Supraleitender Magnet, Verfahren zu dessen Herstellung, elektrische Maschine und hybridelektrisches Luftfahrzeug

Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Magneten, ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Magneten sowie eine elektrische Maschine und ein hybridelektrisches Luft fahrzeug .

Für viele technische Anwendungen sind elektrische Maschinen mit hoher Leistungsdichte (kW/kg) von großem Vorteil. Insbe sondere für die Elektrifizierung der Luftfahrt sind Maschinen mit einer hohen massebezogenen Leistung besonders relevant. Hier sind Generatoren und Motoren mit einer Leistungsdichte von mindestens 20 kW/kg erforderlich.

Elektrische Maschinen weisen regelmäßig Mittel auf, um den magnetischen Fluss außerhalb von Magneten der elektrischen Maschine zu führen. Hierzu wird meist ein Joch aus Eisen oder Eisen-Cobalt eingesetzt. Ein solches Joch bildet regelmäßig den schwersten Teil einer elektrischen Maschine.

Dies ist umso mehr relevant, als zukünftig Magnete aus supra leitenden Keramiken zum Einsatz kommen könnten. Solche Magne te könnten Magnetfelder von bis zu 8 Tesla erzeugen. Derarti ge Feldstärken würden noch schwerere Joche bedingen, sodass ein hohes Leistungsgewicht schwer zu erreichen ist.

Vor diesem Hintergrund des Standes der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen supraleitenden Magneten anzuge ben, mit welchem eine elektrische Maschine mit höherer Leis tungsdichte realisierbar ist. Ferner ist es Aufgabe der Er findung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magneten anzugeben. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektri sche Maschine und ein hybridelektrisches Flugzeug anzugeben, welche eine hohe massebezogene Leistung erlauben. Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem supraleitenden Magneten mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und mit einem Verfahren mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen sowie mit einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen und mit einem hybridelektrischen Luft fahrzeug mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehö rigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Der erfindungsgemäße supraleitende Magnet ist in einer Hal- bach-Konfiguration magnetisiert.

Supraleitende Magnete erlauben den Aufbau elektrischer Ma schinen mit sehr hoher Leistungsdichte. Solche supraleitenden Magnete ermöglichen eine Erzeugung von Magnetfeldern mit Feldstärken bis zu 8 Tesla und höher. Die konventionell zur Führung des magnetischen Flusses außerhalb der Magnete grund sätzlich erforderlichen Joche wären jedoch sehr schwer. Denn die Sättigungsdichten des typischerweise eingesetzten Eisen- Cobalts liegt bei ~ 2.5 T, während hochtemperatursupraleiten de Magnete deutlich höhere magnetische Flussdichten treiben würden. Joche gerieten so für zahlreiche Einsatzzwecke un tragbar schwer.

Grundsätzlich kann bei konventionellen Magneten auf ein Joch zur Führung des magnetischen Flusses verzichtet werden, wenn Magnete in einer sogenannten Halbach-Konfiguration verbaut werden. In einer Halbach-Konfiguration ist der magnetische Fluss nicht unidirektional , sondern wird innerhalb der Magne te umgelenkt. Der Fluss wird daher gewissermaßen innerhalb der Magnete geführt. Halbach-Konfigurationen werden im allge meinen so hergestellt, dass einzelne, kleine Magnete in nor maler Nord-Süd Konfiguration magnetisiert werden und dann an schließend in der entsprechenden Konfiguration mechanisch zu sammengebracht und verklebt werden. Für supraleitende Magnete erscheint ein solches Herstellungs verfahren nicht praxistauglich, da die mechanischen Kräfte auf die hochtemperatursupraleitenden Materialien aufgrund der sehr hohen Flussdichten extrem sind und zudem ein Fügen der supraleitenden Materialien zu einer Halbach-Konfiguration bei Tieftemperatur stattfinden müsste, damit die Magnetisierung nicht verloren geht.

Aus diesem Grund werden, wie oben beschrieben, hochtempera tursupraleitende Magnete bisher nur unidirektional in einer klassischen Dipol-Konfiguration magnetisiert, sodass ein Joch bislang nicht verzichtbar ist. Daher ist die erzielbare mas sebezogene Leistung kaum zu steigern.

Der erfindungsgemäße supraleitende Magnet jedoch ist in einer Halbach-Konfiguration magnetisiert. Daher treten starke me chanische Kräfte, welche einer Zusammenfügung eines supralei tenden Magneten entgegenstehen würden, bei dem erfindungsge mäßen supraleitenden Magneten nicht auf.

Vielmehr ist erfindungsgemäß ein mechanisches Zusammensetzen einer Halbach-Konfiguration nicht erforderlich. Erfindungsge mäß wird vielmehr das Feld direkt in einer Haibach- Konfiguration bereitgestellt und während der Magnetisierung des erfindungsgemäßen Magneten gewissermaßen eingefroren.

