專利名稱：加固的超導(dǎo)繞組及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)繞組，其具有至少一個(gè)至少基本呈帶狀的HTS導(dǎo)體，所述HTS導(dǎo)體在所述繞組的各匝中受到預(yù)定巻繞張力的作用，所述HTS導(dǎo)體的外側(cè)配有加固帶，構(gòu)成所述加固帶的材料的抗拉強(qiáng)度大于所述HTS導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度。此外，本發(fā)明還涉及一種制備上述超導(dǎo)繞組的方法。相應(yīng)的繞組及其制備方法可從JP 10-92630 A中獲悉。
背景技術(shù)：
在超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是在高能粒子物理學(xué)或電機(jī)領(lǐng)域，由超導(dǎo)體構(gòu)成的線圈繞組的使用由來已久。這些領(lǐng)域所采用的導(dǎo)體通常具有傳統(tǒng)的低轉(zhuǎn)變溫度T。的金屬超導(dǎo)材料，即所謂的低T。超導(dǎo)材料(縮寫為L(zhǎng)TS材料)。這類材料的主要代表是NbTi和Nb3Sn。
自從具有高轉(zhuǎn)變溫度Te的氧化物超導(dǎo)材料(即所謂的高Te超導(dǎo)材料，
縮寫為HTS材料)為人所知后，人們就在嘗試用由這些材料構(gòu)成的導(dǎo)體來制備相應(yīng)的繞組。開篇所提到的JP 10-92630 A中就提出了相應(yīng)的建議。該公開案所提出的繞組用HTS導(dǎo)體制成，這些導(dǎo)體的HTS材料是鉍系銅酸鹽類HTS材料，例如(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu30x，或釔系銅酸鹽類HTS材料，例如YBa2Cu3Oy。導(dǎo)體是所謂的單芯導(dǎo)體或多絲導(dǎo)體，其中，銀基質(zhì)內(nèi)嵌有一個(gè)或多個(gè)由HTS材料構(gòu)成的超導(dǎo)導(dǎo)體芯。建構(gòu)繞組時(shí)，將HTS導(dǎo)體的初產(chǎn)品(超導(dǎo)相和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尚未完全形成)和由銀合金構(gòu)成的加固帶一起繞在繞組鐵心上。其中，加固帶的材料的抗拉強(qiáng)度大于HTS導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度。隨后對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，其間形成超導(dǎo)相和相應(yīng)結(jié)構(gòu)，并在HTS導(dǎo)體的基質(zhì)材料與加固帶之間的共同接觸面上建立起冶金連接。由于必須進(jìn)行退火處理，這使繞組的建構(gòu)過程相應(yīng)較為復(fù)雜。
為了使用具有傳統(tǒng)(金屬)LTS材料的超導(dǎo)繞組來(例如為CERN的歐洲氣泡室)建構(gòu)大型磁體，"Industries Atomiques" 1970年第5/6巻第33至
46頁上所公開的方法是將加固帶平行地進(jìn)行巻繞以形成帶狀的NbTi超導(dǎo)體。這種加固帶可由不銹鋼構(gòu)成。所用超導(dǎo)體由多個(gè)單導(dǎo)體組成，這些單導(dǎo)體又分別具有嵌在銅基質(zhì)內(nèi)的NbTi導(dǎo)體芯，并被焊接成一個(gè)牢固的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(另見DE 1 765 917 C)。
較大繞組，例如較大磁體或較大電機(jī)上的繞組，也應(yīng)使用載流量較大的羅貝爾導(dǎo)體類型的HTS導(dǎo)體。相應(yīng)導(dǎo)體可包括多個(gè)換位的基本呈帶狀的單導(dǎo)體，這些單導(dǎo)體或者分別為單芯導(dǎo)體或者分別為多絲導(dǎo)體。WO 01/59909Al中公開過此類單導(dǎo)體。也可用WO03/100875 A中所公開的涂層導(dǎo)體類型的帶狀單導(dǎo)體來建構(gòu)HTS羅貝爾導(dǎo)體。
