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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer isolierten supraleitenden Spule sowie eine isolierte supraleitende Spule und eine elektrische Maschine und ein hybridelektrisches Luftfahrzeug.
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In der Energietechnik, insbesondere bei elektrischen Maschinen für hybridelektrische Luftfahrzeuge, können Supraleiter effizienzsteigernd eigesetzt werden. Insbesondere lassen sich mit Supraleitern Verluste verringern und die Leistungsdichte erhöhen. Supraleiter werden insbesondere in Gleichstromanwendungen bei elektrischen Maschinen eingesetzt. Grundsätzlich sind aber auch Wechselstromanwendungen denkbar. Allerdings bedingen Wechselstromanwendungen starke Verluste, weshalb Supraleiter stärker gekühlt werden müssen, um die Verlustwärme abzuführen. Insbesondere ist dabei die elektrische Isolierung von Supraleitern zu berücksichtigen, da dicke Isolierungen eine Entwärmung erschweren. So sind etwa mit Harz vergossene supraleitende Spulen bekannt. Solche Spulen können aber aufgrund der schlechten Entwärmbarkeit nicht für Wechselstromanwendungen eingesetzt werden.
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Bei Supraleitern, welche noch reagiert werden müssen, damit sie als supraleitende Spulen eingesetzt werden können, insbesondere bei Magnesiumdiborid (MgB2), ist der minimal mögliche Biegeradius stark davon abhängig, wie der Supraleiter in der jeweiligen Anwendung reagiert werden soll: Insbesondere sind Wind-and-React-Verfahren bekannt, bei welchen die Spulen erst gewickelt wird und das supraleitende Material der Spulen dann reagiert wird und es sind React-and-Wind-Verfahren mit umgekehrter Reihenfolge bekannt. Beim Reagieren sind Temperaturen von bis zu 650 °C für Zeitdauern von etwa einer Stunde üblich, was Isolierungen der Spulen typischerweise zerstören würde.
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Zudem können Wind-and-React-Verfahren nicht mit Lackisolierungen einhergehen werden, da die Spulen zum einen nach dem Reagieren nicht wieder aufgebogen werden können um eine Lackisolierung aufzutragen. Vor dem Reagieren ist eine Lackisolierung ebenfalls nicht möglich, da die Lackisolierung der Temperatur beim Reagieren nicht standhalten würde.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Fertigung einer isolierten supraleitenden Spule anzugeben, welches die vorgenannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll die erfindungsgemäß gefertigte Spule in Wechselstromanwendungen einsetzbar sein. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte isolierte supraleitende Spule, eine verbesserte elektrische Maschine sowie ein verbessertes hybridelektrisches Flugzeug zu schaffen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Fertigung einer isolierten supraleitenden Spule wird eine Spule gewickelt und nachfolgend die Spule mittels eines Niederdruckplasmas mit einer Isolierung versehen. Niederdruckplasma ist auch unter den Begriffen „kaltes“ Plasma sowie „nicht-thermisches“ Plasma bekannt. Soweit im Rahmen der vorliegenden Anmeldung von „versehen mit einer Isolierung mittels Niederdruckplasmas“ die Rede ist, ist diese Wendung vorzugsweise synonym mit den Wendungen und/oder in Kombination mit den Wendungen „versehen mit einer Isolierung mittels plasmagestützter Gasphasenabscheidung“ und/oder „versehen mit einer Isolierung mittels Plasmapolymerisation“ zu verstehen. Vorteilhaft beträgt in einem Niederdruckplasma die Gastemperatur regelmäßig weniger als 100 °C und somit deutlich weniger als eine typische Elektronentemperatur des Supraleiters, sodass die supraleitenden Materialeigenschaften bei einer Isolierung mittels eines Niederdruckplasmas unverändert erhalten bleiben. Folglich beeinträchtigt das erfindungsgemäß vorgesehene Niederdruckplasma die supraleitenden Eigenschaften der Spule nicht. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders zeiteffizient eingesetzt werden, da mittels Niederdruckplasmas besonders rasch Isolierungen abgeschieden werden können. Weiterhin vorteilhaft werden beim erfindungsgemäßen Verfahren keine umweltschädlichen Lösemittel freigesetzt, d.h. das erfindungsgemäße Verfahren kann lösemittelfrei durchgeführt werden, sodass gesetzliche Vorgaben, etwa des BImSchV, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kostengünstig und einfach eingehalten werden können. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund geringeren Materialeinsatzes aufgrund möglicher geringer Schichtdicken und aufgrund geringen Zeitaufwandes für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens billig und einfach.
