[发明专利]超导导线及其用途与制造工艺

说明书

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

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场线圈和非超导电枢绕组(例如位于固定的定子 上)。当供给电压时，场线圈产生磁场(magnetic field)，其将该场线圈 和该电枢绕组耦合起来。耦合磁场的大小由穿过场线圈的电流量、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 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 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 磁场之下进行操作。

在SC场线圈中，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随着在场线圈上的位置而变化，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)。

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 及其它机器中，由通过更耐受磁场电气构件(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。

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圈。

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(wire segment)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(the ac loss is measured by the amount of ac loss versus the frequency and magnitude of applied 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。

在一个实施例中，形成超导场线圈的工艺(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 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流及场的频率及大小对应的 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。