用這類HTS羅貝爾導(dǎo)體制備繞組時(shí)需要注意的是，考慮到羅貝爾導(dǎo)體的徑向厚度，各單導(dǎo)體位置應(yīng)具有各不相同的巻繞半徑，因而每匝的周長(zhǎng)也應(yīng)各不相同。結(jié)果是，這些單導(dǎo)體位置具有其各自的具體導(dǎo)體長(zhǎng)度需求。朝向線圈架內(nèi)側(cè)的單導(dǎo)體位置對(duì)導(dǎo)體的需求比朝向線圈架外側(cè)的單導(dǎo)體位置的需求小。在巻繞過程中，這會(huì)引起單導(dǎo)體的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，致使HTS單導(dǎo)體所構(gòu)成的羅貝爾導(dǎo)體組合體展開。因此，應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下問題
--制備繞組時(shí)，羅貝爾導(dǎo)體在線圈架上的完整安裝須靠手動(dòng)操作來保證。
一繞組在切向上的機(jī)械負(fù)荷能力受HTS單導(dǎo)體的拉伸負(fù)荷能力的限制。考慮到這些問題，在用HTS羅貝爾導(dǎo)體制備繞組時(shí)，可在采用目測(cè)檢驗(yàn)的情況下保證導(dǎo)體在線圈架上的安裝。但出現(xiàn)在線圈架上的羅貝爾導(dǎo)體組合體展開的現(xiàn)象必須通過手動(dòng)操作來加以改善。單導(dǎo)體長(zhǎng)度校正在換位長(zhǎng)度處理(即單導(dǎo)體位置完全變更)完畢后進(jìn)行。這種有手動(dòng)操作介入的制備技術(shù)相應(yīng)較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有開篇所述特征的超導(dǎo)繞組結(jié)構(gòu)，這種超導(dǎo)繞組結(jié)構(gòu)可用機(jī)器制備，而不會(huì)出現(xiàn)上述問題。此外，本發(fā)明的目的還在于提供一種建構(gòu)這種繞組的相應(yīng)方法。
與超導(dǎo)繞組相關(guān)的目的通過權(quán)利要求l所述的特征而達(dá)成。據(jù)此，具有開篇所述特征的繞組應(yīng)設(shè)計(jì)為，羅貝爾導(dǎo)體類型的HTS導(dǎo)體由多個(gè)至少基
本呈帶狀的相互換位的HTS單導(dǎo)體構(gòu)成，從冶金學(xué)角度看并不與HTS導(dǎo)體的預(yù)制成品相連的加固帶在大于HTS導(dǎo)體的巻繞張力的作用下巻繞在各匝導(dǎo)體中。
這種繞組設(shè)計(jì)方案特定而言具有下列各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)
一實(shí)現(xiàn)了一種可用簡(jiǎn)單方法制備羅貝爾導(dǎo)體繞組的制造技術(shù)。在此過程中，無需對(duì)跑合中的羅貝爾導(dǎo)體進(jìn)行目測(cè)檢驗(yàn)，無需予以手動(dòng)操作。
--通過將HTS羅貝爾導(dǎo)體與加固帶或繃帶彼此分離，可制造不同的機(jī)械負(fù)荷條件下的通用的HTS羅貝爾導(dǎo)體。在此情況下，可根據(jù)繞組工作時(shí)的具體要求來為加固帶選材。
--安裝在繞組中的加固帶對(duì)繞組起到了局部的機(jī)械加固作用，因而可有效吸收所產(chǎn)生的作用力。
本發(fā)明的超導(dǎo)繞組的有利改進(jìn)方案可從權(quán)利要求1的從屬權(quán)利要求中獲得。其中，根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)施方式可與其中一項(xiàng)從屬權(quán)利要求的特征相結(jié)合，優(yōu)選也可與多項(xiàng)從屬權(quán)利要求的特征相結(jié)合。據(jù)此，本發(fā)明的繞
組還具有以下特征
*加固帶可由不銹鋼或(視情況經(jīng)纖維增強(qiáng)處理的)塑料構(gòu)成。相應(yīng)的帶材造價(jià)低，且具有足夠大的抗拉強(qiáng)度。此外，在由不銹鋼構(gòu)成的加固帶中設(shè)置低溫不銹鋼是有利的。這樣就保證了即便在低溫條件下，尤其是在低于
