kA级大载流高温超导双饼线圈的绕制成型装置及方法
阅读说明：本技术 kA级大载流高温超导双饼线圈的绕制成型装置及方法 (Winding forming device and method for kA-level large-current-carrying high-temperature superconducting double-pancake coil ) 是由 郑金星 熊芬芬 李明 刘海洋 程远 刘菲 王旭东 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种kA级大载流高温超导双饼线圈的绕制成型装置及其成型方法,包括线圈骨架主体,线圈骨架主体的上端面和下端面上分别设置有螺旋线状的单饼轨道,单饼轨道的起始端分别设置有爬匝轨道,线圈骨架主体上设置有爬匝区域,单饼轨道起始端的爬匝轨道在爬匝区域处连通,爬匝区域处的上下端还分别嵌合设置有镶嵌块,镶嵌块的端面上同样设置有爬匝轨道,线圈骨架主体上分别设置有线圈盖板条和端子盖板条,本发明便于缆线端子能够顺利通过线圈骨架主体,从而线圈绕制成双饼线圈,同时也需保证绕制后的双饼线圈能有效的避免在过渡部分造成损伤,保持其结构的稳定性,保证充分与冷却液接触,从而提高高温超导双饼线圈的结构稳定性和工作可靠性。(The invention discloses a winding and forming device of a kA-level large-current-carrying high-temperature superconducting double-pancake coil and a forming method thereof, the winding and forming device comprises a coil framework main body, spiral single-pancake tracks are respectively arranged on the upper end surface and the lower end surface of the coil framework main body, climbing tracks are respectively arranged at the starting ends of the single-pancake tracks, a climbing area is arranged on the coil framework main body, the climbing tracks at the starting ends of the single-pancake tracks are communicated at the climbing area, embedded blocks are respectively embedded at the upper end and the lower end of the climbing area, climbing tracks are also arranged on the end surfaces of the embedded blocks, and a coil cover plate strip and a terminal cover plate strip are respectively arranged on the coil framework main body. And the full contact with the cooling liquid is ensured, so that the structural stability and the working reliability of the high-temperature superconducting double-pancake coil are improved.)
技术领域
本发明涉及高温超导技术领域，具体为一种kA级大载流高温超导双饼线圈的绕制成型装置，以及一种kA级大载流高温超导双饼线圈的绕制成型方法。
背景技术
超导材料，又称超导体，是指在某一温度下，电阻为零的导体。超导材料的零电阻特性使其在电力领域具有巨大的应用前景，例如在使用超导材料制备的超导线圈，应用在高磁场、高电流的环境下，超导线圈具有高效率、低损耗、传输电流密度高以及不可逆场大等优点，因此，可以大幅度的降低损耗。
当低温超导材料受到多种因素引起的局部热扰动时，其稳定性能量裕度不高。高温超导材料，通常指转变温度高于液氮温度(77k)的超导材料。目前，实用化程度最高的高温超导带材主要包括两种：一种是采用粉末装管法制备的铋系高温超导带材，但是其生产过程中由于采用银合金套管，导致其成本较高，且无法满足高强度的工作需要以及高背景磁场下载流能力比较差。另一种是以钇钡铜氧化物为代表的第二代高温超导带材(涂层导体)，随着制备工艺逐渐成熟，第二代高温超导带材不但具有高临界参数的优点，同时还有良好机械性能和相对柔韧性，所以其在运行过程中稳定。
