Hilo superconductor y máquina eléctrica que utiliza dicho hilo.

Un componente eléctrico que comprende un hilo superconductor (10),

comprendiendo el hilo:

un primer segmento (12) de hilo unido a un segundo segmento (14) de hilo;

estando formado el primer segmento (12) de hilo de NbTi y estando formado el segundo segmento (14) de hilo de Nb3Sn, y comprendiendo los segmentos primero y segundo (12, 14) de hilo, además, un dopante seleccionado del grupo consistente en cobre, oro, plata, magnesio, cinc, plomo, cadmio, estaño, bismuto, galio, mercurio e indio o una combinación que comprenda al menos uno de los anteriores dopantes;

comprendiendo los segmentos primero y/o segundo (12, 14) de hilo una matriz metálica no superconductora (44) que rodea a un filamento superconductor (42) con una capa metálica dispuesta entre el filamento superconductor (42) y la matriz metálica;

difiriendo el primer segmento (12) de hilo y el segundo segmento (14) de hilo en al menos una propiedad seleccionada del grupo consistente en tolerancia a los campos magnéticos, tolerancia a la temperatura, pérdida de CA y tolerancia a la deformación; y

midiéndose la tolerancia a los campos magnéticos por la relación entre la corriente crítica Ic y el campo magnético H a una temperatura dada T inferior a Tc, midiéndose la tolerancia a la temperatura por la relación entre la corriente crítica Ic y la temperatura T en un campo magnético dado inferior a Hc, midiéndose la pérdida de CA por la cantidad de pérdida de CA en función de la frecuencia y la magnitud de las corrientes de CA y los campos aplicados, y midiéndose la tolerancia a la deformación por la degradación de la corriente crítica Ic con la deformación.

Hilo superconductor y máquina eléctrica que utiliza dicho hilo

La presente divulgación versa, en general, sobre un hilo superconductor, procedimientos de fabricación y usos del mismo en componentes electrónicos.

Las máquinas rotatorias normales superconductoras (SC) tales como motores y generadores eléctricos comprenden una bobina inductora superconductora y devanados no superconductores de inducido situados, por ejemplo, en un estátor estacionario. Cuando se le suministra una tensión, la bobina inductora genera un campo magnético que acopla la bobina inductora y los devanados del inducido. La magnitud del campo magnético de acoplamiento se determina por la cantidad de corriente que pasa a través de la bobina inductora y, en menor grado, por la corriente del inducido de reacción a la carga. El esfuerzo magnético dentro de la máquina se traduce en par, que da como resultado la rotación del rotor. Cuanto mayor sea el campo magnético, mayores serán el par por rotación para una circunferencia dada de los devanados del inducido y el área superficial del entrehierro. Aunque los devanados del inducido también pueden ser superconductores, habitualmente están formados de material no SC, tal como cobre.

En los hilos superconductores (SC) comerciales establecidos, tales como de NbTi o Nb3Sn, la capacidad de transporte de corriente es una función de la corriente crítica le, la corriente con la que el material tiene una transición de fase de una fase superconductora a una fase no superconductora. Ic es una función decreciente de la temperatura T y el campo magnético H. Estos hilos SC también difieren en precio y coste de fabricación; por ejemplo, el NbTi tiene un precio y un coste de fabricación menores, pero también una le menor que el Nb3Sn. Los superconductores también tienen una transición de la fase superconductora a la no superconductora a una temperatura de transición Te y con un campo crítico He, y se sigue que debe operarse con ellos por debajo de esta temperatura y de este campo.

En las bobinas SC de campo, como las usadas en motores y generadores eléctricos SC, el campo magnético H varía con la ubicación en la bobina inductora, siendo habitualmente mayor en las partes internas de la bobina, tal como en la superficie o diámetro internos de un solenoide. En el presente documento se denomina a la parte interna de la bobina inductora zona de campo intenso y a la parte externa de la bobina, tal como la superficie externa de un solenoide, se la denomina zona de campo débil. Un inconveniente de los materiales SC usados para fabricar bobinas inductoras es que algunos son más tolerantes del campo magnético que otros. Los materiales menos tolerantes también toleran una corriente menor, lo que se traduce en intensidades menores del campo magnético y en menos para por peso dado de material SC.

