JP4111745B2 - コイルの製造装置およびコイルの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に同期回転機械における超伝導性コイルに関する。より具体的には、本発明は、同期機械のロータにおける超伝導界磁巻線を製造するための装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
界磁コイル巻線を有する同期電気機械には、それに限定するわけではないが、回転発電機、回転電動機、及びリニアモータが含まれる。これらの機械は、一般的に電磁的に結合されたステータとロータとを含む。ロータは、多極ロータコアと、ロータコア上に取り付けられたコイル巻線とを含む。ロータコアは、鉄芯ロータのような、透磁性固体材料を含む。
【０００３】
同期電気機械のロータには、通常従来の銅巻線が使用される。しかしながら、銅巻線の電気抵抗は、（従来の方法手段により低くされてはいるが、）ロータを相当に加熱させて、機械の電力効率を低下させる程度の大きさを持つ。最近ロータ用に、電気抵抗が殆どなく、ロータコイル巻線として非常に有利な超伝導コイル巻線が開発された。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電気機械のロータ界磁巻線として使用される高温超伝導コイルは、装填中にコイルに大きな歪みを招いてコイルを損傷させるおそれのある過度の空隙なしに、構造支持体がコイルに適合できるように、精密な寸法公差を有する剛性構造体として設計されなくてはならない。レーストラック形コイル型枠の直線部分上にテープ導体が巻かれる場合に起るテープ導体のスプリングバックにより、円形部分に巻かれる場合に比べて、パッキング率の低下が生じ、巻線複合体の強度が低下する。
【０００５】
典型的な超伝導ロータ巻線は、構造支持体としての円筒シェルの周りに組み立てられた鞍形コイルから作られる。これらの鞍形コイルは巻線構造が複雑であるから、小さい曲げ直径に起因して巻線動作により高温超伝導（ＨＴＳ）テープ導体に過度な歪みを生じ、またリード線のねじれを生じ、また冷却運転中に支持構造体に対する巻線の温度差による歪みを招く可能性がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の例示的な実施形態において、高温超伝導（ＨＴＳ）コイルを製造するための装置は、向かい合わせに配置された２枚の側板と、結合材を間に介在させてＨＴＳテープの層を受ける、側板の間に配置された、好ましくはレーストラック形状のボビンと、側板の外端縁に近接して組み立てられた複数のブロックとを含む。これらのブロックは、ＨＴＳテープ層をボビンに押圧するために、ボビンに向かって移動可能である。複数のブロックは、ボルトにより側板の外端縁上に組み立てられることができる。この場合、ボルトは、ＨＴＳテープの層を段階的に押圧できる寸法に作られている。これとは別に、複数のブロックは、ＨＴＳテープの層の数に応じて選択的に押圧するために、厚さの異なるブロックを含むことができる。更に、複数のブロックは、超伝導コイルの所望の外部寸法に応じた形状にされた複数の仕上げブロックを含むことができる。結合材は任意の適当な材料とすることができるが、プレプレグ材フィラメントプライ層間絶縁材又は熱可塑性材料を含むのが好ましい。
【０００７】
本発明の別の例示的な実施形態において、高温超伝導（ＨＴＳ）コイルを製造するための方法は、本発明の装置を使用して実施される。この方法は、（ａ）ＨＴＳテープをボビン上に巻く段階と、（ｂ）巻かれたＨＴＳテープに結合材を取り付ける段階と、（ｃ）複数のブロックを用いて、ＨＴＳテープと結合材とをボビンに押圧する段階と、（ｄ）押圧されたＨＴＳテープと結合材とを加熱して、結合材を硬化させる段階とを含む。段階（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、ＨＴＳテープの各層毎に実施される。これとは別に、段階（ｂ）及び（ｃ）は、ＨＴＳテープの複数の層を巻いた後に実施されてもよい。この場合、段階（ｂ）は、巻かれたＨＴＳテープの複数層を、真空含浸処理法でエポキシ樹脂含浸することによって実施されることができる。更に、この場合の段階（ａ）は、プレプレグ材被覆を有するＨＴＳテープを使用して実施されることができる。
【０００８】
