超导线圈，超导磁体和用于制造超导线圈的方法
【专利摘要】本发明涉及超导线圈、超导磁体和用于制造超导线圈的方法。在本发明中，内周部通过将第一和第二超导线材（11、12）中的一个缠绕而形成，该超导线材中的每一个具有带形状。外周部通过将所述第一和第二超导线材（11、12）中的另一个绕所述内周部缠绕而形成。焊接部（74）通过在所述内周部和所述外周部之间进行焊接而将所述第一和第二超导线材（11、12）连接到彼此。所述第一超导线材（11）的强度高于所述第二超导线材（12）的强度。所述第二超导线材（12）比所述第一超导线材（11）薄。
【专利说明】超导线圈，超导磁体和用于制造超导线圈的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超导线圈、一种超导磁体和一种用于制造超导线圈的方法。
【背景技术】
[0002]日本专利特平开2008-153372公开了一种超导线圈，其通过缠绕具有带形状的铋基超导线而形成。缠绕该超导线以形成具有笔直部和弧形部的跑道形状。
[0003]专利文献1:日本专利特平开2008-153372。
【发明内容】
[0004]技术问题
[0005]如果在制造或使用超导线圈期间，过大的应力施加到超导线上，则会损坏超导线，以及可能会降低超导线圈的可靠性。例如，在制造超导线圈期间，在绕芯部缠绕超导线时，缠绕开始的一部分即内周部由于在曲率半径上小于缠绕端部的部分的曲率半径，所以容易损坏。为了避免这样的损坏，通过增加超导线的厚度仅应增加其强度。然而，通常，超导线圈应具有规定数目的圈数，并且在这种情况下，超导线加大的厚度导致超导线圈尺寸的增力口。因此，在具有规定数目圈数的超导线圈中，超导线圈的可靠性及其尺寸的减小具有需要权衡的关系。
[0006]因而，本发明的目的是提供一种超导线圈、超导磁体和用于制造超导线圈的方法，这能够在具有规定数目圈数的超导线圈上获得尺寸上的减小，同时确保高可靠性。
[0007]问题的解决方案
[0008]根据本发明的超导线圈具有氧化物超导体，并且具有内周部、外周部和焊接部。内周部通过缠绕第一和第二超导线中的一方而形成，每个超导线具有带状。外周部通过围绕所述内周部缠绕所述第一和第二超导线中的另一方而形成。焊接部通过将所述内周部和所述外周部之间进行焊接来使得所述第一和第二超导线彼此结合。所述第一超导线的强度高于所述第二超导线的强度。所述第二超导线的厚度小于所述第一超导线的厚度。
[0009]根据本发明的超导线圈，在内周部和外周部中，需要较大强度的一个可以由第一超导线形成，而需要较小强度的一个可以由第二超导线形成。即，需要较大强度的部分可以由强度较大的超导线形成，而需要较小强度的部分可以由厚度较小的超导线形成。因此，具有规定数目圈数的超导线圈能够在尺寸上获得减小，同时确保高可靠性。
[0010]所述内周部可以通过缠绕所述第一超导线而形成。此外，所述外周部可以通过缠绕所述第二超导线而形成。
[0011]因此，由以比外周部的曲率直径小的曲率直径缠绕的内周部由强度较高的超导线形成。因此，能够抑制由于曲率直径小而导致的超导线损坏。
[0012]通过将所述焊接部彼此结合的所述第一和第二超导线可以被缠绕为形成具有笔直部和弯曲部的跑道形状。此外，所述焊接部的至少一部分可以位于所述弯曲部处。
[0013]因此，在制造超导线圈期间，焊接部的至少一部分位于弯曲部处，从而获得很少松动的缠绕。因此，由于焊接部的位置稳定，所以焊接部在缠绕期间不太可能会移位。因此，能够防止第二超导线即厚度上较小的超导线在焊接部的端部处由于焊接部的移位而造成的损坏。
[0014]所述焊接部可以仅位于所述弯曲部处。
[0015]如果焊接部跨过笔直部和弯曲部，如上所述地，焊接部位于弯曲部处的部分不太可能移位，而位于笔直部上的部分可能会移位。因此，焊接部在笔直部和弯曲部之间的边界处可能会恶化。这样的恶化能够通过使焊接部仅位于弯曲部处来防止。
[0016]在上述的超导线圈中，所述焊接部可以具有不短于2cm的长度。
