CN103322932A - 超导线圈的匝间间隙指示装置和绕制匝数控制方法 - Google Patents

Abstract

一种超导线圈的匝间间隙指示装置和绕制匝数控制方法，包括激光探头（4）和滚珠丝杠机构（6）。所述的激光探头（4）固定安装在滚珠丝杠机构（6）的滑块（10）上，滚珠丝杠机构（6）通过驱动马达（9）和安装在转轴（8）上的编码器与超导线圈骨架（1）的转轴连接，通过所述丝杠（11）的回转运动转换为滑块（10）的进给运动，带动激光探头（4）做直线运动。所述滚珠丝杠机构（6）的转动速度受控于超导线圈骨架（1）的回转运动速度。所述激光探头（4）发出的激光在正在缠绕导线（2）或上一层导线（3）上产生光斑（5），根据绕制过程中光斑（5）偏离正在缠绕导线（2）的轴向距离变化判定导线排列是否紧密，来控制在正在缠绕导线（2）上施加的轴向推力（7），以此控制超导线圈每一层的绕制匝数。

Description

超导线圈的匝间间隙指示装置和绕制匝数控制方法

技术领域

本发明涉及一种超导线圈的匝间间隙指示装置，以及线圈绕制匝数控制方法。

背景技术

超导磁体在通电过程中，由于洛仑兹力作用会在超导线圈中产生轴向和径向作用力，导致组成线圈的导线有轴向和径向的运动趋势。若导线发生运动，则由于相对运动产生的摩擦热量可能会导致线圈局部的导线丧失超导电性，进一步会使整个超导线圈都丧失超导电性，超导磁体失去工作能力。

通常的工艺是通过在线圈中灌封环氧树脂或石蜡等填充导线间的间隙，由于填充物的阻碍作用会抑制导线的运动，但是工艺实施过程中会在填充材料中引入气孔等缺陷，使填充材料存在开裂的风险，释放的应变能有可能导致局部导线丧失超导电性。无论线圈导线间是否填充间隙，减小导线间的间隙都是提高超导线圈运行稳定性的有效手段。

对于层间（即径向方向）的间隙，最普遍且有效的方法是在线圈绕制过程中预先在正在缠绕导线上施加一定的张力，产生的压力效应能够减小导线的层间间隙，保证层间导线排列地紧密。对于匝间（即轴向方向）的间隙，比较可行的措施是在线圈绕制过程中始终在正在缠绕导线的侧面施加轴向推力，推力的方向与导线的螺旋方向相反，通常情况下该推力是通过操作人员的手动干预来实现的。

但是，由于操作人员疲劳、注意力不集中等原因，可能出现有些匝导线绕制得很紧密，而有些匝导线存在较大的匝间间隙，特别是对于轴向较大的螺线管线圈。而且，这种匝间间隙变化是缓慢的、连续的，当肉眼发现时已说明匝间间隙已经很大。另外，由于很多匝间间隙的累积效应，导致线圈中该层的匝数与设计匝数差别较大，这种累积效应引起的匝数减少在操作过程中很难发现，只有当该层导线绕制到端部时才能观察到。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的上述缺点，提出一种超导线圈的匝间间隙指示装置和线圈绕制匝数控制方法。本发明装置能实时地指示超导线圈绕制过程中匝间间隙的绝对变化和累积变化，并及时调整施加的轴向推力大小，控制超导线圈每层的绕制匝数。

本发明的匝间间隙指示装置由激光探头和滚珠丝杠机构组成。所述的滚珠丝杠机构是一种常见的传动部件，由丝杠和滑块组成，滑块安装在丝杠上。通过丝杠的回转运动转换为滑块的进给运动。所述的激光探头固定安装在滚珠丝杠机构的滑块上，滚珠丝杠机构通过驱动马达和编码器与超导线圈骨架的转轴连接。

所述滚珠丝杠机构的进给运动实现所述激光探头的直线运动；所述滚珠丝杠机构的转动受控于超导线圈骨架的回转运动。

所述滚珠丝杠机构的长度大于需绕制的超导线圈的轴向长度。

绕制每层导线前，调整所述激光探头的方位，使所述的激光探头在上一层导线或正在缠绕导线上产生光斑。超导线圈绕制过程中，驱动马达接收来自编码器的超导线圈骨架的转速信号，带动滚珠丝杠机构中的丝杠转动，进而，滑块的进给运动带动激光探头做往复直线运动，相应地，产生的光斑也随之做往复直线运动。所述光斑到正在缠绕导线的轴向距离变化指示了绕制过程中的匝间的间隙变化，所述光斑作为指示匝间间隙变化的参考标尺。

