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Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einer Spulenwicklung aus wenigstens zwei supraleitenden Bandleitern und Kontakten zur Verbindung der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis.
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Auf dem Gebiet der supraleitenden Maschinen und der supraleitenden Magnetspulen sind Spuleneinrichtungen bekannt, bei denen supraleitende Drähte oder Bandleiter in Spulenwicklungen gewickelt werden. Für klassische Niedertemperatursupraleiter wie NbTi und Nb3Sn werden üblicherweise Leiter in Drahtform verwendet. Die Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-Tc-Supraleiter (HTS) sind dagegen supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen oberhalb von 77 K. Diese HTS-Leiter liegen typischerweise in Form von flachen Bandleitern vor, die ein bandförmiges Substratband und eine auf dem Substratband angeordnete Supraleitungsschicht aufweisen. Zusätzlich weisen die Bandleiter oft noch weitere Schichten wie Stabilisierungsschichten, Kontaktschichten, Pufferschichten und in manchen Fällen auch Isolationsschichten auf. Die wichtigste Materialklasse der sogenannten HTS-Leiter zweiter Generation (2G-HTS) sind Verbindungen des Typs REBa2Cu3Ox, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.
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Das Substratband besteht typischerweise entweder aus Stahl oder aus der Legierung Hastelloy. Der elektrische Kontakt zu einem äußeren Stromkreis wird meist über eine Kontaktschicht aus Kupfer hergestellt, wobei diese Kontaktschicht entweder einseitig über der Supraleitungsschicht aufgebracht wird oder als umhüllende Schicht den gesamten Bandleiter umgeben kann. In beiden Ausprägungen ist es günstiger, den Kontakt auf der Oberseite herzustellen, also auf der Seite des Substratbandes, die die supraleitende Schicht trägt. Bei einer Kontaktierung auf der Rückseite, also auf der der supraleitenden Schicht abgewandten Seite des Substrates, treten höhere Kontaktwiderstände auf, was zu größeren elektrischen Verlusten und einem erhöhten Bedarf an Kühlung in diesen Bereichen führt.
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Bei einer supraleitenden Spulenwicklung, bei der mehrere Lagen eines Bandleiters in mehreren Windungen übereinander zu liegen kommen, ist es oft schwierig, beide Enden der Spulenwicklung auf der Oberseite zu kontaktieren. Bei standardmäßig verwendeten Wicklungstechniken zur Herstellung von Scheibenwicklungen wird üblicherweise entweder auf der Innenseite oder auf der Außenseite der Wicklung die Oberseite des Bandleiters innen zu liegen kommen. Um trotzdem einen niederohmigen Kontakt auf der Oberseite des Bandleiters zu schaffen, wird bei bekannten Spuleneinrichtungen ein speziell gestaltetes Kontaktstück verwendet, welches auf der Oberseite des Bandleiters in die Wicklung eingeschoben wird. Für eine solche Spuleneinrichtung ist jedoch ein aufwändiger Herstellungsprozess nötig, denn zur Gewährleistung der nötigen mechanischen Stabilität müssen an der Stelle dieses Kontaktstücks besondere Maßnahmen ergriffen werden. Wird ein Nasswickelprozess mit einem Epoxid-Klebemittel verwendet, dann muss zunächst ein Füllstück, beispielsweise aus Teflon eingesetzt werden, um die zu kontaktierende Stelle von Klebemittel frei zu halten. Nach Entfernen des Füllstücks kann zur Kontaktierung dieser Stelle beispielsweise eine Lötverbindung zu einem Kontaktstück aus Kupfer hergestellt werden. Da dieser Kontakt aber innerhalb der Wicklung liegt, muss zur Herstellung der nötigen mechanischen Stabilität der Kontaktbereich nachträglich mit Bandagen aus glasfaserverstärktem Kunststoff und Epoxid-Klebemittel fixiert werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine supraleitende Spuleneinrichtung anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Spuleneinrichtung gelöst. Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine Spulenwicklung mit einem ersten und einem zweiten Bandleiter, wobei jeder der beiden Bandleiter eine Kontaktseite mit einer Kontaktschicht aufweist. Weiterhin umfasst die Spuleneinrichtung wenigstens ersten Kontakt zwischen dem ersten Bandleiter und einem ersten Kontaktstück und einen zweiten Kontakt zwischen dem zweiten Bandleiter und einem zweiten Kontaktstück zur Verbindung der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis. Innerhalb der Spulenwicklung sind der erste Bandleiter und der zweite Bandleiter über einen dritten Kontakt zwischen ihren Kontaktschichten elektrisch verbunden.
