DE69115751T2 - Orientierte Supraleiter zur AC-Leistungsübertragung - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft supraleitende Leistungsübertragungsleitungen und im einzelnen den Aufbau einer Übertragungsleitung aus supraleitenden Elementen mit einer kristallographischen Basisfläche und auf die Basisfläche bezogene anisotropische magnetische Parameter, und bei der die supraleitenden Elemente mit ihren Basisflächen senkrecht zu dem magnetischen Feld eines durch die Elemente der Übertragungsleitung fließenden elektrischen Stroms ausgerichtet sind, so daß der Stromfluß vor dem Einsetzen von magnetischen Hysteresisverlusten maximiert wird.
• In elektrischen Geräten, bei denen es auf eine hohe Stromdichte ankommt, wird heute supraleitendes Material verwendet. Als Beispiel seien magnetische Kernresonanz-Abbildungsgeräte genannt, bei denen relativ große Mengen von Gleichstrom führende Induktorspulen zur Erzeugung der relativ starken Magnetfelder verwendet werden, die zum Aktivieren der Molekularelektronen-Energiepegel bei der Erkennung von Strahlungsemissionen zur Bildherstellung benötigt werden. Der starke Stromfluß in den Leiterspulen wird ermöglicht, indem man die Spulen aus supraleitendem Material aufbaut, das ohne elektrischen Widerstand und ohne Erzeugung von Wärme arbeitet, wodurch der Strom auf wesentlich niedrigere Werte begrenzt würde, wie es bei den herkömmlichen Leiterspulen mit denselben geometrischen Abmessungen der Fall ist. Es ist bekannt, daß sich die supraleitenden Eigenschaften von Supraleitern, wie sie heute in elektrischen Geräten eingesetzt werden, nur bei sehr niedrigen Temperaturen, beispielsweise der Temperatur von flüssigem Helium, zeigen. Die Forderung einer niedrigen Temperatur stellt eine Einschränkung dar und bedeutet für den Einsatz des Geräts einen Mehraufwand an Kosten, weil mit Hilfe einer Pumpe flüssiges Helium durch die Leiterspulen gepumpt werden muß, um die geforderten niedrigen Betriebstemperaturen für das supraleitende Material aufrechtzuerhalten.
• In letzter Zeit hat man umfangreiche Forschungen durchgeführt mit dem Ziel, ein supraleitendes Material zu finden, das bei wesentlich höheren Temperaturen als die des flüssigen Heliums eingesetzt werden kann. Wenn man ein solches Material zur Verfügung hat, ist es eventuell möglich, elektrische Geräte mit supraleitenden Elementen zu bauen, bei denen die Anforderungen an die Kühlung weniger kritisch sind. Hierdurch wäre die Kühlung des supraleitenden Materials weniger aufwendig. Wenn man zum Beispiel supraleitendes Material bei wesentlich höheren Temperaturen einsetzen könnte, zum Beispiel der Temperatur flüssigen Stickstoffs anstelle der Temperatur flüssigen Heliums, so könnte man dieses Material für den Bau von elektrischen Geräten einsetzen und die Betriebskosten dieser Geräte wären wesentlich niedriger, weil flüssiger Stickstoff eher verfügbar ist als flüssiges Helium.
• Man hat eine Reihe von Materialien mit Supraleitfähigkeit bei Temperaturen untersucht, die höher sind, als die Temperatur flüssigen Heliums. Unter diesen Materialien sind Mischmetalloxide beachtenswert, die allgemein als keramische Materialien bezeichnet werden können. Die im folgenden genannte Literatur ist exemplarisch für veröffentlichte Artikel, in denen die Herstellung und die Eigenschaften von Werkstoffen mit Halbleitereigenschaften bei erhöhten Temperaturen beschrieben werden. In der japanischen Zeitschrift SAHI SHINBUN, Ausgabe vom 10. März 1987, wird eine Verbindung von La, Cu, Sr und O beschrieben, die man als keramisches Band mit einer Dicke von 20 - 30 Mikron hergestellt hat. Das japanische JOURNAL of APPLIED PHYSICS, Band 26, Nr. 4, April 1987, beschreibt auf den Seiten L386-L387 ein Ba-La-Cu-O-System und ein Sr-La-Cu- O-System, die Phasen aufweisen, welche einen supraleitenden Übergang durchlaufen. Der Bericht über die Tagung der Materials Research Society, April 1987, enthält einen Bericht von S. Jin et al., in dem Ba&sub2;YCu&sub3;O&sub7; allein und in Verbindung mit Silber auf den Seiten 219-221 beschrieben wird. In PHYSICAL REVIEW LETTERS, Band 58, Nr. 25, Juni 1987, werden auf den Seiten 2688-2689 Inhomogenitäten und die Magnetisierungshysteresis für Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x beschrieben. In dem japanischen JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Band 26, Nr. 4, April 1987, werden auf den Seiten L524-L525 supraleitende Einkristall- Dünnschichten beschrieben, die mittels der Formel (La1- xSx)&sub2;CuO&sub4; im Hinblick auf den Hall-Effekt in supraleitenden Dünnschichten beschrieben werden. In PHYSICAL REVIEW LETTERS, Band 58, Nr. 25, Juni 1987, werden in einem Artikel auf den Seiten 23687-23690 von T. R. Dinger et al. Einkristalle aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x beschrieben, die Facetten mit einer Abmessung von 200 Mikron und mehr, bis zu 0,5 Millimetern, aufweisen und über anisotropische Eigenschaften in einer Schichtstruktur verfügen. In einem Artikel in The PHYSICAL