Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Spulen und Vorrichtung mit einer supraleitenden Spule hergestellt nach dem Verfahren

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Spulen mit den Schritten Bereitstellen eines Trägers und Aufbringen eines supraleitenden Materials in Form wenigstens einer Spule auf den Träger. Wei ^¬ terhin umfasst die vorliegende Erfindung eine supraleitende Vorrichtung, mit einer supraleitenden Spule hergestellt nach dem Verfahren. Bei der Fertigung von supraleitenden, insbesondere von Hochtemperatur-Supraleitenden (HTS) Vorrichtungen wie z.B. HTS- Maschinen, ist ein Haupthindernis die schlechte Verfügbarkeit von Leitermaterial in Band- bzw. Drahtform mit den benötigten Spezifikationen. Maximal herstellbare Längen von HTS-Bändern mit guter Qualität liegen im Bereich von 2000m. Die Bänder bestehen in der Regel aus einem bandförmigen Grundmaterial wie z.B. Stahlband, und einer supraleitenden Beschichtung. Diese Bänder ergeben gewickelt auf einem Träger Spulen, welche Teil der supraleitenden Vorrichtung sind. So können die Spulen z.B. Teil eines Rotors in einem Elektromotor oder Generator sein.

Die supraleitende Beschichtung auf dem bandförmigen Grundma ^¬ terial ergibt ein nicht bzw. stark eingeschränkt biegsames Band. Das supraleitende Material ist in der Regel keramisch und kann von dem bandförmigen Grundmaterial beim Biegen abplatzen oder die supraleitende Schicht kann brüchig werden. Beim Wickeln der Bänder zu Spulen auf einem Träger, welcher z.B. eine stabförmige, hohlzylindrische oder quadratische Form aufweisen kann, können die Bänder starken Zug-, Biege- und/oder verdrillenden Kräften ausgesetzt sein. Diese führen zu einer Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften der Bänder bis hin zur völligen Zerstörung der supraleitenden Schicht auf den Bändern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Ver- fahren zur Herstellung von supraleitenden Spulen und supraleitenden Vorrichtungen anzugeben, bei welchen eine Verschlechterung bis hin zur Zerstörung der supraleitenden

Eigenschaften von Supraleitern bei der Herstellung von supraleitenden Spulen verhindert wird. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Biegen einer Schicht aus supraleitendem Material durch Wickeln von supraleitenden Bändern bei dem Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Spulen zu verhindern und Vorrichtungen anzugeben, welche Supraleiter mit guten supraleitenden Eigenschaften aufweisen.

Die angegebene Aufgabe wird bezüglich dem Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Spulen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von supraleitenden Spulen und der erfindungsgemäßen supraleitenden Vorrichtung gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale des Hauptanspruchs mit Merkmalen der Unteran ^¬ sprüche und Merkmale der Unteransprüche untereinander kombi ^¬ niert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von supralei- tenden Spulen umfasst die Schritte Bereitstellen eines Trä ^¬ gers und Aufbringen eines supraleitenden Materials in Form wenigstens einer Spule auf den Träger. Das Aufbringen des supraleitenden Materials erfolgt durch wenigstens ein Be- schichtungsverfahren direkt auf dem Träger. Dadurch kann ein Wickeln von beschichteten Banddrähten entfallen.

Durch das direkte Aufbringen, mit oder ohne Zwischenschichten wie z.B. Haftschichten oder Schichten für ein epitaktisches Wachstum, kann ein Biegen von Schichten aus supraleitendem Material beim Wickeln von supraleitenden Bändern verhindert werden. Beim direkten Aufbringen können Leiter, welche eine Spule ausbilden direkt auf dem Träger durch das Beschich- tungsverfahren ausgebildet werden, oder es können bei weiteren Verfahrensschritten wie z.B. Lithographieverfahren und/oder Ätzen die Leiter in Form einer Spule ausgebildet werden. Eine Verformung und eine Zerstörung beim Ausbilden der Spule des supraleitenden Materials, welches in der Regel keramisch und damit spröde sowie brüchig bei Verformungen ist, werden dadurch verhindert. Unter Träger wird ein festes Material verstanden, auf welches Leiterbänder im Stand der Technik aufgewickelt werden, um eine Spule auszubilden. Z.B. kann ein Träger eine stabförmige, hohlzylindrische oder quad- ratische Form aufweisen und kann Teil eines Rotors eines Mo ^¬ tors oder Generators sein. Der Wicklungsträger kann z.B. der Rotor selbst oder Teile davon sein, welche im Betrieb zu ei ^¬ ner guten Magnetfeldverteilung führen. Von dem Beschichtungsverfahren kann ein galvanisches Verfahren, und/oder ein Spritzverfahren, und/oder ein Sputterver- fahren, und/oder ein Aufdampfverfahren umfasst werden. Dieses kann in einer Flüssigkeit, an Luft, unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum abhängig vom verwendeten Verfahren durchge- führt werden. So werden z.B. galvanische Verfahren in Flüssigkeiten, Spritzverfahren an Luft oder im Vakuum, Sputter- verfahren und Aufdampfverfahren im Vakuum oder im Ultra- Hochvakuum durchgeführt. Es können auch andere Beschichtungs- verfahren verwendet werden, mit deren Hilfe ein festes Mate- rial auf dem Träger ausgebildet wird. Das Beschichtungsver- fahren steht im Gegensatz zu einem Verfahren wie z.B. Wickeln eines Bandes auf einem Träger.

