Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Physik und betrifft supraleitende YBCO-Pancake-Spulen m it reduzierten AC-Verlusten, wie sie beispielsweise in supraleitenden Motoren, Generatoren und Transformatoren zur Anwendung kommen können.

Supraleitende Motoren sind im Vergleich mit konventionellen Motoren bei gleicher Leistung deutlich kleiner, was ein entscheidender Vorteil für viele Anwendungen ist. Allerdings steht dem der zusätzliche Aufwand für die Kühlung des Supraleiters gegenüber. Dieser ist bei klassischen, mit Helium gekühlten Supraleitern sehr hoch, was die Einführung supraleitender Motoren in die elektrische Energietechnik bisher verhindert hat. Die Kühlung von Hochtemperatursupraleitern, wie Yttrium-Barium- Kupferoxid (YBCO), mit flüssigem Stickstoff ist deutlich leistungsärmer (etwa um den Faktor 40) und damit billiger sowie darüber hinaus auch viel einfacher. Das macht supraleitende Motoren auf der Basis von modernen YBCO-Bandleitern attraktiv für Anwendungen in der elektrischen Energietechnik. Inzwischen stehen die dafür erforderlichen YBCO-Bandleiter mit hohen kritischen Strömen in Längen bis 1000 m zur Verfügung. Allerdings weisen diese YBCO-Bandleiter bisher noch zu hohe AC- Magnetisierungsverluste auf.

AC-Verl uste (Wechselstrom-Verluste) sind im Wesentlichen AC- Magnetisierungsverluste in supraleitenden Drähten oder Bändern, die wiederum im Wesentlichen Hystereseverluste und Kopplungsverluste sind. Die Standardmethode, Hystereseverluste zu mi n i m ieren , besteht dari n , d i e Abm ess u ngen der supraleitenden Drähte zu verringern (Filamentisierung), während die Kopplungsverluste durch Vertwisten der Filamente reduziert werden können (M.P. Oomen„AC loss in superconducting tapes and cables", Dissertation University Twente, 2000).

Für YBCO-Bandleiter sind die Möglichkeiten der Filamentisierung begrenzt. Eine Möglichkeit bieten die sogenannten Roebel-Leiter, die aus schmalen Bandleitern bestehen, die quasi m iteinander verflochten werden (W. Goldacker, et al: Superconductor Science and Technology 22 (2009) 034003; F. Grilli et al: Superconductor Science and Technology 23 (2010)1 15018). Dies ist jedoch eine sehr aufwändige Technologie und der weitere Nachteil besteht darin, dass gegenwärtig noch nicht genügend lange Bandleiter damit hergestellt werden können.

Um die Vorteile supraleitenden Motoren, Generatoren oder Transformatoren zur Geltung zu bringen, werden hohe Ströme benötigt. Diese können, bedingt durch die begrenzten kritischen Ströme der YBCO-Bänder bei Temperaturen von 65 - 77 K, nur durch Parallelschaltung von mehreren YBCO-Leitern erzeugt werden.

Der Nachteil dieser Lösung ist, dass aufgrund der anliegenden Wechselstromfelder Kopplungsströme zwischen den parallelen YBCO-Bändern induziert werden, die zu hohen Kopplungsverlusten führen. Damit werden die gesamten AC- Magnetisierungsverluste so hoch, dass die gekühlten supraleitenden Motoren gegenüber herkömmlichen Motoren keine Vorteile mehr bieten. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe von YBCO-Pancake- Spulen mit reduzierten AC-Verlusten.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei den erfindungsgemäßen YBCO-Doppel-Pancake-Spulen sind die beiden YBCO- Pancake-Spulen parallel nebeneinander angeordnet und weisen eine gemeinsame Spulenachse auf. Die beiden Spulen bestehen jeweils aus mehreren voneinander elektrisch isolierten Lagen von YBCO-Bandleitern, die freitragend oder auf einem Spulenkern angeordnet sind, wobei jede Lage aus mindestens zwei übereinander angeordneten YBCO-Bandleitern besteht, und diese m indestens zwei YBCO- Bandleiter einer Pancake-Spule m it den m indestens zwei YBCO-Bandleitern der anderen Pancake-Spule gekreuzt leitend verbunden sind.

Vorteilhafterweise sind die YBCO-Bandleiter jeder Lage voneinander elektrisch isoliert angeordnet.

