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自推进自参考载具磁体绕线方法及系统与流程

自推进自参考载具磁体绕线方法及系统1.本技术要求于2020年4月9日提交的题为“自推进自参考载具磁体绕线方法(self-propelledself-referencingvehiclemagnetwindingmethod)”的美国临时专利申请no.63/007,676的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

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：2.本发明总体上涉及电线圈(电磁体)的绕线，更具体地，涉及具有复杂形状的电线圈的绕线。具有复杂形状的电线圈可以在超导磁体能量存储系统、粒子加速器系统和磁聚变能量系统等中到。

背景技术

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：：3.电磁体通常是平面形状，并使用转盘技术缠绕。在该技术中，连续电导体材料(例如，诸如电线或电导体带)是从空间中的固定点(fixedpoint)提供，并通过旋转在转盘上的线筒(bobbin)缠绕到平面线筒(例如，线筒结构的一部分)上。4.旋转线筒包括绕线槽。电导体材料从静止点(stationarypoint)卷绕，并且当电导体材料沿着绕线路径卷绕时，随着线筒旋转，线槽连续接收在绕线槽中的各层电导体材料，从而形成线圈。5.然而，如果要缠绕的磁体的形状复杂(例如，三维、不均匀、不对称等)，那么这种技术可能不易于应用(或者有时无法应用)。6.布鲁克海文国家实验室开发的“直接缠绕”技术涉及将延展性导体应用到更复杂的转盘上，该转盘具有更多自由度(parker等人，bnldirectwindsuperconductingmagnets，第22届国际磁体技术会议，2011年9月9日-16日)。然而，直接缠绕技术可依赖于固定应用点和类似转盘的设置。因此，直接缠绕技术不能将导体(例如，电导体带)应用于任意复杂的表面，并且此类技术可能要求应用是“可定向的”(例如，也就是应用必须能够用二维坐标系表示，或在一个平面上)。此外，各向异性导体，例如高温超导(hts)带，可能不太适合直接缠绕技术，因为直接缠绕技术依赖于可延展的各向同性导体。7.因此，需要改进的方法，其将电导体材料缠绕到可能是更复杂结构的结构上(例如，在应用可能无法用二维坐标系表示的情况下)，尽管在其他实施例中，这里描述的技术也可用于缠绕简单结构。8.由于其固有的稳态运行和低再循环功率，在商业应用中仿星器相比托卡马克具有显著的概念优势。该技术的一个潜在应用是仿星器磁约束聚变能概念。早期的仿星器约束差，导致它们被忽视，直到准对称和准全性(quasi-omnigeneity)概念被证明是控制新古典能量损耗的有效手段。然而，实施这些概念需要复杂的高精度线圈构造，这些构造会，例如阻碍施工计划并导致长得无法接受的装配时间(例如，超过100小时)。9.因此，需要解决仿星器的核心挑战：复杂线圈的构造。解决这个困难可以提高仿星器的整体吸引力。还存在复杂磁体几何形状的其他应用。技术实现要素：10.本技术描述了一种用于缠绕电线圈(电磁体)的设备和方法。自推进自参考绕线载具使用绕线线筒上的特征来引导载具的方向和/或取向，同时在其横穿线筒时铺设电导体材料(例如，高温超导(hts)带)。载具可以缠绕具有复杂形状的电线圈。在一些实施例中，自推进自参考(spsr)载具可以执行其他磁体制造和组装程序。11.本技术描述了一种用于缠绕电导体材料的设备、系统和方法。所述设备、系统和方法的一个或多个实施例包括静止线筒和载具，所述静止线筒包括连续环状绕线槽，所述载具包括框架并且可移动地耦合(couple)到静止线筒，且在载具横穿所述线筒时，将连续电导体材料连续地分配到连续的环状(looped)绕线槽中，其中多个电导体材料的线圈被放置在绕线槽中。12.本技术描述了一种用于缠绕电导体材料的方法、设备、非暂时性计算机可读介质和系统。该方法、设备、非暂时性计算机可读介质和系统的一个或多个实施例包括载具横穿静止的线筒，其中线筒包括连续环状绕线槽，该绕线槽被构造成在载具横穿静止线筒时，从载具连续地接收电导体材料到环状绕线槽和分配电导体材料，其中多个电导体材料的线圈被放置在绕线槽中。13.本技术描述了一种用于缠绕电导体材料的方法、设备、非暂时性计算机可读介质和系统。该方法、设备、非暂时性计算机可读介质和系统的一个或多个实施例包括制造包括连续环状绕线槽的线筒，将固定底座上方线筒支撑在静止位置，制造绕线载具，并且将载具可移动地耦合到线筒，使得载具被构造成当载具沿着绕线槽横穿线筒时将电导体材料连续地分配到绕线槽中，其中载具包括框架并且被构造成连续地分配连续的电导体材料。附图说明14.图1根据本公开的方面示出用于缠绕电导体材料的线筒结构的一部分的示例。15.图2根据本公开的方面示出绕线电导体材料力图的示例。16.图3根据本公开的方面示出电磁线圈的示例。17.图4至图7根据本公开的方面示出磁体绕线系统的示例。18.图8根据本公开的方面示出集成磁体组件的示例。19.图9根据本公开的方面示出缠绕电导体材料过程的示例。20.图10根据本公开的方面示出制造用于缠绕电导体材料的系统的过程的示例。21.本领域技术人员将理解，图中的元件是为了简单和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。