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Insbesondere ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, die Spule mit einer Isolierung in Form einer homogenen Schicht zu versehen. Die mittels des Niederdruckplasmas erzielte Schichtdicke weist eine geringere Streuung auf als Schichtdicken von konventionellen Isolierungen.
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Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, welche zur Isolierung nasschemische Beschichtungsprozesse einsetzen, ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine hohe Spaltgängigkeit und Kantendeckung der Isolierung möglich, sodass Windungen der Spule vorteilhaft vollständig, zuverlässig und gleichmäßig mit einer Isolierung versehbar sind. Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren zur Fertigung isolierter supraleitender Spulen, welche Isolierungen mit flüssigen Lacken realisieren, treten erfindungsgemäß vorteilhaft keine Benetzungsprobleme aufgrund einer Oberflächenspannung flüssigen Lacks auf.
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Ein Versehen mit einer Isolierung mittels Niederdruckplasmas nach dem Stand der Technik kann analog zum in
W02015193030A1 offenbarten Verfahren erfolgen. Diese Druckschrift offenbart eine Plasmapolymerisation alternativ zu nasschemischen Beschichtungsverfahren auf elektronischen Baugruppen.
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Vorteilhaft können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels Niederdruckplasmas kleinste, hochreaktive Molekülbausteine in einer Schichtstruktur resultieren. Gerade im Niederdruck abgeschiedene Isolierungen in Form von Schichten weisen einen sehr hohen Vernetzungsgrad aus, sodass bei einer gegebenen Isolationswirkung sehr viel geringere Schichtdicken realisiert werden können als in konventionellen Verfahren, welche auf Lackieren basieren. Zudem lassen sich intrinsische Schichtspannungen durch die Auswahl des oder der Ausgangsstoffe und/oder Prozessgase und/oder des oder der Prozessparameter vermeiden. Durch die erfindungsgemäß mögliche geringe Schichtdicke der Isolierung ist die Spule leicht entwärmbar und kann folglich auch in Wechselstromanwendungen zuverlässig eingesetzt werden.
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Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels mindestens eines Ausgangsstoffs isoliert, welcher mindestens eine siliziumorganische Verbindung, insbesondere Hexamethyldisiloxan und/oder Vinyltrimethosysilan und/oder Octamethylcyclotetrasiloxan, und/oder einen Kohlenwasserstoff-Precursor, insbesondere Ethen und/oder Ethin, aufweist. Zweckmäßig werden die Ausgangsstoffe je nach supraleitender Spule und Entwärmungserfordernis angepasst eingesetzt. So lässt sich die Schichtstruktur sowohl mittels des oder der Ausgangsstoffe und/oder des oder der Prozessgase sowie mittels eines oder mehrerer Prozessparameter, insbesondere einer Beschichtungsdauer und/oder eines Prozessdrucks und/oder einer eingekoppelten elektrische Leistung und/oder einer Durchflussrate eines Ausgangsstoffs und/oder eines Prozessgases und/oder einer Temperatur bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einstellen. Zweckmäßig lassen sich geeignete Ausgangsstoffe und/oder Prozessparameter der Literatur entnehmen, insbesondere ISBN 978-0-323-13945-8. Besonders vorteilhaft werden in dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens Isolationseigenschaften der Isolation und/oder thermomechanische Eigenschaften der Isolation geeignet eingestellt. Mittels siliziumorganischer Verbindungen können, vorzugsweise unter Zugabe von Sauerstoff, im Niederdruckplasma quarzähnliche Isolationsbeschichtungen abgeschieden werden. Mittels bekannter Kohlenwasserstoff-Precursor wie Ethen und/oder Ethin sind Isolierungen mit einer vorgegebenen Isolationswirkung abscheidbar. Grundsätzlich steht eine Vielzahl von Precursors zur Verfügung, da die plasmagestützte Gasphasenabscheidung nicht den Reaktionskinetiken einer nasschemischen Polymerisation folgt, sondern vielmehr durch Energieeintrag im Niederdruckplasma eine große Vielfalt unterschiedlicher, schichtbildender Spezies erzeugt werden, welche schließlich die Isolierung bilden. In dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind also auch Ausgangsstoffe heranziehbar, welche nasschemisch nicht polymerisierbar sind.