Title:
Supraleitereinrichtung zum Betrieb in einem externen Magnetfeld
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Supraleitereinrichtung (1a, 1b) zum Betrieb in einem externen Wechselmagnetfeld, aufweisend zwei supraleitende Kontaktelemente (2) und einen diese in einer der Stromflussrichtung von einem Kontaktelement (2) zu dem anderen Kontaktelement (2) entsprechenden Längsrichtung verbindenden Stromführungsabschnitt (5) mit einer auf ein Substrat (8) aufgebrachten Supraleiterschicht, wobei die Supraleiterschicht wenigstens teilweise in Längsrichtung zur Bildung einzelner, Stromwege für den Transportstrom bildender Filamente (3) mittels einer Aussparung (4) durchtrennt ist, wobei wenigstens zwei benachbarte der Filamente (3) in einem auf dem Substrat (8) gebildeten Kreuzungsbereich (6), an dem vier Stromwege leitend verbunden sind, durch Weglassen der Aussparung (4) leitend verbunden sind, wobei in sich bezüglich der Kreuzung gegenüberliegenden, in Längsrichtung und einer zur Längsrichtung senkrechten Querrichtung der Schichtebene versetzten Stromwegen der benachbarten Filamente (3) wenigstens eine, insbesondere jeweils eine, ohmsche Widerstandsbarriere (7) vorgesehen ist.





Inventors:
Arndt, Tabea (91056, Erlangen, DE)
Oomen, Marjin Pieter (91056, Erlangen, DE)
Application Number:
DE102016204991A
Publication Date:
09/28/2017
Filing Date:
03/24/2016
Assignee:
Siemens Aktiengesellschaft, 80333 (DE)
International Classes:
H01B12/06; H01L39/06
Domestic Patent References:
DE102009038920A1N/A2011-03-10
Foreign References:
WO2006021003A22006-02-23
WO2015011491A12015-01-29
Other References:
Artikel von Coleman B. Cobb et al., „Hysteretic loss reduction in striated YBCO“, Physica C 382 (2002), Seiten 52–56
Claims:
1. Supraleitereinrichtung (1a, 1b) zum Betrieb in einem externen Wechselmagnetfeld, aufweisend zwei supraleitende Kontaktelemente (2) und einen diese in einer der Stromflussrichtung von einem Kontaktelement (2) zu dem anderen Kontaktelement (2) entsprechenden Längsrichtung verbindenden Stromführungsabschnitt (5) mit einer auf ein Substrat (8) aufgebrachten Supraleiterschicht, wobei die Supraleiterschicht wenigstens teilweise in Längsrichtung zur Bildung einzelner, Stromwege für den Transportstrom bildender Filamente (3) mittels einer Aussparung (4) durchtrennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei benachbarte der Filamente (3) in einem auf dem Substrat (8) gebildeten Kreuzungsbereich (6), an dem vier Stromwege leitend verbunden sind, durch Weglassen der Aussparung (4) leitend verbunden sind, wobei in sich bezüglich der Kreuzung gegenüberliegenden, in Längsrichtung und einer zur Längsrichtung senkrechten Querrichtung der Schichtebene versetzten Stromwegen der benachbarten Filamente (3) wenigstens eine, insbesondere jeweils eine, ohmsche Widerstandsbarriere (7) vorgesehen ist.

2. Supraleitereinrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine geradzahlige Anzahl von Filamenten (3) vorgesehen ist, wobei die Filamente (3) in elementfremde, jeweils zwei benachbarte Filamente (3) enthaltende Filamentgruppen (16) aufgeteilt sind und Filamente (3) einer Filamentgruppe (16) über wenigstens einen Kreuzungsbereich (6), insbesondere eine ungeradzahlige Anzahl von Kreuzungsbereichen (6), verbunden sind.

3. Supraleitereinrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte der wenigstens einen Widerstandsbarriere (7) jeweils so gewählt sind, dass ein ohmscher Leistungsverlust betragsmäßig kleiner als eine Reduzierung des Leistungsverlustes aufgrund einer Kopplung benachbarter Filamente (3) ist.

4. Supraleitereinrichtung (1a, 1b) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte durch eine Simulation und/oder in einem Modell berechnet und/oder durch Auswertung von Testmessungen bestimmt werden.

5. Supraleitereinrichtung (1a, 1b) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Widerstandsbarriere (7) durch eine Laserbehandlung und/oder eine mechanische Behandlung der Schicht und/oder eine lokalisierte Dotierung oder Verarmung der Schicht und/oder durch Verwendung einer lokalen Beschichtung und/oder einer die Supraleitung schwächenden Struktur im Substrat (8) realisiert ist.

6. Supraleitereinrichtung (1a, 1b) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Widerstandsbarriere (7) unmittelbar benachbart zu dem jeweiligen Kreuzungsbereich (6) angeordnet ist.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Supraleitereinrichtung zum Betrieb in einem externen Wechselmagnetfeld, aufweisend zwei supraleitende Kontaktelemente und einen diese in einer der Stromflussrichtung von einem Kontaktelement zu dem anderen Kontaktelement entsprechenden Längsrichtung verbindenden Stromführungsabschnitt mit einer auf ein Substrat aufgebrachten Supraleiterschicht, wobei die Supraleiterschicht wenigstens teilweise in Längsrichtung zur Bildung einzelner, Stromwege für den Transportstrom bildender Filamente mittels einer Aussparung durchtrennt ist.

Der Einsatz von Supraleitern wurde auch in magnetischen Wechselfeldern (Wechselmagnetfeldern) vorgeschlagen, beispielsweise in supraleitenden elektrischen Maschinen. Beim Einsatz von elektrischen Leitern in Wechselmagnetfeldern treten Wechselfeldverluste auf, die in verschiedenen Komponenten entsprechend den physikalischen Ursachen gegliedert werden können. Bei Supraleitern gibt es gegenüber Normalleitern zusätzliche Effekte/Komponenten, wobei ein weiteres Problem darin liegt, dass diese Wechselfeldverluste unter Einsatzbedingungen im Kalten besonders störend und prohibitiv für die Anwendung sein können, da ein Vielfaches der Wechselfeldverluste dann bei Raumtemperatur benötigt wird, was den Wirkungsgrad reduziert.

Bei Normalleitern wird bei Wechselmagnetfeldeinsätzen üblicherweise vorteilhaft kein monolithischer Leiter, sondern ein Litzenleiter verwendet. Dies minimiert die nachteiligen Wirkungen von Skin-Effekt (Stromverdrängung) und Wirbelstromverlusten.

Auch bei Supraleitern, die meist aus Billets oder Bolzen hergestellt werden, beispielsweise NbTi, Nb3Sn, MgB2 oder Bi-2223, ist die Verwendung von supraleitenden Filamenten bekannt. Filamente bei Supraleitern haben nicht nur eine positive Erhöhung der Stabilität der Supraleitung zur Folge, sondern können auch die Wechselfeldverluste reduzieren.

Eine wichtige Gruppe von Wechselfeldverlusten bei Supraleitern sind die sogenannten Hystereseverluste, die dadurch zustande kommen, dass in den Leiter eindringende Magnetfelder sich mit dem äußeren Wechselmagnetfeld in ihrer Richtung ändern und somit Ummagnetisierungsvorgänge stattfinden müssen. Da die Ausdehnung des Supraleiters senkrecht zum Magnetfeld die Größe der Hystereseverluste bestimmt, ist eine Ausbildung von dünnen Filamenten vorteilhaft. Die Filamente in Supraleitern sind aber üblicherweise elektrisch miteinander verbunden, zum einen zwangsweise an den Enden über die Kontakte, an denen der Strom eingespeist bzw. ausgeleitet wird, und ggf. zum anderen über die (resistive) normalleitende Matrix. Die damit verbundenen Wechselfeldverluste nennt man Kopplungsverluste.

