CN112166480A - 超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明的超导磁体包括缠绕的超导线材。超导线材具有如下的构成部分：基于和缠绕位置相对应的磁通密度的大小的差异，磁通密度相对较小的部分的截面积形成为小于磁通密度相对较大的部分的截面积。

Description

超导磁体

技术领域

本发明涉及一种超导磁体，其通过将超导线材缠绕为线圈来产生磁场。

背景技术

在超导磁体中，为了使超导磁体的轴向的中心磁场均匀，需要将通过缠绕超导线材而形成的多个线圈分散地布置在超导磁体的轴向和径向上。在现有的超导磁体中，使用带状的超导线材形成每个线圈(例如，参照专利文献1)。在这种情况下，在整个超导磁体中，超导线材的宽度在超导线材延伸的方向上是恒定的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平4-188706号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，当将每个线圈布置在超导磁体的轴向和径向上时，由于磁通密度导致超导线材的负载率根据每个线圈的位置而显著不同。这里，相对于临界电流的工作电流来表示负载率。在专利文献1中记载的超导磁体中，超导线材的宽度在整个超导磁体上是恒定的。因此，在超导线材的负载率较小的部分会有过大的线材宽度，从而导致超导线材被浪费地使用。因此，期望通过消除这种不必要的超导线材来抑制超导磁体的制造成本。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的是提供一种能够抑制制造成本的超导磁体。

用于解决技术问题的技术手段

本发明的超导磁体包括缠绕的超导线材，超导线材具有如下的构成部分：基于和缠绕位置相应的磁通密度的大小差异，磁通密度相对较小的部分的截面积形成为小于磁通密度相对较大的部分的截面积。

发明效果

本发明的超导磁体通过根据负载率改变超导线材的宽度，能减少不必要的超导线材，并且能有效地利用超导线材。因此，能抑制超导磁体的制造成本。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的超导磁体的包含局部剖视图的立体图。

图2是示出图1的超导线材的剖视图。

图3是示出连接两个超导线材的状态的厚度方向的剖视图。

图4是示出本发明的实施方式2的超导磁体的超导线材的剖视图。

图5是示出连接线圈的状态的示意图。

图6是示出本发明的实施方式3的超导磁体的超导线材的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。在每个附图中，相同或相应的部分用相同的标号表示，并且省略重复的说明。

实施方式1

图1是表示本发明的实施方式1的超导磁体的包含局部剖视图的立体图。这里，剖视图示出了包括由图1中的箭头R表示的超导磁体1的径向和由图1中的箭头Z表示的超导磁体1的轴向的平面。在下面的说明中，将箭头R表示的超导磁体1的径向表示为径向R，并且将箭头Z表示的超导磁体1的轴向表示为轴向Z。

该实施方式1的超导磁体1包括缠绕成串的超导线材10。超导磁体1具有六个线圈101至106。六个线圈101至106沿轴向Z层叠。

六个线圈101至106分别是扁平线圈，并且通过将超导线材10分别缠绕成圆形而形成。在该示例中，超导线材10在各线圈101至106中分别缠绕三圈。六个线圈101至106各自的超导线材10彼此连接成一串。例如，线圈101的超导线材10的一端部连接到线圈102的超导线材10的一端部。

这里，说明超导线材的种类。作为超导线材，有低温超导线材和高温超导线材。作为高温超导线材，有REBCO线材(由含有稀土元素的氧化铜超导体构成的线材，下文中称为薄膜线材)和铋基线材。薄膜线材和铋基线材都是带状线材。薄膜线材具有用于通过蒸镀等形成超导层的衬底，但是铋基线材没有衬底。在该示例中，使用薄膜线材。

超导线材10的垂直于长边方向的面的形状是具有宽度和厚度的矩形形状。超导线材10以厚度方向为径向R的方式缠绕。超导线材10的厚度为例如几十μm至几百μm。

在超导线材10的径向R的外侧设有传导冷却板60。传导冷却板60冷却超导线材10。超导线材10和传导冷却板60收纳在圆筒形的支架70中。

图2是示出图1的超导线材的剖视图。在图2中，省略了传导冷却板60的记载。超导线材10的宽度是轴向Z上的长度。在六个线圈101至106中，四个线圈101、102、105和106分别由具有第二宽度d2的第二线材部12构成。两个线圈103和线圈104分别由具有第一宽度d1的第一线材部11构成。两个第一线材部11在轴向Z上设置在第二线材部12的中心侧，即，被第二线材部12夹在中间。在超导线材10中，具有相同宽度的第一线材部11彼此之间、具有相同宽度的第二线材部12彼此之间、以及具有不同宽度的第一线材部11和第二线材部12连接成串。

