EP2917922B1 - Supraleitende spuleneinrichtung mit spulenwicklung und kontakten - Google Patents

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EP2917922B1
EP2917922B1 EP13801521.9A EP13801521A EP2917922B1 EP 2917922 B1 EP2917922 B1 EP 2917922B1 EP 13801521 A EP13801521 A EP 13801521A EP 2917922 B1 EP2917922 B1 EP 2917922B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
coil
winding
strip
layer
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP13801521.9A
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English (en)
French (fr)
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EP2917922A1 (de
Inventor
Michael Frank
Jörn GRUNDMANN
Wolfgang Nick
Marijn Pieter Oomen
Peter Van Hasselt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H01F6/065—Feed-through bushings, terminals and joints

Definitions

  • the present invention relates to a superconductive coil device comprising a coil winding of at least two superconducting strip conductors and contacts for connecting the coil device to an external circuit.
  • HTS high-temperature superconductors or even high-T c superconductors
  • band conductors often have further layers such as stabilization layers, contact layers, buffer layers and in some cases also insulation layers.
  • the most important material class of the so-called second-generation HTS conductors (2G-HTS) are compounds of the type REBa 2 Cu 3 O x , where RE stands for a rare-earth element or a mixture of such elements.
  • the substrate tape is typically either steel or alloy Hastelloy.
  • the electrical contact to an external circuit is usually made via a contact layer of copper, wherein this contact layer is either applied on one side over the superconducting layer or can surround the entire band conductor as an enveloping layer. In both versions, it is better to produce the contact on the top, that is on the side of the substrate strip, which carries the superconducting layer. When contacting on the back side, ie on the side of the substrate facing away from the superconducting layer, higher contact resistances occur, which leads to greater electrical losses and an increased need for cooling in these areas.
  • a filler such as Teflon must be used first to keep the point to be contacted of adhesive free. After removal of the filler can be made for contacting this point, for example, a solder joint to a contact piece of copper. But since this contact is within the winding, the contact area must be subsequently fixed with bandages of glass fiber reinforced plastic and epoxy adhesive to produce the necessary mechanical stability.
  • JP 2008-140390 A discloses a superconducting coil of superconducting thin-film wires, one surface of which is that of a superconductive layer and the other surface of which is a substrate layer. After the lamination order on a change joint is changed, an electrode disposed on the innermost turn and on the outermost turn may be provided on the side of the superconductive layer, respectively, as the turn-away side.
  • the object of the present invention is to provide a superconducting coil device which avoids the disadvantages mentioned.
  • the coil device according to the invention comprises at least one coil winding with a first and a second strip conductor, wherein each of the two strip conductors has a contact side with a contact layer. Furthermore, the coil device comprises at least a first contact between the first strip conductor and a first contact piece and a second contact between the second strip conductor and a second contact piece for connecting the coil device to an external circuit. Within the coil winding, the first band conductor and the second band conductor are electrically connected via a third contact between their contact layers.
  • the first and second band conductors differ in orientation of the contact side to a center of the coil winding. With contact side while the above-mentioned top is called.
  • the creation of additional contacts within superconducting windings is avoided because with such an additional contact point always an ohmic resistance is inserted into the winding.
  • the structure of the coil device according to the invention is based on the recognition that such an additional ohmic contact within the winding can nevertheless be advantageous if the production of the external contacts is simplified thereby.
  • the total series resistance can even be lower than in the case of a conventional coil winding, since the contacts to the external circuit can be made on a larger area and thus with less resistance if no contact pieces have to be inserted into the interior of the winding at the ends.
  • the mechanical stability of the coil according to the invention is also higher, since the additional contact in the interior of the winding can be glued either directly during the production of the coil in a wet winding process or can be enclosed in a subsequent encapsulation of the coil of potting compound.
  • the bonding or the casting of the additional contact point can be carried out in the same process step as the gluing or casting of the remaining turns, so that fewer process steps are required to achieve the same mechanical stability than in known coil devices with a contact piece at the outer end of the winding.
  • the coil device according to the invention comprises a stack of several superimposed layers, wherein each layer of the stack comprises at least two band conductors interconnected via at least one contact. It is advantageous within each layer of the stack, the number of interconnected strip conductor straight and the number of contact points odd.
  • the coil device may additionally have the following features:
  • the first contact may be arranged on a side of the first strip conductor facing away from the turns of the first strip conductor, and the second contact may be arranged on a side of the second strip conductor facing away from the turns of the second strip conductor.
  • the first contact may be formed between the first contact piece and the contact layer on the contact side of the first strip conductor
  • the second contact may be formed between the second contact piece and the contact layer on the contact side of the second strip conductor
  • the first contact may be on the inside of the coil winding and the second contact may be on the outside of the coil winding.
  • the third contact between the first band conductor and the second band conductor may be formed via a solder joint.
  • Advantageous solder materials for producing a low-resistance contact are indium-based solders.
  • the contact resistance of the third contact can advantageously be less than 1 ⁇ Ohm, particularly advantageously less than 100 nOhm.