Bei einer solchen Filamentisierung und Kopplung über die Kontakteelemente und/oder die Matrix tritt das Problem auf, dass es zu einer Kopplung zwischen den einzelnen Filamenten kommt, insbesondere also durch das äußere Wechselmagnetfeld Spannungen und Ströme in durch die Filamente gemeinsam mit Verbindungen zwischen diesen an Kontaktelementen gebildeten Leiterschleifen induziert werden, wodurch die Kopplungsverluste entstehen. Für Normalleiter und Multifilament-Supraleiter ist es daher bekannt, diese gegeneinander zu verdrehen, so dass die aufgrund des Wechselmagnetfeldes entstehenden elektrischen Felder sich in benachbarten Schleifen aufheben. Dieses Konzept ist auch als „twisted pair“ bekannt.

Eine solche Ausgestaltung ist nicht möglich bei Schichtsupraleitern, die als Schicht auf ein Substrat aufgebracht werden. Um die Hystereseverluste zu verringern, wurde diesbezüglich vorgeschlagen, die ursprünglich in der Breite durchgängige Supraleiterschicht in Längsrichtung in Streifen, sogenannte „striations“, zu unterteilen. Dies wird beispielsweise in einem Artikel von Coleman B. Cobb et al., „Hysteretic loss reduction in striated YBCO“, Physica C 382 (2002), Seiten 52–56, beschrieben. Dort wird von der Problematik ausgegangen, dass die Schichtsupraleiter, welche Breiten bis zu 1 cm aufweisen können, beim Betrieb in Wechselmagnetfeldern senkrecht zu der Schicht nicht akzeptable Hystereseverluste aufweisen. Es wird untersucht, wie sich diese Hystereseverluste bei Unterteilung der Supraleiterschicht in dünne, lineare Filamente („striations“) verhalten. Es ergibt sich im Allgemeinen, dass sich zwar die Hystereseverluste reduzieren lassen, da die Dimension der Filamente senkrecht zur Feldrichtung hierfür der bestimmende Faktor ist. In einer realen Anwendung jedoch, bei der die Filamente mindestens am Anfang und Ende jeweils durch elektrische Kontaktelemente (oder durch Matrix und Shunt-Layer) kurzgeschlossen sind, weisen diese sogenannten „striated conductors“ zwischen den Filamenten große Induktionsschleifen auf, die wiederum für erhöhte Wechselmagnetfeldverluste (Kopplungsverluste) ursächlich sind. Die Filamente entsprechen also im Wesentlichen „ungetwisteten“ Teilleitern mit elektrischer Verbindung an den Kontakten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Reduzierung der Kopplungsverluste bei in einzelne Filamente zu unterteilenden Supraleiterschichten anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Supraleitereinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine erfindungsgemäße Supraleitereinrichtung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens zwei benachbarte der Filamente in einem auf dem Substrat gebildeten Kreuzungsbereich, an dem vier Stromwege leitend verbunden sind, durch Weglassen der Aussparung leitend verbunden sind, wobei in sich bezüglich der Kreuzung gegenüberliegenden, in Längsrichtung und einer zur Längsrichtung senkrechten Querrichtung der Schichtebene versetzten, sich an der Kreuzung treffenden Stromwegen der benachbarten Filamente mindestens eine, insbesondere jeweils eine, ohmsche Widerstandsbarriere vorgesehen ist.

