專利名稱：使用超導(dǎo)體的鞍形線圈繞組及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在管外表面上使用超導(dǎo)體的鞍形線圈繞組，包括軸向 延伸的直的繞組段和在它們之間在相對置的端側(cè)彎曲的構(gòu)成繞組端頭的端 側(cè)繞組段。此外，本發(fā)明還涉及一種此類線圈繞組的制造方法。由JP06-196314A可知一種相應(yīng)的用于制造這種線圈繞組的方法。
技術(shù)背景在超導(dǎo)技術(shù)的領(lǐng)域，長期以來在高能及粒子物理或電機(jī)領(lǐng)域采用鞍形 線圈繞組。在這里，通常采用包含傳統(tǒng)的有低越變溫度Tc的金屬超導(dǎo)材料 的導(dǎo)體，所謂的Low-Tc-Supraleitermaterial (簡稱LTS材料)。也就是說， 相應(yīng)的導(dǎo)體可以比較容易和不損失其超導(dǎo)特性地彎曲成包括軸向延伸的直 的繞組段和在它們之間在對置的端側(cè)彎曲構(gòu)成繞組端頭的端側(cè)繞組段的鞍 形?；蛘撸诶@組內(nèi)的導(dǎo)體最終成型后才按所謂的"Wind-and-React"技術(shù) 形成或調(diào)整它們的超導(dǎo)特性。已知一些所謂的High-Tc-Supraleitermaterial (筒稱HTS材料)，它們是 有高越變溫度的氧化物超導(dǎo)材料，人們也試圖用由這種材料組成的導(dǎo)體制 造相應(yīng)的繞組。由前言列舉的JP 06-196314A可知一種相應(yīng)的建議。在JP 2003-255032A中也提及將這樣的導(dǎo)體使用于鞍形線圈繞組的可能性。然而 在這里存在的疑難問題是，使用這種有足夠載流能力或臨界電流密度Jc的 材料加工的導(dǎo)體，迄今實際上只能制成帶狀，然而制成的帶狀導(dǎo)體對伸縮 非常敏感，并因而由于有損失載流能力或臨界電流密度Ic的危險，所以只 能以很小的程度彎曲。因此人們普遍地放棄用這種帶狀的HTS導(dǎo)體制造鞍 形線圈繞組，而代之以將所謂的"賽車道式線圈"(英文"race track coils") 納入計劃之中。賽車道式線圈是一些扁平的繞組，其中匝圈始終處于繞組平面內(nèi)。若 上下疊置這種賽車道式線圈，則此堆疊沿縱向沒有開口 (所謂的"孔口 (Apertur)")。因此在有連續(xù)軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，所述賽車道式線圏必須安置 在一個中心區(qū)的上面和下面(例如參見DE 19943783A1 )。所以在線圈繞組 沿軸向延伸的直的繞組段內(nèi)造成一個空缺的未被繞組占據(jù)的空間，它導(dǎo)致 相應(yīng)地減小可利用的磁場強(qiáng)度。通過使用鞍形線圈，亦即有端側(cè)高度彎曲 的繞組端頭的線圈繞組，形成了一個孔口。與之相關(guān)聯(lián)，超導(dǎo)繞組可在例 如旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)有效地使用，其前提條件是這些超導(dǎo)體可以在其超導(dǎo)特性方 面無損失的情況下適當(dāng)變形。例j口在"IEEE Trans. Appl. Supercond.", Vol. 9, No.2， 1999年6月， 第1197至1200頁中也記載了用于HTS電動機(jī)的賽車道式扁平的線圈繞組 和相應(yīng)的線圈繞組的制造方法。還建議了 一些用帶狀HTS導(dǎo)體的圓錐形線圈繞組(參見WO 01/08173A1)。按這種線圈幾何結(jié)構(gòu)，盡管繞組制成曲拱形，但在這里各匪 圈的導(dǎo)體的直的分段以及在繞組端頭區(qū)內(nèi)仍總是處于一個公共平面內(nèi)部。 導(dǎo)體的扁平側(cè)平行于垂直地從線圈繞組伸出的軸線放置。已知還試圖用帶狀HTS導(dǎo)體制造鞍形線圏繞組(參見"IEEE Trans. Appl. Supercond."， Vol. 9, No.2, 1999年6月，第293至296頁)。