REVIEW LETTERS, Band 59, Nr. 10, September 1987, werden von T. K. Worthington et al. auf den Seiten 1160-1163 kritische magnetische Felder in verschiedenen Richtungen in einem Einkristall aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x beschrieben. Ein Artikel in The PHYSICAL REVIEW, Band 36, Nr. 7, September 1987, von D. E. Farrell erörtert auf den Seiten 4025-4027 die Ausrichtung unter einem Magnetfeld in Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x. Ein Artikel in SCIENCE, 5. Juni 1987, beschreibt auf Seite 1189 die Herstellung von Supraleitern als epitaxiale Schichten oder Filme auf Substraten aus Strontiumtitanat. Ein Überblick über supraleitende Stoffe, wie zum Beispiel das Y-Ba-Cu-O-System, und verwandte Stoffe findet sich in einem Buch mit dem Titel NOVEL SUPERCONDUCTIVITY von S. A. Wolf und V. Z. Kresin, veröffentlicht 1987 von Plenum Press, New York, auf den Seiten 935- 949. Ein Artikel in APPLIED PHYSICS LETTERS, Band 54, Nr. 11, März 1989, von G. Koren et al., beschreibt auf den Seiten 1054-1056 supraleitende Stoffe, die als epitaxiale Schichten aus YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x auf Substraten aus NdGaO&sub3;, LaGaO&sub3; und SrTiO&sub3; durch Laserablation hergestellt werden.
• In EP-A-0 292 436 werden verbesserte Leiter und supraleitende Magnete beschrieben, in denen supraleitende Stoffe eingesetzt werden, die eine kritische Feldanisotropie aufweisen. Bei dieser Anisotropie hängt die Fähigkeit des Supraleiters, in einem supraleitenden Zustand zu bleiben, von der Ausrichtung eines an den Supraleiter angelegten Magnetfelds in Relation zu der Richtung des Stromflusses in dem Supraleiter ab. Diese Anisotropie wird beim Entwurf von Leitern und Magnetwicklungen genutzt, die das supraleitende Material enthalten, und zielt speziell auf magnetische Wicklungen ab, in denen die Richtung hoher kritischer Ströme durch den Supraleiter parallel zu dem Magnetfeld liegt, das von dem Strom in diesen Wicklungen erzeugt wird, um hohe kritische Felder zu erreichen. Besonders günstige Beispiele eines supraleitenden Materials sind die sogenannten Hoch-Tc-Supraleiter, in denen der primäre Suprastromfluß auf zweidimensionale Cu-O-Flächen begrenzt ist. Indem man die supraleitenden Wicklungen so anordnet, daß die Cu-O-Flächen im wesentlichen parallel zu den Magnetfeldern liegen, die von dem Strom in diesen Wicklungen erzeugt werden, können die Wicklungen starken Feldern standhalten, ohne daß sie normalleitend werden. Hierdurch werden die Amplituden der Magnetfelder, die von dem Magnet erzeugt werden können, maximiert.
• EP-A-0 402 714 beschreibt eine Anordnung von elektrisch anisotropischen Hochtemperatur-Supraleitern auf einem nicht supraleitenden Metallband zum Einsatz in Wechselstromanwendungen, beispielsweise Solenoiden und elektrischen Maschinen, in denen eine vergleichsweise einfache Reduzierung von Wechselstromverlusten erreicht wird, wenn mindestens ein Hochtemperatur-Supraleiter-Band, das als Schicht abgeschieden wurde, das genannte Metallband spiralförmig umgibt. Das supraleitende Band hat eine bevorzugte Richtung, in der die kritische Stromdichte geringer ist, als in allen anderen Richtungen. Gleichzeitig fließt ein durch den Supraleiter fließender Strom zyklisch durch Bereiche des Supraleiters, die in der bevorzugten Richtung und in einer zu dieser um 180º versetzten Richtung ausgerichtet sind. Diese zyklischen Bereiche begrenzen die Länge der Wirbelströme. Anstelle einer Spiralwicklung kann, insbesondere bei stromführenden Kabeln, ein Zweischichtleiter eingesetzt werden, dessen Rillen und Stege zyklisch in Stromrichtung angeordnet sind. An den Rillen und Stegen muß der Strom zyklisch von einer Schicht zur nächsten wechseln.
• Ein wichtiger Aspekt der obengenannten Untersuchungen ist, daß diese Werkstoffe anisotropisch sind und daß ein Magnetfeld, ob es nun von einem Strom erzeugt wird, der im Material selbst fließt, oder ob es durch einen externen Strom erzeugt wird, die supraleitende Phase beenden kann. Ebenfalls von Bedeutung ist die Tatsache, daß die dem Fluß des Wechselstroms zugeordnete Magnetisierungshysteresis zu Verlusten und zu einer mit diesen Verlusten einhergehenden Erwärmung führen kann. Eine solche Hysteresis stellt für die Supraleitfähigkeit bei elektrischen Geräten mit Gleichstrom (GS) keine Einschränkung dar, wäre jedoch zum Beispiel in einer Situation, in der eine Leistungsübertragung mittels Wechselstrom (WS) erfolgt, eine wichtiges Kriterium. Die Richtungen des Magnetfelds sind in bezug auf die kristallographische Basisfläche angegeben, die zur Beschreibung der anisotropischen Eigenschaften von supraleitenden Materialien, zum Beispiel Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x, bei denen die Fläche von einem Kupferoxid festgelegt wird, nützlich ist. Die Magnetfelder, oder Bestandteile von diesen, liegen entweder parallel oder senkrecht zu der Basisfläche.