Dabei ist die Verwendung jeweils einer Widerstandsbarriere bevorzugt. Auf diese Weise wird erreicht, dass zumindest unterhalb des kritischen Stroms eines Filaments ein am Kreuzungsbereich das Filament wechselnder, die barrierefreien Stromwege nutzender Strompfad entsteht. Die Barrieren erzwingen also in dem Kreuzungsbereich die Seite, also das Filament, wechselnde Strompfade, so dass in durch einen Kreuzungsbereich getrennten, durch die Stromwege gebildeten Leiterschleifen durch einen Strompfad jeweils entgegengesetzte, vom Betrag her bei symmetrischer Ausgestaltung gleiche Spannungen aufgrund der von der senkrecht zur Schichtebene stehenden, zeitlich variierenden äußeren Magnetfeldkomponente erzeugten elektrischen Felder erzeugt werden. Mit anderen Worten resultiert das Vorsehen der Kreuzungsbereiche und der Widerstandsbarrieren in der Erzeugung von zwei sich in dem Kreuzungsbereich kreuzenden Strompfaden, entlang denen sich bei symmetrischer Ausgestaltung, also vier geometrisch zumindest ähnlichen Stromwegen, die elektrischen Felder (und mithin auch die induzierten Spannungen) aufheben. Der Effekt ist hierbei wenigstens im Bereich bis zum kritischen Strom eines Filaments derselbe, der auch entstünde, wenn eine von dem anderen Strompfad isolierte Brücke zum anderen Filament vorgesehen würde.

Mit anderen Worten kann also gesagt werden, dass die vorliegende Erfindung eine zweidimensionale, in der Schichtebene liegende Realisierung einer „Verdrehung“ von Strompfaden gegeneinander erlaubt. Entsprechend ergibt sich auch bei der vorliegenden Erfindung wenigstens teilweise der Effekt, dass entlang eines Strompfades betrachtet sich die elektrischen Felder wenigstens größtenteils, bei entsprechender Symmetrie vollständig, aufheben. Somit weist ein erfindungsgemäßer Schichtsupraleiter nicht einfach nur geradlinige, die Strompfade vollständig definierende Filamente/Striations auf, sondern die Strompfade kreuzen einander in der Schichtebene auf definierte Weise derart, dass sich die induzierten elektrischen Felder entlang der Strompfade gegenseitig zumindest teilweise aufheben. Die Widerstandsbarrieren, welche lokale Regionen von definiertem Widerstandswert sind, führen mithin zur Entkopplung der Strompfade. Zwar tritt durch derartige Widerstandsbarrieren für einige Stromwerte ein rein resistiver Verlustanteil in Phase mit dem Transportstrom auf, welcher jedoch erfindungsgemäß, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, zweckmäßigerweise geringer als die Kopplungsverluste in reinen „striated conductors“ gehalten wird, wobei letztere zudem auch phasenmäßig verschoben sind oder sein können.

Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine unsymmetrische Stromverteilung über die beiden Strompfade entsteht, so dass zumindest zeitweise eine unsymmetrische Aufteilung der Teilströme des Gesamtstromes auftritt. So wird zunächst nur der von Widerstandsbarrieren freie erste Strompfad genutzt werden, bis der kritische Strom eines einzigen Filaments erreicht ist und der widerstandsfreie Stromtransport hier ausgeschöpft ist. Dann erweist sich der zweite Strompfad, bei dem die bevorzugt beiden Widerstandsbarrieren überwunden werden müssen, als günstiger und der Strom hier steigt an, idealerweise bis hin zu ebenso dem kritischen Strom eines Filaments. Der zweite Strompfad übernimmt sozusagen den „Überschussstrom“, wobei dennoch der zweite Strompfad die Aufgabe hat, das induzierte elektrische Feld zu kompensieren, so dass wenigstens teilweise eine vorteilhafte erfindungsgemäße Reduktion der Wechselfeldverluste auftritt.