这里，第一宽度d1小于第二宽度d2。第一线材部11中的超导线材10的厚度与第二线材部12中的超导线材10的厚度相同。因此，每个第一线材部11的第一截面积S1小于每个第二线材部12的第二截面积S2。

图3是示出连接两个超导线材的状态的厚度方向的剖视图。在该示例中，两个超导线材81和82分别沿着图3的箭头T所示的厚度方向具有绝缘带805、衬底800、中间层801、作为超导体的超导层802、保护层803、稳定层804和绝缘带805。从衬底800到稳定层804被绝缘带805缠绕。稳定层804例如由铜形成。超导线材82作了上下颠倒。

当连接两个超导线材81和82时，首先剥离各自的绝缘带805的一部分，从而露出稳定层804。接着，使各自的稳定层804彼此相对并通过例如焊料来进行连接。然后，用例如绝缘带覆盖连接的部分，从而保护连接的部分。如果超导线材是带状的，则不限于使用上述说明的结构。

在超导线材82连接到超导线材81的一侧的相反侧，超导线材是从图3的下侧连接到超导线材82。因此，每当连接超导线材82时，超导线材82是正反对调的。为了使相邻线圈具有相同的磁通方向，相邻线圈的缠绕方向彼此相反。

接下来，说明超导磁体1的作用。当线圈中的磁通密度较低时，构成该线圈的超导线材的临界电流变大。而且，流过串联连接的线圈的电流是恒定的。因此，构成具有小磁通密度的线圈的超导线材的负载率小于构成具有大磁通密度的线圈的超导线材的负载率。也就是说，具有如下关系：当磁通密度变大时，负载率增加，并且当磁通密度变小时，负载率降低。

当多个线圈在超导磁体的轴向上层叠时，轴向中心侧的线圈中的磁通密度小于轴向两端侧的线圈中的磁通密度。因此，在超导磁体的轴向上，构成中心侧线圈的超导线材的负载率小于构成两端侧线圈的超导线材的负载率。当超导线材的负载率小时，即使减小超导线材的截面积，超导线材也能在保持超导状态的同时使电流在超导线材中流动。

在图2所示的示例中，六个线圈101至106在超导磁体1的轴向Z上层叠。在超导磁体的轴向Z上，两个第一线材部11设置在比四个第二线材部12更靠中心侧。也就是说，缠绕第一线材部11的轴向Z中心部的磁通密度小于缠绕第二线材部12的轴向Z两端部的磁通密度。因此，第一线材部11的负载率小于第二线材部12的负载率。

因此，通过减小第一线材部11中的第一宽度d1，使第一线材部11中的第一截面积S1小于第二线材部12中的第二截面积S2。因此，不仅能减少超导线材的使用量和重量，而且能有效地利用超导线材。因此，能抑制超导磁体的制造成本。此外，能制造在轴向上小型化的超导磁体。

这里，第一线材部11的第一截面积S1在超导线材10的截面积中是最小的，并且第二线材部12的第二截面积S2在超导线材10的截面积中是最大的。因此，具有最小截面积的第一线材部11设置在比具有最大截面积的第二线材部12更靠近超导磁体1的轴向的内侧。因此，能抑制超导磁体的制造成本。

在本实施方式1中，说明了超导线材10具有截面积不同的两种线材部的情况，但是当超导线材10具有截面积不同的三种以上线材部时，也可以获得相同的效果。

这里，根据超导线材的种类，说明与截面积的大小相关的磁通密度的分量。当超导线材是低温超导线材时，由于当磁通密度的绝对值小时超导线材的临界电流变大，因此能减小超导线材的截面积。

另一方面，当超导线材是高温超导线材时，当缠绕有超导线材的超导磁体的径向上的磁通密度的分量小时，超导线材的临界电流变大，从而能减小超导线材的截面积。这是因为在高温超导线材的情况下，磁场特性具有各向异性。

