CN103523598A - 一种超导线圈绕制过程的过载保护*** - Google Patents

Abstract

一种超导线圈绕制过程的过载保护***，由控制器（9）、位置传感器（17）、张力传感器（11）和接近开关（16）组成。所述控制器（9）接收并指示动滑轮（14）的位置信号和超导线（2）的张力信号；通过所述控制器（9）来响应于所述位置信号或张力信号来控制绕线电机（5）和放线电机（7）的刹车；通过所述接近开关（16）来直接控制绕线电机（5）和放线电机（7）的刹车。

Description

一种超导线圈绕制过程的过载保护***

技术领域

本发明涉及一种过载保护***，具体涉及一种超导线圈制作过程中用于预防超导线被拉断的保护***。

背景技术

超导线圈工作在温度约为4.2K或类似的极低温环境中，降温过程会引起环氧的周向断裂；运行过程中通入很高的电流，由于电磁力作用可能会发生层间导体的分离。这两种现象对于径向厚度较大的线圈更加严重，都可能导致超导磁体发生失超。通常在线圈缠绕过程中在超导线上施加一恒定的张力，所产生的残余累积应力能够有效地抑制这两种现象的发生。

一个简单、可靠且稳定地施加恒定张力的方法是采用动滑轮的结构。如图1所示，来自放线轴4的超导线2，穿过一个定滑轮13的轮槽，然后穿过动滑轮14的轮槽，再分别穿过另一个定滑轮13和排线轮10的轮槽，最后缠绕到超导线圈1上。骨架3与绕线支座6连接，提供超导线圈1所需的支撑，绕线电机5带动骨架3旋转，绕线电机5与骨架3间通过齿轮链（或皮带）、减速器和转轴连接。排线轮10和定滑轮13安装在排线杆15上，排线杆15安装在滑块20上，通过丝杠19的转动带动滑块20做往复直线运动。放线轴4与放线支架8连接，在放线电机7的驱动下转动，放线轴4与放线电机7间通过减速器和皮带连接。正常绕线状态下，动滑轮14的位置保持在设定工作位置附近。设砝码配重18、动滑轮14、动滑轮转轴25、直线轴承27和砝码配重托架26的总重量为G，则超导线2上的张力T=G/2。在动滑轮加载张力的结构中，存在动滑轮14卡住的风险，此时超导线2上的张力会在极短时间内急剧增大，直到张力把超导线2拉断。

超导线的制作要经历多次复杂的工序，其价格高昂。另外，超导线间的接头也都采用特殊的工艺来制作，为了不影响超导线圈的质量和性能，必须把接头放在线圈和骨架外面。发生超导线拉断事故后，往往会导致大量超导线的损失，严重情况下可能会导致整个超导线圈的重新缠绕。不仅会带来材料成本和人力成本的增加，还会影响产品的性能。因此，必须要采取相应的安全防护措施来防止张力过载和超导线拉断事故的发生。

发明内容

本发明的目的是为了克服常规超导线圈恒张力绕线机构缺乏防护措施的缺点，提出一种超导线圈绕制过程中防止超导线被拉断的过载保护***。本发明提出的保护***能够有效避免张力过载和超导线被拉断等事故的发生。

本发明所述的超导线圈绕制过程的过载保护***包括：测量动滑轮位置的位置传感器，测量超导线张力的张力传感器，接收指示位置信号和张力信号的控制器，以及位于上止点位置的接近开关。

常规恒张力绕线机构通常设置一砝码配重托架，用来固定承载砝码配重，同时为动滑轮提供支撑；砝码配重托架通过直线轴承安装在两根平行的光杠上，并且可以沿着两根光杠上下运动，两根光杠的上下两端附近设置有上止点和下止点。本发明的位置传感器与动滑轮的砝码配重托架连接，实时测量动滑轮的位置。本发明的接近开关安装在其中一根光杠上靠近上止点处。在现有绕线机构的排线杆上，紧挨着排线轮依次安装张力传感器和计米轮，使排线轮、张力传感器和计米轮在一条水平直线上，超导线依次穿过计米轮、张力传感器和排线轮的轮槽。控制器通过屏蔽信号线与位置传感器、张力传感器、绕线电机和放线电机连接，接收来自位置传感器和张力传感器的数据，控制绕线电机和放线电机的动作。接近开关通过屏蔽信号线直接与绕线电机和放线电机连接。

