CN102362318A - 氧化物超导线圈、氧化物超导线圈体和旋转装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鞍形的氧化物超导线圈，在该氧化物超导线圈中，氧化物超导线材(11)被缠绕成跑道状，其中，该氧化物超导线圈(10)包括弯曲部(10b)以及与该弯曲部(10b)连接的直线部(10a)，并且其中，至少在直线部(10a)的中央区域上，上边缘(10d)与下边缘(10e)相比更靠近内周侧，从而能够减轻电气性能的恶化，所述恶化是当由氧化物超导线材形成的氧化物超导线圈(10)用在电动机或其他旋转装置中时由于磁通线的影响而产生的。还公开了一种采用所述超导线圈的超导线圈体以及一种也采用了所述超导线圈即超导线圈体的旋转装置。

Description

氧化物超导线圈、氧化物超导线圈体和旋转装置

技术领域

本发明涉及一种氧化物超导线圈、氧化物超导线圈组件和旋转机，更具体地，涉及一种鞍形的氧化物超导线圈、通过使用前述氧化物超导线圈而形成的氧化物超导线圈组件，以及一种包含前述氧化物超导线圈组件的旋转机。

背景技术

已经公开了一种通过缠绕作为带状超导体的超导线材而形成的超导线圈(例如，已公布的日本专利申请特开2002-110416(专利文献1))。专利文献1已经公开了如下一种超导线圈中的连接方法：当金属电极冶金结合地(metallurgically)连接至每个均具有很多匝的超导线圈元件的连接部时，在通过使用连接夹具沿着朝向线卷(winging)的方向对金属电极施加压缩力的同时、使金属电极与连接部接触的状态下，所述连接部彼此冶金结合地连接。

发明内容

技术问题

根据上述专利文献1，多个薄饼状的超导线圈堆叠成相互连接，每个所述超导线圈均是通过螺旋地缠绕超导线材而形成的。在上面的描述中，术语“堆叠”是指：沿着与由缠绕成薄饼状的超导线材的宽度方向上的端部形成的表面(该表面由所缠绕的超导线材的各个区域的组合而形成，并且在下文中，该表面被称为“端部形成表面”)垂直的方向，将多个超导线圈彼此层层堆叠。

以下面的情形作为一个例子。在该情形下，作为一种旋转机的电动机包含如专利文献1中所述地堆叠的、薄饼状的超导线圈。该超导线圈缠绕成使得它围绕如下区域，该区域被称为构成电动机的转子和定子的齿。当超导线圈缠绕在所述齿周围并将电流提供至该超导线圈时，所述齿起到了电磁铁的作用。在这种情况下，当该超导线圈中流动的电流是交流电流时，由所述齿形成的电磁铁的极性随着时间而变化。结果，转子的齿和定子的齿相互排斥或相互吸引。这种现象使转子旋转，并因此使电动机能够运行。

当电流在超导线圈中流动时，在该超导线圈周围产生磁场。然后，磁通线经过该超导线圈的周边。大部分磁通线沿着相对远离该超导线圈的路线经过。因此，大部分磁通线经过所述齿的内部。然而，一小部分磁通线沿着前述路线内侧的路线经过。因此，这一小部分磁通线穿过该超导线圈的内部。具体地，穿过超导线圈内部的磁通线包括在与该线圈的宽度及纵向轴线交叉的方向上、尤其在沿着构成该超导线圈的超导线材的厚度方向上(更具体地，在贯穿超导线材的主表面的方向上)穿过该超导线圈的磁通线。已知的是，穿过超导线材的主表面的磁通线使超导线圈的电流特性恶化，由此引起如下现象：例如，超导线圈中的失超。在上文的描述中，术语“超导线材的主表面”是指由超导线材的宽度和长度形成的主要表面。

在超导线材中，尤其是被称为氧化物超导线材的线材、例如其中由氧化物形成的超导体覆盖有银护套或其他金属护套的线材，与通过利用由传统使用的金属组成的超导体而形成的金属超导线材相比，可以在较高温度的环境下使用。换句话说，与使用金属超导线材的情况相比，当使用氧化物超导线材时，可以简化用于对该超导线材进行冷却的设备。因此，近年来，工程师和研发人员尤其已经大大推进了氧化物超导线材的实际应用。上述专利文献1没有公开使用哪种线材、即使用金属超导线材还是使用氧化物超导线材来制造所公开的超导线圈。然而，不管使用哪种线材、即使用金属超导线材还是使用氧化物超导线材来制造所公开的超导线圈，当超导线圈构造成使得线圈的主表面几乎与超导线圈的中空部的中心处的轴线平行时，由在用于电动机转子和定子的超导线圈中流动的电流产生的磁通线的一部分贯穿该超导线材的主表面。结果，即使在电动机包含由能够在高温环境下使用的氧化物超导线材形成的超导线圈时，由于上述磁通线的产生，超导线圈的电流特性也可能恶化，并因此导致整个设备的电气效率降低。