本発明の方法は、段階（ａ）に先立って、コイルの始端リード線を２枚の側板のうちの一方の側板上のリード端子に固定する段階と、ボビンに結合材層を取り付ける段階とを更に含むことができる。この場合、本方法は、段階（ｄ）に先立って、コイルの終端リード線を２枚の側板のうちの他方の側板上のリード端子に固定する段階と、矩形状の冷却用熱交換チューブをコイルに接合させた状態で、コイルに銅箔の層を取り付ける段階と、加熱下で段階（ｃ）を反復する段階とを更に含むことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、高温超伝導（ＨＴＳ）コイルを製造するために使用される精密コイル型枠１０を示す。ＨＴＳコイルは典型的には、ＨＴＳテープを引っ張りながらコイル型枠上に層状に巻き付け、エポキシ樹脂を含浸させ、厳密な寸法公差を達成すべく押圧又は圧縮される。幾つかのタイプのＨＴＳテープが知られており、本発明のＨＴＳコイルの製造においては、任意の適当なＨＴＳテープを使用することができる。
【００１０】
コイル型枠１０は、図に示すようにほぼ直線状の側辺を有するレーストラック形状のボビン１２と、このボビン１２を囲んで向かい合わせに配置された２枚の側板１４とを含む。ＨＴＳテープ巻線の押圧後に、これをエポキシ樹脂で含浸できるように、側板１４に含浸孔（図示せず）を設けることができる。一連のブロック１６が、ボルト又はそれに類した手段により、側板１４の外端縁上に組み立てられ、ボビン１２に対して近づいたり遠ざかったりするように移動可能である。図１において、ＨＴＳテープ巻線は符号１８で表してある。
【００１１】
ＨＴＳコイルを製造する場合には、コイルの中心軸線付近において一方の側板１４に固定された銅リード端子又はこれに類するもののようなリード端子に、コイルの始端リード線がハンダ付けされる。プレプレグ(Pre-Preg)材フィラメントプライ又はポリエステルなどの熱可塑性材料のような結合材の層がボビン１２上に施され、次いでＨＴＳテープの第１層が巻かれる。テープの第１層の直線部分をボビン１２に押圧して、テープの第１層とプレプレグ材層とボビン１２との全て一体に接着させるために、ブロック１６、特に少なくとも直線状ブロックが、側板１４にボルト止めされる。第１のテープ層の上に、結合材（プレプレグ材フィラメントプライ）の第２層が置かれ、次いでＨＴＳテープの第２層目が巻かれる。巻線１８をボビン１２に押圧して全ての層を一体に接着させるために、同じ一連の直線状ブロック１６が使用される。最後の奇数番目の層の巻き付けが完了するまで、かかる層巻付け工程を続行し、コイルの中心軸線付近において他方の側板１４に固定された銅リード端子に終端リード線がハンダ付けされる。
【００１２】
次に、プレプレグ材フィラメントプライの層が、完成した巻線の外表面上に取り付けられ、次いで矩形の冷却用熱交換チューブが外表面に接合された状態で銅箔の層が取り付けられる。適度な熱を加えながら完成したコイルを圧縮してコイル外表面を精密な形状にするために、一連の直線状ブロック及びコーナブロック１６（図１に示すような）が、側板によって銅箔の外表面に組み立てられる。組み立てを完了したコイル型枠と巻線とのアセンブリは、均一な温度に加熱され、プレプレグ材を硬化させる。この加熱温度は、使用される材料の硬化温度に応じて変わる。得られたコイル構造は、厳密な許容交差寸法に作られた、強度のある巻線複合体である。
【００１３】
製造工程において、ブロック１６を側板１４に固定するボルトは、ＨＴＳテープの層を段階的に押圧をできる寸法に作られることができる。このようにして、ボルトは、層が形成されるにつれてＨＴＳテープの段階的押圧を可能にするから、製造には唯１組のブロック１６が必要とされるに過ぎない。これとは別に、ＨＴＳテープの層の数に応じて選択的に押圧を行うために、複数のブロックは、厚さの異なるブロックを含むこともできる。更に、ブロックは、超伝導コイルの所望の外径に応じた形状とされた複数の最終ブロックを含み、（図２に示すように）精密な寸法のコイル形状を得ることができる。
【００１４】
別の巻線製造工程においては、ＨＴＳテープ絶縁のためにプレプレグ材被膜が使用され、それによって層間プレプレグ材フィラメントプライが省略される。かかる工程から得られるコイル構造は、ＨＴＳテープのパッキング率が一層高く、その結果より高い巻線電流密度が得られる。更に別の工程においては、各層を別々の位置で前に巻かれた層に接合させかつ押圧するために、迅速硬化接着剤と共にガラス絶縁されたＨＴＳテープを使用することができる。その後、巻線全体は、真空含浸処理法でエポキシ樹脂を含浸される。真空含浸処理法は周知であるから、その詳細については述べない。
【００１５】
