CN1172327C - 限制故障电流的超导线圈 - Google Patents

Abstract

一种超导线圈(10)包括一第一超导体(18)，由一各向异性超导材料制成，用于为平行于线圈(10)纵向轴线的各磁场提供一低损失磁场特征量，以及一第二超导体(22)，具有用于垂直于线圈(10)纵向轴线的各磁场的一低损失磁场特征量。第一超导体(18)具有一正常状态电阻性特征量，用于在超导磁力线圈(10)经受某一电流故障的情况下提供电流限制。

Description

限制故障电流的超导线圈

技术领域

本发明涉及超导磁力线圈。

背景技术

一超导体的重要特性是，当其冷却到一临界温度Tc以下时其电阻消失。在Tc以下并对于一给定的超导体，存在一最大电流量-称作此超导体的临界电流(Ic)-可由此超导体在一特定的磁场和温度下载送。超过Ic的任何电流会导致在超导体中出现电阻。如果超导体嵌置在一种导电基体之中或与之共同缠绕，则基于超导体中出现电阻，在超导体与基体材料之间会分配任何在Ic以上的增量电流。

超导材料通常划分为或是低或是高温超导体。高温超导体(HTS)，诸如由陶瓷或金属氧化物制成的那些，一般是各向异性的，指的是，相对晶体结构来说，在一个方向上要比另一个方向上导电良好。此外，已经观察到，由于这种各向异性特征，临界电流依赖于磁场相对于超导材料各结晶轴线的取向而变化。各向异性高温超导体包括，但并不限于，铜-氧-基陶瓷超导体一族，诸如稀土-铜-氧化物族(YBCO)、铊-钡-钙-铜-氧化物族(TBCCO)、汞-钡-钙-铜-氧化物族(HgBCCO)，以及铋-锶-钙-铜-氧化物族(BSCCO)。这些化合物可以搀入以化学计量数量的铅或其他材料以改善品性(比如，(Bi，Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀)。

各向异性高温超导体往往制成状为一超导带条，具有较高的宽厚比(亦即宽度大于厚度)。此薄带条制成为多纤维复合超导体，包括各个超导纤维，它们延伸达到基本上多纤维复合超导体的全长并由一种形成基体的材料(比如银)予以围绕。超导材料对形成基体材料的比例称作“填充因数”并大体上小于50％。虽然形成基体的材料是导电的，但并不是超导的。超导纤维与形成基体材料一起构成了多纤维复合导电体。

高温超导体可以用来制作诸如电磁线圈之类的超导磁力线圈、粒子轨道磁铁、组合磁铁等等，其中超导体都缠绕成一线圈形状。当线圈的温度足够低以致HTS导电体能存在于一超导状态之中时，电流载送能力以及由线圈生成的磁场大小显著地增大。

高温超导体已经用作电流限制装置以限制由比如短路、闪电猝击，或通常功率波动所造成的在电气系统中过度电流的流动，HTS电流限制装置可以具有多种不同的结构，包括电阻式和电感式的电流限制器。

发明内容

本发明的特征在于一超导体磁力线圈，后者具有一第一超导体，由一各向异性超导材料制成，用于提供一为平行于线圈纵向轴线的各磁场所特有的低损失磁场，以及一第二超导体，具有一为垂直于线圈纵向轴线的各磁场所特有的低损失磁场(比如，当施用的磁场的取向垂直于一超导带条的宽面时，相反的情况是，当此磁场平行于这一宽面)。

在各项实施例中，第一超导体具有一有助于在超导磁力线圈经受一种电流故障的情况下形成电流限制的正常状态电阻性特征量。

在本发明的一般方面，第一超导体围绕线圈的纵向轴线缠绕并由一种各向异性超导材料制成，后者在正常操作状态下具有一第一电阻性特征量；以及一第二超导体，围绕线圈的纵向轴线缠绕并连接于第一各向异性超导体，在正常操作状态下具有一第二电阻性特征量，小于在正常状态下第一各向异性超导体的电阻性特征量。

在其他各项优点之中，第一超导体具有一电阻性特征量，以致，假如它失去它的超导特性(比如，由于电流的增大)并返回到它的正常导电状态，则第一超导体会以电阻方式限制流经线圈的电流，借以防止对它本身、第二超导体和其他连接于超导磁力线圈的各部件的损害。因而，在一种应用场合中，超导磁力线圈在某一电流故障的情况下可通过限制流经线圈的电流一段足以允许一断路器被启动或一熔断器被烧毁的时间而提供可靠的保护，借以防止对于超导线圈和系统的其他各部件的进一步的电流流动和潜在的灾难性损坏。在正常的超导作用下，线圈具有低损失，允许较大的电流处理能力。