此外，在商业上可行的实施例中有用或必要的常见且易于理解的元件通常没有描绘，以便有助于减少对本发明不同实施例观察的阻碍。具体实施方式22.以下描述不应被理解为限制意义，而仅仅是为了描述示例性实施例的一般原理的目的。本发明的范围应参照权利要求来确定。23.在整个说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意味着结合实施例描述的特定特征部件、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书出现的短语“一个实施例中”、“实施例中”和类似语言可以但不必都指相同的实施例。24.此外，本发明的所描述的特征部件、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。在下面的描述中，提供了许多具体的细节，例如编程示例、软件模块、用户选择、网络事务、数据库查询、数据库结构、硬件模块、硬件电路、硬件芯片等，以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，本领域的技术人员将认识到，本发明可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者用其他方法、元件、材料等来实施。在其他情况下，众所周知的结构、材料或操作未详细示出或描述以避免模糊本发明的方面。25.本技术中描述了一种用于制造非平面线圈的方法，例如，使用高温超导体(hts)。本文所述的实施例可以显着改善与利用非平面线圈(例如仿星器)的聚变概念相关联的成本和进度。此外，本文描述的实施例可以用作实现高场磁体非聚变应用的技术。本文所述的技术可以提供更简单(例如，复杂度较低、耗时较少等)和更具成本效益的方式来将电导体材料铺设在复杂的线圈几何形状上。26.例如，用于非平面线圈的一些技术涉及通过操纵整个线筒来旋转绕线电缆，同时从固定位置缓慢地提供电导体材料。在复杂的非平面线圈的情况下，可以实现多筒绕线盘(table)，这对于要以压缩方式绕线的导体可能无效。此外，某些几何形状使用绕线盘可能有困难(或不可能)，因为由此产生的线筒运动可能会导致线盘和线筒发生碰撞。27.本文所述的技术对线筒几何形状的敏感度较低(例如，并且可取决于绕线载具相对于线筒的尺寸)。与绕线盘相比，绕线载具可能较小。结果，本文描述的实施例允许更高的设计自由度，这对于例如考虑到在复杂线圈制造中使用hts导体(例如用于仿星器磁聚变能量概念)而言尤其重要。hts导体可以采用薄带(例如，电导体带)的形式，其易于垂直于带表面弯曲，但在带表面平面上是不耐应变的。28.在一些示例中，hts材料可用于聚变能应用(例如，托卡马克)。使用hts带快速、简单和有效地缠绕仿星器线圈几何形状是有利的。根据本文所述的实施例，线圈几何形状的复杂性可以通过具有绕线槽和一体式引导件(guide)(例如，轨道或跑道)的线筒克服，该一体式引导件允许在铺设电导体材料时自推进和自参考载具横穿线圈轨迹。29.本文所述的技术可应用于由hts带状电导体材料制成的复杂非平面线圈，其具有应变限制，但不应将本描述理解为局限于此类构造。30.本文描述的技术可以允许人们通过以下方式将非绝缘hts(ni-hts)磁体扩展到复杂的非平面几何形状：1)部署绕线角度优化技术并使用3d打印来以优化的角度创建具有连续跑道的线筒(例如，绕线跑道)，2)部署自推进自参考(spsr)绕线载具(例如，在某些情况下，可称为车子)，从而将裸露的hts带以双-饼形形式缠绕线筒上，以及3)使用传导冷却解决集成磁体的低温要求。31.本文描述的新颖的、通用的、可扩展和可并行化的实施例提供了简化和随之而来的成本降低(例如，对于受益于非平面线圈的聚变概念，示例应用包括仿星器)。本文所述的实施例能够实现设备简化，从而降低系统成本。除了简化和成本降低之外，使用hts导体还允许获得比传统超导体更高的磁场，从而为增加诸如仿星器概念中可实现的磁场开辟了一条技术上可行的途径。32.在一个实施例中，该方法将针对在20k下以500千安匝(kat)线圈电流运行的中孔(约50cm)hts仿星器线圈的制造和演示作为其中心目标，估计在线圈面达到约7.5特斯拉(t)和筒上达到约1t。这些方法可扩展到更高的场和更大的孔。33.本描述提供了一种使用ni-hts方法制造非平面线圈的简化方法。绕线角度优化、载具和集成组件的创新为制造能够在20t和20k(foasec.i.d.1.iv)下运行的大孔、高场非平面磁体提供了独特且可扩展的途径，具有制造中可并行化的额外好处。例如，仿星器的建造经验可能会将几何形状和精度要求确定为最终导致致命的成本超支的关键成本驱动因素。参见r.strykowsky等人，事后成本和进度分析–从ncsx吸取的教训，pppl报告4742(2012)(postmortemcostandscheduleanalysis-lessonslearnedonncsx,ppplreport4742(2012))，https://www.osti.gov/servlets/purl/1074357，通过引用并入本文。3d打印线筒(定义几何形状和精度)与载具方法(实现绕线)的组合对这两个成本驱动因素都有影响。34.图1根据本公开的方面示出用于缠绕电导体材料115的线筒结构的示例。所示示例包括线筒结构100的一部分、绕线槽105、绕线路径110和电导体材料115。35.所示线筒结构100的一部分包括绕线槽105。槽接收绕线槽105中的电导体材料115的连续层，从而形成线圈。