  • the third contact between the first and second strip conductors can advantageously be formed over a length of 1 cm to 5 cm.
  • the coil device may comprise a cooling device for cooling the windings.
  • a cooling device for cooling the windings.
  • Such cooling is expedient to ensure an operating temperature of the superconductor below its transition temperature.
  • the thermal connection to the cooling device can be more pronounced than in the other inner regions of the winding. Since there is an ohmic resistance in the region of the third contact, it will cause heat to develop at this point.
  • the coil means may comprise a superconductive layer.
  • the superconductive layer may contain a second generation high temperature superconductor, especially ReBa 2 Cu 3 O x .
  • RE stands for a rare earth element or a mixture of such elements.
  • the contact layer may contain copper.
  • the first and the second contact piece may contain copper.
  • the first and second strip conductors may each comprise a substrate, which in particular contains steel and / or the Hastelloy alloy.
  • the first and the second strip conductor may also each comprise a contact layer on the side of the substrate facing away from the superconducting layer and / or be enveloped on all sides by a contact layer. Even if on the Superconducting layer facing away from the substrate is a contact layer, it is advantageous to contact the band conductor on the side of the superconducting layer, since in this case the ohmic resistance is lower than when the contact through the substrate band or around the edge of the band around are realized got to.
  • the coil winding can be designed as a disk winding, in particular as a racing track coil, as a rectangular coil or as a circular disk winding.
  • the turns of the coil device can be mechanically fixed with potting compound and / or with an adhesive. This is particularly advantageous for applications in engines and generators where high centrifugal forces occur and for applications in solenoids where high Lorentz forces occur.
  • the encapsulation and / or the bond protects the coil winding against mechanical loads. Especially when using high-temperature superconductors with sensitive ceramic materials protection against such mechanical stress is appropriate.
  • Advantageous materials for the encapsulation or the bonding of the coil winding are epoxy materials.
  • the coil winding may comprise an even number of ribbon conductors interconnected by an odd number of contacts. If more than two band conductors are connected to each other via more than one contact, in the presence of an odd number of contacts, nevertheless a turning of the band conductor on the length of the coil winding can be effected, which in turn enables a simplified contacting at the ends of the coil winding.
  • Fig. 1 shows a cross section of a superconducting strip conductor 1, in which the layer structure is shown schematically.
  • the strip conductor comprises a substrate strip 2, which here is a 100 ⁇ m thick substrate strip made of a nickel-tungsten alloy. Alternatively, steel bands or bands of an alloy such as Hastelloy can be used.
  • a 0.5 ⁇ m thick buffer layer 4 is arranged, which here contains the oxidic materials CeO 2 and Y 2 O 3 .
  • the actual superconducting layer 6, here a 1 ⁇ m thick layer of YBa 2 Cu 3 O x which in turn is covered with a 50 ⁇ m thick contact layer 8 made of copper.
  • the material YBa 2 Cu 3 O x it is also possible to use the corresponding compounds REBa 2 Cu 3 O x of other rare earths RE.
  • another 50 microns thick cover layer 10 is arranged made of copper, followed by an insulator 12, which is formed in this example as 25 microns thick Kapton band.
  • the insulator 12 may also be constructed of other insulating materials such as other plastics.
  • the width of the insulator 12 is slightly larger than the width of the remaining layers of the strip conductor 1, so that windings that come one above the other are reliably insulated from one another in a winding of the coil device.
  • an insulator strip in the coil device only as a separate strip during the production of the coil winding. This is particularly advantageous when several strip conductors are wound in parallel, which need not be isolated from each other. Then, for example, a stack of 2 to 10 superimposed strip conductors without an insulator layer can be wound together with an additionally inserted insulator tape in common turns.
  • a contacting of the strip conductor 1 is advantageously possible via the contact layer 8.
  • the upper side of the strip conductor 1 is therefore also referred to as the contact side 13.
  • FIG. 12 is a highly schematic view of a prior art coil winding 15.
  • a strip conductor 1 is wound in two turns W 1 and W 2 to the coil winding 15.
  • the number of turns is only to be understood as an example here. In typical applications, the number of turns is usually between 10 and 500.
  • the strip conductor 1 is wound so that the contact side 13 is inside.
  • two contacts 17, 21 with two contact pieces 19 and 23 are required. The first contact 17 lies on the outside of the coil, and the second contact 21 lies on the inside of the coil. Since the contact side 13 of the strip conductor 1 is located inside, a simple contacting in an exposed region of the strip conductor is possible with the second contact.
  • the first contact 17 is produced by inserting the first contact piece 19 into the coil winding.
  • this area must be kept free of adhesive.
  • a subsequent bonding and / or reinforcement (not shown here) must be carried out to ensure the mechanical stability of the coil.
  • the contact pieces 19, 23 are typical solid copper pads having a high cross-section to provide the very high operating currents for the superconducting coil means available.
  • the inserted into the winding first contact piece 19 has a lot of space, which is usually much larger than in the schematic view of Fig. 1 shown.
