专利名称：超导导线及其用途与制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明公开大致涉及超导导线、其制造方法、以及其在电子构件
(components)中的用途。
背景技术：
10 诸如电马达和发电机等的示例性的超导(SC)旋转式机器
(machines)包括SC场线圏和非超导电枢绕组(例如位于固定的定子上)。当供给电压时，场线圏产生磁场(magnetic field),其将该场线圏和该电枢绕组耦合起来。耦合》兹场的大小由穿过场线圏的电流量、并且在较小程度上由来自负载的电枢反作用电流来确定。机器中的磁应
15 力(magnetic stress)转换成扭矩，导致转子旋转。对于给定的电枢绕组的周长和空隙表面积，磁场越高，则每旋转的扭矩越大。虽然电枢绕组也可以是超导的，但通常它们由非SC材料(例如铜)所形成。
在已确立的商用超导(SC)导线(例如NbTi或Nb3Sn)中，电流携带容量是临界电流Ic的函数，在该电流处，材料具有从超导相至非超导
20 相的转变。Ic是温度T和磁场H的降函数。这些超导导线在价格和制造成本方面也不一样；例如，与Nb3Sn相比，NbTi具有较低的价格和制造成本，但也具有较低的Ic。超导体在转变温度Tc和临界磁场Hc处也具有从超导相至非超导相的转变，并且因此，其必须在该温度和》兹场之下进行操作。
25 在SC场线圏中，例如在SC电马达及发电机中所使用的那些场线
圈中，^磁场H随着在场线圏上的位置而变化，通常，其在线圈的内侧部分、例如螺旋管的内表面或孔中较高。在此，场线圈的内侧部分被称为高场区域(high-field region),而线圈的外侧部分，例如螺旋管的外表面，被称为低场区域(low-field region)。用于制造场线圈的SC材料的 一个劣势在于某些材料比其它材料更耐受磁场的影响。较低耐受性的材料也耐受较低的电流，这转化成较弱的磁场强度和较小的扭矩(对每给定重量的SC材料而言)。5 超导旋转马达的发展中的需要在于减少机器的尺寸和重量；也就
是说，对于给定的电枢绕组和场线圈的周长增加扭矩密度。在这些以及其它才几器中，由通过更耐受》兹场电气构件(electrical components)而实现的小型化所带来的实际好处包括尤其较低的制造成本。本发明公开解决了对更耐受磁场构件的需求。
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发明内容
这里公开了功能上分级的用于电气构件的超导导线，例如用于电马达和发电机的超导场线圏。
在一个实施例中，电气构件包括超导导线，该导线包括连接在第15 二导线段(wiresegment)上的第一导线段；其中，第一导线段和第二导线段在选自于包括磁场耐受性(tolerance)、温度耐受性、交流损耗和应变耐受性等的组的至少一种特性方面是有差异的；且其中，^磁场耐受性通过处于临界温度Tc以下的给定温度T处的临界电流Ic对磁场H的关系来测量，温度耐受性通过处于临界磁场Hc以下的给定》兹场处20的临界电流Ic对温度T的关系来测量，交流损耗通过与所施加的交流
电流及场的频率及大小对应的交流损耗的量来测量(the ac loss ismeasured by the amount of ac loss versus the frequency and magnitude ofapplied ac currents and fields),而应变耐受性通过临界电流Ic随应变的下降来测量。
25 在一个实施例中，形成超导场线圏的工艺(process)包括缠绕第一
导线段；将第二导线段连接到第一导线段上；并将第二导线段缠绕在第一导线段附近，其中，第一导线段和第二导线段在选自于包括磁场耐受性、温度耐受性、交流损耗和应变耐受性等的组的至少一种特性
6方面是有差异的；且其中，磁场耐受性通过处于临界温度Tc以下的给定温度T处的临界电流Ic对磁场H的关系来测量，温度耐受性通过处于临界磁场He以下的给定磁场处的临界电流Ic对温度T的关系来测量，交流损耗通过与所施加的交流电流及场的频率及大小对应的5 交流损耗的量来测量(换句话说，交流损耗通过交流损耗的量对所施加的交流电流及场的频率及大小来测量)，而应变耐受性通过随着应变的临界电流Ic下降来测量。
在一个实施例中，机器包括电气构件，其包括超导导线，该导线包括由n-l个接头所连接的n个导线段；其中，n是大于或等于2的
