DE102018217480A1

DE102018217480A1 - Supraleitender Bandleiter mit flächiger Isolationsschicht

Info

Publication number: DE102018217480A1
Application number: DE102018217480.6A
Authority: DE
Inventors: Tabea Arndt; Michael Frank; Peter Kummeth; Marijn Pieter Oomen; Markus Wilke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-04-16
Also published as: WO2020074492A1

Abstract

Es wird ein supraleitender Bandleiter (1) angegeben, umfassend- ein bandförmiges Substrat (3) mit zwei Hauptflächen (31a,31b) und- zumindest eine auf einer ersten Hauptfläche (31a) des Substrats (3) aufgebrachte flächige supraleitende Schicht (5)- sowie wenigstens eine flächige, außenliegende elektrische Isolationsschicht (11), welche auf wenigstens einer der Hauptflächen (33a) des so gebildeten Leiterverbundes (9) aufgebracht ist,- wobei die Isolationsschicht (11) aus einem Backlack gebildet ist, welcher geeignet ist, den Bandleiter (1) in einer Spulenwicklung aus mehreren Windungen (w) dieses Bandleiters (1) durch Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks mit der benachbarten Windung fest zu verbinden.Weiterhin werden eine Spuleneinrichtung (21) mit einer aus einem solchen Bandleiter (1) gewickelten Spulenwicklung (23) sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spuleneinrichtung (21) angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen supraleitenden Bandleiter, umfassend ein bandförmiges Substrat mit zwei Hauptflächen und zumindest eine auf einer ersten Hauptfläche des Substrats aufgebrachte flächige supraleitende Schicht sowie wenigstens eine flächige elektrische Isolationsschicht, welche auf wenigstens einer der Hauptflächen des so gebildeten Leiterverbundes aufgebracht ist.
Aus dem Stand der Technik sind supraleitende Bandleiter, insbesondere hochtemperatursupraleitende Bandleiter, bekannt, bei welchen ein supraleitendes Material flächig auf einem metallischen Substratband abgeschieden ist. Wenn aus derartigen Bandleitern elektrische Spulen gewickelt werden, dann werden die einzelnen Windungen der Wicklung normalerweise elektrisch gegeneinander isoliert und sie werden häufig auch miteinander zu einem mechanisch festen Wicklungsverbund verbunden.
Zur Sicherstellung der elektrischen Isolation wird der beim Wickeln eingesetzte Bandleiter typischerweise vor dem Herstellen der Wicklung mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet oder umhüllt. Diese Isolationsschicht bewirkt auch, dass ein definierter Abstand zwischen den elektrisch leitenden Bestandteilen der Windungen eingehalten wird. Ein solcher wohldefinierter Abstand zwischen den Leiterwindungen ist mit anderen Methoden nur relativ schwer zu erreichen.
Supraleitende Spulen werden häufig entweder während des Wickelns mit einem Imprägnierharz zwischen den Windungen versehen oder nach dem Wickeln mit einer isolierenden Vergussmasse vergossen. Im ersten Fall spricht man von Nasswickeln, im zweiten Fall spricht man von Trockenwickeln mit anschließendem Spulenverguss. In beiden Fällen wird am Ende des Verfahrens ein mechanisch fester Wicklungsverbund erhalten, in dem die einzelnen Windungen entweder durch das Imprägnierharz oder durch die Vergussmasse fest miteinander verbunden sind. Bei dieser Art der Verbindung ist es jedoch schwierig, durch das Imprägnierharz oder die Vergussmasse einen wohldefinierten Abstand zwischen den supraleitenden Schichten der einzelnen Windungen zu erzeugen. Für eine zuverlässige und wohldefinierte elektrische Isolation zwischen den einzelnen Windungen ist es daher nach dem Stand der Technik üblich, zusätzlich zu dem Imprägnierharz beziehungsweise der Vergussmasse die oben beschriebene isolierende Schicht von definierter Dicke zwischen den elektrisch leitenden Bestandteilen der Windungen vorzusehen. Entsprechend ist es auch schwierig, für den gesamten Wicklungsverbund strenge Vorgaben für die Form und die geometrischen Abmessungen einzuhalten, da die Dicke der Harzschicht beziehungsweise der Vergussmasse von Windung zu Windung (und auch innerhalb einer Windung) stark schwanken kann und somit auch das Gesamtvolumen an Harz oder Vergussmasse Schwankungen unterworfen ist.
Besonders beim Nasswickelverfahren sind die Schwankungen in der Schichtdicke und entsprechend auch die Schwankungen im Materialanteil des Imprägnierharzes groß. Besonders schwer ist es, mit einem Nasswickelverfahren eine Spule mit wohldefinierten langen, geraden Spulenschenkeln herzustellen, da hier beim Wickeln geometriebedingt nur ein geringer radialer Anpressdruck vorliegt und die aufeinanderliegenden Windungen durch das zwischenliegende Harz zu einem Ausbauchen nach radial außen neigen.
Aber auch beim Trockenwickeln ist es sehr schwierig, eine eng vorgegebene Geometrie und Abmessung zu erreichen, da die einzelnen Windungen beim Herstellen der Wicklung nicht aneinander fixiert sind und erst beim nachträglichen Verguss miteinander verbunden werden. Hier kann es während des Wickelns zu einem unerwünschten Verrutschen von bereits gewickelten Teilen der Spule kommen.
Bei herkömmlichen Bandleitern wird zum Aufbringen der zusätzlichen Wicklungsisolation typischerweise das mit der supraleitenden Schicht versehene Substrat entweder durch Extrusion oder durch Umwickeln mit einer elektrisch isolierenden Polymerschicht versehen. Dazu kann der Leiteraufbau beispielsweise mit einem Kaptonband umwickelt werden. Alternativ kann zwischen den einzelnen leitfähigen Windungen ein elektrisch isolierendes Kunststoffband lose mit eingelegt werden.
