專利名稱：高溫超導線圈的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種尤其用于電機，例如電動馬達或者發(fā)電機的轉(zhuǎn)子極的高溫超導(HTS)線圈。
背景技術：
可以將高溫超導(HTS)線圈應用于電機轉(zhuǎn)子的勵磁線圈，此時它們從室溫被冷卻到工作溫度。在工作溫度時，線圈繞組的HTS導體中含有的超導材料將發(fā)揮其超導性能。其中轉(zhuǎn)子被安裝在軸上。高溫超導線圈的冷卻，在此通過例如一種空心軸實現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子具有多個極，極上的繞組通過空心軸冷卻，從而使高溫超導(HTS)線圈冷卻到相應的工作溫度。目前，大多習慣性地采用“第一代”(IG-HTS)高溫超導體。這種帶狀導體大多為幾毫米寬的，而只有極小部分是I毫米厚的。它們包含在IG-HTS的顆粒狀的HTS陶瓷(例如BiSrCaCuO)的絲極中，被埋置在銀基底里，其中以所謂的粉末管方法進行制造。利用這種導體，不需要特別的措施來避免凝聚(Kompression)。最近有了“第二代TTS帶狀導體(2G-HTS)。這種“第二代TTS帶狀導體(2G-HTS)按照一種“coated conductor”的結構以涂覆法進行制造。將HTS陶瓷材料,例如YBaCuO薄膜，涂覆在柔性的可繞制的基底材料上，例如一種適用于低溫的帶材以及可高度延伸的鐵合金(鋼，例如Haste I 1y)或者還可以是一種鎳鶴合金上?；蛟S,2G-HTS帶材在涂覆超導膜之前的制造工序還包含一個或者多個中間層。為了平抑過電流，導體可以在一側(cè)或者兩側(cè)配備銅。與IG-HTS導體相比，2G-HTS所作的預期改進尤其是更高的電流密度，更好的機械性能，能更自由地選取導體材料和幾何形狀。在應用于線圈時，(IG或者2G) HTS帶狀導體通常被電絕緣體包圍，并且為了機械地固定，整個兒(浸潰)埋置到樹脂中。因為HTS線圈的用途在于產(chǎn)生磁場，使勞倫茨力隨后作用于單個的HTS帶狀導體。當高溫超導(HTS)線圈從室溫冷卻到高溫超導(HTS)線圈的工作溫度時，將出現(xiàn)線圈繞組沿徑向方向和圓周方向的熱收縮。這種熱收縮明顯大于HTS導體自由的不受阻礙的收縮，因為在制造線圈時使用的浸潰樹脂(大多為環(huán)氧樹脂)，具有例如從300K降到30K時為1.4%、明顯高于由基底、HTS涂層和銅組成的HTS導體所具有的從300K降到30K時大約為0.3%的收縮值。線圈繞組的這種收縮，導致線圈繞組中含有的超導材料沿導體縱向(圓周方向)發(fā)生凝聚。如果以傳統(tǒng)的方法制造由2G-HTS材料組成的線圈，那么一旦縱向凝聚超過某種程度，線圈繞組中含有的超導材料的超導性能將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的退化。2G-HTS導體中的陶瓷薄膜，比IG-HTS導體中由多個單獨的顆粒組成的絲極更經(jīng)受不起這種凝聚。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種高溫超導(HTS)線圈，在所述線圈中能夠最大限度地避免由熱收縮而致的超導性能的退化。該技術問題按照本發(fā)明通過一種具有在權利要求1中所述特征的高溫超導(HTS)線圈加以解決。本發(fā)明提供一種高溫超導(HTS)線圈，其具有:至少一個由HTS帶狀導體組成的含有超導材料的線圈繞組以及用于所述線圈繞組的線圈架；其中將線圈繞組或者線圈架或者兩者設計成，使得它們在高溫超導(HTS)線圈從室溫冷卻到HTS線圈的工作溫度時，能夠抵抗線圈繞組的熱收縮，以便以此避免或者減小線圈繞組中含有的超導材料發(fā)生縱向凝聚(圓周方向)。在按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈的一種可能的實施形式中，線圈架由下列材料組成，即，在冷卻到高溫超導(HTS)線圈的工作溫度時，所述材料的熱收縮小于沒有線圈架時線圈繞組的熱收縮。實例還將進行圖示說明。在按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈的一種可能的實施形式中，用較高的繞制拉力來繞制線圈繞組。在按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈的一種可能的實施形式中，線圈架由一種具