10 整数；并且相邻的导线段在磁场耐受性、温度耐受性、交流损耗和应变耐受性等中的至少一种特性方面是有差异的；且其中，磁场耐受性通过处于临界温度Tc以下的给定温度T处的临界电流Ic对磁场H的关系来测量，温度耐受性通过处于临界磁场Hc以下的给定磁场处的临界电流Ic对温度T的关系来测量，交流损耗通过与所施加的交流电
15 流及场的频率及大小对应的交流损耗的量来测量，而应变耐受性通过临界电流Ic随应变的下降来测量。
本领域中的技术人员在检阅以下图纸和详细描述时将明晰其它特征和优势。
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在附图中，在所有视图中相似的标号表示相应的部件。
图1是用于一种电气构件的功能上分级的超导导线的示意图2是包括若干超导丝(filament)的示例性导线段的示意性的截
面；
25 图3是具有可旋转的轴和定子的示例性的机器的截面图4是示例性的定子的透视图，其显示了内定子上的场线圏；图5是用于图2中所示的机器的转子部分的示例性实施例的平面
图；图6是装配好的图4的定子的透视图；而
图7是超导场线圏的示意图，其包括具有两个导线段的超导导线。
部件列表
10超导导线；
12第一导线段;
14第二导线段;
16接头；
40导线段；
42丝；
1044金属基体；
100机器；
106转子部分；
應转子部分；
110转子组件；
15112铁极；
114空气极；
120轴；
130纵轴线；
140壳体；
20150定子組件；
160定子；
162内定子；
164外定子；
166电枢绕组；
25170场线圈；
200转子部分；
210中心部分；
220环；230 环； 240 极； 250 底座
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具体实施例方式
这里公开的是功能上分级的超导导线，其用于诸如电马达和发电 机以及其它电气机器(electrical machines)等的电力设备的电气构件。这 种超导导线包括由n-l个接头连接起来的n个导线段，其中，n是大 于或等于2的整数。功能上的分级指的是，相邻的导线段在关于磁场
10 耐受性、温度耐受性、交流损耗和应变耐受性等中的至少一者方面具 有不同的特性。这种功能上分级的超导导线(在此称为"超导导线，，)可 增强(举例而言)诸如马达或发电机的超导场线圈等的电气构件的磁场 接受力(capability),容许其在较高的电流下操作，并产生更大的磁应 力，并且有利地产生给定的电枢绕组的周长和空隙表面积下的(与包括
15 非功能上分级的导线的超导场线圈相比)每旋转的有所增加的扭矩。
在一个实施例中，电气构件包括超导导线，该导线包括连接在第 二导线段上的第一导线段；其中，第一导线段和第二导线段在选自于 包括磁场耐受性、温度耐受性、交流损耗和应变耐受性等的组的至少 一种特性方面是有差异的，其中，^磁场耐受性通过在给定温度T(其处
20 于临界温度Tc以下)处的临界电流Ic对磁场H的关系来测量，温度耐 受性通过在给定i兹场(其处于临界^f兹场Hc以下)处的临界电流Ic对温 度T的关系来测量，交流损耗通过与所施加的交流电流及场的频率及 大小对应的交流损耗的量来测量，而应变耐受性通过临界电流Ic随应 变的下降来测量。
25 在一个实施例中，第一和第二导线段由不同的超导成分
(superconductive compositions)组成。在一个实施例中，超导导线包括 至少一个连接在第二导线段上的额外的导线段；其中，相邻的导线段 在前述特性中的至少 一个特性上是不同的。在一个实施例中电气构件
9包括多个超导导线的相邻的层或长度。在一个实施例中，电气构件是 电缆或线圈。
图l显示了超导导线10，其中，n等于2，其包括第一导线段12， 第二导线段14,以及将第一导线段12联接至第二导线段14的接头 5 16。超导导线可包括任何数量的导线段，只要相邻的导线段在^F兹场耐 受性、温度耐受性、交流损耗或应变耐受性中的至少一个方面有所不 同，并且超导导线的性能不会受到额外的导线段的负面影响即可。相 邻的导线段可具有不同的超导成分，或包括相同成分的、呈现出不同 的Ic(H)性状的不同形态。
10 图2是示意图，其代表示例性的导线段40的截面图。导线段40
包括至少一个包括超导成分的超导丝42。虽然图2中显示了七个这种 丝42，但是包含在导线段40中的丝42的数量是没有限制的。在如图 2所示的一个实施例中，丝的至少一部分封装在可选的金属基体(metal matrix)44中，其促进了超导丝的连续长度的建成。