但在那里記 載的繞組設(shè)計針對四極磁體只允許小的孔口 ；然而這種孔口對于例如-見定 用于電機(jī)雙極式轉(zhuǎn)子繞組的偶極繞組是不夠的。一種已知的用于制造由伸縮敏感的超導(dǎo)體組成的線圈繞組的方法基 于，線圈繞組導(dǎo)體的超導(dǎo)特性要在巻繞過程結(jié)束成為其最終形狀后才形成 (所謂的"Wind-and-React"技術(shù)；參見例如EP1471363A1 )。然而這通常械中備用的線圈繞組。發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有本文開頭所述特征的 鞍形線圈繞組，其中消減了上面論及的疑難問題。尤其還要提供一種制造 方法，這種方法適合在使用已制成的帶狀導(dǎo)體、如尤其伸縮敏感的高Tc超 導(dǎo)體的情況下制造非平面的線圈繞組。涉及鞍形線圈繞組的技術(shù)問題通過權(quán)利要求1所述措施得以解決。據(jù) 此，所述鞍形線圈繞組應(yīng)由一種平面的賽車道型式的線圈形狀在管外表面 上變形制成，從而使它具有軸向延伸的縱側(cè)繞組段和在它們之間延伸的構(gòu)
成繞組端頭的端側(cè)繞組段，其中，線圈繞組的臣-用至少一個帶狀超導(dǎo)體構(gòu)成，該帶狀超導(dǎo)體以其窄側(cè)面朝管子外表面，-以及線圈繞組的匝在為鞍形時各有一個與在為平面的線圈形狀時的 周長相比實際上不變的周長，所以在這些臣內(nèi)所述至少一個帶狀導(dǎo)體，在 端側(cè)繞組段頂點區(qū)域內(nèi)，在管子外表面以其扁平側(cè)相對于外表面法線有一 個傾斜角地朝線圏繞組的繞組中心方向傾斜地布置，其中，處于內(nèi)部的臣 的傾斜角比處于外部的匝的傾斜角小。在這里，周長指的是超導(dǎo)體圍繞著繞組中心、例如繞組鐵心360°的一 個閉合循環(huán)的長度。在使用帶狀導(dǎo)體時，帶的兩個棱邊分別決定周長。在 平面繞組的情況下這兩個周長自然就是相等的。將鞍形線圈設(shè)計為，使這 兩個周長在三維成形的線圈的情況下，與平面線圈的以及還包括相互之間 的周長相比，長度的改變最多差值為0.4%(優(yōu)選地為0.3%或更好為0.2% )。 這一差值取決于具體的超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及它們在彎曲或伸長時超導(dǎo)特性的改 變。因此所述的差值也還有可能低于所列舉的值。在這種情況下，即使沿 整個周長看仍可以保證與平面線圏相比帶狀導(dǎo)體的局部伸長或壓縮應(yīng)變最 大量為0.4% (優(yōu)選地0.3%或更好為0.2%)。為了不降低在鞍形線圈內(nèi)帶 狀導(dǎo)體的載流能力這是必要的。與線圈繞組的這種設(shè)計相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點尤其在于，可以達(dá)到已制成的帶 狀導(dǎo)體的超導(dǎo)材料有效的磁場利用率，因為繞組直的部分處于一個在其中 使用相同數(shù)量的帶狀導(dǎo)體材料可以達(dá)到更大功率的區(qū)域內(nèi)。此外，可以實 現(xiàn)繞組緊湊的布局，從而可以達(dá)到構(gòu)成管外表面的區(qū)域有比較d、的直徑。按本發(fā)明的線圈繞組的特征尤其在于，它的至少 一個導(dǎo)體在端側(cè)的繞 組段區(qū)域內(nèi)，以其扁平側(cè)相對于外表面的法線朝線圈繞組的繞組中心方向 以特殊的方式傾斜布置。采用導(dǎo)體的這種設(shè)計，可以避免在繞組成形時導(dǎo) 致不允許的導(dǎo)體過度伸長。由從屬權(quán)利要求可知按照本發(fā)明的線圈繞組一些有利的擴(kuò)展設(shè)計。其 中所述線圈繞組的實施方式可以與從屬權(quán)利要求之一的特征或優(yōu)選地與源 自多項從屬權(quán)利要求的特征相組合。例如線圈繞組可特別有利地用任何伸縮敏感的帶狀超導(dǎo)體構(gòu)成。伸縮 敏感的帶狀超導(dǎo)體在本文中指的是任何預(yù)制的超導(dǎo)體，該超導(dǎo)體在其制成 后當(dāng)按已知的方法構(gòu)成鞍形線圈時要經(jīng)受伸長或彎曲，這將導(dǎo)致明顯惡化其超導(dǎo)特性，特別是其臨界電流密度Ic比未伸長狀態(tài)至少減小5%。