[0017]因此，根据实际使用情况，焊接部能够具有足够小的电阻值。
[0018]在上述的超导线圈中，由于所述第一超导线的带形的宽度大于所述第二超导线的带形的宽度，所以在所述内周部和所述外周部之间可以存在高度差。在这种情况下，所述超导线圈可以具有填补所述高度差中的间隔部。
[0019]因此，能够填补内周部和外周部之间的高度差所产生的间隙。因此，能够抑制由该间隙导致热传导的降低。
[0020]根据本发明的超导磁体具有上述的超导线圈、热绝缘容器和电源。热绝缘容器容纳所述超导线圈。电源连接到所述超导线圈。
[0021]根据本发明的超导磁体，在超导线圈的内周部和外周部中，需要较大强度的一个可以由第一超导线形成，而需要较小强度的一个可以由第二超导线形成。即，需要较大强度的部分可以由强度较大的超导线形成，而需要较小强度的部分可以由厚度较小的超导线形成。因此，在包括具有规定数目圈数的超导线圈的超导磁体中，能够确保超导线圈所需的强度，同时能够通过使用厚度较小的超导线而获得超导线圈尺寸的减小。因此，超导磁体能够在尺寸上减小，同时确保超导磁体的可靠性。
[0022]根据本发明的用于制造超导线圈的方法是用于制造具有氧化物超导体的超导线圈的方法，并且具有以下步骤。
[0023]通过缠绕均具有带形的第一和第二超导线中的一方而形成内周部。在形成内周部之后，通过焊接将所述第一和第二超导线彼此接合。在将所述第一和第二超导线彼此接合后，通过围绕所述内周部缠绕所述第一和第二超导线中的另一方而形成外周部。所述第一超导线的强度高于所述第二超导线的强度。所述第二超导线的厚度小于所述第一超导线的厚度。
[0024]根据本发明的用于制造超导线圈的方法，在形成内周部之后形成焊接部。因此，在形成内周部期间，不会导致由于焊接部造成的超导线损坏。
[0025]发明的有益效果
[0026]如上所述，根据本发明，在具有规定数目圈数的超导线圈中，能够获得超导线圈的尺寸上的减小，同时确保高可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是示意性地示出本发明第一实施例中的超导线圈的结构的立体图。
[0028]图2是沿着图1中的线I1-1I的示意性横截面图。
[0029]图3是示意性示出在图1的超导线圈中使用的第一和第二超导线之间的焊接部附近的部分的平面图。
[0030]图4是图1的超导线圈的示意性二维布局的图。
[0031]图5是在图1的超导线圈中使用的第一超导线的透视截面图。
[0032]图6是在图1的超导线圈中使用的第二超导线的透视截面图。
[0033]图7是示意性示出在用于制造本发明第一实施例的超导线圈的方法中的第一步骤的立体图。
[0034]图8是示意性示出在用于制造本发明第一实施例的超导线圈的方法中的第二步骤的立体图。
[0035]图9是示意性示出在用于制造本发明第一实施例的超导线圈的方法中的第三步骤的立体图。
[0036]图10是示出在第一和第二超导线之间的焊接部附近，在第二超导线中导致的破裂的一个实例的平面图。
[0037]图11是示意性示出本发明第二实施例中的超导线圈的局部横截面图。
[0038]图12是示意性示出本发明第三实施例中的超导磁体的横截面图。
[0039]图13是示意性示出本发明第四实施例中的超导磁体的横截面图。
[0040]图14是示意性示出图13的超导磁体中包括的超导线圈的结构的横截面图。
【具体实施方式】
[0041]在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。注意，以下的在附图中相同或对应的元件给出了相同的附图标记，并且其描述不再重复。
[0042](第一实施例)
[0043]主要参考图1至图4，本实施例中的超导线圈80通过如箭头A (图1)所示地缠绕由氧化物超导体制成的超导线10而形成。具体地，将超导线10缠绕而形成为具有笔直部ST和弯曲部CR的跑道形状(图4)。