Ein Nachteil von derart isolierten Spulenwicklungen liegt darin, dass die Stromdichte einer solchen Spule auch bei sehr hohen Stromtragfähigkeiten der supraleitenden Schicht durch die unter Umständen recht hohen Schichtdicken von Isolationsschicht, Substrat, optional vorhandenen metallischen Deckschichten begrenzt wird. Durch all diese Beiträge ist nämlich die Gesamtdicke des Bandleiters (inklusive Isolation) sehr viel höher als die Dicke der supraleitenden Schicht allein. Bei der Verwendung von herkömmlichen Bandleiter-Aufbauten ist es jedoch schwierig, dünnere Schichtdicken zu verwenden. Insbesondere müssen für das metallische Substrat und die oft vorliegende metallische Deckschicht bestimmte Mindest-Schichtdicken eingehalten werden, um eine gute thermische Anbindung der Spule an ein Kühlsystem zu gewährleisten beziehungsweise um den Bandleiter und damit die Spule zu stabilisieren. Dies ist notwendig, um die Spule zuverlässig und dauerhaft auf eine Betriebstemperatur zu kühlen, welche unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleitermaterials liegt. Insbesondere wenn die Spulenwindungen nicht (nur) durch direkten thermischen Kontakt mit einem fluiden Kühlmittel, sondern (auch) durch eine thermisch leitfähige Verbindung mit einem Kühlkörper gekühlt werden, dann wird ein relativ hoher Anteil der metallischen Bestandteile des Bandleiters benötigt. Eine weitere Schwierigkeit bei dieser Art der Kühlung über einen Kühlkörper besteht darin, dass an allen Stellen ein guter thermischer Kontakt zwischen den metallischen Teilen des Bandleiters und dem Kühlkörper gewährleistet sein muss. Wenn beispielsweise beim Umwickeln des Leiteraufbaus mit einer elektrisch isolierenden Polymerfolie ein Hohlraum entsteht oder wenn ein Hohlraum in dem Imprägnierharz oder der Vergussmasse gebildet wird, dann liegt in dieser Stelle ein schlechterer Wärmeübertrag vom Leiteraufbau zum daran angrenzenden Kühlkörper vor.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen supraleitenden Bandleiter anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Bandleiter zur Verfügung gestellt werden, welcher in einer damit hergestellten Spulenwicklung eine zuverlässige elektrische Isolation der einzelnen Windungen und gleichzeitig die Ausbildung eines mechanisch festen Wicklungsverbundes bei Einhaltung von eng definierten Abmessungen ermöglicht. Die mit dem Bandleiter hergestellte Wicklung soll dabei insbesondere für eine vergleichsweise hohe Stromdichte ausgelegt sein und/oder möglichst effektiv gekühlt werden können. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Spuleneinrichtung mit einem solchen Bandleiter zur Verfügung zu stellen. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Spuleneinrichtung angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Bandleiter, die in Anspruch 10 beschriebene elektrische Spuleneinrichtung sowie durch das in Anspruch 13 beschriebene Verfahren gelöst.
Der erfindungsgemäße supraleitende Bandleiter umfasst ein bandförmiges Substrat mit zwei Hauptflächen und mindestens eine auf einer ersten Hauptfläche des Substrats aufgebrachte flächige supraleitende Schicht. Der Bandleiter umfasst weiterhin wenigstens eine flächige, außenliegende elektrische Isolationsschicht, welche auf wenigstens einer der Hauptflächen des so gebildeten Leiterverbundes aufgebracht ist. Diese Isolationsschicht ist aus einem Backlack gebildet, welcher geeignet ist, den Bandleiter in einer Spulenwicklung aus mehreren Windungen dieses Bandleiters durch Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks mit der benachbarten Windung fest zu verbinden.
Der Backlack soll also mit anderen Worten eine feste Lackschicht auf einer Außenfläche des Bandleiters ausbilden. Backlacke sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und sind allgemein dazu geeignet, entweder durch thermische Behandlung oder durch Anlösen der Schicht mit einem Lösungsmittel eine feste Verbindung mit einem anderen Element einzugehen. Es handelt sich also bei einem Backlack um einen durch Erhitzen und/oder durch Anlösen verklebbaren beziehungsweise vernetzbaren Lack.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Bandleiters liegt darin, dass durch die Verwendung des Backlacks mit nur einer einzigen Materialschicht sowohl eine elektrische Isolation benachbarter Windungen als auch eine mechanische Verbindung der Windungen zu einem übergeordneten Spulenverbund erreicht werden kann. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo meist neben einer elektrischen Isolationsschicht noch eine zusätzliche Schicht aus Imprägnierharz oder Verbundmittel vorliegt, kann somit die Gesamtzahl der Schichten in der Spulenwicklung vorteilhaft reduziert werden. Insbesondere kann hierdurch auch die Dicke einer Windung erniedrigt werden, wodurch die Spulenwicklung kompakter wird und wodurch eine höhere Stromdichte in der Spulenwicklung erreicht werden kann. Gewicht und Volumen der Spulenwicklung können bei vergleichbarer Stromtragfähigkeit vorteilhaft reduziert werden.
Weitere Vorteile ergeben sich im Zusammenhang mit der Einhaltung einer vorgegebenen definierten Geometrie und von definierten räumlichen Abmessungen der Spulenwicklung. So kann die beschriebene Isolationsschicht aus dem Backlack mit einer vergleichsweise hohen Schichtdicken-Präzision auf dem Bandleiter abgeschieden werden. Hierdurch ergibt sich in der Folge auch eine hohe Präzision im Windungsabstand und insgesamt bei der Geometrie der Wicklung. Insbesondere im Vergleich zu einem Imprägnierharz und/oder einer Vergussmasse kann durch die Backlack-Schicht eine deutlich höhere Maßhaltigkeit bei gleichzeitig niedriger Schichtdicke erreicht werden.
Weitere Vorteile ergeben sich im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit der elektrischen Isolation. So kann durch die hohe Homogenität in der Schichtdicke des Backlacks eine zuverlässige elektrische Isolation auch bei vergleichsweise niedriger Schichtdicke erreicht werden. Eine Backlack-Schicht kann insbesondere im Vergleich zu einem während des Wickelns flüssig aufgebrachten Imprägnierharz oder auch im Vergleich zu einer nachträglich eingebrachten Vergussmasse mit einer deutlich niedrigeren Dichte an Fehlstellen (insbesondere Lücken in der Lackschicht) auf dem Bandleiter abgeschieden werden. Auch durch das nachträgliche Verkleben der Backlack-Schicht bei dem anschließenden Erhitzen und/oder Anlösen werden hier vorteilhaft keine neuen Fehlstellen in die Isolationsschicht eingeführt.
Weitere Vorteile ergeben sich im Zusammenhang mit der thermischen Anbindung der Spulenwicklung an einen Kühlkörper. Typischerweise sind die aus organischen Polymeren gebildeten Bestandteile der Spulenwicklung thermisch deutlich schlechter leitfähig als die im Schichtstapel vorliegenden metallischen Schichten. Daher ist es für die thermische Ankopplung des gesamten Spulenverbundes vorteilhaft, wenn der Volumenanteil der organischen Polymere im Vergleich zu den metallischen Materialien möglichst gering ist. Dies kann bei einer Spulenwicklung aus dem erfindungsgemäßen Bandleiter dadurch relativ leicht erreicht werden, dass einerseits für die Windungsisolation und die Verbindung der Windungen nur eine einzige Schicht benötigt wird und dass andererseits diese aus Backlack gebildete Schicht vergleichsweise dünn ausgebildet werden kann. Durch die weitgehende Vermeidung von Fehlstellen in der Backlack-Schicht ist die thermische Ankopplung an einen Kühlkörper ebenfalls verbessert.