36.图2根据本公开的方面示出绕线电导体材料210力图的示例。所示示例包括线筒结构200的一部分、绕线槽205和电导体材料210。线筒结构200的一部分是参考图1描述的相应元件的示例或包括其方面。绕线槽205是参考图1描述的相应元件的示例或包括其方面。电导体材料210是参考图1、图6和图8描述的相应元件的示例或包括其方面。37.本说明书描述了绕线角度优化，在某些情况下，该优化可适用于非平面ni-hts磁体。这项工作在c.paz-soldan,non-planarcoilwindingangleoptimizationforcompatibilitywithnon-insulatedhigh-temperaturesuperconductingmagnets,journalofplasmaphysics(2021)，http://arxiv.org/abs/2003.02154中有详细描述，通过引用并入本文。由于ni-hts磁体中的电流密度高，电流路径可以是丝状的，并且绕线角度是可以利用的不受约束的自由度。hts性能可能会因磁带内不需要的应变以及垂直磁场而降低。绕线角度优化实质上最大化了hts带在电流容量对抗这些限制方面的性能。图2显示了与磁场和曲率相比的绕线角度自由度。38.图3根据本公开的方面示出电磁线圈300的示例。在一个实施例中，线圈300包括局部曲率半径305。39.图3示出了一个示例，其中计算了在示例非平面线圈300中产生的最终优化绕线角和应变。为了清楚起见，相同的非平面线圈300被示为以三个不同的方向定向。应变由线圈300的图形值表示(即线圈300上的光值表示较大的应变)。图中示出指示局部曲率半径305的方向和程度的箭头。光值箭头表示该位置的最佳应变。峰值应变出现在非平面线圈300的弯曲之间，弯曲和扭转(torsion)都被预测。40.如图2和图3所示，绕线角度(θwind)优化减轻了由于错误方向弯曲电导体材料和电导体材料扭曲(扭转)引起的应变以及垂直场的影响引起的电导体材料降级(例如，hts带降级)。41.图4根据本公开的方面示出磁体绕线系统的示例。所示示例包括线筒400和载具405。线筒400是参考图5-7描述的相应元件的示例或包括其方面。载具405是参考图5-7描述的相应元件的示例或包括其方面。42.本描述提供了一种使用ni-hts方法制造非平面线圈的简化方法。绕线角度优化、载具405和集成组件的创新制造能够在20t和20k(foasec.i.d.1.iv)下运行的大孔、高场非平面磁体提供了独特且可扩展的途径，具有制造中可并行化的额外好处。例如，仿星器的建造经验可能会将几何形状和精度要求确定为最终导致致命的成本超支的关键成本驱动因素。3d打印线筒400(定义几何形状和精度)与载具405方法的结合(实现绕线)对这两个成本驱动因素都有影响。43.图4中，示出了包括自推进自绕(spsr)绕线载具405(车子)的示例性磁体绕线系统。所示为绕线载具405(例如，spsr绕线载具405)和线筒400。spsr载具405是一种使用车载驱动马达横穿线筒400、并在横穿时铺设电导体材料(例如，电导体带)。载具405的自参考(即，载具405相对线筒400自动定向，以便电导体材料铺设在线筒400的绕线槽内)可以通过内置引导轨道(引导跑道)提供。在一些示例中，轨道/跑道可以在通过增材(3d)打印制造线筒400时在线筒400上形成，或者可以在打印之后加工到线筒400上。44.载具405包括至少一个自参考构件，该自参考构件被构造成与线筒400结合(engage)以便载具405在缠绕过程中是自参考的(例如，如本文进一步描述的，比如参考图5-7)。在一些实施例中，自参考构件是耦合到载具405的轮子，使得每个轮子沿着跑道或轨道行驶(ride)，结果保持载具405相对于跑道/轨道的适当定向。在一些实施例中，使用了多个跑道/轨道。在其他实施例中，线筒400具有单个跑道/轨道。在其他实施例中，线筒400可以具有两个、三个、四个或多于四个的跑道/轨道。尽管可以示出了轮子，但是可以使用任何合适的自参考构件，其允许载具405沿跑道推进，同时保持载具405相对于一个绕线槽(或多个绕线槽)的特定定向。多个自参考构件可以行驶在每个跑道/轨道上。该设备和方法可用于将电导体材料(例如，hts带)铺设到复杂的线筒400形状上(即，形成非平面线圈)，但也可以将任何延展性导体材料铺设到任何线筒400形状上。45.根据一些实施例，线筒400包括连续环状的绕线槽。在一些示例中，线筒400包括铜、钢、铝或它们的任何混合物。在一些示例中，线筒400通过增材制造形成。在一些示例中，线筒400包括至少部分通过增材制造形成的形状。在一些示例中，线筒400包括至少部分通过机械加工形成的形状。46.根据一些实施例，载具405包括框架并且可移动地耦合到静止线筒400，载具405被构造成横穿线筒400，并且在横穿线筒400时，连续地将连续电导体材料分配到连续环状绕线槽中，其中电导体材料的多个线圈放置在绕线槽中。在一些示例中，系统被构造成在载具405横穿线筒400时相对于连续环状绕线槽自动定向载具405。在一些示例中，自动定向载具405的构造包括线筒400中的连续跑道和至少一个与连续跑道结合的载具自参考构件405。47.在一些示例中，载具405还包括与线筒400结合的至少一个铰接(articulating)结构，以促进载具405的自参考。在一些示例中，载具405被构造成沿着槽自推进。在一些示例中，自推进包括载具405使用耦合到框架的驱动马达来旋转载具405的一组轮子，其中驱动马达的操作使载具405沿着绕线槽滚动。