轉(zhuǎn)變溫度Tc的情況下，除具抗拉強(qiáng)度外還可使加固帶具有充分的塑性變形
能力，特別地以免在如此低的溫度條件下出現(xiàn)致斷伸長(zhǎng)。*作為替代方案，加固帶也可用金屬質(zhì)地的特別是由低溫材料構(gòu)成的織 造材料，或塑料構(gòu)成的織造材料制成。通過這類加固帶也可實(shí)現(xiàn)符合要求的 抗拉強(qiáng)度，并且特別地還具有足夠的變形能力。
*各匝可有利地通過合成樹脂彼此機(jī)械相連。適當(dāng)?shù)暮铣蓸渲n能防 止導(dǎo)體發(fā)生非期望的運(yùn)動(dòng)，從而避免超導(dǎo)材料常導(dǎo)化(失超)。
*通常情況下必須通過絕緣材料將匝彼此隔離，以免相鄰匝之間尤其在 失超情況下產(chǎn)生閃絡(luò)。實(shí)現(xiàn)絕緣的方法是為單導(dǎo)體配備絕緣護(hù)套。作為替代 或補(bǔ)充方案，除加固帶外，還可巻繞一條絕緣帶。單導(dǎo)體的絕緣層厚度一般 都較小，附加安裝絕緣帶這一措施在單導(dǎo)體的這種絕緣層不滿足絕緣要求的 情況下比較有利。
參單導(dǎo)體的HTS材料可以是鉍系銅酸鹽類HTS材料。其中，這類材料 的各種金屬元素(Bi、 Sr、 Ca、 Cu)可以已知方式部分或全部地替換成其他 元素。作為替代方案，單導(dǎo)體的HTS材料也可以是釔系銅酸鹽類HTS材料。 在此情況下，也可對(duì)金屬元素進(jìn)行部分或全部替換。這兩種材料類型的單導(dǎo) 體可以是單芯類型、多絲類型或涂層繃帶(beschichteten Tragerband)類型(即 所謂的涂層導(dǎo)體)的導(dǎo)體。
與方法相關(guān)的目的通過權(quán)利要求11的特征而達(dá)成。據(jù)此，用于制備所 要求保護(hù)的超導(dǎo)繞組的方法是，對(duì)羅貝爾導(dǎo)體類型的HTS導(dǎo)體和加固帶進(jìn) 行同時(shí)巻繞，其中，在加固帶上施加大于HTS導(dǎo)體的巻繞張力。這些措施 所基于的事實(shí)是，在只對(duì)HTS羅貝爾導(dǎo)體施加巻繞張力的情況下(未使用 加固帶)，這個(gè)巻繞張力實(shí)際上是無法均勻分布到HTS羅貝爾導(dǎo)體的各個(gè)單 導(dǎo)體上的。其結(jié)果是HTS羅貝爾導(dǎo)體和其單導(dǎo)體在線圈架上展開。這個(gè)問 題的解決方法是用較大的巻繞張力在HTS羅貝爾導(dǎo)體的外側(cè)巻繞加固帶。 成品羅貝爾導(dǎo)體和加固帶在線圈架的相同位置上實(shí)現(xiàn)跑合。借此可避免單導(dǎo) 體在線圈架上展開，從而實(shí)現(xiàn)羅貝爾導(dǎo)體在線圈架上的完整安裝。制備過程 結(jié)束后，加固帶可有利地留置在繞組中，從而將例如繞組工作過程中所產(chǎn)生
7的力吸收掉。旋轉(zhuǎn)電機(jī)工作時(shí)所產(chǎn)生的離心力就是這樣一個(gè)例子。
制備超導(dǎo)繞組的方法的有利改進(jìn)方案可從權(quán)利要求11的從屬權(quán)利要求 中獲得。其中，根據(jù)權(quán)利要求11所述的實(shí)施方式可與其中一項(xiàng)從屬權(quán)利要 求的特征相結(jié)合，優(yōu)選也可與多項(xiàng)從屬權(quán)利要求的特征相結(jié)合。據(jù)此，所述 方法還具有以下特征
參施加在加固帶上的巻繞張力有利地大于HTS羅貝爾導(dǎo)體的臨界張應(yīng) 力。借此可完全地避免羅貝爾導(dǎo)體的臨界電流密度損失。已知HTS羅貝爾
導(dǎo)體的相應(yīng)臨界張應(yīng)力低于200 MPa，優(yōu)選低于150 MPa。
*用于加固帶的巻繞張力至少是用于HTS導(dǎo)體的巻繞張力的1.5倍，優(yōu)
選為3倍。因?yàn)橹挥性诩庸處鲜┘哟蟮枚嗟膸喞@張力，才能避免羅貝爾導(dǎo)
體發(fā)生非期望的展開。
*為避免HTS材料在開始巻繞時(shí)受損，致使羅貝爾導(dǎo)體的載流量出現(xiàn)
損失，用于HTS導(dǎo)體的巻繞張力至少為10MPa，最大為100MPa。


下面借助附圖所示的制備本發(fā)明超導(dǎo)繞組的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)
