EP4238145A1 - Bandleitervorrichtung und kabel, das die bandleitervorrichtung aufweist - Google Patents

Bandleitervorrichtung und kabel, das die bandleitervorrichtung aufweist

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Publication number
EP4238145A1
EP4238145A1 EP21794557.5A EP21794557A EP4238145A1 EP 4238145 A1 EP4238145 A1 EP 4238145A1 EP 21794557 A EP21794557 A EP 21794557A EP 4238145 A1 EP4238145 A1 EP 4238145A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
conductor
strip conductor
layer
strip
elements
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP21794557.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tabea Arndt
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.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP4238145A1 publication Critical patent/EP4238145A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/02—Windings characterised by the conductor material
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/20—Permanent superconducting devices
    • H10N60/203—Permanent superconducting devices comprising high-Tc ceramic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/80—Constructional details
    • H10N60/82—Current path
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a strip conductor device and a cable with such a strip conductor device, which is designed to be used in devices powered by alternating current.
  • JP 2019 149 344 A produces wire from high-temperature superconductors that has a strip conductor structure, with the strip conductors being punched out in a meandering shape and being applied to a carrier layer. This type of production is expensive and requires a large amount of material, and the treatment of the materials also entails the risk of degradation.
  • EP 1 668 712 A1 shows a strip conductor made of superconducting material in which grooves are scored by micro-etching in order to break through the conductor layer and force the current to follow a curved current path.
  • Such strip conductors with layer structures very often show high losses when used in the alternating current range.
  • the further object of creating a cable that has low electrical losses and is particularly suitable for use in devices powered by alternating current is achieved by the cable having the features of claim 7 .
  • a first embodiment of the ribbon conductor device according to the invention has two or more elongated ribbon conductor elements.
  • Each strip conductor element can be coupled at one end to a contact device for coupling in and at the other end to a contact device for coupling out electric current.
  • a current path is formed between the current injection end and the corresponding extraction end.
  • a first of the two or more ribbon conductor elements is a first ribbon conductor which has a substrate layer which supports a conductor layer which has barrier elements along a length of the conductor layer.
  • each barrier element extends from one of the two edges of the conductor layer in the direction of a center line L of the conductor layer.
  • the barrier elements are arranged alternately with respect to the two edges.
  • a second of the two or more stripline elements is a second stripline that also has a substrate layer that supports a conductor layer.
  • the conductor layer has barrier elements along a length thereof, each barrier element extending from one of the two edges of the conductor layer towards a center line L of the conductor layer extends.
  • the barrier elements are arranged alternately with respect to the two edges.
  • the barrier elements of the first strip conductor are arranged in a mirror-inverted manner. "Mirror-inverted" means here that the arrangement of the barrier elements of the two strip conductors have different handedness in relation to one another and are not congruent.
  • a first strip conductor forms a layered arrangement with a second strip conductor, the respective injection ends of all the first and second strip conductors being superimposed, and likewise the respective outcoupling ends of all the first and second strip conductors being superimposed on one another.
  • the ribbon conductor device according to the invention can be designed for use in devices fed with alternating current. Due to the specific arrangement of the conductor layers and the barrier elements relative to one another, it enables the current path to be rotated or twisted, so that electric fields induced by a magnetic field that changes over time are neutralized and the losses are thus reduced.
  • the invention has the particular advantage that losses when using alternating current are reduced while at the same time maintaining the mechanical properties or the robustness of the strip conductors, and high overall current densities can be achieved. It is not necessary to deform or stamp the strip conductors, but simply to introduce the barrier elements, which are kept simple, into a continuously applied conductor layer, as a result of which the manufacture of the strip conductors is cost-effective. Furthermore, the hysteresis losses are reduced by adapting the small effective width of the current path.
  • the effective width means the width of the current path perpendicular to the time-varying magnetic field. This width determines the height of the hysteresis losses.
  • the substrate layer and the respectively associated conductor layer of a strip conductor are each congruent with respect to their surface geometry.
  • a first ribbon conductor and a second ribbon conductor each form a pair in the layer arrangement, with the conductor layers being arranged facing one another.
  • the mutually facing conductor layers are preferably separated from one another by an insulating layer in order to be able to generate two separate current paths and to avoid additional losses due to coupling or parasitic currents.
  • the insulating layer between the conductive layers has a thickness less than that of the substrate layers but thicker than that of the conductive layers.
  • the conductor layers for example with high-temperature superconductors, have a thickness in a range from 200 nm to 50 ⁇ m, preferably in a range from 200 nm to 10 ⁇ m, particularly preferably 3 ⁇ m or 5 ⁇ m.
  • the substrate layers have thicknesses ranging from 20 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the thickness of the insulating layer is therefore in a range from approximately 10 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • a thin insulating layer is sufficient to provide electrical insulation while at the same time not allowing the layer arrangement to become too thick, so that ribbon conductor cables produced therefrom can be installed flat in an assembly arrangement.