Die erfindungsgemäße elektrische Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine Spulenwicklung, welche aus einem erfindungsgemäßen supraleitenden Bandleiter gebildet ist. Insbesondere umfasst eine solche Spulenwicklung eine Mehrzahl von Windungen aus einem derartigen Bandleiter. Dabei sind die einzelnen Windungen des Bandleiters durch Erhitzen und/oder Anlösen der Isolationsschicht fest miteinander verbunden. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Bandleiters. Ein zusätzlicher Vorteil kann darin gesehen werden, dass die beschriebene Backlack-Schicht, welche Teil des Bandleiters ist, im Vergleich zu einem nachträglich eingebrachten Imprägniermittel oder einer Vergussmasse einen deutlich konstanteren Wicklungsabstand ermöglicht. Insbesondere kann der Abstand der benachbarten supraleitenden Schichten, der sich zwischen den jeweils benachbarten Windungen an unterschiedlichen Umfangspositionen ergibt, über die gesamte Wicklung sehr konstant gehalten werden, wenn die Schichtdicke der Backlack-Schicht entsprechend konstant ist. Weitere Vorteile der Spuleneinrichtung sind dadurch gegeben, dass bei dem erfindungsgemäßen Bandleiteraufbau die Gesamtdicke des Bandleiters sehr geringgehalten werden kann und hierdurch in der Spuleneinrichtung eine sehr hohe Stromdichte erreicht werden kann. Hierbei kann trotzdem, wie oben beschrieben, eine hinreichende elektrische Isolation von Windung zu Windung sowie eine effektive Wärmeabfuhr gewährleistet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer erfindungsgemäßen supraleitenden Spuleneinrichtung aus einem erfindungsgemäßen Bandleiter. Bei dem Verfahren wird der Bandleiter in einem trockenen Wicklungsprozesses zu einer Spulenwicklung aus einer Mehrzahl von Windungen aufgewickelt. Die so gebildeten übereinanderliegenden Windungen werden durch Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks miteinander zu einem festen Wicklungsverbund verbunden. Das Erhitzen und/oder Anlösen kann dabei insbesondere nachträglich erfolgen - also zumindest nach dem Aufwickeln eines Teilbereichs der Spulenwicklung. Prinzipiell kann es aber auch gleichzeitig mit dem Wickeln erfolgen. Auch die Vorteile des Verfahrens ergeben sich analog zu den weiter oben beschriebenen Vorteilen des Bandleiters und der Spuleneinrichtung. Weitere Vorteile ergeben sich im Zusammenhang mit speziellen Ausgestaltungen des Verfahrens, wobei beispielsweise die Vernetzung des Backlacks entweder bereits während des Herstellens der Wicklung (in situ) oder aber erst nach Fertigstellung des gesamten Wickelprozesses erfolgen kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1, 10 und 13 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Bandleiters, der Spuleneinrichtung und des Herstellungsverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Bandleiters kann dieser durch Erhitzen des Backlacks auf eine Temperatur im Bereich zwischen 50 °C und 300 °C mit einer benachbarten Windung verbindbar sein. Besonders bevorzugt kann diese Prozesstemperatur des Backlacks im Bereich zwischen 50 °C und 200 °C und ganz besonders bevorzugt im Bereich zwischen 100 °C und 180 °C liegen. Ein Backlack mit einer derartigen Prozesstemperatur ist besonders geeignet für die Bildung eines Spulenverbunds aus supraleitenden Bandleitern, da die typischen in Bandleitern verwendeten supraleitenden Materialien in einem solchen Temperaturbereich üblicherweise nicht geschädigt werden. Dies gilt insbesondere bei typischen Prozesszeiten im Bereich von beispielsweise 15 Minuten oder weniger. Andererseits liegen die Prozesstemperaturen aber hoch genug, dass während des Wicklungsschrittes - der typischerweise etwa bei Raumtemperatur durchgeführt wird - noch keine Verbindung der benachbarten Windungen durch den Backlack stattfindet. Vorteilhaft kann der Backlack insbesondere für eine Prozesstemperatur ausgelegt sein, welche niedrig genug ist, dass bereits gebildete Lötverbindungen und andere innerhalb der Spuleneinrichtung vorliegende elektrische Kontaktierungen nicht geschädigt werden.
Allgemein vorteilhaft kann die Isolationsschicht zumindest auf der Seite des Bandleiters angeordnet sein, welche die supraleitende Schicht trägt. Mit anderen Worten kann also die supraleitende Schicht (direkt oder indirekt, im letzteren Fall also über eine Zwischenschicht) von der Isolationsschicht aus Backlack bedeckt sein.
Bei dieser Ausführungsform kann besonders vorteilhaft zwischen der supraleitenden Schicht und der Isolationsschicht aus Backlack eine zusätzliche flächige normalleitende Deckschicht angeordnet sein. Diese Deckschicht kann besonders bevorzugt direkt mit der supraleitenden Schicht verbunden sein. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen normalleitenden Deckschicht ist, dass sie einen normalleitenden Parallelwiderstand zur supraleitenden Schicht ausbildet, welcher insbesondere elektrisch direkt mit dieser verbunden ist. Eine solche normalleitende Deckschicht kann besonders bevorzugt aus einem metallischen Material (also einem Metall oder einer Metalllegierung) gebildet sein. Das Material der Deckschicht kann besonders bevorzugt Kupfer oder Silber umfassen oder sogar im Wesentlichen aus einem dieser Materialien bestehen. Bei dieser Ausführungsform bewirkt dann die auf der Deckschicht aufgebrachte Isolationsschicht eine hinreichende elektrische Isolierung zwischen der obenliegenden Deckschicht einer gegebenen Leiterwindung und der typischerweise ebenfalls elektrisch leitfähigen untenliegenden Schicht der nächsten benachbarten Leiterwindung (also beispielsweise der nächsten Substratschicht). Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Deckschicht aber auch auf der vom Supraleiter abgewandten Seite des Substrats aufgebracht sein. Sie kann auch den gesamten darunterliegenden Schichtaufbau umhüllen.
Allgemein und unabhängig von dem optionalen Vorliegen einer Deckschicht kann die Isolationsschicht vorteilhaft auf der Seite des Bandleiters angeordnet sein, welche die supraleitende Schicht trägt. Alternativ oder zusätzlich kann die Isolationsschicht aus Backlack aber auch auf der Seite des Bandleiters angeordnet sein, welche von der supraleitenden Schicht abgewandt ist. Insbesondere ist es möglich, dass die Isolationsschicht auf beiden Hauptflächen des Bandleiters angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Isolationsschicht den Leiterverbund insbesondere auf seinem ganzen Querschnitt umhüllen, sodass auch die Seiten des Leiterverbundes von dieser Isolationsschicht abgedeckt sind. Dieses Abdecken der Seiten ist bei der beidseitigen Ausführung der Isolationsschicht nicht zwingend nötig. Sie kann jedoch vorteilhaft sein, um eine noch zuverlässigere elektrische Isolation und insbesondere eine Vermeidung von Kurzschlüssen oder Überschlägen an den Seiten des Bandleiters zu bewirken. Insbesondere ist das Vorliegen einer seitlichen Isolationsschicht aus Backlack auch deswegen vorteilhaft, weil damit eine elektrische Isolation der Spulenwicklung von einem gegebenenfalls vorliegenden Seitenelement eines Spulenträgers bewirkt werden kann. Ein solches Seitenelement kann beispielsweise als metallische Kühlplatte ausgebildet sein, um eine Kühlung des gesamten Wicklungsverbundes zu bewirken. Die Anordnung einer aus Backlack bestehenden Isolationsschicht zwischen dem Spulenverbund und dieser seitlichen Kühlplatte ist besonders vorteilhaft, um einerseits eine zuverlässige elektrische Isolation von der Kühlplatte zu gewährleisten und gleichzeitig trotzdem eine hinreichend gute thermische Anbindung des Spulenverbunds an die Kühlplatte zu bewirken.
