DE102019202053A1 - Spulenelement und elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Es wird ein elektrisches Spulenelement (25) mit einer Spulenwicklung (1) angegeben, die mehrere Windungen (W) eines supraleitenden Leiterelements (3) aufweist,- wobei das supraleitende Leiterelement (3) ein Schichtsystem aus mehreren übereinanderliegenden Schichten (32,34,36,38,39) unterschiedlicher Materialien aufweist, von denen wenigstens eine Schicht eine supraleitende Schicht (36) ist,- und wobei die Spulenwicklung (1) auf einer ringförmig geschlossenen ellipsenartigen Grundform basiert, welche auf ihrem inneren Umfang durch eine ellipsenartige Kurve (20) begrenzt ist,- wobei diese ellipsenartige Kurve (20) zwei Halbachsen aufweist, deren Längen (a,b) unterschiedlich voneinander gewählt sind.Weiterhin wird eine elektrische Maschine mit wenigstens einem solchen elektrischen Spulenelement angegeben.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Spulenelement mit einer Spulenwicklung, die mehrere Windungen eines supraleitenden Leiterelements aufweist, wobei das supraleitende Leiterelement ein Schichtsystem aus mehreren übereinanderliegenden Schichten unterschiedlicher Materialien aufweist, von denen wenigstens eine Schicht eine supraleitende Schicht ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen elektrischen Spulenelement.
• Aus dem Stand der Technik sind elektrische Spulenelemente bekannt, deren Spulenwicklung durch Aufwickeln eines aus mehreren Materialschichten bestehenden supraleitenden Leiterelements gebildet ist. Ein solches aus mehreren Lagen gebildetes Leiterelement wird häufig auch als laminiertes Leiterelement oder beschichtetes Leiterelement bezeichnet (englisch: „coated conductor“). Besonders häufig kommen derartige laminierte Leiterelemente in supraleitenden Spulenelementen zum Einsatz. Dort liegen die Leiterelemente typischerweise in Form von supraleitenden Bandleitern vor, bei welchen ein supraleitendes Material flächig auf einem metallischen Substratband abgeschieden ist. Ein solcher Bandleiter kann dabei optional weitere Schichten umfassen, beispielsweise ein oder mehrere Pufferschichten, elektrische Stabilisierungsschichten und/oder Isolationsschichten. Wenn aus derartigen Bandleitern elektrische Spulen gewickelt werden, dann werden die einzelnen Windungen der Wicklung oft elektrisch gegeneinander isoliert und sie werden häufig auch miteinander zu einem mechanisch festen Wicklungsverbund verbunden. Supraleitende Spulen werden meist 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 oder Imprägnierung. 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.
• Ein Problem bei derartigen Spulenwicklungen aus laminierten supraleitenden Leiterelementen ist, dass bei starken Temperaturänderungen durch die Unterschiede in den thermischen Expansionskoeffizienten der einzelnen Materialien des Schichtsystems hohe mechanische Spannungen entstehen können. Eine solche starke Temperaturänderung kommt beispielsweise bei der Abkühlung einer supraleitenden Spulenwicklung auf eine kryogene Betriebstemperatur zustande. Besonders problematisch sind hierbei sowohl Scherspannungen innerhalb der Schichtebene als auch Zugspannungen, die senkrecht zur Schichtebene wirken und auf diese Weise die einzelnen Schichten des Leiterelements auseinanderziehen können. Allgemein können die aufgrund von solchen Temperaturänderung entstehenden mechanischen Spannungen leicht zu einer Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften des supraleitenden Leiterelements und im Extremfall sogar zu einer Delamination des Schichtsystems führen. Solche Schädigungen sind insbesondere bei Spulen mit hochtemperatursupraleitenden Bandleitern problematisch. Die Delaminationsanfälligkeit aufgrund von thermisch bedingten mechanischen Spannungen ist dabei umso größer, je größer die Unterschiede in den thermischen Expansionskoeffizienten zwischen den einzelnen Komponenten des Wickelverbundes ist.
• Das beschriebene Problem existiert für alle Spulengeometrien, also beispielsweise für flache Kreisspulen, aber auch für Rennbahnspulen, Rechteckspulen oder Sattelspulen, wie sie häufig in elektrischen Maschinen Verwendung finden. Besonders kritisch ist es dabei generell, wenn durch die Abkühlung auf eine kryogene Betriebstemperatur eine zum Zentrum der Spulenwicklung gerichtete antiparallele radiale Zugspannung auf den laminierten Leiter wirkt. Eine solche radiale Zugspannung zieht die einzelnen laminierten Schichten auseinander, während umgekehrt eine von radial außen wirkende Druckspannung die einzelnen Schichten aufeinanderdrückt und so tendenziell vor einer Schädigung beziehungsweise Delamination schützt.
• Um die Delamination in einer solchen supraleitenden Spulenwicklung zu verringern, wird daher in der DE102011077457A1 vorgeschlagen, die Spulenwicklung so herzustellen, dass sowohl bei Raumtemperatur als auch bei einer Betriebstemperatur ein positiver radialer Druck von außen auf die Lagen der Spulenwicklung besteht. Hierzu soll die Spule beispielsweise mit einem besonders hohen Wickelzug gewickelt werden, so dass auch nach einer Abkühlung der Spule noch ein positiver radialer Druck vorliegt.
• Auch die DE102010040272A1 beschreibt verschiedene Maßnahmen, um eine Schädigung von supraleitenden Spulen durch thermische Schrumpfung zu verhindern. So wird beispielsweise vorgeschlagen, einen innenliegenden Spulenträger aus einem vergleichsweise wenig thermisch schrumpfenden Material zu verwenden, damit die Wicklung von außen auf den Spulenträger aufschrumpfen kann und somit radial komprimiert wird. Weiterhin wird hier vorgeschlagen, durch einen besonders hohen Wickelzug einen positiven radialen Druck auf die Wicklung zu erzeugen.
• Problematisch bei den bekannten Lösungsvorschlägen ist, dass ein positiver radialer Druck zwar bei kreisförmigen Spulen relativ leicht durch einen entsprechend hohen Wickelzug erreicht werden kann, dass dies jedoch bei Spulengeometrien mit geraden Spulenschenkeln nicht ohne weiteres möglich ist. Insbesondere bei Spuleneinrichtungen in elektrischen Maschinen sind rennbahnförmige und/oder rechteckförmige Spulengeometrien weit verbreitet, sowohl im Rotor als auch im Stator. Solche Spulen weisen meist relativ lange gerade Spulenschenkel auf, welche sich in axialer Richtung der Maschine erstrecken. Da im Bereich dieser geraden Schenkel keine nach innen gerichtete Krümmung der Spule vorliegt, kann der Wickelzug an diesen Stellen nicht genutzt werden, um einen nach innen gerichteten radialen Druck auf die Wicklung zu erzeugen.