尤其新 型氧化物陶資的高Tc超導(dǎo)體存在相應(yīng)的危險。因此所述的線圈繞組優(yōu)選地 可以具有至少一個用BPSCCO或YBCO材料構(gòu)成的高Tc超導(dǎo)體。與之不同地，所述至少一個帶狀超導(dǎo)體可以用MgB2超導(dǎo)材料構(gòu)成。有利地，至少一個帶狀超導(dǎo)體為了構(gòu)成線圈繞組可以具有一個外觀尺 寸之比(寬度w/厚度d)至少為3，優(yōu)選地至少為5。現(xiàn)在正是可以用這種 超導(dǎo)體制造有鮮明鞍形的線圏繞組，而無需擔(dān)憂破壞其超導(dǎo)特性。由管狀外表面可以構(gòu)成一根有圓形或橢圓形橫截面的管，尤其一個圓 柱體外表面(實際的或虛擬的)。在這里，管外表面可以由一個支承繞組的管狀體構(gòu)成。與之不同地， 線圏繞組也可以設(shè)計為自支承的。因此在后一種情況下管外表面僅涉及一 個虛擬的〗艮想面。必要時也可以由管狀外表面構(gòu)成一根有彎曲軸線(實際的或虛擬的) 的管，不需要導(dǎo)體作不允許的過度伸長。這就是說，按本發(fā)明的措施并不 限于有直的側(cè)繞組段的鞍形線圈繞組。為了避免超導(dǎo)體不允許的伸長/彎曲，有利地規(guī)定在為鞍形時各自的周 長與在為平面的線圈形狀時的周長最多相差0.4% ，優(yōu)選地最多相差0.3% 。 低于此值無需擔(dān)憂導(dǎo)體的超導(dǎo)特性方面會發(fā)生退化。通常，線圈繞組有一個至少等于管徑10%的徑向高度，為的是具有鮮 明的鞍形。優(yōu)選地，徑向高度至少等于管徑的30%。優(yōu)選地，線圈繞組可以裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)或在加速器磁體如門形加速器 磁體內(nèi)，或構(gòu)成所述設(shè)備的一部分。也就是說，正是這些設(shè)備要求有鮮明 鞍形的繞組。涉及制造線圈繞組的方法的技術(shù)問題通過由權(quán)利要求15得知的措施得 以解決。據(jù)此應(yīng)采取下列方法步驟，亦即-由至少 一個預(yù)制的帶狀超導(dǎo)體構(gòu)成平面的線圈形狀， -在彎曲設(shè)備的管狀外表面上借助壓制變形為鞍狀， -按鞍形固定所述線圈繞組的匝。所說明的有巻繞扁平線圈繞組并接著變形為鞍形線圈繞組特征的制造 方法其優(yōu)點是，可以以簡單的方式實施平面巻繞技術(shù)。相應(yīng)的巻繞才幾只需 要一根旋轉(zhuǎn)軸。相比之下，在直接制造彎曲的鞍形線圏繞組時則可能需要 有至少兩根旋轉(zhuǎn)軸的更加昂貴的巻繞機(jī)。因此所述的方法可以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)地 制造繞組。有利地，所述制造相應(yīng)的線圈繞組的方法附加地還可以-沒計如下例如在構(gòu)成平面的線圈形狀時在端側(cè)繞組段區(qū):^或內(nèi)可以將相鄰匝之間 的距離規(guī)定為，在變形時和變形后總是達(dá)到各匝實際上周長不變。此外，為了構(gòu)成平面的線圈形狀可以安置一些間隔保持件以使相鄰的 匝隔隔開，這些間隔保持件在變形步驟前再被拆除。通過在構(gòu)成平面的線 圈形狀時使用一些一些間隔保持件，可以調(diào)整各匝的周長，使它們在變形 為鞍形時的變化不超過上面說明的極限值。為了固定，對所述匝相宜地進(jìn)行澆注或粘結(jié)。


下面借助附圖更進(jìn)一 步說明本發(fā)明，附圖表示按本發(fā)明的線圈繞組或用于制造它的設(shè)備優(yōu)選的實施方式。附圖分別以示意圖示出，其中圖1表示作為按本發(fā)明的鞍形線圈繞組原始形狀的賽車道式線圏繞組 斜視圖；圖2表示一種有兩個鞍形線圈繞組的布局結(jié)構(gòu)其最終形狀的斜視圖； 圖3和圖4表示按照本發(fā)明的鞍形線圈繞組第一種實施方式橫截面圖 或縱向視圖；圖5和圖6表示這種線圈繞組另一種實施方式與圖3和4相應(yīng)的視圖； 圖7表示圖4所示鞍形線圈繞組的繞組端頭放大圖； 圖8表示按照圖7的繞組端頭處導(dǎo)體偏傾角與極角的關(guān)系圖；以及 圖9和圖IO表示用于制造按照本發(fā)明的鞍形線圈繞組的彎曲設(shè)備俯視 圖或橫截面圖。附圖中相應(yīng)的構(gòu)件采用相同的附圖標(biāo)記。
