CN102948054B - 超导线圈、旋转装置以及超导线圈制造方法 - Google Patents

超导线圈、旋转装置以及超导线圈制造方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种性能改进的超导线圈、旋转装置以及一种超导线圈制造方法。超导线圈（10）是通过卷绕超导导线以形成跑道状形状而形成的鞍形超导线圈，并且包括弯曲部分（10b）和连接到该弯曲部分（10b）的直线部分（10a）。在弯曲部分（10b）中，上边缘（10c）位于比下边缘（10d）更靠近内周侧的位置；在直线部分（10a）中，上边缘（10c）位于比下边缘（10d）更靠近外周侧的位置。

Description

超导线圈、旋转装置以及超导线圈制造方法
技术领域
本发明涉及超导线圈、旋转装置以及超导线圈制造方法。
背景技术
已经公开了通过卷绕超导导线来形成超导线圈(例如日本已审查专利申请公开第7-79048号(专利文献(PTL)1))。PTL1公开了连接鞍形超导磁线圈的方法。PTL1公开了鞍形超导磁线圈的通过使内层线圈和外层线圈在彼此上重叠并串联连接内层线圈和外层线圈的连接，通过卷绕具有不同于彼此的截面尺寸的超导导线来形成内层线圈和外层线圈。
发明内容
技术问题
由于上述PTL1中的超导线圈形成为具有鞍形形状，线圈端部(弯曲部分)的底表面是弯曲的。通过该结构，超导线圈的底表面可沿圆筒形表面被设置，且相应地，鞍形超导线圈可沿圆筒形表面被设置。
但是，为了形成鞍形超导线圈，每个超导导线需要被卷绕成使得线圈端部的底表面是弯曲的。存在超导导线在其上容易弯曲(平放)的方向和超导导线在其上不容易弯曲(边缘方向)的方向。为了生产上述的PTL1中公开的鞍形超导线圈，超导导线需要在其中超导导线不容易弯曲的方向上弯曲。当超导导线在其中超导导线不容易弯曲的方向上弯曲时，超导导线的性能退化。由此，上述PTL1中公开的超导线圈存在的问题在于超导线圈的性能退化。
相应地，本发明的目的是提供性能改进的超导线圈和旋转装置，以及超导线圈制造方法。
解决问题的方案
根据本发明的超导线圈是通过卷绕超导导线以形成跑道状形状而形成的鞍形超导线圈。该超导线圈包括弯曲部分和连接到该弯曲部分的直线部分。在弯曲部分中，上边缘位于比下边缘更靠近内周侧的位置，而在直线部分中，上边缘位于比下边缘更靠近外周侧的位置。
在根据本发明的超导线圈中，超导导线卷绕成使得在弯曲部分中，上边缘位于比下边缘更靠近内周侧的位置，并且在直线部分中，上边缘位于比下边缘更靠近外周侧的位置。这允许上边缘的长度和下边缘的长度之间的差减小。由此，能够抑制在其中超导导线不容易弯曲(边缘方向弯曲)的方向上施加到超导导线的力。相应地，由于能够抑制超导导线的性能的退化，所以能够抑制超导线圈的性能的退化。
根据本发明的旋转装置包括上述的超导线圈。根据本发明的旋转装置使用其中性能的退化能够被抑制的超导线圈。由此，能够抑制旋转装置的性能的退化。此外，由于超导线圈具有鞍形，所以能够沿旋转装置的圆筒表面布置超导线圈的底部(下边缘)。由此，能够减小尺寸。
根据本发明的超导线圈制造方法包括如下步骤：制备具有圆筒表面的基部；在该基部的圆筒表面上布置跑道状的鞍形卷绕框架；以及在基部的圆筒表面上沿该卷绕框架卷绕超导导线。卷绕框架具有弯曲部分和连接到该弯曲部分的直线部分。在弯曲部分中，上边缘位于比下边缘更靠近内周侧的位置；在直线部分中，上边缘位于比下边缘更靠近外周侧的位置。
利用根据本发明的超导线圈制造方法，通过在基部的圆筒表面上卷绕超导导线，可形成鞍形。沿卷绕框架卷绕超导导线，其中，在弯曲部分中，上边缘位于比下边缘更靠近内周侧的位置，并且在直线部分中，上边缘位于比下边缘更靠近外周侧的位置。由此，可形成超导线圈，其中，在弯曲部分中，上边缘位于比下边缘更靠近内周侧的位置，并且在直线部分中，上边缘位于比下边缘更靠近外周侧的位置。相应地，可制造其中性能的退化被抑制的上述超导线圈。
本发明的有益效果
由此，通过根据本发明的超导线圈和超导线圈制造方法，在弯曲部分中，上边缘位于比下边缘更靠近内周侧的位置，并且在直线部分中，上边缘位于比下边缘更靠近外周侧的位置，由此允许抑制性能的退化。
附图说明