Dem Vorteil geringerer Wechselfeldverluste stehen zwei diesem gegenüber jedoch geringer zu gewichtende Einschränkungen gegenüber, nämlich zum einen eine mögliche Reduzierung der Stromdichte bezogen auf den Gesamtquerschnitt der Supraleitereinrichtung durch die verwendete besondere Konfiguration. Zum anderen, wie bereits angedeutet wurde, erfolgt der Stromtransport bezüglich des zweiten Strompfades über die bevorzugt zwei Widerstandsbarrieren, die eine Resistivität und damit Verluste ohmscher Art aufweisen können. Diese sind jedoch vorteilhaft – im Gegensatz zu den Kopplungsverlusten aufgrund von Induktion – in Phase mit dem Transportstrom.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass bei der Verwendung von wenigstens einer Widerstandsbarriere nur auf einer Seite die klare Aufteilung in die unterschiedlichen Strompfade nur einseitig vorliegt, dennoch eine zumindest teilweise Aufhebung von elektrischen Feldern erreicht wird. Bevorzugt ist es, wie gesagt, allerdings, beidseitig des Kreuzungsbereichs Widerstandsbarrieren vorzusehen, wie oben bereits erwähnt, so dass sich die folgende Beschreibung hauptsächlich auf diese Ausführung beziehen soll.

Während es in der Theorie denkbar ist, durch die Verwendung von Kreuzungsbereichen bei einer Vielzahl von Filamenten komplexe Netze von Strompfaden aufzubauen, ist dies jedoch im Endeffekt unnötig und deutlich zu aufwändig, da es letztlich zum Erreichen der Reduktion der Kopplungsverluste (Wechselfeldverluste) ausreichend ist, mit jeweils zwei Filamenten in der Schichtebene auf die erfindungsgemäß vorgeschlagene Weise ein „twisted pair“, also gegeneinander verdrehte Strompfade, nachzubilden. Mithin sieht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vor, dass eine geradzahlige Anzahl von Filamenten vorgesehen ist, wobei die Filamente in elementfremde (disjunkte), jeweils zwei benachbarte Filamente enthaltende Filamentgruppen aufgeteilt sind und Filamente einer Filamentgruppe über wenigstens einen Kreuzungsbereich, insbesondere eine ungeradzahlige Anzahl von Kreuzungsbereichen, verbunden sind. Bei einer sehr hohen Anzahl von Kreuzungsbereichen über die Länge des Leiters ist aber die gerade oder ungerade Anzahl von Kreuzungsbereichen unwesentlich. Weist ein Stromführungsabschnitt mithin beispielhaft sechs Filamente auf, bilden sich drei Gruppen von jeweils benachbarten Filamenten, die jeweils wenigstens einen Kreuzungsbereich aufweisen, mithin zwei sich in dem wenigstens einen Kreuzungsbereich überkreuzende Strompfade bilden. Eine ungeradzahlige Anzahl von Kreuzungsbereichen bedeutet, dass sich eine geradzahlige Anzahl von Leiterschleifen ausbildet, so dass immer abwechselnd das durch das Wechselmagnetfeld induzierte elektrische Feld dem Strom in entgegengesetzten Richtungen begegnet, so dass es bei symmetrischer Ausgestaltung idealerweise zu einer Aufhebung der Effekte kommt. Dabei sind die Widerstandsbarrieren bei mehreren Kreuzungsbereichen so anzuordnen, dass sich immer ein Strompfad ergibt, der über keine der Widerstandsbarrieren führt. Insgesamt muss bei dieser Ausgestaltung lediglich dafür gesorgt werden, dass immer zwischen den zwei Filamenten einer Filamentgruppe im Kreuzungsbereich die elektrische Verbindung hergestellt wird und bevorzugt die entsprechenden versetzt vorgesehenen Widerstandsbarrieren vorhanden sind.

Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Widerstandswerte der wenigstens einen Widerstandsbarriere jeweils so gewählt sind, dass ein ohmscher Leistungsverlust betragsmäßig kleiner als eine Reduzierung des Leistungsverlustes aufgrund einer Kopplung benachbarter Filamente ist. Dabei können die Widerstandswerte beispielsweise in einem Bereich kleiner als 0,5 nΩ, insbesondere kleiner als 0,1 nΩ, liegen. Mit extern produzierten Kontakten auf Hochtemperatursupraleitern kommt man leicht in Bereiche von etwa 6 nΩ, so dass auch die genannten niedrigeren Werte für die einzelne Widerstandsbarriere leicht erreichbar erscheinen. Damit ergibt sich letztlich der Vorteil, dass die Kopplungsverluste (Wechselfeldverluste) nicht einfach durch in Phase liegende ohmsche Widerstandsverluste ersetzt werden, sondern tatsächlich eine insgesamte Reduzierung der Verluste stattfindet. Widerstandswerte für die einzelnen Widerstandsbarrieren können auch grob abgeschätzt werden, indem ein Vergleich mit einem üblichen „striated conductor“ mit nicht in Kreuzungsbereichen verbundenen Filamenten durchgeführt wird. Geht man beispielsweise von sechs Filamenten mit einer Länge von 0,1 m, einer Substratbreite von 0,012 m, einer Filamentseparation (Breite der Aussparung) von 10 µm und einer Dicke der supraleitenden Schicht auf dem Substrat von 3 µm aus, ergibt sich aus dem Induktionsgesetz und bei einem angenommenen Gesamtstrom von 120 A schließlich eine Verlustleistungsdichte von 107 W/m3. Nachdem fünf derartige „Induktionsschleifen“ (durch fünf benachbarte Paare von Filamenten) existieren, kann man ein Maximum der ohmschen Verlustleistungsdichte derart abschätzen, dass das Fünffache der soeben genannten Kopplungsverluste nicht überschritten werden soll, wobei sich im genannten Beispiel etwa 0,6 nΩ ergeben. Nachdem, wie dargelegt, Widerstandswerte in diesem Bereich leicht erreichbar sind, ist nachgewiesen, dass ein solcher Leiteraufbau vorteilhaft gegenüber einem „striated conductor“ oder einem monolithischen Leiter sein kann.

Konkret kann vorgesehen sein, dass die Widerstandswerte durch eine Simulation und/oder in einem Modell berechnet und/oder durch Auswertung von Testmessungen, insbesondere also empirisch, bestimmt werden. Zweckmäßigerweise können bereits bestehende programmierte Simulationsumgebungen genutzt werden, um das Verhalten der Supraleitereinrichtung, die Verluste und Ströme bei unterschiedlichen Widerstandswerten derart zu betrachten, dass ein optimaler Widerstandswert aufgefunden wird.

Zweckmäßigerweise kann die wenigstens eine Widerstandsbarriere durch eine Laserbehandlung und/oder eine mechanische Behandlung der Schicht und/oder eine lokalisierte Dotierung/Verarmung der Schicht und/oder durch Verwendung einer lokalen Beschichtung und/oder einer die Supraleitung schwächenden Struktur im Substrat realisiert sein. Es sind mithin viele, im Bereich der Supraleittechnologie grundsätzlich bekannte Möglichkeiten denkbar, um gezielt und lokal Widerstandsbarrieren geringen Widerstands in Filamenten zu erzeugen. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Verwendung eines Lasers, nachdem es beispielsweise bekannt ist, die Aussparungen zwischen den Einzelfilamenten ebenso durch einen Laser zu erzeugen und die Barrieren so auch durch eine (weniger intensive) Nutzung des Lasers in dem für die Widerstandsbarriere vorgesehenen räumlichen Widerstandsbereich auf dem verbleibenden Filament vorgenommen werden kann.

Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die wenigstens eine Widerstandsbarriere unmittelbar benachbart zu dem jeweiligen Kreuzungsbereich angeordnet ist, da dann eine besonders klare Definition der Strompfade ermöglicht wird.