绕制某层导线的第一匝导线时，设光斑到正在缠绕导线的轴向距离为初始轴向距离，对于光斑在上一层导线或正在缠绕导线的情况，其控制方法相同。具体方法为：

绕制该层导线过程中：

（1）若观察到光斑到正在缠绕导线的轴向距离等于或近似等于初始轴向距离，则不需要调整施加在正在缠绕导线上的轴向推力，此轴向推力通过操作人员手工推压聚四氟乙烯薄板来施加，该聚四氟乙烯薄板紧贴在正在缠绕导线的侧上方。该层导线绕制结束后，实际绕制匝数等于设计匝数。

（2）当观察到光斑到正在缠绕导线的轴向距离明显大于初始轴向距离，则应增大施加的轴向推力。在轴向推力作用下，正在缠绕导线朝与其相邻的导线运动，从而减小相应的匝间间隙。该层导线绕制结束后，实际绕制匝数等于或稍小于设计匝数。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为滚珠丝杠机构结构示意图；

图3为光斑位于正在缠绕导线2上的示意图；

图4为光斑位于上一层导线3上的示意图；

图中：1超导线圈骨架、2正在缠绕导线、3上一层导线、4激光探头、5光斑、6滚珠丝杠机构、7轴向推力、8转轴、9驱动马达、10滑块、11丝杠。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的匝间间隙指示装置包括激光探头4和滚珠丝杠机构6。所述的滚珠丝杠机构6由滑块10和丝杠11组成，滑块10安装在丝杠11上。如图2所示。所述的激光探头4固定安装在滚珠丝杠机构6的滑块10上，滚珠丝杠机构6通过驱动马达9和安装在转轴8上的编码器（图中未示出）与超导线圈骨架1的转轴连接，通过滚珠丝杠机构6的丝杠11的回转运动转换为滑块10的进给运动，带动激光探头4做直线运动。

激光探头4用于在正在缠绕导线2或上一层导线3上产生光斑5，滚珠丝杠机构6用来实现将回转运动转换为进给运动。滚珠丝杠机构6与超导线圈骨架1的轴线平行。

下面详细说明本发明装置的工作过程：

超导线圈绕制过程中，超导线圈骨架1的回转运动带动正在缠绕导线2连续不断地螺旋缠绕，叠压在上一层导线3或超导线圈骨架1上；超导线圈骨架1的转轴8上设置有编码器，编码器用来测量超导线圈骨架1的转速。滚珠丝杠机构6在驱动马达9的带动下转动。驱动马达9可为伺服电机或步进电机，驱动马达9接收来自编码器的转速信号，因此，滚珠丝杠机构6的转动受控于超导线圈骨架1的回转运动。滚珠丝杠机构6的滑块10的往复进给运动带动激光探头4做往复直线运动。可以根据实际操作的方便性，调整激光探头4在滑块10上的安装位置，必要情况下还可设置相应的中间连接机构。

超导线圈骨架1的回转运动的转速等于n；滚珠丝杠机构6的螺距等于B，滚珠丝杠机构6的转速等于n＇，则其进给运动的速度为n＇×B；导线的宽度等于b，如图2和图3所示。设计的匝间间隙为Δb，Δb的值约为5～10微米。因此，滚珠丝杠机构6的进给运动与超导线圈骨架1的回转运动满足：n×（b+Δb）=n＇×B。可以看出，对于某一宽度的导线，滚珠丝杠机构6的进给运动速度仅取决于超导线圈骨架1的转速n，相应地激光探头4的直线运动速度也仅取决于超导线圈骨架1的转速n。

激光探头4发出的一束激光在正在缠绕导线2上产生光斑5，如图2所示，或在正在缠绕导线2的附近，比如上一层导线3上产生光斑5，如图3所示。光斑5可为图2所示的点，或图3所示的直线，或是十字等形状。

某一层导线绕制前，调整激光探头4的方位，使光斑5出现在适宜的操作位置和便于观察的角度。光斑5和正在缠绕导线2的轴向距离为s，如图2和图3所示。由于激光探头4的直线运动仅取决于超导线圈骨架1的转速n，因此线圈绕制过程中光斑5为判定s变化的参考标尺。

