加固的超导绕组及其制备方法.pdf

本发明涉及一种用罗贝尔导体类型的带状HTS导体(4)制成的超导绕组(2)，所述HTS导体由多个带状的换位HTS单导体构成。所述预制HTS导体(4)上卷绕加固带(5)，从冶金学角度看，所述加固带与所述HTS导体(4)并不相连，且受到相对较大的卷绕张力(WZ2)的作用。其中，卷绕所述加固带(5)所用的卷绕张力(WZ2)至少是所述HTS导体(4)的卷绕张力(WZ1)的1.5倍，优选是所述HTS导体(4)的卷绕张力(WZ1)的至少3倍。

1.  一种超导绕组(2)，具有至少一个至少基本呈带状的HTS导体(4)，所述HTS导体在所述绕组的各匝(w1至w3)中受到预定卷绕张力的作用，所述HTS导体的外侧配有加固带(5)，构成所述加固带的材料抗拉强度大于所述HTS导体的抗拉强度，
其特征在于，
所述HTS导体(4)为罗贝尔导体类型，由多个至少基本呈带状的换位HTS单导体(6i)构成，从冶金学角度看与所述HTS导体(4)的预制成品不相连的加固带(5)在一较大的卷绕张力(WZ2)的作用下卷绕在所述各匝导体(w1至w3)中，该卷绕张力(WZ2)大于所述HTS导体(4)的卷绕张力。

2.  根据权利要求1所述的绕组，其特征在于，
所述加固带(5)由不锈钢构成。

3.  根据权利要求2所述的绕组，其特征在于低温不锈钢。

4.  根据权利要求1所述的绕组，其特征在于，
所述加固带(5)由塑料构成。

5.  根据权利要求1所述的绕组，其特征在于，
所述加固带(5)用金属材料或塑料所构成的织造材料制成。

6.  根据上述权利要求中任一项权利要求所述的绕组，其特征在于，
所述匝(w1至w3)通过合成树脂机械相连。

7.  根据上述权利要求中任一项权利要求所述的绕组，其特征在于，
所述匝(w1至w3)通过绝缘材料彼此隔离。

8.  根据权利要求7所述的绕组，其特征在于，
所述单导体(6i)配有绝缘护套。

9.  根据权利要求7或8所述的绕组，其特征在于，
除所述加固带(5)外，还卷绕有一绝缘带。

10.  根据上述权利要求中任一项权利要求所述的绕组，其特征在于，
所述HTS单导体(6i)的材料为铋系铜酸盐类型。

11.  根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的绕组，其特征在于，
所述HTS单导体(6i)的材料为钇系铜酸盐类型。

12.  根据上述权利要求中任一项权利要求所述的绕组，其特征在于，
所述HTS单导体为单芯类型、多丝类型或涂层绷带类型的导体。

13.  一种用于制备根据上述权利要求中任一项权利要求所述的绕组的方法，
其特征在于，
对所述罗贝尔导体类型的HTS导体(4)和所述加固带(5)进行同时卷绕，其中，对所述加固带(5)施加的卷绕张力(WZ2)大于所述HTS导体(4)的卷绕张力。

14.  根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
施加在所述加固带(5)上的卷绕张力(WZ2)大于所述HTS罗贝尔导体的临界张应力。

15.  根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，
用于所述加固带(5)的卷绕张力(WZ2)至少是用于所述HTS导体(4)的卷绕张力(WZ1)的1.5倍，优选是用于所述HTS导体(4)的卷绕张力(WZ1)的至少3倍。

16.  根据权利要求13至15中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
用于所述HTS导体(4)的卷绕张力(WZ1)至少为10MPa，最大为100MPa。

