WO2016059014A1 - Supraleitende spuleneinrichtung mit spulenwicklung und kontaktstück sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Supraleitende spuleneinrichtung mit spulenwicklung und kontaktstück sowie verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2016059014A1
WO2016059014A1 PCT/EP2015/073613 EP2015073613W WO2016059014A1 WO 2016059014 A1 WO2016059014 A1 WO 2016059014A1 EP 2015073613 W EP2015073613 W EP 2015073613W WO 2016059014 A1 WO2016059014 A1 WO 2016059014A1
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WO
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contact
pressure
coil
conductor
winding
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PCT/EP2015/073613
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Otto Batz
Dietmar Bayer
Hans-Peter KRÄMER
Anne KUHNERT
Peter Kummeth
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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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
    • H01F6/065—Feed-through bushings, terminals and joints
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/68—Connections to or between superconductive connectors

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting coil device comprising at least one coil winding with at least one superconducting conductor, wherein the conductor has at least one first contact region, and at least one first contact piece for connecting the coil device to an external circuit. Furthermore, the invention relates to a manufacturing method for such a superconducting coil device.
  • a superconducting coil device comprising at least one coil winding with at least one superconducting conductor, wherein the conductor has at least one first contact region, and at least one first contact piece for connecting the coil device to an external circuit.
  • the invention relates to a manufacturing method for such a superconducting coil device.
  • Conventional low-temperature superconductors such as NbTi and NbsSn are commonly used in applications as wirewound conductors.
  • HTS high-temperature superconductors or even high-T c superconductors
  • superconducting materials with a transition temperature above 25 K and in some classes above 77 K.
  • These HTS conductors are typically in the form of flat strip conductors, which is a band-shaped substrate strip and have disposed on the sub ⁇ stratband superconductor layer. Zusnow ⁇ Lich the stripline often have further layers, such as stabilizing layers, contact layers, buffer layers, and in some cases insulation layers.
  • the most important material class of the so-called HTS conductors of the second generation (2G-HTS) are compounds of the type REBa 2 Cu30 x , where RE stands for a rare-earth element or a mixture of such elements.
  • the substrate tape typically consists of either steel, a nickel-tungsten alloy, or the alloy
  • Hastelloy The electrical contact with an external current ⁇ circle is usually on a normal conductive outer layer Made copper or silver, wherein this cover layer ent ⁇ either one side is applied over the superconducting layer or can surround the entire band conductor as an enveloping layer.
  • the cover layer is typically connected by a soldering process with a contact piece of copper, said contact piece is in electrically conductive connection with other elements of the external circuit.
  • a soldering process with a contact piece of copper
  • said contact piece is in electrically conductive connection with other elements of the external circuit.
  • For each such Spu ⁇ len drove two such solder contacts for connection to two contact pieces before, so that the entire coil winding can be integrated on two end portions in a circuit, and can be, for example, so attached to an external power source ⁇ closed.
  • solder contacts Another disadvantage of the known solder contacts is that hereby attaching a stable contact is usually possible only on the normally conductive cover layer, which typically consists of copper or silver. If the strip conductor has a substrate strip made of steel and only one side on the side of the superconducting layer with a silver or copper Fer-cover layer is provided, then it can not be stably contacted on the substrate ⁇ side by soldering with a copper contact piece. In conventional coil devices therefore usually only one of the two required contacts is mounted on a freely accessible side of the winding. This is usually the inner side of the winding. On the outside, a com ⁇ plex arrangement is often attached, in which the oriented to the winding, inner side of the strip conductor is soldered to a Kon ⁇ tact piece. In part, expensive Ab ⁇ spacers are provided with geometrically relatively large rise zones for the conductor, so that finally a contact piece can be soldered from the inside to the outermost turn of the coil.
  • the object of the invention is therefore to provide a coil device which avoids the disadvantages mentioned.
  • ⁇ sondere should be given a coil device in which the head of the coil winding as little as possible affected by the contacting.
  • Another object of the dung OF INVENTION ⁇ is to provide a manufacturing method for such a coil means. This object is achieved by the Spu ⁇ len driven described in claim 1 and the method described in claim 12.
  • the coil device comprises at least one coil winding with at least one superconducting conductor, wherein the conductor has at least one first contact region. It further comprises a first contact piece for connecting the coil device with an external circuit.
  • the first contact region of the conductor is electrically conductively connected via a pressure contact with the first contact piece.
  • a pressure contact should generally be understood to mean an electrical contact mediated by pressure or produced by pressure, which is in particular free of solder joints. By applying the pressure, in this case also a contact means attached between the parts to be contacted can be made to flow in places, but no melting of such a contact agent caused by heating should be used.
  • a significant advantage of the coil device according to the invention that the superconducting conductor through which He ⁇ overheating is not charged or damaged during a soldering process. Furthermore, the creation of a mechanically sensitive point by such a soldering process is avoided. Thus, a more robust coil device can be provided.
  • the inventive method is used to produce a coil device according to the invention.
  • the inventive method is characterized by contacting the Ers ⁇ th contact region of the conductor with a first contact piece for connecting the coil means to an external circuit by producing an electrically conductive first pressure contact.
  • the advantages of the method according to the invention are analogous to the advantages of the coil device according to the invention described above.
  • the temperature-temperature of the fiber in the region of the ambient temperature advantageously are not greater than 50 ° C, in particular at most 30 ° C.
  • the contact between the contact region of the conductor and the contact piece should thus be formed by the application of the pressure and not by a significant heating of the contact point.
  • the described embodiments of the coil device and the manufacturing process can be all ⁇ common advantage combined with each other.
  • the conductor of the superconducting coil device may have a second contact region, which is electrically conductively connected to a second contact piece via a second pressure contact.
  • Such an embodiment is particularly advantageous to incorporate the electrical coil winding on both ends to in a total closed circuit without for For an adverse effect on the circuit ⁇ practice.
  • a current from an external current source can be fed into the coil winding via two such contacts.
  • the second pressure contact may also advantageously have at least part of the features as in the described advantageous embodiments of the first pressure contact.
  • the first pressure contact may advantageously be a surface contact.
  • a planar first contact region can be contacted with a surface of the first contact piece by pressure.
  • the pressure can to expediently have a directional component perpendicular to these contact areas on ⁇ .
  • the two contact surfaces can advantageously extend substantially parallel to one another.
  • the pressure acts in such a way that the areal first contact area and the surface of the first contact piece are pressed against one another.
  • a permanent pressure may be present in the region of the pressure contact, in particular a pressure of at least 1 MPa. In particular, this pressure can be applied in the case of a flat contact on the entire flat contact area.
  • a pressure is to be understood which is present after the preparation of the pressure contact, so in the already finished Spulenein ⁇ direction and also in their operation.
  • a permanent pressure can be achieved, for example, by a wrapping, Clamping and / or screwing the contact area are maintained.
  • the electrical contact can be reliably maintained even after the actual production of the pressure contact.
  • this permanent pressure can effectively protect the conductor from the effects of forces acting in other directions.
  • the so held under pressure contact area is therefore mechanically robust.
  • the pressure after production can also be in the vicinity of 0 MPa and preferably lie in the slightly positive range between 0 MPa and 1 MPa. In other words, this minimal pressure avoids tensile forces on the contact.
  • an intermediate layer may be arranged, which maintains indium ⁇ ent.
  • the intermediate layer may be an indium-containing metallic alloy.
  • Indium have as main ingredient or even completely made of indium.
  • such an intermediate layer advantageously has good electrical conductivity in order to convey the electrical contact between the contact region of the conductor and the contact piece.
  • Indium and indium-containing alloys advantageously have a high ductility under pressure. They can already be made to flow at relatively low pressure and at room temperature, which promotes the formation of a low-resistance surface contact substantially.
