JP6270479B2 - 高温超電導体(hts)コイル - Google Patents

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Description

本発明は、高温超電導体(HTS)コイル、特に電気機械、例えば電動機又は発電機の回転子の磁極用の高温超電導体(HTS)コイルに関する。
高温超電導体(HTS)コイルは機械回転子の磁極巻線に使用することができ、該コイルは室温から運転温度へ冷却される。その運転温度において、コイル巻線内のHTS導体に含まれている超電導材料がそれの超電導特性を発揮する。回転子は回転軸上に取り付けられている。高温超電導体コイルの冷却は、例えば中空回転軸を通して行われる。回転機の回転子は複数の磁極を有し、それらの磁極の巻線がその中空回転軸を介して冷却されることによって、高温超電導体(HTS)コイルが適切な運転温度に冷却される。
現在大概は従来どおりの方法で「第1世代」の高温超電導体(1G−HTS)が使用されている。これらの帯状導体は、たいてい数mmの幅で、1mm未満の厚みである。帯状導体は、1G−HTSの場合、銀母材中に埋め込まれた粒状のHTSセラミック(例えば、BiSrCaCuO)のフィラメントを含み、製造はいわゆる管内粉末法により行われる。このような導体は圧縮回避のための特殊な措置を必要としない。
最近「第2世代」のHTS帯状導体が出現した。これらはコーティング法にて「コーテッドコンダクタ(coated conductor)」構造に従って製造される。HTSセラミック材料、例えばYBaCuOの薄い層が、柔軟に巻回可能な基板材の上に、例えば低温で使用できて高伸縮性の鉄合金(鋼、例えばハステロイ)又はニッケル・タングステン合金のテープの上に形成される。場合によっては、2G−HTSテープの製造工程は超電導体層の形成前になおも1つ以上の中間層を含んでいる。過電流に対する安定化のために、導体の片面又は両面に銅を設けることができる。
2G−HTS導体によって、1G−HTS導体に比べて、特に、より高い電流密度、より良好な機械的特性、より自由な導体材料およびジオメトリの選択という改善が予想される。
コイルの用途においては、HTS帯状導体(1G又は2G)が一般に電気絶縁体で包囲されており、全体が機械的固定のために樹脂(含浸)中に埋込まれている。HTSコイルの目的が磁界の発生にあることから、ローレンツ力が個々のHTS帯状導体に作用する。
高温超電導体(HTS)コイルを室温から高温超電導体(HTS)コイルの運転温度へ冷却する際に、コイル巻線の熱収縮が半径方向において生じ、しかし周方向においても生じる。この熱収縮は、HTS導体の自由な妨げのない収縮よりも明らかに大きい。何故ならば、コイル製造時に使用される含浸樹脂(大概はエポキシ樹脂)は、基板とHTS層と銅とからなり300Kから30Kまでに約3%の収縮値を有するHTS導体よりも明らかに高い収縮値、例えば300Kから30Kまでに1.4%の収縮値を有するからである。コイル巻線のこの熱収縮は、コイル巻線内に含まれる超電導材料の導体長手方向(周方向)の圧縮をもたらす。コイルが2G−HTS材料から従来の方法で製造される場合には、長手方向圧縮が規定範囲を上回るや否や、コイル巻線に含まれている超電導材料の超電導特性の回復不能な劣化を招く。2G−HTS導体内の薄いセラミック層は、1G−HTS導体内の多数の個々の粒子からなるフィラメントよりも、そのような圧縮に対して抵抗力が小さい。
従って、本発明の課題は、熱収縮に起因する超電導特性の劣化が十分に回避される高温超電導体(HTS)コイルを提供することにある。
この課題は、本発明によれば、請求項1記載の特徴を有する高温超電導体(HTS)コイルによって解決される。
本発明は、超電導材料を有するHTS帯状導体からなる少なくとも1つのコイル巻線と、コイル巻線のための1つのコイル支持体とを有し、高温超電導体(HTS)コイルを室温からHTSコイルの運転温度へ冷却する際に、コイル巻線に含まれている超電導材料の長手方向(周方向)圧縮を回避又は低減するために、コイル巻線又はコイル支持体又はその両方が、コイル巻線の熱収縮を妨げるように構成されている高温超電導体(HTS)コイルを提供する。
本発明による高温超電導体(HTS)コイルの1つの可能な実施形態では、このコイル支持体は、高温超電導体(HTS)コイルの運転温度への冷却時における熱収縮がコイル支持体のない場合のコイル巻線の熱収縮よりも少ない材料からなる。更に例を示す。
