HTS线圈的制作方法

本发明涉及一种由包括多个hts带导线的电缆卷绕的线圈及其制造方法。

背景技术

高tc超导(hts)用于高场变压器、磁体、电动机、发电机和故障电流限制器的线圈，例如，其中它们需要以下各项的应用程序特定的最佳组合：a)高电流携载容量，b)高电流密度，c)低ac损耗和d)稳定性。对于给定类型的hts导线，可通过增加导线的数目来改进a)和b)，而可通过确保电缆被完全换位来减小少ac损耗并提高稳定性，以使得每一导线电磁等效。以此方式，电流被同等共享，且ac损耗最小化。此外，许多hts导线是金属带基板上的较薄陶瓷涂层。由于这一形式因数，它们示出了各向异性的机械特性(例如最小转弯半径)。因此，它们可能不像正常或超导金属线那样容易机械变形。先前已经提出若干种电缆几何结构，各自具有不同优点和权衡。

在罗贝尔棒换位导线电缆配置(roebelbartransposedconductorcableconfiguration)中，多个单独的扁平导线沿着电缆的长度换位以增加电流密度，所述电缆具有扁平或棒状截面。罗贝尔换位导线电缆可形成有hts带导线以增加电流密度，并且在ac应用中减少ac损耗。可将罗贝尔棒换位导线电缆配置视为绞合电缆的变化形式。罗贝尔棒配置的缺点在于必须将个别hts带导线切割或以其它方式形成为蛇形形状，这使得制造过程更复杂，并且通常会产生材料浪费。

卢瑟福电缆配置(rutherfordcableconfiguration)是另一种电缆配置，其中多个单独导线沿着扁平电缆的长度绞合。卢瑟福电缆几乎仅利用圆形导线制得，所述圆形导线基本上成两个平行行。与罗贝尔棒配置相反，它可以使用hts带，而不需要将它切割成特定轮廓，条件是不超过带的最小转弯半径。并且，垂直于带的定向在它沿着电缆卷绕时改变。

在corc^tm磁体电缆中，hts带导线层卷绕于芯周围。这类似于卢瑟福电缆，差别在于芯是圆柱形的，且不是扁平电缆。corc^tm电缆可具有多个层，其中每一层独立卷绕，且层之间的带不换位。

在绞合堆叠电缆中，导线带以堆叠方式绑定并接着进行绞合。沿着电缆的长度，在电缆中心中的带仍保持在中心中，且外表面处的带仍保持在外表面处，因此，不同导线不是电磁等效的且未被完全换位。

电气和电子工程师协会磁学技术会报(ieeetrans.magn.)在1992年第28卷第1期第190到193页的pbruzzone的《net导管电缆超导体的完全换位编带(fullytransposedbraidsforthecable-in-conduitsuperconductorsofnet)描述了编绕电缆，其中各种导线沿着电缆的长度在电缆内且相对于彼此同时改变位置，因为导线沿着电缆长度进行编绕(如编织)。导线为低温超导nb3sn线。此“体”编绕概念对任何线导线都完全适用，但是无法扩展到展示出各向异性机械特性的带导线。

pct国际专利申请公开wo2005/109451公开一种电力产生和传输系统，其包括发电机、负载和hts电力和传输电缆，它们之间可包括编绕构造。

技术实现要素：

hts线圈

在广泛意义上，在一个方面中，本发明包括由包括多个股线的电缆卷绕的线圈，所述股线中的一个或多个沿着电缆长度以不同于一个或多个其它股线成的俯仰角螺旋，且所述股线沿着电缆长度在彼此的上方和下方编绕，所述股线中的至少一个包括hts带导线。

在一些实施例中，一个或多个股线在一个方向上围绕电缆长度螺旋，且至少一个或多个其它股线在相反方向上围绕电缆长度螺旋。相同数目个hts带导线可在每一方向上围绕电缆长度螺旋，或较大数目个hts带导线可在一个方向上围绕电缆长度螺旋，且较少数目个hts带导线在另一方向上围绕电缆长度螺旋。在这些实施例中，不同俯仰角可具有不同或类似值但具有相对方位(hand)。

