电磁线圈的制作方法

1.本发明的实施例涉及核工业设备技术领域，具体涉及一种电磁线圈。


背景技术：

2.电磁线圈常用于液态金属反应堆的回路冷却剂输运设备的电磁能量转换，是该流体输运设备(例如，液态金属电磁泵)的核心部件之一。应用于反应堆冷却剂运输设备中的电磁线圈，其使用环境往往为高温高辐射的复杂环境，对电磁线圈的可靠性有着较高的要求。
3.然而，目前使用的电磁线圈往往通过定子齿隙的狭小空间进行定位，而不对电磁线缠绕形成的线圈进行固定，无法保证工作过程中电磁线的稳定缠绕而不松散。


技术实现要素：

4.根据本发明的一个方面，提供了一种电磁线圈。所述电磁线圈包括：支架；线圈，缠绕于所述支架上，所述线圈由电磁线以所述支架为支撑沿径向从内向外螺旋缠绕而成，所述支架用于限定所述线圈的内径；固定部，包裹于所述线圈的径向外侧，所述固定部的内径与所述线圈的外径相匹配，用于固定所述线圈。
附图说明
5.通过下文中参照附图对本发明的实施例所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
6.图1是根据本发明一个实施例的电磁线圈的结构示意图。
7.图2是图1中电磁线圈的另一视角的结构示意图。
8.图3是根据本发明一个实施例的固定部的结构示意图。
9.图4是根据本发明一个实施例的电磁线的结构示意图。
10.图5是图4中电磁线的另一视角的结构示意图。
11.需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
12.附图标记说明：
13.10、支架；
14.20、线圈；21、第一层线圈；22、第二层线圈；23、接线端；
15.30、固定部；31、固定件；32、紧固件；33、出线孔；
16.40、绝缘板；
17.50、电磁线；51、导体、52、镀层；53、绝缘层；54、保护层。
具体实施方式
18.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例的附图，
对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本技术的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
19.需要说明的是，除非另外定义，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“a和/或b”为例，包括a方案，或b方案，或a和b同时满足的方案。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
20.图1示出了根据本发明一个实施例的电磁线圈的结构示意图。图2是图1中电磁线圈的另一视角的结构示意图。
21.参见图1和图2，本发明实施例中的电磁线圈包括支架10、线圈20和固定部30。其中，线圈20缠绕于支架10上，线圈20由电磁线50以支架10为支撑沿径向从内到外螺旋缠绕而成，支架10可以限定线圈20的内径。固定部30包裹于线圈20的径向外侧，固定部30的内径与线圈20的外径相匹配，用于固定线圈20。
22.本发明的实施例通过在线圈20的最外圈安装固定部30，从而在线圈缠绕于支架10上后，对螺旋状的线圈20的外缘进行约束，防止螺旋缠绕的线圈20松散，起到固定线圈20的作用。本实施例通过固定部30对线圈进行稳定精密的固定，可以在电磁线圈安装于定子中后，精确地定位线圈的位置，在设备运行过程中，在受到外源振动和内源振动时也能够保证线圈的稳定，防止其因振动或弹性而松散。
23.在本实施例中，支架10为筒状，线圈20缠绕于支架10的外侧，且支架10能够对缠绕在支架10上的线圈20的内径进行限定。同时，筒状的支架10还可以在电磁线圈安装于定子中时进行限位。
24.进一步地，支架10由陶瓷材料制成，陶瓷材料相比于金属材料，不会影响线圈的电磁特性，具有较高的电绝缘性。可选的，支架10由氮化铝或α型氧化铝陶瓷制成。本实施例中支架由抗辐照的陶瓷制成，具有良好的耐高温以及抗热冲击性能，电绝缘强度高，使得电磁线圈在复杂的高温和高辐射环境中也能够长期稳定使用。此外，由陶瓷材料制成的支架10尺寸稳定，可靠性较高，且较易成型。优选的，支架10由α型氧化铝陶瓷制成，其具有较低的成本。