• Aus diesem Grund ist in rechteckförmigen beziehungsweise rennbahnförmigen supraleitenden Maschinenspulen die praktisch erreichbare Wicklungshöhe noch stärker begrenzt als bei kreisförmigen Spulenwicklungen. Bei einer niedrigen Wicklungshöhe und einer entsprechend geringen Anzahl von Windungen ist die insgesamt durch differenziellen thermischen Schrumpf auftretende, unerwünschte mechanische Belastung noch vergleichsweise niedrig. Die Spannungen werden immer stärker, je mehr Windungen in der Wicklung vorliegen und je höher die Wicklung ist. Mit anderen Worten wird also in der Praxis das Problem einer Schädigung und/oder Delamination des laminierten Leiters dadurch gelöst, dass die Wicklungshöhe von Rechteckspulen und/oder Rennbahnspulen aus supraleitenden Bandleitern typischerweise auf maximal 10% des kleinsten Innendurchmessers begrenzt wird. Damit sind supraleitende Maschinenspulen in praktischen Anwendungen auf relativ schlanke Spulenwicklungen beschränkt, obwohl dickere Spulen (also höhere Wicklungen mit mehr Windungen) deutliche Vorteile bei der Erhöhung der Leistungsdichte von solchen elektrischen Maschinen bieten würden. Es besteht also weiterhin ein Bedarf an zusätzlichen Maßnahmen, um das Problem der thermisch induzierten Spannungen in Spulenwicklungen aus laminierten Leiterelementen zu adressieren, insbesondere bei Spulenwicklungen, die im Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine zum Einsatz kommen sollen.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrisches Spulenelement anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Spulenelement zur Verfügung gestellt werden, bei welchem die Gefahr einer thermischen Schädigung des Schichtaufbaus des supraleitenden Leiterelements wirksam reduziert ist. Vorteilhaft soll beim Einsatz in einer elektrischen Maschine gleichzeitig eine hohe elektromagnetische Wechselwirkung mit anderen Komponenten der Maschine bewirkt werden können. Mit anderen Worten soll ein vergleichsweise robustes supraleitendes Spulenelement zur Verfügung gestellt werden, welches sich insbesondere zur Anwendung in einer elektrischen Maschine mit einer hohen Leistungsdichte eignet. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit einem derartigen elektrischen Spulenelement anzugeben.
• Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene elektrische Spulenelement und die in Anspruch 13 beschriebene elektrische Maschine gelöst.
• Das erfindungsgemäße elektrische Spulenelement umfasst eine Spulenwicklung, die mehrere Windungen eines supraleitenden Leiterelements aufweist. Das supraleitende Leiterelement umfasst ein Schichtsystem aus mehreren übereinanderliegenden Schichten unterschiedlicher Materialien, von denen wenigstens eine Schicht eine supraleitende Schicht ist. Die Spulenwicklung basiert auf einer ringförmig geschlossenen ellipsenartiger Grundform, welche zumindest auf ihrem inneren Umfang durch eine ellipsenartige Kurve begrenzt ist. Diese ellipsenartige Kurve weist zwei Halbachsen a und b auf, deren Längen unterschiedlich voneinander gewählt sind.
• Unter einer supraleitenden Schicht soll dabei im vorliegenden Zusammenhang eine solche Schicht verstanden werden, welche ein supraleitendes Material als Bestandteil aufweist. Sie muss also insbesondere nicht ausschließlich aus einem solchen supraleitenden Material bestehen.
• Eine „ellipsenartige Kurve“ soll im vorliegenden Zusammenhang definiert sein als eine geschlossene Kurve, welche durchgehend konvex und an jedem Punkt zweimal stetig differenzierbar ist. Sie soll weiterhin in einer Ebene liegen und zwei zueinander senkrecht stehende Symmetrieachsen aufweisen. Ihre Krümmung erreicht höchstens punktuell einen Wert von Null, während ausgedehnte Bereiche mit einer Krümmung von Null ausgeschlossen sind. Eine derartige Kurve ist eine spezielle Form eines Ovals und weist in jedem Fall eine geometrische Ähnlichkeit zu einer Ellipse auf, wobei die echten Ellipsen wiederum Spezialfälle von solchen „ellipsenartigen Kurven“ sind. Gemäß einer allgemein besonders bevorzugten Form der ellipsenartigen Kurve ist die Krümmung sogar an jedem Punkt der Kurve von Null verschieden.
• Unter der beschriebenen „ringförmig geschlossenen ellipsenartigen Grundform“ soll im vorliegenden Zusammenhang eine zweifach zusammenhängende Querschnittsfläche in der Ebene verstanden werden. Eine solche ringförmige Querschnittsfläche wird durch zwei Kurven, nämlich eine innere Begrenzungskurve und eine äußere Begrenzungskurve, begrenzt. Zumindest die innere Begrenzungskurve soll bei einer „ellipsenartigen Grundform“ durch eine ellipsenartige Kurve mit den oben beschriebenen Merkmalen gegeben sein. Allgemein vorteilhaft ist es jedoch, wenn auch die äußere Begrenzungskurve durch eine (entsprechend größere) ellipsenartige Kurve ähnlicher Form gegeben ist.
• Unter der Formulierung, dass die Spulenwicklung auf einer solchen ringförmig geschlossenen ellipsenartigen Grundform „basiert“, sollen hier zwei alternative Möglichkeiten verstanden werden:
• Bei der ersten Möglichkeit ist die Spulenwicklung selbst planar. In diesem Fall entspricht ihre Querschnittsform innerhalb der Ebene der oben definierten „ringförmig geschlossenen ellipsenartigen Grundform“, welche ebenfalls planar ist. Bei der zweiten Möglichkeit ist die Spulenwicklung eine aus der Ebene heraus gebogene Spulenwicklung, welche aber durch Verbiegen einer planaren Spulenwicklung entsprechend der ersten Möglichkeit erzeugt werden kann. Auch eine solche, von der „ellipsenartigen Grundform“ abgeleitete Form, soll durch die allgemeine Formulierung, dass die Wicklung auf der ringförmig geschlossenen ellipsenartigen Grundform „basiert“, mit umfasst werden.
• Durch das Merkmal, dass die Längen der Halbachsen a und b unterschiedlich gewählt sind, soll lediglich sichergestellt werden, dass die ellipsenartige Grundform keine höhere Symmetrie als die der beiden beschriebenen Symmetrieachsen aufweist, insbesondere dass sie nicht kreissymmetrisch ist.
• Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen elektrischen Spulenelements liegt darin, dass die Spulenwicklung auf dem weit überwiegenden Teil ihres Umfangs eine von Null verschiedene Krümmung nach innen aufweist. Hierdurch ergibt sich beim Wickeln der Spule der entscheidende Vorteil, dass der an dem supraleitenden Leiterelement anliegende Wickelzug eine nach innen (also in Richtung des Zentrums der Spulenwicklung) wirkende Wickelzugkomponente aufweist. Diese Art von nach innen wirkende Wickelzugkomponente wird im Folgenden auch als „radiale Wickelzugkomponente“ bezeichnet, in Analogie zur Kreisspule, auch wenn es sich hier nicht um kreissymmetrische Geometrien handelt. Das Vorliegen einer solchen radialen Wickelzugkomponente auf dem ganzen Umfang der Wicklung bewirkt, dass für alle Bereiche der Spulenwicklung ein positiver radialer Druck auf das supraleitende Leiterelement erzeugt wird. Insbesondere wenn dieses Leiterelement ein Bandleiter ist und die Bandebene in der Wicklung senkrecht zur (gegebenenfalls lokalen) Wicklungsebene liegt, wird durch einen solchen radialen Druck eine Kompression des Schichtstapels des Bandleiters erreicht. Durch eine derartige Kompression kann die Gefahr einer Schädigung des geschichteten Leiterelements wirksam reduziert werden. Hierdurch kann das erfindungsgemäße elektrische Spulenelement deutlich robuster gegenüber einer thermisch induzierten Schädigung sein als herkömmliche Rechteckspulen oder Rennbahnspulen vergleichbarer Geometrie. Dies liegt vor allem daran, dass die geraden Schenkel der herkömmlichen Spulenformen für Maschinenspulen vermieden werden. Im Unterschied zu herkömmlichen kreisförmigen Spulen sind jedoch bei der ellipsenartigen Grundform trotzdem zwei gegenüberliegende länglichere Spulenschenkel gegeben, welche beispielsweise in einer elektrischen Maschine einen wesentlichen Teil zur elektromagnetischen Wechselwirkung des Spulenelements mit dem umgebenden Feld beitragen können.
• Ein zusätzlicher Vorteil der an nahezu allen Umfangspositionen vorhandenen konvexen Krümmung kann darin gesehen werden, dass durch die radiale Wickelzugkomponente das Entstehen von unerwünschten „Ausbauchungen“ beim Herstellen der Wicklung leichter vermieden werden kann. Solche Ausbauchungen bilden sich leicht im Bereich der geraden Schenkel von Rechteckspulen beziehungsweise Rennbahnspulen, da hier kein radialer Wickelzug vorhanden ist, um die weiter außenliegenden Windungen an die inneren Windungen anzudrücken. Vor allem beim Nasswickeln bewirkt das zwischen den einzelnen Windungen aufgebrachte Imprägnierharz häufig ein entsprechendes Nach-Außen-Beulen der außenliegenden Windungen. Dieser Effekt ist generell unerwünscht, da hierdurch auf undefinierte Weise von der vorgegebenen Wicklungsgeometrie abgewichen wird. Insbesondere variiert dann die Wicklungshöhe über den Umfang der Wicklung, und die Wicklung weist auf ihrem Innendurchmesser und ihrem Außendurchmesser eine leicht unterschiedliche Form auf. Auch dieser unerwünschte Effekt kann also durch die Formgebung des erfindungsgemäß ausgestalteten Spulenelements vorteilhaft vermieden werden.
• Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist wenigstens ein erfindungsgemäßes Spulenelement auf. Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Maschine ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Spulenelements.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Spulenelements und der Maschine allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
• Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform liegt das Längenverhältnis a/b der beiden Halbachsen a und b der ellipsenartigen Kurve zwischen 1,5 und 5. Unter den jeweiligen „Halbachsen“ sollen hier allgemein (in Analogie zur echten Ellipse) die halben Durchmesser der ellipsenartigen Kurve auf ihren beiden Symmetrieachsen verstanden werden.
• Ein Längenverhältnis im genannten Wertebereich ist besonders vorteilhaft für die Verwendung eines solchen Spulenelements in einer elektrischen Maschine. Die untere Grenze und damit die vorteilhafte Mindeststreckung der ellipsenartigen Kurve ergibt sich daraus, dass selbst bei einer elektrischen Maschine mit einer relativ kurzen axialen Länge eine gestreckte Spulenform zweckmäßig ist, um eine gute elektromagnetische Wechselwirkung in der Maschine zu erreichen. Dies gilt unabhängig davon, ob das Spulenelement beispielsweise im Rotor einer Maschine oder im Stator eine Maschine zum Einsatz kommt. Die genannte obere Grenze und damit die vorteilhafte Maximalstreckung der ellipsenartigen Kurve ergibt sich andererseits daraus, dass bei sehr langgestreckten Spulenformen selbst bei einer ellipsenartigen Grundform die konvexe Krümmung im Bereich der Scheitelpunkte der Längsschenkel vergleichsweise klein wird. In dem genannten vorteilhaften Bereich wird also sowohl eine hinreichend hohe elektromagnetische Wechselwirkung als auch eine hinreichend hohe konvexe Krümmung auf dem Umfang der Spulenform erreicht.
• Weiterhin ist es allgemein vorteilhaft, wenn die ellipsenartige Kurve einen minimalen Krümmungsradius r_min und einen maximalen Krümmungsradius r_max aufweist, wobei das Verhältnis dieser beiden extremen Krümmungsradien r_max/r_min bei höchstens 5 liegt. Bei einer echten Ellipse sind diese beiden extremen Krümmungsradien durch die Krümmungsradien der Scheitelkrümmungskreise gegeben. Durch diese Radien werden also die Krümmungen der Ellipse im Bereich der Schnittpunkte mit den beiden Halbachsen a und b angegeben. Das Verhältnis r_max/r_min ist bei einer echten Ellipse wiederum genau durch das Verhältnis der Halbachsen a/b gegeben.
• Aber auch bei nicht perfekten Ellipsen (also allgemeinen ellipsenartigen Kurven) ist ein Verhältnis der Krümmungsradien im oben genannten Wertebereich vorteilhaft, um eine gewisse vorteilhafte Mindestkrümmung auch im Bereich der Längsschenkel der Spule zu erreichen. Das vorteilhafte Verhältnis der Krümmungsradien gilt dabei unabhängig von der absoluten Größe der Spulenwicklung. Allgemein besonders vorteilhaft liegt das Verhältnis der Krümmungsradien r_max/r_min in einem Bereich zwischen 1,5 und 5.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die ellipsenartige Kurve ein Lamesches Oval. Ein Lamesches Oval ist durch eine Punktmenge darstellbar, welche die folgende Gleichung erfüllt: $${\left(\frac{x}{a}\right)}^m+{\left(\frac{y}{b}\right)}^n=\mathrm{1,}$$

