DE112010005678T5

DE112010005678T5 - Supraleitende Spule, Rotationsvorrichtung und Herstellungsverfahren für eine supraleitende Spule

Info

Publication number: DE112010005678T5
Application number: DE112010005678T
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Shinzato; Yutaka Komatsu; Takeshi Ariyoshi; Hitoshi Oyama; Takeshi Baba
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2013-05-23
Also published as: KR20130088024A; US20130090244A1; CN102948054A; CN102948054B; US8886266B2; WO2011161743A1

Abstract

Es werden eine supraleitende Spule und eine Rotationsvorrichtung, deren Leistungsverhalten verbessert wird, und ein Herstellungsverfahren für eine supraleitende Spule bereitgestellt. Eine supraleitende Spule 10 ist eine sattelförmige supraleitende Spule, die durch Wickeln eines supraleitenden Drahtes zu einer stadionovalartigen Form gebildet wird. Die supraleitende Spule enthält einen gekrümmten Abschnitt 10b und einen geraden Abschnitt 10a, der mit dem gekrümmten Abschnitt 10b verbunden ist. In dem gekrümmten Abschnitt 10b ist eine Oberkante 10c näher an einer Innenumfangsseite positioniert als eine Unterkante 10d, und in dem geraden Abschnitt 10a ist die Oberkante 10c näher an einer Außenumfangsseite positioniert als die Unterkante 10d.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Spule, eine Rotationsvorrichtung und ein Herstellungsverfahren für eine supraleitende Spule.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine supraleitende Spule, die durch Wickeln eines supraleitenden Drahtes gebildet wird, ist bereits offenbart worden (zum Beispiel in der japanischen geprüften Patentanmeldungsschrift Nr. 7-79048 (Patentliteratur (PTL) 1)). PTL 1 offenbart ein Verfahren zum Verbinden sattelförmiger supraleitender Magnetspulen. PTL 1 offenbart das Verbinden der sattelförmigen supraleitenden Magnetspulen durch Übereinanderlegen einer Innenschichtspule und einer Außenschichtspule, wobei die Innen- und die Außenschichtspule gebildet werden, indem supraleitende Drähte mit voneinander verschiedenen Querschnittsmaßen gewickelt und die Innen- und die Außenschichtspule in Reihe geschaltet werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Da die supraleitenden Spulen gemäß der oben beschriebenen PTL 1 sattelförmig ausgebildet werden, sind die unteren Seiten der Spulenenden (gekrümmte Abschnitte) gekrümmt. Bei dieser Struktur können die unteren Seiten der supraleitenden Spulen entlang einer zylindrischen Fläche angeordnet werden, und dementsprechend können die sattelförmigen supraleitenden Spulen entlang der zylindrischen Fläche angeordnet werden.
Um aber die sattelförmigen supraleitenden Spulen zu bilden, müssen die supraleitenden Drähte jeweils so gewickelt werden, daß die Unterseite des Spulenendes gekrümmt ist. Es gibt eine Richtung, in der sich der supraleitende Draht leicht biegen läßt (über die flache Seite), und eine Richtung, in der sich der supraleitende Draht nur schwer biegen läßt (über die Kanten). Um die sattelförmigen supraleitenden Spulen herzustellen, die in der oben beschriebenen PTL 1 offenbart wurden, müssen die supraleitenden Drähte in der Richtung gebogen werden, in der sich die supraleitenden Drähte nur schwer biegen lassen. Wenn die supraleitenden Drähte in der Richtung gebogen werden, in der sich die supraleitenden Drähte nur schwer biegen lassen, so verschlechtert sich das Leistungsverhalten der supraleitenden Drähte. Darum gibt es bei den in der oben beschriebenen PTL 1 offenbarten supraleitenden Spulen das Problem, daß sich das Leistungsverhalten der supraleitenden Spulen verschlechtert.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer supraleiten Spule und einer Rotationsvorrichtung, deren Leistungsverhalten verbessert wird, und eines Herstellungsverfahrens für eine supraleitende Spule.
Lösung des Problems
Eine supraleitende Spule gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine sattelförmige supraleitende Spule, die durch Wickeln eines supraleitenden Drahtes zu einer stadionovalförmigen Form gebildet wird. Die supraleitende Spule enthält einen gekrümmten Abschnitt und einen geraden Abschnitt, der mit dem gekrümmten Abschnitt verbunden ist. In dem gekrümmten Abschnitt ist eine Oberkante näher an einer Innenumfangsseite positioniert als eine Unterkante und die Oberkante in dem geraden Abschnitt ist näher an der Außenumfangsseite positioniert als die Unterkante.
