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Die Erfindung betrifft eine supraleitende Spulenanordnung, bei der eine Vielzahl an Spulenwindungen aus einem HTS-Leitermaterial auf einem Spulenträger aufgebracht ist, wobei zur mechanischen Stabilisierung der Spulenanordnung zwischen den Spulenwindungen sowie zwischen dem Spulenträger und der diesen umgebenden Spulenwindung ein Vergussmaterial vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft weiter Verfahren zur Herstellung einer solchen Spulenanordnung.
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Supraleiter sind Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten einer sogenannten Sprungtemperatur auf Null fällt und die externen Magnetfelder aus ihrem Inneren verdrängen. Die Sprungtemperatur ist dabei materialabhängig. Supraleitende Spulen werden heutzutage auch aus keramischen Hochtemperatursupraleitern hergestellt. Als Hochtemperatursupraleiter (HTS) werden Materialen bezeichnet, deren Sprungtemperatur über der von klassischen Supraleitern liegt. Je höher die Sprungtemperatur ist, desto kostengünstiger kann eine Kühlung erfolgen. Beispielsweise weist Yttrium-Barium-Kupferoxid, das auch als YBCO bezeichnet wird, eine Sprungtemperatur von 93 K auf, so dass eine Kühlung mit Stickstoff möglich ist.
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In supraleitenden elektrischen Maschinen, bspw. HTS-Motoren oder HTS-Generatoren, und in Anwendungen mit supraleitenden Elektromagneten wurden die Spulenanordnungen in der Vergangenheit aus Bi-2223-Bandleitern gebildet. Die Spulenwindungen wurden dabei aus Gründen der mechanischen Festigkeit der Spulenanordnung mit Epoxydharz durch Nasswickeln vergossen bzw. verklebt. Erst durch die Verwendung von Epoxydharz als Vergussmaterial war der Einsatz von supraleitenden Spulenanordnungen bei solchen Anwendungen möglich, bei denen die Spulenanordnung hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Das Epoxydharz weist eine große Haftfestigkeit zu dem supraleitenden Material sowie einem Spulenträger der Spulenanordnung auf, um den die Spulenwindungen gewickelt sind. Hierdurch wird die mechanische Stabilität erhöht bzw. sicher gestellt.
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Da keramische Hochtemperatursupraleiter (HTS) der 2. Generation (2G-HTS) wie z. B. YBCO-Bandleiter im Vergleich zu Bandleitern der ersten Generation (Bi-2223) verbesserte elektrische Eigenschaften und geringere Herstellungskosten aufweisen, sollen in Zukunft Spulenanordnungen mit keramischen Supraleitern der 2. Generation hergestellt werden. Um auch mit diesen Supraleitern eine für die oben genannten Anwendungen ausreichende mechanische Festigkeit zu erzielen, wurden die Spulenwindungen ebenfalls mit Epoxydharz vergossen. Hierbei hat sich herausgestellt, dass das 2G-HTS-Leitermaterial stark degradiert und eine Schädigung der Spulenanordnung zur Folge hat. Die Degradation ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stromtragfähigkeit der supraleitenden Spulenanordnung drastisch reduziert ist.
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Aus der
DE 691 06 080 T2 ist eine supraleitende Spulenanordnung bekannt, bei der ein bandförmiger Hochtemperatur-supraleitender Draht, der mit einem Metall verbunden ist, auf einer zylindrischen Spule in die Form einer Doppelscheibenspule gewunden ist. Der bandförmige Draht kann mit einem isolierenden Material aus einer organischen Substanz, wie Tetrafluoroethylen, Polyimidharz oder Formalharz, bedeckt sein. Die Supraleiterwicklung kann mit einem Epoxyharz imprägniert sein.
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Aus der
US 2008/0 180 202 A1 ist es bekannt, eine spiral- oder schneckenförmige Umhüllung aus Polymer, Papier oder einer Metallfolie um einen Stack aus mehreren übereinander angeordneten HTS-Bändern zu wickeln.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine supraleitende Spulenanordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, welche die Verwendung von 2G-Hochtemperatursupraleitern auch in Anwendungen mit hohen mechanischen Belastungen erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine supraleitende Spulenanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Spulenanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die Erfindung schafft eine supraleitende Spulenanordnung, bei der eine Vielzahl an Spulenwindungen aus einem HTS-Leitermaterial auf einem Spulenträger aufgebracht ist und zur mechanischen Stabilisierung der Spulenanordnung zwischen den Spulenwindungen sowie zwischen dem Spulenträger und der diese umgebende Spulenwindung ein Vergussmaterial vorgesehen ist. Wenn in der vorliegenden Beschreibung von einem HTS-Leitermaterial die Rede ist, so ist hierunter ein Hochtemperatursupraleitendes Material zu verstehen.