25.在一些实施例中，电磁线50按照设定层数和匝数以支架10为支撑沿径向由内向外螺旋缠绕在支架10外，形成线圈20。其中，层数和匝数可以根据实际需要进行设定。
26.可选的，本实施例中线圈20为沿所述线圈20轴向分布的双层结构，第一层线圈21由一组电磁线50沿径向从内向外按第一方向螺旋缠绕而成，第二层线圈22由另一组电磁线50沿径向从内向外按与所述第一方向相反的第二方向螺旋缠绕而成。其中，第一方向可以为顺时针方向，第二方向为逆时针方向。如图2所示，第一层线圈21和第二层线圈22的轴线相同，第一层线圈21和第二层线圈22在轴向上并排设置。即，线圈20在轴向上为双层结构。
27.进一步地，上述采用双层结构的线圈20中，两组电磁线50位于线圈20径向内侧的端部相连。此外，所述线圈20的位于径向外侧的两个引出端作为所述电磁线圈的两个接线端23，用于连接电源。
28.在相关技术中，采用单层结构的线圈时，其中一个接线端位于线圈的最内侧，其向外引出时不易操作，且容易导致线圈的磨损。本实施例中采用双层结构的线圈20，其两个接线端23均在线圈20的外侧，方便接线，且线圈20不易损坏。
29.本实施例中的电磁线50的截面可以为矩形或圆形。当电磁线50为扁线时，即电磁线50的截面为矩形时，线圈20的层数可以限定为双层。当电磁线50为圆线时，即电磁线50的截面为圆形时，线圈20的层数可以不进行限定。
30.需要说明的是，矩形截面的电磁线50相比于截面为圆形的电磁线，具有较高的满槽率。其中，满槽率是指单位空间内线圈中导体的占比率。在电磁线圈安装到定子的齿隙中时，定子中电磁线圈的安装空间是一定的，使得线圈20在支架10外安装的空间也是一定的。当采用矩形截面的电磁线50时，线圈20的层数限定为双层，可以使线圈20的两个接线端位于线圈20的外侧。同时，由于矩形截面的电磁线具有较高的满槽率，使线圈20在一定的安装空间中具有较高占比的导体，从而使用体积较小的线圈20就可以提高线圈20产生的磁场强度，以满足电磁装置的驱动力或流体运输设备(例如，液态金属电磁泵)的功率要求，有利于电磁线圈的小型化以及流体运输设备的小型化。
31.当采用圆形截面的电磁线50时，相邻的各层或各匝之间电磁线50是相切的，电磁线50周围的其他空间被浪费，从而使线圈20在缠绕时会浪费较多的空间，从而使线圈20在一定的安装空间中导体的占比较低，导致满槽率较低。为了使得使用圆形截面的电磁线50时，能够满足电磁装置的驱动力或流体运输设备(例如，液态金属电磁泵)的功率要求，可以不对线圈20的层数进行限制，从而最大程度地提高电磁装置的驱动力以及设备的功率。
32.在一些实施例中，固定部30为环状，包裹于线圈20的径向外侧，从而约束螺旋状的线圈20的外缘，防止线圈20松散。进一步地，如图1所示，固定部30上设置有多个出线孔33，出线孔33用于线圈20的接线端23的穿出，从而在固定部30安装于线圈20的径向外侧时，便于线圈20径向外侧的两个接线端23出线。可选的，多个出线孔33在所述环状的固定部30上沿周向均匀分布，从而在安装固定部30时无需严格调整固定部30的角度，固定部30以任何角度安装于线圈20外侧时，均存在出线孔33与线圈20的两个接线端23的位置对应。
33.图3示出了根据本发明一个实施例的固定部的结构示意图。参见图3，在一些实施例中，固定部30包括固定件31和紧固件32。其中，固定件31为具有开口的环状，固定件31套设于线圈20的径向外侧。固定部30的内径与线圈20的外径相匹配，在环状的固定件31上设置开口，可以便于将固定件31套设在线圈20的径向外侧，避免固定件31与线圈20发生摩擦。紧固件32设置于固定件31的开口处，以紧固所述固定件31的开口，使固定件31通过紧固件32紧密包裹于线圈20外缘，防止固定件31从线圈20上脱落。示例地，所述固定部30为卡箍。
34.可选的，紧固件32与固定件31由同种材料制成，紧固件32可以通过焊接贴合至固定件31的开口处，从而使固定件31能够紧密包裹于线圈20外缘，防止固定件31从线圈20上脱落。