[0044]超导线10通过均具有带形的第一和第二超导线11、12由焊接部74彼此接合。注意，本文的“焊接”是包含“钎焊”的概念。因此，“焊接部”可以是“钎焊部”。
[0045]优选地，焊接部74的至少一部分位于弯曲部CR处。更优选地，焊接部74仅位于弯曲部CR处。
[0046]焊接部74在纵向方向上的接合长度SL (图3)上将第一和第二超导线11、12彼此接合。焊接部74例如由焊料制成。优选地，接合长度SL即焊接部74的长度不短于2cm，并且在这种情况下，连接电阻能够不高于约ΙΟΟηΩ。注意，可以在短于接合长度SL的切口长度TL上、在第一和第二超导线11、12中的至少任何一个的端部处设置切口。
[0047]在如图4所示的二维布局中，超导线圈80具有内周部73和外周部75。内周部73通过缠绕第一超导线11形成。外周部75通过绕内周部73缠绕第二超导线12形成。焊接部74通过在内周部73和外周部75之间焊接，而将第一和第二超导线11、12彼此接合，以使得内周部73和外周部75彼此串联电连接。
[0048]主要参考图5和图6，第一和第二超导线11、12分别具有厚度Tl和Τ2。虽然厚度Tl和Τ2中的每一个大致接近尺寸T (通过图1的超导线的缠绕获得的超导线堆叠中每一层的大致尺寸)，但是厚度Tl大于厚度Τ2。即，第二超导线12的厚度小于第一超导线11的厚度。例如，尺寸T大致从0.2mm到0.4mm,厚度Tl和T2之间的差大致从0.1mm到0.2mm。
[0049]此外，第一超导线11的强度高于第二超导线12。注意，这里的“强度”指的是抗张强度和弯曲强度。因此，超导线11的抗张强度和弯曲强度高于第二超导线12的抗张强度和弯曲强度。抗张强度例如被测量为通过超导线的临界电流降低至95%时的张应力值，其值越高表示强度越大。弯曲强度例如被测量为通过超导线的临界电流降低至95%时的曲率直径，其值越小表示强度越大。例如，第一超导线11具有270MPa的抗张力强度，第二超导线12具有130MPa的抗张力强度，第一超导线11具有60mm的弯曲强度，第二超导线12具有70mm的弯曲强度。
[0050]第一和第二超导线11、12分别具有宽度Wl和W2。宽度Wl和W2中的每一个大致接近于尺寸W (在图1中缠绕轴线的方向上的超导线圈80的大致尺寸)。宽度Wl大于宽度W2，因此在内周部73和外周部75之间存在高度差D(图2)。例如，尺寸W大致从4mm到5mm,宽度Wl和W2之间的差约是0.2mm。
[0051]具体地，在本实施例中，第一超导线11通过在厚度方向上将与第二超导线12类似的线夹持在一对层压部Ila之间而形成。通过这种结构，厚度Tl大于厚度T2，第一超导线11的强度高于第二超导线12。层压部Ila例如由不锈钢制成。所述一对层压部Ila由插入它们之间的一对钎焊部Ilb连接。所述一对钎焊部Ilb在宽度方向上将与第二超导线12类似的线夹在中间。通过这种结构，宽度Wl大于宽度W2。
[0052]第二超导线12可以例如是铋(Bi)基超导线。具体地，第二超导线12具有在纵向方向上延伸的多个超导体12a和覆盖该多个超导体12a的整个周边的套部12b。套部12b与超导体12a接触。优选地，多个超导体12a中的每一个都是铋基超导体，例如具有B1-Pb-Sr-Ca-Cu-O基成分，并且具体地，是包含Bi2223相的材料，使得铋和铅:锶:钙:铜之中的原子比以大约的方式大致表示为2;2;2;3的比是最佳的。用于套部12b的材料例如由银或银合金制成。注意，可以设置单个超导体12a。
[0053]现在，将描述用于制造超导线圈80的方法。
[0054]参考图7，首先，通过缠绕第一超导线11形成内周部73。
[0055]参考图8，第一超导线11的在内周部73的外周表面上露出的端部处形成焊接部74。具体地，焊接部74由铜焊合金形成，优选地由焊料形成。
[0056]参考图9，第一和第二超导线11、12通过由焊接部74焊接而连接到彼此。具体地，加热焊接部74，同时第二超导线12的端部与焊接部74接触。