  • the conductor may advantageously be a ribbon conductor with a substrate and a high-temperature superconducting layer.
  • the high-temperature superconducting layer may comprise a high-temperature superconductor of the second generation, in particular one of the abovementioned compounds of the Type REBa 2 Cu 3 0 x .
  • Second-generation high-temperature superconductors are particularly advantageous because they have a higher tensile ⁇ ACTION as well as a higher critical current density than the HTS materials of the first generation.
  • the high-temperature superconducting layer may also have magnesium diboride.
  • the conductor can also advantageously be present as a bundle of individual conductors, that is to say as a so-called multifilament conductor. It can be used, for example, a printed circuit, which holds a plurality of magnesium diboride filaments based ⁇ ent. Magnesium diboride is above all mechanically significantly more stable than the oxide-ceramic superconductor and is therefore particularly suitable for producing such bundled
  • the substrate of the strip conductor may advantageously comprise steel or a nickel-containing alloy, such as Hastelloy.
  • it can be an electrically normal-conducting substrate, via which the strip conductor can also be contacted on its rear side facing away from the superconducting layer.
  • the high-temperature superconductor layer may be covered by a elekt ⁇ driven normally conductive contact layer, and the first pressure contact can combine these normal conducting contact layer with the first contact piece. This embodiment is particularly advantageous because, on the one hand, the most sensitive superconducting layer is also protected in the contact region by the normally conductive covering layer, which acts as a contact layer here.
  • the normal-conducting contact layer may preferably be formed from copper or a copper-containing material aufwei ⁇ sen. Alternatively or additionally, the contact layer may be another good conductive material such as gold or Silver have.
  • the contact layer can be applied to the superconducting layer, for example by soldering, lamination or by electrolytic deposition or sputtering.
  • the at least one contact piece may advantageously have a good electrical conductivity metal such as copper, brass, aluminum, gold or silver, for example, the at least one contact piece may consist of a majority of copper.
  • the preferred contact side of the strip conductor ie the side of the substrate with the superconducting layer
  • This side may alternatively be either the radially inner side or the radially outer side of the winding.
  • the side of the superconducting layer can also be freely accessible on both sides of the winding. In such cases, it is advantageous to optionally also attach two pressure contacts on this side of the strip conductor, which carries the superconducting layer.
  • At least one of the winding contacts may also be on the side remote from the supralei ⁇ Tenden layer back of the tape conductor being ⁇ forms.
  • the substrate may be electrically normal conducting, and at least one pressure contact may connect the substrate to a contact piece. This embodiment is particularly advantageous when the side of the superconducting
  • the coil means may comprise at least comprise two pressure contacts on ⁇ , which are arranged at a same circumferential position of the coil winding. For example, this may be a pressure contact on the inside of the winding and a further pressure contact on the outside of the winding. These two contacts can therefore be located radially opposite one another at the same circumferential position.
  • both of the pressure contacts can then be held by a common ⁇ same apparatus under pressure.
  • the at least two pressure contacts can be maintained by the Common ⁇ me wrapping and / or grip under a permanent pressure.
  • the radially intermediate parts of the winding can thus be clamped together with the two pressure contacts as a whole in this clasping and / or wrapping.
  • This is particularly advantageous for a simple mechanical stabilization of the winding, in particular in the area of the pressure contacts.
  • the conductor, in particular a strip conductor is thus protected against delamination in these areas, and the permanent pressure at these points counteracts the effects of further forces acting in other directions, for example during cooling of the coil device or during its operation.
  • Such a common wrapping and / or clasping may comprise a material or consist of a material which has a greater shrinkage on the cooling temperature of the coil device to its operating temperature than the coils ⁇ winding.
  • the material of the wrapping and / or clasping can have a greater shrinkage than the entire layer stack of the strip conductor, in particular in a direction perpendicular to the main surface of the strip conductor. This can advantageously be achieved that when cooling the coil winding to its operating temperature of permanent pressure on the pressure contacts is not weakened, but on the contrary even increased. Despite this, the strip conductor and its contacts are nevertheless effectively protected despite the additional mechanical stress during cooling.
  • the coil device may have a cooling device for cooling the coil device to its operating temperature, wherein the at least one contact piece may be more thermally coupled to the cooling device than the coil winding.
  • the contact piece or the contact pieces can also be used for cooling the coil winding. Since the contact pieces are expediently made of thermally highly conductive material and are for the removal of the heat resulting from ohmic losses anyway usefully coupled to the cooling device, the contact pieces can thus also be used for thermal coupling of the remaining parts of the coil winding to the cooling device.
  • the coil winding can advantageously be designed as a disk winding, in particular as a racing track coil, as a rectangular coil or as a circular disk winding. If the SPU ⁇ lenwicklung is formed as a flat rectangular coil having four straight sections and four rounded corners disposed therebetween, the contact portions can advantageously be arranged on the straight sections of the rectangular coil.
  • the coil winding may advantageously have a stack of a plurality of juxtaposed guided conductors, each of which conductor via at least one pressure contact with a contact ⁇ piece is electrically connected. In particular, each conductor of the stack can be electrically connected to two contact pieces via two such pressure contacts.
  • a connection can be made.
  • pressure of at least 5 MPa are applied.
  • the contact pressure can be in the range of 7 MPa to 10 MPa.
  • the contact pressure can also be advantageously above 10 MPa.
  • a permanent pressure can be maintained in the area of this pressure contact that is lower than the contact pressure during the production of the contact.
  • the permanent pressure can still be above 1 MPa.
  • the coil winding can be produced before contacting by winding the conductor in several turns, wherein the coil winding can be provided after winding and / or during Wicking with a casting resin.
  • the coil winding can be a dry-winding process with subsequent encapsulation or a wet-winding process.
  • the casting resin can be cured after its application, so that the coil winding receives increased mechanical strength.
  • the at least one contact area can be protected from wetting with casting resin. This is useful to obtain a clean and electrically good conductive surface for the formation of the pressure contact.
  • the contact region of the strip conductor can be protected by a release grease and / or a sheath with a not easy to be wetted by casting resin material.
  • a release grease and / or a sheath with a not easy to be wetted by casting resin material.
  • a release grease and / or a sheath with a not easy to be wetted by casting resin material.
  • a sheath with a not easy to be wetted by casting resin material.
  • a release grease and / or a sheath with a not easy to be wetted by casting resin material.
  • a wrap is particularly easy to implement with a polytetrafluoroethylene tape. But it can also only the surface required for the contacting of the strip conductor with a piece of
  • Polytetrafluoroethylene or other poorly wetted material covered or coated or sprayed.
  • the casting resin When applied to the SPU ⁇ lenwicklung is provided only after winding with casting resin of a dry wrap process, the casting resin may advantageously be a sealing compound, which can be poured into a coil winding arranged around the casting mold.
  • the casting resin When using a wet-winding process in which the coil winding is already provided with a casting resin during winding or shortly before winding, the casting resin may advantageously be an adhesive, for example a heat-curable adhesive.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of a strip conductor 15 according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of a strip conductor 15 according to a second embodiment
  • Fig. 3 shows a detailed view of a first pressure contact IIa according to a third embodiment
  • Fig. 4 shows a schematic cross section of a coil device 1 according to a fourth embodiment.
  • Fig. 1 shows a cross section of a superconducting Bandlei ⁇ ters 15 for a coil device according to a first embodiment of the invention, wherein the layer structure sehe- is shown schematically.
  • the strip conductor 15 comprises in this example a substrate 17, which here is a 100 ym thick sub ⁇ stratband of a nickel-tungsten alloy. Alternatively, steel bands or bands of an alloy such as Hastelloy can be used. Above the substrate 17 is a
  • 0.5 ym thick buffer layer 18 which here contains the oxide ⁇ cal materials Ce0 2 and Y2O 3 .