本発明による高温超電導体(HTS)コイルの1つの可能な実施形態では、コイル巻線が高い巻回張力で巻回されている。
本発明による高温超電導体(HTS)コイルの1つの可能な実施形態では、コイル支持体が、150,000MN/m2より大きい弾性率(E)を有する材料からなるか、又はコイル支持体が非常に安定な材料、例えば中実材料からなる。
本発明による高温超電導体(HTS)コイルの1つの可能な実施形態では、コイル巻線用の帯状導体が、高温超電導体(HTS)コイルの運転温度への冷却時における熱収縮がHTSセラミック導体層の熱収縮よりも少ない基板材の上に形成された超電導性のHTSセラミック導体層を有する。
本発明による高温超電導体(HTS)コイルの1つの可能な実施形態では、帯状導体が含浸材料中に埋込まれた電気絶縁性の絶縁被覆を有し、高温超電導体(HTS)コイルの運転温度への冷却時おけるその絶縁被覆又は含浸材料の熱収縮が非常に小さい、例えば1.4%のエポキシ樹脂の熱収縮よりも小さい。本発明による高温超電導体(HTS)コイル1の他の可能な実施形態では、更に含浸材料がコイル巻線2の熱収縮を妨げるべく金属酸化物からなる粒子を有する。この金属酸化物は、例えば酸化アルミニウムである。
本発明による高温超電導体(HTS)コイルの1つの可能な実施形態では、コイル支持体およびコイル巻線が磁極コアの形状に合わせてリング状に形成されている。以下においてこれを更に詳細に示す。
本発明による高温超電導体(HTS)コイルの好ましい実施形態では、高温超電導体(HTS)コイルが80ケルビン(K)よりも低い運転温度で運転される。
更に、本発明は、それぞれ少なくとも1つの高温超電導体(HTS)コイルが取り付けられている少なくとも1つの磁極を有する電気機械の回転子を提供する。この回転子においては、高温超電導体(HTS)コイルが、超電導材料を有するHTS帯状導体からなる少なくとも1つのコイル巻線と、該コイル巻線のためのコイル支持体とを有し、コイル巻線又はコイル支持体又は好ましくはその両方が、高温超電導体(HTS)コイルを室温から高温超電導体(HTS)コイルの運転温度へ冷却する際に、コイル巻線に含まれている超電導材料の長手方向(周方向)圧縮を回避又は低減するために、コイル巻線の熱収縮を妨げるように構成されている。
本発明による機械回転子の1つの可能な実施形態では、複数の磁極コアがそれぞれに取り付けられた高温超電導体(HTS)コイルの熱収縮を妨げる。
更に、添付図面を参照しながら、本発明による高温超電導体(HTS)コイルの可能な実施形態を説明する。
図1は本発明による高温超電導体(HTS)コイルの1つの可能な実施形態を示す斜視図である。 図2は拡張されたコイル支持体断面を有する本発明による高温超電導体(HTS)コイルの他の可能な実施形態を示す斜視図である。 図3は本発明による高温超電導体(HTS)コイルの1つの可能な実施形態の部分詳細斜視図である。
図1から分かるように高温超電導体(HTS)コイル1は、コイル支持体3に取り付けられた少なくとも1つのコイル巻線2を有し、コイル巻線2は超電導材料を有する。1つの可能な実施形態において、コイル巻線2はHTS帯状導体(1G−HTS又は2G−HTS)の複数の巻層からなり、HTS帯状導体は、巻回可能な基板材の上に形成された超電導HTSセラミック導体層を有し、そして外周には他の層および絶縁/含浸層を有する。超電導HTSセラミック導体層は、例えばYBaCuOからなる導体層である。図1に示された高温超電導体(HTS)コイル1は、運転時に室温から高温超電導体(HTS)コイル1の運転温度へ冷却される。
1つの可能な実施形態では高温超電導体(HTS)コイル1が80ケルビンよりも低い運転温度で運転される。高温超電導体(HTS)コイル1を室温から運転温度まで冷却する際に、コイル巻線2の熱収縮が生じる。本発明による高温超電導体(HTS)コイル1の場合には、コイル巻線2又はコイル支持体3又は両方が、高温超電導体(HTS)コイル1を室温からHTSコイル1の運転温度への冷却する際に、コイル巻線2内に含まれている超電導材料の長手方向(周方向)圧縮を回避又は低減すべくコイル巻線の熱収縮を妨げるように構成されている。
1つの可能な実施形態では、コイル巻線2もコイル支持体3も、コイル巻線2の機械的な収縮を妨げるように構成されている。1つの可能な実施形態では、コイル支持体3のみが、コイル巻線2の熱収縮を妨げるように構成されている。高温超電導体(HTS)コイル1の他の可能な実施形態では、コイル巻線2だけが、自身の熱収縮を妨げるか、もしくはその熱収縮によって引き起こされる超電導材料の長手方向(周方向)収縮を回避又は低減するように構成されている。
