EP2987173A1 - Supraleitende spuleneinrichtung mit spulenwicklung und herstellungsverfahren - Google Patents

Supraleitende spuleneinrichtung mit spulenwicklung und herstellungsverfahren

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EP2987173A1
EP2987173A1 EP14729237.9A EP14729237A EP2987173A1 EP 2987173 A1 EP2987173 A1 EP 2987173A1 EP 14729237 A EP14729237 A EP 14729237A EP 2987173 A1 EP2987173 A1 EP 2987173A1
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EP
European Patent Office
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winding
contact
strip conductor
conductor
coil
Prior art date
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EP14729237.9A
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EP2987173B1 (de
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Otto Batz
Werner Herkert
Anne KUHNERT
Peter Kummeth
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2987173A1 publication Critical patent/EP2987173A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2987173B1 publication Critical patent/EP2987173B1/de
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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
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
    • H01F41/048—Superconductive coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
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    • H01F41/06—Coil winding
    • H01F41/064—Winding non-flat conductive wires, e.g. rods, cables or cords
    • H01F41/069—Winding two or more wires, e.g. bifilar winding
    • H01F41/07—Twisting

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting coil ⁇ device with at least one coil winding with several turns of a superconducting strip conductor. Furthermore, the invention relates to a production method for such a superconducting coil device.
  • HTS high-temperature superconductors or even high-T c superconductors
  • these HTS conductors are typically in the form of flat strip conductors strip-shaped substrate strip and a ⁇ on the substrate band ⁇ arranged superconducting layer have.
  • the band conductors often have further layers such as stabilization layers, contact layers, buffer layers and in some cases
  • HTS conductors of the second generation are compounds of the type REBa 2 CU30 x, where RE stands for a rare earth element Ele ⁇ 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 contact on the Side of the substrate strip, which carries the superconducting layer. This page of the strip conductor is referred to below as the contact page.
  • a wet winding process used with an epoxy adhesive then must first a filler, for example, Teflon, to hold the free position to be contacted by adhesive ⁇ medium. After removal of the filler can be made for contacting this point, for example, a solder joint to a contact piece of copper. However, since this contact is located within the coil, the contact area needs to Her ⁇ position of the necessary mechanical stability subsequently be fixed with bandages made of glass fiber reinforced plastic and epoxy adhesive.
  • Object of the present invention is to provide a coil device which avoids the disadvantages mentioned. Another object is to provide a method for producing such a coil device.
  • the coil device comprises at least one coil winding with at least one winding of at least one superconducting strip conductor.
  • the strip conductor has a first conductor surface, which is designed as a contact side and is provided with a contact layer.
  • the strip conductor is twisted about a longitudinal axis of the strip conductor within at least one turn in a Torsionsbe ⁇ rich by about 180 degrees, and the contact side of the strip conductor faces on an inner side of the winding to a center of the winding and facing away on an outer side of the winding from the center of the winding ,
  • the torsion of the strip conductor about its longitudinal axis within ⁇ half of the coil winding is achieved that, for a simp ⁇ chen winding consists typically of a plurality of flat superposed turns on both the inside of the winding and on the outside of the winding, the side of the tape conductor to the low-resistance contact to supralei ⁇ border layer comes to lie outside.
  • the superconducting coil means HTS-Mate rials include the second generation, in particular the compounds of the type REBa above 2 x CU30.
  • Second-generation HTS materials are also advantageous because they have a higher tensile strength and a higher critical current density than ⁇ HTS materials of the first generation.
  • the entire coil winding may be formed with either one or more parallel superconducting conductive tracks which may extend over the entire radial area of the coil winding.
  • the individual strip conductors of the stack can either be twisted one at a time or they can be twisted as a whole in the form of the entire stack.
  • mechanical problems can be avoided. For example, a bending of the strip conductor within the winding can be avoided, and the durability of the entire superconducting coil device is not endangered by the possible wear of an additional inner solder joint.
  • the coil device according to the invention comprises a coil winding with a plurality of turns, but also applications are possible in which the advantage according to the invention of the torsion of the strip conductor already comes into play in a single turn.
  • a superconducting strip conductor is wound in several turns on a winding support.
  • the strip conductor has a first conductor surface, which is designed as a contact side and is provided with a contact layer. The contact side of the strip conductor is at the beginning of the winding to the winding support and thus facing a center of the winding.
  • the strip conductor is twisted about at least one of the turns in a torsion about 180 degrees about a longitudinal axis of the strip conductor, and the contact ⁇ side of the strip conductor is remote on an outer side of the winding from the center of the winding.
  • the advantages of the manufacturing process are partly analogous to the advantages of the superconducting coil device according to the invention. Further advantages are in the simplified manufacturing process compared to the production of a coil device with an additional inner contact for changing the orientation of the strip conductor. In a twist of the strip conductor by torsion, on the one hand, the additional process step for producing the inner contact connection is avoided.
  • the winding can be carried out with a higher winding tension, if no mechanically sensitive rather internal soldering contact is present. As a rule, the winding process can also be carried out more easily and faster if only a single strip conductor or a package of parallel strip conductors has to be wound without additional internal soldering contact.
  • the coil device may additionally comprise the following features:
  • the superconductive coil device may comprise a first contact between the contact side of the strip conductor and an inner contact piece on an inner side of the coil winding and a second contact between the contact side of the Bandlei ⁇ ester and an outer contact piece on an outer side of the coil winding.
  • the inside of the Spu ⁇ lenwicklung faces a center of the coil winding, and the outer side of the coil winding facing away from the center of the coil winding.
  • the first and second contacts with the inner and outer contacts serve to connect the coil means to an external circuit.
  • these contacts are made as low as possible, and the contacts suitably comprise conductive materials as possible with a high geometric cross section for the
  • the inner and outer contacts may comprise copper.
  • the advantage of this embodiment is that in this way the contacts to the two contact pieces can be created on freely accessible sides of the coil winding. In contrast to
  • Shrinkage between the material of the placeholder and the remaining materials of the coil winding when cooling the coil winding to operating temperature can be caused.
  • Another advantage of the freely accessible contact points to create the contacts to the contact pieces is that under less confined space conditions a sufficiently low-resistance and reliable solder joint zwi ⁇ ⁇ contact piece and contact side of the strip conductor can be created easily.
  • a further power supply from an external circuit to the contact pieces is simplified because the contact pieces can be easily connected to an external power connection even on the freely accessible sides of the coil winding.
  • the strip conductor can have two conductor surfaces
  • the coil device can comprise at least two filler pieces, which are arranged adjacently in the torsion region of the at least one twisted turn in each case one of the conductor surfaces of the strip conductor, so that the filler pieces through the
  • the advantage of this embodiment is that the mechanical stability of the resulting ⁇ coil winding is increased, since the band conductor is held firmly by the at least two filler pieces.
  • the mechanical stability is specific for a ⁇ increased during the winding of the coil, so that during the manufacture, a greater winding tension can be used without the strip conductor in the region of the torsion onszone damage.
  • the mechanical stability during operation of the superconducting coil is also improved by the filler pieces.
  • Superconducting coils can be exposed during their operation strong centrifugal forces, for example by rotation in generators or machines. Alternatively or additionally, they may also be exposed to high Lorentz forces when generating strong magnetic fields.
  • Each of the two above-mentioned filler may be an inner and an outer portion comprising, the respective inner section is arranged on a local side facing the center side of the twisted ribbon conductor and arranged the respective äuße ⁇ re portion on a locally remote from the center side of the twisted ribbon conductor is.