Se conocen, por los documentos EP 806 801 A2, US 6 531 233 B1, o IEEE Transactions on Magnetics, vol. 25, n° 2, pp. 1767-1770, componentes de hilo superconductor que comprende segmentos de hilo de NbTi y Nb3Sn unidos de una u otra forma.

Una necesidad permanente de los motores superconductores giratorios es la reducción del tamaño y el peso de las máquinas; es decir, aumentar la densidad de par para una circunferencia dada de la bobina inductora y los devanados del inducido. Los beneficios prácticos de la miniaturización mediante componentes eléctricos más tolerantes a los campos en estas y otras máquinas incluyen, entre otros menores costes de fabricación. Esta divulgación aborda la necesidad de componentes más tolerantes a los campos.

En el presente documento se dan a conocer hilos superconductores graduados funcionalmente para componentes eléctricos tales como, por ejemplo, bobinas inductora superconductoras para motores y generadores.

En una realización de la presente invención, un componente eléctrico comprende un hilo superconductor según la reivindicación 1.

En otra realización de la presente invención, una máquina comprende dicho componente eléctrico.

Otras características y ventajas serán o se volverán evidentes para un experto en la técnica tras el estudio de los dibujos y la descripción detallada siguientes.

En los dibujos, números de referencia semejantes designan partes correspondientes en las varias vistas, en las cuales:

la FIG. 1 es un esquema de un hilo superconductor graduado funcionalmente para un componente eléctrico;

la FIG. 2 es una sección transversal esquemática de un segmento ejemplar de hilo que comprende varios filamentos superconductores;

la FIG. 3 es una vista en sección transversal de una máquina ejemplar que tiene un árbol giratorio y un estátor;

la FIG. 4 es una vista en perspectiva de un estátor ejemplar que muestra una bobina Inductora en el estátor interno;

la FIG. 5 es una vista en planta de una realización ejemplar de un segmento de rotor para la máquina

mostrada en la FIG. 3;

la FIG. 6 es una vista en perspectiva del estátor montado de la FIG. 4; y

la FIG. 7 es un esquema de una bobina inductora superconductora que comprende un hilo superconductor

que tiene dos segmentos de hilo.

En el presente documento se dan a conocer hilos superconductores graduados funcionalmente para componentes eléctricos de equipos de potencia tales como motores y generadores y otras máquinas eléctricas. Los hilos superconductores comprenden n segmentos de hilo unidos por n-1 uniones, siendo n un entero mayor o igual que 2. La graduación funcional se refiere a segmentos adyacentes de hilo que tienen propiedades diferentes con respecto a al menos una de tolerancia a los campos magnéticos, tolerancia a la temperatura, pérdida de CA y tolerancia a la deformación. El hilo superconductor graduado funcionalmente (en el presente documento, "hilo superconductor") puede mejorar, por ejemplo, la capacidad del campo magnético de un componente eléctrico tal como una bobina inductora superconductora de un motor o un generador, permitiéndole operar con mayor corriente y generar mayor deformación magnética, y producir ventajosamente mayor par por rotación de una circunferencia dada de los devanados del inducido y por área superficial del entrehierro en comparación con una bobina inductora superconductora que comprenda un hilo no graduado funcionalmente.

En una realización, un componente eléctrico comprende un hilo superconductor, comprendiendo el hilo un primer segmento de hilo unido a un segundo segmento de hilo; difiriendo el primer segmento de hilo y el segundo segmento de hilo en al menos una propiedad seleccionada del grupo consistente en tolerancia a los campos magnéticos, tolerancia a la temperatura, pérdida de CA y tolerancia a la deformación, midiéndose la tolerancia a los campos magnéticos por la relación entre la corriente crítica le y el campo magnético H a una temperatura dada T Inferior a la temperatura crítica Te, midiéndose la tolerancia a la temperatura por la relación entre la corriente crítica le y la temperatura T en un campo magnético dado inferior al campo magnético crítico He, midiéndose la pérdida de CA por la cantidad de pérdida de CA en función de la frecuencia y la magnitud de las comentes de CA y los campos aplicados, y midiéndose la tolerancia a la deformación por la degradación de la corriente crítica le con la deformación.

En una realización, los segmentos primero y segundo de hilo están formados de diferentes composiciones superconductoras. En una realización, el hilo superconductor comprende al menos un segmento adicional de hilo unido al segundo segmento de hilo; difiriendo los segmentos adyacentes de hilo en al menos una de las propiedades mencionadas anteriormente. En una realización, el componente eléctrico comprende varias capas adyacentes o tramos del hilo superconductor. En una realización, el componente eléctrico es un cable o una bobina.