Bei der supraleitenden Spule gemäß der vorliegenden Erfindung ist der supraleitende Draht so gewickelt, daß die Oberkante in dem gekrümmten Abschnitt näher an der Innenumfangsseite positioniert ist als die Unterkante und die Oberkante in dem geraden Abschnitt ist näher an der Außenumfangsseite positioniert als die Unterkante. Dadurch kann der Unterschied zwischen den Längen der Oberkante und die Unterkante verringert werden. Das heißt, das Anlegen einer Kraft an den supraleitenden Draht in einer Richtung, in der sich der supraleitende Draht nur schwer biegen läßt (ein Biegen über die Kante), kann vermieden werden. Und weil eine Verschlechterung des Leistungsverhaltens des supraleitenden Drahtes vermieden werden kann, kann dementsprechend eine Verschlechterung des Leistungsverhaltens der supraleitenden Spule vermieden werden.
Eine Rotationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die oben beschriebene supraleitende Spule. Die Rotationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet mit der supraleitenden Spule, bei der eine Verschlechterung des Leistungsverhaltens vermieden werden kann. Das heißt, es kann eine Verschlechterung des Leistungsverhaltens der Rotationsvorrichtung vermieden werden. Weil darüber hinaus die supraleitende Spule eine Sattelform hat, kann der untere Abschnitt (die Unterkante) der supraleitenden Spule entlang einer zylindrischen Fläche der Rotationsvorrichtung angeordnet werden. Das heißt, es kann die Größe verringert werden.
Ein Herstellungsverfahren für eine supraleitende Spule gemäß der vorliegenden Erfindung enthält folgende Schritte: Herstellen einer Basis mit einer zylindrischen Fläche, Anordnen eines stadionovalartigen Wickelrahmens mit einer Sattelform auf der zylindrischen Fläche der Basis, und Wickeln eines supraleitenden Drahtes auf die zylindrische Fläche der Basis entlang des Wickelrahmens. Der Wickelrahmen hat einen gekrümmten Abschnitt und einen geraden Abschnitt, der mit dem gekrümmten Abschnitt verbunden ist. In dem gekrümmten Abschnitt ist eine Oberkante näher an einer Innenumfangsseite positioniert als eine Unterkante, und die Oberkante in dem geraden Abschnitt ist näher an der Außenumfangsseite positioniert als die Unterkante.
Bei dem Herstellungsverfahren für eine supraleitende Spule gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Wickeln des supraleitenden Drahtes auf die zylindrische Fläche der Basis eine Sattelform gebildet werden. Der supraleitende Draht wird entlang des Wickelrahmens gewickelt, bei dem – in dem gekrümmten Abschnitt – die Oberkante näher an der Innenumfangsseite positioniert ist als die Unterkante und die Oberkante in dem geraden Abschnitt näher an der Außenumfangsseite positioniert ist als die Unterkante. Das heißt, es kann eine supraleitende Spule gebildet werden, bei der – in dem gekrümmten Abschnitt – die Oberkante näher an der Innenumfangsseite positioniert ist als die Unterkante und die Oberkante in dem geraden Abschnitt näher an der Außenumfangsseite positioniert ist als die Unterkante. Dementsprechend kann die oben beschriebene supraleitende Spule hergestellt werden, bei der eine Verschlechterung des Leistungsverhaltens vermieden wird.
Nutzeffekte der Erfindung
Somit ist – bei der supraleitenden Spule und dem Herstellungsverfahren für eine supraleitende Spule gemäß der vorliegenden Erfindung – in dem gekrümmten Abschnitt die Oberkante näher an der Innenumfangsseite positioniert als die Unterkante, und die Oberkante in dem geraden Abschnitt ist näher an der Außenumfangsseite positioniert als die Unterkante, wodurch eine Verschlechterung des Leistungsverhaltens vermieden werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht schematisch eine supraleitende Spule gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Ansicht (A) von 1 ist eine perspektivische Ansicht, Ansicht (B) von 1 ist eine Seitenansicht, aus einer Richtung des Pfeils I (B) in 1A gesehen.
2 ist ein Schaubild, das schematisch eine Oberkante und eine Unterkante der supraleitenden Spule gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie III-III in 2.
4 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 2.
5 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie V-V in 2.
6 veranschaulicht schematisch die supraleitende Spule gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Ansicht (A) von 6 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie VI (A)-VI (A) in 1, und Ansicht (B) von 6 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie VI (B)-VI (B) in 1.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Wismut(Bi)-basierten supraleitenden Draht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen supraleitenden Dünnfilmdraht gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
9 veranschaulicht eine entlang der flachen Seite gesehene Richtung des supraleitenden Drahtes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 veranschaulicht eine entlang der Kante gesehene Richtung des supraleitenden Drahtes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Vorrichtung veranschaulicht, die zur Herstellung der supraleitenden Spule gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
12 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie XII-XII in 11.
13 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie XIII-XIII in 11.
14 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine n eines ersten Vergleichsbeispiels veranschaulicht.