  • Such a division of the filler in at least two Sectionstü ⁇ bridge is advantageous because the two conductor surfaces of the strip conductor change by the torsion in each case from the inside to the outside or vice versa.
  • the dividing each patch into at least two sections facilitates the insertion in the winding to be produced.
  • the torsion range of the winding can be at least three times as large along the longitudinal direction of the strip conductor as the width of the strip conductor. Particularly advantageously, the torsion range in this direction at least five times and at most ten times as large as the width of the Bandlei ⁇ age .
  • the torsion of the strip conductor is narrower, and the individual layers of the strip conductor are subjected to greater mechanical stress by the torsion.
  • the advantage of a rather small aspect ratio ⁇ is that the compactness and any existing symmetry of the entire coil device is disturbed only in a small portion. It is therefore advantageous to choose the torsion zone as small as it is possible in the mechanical strength of the strip conductor used.
  • the coil winding may comprise at least five turns, and the at least one twisted winding may in the region of the 20% facing away from the center of the strip conductor and in the direction of Leitererbrei ⁇ te about the same size or almost as large Turns lie.
  • the number of turns is advantageously substantially higher, for example in the range of 10 to 1000 turns.
  • a large part of the coil winding ⁇ maintain a most advantageous symmetrical structure that is disturbed only on a small portion on the outside of the winding by the torsion.
  • the torsion region of the twisted turn may be approximately diametrically opposite the region of the first contact. This is advantageous in order to avoid the damage caused by the first contact and torsion.
  • the coil winding can be designed as a flat rectangular coil with four straight sections and four rounded corners.
  • a rectangular coil or racetrack coil ge ⁇ called coil shape is often used in the field of rotors of generators or synchronous machines.
  • other coil shapes are possible, such as oval or cylindrical flat coils or saddle-shaped coils.
  • the torsion region can be arranged centrally on one of the straight sections of the rectangular coil.
  • This arrangement has the advantage that the band conductor in the torsion region is then twisted only along the longitudinal axis and at this point is not simultaneously bent within the winding plane. If there is a torsion at the same point and at the same time bending around another axis, the band conductor is subjected to more stress than a simple torsion on a straight section of the winding.
  • An advantage of the uniform distribution of the torsional stress is an arrangement of the torsion region in the middle of one of the straight sections of the rectangular coil.
  • Be ⁇ Sonders is arranged at a dung provided for a rotating application of the torsion coil at or near the intended axis of rotation of the coil is advantageous.
  • Such an embodiment has the advantage that occur due to the positioning on or near the axis of rotation only low centrifugal forces in the area of the Be ⁇ torsion zone, and that thus the mechanically somewhat more vulnerable twisted portion of the ribbon conductor is protected from additional mechanical stresses.
  • the turns of the coil winding may be mechanically fixed with a potting compound and / or an adhesive.
  • the resulting benefits are analogous to the advantages of using patches to fill in the cavities created by the torsion.
  • the coil winding is ⁇ before damage by mechanical force protected.
  • Particularly advantageous is the use of Guang ⁇ pieces in combination with a casting of the coil winding, wherein the inserted filler is cast together with the adjacent Bandleiterwindept.
  • a first contact between the contact side of the strip conductor and an inner contact piece can be formed only after the winding of the strip conductor, and a second contact between the contact side of the strip conductor and an outer contact piece can be formed.
  • This embodiment is advantageous if the coil is to be released from the winding carrier before it is put into operation and is either used as a freely supporting component without a carrier or is transferred to a separate coil carrier for operation.
  • at least two filler pieces can be arranged adjacent to one of two conductor surfaces of the strip conductor in such a way that they cause interspaces due to the torsion between adjacent turns fill.
  • Each of the two filler pieces may comprise an inner and an outer portion, wherein the respective inner portion is disposed on a locally centered side of the twisted strip conductor and the respective outer portion is arranged on a side facing away from the center of the twisted band conductor locally.
  • the advantage of sol ⁇ chen segmentation of the filler lies in the ease of insertion of the portions during winding of the coil, since the total of at least two individual sections during the gradual twist and during the progressive winding of the twisted coil can be introduced into the nascent successively interstices ,
  • the coil winding can be glued after winding and / or during winding with a potting compound and / or with a Klebemit ⁇ tel.
  • the advantages of these embodiments are analogous to the advantages of claim 9.
  • Fig. 1 is a schematic cross section of a superconducting
  • Fig. 2 is a schematic cross section of a rectangular
  • Fig. 3 is a schematic detail view of the cross section of
  • Fig. 4 is a schematic perspective view of a
  • Section of a filler shows.
  • Fig. 1 shows a cross section of a superconducting Bandlei ⁇ ester 1, in which the layer structure is shown schematically.
  • the strip conductor in this example comprises a substrate strip 2, here is a 100 ym 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 ym thick buffer layer 4 is arranged, which contains the oxidic materials Ce0 2 and Y2O 3 here .
  • the actual superconducting layer 6, here a 1 ym thick layer of YBa 2 Cu30 x which in turn is covered with a 50 ym thick contact layer 8 made of copper.
  • the superconducting layer and the copper may additionally be a silver topcoat.
  • YBa 2 Cu 3 0 x and the corresponding compounds REBa 2 Cu 3 0 x other rare earth RE can be used.
  • On the opposite side of the substrate strip here is another 50 ym thick cover layer 10 is arranged made of copper, followed by an insulator 12, which is formed in this example as 25 ym thick kapton tape.
  • 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.
  • a contacting of the strip conductor 1 is advantageously possible via the contact layer 8.
  • the overhead in Fig. 1 side of the strip conductor 1 is therefore also as a contact page 13 be ⁇ draws.
  • insbesonde ⁇ re those in which the strip conductor 1 is provided on both sides with a contact layer. 8 However, even with such coated on both sides strip conductors 1, a preferred contact side 13 is given, which is typically the side of the substrate
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of a rectangular coil winding 15 according to the preferred exemplary embodiment of the invention. Shown is an early Stadi ⁇ order during the manufacture of the coil winding 15 in which the strip conductor 1 is wound from a supply reel 19 to a winding carrier ⁇ 17th In this case, both the supply spool 19 and the winding support 17 are rotated within the winding plane, which here is the cutting plane, with the directions of rotation 18 and 20 marked in FIG.
  • a first contact 23 between the contact side 13 of the strip conductor and a sake of clarity not shown here first contact ⁇ piece was formed.
  • the first contact piece for example, consists essentially of copper and may be fixedly connected to the winding support 17 and / or integrated into it.
  • the winding support 17 is in this example a cylindrical body with a rectangular cross section with rounded
  • the strip conductor 1 is then wound flat with the inner contact side 13 on the winding support 17. Doing some turns may be formed with first innenlie ⁇ gender contact page. 13 In Fig. 2 is shown schematically only half a turn with internal contact side 13, but this is only to be understood as an example. Coil windings 15 are advantageously produced with a plurality of turns, in which the contact side 13 lies on egg ⁇ ner inner side 29 of the coil winding 15. Then, within one turn W, which in FIG. 2 is the only turn shown for reasons of clarity, the strip conductor 1 is twisted about its local longitudinal axis 24 by about 180 degrees, so that after the torsion the contact side 13 of the strip conductor 1 on a Outside 31 of the coil winding 15 comes to rest.
  • the torsion 25 is in this embodiment so angeord ⁇ net that it comes to rest completely on one of the straight portions of the rectangular coil.
  • the length 26 of the torsion zone 25 is in this example at a five times the width 30 of the strip conductor 1, so that the rotation of the strip conductor 1 does not lead to an excessive mechanical load of
  • the torsion 25 is not extended larger than necessary.
