一种中空矩形铜导体绕制的大直径极向场线圈及绕制方法与流程

1.本发明属于核聚变装置磁体技术，具体涉及一种中空矩形铜导体绕制的大直径极向场线圈及绕制方法。


背景技术：

2.在核聚变装置中工作的极向场线圈，其电流大至几十上百ka，直径可达数米至数十米，在提供足够的磁场强度的同时，又需减少不必要的杂散磁场，因此其绕制方式和尺寸控制非常重要。
3.现有的极向场线圈一种是环向分段结构，采用活接头进行连接，存在接触电阻大、载流低的缺点。一种是极向场线圈单匝铜导体截面小、载流低；整个线圈匝数多，电感大，电流爬升慢。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种中空矩形铜导体绕制的大直径(10至90米)极向场线圈及绕制方法，能提供足够的磁场强度，又能将杂散磁场控制到最小(1-9个高斯)。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种中空矩形铜导体绕制的大直径极向场线圈，其由中空矩形铜导体盘绕而成的各层线圈导体组成，所述的各层线圈导体的设定绕制匝数均为m匝，各层顺次上下叠加，并且各相邻层的中空矩形铜导体首端和尾端焊接在一起，共有n层；n和m均为正整数；所述的相邻的两层线圈导体中，奇数层线圈导体和偶数层线圈导体的绕制方向均由内至外，且绕制方向相反；每一层线圈导体中，中空矩形铜导体实际绕制匝数均不满匝，实际整体线圈匝数小于n*m，不满匝的位置为不满匝形成的空隙。
7.各层线圈中相邻两侧线圈的爬线位置均布于圆周方向，从上至下位置依次为360/n度，2倍(360/n)度、3倍(360/n)度，
…
，(n-1)倍(360/n)度，0度。
8.当n小于等于6时，实际绕制时整体线圈匝数为n*m-1或者n*m-2。
9.若实际绕制整体线圈匝数为n*m-1，每层线圈少绕1/n匝，形成不满匝形成的空隙；若实际绕制线圈匝数为n*m-2，则每层线圈少绕2/n匝，形成不满匝形成的空隙。
10.n大于6时，则每层线圈少绕1/(n/2)匝，形成不满匝形成的空隙。
11.每相邻上下两层线圈导体的跳线位置设于爬线处或不满匝形成的空隙内。
12.所述的不满匝形成的空隙内设有绝缘垫块。
13.所述的各层线圈导体外包裹有线圈主绝缘。
14.所述的中空矩形铜导体的单边尺寸2-10cm。
15.一种中空矩形铜导体绕制的大直径极向场线圈绕制方法，采用中空矩形铜导体由内而外逐层盘式绕法，绕制由上至下的n层线圈导体而制成，各层线圈导体的设定绕制匝数均为m匝，各层顺次上下叠加，并且各相邻层的中空矩形铜导体首端和尾端焊接在一起，共有n层；n和m均为正整数；所述的相邻的两层线圈导体中，奇数层线圈导体和偶数层线圈导
体的绕制方向均由内至外，且绕制方向相反；每一层线圈导体中，中空矩形铜导体实际绕制匝数均不满匝，实际整体线圈匝数小于n*m，不满匝的位置为不满匝形成的空隙；各层线圈中相邻两侧线圈的爬线位置均布于圆周方向，从上至下位置依次为360/n度，2倍(360/n)度、3倍(360/n)度，
…
，(n-1)倍(360/n)度，0度；当n小于等于6时，实际绕制时整体线圈匝数为n*m-1或者n*m-2，其中：若实际绕制整体线圈匝数为n*m-1，每层线圈少绕1/n匝；若实际绕制线圈匝数为n*m-2，则每层线圈少绕2/n匝；n大于6时，则每层线圈少绕1/(n/2)匝。
16.在n为4的情况下，第一、二、三、四层线圈导体的爬线位置分别在90
°
、180
°
、270
°
、0
°
，第一层线圈爬线的位置90
°
，第一层线圈起头在内侧，第一层线圈结尾在外侧，第二层线圈爬线的位置180
°
，第二层线圈与第三层线圈之间跳线在外侧同样的角度，第一层线圈与第二层线圈之间跳线在内侧，角度为90
°
。
17.线圈正负极引出线位置在0度，第一层线圈导体、第二层线圈导体之间的跳线位置在90
°
，第二层线圈导体、第三层线圈导体之间的跳线在180
°
，第三层线圈导体、第四层线圈导体之间的跳线在270
°
。
18.第一层线圈导体3铜导线包上匝间绝缘后由内向外逆时针绕匝；在每一匝结束时向外爬线；第二层线圈导体铜导线包上匝间绝缘后由内向外顺时针绕匝；在每一匝的处向外爬线；第三层线圈导体与第一层线圈导体绕制方法相同，但与前两层线圈叠放时需旋转180
°
，使其起头和爬线处在270
°
左右，结尾处即与第二层线圈导体的层间跳线处在180
°
；第四层线圈导体与第二层线圈导体绕制方法相同，但与前三层线圈叠放时需旋转180
°
，使其起头处与第三层线圈的层间跳线处在270
°
，爬线和结尾处在0
°
，结尾处与第一层线圈导体的结尾处角度相同，分别为整个线圈的正负极，通过正负极引出线与电源连接。
19.本发明的显著效果如下：线圈的安匝数和线圈主要尺寸，使用大截面的中空矩形铜导体，采用盘式绕法，线圈分为n层线圈，每层线圈m匝，n层线圈上下叠加并将各相邻线盘的首端或尾端焊接在一起，采用盘式绕制，各层线圈少绕1/n或2/n...匝，为层间跳线留出空间，使线圈外形尺寸得到精确控制，而不至于因为跳线突出线圈圆环体外造成线圈外形不规则；所有层间跳线均布于圆周，减少线圈因为跳线产生的杂散磁场；所有层内爬线均布于圆周，减少线圈因为爬线产生的杂散磁场。