一步說明，其中
圖1為開始制備繞組時(shí)的結(jié)構(gòu)圖；以及 圖2為這個(gè)繞組的局部圖。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示的是一個(gè)部分已制成的超導(dǎo)繞組2的側(cè)視圖，此處以已知的用 于制備此類繞組的裝置為基礎(chǔ)。這個(gè)繞組的制備是圍繞一個(gè)中央線圈架3而 進(jìn)行的，所述線圈架在所選實(shí)施例中的截面為圓形。當(dāng)然也可采用其他幾何 形狀的線圈架，例如跑道形線圈的分段式平直外輪廓。在線圈架3上同時(shí)連 續(xù)巻繞至少基本呈帶狀的HTS羅貝爾導(dǎo)體4和加固帶5，其中，加固帶均應(yīng) 處于HTS羅貝爾導(dǎo)體的外側(cè)。HTS羅貝爾導(dǎo)體和加固帶來自于附圖未作圖 示的供帶盤。根據(jù)本發(fā)明，以至少1.5倍于(優(yōu)選為至少3倍于)HTS羅貝爾導(dǎo)體的
巻繞張力沿切向?qū)⒓庸處?巻繞在線圈架3上。HTS羅貝爾導(dǎo)體4和加固帶 5的不同巻繞張力WZ1和WZ2在圖中分別用不同長(zhǎng)度的箭頭表示。巻繞張 力WZ1應(yīng)低于HTS羅貝爾導(dǎo)體的臨界張應(yīng)力，這個(gè)張應(yīng)力一般低于200 MPa，優(yōu)選低于150 MPa。舉例而言，已知的具有Bi-2223銅酸鹽材料的HTS 羅貝爾導(dǎo)體的臨界張應(yīng)力在110 MPa與150 MPa之間。適當(dāng)?shù)膹垜?yīng)力WZ1 處于10 MPa與100 MPa之間，特定而言處于20 MPa與50 MPa之間。在此 情況下，用于加固帶5的張應(yīng)力WA2就例如為150 MPa。對(duì)于其寬度有利 地與HTS羅貝爾導(dǎo)體4的寬度相符的加固帶5而言，任何一種允許使用上 述數(shù)量級(jí)內(nèi)的足夠大巻繞張力的材料都是可以使用的。例如不銹鋼帶或銅合 金帶。必要情況下經(jīng)纖維增強(qiáng)處理的具有相應(yīng)抗拉強(qiáng)度的塑料也可用作加固 帶材料。加固帶也可使用織造材料，其中，織造成分為金屬或塑料。
圖2顯示的是如圖1所示的部分制成的繞組的截面圖。這個(gè)繞組在所示 狀態(tài)下具有wl至w3三匝，這些匝是通過在繞組鐵心上同時(shí)巻繞HTS羅貝 爾導(dǎo)體4和加固帶5而形成的。羅貝爾導(dǎo)體的橫截面大致呈矩形，由例如9 個(gè)大致呈帶狀的HTS單導(dǎo)體6i構(gòu)成。由這些單導(dǎo)體構(gòu)成的羅貝爾導(dǎo)體的結(jié) 構(gòu)是普遍所知的(參見上述WO 01/59909 Al和WO 03/100875 A2)。這些單 導(dǎo)體6i通常都具有絕緣護(hù)套。如果加固帶自身不絕緣，就可隨加固帶5再巻 繞一條絕緣帶。
權(quán)利要求
1. 一種超導(dǎo)繞組(2)，具有至少一個(gè)至少基本呈帶狀的HTS導(dǎo)體(4)，所述HTS導(dǎo)體在所述繞組的各匝(w1至w3)中受到預(yù)定卷繞張力的作用，所述HTS導(dǎo)體的外側(cè)配有加固帶(5)，構(gòu)成所述加固帶的材料抗拉強(qiáng)度大于所述HTS導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度，其特征在于，所述HTS導(dǎo)體(4)為羅貝爾導(dǎo)體類型，由多個(gè)至少基本呈帶狀的換位HTS單導(dǎo)體(6i)構(gòu)成，從冶金學(xué)角度看與所述HTS導(dǎo)體(4)的預(yù)制成品不相連的加固帶(5)在一較大的卷繞張力(WZ2)的作用下卷繞在所述各匝導(dǎo)體(w1至w3)中，該卷繞張力(WZ2)大于所述HTS導(dǎo)體(4)的卷繞張力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組，其特征在于，所述加固帶(5)由不銹鋼構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的繞組，其特征在于低溫不銹鋼。