  • the axis of rotation 28 is also marked, around which the finished coil winding 15 will rotate in a later application, for example in the rotor of a synchronous machine.
  • the torsion 25 is arranged in this example, symmetrically about this axis of rotation 28 ⁇ so that a load on this sensitive region is substantially minimized by centrifugal forces.
  • the total of four sections 33 are shaped so that they fill the spaces between the tordier ⁇ th winding W t and adjacent turns.
  • the four sections 33 may, for example, filling an approximately equal volume and be designed so that each filling piece ⁇ summarizes an underlying and an overhead portion environmentally.
  • an underlying and an Economicslie ⁇ constricting portion 33 of the contact side 13 of the twisted coil W is in each case arranged adjacent to t, the other two portions 33 are disposed respectively adjacent the rear side of the twisted ribbon conductor.
  • FIG. 3 shows a schematic detail view of the Torsionsbe ⁇ Reich 25 of the coil winding 15.
  • the upper region of FIG. 3 faces the inner side 29 of the coil winding 15, and the lower region faces the outer side 31 of the coil winding 15.
  • the contact side 13 of the strip conductor 1 faces the center 27 of the coil. With the winding W t + i and all further turns, the contact side 13 of the strip conductor faces away from the center 27 of the coil.
  • the strip conductor 1 is twisted about its longitudinal axis 24 by about 180 degrees. As a result, the thickness of this turn W t locally increases to a value corresponding to the width 30 of the strip conductor.
  • the above and below ⁇ half of the twisted strip conductor 1 inserted patches are not shown for clarity in Fig. 3, since they would cover the conductor surface 36 of the twisted strip conductor 1 otherwise.
  • the illustrated conductor surface 36 may be, for example, the contact side 13.
  • FIG. 4 shows a schematic perspective view of one of the four sections 33 of the filling pieces.
  • the length of this part ⁇ piece corresponds to about half the torsion length 26a.
  • the illustrated section 33 comprises five boundary surfaces 33a to
  • the second associated section which lies next to the same conductor surface 36 of the twisted strip conductor 1, is accordingly an overhead section which is introduced between the twisted turn W t and the outer turn W t + i adjacent to the torsion.
  • the straight boundary surface 33a connects these two together ⁇ associated sections.
  • the twisted limiting surface 33b is adjacent in the ready-wound coil conductors of the twisted surface 36 of the turn W t.
  • the also curved Interface 33c is applied to the strip conductor 1 of the following turn W t + i, which is formed slightly curved by the higher space requirement in the torsion 25.
  • the in Fig. 4, bottom boundary surface 33d on the other hand just been forms ⁇ and the next inner winding W t -i arranged adjacent.
  • the interface 33e is finally also ge ⁇ rade and the portion bounded laterally, in a direction perpendicular to the winding plane.
  • the filler pieces are made in the preferred embodiment of glass fiber reinforced plastic. However, they may alternatively or additionally include other materials. Particularly suitable materials are those whose thermal shrinkage is similar in cooling of the coil winding 15 from room temperature to an operating temperature of for example 77 K or 25-30 K as the thermal

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Abstract

Es wird eine supraleitende Spuleneinrichtung mit mehreren Windungen eines supraleitenden Bandleiters angegeben. Der Bandleiter weist eine erste Leiteroberfläche auf, die als Kontaktseite ausgebildet ist und mit einer Kontaktschicht versehen ist. Der Bandleiter ist innerhalb wenigstens einer der Windungen in einem Torsionsbereich um etwa 180 Grad um eine Längsachse des Bandleiters tordiert, und die Kontaktseite des Bandleiters ist auf einer Innenseite der Wicklung einem Zentrum der Wicklung zugewandt und auf einer Außenseite der Wicklung vom Zentrum der Wicklung abgewandt. Weiterhin wird ein Herstellungsverfahren für eine supraleitende Spuleneinrichtung angegeben, bei dem ein supraleitender Bandleiter in mehreren Windungen auf einen Wicklungsträger gewickelt wird. Der Bandleiter weist eine erste Leiteroberfläche auf, die als Kontaktseite ausgebildet ist und mit einer Kontaktschicht versehen ist. Die Kontaktseite des Bandleiters ist dabei zu Beginn der Wicklung dem Wicklungsträger und somit einem Zentrum der Wicklung zugewandt. Der Bandleiter wird innerhalb wenigstens einer der Windungen in einem Torsionsbereich um etwa 180 Grad um eine Längsachse des Bandleiters tordiert, und die Kontaktseite des Bandleiters ist auf einer Außenseite der Wicklung vom Zentrum der Wicklung abgewandt.

Description

Beschreibung
Supraleitende Spuleneinrichtung mit Spulenwicklung und Herstellungsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Spulen¬ einrichtung mit wenigstens einer Spulenwicklung mit mehreren Windungen eines supraleitenden Bandleiters. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine sol- che supraleitende Spuleneinrichtung.
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 NbsSn 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 Ma- terialklassen oberhalb von 77 K. Diese HTS-Leiter liegen typischerweise in Form von flachen Bandleitern vor, die ein bandförmiges Substratband und eine auf dem Substratband ange¬ ordnete Supraleitungsschicht aufweisen. Zusätzlich weisen die Bandleiter oft noch weitere Schichten wie Stabilisierungs- schichten, Kontaktschichten, Pufferschichten und in manchen
Fällen auch Isolationsschichten auf. Die wichtigste Materialklasse der sogenannten HTS-Leiter zweiter Generation (2G-HTS) sind Verbindungen des Typs REBa2Cu30x, wobei RE für ein Ele¬ ment 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 Seite des Substratbandes herzustellen, die die supraleitende Schicht trägt. Diese Seite des Bandleiters wird im Folgenden als Kontaktseite bezeichnet. Bei einer Kontaktierung auf der Rückseite, also auf der der supraleitenden Schicht abgewand- ten 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 La- gen eines Bandleiters in mehreren Windungen übereinander zu liegen kommen, ist es oft schwierig, beide Enden der Spulenwicklung auf der Kontaktseite zu kontaktieren. Bei standard¬ mäßig verwendeten Wicklungstechniken zur Herstellung von Scheibenwicklungen wird üblicherweise entweder auf der Innen- seite oder auf der Außenseite der Wicklung die Kontaktseite des Bandleiters innen zu liegen kommen. Um trotzdem einen niederohmigen Kontakt auf der Kontaktseite des Bandleiters zu schaffen, wird bei bekannten Spuleneinrichtungen ein speziell gestaltetes Kontaktstück verwendet, welches neben der Kon- taktseite des Bandleiters in die Wicklung eingeschoben wird. Für eine solche Spuleneinrichtung ist jedoch ein aufwändiger Herstellungsprozess nötig, denn zur Gewährleistung der nöti¬ gen 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 Klebe¬ mittel 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 Her¬ stellung der nötigen mechanischen Stabilität der Kontaktbereich nachträglich mit Bandagen aus glasfaserverstärktem Kunststoff und Epoxid-Klebemittel fixiert werden.