本発明の構造と方法によって、巻かれたＨＴＳテープの各層は、その前に巻かれたＨＴＳテープ層に接合され押圧できるから、少なくとも直線部分におけるテープのスプリングバックは排除され、従って巻線複合体のパッキング率と、電流密度と、強度特性の低下が防止される。本発明の装置と方法で製造されたＨＴＳコイルは、その形状が精密であるから、その装填時にコイルに対する大きな歪みと、損傷の可能性を防止することができる。
【００１６】
本発明を、現時点で最も実用的で好ましいと考えられる実施形態に関連して説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の技術思想と技術的範囲に含まれる様々な変更形態及び等価な構成を含むことを意図していることを理解されたい。特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のＨＴＳレーストラック形コイルを製造するための装置と方法を示す組み立て図。
【図２】 装置の斜視図。
【符号の説明】
１０ コイル型枠
１２ ボビン
１４ 側板
１６ ブロック
１８ ＨＴＳテープ巻線

Claims (7)

1. 向かい合わせに配置された２枚の側板（１４）と、該側板の間に配置されたボビン（１２）と、前記側板の外端縁に近接して組み立てられた複数のブロック（１６）とを含み、該ブロックが前記ボビンに対して近づいたり遠ざかったりするように移動可能である装置を使用して、高温超伝導（ＨＴＳ）コイルを製造するための方法であって、
   （ａ）ＨＴＳテープ（１８）を前記ボビン（１２）上に巻く段階と、
   （ｂ）前記巻かれたＨＴＳテープ（１８）に結合材を施す段階と、
   （ｃ）前記ブロック（１６）を前記側板（１４）に固定するボルトによって、前記複数のブロック（１６）を段階的に移動させ該ブロックで前記ＨＴＳテープと前記結合材とを前記ボビン（１２）に押圧する段階と、
   （ｄ）前記押圧されたＨＴＳテープと前記結合材とを加熱して、前記結合材を硬化させる段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記段階（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、前記ＨＴＳテープ（１８）の各層毎に実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記段階（ｂ）及び（ｃ）は、前記ＨＴＳテープ（１８）の複数の層を巻いた後に実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記段階（ｂ）は、前記巻かれたＨＴＳテープ（１８）の複数層を、真空含浸処理法でエポキシ樹脂含浸することによって実施されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記段階（ａ）は、プレプレグ材被覆を有するＨＴＳテープ（１８）を使用して実施されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
6. 前記ボビン（１２）が、ほぼ直線状の側辺を有するレーストラック形状であり、前記段階（ｃ）が、前記ＨＴＳテープ（１８）と前記結合材とを前記ボビンの直線状の側辺に押圧することによって実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 向かい合わせに配置された２枚の側板（１４）と、該側板の間に配置されたボビン（１２）と、前記側板の外端縁に近接して組み立てられた複数のブロック（１６）とを含み、
   該ブロックが前記ボビンに対して近づいたり遠ざかったりするように移動可能である装置を使用して、高温超伝導（ＨＴＳ）コイルを製造するための方法であって、
   （ａ）ＨＴＳテープ（１８）を前記ボビン（１２）上に巻く段階と、
   （ｂ）前記巻かれたＨＴＳテープ（１８）に結合材を施す段階と、
   （ｃ）前記ブロック（１６）を前記側板（１４）に固定するボルトによって、前記複数のブロック（１６）を段階的に移動させ、該ブロックで前記ＨＴＳテープと前記結合材とを前記ボビン（１２）に押圧して圧縮する段階と、
   （ｄ）次の層を形成するＨＴＳテープを前記ボビンに巻く段階と、
   （ｅ）前記段階（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）を、所定のＨＴＳテープの層が前記ボビンに巻回されるまで繰り返す段階と、
   （ｆ）前記圧縮したＨＴＳテープと前記結合材とを加熱して、結合材を硬化させる段階
   と、
   を含むことを特徴とする方法。

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