專利名稱：一種大型超導磁體的鈮三錫超導電纜的繞制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及超導磁體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大型超導磁體的鈮三錫超導電纜的繞制方法。
背景技術(shù)：
管內(nèi)電纜導體是將鈮鈦或鈮三錫超導線通過多級扭絞成為超導電纜，再將超導電纜穿入不銹鋼鋼管中，通過縮徑、成型，制作成管內(nèi)電纜導體，采用超臨界氦或超流氦進行迫流冷卻。該方法提高了超導線和氦的接觸面積，改善了傳熱條件，而且使得管內(nèi)電纜導體具有良好的自支撐、較低的交流損耗、所需冷卻介質(zhì)少、運行安全可靠、性能高等特點，已成為大型超導磁體的首選導體，成功的應用在托卡馬克裝置、仿星器裝置以及大型高場超導磁體當中。然而，近年來在國際熱核聚變裝置ITER的鈮三錫管內(nèi)電纜導體研發(fā)的過程中發(fā)現(xiàn)，在多次電磁循環(huán)之后，鈮三錫超導導體的超導性能出現(xiàn)不可逆的性能退化，這將直接影響到大型超導磁體的長期穩(wěn)定運行。通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，由于熱處理后的鈮三錫材料具有很強的脆性，電磁循環(huán)中的洛倫茲力使得超導導體產(chǎn)生了很大的橫向磁壓，導致鈮三錫材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，在局部產(chǎn)生了細微的裂紋，從而導致了超導導體性能的退化。因此不能直接采用原有鈮鈦管內(nèi)電纜導體的設(shè)計理念，需要重新改進采用鈮三錫超導材料的管內(nèi)電纜導體以及超導電纜的設(shè)計，使之具有良好的自支撐，減少甚至消除由于電磁循環(huán)導致的性能退化。
發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)中鈮三錫管內(nèi)電纜導體在多次電磁循環(huán)后出現(xiàn)的不可逆性能退化問題，制造出能夠長期穩(wěn)定運行的大型超導磁體。本發(fā)明提供一種超導大型超導磁體的鈮三錫超導電纜的繞制方法，采用鈮三錫超導股線與銅股線分四級進行扭絞，增長前幾級的扭距，使得超導電纜中的股線之間更好的接觸，具有了良好的自支撐；同時減小超導電纜最后一級的扭距，降低超導導體的交流損
^^ ο本發(fā)明提供的大型超導磁體的鈮三錫超導電纜，還采用鈮三錫超導股線和銅線混搭的方式，既滿足了超導導體對超導體和銅面積的要求，還保證了超導股線在導體內(nèi)部的均勻分布，同時還降低了超導股線的用量，節(jié)約了生產(chǎn)成本。該設(shè)計方法使得超導電纜的設(shè)計更加靈活和實用。為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
大型超導磁體的鈮三錫超導電纜的繞制方法，其特征在于包括以下步驟
(1)根據(jù)超導導體的工作條件、超導磁體分流溫度的要求、以及失超后磁體熱保護的需要，計算所需超導股線和銅線的數(shù)目，并配置超導電纜的組成方式，保證超導股線和銅線在超導電纜內(nèi)部均勻分布；