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Der erste und der zweite Bandleiter unterscheiden sich bezüglich der Orientierung der Kontaktseite zu einem Zentrum der Spulenwicklung. Mit Kontaktseite wird dabei die eingangs genannte Oberseite bezeichnet.
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Durch die Schaffung eines zusätzlichen dritten Kontaktes innerhalb der Wicklung wird bewirkt, dass der Bandleiter innerhalb der Wicklung gewendet wird. Dies führt dazu, dass bei einer einfachen Wicklung aus einer Vielzahl von flächig übereinander liegenden Windungen sowohl auf der Innenseite der Wicklung als auch auf der Außenseite der Wicklung die Seite des Bandleiters mit dem niederohmigeren Kontakt zur supraleitenden Schicht nach außen zu liegen kommt. Mit der Innenseite der Wicklung ist hierbei der Zentralbereich der Spirale bezeichnet, die die Spulenwicklung bildet. Die Schaffung des dritten Kontaktes zwischen der Kontaktschicht des ersten Bandleiters und der Kontaktschicht des zweiten Bandleiters ermöglicht die Herstellung einer besonders niederohmigen Verbindung zwischen der supraleitenden Schicht des ersten Bandleiters und der supraleitenden Schicht des zweiten Bandleiters über die jeweils zugehörigen Kontaktschichten.
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Üblicherweise wird die Schaffung von zusätzlichen Kontakten innerhalb von supraleitenden Wicklungen vermieden, da bei einer solchen zusätzlichen Kontaktstelle immer ein ohmscher Widerstand in die Wicklung eingefügt wird. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung beruht auf der Erkenntnis, dass ein solcher zusätzlicher ohmscher Kontakt innerhalb der Wicklung trotzdem vorteilhaft sein kann, wenn die Herstellung der äußeren Kontakte dadurch vereinfacht wird. Der insgesamt vorliegende Serienwiderstand kann unter Umständen sogar niedriger ausfallen als bei einer herkömmlichen Spulenwicklung, da die Kontakte zum äußeren Stromkreis auf einer größeren Fläche und damit niederohmiger ausgeführt werden können, wenn an den Enden keine Kontaktstücke in das Innere der Wicklung eingefügt werden müssen. Die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Spule ist auch höher, da der zusätzliche Kontakt im Inneren der Wicklung entweder direkt bei der Herstellung der Spule in einem Nasswickelprozess mit verklebt werden kann oder bei einem nachträglichen Verguss der Spule von Vergussmasse umschlossen werden kann. Die Verklebung oder der Verguss der zusätzlichen Kontaktstelle kann im gleichen Verfahrensschritt wie die Verklebung oder der Verguss der übrigen Windungen erfolgen, so dass zur Erreichung derselben mechanischen Stabilität weniger Verfahrensschritte benötigt werden als bei bekannten Spuleneinrichtungen mit einem Kontaktstück am äußeren Ende der Wicklung.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Demgemäß kann die Spuleneinrichtung zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
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Der erste Kontakt kann auf einer den Windungen des ersten Bandleiters abgewandten Seite des ersten Bandleiters angeordnet sein, und der zweite Kontakt kann auf einer den Windungen des zweiten Bandleiters abgewandten Seite des zweiten Bandleiters angeordnet.
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Der erste Kontakt kann zwischen dem ersten Kontaktstück und der Kontaktschicht auf der Kontaktseite des ersten Bandleiters ausgebildet sein, und der zweite Kontakt kann zwischen dem zweiten Kontaktstück und der Kontaktschicht auf der Kontaktseite des zweiten Bandleiters ausgebildet sein.
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Der erste Kontakt kann auf der Innenseite der Spulenwicklung und der zweite Kontakt kann auf der Außenseite der Spulenwicklung angeordnet sein. Mit dieser Ausgestaltung ist auf beiden Seiten der Wicklungsanordnung, also innen und außen, ein leichter Zugang zu den beiden Kontaktstellen zum äußeren Stromkreis möglich. Wie oben ist mit der Innenseite der Wicklungsanordnung der Zentralbereich der Spirale bezeichnet.
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Der dritte Kontakt zwischen dem ersten Bandleiter und dem zweiten Bandleiter kann über eine Lötverbindung ausgebildet sein. Vorteilhafte Lotmaterialien zur Herstellung eines niederohmigen Kontaktes sind indiumbasierte Lote.
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Der Kontaktwiderstand des dritten Kontaktes kann vorteilhaft kleiner als 1 µOhm, besonders vorteilhaft kleiner als 100 nOhm sein.