在本实施方式1中，超导线材10是高温超导线材。因此，超导线材10的截面积能根据磁通密度在超导磁体1的径向分量而改变。第一线材部11缠绕在磁通密度在超导磁体1的径向分量相对较小的轴向Z内侧，第二线材部12缠绕在磁通密度在超导磁体1的磁通密度的径向分量相对较大的轴向Z外侧。因此，在第一线材部11中，超导线材10的截面积、即超导线材10的宽度减小。

根据本实施方式1的超导磁体，与缠绕有超导线材的位置相对应的磁通密度相对较小的部分的超导线材的截面积小于磁通密度相对较大的部分的超导线材的截面积。更具体地，由于磁通密度相对较小的部分的负载率变小，因此使用超导线材的垂直于长边方向的面的截面积较小的超导线材。结果，neng减少不必要的超导线材，并且能有效地利用超导线材，能抑制超导磁体的制造成本。

根据该实施方式1的超导磁体，超导线材的宽度是变化的。这里，与超导线材的厚度相比，超导线材的宽度更容易改变。结果，通过根据磁通密度的差异使用不同宽度的超导线材，能容易地抑制超导磁体的制造成本。

根据本实施方式1的超导磁体，截面积最小的线材部设置在比截面积最大的线材部更靠超导磁体的轴向内侧。轴向内侧的磁通密度小于外侧的磁通密度。其结果能抑制超导磁体的制造成本。

实施方式2

接着，利用图4对实施方式2的超导磁体进行说明。在实施方式1中，说明了超导线材的宽度在轴向Z上改变的结构。在实施方式2中，说明在径向R上改变超导线材的宽度的结构。

图4是示出本发明的实施方式2的超导磁体的超导线材的剖视图。该实施方式2的超导磁体包括一连串的超导线材20。该超导磁体具有三个扁平线圈即线圈201、线圈202和线圈203。三个线圈201至203沿轴向Z层叠。

在三个线圈201至203中，超导线材20分别呈螺旋状地缠绕六圈。各线圈201至203在超导磁体的径向R上，从径向外侧起分别具有第一线材部21、中间线材部22和第二线材部23。在每个线圈201至203中，第一线材部21、中间线材部22和第二线材部23分别缠绕两圈。在各个线圈之间，第一线材部21、中间线材部22和第二线材部23连接而成串。

第一线材部21的第一宽度d1小于中间线材部22的宽度dm。中间线材部22的宽度dm小于第二线材部23的第二宽度d2。因此，第一线材部21的第一宽度d1小于第二线材部23的第二宽度d2。无论线圈的位置在哪，超导线材20的厚度都是恒定的。因此，第一线材部21中的超导线材20的厚度与第二线材部23中的超导线材20的厚度相同。因此，第一线材部21的第一截面积S1小于第二线材部23的第二截面积S2。

图5是示出连接线圈的状态的示意图。在图5中，层叠的各个线圈201至203排列成平面状。在每个线圈201至203中，为了使超导磁体的磁力线方向为一个方向，超导线材20在超导磁体的同一圆周方向上进行缠绕。线圈之间的连接部较短则更能节省线材。因此，各个线圈201至203中的相邻线圈之间，在最内周和最外周中的任一个彼此之间进行连接。

例如，考虑将超导线材的一端设置在线圈201的第二线材部23上，并且线圈201中的超导线材从径向R的内侧朝向径向R的外侧逆时针缠绕的情况。在这种情况下，如图5中的虚线所示，线圈201的最外周的第一线材部21连接到线圈202的最外周的第一线材部21。线圈202从第一线材部21从径向R的外侧朝向径向R的内侧逆时针缠绕。如图5中的虚线所示，线圈202的最内周的第二线材部23连接到线圈203的最内周的第二线材部23。线圈203从径向R的内侧朝向径向R的外侧逆时针缠绕。

在这种情况下，如果将线圈201设为左旋的缠绕方向，则线圈202为右旋的缠绕方向，缠绕方向相反。线圈201为左旋的缠绕方向。因此，在线圈之间的连接时，每个线圈的缠绕方式是右旋和左旋交替的。每个线圈的缠绕方式和线圈之间的连接部不限于此。然而，为了使超导磁体中的磁通的方向恒定，线圈之间的缠绕方式是交替的。

第一线材部21、中间线材部22和第二线材部23之间的连接，即，线圈中的超导线材的连接以及线圈之间的超导线材的连接采用实施方式1中所述的每个连接部都是正反对调的结构。