15 ist eine Grundrißansicht, die schematisch die supraleitende Spule des ersten Vergleichsbeispiels veranschaulicht.
16 ist ein Schaubild, das eine Oberkante und eine Unterkante einer supraleitenden Spule eines zweiten Vergleichsbeispiels veranschaulicht.
17 ist eine schematische Schnittansicht eines gekrümmten Abschnitts in denselben radialen Richtungen eines Kreises mit seinem Mittelpunkt bei R wie 16 entlang der Linie XVII-XVII.
18 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie XVIII-XVIII in 16.
19 ist eine Schnittansicht, die schematisch einen Motor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
20 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Rotor gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
21 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Stator gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den unten angesprochenen Zeichnungen sind die gleichen oder vergleichbaren Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt. Die Abmessungsverhältnisse in den Zeichnungen entsprechend nicht unbedingt denen der unten beschriebenen Elemente.
(Erste Ausführungsform)
Es wird nun auf die 1 bis 10 Bezug genommen, wo eine supraleitende Spule 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Wie in den Ansichten (A) und (B) von 1 und 2 veranschaulicht, ist die supraleitende Spule 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine sattelförmige supraleitende Spule, die durch Wickeln eines supraleitenden Drahtes 11 zu einer stadionovalartigen Form gebildet wird. Das heißt, die supraleitende Spule 10 hat in der Draufsicht eine stadionovalartige Form.
Die supraleitende Spule 10 weist gerade Abschnitte 10a und gekrümmte Abschnitte 10b auf, die mit den geraden Abschnitten 10a verbunden sind. Die geraden Abschnitte 10a sind Auskleidungsabschnitte, die sich in der Hauptachsenrichtung erstrecken, und die gekrümmten Abschnitte 10b sind in der Draufsicht gekrümmte Abschnitte (Spulenend-Abschnitte). Wie in Ansicht (B) von 1 veranschaulicht, hat jeder der gekrümmten Abschnitte 10b eine Sattelform. Eine Unterkante 10d der gekrümmten Abschnitte 10b, die als ein unterer Abschnitt dient, ist zu einer Bogenform gekrümmt.
2 veranschaulicht einen Pfad, entlang dessen eine Oberkante 10c positioniert ist, und einen Pfad, entlang dessen die Unterkante 10d positioniert ist, in einer Windung des supraleitenden Drahtes 11, der die supraleitende Spule 10 bildet, wobei andere Windungen des supraleitenden Drahtes 11 oder dergleichen weggelassen wurden. Des weiteren bezeichnet in 2 eine Mitte R die Mitte eines Bogens eines jeden der gekrümmten Abschnitte 10b des supraleitenden Drahtes.
Wie in den 2 und 3 veranschaulicht, ist in jedem der gekrümmten Abschnitte 10b die Oberkante 10c näher an einer Innenumfangsseite positioniert (einer Seite, auf der ein Hohlraum vorhanden ist, der von der supraleitenden Spule 10 umfangen wird) als die Unterkante 10d. Das heißt, in jedem der gekrümmten Abschnitte 10b ist eine Distanz R10c zwischen der Oberkante 10c und der Mitte R kleiner als eine Distanz R10d zwischen der Unterkante 10d und der Mitte R.
Wie in den 2 und 4 veranschaulicht, ist in jedem der geraden Abschnitte 10a die Oberkante 10c näher an einer Außenumfangsseite positioniert (einer Seite gegenüber der Seite, auf der der Hohlraum vorhanden ist, der von der supraleitenden Spule 10 umfangen wird) als die Unterkante 10d ist. Das heißt, in jedem der geraden Abschnitte 10a ist die Distanz R10c zwischen der Oberkante 10c und der Mitte R größer als die Distanz R10d zwischen der Unterkante 10d und der Mitte R.
Wie in den 2 und 5 veranschaulicht, gibt es Positionen, in denen die Oberkante 10c mit der Unterkante 10d in einer Umfangsrichtung übereinstimmt. Oder anders ausgedrückt: eine Ebene, die durch die Oberkante 10c und die Unterkante 10d an einer dieser Positionen gebildet wird, verläuft parallel zu der Achse, die durch die Mitte R verläuft. An jeder dieser Positionen ist die Distanz R10c zwischen der Oberkante 10c und der Mitte R die gleiche wie die Distanz R10d zwischen der Unterkante 10d und der Mitte R. Diese Positionen können an Positionen existieren, wo die geraden Abschnitte 10a mit dem gekrümmten Abschnitt 10b verbunden sind, oder können in den geraden Abschnitten 10a oder in den gekrümmten Abschnitten 10b existieren.
Bevorzugt ist die Länge der Oberkante 10c die gleiche wie die Länge der Unterkante 10d. In diesem Fall ist der supraleitende Draht 11 so angeordnet, daß sich eine Neigung des supraleitenden Drahtes 11 in den gekrümmten Abschnitten 10b allmählich ändert.
