Optimierung supraleitender Dynamos für die kontaktlose Ladung supraleitender Spulen

• Antragsteller: Dr. Ruben Hühne
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562988087

Supraleitende Dynamos ermöglichen eine berührungslose Stromversorgung supraleitender Spulen und Schaltungen. Dadurch werden normalleitende Stromzuführungen mit einem großen Querschnitt zwischen der warmen Umgebung und der tiefgekühlten supraleitenden Spule überflüssig. Dies hat den Vorteil, dass diese Zuführungen nicht mehr als Wärmebrücke zwischen dem Inneren des kalten Kryostaten und der warmen Umgebung wirken und gleichzeitig Ohm’sche Verluste durch die hohen Ströme in den Zuleitungen vermieden werden. Dadurch kann die notwendige Kühlleistung des Systems deutlich reduziert werden. Im Allgemeinen setzt sich ein supraleitender Dynamo aus einem supraleitenden Bandleiter, einer rotierenden Anordnung von Permanentmagneten und gegebenenfalls einem zusätzlichen Eisenjoch zusammen. Der Bandleiter ist in der Regel mit einer supraleitenden Spule verbunden, die dauerhaft geladen werden soll. Im Betrieb werden die Permanentmagnete kontinuierlich über den Bandleiterabschnitt geführt. Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Permanentmagneten und der supraleitenden Schicht induziert im Bandleiter eine Spannung, die zu einem Stromfluss in der angeschlossenen Spule führt. Aufgrund der rein elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Permanentmagneten und dem Bandleiter können supraleitende Dynamos durch eine Kryostatwand arbeiten, was die thermischen Verluste weiter reduziert, da auf der Kaltseite keine bewegten Teile vorkommen. In bisher untersuchten Systemen müssen teilweise lange Ladezeiten aufgrund der geringen Dynamoeffizenz in Kauf genommen werden. Zusätzlich treten bei hohen Ladefrequenzen unerwünschte Wirbelstromverluste auf. Ziel des Projekts ist deshalb, die Effizienz supraleitender Dynamos durch die Anpassung der einzelnen Bestandteile (Bandleiter, Permanentmagnete etc.) deutlich zu verbessern, so dass supraleitende Spulen verlustarmer und schneller geladen werden können. Dies beinhaltet unter anderem eine Maximierung der magnetischen Flussdichte im supraleitenden Bandleiter bei gleichzeitiger Streufeldminimierung durch neue Magnetfeld- und Jochgeometrien. Parallel dazu wird untersucht, wie die Wirbelstromverluste bei hohen Magnetpassagefrequenzen minimiert werden können. An dieser Stelle soll auch ein supraleitendes magnetisches Lager integriert werden. Zusammenfassend wird erwartet, dass durch die Untersuchungen im Rahmen des Projektes entscheidende Beiträge für den Einsatz supraleitender Dynamos zur effizienten Bestromung supraleitender Spulen geliefert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die experimentellen Untersuchungen von numerischen Simulationen begleitet. Dies ermöglicht zum einen eine schnellere Optimierung der einzelnen Komponenten, wobei die Simulationsergebnisse immer wieder in experimentellen Untersuchungen verifiziert werden, um das Modell zu verbessern. Gleichzeitig bildet das entwickelte Modell für das Gesamtsystem die Grundlage für eine Anpassung des supraleitenden Dynamos an zukünftige Anwendungsszenarien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Tilo Espenhahn