15 在另一示例性的实施例(未显示)中，导线段40不具有金属基体
44,并且基本上由一束或多束包括超导成分的超导丝42组成。
示例性的超导成分包括NbTi、 Nb3Sn、 MgB2、 YBa2Cu307、(称为 YBCO)、 i者如BSCCO-2223(Bi2Sr2Ca2Cu3O10), BSCCO-2212(Bi2Sr2Ca,Cu2(D8) 等的铋锶4丐铜氧化物、Tma2Ca2Cu309 、 Tl2Ba2CaCu208 、
20 (TlPb)Sr2CaCu207、 (TlPb)Sr2Ca2Cu309 ，及其组合。
超导成分可还包括掺杂剂。掺杂剂除了提供金属相支撑之外，还 可被加入以用于改变晶格构型(lattice configuration)或间距以及/或者 改进超导特性等的目的。根据第一超导相的化学成分，可添加的有效 的掺杂剂包括铜、金、银、镁、锌、铅、铁、镉、锡、铋、镓、汞和
25铟，或者包括前述掺杂剂中的至少一种的组合。
与超导成分中存在的其它组分无关地，该超导成分都具有一定体 积分数的超导相，其可有效地在起作用的(operative)临界温度处提供超 导性。在一个实施例中，超导相可占据这样的体积，该体积大于或等于总的超导成分的大约19个体积百分点。通常优选的是，第一超导
相的体积分数以这样的量来呈现，该量大于或等于大约25个总超导 成分的体积百分点，更特别地大于或等于大约35个总超导成分的体 积百分点，仍更特别地大于或等于大约50个总超导成分的体积百分 5点，甚至更特别地大于或等于大约75个总超导成分的体积百分点。
导线段包括至少一个超导丝，其具有丝特征尺寸，其中，该丝是 连续的。包围超导丝的金属基体材料44是可选的，但如被使用，其 在低温温度处(即，大约77K以下)可以是非导电性的或导电性的。为 了防止导线段40在室温和低温温度之间循环期间的破损，金属基体
10 44具有与超导成分相比基本相同或更大的热膨胀系数。
金属基体可以是具有孔的管、胚锭(billet)等等，超导成分或超导 成分的前体(例如Nb和Ti或Sn，或镁和硼)可;^文置在该孔中。在一个 可选的实施例中，金属基体包括铜或铜合金，其中，在超导成分和铜 之间设置有第二金属层。第二金属层是阻挡层或高电阻率层。在一个
15实施例中，阻挡层选自钽、铌、镍、镍合金、铁、鴒、钼及其组合。 在另一实施例中，电阻率层选自钴、锰、镍钬合金或4臬锆合金。
如果管具有不止一个孔，那么通常所希望的是孔具有相同的平均 半径。然而，单个孔的半径并非总是必须与别的孔相等。此外，孔可 具有任何所希望的几何形状。例如， 一个孔的几何横截面是圓形的，
20 而其它孔可以是椭圆形的，等等。任何一个孔的半径对管半径的比可 为大约0.1至大约0.99。在这个范围内，这样的比值，即，大于或等 于大约0.15，更特别地大于或等于大约0.2，及甚至更特别地大于或 等于大约0.25的比值，是所希望的。
具有超导成分的丝可通过许多不同的方法来制造。在一种制造采
25 用导线形式的超导成分的示例性方法中，具有至少一个贯穿其长度的 圓柱形孔的金属管被以超导成分进行填充且随后经历变形工艺，以减 少管的横截面积，并增加其长度。在一个示例性的实施例中，超导成 分包括NbTi或Nb3Sn。金属管可具有许多非相交的孔，其从管的第一
ii端一直延伸到管的第二端，并且在延长工艺之前这些孔中的至少一个 孔被以超导成分进行填充。管的第 一端和第二端各定位在管的直径横 截面上。通常所希望的是，构成超导成分的粒子在变形工艺之前与至 少一个其它的粉末粒子成电相通。 5 然后，在变形之前将包含超导成分的金属管封起来。变形可包括
例如挤压、锻造、辊压、型锻、拉拔(drawing)等等工艺，以及包括前 述工艺的至少一种的组合。执行变形而延长管的长度，并减少横截面 积。通常所希望的是，使每变形工艺的长度变化大于或等于大约5%(以 管的原始长度为基准)。 一般而言，大于或等于原始长度的大约10%，
10 更特别地大于或等于原始长度的大约50%，及甚至更特别地大于或等 于原始长度的大约100%的长度变化是合乎需要的。管的变形通常以 这样的方式来执行，即，允许孔中的超导成分的粒子彼此持续地成电 连通以形成丝110。
管通常变形以形成这样的超导导线，即，其具有大约0.1mn^至