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Der dritte Kontakt zwischen dem ersten und zweiten Bandleiter kann vorteilhaft über eine Länge von 1 cm bis 5 cm ausgebildet sein.
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Die Spuleneinrichtung kann eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Wicklungen umfassen. Eine solche Kühlung ist zweckmäßig, um eine Betriebstemperatur des Supraleiters unterhalb seiner Sprungtemperatur zu gewährleisten. Im Bereich des dritten Kontaktes kann die thermische Anbindung an die Kühleinrichtung stärker ausgeprägt sein als in den übrigen inneren Bereichen der Wicklung. Da im Bereich des dritten Kontaktes ein ohmscher Widerstand vorliegt, wird er an dieser Stelle eine Wärmeentwicklung verursachen. Um den supraleitenden Bandleiter auch in diesem Bereich bei seiner Betriebstemperatur zu halten, ist es vorteilhaft, an diesen Stellen eine stärkere thermische Anbindung an die Kühleinrichtung zu schaffen als in den übrigen inneren Bereichen der Wicklung. Auch in den Bereichen des ersten und des zweiten Kontaktes an den jeweiligen Enden der Wicklung ist eine stärkere thermische Anbindung als im inneren Bereich der Wicklung zweckmäßig.
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Die Spuleneinrichtung kann eine supraleitende Schicht umfassen. Die supraleitende Schicht kann einen Hochtemperatursupraleiter der zweiten Generation, insbesondere ReBa2Cu3Ox enthalten. Hierbei steht RE für ein Element der Seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente.
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Die Kontaktschicht kann Kupfer enthalten. Ebenso können das erste und das zweite Kontaktstück Kupfer enthalten.
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Der erste und der zweite Bandleiter können jeweils ein Substrat umfassen, das insbesondere Stahl und/oder die Legierung Hastelloy enthält.
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Der erste und der zweite Bandleiter können auch auf der der supraleitenden Schicht abgewandten Seite des Substrats jeweils eine Kontaktschicht umfassen und/oder auf allen Seiten von einer Kontaktschicht umhüllt sein. Auch wenn auf der der supraleitenden Schicht abgewandten Seite des Substrats eine Kontaktschicht vorliegt, ist es vorteilhaft, den Bandleiter auf der Seite der supraleitenden Schicht zu kontaktieren, da hierbei der ohmsche Widerstand geringer ausfällt, als wenn der Kontakt durch das Substratband hindurch oder um den Rand des Bandes herum realisiert werden muss.
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Die Spulenwicklung kann als Scheibenwicklung, insbesondere als Rennbahnspule, als Rechteckspule oder als kreisförmige Scheibenwicklung ausgebildet sein.
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Die Windungen der Spuleneinrichtung können mit Vergussmasse und/oder mit einem Klebemittel mechanisch fixiert werden. Dies ist besonders vorteilhaft für Anwendungen in Motoren und Generatoren, bei denen hohe Fliehkräfte auftreten, und für Anwendungen in Magnetspulen, bei denen hohe Lorentzkräfte auftreten. In beiden Fällen schützt der Verguss und/oder die Verklebung die Spulenwicklung vor mechanischen Belastungen.
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Vor allem bei der Verwendung von Hochtemperatursupraleitern mit empfindlichen keramischen Materialien ist der Schutz vor solchen mechanischen Belastungen zweckmäßig. Vorteilhafte Materialien für den Verguss oder die Verklebung der Spulenwicklung sind Epoxidmaterialien.
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Die Spulenwicklung kann eine gerade Anzahl an Bandleitern umfassen, die über eine ungerade Anzahl an Kontakten miteinander verbunden sind. Werden mehr als zwei Bandleiter über mehr als einen Kontakt miteinander verbunden, kann bei Vorliegen einer ungeraden Anzahl von Kontakten trotzdem ein Wenden des Bandleiters auf der Länge der Spulenwicklung bewirkt werden, was wiederum eine vereinfachte Kontaktierung an den Enden der Spulenwicklung ermöglicht.