有大于μο οομΛ的彈性模量(Ε)的材料組成，或者將線圈架設計得尤其堅固，例如實m
心的。 在按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈的一種可能的實施形式中，用于線圈繞組的帶狀導體具有一種涂覆在基底材料上的超導的HTS陶瓷導膜，在冷卻到高溫超導(HTS)線圈的工作溫度時，該基底材料的熱收縮小于HTS陶瓷導膜的熱收縮。在按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈的一種可能的實施形式中，帶狀導體具有被埋置在浸潰材料中的電絕緣的絕緣外殼，其中在冷卻到高溫超導(HTS)線圈的工作溫度時，所述絕緣外殼或者浸潰材料的熱收縮尤其小，例如小于環(huán)氧樹脂約為1.4%的收縮。在按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈I的另一種可能的實施形式中，浸潰材料為此具有由金屬氧化物組成的顆粒，以便能夠抵抗線圈繞組2的熱收縮。這種金屬氧化物例如是氧化鋁。在按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈的一種可能的實施形式中，將線圈架和線圈繞組設計成與磁極鐵心的形狀相匹配的環(huán)形。具體的在下面進一步加以圖示說明。在按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈的一種優(yōu)選的實施形式中，使所述高溫超導(HTS)線圈在低于80開爾文的工作溫度下運行。本發(fā)明此外還提供一種電機的轉(zhuǎn)子，其具有至少一個極，在所述極上分別安裝至少一個高溫超導(HTS)線圈，其中所述高溫超導(HTS)線圈具有:至少一個由HTS帶狀導體組成的含有超導材料的線圈繞組；用于所述線圈繞組的線圈架；其中將線圈繞組或者線圈架或者有利地將兩者設計成，使得它們在高溫超導(HTS)線圈從室溫冷卻到HTS線圈的工作溫度時，能夠抵抗線圈繞組的熱收縮，以便以此避免或者減小線圈繞組中含有的超導材料發(fā)生縱向凝聚(圓周方向)。在按照本發(fā)明的電機轉(zhuǎn)子的一種可能的實施形式中，磁極鐵心能夠各自抵抗安裝在其上的高溫超導(HTS)線圈的熱收縮。


接下來參照附圖，對按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈的可能的實施形式加以說明。附圖中:圖1表示用于圖示說明按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈的一種可能的實施形式的立體視圖；圖2表示用于圖示說明具有增大的線圈架橫截面的按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈的另一種實施形式的立體視圖；圖3表示按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈的一種可能的實施形式的詳細立體視圖。
具體實施例方式如從圖1中可以看出的那樣，高溫超導(HTS)線圈I具有至少一個安裝在線圈架3上的線圈繞組2。所述線圈繞組2含有超導的材料。在一種可能的實施形式中，線圈繞組2由一種(IG-HTS或者2G-HTS)HTS帶狀導體的線匝組成，所述HTS帶狀導體本身具有涂覆在可繞制的基底材料上的超導的HTS陶瓷導膜以及其它的層和外側(cè)包圍的絕緣層/浸潰層。所述超導的HTS陶瓷導膜，可以例如是一種由YBaCuO組成的導膜。在圖1中表示的高溫超導(HTS)線圈1，為了運行而從室溫被冷卻到高溫超導(HTS)線圈I的工作溫度。在一種可能的實施形式中，使高溫超導(HTS)線圈I在低于80開爾文的工作溫度下運行。在高溫超導(HTS)線圈I從室溫冷卻到工作溫度時，將發(fā)生線圈繞組2的熱收縮。在按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈I中，將線圈繞組2或者線圈架3或者兩者設計成，使得它們在高溫超導(HTS)線圈I從室溫冷卻到HTS線圈I的工作溫度時，能夠抵抗線圈繞組的熱收縮，以便以此避免或者減小線圈繞組2中含有的超導材料發(fā)生縱向凝聚(圓周方向)。