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Das HTS-Leitermaterial besteht aus einem keramischen Hochtemperatursupraleiter, insbesondere einem 2G-HTS-Bandleiter aus Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO). Dabei ist das Vergussmaterial durch eine Trennschicht von dem HTS-Leitermaterial derart getrennt, dass das Vergussmaterial keinen Kontakt zu dem HTS-Leitermaterial aufweist.
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Durch die Trennschicht wird verhindert, dass das HTS-Leitermaterial unter Zugspannungen leidet, die vor allem aufgrund eines differentiellen thermischen Schrumpfes beim Abkühlen der Komponenten der Spulenanordnung entstehen. Dies resultiert daraus, dass der Spulenträger und die Spulenwindungen aus dem HTS-Leitermaterial unterschiedliche Eigenschaften beim thermischen Schrumpfen aufweisen. Bei Verwendung von Epoxydharz mit seinen hohen Bindungskräften zu den Komponenten der Spulenanordnung führt dies ohne Trennschicht zu hohen Zugspannungen. Diese können durch die Vermeidung eines direkten Kontaktes des Vergussmaterials zu dem HTS-Leitermaterials vermieden werden, wodurch auch die Schädigung des HTS-Leitermaterials verhindert wird. Die Trennschicht ermöglicht auch bei 2G-Hochtemperatursupraleitern die Verwendung von Vergussmaterialien mit hohen Haftkräften, wie beispielsweise Epoxydharz.
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Erfindungsgemäß ist die Trennschicht durch ein um das HTS-Leitermaterial gewickeltes, für das Vergussmaterial undurchlässiges Band gebildet. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Fertigung.
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Erfindungsgemäß ist die Trennschicht aus einem Material gebildet, welches bei einer fertig gestellten Spulenanordnung eine Relativbewegung der Trennschicht und des HTS-Leitermaterials gewährleistet. Hierdurch können schädliche Zugspannungen auf die Spulenwindungen beim thermischen Schrumpfen vermieden werden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist die Trennschicht elektrisch isolierende Eigenschaften auf. Elektrisch isolierende Eigenschaften der Trennschicht sind beispielsweise dann zweckmäßig, wenn die Spulenanordnung aus unisoliertem HTS-Leitermaterial gebildet ist. Kurzschlüsse zwischen benachbarten Spulenwindungen können hierdurch vermieden werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Trennschicht aus Teflon® oder aus Kapton® gebildet. Beide Materialien weisen eine geringe Reibung zu den aus 2G-HTS-Leitermaterial gebildeten Spulenwindungen auf und weisen darüber hinaus elektrisch isolierende Eigenschaften auf.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umläuft das Band die aus dem HTS-Leitermaterial gebildeten Spulenwindungen schneckenförmig, wobei das Band pro Windung mit einer vorgegebenen Wickelsteigung um das HTS-Leitermaterial gewickelt ist, wodurch das Band um eine bestimmte Breite je Windung versetzt ist. Die Wicklung des Bandes ist somit derart, dass nebeneinander liegende Abschnitte des Bandes leicht überlappen. Hierdurch ist eine vollständige „Kapselung” des HTS-Leitermaterials und damit eine zuverlässige Trennung des Vergussmaterials von dem HTS-Leitermaterial sicher gestellt. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Wickelsteigung so gewählt ist, dass die Breite in etwa 50% der Breite des Bandes beträgt. Dies stellt eine doppelte Lage des Bands sicher, mit dem das HTS-Leitermaterial umwickelt ist.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Band um eine Spulenwindung, bestehend aus mindestens einem oder auch aus mehreren parallel gewickelten Einzelbandleitern aus HTS-Leitermaterial, gewickelt. Wenn gleichzeitig mehrere der HTS-Einzelbandleiter umwickelt werden, wird bei sicherer Trennung des Vergussmaterials von dem HTS-Leitermaterial weniger Bandmaterial für die Trennschicht benötigt.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Band auf der von dem HTS-Leitermaterial abgewandten Seite mit dem Vergussmaterial versehen. Hierdurch kann auf ein nachträgliches Vergießen der trocken gewickelten HTS-Spule verzichtet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Spulenwindungen der Spulenanordnung nach Art einer Spirale über den Spulenträger gewickelt. Dies bedeutet, die Spulenwicklungen weisen keinen axialen Versatz auf. Derartige Spulen werden zum Teil auch als Pancake-Spulen oder Rennbahn-Spulen bzw. Racetrack-Spulen bezeichnet.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst das Vergussmaterial Epoxydharz, das vorteilhaft hohe Bindekräfte zu den angrenzenden Trennschichten sicherstellt. Damit ist der Einsatz der Spulenanordnung z. B. auch in rotierenden Maschinen zuverlässig möglich.