(2)第一級絞纜，由三根超導股線或超導線與銅線組合絞制成一級纜，利用單絞機，采用主動退扭的方式進行絞制，過模并穩(wěn)徑，扭距選擇為一級纜過模后直徑的32-34倍，較長的扭距保證了股線間良好的支撐，從而能保證超導磁體中的超導電纜在電磁力作用下不會發(fā)生較大的位移和變形；采用應力反饋控制的方式對各股線的應力進行調(diào)節(jié)，確保各股線間應力分布均勻，同時保證每根股線的拉力小于20N。(3)第二級絞纜，由三至四根一級纜絞制成二級纜，可采用相同的一級纜，也可采用不同組分的一級纜混搭而成，既滿足磁體需要載流的超導面積以及磁體失超后熱保護需要的銅面積要求，又節(jié)省了超導股線的用量；利用單絞機，采用主動退扭的方式進行絞制， 過模并穩(wěn)徑，扭距選擇為二級纜過模后直徑的觀-32倍；絞纜過程中合理配置放線盤和放線孔的位置，保證各子纜間位置分布對稱。(4)第三級絞纜，由三至四根二級子纜絞制成三級纜，利用單絞機，采用主動退扭的方式進行絞制，過模并穩(wěn)徑，扭距選擇為二級纜過模后直徑的20-22倍；采用周長尺、游標卡尺以及激光測徑儀等工具實時測量和監(jiān)控電纜的外徑。(5)第四級絞纜，由三至五根三級子纜絞制成四級纜，利用1+6/1250型成纜機，采用主動退扭的方式進行絞制；采用三道鎢鋼模具對超導電纜進行緊壓縮徑，使得電纜的空隙率達到38-42%，以保證超導電纜在超導導體中的均勻分布；扭距選擇為四級纜縮徑后直徑的14-16倍，較短的扭距減小了股線間的耦合電流損耗，從而可降低超導磁體的交流損耗；要求超導電纜無跳線，無損傷，電纜外形尺寸均勻，無橢圓或麻花情況。(6)四級纜表面采用0. 05mm厚的不銹鋼帶進行45_55%疊包，要求鋼帶平整，不打皺，不破裂；從而制作成鈮三錫超導電纜。在電纜收纜前裝配“通規(guī)”，在線檢測電纜的外徑尺寸，以保證穿管要求。本發(fā)明的超導電纜的扭距一般選用該級子纜壓縮直徑的10-30倍，在前幾級子纜中，采用較長的扭距，尤其是第一級子纜，這樣可以保證電纜的機械穩(wěn)定性，使得超導電纜中的股線之間更好的接觸，具有了良好的自支撐；在最后一級子纜中，采用較短的扭距，可以降低超導導體的交流損耗；絞纜過程中，所有子纜扭絞方向為右，與超導股線內(nèi)部細絲的扭絞方向一致。同時注意電纜的扭距不能是其子纜扭距的整數(shù)倍，這樣可以避免因幾何共振引起的耦合電流損耗。超導電纜均采用四級子纜絞合的方式，第一級子纜選擇結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的三角纜。 電纜中可使用純銅線與超導線一起絞制，超導股線和純銅線通過選擇不同的組合方式，滿足磁體需要載流的超導面積以及磁體失超后熱保護需要的銅面積要求，同時，在絞纜方式上保證分離銅線在電纜中對稱分布，避免電流分布不均勻。如采用兩種不同的一級纜，分別為2超導線+1銅線，和3超導線，二級纜采用兩根第一種一級纜和兩根第二種一級纜絞制而成。這樣既保證了導體需要的超導和銅的面積，又節(jié)約了超導線的使用數(shù)量，使得超導電纜的設(shè)計更加靈活和實用。超導電纜的最外層采用0. 05mm厚的316L不銹鋼帶進行50%疊包，可以保證超導電纜在無張力的情況下保持外形尺寸，在電纜運輸?shù)倪^程中防止灰塵和雜質(zhì)對超導電纜的污染，同時還能在管內(nèi)電纜導體穿管的過程中對超導電纜起到一定的保護作用，防止超導股線表面與不銹鋼鎧甲之間的摩擦。本發(fā)明的有益效果
(1)本發(fā)明通過增長超導電纜中前幾級子纜的扭距，超導電纜中的股線之間能夠更好的接觸，從而獲得了良好的自支撐；同時通過減小超導電纜最后一級的扭距，降低了超導導體的交流損耗。(2)本發(fā)明通過采用鈮三錫超導股線和銅線混搭的方式，既滿足了超導導體對銅面積的要求，還保證了超導股線在導體內(nèi)部的均勻分布，同時還降低了超導股線的用量，節(jié)約了生產(chǎn)成本。該設(shè)計方法使得超導電纜的設(shè)計更加靈活和實用。(3)本發(fā)明利用該方法繞制方法制作的超導電纜加工成管內(nèi)電纜導體，可減少甚至消除由于電磁循環(huán)導致的性能退化問題，制造出能夠長期穩(wěn)定運行的大型超導磁體，該超導電纜已成功應用于40T混合磁體外超導磁體的試驗線圈當中。