在其它实施例中，所有股线在相同方向上围绕电缆长度螺旋，其中一个或多个股线具有与至少一个或多个其它股线不同的俯仰角。相同数目个hts带导线可以每一俯仰角螺旋，或较多数目个hts带导线可以一个俯仰角螺旋，且较少数目个hts带导线以不同俯仰角螺旋。在这些实施例中，不同俯仰角具有不同值但具有相同方位。

在一些实施例中，包括hts带导线的所述股线或每一股线包括单个hts带导线。其它股线可包括非hts导线或非导线。

在一些实施例中，包括hts带导线的所述股线或每一股线包括多个hts带导线。其它股线可包括非hts导线或非导线。

本发明的线圈可利用完全换位且因此磁性解耦的hts带绕组来制造，同时不具有如罗贝尔棒换位导线电缆制造中所出现的hts材料浪费。

hts带电缆制造方法

在广泛意义上，在另一方面中，本发明包括一种制造线圈的方法，所述方法包括由包括多个股线的电缆卷绕线圈，所述股线中的一个或多个沿着电缆长度以不同于一个或多个其它股线的俯仰角螺旋，并且因此股线沿着电缆长度在彼此的上方和下方编绕，所述股线中的至少一个包括hts带导线。

定义

在本说明书中，‘线圈’包含例如高场变压器、磁体、电动机、发电机和故障电流限制器的绕组。

在本说明书中，一个或多个股线以不同于至少一个或多个其它股线的俯仰角螺旋，股线沿着电缆长度在彼此的上方和下方编织也被称作‘编绕’。如前所述，不同俯仰角可具有不同或类似值但具有相对方位，或具有不同值但具有相同方位。

如本说明书和权利要求书中所使用的术语‘包括’是指‘至少部分地由……组成’，也就是说，当插入的独立权利要求包含所述术语时，在每一权利要求中以所述术语为开头的特征将需要存在，但是还可存在其它特征。

附图说明

参考附图进一步描述本发明，在附图中：

图1是适用于卷绕根据本发明的线圈的电缆的实施例的透视图，所述电缆由八个hts带导线组成，

图2是图1的电缆的侧视图，

图3a到f是沿着图2的线a-a到f-f的图1和2的电缆的一系列六个横截面视图，

图4是适用于卷绕根据本发明的线圈的电缆的另一实施例的透视图，所述电缆由十六个hts带导线组成，

图5是图4的电缆的侧视图，

图6a到f是沿着图5的线a-a到f-f的图4和5的电缆的一系列六个横截面视图，

图7a到g说明可用于制造电缆的其它编绕图案；以及图7h说明参考轴线和电缆之间的滚转角θ，

图8a到g说明适用于卷绕根据本发明的线圈的电缆的其它实施例，

图9是适用于卷绕根据本发明的线圈的电缆的另一实施例的透视图，所述电缆由四个hts带导线组成，

图10是图9的电缆的侧视图，

图11a到f是沿着图10的线a-a到f-f的图9和10的电缆的一系列六个横截面视图，

图12是类似于图1到3的电缆但具有非圆形截面形状的电缆的实施例的透视图，

图13是在实验工作的后续描述中所提到的电缆样本的ac输送损耗的曲线，以及

图14是在实验工作的后续描述中所提到的电缆样本的磁化损耗的曲线。

具体实施方式

如前所述，在一个方面中，本发明包括由包括多个股线的电缆卷绕的线圈，所述股线中的一个或多个在一个方向上沿着电缆长度以不同于一个或多个其它股线螺旋的俯仰角螺旋，且所述股线沿着电缆长度在彼此的上方和下方编绕，所述股线中的至少一个包括hts带导线。