本发明提出的过载保护***的操作流程为：

1）正常绕线操作期间的保护

在正常绕线操作期间，随着放线轴上的超导线不断缠绕到骨架上，超导线圈的直径增大，同时放线轴的直径减小，在骨架转速不变的情况下放线轴的转速不断增加。当驱动放线轴的放线电机达到最高转速时，就会导致放线轴的线速度小于超导线圈的线速度，从而使动滑轮偏离设定工作位置。控制器接收并指示动滑轮的位置信号，当动滑轮的位置靠近上止点位置时，控制器发出指令控制绕线电机和放线电机同时刹车，动滑轮停止运动，避免了动滑轮卡住事故的发生。

2）传感器故障情况下的保护

长期运转过程中，可能会发生位置传感器故障、通信线路受干扰等意外事件，导致控制器无法获取动滑轮的位置信息。这种情况下，若动滑轮偏离设定位置，向上运动靠近上止点附近的接近开关，接近开关的动作直接控制绕线电机和放线电机同时刹车，动滑轮停止向上运动，避免了动滑轮卡住事故的发生，因此提供所需的额外保护。

3）动滑轮卡住情况下的保护

动滑轮机构的直线轴承沿着光杠在设定工作位置附近小幅度上下运动，由于承载和震动等原因，直线轴承内的滚珠可能会从密封盖中脱落，导致直线轴承卡死，相应地，动滑轮也被卡住；此外，若位置传感器和接近开关都发生故障，也会导致动滑轮被卡住。这种情况下，超导线上的张力迅速增加，控制器接受并指示来自张力传感器的张力信号，当张力大小超过设定的阈值张力时，控制器发出指令控制绕线电机和放线电机同时刹车，从而抑制超导线上的张力继续增加，提供张力过载情况下的过载保护。

附图说明

图1为常规的动滑轮加载恒定张力的绕线装置示意图；

图2为采用本发明的过载保护***的恒张力绕线装置示意图；

图3为本发明具有过载保护的动滑轮结构示意图；

图中：1超导线圈，2超导线，3骨架，4放线轴，5绕线电机，6绕线支座，7放线电机，8放线支架，9控制器，10排线轮，11张力传感器，12计米轮，13定滑轮，14动滑轮，15排线杆，16接近开关，17位置传感器，18砝码配重，19丝杠，20滑块，21丝杠固定座，22排线机构支架，23第一光杠，24第二光杠，25动滑轮转轴，26砝码配重托架，27直线轴承，28上止点，29下止点。

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。

图1示意性地给出了现有的超导线恒张力绕线装置。正常工作状态下，超导线圈1侧的线速度与放线轴4侧的线速度基本相等，动滑轮14位于设定工作位置附近。

图2为采用本发明的过载保护***的恒张力绕线装置，本发明过载保护***包括：测量动滑轮14位置的位置传感器17，测量超导线2张力的张力传感器11，接收指示位置信号和张力信号的控制器9，位于上止点28位置的接近开关16。

所述的位置传感器17与动滑轮机构的砝码配重托架26连接，接近开关16安装在第二光杠24上靠近上止点28处，通过屏蔽信号线与绕线电机5和放线电机7连接，如图3、图2所示。张力传感器11安装在排线杆15上，张力传感器11靠近排线轮10，并在张力传感器11的另一侧安装有计米轮12，超导线2分别穿过计米轮12、张力传感器11和排线轮10的轮槽。控制器9通过屏蔽信号线与位置传感器17、张力传感器11、计米轮12、绕线电机5和放线电机7连接，如图2所示。

控制器9接收和显示来自位置传感器17和张力传感器11的数据，使用位置信号和张力信号来控制绕线电机5和放线电机7同时刹车；砝码配重托架26靠近接近开关16，能够触发接近开关16动作，使接近开关16被动控制绕线电机5和放线电机7同时刹车。