鉴于上述问题作出了本发明。本发明的一个目的是提供一种超导线圈，该超导线圈由氧化物超导线材形成，并且，当用于诸如电动机等的旋转机时，该超导线圈能够抑制由于磁通线的影响而导致的电气性能的降低。另一个目的是提供一种通过使用前述超导线圈而形成的超导线圈组件以及一种包含前述超导线圈(或超导线圈组件)的旋转机。

解决问题的手段

本发明的氧化物超导线圈是具有通过将氧化物超导线材缠绕成跑道状而形成的鞍形形状的氧化物超导线圈。该氧化物超导线圈具有弯曲部以及直线部，该直线部连接到所述弯曲部。至少在该直线部的中央部分中，线圈的上端与线圈的下端相比位于线圈的内周侧。

在上文的描述中，术语“鞍形形状”是指这样的形状：如下所述，在通过将超导线材缠绕成跑道状而形成的超导线圈中，在线圈的沿长度方向的端部(线圈端部)的一部分中，线材的上端向上弯曲。该上端是缠绕成跑道状的氧化物超导线材的宽度方向上的一个端部，并且当该氧化物超导线圈处于正确位置时，该端部位于上侧。换句话说，该上端是线材通过在所述线圈端部处弯曲而形成凸形形状的端部。由所缠绕的线材的上端组合形成的端部形成表面是从侧面观察时具有凸形形状的上端形成表面。同样，下端是缠绕成跑道状的氧化物超导线材的宽度方向上的另一端部(即，该下端位于上端的相反侧)，并且当该氧化物超导线圈处于正确位置时，该端部位于下侧。换句话说，该下端是线材通过在线圈端部处弯曲而形成凹形形状的端部。由所缠绕的线材的下端组合形成的端部形成表面是从侧面观察时具有凹形形状的下端形成表面。

在如上所述的形成为跑道状的氧化物超导线圈中，氧化物超导线材呈直线状延伸的区域被称为直线部。至少在该直线部的中央部分中，线材被缠绕成使得上端与下端相比位于内周侧。换句话说，在该中央部分中，氧化物超导线圈构造成：使得形成该氧化物超导线圈的氧化物超导线材的主表面相对于氧化物超导线圈的中空部的中心处的轴线形成锐角。当采用这种构造时，由氧化物超导线材中流动的电流产生的磁通线在沿着氧化物超导线材的主表面的方向上行进。换句话说，磁通线的在贯穿氧化物超导线材的主表面的方向上行进的百分比减小了。这种减小能够抑制由氧化物超导线材形成的线圈的电流特性恶化。希望其上端与下端相比位于内周侧的所述中央部分具有至少为直线部的整个长度的一半的长度，更希望所述中央部分具有至少为直线部的整个长度的60％的长度。

在上述氧化物超导线圈中，希望在所述弯曲部中，上端与下端相比位于内周侧。术语“弯曲部”是指上述线圈的端部。换句话说，术语“弯曲部”是指如下区域：即，具有跑道形状的氧化物超导线圈的直线部的两端中的每一端所延伸到的区域，以及弯曲成使得氧化物超导线材的主表面能够具有跑道形状的区域。与直线部相同，当弯曲部具有其中上端与下端相比位于内周侧的构造时，在该弯曲部中，由氧化物超导线材中流动的电流产生的磁通线也在沿着氧化物超导线材的主表面的方向上行进。换句话说，磁通线的在贯穿氧化物超导线材的主表面的方向上行进的百分比减小了。这种减小能够更可靠地抑制由氧化物超导线材形成的线圈的电流特性恶化。

在前述氧化物超导线圈中，在夹在直线部和弯曲部之间的分界部的一部分区域中，希望其上端与下端相比位于外周侧。例如，氧化物超导线材具有如下结构：在一个例子中，首先，制备诸如铋的氧化物超导体的原料粉末。利用由银等制成的护套部覆盖该粉末以形成带状构件。然后将该部件烧结来完成该结构。在另一个例子中，首先，例如，制备具有薄膜形状的钇基烧结体，该钇基烧结体是氧化物超导线材。将银溅射层等层叠在该烧结体上以完成该结构。由于具有上述结构，根据变形或弯曲的程度，该氧化物超导线材可能容易地受到损坏，例如断裂。因此，难以将超导线圈形成为使得在缠绕成跑道状的氧化物超导线材的整个圆周上、上端与下端相比能够如上所述地位于内周侧。为了克服该困难，在夹在直线部和弯曲部之间的分界部的一部分区域中，上端与下端相比位于外周侧，这是与其他区域中的构造相反的构造。如上所述，提供其中主表面在与其他区域中的方向相反的方向上倾斜的区域使得氧化物超导线材能够以如下方式缠绕：即，在直线部和弯曲部中，上端与下端相比位于内周侧。这种构造能够控制由氧化物超导线材中产生的应力而造成的应变。换句话说，当采用上述构造时，在缠绕成使得其主表面在直线部和弯曲部中与氧化物超导线圈的中空部的中心处的轴线不平行的氧化物超导线材中，能够抑制由内部应力引起的损坏等发生。即使当在分界部的一部分中上端与下端相比位于外周侧时，该线圈的电气性能受到由氧化物超导线圈产生的磁通线的影响也很小。结果，能够确保该线圈的电气性能的良好状态。