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Die Spuleneinrichtung kann auch einen Stapel aus mehreren übereinanderliegenden Schichten umfassen, wobei jede Schicht des Stapels wenigstens zwei über wenigstens einen Kontakt miteinander verbundene Bandleiter umfasst. Vorteilhaft ist innerhalb jeder Schicht des Stapels die Anzahl der miteinander verbundenen Bandleiter gerade und die Anzahl der Kontaktstellen ungerade.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden Bandleiters zeigt,
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2 eine schematische Ansicht einer Spulenwicklung nach dem Stand der Technik zeigt,
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3 eine schematische Ansicht einer Spulenwicklung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt und
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4 eine schematische Ansicht einer Spulenwicklung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
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1 zeigt einen Querschnitt eines supraleitenden Bandleiters 1, in dem der Schichtaufbau schematisch dargestellt ist. Der Bandleiter umfasst in diesem Beispiel ein Substratband 2, das hier ein 100 µm dickes Substratband aus einer Nickel-Wolfram-Legierung ist. Alternativ sind auch Stahlbänder oder Bänder aus einer Legierung wie z.B. Hastelloy verwendbar. Über dem Substratband ist eine 0,5 µm dicke Pufferschicht 4 angeordnet, die hier die oxidischen Materialien CeO2 und Y2O3 enthält. Darüber folgt die eigentliche Supraleitungsschicht 6, hier eine 1 µm dicke Schicht aus YBa2Cu3Ox, die wiederum mit einer 50 µm dicken Kontaktschicht 8 aus Kupfer abgedeckt ist. Alternativ zu dem Material YBa2Cu3Ox können auch die entsprechenden Verbindungen REBa2Cu3Ox anderer seltener Erden RE verwendet werden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Substratbandes ist hier eine weitere 50 µm dicke Deckschicht 10 aus Kupfer angeordnet, gefolgt von einem Isolator 12, der in diesem Beispiel als 25 µm dickes Kaptonband ausgebildet ist. Der Isolator 12 kann aber auch aus anderen isolierenden Materialien wie beispielsweise anderen Kunststoffen aufgebaut sein. In dem gezeigten Beispiel ist die Breite des Isolators 12 etwas größer als die Breite der übrigen Schichten des Bandleiters 1, so dass bei einer Wicklung der Spuleneinrichtung übereinander zu liegen kommende Windungen zuverlässig gegeneinander isoliert sind. Alternativ zu dem gezeigten Beispiel ist es möglich, ein Isolatorband erst bei der Herstellung der Spulenwicklung als separates Band in die Spuleneinrichtung einzuwickeln. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere Bandleiter parallel gewickelt werden, die nicht gegeneinander isoliert werden müssen. Dann kann beispielsweise ein Stapel von 2 bis 10 übereinanderliegenden Bandleitern ohne eine Isolatorschicht zusammen mit einem zusätzlich eingelegten Isolatorband in gemeinsamen Windungen gewickelt werden.
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Eine Kontaktierung des Bandleiters 1 ist vorteilhaft über die Kontaktschicht 8 möglich. Die in 1 oben liegende Seite des Bandleiters 1 wird daher auch als Kontaktseite 13 bezeichnet.
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2 stellt eine stark schematische Ansicht einer Spulenwicklung 15 nach dem Stand der Technik dar. Hier ist ein Bandleiter 1 in zwei Windungen W1 und W2 zu der Spulenwicklung 15 gewickelt. Die Zahl der Windungen ist hier nur beispielhaft zu verstehen. In typischen Anwendungen liegt die Zahl der Windungen üblicherweise zwischen 10 und 500. In der gezeigten Spulenwicklung ist der Bandleiter 1 so aufgewickelt, dass die Kontaktseite 13 innen liegt. Um die Spulenwicklung 15 mit einem äußeren Stromkreis zu verbinden, werden zwei Kontakte 17, 21 mit zwei Kontaktstücken 19 und 23 benötigt. Der erste Kontakt 17 liegt dabei auf der Außenseite der Spule, und der zweite Kontakt 21 liegt auf der Innenseite der Spule. Da die Kontaktseite 13 des Bandleiters 1 innen liegt, ist beim zweiten Kontakt eine einfache Kontaktierung in einem frei liegenden Bereich des Bandleiters möglich. Auf der Außenseite dagegen wird der erste Kontakt 17 dadurch hergestellt, dass das erste Kontaktstück 19 in die Spulenwicklung eingeschoben wird. Bei einer Verklebung der Spule während des Wickelprozesses muss dieser Bereich frei von Kleber gehalten werden. Nach Herstellung des ersten Kontaktes 17 muss zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität der Spule noch eine hier nicht gezeigte nachträgliche Verklebung und/oder Verstärkung erfolgen. Die Kontaktstücke 19, 23 sind typischerweise massive Kupferklötze, die einen hohen Querschnitt aufweisen, um die sehr hohen Betriebsströme für die supraleitende Spuleneinrichtung zur Verfügung zu stellen. Dadurch hat das in die Wicklung eingefügte erste Kontaktstück 19 einen hohen Platzbedarf, der meist wesentlich größer ist als in der schematischen Ansicht der 1 dargestellt.