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Das Herstellungsverfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Spulenanordnung umfasst die Schritte:
- a) Bereitstellen eines 2G-HTS-Leitermaterials aus einem keramischen Hochtemperatursupraleiter, insbesondere Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO), in Bandform;
- b) Bereitstellen eines Bandes, das für ein in der Spulenanordnung zu verwendendes Vergussmaterial undurchlässig ist;
- c) Umwickeln des HTS-Leitermaterials mit dem Band, so dass das HTS-Leitermaterial hermetisch von dem Band umschlossen ist;
- d) Aufbringen des Vergussmaterials auf zumindest eine Seite des mit dem Band umwickelten HTS-Leitermaterials und Wickeln zu einer HTS-Spule;
- e) Aushärten der HTS-Spule zu der Spulenanordnung, in der die Spulenwicklungen durch das Vergussmaterial fixiert sind.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird in Schritt c) das Band schneckenförmig um das HTS-Leitermaterial gewickelt, indem das Band pro Windung mit einer vorgegebenen Wickelsteigung um das HTS-Leitermaterial gewickelt wird, wodurch das Band um eine bestimmte Breite je Windung versetzt ist. Vorzugsweise wird die Wickelsteigung so gewählt, dass die Breite in etwa 50% der Breite des Bandes beträgt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung erfolgt das Aufbringen des Vergussmaterials durch Beträufeln oder Benetzen. In einer alternativen Ausgestaltung erfolgt das Aufbringen des Vergussmaterials nach dem Wickeln zu der HTS-Spule. Die Spulenanordnung kann somit wahlweise im Nass- oder im Trockenwickelverfahren hergestellt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen supraleitenden Spulenanordnung in einer Querschnittsdarstellung,
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2 ein HTS-Leitermaterial, welches vor dem Wickeln zu einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung mit einem für Vergussmaterial undurchlässigen Band teilweise umwickelt ist, und
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen supraleitenden Spulenanordnung in einer Querschnittsdarstellung.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen supraleitenden Spulenanordnung 10 in einer Querschnittsdarstellung. Die Spulenanordnung 10 umfasst einen Spulenträger 15. Um eine Symmetrieachse 5 des Spulenträgers 15 herum ist eine, Spulenwindungen 11 umfassende, HTS-Spule angeordnet. Die Spulenwindungen 11 der HTS-Spule sind nach Art einer Spirale ohne axialen Versatz über den Spulenträger 15 gewickelt. Die Spulenwindungen 11 der HTS-Spule bestehen aus einem HTS-Leitermaterial, wobei vorzugsweise ein 2G-Bandleitermaterial, wie z. B. Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) verwendet wird. HTS steht für Hochtemperatursupraleiter.
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Um die Spulenanordnung auch in Anwendungen mit hohen mechanischen Belastungen, wie z. B. rotierenden Maschinen, einsetzen zu können, sind die Spulenwindungen 11 der HTS-Spule mit einem Vergussmaterial 20 vergossen. Um Vergussmaterialien mit hoher Zugfestigkeit und/oder Haftkraft, wie z. B. Epoxydharz, einsetzen zu können, ist das Vergussmaterial 20 durch eine Trennschicht 30 von dem HTS-Leitermaterial der Spulenwindungen 11 derart getrennt, dass das Vergussmaterial 20 keinen Kontakt zu dem HTS-Material 12 aufweist. Die Trennschicht 30 verhindert auf das HTS-Leitermaterial einwirkende Zugspannungen, welche zu dessen Degradation führen könnten.
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Die Trennschicht 30 wird durch ein um das HTS-Leitermaterial 12 gewickeltes und für das Vergussmaterial 20 undurchlässiges Band 35 gebildet. Das Band 35 besteht vorzugsweise aus Teflon® oder Kapton®, wodurch bei einer fertig gestellten Spulenanordnung eine Relativbewegung der durch das Band 35 gebildeten Schicht und des HTS-Leitermaterials der Spulenwindungen 11 gewährleistet ist. Darüber hinaus weist das aus Teflon® oder Kapton® gebildete Band 35 elektrisch isolierende Eigenschaften auf, wodurch sichergestellt ist, dass kein Kurzschluss zwischen benachbarten Spulenwindungen 11 entstehen kann.
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Wie insbesondere aus 2 besonders gut hervorgeht, umläuft das Band 35 das in 2 gestreckt dargestellte HTS-Leitermaterial schneckenförmig, wobei das Band 35 pro Windung mit einer vorgegebenen Wickelsteigung um das HTS-Leitermaterial 12 gewickelt ist. Die Umwicklung des HTS-Leitermaterials mit dem Band 35 wird derart ausgeführt, dass die gesamte Leiteroberfläche vor dem Zutritt des Vergussmaterials geschützt wird. Dabei sollte sichergestellt sein, dass sich das HTS-Leitermaterial relativ zu dem umhüllenden Band 35 etwas bewegen kann, um differenziellen Schrumpf beim Abkühlen der mit Vergussmaterial versehenen HTS-Spule ausgleichen zu können, ohne dass dabei eine unzulässige Krafteinwirkung auf das HTS-Leitermaterial ausgeübt wird. Es versteht sich daher, dass kein selbstklebendes Band 35 verwendet werden sollte, um die Relativbewegung des Bandes zu dem HTS-Leitermaterial zu ermöglichen.