本発明による高温超電導体(HTS)コイル1の1つの実施形態において、コイル支持体3は、HTSコイル1の運転温度への冷却時における熱収縮がコイル支持体なしのコイル巻線2の熱収縮よりも少ない材料からなる。従って、コイル支持体3は、できるだけ少ない熱収縮を有する材料からなることが好ましい。HTSコイル1の内部の巻層もしくは巻線からの必要な放熱を保証するために、1つの可能な実施形態において、コイル支持体3は熱伝導性の材料、例えば銅板からなる被覆を備えているとよい。この被覆は高い熱伝導率を有する材料からなることが好ましい。更に、コイル支持体3は、高い熱伝導率を有する材料からなる被覆で囲まれた複合材料構造又はサンドイッチ構造を有するとよい。
1つの可能な実施形態では、コイル支持体3が、周方向においてガラス繊維強化プラスチック材料(GFRP)からなる。この代わりに、コイル支持体3が鋼、特に4340鋼からなっていてもよい。この鋼は、約300ケルビンの室温から30ケルビンまでの運転温度への冷却時に、単に0.21%の熱収縮を有する。更に、コイル支持体3は、少ない弾性を有する材料、即ち高い弾性率Eを有する材料からなることが好ましい。1つの可能な実施形態では、コイル支持体3が150,000MN/m2よりも大きい弾性率Eを持つ材料からなる。
更に、コイル支持体3は、1つの可能な実施形態において、巻回工程に対して予め与えられた機械的安定性を達成するために必要な最小材料断面積よりも大きい材料断面積を有する。図2は、コイル支持体3が、図1に比べて拡張された材料断面積を有し、それによってより安定であり、高められた巻回張力の使用を可能にする本発明による高温超電導体(HTS)コイル1の実施形態を例示する。
図1又は図2に示されているようなHTSコイル1が、例えば機械回転子の磁極コアの上に取り付けられる。コイル支持体3およびコイル巻線2は磁極コアの形状に合わされ、即ち、それらは図1、図2に示されているように、例えばレーストラックのようなリング状に形成されている。図1、図2に示された開口4は機械回転子の磁極コアで完全にふさがれる。磁極コアの鉄が、HTSコイル1の室温から運転温度への冷却時に、自由状態にあるコイル巻線が収縮するよりも少ない収縮をするならば、磁極コアの鉄がコイル巻線の熱収縮を決定し、従ってコイル巻線に含まれているHTSセラミックスの長手方向圧縮を決定する。従って、1つの可能な実施形態では、高温超電導体(HTS)コイル1が各磁極コアの鉄の上に直接に取り付けられ、それによって磁極コアの鉄もしくは鋼がHTSセラミックスの長手方向圧縮を妨げることができる。この実施形態において、コイルは、巻回工程にとって十分なだけの剛性を有する支持体の上に形成される。次にコイル巻線2とこれに対応するコイル支持体3とが、予め作られた回転子磁極コアの上に焼嵌めされるか、又はぴったりとした嵌まりで取り付けられる。高温超電導体(HTS)コイル1の運転中の冷却に際して生じる機械的な力は、磁極コアの鉄によって持ちこたえられる。磁極コアの鉄は、より少ない熱収縮を有し、このようにしてコイル巻線2内に含まれるHTSセラミックスの長手方向(周方向)圧縮を防止する。高温超電導体(HTS)コイル1および付属の磁極コアの冷却システムとの良好な結合によって、高温超電導体(HTS)コイル1が付属の磁極コアよりも速く冷えることが防止される。
1つの可能な(図示されていない)実施形態では、コイル支持体3が中実のコイル支持体であり、非常に大きな断面積を有し、従って、巻回力を受け入れるための高い機械的安定性を有する。
本発明による高温超電導体(HTS)コイル1の他の可能な実施形態において、2G−HTS帯状導体からなるコイル巻線2は、1G−HTS帯状導体の場合よりも高い巻回張力にて製造される。これは1G−HTSは機械的強度が部分的により小さいからである。さまざまな幅の2G−HTS帯状導体が入手可能であることから、しばしば単位導体幅当たりの巻回張力が指定される。全または合計巻回張力FWは、[巻回張力/幅]×[HTS帯状導体の幅]としてもたらされる。例えば、12mm幅のHTS帯状導体は少なくとも25N/cmの単位幅当たりの巻回張力、従って30Nの巻回張力で加工されるのが有利である。それによって、本発明によるHTSコイル1は相応に高い初期応力を有する。その初期応力は、例えば30Nである1導体当たりの巻回張力とコイル巻線の巻回数nとの積からもたらされる。全または合計初期応力FVは、次式により、即ち、
