JP2009515325A

JP2009515325A - 磁界発生用コイル

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Publication number: JP2009515325A
Application number: JP2008538275A
Authority: JP
Inventors: レムケ、シュテファン; ブラウン、トーマス; ヴィーツォレック、ジャン
Original assignee: ゼネジーパワーゲーエムベーハー
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2009-04-09
Also published as: CA2625952A1; WO2007051525A1; AU2006310844B2; ATE498185T1; US7843292B2; KR101050210B1; DE102005052602B3; AU2006310844A1; KR20080066698A; CN101300647B; EP1829062A1; EP1829062B1; NZ568752A; US20090140831A1; CN101300647A

Abstract

本発明は、少なくとも１つの巻線（１２）を有する磁界発生用コイルに関し、巻線（１２）は超電導体から製造され、プラスチックで封入成形されるとともに、巻線（１２）の円周（１３）に配置されるその巻線端部（１９）を使用して導電体（１５）との接点が作製される。単純生産によるロバストな接点の作製を可能にする超電導体からなる巻線（１２）をコイルに提供するため、巻線端部（１９）に面的に接続される基部領域（３１）、及び導体（１５）を接続するための上部領域（３２）を有する導電性接続部品（３０）が接点を作製する目的で設けられ、前記接続部品（３０）の基部領域（３１）は補強インサート（１４）により径方向において部分的に被覆され、補強インサート（１４）はプラスチック（２０）で封入成形されるとともに少なくとも部分的に巻線（１２）を包囲する。

Description

本発明は、超電導体から製造されるとともにプラスチックで封止される少なくとも１つの巻線を有し、巻線の円周上に配置される巻線端部が導電体の接点として使用される、磁界発生用コイルに関する。

超電導体から製造される巻線を有するコイルは、モータ、発電機及び磁石の構造に使用され、このときの目的は冷却超電導体の低い抵抗の利点を利用することである。脆性複合材料のセラミック及び金属からなる高温超電導体がしばしば使用されるが、これは室温においてさえ、及び特に低温では大きな張力又は剪断力に耐えることができない。さらには、超電導体は冷却されると、室温においてさえ低いその弾性をさらに多く失う。コイルが設置されるとき、接点は通常、巻線端部で金属導体又は超電導導体にはんだ付けすることにより作製される。はんだ付けされた導体に伝達される張力及び剪断力により巻線は破損する可能性があり、その結果として巻線は、接点が慎重に取り扱われない最悪の場合には、破壊され得る。

本発明の目的は、ロバストな接点の単純生産を可能にするとともに巻線に対する破損リスクが低減される、超電導体からなる巻線を有するコイルを提供することである。

本発明に従えば、本目的は、接点が、ある領域を介して巻線端部に接続される末端領域及び導体接続用の先端領域を有する導電性接続部品を有し、末端領域が、プラスチックで封止されるとともに少なくとも部分的に巻線を包囲する補強インサートにより径方向において部分的に被覆されることにより実現される。これは、接続部品がプラスチックで封止される補強インサートによって巻線に対し安定するという利点を有する。接続部品に対し作用し得るあらゆる力は補強インサートを通じてコイルを包囲するプラスチックに広面積で伝達され、ひいてはこれらの力からの、特に巻線端部への負荷が軽減される。

接続部品により補完される補強インサートは好ましくは巻線を完全に包囲し、ひいては巻線に対する局部圧縮及び引張荷重を防止する。補強インサート及び接続部品は好ましくは、本質的に密閉型の張力緩和手段を形成する。有利な一実施形態において、補強インサートは巻線を包囲するリング、特に十分にロバストな既製ストリップ又は分割環状体などを含んでなる。

有利な一改良例に従えば、末端領域は対向する両側面にリムを有してもよく、その結果として末端領域は巻線端部に広面積で載置され得るとともに、補強インサートもまた巻線端部で広面積にわたりリムを被覆し得る。これらのリムは先端領域で円周方向に接続部品の側面を越えて突出し得る。特に有利な一改良例において、このとき補強インサートは双方のリムを被覆するとともに一方のリムから他方のリムへ巻線の外側のターンの円周に沿って伸張し、ひいては円周に沿って、巻線用の周囲カバーを提供する。この周囲カバーは巻線の円周に対する機械的衝撃からコイルを保護する。一代替的改良例において、２つの補強インサートが巻線に対し横断方向に配置されてもよく、いずれの場合もリムの一方を側部で被覆するとともに従って巻線を側部、前面及び後面で包囲する。このとき補強インサートは好ましくは巻線の巻回される巻型を貫通することにより巻線を完全に包囲し得る。あるいは、補強インサートを巻型に装着することで補強インサートを介して接続部品を巻型上に支持し得る。