图1示意性示出根据本发明的第一实施例的超导线圈；图1的视图(A)是立体图，图1的视图(B)是从图1A的箭头I(B)方向看的侧视图。
图2是示意性示出根据本发明的第一实施例的超导线圈的上边缘和下边缘的示意图。
图3是沿图2中的线III-III截取的示意性剖视图。
图4是沿图2中的线IV-IV截取的示意性剖视图。
图5是沿图2中的线V-V截取的示意性剖视图。
图6示意性示出根据本发明的第一实施例的超导线圈；图6的视图(A)是沿图1中的线VI(A)-VI(A)截取的示意性剖视图，图6的视图(B)是沿图1中的线VI(B)-VI(B)截取的示意性剖视图。
图7是示意性示出根据本发明的第一实施例的铋(Bi)基超导导线的立体图。
图8是示意性示出根据本发明的第一实施例的薄膜超导导线的透视图。
图9示出根据本发明的第一实施例的超导导线的平放方向。
图10示出根据本发明的第一实施例的超导导线的在边缘上的方向。
图11是示意性示出用于制造根据本发明的第一实施例的超导线圈的装置的俯视图。
图12是沿图11中的线XII-XII截取的示意性剖视图。
图13是沿图11中的线XIII-XIII截取的示意性剖视图。
图14是示意性示出第一比较例的超导线圈的立体图。
图15是示意性示出第一比较例的超导线圈的平面图。
图16是示出第二比较例的超导线圈的上边缘和下边缘的示意图。
图17是沿线XVII-XVII截取的在与图16的中心在R处的圆相同的径向上的弯曲部分的示意性剖视图。
图18是沿图16中的线XVIII-XVIII截取的示意性剖视图。
图19是示意性示出根据本发明的第二实施例的马达的剖视图。
图20是示意性示出根据本发明的第二实施例的转子的立体图。
图21是示意性示出根据本发明的第二实施例的定子的立体图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。下面所参照的附图中，相同或等同的元件由相同的附图标记表示，且不重复相同或等同的元件的说明。附图中的尺寸比例不必要匹配下面描述的元件的尺寸比例。
(第一实施例)
现参照图1至图10，描述了根据本发明的实施例的超导线圈10。如图1和图2的视图(A)和(B)中所示，根据本实施例的超导线圈10是通过卷绕超导导线11以形成跑道状形状而形成的鞍形超导线圈。即，从顶部看，超导线圈10具有跑道状形状。
超导线圈10具有直线部分10a和连接到该直线部分10a的弯曲部分10b。从顶部看，直线部分10a是在主轴线方向上延伸的线性部分，而弯曲部分10b是弯曲的部分(线圈端部分)。如图1的视图(B)所示，弯曲部分10b每个具有鞍形形状。弯曲部分10b的用作底部的下边缘10d弯曲成具有圆弧形状。
图2示出在形成超导线圈10的一圈超导导线11中，上边缘10c沿其定位的路线和下边缘10d沿其定位的路线，省略超导导线11的其它圈等。还在图2中，中心R表示超导导线11的每个弯曲部分10b的圆弧的中心。
如图2和图3所示，在每个弯曲部分10b中，上边缘10c位于比下边缘10d更靠近内周侧(由超导线圈10围绕的中空体位于其上的侧)的位置。即，在每个弯曲部分10b中，上边缘10c与中心R之间的距离R10c小于下边缘10d与中心R之间的距离R10d。
如图2和图4所示，在每个直线部分10a中，上边缘10c位于比下边缘10d更靠近外周侧(由超导线圈10围绕的中空体位于其上的侧的相反侧)的位置。即，在每个直线部分10a中，上边缘10c与中心R之间的距离R10c大于下边缘10d与中心R之间的距离R10d。
如图2和图5所示，存在其中上边缘10c在周向上匹配下边缘10d的位置。换言之，在这些位置的任一个处由上边缘10c和下边缘10d形成的平面平行于穿过中心R的轴线。在这些位置中的每个中，上边缘10c和中心R之间的距离R10c与下边缘10d和中心R之间的距离R10d相等。这些位置可位于其中直线部分10a连接到弯曲部分10b的位置处，或位于直线部分10a中或在弯曲部分10b中。
优选地，上边缘10c的长度与下边缘10d的长度相同。该情形中，超导导线11布置成使得超导导线11的倾斜度在弯曲部分10b中逐渐变化。
当以该方式布置超导导线11时，如图6的视图(A)和(B)所示，在超导线圈10的长度方向与宽度方向之间，超导导线11在其上倾斜的方向彼此相反。
