CN103189937A

CN103189937A - 高温超导线圈

Info

Publication number: CN103189937A
Application number: CN2011800533655A
Authority: CN
Inventors: W.尼克; M.P.乌门
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2013-07-03
Also published as: KR20130138231A; KR101887714B1; US9048015B2; DE102010040272A1; EP2601660A1; US20130172196A1; DE102010040272B4; JP2013539338A; WO2012031790A1; JP6270479B2

Abstract

本发明提供一种高温超导（HTS）线圈（1），其具有至少一个含有超导材料的线圈绕组（2）以及用于所述线圈绕组（2）的线圈架（3），其中将线圈绕组（2）或者线圈架（3）设计成，使得它们在高温超导（HTS）线圈（1）从室温冷却到高温超导（HTS）线圈（1）的工作温度时，为了避免或者减小线圈绕组（2）中含有的超导材料（沿圆周方向）发生纵向凝聚而能够抵抗线圈绕组（2）的热收缩。

Description

高温超导线圈

技术领域

本发明涉及一种尤其用于电机，例如电动马达或者发电机的转子极的高温超导（HTS）线圈。

背景技术

可以将高温超导（HTS）线圈应用于电机转子的励磁线圈，此时它们从室温被冷却到工作温度。在工作温度时，线圈绕组的HTS导体中含有的超导材料将发挥其超导性能。其中转子被安装在轴上。高温超导线圈的冷却，在此通过例如一种空心轴实现。旋转电机的转子具有多个极，极上的绕组通过空心轴冷却，从而使高温超导（HTS）线圈冷却到相应的工作温度。

目前，大多习惯性地采用“第一代”（1G-HTS）高温超导体。这种带状导体大多为几毫米宽的，而只有极小部分是1毫米厚的。它们包含在1G-HTS的颗粒状的HTS陶瓷（例如BiSrCaCuO）的丝极中，被埋置在银基底里，其中以所谓的粉末管方法进行制造。利用这种导体，不需要特别的措施来避免凝聚（Kompression）。

最近有了“第二代”HTS带状导体（2G-HTS）。这种“第二代”HTS带状导体（2G-HTS）按照一种“coated conductor”的结构以涂覆法进行制造。将HTS陶瓷材料，例如YBaCuO薄膜，涂覆在柔性的可绕制的基底材料上，例如一种适用于低温的带材以及可高度延伸的铁合金（钢，例如Hastelloy）或者还可以是一种镍钨合金上。或许，2G-HTS带材在涂覆超导膜之前的制造工序还包含一个或者多个中间层。为了平抑过电流，导体可以在一侧或者两侧配备铜。

与1G-HTS导体相比，2G-HTS所作的预期改进尤其是更高的电流密度，更好的机械性能，能更自由地选取导体材料和几何形状。

在应用于线圈时，（1G或者2G）HTS带状导体通常被电绝缘体包围，并且为了机械地固定，整个儿（浸渍）埋置到树脂中。因为HTS线圈的用途在于产生磁场，使劳伦茨力随后作用于单个的HTS带状导体。

当高温超导（HTS）线圈从室温冷却到高温超导（HTS）线圈的工作温度时，将出现线圈绕组沿径向方向和圆周方向的热收缩。这种热收缩明显大于HTS导体自由的不受阻碍的收缩，因为在制造线圈时使用的浸渍树脂（大多为环氧树脂），具有例如从300K降到30K时为1.4%、明显高于由基底、HTS涂层和铜组成的HTS导体所具有的从300K降到30K时大约为0.3%的收缩值。线圈绕组的这种收缩，导致线圈绕组中含有的超导材料沿导体纵向（圆周方向）发生凝聚。如果以传统的方法制造由2G-HTS材料组成的线圈，那么一旦纵向凝聚超过某种程度，线圈绕组中含有的超导材料的超导性能将发生不可逆转的退化。2G-HTS导体中的陶瓷薄膜，比1G-HTS导体中由多个单独的颗粒组成的丝极更经受不起这种凝聚。