Besonders bevorzugt kann bei dem Bandleiter die Isolationsschicht aus Backlack als Direktbeschichtung auf der darunterliegenden Schicht aufgebracht sein. Unter einer solchen Direktbeschichtung soll verstanden werden, dass dabei die Isolationsschicht als feste Schicht erst auf dem Leiterverbund gebildet wird. Sie soll also insbesondere nicht als vorgefertigte feste Schicht vorliegen, welche dann nachträglich mit dem Leiterverbund verbunden wird. Dabei sind unterschiedliche Beschichtungsverfahren denkbar, beispielsweise eine Beschichtung aus einer flüssigen Lösung oder einer anderen flüssigen Vorstufe mittels einer Sprühdüse oder einer Abtropfdüse. Ein besonderer Vorteil der Direktbeschichtung des Bandleiters liegt darin, dass sich die Isolationsschicht hierdurch sehr eng an die übrigen Schichten des Leiterverbundes anschmiegt und somit größere Lücken zwischen dem Leiterverbund und der Isolationsschicht vermieden werden. Solche Lücken treten nach dem Stand der Technik leicht dann auf, wenn feste Isolationsbänder nachträglich mit dem Leiterverbund verbunden werden und insbesondere an den Kanten des Leiterverbundes eine perfekte Anpassung der Geometrie der Isolationsschicht nicht möglich ist. Durch die Vermeidung derartiger Lücken kann eine noch bessere thermische Anbindung des Wicklungspakets und insbesondere seiner supraleitenden Schicht an einen äußeren Kühlkörper gewährleistet werden.
Die aus Backlack gebildete Isolationsschicht kann allgemein vorteilhaft eine Schichtdicke im Bereich zwischen 1 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 2 µm und 20 µm oder sogar zwischen 2 µm und 10 µm aufweisen. Eine Schichtdicke im genannten Bereich ist insbesondere hoch genug, um bei homogener Abscheidung eine hinreichende elektrische Isolation von Windung zu Windung zu gewährleisten. Andererseits sind die Schichtdicken niedrig genug, um trotzdem eine vergleichsweise kompakte Geometrie und somit hohe Stromdichte einer mit dem Bandleiter gebildeten Spulenwicklung zu ermöglichen.
Besonders bevorzugt ist die aus Backlack gebildete Isolationsschicht sowohl über die Breite, als auch über die Länge des Bandleiters gesehen besonders homogen. So kann die maximale relative Variation der Schichtdicke beispielsweise bei 50% oder weniger, insbesondere bei 20 % oder weniger, besonders vorteilhaft bei 10 % oder weniger liegen.
Die Isolationsschicht ist vorteilhaft aus einem Material gebildet, welches eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 0,1 W/(m·K), insbesondere eine spezifische Wärmeleitfähigkeit im Bereich zwischen 0,2 W/(m·K) und 0,3 W/(m·K) aufweist. Eine derartige spezifische thermische Leitfähigkeit kann mit bekannten Backlack-Materialien erreicht werden. Sie trägt zu einer effektiven Entwärmung des gesamten Wicklungsstapels bei, auch wenn sie niedriger ist als die thermische Leitfähigkeit der übrigen Materialkomponenten des Bandleiters.
Allgemein vorteilhaft kann es sich bei der supraleitenden Schicht um eine hochtemperatursupraleitende Schicht handeln. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können. Der Hochtemperatursupraleiter kann beispielsweise Magnesiumdiborid oder einen oxidkeramischen Supraleiter, beispielsweise eine Verbindung des Typs REBa₂Cu₃O_x (kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.
Der Backlack der Isolationsschicht kann vorteilhaft ein organisches Polymer umfassen, wobei dieses organische Polymer insbesondere einen Hauptbestandteil der Isolationsschicht ausbilden kann. Besonders bevorzugt kann die Isolationsschicht ein Polyvinylbutyral und/oder ein Polyamid umfassen, wobei substituierte Derivate dieser polymeren Verbindungen hierbei eingeschlossen sein sollen. Derartige Materialien sind besonders geeignet, um entweder durch Einwirkung eines Lösungsmittels und/oder durch ein Erhitzen in einem vergleichsweise niedrigen Temperaturbereich eine Verbindung mit einer benachbarten Windung beziehungsweise einem anderen benachbarten Element auszubilden.
Bevorzugt kann die außenliegende Isolationsschicht eine arithmetische mittlere Oberflächenrauigkeit von höchstens 25% der Schichtdicke (also mindestens eine Güte von ISO N11), vorteilhaft nur höchstens 6.3% (also mindestens eine Güte von ISO N9) oder besser aufweisen. Eine derart niedrige Oberflächenrauigkeit ist besonders vorteilhaft, um während des Wickelvorgangs oder auch nach dem Wickelvorgang ein geometrisches Nachjustieren der Wicklung zu ermöglichen. Wenn nämlich der Backlack des Bandleiters noch nicht die Verbindung mit der benachbarten Windung bewirkt hat, kann bei einer entsprechend niedrigen Rauigkeit der Isolationsschicht eine leichte Verschiebbarkeit der einzelnen Windungen relativ zueinander ermöglicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spuleneinrichtung kann die Delaminationsspannung für die Verbindung der einzelnen benachbarten Bandleiter-Windungen oberhalb von 5 MPa liegen. Unter der Delaminationsspannung soll dabei diejenige Spannung verstanden werden, bei der eine Delamination der durch den Backlack vermittelten Verbindung der benachbarten Windungen einsetzt. Eine derart hohe Delaminationsspannung ist vorteilhaft, um einen Wicklungsverbund mit einer für viele elektromagnetische Anwendungen ausreichenden mechanischen Festigkeit zu erhalten. Besonders bevorzugt kann die Delaminationsspannung oberhalb von 10 MPa und insbesondere sogar oberhalb von 20 MPa liegen. Bei sehr hohen Spannungen im Wicklungsverbund kann auch der übrige Teil des Schichtstapels im Bandleiter von einer Delamination betroffen sein. Diese Delaminationsspannung innerhalb des Bandleiters liegt typischerweise bei etwa 20 MPa. In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn die Delaminationsspannung für die Verbindung der Windungen mit dem Backlack niedriger ist als die Delaminationsspannung für das übrige Schichtsystem. Beispielsweise kann die Delaminationsspannung für die durch den Backlack gebildete Verbindung oberhalb von 5 MPa, aber unterhalb von 20 MPa liegen. Bei einer solchen Ausführungsform führt eine mechanische Belastung des Wicklungsverbundes zunächst zu einer Auftrennung der Windungen und noch nicht zu einer Schädigung der empfindlichen supraleitenden Schicht. Beispielsweise kann die Delaminationsspannung für die durch den Backlack gebildete Verbindung zwischen 50 % und 90 % der Delaminationsspannung des übrigen Schichtsystems des Bandleiters betragen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Spuleneinrichtung zusätzlich einen Wicklungsträger umfassen. Dabei kann der Wicklungsverbund der Spulenwicklung durch das Material der Isolationsschicht (also den Backlack) elektrisch gegen den Wicklungsträger isoliert und/oder mechanisch mit diesem verbunden sein. Unter dem genannten Wicklungsverbund soll dabei im vorliegenden Zusammenhang allgemein die Spulenwicklung verstanden werden, deren Einzelwindungen durch Erhitzen und/oder Anlösen der Isolationsschicht fest miteinander verbunden worden sind. Besonders vorteilhaft übernimmt der Backlack bei dieser Ausführungsform also auch gegenüber dem Wicklungsträger die beschriebene Doppelfunktion aus elektrischer Isolationsschicht und mechanischer Verbindungsschicht. Dabei kann der Backlack prinzipiell in radialer und/oder in axialer Richtung zwischen dem Wicklungsverbund und dem Wicklungsträger angeordnet sein. Die Richtungsangaben radial und axial beziehen sich hierbei allgemein auf die Wicklungsachse der Spulenwicklung. Der Backlack kann also einerseits eine elektrische Isolation (und gegebenenfalls mechanische Ankopplung) gegenüber einem radial innenliegenden Wicklungsträger bewirken. Alternativ oder zusätzlich kann er auch eine elektrische Isolation (und gegebenenfalls mechanische Ankopplung) gegenüber einem axial neben dem Wicklungsverbund angeordneten Seitenteil des Wicklungsträgers bewirken. Ein solches Seitenteil kann insbesondere als Kühlplatte realisiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der seitlich angeordnete Backlack auch eine elektrische Isolation und/oder eine mechanische Ankopplung zwischen zwei axial benachbart angeordneten Spulenwicklungen bewirken.