35.在本实施例中，固定部30可以由陶瓷纤维制成，从而使固定部30可以应用在高温高辐射的环境中。
36.固定部30还可以由金属制成，金属制成的固定部体积较小巧，力学特性好，形状稳定性好，且开口处容易固定，便于安装。其中，当固定部由金属材料制成时，所选择的材料可以为无磁金属，从而避免固定部30影响电磁线圈的电磁性能。
37.进一步地，由金属制成的固定部30表面还设置有固定部绝缘层，使线圈20和固定部30之间绝缘。示例地，固定部绝缘层可以为氧化铝陶瓷绝缘层，其可以在高温和高辐射环境下提供良好的绝缘性能。
38.此外，金属制成的固定部30和线圈20之间可以设置绝缘部，以进一步增强线圈20与固定部30之间的绝缘效果，防止固定部30上的固定部绝缘层在较高的工作温度下被击穿。示例地，绝缘部可以为陶瓷纤维编织网，陶瓷纤维编织网可以缠绕在固定部30上，从而实现对固定部30更有效的绝缘效果。
39.相关技术中，大多采用浸漆强化处理，使线圈的电磁线之间黏结成一个整体以实现固定线圈的目的，然而有机浸漆无法适用于300℃以上的高温环境，其会产生焦化甚至碳化，反而破坏线圈的绝缘和力学性能。本发明的实施例通过固定部30对线圈20进行固定，不采用浸漆强化处理，使电磁线圈可以应用到高温环境中。
40.参见图1和图2，在本实施例中，所述电磁线圈还包括绝缘板40。绝缘板40呈环状，绝缘板40的内径与支架10的外径相匹配，绝缘板40可以套设于支架10的径向外侧，且贴合于线圈20轴向的两侧，以对线圈20进行绝缘和保护，增加线圈20的各匝之间的绝缘效果以及线圈20与外部结构的绝缘效果。其中，环状的绝缘板40的内径与支架10的外径相匹配，从而使绝缘板40可以套设在支架10外，支架10可以对绝缘板40起到径向定位的作用。同时，两个绝缘板40分别与线圈20以及固定部30的两侧贴合，从而对绝缘板40进行轴向定位，防止绝缘板40位移。
41.需要说明的是，本发明实施例中的电磁线圈可以安装到定子的齿隙中，定子齿隙中电磁线圈的安装空间较小，在电磁线圈的安装过程中，可以将绝缘板40自动挤压至与线圈20贴合，即使受到振动也绝缘板40也不会从支架10上脱落，此时绝缘板40无需使用额外的部件进行固定。此外，在电磁线圈嵌入到定子的安装过程中，绝缘板40还可以对线圈20的两侧进行保护，防止线圈20被定子中的其他结构(例如，具有尖端的定子齿部)划伤。
42.进一步地，绝缘板40可以为陶瓷纤维板或者云母板。
43.其中，云母板内部设置有多层陶瓷纤维网，陶瓷纤维网可以增加云母板的韧性，在一定程度上减小云母板的脆性，从而使云母板不易损坏，且可以在一定程度上进行弯折，从而可以衰减电磁线圈工作时的内源型振动和外源型振动。
44.陶瓷纤维板具有更加优异的力学特性和绝缘性能，陶瓷纤维板由于具有大量纤维结构，减小了绝缘板40的脆性，提高绝缘板40的韧性和弹性，使得绝缘板40在一定程度上能够弯折，不容易损坏，从而使绝缘板40不仅可以对线圈20进行绝缘，还可以有效衰减电磁线圈工作时的内源型振动和外源型振动，增加线圈20的使用寿命。
45.电磁线圈工作时，电磁作用力会产生内源性机械振动，这种振动振幅较小，频率通常较高，十分考验电磁线圈耐久性。此外，电磁线圈还要应对来自外部的振动、冲击、加速度等力学环境。本发明实施例中电磁线圈的绝缘板40可以有效抵抗内源性以及外源性振动。
46.此外，绝缘板40无论采用何种材料制成，在绝缘板的成型过程中均需使用有机类胶，绝缘板40可以在高温除胶和/或除碳后安装于所述电磁线圈中，以避免其中的有机类胶
影响电磁线圈的耐高温和抗辐射性能。具体地，可以将绝缘板40置于高温环境下使其中的有机类胶在高温下挥发、碳化并氧化去除。同时，还可以采用除碳工艺，对绝缘板40中残留的碳进行高温氧化去除。在一些实施例中，电磁线圈中的其他结构如果存在有机类胶或者碳，也可以在高温除胶和/或除碳后再使用和安装。
47.图4示出了根据本发明一个实施例的电磁线50的结构示意图。如图5所示，在一些实施例中，电磁线50包括导体51、绝缘层53和保护层54。导体51用于承载工作电流，绝缘层53包覆于导体51的外表面，以使电磁线50缠绕形成的线圈20的各匝之间以及各层之间绝缘。保护层54包覆于绝缘层53的外表面，用于保护绝缘层53，对绝缘层起到机械保护的作用。
