CRAFT TF Dummy 线圈 VPI 模具设计与分析

环向场(Toroidal Field, TF) 线圈是聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT) 的重要组成部分, 由CICC(Cable in Conduit Conductor) 导体完成线圈绕制, 通过真空压力浸渍(Vacuum Pressure Impregnation, VPI)完成线圈绝缘处理. 在树脂浸渍线圈绝缘层, 随后进行较长时间的高温固化, 以完全固化整个绝缘层的树脂. 在浸渍和固化过程中,VPI 模具不仅承受线圈本身的载荷, 还要承受大气压力、 内部打压、 热变形等. 为了保证线圈绝缘质量, 采用 CATIA 软件对 VPI 模具进行3D 建模, 并对 VPI 模具进行了 Ansys Workbench 有限元软件分析与校核. 分析表明,VPI 模具的设计合理, 为工程设计提供了理论和实践依据.     

CRAFT TF中场线圈导体及内部接头电阻-温度特性研究

我国于2019年启动了国家大科学装置聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)的建设,环向场(Toroidal Field, TF)线圈是聚变堆主机关键系统综合研究设施的重要组成部分.TF线圈绝缘制造采用真空压力浸渍工艺实现,因TF线圈体量巨大,为使线圈绝缘固化时温度均匀,减少绝缘树脂固化热应力,拟采用导体电流加热的方式进行加热.TF中场线圈有三个内部接头,因此需要同时知道导体和内部接头电阻与温度之间的关系,以防内部接头局部过热,导致绝缘固化失败.本文将中场内部接头样件加热到线圈绝缘工艺温度,用直流四线法测量导体和内部接头在不同温度下的电阻,得到在303～443 K温度区间内导体和内部接头电阻-温度关系式.发现相同温度下,导体电阻大于内部接头电阻,同时分析了内部接头铜套以及铬层对电阻的影响.并根据测得的电阻-温度关系式,可以得到在不同温度下超导缆及内部接头产生焦耳热的能力,从而为超导线圈绝缘固化温度控制提供重要的参考依据.     

EMuS超导俘获线圈样机模型线圈的研制及测试

为了验证覆铝卢瑟福超导线缆的绕制工艺，在实验型μ子源(EMuS)超导俘获线圈样机正式生产前，须完成截面相同的300 mm短样模型线圈的研制和测试。本文介绍了EMuS超导俘获线圈样机模型线圈绕制生产线搭建、线圈绕制、线圈装配和VPI等工艺流程，并对VPI后的模型线圈进行了切割取样和测试，结果表明：模型线圈切片的线缆排列整齐、紧密，无气孔、干绝缘等缺陷；绝缘的电学性能和机械强度满足设计要求，模型线圈的绕制工艺满足EMuS超导俘获线圈样机制造的工程需求。     

基于PLC的绕组线圈真空干燥系统的设计

目前厂家对浸漆绕组线圈的干燥主要使用传统热风循环的方法,而且关于浸漆绕组线圈的干燥工艺研究尚不充分;针对传统绕组浸漆线圈干燥时间长,干燥所得线圈表面绝缘性能欠佳等问题,设计研发了一套自动化程度较高的绕组浸漆线圈真空干燥系统;该系统主要由真空单元、温度控制单元、电气控制单元、人机交互单元等部分组成;通过将浸漆线圈放置于真空环境中,对浸漆线圈进行通电的方式来加热干燥,以可编程逻辑控制器为核心,利用PLC的PWM输出功能控制加热,同时提出了浸漆线圈干燥的均匀设计实验方案,得出了最佳实验干燥工艺,最后通过对实验数据的回归分析得出了各实验指标之间的关系及显著性影响;实验结果表明:该系统不仅缩短了浸漆线圈的干燥时间,而且使浸漆线圈表面的绝缘性能有了明显的提高。     

