Die Erfindung betrifft eine bitterprinzipbasierte Magnetvorrichtung und die Verwendung einer solchen bitterprinzipbasierten Magnetvorrichtung.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Magnetbauarten bekannt, um hohe kontinuierliche Magnetfelder erzeugen zu können. In mit Kupfer gewickelten Elektromagneten mit Eisenkern sind die Felder auf etwa 2 Tesla beschränkt. Für höhere Felder werden Magnete aus Kupfer oder Kupferlegierungen mit Bitter-Design verwendet, sogenannte Bitter-Elektromagnete oder Bitter-Solenoide (kurz Bitter-Magnete), die starke magnetische kontinuierliche Felder bis zu 40 Tesla erzeugen können und hauptsächlich in der Wissenschaft verwendet werden.

Konventionelle Bitter-Magnete bestehen aus geschlitzten und übereinander gestapelten Platten aus Kupfer oder Kupferlegierungen und werden mit Wasser gekühlt. Sie benötigen eine Isolierung zwischen den einzelnen Kupferplatten. Auf Grund ihres Ohm'schen Widerstands benötigt ein solches Magnetsystem Stromversorgungen mit Leistungen bis zu 30MW. Die mit dem hohen Widerstand einhergehende hohe Wärmelast erlaubt nur Stromdichten bis zu ca. 30 A/mm ² und erfordert eine intensive Kühlung.

(Bitter-)Magnete mit Supraleitern werden als Lagenspulen oder gestapelte Scheibenspulen hergestellt. Diese Wicklungsarchitektur hat zur Folge, dass in radialer Richtung eine Vielzahl Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufeinander folgt (bspw. innerer Wickelkörper, Vergussmasse, Isolation, elektro-thermische Stabilisierung z. B. Kupfer, mechanische Stabilisierung (z.B. Substrat), Pufferschichten, (Hochtemperatur-)Supraleiter- Schicht oder -Filamente, Cap-Schicht z. B. aus Silber oder Gold, Kupfer, Isolation). Jedes Material hat unterschiedliche Dicken, mechanische Festigkeiten und thermische Ausdehnungskoeffizienten, was zu hohen (Quer-)Spannungen sowie zur Desintegration der Wicklung bzw. zur Delamination und Degradation des Supraleiters führen kann.

In weiter entwickelten "Quasi-Bitter-Spulen" aus Hochtemperatur-Supraleitern wird nicht dem Bitter-Prinzip eines durchgängigen Stromtransports durch gestapelte Scheiben ge- folgt, sondern einzelne Dauerströme in einzelnen Ringen mit zwischen gelegten Isolierungsscheiben erzeugt.

Der Nachteil der vorgenannten Magnetkonstruktionen ist eine große Wärmedissipation, die mit Höhe des Magnetfelds, das erzeugt werden soll, steigt. Um die Wärmedissipation zu verringern, muss die die Windungsstromdichte jeder Wicklung bzw. jeder gestapelten Schicht herabgesetzt werden. Dies hat aber wiederum ein niedrigeres maximal erreichbares Magnetfeld zur Folge. Ferner benötigen sie sehr hohe Antriebsströme.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte bitterprinzipbasierte Magnetvorrichtung bereitzustellen, die eine geringe thermische Dissipation hat, eine hohe Windungsstromdichte erlaubt und dadurch höhere Magnetfelder ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine bitterprinzipbasierte Magnetvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen der bitterprinzipbasierte Magnetvorrichtung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Eine erste Ausführungsform einer erfindungsmäßen bitterprinzipbasierten Magnetvorrichtung weist eine Anordnung auf, die aus mehreren Leiterschichten und mehreren Substratschichten ausgebildet ist. Dabei trägt jede Substratschicht eine Leiterschicht und ist mit dieser als Ring ausgebildet. Der Ring weist einen radialen Schlitz auf, der sich durch den gesamten Ring erstreckt. „Trägt“ meint dabei, dass die Leiterschicht mit der Substratschicht zweilagig ausgebildet ist und die stabilere Substratschicht für die Leiterschicht eine Basis bildet.