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Spuleneinrichtung kann es sich um eine vergleichsweise dicke Spule handeln. Unter einer „dicken Spule“ soll beispielsweise eine solche Spulenwicklung verstanden werden, bei der das Verhältnis zwischen der radialen Wicklungshöhe h und dem minimalen Innendurchmesser d größer als 1.2 ist. Eine derart dicke Spule ist mit herkömmlichen Herstellungsverfahren vergleichsweise schwer innerhalb von eng vorgegebenen geometrischen Abmessungen zu realisieren. Insbesondere die Möglichkeit, einen bereits gewickelten Teilbereich der Spulenwicklung zwischendurch (also vor dem Herstellen der vollständigen Wicklung) durch ein Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks mechanisch zu einem festen Wicklungsverbund zu verbinden, erleichtert die Handhabung und Herstellung von solchen dicken Spulen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Spuleneinrichtung kann die Fehlstellen-Dichte innerhalb der Isolationsschicht besonders gering ausgebildet sein. So kann die Spuleneinrichtung beispielsweise höchstens eine Fehlstelle in der Isolationsschicht auf jeweils 30 m Windungslänge aufweisen. Unter einer „Fehlstelle“ soll hierbei ein solcher Defekt in der Isolationsschicht verstanden werden, welcher bei einer Prüfspannung der Spule (beispielsweise bei 1 kV) zu einer Teilentladung zwischen den Windungen von 1 µA oder mehr führen kann. Eine derart geringe Fehlstellen-Dichte kann mit einer Isolationsschicht aus Backlack auch bei den weiter oben genannten, vergleichsweise niedrigen Schichtdicken erreicht werden.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens kann das Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks zumindest für einen Teilbereich der Spulenwicklung bereits während des Wickelns erfolgen. Unter dem Ausdruck „während des Wickelns“ soll dabei verstanden werden, dass die Bildung der Spulenwicklung beim ersten Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks noch nicht vollständig abgeschlossen ist. Das Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks muss also nicht genau gleichzeitig mit dem Wickeln erfolgen. Dies ist zwar möglich, aber es genügt, wenn sich Teilschritte des Erhitzens und/oder Anlösens mit Teilschritten des Wickelns abwechseln. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass innenliegende Spulenwindungen bereits fixiert werden können, bevor die weiter außen liegenden Spulenwindungen darauf aufgewickelt werden. Dies kann eine deutlich bessere Einhaltung von einer vorgegebenen Geometrie beziehungsweise vorgegebenen Abmessungen der Spulenwicklung ermöglichen. Insbesondere bei Rechteckspulen oder Rennbahnspulen mit langen, geraden Spulenschenkeln kann es vorteilhaft sein, die innenliegenden Windungen auf diese Weise vorzufixieren. Hierdurch können die beim Nasswickel-Verfahren häufig auftretenden, unerwünschten Ausbauchungen dieser geraden Spulenschenkel vorteilhaft vermieden oder zumindest reduziert werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante des Verfahrens kann das Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks aber auch erst nach dem vollständigen Abschluss des trockenen Wicklungsverfahrens erfolgen. Diese Variante ermöglicht eine einfachere Verfahrensführung, da im Vergleich zur vorher genannten Variante insgesamt weniger Prozessschritte nötig sind.
Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann die Verbindung der Windungen durch den Backlack mittels Erhitzens erfolgen, wobei das Erhitzen beispielsweise durch einen Ofen und/oder durch einen Heißgasstrom erfolgen kann. Bei dem heißen Gas kann es sich beispielsweise um heiße Luft, heißen Stickstoff, ein heißes Edelgas (insbesondere Argon) oder auch um heißen Wasserstoff handeln. Ein inertes Gas ist besonders vorteilhaft, um eine chemische Reaktion mit der supraleitenden Schicht und übrigen empfindlichen Komponenten des Schichtsystems des Bandleiters zu vermeiden.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann die Verbindung der Windungen durch den Backlack mittels Anlösen erfolgen. Zum Anlösen kann vorteilhaft ein organisches Lösungsmittel verwendet werden, insbesondere ein Alkohol. Besonders vorteilhaft im Zusammenspiel mit den weiter oben genannten Backlack-Materialien sind hierbei die Lösungsmittel Ethanol und Methanol.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann nach einem Schritt des Aufwickelns des Bandleiters ein zusätzlicher Zwischenschritt des Abwickelns des Bandleiters erfolgen. Dieser Zwischenschritt erfolgt zweckmäßig vor dem Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks. Anschließend kann der abgewickelte Bandleiter wieder neu aufgewickelt werden. Ein solches zwischenzeitliches Abwickeln ermöglicht vorteilhaft eine Korrektur von geometrischen Fehlern beim Herstellen der Wicklung. Beim Nasswickel-Verfahren ist dies nicht ohne weiteres möglich, aber bei dem trockenen Wickelverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann vor dem Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks relativ leicht eine solche Korrektur erfolgen. Es können auch mehrere solche Korrekturprozesse wiederholt werden, bis die Spulenwicklung die gewünschten geometrischen Anforderungen erfüllt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines Bandleiters nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
2 eine schematische Querschnittsansicht eines Bandleiters nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Spuleneinrichtung nach einem Beispiel der Erfindung zeigt und
4 eine schematische Aufsicht auf eine Spuleneinrichtung während ihrer Herstellung zeigt.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Bandleiters 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Bandleiter 1 umfasst ein metallisches Substrat 3, welches zwei Hauptflächen 31a und 31b aufweist. Auf der ersten Hauptfläche 31a ist über einem Stapel von hier nicht gezeigten Pufferschichten eine flächige supraleitende Schicht 5 abgeschieden. Diese supraleitende Schicht 5 ist wiederum von einer metallischen Deckschicht 7 abgedeckt. Diese Deckschicht 7 kann beispielsweise aus Kupfer oder Silber oder einem Stapel beider Materialien bestehen. Das Substrat, die supraleitende Schicht 5 und die Deckschicht 7 sowie die nicht dargestellten Pufferschichten bilden zusammen einen Leiterverbund 9. Dieser Leiterverbund 9 ist auf seinem ganzen Querschnitt von einer flächigen außenliegenden elektrischen Isolationsschicht 11 umhüllt. Es handelt sich bei der Isolationsschicht um eine feste, mit dem übrigen Leiterverbund 9 verbundene Schicht. Diese Isolationsschicht ist als dünne Schicht aus Backlack ausgebildet. Dieser Backlack kann beispielsweise als Hauptbestandteil ein Polyvinylbutyral und/oder ein Polyamid aufweisen. In jedem Fall kann der Backlack durch einen Erhitzungsschritt beziehungsweise ein Anlösen mit einem Lösungsmittel mit einem anderen benachbarten Element eine feste Verbindung eingehen. Dies kann durch eine Verklebung mit dem Backlack, insbesondere durch eine zusätzliche Vernetzung des Backlacks bei einem Erhitzen oder einem Anlösen bewirkt werden. Bei einem solchen benachbarten Element kann es sich beispielsweise um eine benachbarte Windung innerhalb einer aus dem Bandleiter 1 gebildeten Wicklung handeln. Auf diese Weise kann mit dem Bandleiter 1 eine Spulenwicklung mit einem durch die Klebewirkung des Backlacks vermittelten festen Spulenverbund gebildet werden. Diese Spulenwicklung kann vorteilhaft zunächst in einem trockenen Wickelprozess aufgewickelt werden (also ohne Imprägnierharz), wobei die feste Verbindung zwischen den einzelnen Windungen entweder anschließend oder auch bereits während des Wicklungsprozesses gebildet werden kann, in dem der Backlack erhitzt und/oder angelöst wird. Hierdurch wird der Herstellungsprozess im Vergleich zum Stand der Technik stark vereinfacht.
