EAST超导纵场磁体结构及总体要求课件.ppt

1、EASTEAST超导纵场磁体结构及总体要求超导纵场磁体结构及总体要求 超导纵场磁体结构设计的基本流程超导纵场磁体结构设计的基本流程 物理要求 超导纵场磁体的概念设计 磁体结构的理论计算 磁体结构的工艺预研（包括：电磁、力学、传 超导纵场磁体 （包括：焊接成形、钎焊、热、故障态、动态性能、的结构设计 线圈绕制、绝缘与VPI、机械稳定性等分析计算）盒体封焊、机加工等等）进行设计更改 超导纵场磁体 的结构制造 经检验 超导纵场磁体结构的合格成品 超导纵场磁体结构设计的内容超导纵场磁体结构设计的内容 超导纵场磁体结构设计 纵场磁体的绕组结构设计 纵场磁体的支撑结构设计 绕 绕 绕 绕 绕 绕 返 线

2、线 线 线 线 线 组 组 组 组 组 组 馈 圈 圈 圈 圈 圈支 圈座 的 的 的 的 的 的 匝 盒 盒 盒 盒 盒撑 盒结 导 绝 冷 出 绝 超 结 的 的 的 的 的板 的构 体 缘 却 线 缘 导 构 本 楔 冷 汇 极结 重设 结 结 回 头 子 接 设 体 块 却 流 向构 力计 构 构 路 设 设 头 计 结 结 回 排 场设 支 设 设 设 计 计 设 构 构 路 结 线计 撑 计 计 计 计 设 设 设 构 圈 底 计 计 计 设 计 超导纵场磁体结构设计的物理要求超导纵场磁体结构设计的物理要求 EAST装置将用来有效地开展稳态、安全、高效的托卡马克核聚变反应堆基础物理

3、问题的实验研究。作为装置中最重要部件之一的超导纵场磁体结构系统的作用是产生稳态的主约束磁场。超导纵场磁体结构设计的物理要求为：该磁体系统在它的大半径为1.70米处产生3.5特斯拉的环向场以保证大电流下的等离子（IP=1.0MA）处于安全运行区域，其总安匝数为30MAT。同时也为了更有利于开展大截面等离子体物理实验，要求超导纵场磁体系统在装置中心平面R为1300毫米至2100毫米范围内产生的纵场波纹度小于1%，同时要求在R为2500毫米处的波纹度小于5%，这样有利于减少快粒子的波纹损失。超导纵场磁体结构概念设计主要内容超导纵场磁体结构概念设计主要内容1.超导纵场磁体系统由十六个“D”型超导线圈沿

4、环向均布排列组成的；2.纵场线圈采用由五段圆弧和一直线段组成的近似“D”形主要是用来满足等离子体非圆拉长截面和降低纵场线圈内部弯矩的需要；3.纵场线圈的直线段高度主要由等离子的三角形变、拉长比、偏滤器结构及装置的真空室等因素决定；4.纵场线圈的绕组采用CICC导体，并式连续绕制结构，其绝缘结构为玻璃布绕包经真空压力浸渍；5.纵场磁体系统的支撑方式为筋板加强式箱式结构：以纵场线圈盒直线段处相互挤紧的方式形成内拱来承受纵场磁体系统的强大向心力；以线圈盒外侧圆弧段之间的上下环向楔状结构中的键销结构来抵抗由倾覆力矩带来的剪切力；6.极向场系统（含中心螺管部分）的支撑基础放在纵场线圈盒上。超导纵场磁体结

5、构的磁场分布超导纵场磁体结构的磁场分布 纵场磁体系统中每个D型线圈将通以14.4077KA电流时，在R=1.7 m处环向中心场强为3.5T，其最高磁场强度为5.85 T，位置出现在R=1.12m Z=0.85m 处。在等离子体的边缘R=1.3m和R=2.5m处，其波纹度分别为2.03%和4.55%，而在等离子体的中心处的波纹度为0.05%。超导纵场磁体系统的主要电磁参数超导纵场磁体系统的主要电磁参数纵场磁体的中心场强（R=1.7m）(特斯拉)3.5 （4.0）纵场磁体的最高场强（R=1.12m,Z=0.85m）(特斯拉)5.85（6.72）纵场磁体的正常运行电流（千安培）14.3077 （16