15 大约5mn^的横截面积。在这个范围内，大于或等于大约0.2mm2的 横截面积，更特别地大于或等于大约0.3 mn^的横截面积，及甚至更 特别地大于或等于大约0.5 mn^的横截面积，都可被使用。此外，在 这个范围内，小于或等于大约4.5mm2的横截面积，更特别地小于或 等于大约4.2 mn^的横截面积，及甚至更特别地小于或等于大约3.5
20mn^的横截面积都是合乎需要的。通常，金属基体占导线段的横截面 积的大约20%至大约80%。在这个范围内，金属基体可包括大于或等 于超导导线的大约25%,更特别地大于或等于超导导线的大约30%, 及甚至更特别地大于或等于超导导线的大约35%的横截面积。金属基 体还可包括小于或等于导线段的大约75%,更特别地小于或等于导线
25 段的大约70%，及甚至更特别地小于或等于导线段的大约65%的横截 面积。如果需要，可使导线段进一步变平成带材或膜。
在变形工艺之后，可对导线段、带或膜进行热处理，以改善超导 特性和/或机械特性。热处理工艺包括将该导线段加热至大于或等于大约600°C，更特别地大于或等于大约800°C,甚至更特别地大于或等 于大约900°C的温度。用于热处理的时限(timeperiod)为大约1至大约 6小时。更特别地，用于热处理的时限大于或等于大约2小时。通常， 导线段经冷却为所形成的超导成分提供了可有效地呈现出超导特性 5 的结构。
在另一示例性的制造方法中，导线段包括具有至少一个孔的金属 管，其填充有用于制造超导成分的材料及任何所需掺杂剂。示例性的 掺杂剂包括铜、金、银、镁、锌、铅、镉、锡、铋、镓、汞、铟或包 含前述金属中至少一种的组合。如上所述，管随后被封起来并经历变
10 形。然后将导线段热处理至大于或等于大约700。C的温度，以在导线 段中产生超导成分。如上所述，可将导线段拉成膜、带等等。
在又一示例性的制造导线段的方法中，采用胚锭形式的合适的金 属管具有至少一个孔，其填充有镁的条材、颗粒状物、粉末、粒子、 薄片等等。还可将诸如上面列出的那些#^杂剂连同用于构造超导成分
15的材料的条材、颗粒状物、粉末、粒子、薄片等等一起添加到孔中。 金属管可以是在棵露于掺杂剂下时不会形成复合体(complex)的金属。 另外金属管可以是这样的金属，该金属允许掺杂剂在合理的时限内通 过其而扩散。对于这种制造导线段的方式，用于金属管(胚锭)的金属 的适合的示例包括铜合金、不锈钢、钽、镁或氧化物弥散强化的铜和
20 镍合金。
然后金属管被封闭并经历变形，以产生具有有所减少的横截面积 和有所增加的长度的导线段。可取的是，该金属以具有与导线段长度
相等的长度的连续的丝的形式而存在。这允许在导线段暴露于掺杂剂 时在整个导线段长度上形成具有超导成分的丝。 25 为了形成超导成分，包含丝的导线段与掺杂剂相接触，以允许掺
杂剂扩散入金属中并最终在导线段的热处理中形成超导成分。通常所 希望的是，导线段具有从第一端至第二端的持续的电超导的能力，并 且，超导丝的长度为至少等于或大于从导线段的第一端至第二端的距离。在又一实施例中，任何前述的制备导线段的方法都可被组合以生 产导线段或改良其特性。
超导导线的各导线段可具有任何合乎需要的长度。更特别地，导 线段具有大约1米至大约IOOO米的长度。在这个范围内，通常所希
5 望的是具有大于或等于大约2米，更特别地大于或等于大约5米，及 甚至更特别地大于或等于大约8米的长度。此外，在这个范围内，合 乎需要的是小于或等于大约900米，更特别地小于或等于大约800米， 及甚至更特别地小于或等于大约500米的长度。
在制造出导线段之后，可通过焊接或扩散粘结(diffosion bonding) 10 来连接导线段以产生具有至少与各个导线段长度之和相等的长度的 超导导线的连续的长度。在一个实施例中，第一导线段至第二导线段 的连接产生了这样一种超导导线，其长度大于或等于第一导线段的长 度或第二导线段的长度。
扩散粘结是一种通过原子迁移而实现的固相工艺，而其中，有待 15粘接的导线段的部分没有宏观变形。导线段的初始的清洁是所希望 的。低于0.4微米的表面粗糙度值是所希望的，并且在粘接之前，可 用丙酮(acetone)或其它溶剂对样本(samples)进行清洗。如果需要，可 使用压力来实现扩散粘结。
在一个实施例中，这种连接包括使第一导线段的第一端接触至第 20 二导线段的第二端；将第一导线段的第一端和第二导线段的第二端一 起在某点上进行加热以形成单个导线，其中，具有超导成分的超导丝 与超导丝的任何其它部分成持续的电接触。该点(在该点处该两根导线 被加热)可以是单个点位，或者，其可以是这样的区域，在该区域中该 两根导线重叠。这种连接可为点焊或对焊(buttweld)，或任何其它类型 25 的合乎需要的焊接。在一个实施例中，在制造场线圈的绕制工艺期间 形成焊接。