在本发明的另一方面，一第一各向异性超导体围绕线圈的纵向轴线缠绕，并制成为一超导带条，此第一各向异性超导体设计得在存在平行于超导带条宽面的各磁场时可提供一较低的AC损失特征量；以及一第二超导体，不同于第一各向异体超导体，第二超导体围绕线圈的纵向轴线缠绕和连接于第一各向异性超导体的一端并设计得在存在垂直于第一各向异性超导体超导带条宽面的各磁场时可提供一较低的AC损失特征量。

本发明的上述各方面的一些实施例可以包括一或多项以下特点。

第二超导体连接于第一各向异性超导体的一端并设计得在存在垂直的各磁场时可提供一较低的AC损失的特性。第二超导体是一种各向异性材料并状为一种带条。

第一各向异性超导体是一种单一形式(亦即，状为一单纤维或一组相隔很近的多纤维，后者以电气方式完全彼此耦联，从而起到一单纤维的作用)。另外，单一形式的第一各向异性超导体带条包括一多纤维复合超导体，具有各个超导体纤维，它们伸过多纤维复合超导体的全长。此多纤维复合超导体在其正常状态下具有一电阻性特征量在一大约0.1至100μΩ-cm，最好是5至100μΩ-cm之间的范围之内。

第一各向异性超导体也可以状为一超导带条并一般地具有在一大约5∶1至1000∶1的范围之内的某一宽厚比。第一各向异性可以包括一背衬板条，由一种热稳定剂制成，它具有一大于大约1μΩ-cm的电阻性特征量。

第二各向异性超导体可以是一带条，具有多纤维复合超导体，带有各个超导纤维，它们伸过多纤维复合超导体的全长并由一形成基体的材料围绕。

第一和第二各向异性超导体可以以一种成层的形式缠绕。另外，第一和第二各向异性超导体制成一些单个或成双的饼状线圈，每一线圈以电气方式连接于一相邻的线圈。

在另外一项实施例中，第一和第二各向异性超导体以一种“成片配置”的方式缠绕，在这种配置下，第一各向异性超导体的一第一分段沿着纵向轴线在一第一方向上伸向第二各向异性超导体并在一第一交接点处连接于第二各向异性超导体的一第一分段的一第一端部。第一分段的一第二端部连接于第一各向异性超导体的一第二分段，此第二分段沿着纵向轴线在一第二方向上伸离第二各向异性超导体。

第一和第二各向异性超导体是高温超导体。

在某些实施例中，第二超导体在一大约5％至30％的范围之内构成线圈超导体总量的一部分，例如，10％。

在某些实施例中，第一超导体构成线圈超导体总量的50％以上。

附图说明

其他一些优点和特点将从以下说明和各项权利要求中得到明显的了解。

图1是具有各“饼”状线圈的本发明一超导线圈的一截面侧视图；

图2是具有各“饼状”线圈的图1超导线圈的一截面侧视图；

图3是与图1超导线圈的一中心区域相联系的超导带条的一侧视图；

图4是具有一成层的热背衬层的图3超导带条的一侧视图；

图5是与图1超导线圈的各端部区域相联系的一多纤维复合导电体的一截面视图；

图6是一用于图5多纤维复合导电体的一多股电缆的一放大透视图；

图7是本发明另一超导线圈的一透视图；

图8是本发明另一超导线圈的一部分的截面侧视图；

图9是具有本发明的一超导线圈的一变压器的一部分的截面侧视图；

图10是一图线，表明RMS径向线圈场强对于轴向线圈长度百分数的依赖关系。

具体实施方式

参见图1，一以机械方式增强的高性能超导线圈总成5包括一铁芯6和一超导线圈8，后者具有一中心区域11和各端部区域14。下面将更为详细地说明，用于制成中心区域11的超导材料具有的特征不同于用于制成各端部区域14的。特别是，中心区域11制有一导电体18(图3)，在其超导状态下具有较低的损失的特征量，但在其正常状态下具有较高的电阻性特征量，以致中心区域11用作线圈总成10的一电流限制区段。因而，在一电流故障的情况下，导电体18返转到其正常的非超导状态，其延续时间是以防止线圈总成10由于过热而受损。在电流被导电体限制在其正常状态下的时间期间，一断路器或熔断器可以用来断开电路而防止进一步的电流流动。