  
• - wobei x und y die kartesischen Koordinaten der Punktmenge sind,
• - wobei a und b die Halbachsen der ellipsenartigen Kurve sind
• - und wobei die Exponenten m und n unabhängig voneinander wählbar und jeweils ≥2 sind.
• Ein solches Lamesches Oval erfüllt die weiter oben beschriebenen Anforderungen an die Symmetrie, Konvexität und stetige Differenzierbarkeit der ellipsenartigen Kurve. Eine echte Ellipse stellt dabei einen Spezialfall eines solchen Lameschen Ovals dar, wobei m = n = 2 ist. Wenn m und/oder n größer als 2 gewählt sind, nähert sich die ellipsenartige Kurve mit steigenden Exponenten mehr der Form eines Rechtecks an. Dies kann für eine vergleichsweise hohe elektromagnetische Wechselwirkung in einer elektrischen Maschine vorteilhaft sein. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn beide Exponenten m und n jeweils in einem Bereich zwischen 2 und 4 liegen. Durch eine derartige Begrenzung der Exponenten nach oben hin wird eine gewisse Krümmung auch im Bereich der Längssegmente der Spulenwicklung gewährleistet. Allgemein kann es vorteilhaft sein, die beiden Exponenten m und n unterschiedlich zu wählen, insbesondere wenn die thermischen Gegebenheiten und/oder Anforderungen an die Einhaltung einer definierten Geometrie im Bereich der Längsschenkel und im Bereich der axial endständigen Schenkel der Spulenwicklung unterschiedlich sind.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die ellipsenartige Kurve eine echte Ellipse, mit anderen Worten ist bei der oben angegebenen Formel m = n = 2. eine derartige Spulenform kann besonders vorteilhaft sein, um eine gewisse längliche Streckung der Spule zu erreichen und trotzdem an jedem Punkt ihres Umfangs eine deutliche konvexe Krümmung zu gewährleisten. Ein weiterer Vorteil der elliptischen Form ist darin zu sehen, dass zwischen dem Kreis und der Ellipse eine konforme Abbildung in Form der Joukowski-Transformation existiert. Hierdurch ist gewährleistet, dass analytische Beschreibungen, welche beispielsweise für die Berechnung der elektrischen Wechselwirkung oder der mechanischen Kräfte einer kreisförmigen Spulenwicklung existieren, auch für eine elliptische Spulenwicklung angewendet werden können.
• Gemäß einer ersten, allgemein vorteilhaften Variante für die dreidimensionale Ausgestaltung der Spulenwicklung ist diese eine ebene Wicklung mit einer vorgegebenen Wicklungsebene, wobei die Spulenwicklung innerhalb dieser Wicklungsebenen eine ringförmig geschlossene ellipsenartige Grundform als Querschnittsform aufweist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Spulenwicklung dann um eine Flachspule mit ellipsenartiger Grundform. Eine solche Flachspule kann aufgrund ihrer Symmetrieeigenschaften Vorteile in Bezug auf ihre Herstellung und Handhabbarkeit aufweisen.
• Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsvariante kann die Spulenwicklung aber auch allgemein eine gebogene Wicklung sein, welche durch Biegung aus einer planaren ellipsenartigen Grundform hervorgegangen ist. Insbesondere kann es sich dabei um eine Sattelspule handeln, bei der die ellipsenartige Grundform so gebogen ist, dass die gebogene Spule auf einer Kreiszylindermantelfläche angeordnet werden kann. Eine solche Spulenform kann beispielsweise vorteilhaft sein, um den zur Verfügung stehenden Platz auf einem kreiszylindrischen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine besonders gut auszunutzen. Sie kann auch vorteilhaft sein, um eine hohe elektromagnetische Wechselwirkung mit anderen, radial dicht benachbarten Spulenelementen zu erzielen und/oder um die radial innenliegenden Bereiche im Zentrum eines zylindrischen Rotors (oder auch Stators) von den Spulenwicklungen freizuhalten.
• Unabhängig von der genauen dreidimensionalen Ausgestaltung (also planar oder gebogen) ist es allgemein vorteilhaft, wenn das supraleitende Leiterelement ein flacher supraleitender Bandleiter ist. Insbesondere kann die Bandebene des Bandleiters dann vorteilhaft senkrecht zur (ursprünglichen) Wicklungsebene liegen. Hierbei wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen besonders effektiv eine Kompression des Schichtsystems und somit ein Schutz vor einer möglichen Delamination erreicht.
• Unabhängig vom genauen Aufbau des supraleitenden Leiterelements kann dessen supraleitende Schicht allgemein vorteilhaft ein hochtemperatursupraleitendes Material umfassen. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Kuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb 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. Gerade bei diesen Materialien sind Maßnahmen zur Vermeidung einer Delamination des Schichtsystems besonders wichtig.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Schichtsystem des Leiterelements ein bandförmiges metallisches Substrat. Dabei kann die supraleitende Schicht als flächige Schicht auf einer der Hauptflächen dieses Substrats abgeschieden sein. Optional können dabei zwischen Substrat und Supraleiter ein oder mehrere zusätzliche Zwischenschichten vorgesehen sein. Weiterhin kann die Spulenwicklung innerhalb der einzelnen Windungen des Leiterelements und/oder zwischen den einzelnen Windungen des Leiterelements wenigstens eine Schicht aus einem polymeren organischen Material aufweisen. Beispielsweise kann eine elektrische Isolationsschicht aus einem solchen polymeren Material innerhalb des Leiterelements vorliegen (also als eine Schicht innerhalb seines Schichtsystems). Es kann aber auch ein zwischen die einzelnen Windungen eingebrachter elektrischer Isolator sein, beispielsweise ein dazwischen gelegtes Isolierband, ein polymeres Imprägniermittel oder auch ein Vergussmittel, insbesondere aus Epoxidharz.