发明内容

因此本发明所要解决的技术问题是，提供一种高温超导（HTS）线圈，在所述线圈中能够最大限度地避免由热收缩而致的超导性能的退化。

该技术问题按照本发明通过一种具有在权利要求1中所述特征的高温超导（HTS）线圈加以解决。

本发明提供一种高温超导（HTS）线圈，其具有：

至少一个由HTS带状导体组成的含有超导材料的线圈绕组以及用于所述线圈绕组的线圈架；

其中将线圈绕组或者线圈架或者两者设计成，使得它们在高温超导（HTS）线圈从室温冷却到HTS线圈的工作温度时，能够抵抗线圈绕组的热收缩，以便以此避免或者减小线圈绕组中含有的超导材料发生纵向凝聚（圆周方向）。

在按照本发明的高温超导（HTS）线圈的一种可能的实施形式中，线圈架由下列材料组成，即，在冷却到高温超导（HTS）线圈的工作温度时，所述材料的热收缩小于没有线圈架时线圈绕组的热收缩。实例还将进行图示说明。

在按照本发明的高温超导（HTS）线圈的一种可能的实施形式中，用较高的绕制拉力来绕制线圈绕组。

在按照本发明的高温超导（HTS）线圈的一种可能的实施形式中，线圈架由一种具有大于

的弹性模量(E)的材料组成，或者将线圈架设计得尤其坚固，例如实心的。

在按照本发明的高温超导（HTS）线圈的一种可能的实施形式中，用于线圈绕组的带状导体具有一种涂覆在基底材料上的超导的HTS陶瓷导膜，在冷却到高温超导（HTS）线圈的工作温度时，该基底材料的热收缩小于HTS陶瓷导膜的热收缩。

在按照本发明的高温超导（HTS）线圈的一种可能的实施形式中，带状导体具有被埋置在浸渍材料中的电绝缘的绝缘外壳，其中在冷却到高温超导（HTS）线圈的工作温度时，所述绝缘外壳或者浸渍材料的热收缩尤其小，例如小于环氧树脂约为1.4%的收缩。在按照本发明的高温超导（HTS）线圈1的另一种可能的实施形式中，浸渍材料为此具有由金属氧化物组成的颗粒，以便能够抵抗线圈绕组2的热收缩。这种金属氧化物例如是氧化铝。

在按照本发明的高温超导（HTS）线圈的一种可能的实施形式中，将线圈架和线圈绕组设计成与磁极铁心的形状相匹配的环形。具体的在下面进一步加以图示说明。

在按照本发明的高温超导（HTS）线圈的一种优选的实施形式中，使所述高温超导（HTS）线圈在低于80开尔文的工作温度下运行。

本发明此外还提供一种电机的转子，其具有至少一个极，在所述极上分别安装至少一个高温超导（HTS）线圈，其中所述高温超导（HTS）线圈具有：

至少一个由HTS带状导体组成的含有超导材料的线圈绕组；

用于所述线圈绕组的线圈架；

其中将线圈绕组或者线圈架或者有利地将两者设计成，使得它们在高温超导（HTS）线圈从室温冷却到HTS线圈的工作温度时，能够抵抗线圈绕组的热收缩，以便以此避免或者减小线圈绕组中含有的超导材料发生纵向凝聚（圆周方向）。

在按照本发明的电机转子的一种可能的实施形式中，磁极铁心能够各自抵抗安装在其上的高温超导（HTS）线圈的热收缩。

附图说明

接下来参照附图，对按照本发明的高温超导（HTS）线圈的可能的实施形式加以说明。

附图中：

图1表示用于图示说明按照本发明的高温超导(HTS)线圈的一种可能的实施形式的立体视图；

图2表示用于图示说明具有增大的线圈架横截面的按照本发明的高温超导(HTS)线圈的另一种实施形式的立体视图；

图3表示按照本发明的高温超导(HTS)线圈的一种可能的实施形式的详细立体视图。

具体实施方式

如从图1中可以看出的那样，高温超导（HTS）线圈1具有至少一个安装在线圈架3上的线圈绕组2。所述线圈绕组2含有超导的材料。在一种可能的实施形式中，线圈绕组2由一种（1G-HTS或者2G-HTS）HTS带状导体的线匝组成，所述HTS带状导体本身具有涂覆在可绕制的基底材料上的超导的HTS陶瓷导膜以及其它的层和外侧包围的绝缘层/浸渍层。所述超导的HTS陶瓷导膜，可以例如是一种由YBaCuO组成的导膜。在图1中表示的高温超导（HTS）线圈1，为了运行而从室温被冷却到高温超导（HTS）线圈1的工作温度。