  • a high-temperature superconducting layer 19 here a 1 ym thick layer of YBa 2 Cu30 x , which in turn is covered with a 50 ym thick contact layer 21 made of copper.
  • the exposed side of this contact layer 21 is hereinafter referred to as the front ⁇ side 20 a of the strip conductor 15.
  • the superconductive layer 19 and the copper in addition, for example, there may still be a silver covering layer.
  • the material YBa 2 Cu 3 0 x and the corresponding compounds REBa 2 Cu 3 0 x other rare earth RE can be used.
  • a further 50 ym thick contact layer 21 made of copper is arranged here.
  • a contact layer 21 may completely encase the remaining layers of the Bandlei ⁇ ters in cross-section.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-section of an alternative strip conductor 15 for a coil device according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • This second strip conductor has a substrate 17 on which a high-tempe ⁇ ratursupra decisionsde layer 19 is deposited.
  • This layer 19 may, for example, comprise the superconductor magnesium diboride, which may be deposited directly on the substrate 17 without the need for an underlying buffer layer.
  • the tape guide may also have an oxide-ceramic superconducting layer similarly as in Exampleclei ⁇ gen. Again, the superconducting
  • Layer 17 on the front side 20a provided with a normal-conducting contact layer 21.
  • the substrate 17 is open on the rear side 20b and is not covered with such a contact layer.
  • an electrical contact can thus for example be mounted directly on the substrate on this side.
  • the superconducting band conductors 15 of the two embodiments shown in FIGS. 1 and 2 may be wound into coil windings which may be used in coil assemblies according to the present invention.
  • such or similar strip conductors or, alternatively, also conductors with a round cross-section, for example MgB2 filament conductors can be wound in several turns and electrically connected, for example at their inner and outer end regions with respect to the winding via contact pieces to an outer current circuit stand.
  • additional insulating tapes may be wrapped between the individual winding layers, or the strip conductors 15 may be provided with additional insulating layers, not shown in FIGS.
  • windings with stacks can also be wound from a plurality of parallel, ie superimposed, strip conductors.
  • FIG. 3 shows a detailed view of an electrical contact of such a coil device in a schematic cross-sectional representation. Shown is a first contact region 7a in the end region of a strip conductor 15, which is contacted on its front side 20a via a first pressure contact IIa with a first contact piece 9a. Analogous to the two examples of the strip conductors 15 described above, this front side 20a has a normally conducting contact layer (not shown here). In the first contact portion 7a this Kon clock ⁇ layer is electrically connected through a surface contact with the first contact piece 9a. This electrical contact is made via a between the strip conductor 15 and the first Kon- contact piece 9a arranged intermediate layer 13 mediates.
  • This intermediate layer is a film of an indium-Ma ⁇ TERIAL which is electrically conductive and easy to deform under pressure here.
  • the first contact piece 9a the intermediate layer 13 and the band ⁇ conductor 15 are pressed against each other with a contact pressure pi, that is, by a corresponding across the entire contact surface of the pressing force act ⁇ .
  • This contact pressure for example, in the production of the pressure contact IIa may be about 10 MPa.
  • the temperature of the contact may be in the range of Conversely ⁇ ambient temperature, for example at about room tempera ture ⁇ .
  • the indium-containing intermediate layer 13 at least partly flows, which facilitates the formation of a surface contact which is of good electrical conductivity.
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional illustration of a superconducting coil device 1 according to a further exemplary embodiment of the invention. Shown is a Spu ⁇ lenwicklung 3 made of a conductor 5, a superconducting strip conductor 15 may be similar to the examples of FIGS 1 and 2. FIG. Four turns of this conductor 5 are shown by way of example only in FIG. 4, with a significantly higher number of turns typically being able to be used in real coil devices.
  • the coil winding 3 has the shape of a flat rectangular coil with four straight winding sections and four rounded corners arranged therebetween.
  • the conductor 5 of the coil winding 3 is on the outside of the winding via a first
  • a flat electrical connection of the conductor 5 with a contact piece 9a or 9b is produced by each of the two pressure contacts.
  • the two pressure contacts IIa and IIb are on the same circumferential position 23 of the coil winding 3 is arranged.
  • This circumferential segment is located on one of the four gera ⁇ the sections of the rectangular coil, in this example centrally on one of the straight sections.
  • An arrangement on such a straight section is particularly advantageous for the formation of a planar pressure contact. In principle, however, the formation of a pressure contact in a curved section of the conductor 5 is possible.
  • the two pressure contacts IIa and IIb for example, depending ⁇ wells similar to that shown in Fig. 3 embodiment executed.
  • an indium intermediate layer 13 is also here in each case between the Lei ⁇ ter 5 and the contact piece 9a or 9b arranged which telt the electrical contact vermit- and facilitates the formation of a low contact pressure.
  • both pressure contacts IIa and IIb can be made with a relatively high contact pressure pi above 10 MPa.
  • the pressure contacts are still kept under a permanent pressure p2, which may for example be slightly lower than the applied pressure in the production pi. This permanent pressure p2 is maintained in the case of ⁇ game of FIG. 4 by a common Umklamm réelle 25 in the region of the two pressure contacts.
  • the Umklamme ⁇ tion 25 may be formed, for example, of such materials in the radial direction of the coil winding in a cooling of the coil winding 3 to an operating temperature of the superconductor a greater thermal shrinkage aufwei ⁇ sen than the thermal shrinkage of the layer stack of the strip conductor in this direction.
  • the permanent pressure p2 is further enhanced by the cooling.
  • the clasping 25 of the pressure contacts glass fiber reinforced plastics, metals or metal ⁇ metallic alloys and electrical insulation materials. Such an interpretation of the coefficients of thermal expansion is also analogous to embodiments for possible in which the two pressure contacts are held by separate devices under pressure.
  • the conductor 5 of the coil winding shown in FIG. 4 can in turn be a superconducting band conductor. As shown in the picture
  • the orientation of the strip conductor is not changed with respect to the Zen ⁇ strands in the coil winding, different surfaces of the strip conductor are freely accessible in the loading ⁇ rich of the two contacts. If cumbersome measures such as the introduction of contact pieces under the outermost winding layer are to be avoided, the strip conductor must therefore be contacted on different surfaces.
  • the orientation can alternatively also be designed exactly the other way around.
  • a strip conductor can be contacted in a simple manner on its two opposite surfaces by the contacting by means of pressure contacts, even if only one electrically conductive substrate 17 is available on the back side 20b for the contacting special contact layer 21.