Ebenfalls vorteilhafterweise sind die mehr als zwei YBCO-Bandleiter beider Spulen an der Verbindungsstelle beider Spulen paarweise gekreuzt verbunden.

Und auch vorteilhafterweise sind die Spulen einzeln oder gemeinsam mittels eines Harzes imprägniert.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, die AC-Verluste von YBCO-Pancake-Spulen, die aus parallelen YBCO-Bandleitern bestehen, deutlich zu senken.

Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass zwei YBCO-Pancake-Spulen zu einer YB CO-Doppel-Pancake-S pu le i n erfindungsgemäßer Weise miteinander verbunden werden. Die erfindungsgemäße Weise der Verbindung der beiden YBCO- Pancake-Spulen erfolgt so, dass zwei YBCO-Bandleiter einer Pancake-Spule mit zwei YBCO-Bandleitern der anderen Pancake-Spule gekreuzt leitend verbunden sind.

Die Anordnung von zwei oder mehr YBCO-Pancake-Spulen erfolgt so, dass sie eine gemeinsame Spulenachse aufweisen und vorteilhafterweise so nahe wie möglich zueinander positioniert werden.

Vorteilhafterweise sind diese beiden parallel nebeneinander angeordneten YBCO- Pancake-Spulen mit einem Harz, vorteilhafterweise Epoxidharz, imprägniert.

Beide YBCO-Pancake-Spulen bestehen aus mehreren voneinander elektrisch isolierten Lagen von YBCO-Bandleitern.

Vorteilhafterweise bestehen die YBCO-Bandleiter beider Spulen aus den gleichen Materialien und weisen die gleichen Abmessungen auf. Ebenfalls vorteilhafterweise bestehen die beiden Spulen aus der gleichen Anzahl von Lagen und weisen diese Lagen eine gleiche Anzahl an parallel geschalteten YBCO-Bandleitern auf.

Ohne die materialmäßige und geometrische Übereinstimmung der Spulen können die physikalisch gewünschten Wirkungen nicht im vollen Umfang eintreten.

Die YBCO-Bandleiter können freitragend als Spule angeordnet sein oder auf einem Spulenkern.

Weiterh in ist es erfindungsgem äß notwend ig , dass d ie m indestens zwe i übereinander angeordneten YBCO-Bandleiter einer YBCO-Pancake-Spule, die eine Lage bilden, m it den mindestens zwei YBCO-Bandleitern der anderen Pancake- Spule gekreuzt leitend verbunden sind.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es ebenfalls notwendig, dass die Lagen der YBCO-Pancake-Spulen elektrisch voneinander isoliert sind. Vorteilhafterweise können auch die YBCO-Bandleiter in den Lagen voneinander elektrisch isolierend angeordnet sein.

Die kreuzweise Anordnung der YBCO-Bandleiter heißt, dass im Falle von zwei parallelen YBCO-Bandleitern, der unten liegende YBCO-Bandleiter der einen YBCO- Pancake-Spule m it dem oben liegenden YBCO-Bandleiter der anderen YBCO- Pancake-Spule leitend verbunden ist. Ebenso werden die jeweils anderen beiden YBCO-Bandleiter leitend miteinander verbunden.

Im Falle von mehr als zwei YBCO-Bandleitern kann jede Zuordnung der YBCO- Bandleiter zueinander gewählt werden, außer der, dass die YBCO-Bandleiter, die in der jeweiligen Lage die gleiche Position einnehmen, nicht miteinander verbunden werden dürfen. Vorteilhafterweise sind eine geradzahlige Anzahl an YBCO- Bandleitern in jeder Lage enthalten, da dann an der Verbindungsstelle beider Spulen die YBCO-Bandleiter paarweise gekreuzt verbunden werden können.

Nach dem Stand der Technik wird die Verringerung der Kopplungsverluste in langen Spulen mit parallelen Bandleitern dadurch erreicht, dass die Position der parallelen YBCO-Bandleiter in benachbarten Lagen jeweils vertauscht werden (transponieren). Dadurch kann der induzierte magnetische Gesamtfluss im Wesentlichen kompensiert werden und die Kopplungsverluste können weitgehend eliminiert werden.