V=2×n×FW
によりもたらされる。ただし、nはコイル巻線2の巻回数であり、FWは1導体当たりの巻回張力である。
本発明による高温超電導体(HTS)コイル1は、とりわけ2G−HTS帯状導体からなるコイル巻線を有し、このコイル巻線内ではHTSセラミック導体層が基板材の上に形成されている。2G−HTS(コーテッドコンダクタ)を有するこの種のコイル巻線は、現在では、数100N/cmにおよび明らかにより高い単位導体幅当たりの巻回張力FWを許容する。本発明によるHTSコイル1の1つの可能な実施形態において、単位導体幅当たりの巻回張力FWは50N/cm〜100N/cm又はそれ以上である。本発明に従って構成されたコイル支持体3は、許容できない変形なしに明らかにより高い巻回張力FWに耐える。この実施形態の場合にコイル巻線2が巻回時に機械的な初期応力を与えられるならば、HTSコイル1を運転温度へ冷却する際に引き起こされる熱収縮が、この周方向における機械的な初期応力を先ず減らす。この機械的な初期応力が完全に相殺されたときにはじめて、コイル巻線2内に含まれている超電導材料の容認できない長手方向圧縮が生じる。好ましい実施形態では、コイル巻線2が、高められた巻回張力FWにおいて、コイル巻線の巻回中にコイル巻線の巻回張力が内側から外側へ向かって連続的に低減されるように巻回される。
図3は部分詳細図で本発明による高温超電導体(HTS)コイル1の他の実施例を示す。コイル巻線2は多数の巻かれたコイル巻層を有し、これらの巻層が図3に鎖線で示されている。HTS帯状導体からなる巻かれた複数のコイル巻層は、相応に形成されたコイル支持体3に合わせられている。この構成においても、本発明による高温超電導体(HTS)コイル1の既述の有利な特徴が具現できる。
図3に示されたコイル支持体3は、好ましくは、運転温度への冷却時における熱収縮がコイル巻線2において使用される材料の熱収縮よりも少ない材料からなる。コイル支持体3は、例えばガラス繊維強化プラスチック材料、又は鋼、特に4340鋼からなる。コイル巻線2のコイル巻層が高い巻回張力FWで巻回されるので、これに応じて高い初期応力が生じる。この実施形態においては、コイル巻線2の内側の巻線がより高い巻回張力で巻回され、その巻回張力は巻回工程の進行と共に減少する。単位導体幅当たりの初期の巻回張力は100N/cm以上であるとよく、その巻回張力は、巻回の進行と共に、例えばほぼ直線的に25N/cm以上の巻回張力へ低減される。図3に示された高温超電導体(HTS)コイル1は、回転機械の回転子の磁極コアに取り付けられる所謂HTSレーストラック型コイルであってよい。
本発明による高温超電導体(HTS)コイル1は、好ましくは、特定の運転温度範囲、特に80Kよりも低い、もしくは約30Kでの運転に対して設計される。本発明による高温超電導体(HTS)コイル1の構造は図1〜3に示された実施形態に限定されていない。例えば、1つの可能な実施形態において、多数の高温超電導体(HTS)コイル1が1つのコイル支持体3上に設けられていてよい。更に、1つの可能な実施形態において、コイル巻線2が2つのコイル支持体3の間にサンドイッチ構造にて設けられてもよい。それによって、コイル支持体の全体断面積が高められる。更に、図1〜3に示されているような高温超電導体(HTS)コイル1を、多数個、回転子の1つの共通な磁極コアに取り付けることができる。更に、本発明による高温超電導体(HTS)コイル1は、図1〜3に示されたリング形状に限定されず、機械回転子の設計に応じた他の形状、例えば楕円形又は丸い角を有する矩形をとることもできる。更に、本発明による高温超電導体(HTS)コイル1は、図1、図3に示されているように、扁平に形成するのではなくて、例えば円筒表面に合わせて形成してよい。
他の可能な実施形態では、コイル巻線2の熱収縮がセンサにより検出され、制御装置に伝達される。熱収縮が、例えば予め与えられた閾値を上回ると、これは、コイル巻線2に含まれている超電導材料が圧縮される危険およびそれにともなう超電導特性の減損を伝達する通報を作動させる。
1 高温超電導体(HTS)コイル
2 コイル巻線
3 コイル支持体
4 開口

Claims (16)

  1. 超電導材料を有する少なくとも1つのコイル巻線(2)と、
    コイル巻線(2)のための1つのコイル支持体(3)とを有し、