  • Fig. 3 shows a highly schematic view of a coil winding 25 according to a first, not inventive embodiment. Again, only two turns W 1 and W 2 are again shown, which are to be exemplary of a much larger number of turns, for example between 10 and 500 turns.
  • the coil winding 25 is in turn connected via two contacts 17, 21 and contact pieces 19, 23 with an external circuit.
  • the coil winding 25 includes a first band conductor 31 and a second band conductor 32, which are connected to each other via a third contact 33.
  • the third contact 33 is realized in this example via a solder connection between the contact sides 13 of the two strip conductors, with indium-based solder as solder material. The connection thus takes place between the contact layers 8 of the band conductor.
  • the contact resistance of the third contact is less than 100 nOhm.
  • the third contact is formed over a length of 3 cm.
  • the connection of the first and the second strip conductor causes the contact side 13 is freely accessible both on the inside and on the outside of the coil winding.
  • Both contacts 17 and 21 for connection to an external circuit can be easily provided.
  • Both contacts 17 and 21 can be created, for example, by making solder connections to the contact pieces 19 and 23, without having to introduce a contact piece into the winding.
  • the coil winding 25 can be fixed either during or after the winding of the coil with an adhesive or a potting compound. The fixation can be done before or after production of the outer contacts 17 and 21. In a gluing or potting before making the contacts only need the freely accessible contact surfaces for the contacts 17 and 21 are kept free of adhesive or grout.
  • Fig. 4 shows a highly schematic view of a coil winding 35 according to a second embodiment of the invention.
  • a stack 37 of two layers of tape conductors is wound into a coil.
  • W 1 , W 2 are shown, which are to represent a larger number of turns.
  • the two layers within the stack are also representative of a higher number of layers, for example 3 to 10 layers.
  • Each of the layers comprises a first ribbon conductor 43, 44 and a second ribbon conductor 41, 42 which are interconnected within each layer via a third contact 38, 39.
  • the third contact is again realized as a solder connection on the contact sides 13 of the respective band conductors 41 to 44.
  • the connection thus takes place between the contact layers 8 of the band conductor.
  • the band conductors each comprise a substrate 2, a buffer layer 4, a superconducting layer 6, a contact layer 8, and a capping layer 10, similar to FIG Fig. 1 shown.
  • the individual strip conductors expediently do not comprise a separate insulation layer 12 Production of the coil not shown here, a separate insulator tape inserted into the winding.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Manufacturing Cores, Coils, And Magnets (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einer Spulenwicklung aus wenigstens zwei supraleitenden Bandleitern und Kontakten zur Verbindung der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis.
  • Auf dem Gebiet der supraleitenden Maschinen und der supraleitenden Magnetspulen sind Spuleneinrichtungen bekannt, bei denen supraleitende Drähte oder Bandleiter in Spulenwicklungen gewickelt werden. Für klassische Niedertemperatursupraleiter wie NbTi und Nb3Sn werden üblicherweise Leiter in Drahtform verwendet. Die Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-Tc-Supraleiter (HTS) sind dagegen supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen oberhalb von 77 K. Diese HTS-Leiter liegen typischerweise in Form von flachen Bandleitern vor, die ein bandförmiges Substratband und eine auf dem Substratband angeordnete Supraleitungsschicht aufweisen. Zusätzlich weisen die Bandleiter oft noch weitere Schichten wie Stabilisierungsschichten, Kontaktschichten, Pufferschichten und in manchen Fällen auch Isolationsschichten auf. Die wichtigste Materialklasse der sogenannten HTS-Leiter zweiter Generation (2G-HTS) sind Verbindungen des Typs REBa2Cu3Ox, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.
  • Das Substratband besteht typischerweise entweder aus Stahl oder aus der Legierung Hastelloy. Der elektrische Kontakt zu einem äußeren Stromkreis wird meist über eine Kontaktschicht aus Kupfer hergestellt, wobei diese Kontaktschicht entweder einseitig über der Supraleitungsschicht aufgebracht wird oder als umhüllende Schicht den gesamten Bandleiter umgeben kann. In beiden Ausprägungen ist es günstiger, den Kontakt auf der Oberseite herzustellen, also auf der Seite des Substratbandes, die die supraleitende Schicht trägt. Bei einer Kontaktierung auf der Rückseite, also auf der der supraleitenden Schicht abgewandten Seite des Substrates, treten höhere Kontaktwiderstände auf, was zu größeren elektrischen Verlusten und einem erhöhten Bedarf an Kühlung in diesen Bereichen führt.