6、.3511）整个纵场磁体系统的电感（亨利）2.91525整个纵场磁体系统的储能（兆焦耳）298.39 （389.71）纵场线圈所受的向心电动力（吨）989.366 （1293.196）一半线圈所受的垂直赤道面的电动力（吨）701.375 （916.767）线圈所受的最大倾覆力矩（t=13.64s）（吨米）288.366（332.0498）波纹度（R=1.3m,Z=0.0m）（）2.0266波纹度（R=1.7m,Z=0.0m）（）0.0499波纹度（R=2.1m,Z=0.0m）（）0.3728波纹度（R=2.5m,Z=0.0m）（）4.5458 超导纵场磁体结构设计超导纵场磁体结构设计 根据超导

7、纵场磁体结构的各种理论分析与相关工艺预研，纵场磁体结构中的绕组采用CICC导体，导体的尺寸为20.4mm20.4mm，整个绕组的截面设计为130匝阶梯形，采用连续绕制的并式结构，其截面尺寸为254.7mm 287.4mm（含厚度为8mm对地绝缘层），同时绕组中还放入失超探测线以及各种用于各种诊断和测量目的的测量元件及导线等。纵场磁体中的绝缘结构可分为层间绝缘、匝间绝缘和对地绝缘。匝间绝缘是由4层半迭包和1 层平包玻璃布绕包至1mm厚经环氧胶固化而形成；匝间绝缘在此基础上加1mm厚度的环氧玻璃板并与环氧胶固化构成的；而对地绝缘层即为68mm的玻璃布。经环氧真空压力浸渍（VPI）模压固化成为整体结

8、构。纵场磁体结构中的线圈盒的垂直高度为3.634米而径向宽度为2.6092米以及环向宽度为0.3474米，其线圈盒是采用低温下高强度的不锈钢316LN板材焊接而成，板材的厚度是不相等的，其中直线段外环侧板的壁厚为63.3mm，线圈盒的两边侧板的厚度为30mm，内环板的厚度为25mm。为了加强线圈盒的冷却，在线圈盒的外表面上开凿了14条冷却槽，并钎焊上截面尺寸为22mm 8mm 的316LN冷却扁管。超导纵场磁体结构设计超导纵场磁体结构设计 超导纵场磁体结构设计的技术要求超导纵场磁体结构设计的技术要求一、磁体结构方式：1.本磁体仅为超导纵场系统的1/16；2.本磁体主要由线圈绕组、线圈盒、极向场

9、的支撑结构和各相关附件等组成；3.纵场线圈盒是辊轧钢板弯曲或剪裁成毛坯再组合焊接成初步形状，经机械加工后达到要求的形状和尺寸。4.绕组是由CICC导体连续绕制成D形并式绕组，每个绕组径向11匝，轴向12匝，但是，每个绕组两外侧并径向10匝，各少一最外匝，每个绕组共有130匝。二.磁体采用主要材料：1.盒体所用材料为超低碳奥氏体低温不锈钢316LN；2.极向场的支撑结构以及相关附属结构材料均与盒体所用材料相同；3.绕组中超导导体系用NbTi线和无氧铜线绞成的电缆；穿管压成20.420.4方导体；4.超导导体铠甲系用316LN无缝钢管制成；5.绝缘材料系采用无碱无硼玻璃丝带、玻璃毡和浇注环氧胶固化

10、。超导纵场磁体结构设计的技术要求超导纵场磁体结构设计的技术要求三.磁体主要加工程序：1.首先把经检验合格的316LN板材剪裁、开槽、成形、组焊成盒体和盖板坯件；2.在槽内埋设并低温钎焊冷却管；3.在盒体上组焊各支撑件和附件；4.在加工过程中适时进行各种检验，特别是焊缝必须精心施焊，严格检验并随时消除残余热应力，尽量减少变形，为加工合格的坯件提供保证；5.对坯件精加工，如D形槽、楔形面、支撑座、止口、键槽等配合面和装配孔的加工精度必须满足装配要求，但此时两楔形面和键槽各仍需留有一定加工余量，以备封焊后作最后一次精加工；6.在加工线圈盒的同时绕制线圈绕组并进行一次环氧浇注；7.把已一次固化后的线圈