在一些示例中，载具405被构造成存储未分配的电导体材料并分配电导体材料。在一些示例中，电导体存储在可旋转地耦合到载具405的旋转线轴(rotatingspool)上并由旋转线轴分配。在一些示例中，载具405被构造成在分配电导体材料之前从载具外(off-vehicle)位置接收电导体材料。在一些示例中，载具405被构造成通过沿着绕线槽手动推进来横穿线筒400。48.在一些示例中，系统的最终组装包括使用电焊材料。在一些示例中，电导体材料是高温超导带材或高温超导线材。在一些示例中，电导体材料是低温超导线材。在一些示例中，电导体材料是包括一组不同电导体材料的组件。在一些示例中，不同的电导体材料中的一种是电绝缘材料。在一些示例中，绕线槽是双饼形绕线槽。49.根据一些实施例，载具405通过载具405横穿静止线筒400，其中线筒400包括构造成接收电导体材料的连续环状绕线槽。在一些示例中，当载具405横穿静止线筒400时，载具405将电导体材料从载具405连续地分配到环状绕线槽中，其中一组电导体材料的线圈被放置在绕线槽中。50.在一些示例中，载具405通过载具405与线筒400接合，以在载具405横穿静止线筒400时相对于环状绕线槽自动定向载具405。在一些示例中，载具405与线筒400结合包括线筒400中的连续跑道和与连续跑道接合的载具405的自参考构件。在一些示例中，载具405包括与线筒400接合的至少一个铰接结构，以促进载具405的自参考。在一些示例中，载具405由于电磁导体材料被放置在槽中而与该组线圈形成电磁线圈。在一些示例中，横穿线筒400的载具405包括沿着线筒400自推进的载具405。在一些示例中，载具405的自推进包括载具405的驱动马达操作载具405的一组轮子，其中驱动马达的操作使载具405沿着槽滚动。51.在一些示例中，载具405被构造成存储未分配的电导体材料。在一些示例中，未分配的电导体材料存储在可移动地耦合到载具405的旋转线轴上。在一些示例中，电导体材料是在分配之前从载具外位置405接收的。在一些示例中，载具405横穿线筒400包括沿线筒400手动推进载具405。在一些示例中，电导体材料是高温超导带材或高温超导线材。在一些示例中，电导体材料是低温超导线材。在一些示例中，电导体材料是包括一组不同电导体材料的组件。在一些示例中，不同的电导体材料中的一种是电绝缘材料。在一些示例中，绕线槽是双饼形绕线槽。52.图5根据本公开的方面示出磁体绕线系统的示例。所示示例包括载具500和线筒560。53.在图5中，示出了磁体绕线系统的实施例。示出了框架505、多个霍尔效应传感器515、线轴510、电导体材料、电导体材料引导件520、驱动马达525、马达控制器530、马达驱动器535、多个铰接支腿、槽引导件550、固定轮子555、驱动轮子545、线筒560、双饼形绕线槽570和线筒560、跑道565。如图5的实施例中，利用3d打印的线筒560，载具500(车子)使用车载驱动马达525和电子设备(例如马达控制器530和马达驱动器535)沿预定跑道565横穿线筒560。随着载具500横穿线筒560，载具500逐渐将电导体材料(在该示例中为hts带)解绕(unspool)到双饼形绕线槽570的一个槽上，逐渐缠绕双饼形线圈的一半。连续张力由线轴510上的霍尔效应传感器提供，这在使用车载电子设备控制的反馈回路中直接致动驱动马达525扭矩。54.在一个实施例中，载具500包括电池并且是电池操作的，使得能够畅通无阻地横穿整个连续线筒560槽。在至少一些实施例中，3d打印线筒560的复杂性完全转移到非平面线圈，因为载具500局部工作，无需注意到线圈复杂性。使用电焊材料的焊接接头用于延长电导体材料的长度，从而实现进入非常高的场所需的数百匝(绕线)。请注意，大量匝数会产生非常高的电感磁体，这种特性与直流(dc)或准直流概念(如仿星器)兼容。虽然示出了双饼形绕线槽，但是应当理解，在其他实施例中，线筒560具有单个绕线槽。55.载具500是参考图4、6和7描述的相应元件的示例或包括其方面。在一个实施例中，载具500包括框架505、线轴510、霍尔效应传感器515、电导体材料引导件520、马达525、马达控制器530、马达驱动器535、铰接结构540、驱动轮子545、槽引导件550和固定轮子555。56.框架505是参考4、6和7描述的相应元素的示例或包括其方面。线轴510是参考图6和7描述的相应元件的示例或包括其方面。电导体材料引导件520是参考图6和7描述的相应元件的示例或包括其方面。铰接结构540是参考图6和7描述的相应元件的示例或包括其方面。驱动轮子545是参考图6和7描述的相应元件的示例或包括其方面。固定轮子555是参考图6和7描述的相应元件的示例或包括其方面。57.线筒560是参考参考图4、6和7描述的相应元件的示例或包括其方面。在一个实施例中，线筒560包括跑道565和双饼形绕线槽570。跑道565是参考图6和7描述的相应元件的示例或包括其方面。双饼形绕线槽570是参考图6和7描述的相应元件的示例或包括其方面。58.图6根据本公开的方面示出磁体绕线系统的示例。所示示例包括载具600和线筒640。59.在图6中，示出了磁体绕线系统的实施例。示出了绕线载具600、线筒640、多个跑道645、双饼形绕线槽650、框架605、多个铰接支腿、多个轮子、线轴610、电导体材料引导件620和电导体材料615。与图5的实施例一样，在图6的实施例中，电导体材料615卷绕在通过销钉可旋转地耦合到框架605的线轴610上。