In der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung
102012223366.0 wird eine supraleitende Spulenwicklung mit we¬ nigstens zwei Bandleitern angegeben, die jeweils eine Kon- taktseite aufweisen. Innerhalb einer Spulenwicklung der Spuleneinrichtung sind der erste und der zweite Bandleiter über einen inneren Kontakt zwischen ihren Kontaktseiten elektrisch verbunden. Der erste und der zweite Bandleiter unterscheiden sich bezüglich ihrer Orientierung gegenüber dem Zentrum der Spule, so dass durch diesen inneren Kontakt die Orientierung der Kontaktseite gewendet wird. Dies ermöglicht eine frei zu¬ gängliche Kontaktierung der Kontaktseite sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite der Spulenwicklung. Der Nachteil der dort angegebenen Spulenwicklung ist allerdings, dass durch den zusätzlichen inneren Kontakt eine weitere normalleitende Verbindung innerhalb der Spule geschaffen wird, die supraleitenden Eigenschaften der Spule werden also in ihrem Inneren unterbrochen, und es entstehend dort elektrische Verluste verbunden mit einer höheren Wärmeentwicklung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spuleneinrichtung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spuleneinrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Spu¬ leneinrichtung und das in Anspruch 10 beschriebene Verfahren gelöst .
Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine Spulenwicklung mit wenigstens einer Windung wenigstens eines supraleitenden Bandleiters. Der Bandleiter weist eine erste Leiteroberfläche auf, die als Kontaktseite ausgebildet ist und mit einer Kontaktschicht versehen ist. Der Bandleiter ist innerhalb wenigstens einer Windung in einem Torsionsbe¬ reich um etwa 180 Grad um eine Längsachse des Bandleiters tordiert, und die Kontaktseite des Bandleiters ist auf einer Innenseite der Wicklung einem Zentrum der Wicklung zugewandt und auf einer Außenseite der Wicklung vom Zentrum der Wicklung abgewandt . Durch die Torsion des Bandleiters um seine Längsachse inner¬ halb der Spulenwicklung wird erreicht, dass bei einer einfa¬ chen Wicklung aus typischerweise einer Mehrzahl von flächig übereinanderliegenden Windungen sowohl auf der Innenseite der Wicklung als auch auf der Außenseite der Wicklung die Seite des Bandleiters mit dem niederohmigeren Kontakt zur supralei¬ tenden Schicht nach außen zu liegen kommt. Üblicherweise wird eine unnötige zusätzliche Torsion innerhalb der Wicklung eines supraleitenden Bandleiters eher vermieden, da es durch solch eine Torsion zu inneren Spannungen der Schichtmaterialien bis hin zur Delamination und zum Verlust der supraleitenden Eigenschaften kommen kann. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Entwicklung neuartiger Bandleitermaterialien, insbesondere die Weiterentwicklung von Hochtemperatursupraleiter- materialien zweiter Generation zu wesentlich biegsameren
Bandleitern geführt hat als frühere Leiteraufbauten. Zweckmä¬ ßig kann daher die supraleitende Spuleneinrichtung HTS-Mate- rialien der zweiten Generation umfassen, insbesondere die oben genannten Verbindungen des Typs REBa2Cu30x. HTS-Materia- lien der zweiten Generation sind außerdem vorteilhaft, da sie eine höhere Zugfestigkeit sowie eine höhere kritische Strom¬ dichte als HTS-Materialien der ersten Generation aufweisen.
Ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zu der in der
102 0 122233 66 . 0 offenbarten Lösung liegt darin, dass keine zu¬ sätzliche normalleitende Lötstelle in die Wicklung eingeführt werden muss. Somit wird die Herstellung der Spulenwicklung weniger aufwändig, und es werden die durch die Lötstelle ver¬ ursachten elektrischen Verluste und die zugehörige zusätzli- che Wärmeentwicklung innerhalb der Spulenwicklung vermieden. Die gesamte Spulenwicklung kann entweder mit einer oder auch mit mehreren parallelen liegenden supraleitenden Leiterbahnen gebildet werden, die sich über den gesamten radialen Bereich der Spulenwicklung erstrecken können. Bei der Verwendung ei- nes Stapels von mehreren parallel liegenden Bandleitern können die einzelnen Bandleiter des Stapels entweder einzeln nacheinander tordiert werden oder sie können als Ganzes in Form des gesamten Stapels tordiert werden. Außerdem können mit einer zusätzlichen Lötstelle verbundene mechanische Probleme vermieden werden. Beispielsweise kann ein Abknicken des Bandleiters innerhalb der Wicklung vermie- den werden, und die Haltbarkeit der gesamten supraleitenden Spuleneinrichtung ist nicht durch den möglichen Verschleiß einer zusätzlichen inneren Lötstelle gefährdet.
Vorteilhaft umfasst die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung eine Spulenwicklung mit einer Mehrzahl von Windungen, es sind jedoch auch Anwendungen möglich, bei der der erfindungsgemäße Vorteil der Torsion des Bandleiters schon bei einer einzigen Windung zum Tragen kommt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spuleneinrichtung mit wenigstens einer Spulenwicklung wird ein supraleitender Bandleiter in mehreren Windungen auf einen Wicklungsträger gewickelt. Der Bandleiter weist eine erste Leiteroberfläche auf, die als Kontaktseite ausgebildet ist und mit einer Kontaktschicht versehen ist. Die Kontaktseite des Bandleiters ist dabei zu Beginn der Wicklung dem Wicklungsträger und somit einem Zentrum der Wicklung zugewandt. Der Bandleiter wird innerhalb wenigstens einer der Windungen in einem Torsionsbereich um etwa 180 Grad um eine Längsachse des Bandleiters tordiert, und die Kontakt¬ seite des Bandleiters ist auf einer Außenseite der Wicklung vom Zentrum der Wicklung abgewandt.
Die Vorteile des Herstellungsverfahrens ergeben sich zum Teil analog zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen supraleitenden Spuleneinrichtung. Weitere Vorteile liegen in dem vereinfachten Herstellungsprozess im Vergleich zur Herstellung einer Spuleneinrichtung mit einem zusätzlichen inneren Kontakt zur Änderung der Orientierung des Bandleiters. Bei einer Wendung des Bandleiters durch Torsion wird zum einen der zusätzliche Prozessschritt zur Herstellung der inneren Kontaktverbindung vermieden. Außerdem kann das Wickeln mit einem höheren Wickelzug vorgenommen werden, wenn kein mechanisch empfindli- eher innerer Lötkontakt vorliegt. Der Wickelprozess kann in der Regel auch leichter und schneller erfolgen, wenn nur ein einfacher Bandleiter oder ein Paket parallel liegender Bandleiter ohne zusätzlichen inneren Lötkontakt gewickelt werden muss. Vor allem ist der Wickelprozess deshalb einfacher, weil ohne einen inneren Lötkontakt keine zusätzlichen vorbereitenden Prozessschritte nötig sind. Insbesondere sind keine zu¬ sätzlichen Umspulschritte zur Bereitstellung des zu wickelnden Bandleiters oder des zu wickelnden Paketes mehrerer Band- leiter auf einer Vorratsspule nötig.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann die Spuleneinrichtung zusätzlich folgende Merkmale umfassen:
Die supraleitende Spuleneinrichtung kann einen ersten Kontakt zwischen der Kontaktseite des Bandleiters und einem inneren Kontaktstück auf einer Innenseite der Spulenwicklung und einen zweiten Kontakt zwischen der Kontaktseite des Bandlei¬ ters und einem äußeren Kontaktstück auf einer Außenseite der Spulenwicklung umfassen. Hierbei ist die Innenseite der Spu¬ lenwicklung einem Zentrum der Spulenwicklung zugewandt, und die Außenseite der Spulenwicklung ist vom Zentrum der Spulen- wicklung abgewandt. Der erste und der zweite Kontakt mit den inneren und äußeren Kontaktstücken dienen der Verbindung der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis. Zweckmäßig werden diese Kontakte möglichst niederohmig ausgeführt, und die Kontaktstücke umfassen zweckmäßig möglichst leitfähige Materialien mit hohem geometrischem Querschnitt für den
Stromtransport. Beispielsweise können die inneren und äußeren Kontaktstücke Kupfer umfassen. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass auf diese Weise die Kontakte zu den beiden Kontaktstücken auf frei zugänglichen Seiten der Spulenwicklung geschaffen werden können. Im Gegensatz zum
Stand der Technik müssen beim Herstellen der Spulenwicklung keine temporären Füllstücke in die Wicklung eingeführt wer¬ den, die von dort anschließend wieder entfernt werden müssen, um Platz für ein in einen Zwischenraum der Wicklung einzuführendes Kontaktstück zu schaffen. Der hohe Platzbedarf für einen solchen Platzhalter entfällt ebenso wie der Platzbedarf für ein Kontaktstück innerhalb der Wicklung. Dies führt in- nerhalb der Wicklung zu einer höheren effektiven Stromdichte. Außerdem wird eine Gefährdung der mechanischen Stabilität der Spule durch das mechanische Entfernen des Platzhalters und das nachträgliche Einführen eines Kontaktstücks unter die Wicklung vermieden. Weiterhin entfällt auch die mechanische Belastung, die durch eine unterschiedliche thermische
Schrumpfung zwischen dem Material des Platzhalters und den übrigen Materialien der Spulenwicklung beim Abkühlen der Spulenwicklung auf Betriebstemperatur verursacht werden kann. Ein weiterer Vorteil der frei zugänglichen Kontaktstellen zur Schaffung der Kontakte zu den Kontaktstücken liegt darin, dass unter weniger beengten Platzverhältnissen leichter eine ausreichend niederohmige und zuverlässige Lötverbindung zwi¬ schen Kontaktstück und Kontaktseite des Bandleiters geschaf- fen werden kann. Auch eine weitere Stromzuführung von einem äußeren Stromkreis zu den Kontaktstücken ist vereinfacht, da die Kontaktstücke selbst auf den frei zugänglichen Seiten der Spulenwicklung leichter mit einem äußeren Stromanschluss verbunden werden können.