本发明的氧化物超导线圈可以应用于如下构造：即，例如将单个氧化物超导线圈卷绕至电动机的一个齿。另一方面，该线圈可以用于形成氧化物超导线圈组件，该氧化物超导线圈组件是通过堆叠多个氧化物超导线圈使得一个氧化物超导线圈的下端面向另一个氧化物超导线圈的上端而形成的。在这种情况下，如上所述，尤其当各个氧化物超导线圈的诸如直线部和弯曲部等的各个部分满足上端与下端之间的上述位置关系时，也能够抑制氧化物超导线圈的电流特性恶化。

在上述超导线圈组件中，希望每个氧化物超导线圈中的氧化物超导线材的主表面朝向多个氧化物超导线圈的堆叠方向倾斜，并且所述多个氧化物超导线圈的倾斜角度互不相同。由氧化物超导线圈组件中流动的电流产生的磁通线形成为使得它们基本环绕氧化物超导线圈的氧化物超导线材。因此，磁通线的方向和角度根据氧化物超导线材外部的区域而变化。因而，通过根据磁通线的方向和角度的变化来改变置于各个区域中的氧化物超导线圈的氧化物超导线材的主表面朝向氧化物超导线圈的中空部的中心处的轴线倾斜的角度(倾斜角度)，所堆叠的各个超导线圈能够抑制由于磁通线贯穿氧化物超导线材的主表面而引起的电流特性的恶化。在诸如电动机的、包含上述氧化物超导线圈组件的旋转机上也能实现与上述相同的效果。

在上文的描述中，表述“改变倾斜角度”是指：所堆叠的多个氧化物超导线圈中的一个氧化物超导线圈的倾斜角度不同于其他的至少一个氧化物超导线圈的倾斜角度。例如，当堆叠三个或更多个氧化物超导线圈时，上述情形包括只有一个线圈的倾斜角度不同于其他线圈的倾斜角度的情况(换句话说，在所堆叠的多个氧化物超导线圈中，尽管多个线圈具有相同的倾斜角度，但另一个线圈具有不同的倾斜角度)。前述情形还包括所有氧化物超导线圈的倾斜角度都彼此不同的情况。

发明的有益效果

本发明能够提供一种鞍形的氧化物超导线圈和通过堆叠多个上述氧化物超导线圈而形成的氧化物超导线圈组件，当例如用于旋转机中时，该氧化物超导线圈能够抑制电流特性的恶化。本发明还能够提供一种旋转机，其通过包含前述氧化物超导线圈或前述氧化物超导线圈组件而能够抑制电流特性的恶化。

附图说明

图1的(A)部分是示意性地示出了本发明实施例1中的超导线圈的透视图，而图1的(B)部分是沿着图1的(A)部分所示的箭头I(B)观察时的侧视图。

图2是示出了本发明实施例1中的超导线圈的上端和下端的示意图。

图3是沿着图2中的线III-III观察时的示意性剖视图。

图4是沿着图2中的线IV-IV观察时的示意性剖视图。

图5是沿着图2中的线V-V观察时的示意性剖视图。

图6的(A)部分是沿着图1中的线VI(A)-VI(A)观察时的示意性剖视图，图6的(B)部分是沿着图1中的线VI(B)-VI(B)观察时的示意性剖视图，而图6的(C)部分是沿着图1中的线VI(C)-VI(C)观察时的示意性剖视图。

图7是示意性地示出了本发明实施例1中的铋基超导线材的透视图。

图8是示意性地示出了本发明实施例1中的薄膜超导线材的透视图。

图9是示出了本发明实施例1中的、由超导线圈的直线部中流动的电流产生的磁通线的方向的示意性截面图。

图10是示意性地示出了用于制造本发明实施例1中的超导线圈的装置的顶视图。

图11是沿着图10中的线XI-XI观察时的示意性剖视图。

图12是沿着图10中的线XII-XII观察时的示意性剖视图。

图13是沿着图10中的线XIII-XIII观察时的示意性剖视图。

图14是示意性地示出了本发明实施例2中的超导线圈组件的透视图。

图15是沿着图14中的线XV-XV观察时的示意性剖视图。

图16的(A)部分是示出了图15下侧的超导线材的主表面的倾斜角度的示意图，图16的(B)部分是示出了图15中间的超导线材的主表面的倾斜角度的示意图，而图16的(C)部分是示出了图15上侧的超导线材的主表面的倾斜角度的示意图。