随着载具600沿线筒640移动，电导体材料615自动铺设在槽中。多个轮子行驶在跑道645上，导致载具600相对于绕线槽自参考。在该实施例中，框架605包括耦合到轮子的铰接支腿。每个铰接支腿可绕通常垂直于槽方向的支腿轴旋转。在图6的实施例中，绕线载具600可以用手推进，但可以理解，可以引入马达元件来推进载具600。60.载具600是参考图4、5和7描述的相应元件的示例或包括其方面。在一个实施例中，载具600包括框架605、线轴610、电导体材料615、电导体材料引导件620、铰接结构625、驱动轮子630和固定轮子635。61.框架605是参考图5和7描述的相应元素的示例或包括其方面。线轴610是参考图5和7描述的相应元件的示例或包括其方面。电导体材料615是参考图1、2和8描述的相应元件的示例或包括其方面。电导体材料引导件620是参考图5和7描述的相应元件的示例或包括其方面。铰接结构625是参考图5和7描述的相应元件的示例或包括其方面。驱动轮子630是参考图5和7描述的相应元件的示例或包括其方面。固定轮子635是参考图5和7描述的相应元件的示例或包括其方面。62.线筒640是参考图4、5和7描述的相应元件的示例或包括其方面。在一个实施例中，线筒640包括跑道645和双饼形绕线槽650。跑道645是参考图5和7描述的相应元件的示例或包括其方面。双饼形绕线槽650是参考图5和7描述的相应元件的示例或包括其方面。63.图7根据本公开的方面示出磁体绕线系统的示例。所示示例包括载具700、线筒740、固定底座(base)765和线筒支架(support)770。64.在图7中，示出了磁体绕线系统的第三实施例。示出了绕线载具700、线筒740、多个上跑道750、下跑道755、绕线槽、多个固定轮子730(例如下轮)、框架705、线轴710、电导体材料引导件715、下延伸部(extension)735和多个铰接支腿(例如铰接结构720)。在图7的实施例中，铰接支腿可在与绕线方向成角度的轴线上枢转。框架705的下延伸部735向下延伸超过线筒740的侧面。两个轮子依次可旋转地耦合到下延伸部735。每个轮子与下跑道755接合并在下跑道755中行驶。这在载具700横穿线筒740时增加了载具的稳定性。静止线筒740通过从线筒740延伸到底座下面的线筒支架770支撑在固定底座765上。线筒支架770隔开并附接(attach)到线筒740，使得线筒支架770将线筒740支撑在正确位置，同时允许载具700通过支撑位置而不干扰绕线操作。65.参考图4-7，用于非平面线圈的一些线圈缠绕技术涉及通过操纵整个线筒740来旋转绕线电缆，同时从固定位置缓慢地供应电导体材料。在复杂的非平面线圈的情形中，可能需要多轴绕线盘，这对于要以压缩方式缠绕的电导体材料可能无效。此外，一些几何形状难以(或不可能)使用绕线盘，因为所需的线筒740运动可导致绕线盘和线筒740碰撞。例如，电导体材料从线筒740的外径向内径扭转并再次绕到外径的应用不能从空间中的固定点无碰撞地缠绕。66.所提出的spsr绕线方法对线筒740的几何形状的敏感度低。与绕线盘相比，载具700通常较小，尽管线筒740和载具700的相对尺寸可以基于具体实施的细节改变。结果，所提出的系统和方法允许更大的设计自由度。spsr载具700的一种应用是使用高温超导体(hts)。这种介质是各向异性的(表现为带形因子)，并且在其弯曲时受到应变限制。hts电导体材料可允许更高的磁场和/或更高的温度操作，相对许多系统(例如超导磁能存储、粒子加速器和磁聚变能量系统(例如仿星器))具有优势。hts导体可以采用薄带的形式，薄带易于垂直于带表面弯曲，但在带的表面平面上是不耐应变的。利用同行评审文献中公布的优化技术，对于给定的非平面线圈几何形状，这种应变可以通过使用内置于线筒740连续跑道745(例如，绕线跑道745)中的复杂绕线角度来减轻。67.spsr载具700技术可用于通过使用预定义的复杂线筒740跑道745几何形状以任何缠绕角度输送电导体材料(例如，hts带)。增材制造可用于制造复杂线筒740，但也可使用其他技术。该系统的实施例可以包括由车载驱动系统推进的spsr载具700(尽管可以通过电力电缆从外部提供电力)并且没有外部参考，spsr载具700的方向由跑道745或与线筒740一体的轨道特征。本文所述的载具700可以使用车载驱动系统来横穿线筒740，在其横穿时铺设电导体材料。spsr载具700的自参考由在线筒740上形成的内置导轨或跑道745提供。在一个实施例中，线筒740跑道745/轨道可以通过增材制造形成，或在另一实施例中，通过复杂加工形成。68.载具700/线筒740系统和方法可用于将电导体材料(例如，hts带)铺设到复杂的线筒740形状上，但同样的方法原则上也可以将任何延展性导体铺设到任何线筒740形状上。在一个实施例中，spsr载具700可包含铰接结构720(例如，铰接支腿)以辅助横穿线筒740，促进参考跑道745/轨道。这些铰接构件允许在电导体材料插入绕线槽的点处具有固定的参考点，同时允许载具700更高的整体稳定性和更大的力/扭矩反作用。69.载具700是参考图4-6描述的相应元件的示例或包括其方面。在一个实施例中，载具700包括框架705、线轴710、电导体材料引导件715、铰接结构720、驱动轮子725(例如，上轮)、固定轮子730(例如，下轮)和下延伸部735。70.框架705是参考图5和6图描述的相应元件的示例或包括其方面。线轴710是参考图5和6描述的相应元件的示例或包括其方面。电导体材料引导件715是参考图5和6描述的相应元件的示例或包括其方面。