Steigerung der Dynamik und Effizienz von Motoren durch den Einsatz von Supraleitern - Thomas Reis, Bernhard Oswald, A.T.A.M. de Waele Oswald ...
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Steigerung der Dynamik und Effizienz
von Motoren durch
den Einsatz von Supraleitern
Thomas Reis, Bernhard Oswald, A.T.A.M. de Waele
Oswald Elektromotoren GmbH
TR 2014 ZIEHL IV 1
Karl Oswald und Sohn
Gründung 1909
in Miltenberg am Main
TR 2014 ZIEHL IV 2
Oswald Elektromotoren GmbH TR 2014 ZIEHL IV 3
Oswald Elektromotoren GmbH 50 kW … 2 MW kundenspezifische Motoren/Generatoren … 200000 Nm TR 2014 ZIEHL IV 4
Effizienz / Dynamik
Dynamik und Effizienz
von Motoren
Dynamik
opt. Materialeinsatz
Wirkungsgrad
Wirtschaftlichkeit Energieeffizienz
TR 2014 ZIEHL IV 5
Motivation Dynamik TR 2014 ZIEHL IV 6
Motivation Dynamik
- Erschließung neuer
Anwendungsfelder
- Verwendung neuer
Technologien und
Materialien im
Motorbau
- Erreichen bislang - Unabhängigkeit von
unerfüllbarer Anforderungen krit. Resourcen
- Verbesserung der
Maschinenparameter
- …
TR 2014 ZIEHL IV 7
Motivation Effizienz
Quelle: Schuler/BMW
TR 2014 ZIEHL IV 8
Effizienz / Dynamik
d2l = konstant
Wirkungsgrad,
Energieeffizienz ↑
► A, B ↓
Dynamik ↑
M: Drehmoment ► M ↑ (J=konst.)
A: Amp-Windungen
B: Flussdichte im Wirtschaftlichkeit,
Luftspalt Materialeinsatz
d: Durchmesser
► d2l, Bauart, …
l: Länge
TR 2014 ZIEHL IV 9
Stand der Technik
Grenze bei Stator-Windungen:
- Kühlung (Wasser, Luft, …)
- Bauraum
- Isolation
- Stromverdrängung (Freq.)
- …
Grenze bei Rotor-Feld:
- Flussdichte bei PM
M: Drehmoment - Kühlung, Bauraum bei
A: Amp-Windungen fremderregten Motoren
- Leistungsübertragung in
B: Flussdichte im Rotor
Luftspalt - …
d: Durchmesser Allgemein: Sättigung des
l: Länge Eisen in Joch, Zahn, …
Nur Verbesserungen, kein Technologiesprung
TR 2014 ZIEHL IV 10Einführung der SL im Motorenbau
Stromdichten:
Im Supraleiter
> 60.000 A/mm²
Im Draht
> 600 A/mm²
Engineering
Quelle: Superpower
> 150 A/mm²
10-15 fache Stromdichten
im Vergleich mit
konventionellen Technologien
Cu: 10..15 A/mm² Quelle: AMSC
TR 2014 ZIEHL IV 11Anwendung der SL im Motor
Erhöhung des „B“ durch SL-Erregerspulen im Rotor
Elektromagnetisch zu beachten:
- „R=0“, nur Induktivität bei
Erregerwicklung
- Zuleitung der hohen
Rotorströme
M: Drehmoment - Flussführung im Joch und in
Stator (Sättigung!)
A: Amp-Windungen
B: Flussdichte im - Kraftübertragung
Luftspalt
- …
d: Durchmesser
l: Länge
TR 2014 ZIEHL IV 12Anwendung der SL im Motor
Erhöhung des „B“ durch SL-Erregerspulen im Rotor
Mechanisch zu beachten:
- Thermische Isolierung des
Rotor
- Zuführung der Kühlung
- Temperaturdifferenz > 200K
Kryostat HTS-Spule
Quelle: Siemens
magn. Luftspalt
Vorteil: DC-Anwendung Kühlung
Polkern
keine Verluste im SL
TR 2014 ZIEHL IV 13SL – Motoren:
DC-Anwendung im Rotor
Quelle: eco5
Vorteile SL Motoren:
Volumen
-40…60%
10MW sc 4MW pm
8MW ind Gewicht
-50…70%
Leistungsdichte Quelle: Siemens
Quelle: AMSC
+100…150%
Dynamik
+150…200%
Wirkungsgrad
…99,9%
TR 2014 ZIEHL IV 14Anwendung der SL im Motor
Erhöhung des „A“ durch SL-Feldspulen im Stator
Mechanisch zu beachten:
- Kühlung im stehenden
Maschinenteil
Elektromagnetisch zu beachten:
M: Drehmoment
- AC-Anwendung von SL:
A: Amp-Windungen
B: Flussdichte im Viele Randbedingungen!