具體實施方式
按本發(fā)明，在制造鞍形線圈繞組時應(yīng)從一個賽車道類型的平面或扁平 的線圈形狀出發(fā)。相應(yīng)的線圈形狀是眾所周知的(參見例如DE 19943783A1);圖l表示一種實施例。在那里用附圖標(biāo)記2'表示的線圈繞組
具有相對置的縱側(cè)繞組段2a'和2d'以及在它們之間延伸的端側(cè)的彎曲的繞 組段2b'和2c'。繞組2'應(yīng)當(dāng)用一個或多個帶狀超導(dǎo)體制成。為了構(gòu)成線圈 繞組，豎立各自的帶狀導(dǎo)體，也就是說，用其窄側(cè)面朝繞組平面圍繞著巻 繞中心或繞組中心Z，例如圍繞一個中央繞組鐵心巻繞。在任意一匝內(nèi)，導(dǎo) 體的一個周長應(yīng)圍繞中心Z巻一次繞360°，或通過兩個縱側(cè)繞組段2a'和 2d'以及端側(cè)繞組段2b'和2c'各一次，在圖中通過一條用U表示的虛線示出。 在使用帶狀導(dǎo)體時，帶的兩個棱邊分別決定一個周長Ul或U2。在平面繞 組的情況下，這兩個周長自然就是相等的。下面為了簡化只說周長U,但在此始終指的是棱邊的周長Ul和U2。 作為導(dǎo)體材料原則上考慮所有超導(dǎo)材料，尤其是那些伸縮敏感的超導(dǎo) 材料。例如所述至少一個帶狀超導(dǎo)體可以用MgB2超導(dǎo)材料構(gòu)成。對于優(yōu)選 的實施例選擇已知的HTS材料之一。因此繞組2'用一個或多個帶狀HTS導(dǎo) 體構(gòu)成，尤其(BiPb ) 2Sr2Ca2CuOx型(簡稱BPSCCO )或YBa2Cii30x型(簡 稱YBCO)。在這里HTS導(dǎo)體具有寬度w,它典型地大于3mm以及大多在 3mm與5mm之間。其厚度d在這里比寬度w小許多以及典型地小于0.5mm。 優(yōu)選地，使用具有外觀尺寸之比(寬度w/厚度d)至少為3、優(yōu)選地至少為 5的HTS導(dǎo)體?，F(xiàn)在按照本發(fā)明的線圈繞組從平的線圈形狀出發(fā)設(shè)計為，使這兩個周 長Ul和U2在三維線圏的情況下，與平面線圈的以及還包括相互之間的周 長相比，長度的改變最多有差值0.4% ,優(yōu)選地0.3%或更好為0.2%。這一 差值取決于具體的超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及它們在彎曲或伸長時超導(dǎo)特性的改變。 因此所述的差值也還有可能低于所列舉的值。在這種情況下，即使沿整個 周長看仍可以保證與平面線圈相比帶狀導(dǎo)體的局部伸長或壓縮應(yīng)變最大量 為0.4%,優(yōu)選地0.3%或更好為0.2%。因為按本發(fā)明在各匝內(nèi)導(dǎo)體的周長 U對于要由平面賽車道式線圈繞組成形的鞍形線圈繞組而言實際上應(yīng)保持 不變，這意味著是對賽車道式線圈繞組各周長U的一項具體的規(guī)定。也就 是說，按本發(fā)明的線圈繞組，在各匝內(nèi)為一個或多個導(dǎo)體具體要選擇的周 長，由在鞍形時各匝相應(yīng)的長度預(yù)先給定，并與之相關(guān)地確定在平的賽車 道式線圈形狀時各匝的周長。其結(jié)果是，在賽車道式線圈形狀時，導(dǎo)體匝 在端側(cè)繞組段2b'和2c'區(qū)域內(nèi)必須比較松弛地彼此并列，亦即不允許互相 剛性地連接。