• Ein Problem besteht darin, daß der Nutzung dieser supraleitenden Stoffe zur Übertragung von Wechselstromleistung Grenzen gesetzt sind. Eine Einschränkung hinsichtlich des Maximalstroms, der wirksam übertragen werden kann, sind Verluste durch die Magnetisierungshysteresis. Eine weitere Einschränkung ist das Quenchen des Supraleiters durch zu starke Magnetfelder, die in einem elektrischen Leiter von einem durch diesen Leiter oder durch einen zweiten, neben dem ersten Leiter liegenden Strom verursacht werden, wie es zum Beispiel bei einer Übertragungsleitung der Fall ist, die ein Leiterpaar oder eine Vielzahl von Leitern enthält, zum Beispiel bei dreiphasiger oder mehrphasiger Leistungsübertragung. Mit der Konfiguration der heute verfügbaren Übertragungsleitungsstrukturen können die Strom- und Leistungsübertragungsfähigkeiten supraleitender Stoffe nicht maximiert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Das obengenannte Problem wird beseitigt und andere Vorteile werden erreicht mit einem System zur Übertragung von Leistung durch Wechselstrom in einer supraleitenden Übertragungsleitung, das entsprechend der Erfindung arbeitet. Das für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgewählte supraleitende Material ist das Yttrium-Barium-Kupfer-Sauerstoff-Keramiksystem, und zwar Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x, das einen kritischen Magnetfeldwert bereitstellt, mit dem höhere Stromdichten als bei anderen keramischen Stoffen dieser Art möglich sind, insbesondere zur Übertragung von Wechselstrom ohne Verluste durch Magnetisierungshysteresis. Weiter wird das keramische Material gemäß einem Hauptmerkmal der Erfindung mit einer kristallographischen Basisfläche gebildet, die von dem Kupferoxid-Anteil des Mischkristalls definiert wird, und bei der das keramische Material als eine Vielzahl supraleitender Elemente geformt ist, wobei jedes Element seine eigene Basisfläche hat. Die einzelnen Elemente werden in einer regelmäßigen Anordnung durch Abstützmittel von länglicher Form abgestützt, wobei die Längsachse parallel zur Richtung des Stromflusses liegt, und wobei die Basisflächen in der regelmäßigen Anordnung so orientiert sind, daß sie in der Weise um einen Stromflußpfad angeordnet sind, daß sie senkrecht zu den Linien des durch den Strom induzierten Magnetflusses ausgerichtet sind.
• Die bezogen auf den Magnetfluß senkrechte Orientierung der Basisflächen in der regelmäßigen Anordnung supraleitender Elemente maximiert die Menge des Wechselstroms, der wegen der anisotropischen magnetischen Eigenschaften eines supraleitenden Materials durch die supraleitende Übertragungsleitung übertragen werden kann. Allgemein kann man sagen, daß sowohl bei Magnetfeldern, die parallel zu der Basisfläche liegen, als auch bei Magnetfeldern, die senkrecht zu der Basisfläche liegen, dieselbe Art der Beziehung zwischen dem supraleitenden Bereich, dem Wert des angelegten Magnetfelds und der Temperatur des Materials besteht. Die kritischen Werte der Magnetfelder, welche die Grenzen des supraleitenden Bereichs festlegen, unterscheiden sich jedoch bezogen auf die Basisfläche bei den parallelen und den senkrechten Feldern. Dieser Punkt soll kurz erörtert werden, damit eine umfassendere Einschätzung der Erfindungsmerkmale möglich ist.
• Beginnend bei Null Grad Kelvin und ansteigend bis zur kritischen Temperatur Tc, ist das Material bis zu einem Wert Hc&sub1;, dem unteren kritischen Wert des angelegten Magnetfelds, supraleitend. Der Wert eines kritischen Felds nimmt ab, bis die kritische Temperatur Tc erreicht ist; bei dieser Temperatur ist für keinen Wert eines angelegten Magnetfelds Supraleitfähigkeit vorhanden. Bei Temperaturen zwischen Null Grad Kelvin und Tc wird der magnetische Fluß durch Inhomogenitäten des Materials verankert, so daß der supraleitende Zustand auch bei höheren Werten angelegter Magnetfelder erhalten bleibt, bis zu einem oberen kritischen Feldwert Hc&sub2;. Der Wert Hc&sub2; erreicht bei Null Grad sein Maximum und nimmt mit steigender Temperatur bis zu einer Temperatur Tc ab; bei dieser Temperatur hört die Supraleitfähigkeit für alle Werte der angelegten Magnetfelder auf. In der oben beschriebenen Beziehung, die zur Verdeutlichung als Kurve dargestellt ist, ist in dem Bereich der Kurve, in dem das angelegte Magnetfeld schwächer ist, als das untere kritische Feld, kein meßbares Magnetfeld in dem supraleitenden Werkstoff vorhanden. In dem Kurvenbereich zwischen dem unteren und dem oberen kritischen Feldwert gibt es jedoch ein meßbares Magnetfeld, dessen Wert nicht Null ist.