Drei oder mehr Ringe (bevorzugt eine gerade Anzahl, hierin jeweils Kreisringe als Flächenstück zwischen zwei verschiedenen Kreisen mit gleichem Mittelpunkt, wobei der Kreis mit dem kleineren Durchmesser ein mittleres Durchgangsloch bildet) bilden eine Spiralanordnung mit je einem Ring am Anfang der Spiralanordnung (Anfangsring) und einem Ring am Ende der Spiralanordnung (Endring) mindestens einem oder mehreren Ringen zwischen Anfangsring und Endring (Mittelringen), wobei der Anfangsring und der Endring mit je einem seiner an den Schlitz angrenzenden Enden mit einem Mittelring an dessen Schlitz angrenzenden Ende durch einen Kontaktabschnitt in Strom leitendem Kontakt stehen, und wobei jeder Mittelring mit seinen beiden an den Schlitz angrenzenden Enden mit zwei anderen Ringen durch einen Kontaktabschnitt in Strom leitendem Kontakt steht. Die Spiralanordnung ist bevorzugt eine Helixanordnung und hat eine kreiszylindrische Grundform; es sind aber auch andere Grundformen, wie z. B. eine ellipsoide, recht- oder mehreckige Grundform möglich, deren Ecken abgerundet sein können.

Dabei sind in der Anordnung die Ringe alternierend angeordnet, indem auf einen Ring mit einer nach oben weisenden Leiterschicht ein Ring mit einer nach unten weisenden Leiterschicht folgt.

Die Spirale, die in der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung durch die Anordnung der einzelnen stromführenden Ringe gebildet wird, erlaubt durchgängigen Stromtransport. In radialer Richtung sind die Ringe homogen und axialer Richtung sind die Ringe inhomogen, wodurch mechanische Querspannungen vermieden werden. Mindestens drei Ringe, bevorzugt vier, fünf oder noch mehr solcher Ringe, die geometrisch gleich sind und deren mittlere Durchgangslöcher in der erfindungsgemäßen Spiralanordnung fluchten, sind erforderlich um sie zu bilden.

Weil die mittleren Durchgangsslöcher fluchten, umgeben sie in einer Montageanordnung der Magnetvorrichtung einen zylindrischen Raum für experimentelle Einrichtungen oder andere Vorrichtungen, die dem Magnetfeld, das in diesem zylindrischen Raum gebildet wird, ausgesetzt werden sollen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird hierin als bitterprinzipbasierte Magnetvorrichtung bezeichnet, da sie dem Bitter-Prinzip, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, folgt. Es handelt sich um ein Schichtprinzip, bei dem Platten oder plattenförmige Ringe mit Zwischenlage von Isoliermaterialien zu geschichteten Magneten zusammengesetzt werden.

Durch die spiralige erfindungsgemäße Anordnung wird eine Magnetvorrichtung mit deutlich geringerem Gesamtwiderstand und Verlusten geschaffen als bei bisher verwendeten Bitter-Magneten aus dem Stand der Technik. Die bitterprinzipbasierte Magnetvorrichtung erlaubt dadurch eine hohe Windungsstromdichte und höhere Magnetfelder. Ferner kann durch den geringeren Gesamtwiderstand die Stromversorgung leistungsmäßig kleiner als im Stand der Technik dimensioniert werden und die Magnetvorrichtung weist durch die Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitern geringe thermische Dissipation auf. Um einen durchgängigen Stromtransport in der Spiralanordnung zu erreichen, sind die Ringe abwechselnd so orientiert, dass jeweils die Leiterschichten und die Substratschichten zueinander in Kontakt kommen: Der Anfangsring beginnt mit einer Orientierung "Leiterschicht oben" und der nachfolgende Mittelring führt die Anordnung mit einer Orientierung "Leiterschicht unten" fort, wodurch eine sehr kompakte Bauweise ermöglicht wird. Der Platzbedarf wird optimiert und es ist weniger oder kein Isoliermaterial insgesamt notwendig. Die gute Wärmeableitung führt zu einer größeren Quenchsicherheit bei großen Windungsstromdichten, d. h. größer 200 A/mm ² , gerade bei der Nutzung von Hochtemperatur-Supraleitern. Die Kühlung kann je nach Einsatztemperatur (so auch je nach Strombedarf) mit verschiedenen Kryogenen erfolgen, die günstig im Verbrauch sind, wie z. B. flüssiger Stickstoff, flüssigem Neon, flüssigem Wasserstoff oder flüssigem Helium. Ferner können dadurch höhere Betriebsströme als im Stand der Technik verwendet werden und damit höhere magnetische Felder erreicht werden, z. B. 3 T bei 100 A/mm ² in einem Volumen von ca. 10 cm ³ .