Der Bandleiter kann zwei Leiteroberflächen aufweisen, und die Spuleneinrichtung kann wenigstens zwei Füllstücke umfassen, die im Torsionsbereich der wenigstens einen tordierten Windung jeweils einer der Leiteroberflächen des Bandleiters be- nachbart angeordnet sind, so dass die Füllstücke durch die
Torsion bedingte Zwischenräume zwischen benachbarten Windungen weitgehend ausfüllen. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die mechanische Stabilität der resultieren¬ den Spulenwicklung erhöht wird, da der Bandleiter durch die wenigstens zwei Füllstücke fest gehalten wird. Die mechani¬ sche Stabilität wird zum einen beim Wickeln der Spule erhöht, so dass während der Herstellung ein größerer Wickelzug verwendet werden kann, ohne den Bandleiter im Bereich der Torsi- onszone zu schädigen. Zum anderen wird durch die Füllstücke auch die mechanische Stabilität bei einem Betrieb der supra¬ leitenden Spule verbessert. Supraleitenden Spulen können bei ihrem Betrieb starken Fliehkräften, beispielsweise durch die Rotation in Generatoren oder Maschinen ausgesetzt sein. Alternativ oder zusätzlich können sie bei der Erzeugung starker Magnetfelder auch hohen Lorentzkräften ausgesetzt sein. Zum Schutz vor Schädigung des Bandleiters bei solchen Belastungen ist es zweckmäßig, den Bandleiter auch im Torsionsbereich der Wicklung beidseitig fest zu halten und vor unnötigen Zugoder Scherkräften und Vibrationen zu schützen. Die Verwendung von zwei getrennten Füllstücken ist deshalb zweckmäßig, da der tordierte Bandleiter selbst den durch die Torsion entstehenden Hohlraum in der Spulenwicklung in zwei annähernd gleich große und nicht zusammenhängende Teile teilt.
Jedes der beiden vorgenannten Füllstücke kann ein inneres und ein äußeres Teilstück umfassen, wobei das jeweilige innere Teilstück auf einer lokal dem Zentrum zugewandten Seite des tordierten Bandleiters angeordnet ist und das jeweilige äuße¬ re Teilstück auf einer lokal von dem Zentrum abgewandten Seite des tordierten Bandleiters angeordnet ist. Eine solche Aufteilung der Füllstücke in jeweils wenigstens zwei Teilstü¬ cke ist vorteilhaft, da die beiden Leiteroberflächen des Bandleiters durch die Torsion jeweils von innenliegend zu außenliegend wechseln oder umgekehrt. Da es bei der Herstel¬ lung der Wicklung schwierig ist, ein langgezogenes Füllstück gleichzeitig oberhalb und unterhalb der Windung eines Band¬ leiters zu positionieren, erleichtert die Aufteilung jedes Füllstücks in wenigstens zwei Teilstücke das Einführen in die herzustellende Wicklung.
Der Torsionsbereich der Wicklung kann entlang einer lokalen Längsrichtung des Bandleiters wenigstens dreimal so groß sein wie die Breite des Bandleiters. Besonders vorteilhaft kann der Torsionsbereich in dieser Richtung wenigstens fünfmal und höchstens zehnmal so groß sein wie die Breite des Bandlei¬ ters. Bei einem kleineren Aspektverhältnis der Torsionszone ist die Torsion des Bandleiters enger, und die einzelnen Schichten des Bandleiters werden durch die Torsion stärker mechanisch belastet. Der Vorteil eines eher kleinen Aspekt¬ verhältnisses liegt jedoch darin, dass die Kompaktheit und eventuell vorhandene Symmetrie der gesamten Spuleneinrichtung nur in einem kleinen Teilbereich gestört wird. Es ist daher vorteilhaft, die Torsionszone so klein zu wählen, wie es bei der mechanischen Belastbarkeit des verwendeten Bandleiters möglich ist. Bei einer Ausführungsform mit Füllstücken ist dann das Aspektverhältnis der Abmessungen des Füllstücks in
Längsrichtung des Bandleiters und in Richtung der Leiterbrei¬ te etwa ähnlich groß oder fast so groß wie das oben erwähnte Aspektverhältnis des Torsionsbereichs selbst. Die Spulenwicklung kann wenigstens fünf Windungen umfassen, und die wenigstens eine tordierte Windung kann im Bereich der vom Zentrum abgewandten 20% der Windungen liegen. Für Anwendungen in elektrischen Maschinen, Generatoren und/oder Magnetspulen wird die Anzahl der Windungen vorteilhaft wesent- lieh höher, beispielsweise im Bereich von 10 bis 1000 Windungen liegen. Für alle diese Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die von der Torsion des Bandleiters betroffene Windung eher im äußeren Bereich der Spuleneinrichtung liegt. Da die Spule typischerweise von innen nach außen auf einem innenlie- genden Wicklungsträger gewickelt wird, ist es günstig, wenn die Symmetrie der Spulenwicklung erst spät während der Her¬ stellung gestört wird. Somit kann ein Großteil der Spulen¬ wicklung einen meist vorteilhaften symmetrischen Aufbau beibehalten, der nur auf einem geringen Teilbereich auf der Au- ßenseite der Wicklung durch die Torsion gestört wird. Alternativ kann es in manchen Fällen jedoch auch vorteilhaft sein, wenn der von der Torsion betroffenen Leiterbereich im inneren Bereich der Spulenanordnung liegt. Der Torsionsbereich der tordierten Windung kann etwa diametral gegenüber dem Bereich des ersten Kontakts liegt. Dies ist Vorteilhaft, um die durch den ersten Kontakt und die Torsi- onszone geschaffene Asymmetrie der Spulenwicklung gleichmäßig über die Wicklung zu verteilen.