图17是示意性地示出了包含本实施例中的超导线圈的电动机的截面图。

图18是示意性地示出了在图17中示出并包含超导线圈的转子的透视图。

图19是示意性地示出了在图17中示出并包含超导线圈的定子的透视图。

图20是示出了由图17中的虚线XX围成的区域的放大示意图。

图21是示出了由图17中的虚线XXI围成的区域的放大示意图。

具体实施方式

下面，通过参考附图来说明本发明的实施例。在这些实施例中，实现相同功能的元件具有相同的附图标记，除非必要，否则不再重复说明。在附图中，尺寸比例不必与所说明的尺寸比例一致。

实施例1

下面，通过参考图1至图10来说明本发明的一实施例中的超导线圈10。如图1的(A)和(B)部分及图2所示，本实施例中的超导线圈10是通过将超导线材11缠绕成跑道状而形成的鞍形超导线圈。换句话说，当从上方观察时，超导线圈10具有跑道形状。

超导线圈10具有直线部10a、弯曲部10b和分界部10c。每个直线部10a均是沿纵向延伸的直线部分。每个弯曲部10b均是从上方观察时具有弯曲形状的部分(线圈端部)。每个分界部10c均夹在直线部10a与弯曲部10b之间，并且每个分界部10c均是将直线部10a与弯曲部10b连接的区域。

如图1的(B)部分所示，弯曲部10b具有鞍形形状，其中，形成底表面的下端10e弯曲成圆弧形。下端10e是所缠绕的超导线材11的宽度方向上的一个端部；即，位于图1的部分所示的下侧处的端部。由下端10e的组合而形成的端部形成表面被称为“下端形成表面”。上端10d是所缠绕的超导线材11的宽度方向上的另一端，即，位于图1的部分所示的上侧处的端部。由上端10d的组合而形成的端部形成表面被称为“上端形成表面”。图1的部分所示的超导线圈10具有鞍形形状，这是通过缠绕超导线材使得在弯曲部10b的一部分区域中、上端10d具有凸形形状(即下端10e具有凹形形状)而形成的。换句话说，在弯曲部10b的一部分区域中，整个超导线材11向上弯曲，从而上端10d和下端10e均能够向上弯曲。

图2示出了当从上方观察时、包括在超导线圈10中的超导线材11的上端10d和下端10e的位置，而其他超导线材11等被省略。在图2中，中心R示出了弯曲部10b处的由超导线材形成的圆弧的中心。

如图2和图3可见，在弯曲部10b中，上端10d与下端10e相比位于内周侧(由封闭的超导线圈10形成的中空部侧)。更具体地，在弯曲部10b中，上端10d与中心R之间的距离R10d小于下端10e与中心R之间的距离R10e。

如图2和图4可见，在直线部10a中，同样，上端10d与下端10e相比位于内周侧(由封闭的超导线圈10形成的中空部侧)。更具体地，在直线部10a中，上端10d与中心R之间的距离R10d小于下端10e与中心R之间的距离R10e。

如图2和图5可见，在分界部10c中，上端10d与下端10e相比位于外周侧(与由封闭的超导线圈10形成的中空部侧相反的一侧)。更具体地，在分界部10c中，上端10d与中心R之间的距离R10d大于下端10e与中心R之间的距离R10e。

如图2所示，例如在分界部10c的一部分区域中，上端10d和下端10e的位置在与中心R的距离方面变得反过来了。因此，在图2所示的分界部10c中，在上端10d与下端10e相交的位置上，存在这样的位置：在该位置，上端10d的位置与下端10e的位置在与圆周交叉的方向上一致。换句话说，由该位置处的上端10d和下端10e形成的平面与经过中心R的轴线平行。在该位置，上端10d与中心R之间的距离R10d等于下端10e与中心R之间的距离R10e。该位置可以存在于分界部10c中，或者存在于直线部10a或弯曲部10b中。

希望该上端10d的长度与下端10e的长度相同。当采用这种设计时，在弯曲部10b和分界部10c中，超导线材11构造成使得其倾斜度逐渐变化。

当超导线材11如上所述地构成时，如图6的(A)和(B)部分所示，超导线材11在超导线圈10的弯曲部10b中的倾斜方向与直线部10a中的倾斜方向相同。然而，如图6的(C)部分所示，超导线材11在超导线圈10的分界部10c中的倾斜方向与弯曲部10b及直线部10a中的倾斜方向相反。

在图1所示的超导线圈10中，直线部10a的几乎整个部分均构造成如图6的(B)部分中的截面图所示，其中，上端10d与下端10e相比位于内周侧。如上所述，至少在超导线圈10的直线部10a的中央部分上(例如，占直线部10a的整个长度的60％或更多)，希望上端10d与下端10e相比位于内周侧。然而，在该中央部分外侧的区域(位于该中央部分的延长线上的区域)中，可能存在这样的区域：在该区域中，例如超导线材11的由上端10d和下端10e形成的主表面平行于经过超导线圈10的中空部的中心的轴线。换句话说，在该中央部分外侧的区域(位于该中央部分的延长线上的区域)中，可能存在这样的位置：在该位置，例如，上端10d的位置与下端10e的位置在与圆周垂直的方向上一致。