• In jedem Fall kommen die Vorteile der Erfindung immer dann besonders zum Tragen, wenn entweder innerhalb des geschichteten Leiterelements oder zumindest innerhalb des Schichtsystems der daraus gebildeten Wicklung Materialien mit stark unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten vorliegen. Besonders stark unterschiedlich ist der thermische Schrumpf zwischen dem häufig verwendeten metallischen Substrat und dem häufig ebenfalls vorhandenen Isolator aus einem polymeren organischen Material.
• Allgemein vorteilhaft weist das Spulenelement einen Wicklungsträger auf, der die Spulenwicklung mechanisch trägt. Dies kann insbesondere ein radial innenliegender Wicklungsträger sein, auf dessen Außenfläche die Spulenwicklung mechanisch gehalten ist. Zweckmäßig weist ein solcher Wicklungsträger eine ringförmig geschlossene ellipsenartige Grundform auf, welche auf ihrem äußeren Umfang durch eine ellipsenartige Kurve begrenzt ist. Insbesondere liegt dann die Spulenwicklung auf dieser Außenfläche auf. Besonders vorteilhaft entspricht dann die ellipsenartige äußere Kurvenformform des Wicklungsträgers im Wesentlichen der ellipsenartigen inneren Kurvenform der Spulenwicklung, da diese beiden Begrenzungsflächen zweckmäßig miteinander in Berührung sind.
• Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform weist die Spulenwicklung eine Wicklungshöhe H auf, welche wenigstens 10 % des kleinsten Innendurchmessers ID der Spulenwicklung beträgt. Die Wicklungshöhe H ergibt sich dabei allgemein aus der Windungszahl multipliziert mit der durchschnittlichen Windungsdicke. Bei kreissymmetrischen Spulen ist dies die Spulendicke in radialer Richtung. Vorteilhaft ist die Wicklungshöhe H bei den gemäß der vorliegenden Erfindung geformten Spulen im Wesentlichen über den Umfang konstant. Sie ergibt sich insbesondere aus der Differenz des kleinsten Außendurchmessers OD und des kleinsten Innendurchmessers ID, also H = OD - ID. Dabei ist der kleinste Innendurchmesser ID gleich dem Doppelten der kleinen Halbachse b der inneren Begrenzungskurve der Spulenwicklung: ID = 2-b. Der kleinste Innendurchmesser ID soll also auch für nicht kreissymmetrische Geometrien durch die kleinste, durch das Zentrum gehende innere Abmessung gegeben sein, der kleinste Außendurchmesser OD in analoger Weise durch die entsprechende kleinste äußere Abmessung.
• Wenn H wenigstens 10% von ID beträgt, dann handelt es sich um eine vergleichsweise dicke Spulenwicklung. Die Herstellung beziehungsweise die praktische Verwendung einer solchen dicken Spulenwicklung wird durch die vorliegende Erfindung deutlich erleichtert, weil trotz der fehlenden Kreissymmetrie eine nach innen gerichtete Wickelzugkomponente vorliegt und somit über den gesamten Umfang der Spule ein positiver radialer Druck zustande kommen kann. Dies vermindert das Risiko einer Delamination und erhöht die Robustheit gegenüber thermisch induzierten mechanischen Belastungen. Hierdurch wird es möglich, im Vergleich zum Stand der Technik dickere länglich geformte Spulenwicklungen herzustellen und zu verwenden, bei einem verringerten Risiko einer Schädigung des Leiters beziehungsweise des Wicklungssystems. Besonders vorteilhaft liegt die Wicklungshöhe H sogar bei wenigstens 20% vom Innendurchmesser, insbesondere im Bereich zwischen 20% ID und 40% ID.
• Allgemein vorteilhaft ist die Spulenwicklung mit einem Wickelzug des Leiterelements von wenigstens 10 N gewickelt, besonders vorteilhaft sogar mit einem Wickelzug von wenigstens 25 N oder sogar wenigstens 40 N. Mit den heutzutage verfügbaren supraleitenden Bandleitern (insbesondere den HTS-Bandleitern zweiter Generation) kann ein derart hoher Wickelzug eingesetzt werden, ohne dass es schon beim Wickeln zu einer mechanischen Schädigung des Bandleiters kommt. Durch diesen hohen Wickelzug wird im Zusammenspiel mit der beschriebenen konvexen Krümmung der ellipsenartigen Spulenform eine nach innen gerichtete radiale Wickelzugkomponente mit den weiter oben beschriebenen Vorteilen erreicht.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Maschine kann diese einen Rotor mit wenigstens einem erfindungsgemäßen elektrischen Spulenelement aufweisen. Es kann sich also allgemein bei dem elektrischen Spulenelement um ein Spulenelement für einen Rotor einer elektrischen Maschine handeln.
• Alternativ oder zusätzlich zu dieser Ausgestaltung des Rotors kann die Maschine auch einen Stator mit wenigstens einem erfindungsgemäßen elektrischen Spulenelement aufweisen. Es kann sich also allgemein bei dem elektrischen Spulenelement um ein Spulenelement für einen Stator einer elektrischen Maschine handeln.