图1到3示出适用于卷绕本发明的线圈的由八个股线组成的一个电缆实施例，每一股线包括单个hts带导线。沿着电缆长度，其中四个hts带导线1到4在一个方向上(围绕电缆长度顺时针)螺旋，且其它四个hts带导线5到8在相反方向上(逆时针)(方向和方位同义，用于指代导线沿着电缆长度围绕电缆长度的旋转方向)螺旋。hts带导线1到4以不同于hts带导线5到8的俯仰角(α)螺旋(俯仰角α是指带和垂直于电缆轴线的平面之间的角度，且在下文进一步提到)。不同俯仰角具有相同值但具有相对方位。沿着电缆长度，在一个方向上螺旋的hts带导线在沿相反方向螺旋的hts带导线上方和下方编织——参见图1和2，在此实施例中，即编绕成可被称作2/2斜纹图案的图案。参见图3a到f，它们是沿着电缆长度在图2中所指示的位置处获得的图1和2的电缆的一系列六个横截面视图。因为沿着电缆长度，导线1到4在一个方向上螺旋，而导线5到8在相反方向上螺旋，所以导线改变了它们沿着电缆长度相对于彼此的次序，但所有导线保持彼此之间电磁等效。这与例如罗贝尔棒换位hts电缆、卢瑟福电缆、corc^tm磁体电缆或绞合堆叠电缆相反，其中导线围绕电缆长度旋转，但是不改变它们沿着电缆长度相对于彼此的次序。

在至少一些实施例中，俯仰角α可使得为任一个股线完全围绕芯螺旋的最小长度的一个单元长度或电缆的间距长度(p)处于例如10毫米到0.5米，或10毫米到0.1米范围内。或者说，在至少一些实施例中，俯仰角可使得电缆的一个单元长度处于例如为最大截面尺寸d的1到50倍范围内，所述d例如为电缆的直径，或处于最大截面尺寸的2到5倍范围内。在至少一些实施例中，hts超导带的宽度w处于约1毫米到约20毫米范围内，且例如直径的截面尺寸d处于约0.5w到约100w，或约2w到约10w范围内。在至少一些实施例中，俯仰角是在约10°到约80°范围内，或在约30°到约60°范围内或为约45°的α。在图1到3的实施例中，hts带导线1到4以值与hts带导线5到8的俯仰角相同但方位相对的俯仰角螺旋，或者，hts带导线1到4可以值与hts带导线5到8的俯仰角不同(且方位仍然相对)的俯仰角螺旋。在一些实施例中，俯仰角沿着电缆长度是恒定的，如图中所示，但是可替代地，俯仰角可沿着电缆长度变化，以使电缆特性沿着它的长度变化。俯仰角及因此间距长度或单位长度的变化可能与电缆芯的直径的变化相关，但是不能相关。

股线可紧密地编绕在一起，使得股线之间存在极少或不存在空隙，从而产生例如高于60％或高于80％或趋近100％的‘覆盖范围’，或者可较不紧密地编绕在一起。

如前所述，图1到3示出其中所有股线都是hts带的电缆实施例，但是在其它实施例中，单个股线、至少两个股线或大多数股线或所有股线可包括hts带导线。在并非全部股线都是hts导线的情况下，一个或多个其它股线可包括非hts导线，和/或一个或多个其它股线可包括非导线。

如前所述，图1到3示出由八个股线组成的电缆实施例，但是在其它实施例中，例如，电缆可仅包括四个股线——其中两个在一个方向上螺旋且另两个在另一方向上螺旋，六个股线——其中三个在一个方向上螺旋且另三个在另一方向上螺旋，或大于八个股线，例如十个、十二个、十四个、十六个、十八个、二十个、二十二个、二十四个或三十二个股线。

图1到3示出其中相同数目个股线在每一方向上螺旋的电缆实施例。在其它实施例中，电缆可包括在一个方向上螺旋的较大数目个股线和在另一方向上螺旋的较少数目个股线。例如，在包括导线的三个编绕股线的电缆中，两个股线可在一个方向上螺旋，且一个可在另一方向上螺旋；在包括六个编绕股线的电缆中，四个股线可在一个方向上螺旋，且两个可在另一方向上螺旋等等。此类编织图案不满足具有最低可能ac损耗的完全换位电缆的条件，但是可以使得沿着电缆或在电缆内磁场或其它特性能够塑形。

图4到6类似于图1到3，但是示出了适用于卷绕线圈的由十六个hts带导线组成的电缆实施例。在这两个实施例中，电缆均由八个股线组成。在图1到3的实施例中，每一股线包括单个hts带导线。在图4到6的实施例中，每一股线包括一对两个hts带导线。沿着电缆长度，hts带导线对1a和1b到4a和4b形成在一个方向上螺旋的一组四个股线，并且在形成在相反方向上螺旋的一组四个股线的hts带导线对5a和5b到8a和8b上方和下方编织。在每一股线内，个别hts带可并列定位，如所示，和/或可替代地，可例如定位在彼此上方。