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung überlappen jeweils zwei sich kontaktierende Ringe an dem Kontaktabschnitt. Ein Überlapp stellt einen verbesserten elektrischen Kontakt zwischen zwei zueinander gewandten Leiterschichten her und ermöglicht in der Magnetvorrichtung einen durchgängigen Stromtransport. In Grenzflächen zwischen zwei aufeinanderliegenden Leiterschichten kann eine Isolierungsschicht oder elektrisch schlecht leitfähige Schicht vorliegen, mit Ausnahme des Kontaktabschnitts. Hierdurch können große Zeitkonstanten bei Änderung des Betriebsstromes und folgender Stromumverteilung verhindert werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung ist an dem Kontaktabschnitt, resp. an der Fläche zwischen den sich überlappenden Ringen, ein Kontaktmaterial flächig aufgebracht. Alternativ können an dem Kontaktabschnitt die einander zugewandten Leiterschichten der beiden sich kontaktierenden Ringe miteinander versintert sein. Hierdurch kann eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden. Sowohl die Aufbringung eines Kontaktmaterials als auch die Versinterung, dienen dazu, den elektrischen Kontakt und damit einen durchgängigen Stromfluss zu verbessern und verlustarm zu halten.

In einer bevorzugten weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung ist das Kontaktmaterial ein Material, das beim Betrieb der bitterprinzipbasierten Magnetvorrichtung supraleitend ist. Das Material kann eine dünne Schicht sein, beson- ders bevorzugt eine Indium- oder Niobschicht, so bspw. ein Agln-Lot. Es können auch einfache Lote oder Lotverbindungen verwendet werden, so z. B. Lote, die Blei oder Zinn enthalten. Die dünne Schicht wirkt wie eine zwischengelegte Folie, die in der fertigen Magnetvorrichtung zwischen zwei Ringe eingepresst ist und damit bereits einen guten reibschlüssigen Kontakt zwischen den sich kontaktierenden an den Schlitz angrenzenden Enden zweier Ringe herstellt.

Nach einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung weisen die Ringe in ihrer Ringfläche weitere Durchgangslöcher auf. Die Ringe sind in der Spiralanordnung so übereinander angeordnet, dass diese weiteren Durchgangslöcher Kühlkanäle bilden, weil sie miteinander fluchten. Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung sieht vor, dass in der Spiralanordnung zwischen den Ringen Anfangsring, Endring und einem oder mehreren Mittelringen außer an den Kontaktabschnitten Abstände vorgesehen sind, in denen ein Füllmaterial zur Stabilisierung der Spiralanordnung angeordnet ist. Das Füllmaterial ist bevorzugt ein isolierendes bzw. thermisch leitfähiges Material. Besonders bevorzugt ist Füllmaterial aus einer Gruppe Materialien ausgewählt, die Wachs, Harz und Epoxidharze aufweist. Die Epoxidharze können z. B. mit AI2O3 gefüllt sein.

Ferner sieht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung vor, dass Leiterschichten bevorzugt Supraleiter-Schichten sind, die aus supraleitendem Material bestehen. Besonders bevorzugt sind die Leiterschichten Hochtemperatur- Supraleiterschichten, die 2G-Hochtemperatur-Supraleiter aufweisen. Bevorzugt wird RE- 123 verwendet, wobei RE für Rare Earth steht und Seltene Erden, ausgenommen Praseodym, bezeichnet. Dieser Supraleiter erreicht hohe Stromdichten, ein hohes oberes kritisches Magnetfeld und einen weiten Temperatureinsatzbereich bei gleichzeitig anisotropem Verhalten und Kristallstruktur. Die supraleitenden Materialien sind in einen bestimmten Schichtaufbau eingebettet und bilden einen beschichteten Leiter (sog. "Coated Conductor"). Dieser Aufbau beginnt mit einem Metallsubstrat in Form eines Trägerbandes, auf dem eine keramische Pufferschicht aufgebracht ist und auf die der eigentliche Supraleiter abgeschieden wird. Mittels einer Schutzschicht wird der Supraleiter vor Beschädigungen geschützt bzw. die elektrische Kontaktierung vereinfacht.

Durch die Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitern entstehen keine ohm'schen Verluste, bezogen auf den Hauptpfad des Stromes. Ausgenommen sind eventuell genutzte normalleitende elektrische Kontakte zur Stromeinspeisung an Anfangs- und Endring, die dazu nötig sind, dass die Magnetvorrichtung mit einer Stromquelle verbunden werden kann. Ferner können normalleitende Übergangskontakte, bspw. aus einem Agln-Lot, zwischen den Ringen vorgesehen sein.