補強インサートの巻線上での配置とは無関係に、補強インサートが先端領域と末端領域との間の少なくとも１つの凹部に特に嵌合係止方式で係合し、ひいては同様に接続部品が安定することは有利である。接続部品はその２つの側面の各々に溝の形状の凹部を有してもよく、ここでは補強インサートは、それが円周に沿って伸張する場合には双方の端面と係合するか、又はそれらを補強インサートは貫通する。２つの補強インサートが前面及び後面で巻線に対し横断方向に配置される場合、それらは側部で凹部に係合し得る。補強インサートはまた凹部に固定的にクランプもされ得る。

プラスチックは好ましくは電気含浸コンパウンド又は封止コンパウンドである。コイルのプラスチックへの封止又は含浸は好ましくは真空含浸により、又は真空含浸工程を使用して行われ、プラスチックは有利には樹脂、特にエポキシ樹脂からなる。コイルは好ましくは、互いに並列に配置される２本の巻線により形成される二重板コイルの形状で、互いに反対方向に巻回されるとともに巻線内側面で合体し、こうして２つの巻線端部が円周上に配置されるとともに各々に接続部品が提供される。これらの二重板コイルはまた「ダブルパンケーキコイル」とも称されるとともに、接点が容易にアクセス可能な円周上に作製されるという利点を有する。２個の接続部品は好都合には互いに平行に配置されるとともに、間隙により互いに隔離される。さらに好都合には絶縁層が間隙内に配置される。

巻線は好ましくは高温超電導体から製造され、これは、それに限定されないが、コイルが窒素により冷却され得るという利点を有する。巻線は好都合には、好ましくは「パウダーインチューブ」法を使用して製造されるリボン状導体から巻回されるか、又はリボン状導体から形成される層であり、又は薄膜導体の形態である。好ましくは高い融点のはんだを使用して末端領域が巻線端部にはんだ付けされる。次に末端領域のはんだが溶融する可能性を一切伴わない、より低い融点のはんだを使用して、導体が先端領域にはんだ付けされ得る。例として、市販の電気用はんだが先端領域のはんだ付けに使用され得る。

本発明のさらなる利点及び改良は、以下の図面に図示されるとおりの本発明に係るコイルに関する例示的実施形態の説明から明らかとなるであろう。

図１は、管状の巻型１１上に巻回される巻線１２を有する磁界発生用コイル１０を概略的に示す。巻線１２は、順に重ねられるターンを伴い巻回されるとともに「パウダーインチューブ」法を使用してセラミック高温超電導体から製造されるリボン状導体を含んでなる。薄膜導体又は薄膜導体の積層もまた本目的上使用され得る。接続部品３０は巻線１２との接点を作製するために使用される。この場合接続部品３０はブロックの形状であり、銅からなるとともにいずれの場合も末端領域３１と先端領域３２との間の両側面３０ａ、３０ｂに円周方向又は巻線方向に向いたスロットの形状の凹部３６を有し、ひいては末端領域３１で側面３０ａに短いリム３３を、及び側面３０ｂに短いリム３４を形成する。末端領域３１は巻線１２の円周１３上で接続部品３０の長手面にはんだ付けされる。図２に見られるとおり、この場合末端領域３１は巻線１２の巻線端部１９にある領域を介して密着して載置されるとともに、図示されないが、はんだ付けにより接着される。導電性の給電ライン１５が接続部品３０の先端領域３２にはんだ付けされるとともに好ましくは常電導体又はさらなる超電導体を含んでなる。

補強インサート１４が巻線１２の円周１３上に載置されるとともに接続部品３０の側面３３ａから円周１３に沿って他方の側面３３ｂへと伸張する。図２に見られるとおり、この場合に補強インサート１４の端部の各々は凹部３６と係合し、ひいては２つのリム３３、３４を被覆する。管状の巻型１１、補強インサート１４及び接続部品３０と共に、巻線１２はエポキシ樹脂２０で封止される。補強インサート１４は適切な固有剛性の補強ストリップ又はリング、及び／又は繊維強化材を含んでなってもよい。しかしながら、補強インサートはまた、無撚又は不織の強化繊維、特にガラス繊維などからなってもよく、これも同様にプラスチックで封止される。従って補強インサート１４及びそれにより末端領域で部分的に被覆される接続部品３０は接点用の本質的に密閉型の張力緩和手段を形成する。補強インサート１４は径方向に、具体的には２つの短いリム３３、３４の領域において、接続部品３０の末端領域３１を部分的に被覆するため、その効果は特に高い。