按圖2所示包括兩個鞍形線圏2和3的布局結(jié)構(gòu)，是以例如可考慮用 于高能物理加速器設(shè)備中射束導(dǎo)向磁體的偶極磁體已知的實施方式為基 礎(chǔ)。相應(yīng)的布局結(jié)構(gòu)也有利地用于電機(jī)的轉(zhuǎn)子。在這里，各鞍形線圈繞組 處于例如通過空心圓筒4構(gòu)成的圓柱體外表面Mf上。如果可以取消作為線 圏繞組支架的這種空心圓筒，則外表面Mf可看作只是"假想的外表面"。 在這里每個線圈繞組2和3具有沿空心圓筒軸線A的方向延伸的直的繞組 段2a、 2d (不能看到)或3a、 3d (不能看到)以及在對置的端側(cè)構(gòu)成繞組 端頭的彎曲的繞組段2b、 2c或3b、 3c。下面以這些鞍形線圈繞組實施方式可以從圖3至圖7看到的尺寸為基 礎(chǔ)進(jìn)行說明。按圖3和圖4,例如選出的線圏繞組3包含軸向長度G的直的 線圈段3a和在端側(cè)繞組4殳3b和3c內(nèi)軸向長度分別為L的三維彎曲的繞組 端頭。在這里線圏繞組處于直徑D的圓柱體外表面Mf上。按成對的圖3、 4和圖5、 6的實施方式，它們的差別主要在于鞍形線圏繞組3的高度h。 尺寸h在這里表示繞組端頭在構(gòu)成鞍形前和后從原始的賽車道式線圈繞組 平面或從縱側(cè)繞組段的平面出發(fā)抬起的最大值。此值通常應(yīng)至少等于具有 管外表面Mf的管子直徑D的10% ,以及可以例如至少是此尺寸的40% 。 按圖3和圖4的實施例h-l/2.D;也就是說，繞組將其最外匝W,置于中央， 亦即處于圓柱面的赤道上。相比之下，按圖5和圖6的圓柱體外表面Mf, 用附圖標(biāo)記13表示的鞍形線圈繞組的導(dǎo)體僅巻繞到這樣的程度，即，使它 的最外圈Wi處于圓柱體赤道面之上。因此在這里的徑向繞組高度h小于 D/2。優(yōu)選地，應(yīng)選擇至少10。/o管徑D的徑向高度h。在兩個成對的圖3、 4和圖5、 6的局部圖中用附圖標(biāo)記5表示了帶狀 HTS導(dǎo)體。用它以這樣的方式制造各自的鞍形線圈繞組，即，將其窄側(cè)5a 面朝圓柱體外表面Mf (尤其參見圖3和5)。由圖3至圖6還可以看出，各HTS導(dǎo)體在端側(cè)繞組段3b、 3c或繞組端 頭的頂點并不是準(zhǔn)確地垂直于圓柱體外表面Mf,而是相對于此表面的法線 N朝繞組中心Z向內(nèi)傾斜一個傾斜角(3。這是按照本發(fā)明設(shè)計線圈繞組帶來 的結(jié)果。為圖示的線圈幾何結(jié)構(gòu)配置一個直角坐標(biāo)系x-y-z,其中x軸在赤道面 內(nèi)，y軸與之垂直以及z軸沿圓柱體外表面的軸向定向(見圖3和4)。 下面對于一種相應(yīng)的線圈幾何結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)關(guān)系給予更詳細(xì)的說明
繞組端頭的形狀由帶狀導(dǎo)體的三維空間曲線決定，這是通過半橢圓(一般情況)或半圓(有兩根相同半軸的半橢圓的特殊情況)在直徑D的圓柱體表面上滾動得出的。半橢圓正是平面線圈的繞組端頭彎曲前的形狀。由 此保征遵照周長的規(guī)定。對于一個在直段內(nèi)與極(y軸方向)距離一個角度Q的導(dǎo)體，橢圓的第 一半軸為",=^ (公式l)2第二半軸應(yīng)為b=Lj (在半圓的特殊情況下適用a=b,亦即Li=0.Di/2 )。在一般情況下這可以用下式表達(dá)<formula>formula see original document page 11</formula> (公式2) 2式中系數(shù)e表示兩根半軸之比。這適用于處于圓柱體直徑D,上的導(dǎo)體 內(nèi)棱邊(下標(biāo)"i")。因此對于內(nèi)棱邊的導(dǎo)體長度近似等于<formula>formula see original document page 11</formula>(公式3)同一個帶狀導(dǎo)體的外棱邊(下標(biāo)"a")在直段處于圓柱體直徑 D。-D,+2w (公式4)<formula>formula see original document page 11</formula>相對應(yīng)。若第二半軸相同(ba=bi ),這將導(dǎo)致外棱邊與內(nèi)棱邊相比有更長的路程， 也就是說，帶狀導(dǎo)體將不允許地過度伸長。為了避免這種不允許的過度伸 長，帶狀導(dǎo)體在繞組端頭內(nèi)朝繞組中心z向內(nèi)的方向偏傾或傾斜一個角度[3。其結(jié)果是將第二半軸縮短為H、-w-sin/ (公式6)偏傾或傾斜角(3在這里調(diào)整為，使外棱邊相對于內(nèi)棱邊幾乎沒有受到拉伸。在忽略不計抗彎和抗扭剛度的情況下，為此算得的偏傾角為<formula>formula see original document page 11</formula>其結(jié)果是，在端側(cè)繞組端頭的偏傾或傾斜角(3從匝到匝改變，確切地