加固的超导绕组及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超导绕组，其具有至少一个至少基本呈带状的HTS导体，所述HTS导体在所述绕组的各匝中受到预定卷绕张力的作用，所述HTS导体的外侧配有加固带，构成所述加固带的材料的抗拉强度大于所述HTS导体的抗拉强度。此外，本发明还涉及一种制备上述超导绕组的方法。相应的绕组及其制备方法可从JP 10-92630 A中获悉。
背景技术
在超导技术领域，尤其是在高能粒子物理学或电机领域，由超导体构成的线圈绕组的使用由来已久。这些领域所采用的导体通常具有传统的低转变温度T_c的金属超导材料，即所谓的低T_c超导材料(缩写为LTS材料)。这类材料的主要代表是NbTi和Nb₃Sn。
自从具有高转变温度T_c的氧化物超导材料(即所谓的高T_c超导材料，缩写为HTS材料)为人所知后，人们就在尝试用由这些材料构成的导体来制备相应的绕组。开篇所提到的JP 10-92630 A中就提出了相应的建议。该公开案所提出的绕组用HTS导体制成，这些导体的HTS材料是铋系铜酸盐类HTS材料，例如(Bi，Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x，或钇系铜酸盐类HTS材料，例如YBa₂Cu₃O_y。导体是所谓的单芯导体或多丝导体，其中，银基质内嵌有一个或多个由HTS材料构成的超导导体芯。建构绕组时，将HTS导体的初产品(超导相和相应的结构尚未完全形成)和由银合金构成的加固带一起绕在绕组铁心上。其中，加固带的材料的抗拉强度大于HTS导体的抗拉强度。随后对这一结构进行退火处理，其间形成超导相和相应结构，并在HTS导体的基质材料与加固带之间的共同接触面上建立起冶金连接。由于必须进行退火处理，这使绕组的建构过程相应较为复杂。
为了使用具有传统(金属)LTS材料的超导绕组来(例如为CERN的欧洲气泡室)建构大型磁体，“Industries Atomiques”1970年第5/6卷第33至46页上所公开的方法是将加固带平行地进行卷绕以形成带状的NbTi超导体。这种加固带可由不锈钢构成。所用超导体由多个单导体组成，这些单导体又分别具有嵌在铜基质内的NbTi导体芯，并被焊接成一个牢固的导体结构(另见DE 1 765 917 C)。
较大绕组，例如较大磁体或较大电机上的绕组，也应使用载流量较大的罗贝尔导体类型的HTS导体。相应导体可包括多个换位的基本呈带状的单导体，这些单导体或者分别为单芯导体或者分别为多丝导体。WO 01/59909A1中公开过此类单导体。也可用WO 03/100875 A中所公开的涂层导体类型的带状单导体来建构HTS罗贝尔导体。
用这类HTS罗贝尔导体制备绕组时需要注意的是，考虑到罗贝尔导体的径向厚度，各单导体位置应具有各不相同的卷绕半径，因而每匝的周长也应各不相同。结果是，这些单导体位置具有其各自的具体导体长度需求。朝向线圈架内侧的单导体位置对导体的需求比朝向线圈架外侧的单导体位置的需求小。在卷绕过程中，这会引起单导体的补偿运动，致使HTS单导体所构成的罗贝尔导体组合体展开。因此，应用时会出现以下问题：
—制备绕组时，罗贝尔导体在线圈架上的完整安装须靠手动操作来保证。
—绕组在切向上的机械负荷能力受HTS单导体的拉伸负荷能力的限制。
考虑到这些问题，在用HTS罗贝尔导体制备绕组时，可在采用目测检验的情况下保证导体在线圈架上的安装。但出现在线圈架上的罗贝尔导体组合体展开的现象必须通过手动操作来加以改善。单导体长度校正在换位长度处理(即单导体位置完全变更)完毕后进行。这种有手动操作介入的制备技术相应较为复杂。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有开篇所述特征的超导绕组结构，这种超导绕组结构可用机器制备，而不会出现上述问题。此外，本发明的目的还在于提供一种建构这种绕组的相应方法。
与超导绕组相关的目的通过权利要求1所述的特征而达成。据此，具有开篇所述特征的绕组应设计为，罗贝尔导体类型的HTS导体由多个至少基本呈带状的相互换位的HTS单导体构成，从冶金学角度看并不与HTS导体的预制成品相连的加固带在大于HTS导体的卷绕张力的作用下卷绕在各匝导体中。
这种绕组设计方案特定而言具有下列各项优点：
—实现了一种可用简单方法制备罗贝尔导体绕组的制造技术。在此过程中，无需对跑合中的罗贝尔导体进行目测检验，无需予以手动操作。
—通过将HTS罗贝尔导体与加固带或绷带彼此分离，可制造不同的机械负荷条件下的通用的HTS罗贝尔导体。在此情况下，可根据绕组工作时的具体要求来为加固带选材。
—安装在绕组中的加固带对绕组起到了局部的机械加固作用，因而可有效吸收所产生的作用力。
本发明的超导绕组的有利改进方案可从权利要求1的从属权利要求中获得。其中，根据权利要求1所述的实施方式可与其中一项从属权利要求的特征相结合，优选也可与多项从属权利要求的特征相结合。据此，本发明的绕组还具有以下特征：
●加固带可由不锈钢或(视情况经纤维增强处理的)塑料构成。相应的带材造价低，且具有足够大的抗拉强度。此外，在由不锈钢构成的加固带中设置低温不锈钢是有利的。这样就保证了即便在低温条件下，尤其是在低于转变温度T_c的情况下，除具抗拉强度外还可使加固带具有充分的塑性变形能力，特别地以免在如此低的温度条件下出现致断伸长。