在超导线圈10放置在平坦平面上的情形中，出现上述的上边缘10c和下边缘10d。因此，当超导线圈10放置在与图1所示的状态相反的状态中，(放置成上边缘10c在下侧上，而下边缘10d在上侧上)，在每个弯曲部分中，上边缘位于比下边缘更靠近外周侧的位置，并且在每个直线部分中，上边缘位于比下边缘更靠近内周侧的位置。
这里，描述了形成超导线圈10的超导导线11。超导导线11是带状线且可使用如图7所示的铋(Bi)基超导导线11或如图8所示的薄膜超导导线11。
如图7所示，铋基超导导线11具有多种超导材料11a和鞘部分11b。超导材料11a在长度方向上延伸，而鞘部分11b覆盖多种超导材料11a的整个周界。鞘部分11b与超导材料11a接触。优选地，多种超导材料11a中的每种是具有例如Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O基组分的铋基超导材料。具体来说，包括Bi2223相的材料，其原子比(铋和铅)：锶：钙：铜大致表示为约2:2:2:3是最优的。鞘部分11b由例如银或银合金形成。超导导线11可包括单个超导材料11a。
如图8所示，薄膜超导导线11具有基底11c、中间层11d、超导层11e以及稳定化层11f。中间层11d形成在基底11c上并与该基底11c接触。超导层11e形成在中间层11d上并与该中间层11d接触。稳定化层11f形成在超导层11e上并与该超导层11e接触。
基底11由诸如例如不锈钢、镍合金(例如镍基合金)或银合金形成。中间层11d由例如氧化钇稳定化氧化锆、二氧化铈、镁氧化物、钛酸锶等形成。可省略中间层11d。
超导层11e由例如稀土(RE)123基超导材料形成。RE123基超导材料意味着在RExBayCuzO7-d中，0.7≤x≤1.3，1.7≤y≤2.3以及2.7≤z≤3.3。RE123基超导材料的RE指包括稀土元素和钇元素中的至少一种的材料。稀土元素可以是例如钕(Nd)、钆(Gd)、钬(Ho)或钐(Sm)。RE123基超导导线具有的优点在于该RE123基超导导线在液氮温度(77.3K)下的临界电流密度比铋基超导导线的临界电流密度高，而该RE123基超导导线在低温时或在特定磁场下的临界电流值高。但是，不像铋基超导材料，RE123超导材料不能由鞘部分覆盖，且相应地通过使用仅气相方法或仅液相方法在有纹理的金属基底上沉积超导材料(超导薄膜材料)来制造。
设置稳定化层11f以保护超导层11e的表面并且该稳定化层11f由例如银或铜形成。可省略稳定化层11f。
如图7和图8所示，当卷绕超导导线11以形成如图1所示的跑道状形状时，超导导线11具有在上边缘10c上定位的上表面12、在下边缘上定位的下表面13以及侧表面14和15。图8中所示的超导导线11可卷绕成上表面和下表面倒置。当超导层11e位于内周侧上时，能够抑制其中压缩应力施加到超导层11e的情形。这是有利的，因为能够抑制超导层11e的退化。当超导层11e位于外侧上时，优点是能够容易地设置连接到外部电源的端子。
如图9所示，图1中所示的每个弯曲部分10b可如下形成：通过弯曲超导导线11使得在一个长度方向上延伸的侧表面14定位在内周侧上而在另一个长度方向上延伸的侧表面15定位在外周侧上(在由图9中箭头所指示的方向上)。超导导线11容易地在这些方向(平放)上弯曲。
如图10所示，通过弯曲超导导线11使得图1中定位在下边缘10d上的下表面13沿圆弧形状(在由图10中箭头指示的方向上)弯曲，可成形鞍形。超导导线11不容易在这些方向(边缘上)上弯曲。
接下来参照图11至图13，描述了根据本实施例的超导线圈10的制造方法。如图11至图13所示，首先制备具有圆筒表面的基部51。
在基部51的圆筒表面51a上布置跑道状的鞍形卷绕框架52。卷绕框架52具有弯曲部分52b和连接到该弯曲部分52b的直线部分52a。在每个弯曲部分52b中，上边缘52c位于比下边缘52d更靠近内周侧的位置。在每个直线部分52a中，上边缘52c位于比下边缘52d更靠近外周侧的位置。
接着，沿卷绕框架52卷绕超导导线11并在基部51的圆筒表面51a上卷绕超导导线11。通过在圆筒表面51a上卷绕超导导线11，可形成鞍形。通过沿卷绕框架52卷绕超导导线11，能够抑制超导导线11的边缘方向弯曲。