下面详细描述采用本发明装置控制超导线圈绕制匝数的方法，对于光斑5位于上一层导线3的情况，以下控制方法同样适用：

（1）绕制某层导线的第一匝导线时，设光斑5到正在缠绕导线2的轴向距离为初始轴向距离s₀；

（2）绕制该层导线过程中，如果观察到光斑5和正在缠绕导线2的轴向距离s等于或近似等于初始轴向距离s₀，则匝间间隙始终为设计的匝间间隙Δb，不需要调整施加在正在缠绕导线2上的轴向推力7，此轴向推力7通过操作人员手动推压聚四氟乙烯薄板来施加，聚四氟乙烯薄板直接与正在缠绕导线2接触，紧贴在正在缠绕导线2的侧上方。绕制到超导线圈骨架1的端部时，该层导线的绕制匝数等于设计匝数；

（3）绕制该层导线过程中，如果观察到光斑5和正在缠绕导线2的轴向距离s大于初始轴向距离s₀，则匝间间隙大于设计的匝间间隙Δb，操作人员应及时增加施加在正在缠绕导线2上的轴向推力7。绕制到超导线圈骨架1的端部时，该层导线的绕制匝数等于或稍小于设计匝数。

设计的匝间间隙Δb是根据绕制工艺或经验确定的，是导线紧密排列时存在的匝间间隙，是最小的匝间间隙，因此，绕制过程中不存在轴向距离s变小的情况。

在某些实施例中，也可将激光探头4替换为激光位移传感器，根据激光位移传感器的示数变化来判定匝间间隙变化和控制轴向推力7，其方法与本实施例相同。

Claims (5)

1.一种超导线圈的匝间间隙指示装置，其特征在于，所述的匝间间隙指示装置包括激光探头（4）和滚珠丝杠机构（6）；所述的滚珠丝杠机构（6）由滑块（10）和丝杠（11）组成，滑块（10）安装在丝杠（11）上；所述的激光探头（4）固定安装在所述的滑块（10）上，用于在正在缠绕导线（2）或上一层导线（3）上产生光斑（5）；滚珠丝杠机构（6）通过驱动马达（9）和安装在转轴（8）上的编码器与超导线圈骨架（1）的转轴连接，通过所述丝杠（11）的回转运动转换为滑块（10）的进给运动，带动激光探头（4）做直线运动；滚珠丝杠机构（6）与超导线圈骨架（1）的轴线平行。

2.根据权利要求1所述的超导线圈的匝间间隙指示装置，其特征在于，所述滚珠丝杠机构（6）的长度大于需绕制的超导线圈的轴向长度。

3.应用权利要求1所述的超导线圈的匝间间隙指示装置控制绕制匝数的方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

（1）绕制超导线圈某层导线的第一匝导线时，设激光探头（4）发出的激光产生的光斑（5）到正在缠绕导线（2）的轴向距离为初始轴向距离s₀；

（2）绕制该层导线过程中，如果观察到光斑（5）和正在缠绕导线（2）的轴向距离s等于或近似等于初始轴向距离s₀，则超导线圈匝间间隙始终为设计的匝间间隙Δb，不需要调整施加在正在缠绕导线（2）上的轴向推力（7）；绕制到超导线圈骨架（1）的端部时，该层导线的绕制匝数等于设计匝数；

（3）绕制该层导线过程中，如果观察到光斑（5）和正在缠绕导线（2）的轴向距离s大于初始轴向距离s₀，则匝间间隙大于设计的匝间间隙Δb，增加施加在正在缠绕导线（2）上的轴向推力（7）；绕制到超导线圈骨架（1）的端部时，该层导线的绕制匝数等于或稍小于设计匝数。

4.根据权利要求3所述的控制超导线圈绕制匝数的方法，其特征在于，所述的轴向推力（7）通过操作人员手动推压与正在缠绕导线（2）接触的聚四氟乙烯薄板来施加，所述的聚四氟乙烯薄板位于正在缠绕导线（2）的侧上方。

5.根据权利要求3所述的控制超导线圈绕制匝数的方法，其特征在于，对于某一宽度的导线，所述滚珠丝杠机构（6）的进给运动速度取决于超导线圈骨架（1）的转速n，激光探头（4）的直线运动速度取决于超导线圈骨架（1）的转速n。

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