La FIG. 1 ¡lustra un hilo superconductor 10 en el que n es igual a 2, que comprende un primer segmento 12 de hilo, un segundo segmento 14 de hilo, y una unión 16 que enlaza el primer segmento 12 de hilo al segundo segmento 14 de hilo. El hilo superconductor puede comprender un número cualquiera de segmentos de hilo, con la condición de que los segmentos adyacentes de hilo difieran en al menos una de tolerancia a los campos magnéticos, tolerancia a la temperatura, pérdida de CA y tolerancia a la deformación, y el rendimiento del hilo superconductor no se ve adversamente afectado por los segmentos de hilo adicionales. Los segmentos adyacentes pueden tener diferentes composiciones superconductoras, o comprender diferentes morfologías de la misma composición que expresen diferente comportamiento de lc(H).

La FIG. 2 es un esquema que representa una... [Seguir leyendo]

1. Un componente eléctrico que comprende un hilo superconductor (10), comprendiendo el hilo:

un primer segmento (12) de hilo unido a un segundo segmento (14) de hilo;

estando formado el primer segmento (12) de hilo de NbTi y estando formado el segundo segmento (14) de hilo de Nb3Sn, y comprendiendo los segmentos primero y segundo (12, 14) de hilo, además, un dopante seleccionado del grupo consistente en cobre, oro, plata, magnesio, cinc, plomo, cadmio, estaño, bismuto, galio, mercurio e indio o una combinación que comprenda al menos uno de los anteriores dopantes; comprendiendo los segmentos primero y/o segundo (12, 14) de hilo una matriz metálica no superconductora (44) que rodea a un filamento superconductor (42) con una capa metálica dispuesta entre el filamento superconductor (42) y la matriz metálica;

difiriendo el primer segmento (12) de hilo y el segundo segmento (14) de hilo en al menos una propiedad seleccionada del grupo consistente en tolerancia a los campos magnéticos, tolerancia a la temperatura, pérdida de CA y tolerancia a la deformación; y

midiéndose la tolerancia a los campos magnéticos por la relación entre la corriente crítica le y el campo magnético H a una temperatura dada T inferior a Te, midiéndose la tolerancia a la temperatura por la relación entre la corriente crítica le y la temperatura T en un campo magnético dado inferior a He, midiéndose la pérdida de CA por la cantidad de pérdida de CA en función de la frecuencia y la magnitud de las corrientes de CA y los campos aplicados, y midiéndose la tolerancia a la deformación por la degradación de la corriente crítica le con la deformación.

2. El componente eléctrico de la reivindicación 1 que, además, comprende varias capas adyacentes o tramos del hilo superconductor (10).

3. El componente eléctrico de cualquier reivindicación precedente, siendo el componente eléctrico un cable o una bobina.

4. El componente eléctrico de cualquier reivindicación precedente, en el que el hilo superconductor (10) comprende, además, al menos un segmento adicional de hilo unido al segundo segmento (14) de hilo; difiriendo el al menos un segmento adicional de hilo y el segundo segmento (14) de hilo en al menos una propiedad seleccionada del grupo consistente en tolerancia a los campos magnéticos, tolerancia a la temperatura, pérdida de CA y tolerancia a la deformación.

5. El componente eléctrico de cualquier reivindicación precedente, en el que los segmentos primero y/o segundo (12, 14) de hilo comprenden más de un filamento que comprende una composición superconductora.

6. El componente eléctrico de cualquier reivindicación precedente, en el que la matriz metálica no superconductora (44) es cobre o una aleación de cobre.

7. Una máquina (100) que comprende un componente eléctrico que comprende un hilo superconductor (10) según se define en cualquier reivindicación precedente.

8. La máquina (100) de la reivindicación 7 que, además, comprende un conjunto rotor (110) que comprende un árbol giratorio (120) y un conjunto (150) de estátores estacionarios que comprende unos estátores interno (162) y externo (164) concéntricos y varios devanados (166) del inducido, proporcionando el componente eléctrico (40) una bobina (170) inductora superconductora.

9. La máquina (100) de la reivindicación 7 u 8, siendo la máquina (100) un generador, un motor o un componente de un conjunto de turbina eólica.