各端部区域14由一导电体22(图5)构成，后者，不象中心区域11的导电体18，设计得在存在垂直的各磁场时可提供一较低的AC损失特征量。导电体22以此方式设计，是因为在各端部区域14处从超导磁力线圈总成10的磁场磁力线相对于导电体22的平面(导电体平面平行于超导带条的宽面)成为垂直的，导致在这些区域处的临界电流强度显著下降。事实上，临界电流当磁场相对于导电体平面垂直取向时达到最小值。

参看图2，在一项实施例中，一超导线圈10包括中心区域11和端部区域14，制有相互连接的成双“饼状”线圈12a，12b。中心区域11在此表明具有7个分立的成双饼状区段12a和每一端部区域14表明具有一单一“饼状”区段12b。每一成双“饼状”线圈12a，12b具有并行缠绕的各共缠绕超导体，随后共轴线地彼此上下叠放，使相邻的各线圈由一绝缘层16隔开。

一内支承管筒17支承中心区域11和各端部区域14的各线圈，而各端部构件20装接于内支承管筒17的对置两端以压紧中心区域11和各端部区域14的各线圈。内支承管筒17和各端部构件20由一种电气上绝缘的、非磁性材料，诸如铝或塑料(比如G-10)予以制作。

参看图3，导电体18的每一成双饼状线圈12a由一种HTS各向异性超导体予以制作，后者成形为一种薄带条，允许导电体围绕较小的各直径被弯曲并允许增大线圈的缠绕密度。一种采用这类超导带条制作成双各饼状超导线圈的方法在转让给本受让人的美国专利5,531,015之中有所说明，在此引入作为参考。导电体18较长并具有较大的宽厚比，在大约5∶1与1000∶1之间的范围之内。对于由BSCCO族制成的各种超导带条，宽厚比范围一般在大约5∶1与20∶1之间，而对于由YBCO族制成的各种带条，宽厚比范围一般在大约100∶1与1000∶1之间，典型的是400∶1。导电体18是单一形式的，意指HTS各向异性超导体状为一单纤维15或一组相隔很近的以电气方式完全彼此耦联并起到一种单行维作用的多纤维。此单一形式的导电体18并不以与各端部区域14处的导电体22同样的方式起作用并提供一较低的AC损失特征量，因为各磁场沿着中心区域11的轴线基本上是平行的。

单一形式的导电体18可以是一稀土铜氧化物族(YBCO)材料，诸如在Cima等人的美国专利第5,231,074号中所说明的那些，此专利标题是“从MOD先质溶液中制备高度优先取向的氧化物超导体薄膜”，在此引入作为参考。另外，导电体18可以由其他的Cu-O基的陶瓷超导体制成，诸如铋-锶-钙-铜-氧化物族(BSCCO)，一般它状为一种复合物，各个超导纤维由一种形成基体的材料围绕。这种复合超导带条说明在美国专利第5,531,015号之中。

参看图4，导电体18成层于一种比如由不锈钢、镍或其他适当合金制成的热稳定背衬板条19上。由于导电体18之中的电阻热可能很大，背衬板条19用作一散热器以保持导电体18的温度在一安全水平之内，同时还形成一条用于电流流经线圈总成10的高阻通路。背衬板条19具有一大于大约10μΩ-cm的电阻性特征量。当导电体18由YBCO材料制成时，基本上所有的电流都流经背衬板条19。另一方面，在使用一种复合超导材料的场合下(比如由BSCCO制成)，电流也能够流经此复合体的基体材料，后者具有的电阻性特征量在一大约0.1至100μΩ-cm之间的范围之内。

各端部区域14也由一种高温超导体制成，但属于一种不同于用以缠绕中心区域11的材料。虽然可以使用各种各向同性超导材料，但在许多应用场合下，优先使用诸如BSCCO类复合超导体这样的各向异性超导体。

参看图5和6，各端部区域14不具有一种单一形式。而是，导电体22是一薄带条24，由一种多纤维复合超导体制成，后者具有各个超导纤维27，伸过基本上多纤维复合导电体的全长并由一种形成基体的材料28围绕，此材料一般是银或另一贵重金属。在其他各项实施例中，方向一定的多纤维的各股可以组合起来并最好是比如以示于一多股电缆28(图6)图例之中的方式予以扭绞。对于在存在各垂直磁场时提供一较低的AC损失特征量来说，扭铰多纤维的各股并用一种具有一较高电阻性特征量的基体材料隔开它们，是很重要的。适合用于制成导电体22的有关各类超导体及其制作方法的细节在共同待决的申请第08/444,554号中有所说明，此申请于1995年5月19日由G.L.Snitchler；G.N.Riley；Jr.，A.P.Malozemoff and C.J.Christopherson等人提出，标题是“使超导氧化物复合器件中纤维耦联损失最小化的新颖结构和制造方法”，转让给本受让人，并引入作为参考。其他各种超导体和它们的制作方法也在共同待决的申请第08/554,814号中有所说明，此申请于1995年11月7日由G.L.Snitchler，J.M.Seuntiens，W.L.Barnes和G.N.Riley等人提出，标题是“含有各向异性超导化合物的各种成缆的导电体及其制作方法”，转让给本受让人，并引入作为参考。第08/719,987号，于1996年9月25日提出，标题为“高温超导复合体中各超导纤维的解除耦联”，转让给本受让人，并引入作为参考，也说明了非常适合于导电体22的超导线材的制造方法。