在一種可能的實施形式中，將線圈繞組2以及線圈架3設計成，使得它們能夠抵抗線圈繞組2的機械收縮。在一種可能的實施形式中，只將線圈架3設計成，使得它能夠抵抗線圈繞組2的熱收縮。在高溫超導(HTS)線圈I的另一種可能的實施形式中，僅僅將線圈繞組2設計成，使得它能夠抵抗本身的熱收縮或者避免或減小由此引起的超導材料的縱向凝聚(圓周方向)。在按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈I的一種實施形式中，線圈架3由一種在冷卻到HTS線圈I的工作溫度時其熱收縮小于沒有線圈架時線圈繞組2的熱收縮的材料組成。所述線圈架3因而優(yōu)選由一種具有盡可能小的熱收縮的材料組成。為了保證HTS線圈I的內(nèi)線匝或者繞組所需的散熱，在一種可能的實施形式中，可以給線圈架3配備一種具有熱傳導能力的外殼，例如由薄銅板組成的外殼。這種外殼優(yōu)選由具有高熱傳導能力的材料組成。此外，線圈架3還可以具有一種組合式或者多層次的結構，所述組合式或者多層次的結構被由具有高熱傳導能力的材料組成的外殼所包圍。在一種可能的實施形式中，線圈架3由一種在圓周方向以玻璃纖維強化的塑料材料(GFK)組成。作為替代方式，線圈架3也可以由鋼組成，尤其由鋼4340組成。這種鋼在從約300開爾文的室溫冷卻到低至30開爾文的工作溫度時，僅僅具有0.21%的熱收縮。此夕卜，線圈架3還優(yōu)選由一種具有較小的彈性，也就是具有較高彈性模量E的材料組成。在一
iV
種可能的實施形式中，線圈架3由一種其彈性模量E大于150_0CK) Μ=的材料組成。
m此外，在一種可能的實施形式中，線圈架3還可以具有一種比在繞制過程中為了達到預先設定的機械穩(wěn)定性而至少必需的材料橫截面大的材料橫截面。圖2示范性地示出一種按照本發(fā)明的HTS線圈I的實施形式，在所述實施形式中，線圈架3具有比圖1增大的材料橫截面，因而更加堅固并且允許使用升高了的繞制拉力。 將如在圖1或圖2中示出的HTS線圈I，安裝在例如電機轉(zhuǎn)子的磁極鐵心上。線圈架3和線圈繞組2在此與磁極鐵心的形狀相匹配，也就是說，將它們設計成如在圖1、2中所表示的那樣，例如跑道式的環(huán)形。在圖1、2中表示的孔4，被電機轉(zhuǎn)子的磁極鐵心完全填滿。如果在HTS線圈I從室溫冷卻到工作溫度時，磁極鐵心的收縮少于裸露的線圈繞組的收縮，則磁極鐵心決定了線圈繞組的熱收縮，并且進而決定了包含在其中的HTS陶瓷的縱向凝聚。在一種可能的實施形式中，因此將高溫超導(HTS)線圈I直接安裝到各個磁極鐵心上，從而使得磁極鐵心的鐵或者鋼可以抵抗HTS陶瓷發(fā)生的縱向凝聚。在這種實施形式中，將線圈構造在堅固得剛好只夠進行繞制工序的支架上。隨后將線圈繞組2和對應的線圈架3熱裝或者借助于精確的配合安裝在經(jīng)預加工的轉(zhuǎn)子的磁極鐵心上。在高溫超導(HTS)線圈I工作時冷卻期間出現(xiàn)的機械力，則由磁極鐵心承擔。所述磁極鐵心具有較小的熱收縮且以這種方式阻止線圈繞組2中含有的HTS陶瓷發(fā)生縱向凝聚(圓周方向)。通過使高溫超導(HTS)線圈I以及附屬的磁極鐵心與冷卻系統(tǒng)良好地連接，阻止了高溫超導(HTS)線圈I比附屬的磁極鐵心更快地冷卻。在一種可能的(未示出的)實施形式中，線圈架3是一種實心的線圈架，所以具有很大的橫截面并且因此具有較高的機械穩(wěn)定性，以便承擔繞制力。在按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈I的另一種可能的實施形式中，以比在IG-HTS帶狀導體上由于其局部較小的機械強度而通常使用的繞制拉力更高的繞制拉力，制造由2G-HTS帶狀導體組成的線圈繞組2。因為2G-HTS帶狀導體可以提供不同的寬度供使用，所以常常標明單位導體寬度上的繞制拉力。此時得出總的繞制拉力FwS單位寬度上的繞制拉力乘以HTS帶狀導體的寬度。例如可以有利地以單位寬度上的繞制拉力至少為25N/cm,即30N的繞制拉力加工12mm寬的HTS帶狀導體。由此使按照本發(fā)明的HTS線圈I具有相應較高的預張緊力。所述預張緊力從單位導體上的繞制拉力，例如30N與線圈繞組的線匝數(shù)η的乘積中得出?？