接着，对该实施方式2中的超导磁体的作用进行说明。当超导线材螺旋缠绕在一个线圈上时，线圈径向外侧的磁通密度小于线圈径向内侧的磁通密度。因此，在超导磁体的径向R上，构成外侧线圈的超导线材的负载率小于构成内侧线圈的超导线材的负载率。

当超导线材的负载率小时，即使超导线材的截面积减小，超导线材也能在保持超导状态的同时使电流在超导线材中流动。因此，在图3中，在超导磁体的径向R上，外侧的第一线材部21的第一宽度d1、中间线材部22的宽度dm和内侧的第二线材部23的第二宽度d2之间的关系为d1＜dm＜d2。因此，能抑制超导磁体的制造成本。

第二线材部21的第一截面积S1在超导线材20的截面积中是最小的，并且第二线材部23的第二截面积S2在超导线材20的截面积中是最大的。因此，具有最小截面积的第一线材部21设置在比具有最大截面积的第二线材部23更靠近超导磁体1的径向外侧。因此，能抑制超导磁体的制造成本。

根据本实施方式2的超导磁体，与缠绕有超导线材的位置相对应的磁通密度相对较小的部分的超导线材的截面积小于磁通密度相对较大的部分的超导线材的截面积。更具体地，由于磁通密度相对较小的部分的负载率变小，因此使用超导线材的垂直于长边方向的面的截面积较小的超导线材。结果，能减少不必要的超导线材，有效地利用超导线材，并且能抑制超导磁体的制造成本。

根据本实施方式2的超导磁体，具有小线材宽度的线材部设置在超导磁体的径向的外侧。径向外侧的磁通密度小于径向内侧的磁通密度。结果，线材宽度能根据磁通密度而改变。

根据本实施方式2的超导磁体，截面积最小的线材部设置在比截面积最大的线材部更靠超导磁体的径向外侧。径向外侧的磁通密度小于内侧的磁通密度。结果，能抑制超导磁体的制造成本。

实施方式3

接着，利用图6对实施方式3的超导磁体进行说明。在实施方式1中，说明了超导线材的宽度小的线材部设置在超导磁体的轴向中心侧的情况。在实施方式2中，说明了超导线材的宽度小的线材部设置在超导磁体的径向外侧的情况。在该实施方式3中，对同时适用这些实施方式1以及2中的各个配置结构的情况进行说明。

图6是示出本实施方式3的超导磁体的超导线材的剖视图。该实施方式3的超导磁体包括一连串的超导线材30。在该实施方式3的超导磁体中，三级线圈301、302和303沿着超导磁体的轴向Z进行层叠。超导线材30螺旋状地缠绕在各个线圈301、302和303上。线圈303具有与线圈301相同的结构。在该示例中，线圈303的结构与线圈301的结构相同，但可以不同。

线圈301和线圈303从超导磁体的径向R的外侧起分别具有外侧线材部31、中间线材部32和内侧线材部33。在线圈301和303中，外侧线材部31、中间线材部32和内侧线材部33都分别缠绕两圈。外侧线材部31的宽度d3小于中间线材部32的宽度dm1。中间线材部32的宽度dm1小于内侧线材部33的宽度d4。因此，外侧线材部31的宽度d3小于内侧线材部33的宽度d4。因此，外侧线材部31的截面积S3小于内侧线材部33的截面积S4。

线圈302从超导磁体的径向R的外侧起具有外侧线材部34、中间线材部35和内侧线材部36。在线圈302中，外侧线材部34、中间线材部35和内侧线材部36分别缠绕两圈。外侧线材部34的宽度d5小于中间线材部35的宽度dm2。中间线材部35的宽度dm2小于内侧线材部36的宽度d6。因此，外侧线材部34的宽度d5小于内侧线材部36的宽度d6。因此，外侧线材部34的截面积S5小于内侧线材部36的截面积S6。

在线圈301和线圈302中，能沿着轴向Z观察线圈301和线圈302。例如，线圈302的外侧线材部34的宽度d5小于线圈301的外侧线材部31的宽度d3。因此，线圈302的外侧线材部34的截面积S5小于线圈301的外侧线材部31的截面积S3。

同样，线圈302的内侧线材部36的宽度d6小于线圈301的内侧线材部33的宽度d4。因此，线圈302的内侧线材部36的截面积S6小于线圈301的内侧线材部33的截面积S4。