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung bildet die Isolierung vorzugsweise eine Schicht, welche eine mittlere Dicke von höchstens 5 Mikrometern, vorzugsweise von höchstens 3 Mikrometern, idealerweise von höchstens 1 Mikrometer, aufweist. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich Isolierungen mit besonders homogenen Schichtdicken realisieren. Somit ist eine hinreichend hohe elektrische Isolation bereits mit Isolierungen in Form von Schichten mit Schichtdicken von weniger als 1 Mikrometer erzielbar. Vorteilhaft können in dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Spulen mit einem besonders geringen Biegeradius versehen sein. Insbesondere supraleitende Spulen aus MgB2 lassen sich bei derart geringen Schichtdicken der Isolierung mit einem minimalem Biegeradius fertigen. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren sowohl als Wind-and-React-Verfahren als auch als React-and-Wind-Verfahren einsetzbar, weil insbesondere siliziumorganische Verbindungen regelmäßig einen Schmelzpunkt oberhalb der Reaktionstemperatur von MgB2 aufweisen. Mittels des Niederdruckplasmas werden zudem keine Temperaturgradienten in den Supraleiter eingebracht, welche den Supraleiter beschädigen oder in seinen supraleitenden Eigenschaften beeinträchtigen könnten.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung bildet die Isolierung alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt eine Schicht, welche eine größte Dicke von höchstens 5 Mikrometern, vorzugsweise von höchstens 3 Mikrometern, idealerweise von höchstens 1 Mikrometer, aufweist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorteilhaft mittels mindestens einer Elektrode eine elektrische Leistung zur Erzeugung des Niederdruckplasmas bereitgestellt.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist zweckmäßig die mindestens eine Elektrode oder sind mindestens eine der mehrere der Elektroden elektrisch leitend, vorzugsweise berührend, mit der Spule kontaktiert. Insbesondere wird in dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die elektrische Leistung zur Plasmaerzeugung im Niederdruck kapazitiv über eine Elektrode eingekoppelt. Vorteilhaft ist der Supraleiter in elektrisch leitendem, vorzugsweise direkt berührendem, Kontakt mit der mindestens einen Elektrode. In dieser Weiterbildung fungiert der Supraleiter aufgrund seiner Leitfähigkeit selbst als Elektrode. Beim Versehen mit einer Isolierung mittels Niederdruckplasmas sammeln sich an der mindestens einen Elektrode freie Ladungsträger in Form von Elektronen, welche mittels Impulsübertragung schichtbildende Moleküle bilden. Die Elektrodenoberfläche ist also der Ort mit höchster Abscheiderate einer Isolierung. Folglich lässt sich die Spule bereits nach innerhalb weniger Minuten und mit homogener Schichtdicke mit der Isolierung versehen. Optional und besonders vorteilhaft wird die Spule im Niederdruckplasma hinsichtlich einer Oberfläche der Spule für das erfindungsgemäße Verfahren vorbehandelt: Insbesondere wird in dieser Weiterbildung die Oberfläche der Spule mittels Plasmaätzens aktiviert, sodass eine nachfolgende Haftvermittlung der Isolierung durch kovalente Substratanbindung resultiert. Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche der Spule im Niederdruckplasma von ggf. vorhandenen Produktionsmittel- und Fertigungsrückständen gereinigt werden. Ein zusätzlicher apparativer Aufwand ist hierzu nicht erforderlich.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die elektrische Leistung geeignet kapazitiv mittels der mindestens einen Elektrode eingekoppelt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Spule vorzugsweise, bevor sie mit der Isolierung versehen wird, einer thermischen Behandlung unterzogen, mittels welcher die Spule supraleitend wird. Wie bereits oben erwähnt ist der Temperatureintrag infolge des Niederdruckplasmas derart gering, dass die supraleitende Eigenschaft der Spule nicht notwendig beeinträchtigt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Spule alternativ oder zusätzlich und ebenfalls bevorzugt, nachdem sie mit der Isolierung versehen wird, einer thermischen Behandlung unterzogen, mittels welcher die Spule supraleitend wird.