在某些应用场合下，各超导纤维和形成基体的材料包封在绝缘层30之中。当超导材料制成为一种带条时，临界电流在一施加的磁场的取向垂直于带条宽面时往往较低，与在磁场平行于此宽面时相反。各端部区域14的导电体22在其正常状态下具有的电阻性特征量小于中心区域11的导电体18所具有的具有的电阻性特征量。

再次参见图2，由各短节诸如银的导电金属34组成的各电气接头在一串联电路中把各个线圈接合或联接在一起。各个线圈也可以使用导电焊料连接起来。在某些应用场合下，各短节联接材料可以由超导材料制成。一节超导材料(未画出)也可把线圈总成10的一端连接于一位于端部构件20上的终端短柱，以便向线圈总成10供应电流。电流假定在一反时针方向上流动，磁场矢量26大体上正交于端部构件18(在纵向轴线31方向上)，后者构成线圈总成10的顶部。

虽然以上结合图2所述的实施例采用了各饼状线圈，但其他各种缠绕配置也处在各项权利要求的范围之内。比如，参见图7，一超导线圈40包括一中心区域42，以成层配置缠以一种由一各向异性超导材料制成的带条44。在一成层配置中，带条44沿着线圈40的纵向轴线46从线圈40的一端缠起，挨着前面的绕匝缠绕接续的各绕匝，直至达到线圈44的对置端部为止，借以构成线圈的一第一层。带条44随后沿着轴线46在相反方向上回缠而盖住线圈的第一层。这种缠绕方法一直重复到所需的圈数缠到线圈40上为止。各端部区域48可以以上面结合图2所述的方式缠绕成一单一或成双的饼式线圈，或者可以以一种成层配置予以缠绕。各端部区域48使用金属或焊料接头连接于中心区域42。

参见图8，在另一实施例中，一超导线圈50包括一中心区域52，由以一种成层配置缠绕的高温各向异性超导材料制成。不过，不象图3的线圈40，中心区域50都是由各节54a、54b和54c的高温各向异性超导材料制成的。每节54a、54b和54c都在各端部区域56处联接(使用焊料或导电金属接点)于具有较低电流密度导电体的相应各节58a、58b和58c高温各向异性超导材料。

参见图9，一超导变压器60包括一低电压(高电流)线圈62和一高电压(低电流)线圈64，各自围绕铁芯(未画出)缠绕和缠在各聚合物筒状心轴66上。在此实施例中，低电压线圈62具有4层，而高电压线圈64具有20层。每一线圈62、64被包容在一装有液氮的深冷容器之内(未画出)，使各铁芯被保持在室温之下，以致由消散在各铁芯中的能量所生成的热量不被传入深冷容器。与上述相结合，低电压线圈62和高电压线圈64二者分别地包括各中心区域66、68，用于形成电流限制，以及各端部区域70、72，用于在各端部区域处存在垂直磁场时保持低AC损失性能。

取决于特定应用场合，每一变压器设计可以具有不同的超导体配置用于各中心区域66、68和各端部区域70、72。在一额定为30MVA的变压器实施例中，各端部区域70、72包括24圈(每端12)的导电体，而51圈的电流限制导线提供给各中心区域66、68。

参见图10，即一标绘图，图示RMS径向线圈场强(Tesla单位)与线圈轴向长度百分数的依赖关系，此图表明，径向磁场在线圈的中心区域处几乎不存在，而在各端部区域处急剧增强。因而，状为单一形式导线的电流限制导线一般只配置在各中心区域66、68之中，此处径向磁场很弱。

在以下表格中，表明带有和不带各低损失端部区域的一变压器的性能对比。一具有带导电体22的各端部区域14的变压器可以用一种较低长(度)(直)径比导线予以制作以稍微降低AC损失。示于表1中的低长径比单体情况在端部绕匝的长径比方面具有一大约为4的变化因子。因而，对于某些应用场合，变压器可以包括一具有一低长径比的单体的导电器22。