Wenn der supraleitende Draht 11 in einer solchen Weise angeordnet ist, wie in den Ansichten (A) und (B) von 6 veranschaulicht, so sind die Richtungen, in denen der supraleitende Draht 11 geneigt ist, zwischen der Längsrichtung und der Breitenrichtung der supraleitenden Spule 10 einander entgegengesetzt.
Die oben beschriebene Oberkante 10c und die Unterkante 10d erscheinen in dem Fall, wo die supraleitende Spule 10 auf einer flacher Ebene angeordnet wird. Das heißt, wenn die supraleitende Spule 10 in einem Zustand angeordnet ist, der einem in 1 veranschaulichten Zustand entgegengesetzt ist (mit der Oberkante 10c auf der Unterseite und der Unterkante 10d auf der Oberseite), so ist in jedem der gekrümmten Abschnitte die Oberkante näher an der Außenumfangsseite positioniert als die Unterkante, und in jedem der geraden Abschnitte ist die Oberkante näher an der Innenumfangsseite positioniert ist als die Unterkante.
Es wird nun der supraleitende Draht 11, der die supraleitende Spule 10 bildet, beschrieben. Der supraleitende Draht 11 ist ein bandförmiger Draht und kann ein Wismut(Bi)-basierter supraleitender Draht, wie in 7 veranschaulicht, oder ein supraleitender Dünnfilmdraht, wie in 8 veranschaulicht, sein.
Wie in 7 veranschaulicht, hat der Wismut-basierte supraleitende Draht mehrere supraleitende Materialien 11a und einen Mantelabschnitt 11b. Die supraleitenden Materialien 11a erstrecken sich in der Längsrichtung, und der Mantelabschnitt 11b bedeckt die gesamten Umfänge der mehreren supraleitenden Materialien 11a. Der Mantelabschnitt 11b steht in Kontakt mit den supraleitenden Materialien 11a. Bevorzugt besteht jedes der mehreren supraleitenden Materialien 11a aus einem Wismut-basierten supraleitenden Material mit einer Zusammensetzung beispielsweise auf einer Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O-Basis. Insbesondere ist ein Material optimal, das eine Bi2223-Phase enthält, dessen Atomverhältnis von (Wismut und Blei):Strontium:Kalzium:Kupfer ungefähr als ein Verhältnis von 2:2:2:3 ausgedrückt ist. Der Mantelabschnitt 11b wird beispielsweise aus Silber oder einer Silberlegierung gebildet. Der supraleitende Draht kann ein einzelnes supraleitendes Material 11a enthalten.
Wie in 8 veranschaulicht, hat der supraleitende Dünnfilmdraht ein Substrat 11c, eine Zwischenschicht 11d, eine supraleitende Schicht 11e und eine Stabilisierungsschicht 11f. Die Zwischenschicht 11d wird auf und in Kontakt mit dem Substrat 11c gebildet. Die supraleitende Schicht 11e wird auf und in Kontakt mit der Zwischenschicht 11d gebildet. Die Stabilisierungsschicht 11f wird auf und in Kontakt mit der supraleitenden Schicht 11e gebildet.
Das Substrat 11c wird aus Metall gebildet, wie zum Beispiel Edelstahl, einer Nickellegierung (zum Beispiel Hastelloy) oder einer Silberlegierung. Die Zwischenschicht 11d wird zum Beispiel aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid, Cerdioxid, Magnesiumoxid, Strontiumtitanat oder dergleichen gebildet. Die Zwischenschicht 11d kann auch weggelassen werden.
Die supraleitende Schicht 11e wird zum Beispiel aus einem auf den seltenen Erden basierten, nachfolgend kurz ”SE123-basiert” genannten supraleitenden Material gebildet. SE123-basiertes supraleitendes Material soll ein Material bezeichnen, bei dem SE_xBa_yCu_zO_7-d die Bedingungen
0,7 ≤ x ≤ 1,3, 1,7 ≤ y ≤ 2,3 und 2,7 ≤ z ≤ 3,3
erfüllt. SE steht bei SE123-basiertem supraleitendem Materials für ein Material, das ein Seltenerdenelement und/oder ein Yttriumelement enthält. Das Seltenerdenelement kann zum Beispiel Neodymium (Nd), Gadolinium (Gd), Holmium (Ho) oder Samarium (Sm) sein. Die SE123-basierten supraleitenden Drähte sind insofern vorteilhaft, als ihre kritische Stromdichte bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff (77,3 K) höher ist als die von Wismut-basierten supraleitenden Drähten und ihr kritischer Stromwert bei niedriger Temperatur oder unter einem bestimmten Magnetfeld hoch ist. Jedoch können die supraleitenden SE123-Materialien im Gegensatz zu Wismut-basierten supraleitenden Materialien nicht durch Mantelabschnitte bedeckt werden und werden dementsprechend durch Abscheiden eines supraleitenden Materials (eines supraleitenden Dünnfilmmaterials) unter Verwendung nur eines Gasphasenverfahrens oder nur eines Flüssigphasenverfahrens auf einem texturierten Metallsubstrat hergestellt.