圖1是本發(fā)明工藝流程示意圖。
具體實施例方式
實施例1 大型超導磁體的鈮三錫超導電纜的繞制方法，包括以下步驟
(1)根據(jù)超導導體的工作條件，計算所需超導股線和銅線的數(shù)目，并配置超導電纜的組成方式，保證超導股線和銅線在超導電纜內(nèi)部均勻分布；
(2)第一級絞纜，由三根超導股線或超導線與銅線組合絞制成一級纜，過模并穩(wěn)徑，扭距選擇為一級纜過模后直徑的33倍；
(3)第二級絞纜，由三至四根一級纜絞制成二級纜，可采用相同的一級纜，也可采用不同組分的一級纜混搭而成，過模并穩(wěn)徑，扭距選擇為二級纜過模后直徑的30倍；
(4)第三級絞纜，由三至四根二級子纜絞制成三級纜，過模并穩(wěn)徑，扭距選擇為二級纜過模后直徑的21倍；
(5)第四級絞纜，由三至五根三級子纜絞制成四級纜，過模并縮徑，電纜的空隙率控制在40%，扭距選擇為四級纜縮徑后直徑的15倍；
(6)四級纜表面采用0.05mm厚的不銹鋼帶進行50%疊包，制作成鈮三錫超導電纜。實施例2 如圖1所示，大型超導磁體的鈮三錫超導電纜的繞制方法，包括以下步驟超導電纜采用四級纜絞合的方式繞制而成，由銅線1和超導線2組合的方式絞合成第一種一級纜3，由三根超導線2絞合成第二種一級纜4 ；由四根兩種不同的一級纜混搭的方式絞合成二級纜5 ；再由四根二級纜5絞合成三級纜6 ；由五根三級纜6絞合成四級纜7，過模并縮徑，并在其表面采用0. 05mm厚的316L不銹鋼帶進行50%疊包，制作成鈮三錫超導電纜。
權(quán)利要求
1. 一種大型超導磁體的鈮三錫超導電纜的繞制方法，其特征在于包括以下步驟(1)根據(jù)超導導體的工作條件，計算所需超導股線和銅線的數(shù)目；(2)第一級絞纜，由三根超導股線或超導線與銅線組合絞制成一級纜，過模并穩(wěn)徑，扭距選擇為一級纜過模后直徑的32-34倍；(3)第二級絞纜，由三至四根一級纜絞制成二級纜，可采用相同的一級纜，也可采用不同組分的一級纜混搭而成，過模并穩(wěn)徑，扭距選擇為二級纜過模后直徑的觀-32倍；(4)第三級絞纜，由三至四根二級子纜絞制成三級纜，過模并穩(wěn)徑，扭距選擇為二級纜過模后直徑的20-22倍；(5)第四級絞纜，由三至五根三級子纜絞制成四級纜，過模并縮徑，電纜的空隙率控制在38-4 ，扭距選擇為四級纜縮徑后直徑的14-16倍；(6)四級纜表面采用0.05mm厚的不銹鋼帶進行40-50%疊包，制作成鈮三錫超導電纜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大型超導磁體的鈮三錫超導電纜的繞制方法，包括超導電纜采用四級子纜絞合的方式繞制而成，第一級子纜采用三根超導線或超導線與銅線組合的方式絞合；第二級子纜采用三根或四根一級子纜絞合，鈮三錫超導股線和銅線在第一級和第二級子纜中還可采用混搭的方式組合；第三級子纜采用三根或四根二級子纜絞合；第四級纜采用三根或四根或五根三級子纜絞合而成；四級纜表面采用0.05mm厚的不銹鋼帶進行疊包，制作成鈮三錫超導電纜。在前三級子纜中，采用較長的扭距，在最后一級纜中采用較短的扭距。由該鈮三錫超導電纜制作成的管內(nèi)電纜導體，可降低甚至消除由于電磁循環(huán)導致的超導導體性能退化。
文檔編號H01B13/02GK102456445SQ20121000138
公開日2012年5月16日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者匡光力, 潘引年, 王福堂, 譚運飛, 陳文革, 陳治友, 陳灼民 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院