11、绕组进行适当处理后装入线圈盒中，盖上盖板并进行封焊，封焊既是强度焊也为密封焊，同时必须保证槽形盒内侧表面温度不超过300；8.在线圈盒中进行二次环氧浇注；9.对楔形面、重力支撑面、直线段外环面（D面）键槽再进行最后一次精加工，在作必须的各项处理后送总装平台进入总装。四.磁体工作参数：1.额定工作电流14.4KA；2.大环1.7m处额定磁场强度3.5T；3.工作温度4.5K；4.冷却介质：超临界氦；5.励磁电压20V。超导纵场磁体结构设计的技术要求超导纵场磁体结构设计的技术要求五.磁体试验和检验：1.磁体必须经低温通电励磁试验合格后方可送交装配；2.磁体试验励磁电流14.4KA；3.磁体绕组绝缘

12、耐压检测：(具体操作规范另附）（1）匝间绝缘耐压，灌胶前每匝15V,交流，持续1分钟；（2）端电压，灌胶前2000V，交流，持续1分钟；（3）对地电压 5000V，直流，持续5分钟；4.管路耐压和检漏：（1）超导导体绕制前应经过耐压检测、和漏率检测；（2）制作输氦短管时应在线进行耐压检测、和漏率检测，耐压5MPa、持续10分钟；漏率小于1.3310-10Pa.m3/s；（3）磁体最终须进行耐压检测、和漏率检测，耐压5MPa、持续10分钟；漏率小于1.3310-10Pa.m3/s。超导纵场磁体结构设计的技术要求超导纵场磁体结构设计的技术要求六.需要说明的几个问题：1.接头箱部位分布着众多氦管路、

13、绝缘子和超导接头以及多个紧固结构，空间狭小，需现场制作。然后再固化各相关零部件，特别是电引出接头根部务须小心处理；2.由于VPI改成两次固化，绕组对地绝缘理论尺寸分配为：第一次VPI绕包5mm,第二次VPI时在单边各留有1.9mm的间隙中紧密填充玻璃毡后浇注环氧并固化；3.关于基准：由赤道面、子午面和大环中心线及D形中心线作为加工基准线并精确控制11.25度楔形角和精确加工楔形面，在加工中，中心线基准线转换成D形长轴（上下两对称中心线连线）为基准线并在加工件上划三条基准线，为方便测量和安装，增加测量和安装基准，即在机加工时转换线圈盒直线段外侧边和重力支撑座底板为辅助基准，供安装使用,如图中基准

14、F和D。在加工中直线段如因变形加工不能达到要求的尺寸精度可镶嵌一定位块并加工达到要求的尺寸精度,另外可根据总装要求在特定位置设置参考座标点,在赤道面、子午面和垂直窗口某些部位划十字线并打洋冲眼以供总装安装定位用。4.线圈盒非加工外表面在坯件加工时已经机械抛光，经精加工和VPI后如光洁度不够，应补抛光。5.线圈盒两侧楔形面（图示M和N面)应以子午面（图中C面）相互对称，对称度0.1mm。超导纵场磁体中绕组结构设计超导纵场磁体中绕组结构设计 超导纵场磁体中绕组结构设计的技术要求超导纵场磁体中绕组结构设计的技术要求一、一、绕组结构形式：绕组结构形式：1、绕组是由CICC导体连续绕制成D形形状；2、绕

15、组类型：并式绕组；3、绝缘结构：边绕边包匝间绝缘，两单并之间垫并间绝缘最终绕包对地绝缘；4、绕制时有四根测量线全程随绕，测量圆芯线直径为1.1 mm，固定挡边带两端，放置在圆角处，随导体绕制。5、绕组在过渡段导体上开5个输氦孔并焊接短接管。二、二、绕组材料绕组材料1、CICC导体规格为20.420.4(mm2)，长度600m,2 根；2、玻璃丝带200.1(mm2)；3、探测线直径为1.1mm,四根圆芯线各长约610m;4、挡边带：两根20.40.1(mm2)（挡边约直径1.3mm）长度各600m；5、并间绝缘垫玻璃布和玻璃毡；6、清洗材料：如丙酮、无水乙醇、脱脂棉及吹砂材料等；7、STUB的