Die Stabilisierungsschicht 11f wird ausgebildet, um eine Oberfläche der supraleitenden Schicht 11e zu schützen, und wird zum Beispiel aus Silber oder Kupfer gebildet. Die Stabilisierungsschicht 11f kann auch weggelassen werden.
Wie in den 7 und 8 veranschaulicht, hat der supraleitende Draht 11, wenn er zu einer stadionovalartigen Form, wie in 1 veranschaulicht, gewickelt wird, eine Oberseite 12, die auf der Oberkante 10c positioniert ist, eine Unterseite 13, die auf der Unterkante 10d positioniert ist, und Seitenflächen 14 und 15. Der in 8 veranschaulichte supraleitende Draht 11 kann auch mit vertauschter Ober- und Unterseite gewickelt werden. Wenn sich die supraleitende Schicht 11e auf der Innenumfangsseite befindet, so kann verhindert werden, daß die supraleitende Schicht 11e einer Druckbelastung ausgesetzt wird. Das ist vorteilhafter, weil eine Verschlechterung der supraleitenden Schicht 11e vermieden werden kann. Wenn sich die supraleitende Schicht 11e auf der Außenseite befindet, so besteht der Vorteil darin, daß Anschlüsse, die mit einer externen Stromquelle verbunden werden, ohne weiteres hergestellt werden können.
Wie in 9 veranschaulicht, kann jeder in 1 veranschaulichte gekrümmte Abschnitt 10b gebildet werden, indem der supraleitende Draht 11 so gebogen wird, daß die Seitenfläche 14, die sich in einer Längsrichtung erstreckt, auf der Innenumfangsseite positioniert ist und die Seitenfläche 15, die sich in der anderen Längsrichtung erstreckt, auf der Außenumfangsseite positioniert ist (in einer Richtung, die in 9 durch einen Pfeil bezeichnet ist). Der supraleitende Draht 11 läßt sich leicht in diese Richtungen (über die flache Seite) biegen.
Wie in 10 veranschaulicht, kann eine Sattelform hergestellt werden, indem der supraleitende Draht 11 so gebogen wird, daß die Unterseite 13, die in 1 auf der Unterkante 10d positioniert ist, entlang einer Bogenform gebogen wird (in einer Richtung, die durch einen Pfeil in 10 angedeutet wird). Der supraleitende Draht 11 läßt sich nur schwer in diese Richtungen (über die Kante) biegen.
Es wird nun auf die 11 bis 13 Bezug genommen, wo ein Herstellungsverfahren für eine supraleitende Spule 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform gezeigt ist. Wie in den 11 bis 13 veranschaulicht, wird zunächst eine Basis 51 mit einer zylindrischen Fläche hergestellt.
Dann wird ein stadionovalartiger Wickelrahmen 52 mit einer Sattelform auf einer zylindrischen Fläche 51a der Basis 51 angeordnet. Der Wickelrahmen 52 hat gekrümmte Abschnitte 52b und gerade Abschnitte 52a, der mit den gekrümmten Abschnitten 52b verbunden sind. In jedem der gekrümmten Abschnitte 52b ist eine Oberkante 52c näher an einer Innenumfangsseite positioniert als eine Unterkante 52d. In jedem der geraden Abschnitte 52a ist die Oberkante 52c näher an einer Außenumfangsseite positioniert als die Unterkante 52d.
Als Nächstes wird der supraleitende Draht 11 entlang des Wickelrahmens 52 und auf die zylindrische Fläche 51a der Basis 51 gewickelt. Durch Wickeln des supraleitenden Drahtes 11 auf die zylindrische Fläche 51a kann die Sattelform gebildet werden. Durch Wickeln des supraleitenden Drahtes 11 entlang des Wickelrahmens 52 kann ein Biegen über die Kante des supraleitenden Drahtes 11 vermieden werden.
Durch Ausführen der oben beschriebenen Schritte kann die in 1 veranschaulichte supraleitende Spule 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt werden. Durch Herstellen der supraleitenden Spule 10 in der oben beschriebenen Weise kann im Vergleich zum Fall, wo die supraleitende Spule 10 zu einer Sattelform gepreßt wird, verhindert werden, daß Risse in dem supraleitenden Draht 11 entstehen, nachdem der supraleitende Draht 11 zu einer stadionovalartigen Form gewickelt wurde.
Als Nächstes werden Vorteile der supraleitenden Spule 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, indem sie mit einer supraleitenden Spule 20 eines ersten Vergleichsbeispiels, das in den 14 und 15 veranschaulicht ist, und einer supraleitenden Spule 30 eines zweiten Vergleichsbeispiels, das in den 16 bis 18 veranschaulicht ist, verglichen wird.