図３は特に好ましい本発明の一適用分野を示し、ここでは２本の巻線１１２ａ及び１１２ｂが互いに連結され、反対方向に巻回され、及びこの場合いわゆる「ダブルパンケーキ」又は二重板コイル１１０を形成する。巻線１１２ａ、１１２ｂはリボン状超電導体から巻回される。巻線１１２ａ及び１１２ｂは互いに合体して巻型１１１の外周１１６上の共通の内部ターン１１２ｃとなる。接続部品１５０が巻線１１２ａの外周１１３ａにはんだ付けされるとともに、第２の接続部品１３０が巻線１１２ｂの外周１１３ｂにはんだ付けされるが、これらの接続部品１５０、１３０は図１に示される接続部品３０と物理的に同一である。重複を避けるため、ここでは図１及び２に示される接続部品３０の説明を参照するものとする。

２個の接続部品１３０、１５０は互いに平行に、かつ互いに並列に配置されるとともに、絶縁間隙１１８によって互いに分離される。巻線部品１１２ａ及び１１２ｂは、２個の接続部品１３０と１５０との間の間隙１１８までさらに伸張する絶縁層１１７によって互いに隔離される。接続部品１３０、１５０が巻線端部にはんだ付けされるとともに補強インサート１１３ａ、１１３ｂが巻線１１２ａ、１１２ｂの周囲に配置されると、コイル１１０全体がエポキシ樹脂１２０で封止され、エポキシ樹脂１２０は付加的な絶縁体として間隙１１８もまた充填するとともに接続部品１３０、１５０の側部表面を被覆する。エポキシ樹脂１２０がないのは接続部品の頭頂面１３５及び１５５のみであり、これにより常電導体をコイル１１０の接続部品１３０、１５０にはんだ付けして巻線１１２ａ及び１１２ｂと電気接触させることが可能となる。

図４は、さらなる例示的実施形態に従う、銅から製造される接続部品２３０を有するコイル２１０を示し、接続部品２３０は巻線方向又は円周方向に先端領域２３２を越えて突出するリム２３３、２３４により広面積で巻線２１２にはんだ付けされる。接続部品２３０は長いリム２３３、２３４によって非常に導電性の高い方法で巻線２１２に接続される。接続部品２３０には先端領域２３２と末端領域２３１との間に２つのスロット状凹部２３６が設けられ、そこに補強インサート２１４の端部が係合する。巻線２１２、補強インサート２１４及び接続部品２３０はエポキシ樹脂２２０で封止される。２つのＳ字型保持層２３７及び２３８が先端領域２３２の側面２３０ａ及び２３０ｂ（凹部２３６を有する）に重ねられるとともにこれらは不織ガラス繊維からなり、同様にエポキシ樹脂２２０で封止され、これらの保持層２３７及び２３８が先端領域２３２の頭頂面２３５を部分的に押さえるため、先端領域２３２もまた保持層２３７、２３８により安定となる。給電ライン２１５が頭頂面２３５にはんだ付けされる。

図５は、図３に記載されるとおりの、リボン状超電導体からなる第１の巻線３１２ａ及び第２の巻線３１２ｂを有する二重板コイル３１０を示し、巻線は２個の接続部品３３０及び３５０とはんだ付けされる。接続部品３５０にはその外側長手面３５０ａに沿ってスロット状凹部３１６ａが設けられるとともに、接続部品３３０にはその外側長手面３３０ｂ上で巻線方向に伸張するスロット状凹部３１６ｂが設けられる。環状補強インサート３１４ａが凹部３１６ａに挿入されるとともに、環状補強インサート３１４ｂが凹部３１６ｂに挿入される。硬く、可能であれば閉鎖型のリング３１４ａ、３１４ｂが巻線３１２ａ、３１２ｂをその円周に沿って包囲するとともに、この場合巻線３１２ａ、３１２ｂとともにエポキシ樹脂３２０で封止される。環状補強インサート３１４ａ、３１４ｂの代わりに、繊維材又は繊維マットなどもまた側部凹部３１６ａ、３１６ｂに挿入され得るであろう。