說，從匝的中心Z向外方向略有增加。由圖7可以看到這種實際情況，在此圖中可見表示在圖4中的繞組3端側(cè)繞組段或繞組端頭3b的局部。由于繪 圖的原因，所表示的導(dǎo)體匪Wj的數(shù)量(j^…4)與圖4中一樣限于數(shù)量"4", 其中最里面的導(dǎo)體匝用W,表示以及最外面的導(dǎo)體匝用\￥4表示。在這里， 在端側(cè)繞組段3b的頂點處，內(nèi)部導(dǎo)體匝W,的傾斜角P,小于外部導(dǎo)體匝W4的傾斜角卩4?，F(xiàn)在帶狀導(dǎo)體的偏傾這樣達(dá)到，即，導(dǎo)體在繞組端頭沿其縱軸線扭曲 (torodiert)。這種扭曲除彎曲外產(chǎn)生導(dǎo)體附加的機(jī)械負(fù)荷。已知的HTS帶狀導(dǎo)體的抗彎和抗扭剛度可借助修正系數(shù)k-0.5至1.5,優(yōu)選地k-0.5至1.0考慮。因此偏傾角可按下式計算<formula>formula see original document page 12</formula> (么式8 )圖8表示用公式8算得的偏傾角(3the。和在不同的鞍形線圈繞組上測得的偏傾角卩分別與極角G)的關(guān)系圖。其中實線1基于用修正系數(shù)1(=1的計算，虛線n基于用修正系數(shù)i〈=o.7的計算，以及點劃線m基于用修正系數(shù)k=0.5的計算。測量值用正方形的點畫表示。線圈繞組的幾何設(shè)計(圓柱直體徑D、匝的極角0、半軸比e)這樣進(jìn) 行，即，使得不超過導(dǎo)體特有的各種極限負(fù)荷 臨界曲率半徑Rc或彎曲應(yīng)變 ￡CR 臨界4i曲Oc:或4丑曲應(yīng)變￡C0。作為舉例，下列極限負(fù)荷應(yīng)適用于一種商用的BPSCCO導(dǎo)體 臨界彎曲負(fù)荷Rc-3cm或% 臨界扭曲負(fù)荷0c-25OO7m或扭曲應(yīng)變￡C0-O.2%。以 一種相應(yīng)的線圈幾何為基礎(chǔ)，本發(fā)明的鞍形線圈繞組有下列特征 繞組端頭的三維彎曲通過帶狀導(dǎo)體扁平棱邊(所謂"有利的"彎曲方向)的彎曲和導(dǎo)體沿導(dǎo)體軸線的扭曲達(dá)到。 局部產(chǎn)生的曲率半徑和扭曲處于臨界負(fù)荷極限之內(nèi)，從臨界負(fù)荷極限起對超導(dǎo)特性產(chǎn)生不可逆的損害。.在繞組端頭內(nèi)，線圈繞組的所有匝Wi處于某個最小高度h之上，由此獲得一個大的孔口。高度h取決于線圈繞組的巻繞度(見成對的圖3、 4與5、 6的差別)。
在繞組的直段內(nèi)，帶狀導(dǎo)體的扁平側(cè)相對于線圈繞組的圓柱形大體 處于沿徑向的位置。 在繞組端頭內(nèi)，帶狀導(dǎo)體向內(nèi)傾斜某個斜角|3 (見圖3至圖7)。對 于不同的匝所述的斜度是變化的。通過這種傾斜達(dá)到帶狀導(dǎo)體的"外棱邊" 與帶狀導(dǎo)體的"內(nèi)棱邊"相比沒有遭受不允許的伸長，不允許的伸長會導(dǎo) 致不可逆地?fù)p害超導(dǎo)特性。 各匝的HTS帶通過它們沿繞組端頭的軌跡，描繪了一種三維的空間 曲線。對于內(nèi)棱邊，通過半橢圓(一般情況)或半圓(特殊情況)在圓柱 體表面上滾動決定了所述的三維空間曲線。為了制造上述線圈繞組，可有利地采用下列包括各工藝步驟1至5的 方法1. 第一步，首先巻繞一個平面的賽車道式線圈繞組。此巻繞過程為"干 式"，亦即不添加澆注材料地實施。其中，在繞組端頭根據(jù)需要可在匝之間安置具有厚度A的間隔保持件(例如柔性膜)。間隔保持件的任務(wù)是相 宜地調(diào)整從一個匝到下一個匝導(dǎo)體長度的增加量。若內(nèi)部的第一匝處于半 徑R上，則在90?；【€時導(dǎo)體長度為L產(chǎn)兀'R。