Ferner ist erfindungsgemäß eine kristallographische C-Achse der Hochtemperatur- Supraleiterschicht parallel zu einer Längsachse der Spiralanordnung ausgerichtet. Die Ausrichtung der Hochtemperatur-Supraleiterschicht hat zur Folge, dass in radialer Richtung für eine konstante axiale Position Material- und thermische Ausdehnungskoeffizienten homogen und konstant sind, so dass Querspannungen und Scherspannungen verhindert und Degradationsprobleme vermieden werden.

Nach noch einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung erstrecken sich die Kühlkanäle durch das Füllmaterial. Die Magnetvorrichtung wird, damit die Leiterschicht, wenn sie aus einem supraleitenden Material hergestellt ist, in den supraleitenden Zustand versetzt werden kann, mit einem Kryogen gekühlt, so etwa mit flüssigem Stickstoff (LN2), flüssigem Neon (LNe), flüssigem Wasserstoff (LH2) oder flüssigem Helium (LHe). Dieses Kryogen kann durch die Kühlkanäle strömen und die Magnetvorrichtung somit nicht nur von außen kühlen, sondern auch innere Bereiche gut erreichen, je nach Abmessung der Magnetvorrichtung.

Die Substratschichten bestehen in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung aus Edelstahl, Nickel, einer Nickel-Legierung oder hochkorrosionsbeständigen Nickel-Molybdän-Legierungen (Hastelloy®). Die Isolationsmaterialien sind bevorzugt aus Kapton, PEEK und Polyimide.

Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung sieht nach noch einer weiteren Ausführungsform vor, dass der Anfangsring und der Endring an ihren Enden, die nicht mit einem Mittelring in Strom leitendem Kontakt stehen, mit einer elektrischen Kontaktvorrichtung verbunden sind. Zusätzlich oder alternativ kann die elektrische Kontaktvorrichtung eine Per- sistent-Mode-Brücke aufweisen. Mit der Persistent-Mode-Brücke kann der Magnet in auferregtem Zustand von der Stromquelle getrennt werden.

Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung durch Auswahl einer entsprechenden Anzahl Ringe und unterschiedlicher Abmessung der Ringe skalierbar auf den jeweilig gewünschten Betriebsstrom und die Magnetfelderzeugung. Die Ringe können in verschiedenen Größen hergestellt werden, um für unterschiedliche Anwendungen die gewünschte Magnetfeld-Flussdichte zu erzeugen. So sind Abmessungen möglich, wobei die kleinste Abmessung der inneren Durchgangsöffnung kleiner ist als die radiale Abmessung der Ringe oder die Abmessung der inneren Durchgangsöffnung dreimal so groß ist wie die radiale Abmessung der Ringe. Die Erfindung sieht vor, dass die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung in einem Rotor oder Stator in einer Rotor-Stator-Anordnung einer elektrischen Maschine eingesetzt werden kann.

Weitere Ausführungsformen der bitterprinzipbasierte Magnetvorrichtung 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. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen von Ausführungsformen der Erfindung.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Spiralanordnung der Magnetvorrichtung ohne Füllmaterial,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Rings der Magnetvorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Ansicht zweier Ringe aus der Spiralanordnung der Magnetvorrichtung,

Fig. 4 einen schematischen Teilschnitt durch die Magnetvorrichtung, und

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Spiralanordnung der Magnetvorrichtung mit Füllmaterial.

In Fig. 1 und Fig. 5 ist eine erfindungsgemäße bitterprinzipbasierte Magnetvorrichtung 1 gezeigt, die aus mehreren Ringen 4 aufgebaut ist. Jeder Ring 4, wie auch Fig. 2 zeigt, ist aus zwei Schichten aufgebaut: Einer Leiterschicht 2 und einer Substratschicht 3. Jeder Ring 4 hat eine kreisförmige Geometrie mit einem mittleren Durchgangsloch 44, wobei jeder Ring 4 einen radialen Schlitz 5 aufweist, der sich durch den gesamten Ring 4 erstreckt, nämlich ausgehend von dem äußeren Kreisring, der den Umfang beschreibt, zu dem inneren Kreisring, der das Durchgangsloch 44 in der Mitte des Rings 4 begrenzt. An den Schlitz 5 grenzen die Enden 51 , 52 des Rings 4 an. Diese Enden 51, 52 dienen als Kontaktstellen zwischen Leiterschichten 2 zweier übereinander angeordneter Ringe 4. In Fig. 3 ist gezeigt, wie die Ringe 4 derart aufeinandergelegt werden, dass sie eine Spiralanordnung, wie in Fig. 1 dargestellt, bilden. Jeder Ring 4 ist dabei so an seinem benachbarten Ring 4 angeordnet, dass ein Ring 4 mit einer nach oben weisenden Leiterschicht 2 an einen Ring 4 mit einer nach unten weisenden Leiterschicht 2 angrenzt. Die Struktur sieht dabei vor, dass die Leiterschicht 2 des Anfangsrings 41 in der Figur nach unten weist und der auf ihn folgende Mittelring 43 um einen Versatz rotationssymmetrisch versetzt und mit seiner nach unten weisenden Leiterschicht 2 an dem Anfangsring 41 angeordnet ist.