• In elektrischen Geräten, in denen nur Gleichstrom eingesetzt werden soll, ist es zweckdienlich, das supraleitende Material bis zu Hc&sub2;-Werten im oberen kritischen Feld einzusetzen, so daß für die Stromdichte in dem Material ein Maximalwert erreicht wird. Dies ist jedoch bei der übertragung von Wechselstrom durch das supraleitende Material nicht der Fall. In dem Kurvenbereich unterhalb des unteren kritischen Felds reagiert das Material linear auf das angelegte Magnetfeld, so daß die innerhalb des Werkstoffs erzeugte Magnetisierung gleich und entgegengesetzt dem angelegten Magnetfeld ist und innerhalb des Materials kein meßbares Feld erzeugt wird. In dem Kurvenbereich, der zwischen dem unteren und dem oberen kritischen Feld liegt, reagiert das Material auf das angelegte Magnetfeld jedoch nicht linear, was zu einer Erwärmung und zu Leistungsverlusten aufgrund einer nichtlinearen Beziehung zwischen der Magnetisierung des Materials und dem angelegten Magnetfeld führt. Um also das supraleitende Material bei der Übertragung von Wechselstrom mit Erfolg einsetzen zu können, muß man die Stromdichte niedrig genug halten, und zwar so niedrig, daß die durch den Stromfluß erzeugten Magnetfelder schwächer sind, als das kritische Feld Hc&sub1;.
• Um das supraleitende Material also optimal einsetzen zu können, ist es wichtig, die Basisfläche relativ zu dem angelegten Magnetfeld auszurichten, um einen Maximalwert für Hc&sub1;, dem unteren kritischen Feld, zu erhalten. Die Erfinder haben festgestellt, daß der Maximalwert für Hc&sub1; dann erreicht wird, wenn das angelegte Magnetfeld senkrecht zu der Basisfläche ausgerichtet ist. Dementsprechend stellt die Erfindung einen Aufbau der Übertragungsleitung bereit, der eine Ausrichtung der Basisfläche senkrecht zu dem Magnetfeld erlaubt, das durch den in der Übertragungsleitung fließenden Strom erzeugt wird. Da das durch einen elektrischen Strom erzeugte Magnetfeld bekanntlich den Strompfad in einer geschlossenen Schleife umgibt, muß eine geometrische Anordnung der Leiter vorhanden sein, die eine senkrechte oder im wesentlichen senkrechte Anordnung zwischen den Basisflächen und den durch den Strom erzeugten Magnetfeldern ermöglicht.
• Zwei Ausführungsbeispiele der Übertragungsleitung demonstrieren das Erfindungskonzept, in dem die Basisflächen senkrecht zu dem durch den Strom induzierten Magnetfeld ausgerichtet werden. In einem ersten dieser Ausführungsbeispiele sind zwei elektrische Leiter nebeneinander angeordnet, die Ströme in den Leitern fließen in entgegengesetzten Richtungen. Jeder Leiter ist aus einer regelmäßigen Anordnung von supraleitenden Elementen hergestellt. Die Anordnung wird von länglich geformten Stützmitteln abgestützt, wobei die Längsachse parallel zur Richtung des Stromflusses liegt. Zentrale Längsachsen der beiden Leiter definieren eine gemeinsame Fläche der beiden Leiter. In den regelmäßigen Anordnungen der supraleitenden Elemente sind die Basisflächen der jeweiligen Elemente in jedem Leiter parallel zu der gemeinsamen Fläche der beiden Leiter ausgerichtet. Dadurch liegen die durch die Ströme in den beiden Leitern entstehenden Magnetfelder bei Messung in beiden Leitern im wesentlichen senkrecht zu den Basisflächen.
• In einem zweiten Ausführungsbeispiel sind die beiden Leiter koaxial, einer innerhalb des anderen, angeordnet. Jeder Leiter ist aus einer Anordnung von supraleitenden Elementen hergestellt, wobei die Basisflächen jedes Elements in jedem Leiter parallel zu einer zentralen zylindrischen Achse liegen und in einer radialen Richtung der Achse verlaufen. Die in dem inneren und dem äußeren Leiter in entgegengesetzten Richtungen fließenden Ströme erzeugen ein Magnetfeld, das zylindrisch um die Achse ausgerichtet ist und sich bis in die Bereiche der beiden Leiter erstreckt. Die radiale Anordnung der Basisflächen ergibt an allen Stellen innerhalb der Leiter eine Ausrichtung des entstehenden Magnetfelds senkrecht zu den Basisflächen. In beiden Ausführungsbeispielen der Erfindung werden die anisotropischen Eigenschaften des supraleitenden Materials genutzt, um den Maximalwert des unteren kritischen Felds zu erreichen und ein lineares Verhalten des supraleitenden Materials für eine optimale Übertragung der Wechselstromleistung sicherzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Die obengenannten Aspekte und andere Merkmale der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung erläutert; es zeigt:
• Fig. 1 ein Diagramm einer aus supraleitendem Material aufgebauten Übertragungsleitung gemäß der Erfindung, die einen Wechselstrom zwischen einer Quelle und einer Last trägt;
• Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, teilweise als Diagramm, eines Teils der Übertragungsleitung aus Fig. 1, wobei dieser Teil zwei elektrische Leiter hat, die einen Abstand zueinander aufweisen und auf einem isolierenden Substrat aufgebaut sind;
• Fig. 3 eine Seitenansicht des Übertragungsleitungsabschnitts der Fig. 2, die in Form eines Diagramms ein induziertes Magnetfeld zeigt, das die kristallographischen Flächen des supraleitenden Materials senkrecht schneidet;
• Fig. 4 einen Teil der Übertragungsleitung der Fig. 1, der gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebaut ist, bei dem die inneren und äußeren Leiter koaxial angeordnet sind, wobei die Ansicht der Fig. 4 eine Seitenansicht ist, die zur Darstellung der verschiedenen Komponenten des Übertragungsleitungsabschnitts teilweise aufgeschnitten wurde;