上述描述也适用于弯曲部10b。整个弯曲部10b可以具有如图6的(A)部分所示的截面图中示出的结构，其中，上端10d与下端10e相比位于内周侧。然而，弯曲部10b中的一部分区域可以具有这样的构造：在该构造中，上端10d与下端10e相比位于内周侧。此外，在弯曲部10b的一部分区域中，可以存在这样的位置：在该位置，上端10d的位置与下端10e的位置在与圆周交叉的方向上一致。

上述术语“上端10d”和“下端10e”是在超导线圈10放置在如图1所示的平坦平面上的状况下给出的。因此，当超导线圈10放置在与图1所示的状况相反的状况下时(当放置成使得上端10d位于下侧而下端10e位于上侧时)，在弯曲部中，上侧与下侧相比位于外周侧，而在直线部中也是如此，上侧与下侧相比位于内周侧。尽管有上面的描述，但在以下描述中，将把图1的(A)部分中的上侧称为上端10d，并把图1的(A)部分中的下侧称为下端10e。

下面给出关于构成超导线圈10的超导线材11的描述。超导线材11是所谓的氧化物超导线材。更具体地，例如可以通过下列过程来获得该线材：首先，利用由银等制成的护套部覆盖诸如铋的氧化物超导体的原料粉末以形成带状构件，然后将该构件烧结以完成此过程。可替代地，可以采用通过下列过程形成的结构：首先，制备具有长板形状(条状)的镍基基板；其次，在该基板上，例如把构成超导线材的钇基氧化物超导体形成为具有薄膜形状；第三，在该超导体上，层叠一个银溅射层等，从而完成该过程。

如图7所示，铋基超导线材具有纵向延伸的多个超导体11a以及覆盖所述多个超导体11a的整个外周的护套部11b。护套部11b与超导体11a接触。希望所述多个超导体11a中的每一个均例如是具有Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O基组成物的铋基超导体。特别地，使用包括Bi-2223相的材料是最合适的，其中Bi-2223相的数字近似地指示(铋(Bi)和铅(Pb))∶锶(Sr)∶钙(Ca)∶铜(Cu)的原子比，其大约为2∶2∶2∶3。护套部11b例如由银或银合金制成。所述多个超导体11a可以由单个超导体代替。

如图8所示，薄膜超导线材具有基板11c、直接放置在该基板11c上的中间层11d、直接放置在该中间层11d上的超导层11e以及直接放置在该超导层11e上的稳定化层11f。

基板11c由诸如不锈钢、镍合金(例如哈司特镍合金)或银合金的金属组成。中间层11d例如由氧化钇稳定的氧化锆、氧化铈、氧化镁或钛酸锶组成。中间层11d可以省略。

超导层11e例如由RE123基超导体组成。术语“RE123基超导体”是指：在RE_xBa_yCu_zO_7-d中，“x”大于等于0.7但小于等于1.3，“y”大于等于1.7但小于等于2.3，“z”大于等于2.7但小于等于3.3。RE123基超导体中的术语“RE”是指：该材料含有稀土元素和元素钇中的至少一种。稀土元素的类型例如包括钕(Nd)、钆(Gd)、钬(Ho)和钐(Sm)。RE123基超导线材具有如下优点：其在液氮温度(77.3K)下的临界电流密度比铋基超导线材的临界电流密度高。另外，RE123基超导线材还具有另一个优点：其在低温下和恒定磁场中具有高的临界电流值。另一方面，与铋基超导体相反，RE123基超导体不能覆盖有护套部。因此，通过如下方法来制造RE123基超导体：在该方法中，单独通过气相法或者单独通过液相法来在织构金属基板上形成薄膜超导体(薄膜超导材料)。

稳定化层11f是设置成对超导层11e的表面进行保护的层，并且它由银、铜等组成。稳定化层11f也可以省去。

如图7和图8所示，超导线材11具有顶表面12、下表面13以及侧表面14、15，其中，当线材被缠绕成跑道状时，顶表面12形成上端10d，下表面13形成下端10e。顶表面12和下表面13是超导线材11的宽度方向上的端部。侧表面14和15是稍前描述的超导线材的主表面。超导线材11的缠绕使多个顶表面12组合在一起，从而形成稍前描述的上端形成表面。同样，多个下表面13的组合形成了稍前描述的下端形成表面。图7和图8所示的超导线材11可以缠绕成使得其顶表面和下表面互相颠倒。