Die Spulenwicklung kann als ebene Rechteckspule mit vier ge- raden Abschnitten und vier abgerundeten Ecken ausgebildet sein. Eine solche Rechteckspule oder auch Rennbahnspule ge¬ nannte Spulenform wird oft im Bereich von Rotoren von Generatoren oder Synchronmaschinen verwendet. Generell sind jedoch auch andere Spulenformen möglich, wie beispielsweise ovale oder zylindrische Flachspulen oder auch sattelförmige Spulen.
Bei einer rechteckförmigen Spulenwicklung kann der Torsionsbereich mittig auf einem der geraden Abschnitte der Rechteckspule angeordnet sein. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Bandleiter im Torsionsbereich dann nur entlang der Längsachse tordiert ist und an dieser Stelle nicht gleichzeitig innerhalb der Wicklungsebene gebogen ist. Wenn an derselben Stelle eine Torsion und gleichzeitig eine Biegung um eine weitere Achse vorliegt, wird der Bandleiter stärker belastet als bei einer einfachen Torsion auf einem geraden Abschnitt der Wicklung. Vorteilhaft zur gleichmäßigen Verteilung der Torsionsspannung ist eine Anordnung des Torsionsbereichs in der Mitte einer der geraden Abschnitte der Rechteckspule. Be¬ sonders vorteilhaft ist bei einer für eine rotierende Anwen- dung vorgesehenen Spule der Torsionsbereich auf oder nahe der vorgesehenen Rotationsachse der Spule angeordnet. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, dass durch die Positionierung auf oder nahe der Rotationsachse nur geringe Fliehkräfte im Be¬ reich der Torsionszone auftreten, und dass somit der mecha- nisch etwas anfälligere tordierte Bereich des Bandleiters vor zusätzlichen mechanischen Belastungen geschützt ist.
Die Windungen der Spulenwicklung können mit einer Vergussmasse und/oder einem Klebemittel mechanisch fixiert sein. Die sich daraus ergebenden Vorteile sind analog zu den Vorteilen der Verwendung von Füllstücken zum Ausfüllen der durch die Torsion entstehenden Hohlräume. Insbesondere wird die Spulen¬ wicklung vor der Schädigung durch mechanische Krafteinwirkung geschützt. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Füll¬ stücken in Kombination mit einem Verguss der Spulenwicklung, wobei auch das eingefügte Füllstück zusammen mit den benachbarten Bandleiterwindungen vergossen wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens gehen aus den von Anspruch 10 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann vor dem Wickeln des Bandleiters ein erster Kontakt zwischen der Kon- taktseite des Bandleiters und einem inneren Kontaktstück aus¬ gebildet werden, und nach dem Wickeln des Bandleiters kann ein zweiter Kontakt zwischen der Kontaktseite des Bandleiters und einem äußeren Kontaktstück ausgebildet werden. Die Ausbildung des inneren Kontakts vor dem Wickeln der Spulenwick- lung hat den Vorteil, dass die Spule zur Ausbildung dieses inneren Kontaktes nicht noch einmal von dem Wicklungsträger gelöst werden muss. Bei geeigneter Wahl des Wicklungsträgers kann die Spule sogar während ihres Betriebs auf diesem Wick¬ lungsträgers verbleiben. Wenn die Spule auf den bereits her- gestellten inneren Kontakt aufgewickelt wird, kann auch der Wickelzug vorteilhaft die mechanische Festigkeit der Verbin¬ dung mit dem inneren Kontakt verstärken.
Alternativ kann erst nach dem Wickeln des Bandleiters ein erster Kontakt zwischen der Kontaktseite des Bandleiters und einem inneren Kontaktstück ausgebildet werden, und es kann ein zweiter Kontakt zwischen der Kontaktseite des Bandleiters und einem äußeren Kontaktstück ausgebildet werden. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn die Spule vor Inbetrieb- nähme von dem Wicklungsträger gelöst werden soll und entweder als frei tragendes Bauteil ohne Träger verwendet wird oder für den Betrieb auf einen separaten Spulenträger übertragen wird . Im Torsionsbereich der wenigstens einen tordierten Windung können wenigstens zwei Füllstücke so zu jeweils einer von zwei Leiteroberflächen des Bandleiters benachbart angeordnet werden, dass sie durch die Torsion bedingte Zwischenräume zwischen benachbarten Windungen ausfüllen. Die Vorteile dieser Ausgestaltung ergeben sich analog zu den Vorteilen des Anspruchs 4.
Jedes der beiden Füllstücke kann ein inneres und ein äußeres Teilstück umfassen, wobei das jeweils innere Teilstück auf einer lokal dem Zentrum zugewandten Seite des tordierten Bandleiters angeordnet wird und das jeweils äußere Teilstück auf einer lokal von dem Zentrum abgewandten Seite des tordierten Bandleiters angeordnet wird. Der Vorteil einer sol¬ chen Segmentierung der Füllstücke liegt in der einfacheren Einbringung der Teilstücke während des Wickeins der Spule, da die insgesamt wenigstens zwei einzelnen Teilstücke während der allmählichen Torsion und während der fortschreitenden Wicklung der tordierten Windung in die nacheinander erst entstehenden Zwischenräume eingebracht werden können.
Die Spulenwicklung kann nach dem Wickeln und/oder während des Wickeins mit einer Vergussmasse und/oder mit einem Klebemit¬ tel verklebt werden. Die Vorteile dieser Ausführungsformen ergeben sich analog zu den Vorteilen des Anspruchs 9.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Aus¬ führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten Zeich¬ nungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines supraleitenden
Bandleiters zeigt,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer rechteckförmigen
Spulenwicklung zeigt,
Fig. 3 eine schematische Detailansicht des Querschnitts der
Torsionszone der Spulenwicklung zeigt,
Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Teilstücks eines Füllstücks zeigt.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines supraleitenden Bandlei¬ ters 1, in dem der Schichtaufbau schematisch dargestellt ist. Der Bandleiter umfasst in diesem Beispiel ein Substratband 2, das hier ein 100 ym 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 ym dicke Pufferschicht 4 angeordnet, die hier die oxidischen Materialien Ce02 und Y2O3 enthält. Darüber folgt die eigentliche Supraleitungsschicht 6, hier eine 1 ym dicke Schicht aus YBa2Cu30x, die wiederum mit einer 50 ym dicken Kontaktschicht 8 aus Kupfer abgedeckt ist. Zwischen der supraleitenden Schicht und dem Kupfer kann sich zusätzlich eine Silberdeckschicht befinden. Alternativ zu dem Material YBa2Cu30x können auch die entsprechenden Verbindungen REBa2Cu30x anderer seltener Erden RE verwendet werden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Substratbandes ist hier eine weitere 50 ym dicke Deckschicht 10 aus Kupfer ange- ordnet, gefolgt von einem Isolator 12, der in diesem Beispiel als 25 ym 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 pa¬ rallel gewickelt werden, die nicht gegeneinander isoliert werden müssen. Dann kann beispielsweise ein Stapel von 2 bis 10 übereinanderliegenden Bandleitern ohne eine Isolator- schicht 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 obenliegende Seite des Bandleiters 1 wird daher auch als Kontaktseite 13 be¬ zeichnet . Alternativ zu dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau des Bandleiters
1 sind jedoch auch andere Schichtsysteme möglich, insbesonde¬ re solche, bei denen der Bandleiter 1 beidseitig mit einer Kontaktschicht 8 versehen ist. Auch bei solchen beidseitig umhüllten Bandleitern 1 ist jedoch eine bevorzugte Kontaktseite 13 gegeben, die typischerweise die Seite des Substrats
2 ist, auf der die supraleitende Schicht 6 angeordnet ist.
In Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt einer rechteck- förmigen Spulenwicklung 15 nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein frühes Stadi¬ um während der Herstellung der Spulenwicklung 15, bei dem der Bandleiter 1 von einer Vorratsspule 19 auf einen Wicklungs¬ träger 17 aufgewickelt wird. Dabei werden sowohl die Vorrats- spule 19 als auch der Wicklungsträger 17 innerhalb der Wicklungsebene, die hier die Schnittebene ist, mit den in Fig. 1 markierten Drehrichtungen 18 und 20 gedreht. Zu Beginn der Herstellung der Spulenwicklung 15 wurde ein erster Kontakt 23 zwischen der Kontaktseite 13 des Bandleiters und einem der Übersichtlichkeit halber hier nicht gezeigten ersten Kontakt¬ stück gebildet. Das erste Kontaktstück besteht beispielsweise im Wesentlichen aus Kupfer und kann fest mit dem Wicklungsträger 17 verbunden und/oder in diesen integriert sein. Der Wicklungsträger 17 ist in diesem Beispiel ein zylindrischer Körper mit rechteckförmigem Querschnitt mit abgerundeten
Ecken. Der Bandleiter 1 wird dann zunächst mit innenliegender Kontaktseite 13 flach auf den Wicklungsträger 17 aufgewickelt. Dabei können einige Windungen mit zunächst innenlie¬ gender Kontaktseite 13 gebildet werden. In Fig. 2 ist schema- tisch nur eine halbe Windung mit innenliegender Kontaktseite 13 gezeigt, dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Vorteilhaft werden Spulenwicklungen 15 mit einer Mehrzahl an Windungen hergestellt, bei denen die Kontaktseite 13 auf ei¬ ner Innenseite 29 der Spulenwicklung 15 liegt. Dann wird in- nerhalb einer Windung W , die in Fig. 2 aus Übersichtsgründen die einzige gezeigte Windung ist, der Bandleiter 1 um seine lokale Längsachse 24 um etwa 180 Grad tordiert, so dass nach der Torsion die Kontaktseite 13 des Bandleiters 1 auf einer Außenseite 31 der Spulenwicklung 15 zu liegen kommt. Der Torsionsbereich 25 ist in diesem Ausführungsbeispiel so angeord¬ net, dass er vollständig auf einem der geraden Abschnitte der Rechteckspule zu liegen kommt. Die Länge 26 der Torsionszone 25 liegt in diesem Beispiel bei einem fünffachen der Breite 30 des Bandleiters 1, so dass die Verdrehung des Bandleiters 1 nicht zu einer übermäßigen mechanischen Belastung des
Schichtsystems führt, der Torsionsbereich 25 jedoch auch nicht größer als nötig ausgedehnt ist. In Fig. 2 ist auch die Rotationsachse 28 markiert, um die die fertige Spulenwicklung 15 in einer späteren Anwendung, beispielsweise im Rotor einer Synchronmaschine rotieren wird. Der Torsionsbereich 25 ist in diesem Beispiel symmetrisch um diese Rotationsachse 28 ange¬ ordnet, so dass eine Belastung dieses empfindlichen Bereichs durch Fliehkräfte weitgehend minimiert wird. Während der Ver¬ drehung des Bandleiters um seine lokale Längsachse 24 werden in die entstehenden Hohlräume zwei Füllstücke mit jeweils zwei Teilstücken 33 eingebracht, die den tordierten Bandlei¬ ter mechanisch stützen. Die insgesamt vier Teilstücke 33 sind so geformt, dass sie die Zwischenräume zwischen der tordier¬ ten Windung Wt und benachbarten Windungen ausfüllen. Die vier Teilstücke 33 können beispielsweise ein annähernd gleiches Volumen ausfüllen und so ausgestaltet sein, dass jedes Füll¬ stück ein untenliegendes und ein obenliegendes Teilstück um- fasst. Davon ist jeweils ein untenliegendes und ein obenlie¬ gendes Teilstück 33 der Kontaktseite 13 der tordierten Windung Wt benachbart angeordnet, die anderen beiden Teilstücke 33 sind entsprechend der Rückseite des tordierten Bandleiters 1 benachbart angeordnet.
Nach dem in Fig. 2 gezeigten Stadium kann noch eine Anzahl weiterer Windungen mit einer außenliegenden Kontaktseite 13 hergestellt werden, bevor auf der Außenseite 31 der Wicklung ein zweiter Kontakt mit einem äußeren Kontaktstück herge- stellt wird und die Spule anschließend mit einer Vergussmasse vergossen oder mit einem Kleber verklebt wird. Fig. 3 zeigt eine schematische Detailansicht des Torsionsbe¬ reichs 25 der Spulenwicklung 15. In dieser Detailansicht sind nun auch zwei der tordierten Windung Wt benachbarte Windungen Wt-i und Wt+i gezeigt. Der obere Bereich der Fig. 3 ist dabei der Innenseite 29 der Spulenwicklung 15 zugewandt, und der untere Bereich ist der Außenseite 31 der Spulenwicklung 15 zugewandt. Bei der Windung Wt-i und allen weiter innen liegen¬ den Windungen ist die Kontaktseite 13 des Bandleiters 1 dem Zentrum 27 der Spule zugewandt. Bei der Windung Wt+i und allen weiter außen liegenden Windungen ist die Kontaktseite 13 des Bandleiters von dem Zentrum 27 der Spule abgewandt. Auf einem Abschnitt der Länge 26 der Windung Wt ist der Bandleiter 1 um etwa 180 Grad um seine Längsachse 24 tordiert. Dadurch wächst die Dicke dieser Windung Wt lokal auf einen Wert an, der der Breite 30 des Bandleiters entspricht. Die oberhalb und unter¬ halb des tordierten Bandleiters 1 eingelegten Füllstücke sind der Übersichtlichkeit halber in Fig. 3 nicht gezeigt, da sie sonst die Leiteroberfläche 36 des tordierten Bandleiters 1 verdecken würden. Die gezeigte Leiteroberfläche 36 kann bei- spielsweise die Kontaktseite 13 sein.
Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines der vier Teilstücke 33 der Füllstücke. Die Länge dieses Teil¬ stücks entspricht etwa der halben Torsionslänge 26a. Das ge- zeigte Teilstück 33 umfasst fünf Begrenzungsflächen 33a bis
33e, von denen zwei gekrümmte Flächen 33b, 33c und drei ebene Flächen 33a, 33d, 33e sind. Es handelt sich in diesem Bei¬ spiel um ein untenliegendes Teilstück 33, das zwischen der tordierten Windung Wt und der nächsten innenliegenden Windung Wt-i eingeführt wird. Das zweite zugehörige Teilstück, das ne¬ ben derselben Leiteroberfläche 36 des tordierten Bandleiters 1 liegt, ist entsprechend ein obenliegendes Teilstück, das zwischen der tordierten Windung Wt und der nach der Torsion benachbarten außenliegenden Windung Wt+i eingeführt wird. Die gerade Begrenzungsfläche 33a verbindet diese beiden zusammen¬ gehörigen Teilstücke. Die tordierte Begrenzungsfläche 33b ist in der fertig gewickelten Spule der tordierten Leiteroberfläche 36 der Windung Wt benachbart. Die ebenfalls gekrümmte Grenzfläche 33c liegt an dem Bandleiter 1 der nachfolgenden Windung Wt+i an, der durch den höheren Platzbedarf im Torsionsbereich 25 leicht gewölbt ausgebildet ist. Die in Fig. 4 unten angeordnete Grenzfläche 33d ist dagegen gerade ausge¬ bildet und der nächsten innenliegenden Windung Wt-i benachbart angeordnet. Die Grenzfläche 33e ist schließlich ebenfalls ge¬ rade und begrenzt das Teilstück seitlich, in einer Richtung senkrecht zur Wicklungsebene.