下面详细说明不同状态下过载保护***的操作流程：

1、正常绕线操作期间

在正常绕线操作期间，若发生由于放线轴4侧的线速度小于超导线圈1侧的线速度的现象，则导致动滑轮14向上运动。当动滑轮14运动到上止点28位置时，控制器9发出指令控制绕线电机5和放线电机7同时刹车，则超导线圈1侧和放线轴4侧的超导线2的线速度为零，动滑轮14停止向上运动，避免了动滑轮14卡住事故的发生。

2、传感器发生故障时

长期运转过程中，可能会发生位置传感器17故障、通信线路受干扰等意外事件，导致控制器9无法获取动滑轮14的位置信息。这种情况下，依靠控制器9控制绕线电机5和放线电机7刹车的主动保护已经失效。若动滑轮14偏离设定位置向上运动，当靠近安装在上止点28附近的接近开关16时，触发接近开关16切断绕线电机5和放线电机7的供电回路，使其同时刹车，避免了动滑轮14卡住事故的发生，因此提供了所需的额外保护。

3、动滑轮机构卡住时

正常绕线过程中，动滑轮机构的直线轴承27沿着第一光杠23和第二光杠24在设定工作位置附近小幅度上下运动。由于承载和震动等原因，直线轴承27内的滚珠可能会从密封盖中脱落，导致直线轴承27卡死，相应地，动滑轮14也被卡住。位于轮槽中的超导线2受到约束作用，张力迅速增加，控制器9根据张力传感器11获得的信号来控制绕线电机5和放线电机7同时刹车，从而抑制超导线2上的张力继续增加。控制器9发出刹车指令的阈值张力可以根据超导线2的屈服强度和选取的安全系数来确定。

此外，若位置传感器17和接近开关16都发生故障，也会导致动滑轮14被卡住，这种情况下保护***的操作与上面描述的流程相同。

Claims (5)

1.一种超导线圈绕制过程的过载保护***，其特征在于：所述的过载保护***包括位置传感器（17）、张力传感器（11）、控制器（9）和接近开关（16）；所述的控制器（9）接收位置传感器（17）采集的动滑轮（14）的位置信号，以及张力传感器（11）采集的超导线（2）的张力信号，并控制绕线电机（5）和放线电机（7）的刹车；所述的接近开关（16）直接控制绕线电机（5）和放线电机（7）的刹车。

2.按照权利要求1所述的超导线圈绕制过程的过载保护***，其特征在于：所述的位置传感器（17）与绕线机构的动滑轮机构的砝码配重托架（26）连接；接近开关（16）安装在绕线机构第二光杠（24）上靠近上止点（28）处，通过屏蔽信号线与绕线电机（5）和放线电机（7）连接；张力传感器（11）安装在绕线机构的排线杆（15）上，张力传感器（11）靠近绕线机构的排线轮（10），并在张力传感器（11）的另一侧安装有计米轮（12），超导线（2）分别穿过计米轮（12）、张力传感器（11）和排线轮（10）的轮槽；控制器（9）通过屏蔽信号线与位置传感器（17）、张力传感器（11）、计米轮（12）、绕线电机（5）和放线电机（7）连接。

3.按照权利要求1或2所述的过载保护***，其特征在于，在所述的动滑轮（14）的位置靠近上止点（28）时，所述控制器（9）通过位置信号来控制所述绕线电机（5）和放线电机（7）同时刹车，动滑轮（14）停止运动。

4.按照权利要求1或2所述的过载保护***，其特征在于，当所述的位置传感器（17）失效或通信线路受干扰时，动滑轮（14）靠近所述接近开关（16），触发接近开关（16）切断绕线电机（5）和放线电机（7）的供电回路，使绕线电机（5）和放线电机（7）同时刹车。

5.按照权利要求1或2所述的过载保护***，其特征在于，当所述的动滑轮（14）卡住时，所述控制器（9）根据张力传感器（11）获得的张力信号来控制所述绕线电机（5）和放线电机（7）同时刹车。

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