Zusätzlich zu seiner Funktion als Verbindungsmittel weist der Backlack elektrisch isolierende Eigenschaften auf. Durch die aus dem Backlack gebildete elektrische Isolationsschicht 11 kann also in einer aus dem Bandleiter 1 gebildeten Spulenwicklung eine elektrische Isolation benachbarter Windungen gewährleistet werden. Wenn eine damit gebildete Spuleneinrichtung neben der Spulenwicklung auch einen Wicklungsträger aufweist, wird auch eine elektrische Isolation zwischen dem Leiterverbund 9 und dem Wicklungsträger durch die hier umhüllend ausgestaltete Isolationsschicht 11 gewährleistet. Die Isolationsschicht 11 aus Backlack erfüllt also hier eine doppelte Funktion, wobei einerseits eine mechanisch feste Verbindung ausgebildet wird und andererseits eine elektrische Isolation gewährleistet wird. Bei der in 1 dargestellten beidseitig umhüllenden Ausführungsvariante ist die elektrische Isolation sogar besonders zuverlässig, da bei einer Spulenwicklung aus einem derartigen Bandleiter 1 zwischen zwei Windungen des Leiterverbundes 9 immer zwei Lagen der Isolationsschicht zu liegen kommen. Hierdurch wird die Fehlstellen-Häufigkeit im Vergleich zur einseitigen Beschichtung mit Backlack besonders stark reduziert, und die Schichtdicke der umhüllenden (oder allgemein beidseitig) aufgebrachten Isolationsschicht 11 kann sogar noch niedriger gewählt werden als bei einer einseitig aufgebrachten Isolationsschicht.
Die Dicke d11 der aus Backlack gebildeten Isolationsschicht 11 kann allgemein vergleichsweise dünn gewählt sein. Beispielsweise kann die Dicke d11 zwischen 1 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 2 µm und 20 µm liegen. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Beschichtungsverfahren für Lacke bekannt, mit denen eine sehr homogene Schicht im genannten Dickenbereich auf den Leiterverbund 9 aufgebracht werden kann, sodass mit einer derartigen Schicht sowohl eine zuverlässige mechanische Verbindung, als auch eine zuverlässige elektrische Isolation bei geringer Fehlstellen-Dichte bewirkt werden kann. Dadurch, dass neben der beschriebenen Isolationsschicht 11 keine weitere Isolationsschicht benötigt wird, kann auch die Gesamtdicke d1 des Bandleiters vorteilhaft geringgehalten werden. Dadurch, dass weiterhin kein Imprägnierharz und auch keine Vergussmasse benötigt wird, kann auch die Gesamtmasse und das Gesamtvolumen der Wicklung klein gehalten und der Windungs-Pitch vorteilhaft niedrig gehalten werden. Dies ermöglicht insgesamt die Herstellung einer supraleitenden Spulenwicklung für einen Betrieb bei besonders hoher Stromdichte.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Bandleiters nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der zugrundeliegende Leiterverbund 9 ist analog oder sehr ähnlich aufgebaut wie der Leiterverbund 9 der 1. Die außenliegende elektrische Isolationsschicht 11 ist auch hier aus einem Backlack gebildet. Im Unterschied zum Beispiel der 1 ist jedoch diese Isolationsschicht 11 nicht als umhüllende Schicht, sondern nur einseitig auf dem Leiterverbund abgeschieden. Beim Beispiel der 2 ist die Isolationsschicht auf der ersten Hauptfläche 33a des Leiterverbundes 9 abgeschieden, welche der ersten Hauptfläche 31a des Substrats 3 entspricht. Diese erste Hauptfläche des Substrats ist die Fläche, auf der die supraleitende Schicht 5 aufgebracht ist. Sie entspricht auch der ersten Seite 35a des Bandleiters 1. Durch eine solche Isolationsschicht 11 auf dieser ersten Seite des Bandleiters 1 wird beim Herstellen einer Wicklung aus dem Bandleiter ebenfalls eine hinreichende Isolation der aufeinanderfolgenden Windungen erreicht, da die metallischen Schichten immer durch die Isolationsschicht 11 getrennt sind. Analog zum Beispiel der 1 können auch hier die einzelnen Schichtdicken sehr dünn ausgebildet werden, wenn der Backlack ausreichend homogen auf dem Leiterverbund 9 abgeschieden ist. Da die Isolationsschicht 11 hier nur einseitig aufgebracht ist, kann die Gesamtdicke d1 des Bandleiters 1 eventuell sogar noch dünner sein als beim Beispiel der 1.
Alternativ zum Beispiel der 2 ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass eine analoge Isolationsschicht 11 auf der zweiten Seite des Substrats 31b aufgebracht ist, welche dann der zweiten Seite 33b des Leiteraufbaus und der von der supraleitenden Schicht 5 abgewandten Seite 35b des Bandleiters entspricht. Auch mit einer solchen einseitigen Beschichtung kann durch die isolierenden Eigenschaften des Backlacks eine hinreichende elektrische Trennung der benachbarten Windungen erreicht werden. Als weitere Alternative ist auch eine beidseitige Beschichtung des Leiterverbundes 9 möglich, welche im Unterschied zur 1 aber nicht die Kanten mit umhüllt.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine Spuleneinrichtung 21 nach einem Beispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Teilbereich eines Querschnitts der Spulenwicklung 23 in einem Randbereich der Wicklung. Die Spulenwicklung 23 umfasst hier eine Vielzahl von Windungen w_i , von denen hier beispielhaft nur die Randbereiche einer Windung ganz und die Randbereiche der beiden angrenzenden Windungen teilweise gezeigt sind. Die einzelnen Windungen w_i sind durch Aufwickeln eines Bandleiters 1 gebildet, der beispielsweise ähnlich wie beim Beispiel der 1 aufgebaut sein kann. Die einzelnen Windungen des Bandleiters 1 sind dabei in radialer Richtung r flächig übereinandergelegt. Die Bezeichnung radial bezieht sich dabei auf eine zentrale Wicklungsachse A im Zentrum der Spule, welche allerdings nicht im Bereich des Ausschnitts der 3 liegt. Stattdessen ist daher in 3 eine zur zentralen Spulenachse A parallel liegende, axiale Richtung a dargestellt. Auch für nicht kreissymmetrische Spulenformen soll die Bezeichnung „radial“ analog verwendet werden, sodass sich auch dann die radiale Richtung vom Zentrum der Spule nach außen hin erstreckt.
