JP6270479B2

JP6270479B2 - 高温超電導体（ｈｔｓ）コイル

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Publication number: JP6270479B2
Application number: JP2013526372A
Authority: JP
Inventors: ニック、ヴォルフガング; ピーターオーメン、マリーン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: EP2601660A1; US9048015B2; WO2012031790A1; KR20130138231A; KR101887714B1; DE102010040272A1; JP2013539338A; CN103189937A; US20130172196A1; DE102010040272B4

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（ｃｏａｔｅｄｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）」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Ｆ_W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Ｆ_Vは、次式により、即ち、
Ｆ_V＝２×ｎ×Ｆ_W
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、Ｆ_W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Ｆ_W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Ｆ_W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Ｆ_W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Ｆ_W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Ｆ_W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

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。