• Fig. 5 eine Seitenansicht des Übertragungsleitungsabschnitts als Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4;
• Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines auf einem Substrat aufgebauten Blocks aus supraleitendem Material, wobei die kristallographischen Basisflächen parallel zum Substrat ausgerichtet sind;
• Fig. 7 ein Kurvenbild, in dem die Bereiche der Supraleitfähigkeit dargestellt sind, begrenzt durch angelegte kritische Magnetfelder und die kritische Temperatur für verschiedene Ausrichtungen von angelegten Magnetfeldern; es enthält sowohl den Meissner-Bereich als auch den Mischzustand, in dem der magnetische Fluß verankert ist;
• Fig. 8 ein Kurvenbild, in dem die Magnetisierung im Verhältnis zum angelegten Feld dargestellt ist, in dem die Linearität im Meissner-Bereich und der Beginn der Hysteresis bei stärkeren Magnetfeldern mit Flußverankerung demonstriert wird; und
• Fig. 9 ein Gerät zum Aufbau elektrisch leitender Elemente, die in den Konstruktionen der Ausführungsbeispiele der Figuren 2-3 und 4-5 eingesetzt werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Fig. 1 zeigt eine supraleitende Übertragungsleitung 20, die eine Verbindung zwischen einer elektrischen Leistungsquelle 22 und einer elektrischen Last 24 herstellt. Die Leitung 20 ist aus den Übertragungsleitungsabschnitten 26 zusammengesetzt, die hintereinander angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Abschnitte 26 in einem Rahmen 28 angeordnet sind. Ein erster Abschnitt 26 gegenüber der Quelle 22 ist mit der Quelle 22 über zwei elektrische Leitungen 30 und 32 verbunden. Ein letzter Abschnitt 26, der der Last 24 gegenüberliegt, ist an diese Last über ein Leitungspaar 34 und 36 angeschlossen. Jeder der Abschnitte 26 ist aus einer Vielzahl von elektrisch leitenden Elementen aufgebaut, die aus supraleitendem Material hergestellt wurden, wie nachfolgend ausführlich anhand der Figuren 2-5 beschrieben werden soll.
• Die Figuren 2-3 zeigen den Aufbau eines Übertragungsleitungsabschnitts 26 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Abschnitt 26 umfaßt ein erstes elektrisch leitendes Element 38 und ein zweites elektrisch leitendes Element 40, die von einer isolierten Platte 42 abgestützt werden. Das erste Element 38 dient als ein elektrischer Leiter, der den Strom von der Quelle 22 zu der Last 24 leitet, das zweite Element 40 dient als ein elektrischer Leiter, der den Strom in umgekehrter Richtung, von der Last 24 zu der Quelle 22, leitet. Jedes der Elemente 38, 40 ist aus supraleitendem Material aufgebaut, die kristallographischen Basisflächen 24 sind parallel zu der Platte 42 ausgerichtet. Ein parallel zu einer Achse 46 des Übertragungsleitungsabschnitts 26 fließender Strom induziert ein Magnetfeld 48, wie es durch eine gestrichelte Linie in Fig. 3 dargestellt wird, das in einer Fläche senkrecht zur Achse 46 ausgerichtet ist und den Strompfad umgibt, wie zum Beispiel den Strompfad in dem zweiten Element 40, wie in Fig. 3 gezeigt wird.
• Die Linien des Magnetfelds 48 schneiden an dem ersten Element 38 die Flächen 44 im wesentlichen senkrecht. Entsprechend induziert der in dem ersten Element 38 fließende Strom ein Magnetfeld, das die Flächen 44 des zweiten Elements 40 im wesentlichen senkrecht schneidet. In dem Aufbau der Übertragungsleitung 20 können die Leitungen 30 und 32 beispielsweise mit den Elementen 38 und 40 durch die Stäbe 50 verbunden werden, die über die Flächen 44 verlaufen und an den Seitenflächen der Elemente 38 und 40 befestigt sind.
• Die Figuren 4 und 5 zeigen einen Übertragungsleitungsabschnitt 25 in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, alternativ zu dem Ausführungsbeispiel des Abschnitts 26, wie er in den Figuren 2 und 3 beschrieben wird. In den Figuren 4 und 5 ist der Übertragungsleitungsabschnitt 25 als eine koaxiale elektrische Leitung mit einer äußeren elektrisch leitenden Einheit 52 und einer inneren elektrisch leitenden Einheit 54 aufgebaut. Die äußere Einheit 52 besteht aus einer Anordnung von elektrisch leitenden Elementen 56, die von einem Joch 58 abgestützt werden, und die innere Einheit 54 besteht aus einer Anordnung von elektrisch leitenden Elementen 60, die von einem Joch 62 abgestützt werden. Das Joch 62 ist koaxial zu dem Joch 58 und innerhalb des Jochs 58 montiert und ist von dem Joch 58 durch eine koaxial angeordnete Buchse 64 aus elektrisch isolierendem Material getrennt. Ähnlich sind auch die Joche 58 und 62 aus elektrisch isolierendem Material aufgebaut, beispielsweise Kunststoff oder Keramik. Elektrisch leitende Ringe 66 und 68 werden für die inneren und äußeren Leiter verwendet, um eine Verbindung zu den Leitungen 30 und 32 (Fig. 2) herzustellen, wobei die Ringe 66 und 68 an den Seitenflächen der äußeren und inneren Joche 58 und 62 und in elektrischem Kontakt mit den Elementen 56 beziehungsweise 60 montiert sind. Ein elektrisch isolierender Mantel 70 kann auf einer äußeren Einheit 52 plaziert werden, um den Übertragungsleitungsabschnitt 25 abzudecken und den Abschnitt 25 gegenüber der Umgebung zu schützen.