In 3 ist eine fertig hergestellte Spuleneinrichtung 21 dargestellt, in der die einzelnen Windungen w_i der Spulenwicklung 23 zunächst trocken aufgewickelt und dann durch Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks der Isolationsschicht 11 fest miteinander verbunden wurden. Dazu kann der Backlack beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 100 °C und 200 °C erhitzt worden sein. Die dadurch zwischen den einzelnen Windungen w_i gebildete Verbindung kann insbesondere so fest sein, dass die zugehörige Delaminationsspannung oberhalb von 5 MPa liegt. Diese Delaminationsspannung kann in einem ähnlichen Bereich liegen und insbesondere etwas schwächer ausgebildet sein als die Delaminationsspannung innerhalb des von der Isolationsschicht 11 umhüllten Leiterverbundes 9.
In 3 ist der Randbereich der Spulenwicklung 23 gezeigt, welcher in axialer Richtung an eine Kühlplatte 25 angebunden ist. Eine solche Kühlplatte 25 kann beispielsweise als axiales Seitenelement (also als stirnseitiges Element) eines Wicklungsträgers ausgestaltet sein. Durch die hier vorliegende umhüllende Beschichtung des Leiterverbundes 9 mit der Isolationsschicht 11 kann mit dem Backlack auch eine mechanisch feste Verbindung zu dieser Kühlplatte 25 hergestellt werden. Gleichzeitig ist der übrige Leiterverbund 9 durch den Backlack der Isolationsschicht 11 elektrisch gegen die Kühlplatte 25 isoliert. Dies ist insbesondere bei einer metallisch leitfähigen Kühlplatte zweckmäßig.
Für den Betrieb einer supraleitenden Spuleneinrichtung 21 ist generell eine Kühlung der supraleitenden Schicht 5 auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiters nötig. Beim Beispiel der 3 ist für diese Kühlung vor allem die Entwärmung der Spulenwicklung 23 zur Kühlplatte 25 hin maßgeblich. Wie in 3 schematisch angedeutet, sind für die Entwärmung des Bandleiters im Wesentlichen drei charakteristische Wärmepfade p1, p2 und p3 relevant. Dabei stellt der Wärmepfad p1 die Entwärmung vom metallischen Substrat 3 zum Kühlkörper 25 dar, die im stirnseitigen Bereich durch die dünne Isolationsschicht 11 vermittelt wird. Der parallele Wärmepfad p2 verläuft von der metallischen Deckschicht 7 ebenfalls über die dünne Isolationsschicht 11 zum Kühlkörper 25. Der dritte Wärmepfad p3 verläuft von der umhüllenden Isolationsschicht direkt zum Kühlkörper 25. Dieser dritte Wärmepfad p3 trägt typischerweise am wenigsten zur Kühlung der Spulenwicklung bei, da die Isolationsschicht 11, wenn sie aus einem organischen Polymer gebildet ist, nur eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Typische spezifische Wärmeleitfähigkeiten von organischen Polymeren und somit auch typischen geeigneten Backlacken liegen bei 0,2 W/m·K bis 0,3 W/m·K. Bei den genannten niedrigen Schichtdicken d11 kann jedoch die im Vergleich zu metallischen Materialien relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit in Kauf genommen werden, und es findet trotzdem eine effektive Entwärmung in axialer Richtung zur Kühlplatte hin statt. Diese Entwärmung kann insgesamt deutlich effektiver sein, als wenn eine Umhüllung mit einer dickeren isolierenden Polymerfolie und zusätzlich eine Einbettung des Bandleiters in ein Imprägnierharz und/oder eine Vergussmasse vorliegt.
4 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Spuleneinrichtung 21 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung während ihrer Herstellung. Gezeigt ist eine Spulenwicklung 23, welche als rechteckförmige Wicklung auf einem entsprechend rechteckig geformten Wicklungsträger 45 aufgewickelt wird. Die zentrale Wicklungsachse, um die herumgewickelt wird, ist hier mit A bezeichnet. Die Spulenwicklung 23 ist hier also als Rechteckspule mit abgerundeten Ecken geformt und weist entsprechend zwei gerade Längsschenkel 47 und zwei gerade Querschenkel 49 auf. Dazwischen liegen insgesamt vier gerundete Übergangsbereiche, in denen jeweils eine 90°-Biegung vorliegt.
Die einzelnen Windungen w_i werden durch Aufwickeln eines Bandleiters 1 gebildet, welcher wiederum ähnlich wie beim Beispiel der 1 ausgebildet sein kann. Insbesondere ist auch hier ein innenliegender Leiterverbund 9 beidseitig von einer aus einem Backlack gebildeten Isolationsschicht 11 umhüllt. Die Spulenwicklung 23 wird gebildet, indem dieser Bandleiter 1 in einem trockenen Wicklungsprozess aufgewickelt wird. In der 4 ist ein Verfahrensstand dargestellt, bei dem beispielhaft bereits etwa drei Windungen w_i gebildet sind und optional noch weitere folgen werden. Nach der Fertigstellung der gesamten Wicklung wird es sich um eine vergleichsweise dicke Spulenwicklung handeln, bei welcher das Verhältnis von Wicklungshöhe h zu dem kleineren Durchmesser d deutlich oberhalb von 1,2 liegen wird.
Bei dem in 4 dargestellten Verfahrensstand werden gerade die bereits aufgewickelten Windungen w_i durch ein Erhitzen der bereits gebildeten Spulenwicklung 23 zu einem festen Spulenverbund miteinander verbunden. Hierzu wird im gezeigten Beispiel ein heißer Gasstrom 41 von einem oder mehreren Heizelementen 43 zu der Spulenwicklung 23 geleitet. Durch diese Erwärmung wird der Backlack der umhüllenden Isolationsschicht 11 chemisch so verändert, dass eine feste Verbindung der benachbarten Windungen entsteht. Zusätzlich wird dabei die radial am weitesten innen liegende Windung durch den Backlack fest mit dem innenliegenden Wicklungsträger 45 verbunden.
Das in 4 dargestellte Erhitzen des Backlacks kann alternativ auch durch ein Anlösen mittels eines Lösungsmittels ersetzt werden oder durch ein solches Anlösen ergänzt werden. Beide Verfahren führen dazu, dass der Backlack derart verändert wird, dass er eine feste Verbindung mit einem benachbarten Element eingeht. Dies kann insbesondere durch eine zusätzliche Vernetzung im Material des Backlacks erfolgen, also mit anderen Worten durch Polymerisation.