在一个实施例中，通常所希望的是，以这样的方式，即，可有效 地形成至少一个电连续的、长度大于或等于被连接的导线段长度的超
14导丝的方式，来连接导线段
这种连接通常利用至少 一个能量源(例如，由光束提供的能量)来 执行，其中，由源提供的能量对准那些待连接在一起的超导成分的部 分。能量与超导成分的相互作用促进成分的加热，而这种温度的增加 5 可被有利地用于促进超导成分的连接。优选的连接方法包括电子束焊 接、激光焊接、超声波焊接、等离子弧焊接、电阻焊接等等。
在连接具有金属基体的导线段的工序中，金属基体可首先被去除 以暴露待连接的导线段中的超导成分。可通过例如化学侵蚀、机械磨
蚀(如磨光和研磨)、诸如降解熔化(melting of degradation)等的热处理等 10 等方法或包含前述方法中的至少一种的组合来去除金属基体。在除去 金属基体之后，如果需要，可选地可用溶剂对超导丝的棵露端进行清 洁。然后通过使超导丝的棵露部分与能量源(例如电子束、激光束、等 离子弧、加热电阻等等)相接触而将其加热。然后，^皮加热的超导丝的 部分连接在一起并冷却以形成焊接。在一个实施例中，被加热的超导 15 丝在压力下被连接在一起。在另一实施例中，通常惰性气氛下执行连 接，以防止超导丝中的超导成分的氧化。
在另一实施例中，在从待连接的超导导线的端部上除去金属基体 之后，将两个端部放置在一起以形成重叠区域。填充材料或掺杂剂可 放置在重叠区域上。然后利用前述连接方法中的 一种将重叠区域连接 20 起来以形成连续的超导丝的区域。
在又一实施例中，包括超导丝棵露端的重叠区域连同填充材料(例 如粉末状的NbTi或Nb3Sn)—起被以电阻的方式加热。加热促进了填 充材料和基质丝之间的化学反应。填充材料可用于促进超导丝段的连 接。
25 在一个实施例中，连接通常发生在大约650。C至大约1000°C的
温度处。在这个范围内，可使用大于或等于大约700°C,更特別地大 于或等于大约725°C,及甚至更特别地大于或等于大约750。C的温度。 此外所希望的是小于或等于大约950°C，更特别地小于或等于大约900°C,及甚至更特别地小于或等于大约875。C的温度。示例性的温 度为大约795。C至大约850°C。
此外还公开了 一种包括电气构件的电气机器(电机)，该电气构件 包括超导导线，该导线包括由n-l个接头连接起来的n个导线段；其 5 中，n是大于或等于2的整数；并且其中，相邻的导线段在选自于包 括磁场耐受性、温度耐受性、交流损耗和应变耐受性等在内的组的至 少一种特性方面是有差异的；其中，^磁场耐受性通过在临界温度Tc 之下的给定温度T处的临界电流Ic对磁场H的关系来测量，温度耐 受性通过在低于临界磁场Hc的给定磁场处的临界电流Ic对温度T的 10 关系来测量，交流损耗通过与所施加的交流电流及场的频率及大小对 应的交流损耗的量来测量，而应变耐受性通过临界电流Ic随应变的下 降来测量。
图3是机器100的非限制性示例的示意性的截面图，该机器100 包括采用场线圈形式的电气构件，该场线圏包括超导导线。根据需要，
15 机器100可作为电马达和/或作发电机运行。机器100包括转子组件 110，其具有一对安装在轴120上的转子部分106,108。轴120可由任 何材料所形成，更特别地由非铁磁材料(例如不锈钢)所形成。转子部 分106,108适合于随轴旋转而绕其纵轴线130旋转，并且轴向沿着轴 120而间隔开。各转子部分106,108包括多个凸极(salientpoles),例如
20 铁极112,以及多个空气极114。
转子组件110基本上封装在固定的壳体140中。壳体140以可旋 转的方式支撑转子组件110。壳体140具有基本上为筒状的结构。定 子组件150也支撑在壳体140中并且相对于壳体140是固定的。定子 组件150包括定子160，其具有定子绕组(未显示)和不动的场线圏170,
25 该场线圏170包括功能上分级的超导导线。特别地，场线圏170安装 在定子160上。