高场铁基超导内插线圈制作工艺的研究

铁基高场内插线圈制作工艺及性能测试技术开发研究是进行铁基超导体设计的关键内容,其关系着制造的铁基超导体是否稳定可靠。在正式进行铁基线圈绕制前,开展了线圈绕制过程中相关力学分析以及全尺寸模型线圈的研制工作。本文对线圈绕制张力及线圈预紧力进行了计算并分析,同时详细地给出模型线圈的绕制、热处理、真空压力环氧浸渍(VPI)和装配等工艺方法与流程,解决绕制期间出现的问题。最终确定不锈钢带绕制张力取5 kg(49 N),铁基超导带材绕制张力取2 kg(19.6 N),线圈最大径向应力及最大轴向应力分别为23.5 MPa及78 MPa,均小于铁基带材热处理前抗拉强度200 MPa,模型线圈的绕制、热处理制度、VPI工艺及装配结果等均满足设计要求,验证了制作工艺的可行性。     

目标场法在悬浮超导球体的球形线圈设计中的应用

文中把目标场法引入到悬浮超导球体的球形线圈设计中,根据目标场法产生均匀磁场的原理,通过离散化绕组来近似处理球形线圈在超导球体和球形线圈的间隙内产生均匀磁场的电流密度分布规律。利用有限元分析和验证,在超导球体与球形线圈之间的间隙内产生了具有很好均匀性的悬浮磁场,这会明显提高超导球体悬浮的刚度和稳定性。     

HL-2M 装置环向场线圈的工程研制与调试

介绍了 HL-2M 装置环向场(TF)线圈的工程设计、关键制造工艺及其调试结果。目前，TF 线圈最大通电电流达到 42kA，对应 TF 线圈产生的磁场为 0.66T，满足 HL-2M 装置初始放电需求。      

CRAFT TF导体弯绕成形力学仿真与试验

聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)是为了探索与建设中国聚变工程试验堆(CFETR)关键技术和原型系统的大科学装置.环向场(Toroidal Field, TF)线圈是CRAFT系统的重要组成部分，旨在研制出用于CFETR环向场原型线圈.本文基于弹塑性力学理论，通过建立TF导体连续弯绕成形有限元分析模型，对TF导体弯曲成形过程进行力学仿真，获得了TF导体在成形过程中的应力、应变和成形力等力学参数，预测了TF线圈绕制过程导体截面变形、回弹、应力和应变情况，并采用TF导体开展了弯曲成形验证试验，为TF线圈的精密绕制和成形设备的工程设计提供了可靠的依据.     

HL-2M 环向场线圈预紧系统设计

针对 HL-2M 装置可拆卸的环向场(TF)线圈结构,在“D”形 TF 线圈外侧上、下两端分别采用水平的预紧机构对 TF 线圈实施预紧,使 TF 线圈在大电流承受较大电磁力的情况下,与 TF 线圈连接螺栓的预应力一起保证连接面不发生分离。由于同步性和一致性的要求,该系统采用液压同步顶升机构,并且采用压力传感器实时检测该预应力值,保证 TF 线圈在整个放电实验阶段的安全,为 HL-2M 装置整体的安全提供保障。     

HL-2M环向场线圈的结构设计

设计了HL-2M 环向场线圈基本形状、特殊的指形接头和斜面接头以及馈线、绝缘结构和水冷回路。每个环向场线圈由L 形中心段、上弧段和外弧段分别通过指形接头和斜面接头组装成完整的D 形线圈。分段可拆卸的D 形线圈结构可以使得真空室和单个极向场线圈分别整体吊装到环向场线圈内侧。单根引线和双回线的馈线结构既能节省装置空间,又能降低杂散磁场。TF 线圈匝间绝缘500V,对地绝缘30kV。采用软焊在线圈旁侧槽内的铜管对线圈进行水冷以带走线圈放电产生的焦耳热。     