Dabei sei darauf hingewiesen, dass es im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchaus möglich ist, von einem geradlinigen, durchgängigen Verlauf der Filamente abzuweichen, dies jedoch nicht zwangsläufig notwendig ist. Tatsächlich lässt sich die Erfindung besonders einfach dadurch realisieren, dass eine Aussparung bzw. Furche durch die Supraleiterschicht, die Filamente voneinander trennt, nicht durchgängig über die gesamte Länge des Stromführungsabschnitts gebildet wird, sondern an den gewollten Kreuzungsbereichen Unterbrechungen aufweist, so dass sich die Kreuzungsbereiche entsprechend ergeben. Zusätzlich kann selbstverständlich auch eine entsprechende seitliche Verengung des Kreuzungsbereichs dennoch gewollt sein und vorgesehen werden. Wird von dem geradlinigen Verlauf der einzelnen Filamente möglichst wenig abgewichen, ergibt sich die platzsparendste Realisierung der vorliegenden Erfindung.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

1 ein erstes, der Erläuterung dienendes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Supraleitereinrichtung,

2 der Stromverlauf in unterschiedlichen Strompfaden,

3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Supraleitereinrichtung, und

4 mehrere Kreuzungsbereiche in einer Filamentgruppe.

1 zeigt ein äußerst einfaches, zur Erläuterung geeignetes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Supraleitereinrichtung 1a, bei der ersichtlich zwei zwei Kontaktelemente 2 verbindende Filamente 3 vorgesehen sind, die durch Aussparungen 4 getrennt sind. Die Zeichenebene der 1 ist dabei die Schichtebene der Supraleiterschicht. Der Stromführungsabschnitt 5 liegt wie bekannt zwischen den Kontaktelementen 2.

Allerdings sind hier die Filamente 3 nicht über den gesamten Stromführungsabschnitt 5 getrennt, sondern in einem Kreuzungsabschnitt 6 mittig und insgesamt eine symmetrische Ausgestaltung bildend elektrisch leitend verbunden. Diese Symmetrie wird allerdings durch den Kreuzungsbereich 6 unmittelbar benachbarten, an bezüglich des Kreuzungsbereichs 6 gegenüberliegenden, quer und längs versetzten, lokal in Widerstandsbereichen vorgesehene Widerstandsbarrieren 7 gebrochen. Die Widerstandsbarrieren 7 haben einen äußerst geringen ohmschen Widerstandswert, vorliegend im Bereich kleiner 0,1 nΩ, und wurden durch Laserbehandlung erzeugt, wobei jedoch auch andere Möglichkeiten zur Erzeugung denkbar sind. Als Supraleitermaterial der Supraleiterschicht, die auf dem Substrat 8 angeordnet ist, wird vorliegend YBCO verwendet.

Ein äußeres Wechselmagnetfeld verläuft gemäß den Pfeilen 9 senkrecht zur Schichtebene und kann dadurch, also aufgrund der zeitlichen Veränderung, ein durch Pfeile 10 angedeutetes elektrisches Feld induzieren.

Das Vorsehen der Widerstandsbarrieren 7 forciert nun zunächst die Nutzung eines ersten, durch durchgezogene Pfeile 11 gekennzeichneten Strompfads, der mithin im Kreuzungsbereich 6 von dem linken Filament 3 auf das rechte Filament 3 wechselt, wobei vorliegend eine Situation dargestellt ist, in der der Transportstrom von unten nach oben in 1 läuft.

Ist der kritische Strom eines Filaments 3 überschritten, wird auch der zweite Strompfad, der über die Widerstandsbarrieren 7 führt und durch gestrichelte Pfeile 12 gekennzeichnet ist, genutzt. Der erste und der zweite Strompfad kreuzen sich also im Kreuzungsbereich 6, so dass durch die Widerstandsbarrieren 7 und den Kreuzungsbereich 6 also überlappende Strompfade in der Schichtebene der Supraleiterschicht geschaffen werden können. Der entscheidende Vorteil dieser Stromführung ist, dass sich die elektrischen Felder (Pfeile 10) jeweils entlang des ersten Strompfades und des zweiten Strompfades aufheben, da, wie leicht ersichtlich ist, in den beiden „Maschen“ bzw. Leiterschleifen das elektrische Feld (Pfeil 10) für den jeweiligen Strompfad einmal in Richtung des Teilstromes und einmal entgegen dieser Richtung induziert wird. Das bedeutet, dass im idealen Fall der Effekt des äußeren Wechselmagnetfeldes und damit die Kopplungsverluste neutralisiert werden.