図６は、接続部品４３０を有するコイル４１０の巻線４１２を示し、接続部品４３０にはその側面に、図４に示される接続部品と同様の方法で、末端領域４３１を円周方向に延長するとともに先端領域４３２の側面を越えて突出するリム４３３、４３４が設けられる。リム４３３、４３４の上方で、接続部品４３０には２つのスロット状凹部４３６が設けられる。一方のリム４３４は、巻線４１２に対し横断方向に延伸する第１の補強インサート４１４ａにより被覆されるとともに、他方のリム４３３は、同様に巻線４１２に対し横断方向に延伸する第２の補強インサート４１４ｂにより被覆される。２つの補強インサート４１４ａ、４１４ｂは、例えば、共に巻線４１２を包囲するとともに接続部品４３０及び巻線４１２とともにプラスチック４２０で封止される複数のガラス繊維ストリップを含んでなる。この場合２つの補強インサートは巻型内の内部開口に係合してもよく、又は内部開口を貫通してもよく、それにより接続部品４３０が巻型に対し径方向で２つのリム４３３、４３４に固定される。

図、特に図２及び４に示される例示的実施形態において、接続部品３０、２３０の先端領域３２、２３２は補強インサート１４、２１４及び補強インサートが包埋されるプラスチック２０、２２０を越えていくらか径方向に突出する。これらの例示的実施形態において突出する小部分はまた、例えば研削されることにより後に取り除かれるか、又は好ましくは補強インサートが封止されるプラスチックと同一平面で終端となるように取り除かれ、或いは組立工程の間は径方向に短い先端領域のみを有するとともにリム及び末端領域を越えて突出する接続部品（図示せず）が使用され、プラスチックで封止されるか、又はそれに包埋されると再び好ましくはプラスチックと同一平面で終端となる可能性もある。この改良例において、ひいては末端領域と先端領域との間に補強インサートの端部を係合するための凹部を一切形成しない可能性もまたあり得る。

当業者には、数多くの改変が説明から明らかであろうとともにそれらの改変は添付の特許請求の保護範囲により網羅されることが意図される。

第１の例示的実施形態に従う接続部品を有する本発明に係るコイルの前面の概略図を示す。図１のコイルの詳細断面図を示す。接続部品が配置されている二重板コイルのコイル上半部を通る縦断面を示す。第２の例示的実施形態に従う接続部品を有する、図２と同様の詳細図を示す。第３の例示的実施形態の接続部品を有する二重板コイルのコイル上半部を通る縦断面を示す。第４の例示的実施形態に従う接続部品、及び巻線に対し横断方向に延伸する補強インサートを有するコイルの詳細図を示す。