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Das Band 35 ist um eine bestimmte Breite je Windung versetzt. Vorzugsweise ist die Wickelsteigung so gewählt, dass die Breite in etwa 50% der Breite des Bandes beträgt. Dadurch wird erreicht, dass das HTS-Leitermaterial durch zwei Lagen aus Teflon oder Kapton überdeckt wird, wodurch ein guter Schutz gegen das Eindringen von Harz realisiert ist. Bei einer Breite des HTS-Leitermaterials 12 von beispielsweise 12 mm kann beispielsweise ein Band 35 mit 50 mm Breite zum Umwickeln eingesetzt werden. Die Wickelsteigung wird dann so gewählt, dass das Band 35 je Windung um das HTS-Leitermaterial um eine halbe Breite des Bandes versetzt wird, d. h. 25 mm.
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Das gemäß 2 vorbereitete Halbzeug kann dann zu der in 1 gezeigten Spulenanordnung 10 um den Spulenträger 15 gewickelt werden. Vor dem Wickelprozess kann das Vergussmaterial 20 auf zumindest eine Seite des mit dem Band 35 umwickelten HTS-Leitermaterials 12 aufgebracht werden. Das Aufbringen kann beispielsweise durch Beträufeln oder Benetzen erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Aufbringen des Vergussmaterials 20 auch erst nach dem Wickeln zu der in 1 gezeigten HTS-Spule erfolgen.
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In dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist ein einzelner HTS-Bandleiter mit dem Band 35 umwickelt. In dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Paket von sechs übereinanderliegenden, d. h. gestapelten, HTS-Bandleitern 12 gemeinsam von dem Band 35 umwickelt. Prinzipiell ist es auch möglich, mehrere parallel zu wickelnde HTS-Bandleiter einzeln zu umwickeln. Das Umwickeln einer Spulenwindung aus mindestens einem oder aus mehreren HTS-Bandleitern mit einem für das Vergussmaterial undurchlässigen Band zur Ausbildung einer Trennschicht kann wahlweise von Hand als auch maschinell durchgeführt werden.
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Nach dem Aushärten des Vergussmaterials 20 liegt eine mechanisch stabile und in rotierenden Maschinen einsetzbare Spulenanordnung aus einem keramischen 2G-HTS-Bandleiter vor.
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Durch das beschriebene Vorgehen, kann die mechanische Stabilisierung und Fixierung der HTS-Spule mittels Vergussmaterialien mit hoher Zugfestigkeit und/oder Haftkraft, wie z. B. Epoxydharz, durchgeführt werden. Das Vorgehen basiert dabei darauf, dass kein direkter Kontakt zwischen dem Vergussmaterial und der Oberfläche des HTS-Leitermaterials, aus dem die HTS-Spule gebildet ist, erfolgt.
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Hierdurch lassen sich folgende Vorteile erzielen:
Es wird verhindert, dass das HTS-Leitermaterial in direkten Kontakt mit dem Vergussmaterial kommt und dadurch degradiert.
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Ein differenzieller Schrumpf beim Abkühlen der HTS-Spule kann durch die gleitfähige Kontaktfläche zwischen dem HTS-Leitermaterial und dem Band, vorzugsweise aus Kapton® oder Teflon®, ausgeglichen werden. Da kein direkter fester Kontakt zwischen dem HTS-Leitermaterial und dem Vergussmaterial besteht, wird das HTS-Leitermaterial beim Abkühlen nicht durch das stärker schrumpfende Vergussmaterial beziehungsweise durch einen stärker schrumpfenden Wicklungsträger, der fest mit dem Vergussmaterial verklebt ist, verspannt und geschädigt.
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Die Ummantelung mittels Polyimid (z. B. Kapton®) oder PTFE (z. B. Teflon®) des HTS-Leitermaterials bietet eine gute elektrische Isolation. Hierdurch ist sichergestellt, dass kein Kurzschluss zwischen benachbarten Windungen entstehen kann.
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Die Ummantelung des HTS-Leitermaterials stellt auch eine seitliche Isolation der Flanken der HTS-Spulenwindungen sicher und isoliert diese elektrisch. Das zusätzliche seitliche Isolieren der Spulen, beispielsweise beim Stapeln mehrerer Spulenanordnungen längs der in den 1 und 3 dargestellten Symmetrieachse 5, kann hierdurch entfallen.