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Abstract

Es wird eine supraleitende Spuleneinrichtung (1) mit wenigstens einer Spulenwicklung (3) mit wenigstens einem supraleitenden Leiter (5) angegeben, wobei der Leiter (5) wenigstens einen ersten Kontaktbereich (7a) aufweist. Die Spuleneinrichtung (1) umfasst weiterhin wenigstens ein erstes Kontaktstück (9a) zur Verbindung der Spuleneinrichtung (1) mit einem äußeren Stromkreis, wobei der erste Kontaktbereich (7a) des Leiters (5) über einen ersten Druckkontakt (11a) mit dem ersten Kontaktstück (9a) elektrisch leitend verbunden ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen supraleitenden Spuleneinrichtung (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Supraleitende Spuleneinrichtung mit Spulenwicklung und Kontaktstück sowie Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Spulen¬ einrichtung, umfassend wenigstens eine Spulenwicklung mit wenigstens einem supraleitenden Leiter, wobei der Leiter wenigstens einen ersten Kontaktbereich aufweist, und wenigstens ein erstes Kontaktstück zur Verbindung der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine solche 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. Klassische Niedertemperatursupraleiter wie NbTi und NbsSn werden in Anwendungen üblicherweise als Leiter in Drahtform verwendet. Die Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-Tc-Supraleiter (HTS) sind dagegen supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen oberhalb von 77 K. Diese HTS- Leiter liegen typischerweise in Form von flachen Bandleitern vor, die ein bandförmiges Substratband und eine auf dem Sub¬ stratband angeordnete Supraleiterschicht aufweisen. Zusätz¬ lich weisen die Bandleiter oft noch weitere Schichten wie Stabilisierungsschichten, Kontaktschichten, Pufferschichten und in manchen Fällen auch Isolationsschichten auf. Die wich- tigste Materialklasse der sogenannten HTS-Leiter zweiter Generation (2G-HTS) sind Verbindungen des Typs REBa2Cu30x, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Das Substratband besteht typischerweise entweder aus Stahl, einer Nickel-Wolfram-Legierung oder aus der Legierung
Hastelloy. Der elektrische Kontakt zu einem äußeren Strom¬ kreis wird meist über eine normalleitende Deckschicht aus Kupfer oder Silber hergestellt, wobei diese Deckschicht ent¬ weder einseitig über der Supraleitungsschicht aufgebracht wird oder als umhüllende Schicht den gesamten Bandleiter umgeben kann. Zur Herstellung des Kontakts wird die Deckschicht typischerweise durch einen Lötprozess mit einem Kontaktstück aus Kupfer verbunden, wobei dieses Kontaktstück mit weiteren Elementen des äußeren Stromkreises in elektrisch leitender Verbindung steht. Typischerweise liegen für jede solche Spu¬ leneinrichtung zwei solche Lötkontakte zur Verbindung mit zwei Kontaktstücken vor, so dass die gesamte Spulenwicklung über zwei Endbereiche in einen Stromkreis eingebunden werden kann und beispielsweise so an eine äußere Stromquelle ange¬ schlossen werden kann.
Nachteilig bei solchen Spuleneinrichtungen mit Lötkontakten ist, dass die hochtemperatursupraleitenden Schichten der gewickelten Bandleiter sehr empfindlich gegenüber Delamination sind. Bei einer mechanischen oder thermischen Belastung des Schichtstapels des Bandleiters tritt sehr leicht eine
Delamination auf, was die supraleitenden Eigenschaften unmittelbar beeinträchtigt und sogar zu einer Zerstörung des Band¬ leiters führen kann. Diese Gefahr der Delamination der supraleitenden Schicht und/oder der normalleitenden Deckschicht ist sowohl während des Herstellens des Lötkontakts durch die hierbei vorgenommene Erwärmung gegeben als auch bei der Ab¬ kühlung und beim Betrieb der durch Löten kontaktierten Spulenwicklung. Der Bandleiter der Spulenwicklung wird beim Löten zumindest im Bereich der Kontaktstelle auf eine Tempera¬ tur von typischerweise in der Nähe von 130-180°C gebracht. Dies liegt sehr nah bei der thermischen Belastungsgrenze von üblichen Bandleitern, die meist in der Nähe von 200°C liegt.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Lötkontakte ist, dass hiermit ein Anbringen eines stabilen Kontakts meist nur auf der normalleitenden Deckschicht möglich ist, die typischerweise aus Kupfer oder Silber besteht. Wenn der Bandleiter ein Substratband aus Stahl aufweist und nur einseitig auf der Seite der supraleitenden Schicht mit einer Silber- bzw. Kup- fer-Deckschicht versehen ist, dann kann er auf der Substrat¬ seite nicht durch Verlöten mit einem Kupfer-Kontaktstück stabil kontaktiert werden. Bei herkömmlichen Spuleneinrichtungen ist daher meist nur einer der beiden benötigten Kontakte auf einer frei zugänglichen Seite der Wicklung angebracht. Dies ist meist die innere Seite der Wicklung. Auf der Außenseite wird häufig eine kom¬ plexe Anordnung angebracht, bei der die zur Wicklung orien- tierte, innenliegende Seite des Bandleiters mit einem Kon¬ taktstück verlötet wird. Zum Teil werden dazu aufwändige Ab¬ standshalter mit geometrisch relativ großen Aufstiegszonen für den Leiter vorgesehen, so dass schließlich ein Kontaktstück von innen an die äußerste Windung der Spule gelötet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Spuleneinrichtung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbe¬ sondere soll eine Spuleneinrichtung angegeben werden, bei der der Leiter der Spulenwicklung durch die Kontaktierung möglichst wenig belastet wird. Eine weitere Aufgabe der Erfin¬ dung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine solche Spuleneinrichtung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Spu¬ leneinrichtung sowie das in Anspruch 12 beschriebene Verfahren gelöst.
Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine Spulenwicklung mit wenigstens einem supraleitenden Leiter, wobei der Leiter wenigstens einen ersten Kontaktbereich aufweist. Sie umfasst weiterhin ein erstes Kontaktstück zur Verbindung der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis. Der erste Kontaktbereich des Leiters ist über einen Druckkontakt mit dem ersten Kontaktstück elektrisch leitend verbunden . Unter einem Druckkontakt soll hierbei allgemein ein durch Druck vermittelter oder mittels Druck hergestellter elektrischer Kontakt verstanden werden, der insbesondere frei von Lötstellen ist. Durch die Aufbringung des Drucks kann hierbei auch ein zwischen den zu kontaktierenden Teilen angebrachtes Kontaktmittel stellenweise zum Fließen gebracht werden, aber es soll dabei kein durch Erhitzen verursachtes Schmelzen eines solchen Kontaktmittels zum Einsatz kommen. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung ist, dass der supraleitende Leiter nicht durch die Er¬ hitzung während eines Lötprozesses belastet oder geschädigt wird. Weiterhin wird die Schaffung einer mechanisch empfindlichen Stelle durch einen solchen Lötprozess vermieden. Somit kann eine robustere Spuleneinrichtung zur Verfügung gestellt werden .
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet durch das Kontaktieren des ers¬ ten Kontaktbereichs des Leiters mit einem ersten Kontaktstück zur Verbindung der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis durch Herstellung eines elektrisch leitenden ersten Druckkontakts .
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den vorab beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung. Insbesondere soll bei der Herstel¬ lung des elektrisch leitenden ersten Druckkontakts die Tempe- ratur des Leiters im Bereich der Umgebungstemperatur, vorteilhaft bei höchstens 50°C, insbesondere bei höchstens 30°C liegen. Der Kontakt zwischen dem Kontaktbereich des Leiters und dem Kontaktstück soll also durch die Aufbringung des Drucks und nicht durch eine signifikante Erwärmung der Kon- taktstelle gebildet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 12 abhängigen An- Sprüchen hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Spuleneinrichtung und des Herstellungsverfahrens all¬ gemein vorteilhaft untereinander kombiniert werden. Der Leiter der supraleitenden Spuleneinrichtung kann einen zweiten Kontaktbereich aufweisen, welcher über einen zweiten Druckkontakt mit einem zweiten Kontaktstück elektrisch leitend verbunden ist. Eine solche Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, um die elektrische Spulenwicklung an beiden En- den in einen insgesamt geschlossenen Stromkreis einzubinden, ohne dabei einen nachteiligen Einfluss auf den Leiter auszu¬ üben. Insbesondere kann über zwei solche Kontakte ein Strom aus einer äußeren Stromquelle in die Spulenwicklung eingespeist werden. Allgemein kann dabei der zweite Druckkontakt auch vorteilhaft wenigstens einen Teil der Merkmale aufweisen wie bei den beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen des ersten Druckkontakts.