  • the barrier elements are protected by current-carrying limitations, such as e.g. B. slots, notches, microstructures or non-conductive areas are formed.
  • the barrier elements are non-conductive or normally conductive; for normally conductive layer materials, the barrier elements must have a high resistance so that the current flowing also assumes the desired serpentine or sinusoidal course.
  • Such barrier elements can, for example, by laser bombardment, mechanical removal, lithographic processes or by strong weakening of superconductivity z. B. be generated by changing the oxygen stoichiometry in the conductor material used.
  • barrier elements can either take place directly in the manufacturing process (in situ) or subsequently (ex situ). However, the greatest advantage is achieved with a "line-like" shape. These barrier elements are easy to insert in the manufacturing process of the layer arrangement, so that the stripline device can be produced cost-effectively.
  • the barrier elements preferably form a right angle in relation to the center line L of the conductor layers, so that a current path that extends along the respective conductor layer when current is coupled in runs serpentine, in particular sinusoidally, in the conductor layer.
  • the barrier elements are particularly advantageously linear and run perpendicularly to the edges of the conductor layer in order to allow the current path to run in a serpentine manner.
  • the barrier elements in relation to the edges or the center line L at a predetermined angle or be triangular. It is essential that the barrier elements force the current path into a serpentine shape.
  • the barrier elements can have a length that is in a range between 10% and 90% of the conductor layer width.
  • Lengths over 50% of the width of the conductor layer are advantageous, lengths of 60% of the width of the conductor layer being particularly preferred in order to achieve a definite serpentine shape of the current path.
  • the spacing of the barrier elements from one another along the current path or the conductor layer should be selected in accordance with a critical length Lc , which will be defined below.
  • the current path that is formed in the second strip conductor corresponds in its sinusoidal course to the current path within the first strip conductor, but is shifted by one period, so that a right-curved section of a current path of the first strip conductor over a left-curved section of a current path of the second strip conductor lies (and vice versa).
  • the electric fields thus cancel out over two such sections.
  • a period of the sinusoidal course of the current path falls below a critical length Lc/2, the critical length Lc being divided by Lc ⁇ / Pmjcdfii
  • the critical length L c is therefore application-specific, ie dependent on the conductor materials used, their thickness and extent along the substrate layer. Exemplary values of the critical length L c range from 1 mm to 100 mm. Physically, the critical length L c characterizes the length at which the shielding currents in the superconductor of the conductor layer become so large that there is no reserve for a transport current.
  • the contact device(s) connects the ribbon conductors at their ends so that the layered arrangement can be supplied with electrical power by a power source.
  • the current is coupled in and out via these contact devices, which connects all conductor layers of the layer arrangement (at least in pairs).
  • a contact device is preferably provided for coupling in and a contact device for coupling out the current. This is the prerequisite for being able to produce a cable from the strip conductor device.
  • superconducting materials are suitable for the conductor layers, since the effect described above can be set by the shielding currents in the superconducting state of the materials mentioned.
  • the invention also relates to a cable which is designed for use in devices fed with alternating current and which has at least one strip conductor device according to the invention.
  • the ribbon conductor device is encased in electrically insulating material.
  • this has two or more of the strip conductor devices according to the invention, which form a layered composite.
  • Fig. 1 shows a perspective view of the ribbon conductor device according to the invention in a partially exploded view
  • Fig. 2 shows a sectional view through the ribbon conductor device along a center line L.
  • a ribbon conductor device which is constructed from a first ribbon conductor 1 and a second ribbon conductor 2.
  • the first ribbon conductor 1 has a substrate layer 11 which carries a conductor layer 12 which has barrier elements 13 in the conductor layer 12 along its length in the direction of the longitudinal axis L (center line).
  • Each barrier element 13 extends from one of the two edges 121, 122, which run along the length of the ribbon conductor 1, in the direction of a center line L of the conductor layer 12, ie along an imaginary line that runs longitudinally in the center of the ribbon conductor and beyond, so that the length of the barrier elements 13 extends slightly further than this center line L.
  • the barrier elements 13 With respect to the two edges 121, 122 of the strip conductor 1 in the barrier elements 13 arranged alternately to one another, so that along the longitudinal direction (center line L) of the conductor layer 12 alternately left and right, starting from the edges 121, 122, at right angles Barrier element 13 extends to the center line L and beyond. In this case, the barrier elements 13 are arranged equidistant from one another along the conductor layer 12 .
  • the first strip conductor 1 is arranged in FIG. 1 and in FIG. 2 in such a way that its conductor layer 12 points downwards in the image and the substrate layer 11 points upwards.
  • a second strip conductor 2 is shown, which has the same structure as the strip conductor 1, but is constructed in a mirror-inverted manner: the strip conductor 2 also has a substrate layer 21 on which a conductor layer 22 is applied .
  • Barrier elements 23 are introduced along the conductor layer 22 (along the center line L), each barrier element 23 extending from one of the two edges 221 , 222 of the conductor layer 22 in the direction of the center line L.
  • the barrier elements 23 are spaced equidistantly from one another and are arranged in an alternating manner, ie again extending from the left or right, starting from the edges 221 , 222 .
  • the first ribbon conductor 1 and the second ribbon conductor 2 are a pair, so that a layer arrangement 10 is formed.
  • the conductor layers 12, 22 of both strip conductors 1, 2 face one another and, as shown in FIG. 2, are separated from one another and electrically insulated by an insulating layer 3.
  • the substrate layers 11, 21 are the thickest layers compared to the other layers since they are support layers.
  • the insulating layer 3 has a thickness that is less than one of the substrate layers 11, 21.
  • the barrier elements 13, 23 are formed by slots or notches or microstructures and are, as shown in Fig. 1, in relation to the center line L of the conductor layers 12, 22 at a right angle to the edges 121, 122, 221, 222 .
  • the strip conductor 1 has a first end 4 and a second end 5, a current path 14 being represented in FIG. 1 by the arrows and the broken, curved line.
  • the current can be coupled in at the first end 4 and the current can be coupled out at the second end 5 by means of contact devices 8 (see FIG. 2).
  • the current path 14 is formed between the two ends 4 , 5 of the strip conductor 1 and has a sinusoidal course due to the barrier elements 13 arranged equidistantly from one another within the conductor layer 12 .
  • the period LP of the sinusoidal current path 14 is selected in such a way that the length falls below a critical length Lc.
  • the strip conductor 2 has a first end 6 and a second end 7, at which coupling and decoupling of current takes place.
  • the current is coupled in and out by means of contact devices 8, which electrically connect the conductor layers 12, 22 of the two strip conductors 1, 2 to one another.
  • a sinusoidal current path 24 is also generated in the second strip conductor 2, the course of which follows the current path 14 within of the first ribbon conductor 1, but is shifted by one period, so that an area of a right-hand curve of one current path 14 is positioned over the left-hand curve of the other current path 24. Electrical fields that are induced in the two current paths 14, 24 ideally cancel each other out and the alternating field losses within the stripline device are reduced as a result.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Kabel bereit, ausgebildet zum Einsatz in wechselstromgespeisten Vorrichtungen, und eine Bandleitervorrichtung für ein solches Kabel. Die Bandleitervorrichtung weist zwei Bandleiterelemente auf, wovon jedes einenends mit einer Kontaktvorrichtung zur Einkopplung und anderenends mit einer Kontaktvorrichtung zur Auskoppelung von elektrischem Strom koppelbar ist, und einen Strompfad (14, 24) bereitstellt. Erfindungsgemäß ist ein erstes der Bandleiterelemente ein erster Bandleiter (1) und ein zweites der Bandleiterelemente ein zweiter Bandleiter (2). Beide weisen eine Substratschicht (11, 21) auf, die eine Leiterschicht (12, 22) trägt, die entlang einer Länge der Leiterschicht Barriereelemente (13, 23) aufweist, wobei jedes Barriereelement sich von einem der beiden Ränder (121, 122, 221, 222) der Leiterschicht (12, 22) in Richtung einer Mittellinie (L) erstreckt und wobei die Barriereelemente (13, 23) in Bezug auf die Ränder (121, 122, 221, 222) alternierend angeordnet sind. Die Barriereelemente (23) des zweiten Bandleiters (2) sind in Bezug auf die Barriereelemente (13) des ersten Bandleiters (1) spiegelverkehrt angeordnet. In der Bandleitervorrichtung bildet der erste Bandleiter (1) mit dem zweiten Bandleiter (2) eine Schichtanordnung (10). Dabei kommen die Einkopplungsenden und die Auskopplungsenden aller ersten und zweiten Bandleiter (1, 2) übereinander zu liegen.

Description

BANDLEITERVORRICHTUNG UND KABEL, DAS DIE BANDLEITERVORRICHTUNG
AUFWEIST
Die Erfindung betrifft eine Bandleitervorrichtung und ein Kabel mit einer solchen Bandleitervorrichtung, das dazu ausgebildet ist, in wechselstromgespeisten Vorrichtungen eingesetzt zu werden.
