CFEDR环形场原型线圈匝间绝缘自动包扎的进展

《Fusion Engineering and Design》：Progress of turn insulation automatic wrapping for CFEDR toroidal field prototype coil

　　

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  采用激光位移传感器和优化的绕包导体支撑，提升了CFEDR TF原型线圈匝间绝缘带缠绕工艺的质量。
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  完成了四饼式模拟绕组包的绝缘缠绕工艺，以确定各项工艺参数。
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  CFEDR TF绕组包匝间绝缘自动缠绕已成功完成，缠绕后的所有测试和测量均满足技术要求。

引言

核聚变能因其高能量密度、固有安全性和环境可持续性，被广泛认为是人类最有前景的终极能源之一。为实现这一目标，中国聚变工程实验堆（CFEDR）的概念设计和工程设计正在推进中[1]，这标志着从聚变实验研究向示范堆和未来商业化应用迈出了关键一步。在此背景下，一项名为“聚变技术综合研究设施”（CRAFT）的研发计划获得批准，旨在为CFEDR研制原型核心部件并解决关键的科学与工程挑战。CRAFT最重要的任务之一是为CFEDR制造一个环形场（TF）原型线圈。根据磁场分布，绕组包（WP）被分解为三个部分，即高场（HF）、中场（MF）和低场（LF）子绕组包[[2], [3], [4]]，如图1所示。这三个子绕组包的超导材料分别为高临界电流密度（J_c）Nb?Sn、ITER级Nb?Sn和NbTi。

绕组包的制造工艺通常包括线圈绕制[5]、内外接头制作[6]、热处理[7]、匝间绝缘缠绕[8,9]、真空压力浸渍（VPI）[10]以及子绕组包嵌装[11]。在这些工艺中，匝间绝缘缠绕对绝缘层的几何完整性和超导线圈的电气绝缘性能起着决定性作用。目前，托卡马克装置中大型超导线圈的匝间绝缘通常采用自动缠绕技术，如ITER PF、ITER CS、ITER TF线圈和JT-60SA TF线圈中所示。对于使用NbTi导体的线圈，如ITER PF [12]和JT-60SA TF [13]，匝间绝缘缠绕可在线圈绕制过程中进行。相比之下，对于基于Nb?Sn的线圈，如ITER TF [14,15]、ITER CS [16,17]以及CFEDR TF原型线圈（用于MF和HF子绕组包），绝缘必须在高温热处理后施加。由于反应后导体的脆性，在缠绕过程中应严格控制应变不超过0.1% [18]。

尽管ITER和CFEDR TF线圈均采用Nb?Sn导体的“绕制-反应”路线，但其匝间绝缘缠绕过程具有不同的几何约束条件。在ITER TF线圈中，圆形导体被转移至机加工的径向板槽中，为导体定位提供了明确的几何基准。相比之下，CFEDR TF原型线圈采用多饼式子绕组包结构，其中已反应的线匝被依次抬起并暴露出来进行绝缘缠绕。因此，由于累积的绕制公差、热处理引起的变形、弹性回弹以及临时抬起和支撑条件，自由线匝的实际位置和局部方向可能偏离名义轨迹。由于应避免对已反应的Nb?Sn导体进行过度的机械校正以防止潜在的性能退化，仅凭预定义轨迹不足以实现稳定的自动缠绕。因此，引入了基于传感器的在线示教系统，以识别导体的实际位置和方向，并实时调整缠绕头的轨迹和姿态。这使得缠绕系统能够跟随实际建造的导体几何形状，从而在减少机械干涉和导体损伤风险的同时，保持适当的搭接率和缠绕稳定性。

章节片段

模拟绕组包结构

为验证CFEDR TF原型线圈绕组包的制造工艺，有必要探索并固化关键工艺参数，包括导体成型、氦管和尾段焊接、内部接头制作、匝间绝缘缠绕、VPI内部加热等。为此，设计并制造了一个模拟绕组包。

模拟绕组包采用“四饼×五层”结构设计，包含一个内部接头、两个外部接头、三根氦管和一组尾段。

匝间绝缘自动缠绕系统

为保证匝间绝缘结构的绝缘性能并缩短绕组包的制造时间，采用了一套自动缠绕系统，如图4所示。CFEDR TF原型线圈匝间绝缘自动缠绕系统主要由四个子系统组成，分别称为导体输送单元、缠绕单元、承载平台单元和自动控制系统。

自动缠绕工艺

自动缠绕过程可细分为以下三个阶段

TF模拟绕组包的缠绕结果

TF模拟绕组包的缠绕参数见表1，两种不同厚度的玻璃带和三层玻璃-Kapton?带的缠绕节距均为20 mm。两卷共绕带的旋向为右旋，缠绕节距为450 mm，两者均与MF子绕组包的导体电缆一致。需要指出的是，玻璃带和玻璃-Kapton?带的旋向与共绕带的旋向相反。这是因为

讨论

在缠绕系统中配置了激光位移传感器和优化的绕包导体支撑，以实现可靠的匝间绝缘自动缠绕工艺。通过系统调试和反复的试验验证，建立了一套优化的自动缠绕工艺参数和控制策略，并通过TF模拟绕组包的制造验证了其有效性。

基于上述开发，匝间绝缘

结论

为应对d形CFEDR TF原型线圈匝间绝缘自动缠绕的关键技术挑战，开发了一种基于传感器的在线示教系统并结合优化的绕包导体支撑结构，并通过四饼式模拟绕组包的匝间绝缘自动缠绕进行了验证。主要结论总结如下：

• (1)
  缠绕头的姿态可在0.1 s内根据实时导体轮廓进行调整，

CRediT作者贡献声明

Liming Peng：写作–原稿，调查，数据管理。Jian He：方法学，概念化。Zhaohui Yan：软件，形式分析。Wei Wen：监督，项目管理。Jianjian Xue：形式分析，调查。Jing Sun：可视化，验证。Zhihong Liu：监督，项目管理。Yu Wu：项目管理，资金获取。

Liming Peng|Jian He|Zhaohui Yan|Wei Wen|Jianjian Xue|Jing Sun|Zhihong Liu|Yu Wu