Der erste Druckkontakt kann vorteilhaft ein flächiger Kontakt sein. Mit anderen Worten kann ein flächiger erster Kontaktbereich mit einer Oberfläche des ersten Kontaktstücks durch Druck kontaktiert sein. Der Druck kann dazu zweckmäßig eine Richtungskomponente senkrecht zu diesen Kontaktflächen auf¬ weisen. Die beiden Kontaktflächen können dabei vorteilhaft im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Der Druck wirkt dabei so, dass der flächige erste Kontaktbereich und die Oberfläche des ersten Kontaktstücks aneinander gepresst wer¬ den . Nach Herstellung des Kontakts kann im Bereich des Druckkontakts ein permanenter Druck anliegen, insbesondere ein Druck von wenigstens 1 MPa. Insbesondere kann dieser Druck bei einem flächigen Kontakt auf dem gesamten flächigen Kontaktbereich anliegen. Unter einem permanenten Druck soll hierbei ein Druck verstanden werden, der nach Herstellung des Druckkontakts, also bei der bereits fertig gestellten Spulenein¬ richtung und auch bei deren Betrieb vorliegt. Ein solcher permanenter Druck kann beispielsweise durch eine Umwicklung, Umklammerung und/oder Verschraubung des Kontaktbereichs aufrechterhalten werden. Durch einen solchen permanenten Druck kann der elektrische Kontakt auch nach der eigentlichen Herstellung des Druckkontakts zuverlässig aufrechterhalten wer- den. Weiterhin kann der Leiter durch diesen permanenten Druck vor der Auswirkung von in anderen Richtungen wirkenden Kräften wirksam geschützt werden. Der so unter Druck gehaltene Kontaktbereich ist also mechanisch robuster. Alternativ zu den vorab genannten Ausführungsformen mit einem permanenten Druck im Kontaktbereich, kann auch der Druck nach Herstellung in der Nähe von 0 MPa liegen und dabei bevorzugt im leicht positiven Bereich zwischen 0 MPa und 1 MPa liegen. Mit anderen Worten werden durch diesen minimalen Druck Zug- kräfte auf den Kontakt vermieden.
Zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem ersten Kontaktstück kann eine Zwischenlage angeordnet sein, die Indium ent¬ hält. Beispielsweise kann die Zwischenlage eine Indium ent- haltende metallische Legierung sein. Die Zwischenlage kann
Indium als Hauptbestandteil aufweisen oder sogar vollständig aus Indium bestehen. Allgemein ist eine solche Zwischenlage vorteilhat elektrisch gut leitfähig, um den elektrischen Kontakt zwischen dem Kontaktbereich des Leiters und dem Kontakt- stück zu vermitteln.
Indium und indiumhaltige Legierungen weisen vorteilhaft eine hohe Verformbarkeit unter Druck auf. Sie können bereits bei relativ niedrigem Druck und bei Temperaturen im Bereich der Raumtemperatur zum Fließen gebracht werden, was die Ausbildung eines niederohmigen flächigen Kontakts wesentlich begünstigt .
Der Leiter kann vorteilhaft ein Bandleiter mit einem Substrat und einer hochtemperatursupraleitenden Schicht sein. Besonders vorteilhaft kann die hochtemperatursupraleitende Schicht einen Hochtemperatursupraleiter der zweiten Generation umfassen, insbesondere eine der oben genannten Verbindungen des Typs REBa2Cu30x. Hochtemperatursupraleiter der zweiten Generation sind besonders vorteilhaft, da sie eine höhere Zugfes¬ tigkeit sowie eine höhere kritische Stromdichte als HTS- Materialien der ersten Generation aufweisen. Alternativ zu solchen oxidkeramischen Supraleitern kann die hochtemperatur- supraleitende Schicht auch Magnesiumdiborid aufweisen.
Alternativ zu den möglichen Ausgestaltungen des Leiters als Bandleiter kann der Leiter auch vorteilhaft als Bündel aus Einzelleitern, also als sogenannter Multifilamentleiter vorliegen. Es kann beispielsweise ein Leiter eingesetzt werden, der mehrere auf Magnesiumdiborid basierende Filamente ent¬ hält. Magnesiumdiborid ist vor allem mechanisch deutlich stabiler als die oxidkeramischen Supraleiter und eignet sich daher besonders zur Herstellung solcher gebündelten
Multifilamentleiter .
Das Substrat des Bandleiters kann vorteilhaft Stahl oder eine nickelhaltige Legierung wie beispielsweise Hastelloy aufwei- sen. Es kann sich allgemein unabhängig von der genauen Materialwahl um ein elektrisch normalleitendes Substrat handeln, über das der Bandleiter auch auf seiner von der Supraleitungsschicht abgewandten Rückseite kontaktiert werden kann. Die hochtemperatursupraleitende Schicht kann von einer elekt¬ risch normalleitenden Kontaktschicht bedeckt sein, und der erste Druckkontakt kann diese normalleitende Kontaktschicht mit dem ersten Kontaktstück verbinden. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da zum einen die meist empfindli- che supraleitende Schicht auch im Kontaktbereich von der normalleitenden Deckschicht, die hier als Kontaktschicht wirkt, geschützt ist. Zum anderen erlaubt eine Kontaktierung über diese der supraleitenden Schicht direkt benachbarte Schicht eine insgesamt vergleichsweise niederohmige elektrische Ver- bindung. Die normalleitende Kontaktschicht kann bevorzugt aus Kupfer gebildet sein oder ein kupferhaltiges Material aufwei¬ sen. Alternativ oder zusätzlich kann die Kontaktschicht ein anderes gut leitfähiges Material wie beispielsweise Gold oder Silber aufweisen. Die Kontaktschicht kann beispielsweise durch Auflöten, Laminieren oder durch elektrolytische Ab- scheidung oder Sputtern auf der supraleitenden Schicht aufgebracht sein.
Auch das wenigstens eine Kontaktstück kann vorteilhaft ein elektrisch gut leitfähiges Metall wie beispielsweise Kupfer, Messing, Aluminium, Gold oder Silber aufweisen, beispielsweise kann das wenigstens eine Kontaktstück mehrheitlich aus Kupfer bestehen.
Bei typischen Wicklungsformen, beispielsweise bei Scheibenwicklungen ist die bevorzugte Kontaktseite des Bandleiters, also die Seite des Substrats mit der supraleitenden Schicht, zumindest auf einer Seite der Wicklung frei zugänglich. Bei dieser Seite kann es sich alternativ entweder um die radial innenliegende Seite oder um die radial außenliegende Seite der Wicklung handeln. Bei speziellen Wicklungstypen oder weiteren innerhalb der Wicklung angebrachten Kontakten kann auch auf beiden Seiten der Wicklung die Seite der supraleitenden Schicht frei zugänglich sein. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, gegebenenfalls auch zwei Druckkontakte auf dieser Seite des Bandleiters anzubringen, die die supraleitende Schicht trägt.
Alternativ zu der vorab genannten Ausführungsform kann zumindest einer der Wicklungskontakte auch auf der der supralei¬ tenden Schicht abgewandten Rückseite des Bandleiters ausge¬ bildet sein. So kann das Substrat elektrisch normalleitend sein, und wenigstens ein Druckkontakt kann das Substrat mit einem Kontaktstück verbinden. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die Seite der supraleitenden
Schicht nur auf einer Seite der Wicklung frei liegt und auf der anderen Seite der Wicklung nur die Substratseite frei zu- gänglich ist. Durch die Ausbildung eines Druckkontaktes an¬ stelle eines herkömmlichen Lötkontaktes kann vorteilhaft auch ein aus Edelstahl und/oder einer nickelhaltigen Legierung gebildetes Substrat stabil kontaktiert werden. Die Notwendig- keit von komplexen Anstiegsbereichen mit aufwändigen Einschubstücken im Endbereich der Wicklung kann somit vorteilhaft vermieden werden. Die Spuleneinrichtung kann wenigstens zwei Druckkontakte auf¬ weisen, die an einer gleichen Umfangsposition der Spulenwicklung angeordnet sind. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen Druckkontakt auf der Innenseite der Wicklung und um einen weiteren Druckkontakt auf der Außenseite der Wicklung handeln. Diese beiden Kontakte können sich also an der gleichen Umfangsposition radial gegenüberliegend befinden.