这里，当穿过线圈301到线圈303观察超导线材30时，线圈302的外侧线材部34的截面积S5在超导线材30的截面积中是最小的，并且线圈301的内部线材部33的截面积S4在超导线材30的截面积中是最大的。因此，线圈302的外侧线材部34是第一线材部，并且截面积S5是第一截面积。此外，线圈301的内侧线材部33是第二线材部，并且截面积S4是第二截面积。线圈302的外侧线材部34比线圈301的内侧线材部33更靠近超导磁体的轴向内侧，并且设置在超导磁体的径向外侧。因此，能抑制超导磁体的制造成本。

根据本实施方式3的超导磁体，与缠绕有超导线材的位置相对应的磁通密度相对较小的部分的超导线材的截面积小于磁通密度相对较大的部分的超导线材的截面积。更具体地，由于磁通密度相对较小的部分的负载率变小，因此使用超导线材的垂直于长边方向的面的截面积较小的超导线材。结果，能减少不必要的超导线材，有效地利用超导线材，并且能抑制超导磁体的制造成本。

根据本实施方式3的超导磁体，截面积最小的线材部设置在比截面积最大的线材部更靠超导磁体的轴向内侧。轴向内侧的磁通密度小于外侧的磁通密度。结果，能抑制超导磁体的制造成本。

根据本实施方式3的超导磁体，截面积最小的线材部设置在比截面积最大的线材部更靠超导磁体的径向外侧。径向外侧的磁通密度小于径向内侧的磁通密度。结果，能抑制超导磁体的制造成本。此外，由于截面积最小的线材部也设置在比截面积最大的线材部更靠近超导磁体的轴向内侧，因此与实施方式1和实施方式2相比，可以进一步抑制超导磁体的制造成本。

另外，在实施方式1至3中，对使用高温超导线材的情况进行了说明，但是即使使用低温超导线材，也能得到与实施方式1至3的情况相同的效果。这里所说的高温超导体是指相变温度超过作为液氮温度的77K的超导体。

另外，在实施方式1至3中说明的内容是示出实施方式的例子，并不限定于此。例如，每个线圈中的超导线材的匝数不限于两圈或三圈。此外，尽管说明了使用扁平线圈作为线圈的情况，但是也可以是在轴向上缠绕超导线材的方法。尽管说明了超导线材10、20和30的厚度在超导线材的长度方向上是恒定的情况，但是厚度可以不是恒定的。

标号说明

1超导磁体、10、20、30超导线材、11、21第一线材部、12、23第二线材部、33内侧线材部(第二线材部)、34外侧线材部(第一线材部)、d1第一宽度、d2第二宽度、R箭头(径向)、S1、S5第一截面积、S2、S4第二截面积、Z箭头(轴向)。

Claims (6)

1.一种超导磁体，其特征在于，

包括缠绕的超导线材，

所述超导线材具有如下的构成部分：基于和缠绕位置相对应的磁通密度的大小的差异，所述磁通密度相对较小的部分的截面积形成为小于所述磁通密度相对较大的部分的截面积。

2.如权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，

所述超导线材具有两个以上的线材部，所述两个以上的线材部包括缠绕在所述磁通密度相对较小的部分上的第一线材部和缠绕在所述磁通密度相对较大的部分上的第二线材部，

所述第一线材部中的所述超导线材的垂直于长边方向的面的第一截面积小于所述第二线材部中的所述超导线材的垂直于长边方向的面的第二截面积。

3.如权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，

所述超导线材的垂直于长边方向的面的形状是具有宽度和厚度的矩形形状，

所述第一线材部中的所述超导线材的第一宽度小于所述第二线材部中的所述超导线材的第二宽度。

4.如权利要求2或3所述的超导磁体，其特征在于，

所述超导线材是高温超导线材，

所述第一线材部缠绕在所述磁通密度的超导磁体径向分量相对较小的部分，

所述第二线材部缠绕在所述磁通密度的超导磁体径向分量相对较大的部分。

5.如权利要求2至4中任一项所述的超导磁体，其特征在于，

所述第一截面积在所述超导线材的截面积中是最小的，

所述第二截面积在所述超导线材的截面积中是最大的，

所述第一线材部设置在比所述第二线材部更靠近超导磁体的轴向内侧。

6.如权利要求2至5中任一项所述的超导磁体，其特征在于，

所述第一截面积在所述超导线材的截面积中是最小的，

所述第二截面积在所述超导线材的截面积中是最大的，

所述第一线材部设置在比所述第二线材部更靠近超导磁体的径向外侧。

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