Aus dem Stand der Technik sind für den Einsatz im Wechselstrombereich (AC) hocheffiziente energietechnische Leiter bekannt. Die sogenannten Roebel-Leiter und Rutherford- Kabel dienen der Verbesserung des Wirkungsgrades und zur Erhöhung der Leistung elektrischer Großmaschinen. Insbesondere im Falle von Hochtemperatursupraleitern (HTS) sind diese Leiter elektrische Bandleiter, u. a. mit supraleitenden Materialien, die in einer Schichtstruktur hergestellt werden müssen und die aus einzelnen Strängen bestehend mäanderförmig miteinander verwoben werden, wie die EP 1 733 402 A1 offenbart, worin drei Leiterstränge zu einem Zopf verwoben sind. Derartige Bandleiter sind in den Abschnitten, in denen sich die Bandleiter zum Teil überlappen oder übersteigen, um eine Mäanderstruktur herzustellen, mechanisch durch Spannungsüberhöhung geschwächt. Die Einzelleiter sind schwierig oder mit dicken Isolationsschichten bzw. großem Abstand zu isolieren und deshalb weisen die Kabel eine geringe Gesamtstromdichte auf.
Ferner erfordern diese Kabel eine plastische Verformung der verwendeten Materialien o- der ein Stanzen der Bandleiter zur Herstellung der Mäanderstruktur. Aus der JP 2019 149 344 A ist Draht aus Hochtemperatursupraleiter gefertigt, der Bandleiterstruktur hat, wobei die Bandleiter mäanderförmig ausgestanzt sind und auf eine Trägerschicht aufgebracht sind. Diese Art der Herstellung ist teuer und erfordert einen hohen Materialaufwand, ferner ergibt sich durch die Behandlung der Materialien die Gefahr der Degradation.
Zwar gibt es Ansätze zur Erzeugung von sogenannten Twistlängen-Bandleitern (bspw. aus Hochtemperatur-Supraleitern), die eine verdrehte Führung des Stroms innerhalb des Bandleiters ermöglichen, die aber eine Vielzahl von elektrischen Kontakten entlang des Strompfades erfordern. Die EP 1 668 712 A1 zeigt einen Bandleiter aus supraleitendem Material, in den durch Mikro-Ätzen Nuten eingeritzt werden, um die Leiterschicht zu durchbrechen und den Strom zu zwingen, einem gekrümmten Strompfad zu folgen. Solche Bandleiter mit Schichtstrukturen zeigen im Einsatz im Wechselstrom bereich sehr oft hohe Verluste. Bei Normalleitern sind das über die Breite und Länge fließende Wirbelströme, sogenannte „eddy currents“; bei Supraleitern sind dies vor allem Hysterese- und Kopplungseffekte, sowie dynamische elektrische Verluste.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Bandleiter bereitzustellen, bei dem die vorgenannten Verluste reduziert werden und der kostengünstig in der Herstellung ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Bandleitervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die weitere Aufgabe, ein Kabel zu schaffen, das geringe elektrische Verluste aufweist und besonders geeignet ist für den Einsatz in wechselstromgespeisten Vorrichtungen, wird durch das Kabel mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen der Bandleitervorrichtung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bandleitervorrichtung weist zwei o- der mehr längliche Bandleiterelemente auf. Jedes Bandleiterelement ist einenends mit einer Kontaktvorrichtung zur Einkopplung und anderenends mit einer Kontaktvorrichtung zur Auskoppelung von elektrischem Strom koppelbar. Zwischen dem Einkopplungsende für Strom und dem entsprechenden Auskopplungsende wird ein Strompfad gebildet.
Erfindungsgemäß ist ein erstes der zwei oder mehr Bandleiterelemente ein erster Bandleiter, der eine Substratschicht aufweist, die eine Leiterschicht trägt, die entlang einer Länge der Leiterschicht Barriereelemente aufweist. Dabei erstreckt sich jedes Barriereelement von einem der beiden Ränder der Leiterschicht in Richtung einer Mittellinie L der Leiterschicht. In Bezug auf die beiden Ränder sind die Barriereelemente alternierend angeordnet.
Ferner ist ein zweites der zwei oder mehr Bandleiterelemente ein zweiter Bandleiter, der ebenfalls eine Substratschicht aufweist, die eine Leiterschicht trägt. Entlang einer Länge der Leiterschicht weist diese Barriereelemente auf, wobei jedes Barriereelemente sich von einem der beiden Ränder der Leiterschicht in Richtung einer Mittellinie L der Leiterschicht erstreckt. Die Barriereelemente sind in Bezug auf die beiden Ränder alternierend angeordnet. In Bezug auf die Anordnung der Barriereelemente des ersten Bandleiters sind die Barriereelemente des zweiten Bandleiters spiegelverkehrt angeordnet. "Spiegelverkehrt" meint hierin, dass die Anordnung der Barriereelemente der beiden Bandleiter in Bezug zueinander unterschiedliche Händigkeit aufweisen und nicht deckungsgleich sind.
In der Bandleitervorrichtung bildet ein erster Bandleiter mit einem zweiten Bandleiter eine Schichtanordnung, wobei die jeweiligen Einkopplungsenden aller ersten und zweiten Bandleiter übereinander zu liegen kommen, und ebenso kommen die jeweiligen Auskopplungsenden aller ersten und zweiten Bandleiter übereinander zu liegen.