图9是示出了在由图6的(B)部分所示的直线部10a的剖视图示出了的区域中、由超导线材11中流动的电流产生磁通线111和112的状况的示意图。图9所示的磁通线111和112示出了作为围绕超导线材11的周边产生的磁通线中的漏磁通的、与通常情况相比在较内侧环绕的磁通线。如图9所示，在超导线圈10例如应用于构成电动机的转子或定子的情况下，由超导线材11(超导线圈10)产生的磁通线111和112中的每一个均呈现出从下端10e侧至上端10d侧稍微倾斜的路线。因此，如图9所示，当上端10d与下端10e相比位于内周侧(由闭合的超导线圈10形成的中空部侧)时，磁通线111和112中的每一个均形成为沿着超导线材11的主表面110(与图7和图8中的侧表面15相同)的方向行进。其原因是：当超导线材11构造成使得上端10d之间的距离小于下端10e之间的距离时，磁通线111和112中的每一个均呈现出朝向上端10d侧稍微倾斜的路线，所以磁通线111和112的行进方向变得几乎与超导线材11的主表面110的延伸方向平行。

当达到上述状况时，磁通线111和112的在与超导线材11的主表面110交叉的方向(即沿着超导线材11的厚度方向的方向，即贯穿该主表面的方向)上行进的百分比减小了。这种减小能够抑制超导线材11(超导线圈10)的电流特性的恶化。

在上述超导线圈10中，不仅直线部10a而且弯曲部10b也具有如下构造：即，上端10d与下端10e相比位于内周侧。因此，与直线部10a一样，弯曲部10b也能够抑制由磁通线111和112引起的电流特性的恶化。结果，整个超导线圈10能够更可靠地抑制由磁通线111和112引起的电流特性的恶化。

然而，如上所述，超导线材11由氧化物超导体形成。因此，例如与陶瓷一样，难以进行加工(缠绕超导线圈10)使得该超导线圈的所要形成的整个周边能够具有如下构造：即，上端10d与下端10e相比位于内周侧。其原因是难以在超导线材11的主表面的宽度方向上弯曲该超导线材11。当超导线材11经受如上所述的在主表面的宽度方向上的弯曲(沿边缘的弯曲)时，构成超导线材11的氧化物超导体受到了大的内部应变或内部应力，从而产生超导线材11断裂的可能性。因此，为了抵消由于在直线部10a和弯曲部10b中、上端10d与下端10e相比位于内周侧而导致的在内部产生的应力和应变，如上所述，超导线圈10形成为使得至少在分界部10c的一部分区域中、上端10d与下端10e相比位于外周侧。该构造控制了整个超导线圈10中的应力和应变的大小。

接下来，将参考图10至图13来给出制造本实施例中的超导线圈10的方法的说明。如图10至图13所示，首先，制备具有弯曲表面的底座51。

把具有跑道形状的鞍形卷绕架52放置在底座51的弯曲表面51a上。卷绕架52具有直线部52a、弯曲部52b和分界部52c。每个分界部52c均夹在直线部52a与弯曲部52b之间，并且每个分界部52c均是将直线部52a与弯曲部52b连接的区域。在直线部52a和弯曲部52b中，上端52d与下端52e相比位于内周侧。在分界部52c中，上端52d与下端52e相比位于外周侧。

将超导线材11沿着卷绕架52缠绕在底座51的弯曲表面51a上。超导线材11在弯曲表面51a上的缠绕可以形成鞍形形状。

执行上述过程能够制造图1所示的本实施例中的超导线圈10。与首先将超导线材11缠绕成跑道状并然后进行压制加工以形成鞍形形状的情况相比，上述制造方法能够抑制超导线材11产生龟裂。

实施例2

将参考图14至图16来给出本发明实施例2中的超导线圈组件20的说明。如图14所示，本实施例中的超导线圈组件20是通过堆叠图1所示的本发明实施例1中的多个超导线圈10而形成的。更具体地，将所述多个超导线圈堆叠成使得超导线圈10的下端(下端形成表面)面向另一个超导线圈10的上端(上端形成表面)。在图14中，所堆叠的各个超导线圈10的直线部10a、弯曲部10b和分界部10c分别对应于超导线圈组件20的直线部20a、弯曲部20b和分界部20c。而且，在图14至图16中，图的上侧示出了超导线圈10(超导线材11)的上端10d侧，而图的下侧示出了超导线圈10(超导线材11)的下端10e侧。

当超导线圈组件20是通过堆叠多个超导线圈10而形成时，由超导线圈组件20产生的磁场的大小比由单个超导线圈10产生的磁场大。因此，在例如应用于电动机的定子和转子的情形中，与使用单个超导线圈10的情况相比，使用通过堆叠多个超导线圈10而形成的超导线圈组件20能够增大输出。图14示出了通过堆叠三个超导线圈10而形成的超导线圈组件20。然而，所堆叠的超导线圈10的数量不限于三个，而是可以堆叠任意数量的超导线圈10。

与实施例1的超导线圈10中一样，在构成超导线圈组件20的每个超导线圈10中，弯曲部的至少一部分区域以及直线部的至少中央部分中的每一个均具有如下构造：即，上端与下端相比位于内周侧。另外，分界部的一部分区域具有与上述构造相反的构造，即，上端与下端相比位于外周侧。因此，存在这样的位置：在该位置，上端的位置与下端的位置在与圆周交叉的方向上一致。

