和第四层的绕制方向相同，为正向；第二层和第三层的绕制方向相同，为反向；为八层绕组时，第一层、第二层、第七层和第八层的绕制方向相同，为正向，第三层、第四层、第五层和第六层的绕制方向相同，为反向。

10.如权利要求6所述的超导开关，其特征是超导线圈为六层绕组时，第一层、第五层和第六层的绕制方向相同，为正向，第二层、第三层和第四层的绕制方向相同，为反向；也可以是第一层、第四层和第五层的绕制方向相同，为正向，第二层、第三层和第六层的绕制方向相同，为反向。

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