    前記コイル巻線(2)は、HTS(高温超電導体)セラミック導体層を有するHTS帯状導体を備え、前記HTSセラミック導体層は、高温超電導体(HTS)コイル(1)の運転温度への冷却時における熱収縮が前記HTSセラミック導体層の熱収縮よりも少ない巻回可能な基板材の上に形成されており、
    前記コイル支持体(3)が、レーストラック状に形成され、前記高温超電導体(HTS)コイル(1)の運転温度への冷却時における熱収縮がコイル支持体のない場合の前記コイル巻線(2)の熱収縮よりも少ない材料からなり、さらに、
    前記コイル巻線(2)は、1つのHTS帯状導体の単位幅当たりの巻回張力(Fw)が25N/cm以上で巻回され、前記巻回張力(Fw)によって、Fv=2×n×Fw(ここで、nは前記コイル巻線(2)の巻回数、Fwは1導体あたりの巻回張力)で与えられる初期応力(Fv)を有することを特徴とする高温超電導体(HTS)コイル。
  2. コイル支持体(3)がガラス繊維強化プラスチック材料からなる請求項1記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  3. コイル支持体(3)が鋼材からなる請求項1記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  4. コイル支持体(3)が4340鋼からなる請求項3記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  5. コイル支持体(3)が高い熱伝導率を有する材料からなる被覆を有する請求項1乃至4の1つに記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  6. コイル支持体(3)が、150,000MN/m2より大きい縦弾性率(E)を有する材料からなる請求項1乃至5の1つに記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  7. コイル支持体(3)が、巻回工程に対して機械的な安定度を達成するために必要な最小の断面積よりも大きい材料断面積を有する請求項1乃至6の1つに記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  8. コイル支持体(3)が中実材料である請求項1乃至6の1つに記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  9. HTS帯状導体の単位幅当たりの巻回張力が50N/cmよりも大きい請求項1記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  10. HTS帯状導体が含浸材料中に埋込まれた電気絶縁性の絶縁被覆を有し、前記含浸材料がエポキシ樹脂の熱収縮よりも少ない熱収縮を有する請求項1乃至9の1つに記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  11. 前記含浸材料が金属酸化物からなる粒子を有する請求項10記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  12. コイル支持体(3)およびコイル巻線(2)が磁極コアの形状に合わせてリング状に形成されている請求項1乃至11の1つに記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  13. 高温超電導体(HTS)コイル(1)が80ケルビン(K)より低い運転温度で運転される請求項1乃至12の1つに記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  14. コイル巻線(2)の巻回中に巻回張力が内側から外側に向かって連続的に低減されるようにコイル巻線(2)が巻回されている請求項1乃至13の1つに記載の高温超電導体(HTS)コイル。
  15. 請求項1乃至14の少なくとも1つに記載の高温超電導体(HTS)コイル(1)がそれぞれに取り付けられている複数の磁極コアを有する電気機械の回転子。
  16. 各磁極コアが、当該磁極コアに取り付けられた高温超電導体(HTS)コイル(1)の熱収縮を妨げる請求項15記載の電気機械の回転子。
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