16、材料为直径101 的316LN不锈钢管，若干；8、绝缘子6只。超导纵场磁体中绕组结构设计的技术要求超导纵场磁体中绕组结构设计的技术要求三、三、绕组绕制绕组绕制1、绕组绕制前应作以下准备：1）厂房应清洁、干燥；2）导体的形状应符合要求，并有检验合格证；3）绕制前导体应进行吹砂、清洗；4）导体应是合格的导体，应带有合格书，长度600m，并附带有必要的性能数据，特别是主要的超导性能数据。5）检查各类绝缘材料；6）检查探测线，并清洗表面；7）检查并调整好绕制工夹模具，并清洗干净；8）调整好绕线机到正常工作状态；9）检查并准备好焊接短管的零件和材料；10）检查并准备制作好超导接头的零件和材料；11）准备

17、好绝缘子。2、绕制：1）连续绕制并式绕组，从外向内起绕，并留有1.52m的引出头；2）起绕位置要按图严格控制在既定方位，以便和线圈盒接头箱协调一致,导体弯曲半径和转接部位可自行调整；3）绕制时，边绕边包匝间绝缘。首先按两层半迭包一层平包绕包玻璃布带，然后再在内外环面上各铺垫一层挡边带；接着再包两层半迭包。超导纵场磁体中绕组结构设计的技术要求超导纵场磁体中绕组结构设计的技术要求4）再把两根测量线圆线放置在导体圆角上，随线绕制，测量线引出线预留长度另定；测量线和挡边带之间相互位置如图示。5）并间过渡按图示在过渡段由S弯转接；6）按图纸要求在图示位置在导体上打孔并焊接短管；7）对短管处绝缘应作特别处

18、理；8）装好绝缘补块，垫好并间绝缘厚度1mm，走S弯，再绕第二并，由内向外绕制；9）绕制时应注意每并线圈的两侧两个单并外层各少一匝，从中间并或外侧并起绕可自行决定，但是要注意两个半绕组之间绕制方向的协调；10）两只半绕组完成后，组合成一并线圈，用绝缘材料补平绕组表面，包对地绝缘，单边厚度5mm；11）制作并间超导接头和输氦接管；12）焊接绝缘子（注：绝缘子可以在和线圈盒组装后再焊）；13）绕组尺寸控制：a.绕组每匝和理论位置公差控制在 0.1mm；b.绕组绕包主绝缘后和理论位置公差不超过1mm。14）绕组绕制完成后应在平台上在赤道面（即上下对称处）和绕组中心线上划装配基准线。15）绕制时每匝都

19、应检查外形和绝缘状况，并作详细记录。超导纵场磁体中绕组结构设计的技术要求超导纵场磁体中绕组结构设计的技术要求四、检测与验收1、绕组形位公差尺寸验收（按图纸要求）；2、绕组耐压实验和漏率检测：打压5MPa，持续10分钟，漏率1.3310-10Pam3/s；3、耐压检测：1）匝间绝缘耐压：每匝15V；2）并间绝缘耐压：并间500V；3）端电压1950V，维持1分钟；4、检验合格后，签署合格证，并附有绕制记录卡；5、检验合格后应即时提交装配，如暂时不能装配，表面应作保护性包装，以避免污染和变形，包装材料可用涤纶绵丝带或某种高强度绝缘纸；6、绕组在组装前必须进行对地耐压检测，耐压幅值5000V,直流，持时5分钟；7、绕组在组装后必须再进行对地耐压检测，耐压幅值5000V,直流，持时5分钟；8、绕组在VPI后必须再进行对地耐压检测，耐压幅值5000V,成功后再升至10000V，均为直流，持时5分钟，但若5000V时发现异常应立即停止，待定。9、绕组作VPI后和盒体形成整体，其机械和电气性能要求如下：电气强度：1）对地耐压不小于10000V；2）层间绝缘耐压2000V；3）匝间绝缘耐压500V。机械强度：1）层间绝缘抗剪强度200MPa；2）对地绝缘抗剪强度200MPa；3）绝缘层的抗压强度600MPa；4）绝缘层的抗拉强度400MPa。谢谢 谢！谢！