超导磁体系统是磁约束聚变装置中最重要的子系统之一，磁体系统的作用是对高参数等离子体的位置和形状进行约束从而使其能够安全稳定地进行聚变反应，原理为通过产生具有特定位形的强磁场。想要使得高参数等离子体稳定放电，则磁体系统必须在高背景场下具有良好临界特性。目前托卡马克装置基本是采用超导材料制作的磁体系统代替常规导体磁体。在超导磁体装置中，其核心部件为超导线圈，超导线圈的绕制需要设计匹配的绕制骨架以及合适的绕制工艺，骨架的设计过程中需要着重解决层绕环形时缠绕过程中内应力的控制、超导线圈绕制过程中的螺旋角度的控制。使得满足高温超导性能要求，同时保证超导磁体长期工作的安全稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种kA级大载流高温超导双饼线圈的绕制成型装置，目的是便于缆线端子能够顺利通过线圈骨架主体，从而线圈可以绕制成双饼线圈，同时也需保证绕制后的双饼线圈能有效的避免在过渡部分造成损伤，通过采用线圈盖板条和端子盖板条来固定双饼线圈，使得kA级大载流的高温超导双饼线圈即使在工作时受到很大的洛伦兹力的情况下，还能保持其结构的稳定性，同时采用这种方法固定还能保证充分与冷却液接触，从而提高高温超导双饼线圈的结构稳定性和工作可靠性。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种kA级大载流高温超导双饼线圈的绕制成型装置，包括线圈骨架主体，所述线圈骨架主体的上端面和下端面上分别设置有螺旋线状的单饼轨道，所述单饼轨道包括上单饼轨道和下单饼轨道，所述上单饼轨道和所述下单饼轨道的起始端分别设置有爬匝轨道，所述线圈骨架主体上设置有爬匝区域，所述爬匝区域处开设有通孔，所述上单饼轨道和所述下单饼轨道起始端的爬匝轨道在所述爬匝区域处连通，所述爬匝区域处的上下端还分别嵌合设置有镶嵌块，所述镶嵌块的端面上同样设置有爬匝轨道，用以保证所述线圈骨架主体端面上的爬匝轨道的完整，所述线圈骨架主体的上端面和下端面上分别设置有若干根线圈盖板条和若干根端子盖板条，所述线圈盖板条用于径向固定所述单饼轨道上的线圈，所述端子盖板条用于固定所述线圈骨架主体上的线圈端子。
进一步改进在于，所述单饼轨道为槽深不变且轨道槽宽相等的螺旋线轨道，所述爬匝轨道为爬匝轨迹半径不变但槽深逐渐减小的螺旋线轨道，且所述爬匝轨道与所述单饼轨道连接处的槽深相等，所述轨道槽宽大于线圈直径。
进一步改进在于，所述镶嵌块的数目为2个，所述线圈骨架主体上的爬匝区域会破坏一段爬匝轨道，而所述镶嵌块端面上的爬匝轨道则用于连接被破坏的爬匝轨道，所述镶嵌块通过螺纹孔固定安装在所述线圈骨架主体上。
进一步改进在于，所述线圈骨架主体的上端面和下端面分别设置有6根线圈盖板条，6根所述线圈盖板条围绕所述单饼轨道的圆心径向等距设置，且所述线圈盖板条通过螺纹孔固定安装在所述线圈骨架主体上。
进一步改进在于，所述线圈骨架主体的上端面和下端面上分别设置有4根端子盖板条，且上端面的所述端子盖板条和下端面的所述端子盖板条互为镜像设置，且所述端子盖板条的设置方向与所述端子的摆放方向互相垂直，所述端子盖板条通过螺纹孔固定安装在所述线圈骨架主体上。
进一步改进在于，所述线圈骨架主体的上端面和下端面上还分别设置有支撑脚，所述支撑脚通过螺纹孔固定安装在所述线圈骨架主体上。
并提供一种kA级大载流高温超导双饼线圈的绕制成型方法，所述方法包括以下步骤：
S1、对用于绕制线圈的缆线在中点处进行长度标记，缆线先行穿过线圈骨架主体的爬匝区域，使得中点处的标记与爬匝区域重合；
S2、将线圈沿着线圈骨架主体的螺旋状的上单饼轨道进行绕制，在完成上单饼轨道的绕制后，用线圈盖板条将线圈固定安装在线圈骨架主体上；再利用端子盖板条将线圈端子固定在线圈骨架主体上端面的右侧；
S3、再将另外一半的线圈沿着线圈骨架主体下端面的下单饼轨道进行绕制，在完成下单饼轨道的绕制后，用线圈盖板条将线圈固定安装在线圈骨架主体上；再利用端子盖板条将线圈端子固定在线圈骨架主体下端面的左侧；
S4、分别完成上单饼轨道和下单饼轨道的线圈绕制后，再在爬匝区域处安装镶嵌块，完成绕制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的目的在于提供一种kA级大载流高温超导双饼线圈的绕制成型装置，由于是kA级大载流的高温超导双饼线圈，工作时会受到很大的洛伦兹力，所以通过在线圈轨道的起始处设置爬匝区域，有效的避免了过渡部分线圈与骨架环面间的“台阶”对超导线圈的破坏；同时为了保证缆线端子的顺利通过，需要去除部分爬匝区域，而采用具有爬匝轨道的镶嵌块就可以填补这部分；通过采用线圈盖板条和端子盖板条来固定双饼线圈，并且通过使用这种固定方式使得线圈在使用过程中能够充分与冷却液接触；由此使得高温超导线圈的结构稳定性和工作可靠性，从而达到预定要求。
附图说明
图1为本发明一实施例的整体结构结构示意图；
图2为本发明一实施例的线圈骨架主体的结构示意图；
图3为本发明一实施例所绕制的双饼线圈结构示意图；
图4为本发明一实施例镶嵌块的整体结构示意图；
图5为本发明一实施例线圈骨架主体横截面的部分剖视示意图；