铰接结构720是参考图5和6描述的相应元件的示例或包括其方面。驱动轮子725是参考图5和6描述的相应元件的示例或包括其方面。固定轮子730是参考图5和6描述的相应元件的示例或包括其方面。71.线筒740是参考图4-6描述的相应元件的示例或包括其方面。在一个实施例中，线筒740包括跑道745和绕线槽760。跑道745是参考图5和图6描述的相应元件的示例或包括其方面。在一个实施例中，跑道745包括上跑道750和下跑道755。在一些示例中，绕线槽760是参考图5和图6描述的相应元件的示例或包括其方面。72.图8根据本公开的方面示出集成磁体组件的示例。在一个实施例中，真空容器800包括辐射屏罩805、夹具810、热通路815、结构构件820、结构配合件(matingpiece)825、带状饼形件830、适形层835和电导体材料840。电导体材料840是参考图1、2和6描述的相应元件的示例，或包括其方面。73.在图8中，示出了集成磁体组件。缠绕的非平面线圈可以集成到完整的磁体组件中，包括低温装置。图8示出了用于集成完整磁体组件的设计的一个实施例。示例性设计可以包括无冷冻剂磁体，其中铜热路径815集成到3d打印的线筒100中以便传导冷却。线筒100是3d打印在具有机械支架的钢材中，并利用结构杆(例如，将任何洛伦兹力反作用于真空容器800)。原始线筒配合件还支撑主hts双饼形件抵抗内部洛伦兹力。hts电流引线(lead)每匝都可具有低电流。所描述的绕线角度优化和自推进且自参考绕线载具，以及线筒的先进增材制造和传导冷却的低温解决方案的创新，为在高场运行的非平面磁体提供了简化和成本降低。在一个实施例中，根据本文的描述制造了在20k温度下能够产生500kat线圈电流，且具有约50cm的暖孔(warmbore)的ni-hts非平面磁体。74.图9示出了根据本公开的方面的用于缠绕电导体材料的过程的示例。在一些示例中，这些操作由包括处理器的系统执行，处理器执行一组代码以控制设备的功能元件。额外地或替代地，使用专用硬件执行某些过程。通常，这些操作是根据本公开的方面描述的方法和过程来执行的。在某些情形中，这里描述的操作由各种子步骤组成，或者与其他操作结合执行。75.在操作900，载具与线筒接合以在载具横穿静止的线筒时相对于环状绕线槽自动定向载具。在一些情形中，该步骤的操作是指参考图4-7所描述的载具，或者可以由载具来执行。76.在操作905，载具横穿静止线筒，其中线筒包括被构造成接收电导体材料的连续环状绕线槽。在一些情形中，该步骤的操作是指参考图4-7所描述的载具，或者可以由载具来执行。77.在操作910，当载具横穿静止线筒时，载具将电导体材料连续地分配到环状绕线槽中，其中一组电导体材料的线圈被放置在绕线槽中。在一些情形中，该步骤的操作是指参考图4-7所描述的载具，或者可以由载具来执行。78.图10根据本公开的方面示出用于制造用于缠绕电导体材料的系统的过程示例。在一些示例中，这些操作由包括处理器的系统执行，该处理器执行一组代码以控制装置的功能元件。额外地或替代地，使用专用硬件执行某些过程。通常，这些操作是根据本公开的方面描述的方法和过程来执行的。在某些情形中，此处描述的操作由各种子步骤组成，或者与其他操作结合执行。79.在操作1000，系统制造包括连续环状绕线槽的线筒。80.在操作1005，系统将线筒支撑在固定底座上方处于静止位置。81.在操作1010，系统制造绕线载具，其中载具包括框架并且被构造成连续分配连续的电导体材料。82.在操作1015，系统将载具可移动地耦合到线筒，使得载具被构造成在其沿着绕线槽横穿线筒时将电导体材料连续地分配到绕线槽中。83.因此，本公开包括以下实施例。84.本技术描述了一种用于缠绕电导体材料的设备。该设备的一个或多个实施例包括静止线筒和载具，静止线筒包括连续环状绕线槽，载具包括框架并且可移动地耦合到静止线筒，载具被构造成横穿线筒，并且在横穿线筒时连续地将连续的电导体材料分配到连续环状绕线槽中，其中将多个电导体材料的线圈放置在绕线槽中。85.一种用于缠绕电导体材料的系统，该系统包括：包括连续环状绕线槽的静止线筒和包括框架并且可移动地耦合到静止线筒的载具，该载具被构造成横穿线筒，并且在横穿线筒时，连续地将连续的电导体材料分配到连续环状绕线槽中，其中将多个电导体材料的线圈放置在绕线槽中。86.本技术描述了一种制造用于缠绕电导体材料的设备的方法。该方法包括制造包括连续环状绕线槽的静止线筒和包括框架并且可移动地耦合到静止线筒的载具，载具被构造成横穿线筒，并且在横穿线筒时连续地将连续的电导体材料分配到连续环状的绕线槽中，其中多个电导体材料的线圈放置在绕线槽中。87.本技术描述了一种使用用于缠绕电导体材料的设备的方法。该方法包括静止线筒和载具，该静止线筒包括连续环状绕线槽，载具包括框架并且可移动地耦合到静止线筒，载具被构造成横穿线筒，并且在横穿线筒时连续地将连续电导体材料分配到连续环状的绕线槽中，其中多个电导体材料的线圈放置在绕线槽中。88.在一些示例中，该系统被构造成在载具横穿线筒时相对于连续环状绕线槽自动定向载具。在一些示例中，自动定向载具的构造包括线筒中的连续跑道和与连续轨道接合的载具的至少一个自参考构件。在一些示例中，载具还包括至少一个与线筒接合的铰接结构，以促进载具的自参考。89.在一些示例中，载具被构造成沿着槽自推进。在一些示例中，自推进包括载具使用耦合到框架的驱动马达来旋转载具的多个轮子，其中驱动马达的操作使载具沿着绕线槽滚动。在一些示例中，载具被构造成存储未分配的电导体材料并分配电导体材料。