Die erfindungsgemäße Bandleitervorrichtung kann zum Einsatz in wechselstromgespeisten Vorrichtungen ausgebildet sein. Sie ermöglicht durch die spezifische Anordnung der Leiterschichten und der Barriereelemente zueinander eine Verdrehung oder Vertwistung des Strompfades, so dass durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld induzierte elektrische Felder sich neutralisieren und damit die Verluste reduziert werden.
Die Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass Verluste im Wechselstromeinsatz bei gleichzeitigem Beibehalten der mechanischen Eigenschaften bzw. der Robustheit der Bandleitern reduziert werden und hohe Gesamtstromdichten erreicht werden können. Es ist kein Verformen bzw. Stanzen der Bandleiter nötig, sondern lediglich ein Einbringen der einfach gehaltenen Barriereelemente in eine durchgängig aufgebrachte Leiterschicht, wodurch die Herstellung der Bandleiter kostengünstig ist. Ferner werden durch eine angepasste geringe effektive Breite des Strompfades die Hystereseverluste verringert. Die effektive Breite meint die Breite des Strompfades senkrecht zum zeitlich veränderlichen Magnetfeld. Diese Breite bedingt die Höhe der Hystereseverluste.
Vorteilhaft sind die Substratschicht und die jeweils zugehörige Leiterschicht eines Bandleiters jeweils deckungsgleich in Bezug auf ihre Flächengeometrie.
In noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bandleitervorrichtung bilden jeweils ein erster Bandleiter und ein zweiter Bandleiter ein Paar in der Schichtanordnung, wobei die Leiterschichten einander zugewandt angeordnet sind. Hierdurch können die erzeugten Strompfade in den beiden Leiterschichten die o. g. Wirkung erzielen, um die entstehenden Verluste zu reduzieren. Bevorzugt sind die einander zugewandten Leiterschichten durch eine Isolierschicht voneinander separiert, um zwei getrennte Strompfade erzeugen zu können und um zusätzliche Verluste durch Kopplungs- oder Parasitär-Ströme zu vermeiden.
Besonders bevorzugt weist die Isolierschicht zwischen den Leiterschichten eine Dicke auf, die geringer ist als die der Substratschichten, aber dicker als die der Leiterschichten. Die Leiterschichten, bspw. mit Hochtemperatur-Supraleitern, weisen dabei eine Dicke auf, die in einem Bereich von 200 nm bis 50 pm, bevorzugt in einem Bereich von 200 nm bis 10 pm, besonders bevorzugt bei 3 pm oder 5 pm liegt. Die Substratschichten weisen Dicken auf, die in einem Bereich von 20 pm bis 200 pm liegen. Die Dicke der Isolierschicht liegt daher in einem Bereich von in etwa 10 pm bis 150 pm. Eine dünne Isolierschicht ist ausreichend, um eine elektrische Isolierung bereitzustellen und gleichzeitig die Schichtanordnung nicht zu dick werden zu lassen, so dass daraus hergestellte Bandleiterkabel in einer Montageanordnung flach verbaut werden können.
Ferner sieht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bandleitervorrichtung vor, dass die Barriereelemente durch stromleitende Begrenzungen, wie z. B. Schlitze, Kerben, Mikrostrukturierungen oder nicht-leitende Bereiche gebildet werden. Bei supraleitenden Leitermaterialien sind die Barriereelemente nicht- oder normalleitend, für normalleitende Schichtmaterialien müssen die Barriereelemente hochohmig sein, damit der fließende Strom auch den gewünschten Serpentinen- bzw. sinusförmigen Verlauf einnimmt. Solche Barriereelemente können bspw. durch Laserbeschuss, mechanische Entfernung, lithographische Verfahren oder auch durch starke Schwächung der Supraleitung z. B. durch Veränderung der Sauerstoffstöchiometrie in dem verwendeten Leitermaterial erzeugt werden. Diese Strukturierungen der Barriereelemente kann entweder direkt im Herstellverfahren (in-situ), oder aber nachträglich (ex-situ) erfolgen. Den größten Vorteil erreicht man aber durch eine „strichförmige“ Form. Diese Barriereelemente sind in dem Herstellungsprozess der Schichtanordnung einfach einzufügen, so dass die Bandleitervorrichtung kostengünstig produziert werden kann.