若現(xiàn)在在此第一匝上巻繞第 二匝并置入 一 個厚度D的間隔保持件，則這時第二匝的長度為 L產(chǎn)兀.(R+A+d)。因此這些匝之間的長度改變量L2-L,二兀.(A+d)。因此在給 定帶狀導(dǎo)體的厚度為d時，間隔保持件允許相宜地調(diào)整長度變化。2. 第二步，從巻繞機(jī)取出線圈繞組并置入彎曲i殳備中。由圖9和圖10 可見總體用附圖標(biāo)記7表示的彎曲設(shè)備。它具有一個包括極靴9的彎曲圓 柱體8，和用于成形線圏繞組2與彎曲圓柱體外表面Mf的形狀相配的壓制 件ll、 12，扁平的線圈繞組2'首先放在彎曲圓柱體8上。彎曲前先要從繞 組端頭取走間隔保持件。3. 第三步，現(xiàn)在將壓制工具下降到扁平的線圏繞組2'上。此壓制工具 現(xiàn)在使原先扁平的線團(tuán)繞組變形并利用彎曲力K將它壓靠在彎曲圓柱體的 表面上。由此獲得期望的鞍形的線圈幾何形狀。4. 第四步，現(xiàn)在必須將線圈繞組固定為其已彎曲的形狀。這例如可以 通過對線圈繞組的澆注實現(xiàn)。為了防止線圈繞組粘結(jié)在彎曲設(shè)備中，彎曲 設(shè)備的表面例如由不會與澆注材料連接的聚四氟乙烯組成。與之不同地， 線圈繞組的固定也可以通過恰當(dāng)形狀的輔助工具實現(xiàn)，該輔助工具例如夾
緊或粘接在線圈繞組上。由此例如可在晚些時候在彎曲設(shè)備之外實施澆注。5.最后，可以從彎曲設(shè)備中取出線圈繞組。對于用已知的BPSCCO帶狀導(dǎo)體材料按此方法從扁平的盤式線圈繞組 直至完成澆注并從彎曲設(shè)備中取出的鞍形線圈繞組而言，導(dǎo)體肯定不會受 到任何損害。按此方法也可以用涂層的YBCO導(dǎo)體同樣好地制造本發(fā)明的鞍形線圈 繞組。若需要大型線圈繞組，這種技術(shù)也允許使用組合的復(fù)合導(dǎo)體，尤其 勒貝兒導(dǎo)體類型。上述實施例的出發(fā)點是，按照本發(fā)明的鞍形線圈繞組處于 一 個縱向延 伸的空心圓筒、例如象電動機(jī)或發(fā)電機(jī)那樣的電機(jī)的轉(zhuǎn)子的也許只是假想 的外表面Mf上。它也可以涉及例如高能物理的磁體外表面。但是，所述按種相應(yīng)的形狀。例如， 一些與空心圓筒橫截面準(zhǔn)確的圓形不同的橫截面形 狀，如更多橢圓形的橫截面形狀，可以同樣好地實現(xiàn)不必導(dǎo)致超導(dǎo)體不允 許的過度伸長。具有外表面Mf的管子軸線A的直線延伸走向也并不要求強(qiáng) 制性地遵守。也就是說，還已知具有彎曲軸線的管子形狀，它們可以設(shè)置 鞍形線圈繞組以及按照本發(fā)明實施。因此在某些加速器磁體中，例如用于 治療癌癥的所謂"門形，，加速器的磁體，便使用彎曲的線圈繞組。在這種由此粒子射束可以在一個圓形軌道上運(yùn)行。也就是說，鋪設(shè)有鞍形線圈繞 組的管狀外表面的軸線A在必要時也可以彎曲。
權(quán)利要求
1.一種鞍形線圈繞組(2、3、13)，它由一種平面的賽車道型式的線圈形狀(2′)在管外表面(Mf)上變形構(gòu)成，從而使它具有軸向延伸的縱側(cè)繞組段(2a、2d；3a、3d)和在它們之間延伸的構(gòu)成繞組端頭的端側(cè)繞組段(2b、2c；3b、3c)，其中，線圈繞組的匝(Wi)-用至少一個帶狀超導(dǎo)體(5)構(gòu)成，該帶狀超導(dǎo)體將其窄側(cè)(5a)面朝管子外表面(Mf)，以及-所述匝為鞍形時各有一個周長，該周長與在為平面的線圈形狀(2′)時的周長相比實際上未改變，所以在這些匝(Wi)內(nèi)所述至少一個帶狀導(dǎo)體(5)，在端側(cè)繞組段(2b、2c；3b、3c)的頂點區(qū)域內(nèi)，在管子外表面(Mf)以其扁平側(cè)相對于外表面(Mf)法線(N)有一個傾斜角(β)地朝線圈繞組的繞組中心(Z)方向傾斜地布置，其中，處于內(nèi)部的匝(W1)的傾斜角(β1)比處于外部的匝(W4)的傾斜角小。
2. 按照權(quán)利要求1所述的線圈繞組，其特征在于用至少一個伸縮敏感 的帶狀超導(dǎo)體(5)構(gòu)成。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的線圈繞組，其特征為所述至少一個帶 狀超導(dǎo)體(5 )用高Tc超導(dǎo)材料構(gòu)成。