在一种可能的实施形式中，使高温超导（HTS）线圈1在低于80开尔文的工作温度下运行。在高温超导（HTS）线圈1从室温冷却到工作温度时，将发生线圈绕组2的热收缩。在按照本发明的高温超导（HTS）线圈1中，将线圈绕组2或者线圈架3或者两者设计成，使得它们在高温超导（HTS）线圈1从室温冷却到HTS线圈1的工作温度时，能够抵抗线圈绕组的热收缩，以便以此避免或者减小线圈绕组2中含有的超导材料发生纵向凝聚（圆周方向）。

在一种可能的实施形式中，将线圈绕组2以及线圈架3设计成，使得它们能够抵抗线圈绕组2的机械收缩。在一种可能的实施形式中，只将线圈架3设计成，使得它能够抵抗线圈绕组2的热收缩。在高温超导（HTS）线圈1的另一种可能的实施形式中，仅仅将线圈绕组2设计成，使得它能够抵抗本身的热收缩或者避免或减小由此引起的超导材料的纵向凝聚（圆周方向）。

在按照本发明的高温超导（HTS）线圈1的一种实施形式中，线圈架3由一种在冷却到HTS线圈1的工作温度时其热收缩小于没有线圈架时线圈绕组2的热收缩的材料组成。所述线圈架3因而优选由一种具有尽可能小的热收缩的材料组成。为了保证HTS线圈1的内线匝或者绕组所需的散热，在一种可能的实施形式中，可以给线圈架3配备一种具有热传导能力的外壳，例如由薄铜板组成的外壳。这种外壳优选由具有高热传导能力的材料组成。此外，线圈架3还可以具有一种组合式或者多层次的结构，所述组合式或者多层次的结构被由具有高热传导能力的材料组成的外壳所包围。

在一种可能的实施形式中，线圈架3由一种在圆周方向以玻璃纤维强化的塑料材料（GFK）组成。作为替代方式，线圈架3也可以由钢组成，尤其由钢4340组成。这种钢在从约300开尔文的室温冷却到低至30开尔文的工作温度时，仅仅具有0.21%的热收缩。此外，线圈架3还优选由一种具有较小的弹性，也就是具有较高弹性模量E的材料组成。在一种可能的实施形式中，线圈架3由一种其弹性模量E大于

的材料组成。

此外，在一种可能的实施形式中，线圈架3还可以具有一种比在绕制过程中为了达到预先设定的机械稳定性而至少必需的材料横截面大的材料横截面。图2示范性地示出一种按照本发明的HTS线圈1的实施形式，在所述实施形式中，线圈架3具有比图1增大的材料横截面，因而更加坚固并且允许使用升高了的绕制拉力。

将如在图1或图2中示出的HTS线圈1，安装在例如电机转子的磁极铁心上。线圈架3和线圈绕组2在此与磁极铁心的形状相匹配，也就是说，将它们设计成如在图1、2中所表示的那样，例如跑道式的环形。在图1、2中表示的孔4，被电机转子的磁极铁心完全填满。如果在HTS线圈1从室温冷却到工作温度时，磁极铁心的收缩少于裸露的线圈绕组的收缩，则磁极铁心决定了线圈绕组的热收缩，并且进而决定了包含在其中的HTS陶瓷的纵向凝聚。在一种可能的实施形式中，因此将高温超导（HTS）线圈1直接安装到各个磁极铁心上，从而使得磁极铁心的铁或者钢可以抵抗HTS陶瓷发生的纵向凝聚。在这种实施形式中，将线圈构造在坚固得刚好只够进行绕制工序的支架上。随后将线圈绕组2和对应的线圈架3热装或者借助于精确的配合安装在经预加工的转子的磁极铁心上。在高温超导（HTS）线圈1工作时冷却期间出现的机械力，则由磁极铁心承担。所述磁极铁心具有较小的热收缩且以这种方式阻止线圈绕组2中含有的HTS陶瓷发生纵向凝聚（圆周方向）。通过使高温超导（HTS）线圈1以及附属的磁极铁心与冷却系统良好地连接，阻止了高温超导（HTS）线圈1比附属的磁极铁心更快地冷却。

在一种可能的（未示出的）实施形式中，线圈架3是一种实心的线圈架，所以具有很大的横截面并且因此具有较高的机械稳定性，以便承担绕制力。

在按照本发明的高温超导（HTS）线圈1的另一种可能的实施形式中，以比在1G-HTS带状导体上由于其局部较小的机械强度而通常使用的绕制拉力更高的绕制拉力，制造由2G-HTS带状导体组成的线圈绕组2。因为2G-HTS带状导体可以提供不同的宽度供使用，所以常常标明单位导体宽度上的绕制拉力。此时得出总的绕制拉力F_W为单位宽度上的绕制拉力乘以HTS带状导体的宽度。例如可以有利地以单位宽度上的绕制拉力至少为25N/cm，即30N的绕制拉力加工12mm宽的HTS带状导体。由此使按照本发明的HTS线圈1具有相应较高的预张紧力。所述预张紧力从单位导体上的绕制拉力，例如30N与线圈绕组的线匝数n的乘积中得出。总的预张紧力FV如下面这样得出：

F_V=2x n x F_W，

其中n是线圈绕组2的线匝数，而F_W是单位导体的绕制拉力。

按照本发明的高温超导（HTS）线圈1优选具有由2G-HTS带状导体组成的线圈绕组，在所述线圈绕组的基底材料上涂有超导的HTS陶瓷导膜。这种具有2G-HTS（“coated conductors”）的线圈绕组，目前允许高达几百N/cm的明显更高的单位导体宽度上的绕制拉力F_W。在按照本发明的HTS线圈1的一种可能的实施形式中，单位导体宽度上的绕制拉力F_W为大于50N/cm直至100N/cm或者更高。按照本发明成型的线圈架3，在不出现不允许的变形的情况下，可以承受明显更高的绕制拉力F_W。如果在这种实施形式中，线圈绕组2是在机械的预张紧力作用下进行绕制，那么在HTS线圈1冷却到工作温度时引起的热收缩，首先会降低这种沿圆周方向的机械的预张紧力。只有当这种机械的预张紧力被完全消除时，才会出现线圈绕组2中含有的超导材料发生异常的纵向凝聚。在一种优选的实施形式中，使线圈绕组2在升高了的绕制拉力F_W下这样进行绕制，即，使得在绕制线圈绕组期间，线圈绕组的绕制拉力由内向外持续地减小。

图3表示按照本发明的高温超导（HTS）线圈1的另一种实施例的详细视图。线圈绕组2具有大量绕制的线圈线匝，所述线圈线匝在图3中用点划线表示。由HTS带状导体组成的绕制的线圈线匝，与对应成型的线圈架3相匹配。在这种布置结构中，也可以显示出按照本发明的HTS线圈1的上述的有利的方面。

在图3中表示的线圈架3，优选由下列材料组成，即，在冷却到工作温度时，所述材料的热收缩小于在线圈绕组2中所使用的材料的热收缩。线圈架3例如由一种玻璃纤维强化的塑料材料或者由钢，尤其4340钢组成。线圈绕组2的线圈线匝，优选以较高的绕制拉力F_W进行绕制，因而存在相应较高的预张紧力。在本实施形式中，使线圈绕组2的内线匝，以较高的绕制拉力进行绕制，所述较高的绕制拉力在绕制工序进程中被减小。单位导体宽度上开始时的绕制拉力，在此可以是100N/cm以上，其中所述绕制拉力在绕制进程中例如几乎线性地减小到25N/cm以上的绕制拉力。在图3中表示的高温超导（HTS）线圈1，可以是一种被安装到旋转电机转子的磁极铁心上的所谓的HTS跑道型线圈。

按照本发明的高温超导（HTS）线圈1，优选被设计用于某个工作温度区域，尤其在低于80K或者约30K时运行。按照本发明的高温超导（HTS）线圈1的设计结构，不局限于在图1-图3中所表示的实施形式。例如，在一种可能的实施形式中，可以将多个高温超导（HTS）线圈1设置在一个线圈架3上。此外，在一种可能的实施形式中，还可以将线圈绕组2以一种夹层结构设置在两个线圈架3之间。由此提高线圈架的总横截面。此外，如果将多个高温超导（HTS）线圈1，如在图1-图3中所表示的那样安装到转子的共同的磁极铁心上，也是可以的。此外，按照本发明的高温超导（HTS）线圈1，不局限于在图1-图3中所示出的环形，还可以具有与电机转子的设计相应的其它形状，例如椭圆形状或者设计成具有圆形棱角的矩形。此外，不必将按照本发明的高温超导（HTS）线圈1，如在图1、图3中所表示的那样，设计成扁平的，而可以设计成例如与圆柱表面相匹配的。

在另一种可能的实施形式中，可用传感器检测线圈绕组2的热收缩且呈报给控制装置。如果所述热收缩超出了例如预先设定的临界值，可以触发消息，以便对线圈绕组2中含有的超导材料可能出现的凝聚危害以及与之相关的超导性能的损害进行报警。

Claims

1.一种高温超导（HTS）线圈（1），具有：

（a）至少一个含有超导材料的线圈绕组（2）；以及具有

（b）用于所述线圈绕组（2）的线圈架（3）；

（c）其中将线圈绕组（2）或线圈架（3）设计成，使得它们在高温超导（HTS）线圈（1）从室温冷却到高温超导（HTS）线圈（1）的工作温度时，为了避免或者减小线圈绕组（2）中含有的超导材料的纵向凝聚而能够抵抗线圈绕组（2）的热收缩。

2.按照权利要求1所述的高温超导（HTS）线圈，其中线圈架（3）由在高温超导（HTS）线圈（1）冷却到工作温度时，其热收缩小于没有线圈架时线圈绕组（2）沿圆周方向的热收缩的材料组成。

3.按照权利要求1或2所述的高温超导（HTS）线圈，其中线圈架（3）由借助于玻璃纤维强化的塑料材料组成。

4.按照权利要求1或2所述的高温超导（HTS）线圈，其中线圈架（3）由钢组成。

5.按照权利要求4所述的高温超导（HTS）线圈，其中线圈架（3）由4340钢组成。

6.按照权利要求1至5中任一项所述的高温超导（HTS）线圈，其中线圈架（3）具有外壳，所述外壳由具有高导热能力的材料，尤其铜组成。

7.按照权利要求1至6中任一项所述的高温超导（HTS）线圈，其中线圈架（3）由具有大于

的弹性模量（E）的材料组成。

8.按照权利要求1至7中任一项所述的高温超导（HTS）线圈，其中线圈架（3）具有的材料横截面大于在绕制过程中为了达到机械稳定性而起码必须具备的横截面。

9.按照权利要求1至7中任一项所述的高温超导（HTS）线圈，其中线圈架（3）是实心的线圈架。

10.按照权利要求1至7中任一项所述的高温超导（HTS）线圈，其中线圈绕组（2）以大于25N/cm的单位HTS带状导体宽度上的绕制拉力进行绕制，并且具有相应较高的预张紧力。

11.按照权利要求10所述的高温超导（HTS）线圈，其中单位HTS带状导体宽度上的绕制拉力，大于50N/cm直至100N/cm以上。

12.按照权利要求1至11中任一项所述的高温超导（HTS）线圈，其中由HTS带状导体组成的线圈绕组（2），具有尤其由YBaCuO组成的涂覆在基底材料上的超导的HTS陶瓷导膜，在冷却到HTS线圈（1）的工作温度时，所述基底材料的热收缩小于HTS陶瓷导膜的热收缩。

13.按照权利要求1至12中任一项所述的高温超导（HTS）线圈，其中HTS带状导体具有埋置在浸渍材料中的电绝缘的绝缘外壳，其中，在冷却到HTS线圈（1）的工作温度时，绝缘外壳的热收缩小于浸渍材料的热收缩。

14.按照权利要求13所述的高温超导（HTS）线圈，其中浸渍材料具有比环氧树脂的热收缩小的热收缩。

15.按照权利要求14所述的高温超导（HTS）线圈，其中浸渍材料具有由金属氧化物，尤其由氧化铝组成的颗粒。

16.按照权利要求10至15中任一项所述的高温超导（HTS）线圈，其中将线圈架（3）和线圈绕组（1）设计成与磁极铁心的形状相匹配的环形。

17.按照权利要求1至16中任一项所述的高温超导（HTS）线圈，其中使所述高温超导（HTS）线圈（1）在低于80开尔文（K）的工作温度下运行。

18.按照权利要求1至17中任一项所述的高温超导（HTS）线圈，其中这样绕制线圈绕组（2），即，使得在绕制线圈绕组（2）期间，绕制拉力由内向外持续地减小。

19.一种具有多个磁极铁心的电机转子，在所述磁极铁心上分别安装至少一个按照权利要求1至18中任一项所述的高温超导（HTS）线圈（1）。

20.按照权利要求19所述的电机的转子，其中磁极铁心分别能够抵抗安装在其上的高温超导（HTS）线圈（1）的热收缩。