Numerical modeling and characterization of high-temperature superconductor coils for electrical machines

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. ... mehrDaher 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.

The current capacity of high-temperature superconductors (HTS) has encouraged several applications in electric power systems. In the renewable energy sector, the increasing worldwide energy consumption and energy transition have driven strong research on superconducting generators for wind turbine applications, where HTS could increase power density towards better multi-megawatt solutions. Despite their zero direct current (DC) resistance, HTS experience energy dissipation under time-changing transport current or magnetic field. These losses can be decisive in most HTS applications since they influence the cooling power requirements and the overall efficiency of the machine. ... mehrTherefore, the modelling and characterization of coils are essential for the further development of superconducting devices. For this reason, this thesis is focused on the study of HTS coils to face the technological challenges of future HTS electrical machines.

Since the modelling and analysis of superconducting coils is a crucial part of the design stage of most HTS devices, a new 3D modelling approach based on the homogenization of the T-A formulation is developed. The modelling methodology allows an easier implementation in commercial software (COMSOL Multiphysics) in comparison with the currently available 3D H homogenization. First, the modelling approach is validated with 2D simulations and AC loss measurements in circular coils. Then, it is used to estimate losses and to analyse the electromagnetic behaviour of racetrack, saddle, and twisted coils.

Several designs of superconducting generators for wind turbine applications are modelled and studied. Particular attention is given to the reduction of AC losses in the stator HTS winding, where three main strategies are investigated: non-planar coils, tape width and temperature reduction. A new stator winding arrangement is proposed, which achieves an \SI{80}{\percent} reduction in HTS coil losses and a better distribution of the dissipation in the coils in comparison with the standard racetrack coil configuration.

Two racetrack coils for electrical machine applications are manufactured and characterized. Each coil is made with 2 mm tape from different manufacturers, S-Innovations and Fujikura. The dependence of the critical current of the tapes on the magnetic field amplitude and direction is measured. Then, 2D and 3D models are developed to estimate the inductance, critical current, and AC transport losses in the coils. This characterization is complemented with experimental work, which allows a comparison between measurements and simulation results.

The design, construction, calibration and test of a setup to measure transport AC losses in high-temperature superconducting coils based on a calorimetric approach (boil-off method) are presented. The evaporated cryogen (nitrogen) related to the dissipation of energy is collected by using a 3D-printed bubble collector that guides the gas into a flow sensor. A box-inside-a-box approach is used to surround the measurement chamber with a cryogenic environment. This approach allows re-directing the heat transfer from the surroundings into an intermediate zone (space between external and internal box). Since this intermediate zone operates under cryogenic temperatures, the noise and the heat transfer in the internal part of the setup are reduced. A statistical analysis of the results based on a standard load cycle, average value, and standard deviation calculations allows assessing the variability in the measurements and expressing the results as average value and uncertainty range. The reproducibility of the measurements is verified with a set of resistors under different conditions and during different weeks. Finally, the AC transport losses in the coils are measured and compared with the 3D simulation results.