  • Bei einer supraleitenden Spulenwicklung, bei der mehrere Lagen eines Bandleiters in mehreren Windungen übereinander zu liegen kommen, ist es oft schwierig, beide Enden der Spulenwicklung auf der Oberseite zu kontaktieren. Bei standardmäßig verwendeten Wicklungstechniken zur Herstellung von Scheibenwicklungen wird üblicherweise entweder auf der Innenseite oder auf der Außenseite der Wicklung die Oberseite des Bandleiters innen zu liegen kommen. Um trotzdem einen niederohmigen Kontakt auf der Oberseite des Bandleiters zu schaffen, wird bei bekannten Spuleneinrichtungen ein speziell gestaltetes Kontaktstück verwendet, welches auf der Oberseite des Bandleiters in die Wicklung eingeschoben wird. Für eine solche Spuleneinrichtung ist jedoch ein aufwändiger Herstellungsprozess nötig, denn zur Gewährleistung der nötigen mechanischen Stabilität müssen an der Stelle dieses Kontaktstücks besondere Maßnahmen ergriffen werden. Wird ein Nasswickelprozess mit einem Epoxid-Klebemittel verwendet, dann muss zunächst ein Füllstück, beispielsweise aus Teflon eingesetzt werden, um die zu kontaktierende Stelle von Klebemittel frei zu halten. Nach Entfernen des Füllstücks kann zur Kontaktierung dieser Stelle beispielsweise eine Lötverbindung zu einem Kontaktstück aus Kupfer hergestellt werden. Da dieser Kontakt aber innerhalb der Wicklung liegt, muss zur Herstellung der nötigen mechanischen Stabilität der Kontaktbereich nachträglich mit Bandagen aus glasfaserverstärktem Kunststoff und Epoxid-Klebemittel fixiert werden.
  • JP 2008-140390 A offenbart eine supraleitende Spule aus supraleitenden Dünnfilmdrähten, deren eine Oberfläche die einer supraleitenden Schicht und die andere Oberfläche die einer Substratschicht ist. Nachdem die Laminationsreihenfolge an einer Änderungsverbindung geändert wird, können eine an der innersten Windung und eine an der äußersten Windung angeordnete Elektrode jeweils auf der Seite der supraleitenden Schicht als den Windungen abgewandte Seite vorgesehen sein. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine supraleitende Spuleneinrichtung anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Spuleneinrichtung gelöst. Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine Spulenwicklung mit einem ersten und einem zweiten Bandleiter, wobei jeder der beiden Bandleiter eine Kontaktseite mit einer Kontaktschicht aufweist. Weiterhin umfasst die Spuleneinrichtung wenigstens einen ersten Kontakt zwischen dem ersten Bandleiter und einem ersten Kontaktstück und einen zweiten Kontakt zwischen dem zweiten Bandleiter und einem zweiten Kontaktstück zur Verbindung der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis. Innerhalb der Spulenwicklung sind der erste Bandleiter und der zweite Bandleiter über einen dritten Kontakt zwischen ihren Kontaktschichten elektrisch verbunden.
  • Der erste und der zweite Bandleiter unterscheiden sich bezüglich der Orientierung der Kontaktseite zu einem Zentrum der Spulenwicklung. Mit Kontaktseite wird dabei die eingangs genannte Oberseite bezeichnet.
  • Durch die Schaffung eines zusätzlichen dritten Kontaktes innerhalb der Wicklung wird bewirkt, dass der Bandleiter innerhalb der Wicklung gewendet wird. Dies führt dazu, dass bei einer einfachen Wicklung aus einer Vielzahl von flächig übereinander liegenden Windungen sowohl auf der Innenseite der Wicklung als auch auf der Außenseite der Wicklung die Seite des Bandleiters mit dem niederohmigeren Kontakt zur supraleitenden Schicht nach außen zu liegen kommt. Mit der Innenseite der Wicklung ist hierbei der Zentralbereich der Spirale bezeichnet, die die Spulenwicklung bildet. Die Schaffung des dritten Kontaktes zwischen der Kontaktschicht des ersten Bandleiters und der Kontaktschicht des zweiten Bandleiters ermöglicht die Herstellung einer besonders niederohmigen Verbindung zwischen der supraleitenden Schicht des ersten Bandleiters und der supraleitenden Schicht des zweiten Bandleiters über die jeweils zugehörigen Kontaktschichten.
  • Üblicherweise wird die Schaffung von zusätzlichen Kontakten innerhalb von supraleitenden Wicklungen vermieden, da bei einer solchen zusätzlichen Kontaktstelle immer ein ohmscher Widerstand in die Wicklung eingefügt wird. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung beruht auf der Erkenntnis, dass ein solcher zusätzlicher ohmscher Kontakt innerhalb der Wicklung trotzdem vorteilhaft sein kann, wenn die Herstellung der äußeren Kontakte dadurch vereinfacht wird. Der insgesamt vorliegende Serienwiderstand kann unter Umständen sogar niedriger ausfallen als bei einer herkömmlichen Spulenwicklung, da die Kontakte zum äußeren Stromkreis auf einer größeren Fläche und damit niederohmiger ausgeführt werden können, wenn an den Enden keine Kontaktstücke in das Innere der Wicklung eingefügt werden müssen. Die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Spule ist auch höher, da der zusätzliche Kontakt im Inneren der Wicklung entweder direkt bei der Herstellung der Spule in einem Nasswickelprozess mit verklebt werden kann oder bei einem nachträglichen Verguss der Spule von Vergussmasse umschlossen werden kann. Die Verklebung oder der Verguss der zusätzlichen Kontaktstelle kann im gleichen Verfahrensschritt wie die Verklebung oder der Verguss der übrigen Windungen erfolgen, so dass zur Erreichung derselben mechanischen Stabilität weniger Verfahrensschritte benötigt werden als bei bekannten Spuleneinrichtungen mit einem Kontaktstück am äußeren Ende der Wicklung.
  • Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung umfasst einen Stapel aus mehreren übereinanderliegenden Schichten, wobei jede Schicht des Stapels wenigstens zwei über wenigstens einen Kontakt miteinander verbundene Bandleiter umfasst. Vorteilhaft ist innerhalb jeder Schicht des Stapels die Anzahl der miteinander verbundenen Bandleiter gerade und die Anzahl der Kontaktstellen ungerade.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Demgemäß kann die Spuleneinrichtung zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
    Der erste Kontakt kann auf einer den Windungen des ersten Bandleiters abgewandten Seite des ersten Bandleiters angeordnet sein, und der zweite Kontakt kann auf einer den Windungen des zweiten Bandleiters abgewandten Seite des zweiten Bandleiters angeordnet.
  • Der erste Kontakt kann zwischen dem ersten Kontaktstück und der Kontaktschicht auf der Kontaktseite des ersten Bandleiters ausgebildet sein, und der zweite Kontakt kann zwischen dem zweiten Kontaktstück und der Kontaktschicht auf der Kontaktseite des zweiten Bandleiters ausgebildet sein.
  • Der erste Kontakt kann auf der Innenseite der Spulenwicklung und der zweite Kontakt kann auf der Außenseite der Spulenwicklung angeordnet sein. Mit dieser Ausgestaltung ist auf beiden Seiten der Wicklungsanordnung, also innen und außen, ein leichter Zugang zu den beiden Kontaktstellen zum äußeren Stromkreis möglich. Wie oben ist mit der Innenseite der Wicklungsanordnung der Zentralbereich der Spirale bezeichnet.
  • Der dritte Kontakt zwischen dem ersten Bandleiter und dem zweiten Bandleiter kann über eine Lötverbindung ausgebildet sein. Vorteilhafte Lotmaterialien zur Herstellung eines niederohmigen Kontaktes sind indiumbasierte Lote.
  • Der Kontaktwiderstand des dritten Kontaktes kann vorteilhaft kleiner als 1 µOhm, besonders vorteilhaft kleiner als 100 nOhm sein.
  • Der dritte Kontakt zwischen dem ersten und zweiten Bandleiter kann vorteilhaft über eine Länge von 1 cm bis 5 cm ausgebildet sein.
  • Die Spuleneinrichtung kann eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Wicklungen umfassen. Eine solche Kühlung ist zweckmäßig, um eine Betriebstemperatur des Supraleiters unterhalb seiner Sprungtemperatur zu gewährleisten. Im Bereich des dritten Kontaktes kann die thermische Anbindung an die Kühleinrichtung stärker ausgeprägt sein als in den übrigen inneren Bereichen der Wicklung. Da im Bereich des dritten Kontaktes ein ohmscher Widerstand vorliegt, wird er an dieser Stelle eine Wärmeentwicklung verursachen. Um den supraleitenden Bandleiter auch in diesem Bereich bei seiner Betriebstemperatur zu halten, ist es vorteilhaft, an diesen Stellen eine stärkere thermische Anbindung an die Kühleinrichtung zu schaffen als in den übrigen inneren Bereichen der Wicklung. Auch in den Bereichen des ersten und des zweiten Kontaktes an den jeweiligen Enden der Wicklung ist eine stärkere thermische Anbindung als im inneren Bereich der Wicklung zweckmäßig.
  • Die Spuleneinrichtung kann eine supraleitende Schicht umfassen. Die supraleitende Schicht kann einen Hochtemperatursupraleiter der zweiten Generation, insbesondere ReBa2Cu3Ox enthalten. Hierbei steht RE für ein Element der Seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente.
  • Die Kontaktschicht kann Kupfer enthalten. Ebenso können das erste und das zweite Kontaktstück Kupfer enthalten.
  • Der erste und der zweite Bandleiter können jeweils ein Substrat umfassen, das insbesondere Stahl und/oder die Legierung Hastelloy enthält.
  • Der erste und der zweite Bandleiter können auch auf der der supraleitenden Schicht abgewandten Seite des Substrats jeweils eine Kontaktschicht umfassen und/oder auf allen Seiten von einer Kontaktschicht umhüllt sein. Auch wenn auf der der supraleitenden Schicht abgewandten Seite des Substrats eine Kontaktschicht vorliegt, ist es vorteilhaft, den Bandleiter auf der Seite der supraleitenden Schicht zu kontaktieren, da hierbei der ohmsche Widerstand geringer ausfällt, als wenn der Kontakt durch das Substratband hindurch oder um den Rand des Bandes herum realisiert werden muss.
  • Die Spulenwicklung kann als Scheibenwicklung, insbesondere als Rennbahnspule, als Rechteckspule oder als kreisförmige Scheibenwicklung ausgebildet sein.