[0057]注意，为了避免在此接合期间已经形成焊接部74的第一超导线端部的移位，该端部优选地预先固定到内周部73。此固定例如可以通过使用聚酰亚胺带来实现。
[0058]通过在第一和第二超导线11、12如上连接之后绕内周部73缠绕第二超导线12，形成外周部75。在缠绕第二超导线12中，张力在第二超导线12的纵向方向上施加到第二超导线12上。在焊接部74位于弯曲部CR处的情况下，该张力将力向内施加到焊接部74。因此，在焊接部74附近的超导线10被缠绕得很少松动。
[0059]如上，获得超导线圈80 (图1)。
[0060]根据本实施例中的超导线圈80，在内周部73和外周部75中，需要较大强度的一个可以由第一超导线11形成，而需要较小强度的一个可以由第二超导线12形成。S卩，需要较大强度的部分可以由强度较大的超导线形成，而需要较小强度的部分可以由厚度较小的超导线形成。因此，尺寸T (图1)的平均值小于超导线10的强度在整个长度上都增加的情况。因此，在具有规定数目圈数的超导线圈80中，超导线圈80在平面视图(图4)中的尺寸能够获得减小，同时确保闻可罪性。
[0061]更具体地，内周部73通过缠绕第一超导线11形成，外周部75通过缠绕第二超导线12形成。因此，以比外周部75的曲率直径小的曲率直径缠绕的内周部73由强度较高的超导线形成。因此，能够抑制由于曲率直径小而导致的超导线损坏。
[0062]在焊接部74的至少一部分位于弯曲部CR处的情况下，由于焊接部74的至少一部分位于弯曲部CR处，所以在制造超导线圈80期间，获得很少松动的缠绕。因此，由于焊接部74的位置稳定，所以焊接部74在制造超导线圈80期间不太可能会移位。因此，能够防止第二超导线12即厚度上较小的超导线在焊接部74的端部处由于焊接部74的移位而造成的损坏(例如图10中的破裂RP)。
[0063]在焊接部74仅位于弯曲部CR的情况下，焊接部74不设置在制造超导线圈80期间很可能会松动的笔直部ST上。因此，由于焊接部74的位置进一步地稳定，所以焊接部74在制造超导线圈80期间更不可能移位。因此，能够进一步地防止第二超导线12即厚度较小的超导线在焊接部74的端部处由于焊接部74的移位而造成的损坏。替代地，如果焊接部74跨在笔直部ST和弯曲部CR上，则在制造超导线圈80期间，如上所述地焊接部74位于弯曲部CR处的部分不太可能移位，而位于笔直部ST处的部分可能会移位。因此，焊接部在笔直部ST和弯曲部SR之间的边界处会趋向恶化。这样的恶化能够通过使焊接部74仅位于弯曲部CR处来防止。
[0064]在上述超导线圈80中焊接部74具有不短于2cm的长度的情况下，根据实际使用情况，焊接部74可以具有足够小的电阻值。
[0065]根据本发明中用于制造超导线圈80的方法，在形成内周部74之后形成焊接部74。因此，不像在第一和第二超导线11、12由焊接部74连接到彼此之后缠绕内周部73的情况，在形成内周部73期间不会由于焊接部74造成超导线的损坏，具体地是破裂RP (图10)。
[0066]虽然在本实施例中，第一超导线11应用于内周部73，第二超导线12应用于外周部75，但是在特别需要外周部75的可靠性的情况下，第一超导线11可以应用于外周部75，第二超导线12可以应用于内周部73。此外，第一超导线11的宽度Wl不一定大于第二超导线的宽度W2。此外，超导线圈不一定是跑道形状，其形状可以是圆形或多边形。
[0067](第二实施例)
[0068]参考图11，本实施例的超导线圈90具有根据第一实施例的多个超导线圈80、间隔部91、隔热板92和冷却板93。
[0069]间隔部91是填补高度差D (图2)的至少一部分的间隔件。优选地，间隔部91的高度(图11中的竖直尺寸)等于高度差D (图2中的竖直尺寸)。即，优选地，间隔部的高度等于宽度Wl和宽度W2之间的差。
[0070]优选地，间隔部91通过由绝缘体制成的片形成，具体地，由预浸溃片或FRP (纤维加强塑料)片形成。