• Grundsätzlich kann das Spulenelement aber auch für andere Anwendungen ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein solches Spulenelement in einem elektrischen Transformator zum Einsatz kommen. Auch hier kommen die Vorteile der Erfindung zum Tragen, denn es kann auch bei anderen Anwendungen wünschenswert sein, eine länglich geformte Spule zu verwenden, wobei trotzdem durch einen positiven radialen Druck eine Robustheit gegenüber thermischer Delamination erreicht wird. Eine länglich geformte Transformatorspule kann beispielsweise günstig sein, um eine einfachere Anpassung an die Form eines innenliegenden gestapelten Transformatorblech-Pakets zu erreichen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer herkömmlichen Spulenwicklung mit einer rennbahnförmigen Grundstruktur zeigt,
• 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Spulenwicklung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
• 3 einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden Leiterelements zeigt,
• 4 einen Vergleich von drei verschiedenen ellipsenartigen Kurven zeigt und
• 5 einen Vergleich der minimalen und maximalen Krümmung einer Ellipse zeigt.
• In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• In 1 ist eine Spulenwicklung 1 im schematischen Querschnitt gezeigt. Es handelt sich um eine herkömmliche Spulenwicklung mit einer rennbahnförmigen Geometrie. Es ist eine planare Wicklung, wobei die Papierebene hier der Wicklungsebene entspricht. Die kartesischen Koordinatenachsen innerhalb dieser Ebene sind mit x und y bezeichnet. In dieser Spulenwicklung 1 sind mehrere Windungen W_i eines supraleitenden Leiterelements 3 übereinander zu der ringförmigen Spulenwicklung 1 gewickelt. Sowohl die innere Begrenzungskurve 10 als auch die äußere Begrenzungskurve 11 weisen dabei eine rennbahnförmige Geometrie auf. Sie sind jeweils aus zwei geraden Abschnitten und zwei halbkreisförmigen Abschnitten zusammengesetzt. Auf diese Weise ergeben sich für die gesamte Spulenwicklung 1 zwei gerade Spulenschenkel 5 und zwei halbkreisförmige Endstücke 6. Die halbkreisförmigen Endstücke 6 sind dabei durch einen Innenradius R gekennzeichnet. Der kleinste Innendurchmesser ID ist also durch ID = 2-R gegeben. Die geraden Spulenschenkel 5 weisen jeweils eine Länge 2-L auf (L ist also die halbe Länge eines solchen geraden Spulenschenkels 5). Für die elektromagnetische Wechselwirkung einer solchen Spulenwicklung 1 mit anderen Elementen ist die von der Spule eingeschlossene Fläche maßgeblich. Diese Fläche ist für die in 1 gezeigte Spulengeometrie durch F = 4LR + πR² gegeben. Die rennbahnförmige Spulenwicklung 1 der 1 weist die weiter oben beschriebenen Nachteile aufgrund der im Bereich der geraden Spulenschenkel 5 fehlenden radialen Wickelzugkomponente auf: Selbst wenn die Spulenwicklung 1 mit einem vergleichsweise hohen Wickelzug des Leiterelements 3 gewickelt ist, lässt sich im Bereich der geraden Spulenschenkel 5 hierdurch kein nach innen gerichteter radialer Druck erzeugen. Durch diesen Nachteil ist das Risiko einer Delamination (innerhalb des Leiterelements oder zwischen den Windungen der Wicklung) relativ groß, sodass in der Praxis die Wicklungshöhe H auf relativ kleine Werte begrenzt ist.
• In 2 ist eine ähnliche schematische Querschnittsdarstellung einer Spulenwicklung 1 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist hier ein elektrisches Spulenelement 25, welches neben der Spulenwicklung 1 noch einen Wicklungsträger 23 umfasst, welcher die Spulenwicklung 1 mechanisch trägt. Auch hier handelt es sich um eine ebene Wicklung aus mehreren übereinanderliegenden Windungen W_i eines supraleitenden Leiterelements 3. Dieses Leiterelement 3 kann ein supraleitender Bandleiter sein. Im Unterschied zur Spulenwicklung der 1 ist hier sowohl die innere Begrenzungskurve 20 als auch die äußere Begrenzungskurve 21 des Spulenelements jeweils eine ellipsenartige Kurve. Im gezeigten Beispiel handelt es sich jeweils um echte Ellipsen. Der Wicklungsträger 23 weist mit der Spulenwicklung 1 eine gemeinsame Kontaktfläche auf, die in der gezeigten Querschnittsdarstellung durch die innere Begrenzungskurve 20 repräsentiert ist. Für diese elliptische Kurve sind in 2 die geometrischen Parameter eingezeichnet: Die beiden Brennpunkte F₁ und F₂ der Ellipse liegen auf der x-Achse. Ihre beiden Halbachsen a und b liegen entsprechend auf den beiden kartesischen Koordinatenachsen x und y. Der kleinste Innendurchmesser ID der Ellipse ist durch ID = 2b gegeben.
• Auch in 2 ist die Wicklungshöhe mit H gekennzeichnet. Aufgrund der geänderten geometrischen Grundform liegen hier keine geraden Spulenschenkel vor wie bei der Rennbahnwicklung, sondern nur zwei eher längliche Spulenschenkel 15. Die elektrische Wechselwirkung, beispielsweise in einer elektrischen Maschine, wird trotzdem maßgeblich durch die Eigenschaften dieser länglichen Spulenschenkel 15 bestimmt. Eine wesentliche Größe für die elektrische Wechselwirkung ist auch hier die von der Spulenwicklung 1 eingeschlossene Fläche, welche bei der gezeigten elliptischen Geometrie durch F = abπ gegeben ist. Bei gleichen Außenabmessungen ist diese eingeschlossene Fläche aufgrund der stärkeren Krümmung der länglichen Spulenschenkel im Vergleich zur rennbahnförmigen Geometrie verkleinert. Aus diesem Grund wurden elliptische Spulen bisher nicht eingesetzt. Durch eine Vergrößerung der Außenabmessungen - insbesondere in y-Richtung - lässt sich jedoch auch für die elliptische Spulenform eine Spulenwicklung mit vergleichbarer umschlossener Fläche erreichen. Bei konstanter Länge in Längsrichtung ist die große Halbachse a der elliptischen Spule gleich dem Wert L+R einer vergleichbaren herkömmlichen Rennbahnspule. Unter dieser Voraussetzung wird die gleiche umschlossene Fläche bei einem Wert für die kleine Halbachse von b = (4LR + πR²) / ((L+R)π) erreicht. Bei einer derartigen „flächenäquivalenten“ Dimensionierung kann also durchaus eine vergleichbare elektromagnetische Wechselwirkung wie bei der rennbahnförmigen Spulenwicklung erreicht werden. In Kauf genommen werden muss jedoch, dass dann die äußere Abmessung in y-Richtung für die elliptische Spulenwicklung bei gleicher eingeschlossene Fläche etwas größer ist.