• Bezugnehmend sowohl auf Fig. 3 als auch auf Fig. 5 kann man feststellen, daß der durch die Inneneinheit 54 fließende Strom ein Magnetfeld induziert, das eine Achse 72 des Übertragungsleitungsabschnitts 26A in der Weise umgibt, wie die Linien des Felds 48 der Fig. 3, und daher durch die Elemente 56 der Außeneinheit 52 und das Element 60 der Inneneinheit 54 in einer Richtung hindurchgeht, die senkrecht zu den kristallographischen Basisflächen dieser Elemente liegt. Man kann feststellen, daß die elektrisch leitenden Elemente 38 und 40 (Figuren 2 und 3) und die elektrisch leitenden Elemente 56 und 60 (Figuren 4 und 5) alle in derselben Weise aufgebaut und aus demselben supraleitenden Material hergestellt sind, und daß alle Elemente kristallographische Basisflächen 44 haben. Die Anordnungen dieser Elemente und ihrer Flächen 44 in den Ausführungsbeispielen der Figuren 2-3 und 4-5 stellen das gemeinsame Erfindungsmerkmal dar, bei dem das induzierte Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zu den Flächen 44 ausgerichtet wird.
• In den obigen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die elektrisch leitenden Elemente 38, 40, 56 und 60 aus einer Mischmetalloxid-Keramik aufgebaut, vorzugsweise Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x, wobei die kristallographischen Flächen 44 Cu-O- Flächen sind. Zwar wird in den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung das Yttrium-Barium-Kupfer-Sauerstoff- System des supraleitenden Materials eingesetzt, doch kann man davon ausgehen, daß die Lehren über das Ausrichten einer Einheit von supraleitenden Elementen mit ihrer kristallographischen Fläche senkrecht zu dem durch den Strom in der Übertragungsleitung induzierten Magnetfeld auch auf andere supraleitende Materialien mit kristallographischen Basisflächen angewandt werden können. Die Stäbe 50 (Fig. 2) und die Ringe 66 und 68 (Figuren 4-5) sind aus Kupfer oder einem anderen elektrisch leitenden, geeigneten Material hergestellt. Auch für die Einheit der Übertragungsleitungsabschnitte 26 der Fig. 1 gilt, daß das supraleitende Material in jedem der Abschnitte 26 oder 25 vorzugsweise etwas über die Seitenflächen der Stützmatrix aus Isolierenmaterial, d.h., dem Blech 42 (Fig. 2) oder den Jochen 58 und 62 (Fig. 5), reicht, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen den elektrisch leitenden Elementen der fortlaufenden Übertragungsleitungsabschnitte der Übertragungsleitung 20 in beiden Ausführungsbeispielen der Erfindung möglich ist. Durch die Kraft des Rahmens 28 (Fig. 1) werden die Übertragungsleitungsabschnitte zusammengedrückt, so daß ein guter elektrischer Kontakt zwischen den fortlaufenden Übertragungsleitungsabschnitten gewährleistet ist.
• Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils eines elektrisch leitenden Elements, beispielsweise eines der Elemente 38, 40, 56 oder 60. Zur Vereinfachung gilt die Beschreibung der Fig. 6 für das Element 38 der Figuren 2 und 3, wobei davon auszugehen ist, daß die Beschreibung gleichermaßen auf alle anderen elektrisch leitenden Elemente anwendbar ist. Das Element 38 besteht aus einer Schicht 74 des oben beschriebenen supraleitenden Materials, das epitaxial auf einem Substrat 76 gezüchtet wird. Das Substrat 76 kann beispielsweise aus NdGaO&sub3;, LaGaO&sub3; oder SrTiO&sub3; hergestellt sein. Der Einsatz dieser Stoffe in den Substraten erlaubt ein epitaxiales Wachstum von Schichten aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x mit Cu-O-Flächen, nämlich den obengenannten Flächen 44, die parallel zu dem Substrat 76 ausgerichtet sind.
• Betrachtet man jetzt die Fig. 7, kann man feststellen, daß das in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendete supraleitende Material anisotropisch ist und auf ein angelegtes Magnetfeld reagiert, wobei diese Reaktion, abhängig von der Ausrichtung des angelegten Magnetfelds, H, bezogen auf die kristallographischen Basisflächen 44, unterschiedlich ist. Liegt das angelegte Feld parallel zu den Flächen 44, so liegen die Werte für das untere kritische Feld Hc&sub1; und das obere kritische Feld Hc&sub2; bei Null Grad Kelvin relativ weit auseinander. Bei einem angelegten Magnetfeld senkrecht zu den Flächen 44 liegen jedoch die unteren und oberen kritischen Werte Hc&sub1; und Hc&sub2; enger zusammen und fallen zwischen den entsprechenden kritischen Feldwert des parallel zu den Flächen 44 angelegten Feldes. Die Beziehung zwischen den verschiedenen kritischen Feldwerten, dargestellt an der vertikalen Achse des Schaubilds der Fig. 7, sieht dann so aus, daß das Produkt der oberen und unteren kritischen Feldwerte bei einem parallel zur Basisfläche 44 liegenden Feld gleich dem Produkt der oberen und unteren kritischen Feldwerte bei einem senkrecht zur Basisfläche 44 liegenden Feld ist.