Da die bekannte Transponierung von parallelen YBCO-Bandleiter in benachbarten Spulenlagen extrem platzaufwändig ist, und es beim Einsatz flacher YBCO-Pancake- Spulen in Motoren, Generatoren oder Transformatoren darauf ankommt, den in diesen elektrischen Maschinen begrenzten Raum möglichst platzsparend m it möglichst viel YBCO-Bandleitermaterial auszufüllen, kann die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung für YBCO-Pancake-Spulen nicht angewandt werden.

Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung gelöst.

Ziel der Erfindung ist die Reduktion der AC-Verluste in YBCO-Pancake-Spulen für supraleitende Motoren, Generatoren und Transformatoren.

Um dies zu erreichen, sollen die erfindungsgemäßen YBCO-Doppel-Pancake-Spulen (bestehend aus Lagen aus parallel gewickelten YBCO-Bandleitern) anstelle von einzelnen YBCO-Pancake-Spulen in supraleitenden Motoren, Generatoren oder Transformatoren eingesetzt werden. Dabei wird die elektrische Verbindung dieser Spulen erfindungsgemäß so realisiert, dass die Kopplungsverluste dieser Doppel- Pancake-Spulen weitgehend eliminiert werden. Nach dem Stand der Technik ist es erforderlich, die in supraleitenden Motoren, Generatoren und Transformatoren benötigten hohen Ströme durch Parallelschaltung von mehreren YBCO-Bandleitern zu realisieren.

Die sich aus den Lösungen des Standes der Technik ergebenden Nachteile in Form zusätzlicher Kopplungsverluste können m it der erfindungsgemäßen Lösung weitgehend ausgeräumt werden. Gleichzeitig werden die Vortei le eines P latz sparenden Einbaus und der deutlichen Senkung der AC-Verluste erreicht.

M it der erfindungsgemäßen Lösung können die AC-Verluste reduziert und insbesondere die Kopplungsverluste von YBCO-Pancake-Spulen praktisch eliminiert werden. Damit kann ihr Einsatz in supraleitenden Motoren, Generatoren und Transformatoren deutlich effektiver und attraktiver gestaltet werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass für beide YBCO- Pancake-Spulen die YBCO-Bandleiter jeweils auf der äußeren Wicklung enden und somit leicht an die Zuleitungen angeschlossen werden können.

Physikalisch kann die Elimination der Kopplungsverluste in den YBCO-Pancake- Spulen folgendermaßen erklärt werden: Kopplungsverluste werden durch parallel zu den YBCO-Bandleitern gerichtete AC-Felder verursacht, während Hystereseverluste durch die senkrechte Komponente des AC-Feldes bedingt sind. Ein paralleles AC- Feld induziert Kopplungsströme zwischen den parallelen YBCO-Bandleitern der Wicklung, die durch den magnetischen Fluss (Magnetfeld x freier Querschnitt zwischen den parallelen Bändern) bestimmt werden.

Für eine Doppel-Pancake-Spule mit der Standard-Verknüpfung der einzelnen YBCO- Bandleiter in beiden Spulen nach dem Stand der Technik addiert sich der magnetische Fluss durch die parallelen YBCO-Bandleiter in beiden Spulen zu einem doppelt so großen Gesamtfluss, so dass auch der Kopplungsverlust der YBCO- Doppel-Pancake-Spule doppelt so groß ist, wie für eine einzelne Pancake-Spule. Im Gegensatz dazu kompensiert sich der magnetische Fluss in beiden Spulen durch die erfindungsgemäße Lösung bei kreuzweiser Verknüpfung der parallelen YBCO- Bandleiter, so dass für identische Einzelspulen der Gesamtfluss der Doppel- Pancake-Spule vollständig verschwinden würde und keine Kopplungsströme induziert werden würden. In der Realität sind beide Einzelspulen jedoch nicht absolut identisch, so dass der resultierende Gesamtfluss für die Doppel-Pancake-Spule nicht völlig verschwindet, aber erfindungsgemäß stark verringert wird.

Nachfolgend wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch eine YBCO-Doppel-Pancake-Spule, bestehend aus zwei erfindungsgemäß miteinander verbundenen Pancake-Spulen (Spule 1 und Spule 2). und

Fig. 2 schematisch die Verbindung von zwei parallelen YBCO-Bandleitern der

YBCO-Pancake-Spule 1 mit den zwei parallelen YBCO-Bandleitern der YBCO-Pancake-Spule 2 nach dem Stand der Technik (links) und nach der erfindungsgemäßen Lösung (rechts).