大截面刚度CICC 导体螺旋放送系统的设计与校核

聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT) 是为了探索与建设中国聚变工程试验堆(CFETR) 关键技术和原型系统的大科学装置. 环向场(Toroidal Field, TF) 线圈是 CRAFT 系统的 重 要 组 成 部 分, 旨 在 制 造 出 用 于CFETR 的环向场原型线圈. 本文结合 CRAFT TF 线圈的结构特点和无张力绕制的工程需求, 针对大截面刚度CICC 导体恒速度、 恒高度螺旋放送的技术难点, 完成了导体放送系统的结构设计, 并采用 ANSYS 软件对关键承载部件进行静力学校核, 验证了导体放送系统结构设计的可靠性和材料选择的合理性. 同时, 对导体的螺旋放送过程进行简化, 建立了待放导体旋转与下降过程的力学模型, 获得了导体放送过程中克服转动惯量所需摩擦力的变化曲线, 为导体安装撑紧力的设置提供了依据.     

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设计了HL-2M环向场线圈基本形状、特殊的指形接头和斜面接头以及馈线、绝缘结构和水冷回路。每个环向场线圈由L形中心段、上弧段和外弧段分别通过指形接头和斜面接头组装成完整的D形线圈。分段可拆卸的D形线圈结构可以使得真空室和单个极向场线圈分别整体吊装到环向场线圈内侧。单根引线和双回线的馈线结构既能节省装置空间,又能降低杂散磁场。TF线圈匝间绝缘500V,对地绝缘30kV。采用软焊在线圈旁侧槽内的铜管对线圈进行水冷以带走线圈放电产生的焦耳热。     

低温推进剂贮存中SOFI和MLI实验研究

根据低温推进剂长时间在轨贮存的要求,设计并搭建了绝热系统地面验证测试装置,对绝热系统的热力学性能进行测试。针对55L贮箱,采用了泡沫绝热(spray on foam insulation,SOFI)和多层绝热(multilayer insulation,MLI)结合的复合绝热系统,分别在高真空(5×10^-3Pa以上)和大气压条件下进行了验证实验(液氮作为替代工质)。贮箱外绝热系统为15m m厚泡沫绝热层和45组多层绝热时,高真空条件下液氮日蒸发率为0.77%,多层绝热层表观热导率为1.29×10^-4W/(m·K),据此折算为液氧时日蒸发率为0.55%。将高真空和大气压条件下的实验结果比较发现,泡沫绝热层所占热阻分别为总热阻的0.19%和45.14%。     

5T有源屏蔽式超导磁体结构设计

介绍了为兰州Penning离子阱项目专门设计的5T有源屏蔽式超导磁体。 为达到物理设计要求的场均匀度, 超导磁体有3层共计6个线包组成。 同时为了确保线圈绕制的定位精度和在强磁场下的稳定性, 绕制骨架采用三筒体结构, 模拟计算表明线圈的绝缘和固定结构能够达到强磁场下的电气和机械性能要求。 对5T有源屏蔽式超导磁体结构设计材料选择以及线圈的绕制工艺进行了详细的论述。 A 5T actively shielded superconducting magnet was designed for Lanzhou Penning Trap project. In order to achieve homogeneity of physical requirements, superconducting magnet was made up of six coils, which were wound on framework of three layers. Meanwhile, three framework structure can ensure the precision of coil winding and the mechanical stability under intense magnetic field. The results of simulation show that the insulation and fixed structure of the coil can satisfy the electrical and mechanical requirements under intense magnetic field. At last, properties of the used materials and coil fabrication have been presented.     

HL-2M环向场线圈电磁场和受力的计算分析

在建的HL-2M装置的环向场线圈采用了比特板式结构,介绍了采用封闭多边形电流丝模型计算分析HL-2M装置环向场线圈电磁场和纹波情况;环向场线圈电流与环向场引起的电磁力以及与极向场产生的倾覆力也做了计算。计算结果对环向场线圈的设计具有一定的参考意义。