Abstract:
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. ... mehrWeiterhin 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.
Abstract (englisch):
The aviation industry is challenged to develop environmentally and economically sustainable propulsion systems to deal with growing air traffic passenger demand and emission reduction goals. Electrification of the propulsion system offers benefits regarding this goals due to novel variable concepts such as hybrid-electric or distributed propulsion. Due to the multiple energy conversion, the propulsion system has to be highly efficient to achieve a fuel consumption benefit compared to a conventional propulsion system. Furthermore, a significantly reduced weight is required to reach the power-to-weight ratio of conventional engines. ... mehrHowever, state-of-the-art electric machines are unable to achieve these goals due to their thermal and magnetic limitations. Superconductors are promising to overcome these limitations due to the high current carrying capacity and the negligible DC resistance. This thesis investigates superconducting AC machines as a part of a cryogenic hybrid-electric propulsion system. A detailed machine design process is developed, that integrates the interaction between electromagnetics and thermics of the superconductor. Thus, the technical fields of superconductivity, electric machine and aircraft are combined in one tool under consideration of their respective requirements in order to investigate mutual dependencies.
Various machine topologies create a large design space of synchronous radial flux machines and require for exploration fast holistic analytical approaches. In this work, the focus is on the modeling of superconducting coils based on MgB$_2$, which are penetrated by alternating magnetic fields in the stator. A 114 filament MgB$_2$ wire is characterized and the impact of its AC loss on the current carrying capacity is integrated in the machine design. Moreover, a two-phase flow of hydrogen is implemented for the cooling of MgB$_2$ coils, which also allows to determine the hydrogen consumption of machines. Hence, the design is subdivided into the analytical electro-thermal model and electromagnetic model. The magnetic flux density distribution is computed in two dimensions with high accuracy in all machine regions and is compared with finite element method. This allows to determine the field sensitive AC loss of the stator coils. The mechanical and thermal support components within the magnetic air gap are adapted and designed according to the machine topology. Both active mass and passive mass from the main structural parts are calculated.
To evaluate the potential of fully and partially superconducting machines, the design of a $21.6 \,$MW machine is performed, which substitutes the core engine and directly powers the conventional fan of an Airbus A321neo-LR engine. These machine topologies based on superconducting as well as normal conducting coils and magnets are compared with each other by optimizing the number of pole pairs, the diameter of the machine as well as the coil and magnet thickness. This also includes the design of a tank for liquid hydrogen, which is integrated four times in the fuselage and stores $280 \,$kg of liquid hydrogen per tank. Furthermore, the range of this aircraft for a specific flight mission is calculated for a selection of optimized machines. In addition, the reduction of stator AC loss by an optimized control strategy of rotor and stator current is studied.
It is shown that the current density of a MgB$_2$ stator coil at an operating temperature of $20 \,$K is up to $18$ times higher compared to a conventional coil based on copper litz wires at $453 \,$K. This leads to the fact that superconducting machines enable both high power-to-weight ratio and low stator AC loss. The lightest fully superconducting machine based on MgB$_2$ stator coils and HTS rotor coils achieves a maximum power-to-weight ratio of $56.8 \, \mathrm{kW \, kg^{-1}}$, which is the lightest machine of all topologies. The most efficient machine of this topology reaches a minimal stator AC loss of $6.4 \,$kW. Partially superconducting machines consisting of MgB$_2$ stator coils and Halbach rotor array generate even lower stator AC loss of minimal $3.9 \,$kW. Moreover, low loss is required in order to avoid burdening the weight balance of the entire propulsion system by a large liquid hydrogen tank or a heat exchanger, as necessary for copper stators. Hence, a maximum flight time of about $600 \,$min is achieved with one of four liquid hydrogen tanks taking into account the cooling demand of the fan motors, which is higher than the fuel range limit of the hybridized Airbus A321neo-LR. It can be summarized that after reaching a minimum power-to-weight ratio in the machine design in order to fulfill requirements given by the installation space, the optimization of the stator AC loss becomes a priority.
Finally, two design proposals are offered for detailed engineering and manufacturing studies under consideration of economic conditions.