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Die erfindungsgemäße isolierte supraleitende Spule ist mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens wie zuvor beschrieben hergestellt.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist insbesondere ein Motor und/oder ein Generator und weist mindestens eine erfindungsgemäße isolierte supraleitende Spule wie zuvor beschrieben auf. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist mit der erfindungsgemäß isolierten supraleitenden Spule vorteilhaft mit besonders hoher Leistungsdichte ausbildbar.
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Das erfindungsgemäße hybridelektrische Luftfahrzeug weist mindestens eine erfindungsgemäße elektrische Maschine wie zuvor beschrieben auf. Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine eine besonders hohe Leistungsdichte auf, welche für den Betrieb in hybridelektrischen Luftfahrzeugen ein besonders wichtiger Parameter ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Vorrichtung zur Isolierung einer supraleitenden Spule mittels eines Niederdruckplasmas schematisch im Querschnitt sowie
- 2 ein hybridelektrisches Flugzeug schematisch in einer Draufsicht.
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Erfindungsgemäß wird mittels der in 1 dargestellten Vorrichtung 10, welche einen Niederdruckplasmabeschichtungsreaktor bildet, in einer Kammer 20 der Vorrichtung eine gewickelte supraleitende Spule 30 mit einer Isolierung versehen. Dazu wird eine supraleitende Spule 30 herangezogen, die in vorangegangenen und nicht eigens anhand der Zeichnung beschriebenen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens gewickelt worden ist.
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In der Kammer 20 der Vorrichtung 10 wird die Spule 30 mittels eines Niederdruckplasmas mit einer Isolierung versehen.
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Dazu sind in der Kammer 20 Stabelektroden 40, 50 vorhanden, welche eine elektrische Leistung zur Erzeugung des Niederdruckplasmas bereitstellen, indem sie die Leistung kapazitiv einkoppeln. Sämtliche Stabelektroden 40 sind innerhalb der Spule 30 oder außerhalb der Spule 30 angeordnet. Eine weitere Stabelektrode 50 liegt an der Spule 30 elektrisch leitend an, sodass die Spule 30 und die übrigen Stabelektroden 40 unterschiedlich gepolt sind. Grundsätzlich kann die weitere Stabelektrode 50 auch mittels einer leitenden elektrischen Verbindung mit der Spule 30 kontaktiert sein.
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Innerhalb der Kammer 20 der Vorrichtung 10 ist ein Gaseinlass vorhanden (nicht eigens dargestellt), mittels welchem Ausgangsstoffe in Form von Precursorgasen in die Kammer 20 gelangen. Erfindungsgemäß sind diese Ausgangsstoffe siliziumorganische Verbindungen, beispielsweise Hexamethyldisiloxan und Vinyltrimethosysilan und Octamethylcyclotetrasiloxan, und/oder Kohlenwasserstoff-Precursor, beispielsweise Ethen und Ethin.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird mittels des Niederdruckplasmas eine Isolierschicht auf der Spule 30 abgeschieden, welche eine größte Dicke von weniger als einem Mikrometer aufweist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Spule 30, bevor sie mit der Isolierung versehen wird, einer thermischen Behandlung unterzogen worden, sodass die Spule 30 supraleitend ist. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Spule 30 abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel auch erst nachdem sie mit der Isolierung versehen worden ist einer thermischen Behandlung unterzogen werden, mittels welcher die Spule supraleitend wird.
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Das in 2 dargestellte hybridelektrische Flugzeug 200 weist eine elektrische Maschine 210 in Gestalt eines Elektromotors auf, der mit isolierten supraleitenden Spulen 30 gebildet ist. Grundsätzlich kann in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen zusätzlich ein Generator an Bord des hybridelektrischen Flugzeugs 200 befindlich sein, welcher ebenfalls mit isolierten supraleitenden Spulen 30 gebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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