  • Die Windungen der Spuleneinrichtung können mit Vergussmasse und/oder mit einem Klebemittel mechanisch fixiert werden. Dies ist besonders vorteilhaft für Anwendungen in Motoren und Generatoren, bei denen hohe Fliehkräfte auftreten, und für Anwendungen in Magnetspulen, bei denen hohe Lorentzkräfte auftreten. In beiden Fällen schützt der Verguss und/oder die Verklebung die Spulenwicklung vor mechanischen Belastungen. Vor allem bei der Verwendung von Hochtemperatursupraleitern mit empfindlichen keramischen Materialien ist der Schutz vor solchen mechanischen Belastungen zweckmäßig. Vorteilhafte Materialien für den Verguss oder die Verklebung der Spulenwicklung sind Epoxidmaterialien.
  • Die Spulenwicklung kann eine gerade Anzahl an Bandleitern umfassen, die über eine ungerade Anzahl an Kontakten miteinander verbunden sind. Werden mehr als zwei Bandleiter über mehr als einen Kontakt miteinander verbunden, kann bei Vorliegen einer ungeraden Anzahl von Kontakten trotzdem ein Wenden des Bandleiters auf der Länge der Spulenwicklung bewirkt werden, was wiederum eine vereinfachte Kontaktierung an den Enden der Spulenwicklung ermöglicht.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • Fig. 1
    einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden Bandleiters zeigt,
    Fig. 2
    eine schematische Ansicht einer Spulenwicklung nach dem Stand der Technik zeigt,
    Fig. 3
    eine schematische Ansicht einer Spulenwicklung gemäß einem ersten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zeigt und
    Fig. 4
    eine schematische Ansicht einer Spulenwicklung gemäß einem zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zeigt.
  • Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines supraleitenden Bandleiters 1, in dem der Schichtaufbau schematisch dargestellt ist. Der Bandleiter umfasst in diesem Beispiel ein Substratband 2, das hier ein 100 µm dickes Substratband aus einer Nickel-Wolfram-Legierung ist. Alternativ sind auch Stahlbänder oder Bänder aus einer Legierung wie z.B. Hastelloy verwendbar. Über dem Substratband ist eine 0,5 µm dicke Pufferschicht 4 angeordnet, die hier die oxidischen Materialien CeO2 und Y2O3 enthält. Darüber folgt die eigentliche Supraleitungsschicht 6, hier eine 1 µm dicke Schicht aus YBa2Cu3Ox, die wiederum mit einer 50 µm dicken Kontaktschicht 8 aus Kupfer abgedeckt ist. Alternativ zu dem Material YBa2Cu3Ox können auch die entsprechenden Verbindungen REBa2Cu3Ox anderer seltener Erden RE verwendet werden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Substratbandes ist hier eine weitere 50 µm dicke Deckschicht 10 aus Kupfer angeordnet, gefolgt von einem Isolator 12, der in diesem Beispiel als 25 µm dickes Kaptonband ausgebildet ist. Der Isolator 12 kann aber auch aus anderen isolierenden Materialien wie beispielsweise anderen Kunststoffen aufgebaut sein. In dem gezeigten Beispiel ist die Breite des Isolators 12 etwas größer als die Breite der übrigen Schichten des Bandleiters 1, so dass bei einer Wicklung der Spuleneinrichtung übereinander zu liegen kommende Windungen zuverlässig gegeneinander isoliert sind. Alternativ zu dem gezeigten Beispiel ist es möglich, ein Isolatorband erst bei der Herstellung der Spulenwicklung als separates Band in die Spuleneinrichtung einzuwickeln. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere Bandleiter parallel gewickelt werden, die nicht gegeneinander isoliert werden müssen. Dann kann beispielsweise ein Stapel von 2 bis 10 übereinanderliegenden Bandleitern ohne eine Isolatorschicht zusammen mit einem zusätzlich eingelegten Isolatorband in gemeinsamen Windungen gewickelt werden.
  • Eine Kontaktierung des Bandleiters 1 ist vorteilhaft über die Kontaktschicht 8 möglich. Die in Fig. 1 oben liegende Seite des Bandleiters 1 wird daher auch als Kontaktseite 13 bezeichnet.