偟念A張緊力FV如下面這樣得出:Fv=2x n x Fff,其中η是線圈繞組2的線匝數(shù)，而Fw是單位導體的繞制拉力。按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈I優(yōu)選具有由2G-HTS帶狀導體組成的線圈繞組，在所述線圈繞組的基底材料上涂有超導的HTS陶瓷導膜。這種具有2G-HTS (“coatedconductors")的線圈繞組，目前允許高達幾百N/cm的明顯更高的單位導體寬度上的繞制拉力Fw。在按照本發(fā)明的HTS線圈I的一種可能的實施形式中，單位導體寬度上的繞制拉力Fw為大于50N/cm直至lOON/cm或者更高。按照本發(fā)明成型的線圈架3，在不出現(xiàn)不允許的變形的情況下，可以承受明顯更高的繞制拉力Fw。如果在這種實施形式中，線圈繞組2是在機械的預張緊力作用下進行繞制，那么在HTS線圈I冷卻到工作溫度時引起的熱收縮，首先會降低這種沿圓周方向的機械的預張緊力。只有當這種機械的預張緊力被完全消除時，才會出現(xiàn)線圈繞組2中含有的超導材料發(fā)生異常的縱向凝聚。在一種優(yōu)選的實施形式中，使線圈繞組2在升高了的繞制拉力Fw下這樣進行繞制，即，使得在繞制線圈繞組期間，線圈繞組的繞制拉力由內(nèi)向外持續(xù)地減小。圖3表示按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈I的另一種實施例的詳細視圖。線圈繞組2具有大量繞制的線圈線匝，所述線圈線匝在圖3中用點劃線表示。由HTS帶狀導體組成的繞制的線圈線匝，與對應成型的線圈架3相匹配。在這種布置結構中，也可以顯示出按照本發(fā)明的HTS線圈I的上述的有利的方面。在圖3中表示的線圈架3，優(yōu)選由下列材料組成，即，在冷卻到工作溫度時，所述材料的熱收縮小于在線圈繞組2中所使用的材料的熱收縮。線圈架3例如由一種玻璃纖維強化的塑料材料或者由鋼，尤其4340鋼組成。線圈繞組2的線圈線匝，優(yōu)選以較高的繞制拉力Fw進行繞制，因而存在相應較高的預張緊力。在本實施形式中，使線圈繞組2的內(nèi)線匝，以較高的繞制拉力進行繞制，所述較高的繞制拉力在繞制工序進程中被減小。單位導體寬度上開始時的繞制拉力，在此可以是lOON/cm以上，其中所述繞制拉力在繞制進程中例如幾乎線性地減小到25N/cm以上的繞制拉力。在圖3中表示的高溫超導(HTS)線圈1，可以是一種被安裝到旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子的磁極鐵心上的所謂的HTS跑道型線圈。按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈1，優(yōu)選被設計用于某個工作溫度區(qū)域，尤其在低于80K或者約30K時運行。按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈I的設計結構，不局限于在圖1-圖3中所表示的實施形式。例如，在一種可能的實施形式中，可以將多個高溫超導(HTS)線圈I設置在一個線圈架3上。此外，在一種可能的實施形式中，還可以將線圈繞組2以一種夾層結構設置在兩個線圈架3之間。由此提高線圈架的總橫截面。此外，如果將多個高溫超導(HTS)線圈1，如在圖1-圖3中所表示的那樣安裝到轉(zhuǎn)子的共同的磁極鐵心上，也是可以的。此外，按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈1，不局限于在圖1-圖3中所示出的環(huán)形，還可以具有與電機轉(zhuǎn)子的設計相應的其它形狀，例如橢圓形狀或者設計成具有圓形棱角的矩形。此外，不必將按照本發(fā)明的高溫超導(HTS)線圈1，如在圖1、圖3中所表示的那樣，設計成扁平的，而可以設計成例如與圓柱表面相匹配的。在另一種可能的實施形式中，可用傳感器檢測線圈繞組2的熱收縮且呈報給控制裝置。如果所述熱收縮超出了例如預先設定的臨界值，可以觸發(fā)消息，以便對線圈繞組2中含有的超導材料可能出現(xiàn)的凝聚危害以及與之相關的超導性能的損害進行報警。
權利要求