Vorteilhaft können dann beide Druckkontakte über eine gemein¬ same Vorrichtung unter Druck gehalten werden. Beispielsweise können die wenigstens zwei Druckkontakte durch eine gemeinsa¬ me Umwicklung und/oder Umklammerung unter einem permanenten Druck gehalten werden. Die radial dazwischenliegenden Teile der Wicklung können also zusammen mit den beiden Druckkontakten als Ganzes in diese Umklammerung und/oder Umwicklung ein- geklemmt sein. Dies dient besonders vorteilhaft zu einer ein¬ fachen mechanischen Stabilisierung der Wicklung, insbesondere im Bereich der Druckkontakte. Der Leiter, insbesondere ein Bandleiter, ist so vor einer Delamination in diesen Bereichen geschützt, und der permanente Druck an diesen Stellen wirkt den Auswirkungen weiterer, in anderen Richtungen wirkender Kräfte, beispielsweise beim Abkühlen der Spuleneinrichtung oder bei deren Betrieb, entgegen.
Eine solche gemeinsame Umwicklung und/oder Umklammerung kann ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, das bei der Abkühlung der Spuleneinrichtung auf ihre Betriebstemperatur eine stärkere Schrumpfung aufweist als die Spulen¬ wicklung. Insbesondere kann das Material der Umwicklung und/oder Umklammerung eine stärkere Schrumpfung aufweisen als der gesamte Schichtstapel des Bandleiters, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche des Bandleiters. Hierdurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass bei einer Abkühlung der Spulenwicklung auf ihre Betriebstemperatur der permanente Druck an den Druckkontakten sich nicht abgeschwächt, sondern im Gegenteil sogar noch erhöht wird. Damit sind der Bandleiter und seine Kontakte trotz der zusätzlichen mechanischen Belastung bei der Abkühlung trotzdem wirksam ge- schützt.
Die Spuleneinrichtung kann eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Spuleneinrichtung auf ihre Betriebstemperatur aufweisen, wobei das wenigstens eine Kontaktstück thermisch stärker an die Kühlvorrichtung angekoppelt sein kann als die Spulenwicklung. Mit anderen Worten kann das Kontaktstück oder können die Kontaktstücke auch zum Kühlen der Spulenwicklung verwendet werden. Da die Kontaktstücke zweckmäßig aus thermisch gut leitendem Material ausgeführt sind und zum Abtransport der durch ohmsche Verluste entstehenden Wärme ohnehin sinnvollerweise an die Kühlvorrichtung angekoppelt sind, können die Kontaktstücke somit auch zu einer thermischen Ankopplung der übrigen Teile der Spulenwicklung an die Kühlvorrichtung genutzt werden.
Die Spulenwicklung kann vorteilhaft als Scheibenwicklung, insbesondere als Rennbahnspule, als Rechteckspule oder als kreisförmige Scheibenwicklung ausgebildet sein. Wenn die Spu¬ lenwicklung als ebene Rechteckspule mit vier geraden Ab- schnitten und vier dazwischen angeordneten abgerundeten Ecken ausgebildet ist, dann können die Kontaktbereiche vorteilhaft auf den geraden Abschnitten der Rechteckspule angeordnet sein . Die Spulenwicklung kann vorteilhaft einen Stapel aus mehreren nebeneinander geführten Leitern aufweisen, von denen jeder Leiter über wenigstens einen Druckkontakt mit einem Kontakt¬ stück elektrisch verbunden ist. Insbesondere kann jeder Leiter des Stapels über zwei solche Druckkontakte mit zwei Kon- taktstücken elektrisch verbunden sein.
Bei dem Verfahren zur Herstellung der Spuleneinrichtung kann zur Herstellung des wenigstens einen Druckkontakts ein An- pressdruck von wenigstens 5 MPa angewendet werden. Besonders vorteilhaft kann der Anpressdruck im Bereich von 7 MPa bis 10 MPa liegen. Der Anpressdruck kann jedoch auch vorteilhaft oberhalb von 10 MPa liegen. Durch einen Anpressdruck inner- halb der genannten Wertebereiche kann erreicht werden, dass sich ein stabiler und elektrisch gut leitfähiger Kontakt ausbildet. Besonders bei einer Ausführungsform mit einer Indium enthaltenden Zwischenlage kann erreicht werden, dass das Ma¬ terial dieser Zwischenlage zumindest in einem Teilbereich zu fließen beginnt, was die Ausbildung eines stabilen und nie- derohmigen Kontakts fördert. Dies kann vorteilhaft bei Tempe¬ raturen in der Nähe der Raumtemperatur ohne zusätzliche Erwärmung erreicht werden. Nach der Herstellung des ersten Druckkontakts kann im Bereich dieses Druckkontakts ein permanenter Druck aufrechterhalten werden, der niedriger liegt als der Anpressdruck bei der Herstellung des Kontakts. Insbesondere kann der permanente Druck dabei trotzdem oberhalb von 1 MPa liegen. Die Vorteile dieser Ausführungsform ergeben sich analog zu der entsprechenden Ausführungsform der Spuleneinrichtung.
Die Spulenwicklung kann vor dem Kontaktieren durch Wickeln des Leiters in mehreren Windungen hergestellt werden, wobei die Spulenwicklung nach dem Wickeln und/oder während des Wickeins mit einem Gießharz versehen werden kann. Mit anderen Worten kann es sich um einen Trocken-Wickelprozess mit an¬ schließendem Verguss oder um einen Nass-Wickelprozess handeln. In beiden Fällen kann das Gießharz nach dessen Aufbrin- gung ausgehärtet werden, so dass die Spulenwicklung eine erhöhte mechanische Festigkeit erhält. Vorteilhaft kann bei diesen Ausführungsformen der wenigstens eine Kontaktbereich vor einer Benetzung mit Gießharz geschützt werden. Dies ist zweckmäßig, um eine saubere und elektrisch gut leitende Ober- fläche für die Ausbildung des Druckkontakts zu erhalten. Bei¬ spielsweise kann der Kontaktbereich des Bandleiters durch ein Trennfett und/oder eine Ummantelung mit einem von Gießharz nicht leicht zu benetzenden Material geschützt werden. Ein solches nicht leicht zu benetzendes Material ist beispiels¬ weise Polytetrafluorethylen, wobei eine Umwicklung mit einem Polytetrafluorethylen-Band besonders einfach zu realisieren ist. Es kann aber auch nur die für die Kontaktierung benötigte Oberfläche des Bandleiters mit einem Stück aus
Polytetrafluorethylen oder anderem schlecht zu benetzenden Material abgedeckt oder überzogen beziehungsweise besprüht werden .