  • Fig. 2 stellt eine stark schematische Ansicht einer Spulenwicklung 15 nach dem Stand der Technik dar. Hier ist ein Bandleiter 1 in zwei Windungen W1 und W2 zu der Spulenwicklung 15 gewickelt. Die Zahl der Windungen ist hier nur beispielhaft zu verstehen. In typischen Anwendungen liegt die Zahl der Windungen üblicherweise zwischen 10 und 500. In der gezeigten Spulenwicklung ist der Bandleiter 1 so aufgewickelt, dass die Kontaktseite 13 innen liegt. Um die Spulenwicklung 15 mit einem äußeren Stromkreis zu verbinden, werden zwei Kontakte 17, 21 mit zwei Kontaktstücken 19 und 23 benötigt. Der erste Kontakt 17 liegt dabei auf der Außenseite der Spule, und der zweite Kontakt 21 liegt auf der Innenseite der Spule. Da die Kontaktseite 13 des Bandleiters 1 innen liegt, ist beim zweiten Kontakt eine einfache Kontaktierung in einem frei liegenden Bereich des Bandleiters möglich. Auf der Außenseite dagegen wird der erste Kontakt 17 dadurch hergestellt, dass das erste Kontaktstück 19 in die Spulenwicklung eingeschoben wird. Bei einer Verklebung der Spule während des Wickelprozesses muss dieser Bereich frei von Kleber gehalten werden. Nach Herstellung des ersten Kontaktes 17 muss zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität der Spule noch eine hier nicht gezeigte nachträgliche Verklebung und/oder Verstärkung erfolgen. Die Kontaktstücke 19, 23 sind typischerweise massive Kupferklötze, die einen hohen Querschnitt aufweisen, um die sehr hohen Betriebsströme für die supraleitende Spuleneinrichtung zur Verfügung zu stellen. Dadurch hat das in die Wicklung eingefügte erste Kontaktstück 19 einen hohen Platzbedarf, der meist wesentlich größer ist als in der schematischen Ansicht der Fig. 1 dargestellt.
  • Fig. 3 zeigt eine stark schematische Ansicht einer Spulenwicklung 25 nach einem ersten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Auch hier sind wiederum nur zwei Windungen W1 und W2 gezeigt, die beispielhaft für eine wesentlich größere Zahl von Windungen, beispielsweise zwischen 10 und 500 Windungen stehen sollen. Die Spulenwicklung 25 ist wiederum über zwei Kontakte 17, 21 und Kontaktstücke 19, 23 mit einem äußeren Stromkreis verbindbar. Die Spulenwicklung 25 enthält einen ersten Bandleiter 31 und einen zweiten Bandleiter 32, die über einen dritten Kontakt 33 miteinander verbunden sind. Der dritte Kontakt 33 ist in diesem Beispiel über eine Lötverbindung zwischen den Kontaktseiten 13 der beiden Bandleiter realisiert, mit indiumbasiertem Lot als Lotmaterial. Die Verbindung erfolgt also zwischen den Kontaktschichten 8 der Bandleiter. Der Kontaktwiderstand des dritten Kontaktes ist kleiner als 100 nOhm. Der dritte Kontakt ist über eine Länge von 3 cm ausgebildet. Die Verbindung des ersten und des zweiten Bandleiters führt dazu, dass die Kontaktseite 13 sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite der Spulenwicklung frei zugänglich ist. Somit können die Kontakte 17 und 21 zur Verbindung mit einem äußeren Stromkreis auf einfache Weise geschaffen werden. Beide Kontakte 17 und 21 können beispielsweise durch Herstellen von Lotverbindungen zu den Kontaktstücken 19 und 23 geschaffen werden, ohne dass ein Kontaktstück in die Wicklung eingeführt werden muss. Zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität der Spuleneinrichtung kann die Spulenwicklung 25 entweder bei oder nach dem Wickeln der Spule mit einem Kleber oder einer Vergussmasse fixiert werden. Die Fixierung kann vor oder nach Herstellung der äußeren Kontakte 17 und 21 erfolgen. Bei einer Verklebung oder einem Verguss vor Herstellung der Kontakte müssen lediglich die frei zugänglichen Kontaktflächen für die Kontakte 17 und 21 von Klebemittel oder Vergussmittel frei gehalten werden.
  • Fig. 4 zeigt eine stark schematische Ansicht einer Spulenwicklung 35 nach einem zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. In der Spulenwicklung 35 ist ein Stapel 37 aus zwei Schichten von Bandleitern zu einer Spule gewickelt. Wieder sind beispielhaft nur zwei Windungen W1, W2 gezeigt, die stellvertretend für eine höhere Anzahl von Windungen stehen sollen. Ebenso stehen die zwei Schichten innerhalb des Stapels auch stellvertretend für eine höhere Anzahl von Schichten, beispielsweise 3 bis 10 Schichten. Jede der Schichten umfasst einen ersten Bandleiter 43, 44 und einen zweiten Bandleiter 41, 42, die innerhalb jeder Schicht über einen dritten Kontakt 38, 39 miteinander verbunden sind.
  • Der dritte Kontakt ist wiederum als Lötverbindung auf den Kontaktseiten 13 der jeweiligen Bandleiter 41 bis 44 realisiert. Die Verbindung erfolgt also zwischen den Kontaktschichten 8 der Bandleiter. Durch die Verbindung der ersten 43, 44 und zweiten 41, 42 Bandleiter innerhalb jeder Schicht über die dritten Kontakte 38, 39 wird erreicht, dass sowohl auf der Innenseite als auch der Außenseite der Spulenwicklung für alle Bandleiter aus beiden Schichten die Kontaktseiten 13 frei zugänglich sind. So können die ersten Kontakte 17 mit den ersten Kontaktstücken 19 und die zweiten Kontakte 21 mit den zweiten Kontaktstücken 23 ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel ohne Einfügen von Kontaktstücken in die Wicklung hergestellt werden.