1.一種高溫超導(HTS)線圈(I )，具有: (a)至少一個含有超導材料的線圈繞組(2);以及具有 (b)用于所述線圈繞組(2)的線圈架(3)； (c)其中將線圈繞組(2)或線圈架(3)設計成，使得它們在高溫超導(HTS)線圈(I)從室溫冷卻到高溫超導(HTS)線圈(I)的工作溫度時，為了避免或者減小線圈繞組(2)中含有的超導材料的縱向凝聚而能夠抵抗線圈繞組(2 )的熱收縮。
2.按照權利要求1所述的高溫超導(HTS)線圈，其中線圈架(3)由在高溫超導(HTS)線圈(I)冷卻到工作溫度時，其熱收縮小于沒有線圈架時線圈繞組(2)沿圓周方向的熱收縮的材料組成。
3.按照權利要求1或2所述的高溫超導(HTS)線圈，其中線圈架(3)由借助于玻璃纖維強化的塑料材料組成。
4.按照權利要求1或2所述的高溫超導(HTS)線圈，其中線圈架(3)由鋼組成。
5.按照權利要求4所述的高溫超導(HTS)線圈，其中線圈架(3)由4340鋼組成。
6.按照權利要求1至5中任一項所述的高溫超導(HTS)線圈，其中線圈架(3)具有外殼，所述外殼由具有高導熱能力的材料，尤其銅組成。
7.按照權利要求1至6中任一項所述的高溫超導(HTS)線圈，其中線圈架(3)由具有大于
8.按照權利要求1至7中任一項所述的高溫超導(HTS)線圈，其中線圈架(3)具有的材料橫截面大于在繞制過程中為了達到機械穩(wěn)定性而起碼必須具備的橫截面。
9.按照權利要求1至7中任一項所述的高溫超導(HTS)線圈，其中線圈架(3)是實心的線圈架。
10.按照權利要求1至7中任一項所述的高溫超導(HTS)線圈，其中線圈繞組(2)以大于25N/cm的單位HTS帶狀導體寬度上的繞制拉力進行繞制，并且具有相應較高的預張緊力。
11.按照權利要求10所述的高溫超導(HTS)線圈，其中單位HTS帶狀導體寬度上的繞制拉力，大于50N/cm直至100N/cm以上。
12.按照權利要求1至11中任一項所述的高溫超導(HTS)線圈，其中由HTS帶狀導體組成的線圈繞組(2)，具有尤其由YBaCuO組成的涂覆在基底材料上的超導的HTS陶瓷導膜，在冷卻到HTS線圈(I)的工作溫度時，所述基底材料的熱收縮小于HTS陶瓷導膜的熱收縮。
13.按照權利要求1至12中任一項所述的高溫超導(HTS)線圈，其中HTS帶狀導體具有埋置在浸潰材料中的電絕緣的絕緣外殼，其中，在冷卻到HTS線圈(I)的工作溫度時，絕緣外殼的熱收縮小于浸潰材料的熱收縮。
14.按照權利要求13所述的高溫超導(HTS)線圈，其中浸潰材料具有比環(huán)氧樹脂的熱收縮小的熱收縮。
15.按照權利要求14所述的高溫超導(HTS)線圈，其中浸潰材料具有由金屬氧化物，尤其由氧化鋁組成的顆粒。
16.按照權利要求10至15中任一項所述的高溫超導(HTS)線圈，其中將線圈架(3)和線圈繞組(I)設計成與磁極鐵心的形狀相匹配的環(huán)形。
17.按照權利要求1至16中任一項所述的高溫超導(HTS)線圈，其中使所述高溫超導(HTS)線圈(I)在低于80開爾文(K)的工作溫度下運行。
18.按照權利要求1至17中任一項所述的高溫超導(HTS)線圈，其中這樣繞制線圈繞組(2 )，即，使得在繞制線圈繞組(2 )期間，繞制拉力由內(nèi)向外持續(xù)地減小。
19.一種具有多個磁極鐵心的電機轉(zhuǎn)子，在所述磁極鐵心上分別安裝至少一個按照權利要求I至18中任一項所述的高溫超導(HTS)線圈(I)。
20.按照權利要求1 9所述的電機的轉(zhuǎn)子，其中磁極鐵心分別能夠抵抗安裝在其上的高溫超導(HTS)線圈(I)的熱收縮。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高溫超導(HTS)線圈(1)，其具有至少一個含有超導材料的線圈繞組(2)以及用于所述線圈繞組(2)的線圈架(3)，其中將線圈繞組(2)或者線圈架(3)設計成，使得它們在高溫超導(HTS)線圈(1)從室溫冷卻到高溫超導(HTS)線圈(1)的工作溫度時，為了避免或者減小線圈繞組(2)中含有的超導材料(沿圓周方向)發(fā)生縱向凝聚而能夠抵抗線圈繞組(2)的熱收縮。
文檔編號H01F6/06GK103189937SQ201180053365
公開日2013年7月3日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權日2010年9月6日
發(fā)明者W.尼克, M.P.烏門 申請人:西門子公司