附图说明
20.图1为一种中空矩形铜导体绕制的大直径极向场线圈的示意图。
21.图2为第一层线圈导体示意图；
22.图3为第二层线圈导体示意图；
23.图4为线圈主绝缘和绝缘垫块示意图；
24.图中：1.正极引出线、2.负极引出线、3.第一层线圈导体、4.第二层线圈导体、5.第三层线圈导体、6.第四层线圈导体、7.不满匝形成的空隙、8.内侧跳线(即第一层线圈导体与第二层线圈导体之间的跳线位置)、9.第一层线圈爬线、10.第一层线圈起头、11.第一层线圈结尾、12.绝缘垫块、13.第二层线圈爬线、14.第二层线圈导体与第三层线圈导体之间跳线位置、15.线圈主绝缘、16.绝缘垫块。
具体实施方式
25.下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
26.如图1所示，中空矩形铜导体绕制的大直径极向场线圈，是由用大截面的中空矩形铜导体采用盘式绕法，绕制由上至下的n层线圈导体而制成的，其中每层线圈导体的中空矩形铜导体的设定绕制匝数为m匝，绕制时，n层线圈导体上下叠加并将各相邻层的中空矩形铜导体首端和尾端焊接在一起。n和m均为正整数。
27.如图1所示，第一层线圈导体3位于最上层，其次为第二层线圈导体4、第三层线圈导体5、第四层线圈导体6，以此类推；
28.其中，奇数层线圈导体中，中空矩形铜导体顺时针绕制(由内至外)，偶数层线圈逆时针绕制，这样上下相邻线圈首尾相连后电流都是逆时针方向；反之亦然，即奇数层线圈导体中，中空矩形铜导体逆时针绕制(由内至外)，偶数层线圈顺时针绕制；
29.每一层线圈导体的中空矩形铜导体的实际绕制匝数均不满匝(实际绕制匝数不为整数)，因此整体线圈匝数小于n*m，
30.当n小于等于6时，实际绕制时整体线圈匝数为n*m-1或者n*m-2，其中；
31.若实际绕制整体线圈匝数为n*m-1，每层线圈少绕1/n匝；
32.若实际绕制线圈匝数为n*m-2，则每层线圈少绕2/n匝；
33.n大于6时，则每层线圈少绕1/(n/2)匝。
34.如上所述的n层线圈导体，因为是盘式绕制，所以每层线圈都有一个爬线位置(即内外匝之间的过渡段)，在叠放组装线圈时，需将各层线圈的爬线位置安排至均布于圆周；如线圈正负极引出线位置为0
°
，在n为4的情况下，第一、二、三、四层线圈导体的爬线位置分别在90
°
、180
°
、270
°
、0
°
；如图2所示，第一层线圈爬线9的位置90
°
，第一层线圈起头10在内侧，第一层线圈结尾11在外侧；如图3所示，第二层线圈爬线13的位置180
°
，第二层线圈与第三层线圈之间跳线14在外侧同样的角度，第一层线圈与第二层线圈之间跳线8在内侧，角度为90；
35.同理如果n＝6，则第一、二、三、四、五、六层线圈导体的爬线位置分别在60
°
、120
°
、180
°
、240
°
、300
°
、0
°
；
36.每相邻上下两层线圈导体的跳线位置(即上下层线圈的连接位置)需安排在爬线位置或不满匝形成的空隙处，且需均布于圆周。
37.如图1和图4每相邻上下两层线圈导体的跳线(即上下层线圈的连接)位置需安排在爬线或不满匝形成的空隙7处，且需均布于圆周。比如线圈正负极引出线1、2位置在0度，第一层线圈导体、第二层线圈导体之间的跳线位置8(内侧跳线)在90
°
(位于线圈圆环内侧)，第二层线圈导体、第三层线圈导体之间的跳线14在180
°
(位于线圈圆环外侧)，第三层线圈导体、第四层线圈导体之间的跳线在270
°
(位于线圈圆环内侧)。
38.上述4层线圈叠放组装时需用适形绝缘垫块17将各层不满匝形成的空隙7进行填充，然后包线圈主绝缘15,再放入模具浸胶或灌胶、固化。
39.本实施例中，n为4，第一层线圈导体3铜导线包上匝间绝缘后由内向外逆时针绕匝(第7匝只绕270
°
)，在每一匝结束时向外爬线；第二层线圈导体4铜导线包上匝间绝缘后由内向外顺时针绕匝(第1匝只绕270
°
)，在每一匝的处向外爬线，若第一层线圈爬线
9处在90
°
，则第二层线圈爬线13处在180
°
，第一、二层线圈的起头处即为此上下层的跳线处，也在90
°
附近，可用预成型的铜导线与之焊接；第三层线圈导体5与第一层线圈导体3绕制方法相同，但与前两层线圈叠放时需旋转180
°
，使其起头和爬线处在270
°
左右，结尾处即与第二层线圈导体4的层间跳线处在180
°
；第四层线圈导体6与第二层线圈导体4绕制方法相同，但与前三层线圈叠放时需旋转180
°
，使其起头处与第三层线圈5的层间跳线处在270
°
，爬线和结尾处在0
°
，结尾处与第一层线圈导体1的结尾处角度相同，分别为整个线圈的正负极，通过正负极引出线1、2与电源连接。
40.上述中空矩形铜导体的单边尺寸2-10cm，中空通道为线圈的冷却介质通道。
41.各层间的跳线可用预成型导线与线圈首端或尾端焊接，焊接方法可采用中频感应焊接。