• In 3 ist ein schematischer Querschnitt eines beispielhaften supraleitenden Leiterelements 3 gezeigt. Es handelt sich um einen supraleitenden Bandleiter, wie er beispielsweise in der Spulenwicklung der 2 zum Einsatz kommen kann. Der Bandleiter umfasst in diesem Beispiel ein Substratband 32, das hier ein 100 µm dickes Substrat aus einer Nickel-Wolfram-Legierung ist. Alternativ sind auch Stahlbänder oder Bänder aus einer Legierung wie z.B. Hastelloy verwendbar. Über dem Substratband 32 ist eine 0,5 µm dicke Pufferschicht 34 angeordnet, die hier die oxidischen Materialien CeO₂ und Y₂O₃ enthält. Darüber folgt die eigentliche Supraleitungsschicht 36, hier eine 1 µm dicke Schicht aus YBa₂Cu₃O_x, die wiederum mit einer 50 µm dicken Deckschicht 38 aus Kupfer abgedeckt ist. Alternativ zu dem Material YBa₂Cu₃O_x können auch die entsprechenden Verbindungen REBa₂Cu₃O_x anderer seltener Erden RE verwendet werden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Substratbandes 32 ist hier eine weitere 50 µm dicke Deckschicht 38 aus Kupfer angeordnet, gefolgt von einem Isolator 39, der in diesem Beispiel als 25 µm dickes Kaptonband ausgebildet ist. Der Isolator 39 kann aber auch aus anderen isolierenden Materialien, insbesondere anderen Kunststoffen aufgebaut sein. In dem gezeigten Beispiel ist die Breite des Isolators 39 etwas größer als die Breite der übrigen Schichten des Bandleiters, so dass bei einer Wicklung der Spuleneinrichtung übereinander zu liegen kommende Windungen W_i , W_i+1 zuverlässig gegeneinander isoliert sind. Alternativ zu dem gezeigten Beispiel kann der Bandleiter 1 auch auf beiden Außenflächen Isolatorschichten umfassen, oder es können auch die seitlichen Bereiche des supraleitenden Bandleiters zusätzlich durch isolierende Schichten geschützt sein. Es ist weiterhin möglich, ein Isolatorband erst bei der Herstellung der Spulenwicklung als separates Band in die Spuleneinrichtung einzuwickeln.
• Typischerweise erfahren das Substratband 32, die Pufferschicht 34, die Supraleitungsschicht 36 und die Deckschichten 38 in ihrer Gesamtheit bei der Abkühlung von etwa 300 K auf etwa 30 K eine thermische Kontraktion von etwa 0,3 %. Für übliche Materialien des Isolators 39 und der als Vergussmasse oder Klebemasse eingesetzten Epoxide (also allgemein der organischen Polymere) liegt die thermische Kontraktion dagegen wesentlich höher, bei etwa 1.2 %. In einer Spulenwicklung führen diese großen Unterschiede bei der Abkühlung auf eine kryogene Betriebstemperatur zu der Ausbildung von radialen Zugspannungen. In der Folge können Schäden durch Delamination auftreten.
• In 4 ist ein Vergleich der geometrischen Formen von drei alternativen ellipsenartigen Kurven 41, 42 und 43 gezeigt. Diese unterschiedlichen ellipsenartigen Kurven können jeweils eine entsprechende ellipsenartige Spulenwicklung (analog zum Beispiel der 2) auf ihrem inneren Umfang begrenzen. Bei der Kurve 41 handelt es sich um eine echte Ellipse, ähnlich wie beim Beispiel der 2. Bei der ellipsenartigen Kurve 42 handelt es sich dagegen um ein Lamesches Oval mit m = n = 3. Bei der ellipsenartigen Kurve 43 handelt es sich um ein Lamesches Oval mit m = n = 5. aus den Beispielen der 4 ist gut zu erkennen, wie die Form der Ellipse bei ansteigenden Exponenten m und n sich der Form eines Rechtecks mehr und mehr annähert.
• In 5 ist ein Vergleich der minimalen und maximalen Krümmungsradien für eine weitere ellipsenartige Kurve 50 gezeigt. Auch bei dem hier gezeigten Beispiel handelt es sich um eine echte Ellipse. Bei der Ellipse 50 der 5 ist einer der beiden Hauptscheitel mit S₁ und einer der beiden Nebenscheitel mit S₃ bezeichnet. Im Bereich der jeweiligen Hauptscheitel S₁ weist die Ellipse ihre maximale Krümmung und somit ihren minimalen Krümmungsradius 55 auf. Im Bereich der Nebenscheitel S₃ weist die Ellipse ihre minimale Krümmung und somit ihren maximalen Krümmungsradius auf (welcher jedoch aus Platzgründen hier nicht eingezeichnet ist). Das Verhältnis dieser beiden Scheitelkrümmungsradien entspricht bei der echten Ellipse genau dem Verhältnis der beiden Halbachsen a/b. Auch für andere ellipsenartigen Kurven kann das Verhältnis zwischen minimalem Krümmungsradius und maximalem Krümmungsradius analog betrachtet werden und liegt vorteilhaft in einem Bereich zwischen 1,5 und 5. Dieser Wertebereich ist besonders vorteilhaft, weil einerseits eine hinreichend längliche Spulenform zur Verfügung gestellt werden kann und andererseits auf dem gesamten Umfang eine ausreichende konvexe Krümmung gegeben ist, um durch einen geeigneten Wickelzug einen positiven radialen Druck zwischen den einzelnen Windungen aufzubauen.
• Bezugszeichenliste