场线圏170在机械方面从转子组件110上脱离开。场线圈170在 冷却到超导温度时具有对电流的基本为零的电阻(resistance)。场线圏170和凸极112配置成相对彼此成如下形式，即，当转子部分106,108 围绕预定的轴线相对于定子160旋转时，可产生具有基本上为轴向的 气隙磁通(air gap flux)的旋转磁场。在转子部分安装在轴120上的一个 优选的实施例中，气隙一磁通的方向基本上平行于轴120的纵轴线130。 5 这样，转子和定子轴向地偏置，其中，场线圏相对于定子而固定
的。转子的极形成在与转子的旋转轴线基本垂直的平的表面上。此外， 超导场线圏定位在与转子的极的平面轴向地偏置的平面中。随着转子 旋转穿过场线圈所产生的磁场时，产生了旋转磁场。旋转磁场具有基 本上在定子区域中在轴向方向上的气隙磁通。
10 在运行中，机器IOO可作为发电机或作为马达而运行。当该机器
IOO作为发电机运行时，轴120和转子组件IIO绕轴120的纵轴线130 而4皮旋转。轴120和转子組件110的旋转可通过施加耦合在轴120上 的扭力(torsional force)来执行。场线圈170被冷却至超导状态(在低于 其转变温度Tc的温度处)。当电流被应用至场线圈170时，其充当不
15 动的磁通势(MMF)源(stationary magnetomotive force source),其与转子 的旋转的极的旋转磁导波(permeance wave)互相作用，以产生旋转AC 磁场。该旋转磁场具有基本上轴向地沿着轴120的纵轴线130而定向 的气隙磁通且被磁耦合至定子(孔(aperture))绕组(未显示)，其容许产生 电功率。
20 当机器100作为马达运行时，电流被提供至机器100的场线圏170
以产生将场线圏170和定子(电枢)绕组耦合起来的旋转/f兹场。这样， 机器内的磁应力得以增加，导致转子组件110上的扭矩，促使轴120 相对于定子160旋转。
在示例性的实施例中，场线圏170相对于壳体140是固定的，而 25 转子组件110相对于壳体140旋转，使得在转子组件110和场线圈170 所产生的磁场之间的旋转速度的相对差为转子110的旋转速度。
图4显示了根据一个实施例的机器IOO的三维图，其中，定子组 件150包括内定子162和外定子164。超导场线圏170安装在环状的
17内定子162上。环状的外定子164同心地定位在内定子162周围，使 得线圈170定位在内定子162和外定子164之间。备选地，场线圏170 可安装在外定子164上，或安装在内定子及外定子上。包括凸极112 和空气极114的转子部分106和108轴向地定位在定子162,164的每 5 边上，如图4中所示。对于长的机器，可沿着转子轴120将多个这种 转子/定子装置轴向地堆叠起来。出于清晰起见，图4中未显示电枢绕 组。
图5是可供图3的机器100使用的示例性的转子部分200的平面 图。转子部分200包括用于接合轴的中心部分210(见图3)。该中心部
10 分210可适合于容纳固定器或接合器，其将转子部分200固定在轴上。 转子部分200优选由盘状底座250形成，其被分成一个或多个同心环。 底座250优选被分成多个同心环，例如两个环220,230。在一个优选 的实施例中，底座250由铁磁性材料制成，以容许^磁通在其内传播。 各个环设有多个间隔开的成形于底座250的表面上的铁磁极240。在
15 —个优选的实施例中，以安装在底座250表面上的铁板来形成凸出的 铁》兹极240。在另一实施例中，凸极240由铁叠片所形成。在又一实 施例中，凸极240和底座250为整体结构的。铁^兹极240的之间的空 间形成气隙，或空气极。相邻的环中的铁磁极240优选地(或者在同心 环之内或者在同心环之间)偏离一个极节距(polepitch)。优选地，凸极
20 240及其之间的空气极或者为成环状的扇形形状的，或者为梯形形状 的。这样，在各个环中形成了多个极，使得这些极轴向地间隔开。
图6显示了带有电枢绕组166的定子组件150的三维图。组件150 还包括端绕组168。电枢绕组可以是叠绕组/波形绕组。定子组件150 适合于封装在轴向地间隔开的一对转子部分之间，如图3中所示。电
25 枢绕组166定位成在内定子和外定子的各个边上沿着的环向的周边在 定子齿之间。
图7显示了超导场线圏170的一个实施例，其包括功能上分级的 超导导线，该导线包括由接头16连接在一起的两个导线段12和14。接头16可在形成场线圏170的绕制工艺期间生成。导线段12和14 的长度依赖于磁场特征和场线圈尺寸，其可很容易地由普通技术人员 所确定。另外地，长度选择成如下形式，即，将更耐受场影响的导线 段的绕组集中于场线圏170所产生的高场区域中。 5 利用低温流体，例如但不局限于液态氦(He)的连续供给，将超导