Beispiel 1

(Kopplungsverluste durch Wechselfelder)

Eine freitragende runde Spule ohne Spulenkern (Innendurchmesser 4 cm) wird aus einem Paket von 4 einzelnen, übereinander angeordneten Bändern aus YBCO (Fa. Superpower), mit den Abmessungen 3 mm Breite, 0, 1 mm Höhe und 1 ,2 m Länge gewickelt. Jedes der YBCO-Bänder des Wickelpakets ist mit einem dünnen Papierband (Breite 3 mm, Höhe 0, 1 mm) beklebt, so dass die 4 YBCO-Bänder (mit Ausnahme jeweils der beiden Enden) über ihre gesamte Länge voneinander isoliert sind. Nach Aufwickeln von 8 Lagen dieses Pakets liegt eine runde Pancake-Spule m it einem Au ßendurchmesser von 5,4 cm vor. Die äußeren Enden der 4 übereinander liegenden YBCO-Bänder werden über eine Länge von 3 cm miteinander verlötet. Dagegen werden die 4 freien Enden der YBCO-Bänder der innersten Spulenlage zwar verzinnt, aber nicht m iteinander verlötet. Eine zweite Spule aus den gleichen Materialien und den gleichen Abmessungen wird ebenfalls hergestellt.

Verbindung der Bandleiter nach dem Stand der Technik:

Die beiden Spulen werden so übereinander gelegt, dass sie eine gemeinsame Spulenachse aufweisen. Dann werden die verzinnten Enden der YBCO-Bänder der innersten Spulenlagen beider Spulen paarweise durch Löten miteinander verbunden. Dabei erfolgt die Verbindung

- von Band 1 von Spule 1 zu Band 1 von Spule 2, und

- von Band 2 von Spule 1 zu Band 2 von Spule 2, und

- von Band 3 von Spule 1 zu Band 3 von Spule 2, und

- von Band 4 von Spule 1 zu Band 4 von Spule 2.

Dann werden die AC-Kopplungsverluste dieser Doppel-Pancake-Spule bei 77 K als Funktion der Amplitude des parallelen Wechselfeldes bei Frequenzen zwischen 48 und 206 Hz gemessen.

Erfindungsgemäße Verbindung der Bandleiter:

Die Verbindungen der YBCO-Bänder der innersten Spulenlage nach dem Stand der Technik werden wieder gelöst. Dann werden die YBCO-Bänder der beiden Spulen kreuzweise miteinander verbunden. Dabei erfolgt die Verbindung

- von Band 1 von Spule 1 mit Band 2 von Spule 2, und

- von Band 2 von Spule 1 mit Band 1 von Spule 2, und

- von Band 3 von Spule 1 mit Band 4 von Spule 2, und

- von Band 4 von Spule 1 mit Band 3 von Spule 2.

Wieder werden die AC-Kopplungsverluste bei 77 K als Funktion der Amplitude des parallelen Wechselfeldes bei Frequenzen zwischen 48 und 206 Hz gemessen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung konnten die Kopplungsverluste um den Faktor 50 verringert werden. Beispiel 2

(Kopplungsverluste durch Wechselfelder bei fließendem AC-Transportstrom)

D ie g leiche , bereits i n Be ispiel 1 beschriebene Doppel-Pancake-Spule wird verwendet, um die Kopplungsverluste durch parallele Wechselfelder in Gegenwart eines durch die Spule fließenden AC-Transportstroms zu messen. Da in einem supraleitendem Motor Wechselfelder erst durch AC-Transportströme erzeugt werden, ist es sehr wichtig nachzuweisen, dass durch die erfindungsgemäße Lösung Kopplungsverluste auch bei Anwesenheit von AC-Transportströmen wirksam unterdrückt werden können.

Wie im Beispiel 1 bereits beschrieben, erfolgt die Verlustmessung bei 77 K sowohl für die Verbindung der Bandleiter nach dem Stand der Technik als auch für die erfindungsgemäße kreuzweise Verbindung der YBCO-Bänder der Doppel-Pancake- Spulen.

Dabei wurden AC-Transportströme bis 50 A und Wechselfelder bis 0,2 T im Frequenzbereich zwischen 48 und 206 Hz realisiert.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung konnten die Kopplungsverluste in diesem Fall um den Faktor 10 verringert werden.