Allerdings liegt, wie bereits angedeutet wurde, eine unsymmetrische Aufteilung der Teilströme der Strompfade zumindest zeitweise vor, wie sich aus den Stromverläufen der 2 ergibt. Die Kurve 13 entspricht dabei dem Gesamtstrom, dessen Maximum im Betrag idealerweise im Wesentlichen dem Zweifachen des kritischen Stromes eines Filaments 3 entspricht. Die Kurve 14 zeigt den Verlauf des Teilstromes für den ersten Strompfad (Pfeile 11 in 1), die Kurve 15 den Verlauf für den zweiten Strompfad (Pfeile 12 in 1). Bis zum Erreichen des kritischen Stromes Ic im ersten Strompfad fließt nur Strom im ersten Strompfad, danach übernimmt der zweite Strompfad den Überschussstrom; bei der fallenden Gesamtstromflanke erfolgt entsprechend Gegensätzliches. Dennoch erfüllt der zweite Strompfad die Aufgabe, das induzierte elektrische Feld zu kompensieren, so dass wenigstens teilweise die vorteilhafte Reduktion der Kopplungsverluste auftritt.

Die Strompfade bzw. Filamente müssen nicht zwangsweise so stark ausgeprägt auseinanderlaufen, wie dies im erläuternden ersten Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt ist. Sichergestellt werden muss nur, dass die Widerstandsbarrieren 7 den dargestellten Stromfluss forcieren.

Entsprechend zeigt 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Supraleitereinrichtung 1b, wobei der Einfachheit halber die Bezugszeichen der 1 für entsprechende Komponenten beibehalten wurden. Im Unterschied zur Darstellung der 1 sind hier sechs Filamente 4 vorgesehen, die in drei Filamentgruppen 16 von jeweils zwei benachbarten Filamenten 3 aufgeteilt sind. Zwischen den Filamentgruppen 16 ist die Aussparung 4 durchgängig, während innerhalb der Filamentgruppen 16 die Aussparung 4 zur Bildung der Kreuzungsbereiche 6 unterbrochen wird, wobei auch ein möglicher Verlauf der Widerstandsbarrieren 7 entsprechend angedeutet ist. Entsprechend wird auch hier der Stromfluss gemäß dem ersten Strompfad, vgl. hier den Pfeil 17, und im zweiten Strompfad, vgl. hier den Pfeil 18, wiederum gestrichelt, forciert. Die Kreuzungsbereiche 6 finden sich jeweils in der Mitte des Stromführungsabschnitts 5, so dass entlang der Strompfade auf gleichen Längen jeweils entgegengesetzte elektrische Felder auftreten.

Dabei muss nicht zwangsläufig die Zahl der Kreuzungsbereiche 6 auf einen beschränkt sein, wie das schematisch dargestellte Filamentpaar 16 der 4 zeigt. Dort sind drei Kreuzungsbereiche 6 realisiert, die äquidistant über die Länge des Stromführungsabschnitts 5 verteilt sind. Somit ergeben sich aus geometrisch gleichen Stromwegen zusammengesetzte Leiterschleifen, mithin sich optimal in ihren Wirkungen aufhebende induzierte elektrische Felder entlang der die Filamente wechselnden Strompfade.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Artikel von Coleman B. Cobb et al., „Hysteretic loss reduction in striated YBCO“, Physica C 382 (2002), Seiten 52–56 [0007]