1

Spulenwicklung

3

supraleitendes Leiterelement

5

gerade Spulenschenkel

6

halbkreisförmige Endstücke

10

innere Begrenzungskurve

11

äußere Begrenzungskurve

15

längliche Spulenschenkel

20

innere Begrenzungskurve

21

äußere Begrenzungskurve#

23

Wicklungsträger

25

elektrisches Spulenelement

32

metallisches Substrat

34

Pufferschicht

36

Supraleiterschicht

38

Deckschicht

39

Isolationsschicht

41

erste ellipsenartige Kurve (Ellipse)

42

zweite ellipsenartige Kurve

43

dritte ellipsenartige Kurve

50

ellipsenartige Kurve

51

Scheitelkreis

53

Scheitelkreis

55

minimaler Krümmungsradius

a

große Halbachse

b

kleine Halbachse

F₁

erster Brennpunkt

F₂

zweiter Brennpunkt

H

Wicklungshöhe

ID

kleinster Innendurchmesser

L

halbe Länge des geraden Spulenschenkels

R

Radius des Halbkreises

S₁

Hauptscheitel

S₃

Nebenscheitel

W_i

Windung

x, y

kartesische Koordinaten

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102011077457 A1 [0005]
• DE 102010040272 A1 [0006]

Claims (15)

1. Elektrisches Spulenelement (25) mit einer Spulenwicklung (1), die mehrere Windungen (W_i) eines supraleitenden Leiterelements (3) aufweist, - wobei das supraleitende Leiterelement (3) ein Schichtsystem aus mehreren übereinanderliegenden Schichten (32,34,36,38,39) unterschiedlicher Materialien aufweist, von denen wenigstens eine Schicht eine supraleitende Schicht (36) ist, - und wobei die Spulenwicklung (1) auf einer ringförmig geschlossenen ellipsenartigen Grundform basiert, welche auf ihrem inneren Umfang durch eine ellipsenartige Kurve (20) begrenzt ist, - wobei diese ellipsenartige Kurve (20) zwei Halbachsen aufweist, deren Längen (a,b) unterschiedlich voneinander gewählt sind.
2. Elektrisches Spulenelement (25) nach Anspruch 1, bei welchem das Längenverhältnis (a/b) der beiden Halbachsen (a,b) der ellipsenartigen Kurve (20) zwischen 1,5 und 5 liegt.
3. Elektrisches Spulenelement (25) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die ellipsenartige Kurve (20) einen minimalen (55) und einen maximalen Krümmungsradius aufweist, wobei das Verhältnis dieser beiden Krümmungsradien bei höchstens 5 liegt.
4. Elektrisches Spulenelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die ellipsenartige Kurve (20) ein Lamesches Oval ist, welches durch eine Punktmenge darstellbar ist, die die folgende Gleichung erfüllt: $${\left(\frac{x}{a}\right)}^m+{\left(\frac{y}{b}\right)}^n=\mathrm{1,}$$

   

   - wobei x und y die kartesischen Koordinaten der Punktmenge sind, - wobei a und b die Halbachsen der ellipsenartigen Kurve sind - und wobei die Exponenten m und n unabhängig voneinander wählbar und jeweils ≥2 sind.
5. Elektrisches Spulenelement (25) nach Anspruch 4, bei welchem die Spulenwicklung (1) eine ringförmig geschlossene elliptische Grundform aufweist, welche auf ihrem inneren Umfang durch eine Ellipse (20) begrenzt ist.
6. Elektrisches Spulenelement (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Spulenwicklung (1) eine ebene Wicklung mit einer vorgegebenen Wicklungsebene ist, wobei die Spulenwicklung (1) innerhalb der Wicklungsebene eine ringförmig geschlossene ellipsenartige Grundform aufweist.
7. Elektrisches Spulenelement (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Spulenwicklung (1) eine gebogene Wicklung ist, welche durch Biegung aus einer planaren ellipsenartigen Grundform erzeugbar ist.
8. Elektrisches Spulenelement (25) nach Anspruch 6, bei welchem die supraleitende Schicht (36) ein hochtemperatursupraleitendes Material umfasst.
9. Elektrisches Spulenelement (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Schichtsystem des Leiterelements (3) ein bandförmiges metallisches Substrat (32) umfasst und bei welchem die Spulenwicklung innerhalb der einzelnen Windungen (W_i) des Leiterelements (3) und/oder zwischen den einzelnen Windungen (W_i) des Leiterelements (3) wenigstens eine Schicht (39) aus einem polymeren organischen Material aufweist.
10. Elektrisches Spulenelement (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches einen Wicklungsträger (23) aufweist, der die Spulenwicklung (1) mechanisch trägt, - wobei der Wicklungsträger eine ringförmig geschlossene ellipsenartige Grundform aufweist, welche auf ihrem äußeren Umfang durch eine ellipsenartige Kurve (20) begrenzt ist.
11. Elektrisches Spulenelement (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Spulenwicklung eine Wicklungshöhe (H) aufweist, welche wenigstens 10% des kleinsten Innendurchmessers (ID) der Spulenwicklung (1) beträgt.
12. Elektrisches Spulenelement (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Spulenwicklung (1) mit einem Wickelzug des Leiterelements (3) von wenigstens 10 N gewickelt ist.
13. Elektrische Maschine mit wenigstens einem elektrischen Spulenelement (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Elektrische Maschine nach Anspruch 13, welche einen Rotor mit wenigstens einem elektrischen Spulenelement (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
15. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 oder 14, welche einen Stator mit wenigstens einem elektrischen Spulenelement (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.

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