Wie in den 14 und 15 veranschaulicht, hat die supraleitende Spule 20 des ersten Vergleichsbeispiels eine stadionovalartige Form mit geraden Abschnitten 20a und gekrümmten Abschnitten 20b, die keine Sattelform haben. Das heißt, wie in 15 veranschaulicht, die eine Seitenansicht aus der Richtung eines Pfeils XV in 14 ist, sind eine Oberkante 20c und eine Unterkante 20d in den gekrümmten Abschnitten 20b flach. Da die supraleitende Spule 20 des ersten Vergleichsbeispiels nicht entlang einer zylindrischen Fläche angeordnet werden kann, gibt es das Problem, daß keine Verkleinerung möglich ist.
Bei der supraleitenden Spule 20 mit der stadionovalartigen Form des ersten Vergleichsbeispiels verlaufen Seitenflächen des supraleitenden Drahtes und die Mittelachse eines Bogens in jedem der gekrümmten Abschnitte parallel zueinander. Dadurch kann vermieden werden, daß Kräfte infolge eines Biegens über die Kante auf die gekrümmten Abschnitte wirken.
16 veranschaulicht einen Pfad, entlang dessen die Oberkante 10c positioniert ist, und einen Pfad, entlang dessen die Unterkante 10d positioniert ist, in einer Windung des supraleitenden Drahtes 11, der die supraleitende Spule 10 bildet, wobei andere Windungen des supraleitenden Drahtes 11 oder dergleichen weggelassen wurden. Des weiteren bezeichnet in 16 die Mitte R die Mitte des Bogens eines jeden der gekrümmten Abschnitte des supraleitenden Drahtes.
Wie in den 16 bis 18 veranschaulicht, hat die supraleitende Spule 30 des zweiten Vergleichsbeispiels eine stadionovalartige Form mit geraden Abschnitten und gekrümmten Abschnitten wie im Fall des ersten Vergleichsbeispiels. Die gekrümmten Abschnitte des zweiten Vergleichsbeispiels haben eine Sattelform. Wie in 17 veranschaulicht, ist in den gekrümmten Abschnitten die Oberkante 10c des supraleitenden Drahtes 11 näher an der Innenumfangsseite positioniert als die Unterkante 10d des supraleitenden Drahtes 11. Das heißt, in jedem der gekrümmten Abschnitte ist die Distanz R10c zwischen der Oberkante 10c und der Mitte R kleiner als die Distanz R10d zwischen der Unterkante 10d und der Mitte R. Wie in 18 veranschaulicht, stimmt in jedem der geraden Abschnitte die Position der Oberkante 10c des supraleitenden Drahtes 11 mit der Position der Unterkante 10d des supraleitenden Drahtes 11 in der Umfangsrichtung überein. Das heißt, die Distanz R10d zwischen der Oberkante 10c und der Mitte R ist die gleiche wie die Distanz R10d zwischen der Unterkante 10d und der Mitte R. Das heißt, bei dem supraleitenden Draht, der in der supraleitende Spule 30 des zweiten Vergleichsbeispiels enthalten ist, ist die Länge eines Abschnitts des supraleitenden Drahtes, der durch die Unterkante 10d verläuft, größer als die, die durch die Oberkante 10c verläuft.
Um eine Sattelform mit einer solchen supraleitenden Spule 30 des zweiten Vergleichsbeispiels, wie oben beschrieben, zu bilden, müssen die Seitenflächen 14 und 15 des supraleitenden Drahtes 11 in den gekrümmten Abschnitten 10b geneigt werden, wie in den 16 bis 18 veranschaulicht. Anders ausgedrückt: in jedem der gekrümmten Abschnitte müssen die Seitenflächen des supraleitenden Drahtes relativ zur Mittelachse der Bogens geneigt werden. In diesem Fall wird der supraleitende Draht 11 in einem Zustand gehalten, in dem die Kraft des Biegens über die Kante auf den supraleitenden Draht 11 wirkt. Das heißt, obgleich die supraleitende Spule 30 des zweiten Vergleichsbeispiels entlang der zylindrischen Fläche angeordnet werden kann, gibt es das Problem, daß sich das Leistungsverhalten des supraleitenden Drahtes 11 verschlechtert.