在一些示例中，电导体存储在可旋转地耦合到载具的旋转线轴上并由旋转线轴分配。90.在一些示例中，载具被构造成在分配电导体材料之前从载具外位置接收电导体材料。在一些示例中，载具被构造成通过沿着绕线槽被手动推进而横穿线筒。在一些示例中，线筒包括铜、钢、铝或它们的任何混合物。在一些示例中，线筒由增材制造形成。在一些示例中，线筒包括至少部分通过增材制造形成的形状。在一些示例中，线筒包括至少部分通过机械加工形成的形状。91.在一些示例中，系统的最终组装包括使用电焊材料。在一些示例中，电导体材料是高温超导带材或高温超导线材。在一些示例中，电导体材料是低温超导线材。在一些示例中，电导体材料是包括多种不同电导体材料的组件。在一些示例中，不同的电导体材料中的一种是电绝缘材料。在一些示例中，绕线槽是双饼形绕线槽。92.本技术描述了一种用于缠绕电导体材料的方法。该方法的一个或多个实施例包括由载具横穿静止线筒，其中线筒包括连续环状绕线槽，该连续环状绕线槽被构造成在载具横穿静止的线筒时，接收电导体材料并且将电导体材料从载具连续分配到环状绕线槽中，其中多个电导体材料的线圈被放置在绕线槽中。93.本技术描述了一种用于缠绕电导体材料的设备。该设备包括处理器、与处理器进行电子通信的存储器、以及存储在存储器中的指令。指令可操作以使处理器执行载具横穿静止线筒的步骤，其中线筒包括连续环状绕线槽，该绕线槽被构造成接收电导体材料，并在载具横穿静止线筒时将电导体材料连续地从载具分配到环状绕线槽中，其中多个电导体材料的线圈放置在绕线槽中。94.上述方法、设备、非暂时性计算机可读介质和系统的一些示例还包括通过载具与线筒接合，以在载具横穿静止线筒时相对于环状绕线槽自动定向载具。在一些示例中，与线筒接合的载具包括线筒中的连续跑道和与连续跑道接合的载具的自参考构件。在一些示例中，载具包括与线筒接合的至少一个铰接结构，以促进载具的自参考。95.上述方法、设备、非暂时性计算机可读介质和系统的一些示例还包括由于放置在槽中的电磁导体材料而形成具有多个线圈的电磁线圈。在一些示例中，横穿线筒的载具包括沿着线筒自推进的载具。在一些示例中，载具的自推进包括操作载具的多个轮子的载具的驱动马达，其中驱动马达的操作使载具沿着槽滚动。在一些示例中，载具被构造成存储未分配的电导体材料。在一些示例中，载具被构造成存储未分配的电导体材料。96.在一些示例中，未分配的电导体材料存储在可移动地耦合到载具的旋转线轴上。在一些示例中，电导体材料是在分配之前从载具外位置接收的。在一些示例中，载具横穿线筒包括沿着线筒手动推进载具。在一些示例中，电导体材料是高温超导带材或高温超导线材。在一些示例中，电导体材料是低温超导线材。在一些示例中，电导体材料是包括多种不同电导体材料的组件。在一些示例中，不同的电导体材料中的一种是电绝缘材料。在一些示例中，绕线槽是双饼形绕线槽。97.本技术描述了一种用于制造用于缠绕电导体材料的系统的方法。该方法的一个或多个实施例包括制造包括连续环状绕线槽的线筒、将线筒支撑在固定底座上方处于静止位置、制造绕线载具，其中载具包括框架并且被构造成连续分配连续电导体材料，以及将载具可移动地耦合到线筒，使得载具被构造成在其沿着绕线槽横穿线筒时将电导体材料连续地分配到绕线槽中。98.虽然这里已经通过具体实施例、示例和及其应用描述了本发明，但是本领域技术人员可以对其进行许多修改和改变而不背离权利要求限定的本发明的范围。当前第1页12当前第1页12

技术特征：

1.一种用于缠绕电导体材料的系统，包括：静止线筒，其包括连续环状绕线槽；载具，其包括框架并可移动地耦合到所述静止线筒，且被构造成：横穿所述线筒；以及在横穿所述线筒时，将连续的电导体材料连续地分配到所述连续环状绕线槽中，从而将多个所述电导体材料的线圈放置在所述绕线槽中。2.根据权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，所述系统还被构造成在所述载具横穿所述线筒时相对于所述连续环状绕线槽自动地定向所述载具。3.如权利要求2所述的用于缠绕电导体材料的系统，其中自动定向所述载具的所述构造包括所述线筒中的连续跑道和与所述连续跑道接合的所述载具的至少一个自参考构件。4.如权利要求2所述的用于缠绕电导体材料的系统，所述载具还包括至少一个与所述线筒接合的铰接结构，以促进所述载具的自参考。5.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，所述载具进一步被构造成沿所述槽自推进。6.如权利要求5所述的用于缠绕电导体材料的系统，用于自推进的所述构造包括所述载具，所述载具包括驱动马达，所述驱动马达耦合到所述框架，并被构造成旋转所述载具的多个轮子，由此所述驱动马达的操作使所述载具沿所述绕线槽滚动。7.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，所述载具还被构造成存储未分配的电导体材料并分配所述电导体材料。8.如权利要求7所述的用于缠绕电导体材料的系统，其中所述电导体材料存储在可旋转地耦合到所述载具的旋转线轴上并由所述旋转线轴分配。9.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，所述载具还被构造成在分配所述电导体材料之前从载具外位置接收所述电导体材料。10.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，其中所述载具被构造成通过沿着所述绕线槽被手动推进来横穿所述线筒。11.