Der Anfangsring 41 und der nachfolgende Mittelring 43 weisen einen Überlapp auf, der einen Kontaktabschnitt A bildet und der in seiner Abmessung dem Versatz entspricht. Figur 4 zeigt in dem Spalt, der zwischen den sich kontaktierenden Ringflächen vorgesehen ist, hier ein Kontaktmaterial 6. In diesem Kontaktabschnitt A stehen die beiden Leiterschichten 2 der beiden benachbarten Ringe 41, 43 in elektrischem Kontakt, so dass in der Magnetvorrichtung 1 ein durchgängiger Strom fließen kann, wenn die Magnetvorrichtung 1 mit Strom beaufschlagt wird. Das Kontaktmaterial 6 kann eine dünne metallische Schicht sein. Alternativ können im Kontaktabschnitt A die Leiterschichten 2 der beiden benachbarten Ringe 41 , 43 miteinander versintert sein, um einen guten elektrischen Kontakt herzustellen.

Zwischen den Substratschichten 3 des Anfangsringes 41 sowie des Mittelringes 43 ist eine Isolierschicht 10 eingebracht (siehe Fig. 1 und 3). Sie dient dazu, die beiden Ringe 41 , 43 elektrisch voneinander zu trennen und Stromumverteilungsströme zu vermeiden. In dem Kontaktabschnitt A liegt das eine Ende 52 des Anfangsringes 41 auf dem anderen Ende 51 des Mittelringes 43 auf. Dies wiederholt sich beim nächsten Mittelring 43, dessen einen Ende nun auf dem einen Ende des Ringes 43 auf liegt und damit in dem dortigen Kontaktabschnitt A überlappt. Durch das rotationssymmetrische Versetzen der einzelnen Ringe 41 ,42,43, bildet sich eine spiralförmige Anordnung. Dabei sind die Ringe 41 , 42, 43 so zueinander angeordnet, dass die ungeradzahligen Ringe 41,42,43 mit der Leiterschicht 2 nach oben weisen und die geradzahligen Ringe 42, 43 mit der Substratschicht 3 nach oben weisen.

Abgeschlossen wird die Magnetvorrichtung 1 mit einem Endring 42, der so angeordnet ist, dass seine Substratschicht 3 in der Fig. 1 nach oben weist. Fig. 4 zeigt, wie die einzelnen Schichten der einzelnen Ringe 41 , 42, 43 übereinandergelegt sind. So ist hier der Überlapp im Kontaktabschnitt A nochmals deutlich dargestellt, in dem das zwischenliegende Kontaktmaterial 6 vorliegt, um den elektrischen Kontakt zwischen den sich kontaktierenden Leiterschichten 2 zu verbessern. Zwischen den Abschnit- ten der Ringe 41 , 42, 43, die sich nicht kontaktieren, ist ein Füllmaterial 7, wie bspw. ein Epoxidharz, vorgesehen, dass der Magnetvorrichtung 1 Stabilität verleiht. In Fig. 5 ist die Schichtung der Ringe 41 , 42, 43 der Magnetvorrichtung 1 zusammen mit dem Füllmaterial 7 gezeigt. Um die Magnetvorrichtung 1 mit Strom zu versorgen, sind elektrische Anschlüsse 11 an einem Ende 51 des Anfangsrings 41 und dem Ende 52 des Endrings 42 angeordnet, wie Fig. 1 zeigt. Hiermit lässt sich die Spiralanordnung der Magnetvorrichtung 1 mit einer stromgebenden Quelle oder eine Persistent Mode-Brücke verbinden und ein Dauerstrombetrieb herstellen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Magnetvorrichtung

2 Leiterschicht

3 Substratschicht

4 Ring

41 Anfangsring

42 Endring

43 Mittelring

44 mittleres Durchgangsloch

5 Schlitz

51 an Schlitz angrenzendes Ende

52 an Schlitz angrenzendes Ende

6 Kontaktmaterial

7 Füllmaterial

8 Durchgangslöcher

9 Kühlkanäle

10 Isolierungsschicht

11 Elektrische Kontaktvorrichtung