Die Barriereelemente bilden bevorzugt in Bezug zu der Mittellinie L der Leiterschichten einen rechten Winkel, so dass ein Strompfad, der sich bei einer Einkopplung von Strom von entlang der jeweiligen Leiterschicht erstreckt, serpentinenförmig, insbesondere sinusförmig in der Leiterschicht liegend verläuft. Die Barrierelemente sind besonders vorteilhaft linienförmig und verlaufen senkrecht zu den Rändern der Leiterschicht, um den Strompfad serpentinenförmig verlaufen zu lassen. Ferner können die Barriereelemente in Bezug zu den Rändern oder der Mittellinie L in einem vorbestimmten Winkel verlaufen oder dreieckig sein. Wesentlich ist, dass die Barriereelemente den Strompfad in die Serpentinenform zwingen. Die Barriereelemente können eine Länge aufweisen, die in einem Bereich zwischen 10% und 90% der Leiterschichtbreite liegt. Vorteilhaft sind Längen über 50% der Leiterschichtbreite, so besonders bevorzugt Längen von 60% der Leiterschichtbreite, um eine definite Serpentinenform des Strompfades zu erreichen. Der Abstand der Barriereelemente zueinander entlang des Strompfades bzw. der Leiterschicht sollte dabei entsprechend einer kritischen Länge Lc gewählt werden, die im Folgenden noch definiert wird.
Der Strompfad, der in dem zweiten Bandleiter gebildet wird, entspricht in seinem sinusförmigen Verlauf dem Strompfad innerhalb des ersten Bandleiters, ist aber um eine Periode verschoben, so dass ein rechtsgekrümmter Abschnitt eines Strompfades des ersten Bandleiters über einem linksgekrümmten Abschnitt eines Strompfades des zweiten Bandleiters zu liegen kommt (und umgekehrt). Damit heben sich die elektrischen Felder über zwei solche Abschnitte auf.
In noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bandleitervorrichtung ist vorgesehen, dass eine Periode des sinusförmigen Verlaufs des Strompfades eine kritische Länge Lc/2 unterschreitet, wobei die kritische Länge Lc durch Lc — / Pmjcdfii
4 / - mit dem normalleitenden Widerstand des elektrischen Stabilisators , ] 4nfB ™ der kritischen Stromdichte jc, der effektiven Breite d n, der Wechselfeldfrequenz f und dem Magnetfeld B gegeben ist. Die kritische Länge Lc ist damit anwendungsspezifisch, d. h. abhängig von den verwendeten Leitermaterialien, deren Dicke und Ausdehnung entlang der Substratschicht. Beispielhafte Werte der kritischen Länge Lc liegen in einem Bereich von 1 mm bis 100 mm. Physikalisch kennzeichnet die kritische Länge Lc die Länge, bei der die Abschirmströme in dem Supraleiter der Leiterschicht so groß werden, dass keine Reserve für einen Transportstrom bleibt.
Die Kontaktvorrichtung (en) verbindet bzw. verbinden die Bandleiter an ihren Enden, so dass die Schichtanordnung durch eine Stromquelle mit elektrischem Strom versorgt werden kann. Die Ein- und Auskopplung des Stroms erfolgt über diese Kontaktvorrichtungen, die alle Leiterschichten der Schichtanordnung (zumindest paarweise) verbindet. Es ist bevorzugt eine Kontaktvorrichtung für die Einkopplung und eine Kontaktvorrichtung für die Auskopplung des Stroms vorgesehen. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass aus der Bandleitervorrichtung ein Kabel hergestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bandleitervorrichtung sind die Bandleiter Supraleiter, wobei sie bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend 2G-HTS RE-123, NbSn oder MgB2 (RE= Elemente der Seltenen Erden). Supraleitende Materialien eignen sich für die Leiterschichten, da die oben beschriebene Wirkung sich durch die Abschirmströme im supraleitenden Zustand der genannten Materialien einstellen kann.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Kabel, das zum Einsatz in wechselstromgespeisten Vorrichtungen ausgebildet ist, und das zumindest eine erfindungsgemäße Bandleitervorrichtung aufweist. Zur Ausführung als Kabel ist die Bandleitervorrichtung durch elektrisch isolierendes Material ummantelt.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kabels verfügt dieses über zwei oder mehr der erfindungsgemäßen Bandleitervorrichtungen, die einen Schichtverbund bilden.
Weitere Ausführungsformen der Bandleitervorrichtung sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
Fig . 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Bandleitervorrichtung in einer teilweisen Explosionsdarstellung, und
Fig . 2 eine Schnittansicht durch die Bandleitervorrichtung entlang einer Mittellinie L.
In Fig. 1 und 2 ist eine Bandleitervorrichtung dargestellt, die aus einem ersten Bandleiter 1 und einem zweiten Bandleiter 2 aufgebaut ist. Der erste Bandleiter 1 weist eine Substratschicht 11 auf, die eine Leiterschicht 12 trägt, die entlang ihrer Länge in Richtung der Längsachse L (Mittellinie) in der Leiterschicht 12 Barriereelemente 13 aufweist. Jedes Barriereelement 13 erstreckt sich von einem der beiden Ränder 121 , 122, die entlang der Länge des Bandleiters 1 verlaufen in Richtung einer Mittellinie L der Leiterschicht 12, also entlang einer gedachten Linie, die längs in der Mitte des Bandleiters verläuft, und darüber hinaus, so dass die Länge der Barriereelemente 13 sich etwas weiter erstreckt als bis zu dieser Mittellinie L.