Bei der supraleitenden Spule 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der supraleitende Draht 11 so gewickelt, daß in jedem der gekrümmten Abschnitte 10b die Oberkante 10c näher an der Innenumfangsseite positioniert ist als die Unterkante 10d und in jedem der geraden Abschnitte 10a die Oberkante 10c näher an der Außenumfangsseite positioniert ist als die Unterkante 10d. Dadurch kann der Unterschied zwischen den Längen der Oberkante 10c der supraleitenden Spule 10 und der Unterkante 10d der supraleitenden Spule 10 verringert werden. Das heißt, das Anlegen einer Kraft an den supraleitenden Draht 11 in einer Richtung, in der der supraleitende Draht 11 sich nur schwer biegen läßt (ein Biegen über die Kante), kann vermieden werden. Das heißt, die Neigung der Seitenflächen 14 und 15 des supraleitenden Drahtes 11 wird allmählich in den gekrümmten Abschnitten 10b so verändert, daß die über die Kante wirkende Biegekomponente ausgeschaltet wird. Dementsprechend kann eine Verschlechterung des Leistungsverhaltens der supraleitenden Spule 10 vermieden werden, da eine Verschlechterung des Leistungsverhaltens des supraleitenden Drahtes 11 vermieden werden kann.
Weil darüber hinaus die gekrümmten Abschnitte 10b eine Sattelform haben, kann die supraleitende Spule 10 entlang einer zylindrischen Fläche angeordnet werden. Dementsprechend kann, wenn die supraleitende Spule 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einer Rotationsvorrichtung verwendet wird, die Rotationsvorrichtung verkleinert werden.
Bei der supraleitenden Spule 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform lassen sich daher die folgenden Vorteile sowohl des ersten als auch des zweiten Vergleichsbeispiels realisieren: der Vorteil der stadionovalartigen supraleitenden Spule 20 des ersten Vergleichsbeispiels, die keine Sattelform hat, wobei der Vorteil darin besteht, daß die supraleitenden Eigenschaften beibehalten werden können; und der Vorteil des zweiten Vergleichsbeispiels mit einer Sattelform, wobei der Vorteil darin besteht, daß eine Anordnung entlang einer zylindrischen Fläche möglich ist.
(Zweite Ausführungsform)
Es wird nun auf die 19 bis 21 Bezug genommen, wo ein Motor 100 gemäß einer Ausführungsform einer Rotationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Wie in 19 veranschaulicht, enthält der Motor 100 einen Rotor 110 als ein rotierendes Element und einen Stator 120 als ein stationäres Element. Der Stator 120 wird um den Rotor 110 herum angeordnet.
Wie in den 19 und 20 veranschaulicht, enthält der Rotor 110 die supraleitende Spule 10 der ersten Ausführungsform, eine Drehwelle 118, Rotorkerne 113, eine Rotorwelle 116 und ein Kältemittel 117.
Die Rotorwelle 116 wird um eine Außenumfangsfläche der Drehwelle 118 herum gebildet, wobei sich die Außenumfangsfläche in der Hauptachsenrichtung der Drehwelle 118 erstreckt. Eine Außenfläche der Rotorwelle 116 hat eine Bogenform. Die Rotorkerne 113 erstrecken sich radial von einem Mittelabschnitt in einer Sektion der Rotorwelle 116 (eine Region, wo die Drehwelle 118 angeordnet ist), wobei die Sektion die Drehwelle 118 schneidet, dergestalt, daß sie von der Außenumfangsfläche der Rotorwelle 116 hervorstehen. Die supraleitenden Spulen 10 sind jeweils so angeordnet, daß sie einen entsprechenden der Rotorkerne 113 entlang einer bogenförmigen Außenfläche der Rotorwelle 116 umgeben. Das Kältemittel 117 kühlt die supraleitenden Spulen 10. Die supraleitenden Spulen 10 und das Kältemittel 117 sind in einem wärmeisolierten Behälter angeordnet.
Der Stator 120 als das stationäre Element des Motors 100 wird um den Rotor 110 herum gebildet. Der Stator 120 enthält die supraleitende Spule 10 der ersten Ausführungsform, ein Statorjoch 121, ein Kältemittel 127 und einen Statorkern 123.
Das Statorjoch 121 umgibt einen Außenumfang der Rotorkerne 113. Eine Außenfläche des Statorjochs 121 hat eine Bogenform. Die supraleitenden Spulen 10 sind entlang der bogenförmigen Außenfläche des Statorjochs 121 angeordnet. Das Kältemittel 127 kühlt die supraleitenden Spulen 10. Die supraleitenden Spulen 10 und das Kältemittel 127 sind in einem wärmeisolierten Behälter angeordnet. Der wärmeisolierte Behälter hat Öffnungen in den Mittelabschnitten der supraleitenden Spulen 10, dergestalt, daß Abschnitte des Statorkerns 123 darin angeordnet sind. Der Statorkern 123 ist so angeordnet, daß er die supraleitenden Spulen 10 umgibt und sich durch die Mittelabschnitte der supraleitenden Spulen 10 erstreckt. Der Statorkern 123 ist in 21 nicht gezeigt.