[0071]冷却板93布置为将每个超导线圈80夹在中间。冷却板93用于将超导线圈80热连接到制冷机头部(未示出)。隔热板92插入冷却板93和超导线圈80之间。多个超导线圈80在具有冷却板93和插入冷却板93和超导线圈80之间的隔热板92的绕组的轴线方向上进行堆叠。
[0072]根据本实施例，间隔部91能够填补由高度差D产生的间隙。因此，能够抑制由该间隙导致的热传导的降低(例如在外周部75和冷却板93之间的热传导的降低)。
[0073]此外，在用于间隔部91的材料是预浸溃片或FRP的情况下，能够降低间隔部91和超导线10之间的热膨胀系数的差。
[0074]注意，在超导线圈由流体诸如液化氮直接冷却的情况下，不需要提供冷却板93。
[0075](第三实施例)
[0076]参考图12，本实施例中的超导磁体100用于产生磁场H，并且具有超导线圈90(图11)、热绝缘容器101、电源102和制冷机头部103。热绝缘容器101容纳超导线圈90。电源102连接到超导线圈90。
[0077]根据本实施例中的超导磁体100，在超导线圈90的内周部73和外周部75 (图11)中，需要较大强度的一个可以由第一超导线11 (图5)形成，同时需要较小强度的一个可以由第二超导线12 (图6)形成。即，需要较大强度的部分能够由强度较大的超导线形成，而需要较小强度的部分能够由厚度较小的超导线形成。因此，在包括具有规定数目圈数的超导线圈90的超导磁体100中，能够确保超导线圈90所需的强度，同时能够通过应用厚度较小的超导线而减小超导线圈90的尺寸。因此，超导磁体100的尺寸能够减小，同时确保超导磁体100的可靠性。
[0078]注意，可以使用低温流体诸如液化氮来代替设置制冷机头部103。
[0079](第四实施例)
[0080]参考图13，本实施例中的超导磁体300具有超导线圈290和390。超导线圈390具有圆柱形形状，并且在其内部产生大致均匀的磁场H。超导线圈390例如通过缠绕由NbTi制成的超导线而形成。超导线圈290布置为使得超导线圈290整体都接收由超导线圈390产生的磁场H。
[0081]参考图14，超导线圈290通过环状地缠绕超导线10而形成。具体地，超导线圈290具有通过缠绕第二超导线12 (图6)而形成的内周部和通过缠绕第一超导线11 (图5)而形成的外周部。
[0082]注意，由于除了以上特征之外的特征与上述第三实施例中的特征基本上相同，所以，相同或对应的元件给出相同的附图标记，并且不再重复其描述。
[0083]环向应力通过由超导线圈390产生的磁场H施加到超导线圈290的超导线10。环向应力与离绕组中心的距离r成比例变大。因此，如果超导线圈仅通过缠绕一种超导线而形成，则施加到外周部的环向应力将比施加到内周部的环向应力大。
[0084]根据本实施例，内周部由厚度较小的第二超导线12形成。这样，虽然超导线圈290在尺寸上减小，但是由第一超导线11形成的外周部的强度更高，而大环向应力可能将施加到外周部。因此，能够抑制由于环向应力导致的可靠性降低。
[0085]实例
[0086]模拟施加到形成包含在超导磁体300 (图13)中的超导线圈290 (图14)的超导线10的环向应力。
[0087]模拟条件如下。具有宽度Wl=4.5mm、厚度Tl=0.30mm、抗张强度270MPa和弯曲强度60mm的超导线应用为第一超导线11 (图5)。具有宽度W2=4.3mm、厚度Τ2=0.23mm、抗张强度130MPa和弯曲强度70mm的超导线应用为第二超导线11 (图6)。在超导线圈290中，第二超导线12应用于内周部，从轴线到内周部的距离r从50mm到75mm，第一超导线11应用于外周部，其距离r从75mm到100mm。流过超导线圈290的电流设定为200A。由超导线圈390产生的磁场H设定为8T。
[0088]计算的结果是，施加到形成超导线圈290的内周部的第二超导线12的环向应力在最内部(r=50mm)处是81MPa，在最外部(r=75mm)处是121MPa。这些应力在第二超导线12的抗张强度130MPa的范围之内。