Die Füllstücke sind im bevorzugten Ausführungsbeispiel aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Sie können jedoch alternativ oder zusätzlich auch andere Materialien umfassen. Besonders geeignet sind solche Materialien, deren thermische Schrumpfung bei einer Abkühlung der Spulenwicklung 15 von Raumtemperatur auf eine Betriebstemperatur von beispielsweise 77 K oder 25-30 K ähnlich groß ist wie die thermische
Schrumpfung der restlichen Spulenwicklung 15.

Claims

Patentansprüche
1. Supraleitende Spuleneinrichtung mit wenigstens einer Spu¬ lenwicklung (15), umfassend wenigstens eine Windung (Wt-i , Wt, Wt+i ) wenigstens eines supraleitenden Bandleiters (1), der ei¬ ne erste Leiteroberfläche (26) aufweist, die als Kontaktseite (13) ausgebildet ist und mit einer Kontaktschicht (8) verse¬ hen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Bandleiter (1) innerhalb we- nigstens einer Windung (Wt) in einem Torsionsbereich (25) um etwa 180 Grad um eine Längsachse (24) des Bandleiters (1) tordiert ist,
und dass die Kontaktseite (13) des Bandleiters (1) auf einer Innenseite (29) der Wicklung einem Zentrum (27) der Wicklung zugewandt ist und auf einer Außenseite (31) der Wicklung vom Zentrum (27) der Wicklung abgewandt ist.
2. Supraleitende Spuleneinrichtung nach Anspruch 1 mit einem ersten Kontakt (23) zwischen der Kontaktseite (13) des Band- leiters (1) und einem inneren Kontaktstück auf einer Innenseite (29) der Spulenwicklung (15) und einem zweiten Kontakt zwischen der Kontaktseite (13) des Bandleiters (1) und einem äußeren Kontaktstück auf einer Außenseite (31) der Spulenwicklung (15) .
3. Supraleitende Spuleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Bandleiter (1) zwei Leiteroberflächen (36) aufweist und wobei die Spuleneinrichtung wenigstens zwei Füllstücke umfasst, die im Torsionsbereich (25) der wenigs- tens einen tordierten Windung (Wt) jeweils einer der Leiter¬ oberflächen (36) des Bandleiters (1) benachbart angeordnet sind, so dass sie durch die Torsion bedingte Zwischenräume zwischen benachbarten Windungen (Wt-i , Wt, Wt+i ) weitgehend ausfüllen .
4. Supraleitende Spuleneinrichtung nach Anspruch 3, bei der jedes der beiden Füllstücke ein inneres und ein äußeres Teil¬ stück (33) umfasst, wobei das jeweilige innere Teilstück (33) auf einer lokal dem Zentrum (27) zugewandten Seite des tor- dierten Bandleiters (1) angeordnet ist und das jeweilige äußere Teilstück auf einer lokal von dem Zentrum (27) abgewandten Seite des tordierten Bandleiters (1) angeordnet ist.
5. Supraleitende Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsions¬ bereich (25) entlang einer Längsrichtung (24) des Bandleiters (1) wenigstens dreimal so groß ist wie eine Breite des Band- leiters (30) .
6. Supraleitende Spuleneinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsbereich (26) der tordierten Windung (Wt) etwa diametral gegenüber dem Be- reich des ersten Kontakts (23) liegt.
7. Supraleitende Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen¬ wicklung (15) als ebene Rechteckspule mit vier geraden Ab- schnitten und vier abgerundeten Ecken ausgebildet ist.
8. Supraleitende Spuleneinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsbereich (25) mittig auf ei¬ nem der geraden Abschnitte der Rechteckspule angeordnet ist.
9. Supraleitende Spuleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Windungen (Wt-i, Wt, Wt+i) der Spulenwicklung (15) mit einer Vergussmasse und/oder einem Klebemittel mechanisch fixiert sind.
10. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spuleneinrichtung mit wenigstens einer Spulenwicklung (15), bei dem ein supraleitender Bandleiter (1) in mehreren Windungen (Wt-i, Wt, t+i) auf einen Wicklungsträger (17) gewickelt wird, wobei der Bandleiter (1) eine erste Leiteroberfläche (26) aufweist, die als Kontaktseite (13) ausgebildet ist und mit einer Kon¬ taktschicht (8) versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktseite (13) des Bandleiters (1) zu Beginn der Wick¬ lung dem Wicklungsträger (17) und somit einem Zentrum (27) der Wicklung zugewandt ist,
der Bandleiter (1) innerhalb wenigstens einer der Windungen (Wt-i , Wt, Wt+i ) in einem Torsionsbereich (25) um etwa 180 Grad um eine Längsachse (24) des Bandleiters (1) tordiert wird, und dass die Kontaktseite (13) des Bandleiters (1) auf einer Außenseite (31) der Wicklung vom Zentrum (27) der Wicklung abgewandt ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem vor dem Wickeln des Bandleiters (1) ein erster Kontakt (23) zwischen der Kontakt¬ seite (13) des Bandleiters (1) und einem inneren Kontaktstück ausgebildet wird und bei dem nach dem Wickeln des Bandleiters (1) ein zweiter Kontakt zwischen der Kontaktseite des Band¬ leiters (1) und einem äußeren Kontaktstück ausgebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem nach dem Wickeln des Bandleiters (1) ein erster Kontakt (23) zwischen der Kontakt- seite (13) des Bandleiters (1) und einem inneren Kontaktstück ausgebildet wird und ein zweiter Kontakt zwischen der Kon¬ taktseite (13) des Bandleiters (1) und einem äußeren Kontakt¬ stück ausgebildet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem im Torsionsbereich (25) der wenigstens einen tordierten Windung (W ) wenigstens zwei Füllstücke so zu jeweils einer von zwei Leiteroberflächen (36) des Bandleiters (1) benachbart ange¬ ordnet werden, dass sie durch die Torsion bedingte Zwischen- räume zwischen benachbarten Windungen (Wt-i , Wt, Wt+i ) weitge¬ hend ausfüllen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem jedes der beiden Füllstücke ein inneres und ein äußeres Teilstück (33) um- fasst, wobei das jeweilige innere Teilstück (33) auf einer lokal dem Zentrum (27) zugewandten Seite des tordierten Bandleiters (1) angeordnet wird und das jeweilige äußere Teil- stück (33) auf einer lokal von dem Zentrum (27) abgewandten Seite des tordierten Bandleiters (1) angeordnet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Spulenwicklung (15) nach dem Wickeln und/oder während des Wickeins mit einer Vergussmasse vergos¬ sen und/oder mit einem Klebemittel verklebt wird.
EP14729237.9A 2013-05-28 2014-05-20 Supraleitende spuleneinrichtung mit spulenwicklung und herstellungsverfahren Active EP2987173B1 (de)

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DE102013209967.3A DE102013209967A1 (de) 2013-05-28 2013-05-28 Supraleitende Spuleneinrichtung mit Spulenwicklung und Herstellungsverfahren
PCT/EP2014/060284 WO2014191252A1 (de) 2013-05-28 2014-05-20 Supraleitende spuleneinrichtung mit spulenwicklung und herstellungsverfahren

Publications (2)

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