如在图1到3的实施例中，hts带导线1a和1b到4a和4b以值与hts带导线5a和5b到8a和8b的俯仰角相同但方位相对的俯仰角螺旋，但是可替代地，hts带导线1a和1b到4a和4b可以值与hts带导线5a和5b到8a和8b的俯仰角不同(且方位仍然相对)的俯仰角螺旋。

图4到6示出其中所有股线都包括两个hts带导线的电缆实施例，但是在其它实施例中，例如，股线可各自包括更多hts带导线，例如在三个和二十个hts带导线之间。并且，在一个或多个股线中的hts带导线的数目可不同于在一个或多个其它股线中的hts带导线的数目。

并且，单个股线、至少两个股线或大多数股线或所有股线可包括hts带导线。在并非全部股线都由多个hts带导线组成的情况下，股线内的其它元件可包括非hts导线和/或非导线。并且，一个或多个(但非全部)股线可全部包括非hts导线和/或非导线。非hts导线和/或非导线可例如改进电缆的机械特性、以电气方式将个别股线彼此隔离、改进个别股线之间的电接触和/或使个别股线的表面润滑以改进编织电缆的使用寿命和柔性，或其任何组合。非hts导线可包括金属带导线(例如铜、铝、银或金)，其可包含在编带中以改进电缆在高于hts材料的转变温度下的导电性。非hts导线和/或非导线可仅包含在电缆的部分中，以便针对特定应用局部调整特性。

如在图1到3的实施例中，在其它实施例中，电缆可包括数目比十六个更少或更多的股线。并且，电缆可包括在一个方向上螺旋的较大数目个股线和在另一方向上螺旋的较少数目个股线。

在一个方向上螺旋的股线可在沿另一方向螺旋的股线的上方和下方编绕，以便形成简单1/1斜纹(平纹编织)，或例如，在第二组的一个或多个股线上方编绕，接着在第二组的两个或更多个股线下方编绕。编绕图案可为对称的(1/1、2/2、3/3、x/x斜纹)或不对称的(2/1、3/1、3/2或x/y斜纹)。对于具有12或更多个股线的电缆，可使用更复杂的斜纹图案，例如人字形或菱形斜纹。图7a到g说明可用于制造适用于卷绕根据本发明的线圈的一些编带或斜纹图案：a-1/1斜纹、b-2/2斜纹、c-2/1斜纹、d-3/3斜纹、e-4/4斜纹、f-3/1斜纹和g-3/2斜纹(参考轴线对所有图案来说相同)；以及图7h说明参考轴线和电缆之间的滚转角θ。编绕图案可被描述为二维图案的卷起版——参见图7h。滚转角(θ)是2d图案的参考轴线和电缆轴线在2d图案的平面图上的投影之间的角度。在图7c和d中，滚转角针对c的类型2是0°，针对d的类型1是90°。电缆在不同组中由不同数目个股线组成是由于不同于0°或90°的滚转角。

图8a到g说明适用于卷绕根据本发明的线圈的电缆的其它实施例(在每一图中，使一个带呈黑色以便向人眼清楚呈现)：a-呈1/1斜纹的4个股线(2组2个股线)，α1＝-α2<45°，类型2；b-呈2/2斜纹的8个股线(2组4个股线)，α1＝-α2<45°，类型2；c-呈2/2斜纹的8个股线(2组4个股线)，α1＝-α2＝45°，类型1；d-呈2/2斜纹的8个股线(2组4个股线)，α1＝-α2＝45°，类型2；e-呈2/2斜纹的8个股线(2组4个股线，每股线2个带)，α1＝-α2<45°，类型2；f-呈2/2斜纹的16个股线(2组8个股线)，α1＝-α2<45°，类型2；以及g-呈2/2斜纹的24个股线(2组12个股线)，α1＝-α2<45°，类型2。