通过执行上述步骤，能够制造图1所示的根据本实施例的超导线圈10。通过以上述方式制造超导线圈10，与通过挤压形成具有鞍形的超导线圈10的情形相比，能够抑制在超导导线11已经卷绕成具有跑道状形状后在超导导线11中出现的裂纹。
接着，通过与图14和图15中所示的第一比较例的超导线圈20以及图16至图18中所示的第二比较例的超导线圈30比较，描述根据本实施例的超导线圈10的优点。
如图14和图15所示，第一比较例的超导线圈20具有含有直线部分20a和弯曲部分20b的跑道状形状，而不具有鞍形。即，如图15所示，图15是从图14中箭头XV看的侧视图，弯曲部分20b中上边缘20c和下边缘20d是平坦的。由于第一比较例的超导线圈20不能沿圆筒表面布置，所以存在不能实现尺寸减小的问题。
在第一比较例的跑道状形状超导线圈20中，每个弯曲部分中超导导线11的侧表面和圆弧的中心轴线彼此平行。因此，能够抑制施加到弯曲部分的边缘方向弯曲力。
图16示出在形成超导线圈10的一圈超导导线11中，上边缘10c沿其定位的路线和下边缘10d沿其定位的路线，省略超导导线11的其它圈等。还在图16中，中心R表示超导导线11的每个弯曲部分的圆弧的中心。
如图16至图18所示，与在第一比较例的情形一样，第二比较例的超导线圈30具有含有直线部分和弯曲部分的跑道状形状。第二比较例的弯曲部分具有鞍形。如图17所示，在弯曲部分中，超导导线11的上边缘10c位于比超导导线11的下边缘10d更靠近内周侧的位置。即，在每个弯曲部分中，上边缘10c与中心R之间的距离R10c小于下边缘10d与中心R之间的距离R10d。如图18所示，在每个直线部分中，超导导线11的上边缘10c的位置在周向上匹配超导导线11的下边缘10d的位置。即，上边缘10c和中心R之间的距离R10c与下边缘10d和中心R之间的距离R10d相等。因此，在第二比较例的超导线圈30中含有的超导导线中，超导导线11的穿过下边缘10d的部分的长度大于穿过上边缘10c的部分的长度。
为了形成具有如上所述的第二比较例的超导线圈30的鞍形，超导线圈11的侧表面14和15需要在如图16至图18所示的弯曲部分10b中倾斜。换言之，在每个弯曲部分中，超导导线11的侧表面需要相对于圆弧的中心轴线倾斜。该情形中，超导导线11保持在如下状态：其中边缘上弯曲的力施加到超导导线11。由此，虽然第二比较例的超导线圈30可以沿圆筒表面布置，但是存在超导导线11的性能退化的问题。
在根据本实施例的超导线圈10中，超导导线11卷绕成使得在每个弯曲部分10b中，上边缘10c位于比下边缘10d更靠近内周侧的位置，而在每个直线部分10a中，上边缘10c位于比下边缘10d更靠近外周侧的位置。这允许减小超导线圈10的上边缘10c的长度与超导线圈10的下边缘10d的长度之间的差。由此，能够抑制在其中超导导线11不容易弯曲(边缘方向弯曲)的方向上施加到超导导线11的力。即，超导导线11的侧表面14和15的倾斜度在弯曲部分10b中逐渐变化以便于抵偿边缘弯曲部件。相应地，由于能够抑制超导导线11的性能的退化，所以能够抑制超导线圈10的性能的退化。
此外，由于弯曲部分10b具有鞍形，所以超导线圈10可沿圆筒表面布置。相应地，当根据本实施例的超导线圈10用在旋转装置中时，能够减小旋转装置的尺寸。
由此，通过根据本实施例的超导线圈10，能够获得第一和第二比较例的以下优点：通过不具有鞍形的第一比较例的跑道状超导线圈20获得的优点，该优点在于能够保持超导特性的优点；以及具有鞍形的第二比较例的优点，该优点在于沿圆筒表面的布置是可能的优点。
(第二实施例)
参照图19至图21，描述了根据本发明的旋转装置的实施例的马达100。如图19所示，马达100包括作为旋转元件的转子110和作为静止元件的定子120。定子120围绕转子110布置。
如图19和图20所示，转子110包括第一实施例的超导线圈10、旋转轴118、转子芯113、转子轴116以及制冷剂117。