Bei Anwendung eines Trockenwickel-Prozesses, bei dem die Spu¬ lenwicklung erst nach dem Wickeln mit Gießharz versehen wird, kann das Gießharz vorteilhaft eine Vergussmasse sein, die in eine um die Spulenwicklung angeordnete Vergussform gegossen werden kann. Bei Anwendung eines Nasswickel-Prozesses, bei dem die Spulenwicklung schon während des Wickeins oder kurz vor dem Wickeln mit einem Gießharz versehen wird, kann das Gießharz vorteilhaft ein Klebemittel, beispielsweise ein durch Erwärmung aushärtbares Klebemittel sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines Bandleiters 15 nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt eines Bandleiters 15 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 3 eine Detailansicht eines ersten Druckkontakts IIa nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt und
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung 1 nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines supraleitenden Bandlei¬ ters 15 für eine Spuleneinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Schichtaufbau sehe- matisch dargestellt ist. Der Bandleiter 15 umfasst in diesem Beispiel ein Substrat 17, das hier ein 100 ym dickes Sub¬ stratband aus einer Nickel-Wolfram-Legierung ist. Alternativ sind auch Stahlbänder oder Bänder aus einer Legierung wie z.B. Hastelloy verwendbar. Über dem Substrat 17 ist eine
0,5 ym dicke Pufferschicht 18 angeordnet, die hier die oxid¬ ischen Materialien Ce02 und Y2O3 enthält. Darüber folgt eine hochtemperatursupraleitende Schicht 19, hier eine 1 ym dicke Schicht aus YBa2Cu30x, die wiederum mit einer 50 ym dicken Kontaktschicht 21 aus Kupfer abgedeckt ist. Die freiliegende Seite dieser Kontaktschicht 21 wird im Folgenden als Vorder¬ seite 20a des Bandleiters 15 bezeichnet. Zwischen der supra¬ leitenden Schicht 19 und dem Kupfer kann sich zusätzlich beispielsweise noch 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 Substrats 17, die im Folgenden als Rückseite 20b bezeichnet wird, ist hier eine weitere 50 ym dicke Kontaktschicht 21 aus Kupfer angeordnet. Alternativ zu dem in Fig. 1 gezeigten Schichtaufbau kann eine solche Kontaktschicht 21 die übrigen Schichten des Bandlei¬ ters auch im Querschnitt vollständig umhüllen.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines alternati- ven Bandleiters 15 für eine Spuleneinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch dieser zweite Bandleiter weist ein Substrat 17 auf, auf dem eine hochtempe¬ ratursupraleitende Schicht 19 abgeschieden ist. Diese Schicht 19 kann beispielsweise den Supraleiter Magnesiumdiborid um- fassen, welcher ohne die Notwendigkeit einer darunterliegenden Pufferschicht direkt auf dem Substrat 17 abgeschieden sein kann. Alternativ kann der Bandleiter aber auch eine oxidkeramische supraleitende Schicht ähnlich wie im vorheri¬ gen Beispiel aufweisen. Auch hier ist die supraleitende
Schicht 17 auf der Vorderseite 20a mit einer normalleitenden Kontaktschicht 21 versehen. Im Unterschied zum vorherigen Beispiel liegt jedoch auf der Rückseite 20b das Substrat 17 offen und ist nicht mit einer solchen Kontaktschicht bedeckt. Zur Kontaktierung des Bandleiters in einer elektrischen Spulenwicklung kann hier also auf dieser Seite ein elektrischer Kontakt beispielsweise direkt auf dem Substrat angebracht werden .
Die supraleitenden Bandleiter 15 der beiden in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiele können zu Spulenwicklungen gewickelt sein, die in Spuleneinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen können. Dazu können solche oder ähnliche Bandleiter oder aber alternativ auch Leiter mit rundem Querschnitt, zum Beispiel MgB2-Filament- Leiter, in mehreren Windungen aufgewickelt sein und beispielsweise an ihren bezüglich der Wicklung inneren und äußeren Endbereichen über Kontaktstücke mit einem äußeren Strom- kreis elektrisch in Verbindung stehen. Zur elektrischen Isolierung der Windungen gegeneinander können zwischen den einzelnen Wicklungslagen zusätzliche Isolationsbänder eingewickelt sein, oder die Bandleiter 15 können mit in den Figuren 1 und 2 nicht gezeigten zusätzlichen Isolationsschichten ver- sehen sein, die beispielsweise nur im Bereich der elektrischen Kontakte entfernt sein können beziehungsweise nicht aufgebracht sein können. Alternativ zu einer Wicklung mit einem einzigen Bandleiter können auch Wicklungen mit Stapeln aus mehreren parallel verlaufenden, also übereinanderliegen- den Bandleitern gewickelt sein.
In Fig. 3 ist eine Detailansicht eines elektrischen Kontakts einer solchen Spuleneinrichtung in schematischer Querschnittsdarstellung gezeigt. Gezeigt ist ein erster Kontakt- bereich 7a im Endbereich eines Bandleiters 15, der auf seiner Vorderseite 20a über einen ersten Druckkontakt IIa mit einem ersten Kontaktstück 9a kontaktiert ist. Diese Vorderseite 20a weist analog zu den beiden vorab beschriebenen Beispielen der Bandleiter 15 eine hier nicht gezeigte normalleitende Kon- taktschicht auf. Im ersten Kontaktbereich 7a ist diese Kon¬ taktschicht über einen flächigen Kontakt elektrisch mit dem ersten Kontaktstück 9a verbunden. Dieser elektrische Kontakt wird über eine zwischen dem Bandleiter 15 und dem ersten Kon- taktstück 9a angeordneten Zwischenlage 13 vermittelt. Diese Zwischenlage ist hier eine Folie aus einem indiumhaltigen Ma¬ terial, die elektrisch leitfähig ist und sich unter Druck leicht verformt. Zur Ausbildung des Druckkontakts IIa werden das erste Kontaktstück 9a, die Zwischenlage 13 und der Band¬ leiter 15 mit einem Anpressdruck pi aneinandergepresst , also durch eine entsprechende über die ganze Kontaktfläche wirken¬ den Anpresskraft. Dieser Anpressdruck kann beispielsweise bei der Herstellung des Druckkontakts IIa bei etwa 10 MPa liegen. Die Temperatur des Kontakts kann dabei im Bereich der Umge¬ bungstemperatur liegen, beispielsweise etwa bei Raumtempera¬ tur. Durch die Einwirkung des Drucks pi kommt die indium- haltige Zwischenlage 13 zumindest teilweise zum Fließen, was die Ausbildung eines elektrisch gut leitenden flächigen Kon- takts erleichtert. Das erste Kontaktstück 9a ist elektrisch mit einem hier nicht näher gezeigten äußeren Stromkreis verbunden, über den die Spulenwicklung beispielsweise mit einem Strom beaufschlagt werden kann. In Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer supraleitenden Spuleneinrichtung 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist eine Spu¬ lenwicklung 3 aus einem Leiter 5, der ein supraleitender Bandleiter 15 ähnlich den Beispielen der Figuren 1 und 2 sein kann. In der Fig. 4 sind nur beispielhaft vier Windungen dieses Leiters 5 gezeigt, wobei in realen Spuleneinrichtungen typischerweise eine wesentlich höhere Anzahl von Windungen zum Einsatz kommen kann. Die Spulenwicklung 3 weist im gezeigten Beispiel die Form einer flachen Rechteckspule auf mit vier geraden Wicklungsabschnitten und vier dazwischen angeordneten abgerundeten Ecken. Der Leiter 5 der Spulenwicklung 3 ist auf der Außenseite der Wicklung über einen ersten
Druckkontakt IIa und auf der Innenseite der Wicklung über einen zweiten Druckkontakt IIb mit einem hier nicht näher ge- zeigten äußeren Stromkreis verbunden. Hierzu ist durch jeden der beiden Druckkontakte eine flächige elektrische Verbindung des Leiters 5 mit einem Kontaktstück 9a beziehungsweise 9b hergestellt. Die beiden Druckkontakte IIa und IIb sind auf derselben Umfangsposition 23 der Spulenwicklung 3 angeordnet. Dieses Umfangssegment befindet sich auf einem der vier gera¬ den Abschnitte der Rechteckspule, in diesem Beispiel mittig auf einem der geraden Abschnitte. Eine Anordnung auf einem solchen geraden Abschnitt ist für die Ausbildung eines flächigen Druckkontakts besonders vorteilhaft. Prinzipiell ist aber auch die Ausbildung eines Druckkontakts in einem gekrümmten Abschnitt des Leiters 5 möglich. Die beiden Druckkontakte IIa und IIb sind beispielsweise je¬ weils ähnlich wie in dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgeführt. So ist auch hier jeweils zwischen dem Lei¬ ter 5 und dem Kontaktstück 9a oder 9b eine indiumhaltige Zwischenlage 13 angeordnet, die den elektrischen Kontakt vermit- telt und die Ausbildung eines niederohmigen Kontakts unter Druck erleichtert. Auch hier können beide Druckkontakte IIa und IIb mit einem relativ hohen Anpressdruck pi oberhalb von 10 MPa hergestellt sein. Nach der eigentlichen Herstellung dieser Kontakte werden die Druckkontakte weiterhin unter einem permanenten Druck p2 gehalten, der beispielsweise etwas niedriger liegen kann als der bei der Herstellung aufgebrachte Anpressdruck pi. Dieser permanente Druck p2 wird im Bei¬ spiel der Fig. 4 durch eine gemeinsame Umklammerung 25 im Bereich der beiden Druckkontakte aufrechterhalten. Diese Ausge- staltung wird durch die Anordnung auf einem gemeinsamen Um- fangssegment 23 der Spulenwicklung ermöglicht. Die Umklamme¬ rung 25 kann beispielsweise aus solchen Materialien gebildet sein, die in radialer Richtung der Spulenwicklung bei einer Abkühlung der Spulenwicklung 3 auf eine Betriebstemperatur des Supraleiters eine stärkere thermische Schrumpfung aufwei¬ sen als die thermische Schrumpfung des Schichtstapels des Bandleiters in dieser Richtung. Bei dieser Ausführungsform wird der permanente Druck p2 durch die Abkühlung noch weiter verstärkt. Beispielsweise kann die Umklammerung 25 der Druck- kontakte glasfaserverstärkte Kunststoffe, Metalle oder metal¬ lische Legierungen sowie elektrische Isolationsmaterialien aufweisen. Eine solche Auslegung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist in analoger Weise auch für Ausführungsfor- men möglich, bei denen die beiden Druckkontakte durch getrennte Vorrichtungen unter Druck gehalten werden.
