Design of superconducting AC machines for hybrid-electric aircraft
Creators: name: Corduan, Matthias
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: superconducting machine
hybrid-electric aircraft
aviation
cryogenic hybrid-electric propulsion system
hydrogen
superconductivity
magnesium diboride
AC loss

description: Die Luftfahrtindustrie steht vor großen Herausforderungen. Die wachsende Anzahl an Passagieren bei gleichzeitiger Reduzierung der Emissionen erfordert die Entwicklung ökologisch und ökonomisch nachhaltiger Antriebssysteme. Die Elektrifizierung des Antriebssystems bietet aufgrund neuartiger variabler Konzepte, wie hybrid-elektrische oder verteilte Antriebe, Vorteile, diese Ziele zu erreichen. Infolge der mehrfachen Energiewandlung muss ein solches Antriebssystem hocheffizient sein, um im Vergleich zu einem konventionellen Triebwerk einen Vorteil im Kraftstoffverbrauch zu erzielen. Weiterhin ist ein deutlich reduziertes Gewicht erforderlich, um das Leistungsgewicht konventioneller Triebwerke zu erlangen. Modernste elektrische Maschinen erreichen diese Ziele aufgrund ihrer thermischen und magnetischen Beschränkungen nicht. Mit Supraleitern können diese Grenzen überwunden werden. Sie zeichnen sich durch eine hohe Stromtragfähigkeit und einen vernachlässigbaren DC Widerstand aus. In dieser Arbeit werden supraleitende AC Maschinen, welche Teil eines kryogenen hybrid-elektrischen Antriebssystems sind, untersucht. Dazu wird ein detaillierter Prozess zum Auslegen einer solchen Maschine entwickelt, der die Wechselwirkungen zwischen Elektromagnetik und Thermik des Supraleiters berücksichtigt. Es werden die technischen Bereiche Supraleitung, elektrische Maschine und Flugzeug unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Anforderungen in einem Tool zusammengefasst, um gegenseitige Abhängigkeiten zu betrachten. Die Untersuchung mehrerer Maschinentopologien, welche auf synchronen Radialflussmaschinen basieren, eröffnet einen großen Lösungsraum und erfordert schnelle ganzheitliche analytische Lösungsansätze. In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Modellierung von supraleitenden Statorspulen auf der Basis von Magnesiumdiborid (MgB$_2$), die von magnetischen Wechselfeldern durchsetzt werden. Dazu wird ein Draht aus MgB$_2$ mit 114 Filamenten charakterisiert und der Einfluss seiner AC Verluste auf die Stromtragfähigkeit in die Maschinenauslegung integriert. Darüber hinaus wird eine zweiphasige Wasserstoffkühlung für MgB$_2$-Spulen implementiert, die es ermöglicht, den Wasserstoffverbrauch der Maschine zu bestimmen. Die Auslegung wird in das analytische elektro-thermische Modell und das elektromagnetische Modell unterteilt. Die zweidimensionale Berechnung der magnetischen Flussdichte erfolgt mit hoher Rechengenauigkeit in allen Maschinenbereichen und wird mit der Finite-Elemente-Methode verglichen. Dadurch lassen sich die feldsensitiven AC Verluste der Statorspulen bestimmen. Die mechanisch und thermisch unterstützenden Strukturen innerhalb des magnetischen Luftspalts werden an die Maschinentopologie angepasst und ausgelegt. Dabei werden sowohl die Aktivmasse als auch die Passivmasse diverser struktureller Komponenten berechnet. Um das Potential von voll und teilweise supraleitenden Maschinen zu beurteilen, wird eine $21.6 \,$MW Maschine ausgelegt, die das Kerntriebwerk ersetzt und den konventionellen Fan eines Airbus A321neo-LR Triebwerks direkt antreibt. Diese Maschinentopologien, die sowohl auf supraleitenden als auch auf normalleitenden Spulen und Magneten basieren, werden miteinander verglichen, indem die Anzahl der Polpaare, der Durchmesser der Maschine sowie die Spulen- und Magnetdicke optimiert werden. Dazu gehört auch die Auslegung eines Tanks für Flüssigwasserstoff, der vier Mal in den Rumpf integriert ist und pro Tank $280 \,$kg Flüssigwasserstoff speichert. Des Weiteren wird die Reichweite dieses Flugzeugs, unter Beachtung einer spezifischen Flugmission, für eine Auswahl von optimierten Maschinen berechnet. Eine optimierte Regelstrategie des Rotor- und Statorstromes ermöglicht die Reduzierung der AC Verluste in den MgB$_2$-Statorspulen. Es wird gezeigt, dass die Stromdichte einer MgB$_2$-Statorspule bei einer Betriebstemperatur im Bereich von $20 \,$K im Vergleich zu einer konventionellen Spule auf Basis von Kupferlitzen bei $453 \,$K bis zu $18$ mal höher ist. Dies führt dazu, dass supraleitende Maschinen sowohl ein hohes Leistungsgewicht als auch geringe AC Verluste im Stator aufweisen. Die leichteste voll supraleitende Maschine, die auf MgB$_2$-Statorspulen und HTS-Rotorspulen basiert, erreicht ein maximales Leistungsgewicht von $56.8 \, \mathrm{kW \, kg^{-1}}$ und ist damit ebenfalls die leichteste Maschine aller Topologien. Die effizienteste Maschine dieser Topologie erreicht minimale AC Verluste von $6.4 \,$kW im Stator. Teilweise supraleitende Maschinen, die aus MgB$_2$-Statorspulen und Hal-bach-Array im Rotor bestehen, erzeugen noch geringere AC Verluste von minimal $3.9 \,$kW im Stator. Diese geringen Verluste sind erforderlich, um nicht die Gewichtsbilanz des gesamten Antriebssystems durch einen großen Flüssigwasserstofftank oder einen Wärmetauscher zu belasten, wie er bei Kupferstatoren notwendig ist. Mit einem der vier Flüssigwasserstofftanks des hybridisierten Airbus A321neo-LR wird eine maximale Flugzeit von etwa $600 \,$min unter Berücksichtigung des Kühlbedarfs der Fanmotoren erreicht, welche die Reichweite dieses Flugzeuges übersteigt. Zusammenfassend lässt sich in der Maschinenauslegung feststellen, dass nach Erreichen eines minimalen Leistungsgewichtes zur Erfüllung der Anforderungen durch den limitierten Einbauraum die Optimierung der AC Verluste des Stators in den Fokus rückt. Abschließend werden unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen Aspekten Designvorschläge für zwei supraleitende Maschinen erstellt, welche detaillierte Auslegungs- und Fertigungsstudien erlauben.