场线圈170保持在接近零开尔文的温度处。如果在制造场线圈时使用 高温超导体(HTS),那么可使用低温流体(例如氮(N2)或液态氖(Ne))来 获得超导温度。低温流体通常被从固定的低温冷却机提供至超导场线 圈。在定子组件150中可配备任何合适的冷却流体装置，例如冷却流
10 体管或导管，以冷却超导场线圏170。
虽然已经使用用于旋转式机器的超导场线圈来举例说明可有益 地采用功能上分级的超导导线的机器，但是，各种各样的其它电力设 备同样可受益于在其线圈内的超导导线的功能分级，因为，所有这些 设备在其线圏上可能具有不同的磁场的、温度的或应变的状态。这种
15机器的例子包括MRI磁体、超导变压器和具有超导电枢绕组的马达/ 发电机。
在另一实施例中，该电气构件包括电缆，该电缆包括一个或多个
功能上分级的超导导线，该超导导线包括两个或多个连接的导线段，
其中，相邻的导线段在由》兹场耐受性、温度耐受性、交流损耗和应变 20耐受性组成的特性组中选出的至少一个特性方面有所不同。在一个实
施例中，超导导线缠绕在电缆的中心轴线周围。在另一实施例中，超
导导线缠绕多于一层。
包括场线圏的上述机器举例说明了功能上分级的超导导线的非
限制性的实施形式。场线圏的导线段定位成将最耐受场影响的导线段 25设置成位于场线圏所产生的最高场区域中或最接近于该区域。对于给
定的线圏尺寸和结构，这允许至场线圏的更高的电流，并提高扭矩密度。
其它发电系统也可设想利用包括在此所述的功能上分级的超导说明书第16/17页
导线的电气构件。这些系统并不限于此处所述的具体的实施例，相反，
用。各个系统构件也可结合其它系统构件而使用。
此外，公开了一种形成包括超导导线的超导场线圈的工艺，该工
5 艺包括缠绕第一导线段；将第二导线段连接到第一导线段上；并在 第一导线段周围缠绕第二导线段，其中，第一导线段和第二导线段在 选自于包括磁场耐受性、温度耐受性、交流损耗和应变耐受性等的组 的至少一种特性方面是有差异的；且其中，^t场耐受性通过临界温度 Tc之下的给定温度T处的临界电流Ic对磁场H的关系来测量，温度
10 耐受性通过临界磁场Hc之下的给定磁场处的临界电流Ic对温度T的 关系来测量，交流损耗通过与所施加的交流电流及场的频率及大小对 应的交流损耗的量来测量，而应变耐受性通过临界电流Ic随应变的下 降来测量。在一个实施例中，在绕制工艺期间将导线段连接起来。在 一个实施例中，通过焊接将导线段连接起来。在一个实施例中，通过
15 扩散粘结将导线段连接起来。在一个实施例中，第二导线段包括Nb3Sn 且定位成用以限定场线圏的高场区域，第一导线段包括NbTi且定位 成限定场线圈的低场区域，其中，第二导线段的第二-兹场耐受性大于 第 一导线段的第 一磁场耐受性。
除非上下文中明确指出，否则上面描述中的单数形式"一"、"一
20 个"和"该"包括所指对象的复数形式。指向相同特征或构件的所有 范围的端点都是可以独立地组合的并且包含所列举的端点。本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，且同样可用 于使本领域中的技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置 或系统及执行任何所含方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限 定，并且可包括本领域中的技术人员可想到的其它示例。如果这些其 5 它示例具有并非不同于权利要求语言的结构元件，或者如果其包括与 权利要求语言无实质差异的等效的结构元件，那么这些其它示例都属 于权利要求的范围内。
2权利要求
1. 一种包括超导导线(10)的电气构件，所述导线包括连接在第二导线段(14)上的第一导线段(12)；其中，所述第一导线段(12)和所述第二导线段(14)在选自于包括磁场耐受性、温度耐受性、交流损耗和应变耐受性等的组的至少一种特性方面是有差异的；并且其中所述磁场耐受性通过处于Tc以下的给定温度T处的临界电流Ic对磁场H的关系来测量，所述温度耐受性通过处于Hc以下的给定磁场处的临界电流Ic对温度T的关系来测量，所述交流损耗通过与所施加的交流电流及场的频率及大小对应的交流损耗的量来测量，而所述应变耐受性通过随应变的Ic下降来测量。