Der Leiter 5 der in Fig. 4 gezeigten Spulenwicklung kann wie- derum ein supraleitender Bandleiter sein. Da im gezeigten
Beispiel die Orientierung des Bandleiters bezüglich des Zen¬ trums in der Spulenwicklung nicht verändert wird, sind im Be¬ reich der beiden Kontakte unterschiedliche Oberflächen des Bandleiters frei zugänglich. Wenn umständliche Maßnahmen wie die Einführung von Kontaktstücken unter die äußerste Wicklungslage vermieden werden sollen, muss der Bandleiter daher auf unterschiedlichen Oberflächen kontaktiert werden. Im gezeigten Beispiel ist durch den außenliegenden ersten Druckkontakt IIa ein elektrischer Kontakt mit der Vorderseite 20a und durch den innenliegenden zweiten Druckkontakt ein elektrischer Kontakt mit der Rückseite 20b des Bandleiters gebil¬ det. Die Orientierung kann jedoch alternativ auch genau anders herum ausgebildet sein. Wesentlich für dieses Ausführungsbeispiel ist, dass ein Bandleiter durch die Kontaktie- rung mittels Druckkontakten auf einfache Weise auf seinen beiden gegenüberliegenden Oberflächen kontaktiert werden kann, selbst wenn auf seiner Rückseite 20b für die Kontaktie- rung nur ein elektrisch leitfähiges Substrat 17 zur Verfügung steht und keine spezielle Kontaktschicht 21.

Claims

Patentansprüche
1. Supraleitende Spuleneinrichtung (1), umfassend
- wenigstens eine Spulenwicklung (3) mit wenigstens einem supraleitenden Leiter (5) , wobei der Leiter (5) wenigstens einen ersten Kontaktbereich (7a) aufweist
- und wenigstens ein erstes Kontaktstück (9a) zur Verbindung der Spuleneinrichtung (1) mit einem äußeren Stromkreis, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontaktbereich (7a) des Leiters (5) über einen ersten Druckkontakt (IIa) mit dem ersten Kontaktstück (9a) elektrisch leitend verbunden ist.
2. Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der der Leiter (5) einen zweiten Kontaktbereich aufweist, welcher über einen zweiten Druckkontakt (IIb) mit einem zweiten Kontaktstück (9b) elektrisch leitend verbunden ist.
3. Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der erste Druckkontakts (IIa) ein flächiger Druckkon- takt ist, bei dem ein permanenter Druck (P2) von wenigstens 1 MPa anliegt.
4. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen erstem Kontaktbereich (7a) und ers- tem Kontaktstück (9a) eine Zwischenlage (13) angeordnet ist, die Indium enthält.
5. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leiter (5) ein Bandleiter (15) mit einem Substrat (17) und einer hochtemperatursupraleitenden Schicht (19) ist.
6. Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 5, bei der die hoch- temperatursupraleitende Schicht (19) von einer elektrisch normalleitenden Kontaktschicht (21) bedeckt ist und der erste Druckkontakt (IIa) die normalleitende Kontaktschicht (21) mit dem ersten Kontaktstück (9a) verbindet.
7. Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der das Substrat (17) elektrisch normalleitend ist und wenigstens ein Druckkontakt (IIb) das Substrat (17) mit einem Kontaktstück (9b) verbindet.
8. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die wenigstens zwei Druckkontakte (IIa, IIb) auf¬ weist, die an einer gleichen Umfangsposition (23) der Spulenwicklung (3) angeordnet sind.
9. Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 8, bei der die wenigstens zwei Druckkontakte (IIa, IIb) durch eine gemeinsame Um¬ wicklung und/oder Umklammerung (25) unter einem permanenten Druck (P2) gehalten werden.
10. Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 9, bei der die gemeinsame Umwicklung und/oder Umklammerung (25) aus einem Material besteht, das bei der Abkühlung der Spuleneinrichtung (1) auf ihre Betriebstemperatur eine stärkere Schrumpfung aufweist als die Spulenwicklung (3) .
11. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung der Spuleneinrichtung (1) auf ihre Betriebstemperatur, wobei das wenig- stens eine Kontaktstück (9a) thermisch stärker an die Kühlvorrichtung angekoppelt ist als die Spulenwicklung (3) .
12. Verfahren zur Herstellung einer Spuleneinrichtung (1), wobei die Spuleneinrichtung (1) wenigstens eine Spulenwick- lung (3) mit wenigstens einem supraleitenden Leiter (5) mit wenigstens einem ersten Kontaktbereich (7a) aufweist, gekennzeichnet durch das Kontaktieren des ersten Kontaktbe¬ reichs (7a) des Leiters (5) mit einem ersten Kontaktstück (9a) zur Verbindung der Spuleneinrichtung (1) mit einem äuße- ren Stromkreis durch Herstellung eines elektrisch leitenden ersten Druckkontakts (IIa).
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem zur Herstellung des ersten Druckkontakts (IIa) ein Anpressdruck (pi) von wenigstens 5 MPa angewendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem nach der Herstellung des ersten Druckkontakts (IIa) im Bereich dieses Druckkontakts ein permanenter Druck (P2) von we¬ nigstens 1 MPa aufrechterhalten wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Spulenwicklung (3) vor dem Kontaktieren durch Wickeln des Leiters (5) in mehreren Windungen hergestellt wird, wobei die Spulenwicklung nach dem Wickeln und/oder während des Wickeins mit einem Gießharz versehen wird,
und wobei der wenigstens eine Kontaktbereich (7a) vor der Aufbringung des Gießharzes vor einer Benetzung mit Gießharz geschützt wird.
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