转子轴116围绕旋转轴118的外周表面形成，外周表面在旋转轴118的主轴线方向上延伸。转子轴116的外表面具有圆弧形状。转子芯113从转子轴116的与旋转轴118交叉的截面中的中心部分(布置旋转轴118的区域)径向延伸，从而从转子轴116的外周表面突出。超导线圈10每个布置成以便于沿转子轴116的圆弧形外表面围绕转子芯113中的相应的一个。制冷剂117冷却超导线圈10。超导线圈10和制冷剂117布置在隔热容器中。
作为马达100的静止元件的定子120围绕转子110形成。定子120包括第一实施例的超导线圈10、定子轭121、制冷剂127以及定子芯123。
定子轭121围绕转子芯113的外周界。定子轭121的外表面具有圆弧形状。超导线圈10沿定子轭121的圆弧状外表面布置。制冷剂127冷却超导线圈10。超导线圈10和制冷剂127布置在隔热容器中。隔热容器具有在超导线圈10的中心部分中的开口，从而定子芯123的一部分可布置在该隔热容器中。定子芯123布置成围绕超导线圈10并且延伸穿过超导线圈10的中心部分。图21中省略了定子芯123的图示。
在本实施例中，虽然设置了转子110的四个超导线圈10和转子芯113的延伸穿过超导线圈10的中心部分的四个部分，但是可设置任意数目的转子芯113，例如六个、八个或三个转子芯113。同样，在本实施例中，虽然设置了定子120的六个超导线圈10和定子芯123的延伸穿过超导线圈10的中心部分的六个部分，但是可设置任意数目的超导线圈10和定子芯123的部分，例如，四个、八个或三个超导线圈10以及定子芯123的四个、八个或三个部分。
如上所述，作为根据本实施例的旋转装置的马达100包括根据第一实施例的超导线圈10。即，使用性能的退化能够被抑制的超导线圈。由此，能够抑制马达100的性能的退化。此外，由于每个超导线圈10具有鞍形，所以超导线圈10的底部(下边缘)可沿圆筒表面布置。由此，能够减小马达100的尺寸。
在本实施例中，将包括转子110和定子120的马达100描述为旋转装置的示例。但是，根据本发明的旋转装置不限于马达，而是可应用于例如发电机等。
本文所公开的实施例在每个方面均是示例性的且应理解为是非限制性的。应理解本发明的范围不是由前述的实施例限定而是由权利要求的范围限定，并且在权利要求的范围内或在构思上与权利要求的范围等同的任何变型都包含在本发明的范围内。
工业可应用性
本发明优选地用于性能改进的超导线圈和旋转装置，以及超导线圈制造方法。
附图标记列表
10、20、30超导线圈
10a、20a、52a直线部分
10b、20b、52b弯曲部分
10c、20c、52c上边缘
10d、20d、52d下边缘
11超导导线，11a超导材料，11b鞘部分，11c基底，11d中间层，11e超导层，11f稳定化层，12上表面，13下表面，14、15侧表面
51基部，51a圆筒表面，52卷绕框架
100马达，110转子，113转子芯，116转子轴，117、127制冷剂，118旋转轴，120定子，121定子轭，123定子芯
R中心，R10c、R10d距离
引用列表
专利文献
PTL1：日本已审查专利申请公开第7-79048号。

Claims (3)

1.一种鞍形超导线圈，所述鞍形超导线圈通过卷绕超导导线以形成跑道形状来形成，所述超导线圈包括：
弯曲部分；以及
直线部分，所述直线部分连接到所述弯曲部分，
其中，在所述弯曲部分中，上边缘位于比下边缘更靠近内周侧的位置，以及
其中，在所述直线部分中，所述上边缘位于比所述下边缘更靠近外周侧的位置，并且
其中，所述超导线圈的侧表面的倾斜度在所述弯曲部分和直线部分之间逐渐变化，以抵偿边缘弯曲部件，从而所述弯曲部分的上边缘的长度与所述弯曲部分的下边缘的长度相同。
2.一种旋转装置，包括根据权利要求1所述的超导线圈。
3.一种如权利要求1或2所述超导线圈的制造方法，包括如下步骤：
制备具有圆筒表面的基部；
在所述基部的所述圆筒表面上布置跑道状的鞍形卷绕框架；以及
在所述基部的所述圆筒表面上沿着所述卷绕框架卷绕超导导线，
其中，所述卷绕框架具有弯曲部分和连接到所述弯曲部分的直线部分，
其中，在所述弯曲部分中，上边缘位于比下边缘更靠近内周侧的位置；在所述直线部分中，所述上边缘位于比所述下边缘更靠近外周侧的位置。
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