2. 根据权利要求1所述的电气构件，其特征在于，所述第一导 线段(12)和第二导线段(14)包括不同的超导成分。
3.根据权利要求2所述的电气构件，其特征在于，所述超导成分选自下述组，所述组包括NbTi， Nb3Sn， MgB2， YBa2Cu307, BSCCO-2223 ， BSCCO-2212 ， 丁旧&20&201309 ， Tl2Ba2CaCu208 , (TlPb)Sr2CaCu207, (TlPb)Sr2Ca2Cu309，及它们的组合。
4. 根据之前权利要求中的任一项所述的电气构件，其特征在于， 20 所述第一导线段(12)由NbTi形成而所述第二导线段(14)由M)3Sn形成。
5. —种形成包括超导导线(10)的超导场线圈(170)的工艺，其包括 缠绕第一导线段(12);将第二导线段(14)连接至所述第一导线段(12);以及 25 将所述第二导线段(14)缠绕在所述第一导线段(12)附近，其中，所述第一导线段(12)和所述第二导线段(14)在选自于包括磁场耐 受性、温度耐受性、交流损耗和应变耐受性等的组的至少一种特性方 面是有差异的；且其中所述^兹场耐受性通过处于Tc以下的给定温度T处的临界电流Ic 对磁场H的关系来测量，所述温度耐受性通过处于He以下的给定磁 场处的临界电流Ic对温度T的关系来测量，所述交流损耗通过与所施 加的交流电流及场的频率及大小对应的交流损耗的量来测量，而所述 5应变耐受性通过随着应变的Ic下降来测量。
6. 根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述第一导线段(12) 由NbTi形成并限定低场区域，而所述第二导线段(14)由Nb3Sn形成并 限定所述场线圈的高场区域。
7. 才艮据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述第一导线段(12) 10和/或第二导线段(14)包括选自下述组的超导成分，所述组包括NbTi,Nb3Sn ， MgB2 ， YBa2Cu307 ， BSCCO-2223 , BSCCO-2212 ， HBa2Ca2Cu309, Tl2Ba2CaCu208, (TlPb)Sr2CaCu207, (TlPb)Sr2Ca2Cu309, 及它们的组合。
8. —种机器(100),其包括包括超导导线(10)的电气构件，该导线(10)包括由n-1个接头(16)连接起来的n个导线段((12)或(14));其中，n是大于或等于2的整数； 且其中，相邻的导线段(12)或(14)在选自于包括/磁场耐受性，温度耐受 性，交流损耗，以及应变耐受性等的组的至少一种特性方面是有差异 的；而其中，所述^ 兹场耐受性通过处于Tc以下的给定温度T处的临界电流Ic对》兹场H的关系来测量，所述温度耐受性通过处于Hc以下 的给定磁场处的临界电流Ic对温度T的关系来测量，所述交流损耗通 过与所施加的交流电流及场的频率及大小对应的交流损耗的量来测 量，而所述应变耐受性通过随应变的Ic下降来测量。
9. 根据权利要求8所述的机器(100),其特征在于，所述机器(100) 25还包括包括可旋转的轴(120)的转子组件(110),以及固定的定子组件(150)，所述定子组件(150)包括同心的内定子(162)和外定子(164),以 及多个电枢绕组(166),其中，所述电子构件是超导场线圈(170)。
10. 根据权利要求8或9所述的机器(100)，其特征在于，所述机器(100)是发电机，电马达或风力涡轮组件的构件。
全文摘要
本发明涉及超导导线及其用途与制造工艺，具体而言，一种电气构件包括超导导线(10)，该导线(10)包括连接在第二导线段(14)上的第一导线段(12)；其中，第一导线段(12)和第二导线段(14)在选自于包括磁场耐受性、温度耐受性、交流损耗和应变耐受性等的组的至少一种特性方面是有差异的；而其中，磁场耐受性通过处于临界温度Tc以下的给定温度T处的临界电流Ic对磁场H的关系来测量，温度耐受性通过处于Hc以下的给定磁场处的临界电流Ic对温度T的关系来测量，交流损耗通过与所施加的交流电流及场的频率及大小对应的交流损耗的量来测量，而应变耐受性通过Ic随应变的下降来测量。
文档编号H01B12/02GK101488379SQ20091000377
公开日2009年7月22日 申请日期2009年1月19日 优先权日2008年1月17日
发明者E·T·拉斯卡里斯, J·W·布雷, K·斯瓦苏布拉马尼亚姆 申请人:通用电气公司