In Bezug auf die beiden Ränder 121 , 122 des Bandleiters 1 in die Barrierenelemente 13 alternierend zueinander angeordnet, so dass entlang der Längsrichtung (Mittellinie L) der Leiterschicht 12 sich abwechselnd links und rechts, ausgehend von den Rändern 121 , 122, in rechtem Winkel ein Barriereelement 13 zur Mittellinie L hin und darüber hinaus erstreckt. Die Barriereelemente 13 sind dabei äquidistant voneinander entlang der Leiterschicht 12 angeordnet.
Der erste Bandleiter 1 ist in Fig. 1 und in Fig. 2 derart angeordnet, dass dessen Leiterschicht 12 im Bild nach unten weist und die Substratschicht 11 nach oben.
Im unteren Teil der Fig. 1 und Fig. 2 ist ein zweiter Bandleiter 2 gezeigt, der den gleichen Aufbau wie der Bandleiter 1 zeigt, jedoch spiegelverkehrt dazu aufgebaut: So hat auch der Bandleiter 2 eine Substratschicht 21 , auf der eine Leiterschicht 22 aufgebracht ist. Längs der Leiterschicht 22 (entlang der Mittellinie L) sind Barriereelemente 23 eingebracht, wobei jedes Barriereelement 23 sich von einem der beiden Ränder 221 , 222 der Leiterschicht 22 in Richtung der Mittellinie L erstreckt. Die Barriereelemente 23 sind zueinander äquidistant beabstandet und alternierend angeordnet, also erneut sich von links oder rechts ausgehend von den Rändern 221 , 222 erstreckend.
In einer Bandleitervorrichtung sind der erste Bandleiter 1 und der zweite Bandleiter 2 ein Paar, so dass eine Schichtanordnung 10 gebildet wird. Die Leiterschichten 12, 22 beider Bandleiter 1 , 2 sind einander zugewandt und wie in Fig. 2 gezeigt ist, durch eine Isolierschicht 3 voneinander separiert und elektrisch isoliert. In Bezug auf ihre Abmessungen sind die Substratschichten 11 , 21 im Vergleich zu den anderen Schichten die dicksten Schichten, da sie Trägerschichten sind. Die Isolierschicht 3 weist eine Dicke auf, die geringer ist als eine der Substratschichten 11 , 21.
Die Barrierelemente 13, 23 werden durch Schlitze oder Kerben oder Mikrostrukturen gebildet und stehen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, in Bezug zu der Mittellinie L der Leiterschichten 12, 22 in einem rechten Winkel zu den Rändern 121 , 122, 221 , 222. Der Bandleiter 1 weist ein erstes Ende 4 und ein zweites Ende 5 auf, wobei in Fig. 1 durch die Pfeile und gestrichelte, gekrümmte Linie ein Strompfad 14 dargestellt ist. Durch Kontaktvorrichtungen 8 (siehe Fig. 2) kann eine Einkopplung des Stroms am ersten Ende 4 und eine Auskopplung des Stroms am zweiten Ende 5 erfolgen. Zwischen den beiden Enden 4,5 des Bandleiters 1 bildet sich der Strompfad 14, der auf Grund der innerhalb der Leiterschicht 12 äquidistant zueinander angeordneten Barrierelemente 13 einen sinusförmigen Verlauf hat. Die Periode LP des sinusförmigen Strompfades 14 ist so gewählt, dass eine kritische Länge Lc unterschritten wird.
Der Bandleiter 2 weist ein erstes Ende 6 und ein zweites Ende 7 auf, an denen Ein- und Auskopplung von Strom erfolgt. In der Schichtanordnung 10 in Fig. 2 erfolgt eine Ein- und Auskopplung des Stroms mittels von Kontaktvorrichtungen 8, die die Leiterschichten 12, 22 beider Bandleiter 1 , 2 elektrisch miteinander verbinden.