图中：1、线圈骨架主体；2、镶嵌块；3、线圈盖板条；4、端子盖板条；5、支撑脚。
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。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种kA级大载流高温超导双饼线圈的绕制成型装置，包括线圈骨架主体1，所述线圈骨架主体1的上端面和下端面上分别设置有螺旋线状的单饼轨道，所述单饼轨道包括上单饼轨道和下单饼轨道，所述上单饼轨道和所述下单饼轨道的起始端分别设置有爬匝轨道，所述线圈骨架主体1上设置有爬匝区域，所述爬匝区域处开设有通孔，所述上单饼轨道和所述下单饼轨道起始端的爬匝轨道在所述爬匝区域处连通，所述爬匝区域处的上下端还分别嵌合设置有镶嵌块2，所述镶嵌块2的端面上同样设置有爬匝轨道，用以保证所述线圈骨架主体1端面上的爬匝轨道的完整，所述线圈骨架主体1的上端面和下端面上分别设置有若干根线圈盖板条3和若干根端子盖板条4，所述线圈盖板条3用于径向固定所述单饼轨道上的线圈，所述端子盖板条4用于固定所述线圈骨架主体1上的线圈端子。
作为本发明一优选实施方案，所述单饼轨道为槽深不变且轨道槽宽相等的螺旋线轨道，所述爬匝轨道为爬匝轨迹半径不变但槽深逐渐减小的螺旋线轨道，且所述爬匝轨道与所述单饼轨道连接处的槽深相等，所述轨道槽宽大于线圈直径。
作为本发明一优选实施方案，所述镶嵌块2的数目为2个，所述线圈骨架主体1上的爬匝区域会破坏一段爬匝轨道，而所述镶嵌块2端面上的爬匝轨道则用于连接被破坏的爬匝轨道，所述镶嵌块2通过螺纹孔固定安装在所述线圈骨架主体1上。
作为本发明一优选实施方案，所述线圈骨架主体1的上端面和下端面分别设置有6根线圈盖板条3，6根所述线圈盖板条3围绕所述单饼轨道的圆心径向等距设置，且所述线圈盖板条3通过螺纹孔固定安装在所述线圈骨架主体1上。
作为本发明一优选实施方案，所述线圈骨架主体1的上端面和下端面上分别设置有4根端子盖板条4，且上端面的所述端子盖板条4和下端面的所述端子盖板条4互为镜像设置，且所述端子盖板条4的设置方向与所述端子的摆放方向互相垂直，所述端子盖板条4通过螺纹孔固定安装在所述线圈骨架主体1上。
作为本发明一优选实施方案，所述线圈骨架主体1的上端面和下端面上还分别设置有支撑脚5，所述支撑脚5通过螺纹孔固定安装在所述线圈骨架主体1 上。
并提供一种kA级大载流高温超导双饼线圈的绕制成型方法，所述方法包括以下步骤：
S1、对用于绕制线圈的缆线在中点处进行长度标记，缆线先行穿过线圈骨架主体1的爬匝区域，使得中点处的标记与爬匝区域重合；
S2、将线圈沿着线圈骨架主体1的螺旋状的上单饼轨道进行绕制，在完成上单饼轨道的绕制后，用线圈盖板条3将线圈固定安装在线圈骨架主体1上；再利用端子盖板条4将线圈端子固定在线圈骨架主体1上端面的右侧；
S3、再将另外一半的线圈沿着线圈骨架主体1下端面的下单饼轨道进行绕制，在完成下单饼轨道的绕制后，用线圈盖板条3将线圈固定安装在线圈骨架主体1上；再利用端子盖板条4将线圈端子固定在线圈骨架主体1下端面的左侧；
S4、分别完成上单饼轨道和下单饼轨道的线圈绕制后，再在爬匝区域处安装镶嵌块2，完成绕制。
实施例1：
参见附图1-5，本发明所公开的结构主要由一个用来绕制kA级大载流高温超导双饼线圈的线圈骨架主体1、镶嵌块2、线圈盖板条3、端子盖板条4、支撑脚5组成；镶嵌块2、线圈盖板条3、端子盖板条4和支撑脚5都通过螺纹连接在所述的线圈骨架主体上。
线圈骨架主体1是一个kA级大载流高温超导双饼线圈骨架，有上下两个线圈轨道，每个单饼轨道的起始轨道各具有起始的爬匝区域，爬匝轨道槽深逐渐减小，爬匝轨迹为半径不变的螺旋线；每个单饼轨道在渡过爬匝区域后，其轨道槽深不变；并且在线圈骨架主体上开了与镶嵌块2、线圈盖板条3、端子盖板条4和支撑脚5相配合的螺纹通孔。
镶嵌块2中的轨道为爬匝螺旋线，其槽深是变化的，共有两块镶嵌块，通过四个螺纹孔分别对称的固定在线圈骨架主体1的上下两面被挖除了的爬匝区域。
线圈骨架主体1上的绕制的kA级大载流高温超导双饼线圈是通过在上下两面各均匀分布的六条线圈盖板条3来固定，在固定双饼线圈时采用在线圈骨架主体上下两面相同的位置各放置一块线圈盖板条，再通过两个螺纹通孔固定在线圈骨架主体1上。
线圈骨架主体1上的绕制的kA级大载流高温超导双饼线圈的线圈端子是通过在上下两面各分布的四条端子盖板条4来固定，每个线圈端子采用四条端子盖板条来固定，每个端子盖板条通过两个螺纹通孔的固定在线圈骨架主体1上的线圈端子所处的位置。
线圈骨架主体1的放置是通过上下两面各分布四个支撑脚5来支撑，而支撑脚通过螺纹孔固定在线圈骨架主体1上，使得当放置kA级大载流高温超导双饼线圈骨架时，可以通过该支撑脚支撑在放置面上，从而保护了线圈骨架主体和线圈不会因为跟放置面接触而产生损伤。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
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