Methodenentwicklung zur Auslegung und Optimierung von Flusspumpen zur effizienten Erregung elektrischer Maschinen mit Hochtemperatur-Supraleitern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Kreischer; Professor Dr. Marcus Stiemer
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562957642

Ziel ist die Bereitstellung der technologischen Grundlage zum Entwurf skalierbarer, effizienter Synchrongeneratoren mit steuerbarer DC-Erregerwicklung zur Magnetfelderzeugung, welche aus hochtemperstur-supraleitenden (HTS) Materialien besteht und kontaktlos über eine Flusspumpe erregt wird. Die kontaktlose Magnetisierung reduziert die Anforderungen an die Kühlung der HTS-Wicklung und erhöht den Wirkungsgrad. Eine Technologie, die verlustarme elektrische Maschinen in ausreichender Zahl und Dimensionierung zur Gewinnung elektrischer Energie aus Windkraft ohne Rückgriff auf Permanentmagnete und große Mengen von seltenen Erden bereitzustellt, ist unumgänglich für die Wende zu einer nachhaltigen Energieversorgung. Zum Erreichen des Projektziels wird die Simulation von HTS-Materialien und deren kontaktloser Erregung über Flusspumpen, die auf dem Prinzip des Wanderfeldes beruhen, in den übliche simulationsbasierten CAD-Prozess integriert. Diese Erweiterung beruht auf effizienten numerischen Simulationsverfahren, die das System aus Flusspumpe und HTS-Wicklung über die MQS-Näherung der Maxwellgleichung und ein konstitutives Materialgesetz exakt und effizient berechnen und für einen spezifizierten Bedarf rechnergestützt optimieren. Dieser Bedarf wird über das bereitzustellende Magnetfeld, geometrische Restriktionen, Anforderungen an die Steuerbarkeit des HTS-Elektromagneten und Minimierung der AC-Verluste definiert. Das neue Verfahren wird als Modul in gängige CAD-Systeme zur Auslegung elektrischer Maschinen integriert, wo es für eine zu konzipierende elektrische Maschine eine passgenaue und verlustarme HTS-Wicklung zusammen mit einer Flusspumpe zu deren Erregung identifiziert. Nach Entwicklung geeigneter Messverfahren wird ein mikrophysikalisch motiviertes, phänomenologisches Materialgesetz für die verwendeten Typ II HTS-Leiter identifiziert, validiert und für die Simulation nutzbar gemacht. Die Darstellung des Flusspumpeneffektes in der Simulation (Auflösung des dünnen Luftspalts zwischen Flusspumpe und HTS-Leiter sowie der über den Supraleiter im Einspeisebereich stark variierenden Leitfähigkeit) erfordert, dass numerische Ressourcen effizient eingesetzt werden. Hierzu werden Methoden der Fehlerschätzung und adaptive FE-Techniken eingesetzt. Das Simulationsverfahren wird anhand von systematischen Experimenten mit Flusspumpen validiert. Dazu wird der von der Flusspumpe in die HTS-Wicklung eingebrachte Strom in Abhängigkeit zahlreicher Parameter vermessen (räumliche Form des Wanderfeldes, dessen spektrale Zusammensetzung, durch die Flusspumpe überlagerter DC-Anteil, Geometriedetails etc.). Durch Kombination von Simulation und Messung soll der Flusspumpeneffekt und dessen Parameterabhängigkeit erklärt werden. Gleichzeitig entsteht eine Wissensbasis für eine passgenaue Auslegung und Steuerung einer Flusspumpe. Die technische Nutzbarkeit der entwickelten Entwurfsmethodik wird anhand der Auslegung und des Baus eines Demonstrator-Systems nachgewiesen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen