CN104854664A - 具有线圈绕组和触点的超导线圈装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种线圈装置，其具有线圈绕组(25)，该线圈绕组具有至少一个第一和第二带导体(31，32)。两个带导体(31，32)中的每一个都具有带有接触层的接触侧(13)。此外，线圈装置还包括至少一个在第一带导体(31)和第一接触件(19)之间的第一触点(17)以及在第二带导体(32)和第二接触件(23)之间的第二触点(21)，用于将线圈装置与外部的电路连接。在线圈绕组的内部，第一带导体(31)和第二带导体(32)通过在其接触面之间的第三触点(33)电连接。在接触侧朝向线圈绕组的中央的指向方面，第一和第二带导体不同。
Description
技术领域
本发明涉及一种线圈装置，其具有线圈绕组，该线圈绕组由至少两个带导体和用于使线圈装置与外部电路连接的触点构成。
背景技术
在超导机器和超导磁线圈的领域中，公知一种线圈装置，其中，超导的金属线或者带导体缠绕成线圈绕组。对于典型的低温超导体如NbTi和Nb3Sn来说通常使用线状的导体。相反，高温超导体或者高TC超导体(HTS)是具有高于25K的跃变温度的超导材料并且在一些材料等级中高于77K。这种HTS导体典型地以平坦的带导体的形式存在，其具有带状的基带和布置在基带上的超导层。附加地，带导体经常还具有另外的层，如加固层、接触层、缓冲层并且在一些情况中还具有绝缘层。第二代的所谓的HTS导体(2G-HTS)的最重要的材料等级是REBa2Cu3OX类型的化合物，其中RE是一种稀土元素或者这些元素的混合物。
基带典型地或者由钢或者由哈司特镍合金构成。与外部电路的电接触多数情况下通过由铜制成的接触层产生，其中该接触层或者通过超导层单侧地涂覆或者能够作为围绕层包围整个带导体。在这两种实例中有利的是，在上侧、即在基带的一侧上制造触点，该侧承载了超导层。在背侧上、即在基质的背离超导层的一侧上接触时出现较高的接触电阻，这导致较大的电损失并且导致该区域中提高了的冷却需求。
在其中带导体的多个层彼此重叠地放于多个线匝的超导线圈绕组中，通常难以使线圈绕组的两个端部在上侧上接触。在根据标准应用的用于制造盘式绕组的缠绕技术中，通常或者在绕组的内侧上或者是在绕组的外侧上，带导体的上侧靠内地放置。为了还是在带导体的上侧上实现低欧姆的接触，在已知的线圈装置中使用专门设计的接触件，其在带导体的上侧上被推入到绕组中。然而，对于这样的线圈装置来说需要耗费的生产工艺，因为为了确保必要的机械稳定性而必须在该接触件的位置处采取特别的措施。如果使用具有环氧树脂粘结剂的湿式缠绕工艺，那么首先必须使用例如由特氟龙制成的填充件，以便使得待接触的位置没有粘结剂。在去除该填充件之后，为了接触该位置例如能够制造到由铜构成的接触件的焊接连接。然而，因为该触点位于绕组内部，因此为了产生必要的机械稳定性，接触区域必须不利地利用由玻璃纤维加固的塑料和环氧树脂粘结剂制成的绷带来固定。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种超导线圈装置，其避免了上述的缺点。
该目的通过权利要求1所述的线圈装置实现。根据本发明的线圈装置包括至少一个线圈绕组，其具有第一和第二带导体，其中这两个带导体中的每一个都具有带有接触层的接触侧。此外，线圈装置还包括至少一个在第一带导体和第一接触件之间的第一触点以及在第二带导体和第二接触件之间的第二触点，以用于使线圈装置与外部电路连接。在线圈绕组的内部，第一带导体和第二带导体通过在其接触层之间的第三触点电连接。
在接触侧朝向线圈绕组的中央的指向方面，第一和第二带导体不同。在此，开头所述的上侧称为接触侧。
通过在绕组的内侧提供附加的第三触点实现了，在绕组的内部使用带导体。这导致了，在由多个平坦地彼此叠放的线匝构成的简单绕组的情况时，不仅在绕组的内侧而且在绕组的外侧上，具有到超导层的低欧姆接触的带导体侧靠外放置。在此，以形成了线圈绕组的螺旋线圈的中心区域来描述绕组的内侧。在第一带导体的接触层和第二带导体的接触层之间提供第三触点实现了在第一带导体的超导层和第二带导体的超导层之间通过分别相对应的接触层建立特别低欧姆的连接。
通常，避免在超导绕组的内部提供附加触点，因为在这种附加的接触位置中总是有欧姆电阻插入到绕组中。根据本发明的线圈装置的构造基于以下认知，即当外部触点的制造由此被简化时，在绕组内部的这种附加的欧姆式触点仍然是有利的。此外，总体存在的串联电阻甚至下降得低于常规的线圈绕组，因为当在端部处没有必须插入到绕组内部的接触件时，到外部电路的触点能够实施在较大的面上并进而低欧姆地实施。根据本发明的线圈的机械稳定性也是较高的，因为在绕组内部中的附加触点或者能够在以湿法缠绕工艺制造线圈时之间一同粘接或者能够在随后以浇铸材料浇铸线圈时被包封。对附加的接触位置的粘接或者浇铸能够在相同的工艺步骤中、如对剩余的线匝进行粘接或浇铸时进行，从而为了达到相同的机械稳定性而需要比具有在绕组的外端部处的接触件的已知的线圈装置更少的工艺步骤。
根据本发明的线圈装置的有利的设计方案和改进方案由从属权利要求得出。相应地，该线圈装置能够附加地具有以下特征：
第一触点能够布置在第一带导体的背离第一带导体的线匝的一侧上，并且第二触点能够布置在第二带导体的背离第二带导体的线匝的一侧上。
第一触点能够构造在第一接触件与第一带导体的接触侧上的接触层之间，并且第二触点能够构造在第二接触件与第二带导体的接触侧上的接触层之间。
第一触点能够布置在线圈绕组的内侧上，并且第二触点能够布置在线圈绕组的外侧上。利用该设计方案，在绕组装置的两侧上、也就是内侧和外侧上实现了对通至外部电路的两个接触位置的简单触及。如上所述，以绕组装置的内侧来描述螺旋线圈的中央区域。
在第一带导体和第二带导体之间的第三触点能够通过焊接连接来形成。用于制造低欧姆的接触的有利的焊料是铟基焊料。
第三触点的接触电阻能够有利地小于1μOhm，尤其是小于100nOhm。
在第一带导体和第二带导体之间的第三触点能够有利地设计具有1cm至5cm的长度。
线圈装置能够包括用于冷却绕组的冷却装置。这种冷却是适宜的，以确保超导体的运行温度低于跃变温度。在第三触点的区域中，所出现的到冷却装置处的热耦合能够比在绕组的剩余区域中的热耦合更强烈。因为在第三触点的区域中存在欧姆电阻，其在该位置处导致发热。为了使超导的带导体即使在该区域中也保持其运行温度，有利的是，在该位置处实现到冷却装置处的热耦合比在绕组的剩余的内部区域中的热耦合更强烈。在第一和第二触点的该区域中、在相应的绕组端部处，比绕组的内部区域中更强烈的热连接也是适宜的。
线圈装置能够包括超导层。超导层能够包含第二代高温超导体，尤其是ReBa2Cu3Ox。在此，RE是一种稀土元素或者这些元素的混合物。
接触层能够包含铜。同样，第一和第二接触件也能够包含铜。
第一带导体和第二带导体能够分别包括基质，其尤其包括钢和/或哈司特镍合金。
第一和第二带导体也能够在基质的背离超导层的一侧上分别包括接触层和/或在所有侧面上都由接触层包围。即使在基质的背离超导层的一侧上存在接触层时，有利的是，在超导层的一侧上接触带导体，因为在此欧姆电阻下降得比触点必须穿过基带来实现或者围绕带的边缘来实现时更小。
线圈绕组能够设计为盘式绕组、尤其设计为跑道型线圈、直角线圈或者柱形盘式绕组。
线圈装置的线匝能够利用浇铸材料和/或利用粘结剂机械地固定。这对于在其中出现高离心力的电机和发电机中的应用是特别有利的，并且对于在其中出现高洛伦茨力的磁线圈中的应用也是特别有利的。在这两种情况中，浇铸和/或粘接防止线圈绕组有机械负载。
特别是在具有敏感的陶瓷材料的高温超导体的应用中，防止这种机械负载是适宜的。用于浇铸或者粘接线圈绕组的有利材料是环氧树脂材料。
线圈装置能够包括偶数个带导体，其通过奇数个触点彼此连接。如果多于两个带导体通过多于一个触点彼此连接，那么在存在奇数个触点时，仍然能够导致在线圈绕组的长度上的带导体翻转，这又实现了在线圈绕组的端部处的简单接触。
线圈装置也能够包括有多个彼此叠放的层构成的堆叠，其中堆叠的每个层都包括至少两个通过至少一个触点彼此连接的带导体。有利的是，在堆叠的每个层的内部，彼此连接的带导体的数量是偶数并且接触位置的数量是奇数。
附图说明
下面根据两个优选的实施例参考附图说明本发明，其中：
图1示出了超导带导体的示意横截面图，
图2示出了根据现有技术的线圈绕组的示意图，
图3示出了根据第一实施例的线圈绕组的示意图，
图4示出了根据第二实施例的线圈绕组的示意图。
具体实施方式
图1示出了超导带导体1的横截面，其中示意性地示出了层结构。带导体在本实例中包括基带2，其在此是由镍钨合金制成的具有100μm厚度的基带。替代地，也能够使用钢带或者由合金、例如哈司特镍合金制成的带。在基带的上方布置有0.5μm厚的缓冲带4，其在此包含氧化的材料CeO2和Y2O3。其上是实际的超导层6，在此是由YBa2Cu3OX制成的1μm厚的层，其又以50μm厚的由铜制成的接触层8覆盖。代替材料YBa2Cu3OX，也能够使用另外的稀土RE的化合物REBa2Cu3OX。在此，在基带的相对置的一侧上布置有另外的50μm厚的由铜制成的覆盖层10，接下来是绝缘体12，其在本实例中设计成25μm厚的Kapton带。但是绝缘体12也能够由另外的绝缘材料，例如另外的塑料构成。在示出的实例中，绝缘体12的宽度稍微大于带导体1的其余层的宽度，从而在线圈装置的绕组中使得彼此叠放的线匝彼此可靠地绝缘。替代示出的实例可行的是，绝缘带在制造线圈绕组时才作为隔离带缠绕到线圈装置中。当多个带导体平行地缠绕，而其不必彼此绝缘时，这是特别有利的。此时，例如由2至10个彼此叠放的带导体构成的堆叠能够在没有绝缘层的情况下与附加的所嵌入的绝缘带缠绕成共同的线匝。
带导体1的接触有利地通过接触层8实现。因此，带导体1的位于图1上方的一侧也描述为接触侧13。
图2示出了根据现有技术的线圈绕组15的极为简化的示意图。在此，带导体1以两个线匝W1和W2缠绕成线圈绕组15。线匝的数量在此仅仅应示例性地理解。在典型的应用中，线匝的数量通常在10和500之间。在示出的线圈绕组中，带导体1如此缠绕，即接触侧13处于内侧。为了使线圈绕组15与外部电路连接，具有两个接触件19和23的两个触点17，21是必要的。第一触点17在此处于线圈的外侧上，并且第二触点21处于线圈的内侧上。因为带导体1的接触侧13处于内侧，因此在第二触点中实现了在带导体的自由区域中的简单接触。相反，在外侧上，第一触点17由此形成，即第一接触件19被推入到线圈绕组中。在缠绕工艺期间粘接线圈时，该区域必须保持没有粘接剂。在制成第一触点17之后，为确保线圈的机械稳定性还要实现在此并未示出的后续的粘接和/或加固。接触件19，23是典型的实心铜块，其具有大的横截面，以提供用于超导线圈装置的极高的运行电流。由此，插入到绕组中的第一接触件19有大的空间需求，其多数情况下明显大于在图1的示意图中示出的实例。
图3示出了根据本发明的第一实施例的线圈绕组25的极为简化的示意图。在此又仅仅示出了两个线匝W1和W2，其示例性地应该有数量明显更多的线匝，例如在10和500个之间的线匝。线圈绕组25又能够通过两个触点17，21以及接触件19，23与外部电路连接。线圈绕组25包括第一带导体31和第二带导体32，其通过第三触点33彼此连接。第三触点33在该实例中通过在两个带导体的接触侧13之间的焊接连接实现，利用铟基焊料作为焊料。因此，该连接也实现在带导体的接触层8之间。第三触点的接触电阻小于100nOhm。第三触点设计具有3cm的长度。第一和第二带导体的连接导致接触侧13不仅在线圈绕组的内侧而且在外侧都能自由触及。因此，能够以简单的方式实现用于与外部电路的连接的触点17和21。两个触点17和21例如能够通过建立到接触件19和23的焊接连接来获得，而不必将接触件插入到绕组中。为了确保线圈装置的机械稳定性，线圈绕组25能够或者在缠绕线圈时或者在缠绕线圈后利用粘接剂或者浇铸材料来固定。该固定能够在制造外部触点17和21之前或者之后实现。但是，在制造触点之前进行粘接或者浇铸时，必须仅仅保持用于触点17和21的能自由触及的接触面没有粘接剂。
图4示出了根据本发明的第二实施例的线圈绕组的35的极为简化的示意图。在该线圈绕组35中，由两个带导体的层构成的堆叠37被缠绕成线圈。再次仅示例性示出了两个线匝W1和W2，其应该代表更多数量的线匝。同样，在堆叠内部的两个层也应该代表更多数量的层，例如3至10个层。每个层包括第一带导体41，42和第二带导体43，44，其在每个层的内部通过第三触点38，39彼此连接。
第三触点又作为焊接连接实现在相应的带导体41至44的接触侧13上。该连接也实现在带导体的接触层8之间。通过在每个层的内部通过第三触点38，39使第一带导体41，42和第二带导体43，44连接实现了，不仅在线圈绕组的内侧上而且在外侧上对于所有由两个层构成的带导体来说，接触侧13都是能够自由触及的。因此具有第一接触件19的第一触点17和具有第二接触件23的第二接触件19能够类似于第一实施例那样不将接触件插入到绕组中地实现。
在第二实施例中，类似于图1，带导体分别包括基质2，缓冲层4，超导层6，接触层8和覆盖层10。然而，在使用由带导体构成的堆叠时，各个带导体适宜地不包括绝缘层12。为了使绕组彼此绝缘，取而代之的是，在制造线圈时将在此并未示出的，单独的绝缘带嵌入到绕组中。
Claims (15)
1.一种超导的线圈装置，包括：
-至少一个线圈绕组(25)，该线圈绕组具有至少一个超导的第一带导体和超导的第二带导体(31，32)，其中这两个带导体(31，32)中的每一个带导体都具有带有接触层(8)的接触侧(13)，
-以及至少一个在所述第一带导体(31)和第一接触件(19)之间的第一触点(17)和在所述第二带导体(32)和第二接触件(23)之间的第二触点(21)，用于使所述线圈装置与外部的电路连接，
其特征在于，
-在所述线圈绕组(25)的内部，通过在所述第一带导体的和所述第二带导体的相应的所述接触层(13)之间的第三触点(33)使所述第一带导体(31)和所述第二带导体(32)电连接，
-并且在所述第一带导体的和所述第二带导体的所述接触侧(13)的朝向所述线圈绕组(25)的中央的指向方面，所述第一带导体(31)和所述第二带导体(32)不同。
2.根据权利要求1所述的线圈装置，具有所述第一带导体(31)的和所述第二带导体(32)的线匝(W1，W2)，其特征在于，所述第一触点(17)布置在所述第一带导体(31)的背离所述第一带导体(31)的所述线匝(W1)的一侧上，并且所述第二触点(21)布置在所述第二带导体(32)的背离所述第二带导体(32)的所述线匝(W2)的一侧上。
3.根据权利要求1或2所述的线圈装置，其特征在于，所述第一触点(17)构造在所述第一接触件(19)与所述第一带导体(31)的所述接触侧(13)上的所述接触层(8)之间，并且所述第二触点(21)构造在所述第二接触件(23)与所述第二带导体(32)的所述接触侧(13)上的所述接触层(8)之间。
4.根据权利要求1至3所述的线圈装置，其特征在于，所述第一触点(17)布置在所述线圈绕组的内侧上，并且所述第二触点(21)布置在所述线圈绕组(25)的外侧上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的线圈装置，其特征在于，在所述第一带导体(31)和所述第二带导体(32)之间的所述第三触点(33)通过焊接连接形成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述第三触点(33)的接触电阻小于1μOhm，尤其是小于100nOhm。
7.根据前述权利要求中任一项所述的线圈装置，其特征在于，在所述第一带导体(31)和所述第二带导体(32)之间的所述第三触点(33)在1cm至5cm的长度上进行设计。
8.根据前述权利要求中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述线圈装置包括用于冷却绕组的冷却装置，并且在所述第三触点(33)的区域中出现的到所述冷却装置处的热耦合比在所述绕组的剩余区域中的热耦合更强烈。
9.根据前述权利要求中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述带导体(31，32)分别包括超导层(6)，该超导层包括第二代高温超导体，尤其是ReBa2Cu3Ox。
10.根据前述权利要求中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述接触层(8)和/或所述第一接触件(19)和所述第二接触件(23)包含铜。
11.根据前述权利要求中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述第一带导体(31)和所述第二带导体(32)分别包括基质(2)并且在所述基质(2)的背离所述超导层(6)的一侧上还分别包括接触层和/或在所有侧上都由接触层包围。
12.根据前述权利要求中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述线圈绕组(25)设计为盘式绕组、尤其设计为跑道型线圈、设计为直角线圈或者设计为柱形盘式绕组。
13.根据前述权利要求中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述线匝(W1，W2)利用浇铸材料和/或利用粘结剂机械地固定。
14.根据前述权利要求中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述线圈装置包括偶数个所述带导体(31，32)，所述带导体通过奇数个触点(22)彼此连接。
15.根据前述权利要求中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述线圈装置包括由多个彼此叠放的层构成的堆叠(37)，其中，所述堆叠(37)的每个层都包括至少两个通过至少一个所述触点(38，39)彼此连接的所述带导体(41-44)。
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