48.可选的，导体51由铜合金或者银合金制成，铜合金和银合金具有良好的高温力学性能，可在较高温度的环境下长期工作。进一步地，导体51可以为弥散强化铜合金或银钯合金，两者的高温力学性能较好。其中，导体51的截面尺寸可以依据导体51所要通过的电流来确定，可以根据实际需要来确定导体51的截面尺寸。
49.进一步地，导体51的表面还设置有镀层52，绝缘层53包裹于镀层52上。具体地，导体51的表面可以通过物理或者化学方法形成镀层52，镀层52可以在一定程度上减缓导体51中铜离子或银离子向绝缘层53扩散，延长电磁线50的使用寿命。同时，镀层52还可以增加电磁线50的导体51抗环境的能力(例如，抗氧化能力)。在一些实施例中，镀层52的材料为金属镍，镍镀层可以明显改善导体51抗环境的能力(例如，抗氧化能力)，同时，镍镀层还可以降低导体51中金属原子向绝缘层53内扩散的速率，从而达到延长导体51使用寿命的效果。
50.在本实施例中，绝缘层53由云母制成，对电磁线50起到主要的绝缘作用。具体地，绝缘层53可以由云母带在导体51外表面沿导体51的长度方向螺旋缠绕而成。可选的，所述云母带在绕包于导体51时具有一定的重叠率，即，如图5所示，云母带螺旋缠绕时缠绕的下一圈压在上一圈云母带的一部分上，各圈之间具有一定的重叠度。
51.进一步地，所述云母带由无氟低粘接剂金云母制成，其在高温环境下具有较好的绝缘性能，且具有优良的耐高温性能和耐燃烧性能，可以应用在反应堆冷却剂运输设备这类较高温度及较强辐照的环境条件下。此外，云母带不与导体51接触的一侧还可以设置陶瓷纤维网，用于保护脆性较大的云母以防止云母带损坏。
52.在本实施例中，保护层54可以由陶瓷纤维在所述绝缘层外编织而成。具体地，可以将陶瓷纤维以适当的捻度成股后，利用编织机编织在导体51的绝缘层53外，形成致密且具有一定弹性的保护套，不仅可以进一步提高线圈20的绝缘能力，还能够有效地保护线圈20的导体51，防止云母制成的绝缘层在高温或受到振动时损坏脱落，有效地抵抗电磁线圈工作时的内源性振动以及外源性振动，对绝缘层53起到机械保护的作用，增加线圈20的寿命。
53.本发明实施例中的电磁线50的各组成部分均由耐高温材料制成，使得电磁线50具有较高的耐温性能。并且，电磁线50使用云母和陶瓷纤维作为绝缘和保护材料，使得电磁线50具有较强的抗辐照性能。目前，相关技术中线圈通常使用有机物作为绝缘介质，其所能够承受的高温最高可以达到240℃或更高一些，但在γ射线累积剂量超过一定量后，其耐电压能力通常会呈较明显的下降趋势，较高频率的工作脉冲会也使有机绝缘层腐蚀从而导致性能降低直至失效，无法在300℃以上的高温环境以及较强中子及γ射线的辐照环境下长期稳定工作。相比于有机物作为绝缘介质的线圈，本发明实施例中的电磁线50使用云母和陶
瓷纤维作为绝缘和保护介质，具有更高的耐热及耐辐照老化能力，能够长期工作于500℃的高温环境中，且在较强的辐照环境条件下，仍然可保持良好的绝缘性能，能够应用于核工业、航天工业等有耐高温及耐辐照要求的电气设备。
54.此外，本发明实施例中的电磁线圈中所使用的所有材料，均可以在较高温度以及较强辐照环境下长期工作。并且，电磁线圈没有使用任何铁磁或软磁性金属，以防止影响电磁线圈的电磁性能。本发明实施例中的电磁线圈可以在500℃惰性气体氛围中以及对地电压为100v/ac的条件下长期稳定工作3年以上，并可以同时耐受γ射线的不低于3.7
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108gy的累积辐照剂量。
55.本发明实施例中的电磁线圈可以长期工作于500℃，在较强辐照环境条件下，可以保持良好的绝缘性能，可以用于核工业、航天工业等有耐高温及耐辐照要求的电气设备中。
56.对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
57.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。