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組，其特征在于，所述加固帶(5)由塑料構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞組，其特征在于，所述加固帶(5)用金屬材料或塑料所構(gòu)成的織造材料制成。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的繞組，其特征在于，所述匝(wl至w3)通過合成樹脂機(jī)械相連。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的繞組，其特征在于，所述匝(wl至w3)通過絕緣材料彼此隔離。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的繞組，其特征在于，所述單導(dǎo)體(6i)配有絕緣護(hù)套。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的繞組，其特征在于，除所述加固帶(5)夕卜，還巻繞有一絕緣帶。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的繞組，其特征在于，所述HTS單導(dǎo)體(6i)的材料為鉍系銅酸鹽類型。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的繞組，其特征在于，所述HTS單導(dǎo)體(6i)的材料為釔系銅酸鹽類型。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的繞組，其特征在于，所述HTS單導(dǎo)體為單芯類型、多絲類型或涂層繃帶類型的導(dǎo)體。
13. —種用于制備根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的繞組的方法，其特征在于，對(duì)所述羅貝爾導(dǎo)體類型的HTS導(dǎo)體(4)和所述加固帶(5)進(jìn)行同時(shí)巻繞，其中，對(duì)所述加固帶(5)施加的巻繞張力(WZ2)大于所述HTS導(dǎo)體(4)的巻繞張力。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，施加在所述加固帶(5)上的巻繞張力(WZ2)大于所述HTS羅貝爾導(dǎo)體的臨界張應(yīng)力。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，用于所述加固帶(5)的巻繞張力(WZ2)至少是用于所述HTS導(dǎo)體(4)的巻繞張力(WZ1)的1.5倍，優(yōu)選是用于所述HTS導(dǎo)體(4)的巻繞張力(WZ1)的至少3倍。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13至15中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，用于所述HTS導(dǎo)體(4)的巻繞張力(WZ1)至少為10 MPa，最大為磨MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用羅貝爾導(dǎo)體類型的帶狀HTS導(dǎo)體(4)制成的超導(dǎo)繞組(2)，所述HTS導(dǎo)體由多個(gè)帶狀的換位HTS單導(dǎo)體構(gòu)成。所述預(yù)制HTS導(dǎo)體(4)上卷繞加固帶(5)，從冶金學(xué)角度看，所述加固帶與所述HTS導(dǎo)體(4)并不相連，且受到相對(duì)較大的卷繞張力(WZ2)的作用。其中，卷繞所述加固帶(5)所用的卷繞張力(WZ2)至少是所述HTS導(dǎo)體(4)的卷繞張力(WZ1)的1.5倍，優(yōu)選是所述HTS導(dǎo)體(4)的卷繞張力(WZ1)的至少3倍。
文檔編號(hào)H01F41/06GK101512688SQ200780032794
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2007年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月4日
發(fā)明者福爾克爾·胡森尼塞爾, 維爾納·赫克爾特 申請(qǐng)人:西門子公司