Auf Grund der Anordnung der Barriereelemente 23 in der Leiterschicht 22 des zweiten Bandleiters 2, die spiegelverkehrt zu der Anordnung der Barriereelemente 13 des ersten Bandleiters 1 ist, wird auch im zweiten Bandleiter 2 ein sinusförmiger Strompfad 24 erzeugt, der in seinen Verlauf dem Strompfad 14 innerhalb des ersten Bandleiters 1 entspricht, aber um eine Periode verschoben ist, so dass ein Bereich einer Rechtskrümmung eines Strompfads 14 über der Linkskrümmung des anderen Strompfades 24 positioniert ist. Elektrische Felder, die in den beiden Strompfaden 14, 24 induziert werden, löschen sich idealerweise aus und dadurch werden die Wechselfeldverluste innerhalb der Bandleitervorrichtung reduziert.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Erster Bandleiter
2 Zweiter Bandleiter
3 Isolierschicht
10 Schichtanordnung
11 Substratschicht erster Bandleiter
12 Leiterschicht erster Bandleiter
13 Barriere-Elemente erster Bandleiter
14 Strom pf ad
21 Substratschicht zweiter Bandleiter
22 Leiterschicht zweiter Bandleiter
23 Barriere-Elemente zweiter Bandleiter
24 Strom pf ad
121 , 122 Ränder erster Bandleiter
221 , 222 Ränder zweiter Bandleiter

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Bandleitervorrichtung (1), die zumindest zwei längliche Bandleiterelemente aufweist, wobei jedes Bandleiterelement einenends mit einer Kontaktvorrichtung zur Einkopplung und anderenends mit einer Kontaktvorrichtung zur Auskoppelung von elektrischem Strom koppelbar ist, wobei das Bandleiterelement einen Strompfad (14, 24) zwischen einem Einkopplungsende und einem Auskopplungsende bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein erstes der zumindest zwei Bandleiterelemente ein erster Bandleiter (1) ist, der eine Substratschicht (11) aufweist, die eine Leiterschicht (12) trägt, die entlang einer Länge der Leiterschicht Barriereelemente (13) aufweist, wobei jedes Barriereelement sich von einem der beiden Ränder (121 , 122) der Leiterschicht (12) in Richtung einer Mittellinie (L) erstreckt und wobei die Barriereelemente (13) in Bezug auf die beiden Ränder (121 , 122) alternierend angeordnet sind,
- ein zweites der zumindest zwei Bandleiterelemente ein zweiter Bandleiter (2) ist, der ebenfalls eine Substratschicht (21) aufweist, die eine Leiterschicht (22) trägt, die entlang einer Länge der Leiterschicht Barriereelemente (23) aufweist, wobei jedes Barriereelemente (23) sich von einem der beiden Ränder (221 , 222) der Leiterschicht (22) in Richtung einer Mittellinie (L) erstreckt und wobei die Barriereelemente (23) in Bezug auf die beiden Ränder (221 , 222) alternierend und spiegelverkehrt in Bezug auf die Anordnung der Barriereelemente (12) des ersten Bandleiters (1) angeordnet sind, wobei in der Bandleitervorrichtung der zumindest eine erste Bandleiter (1) mit dem zumindest einen zweiten Bandleiter (2) eine Schichtanordnung (10) bildet und jeweils die Einkopplungsenden und die Auskopplungsenden aller ersten und zweiten Bandleiter (1 , 2) übereinander zu liegen kommen.
2. Bandleitervorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (11 , 21) und die jeweils zugehörige Leiterschicht (12, 22) eines Bandleiters (1 ,2) jeweils deckungsgleich sind.
3. Bandleitervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schichtanordnung (10) jeweils ein erster Bandleiter (1) und ein zweiter Bandleiter (2) ein Paar bilden, wobei die Leiterschichten (12, 22) einander zugewandt angeordnet sind und bevorzugt durch eine Isolierschicht (3) voneinander separiert sind, wobei besonders bevorzugt die Isolierschicht (3) eine Dicke aufweist, die geringer ist als die der Substratschichten (11 , 21).
4. Bandleitervorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereelemente (13, 23) durch Schlitze oder Kerben oder Mikrostrukturierungen gebildet werden und bevorzugt in Bezug zu der Mittellinie (L) der Leiterschichten (12, 22) einen rechten Winkel bilden, so dass ein Strompfad (14, 24), der sich bei einer Einkopplung von Strom von entlang der jeweiligen Leiterschicht (12, 22) erstreckt, sinusförmig auf in Leiterschicht (12, 22) liegend verläuft.
5. Bandleitervorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Periode des sinusförmigen Verlaufs des Strompfads (14, 24) eine kritische Länge Lc unterschreitet, wobei die kritische Länge Lc in einem Bereich von 1 mm bis 100 mm liegt.
6. Bandleitervorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandleiter (1 , 2) Supraleiter sind, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend 2G-HTS RE 123, NbSn oder MgB2.
7. Kabel, ausgebildet zum Einsatz in wechselstromgespeisten Vorrichtungen, das zumindest eine Bandleitervorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandleitervorrichtung eine Bandleitervorrichtung (1) nach zumindest einem der - Ansprüche 1 bis 6 ist, wobei die Bandleitervorrichtung (1) durch elektrisch isolierendes Material ummantelt ist.
8. Kabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr der Bandleitervorrichtungen (1) einen Schichtverbund bilden.
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