Durch das Beschichtungsverfahren kann direkt wenigstens ein supraleitender Leiter, insbesondere ein Hochtemperatur-supra ^¬ leitender Leiter ausgebildet werden, welcher wenigstens eine Spule ausbildet. Dies kann durch z.B. Aufspritzen von im festen Zustand und bei kryogenen Temperaturen supraleitendem Ma- terial direkt in Leiterform erfolgen. Zusätzliche Schritte wie z.B. Maskieren und/oder Ätzen können so eingespart werden. Weitere Schritte können verwendet werden, um beim Bilden einer Spule mit mehr als einer Wicklungsebene übereinander unterschiedliche Ebenen voneinander elektrisch zu isolieren. So können z.B. Isolatoren als Schicht über einer Schicht Leiter ausgebildet werden, insbesondere durch Abscheidung oder Aufwickeln, und elektrische Kontaktstellen zwischen verschiedenen Leiterebenen durch Ätzen, Bohren, insbesondere Laser- bohren, und/oder Fräsen hergestellt werden.

Als supraleitendes Material kann ein keramisches Material verwendet werden, insbesondere SnTi und/oder NbTi und/oder MgB ₂ und/oder BiSrCaCuO und/oder YBaCuO. Es können auch ande- re supraleitende Materialien verwendet werden, und/oder Mischungen, welche sich durch ein Beschichtungsverfahren auf einem Träger aufbringen lassen. Unter supraleitenden Materialien werden in diesem Zusammenhang Materialien verstanden, welche im endverarbeiteten Zustand unterhalb einer kritischen Temperatur T _K supraleitend werden bzw. sind. Hochtemperatur- Supraleiter können z.B. bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff supraleitend vorliegen.

Ein Isolator kann aufgebracht werden, insbesondere mit dem gleichen Beschichtungsverfahren, mit welchem das supraleitende keramische Material aufgebracht wird und/oder wurde. Der Isolator kann die supraleitenden Leiter der Spule gegenüber der Umgebung elektrisch isolieren oder einen direkten elektrischen Kontakt von Leitern unterschiedlicher Spulenebenen einer Spule mit Ausnahme der Kontaktstellen zum Verbinden der Ebenen verhindern.

Als Isolator kann ein oxidisches Material, insbesondere ein metallisches Oxid, oder Kunststoff aufgebracht werden. So kann als Isolator z.B. ein Isolierlack aufgebracht werden oder eine Folie über Leiter gewickelt werden, oder Material des Leiters kann an der Oberfläche oxidiert werden, wodurch eine elektrisch isolierende Oberfläche entsteht. Vom Träger können an seiner Oberfläche Haft- und/oder Isolier- und/oder Deckschichten umfasst werden, welche insbesondere ein epitaktisches Aufwachsen des supraleitenden kerami- sehen Materials mit guter Haftung direkt auf dem Träger bewirken. So können Leiter mit kristallinen und/oder elektrischen Vorzugsrichtungen ausgebildet werden, und/oder eine gute mechanische Haftung der Leiter auf dem Träger bewirkt werden .

Der Träger kann in Form eines Hohlzylinders bereitgestellt werden und/oder der Träger kann in einer Form zum Erzeugen einer Rennbahn bereitgestellt werden. So können unterschied ^¬ liche Spulen auf dem Träger erzeugt werden, z.B. Rennbahnför- mige, abhängig von der gewünschten Anwendung. Der Träger kann ein Rotor einer Maschine sein oder als Wicklungsträger an einem Rotor befestigt sein bzw. werden.

Der Träger kann ein Material umfassen, welches aus Kunst- Stoff, aus Metall, insbesondere Kupfer oder Stahl, oder aus Metalloxid gebildet wird.