图9到11示出适用于卷绕本发明的线圈的电缆实施例，其中所有股线在相同方向上围绕电缆长度螺旋，其中一个或多个股线具有与至少一个或多个其它股线不同的俯仰角。在示出的实施例中，电缆由四个股线组成，每一股线包括单个hts带导线。沿着电缆长度，两个hts带导线11和14形成沿着逆时针方向围绕电缆长度以俯仰角α1螺旋的一个组，两个其它hts带导线12和13形成沿着相同逆时针方向但以俯仰角α2螺旋的另一个组。在本实例中，这两个组的间距长度通过p1＝π*d*tan(α1)＝2*p2＝2*π*d*tan(α2)相关。hts带导线11和14沿着电缆长度在hts带导线12和13上方和下方编织——参见图9和10，在此实施例中，即编绕成可被称作1/1斜纹图案的图案。参见图11a到f，它们是沿着电缆长度在图10中所指示的位置处获得的图9和10的电缆的一系列六个横截面视图。因为导线11和14以不同于导线12和13的俯仰角螺旋，所以导线会改变它们沿着电缆长度相对于彼此的次序。在此实施例中，导线彼此之间并不电磁等效。因此，此编绕图案并不满足具有最低可能ac损耗的完全换位电缆的条件，但是可以使得沿着电缆或在电缆内磁场或其它特性能够塑形。

在类似于图9到11的实施例的实施例中，其中所有股线在相同方向上围绕电缆长度螺旋，其中一个或多个股线具有与至少一个或多个其它股线不同的俯仰角。相同数目个hts带导线可以每一俯仰角螺旋，或较多数目个hts带导线可以一个俯仰角螺旋，且较少数目个hts带导线以不同俯仰角螺旋。在这些实施例中，不同俯仰角具有不同值但具有相同方位。

在任何实施例中，在形成电缆之后，编绕股线可通过例如卷绕一个或多个其它层或以其它方式形成围绕编绕股线的护套，和/或通过包封编绕股线或将编绕股线粘结在一起，而相对于彼此固定在适当位置。

并且，例如通过在压力下进行扁平化，如通过在压力滚轴之间穿过，电缆可形成有一个截面形状，例如圆形截面，然后变成另一截面形状，例如卵形或胶囊形截面形状。

电缆还可包括两个或更多个编绕股线的独立、同心(嵌套)层。在另一实施例中，每一股线自身是编绕的hts电缆，从而产生电缆的电缆。在另一实施例中，每一股线自身是完全换位电缆，例如罗贝尔棒或corc^tm线。一旦根据本发明形成了电缆，就可形成遵循例如pbruzzone(1992)中描述的编织图案的电缆的电缆。

hts带

个别hts带导线通常具有矩形或接近矩形的截面形状。通常，hts带导线由沉积在母材基板带的一侧或两侧上的较薄hts层组成。可替代地，hts带导线可具有卵形或‘胶囊形’截面形状(在截面中具有圆形拐角的扁平相对侧面)。例如，hts带导线可能已通过粉末装管(powder-in-tube)法形成，然后在压力下扁平化，例如通过在压力滚轴之间穿过，以将它们的截面形状从圆形变成卵形或‘胶囊形’形状。

hts导线包括例如：yba2cu3o7-δ(被称为ybco)，或呈更一般形式的rebco，其中re是y、dy、gd、sm、nd或另一稀土元素中的一个或组合；bi2sr2ca2cu3o10+x；或任何其它铜酸盐超导体；mgb2；或其它hts超导体，例如基于fe的超导体。

电缆可包括两个或更多个不同类型的hts带导线，例如具有不同hts材料的带，或hts材料相同但宽度不同的带，或涂覆在一个或两个侧面上的带，或其任何组合。

芯

电缆可包括固体或非固体芯。例如，电缆股线可围绕绝缘芯、中空芯或金属芯编绕，所述中空芯例如适于实施致冷剂的空芯或管状芯，例如光纤芯，所述金属芯用于改进高温下的导电性或改进机械强度。芯可为刚性或柔性的。

电缆或芯可具有例如圆形、卵形、其它椭圆形或多边形(多侧面)截面形状。例如，电缆可具有六边形芯形状，其中拐角被切成圆角(以避免hts带的急剧弯曲)。图12是类似于图1到3的电缆但具有非圆形截面形状的电缆的实施例的透视图。