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3 zeigt eine stark schematische Ansicht einer Spulenwicklung 25 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier sind wiederum nur zwei Windungen W1 und W2 gezeigt, die beispielhaft für eine wesentlich größere Zahl von Windungen, beispielsweise zwischen 10 und 500 Windungen stehen sollen. Die Spulenwicklung 25 ist wiederum über zwei Kontakte 17, 21 und Kontaktstücke 19, 23 mit einem äußeren Stromkreis verbindbar. Die Spulenwicklung 25 enthält einen ersten Bandleiter 31 und einen zweiten Bandleiter 32, die über einen dritten Kontakt 33 miteinander verbunden sind. Der dritte Kontakt 33 ist in diesem Beispiel über eine Lötverbindung zwischen den Kontaktseiten 13 der beiden Bandleiter realisiert, mit indiumbasiertem Lot als Lotmaterial. Die Verbindung erfolgt also zwischen den Kontaktschichten 8 der Bandleiter. Der Kontaktwiderstand des dritten Kontaktes ist kleiner als 100 nOhm. Der dritte Kontakt ist über eine Länge von 3 cm ausgebildet. Die Verbindung des ersten und des zweiten Bandleiters führt dazu, dass die Kontaktseite 13 sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite der Spulenwicklung frei zugänglich ist. Somit können die Kontakte 17 und 21 zur Verbindung mit einem äußeren Stromkreis auf einfache Weise geschaffen werden. Beide Kontakte 17 und 21 können beispielsweise durch Herstellen von Lotverbindungen zu den Kontaktstücken 19 und 23 geschaffen werden, ohne dass ein Kontaktstück in die Wicklung eingeführt werden muss. Zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität der Spuleneinrichtung kann die Spulenwicklung 25 entweder bei oder nach dem Wickeln der Spule mit einem Kleber oder einer Vergussmasse fixiert werden. Die Fixierung kann vor oder nach Herstellung der äußeren Kontakte 17 und 21 erfolgen. Bei einer Verklebung oder einem Verguss vor Herstellung der Kontakte müssen lediglich die frei zugänglichen Kontaktflächen für die Kontakte 17 und 21 von Klebemittel oder Vergussmittel frei gehalten werden.
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4 zeigt eine stark schematische Ansicht einer Spulenwicklung 35 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Spulenwicklung 35 ist ein Stapel 37 aus zwei Schichten von Bandleitern zu einer Spule gewickelt. Wieder sind beispielhaft nur zwei Windungen W1, W2 gezeigt, die stellvertretend für eine höhere Anzahl von Windungen stehen sollen. Ebenso stehen die zwei Schichten innerhalb des Stapels auch stellvertretend für eine höhere Anzahl von Schichten, beispielsweise 3 bis 10 Schichten. Jede der Schichten umfasst einen ersten Bandleiter 41, 42 und einen zweiten Bandleiter 43, 44, die innerhalb jeder Schicht über einen dritten Kontakt 38, 39 miteinander verbunden sind.
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Der dritte Kontakt ist wiederum als Lötverbindung auf den Kontaktseiten 13 der jeweiligen Bandleiter 41 bis 44 realisiert. Die Verbindung erfolgt also zwischen den Kontaktschichten 8 der Bandleiter. Durch die Verbindung der ersten 41, 42 und zweiten 43, 44 Bandleiter innerhalb jeder Schicht über die dritten Kontakte 38, 39 wird erreicht, dass sowohl auf der Innenseite als auch der Außenseite der Spulenwicklung für alle Bandleiter aus beiden Schichten die Kontaktseiten 13 frei zugänglich sind. So können die ersten Kontakte 17 mit den ersten Kontaktstücken 19 und die zweiten Kontakte 19 mit den zweiten Kontaktstücken 23 ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel ohne Einfügen von Kontaktstücken in die Wicklung hergestellt werden.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel umfassen die Bandleiter jeweils ein Substrat 2, eine Pufferschicht 4, eine Supraleitungsschicht 6, eine Kontaktschicht 8 und eine Deckschicht 10, ähnlich wie in 1 dargestellt. Bei Verwendung eines Stapels aus Bandleitern umfassen die einzelnen Bandleiter jedoch zweckmäßig keine eigene Isolationsschicht 12. Zur Isolation der Wicklungen untereinander wird stattdessen bei der Herstellung der Spule ein hier nicht gezeigtes, separates Isolatorband in die Wicklung eingelegt.