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，其中所述线筒还包括铜、钢、铝或它们的任何混合物。12.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，其中所述线筒的形状至少部分通过增材制造和机械加工之一形成。13.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，其中电焊材料用于所述系统的最终组装中。14.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，其中所述电导体材料是高温超导带材料或高温超导线材料。15.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，其中所述电导体材料是低温超导线材料。16.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，其中所述电导体材料是包括多种不同电导体材料的组件。17.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，其中所述不同的电导体材料中的一种是电绝缘材料。
18.如权利要求1所述的用于缠绕电导体材料的系统，其中所述绕线槽是双饼形绕线槽。19.一种用于缠绕电导体材料的方法，包括：载具横穿静止的线筒，其中所述线筒包括被构造成接收所述电导体材料的连续环状绕组槽；以及当所述载具横穿所述静止线筒时，将所述电导体材料从所述载具连续分配到所述环状绕线槽中，由此将所述电导体材料的多个线圈放置在所述绕线槽中。20.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，进一步包括以下步骤：当所述载具横穿所述静止线筒时，所述载具与所述线筒接合以相对于所述环状绕线槽自动定向所述载具。21.如权利要求20所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中与所述线筒接合的所述载具包括所述线筒中的连续跑道和与所述连续跑道接合的所述载具的自参考构件。22.如权利要求20所述的用于缠绕电导体材料的方法，所述载具还包括至少一个与所述线筒接合的铰接结构，以促进所述载具的自参考。23.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，还包括以下步骤：通过将所述电磁导体材料放置在所述槽中而形成具有所述多个线圈的电磁线圈。24.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中横穿所述线筒的所述载具包括沿着所述线筒自推进的所述载具。25.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中所述载具的自推进包括所述载具的驱动马达操作所述载具的多个轮子，由此所述驱动马达的操作使所述载具沿着所述槽滚动。26.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中所述载具被构造成存储未分配的电导体材料。27.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中所述未分配的电导体材料存储在可移动地耦合到所述载具的旋转线轴上。28.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中在分配之前，从所述载具外位置接收所述电导体材料。29.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中所述载具横穿所述线筒包括沿着所述线筒手动地推进所述载具。30.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中所述电导体材料为高温超导带材料或高温超导线材料。31.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中所述电导体材料是低温超导线材料。32.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中所述电导体材料是包括多种不同电导体材料的组件。33.如权利要求32所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中所述不同电导体材料中的一种是电绝缘材料。34.如权利要求19所述的用于缠绕电导体材料的方法，其中所述绕线槽为双饼形绕线槽。
35.一种制造用于缠绕电导体材料的系统的方法，包括：制造包括连续环状绕线槽的线筒；将所述线筒支撑在固定底座上方处于静止位置；制造绕线载具，其中所述载具包括框架并且被构造成连续分配连续的电导体材料；将所述载具可移动地耦合到所述线筒，使得所述载具被构造成当所述载具沿着所述绕线槽横穿所述线筒时将所述电导体材料连续地分配到所述绕线槽中。

技术总结

本申请描述了一种用于缠绕电线圈(电磁体)的设备和方法。自推进自参考绕线载具使用绕线线筒上的特征来引导载具的方向和/或定向，同时在载具横穿线筒时铺设电导体材料(例如，高温超导(HTS)带)。载具可以缠绕具有复杂形状的电线圈。在一些实施例中，自推进自参考(SPSR)载具可以执行其他磁体制造和组装程序。(SPSR)载具可以执行其他磁体制造和组装程序。(SPSR)载具可以执行其他磁体制造和组装程序。