芯可包含导引个别股线的凹槽。此类凹槽可特别布置成使股线的交叉点处的机械应力最小化，和/或导引个别股线并允许螺旋卷绕，其中卷绕角(α)沿着单个间距长度(p)变化。

电缆的截面尺寸，例如直径，可为恒定的，或者可沿着电缆长度变化。

其它变化形式

在至少一些实施例中，电流在个别hts带之间同等共享。在对称电缆的情况下，例如图1到3和4到6的那些电缆，这会在电缆的中心轴线产生零磁场。在其它实施例中，电流分布在每一带、股线或股线组中分别受控制。这包含电流在电缆的不同股线中或在单个股线的不同带中在相对方向上循环的可能性。尽管此配置对于控制ac损耗来说可能不是最佳的，但是它可用于对电缆中和电缆周围的磁场进行塑形。具体地说，此配置可允许形成不同模拟电流密度，类似于斜角cosθ(cantedcosinetheta)磁体设计。

在至少一些实施例中，为了最佳ac损耗特征和热-电气稳定性，可组织hts带以便完全换位，这意味着每一导线电磁等效。

电缆的电气特性可沿着电缆长度变化，以便允许高温(例如，室温)下的导线和低于hts材料的转变温度的低温下的导线之间的最佳电气和机械连接。

编绕图案沿着电缆的全长可为恒定的，或者在带、股线和组的数目保持恒定时，编织图案和/或电缆的直径和/或间距和/或芯的组合物可沿着电缆变化，以便提供沿着电缆长度不断改变的特性。在另一实施例中，一个或多个股线从电缆中的某一点纵向分开，以允许编织图案变成具有更多数目个更小宽度的hts股线，而不需要接合件(焊料或类似物)。

hts线圈

本发明的线圈由编绕的hts电缆卷绕，如所描述，其用于hts磁体、变压器的绕组、或电动机或发电机，或在故障电流限幅器中，例如，在低温下或在高温和低温之间。因此，通过更好地利用带材料(或在切割蛇形股线时没有浪费)并在电缆中获得完全换位的股线，可利用hts带绕组制造出此类线圈。

实验

方法：大体上如上文参考图1到3所描述且如图1到3中所示的电缆由2毫米宽的superpowerscs2030-ap(re)bco(稀土钡铜氧化物)2ghts带制成。电缆包括八个股线，每一股线包括单个hts带导线，其中沿着电缆长度，四个股线顺时针螺旋，四个股线逆时针螺旋，所有股线都具有45°俯仰角。股线围绕10毫米芯编绕，从而实现大致50％的覆盖范围。样本的长度是628毫米(20间距长度)。

测试：针对ac输送损耗和磁化损耗测试电缆。对于ac输送损耗，电缆股线在每一端部处连接到电流母线，且连接到呈4点配置的电压触点。电缆组件被放置在液氮池(77k)中。ac电流施加有从50赫兹到360赫兹的频率。对于每一测量，在测量以瓦特为单位的电力损耗时，峰值电流(i峰值)从接近0变化到恰好低于临界电流ic。接着，对此测量结果进行归一化，并以焦耳/周期/米的形式呈现(图13)。对于磁化损耗测量，相同电缆与电流和电压引线断开连接。它以连接耦合线圈(pickupcoil)的形式放置在液氮中，从而允许在67.9赫兹、87.7赫兹和107.35赫兹的频率下施加在1和100毫特斯拉之间的ac磁场，并测量所得损耗。

结果：图13是经归一化净ac输送损耗(焦耳周期/米对比以安培为单位的i峰值)的曲线。测得的ac输送损耗低于根据norris条带模型的等效的单个带，但是高于8个单独独立股线的总和。这示出了电缆的优越特征，因为它使得相比于单个(较宽)带导线的预期损耗降低了损耗。还预期单独带将具有更小损耗，但是只有当它们被放置成远离彼此时才如此。

图14是磁化损耗(焦耳/周期/米对比b(毫特斯拉)的曲线。可通过根据brandt方程计算每个带的损耗来预测磁化损耗，brandt方程已通过几何因数2/π调整，

其中：

w是股线宽度，

ic是单个股线的临界电流(60安培)，

h是外部磁场，以及

hc是临界磁场，

并且将八个单独损耗相加以得到预测的总电缆损耗。这比等效单个导线(其中ic＝480安培)的损耗大致低10x。

前述内容描述本发明，包含其优选形式。对所属领域的技术人员来说显而易见的更改和修改意在并入如所附权利要求书中限定的本发明的范围内。