[0089]此外，施加到形成超导线圈290的外周部的第一超导线11的环向应力在最内部(r=75mm)处是89MPa，在最外部(r=100mm)处是119MPa。这些应力在第一超导线12的抗张强度270MPa的范围之内。
[0090]应该理解，在此公开的实施例和实例在每个方面都是示例性的，不是限制性的。本发明的范围由权利要求的术语限定，而不是由上述的实施例限定，并且旨在包括本范围内的任何变型和与权利要求的术语等价的含意。
[0091]附图标记列表:
[0092]10超导线；
[0093]11第一超导线；
[0094]12第二超导线；
[0095]73内周部；
[0096]74焊接部；
[0097]75外周部；
[0098]80、90超导线圈；
[0099]91间隔部；
[0100]92隔热板；
[0101]93冷却板；
[0102]100超导磁体；
[0103]101热绝缘容器；
[0104]102 电源；
[0105]103制冷机头部；
[0106]CR弯曲部；
[0107]D高度差
【权利要求】
1.一种具有氧化物超导体的超导线圈(80、90)，所述超导线圈(80、90)包括: 内周部(73)，所述内周部(73)通过缠绕第一超导线材(11)和第二超导线材(12)中的一方来形成，所述第一超导线材(11)和第二超导线材(12)均为带形； 外周部(75)，所述外周部(75)通过围绕所述内周部缠绕所述第一超导线材和第二超导线材中的另一方来形成；以及 焊接部(74)，所述焊接部(74)通过在所述内周部和所述外周部之间进行焊接来使得所述第一超导线材和第二超导线材彼此接合， 所述第一超导线材的强度高于所述第二超导线材的强度，所述第二超导线材的厚度小于所述第一超导线材的厚度。
2.根据权利要求1所述的超导线圈，其中，所述内周部通过缠绕所述第一超导线材来形成，所述外周部通过缠绕所述第二超导线材来形成。
3.根据权利要求1或2所述的超导线圈，其中，通过所述焊接部彼此接合的所述第一超导线材和第二超导线材被缠绕为形成具有笔直部(ST)和弯曲部(CR)的跑道形状，并且所述焊接部的至少一部分位于所述弯曲部处。
4.根据权利要求3所述的超导线圈，其中，所述焊接部仅位于所述弯曲部处。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的超导线圈，其中，所述焊接部的长度不短于2cm。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的超导线圈，其中，由于所述第一超导线材的带形的宽度大于所述第二超导线材的带形的宽度，所以所述内周部和所述外周部之间存在高度差，并且 所述超导线圈进一步包括间隔部，所述间隔部填补了所述高度差。
7.—种超导磁铁(100),所述超导磁铁(100)包括: 根据权利要求1至6中的任一项所述的超导线圈； 热绝缘容器(101 )，所述热绝缘容器(101)容纳所述超导线圈；以及 电源(102)，所述电源(102)被连接到所述超导线圈。
8.一种用于制造具有氧化物超导体的超导线圈(80、90)的方法，所述方法包括如下步骤: 通过缠绕第一超导线材(11)和第二超导线材(12)中的一方来形成内周部(73)，所述第一超导线材(11)和第二超导线材(12)均为带形； 在形成所述内周部的所述步骤之后，通过焊接来使得所述第一超导线材和第二超导线材彼此接合；以及 在接合所述第一超导线材和第二超导线材的所述步骤之后，通过围绕所述内周部缠绕所述第一超导线材和第二超导线材中的另一方来形成外周部(75); 所述第一超导线材的强度高于所述第二超导线材的强度，所述第二超导线材的厚度小于所述第一超导线材的厚度。
【文档编号】H01F6/00GK103563017SQ201280026122
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年4月24日 优先权日:2011年5月30日
【发明者】上野荣作, 加藤武志 申请人:住友电气工业株式会社