Numerical modeling and characterization of high-temperature superconductor coils for electrical machines
Creators: name: Vargas-Llanos, Carlos Roberto
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Superconducting generator
T-A formulation
3D modeling
homogenization
AC losses
high-temperature superconductors
superconducting coil
calorimetric method

description: Die aktuelle Kapazität von Hochtemperatursupraleitern (HTS) hat verschiedene Anwendungen in elektrischen Energiesystemen gefördert. Im Bereich der erneuerbaren Energien haben der weltweit steigende Energieverbrauch und die Energiewende die Forschung zu supraleitenden Generatoren für Windturbinen stark vorangetrieben, wo HTS die Leistungsdichte in Richtung besserer Multi-Megawatt-Lösungen erhöhen könnten. Trotz ihres Gleichstromwiderstands von Null können bei HTS unter zeitlich wechselndem Transportstrom oder Magnetfeld Verluste eintreten. Diese Verluste können bei den meisten HTS-Anwendungen entscheidend sein, da sie den Bedarf an Kühlleistung und den Gesamtwirkungsgrad der Maschine beeinflussen. Daher sind die Modellierung und Charakterisierung von Spulen für die weitere Entwicklung von supraleitenden Systemen von zentraler Bedeutung. Aus diesem Grund konzentriert sich diese Arbeit auf die Untersuchung von HTS-Spulen, um die technologischen Herausforderungen zukünftiger elektrischer HTS-Maschinen zu bewältigen. Da die Modellierung und Analyse von supraleitenden Spulen ein entscheidender Teil der Entwurfsphase der meisten HTS-Komponenten ist, wird ein neuer 3D-Modellierungsansatz entwickelt, der auf der Homogenisierung der T-A-Formulierung basiert. Die Modellierungsmethodik ermöglicht eine einfachere Implementierung in kommerzieller Software (COMSOL Multiphysics) im Vergleich zu der derzeit verfügbaren 3D-H-Homogenisierung. Zunächst wird der Modellierungsansatz mit 2D-Simulationen und AC-Verlustmessungen in ringförmigen Spulen validiert. Dann wird er zur Abschätzung der Verluste und zur Analyse des elektromagnetischen Verhaltens einer Racetrack-, einer Saddle- und einer Twisted-Spule verwendet. Es werden mehrere Entwürfe supraleitender Generatoren für Windturbinenanwendungen modelliert und untersucht. Besonderes Interesse gilt der Verringerung der Wechselstromverluste in der HTS-Statorwicklung, wobei drei Hauptstrategien untersucht werden: nicht planare Spulen, Reduktion der Bandbreite und Temperaturreduktion. Es wird eine neue Statorwicklungsanordnung vorgeschlagen, mit der eine 80 prozentige Reduzierung der HTS-Spulenverluste und eine bessere Verteilung der Wärmeverluste in den Spulen im Vergleich zur Standard-Racetrack-Spulenanordnung erreicht wird. Zuletzt werden zwei Racetrack-Spulen für elektrische Maschinenanwendungen hergestellt und charakterisiert. Jede Spule besteht aus 2 mm dickem Band verschiedener Hersteller, S-Innovations und Fujikura. Als erstes wird die Abhängigkeit des kritischen Stroms der Bänder von der Amplitude und Richtung des Magnetfelds gemessen. Danach werden 2D- und 3D-Modelle entwickelt, um die Induktivität, den kritischen Strom und die AC-Transportverluste in den Spulen abzuschätzen. Diese Charakterisierung wird durch experimentelle Arbeiten ergänzt, die einen direkten Vergleich von Messungen und Simulationsergebnissen ermöglichen. Der Entwurf, die Konstruktion, die Kalibrierung und der Test eines Aufbaus zur Messung der AC-Transportverluste in supraleitenden Hochtemperaturspulen auf der Grundlage eines kalorimetrischen Ansatzes (Boil-off-Methode) werden vorgestellt. Das verdampfte Kryogen (Stickstoff), das mit der Energiedissipation zusammenhängt, wird mit Hilfe eines 3D-gedruckten Blasensammlers aufgefangen, der das Gas in einen Flusssensor leitet. Ein Box-inside-a-Box-Ansatz wird verwendet, um die Messkammer mit einer kryogenen Umgebung zu umgeben. Dieser Ansatz ermöglicht die Umleitung der Wärmeübertragung aus der Umgebung in eine Zwischenzone (Raum zwischen äußerer und innerer Box). Da diese Zwischenzone unter kryogenen Temperaturen arbeitet, werden das Rauschen und die Wärmeübertragung im inneren Teil des Aufbaus reduziert. Eine statistische Analyse der Ergebnisse auf der Grundlage eines Standardlastzyklus, des Mittelwerts und der Berechnung der Standardabweichung ermöglicht es, die Variabilität der Messungen zu bewerten und die Ergebnisse als Mittelwert und Unsicherheitsbereich auszudrücken. Die Kalibrierung und Reproduzierbarkeit der Messungen werden mit einer Reihe von Widerständen unter verschiedenen Bedingungen und während verschiedener Wochen überprüft, und die Wechselstrom-Transportverluste werden gemessen und mit den Ergebnissen der 3D-Simulation verglichen.