参数	高电压，    低电压，  单位
		额定电流额定电压圈数层数总圈数/层	157         787       安培110         20        仟伏1500        30020475          75
AC圈数/层DC圈数/层	24          2451          51
		性能最大径向场强最大轴向场强AC加热不带AC导电体AC加热带有AC导电体AC加热带有一低长径比	0.033       0.150      特斯拉0.240       0.240      特斯拉7.2         15.0 毫瓦/安培-米1.7         1.7  毫瓦/安培-米5.7         10.2 毫瓦/安培-米

单体代替AC各圈

Claims (23)

1.一种超导磁力线圈，用于生成沿着此线圈的纵向轴线变化的磁场，所述线圈包括：

第一各向异性超导体，该第一各向异性超导体围绕线圈的纵向轴线缠绕，并且该第一各向异性超导体被制成为具有宽面的超导带条；

第二超导体，不同于第一各向异性超导体并围绕线圈的纵向轴线缠绕，其特征在于，所述第一各向异性超导体设计得在存在平行于此超导带条宽面的各磁场时可提供第一AC损失特征量，所述第二超导体连接于第一各向异性超导体的一端并设计得在存在垂直于第一各向异性超导体的超导带条宽面的各磁场时可提供第二AC损失特征量，第二AC损失特征量小于第一AC损失特征量。

2.按照权利要求1所述的超导磁力线圈，其中第二超导体是由一种各向异性超导材料制成的。

3.按照权利要求2所述的超导磁力线圈，其中第一各向异性超导体的超导带条是单体形式。

4.按照权利要求3所述的超导磁力线圈，其中单体形式的第一各向异性超导带条状为单纤维超导体。

5.按照权利要求3所述的超导磁力线圈，其中具有单体形式的第一各向异性超导带条，包括多纤维复合超导体，具有延伸过此多纤维复合超导体全长的多个超导纤维。

6.按照权利要求5所述的超导磁力线圈，其中多纤维复合超导体在其正常状态下具有在10至50μΩ-cm之间的范围之内的电阻性特征量。

7.按照权利要求1所述的超导磁力线圈，其中超导带条具有在200∶1与500∶1之间的范围之内的宽厚比。

8.按照权利要求1所述的超导磁力线圈，其中超导带条包括由一种热稳定剂制成的背衬板条。

9.按照权利要求8所述的超导磁力线圈，其中背衬板条具有大于10μΩ-cm的电阻性特征量。

10.按照权利要求1所述的超导磁力线圈，其中第二超导体制成为超导带条。

11.按照权利要求10所述的超导磁力线圈，其中第二各向异性超导体的超导带条包括多纤维复合超导体，具有各个超导纤维，它们延伸过多纤维复合超导体的全长并由一种形成基体的材料围绕。

12.按照权利要求11所述的超导磁力线圈，其中第二各向异性超导体的各个超导纤维是扭绞的。

13.按照权利要求1所述的超导磁力线圈，其中第一各向异性超导体以一种成层的形态缠绕。

14.按照权利要求1所述的超导磁力线圈，其中第一各向异性超导体形成为饼状线圈，每一线圈在电气上连接于相邻线圈。

15.按照权利要求14所述的超导磁力线圈，其中第一各向异性超导体形成为双饼状线圈。

16.按照权利要求1所述的超导磁力线圈，其中第二超导体缠绕成饼状线圈。

17.按照权利要求13所述的超导磁力线圈，其中第二超导体缠绕成饼状线圈。

18.按照权利要求13所述的超导磁力线圈，其中第二超导体是各向异性超导体，并且该第二各向异性超导体缠绕成饼状线圈。

19.按照权利要求1所述的超导磁力线圈，其中第一各向异性超导体的第一分段在第一方向上沿着纵向轴线伸向第二超导体并在第一交接处连接于第二超导体的第一分段的第一端部，而第二超导体的第一分段的第二端部连接于第一各向异性超导体的第二分段，所述第一各向异性超导体的第二分段在与第一方向相反的第二方向上远离第二超导体延伸。

20.按照权利要求1所述的超导磁力线圈，其中第一各向异性超导体和第二超导体是高温超导体。

21.按照权利要求1所述的超导磁力线圈，其中第一超导体构成线圈超导体总量的体积上的50％以上。

22.按照权利要求1所述的超导磁力线圈，其中第二超导体构成线圈超导体总量在体积上的5％与30％之间的范围内。

23.按照权利要求22所述的超导磁力线圈，其中第二超导体构成线圈超导体总量的体积上的10％。

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