Eine erfindungsgemäße supraleitende Vorrichtung umfasst eine supraleitende Spule, hergestellt mit einem zuvor beschriebe- nen Verfahren, insbesondere eine Hochtemperatur-supraleitende Spule. Durch Verwendung der nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellten Spulen können Vorrichtungen gute Eigenschaften aufweisen, wie z.B. einen hohen Wirkungsgrad. Die Leiter der Spulen weisen bessere supraleitende Eigenschaften auf, weil eine Schädigung der supraleitenden Schichten bei der Herstellung z.B. durch mechanische Spannungen und/oder Biegen vermieden werden. Es können Spulen mit sehr langen Leitern erzeugt werden, im Vergleich mit klassischen Verfahren, bei welchen das supraleitende Material auf einem Leiter- band aufgebracht wird. Das Aufbringen auf einem großen Spu ^¬ lenkörper ist einfacher auszuführen als das Aufbringen auf dünnen Leiterbändern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein Elektromotor und/oder ein Strombegrenzer und/oder ein Magnet-Resonanz- Tomograph und/oder ein Fusionsreaktor sein. In diesen Anwendungen werden supraleitende Spulen mit guten supraleitenden Eigenschaften benötigt bzw. verwendet. Das zuvor beschriebene Verfahren kann zu verbesserten Eigenschaften, z.B. höheren Wirkungsgrad, besseren Schalteigenschaften, besserem Signal/Rauschverhältnis, höherer Leistung, besserem Wirkungsgrad der Vorrichtung, abhängig der zuvor beschriebenen Anwendung führen.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit supraleitender Spule verbundenen Vorteile sind analog den Vorteilen, welche zuvor im Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Her- Stellung von supraleitenden Spulen beschrieben wurden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Es wird in der Figur dargestellt:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer supra- leitenden Spule 1 hergestellt mit dem erfindungsge ^¬ mäßen Verfahren.

In der Fig. 1 ist eine supraleitende Spule 1 gezeigt, welche aus einem Leiter 3 auf einem Träger 2 gebildet ist. Am Anfang und Ende des Leiters 3 sind jeweils elektrische Kontaktstel ^¬ len 4 zum elektrischen Kontaktieren der Spule 1 ausgebildet.

In Fig. 1 ist der Einfachheit halber nur eine Ebene einer Spule dargestellt. Eine Spule 1 kann auch ausgebildet werden, indem mehrere Ebenen übereinander hergestellt werden, jeweils mit einem elektrischen Isolator zwischen den Ebenen. An einer Kontaktstelle 4 können die Leiter 3 zweier benachbarter Ebenen jeweils miteinander elektrisch verbunden werden. Die Kon- taktstellen 4 können z.B. durch Ätzen oder Bohren von einem Isolator befreit werden.

Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren sind nicht nur einzel- ne, sondern auch Spulensysteme herstellbar. Auch können in verschiedenen Vorrichtungen unterschiedliche Formen von Trägern 2 verwendet werden. So können in Rotoren von supraleitenden Maschinen z.B. Träger in einer flachen statt langgestreckten, hohlzylindrischen Form verwendet werden, welche Spulen in Rennbahnform tragen.

Für z.B. Strombegrenzer sind auch Spulenformen möglich, welche in verschiedenen Ebenen mit entgegen gesetzten „Wicklungsrichtungen" ausgebildet sind. Dies kann unter anderem elektrische Verluste verringern und zu verbesserten Eigenschaften der supraleitenden Einrichtungen führen.

Eine Kombination der zuvor beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren sowie eine Kombination mit Vorrichtungen und Ver- fahren, bekannt aus dem Stand der Technik, ist ebenfalls mög ^¬ lich.

Das Wesentliche der vorliegenden Erfindung ist, dass durch das Aufbringen der supraleitenden Schicht einer supraleiten- den Spule direkt auf einem Träger, d.h. einem Wicklungsträ ^¬ ger, eine Schädigung bzw. Zerstörung der Schicht durch Verfahrensschritte wie Biegen oder Ziehen vermieden wird. Unter direkt auf dem Träger ist dabei zu verstehen, dass eine che ^¬ mische oder physikalische Bindung der Schicht an den Träger besteht. Im Gegensatz dazu ist im Stand der Technik eine sup ^¬ raleitende Schicht chemisch oder physikalisch an ein Leiterband gebunden und dieses Leiterband wird auf einem Träger aufgewickelt. Dabei liegt das Leiterband lose auf dem Träger und kann erst in weiteren Schritten durch z.B. Gießen eines Harzes an den Träger gebunden werden. Beim Wickeln des Bandes mit der supraleitenden, z.B. keramischen Beschichtung kann die supraleitende Schicht geschädigt werden, was zu einer Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften führt. Dies wird bei der vorliegenden Erfindung verhindert.