Luftspalt
d: Durchmesser
l: Länge
TR 2014 ZIEHL IV 15SL – Motoren:
AC-Anwendung im Stator
SMFS:
40 kW, 665 rpm, 575 Nm
77 K, lN2
PM-Motor mit SL-Stator
Kraftdichte 200% PM-Motor
TR 2014 ZIEHL IV 16SL-Motoren
Potential von SL-Motoren:
- Kraftdichte > 200%
- Dynamik > 300%
- Gewicht/Größe 40…60%
- Wirkungsgrad …99,7%
- Materialverfügbarkeit
Anwendungen:
- Mobility (Flugzeug, Schiff, Fahrzeug)
- Generatoren
- Industrieantriebe
TR 2014 ZIEHL IV 17SuTor
Leistung: 156 kW
Geschwindigkeit: 57 rpm
Drehmoment: 26.000 Nm
Wirkungsgrad: 99,6 %
Dynamik: >10.000 rpm/s
YBCOcc-Band: 4 km
gefördert vom Bundesministerium
für Wirtschaft und Technologie
FKZ 0 327 866 A
Oswald Elektromotoren GmbH:
Entwicklung und Bau des supraleitenden Motors mit Kryostat
Hochschule Aschaffenburg:
Entwicklung und Bau eines modularen Umrichters zum optimierten
Betrieb von supraleitenden Maschinen
TR 2014 ZIEHL IV 18SuTor
Ziel: Industrienahe Funktionalität
Kühlung als „Black Box“
statt „white fog“
TR 2014 ZIEHL IV 19Grundlagen der SL Hochtemperatur – SL: In gemischter Phase Flusslinien durch SL mit je elementarem Flussquantum: h/2e = 2,07 10-15 Tm² TR 2014 ZIEHL IV 20
AC-Anwendung der SL
B?
B B
I I I?
Verluste im Einzelleiter SL: 5x 1µm
analytisch berechenbar Stack: 1,3mm
Gute analytische Näherungen
für idealen Stack
Verhalten in Spulenform, ext. Feldern,
unterschiedl. Strömen, Abschirmung, …?
TR 2014 ZIEHL IV 21AC-Anwendung der SL Numerische Feldberechnung des Querfeldes TR 2014 ZIEHL IV 22
AC-Anwendung der SL
Aus Materialdaten und Rahmenbedingungen (ext. Feld, Strom, Temperatur, …)
können Verluste im SL abgeschätzt werden.
100
AC total
80
[%of loss at rated values]
Loss in SC and iron
60
P trans
40
V Fe
20
P hyst
0 2 6 10 14 18 22 26
Torque [kNm]
TR 2014 ZIEHL IV 23AC-Anwendung der SL
Kalorimetrische Messung
der SL-Verluste:
- ext. Felder
- Stromtransport
- Eigenfeld
Temperaturabhängigkeit
bis 20K im Aufbau
TR 2014 ZIEHL IV 24Kühlung der SL im Stator
Optimaler Arbeitspunkt
bei 40-50K
Abhängig von:
- Materialdaten der SL
- Rückkühlung der
Verlustwärme
- Material des Kryostaten
- Anforderungen
- Baugröße
- …
TR 2014 ZIEHL IV 25Kühlung der SL im Stator
Lüfter: Arbeitsbereich
Quelle: CryoZone
TR 2014 ZIEHL IV 26Kühlung der SL im Stator
Rückkühler:
Leistungsaufnahme/Kühlleistung
Quelle: Sumitomo
TR 2014 ZIEHL IV 27Kühlung der SL im Stator
20kNm
26kNm
Optimaler Arbeitspunkt
bei 40-50K 7kNm
für div. Lastfälle 13kNm
TR 2014 ZIEHL IV 28Umschichtung im SuTor-Projekt
Aufwand für Kühlsystem
ca. 3x so groß wie für Motor
Umverteilung innerhalb
des Projektes
Motor in vergleichbarer
Größe zum lN2-System
TR 2014 ZIEHL IV 29Umschichtung im SuTor-Projekt
250W Kühlleistung bei 50K
Umverteilung innerhalb
des Projektes
600Nm, 650rpm
TR 2014 ZIEHL IV 30mini-SuTor Prüfaufbau TR 2014 ZIEHL IV 31
Abkühlung
350 Erste Ergebnisse der
Abkühlung
300
250
Temperatur / K
200
150
mittl. SL-Temp.
100
Kühler-Temp. Probleme mit Lüfter
50
0
0:00
2:00
4:00
6:00
Zeit
TR 2014 ZIEHL IV 32Fazit - SuTor Prototyp im Test - Kombination von SL im Stator und Rotor - Untersuchung weiterer Motorkonzepte TR 2014 ZIEHL IV 33
Ausblick Steigerungspotential Motor SL Stator SL Rotor Komplexität Umgesetzt? Asynchron --- < 100% Einfach Studie Reluktanz --- < 100% Sehr Einfach Prototypen PM-Synchron > 200% --- Normal Prototypen Fremderregt --- > 200% Etw. Aufwändig Prototypen AC+DC > 200% > 200% Aufwändig Konzepte Bulk --- > 100% Aufwändig Prototypen AC+Bulk > 200% > 100% Sehr Aufwändig Konzepte Meissner --- --- Studie ???? TR 2014 ZIEHL IV 34
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