• Bezugnehmend auf Fig. 8; ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Fähigkeit, Wechselstrom mit relativ hohen kritischen Stromwerten zu übertragen, nämlich dem Stromwert, der die supraleitende Wirkung quencht. Fig. 8 zeigt den supraleitenden Bereich als eine Funktion des angelegten Felds bei einer niedrigen Temperatur, bei der die supraleitende Wirkung vorhanden ist. Bei Feldstärken unter dem unteren kritischen Wert besteht eine lineare Beziehung zwischen dem angelegten Feld und der in dem supraleitenden Material induzierten Magnetisierung. Die Magnetisierung, M, ist als eine negative Größe dargestellt, um das angelegte Feld, H, aufzuheben, so daß das angelegte Feld aufgehoben wird und sich für das meßbare Feld, B, in dem supraleitenden Material ein Nullwert ergibt. Für Werte des angelegten Felds zwischen dem unteren und dem oberen kritischen Wert des angelegten Felds ist die Beziehung zwischen der Magnetisierung und dem angelegten Feld nicht linear. Dadurch würde eine Veränderung in dem angelegten Feld, wie sie auch bei einer relativ kleinen Schwankung im Stromfluß zu der Übertragungsleitung 20 auftreten würde, eine Hysteresis induzieren, mit einer daraus resultierenden Erzeugung von Wärme in dem supraleitenden Material und einem daraus entstehenden Verlust oder einem Quenchen des supraleitenden Effekts.
• Daher ist es gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung wünschenswert, den unteren kritischen Wert des angelegten Felds so zu maximieren, daß der lineare Bereich maximiert wird. Hierdurch ist ein maximaler Wert für den Wechselstrom ohne Entstehen der Hysteresis möglich.
• Wie in Fig. 7 zu sehen ist, ist der untere kritische Wert des angelegten Felds, wenn das angelegte Feld senkrecht zu den Basisflächen 44 liegt, größer, als wenn das untere kritische Feld parallel zu den Basisflächen 44 liegt. Daher ist es ein Hauptprinzip der Erfindung, die Basisflächen senkrecht zu dem Magnetfeld, das von den in der Übertragungsleitung 20 fließenden Strömen induziert wird, auszurichten. Dieses Ausrichtungsprinzip der Basisflächen 44 wird, gemäß der Erfindung, durch die beiden Ausführungsbeispiele der Erfindung erreicht, die weiter oben unter Bezugnahme auf die Figuren 2-3 und 4-5 beschrieben wurden. Obwohl der Gleichstromwiderstand R des supraleitenden Materials sowohl unter als auch über dem unteren kritischen Wert des angelegten Felds gleich Null ist, wie in Fig. 8 gezeigt wird, unter der Annahme, daß der Magnetfluß durch Inhomogenitäten des Materials verankert wurde, darf das supraleitende Material deswegen nur unter Bedingungen eingesetzt werden, bei denen das angelegte Magnetfeld unter dem unteren kritischen Wert liegt.
• Fig. 9 zeigt schematisch eine Herstellungsmethode für das elektrisch leitende Element 38, wobei die Beschreibung hier auch auf die Elemente 40, 56 und 60 anwendbar ist, bei denen davon auszugehen ist, daß sie genauso wie das Element 38 aufgebaut sind. Das Element 38 ist, wie in Fig. 6 beschrieben wird, als ein Film oder eine Schicht 74 aus dem supraleitenden Material aufgebaut, das epitaxial auf dem Substrat 76 gezüchtet wurde. Es ist beabsichtigt, das Substrat 76 in relativ langen Teilstücken herzustellen, möglicherweise von einem Meter Länge oder mehr, die bei der Herstellung des Elements 38 von den über einen Motor 82 angetriebenen Rollen 80 durch eine Vakuumbedampfungskammer 78 gezogen werden. Eine Wand der Kammer 78 ist mit einem Fenster 84 ausgestattet, durch welches ein Laser 86 einen Strahl 88 aussendet, der ein Ziel 90 aus Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x beleuchtet, Material des Ziels abträgt und das Material als eine Schicht auf dem Substrat 76 abscheidet. Das Material des Substrats regt das epitaxiale kristalline Wachstum des supraleitenden Materials an, wobei die Cu-O-Flächen parallel zum Substrat liegen. Während der Bewegung des Substrats 76 durch die Kammer 78 werden die verschiedenen Teile des Substrats 76 solange im Abscheidebereich des supraleitenden Materials gehalten, daß die Schicht bis zur einer ausreichenden Tiefe wachsen kann, so daß die Stromdichte niedrig genug ist, um die Bildung eines Magnetfelds, das den unteren kritischen Wert überschreitet, zu vermeiden. Durch Anpassen der Breite und der Tiefe der supraleitenden Schicht 74 wird die Übertragungsleitung 20 so angepaßt, daß sie die gewünschte Menge an Wechselstrom führen kann, wobei gleichzeitig der supraleitende Zustand beibehalten und das Entstehen von Verlusten durch magnetische Hysteresis vermieden wird. Die Umgebung innerhalb der Kammer 78 ist eine mit Sauerstoff angereicherte Umgebung, die der Schicht 74 die gewünschten supraleitenden Eigenschaften verleiht. Weitere Einzelheiten zum Aufbau supraleitender Schichten aus dem obengenannten Material werden in der obengenannten Literatur beschrieben
• Nachdem der Aufbau der elektrisch leitenden Elemente durch Einsatz der in Fig. 9 beschriebenen Fertigungstechnik abgeschlossen ist, werden die Elemente für das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung auf der Platte 42 und für das Ausführungsbeispiel der Figuren 4 und 5 innerhalb der Schlitze 92 der Joche 58 und 62 gestapelt.