●作为替代方案，加固带也可用金属质地的特别是由低温材料构成的织造材料，或塑料构成的织造材料制成。通过这类加固带也可实现符合要求的抗拉强度，并且特别地还具有足够的变形能力。
●各匝可有利地通过合成树脂彼此机械相连。适当的合成树脂浸渍能防止导体发生非期望的运动，从而避免超导材料常导化(失超)。
●通常情况下必须通过绝缘材料将匝彼此隔离，以免相邻匝之间尤其在失超情况下产生闪络。实现绝缘的方法是为单导体配备绝缘护套。作为替代或补充方案，除加固带外，还可卷绕一条绝缘带。单导体的绝缘层厚度一般都较小，附加安装绝缘带这一措施在单导体的这种绝缘层不满足绝缘要求的情况下比较有利。
●单导体的HTS材料可以是铋系铜酸盐类HTS材料。其中，这类材料的各种金属元素(Bi、Sr、Ca、Cu)可以已知方式部分或全部地替换成其他元素。作为替代方案，单导体的HTS材料也可以是钇系铜酸盐类HTS材料。在此情况下，也可对金属元素进行部分或全部替换。这两种材料类型的单导体可以是单芯类型、多丝类型或涂层绷带(beschichteten Trerband)类型(即所谓的涂层导体)的导体。
与方法相关的目的通过权利要求11的特征而达成。据此，用于制备所要求保护的超导绕组的方法是，对罗贝尔导体类型的HTS导体和加固带进行同时卷绕，其中，在加固带上施加大于HTS导体的卷绕张力。这些措施所基于的事实是，在只对HTS罗贝尔导体施加卷绕张力的情况下(未使用加固带)，这个卷绕张力实际上是无法均匀分布到HTS罗贝尔导体的各个单导体上的。其结果是HTS罗贝尔导体和其单导体在线圈架上展开。这个问题的解决方法是用较大的卷绕张力在HTS罗贝尔导体的外侧卷绕加固带。成品罗贝尔导体和加固带在线圈架的相同位置上实现跑合。借此可避免单导体在线圈架上展开，从而实现罗贝尔导体在线圈架上的完整安装。制备过程结束后，加固带可有利地留置在绕组中，从而将例如绕组工作过程中所产生的力吸收掉。旋转电机工作时所产生的离心力就是这样一个例子。
制备超导绕组的方法的有利改进方案可从权利要求11的从属权利要求中获得。其中，根据权利要求11所述的实施方式可与其中一项从属权利要求的特征相结合，优选也可与多项从属权利要求的特征相结合。据此，所述方法还具有以下特征：
●施加在加固带上的卷绕张力有利地大于HTS罗贝尔导体的临界张应力。借此可完全地避免罗贝尔导体的临界电流密度损失。已知HTS罗贝尔导体的相应临界张应力低于200MPa，优选低于150MPa。
●用于加固带的卷绕张力至少是用于HTS导体的卷绕张力的1.5倍，优选为3倍。因为只有在加固带上施加大得多的卷绕张力，才能避免罗贝尔导体发生非期望的展开。
●为避免HTS材料在开始卷绕时受损，致使罗贝尔导体的载流量出现损失，用于HTS导体的卷绕张力至少为10MPa，最大为100MPa。
附图说明
下面借助附图所示的制备本发明超导绕组的优选实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1为开始制备绕组时的结构图；以及
图2为这个绕组的局部图。
具体实施方式
图1显示的是一个部分已制成的超导绕组2的侧视图，此处以已知的用于制备此类绕组的装置为基础。这个绕组的制备是围绕一个中央线圈架3而进行的，所述线圈架在所选实施例中的截面为圆形。当然也可采用其他几何形状的线圈架，例如跑道形线圈的分段式平直外轮廓。在线圈架3上同时连续卷绕至少基本呈带状的HTS罗贝尔导体4和加固带5，其中，加固带均应处于HTS罗贝尔导体的外侧。HTS罗贝尔导体和加固带来自于附图未作图示的供带盘。
根据本发明，以至少1.5倍于(优选为至少3倍于)HTS罗贝尔导体的卷绕张力沿切向将加固带5卷绕在线圈架3上。HTS罗贝尔导体4和加固带5的不同卷绕张力WZ1和WZ2在图中分别用不同长度的箭头表示。卷绕张力WZ1应低于HTS罗贝尔导体的临界张应力，这个张应力一般低于200MPa，优选低于150MPa。举例而言，已知的具有Bi-2223铜酸盐材料的HTS罗贝尔导体的临界张应力在110MPa与150MPa之间。适当的张应力WZ1处于10MPa与100MPa之间，特定而言处于20MPa与50MPa之间。在此情况下，用于加固带5的张应力WA2就例如为150MPa。对于其宽度有利地与HTS罗贝尔导体4的宽度相符的加固带5而言，任何一种允许使用上述数量级内的足够大卷绕张力的材料都是可以使用的。例如不锈钢带或铜合金带。必要情况下经纤维增强处理的具有相应抗拉强度的塑料也可用作加固带材料。加固带也可使用织造材料，其中，织造成分为金属或塑料。
图2显示的是如图1所示的部分制成的绕组的截面图。这个绕组在所示状态下具有w1至w3三匝，这些匝是通过在绕组铁心上同时卷绕HTS罗贝尔导体4和加固带5而形成的。罗贝尔导体的横截面大致呈矩形，由例如9个大致呈带状的HTS单导体6i构成。由这些单导体构成的罗贝尔导体的结构是普遍所知的(参见上述WO 01/59909 A1和WO 03/100875 A2)。这些单导体6i通常都具有绝缘护套。如果加固带自身不绝缘，就可随加固带5再卷绕一条绝缘带。