Das in 4 dargestellte Erhitzen des Backlacks kann beispielsweise erfolgen, nachdem bereits die ganze Spulenwicklung 23 durch Aufwickeln des Bandleiters erzeugt wurde. Bei dieser Variante sind also die Prozessschritte des Wickelns und des Verbindens der Wicklung durch den Backlack vollständig getrennt. Alternativ ist es aber auch möglich, dass der Verfahrensstand der Figur nur einen Zwischenstand darstellt und das Erhitzen (oder allgemein das Verbinden) durchgeführt wird, nachdem erst ein Teilbereich der Wicklung aufgewickelt wurde. Dieses Verbinden des Backlacks kann entweder gleichzeitig mit dem Aufwickeln oder alternierend mit der Bildung von Teilbereichen der Wicklung erfolgen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Möglichkeit, bereits während des Wickelns einen festen Verbund auszubilden, besteht darin, dass durch eine solche Zwischen-Fixierung unter Umständen eine höhere mechanische Stabilität beziehungsweise eine höhere geometrische Formtreue und Maßhaltigkeit erreicht werden kann.
Durch die beschriebene Möglichkeit der Zwischen-Fixierung können besonders vorteilhaft unerwünschte radiale Ausbauchungen im Bereich der geraden Längsschenkel vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden. Neben der gezeigten Rechteckform der Spule sind allgemein auch andere Querschnittsformen denkbar: So kann die Spulenwicklung insbesondere eine kreisförmige, rennbahnförmige oder ovale Querschnittsgeometrie aufweisen. Auch bei den anderen Spulenformen wird durch das beschriebene Verfahren die Einhaltung von vorgegebenen Maßen und Formen vorteilhaft erleichtert. Dies gilt insbesondere immer dann, wenn längere gerade Spulenschenkel vorliegen.
Eine weitere Vereinfachung im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren liegt darin, dass die bereits aufgewickelten Windungen vor der in 4 dargestellten Fixierung auch leicht wieder abgewickelt werden können. So kann bei einem Fehler beziehungsweise einer geometrischen Abweichung ein bereits gebildetes Teilstück der Wicklung wieder abgewickelt und der Fehler korrigiert werden. Erst wenn die geometrischen Anforderungen an die Wicklung erfüllt werden, wird in einem nachfolgenden Schritt (entweder für die ganze Wicklung oder das bereits gebildete Teilstück) der feste Spulenverbund durch Verbindung mit dem Backlack gebildet.
Bezugszeichenliste

1: Bandleiter
3: Substrat
5: supraleitende Schicht
7: normalleitende Deckschicht
9: Leiterverbund
11: Isolationsschicht
21: Spuleneinrichtung
23: Spulenwicklung
25: Kühlplatte
31a: erste Hauptfläche des Substrats
31b: zweite Hauptfläche des Substrats
33a: erste Hauptfläche des Leiterverbunds
33b: zweite Hauptfläche des Leiterverbunds
35a: erste Seite des Bandleiters
35b: zweite Seite des Bandleiters
41: Gasstrom
43: Heizelement
45: Wicklungsträger
47: Längsschenkel
49: Querschenkel
A: Wicklungsachse
a: axiale Richtung
d: kleinster Durchmesser
d1: Gesamtdicke des Bandleiters
d11: Schichtdicke der Isolationsschicht
h: Wicklungshöhe
p1: erster Wärmepfad
p2: zweiter Wärmepfad
p3: dritter Wärmepfad
r: radiale Richtung
w_i: Windungen

Claims

Supraleitender Bandleiter (1), umfassend - ein bandförmiges Substrat (3) mit zwei Hauptflächen (31a,31b) und - zumindest eine auf einer ersten Hauptfläche (31a) des Substrats (3) aufgebrachte flächige supraleitende Schicht (5) - sowie wenigstens eine flächige, außenliegende elektrische Isolationsschicht (11), welche auf wenigstens einer der Hauptflächen (33a) des so gebildeten Leiterverbundes (9) aufgebracht ist, - wobei die Isolationsschicht (11) aus einem Backlack gebildet ist, welcher geeignet ist, den Bandleiter (1) in einer Spulenwicklung aus mehreren Windungen (w_i) dieses Bandleiters (1) durch Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks mit der benachbarten Windung fest zu verbinden.
Bandleiter (1) nach Anspruch 1, welcher durch Erhitzen des Backlacks auf eine Temperatur im Bereich zwischen 50°C und 300°C mit einer benachbarten Windung verbindbar ist.
Bandleiter (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die Isolationsschicht (11) auf der Seite (35a) des Bandleiters (1) angeordnet ist, welche die supraleitende Schicht (5) trägt und/oder auf der Seite (35b) des Bandleiters (1) angeordnet ist, welche von der supraleitenden Schicht (5) abgewandt ist.
Bandleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Isolationsschicht (11) als Direktbeschichtung auf der darunterliegenden Schicht (7,3) aufgebracht ist.
Bandleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Isolationsschicht (11) eine Schichtdicke (d11) im Bereich zwischen 1 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 2 µm und 20 µm aufweist.
Bandleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Isolationsschicht (11) aus einem Material gebildet ist, welches eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 0,1 W/(m·K) aufweist.
Bandleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die supraleitende Schicht (5) ein hochtemperatursupraleitendes Material umfasst.
Bandleiter (1) nach Anspruch 7, bei welchem die Isolationsschicht (11) ein Polyvinylbutyral und/oder ein Polyamid umfasst.
Bandleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die außenliegende Isolationsschicht (11) eine Oberflächenrauigkeit von höchstens 25% der zugehörigen Schichtdicke (d11) aufweist.
Supraleitende Spuleneinrichtung (21), welche eine Spulenwicklung (23) mit einer Mehrzahl von Windungen (w_i) aus einem supraleitenden Bandleiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, wobei die einzelnen Windungen (w_i) durch Erhitzen und/oder Anlösen der Isolationsschicht (11) fest miteinander verbunden sind.
Spuleneinrichtung (21) nach Anspruch 10, bei welcher die Delaminationsspannung der Verbindung der benachbarten Bandleiter-Windungen (w_i) oberhalb von 5 MPa liegt.
Spuleneinrichtung (21) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, welche einen Wicklungsträger (25,45) umfasst und bei der der Wicklungsverbund der Spulenwicklung (23) durch das Material der Isolationsschicht (11) elektrisch gegen den Wicklungsträger (25,45) isoliert und/oder mechanisch mit diesem verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spuleneinrichtung (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 aus einem Bandleiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, - bei welchem der Bandleiter (1) in einem trockenen Wicklungsverfahren zu einer Spulenwicklung (23) aus einer Mehrzahl von Windungen (w_i) aufgewickelt wird, - wobei die so gebildeten übereinanderliegenden Windungen (w_i) durch Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks miteinander zu einem festen Wicklungsverbund verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem das Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks zumindest für einen Teilbereich der Spulenwicklung (23) während des Wickelns erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem das Erhitzen und/oder Anlösen des Backlacks erst nach dem Abschluss des trockenen Wicklungsverfahrens erfolgt.