Obgleich in der vorliegenden Ausführungsform vier supraleitende Spulen 10 des Rotors 110 und vier Abschnitte der Rotorkerne 113 vorhanden sind, die sich durch die Mittelabschnitte der supraleitenden Spulen 10 erstrecken, kann jede beliebige Anzahl von Rotorkernen 113 verwendet werden, zum Beispiel sechs, acht oder drei Rotorkerne 113. Gleichermaßen sind in der vorliegenden Ausführungsform zwar sechs supraleitende Spulen 10 des Stators 120 und sechs Abschnitte des Statorkerns 123 vorhanden, die sich durch die Mittelabschnitte der supraleitenden Spulen 10 erstrecken, doch es kann jede beliebige Anzahl von supraleitenden Spulen 10 und Abschnitten des Statorkerns 123 verwendet werden, zum Beispiel vier, acht oder drei supraleitende Spulen 10 und vier, acht oder drei Abschnitte des Statorkerns 123.
Wie oben beschrieben, enthält der Motor 100 als die Rotationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform die supraleitenden Spulen 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Das heißt, es werden die supraleitenden Spulen verwendet, bei denen eine Verschlechterung des Leistungsverhaltens vermieden werden kann. Das heißt, es kann eine Verschlechterung des Leistungsverhaltens des Motors 100 vermieden werden. Weil darüber hinaus jede supraleitende Spule 10 eine Sattelform hat, kann der untere Abschnitt (die Unterkante) der supraleitenden Spule 10 entlang einer zylindrischen Fläche angeordnet werden. Das heißt, der Motor 100 kann verkleinert werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde der Motor 100, der den Rotor 110 und den Stator 120 enthält, als ein Beispiel der Rotationsvorrichtung beschrieben. Jedoch ist die Rotationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf den Motor beschränkt, sondern gilt gleichermaßen beispielsweise für einen Generator oder dergleichen.
Die im vorliegenden Text offenbarten Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht beispielhaft und dürfen nicht in einem einschränkenden Sinne verstanden werden. Es ist beabsichtigt, daß der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung nicht durch die obigen Ausführungsformen definiert wird, sondern durch den Geltungsbereich der Ansprüche, und jede Modifizierung innerhalb des Geltungsbereichs der Ansprüche oder ihrer Äquivalente im Sinne des Geltungsbereichs der Ansprüche ist im Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung aufgenommen.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung wird bevorzugt für eine supraleitende Spule und eine Rotationsvorrichtung, deren Leistungsverhalten verbessert wird, und ein Herstellungsverfahren für eine supraleitende Spule verwendet.
Bezugszeichenliste

10, 20, 30: supraleitende Spule
10a, 20a, 52a: gerader Abschnitt
10b, 20b, 52b: gekrümmter Abschnitt
10c, 20c, 52c: Oberkante
10d, 20d, 52d: Unterkante
11: supraleitender Draht
11a: supraleitendes Material
11b: Mantelabschnitt
11c: Substrat
11d: Zwischenschicht
11e: supraleitende Schicht
11f: Stabilisierungsschicht
12: Oberseite
13: Unterseite
14, 15: Seitenfläche
51: Basis
51a: zylindrische Fläche
52: Wickelrahmen
100: Motor
110: Rotor
113: Rotorkern
116: Rotorwelle
117, 127: Kältemittel
118: Drehwelle
120: Stator
121: Statorjoch
123: Statorkern
R: Mitte
R10c, R10d: Distanz

LISTE DER ZITIERTEN LITERATUR
Patentliteratur

PTL 1: japanische geprüfte Patentanmeldungsschrift Nr. 7-79048

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 7-79048 [0002]

Claims

Sattelförmige supraleitende Spule, die durch Wickeln eines supraleitenden Drahtes zu einer stadionovalartigen Form gebildet wird, wobei die supraleitende Spule umfaßt: einen gekrümmten Abschnitt und einen geraden Abschnitt, der mit dem gekrümmten Abschnitt verbunden ist, wobei in dem gekrümmten Abschnitt eine Oberkante näher an einer Innenumfangsseite positioniert ist als eine Unterkante und wobei in dem geraden Abschnitt die Oberkante näher an der Außenumfangsseite positioniert ist als die Unterkante.
Rotationsvorrichtung, umfassend: die supraleitende Spule nach Anspruch 1.
Herstellungsverfahren für eine supraleitende Spule, umfassend die Schritte des Herstellens einer Basis mit einer zylindrischen Fläche, Anordnens eines stadionovalartigen Wickelrahmens mit einer Sattelform auf der zylindrischen Fläche der Basis und Wickelns eines supraleitenden Drahtes auf die zylindrische Fläche der Basis entlang des Wickelrahmens, wobei der Wickelrahmen einen gekrümmten Abschnitt und einen geraden Abschnitt hat, der mit dem gekrümmten Abschnitt verbunden ist, wobei in dem gekrümmten Abschnitt eine Oberkante näher an einer Innenumfangsseite positioniert ist als eine Unterkante und die Oberkante in dem geraden Abschnitt näher an der Außenumfangsseite positioniert ist als die Unterkante.