在该情况下，同样，在超导线圈组件20应用于例如构成电动机的转子和定子的情况下，由超导线圈组件20的各个超导线圈10中流动的电流产生的磁场(磁通线)呈现出朝向上端侧稍微倾斜的路线。更具体地，如图15所示，磁通线111的行进方向相对于沿图15中的上下方向延伸的轴线(该轴线在图15中未示出)的角度在由堆叠的超导线材11组成的该系统的上侧比下侧稍大。

因此，尽管构成超导线圈组件20的各个超导线圈10可以由全部倾斜成使得各个超导线圈10具有朝向中空部的中心处的轴线的同一角度的超导线材11组成，更更希望把所堆叠的各个超导线圈10的主表面的倾斜角度调整为彼此不同。

下面通过参考图15和图16来更具体地说明上文的描述。图16的(A)部分示出了图15下侧的超导线材11的主表面110a与沿着图15中的左右方向延伸的线段(图16中的点划线)形成的角度θ₁。类似地，图16的(B)部分示出了图15中间的超导线材11的主表面110b与图16中的点划线形成的角度θ₂。图16的(C)部分示出了图15上侧的超导线材11的主表面110c与图16中的点划线形成的角度θ₃。

如图15和图16可见，图15上侧的超导线圈10的主表面110c与沿左右方向延伸的轴线形成的角度比图15下侧的超导线圈10的主表面110a与该轴线形成的角度小(换句话说，主表面110c与沿上下方向延伸的轴线形成的角度比主表面110a与该轴线形成的角度大)。当采用该构造时，在各个区域中，由堆叠的超导线圈10中流动的电流产生的磁通线111在沿着超导线圈(超导线材11)的与磁通线111面对的主表面110a、110b和110c的方向上行进。因此，对于所堆叠的各个超导线圈10来说，磁通线111的在与超导线材11的主表面110a、110b和110c交叉的方向(即沿着超导线材11的厚度方向的方向，即贯穿主表面110a、110b和110c的方向)上行进的百分比减小了。这种减小能够抑制超导线材11(超导线圈10)的电流特性的恶化。

在图15中，在所堆叠的超导线材11之间夹有间隔件16。该间隔件16例如由FRP制成，并且防止所堆叠的超导线材11之间的电短路。间隔件16还具有如下功能：即，通过允许用于冷却该超导线材的诸如液氮的冷却介质在介于超导线材11之间的区域中流动，来提高超导线材的冷却效率。

实施例3

将参考图17至图21来给出本发明的旋转机的一个实施例中的电动机140的说明。电动机140设有转子130和定子120，该定子120放置在转子130周围。

如图17、18和图20所示，转子130具有：每个均与通过对实施例1中的多个超导线圈10(每一个超导线圈10均由超导线材11形成)进行堆叠而形成的、如图14所示的超导线圈组件20相似的多个构件；旋转轴118；转子铁芯113；转子轴116；以及冷却介质117。在转子130中，超导线圈10的各个区域中的上端和下端之间的位置关系与稍前描述的相同。

转子轴116形成在旋转轴118的纵向延伸的外周表面的周围。在转子铁芯113之间，转子轴116的外表面的横截面具有圆弧形状。每一个转子铁芯113均从转子轴116的横截面的中央部分(该中央部分是旋转轴118所在的区域)径向延伸，从而从转子轴116的外周表面突出。每一个超导线圈10均放置成围绕转子铁芯113并与转子轴116的外周表面成一直线，该外周表面的横截面具有圆弧形状。冷却介质117对超导线圈10进行冷却。超导线圈10和冷却介质117容纳在隔热容器中。

电动机140的定子120位于转子130周围。如图17、19和图21所示，定子120具有实施例1中的超导线圈10(每个超导线圈10均由超导线材11形成)、定子轭121、冷却介质127以及定子铁芯123。在定子120中，超导线圈10的各个区域中的上端和下端之间的位置关系与稍前描述的相同。

每个定子轭121均位于转子铁芯113的外周的外侧。每个定子轭121的外周表面的横截面均具有圆弧形状。每个超导线圈10均定位成与定子轭121的其横截面具有圆弧形状的外周表面成一直线。所述冷却介质对超导线圈10进行冷却。超导线圈10和该冷却介质127容纳在隔热容器中。该隔热容器在每个超导线圈10的中心处具有开口，从而可以定位定子铁芯123的一部分。定子铁芯123构造成封闭该超导线圈10并贯穿超导线圈10的中央部分。