  • Im zweiten Ausführungsbeispiel umfassen die Bandleiter jeweils ein Substrat 2, eine Pufferschicht 4, eine Supraleitungsschicht 6, eine Kontaktschicht 8 und eine Deckschicht 10, ähnlich wie in Fig. 1 dargestellt. Bei Verwendung eines Stapels aus Bandleitern umfassen die einzelnen Bandleiter jedoch zweckmäßig keine eigene Isolationsschicht 12. Zur Isolation der Wicklungen untereinander wird stattdessen bei der Herstellung der Spule ein hier nicht gezeigtes, separates Isolatorband in die Wicklung eingelegt.

Claims (13)

  1. Supraleitende Spuleneinrichtung, umfassend
    - wenigstens eine Spulenwicklung (35), mit wenigstens einem ersten und einem zweiten supraleitenden Bandleiter (41, 43), wobei jeder der beiden Bandleiter (41, 43) eine Kontaktseite (13) mit einer Kontaktschicht (8) aufweist,
    - und wenigstens einen ersten Kontakt (17) zwischen dem ersten Bandleiter (43) und einem ersten Kontaktstück (19) und wenigstens einem zweiten Kontakt (21) zwischen dem zweiten Bandleiter (41) und einem zweiten Kontaktstück (23) zur Verbindung der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis,
    wobei
    - innerhalb der Spulenwicklung (35) der erste Bandleiter (43) und der zweite Bandleiter (41) über einen dritten Kontakt (38) zwischen ihren jeweiligen Kontaktschichten (8) elektrisch verbunden sind
    - und dass sich der erste (43) und der zweite (41) Bandleiter bezüglich der Orientierung ihrer Kontaktseite (13) zu einem Zentrum der Spulenwicklung (35) unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Spulenwicklung (35) aus einem Stapel (37) aus mehreren übereinanderliegenden Schichten von Bandleitern gewickelt ist, wobei jede Schicht des Stapels (37) wenigstens zwei über wenigstens einen dritten Kontakt (38,39) miteinander verbundene erste und zweite Bandleiter (41-44) umfasst.
  2. Spuleneinrichtung nach Anspruch 1 mit Windungen (W1,W2) der ersten (43, 44) und zweiten (41, 42) Bandleiter, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontakt (17) auf einer den Windungen (W1) der ersten Bandleiter (43, 44) abgewandten Seite der ersten Bandleiter (43, 44) angeordnet ist und dass der zweite Kontakt (21) auf einer den Windungen (W2) der
    zweiten Bandleiter (41, 42) abgewandten Seite der zweiten Bandleiter (41, 42) angeordnet ist.
  3. Spuleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontakt (17) zwischen dem ersten Kontaktstück (19) und der Kontaktschicht (8) auf der Kontaktseite (13) der ersten Bandleiter (43, 44) ausgebildet ist und dass der zweite Kontakt (21) zwischen dem zweiten Kontaktstück (23) und der Kontaktschicht (8) auf der Kontaktseite (13) der zweiten Bandleiter (41, 42) ausgebildet ist.
  4. Spuleneinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontakt (17) auf einer Innenseite der Spulenwicklung und der zweite Kontakt (21) auf einer Außenseite der Spulenwicklung (35) angeordnet ist.
  5. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kontakt (33) zwischen dem ersten Bandleiter (43, 44) und dem zweiten Bandleiter (41, 42) über eine Lötverbindung ausgebildet ist.
  6. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwiderstand des dritten Kontaktes (38, 39) kleiner als 1 µOhm, insbesondere kleiner als 100 nOhm ist.
  7. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kontakt (38, 39) zwischen dem ersten (43, 44) und dem zweiten (41, 42) Bandleiter über eine Länge von 1 cm bis 5 cm ausgebildet ist.
  8. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandleiter (41-44) jeweils eine supraleitende Schicht (6) umfassen, die einen Hochtemperatursupraleiter der zweiten Generation, insbesondere Re-Ba2Cu3Ox, enthält.
  9. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (8) und/oder das erste (19) und zweite (23) Kontaktstück Kupfer enthalten.
  10. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (43, 44) und der zweite Bandleiter (41, 42) jeweils ein Substrat (2) umfassen und auch auf der der supraleitenden Schicht (6) abgewandten Seite des Substrats (2) jeweils eine Kontaktschicht umfassen und/oder auf allen Seiten von einer Kontaktschicht umhüllt sind.
  11. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklung (35) als Scheibenwicklung, insbesondere als Rennbahnspule, als Rechteckspule oder als zylinderförmige Scheibenwicklung ausgebildet ist.
  12. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (W1,W2) mit Vergussmasse und/oder mit einem Klebemittel mechanisch fixiert sind.
  13. Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die innerhalb jeder Schicht des Stapels eine gerade Anzahl an ersten und zweiten Bandleitern (41-44) umfasst, die über eine ungerade Anzahl an jeweiligen dritten Kontakten (38, 39) miteinander verbunden sind.
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