4. 按照權(quán)利要求3所述的線圈繞組，其特征為所述至少一個高Tc 超導(dǎo)體(5 )用BPSCCO或YBCO材料構(gòu)成。
5. 按照權(quán)利要求1或2所述的線圈繞組，其特征為所述至少一個帶 狀超導(dǎo)體(5)用MgB2超導(dǎo)材料構(gòu)成。
6. 按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的線圈繞組，其特征在于至少一 個有外觀尺寸之比(寬度w/厚度d)至少為3,優(yōu)選地至少為5的帶狀超導(dǎo) 體(5)。
7. 按照權(quán)利要求1至6中任一項所述的線圈繞組，其特征為，由管狀 外表面(Mf)構(gòu)成一根具有圓形或橢圓形橫截面的管。
8. 按照權(quán)利要求1至7中任一項所述的線圈繞組，其特征為，管外表 面(Mf)是圓柱體外表面。
9. 按照權(quán)利要求1至7中任一項所述的線圈繞組，其特征為，由管狀 外表面(Mf)構(gòu)成一根有彎曲軸線的管。
10. 按照權(quán)利要求1至9中任一項所述的線圈繞組，其特征為，管外表 面(Mf)由一個支承所述繞組的管狀體構(gòu)成。
11. 按照權(quán)利要求1至10中任一項所述的線圈繞組，其特征為，在鞍 形時各自的周長(U)與在平面的線圈形狀時的周長相差最多0.4%，優(yōu)選 地最多相差0.3%。
12. 按照權(quán)利要求1至11中任一項所述的線圈繞組，其特征在于一個 至少等于管徑(D)的10%的徑向高度(h)。
13. 按照權(quán)利要求12所述的線圈繞組，其特征在于一個至少等于管徑 (D)的30%的徑向高度(h)。
14. 按照權(quán)利要求1至13中任一項所述的線圈繞組，其特征在于布設(shè) 在旋轉(zhuǎn)機(jī)械或加速器磁體、如門形加速器磁體內(nèi)。
15. —種制造按照權(quán)利要求1至14中任一項所述線圈繞組的方法，其 特征在于下列步驟，亦即-由至少一個預(yù)制的帶狀超導(dǎo)體(5)構(gòu)成平面的線圏形狀(2'), -在彎曲設(shè)備(7)的管狀外表面(Mf)上借助壓制變形成鞍形， -按鞍形固定所述線圈繞組的匝(Wi)。
16. 按照權(quán)利要求15所述的方法，其特征為，在設(shè)計平面的線圈形狀 (2')時在端側(cè)繞組段(2b'、 2c')區(qū)域內(nèi)將相鄰匝之間的距離規(guī)定為，在變形時和變形后達(dá)到各匝(Wi)實際上周長(U)不變。
17. 按照權(quán)利要求16所述的方法，其特征為，為了構(gòu)成平面的線圈形 狀安置一些間隔保持件以使相鄰的匝(Wi)間隔開，這些間隔保持件在變 形步驟前再被拆除。
18. 按照權(quán)利要求15至17中任一項所述的方法，其特征為，為了固定, 對所述匝(Wi)進(jìn)行澆注或粘接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鞍形線圈繞組(3)，它由一種平面的賽車道型式的線圈形狀在管外表面(Mf)上變形制成，從而使它具有軸向延伸的縱側(cè)繞組段(3a)和在它們之間延伸的構(gòu)成繞組端頭的端側(cè)繞組段(3b、3c)。線圈繞組的各匝(Wi)應(yīng)當(dāng)用至少一個帶狀超導(dǎo)體(5)、尤其用高TC超導(dǎo)材料構(gòu)成，該帶狀超導(dǎo)體以其窄側(cè)(5a)面朝管子外表面(Mf)。為了在線圈成形時避免導(dǎo)體承受不允許的機(jī)械負(fù)荷，這些匝(Wi)在為鞍形時各有一個與在為平面的線圈形狀時的周長相比實際上保持不變的周長(U)。
文檔編號H01F6/06GK101164124SQ200680013608
公開日2008年4月16日 申請日期2006年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月20日
發(fā)明者諾伯特·普羅爾斯, 馬蒂諾·萊吉薩 申請人:西門子公司