如图20中的放大图所示，放置成缠绕在转子130的转子铁芯113的外周上的多个超导线材11(超导线圈10)具有主表面110a、110b和110c，这些主表面110a、110b和110c相对于沿图20中的左右方向延伸的轴线的倾斜角度(或者相对于图20所示的转子铁芯的侧表面113a的倾斜角度)彼此不同。更具体地，如实施例2中的图15和图16可见，上侧的超导线圈10的主表面110c与沿左右方向延伸的轴线形成的角度比下侧的超导线圈10的主表面110a与该轴线形成的角度小(换句话说，主表面110c与沿上下方向延伸的转子铁芯的侧表面113a形成的角度比主表面110a与该侧表面113a形成的角度大)。同样，如图21中的放大图所示，放置成缠绕在定子120的定子铁芯123的外周上的多个超导线材11(超导线圈10)具有主表面110a、110b和110c，这些主表面110a、110b和110c相对于沿图21中的左右方向延伸的轴线的倾斜角度(或者相对于图21所示的定子铁芯的侧表面123a的倾斜角度)彼此不同。与转子130中相同，上侧的超导线圈10的主表面110c与沿左右方向延伸的轴线形成的角度比下侧的超导线圈10的主表面110a与该轴线形成的角度小(换句话说，主表面110c与沿上下方向延伸的定子铁芯的侧表面123a形成的角度比主表面110a与该侧表面123a形成的角度大)。

如本发明的实施例2中所说明的，采用上述构造能够抑制磁通线111在沿着厚度方向的方向(与主表面垂直的方向)上穿过超导线圈10(超导线材11)。换句话说，这种构造能够抑制超导线圈10(超导线材11)的电流特性的恶化。其原因是：如图20和图21所示，由超导线圈10中流动的电流产生的磁通线111的行进方向相对于转子铁芯的侧表面113a(定子铁芯的侧表面123a)的延伸方向的倾斜角度在图20和图21的上侧比下侧大。换句话说，置于各个区域中的超导线圈10(超导线材11)的主表面的延伸方向与面对该超导线圈10的磁通线111的行进方向成一直线。

如上文所说明的，作为实施例3中的旋转机的电动机140设有实施例1中的超导线圈10。换句话说，它包含能够抑制其性能恶化的超导线圈。因此，能够抑制电动机140的性能恶化。因为超导线圈10具有鞍形形状，所以可以将超导线圈10的底部侧(下端)放置成与所述弯曲表面成一直线。因此，可以使电动机140小型化。

在本实施例中，上文针对具有转子130和定子120的电动机140给出了说明，作为旋转机的一个例子。然而，本发明的旋转机不特定地局限于电动机，例如本发明也可以适用于发电机。

还应考虑到，上文公开的实施例在所有方面都是示意性而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求的范围限定，而非由上述实施例限定。因此，本发明旨在涵盖包括在与权利要求的范围等同的含义和范围内的所有变型和改进。

工业实用性

作为一种用于抑制通过使用超导线材而形成的超导线圈、通过堆叠多个前述超导线圈而形成的超导线圈组件以及包含超导线圈的旋转机的电流特性恶化的技术，本发明是优异的。

附图标记列表

10：超导线圈

10a，20a和52a：直线部

10b，20b和52b：弯曲部

10c，20c和52c：分界部

10d和52d：上端

10e和52e：下端

11：超导线材；11a：超导体；11b：护套部；11c：基板

11d：中间层；11e：超导层；11f：稳定化层

12：顶表面

13：下表面

14和15：侧表面

16：间隔件

20：超导线圈组件

51：底座；51a：弯曲表面

52：卷绕架

110，110a，110b和110c：主表面

111和112：磁通线

113：转子铁芯；113a：转子铁芯的侧表面

116：转子轴

117，127：冷却介质

118：旋转轴

120：定子

121：定子轭

123：定子铁芯；123a：定子铁芯的侧表面

127：冷却介质

130：转子

140：电动机

引用列表

专利文献

专利文献1：已公布的日本专利申请特开2002-110416。

Claims (6)

1.一种氧化物超导线圈，所述氧化物超导线圈通过将氧化物超导线材缠绕成跑道状而形成为具有鞍形，并且所述氧化物超导线圈包括：

(a)弯曲部；以及

(b)直线部，所述直线部连接到所述弯曲部；

其中，至少在所述直线部的中央部分中，所述线圈的上端与所述线圈的下端相比位于所述线圈的内周侧。

2.根据权利要求1所述的氧化物超导线圈，其中，在所述弯曲部中，所述上端与所述下端相比位于所述内周侧。

3.根据权利要求1或2所述的氧化物超导线圈，其中，在夹在所述直线部和所述弯曲部之间的分界部的一部分区域中，所述上端与所述下端相比位于所述线圈的外周侧。

4.一种氧化物超导线圈组件，所述氧化物超导线圈组件通过堆叠多个根据权利要求1所述的氧化物超导线圈而形成。

5.根据权利要求4所述的氧化物超导线圈组件，其中，每个所述氧化物超导线圈中的氧化物超导线材的主表面朝向所述多个氧化物超导线圈的堆叠方向倾斜，并且所述多个氧化物超导线圈的倾斜角度互不相同。

6.一种旋转机，所述旋转机包括根据权利要求1所述的氧化物超导线圈或者根据权利要求4所述的氧化物超导线圈组件。

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