Claims

超電導体から製造されるとともにプラスチックで封止される少なくとも１つの巻線（１２、１１２ａ、１１２ｂ、２１２、３１２ａ、３１２ｂ、４１２）を有し、前記巻線（１２、１１２ａ、１１２ｂ、２１２、３１２ａ、３１２ｂ、４１２）の円周（１３、１１３ａ、１１３ｂ）上に配置される巻線端部（１９）が導電体（１５、２１５）用の接点として使用される磁界発生用コイル（１０）であって、前記接点が、ある領域を介して前記巻線端部（１９）に接続される末端領域（３１、１３１、２３１、４３１）、及び前記導体（１５、２１５）に接続するための先端領域（３２、２３２、４３２）を有する導電性接続部品（３０、１３０、１５０、２３０、３３０、３５０）を有し、前記接続部品（３０、１３０、１５０、２３０、３３０、３５０）の前記末端領域（３１、１３１、２３１、４３１）が、前記プラスチック（２０、１２０、２２０、３２０）で封止されるとともに少なくとも部分的に前記巻線（１２、１１２ａ、１１２ｂ、２１２、３１２ａ、３１２ｂ、４１２）を包囲する補強インサート（１４、２１４、３１４ａ、３１４ｂ、４１４ａ、４１４ｂ）により径方向において部分的に被覆されることを特徴とする、コイル。
前記補強インサート（１４、２１４）が前記接続部品（３０、２３０）と共に前記巻線（１２、２１２）を完全に包囲することを特徴とする、請求項１に記載のコイル。
前記補強インサート（１４、２１４、３１４ａ、３１４ｂ、４１４ａ、４１４ｂ）及び前記接続部品（３０、１３０、１５０、２３０、３３０、３５０）が本質的に密閉型の張力緩和手段を形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載のコイル。
前記補強インサート（３１４ａ、３１４ｂ）が前記巻線（３１２ａ、３１２ｂ）を包囲するリングを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコイル。
前記末端領域（３１）が、前記巻線端部に直接載置されるリム（３３、３４、２３３、２３４、４３３、４３４）を２つの対向する側面に有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコイル。
前記リム（２３３、２３４、４３３、４３４）が円周方向に前記先端領域（２３２、４３２）を越えて突出することを特徴とする、請求項５に記載のコイル。
前記補強インサート（１４、２１４）が双方のリム（３３、３４、２３３、２３４）を被覆するとともに一方のリムから他方のリム（３４、３３、２３４、２３３）へと前記巻線（１２、２１２）の外側ターンの円周（１３、２１３）に沿って伸張することを特徴とする、請求項５又は６に記載のコイル。
各リム（４３４、４３３）が側部で補強インサート（４１４ａ、４１４ｂ）により被覆され、補強インサート（４１４ａ、４１４ｂ）が前記巻線（４１２）の前面及び後面に沿って伸張するとともに好ましくは巻線内側面又は巻型を貫通する、又はそれと係合することを特徴とする、請求項５又は６に記載のコイル。
前記補強インサート（１４、２１４、３１４ａ、３１４ｂ、４１４ａ、４１４ｂ）が前記先端領域（３２、２３２、４３２）と前記末端領域（３１、２３１、４３１）との間の少なくとも１つの凹部（３６、２３６、３１６ａ、３１６ｂ、４３６）に係合することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のコイル。
前記接続部品（３０、２３０、４３０）が両側面（２３０ａ、２３０ｂ）に溝の形状の凹部（３６、２３６、４３６）を有し、そこに前記補強インサート（１４、２１４、４１４ａ、４１４ｂ）が嵌合係止の方式で係合及び／又は係止されることを特徴とする、請求項５〜９のいずれか一項に記載のコイル。
前記補強インサートが、嵌合係止の方式で双方の凹部において固定される、固定的にクランプされる、又は接着剤で結合されることを特徴とする、請求項１０に記載のコイル。
前記補強インサート（１４、２１４、４１４ａ、４１４ｂ）が繊維強化材、特にガラス繊維強化材であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のコイル。
前記プラスチック（２０、１２０、２２０、３２０、４２０）の封止の工程が真空含浸により実行されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のコイル。
前記プラスチック（２０、１２０、２２０、３２０、４２０）が樹脂、特にエポキシ樹脂からなることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のコイル。
２本の巻線（１１２ａ、１１２ｂ、３１２ａ、３１２ｂ）が、互いに並列に配置され、反対方向に巻回され、及び前記巻線内側面に接続されることにより、二重板コイル（１１０、３１０）が形成され、その２つの巻線端部が円周（１１３ａ、１１３ｂ、３１３ａ、３１３ｂ）上に配置されるとともに各々に接続部品（１３０、１５０、３３０、３５０）が提供されることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のコイル。
前記２個の接続部品（１３０、１５０、３３０、３５０）が互いに平行に配置されるとともに、間隙（１１８、３１８）により互いに隔離されることを特徴とする、請求項１５に記載のコイル。
絶縁層（１１７）が前記間隙（１１８）に配置されることを特徴とする、請求項１６に記載のコイル。
前記末端領域（３１）がある領域を介して前記巻線端部（１９）にはんだ付けされることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のコイル。
前記末端領域（３１、１３１、２３１、４３１）が、高い融点、好ましくは前記導体のはんだ付けに使用されるはんだの融点より高い融点のはんだを使用してはんだ付けされることを特徴とする、請求項１８に記載のコイル。
前記巻線（１２、１１２ａ、１１２ｂ、２１２、３１２ａ、３１２ｂ、４１２）が高温超電導体から製造されることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のコイル。
前記巻線（１２、１１２ａ、１１２ｂ、２１２、３１２ａ、３１２ｂ、４１２）が、好ましくは「パウダーインチューブ」法を使用して製造されるリボン状導体から巻回されるか、又は薄膜導体の形態であることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか一項に記載のコイル。
前記接続部品の前記先端領域が径方向において前記コイルの円周又は前記補強インサートが封止される前記プラスチックと同一平面を終端とすることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか一項に記載のコイル。