Claims (11)

1. Eine Leistungsübertragungsleitung (20), die folgendes aufweist:

eine Vielzahl von elektrisch leitenden Elementen (38, 40, 56, 60), die in einer ersten Gruppe von Elementen und einer zweiten Gruppe von Elementen angeordnet sind, die von der genannten ersten Gruppe von Elementen einen bestimmten Abstand aufweist, wobei die Elemente jeder genannten Gruppe entlang einer Achse (46) angeordnet sind, die in einer Stromflußrichtung ausgerichtet ist, wobei jedes Element (38, 40; 56, 60) jeder genannten Gruppe ein supraleitendes Material umfaßt, mit anisotropischen magnetischen Parametern und einer kristallinen Struktur, die um eine kristallographische Basisfläche (44) gebildet wird, wobei das Material in jedem Element (38, 40, 56, 60) supraleitende Eigenschaften und eine lineare hysteresisfreie Magnetisierungskurve in Anwesenheit eines angelegten Magnetfeldes aufweist, das unter dem unteren kritischen Feldwert (Hc&sub1;) liegt, wobei das untere kritische Feld einen Maximalwert in einer Richtung senkrecht zu der Basisfläche (44) aufweist;

Mittel (42, 58, 62) zum Abstützen der genannten elektrisch leitenden Elemente (38, 40, 56, 60) in jeder der genannten Gruppen, mit ihren jeweiligen kristallographischen Basisflächen (44) parallel zu der genannten Achse (46), wobei die genannten Abstützmittel (42, 58, 62) eine längliche Form haben, wobei die Längsachse parallel zur Richtung des Stromflusses liegt, und die genannte erste und die genannte zweite Gruppe von Elementen in einer regelmäßigen Anordnung halten, um einen Leiter der genannten Übertragungsleitung (20) zu bilden, bei dem bei Übertragung eines elektrischen Stroms durch die Übertragungsleitung (20) in Richtung der genannten Achse (72) ein Stromfluß in einer der genannten Gruppen von Elementen ein Magnetfeld erzeugt, das senkrecht zu der Basisfläche (44) eines Elements aus der anderen der genannten Gruppen von Elementen ausgerichtet ist.

2. Eine Übertragungsleitung (20) gemäß Anspruch 1, bei der das genannte Abstützmittel (48) die genannte Vielzahl von Elementen (38, 40) in jeder der genannten ersten und zweiten Gruppen von Elementen mit ihren jeweiligen kristallographischen Basisflächen (44) parallel zueinander abstützt, wobei das genannte Abstützmittel (48) die genannten Elemente in der genannten ersten Gruppe (38) und in der genannten zweiten Gruppe von Elementen (40) hält, wobei die genannte erste Gruppe von Elementen (38) dazu dient, elektrischen Strom in einer ersten Richtung parallel zu der genannten Achse (46) zu führen, und die genannte zweite Gruppe von Elementen (40) dazu dient, elektrischen Strom in einer zweiten Richtung, entgegengesetzt zu der genannten ersten Richtung, zu führen.

3. Eine Übertragungsleitung (20) gemäß Anspruch 2, bei der die genannte erste Gruppe von Elementen (38) gegenüber der genannten zweiten Gruppe von Elementen (40) elektrisch isoliert ist, wobei das durch einen Strom in einer der genannten Gruppen (40) erzeugte Magnetfeld (48) senkrecht zu den kristallographischen Basisflächen (44) der Elemente der anderen der genannten Gruppen (38) liegt, wobei die genannte hysteresisfreie Magnetisierungskurve die Übertragung von Wechselstrom erleichtert.

4. Eine Übertragungsleitung (20) gemäß Anspruch 3, bei der das genannte supraleitende Material ein Kristall ist, der aus einer Vielzahl von Metalloxiden besteht.

5. Eine Übertragungsleitung (20) nach Anspruch 3, bei der das genannte supraleitende Material ein keramisches System aus Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid ist.

6. Eine Übertragungsleitung (20) nach Anspruch 3, bei der das genannte supraleitende Material Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x ist.

7. Eine Übertragungsleitung (20) nach Anspruch 1, bei der jede der genannten Gruppen von Elementen (56) in einer ersten zylindrischen Anordnung mit einer zylindrischen Symmetrie um die genannte Achse (72) abgestützt ist, wobei die kristallographischen Flächen (44) in Richtungen orientiert sind, die von der genannten Achse (72) radial nach außen verlaufen.

8. Eine Übertragungsleitung (20) nach Anspruch 7, weiter umfassend:

ein zweites Abstützmittel (62) zum Abstützen der genannten zweiten Gruppe von Elementen (60) in einer zweiten zylindrischen Anordnung um die genannte Achse (72), wobei deren jeweilige kristallographische Basisflächen (44) parallel zu der genannten Achse (72) und von der genannten Achse radial nach außen verlaufen; und

bei dem die genannte zweite Anordnung (60) innerhalb der genannten ersten zylindrischen Anordnung (56) angeordnet ist, und sich so eine koaxiale Konfiguration zu der genannten Übertragungsleitung (20) ergibt, wobei die genannte hysteresisfreie Magnetisierungskurve die Übertragung von Wechselstrom erleichtert.

9. Eine Übertragungsleitung (20) nach Anspruch 8, bei der das genannte supraleitende Material ein Kristall ist, der aus einer Vielzahl von Metalloxiden besteht.

10. Eine Übertragungsleitung (20) nach Anspruch 8, bei der das genannte supraleitende Material ein keramisches System eines Yttrium-Barium-Kupfer-Oxids ist.

11. Eine Übertragungsleitung (20) nach Anspruch 8, bei der das genannte supraleitende Material Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x ist.