Bevorzugt ist der erfindungsgemäße supraleitende Magnet mit einer kupferoxidbasierten Keramik gebildet, insbesondere mit ReBCO, vorzugsweise GdBCO oder YBCO. In dieser Weiterbildung der Erfindung lässt sich der supraleitende Magnet derart mit einer Keramik räumlich strukturiert ausbilden, dass diese be sonders einfach in eine Halbach-Konfiguration magnetisierbar ist. Denn bei kupferoxidbasierten Supraleitern fließt der supraleitende Strom in einer Vorzugsebene, nämlich in einer a-b-Ebene einer Kristallstruktur der Keramik. Diese Vorzugs ebenen können gegeneinander verdreht werden, sodass der mag netische Fluss innerhalb des supraleitenden Magneten in der Art der Halbach-Konfiguration umgeleitet werden kann. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der supraleitende Magnet mit einer Keramik gebildet, welche der art strukturiert ist, dass c-Achsen der Keramik in einer räumlichen Anordnung angeordnet sind, die der räumlichen An ordnung der Magnetisierung der Halbach-Konfiguration ent spricht. Insbesondere bei den in der vorhergehenden Weiter bildung der Erfindung genannten Keramiken kann mit einer der artigen räumlichen Anordnung der c-Achsen der Keramik der magnetische Fluss in der Art einer Halbach-Konfiguration um geleitet werden.

Zweckmäßig ist der erfindungsgemäße supraleitende Magnet aus zwei oder mehr Komponenten mit je einheitlicher Ausrichtung der c-Achse, vorzugsweise keilförmigen oder schichtförmigen Komponenten, insbesondere Folien und/oder hochtemperatursup raleitenden Bandleitern (HTS-Bandleitern) , gebildet. In einem solchen supraleitenden Magneten lässt sich die c-Ebene bei Fortschreiten entlang einer Raumrichtung des erfindungsgemä ßen supraleitenden Magneten in diskreten Schritten drehen. Somit lässt sich das magnetische Feld in mehreren aufeinan derfolgenden Zwischenschritten um einen beliebig großen Win kel, insbesondere um 180°, drehen, d.h. umleiten.

In einer alterativen und ebenfalls bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der supraleitende Magnet mit einer räumlich unstrukturierten Keramik gebildet. In dieser Weiterbildung der Erfindung wird der supraleitende Magnet allein durch das Magnetisieren magnetisch strukturiert. Besonders bevorzugt ist die Keramik eine Keramik, welche für den supraleitenden Strom keine Vorzugsrichtung aufweist, insbesondere MgB . In dieser Weiterbildung der Erfindung ist eine Magnetisierung in Halbach-Konfiguration ohne vorherige Strukturierung des Mate rials des Magneten möglich.

Besonders vorteilhaft ist der supraleitende Magnet ein hoch temperatursupraleitender Magnet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines er findungsgemäßen supraleitenden Magneten wie oben beschrieben wird der Magnet mittels einer Magnetisierungseinrichtung in einer Halbach-Konfiguration magnetisiert. Besonders bevorzugt wird eine Magnetisierungseinrichtung herangezogen, welche mindestens eine Spule oder eine Anordnung einer oder mehrerer Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes umfasst. Ge eigneterweise sind die Spulen derart räumlich angeordnet und bestromt, dass die Spulen eine Magnetisierung eines Werk stücks, d.h. eines Magneten, in der räumlichen Konfiguration einer Halbach-Konfiguration erlauben.

Die Erfindung ermöglicht es, bei hochtemperatursupraleitenden Magneten auf das mechanische Zusammensetzen der Haibach- Konfiguration zu verzichten und stattdessen das Feld direkt in einer Halbach-Konfiguration während des Magnetisierungs vorgangs einzufrieren.

Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine gebogene Zylinderspule herangezogen, welche insbesondere derart gebogen ist, dass die beiden Enden der Zylinderspule in dieselbe Richtung weisen. Auf diese Weise kann der magne tische Fluss räumlich beabstandet und insbesondere in antipa rallelen Konfiguration in den Magneten eingeprägt werden.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver fahrens weist die Magnetisierungseinrichtung eine Anti- Helmholtz-Konfiguration auf.

In dieser Weiterbildung der Erfindung kann der zu magnetisie rende Magnet in einen Bereich zwischen den Spulen angeordnet werden, da sich dort ein Magnetfeld ausbildet, dessen räumli che Gestalt derjenigen einer Halbach-Konfiguration gleicht. Vorzugsweise ist die Magnetisierungseinrichtung zur Magneti sierung mittels eines Pulse-Magnetization-Verfahrens (d.h. eines Puls-Magnetisierungs-Verfahrens ) ausgebildet. Aus Grün den der Feldsymmetrie lassen sich in dieser Weiterbildung der Erfindung sogar zwei Magnete gleichzeitig magnetisieren. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist insbesondere ein Motor und/oder ein Generator und weist einen supraleiten den Magneten wie oben beschrieben, insbesondere hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren wie vorhergehend be schrieben, auf.

Das erfindungsgemäße hybridelektrische Luftfahrzeug ist ins besondere ein Flugzeug und weist eine erfindungsgemäße elekt rische Maschine wie vorhergehend beschrieben, auf.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung darge stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen

hochtemperatursupraleitenden Magneten, welcher in einem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer

gebogenen Zylinderspule in Haibach- Konfiguration magnetisiert wird, schematisch im Querschnitt,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines

hochtemperatursupraleitenden Magneten, welcher mit Schichten aus einer Keramik mit jeweils

einheitlicher Ausrichtung der c-Achse gebildet ist, schematisch im Querschnitt,

Fig . 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines

hochtemperatursupraleitenden Magneten, welcher mit keilförmigen Komponenten aus einer Keramik mit jeweils einheitlicher Ausrichtung der c-Achse gebildet ist, schematisch im Querschnitt,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines

hochtemperatursupraleitenden Magneten, welcher in einem weiteren Ausführungsbeispiel des

erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer Anti- Helmholtz-Konfiguration von Spulen magnetisiert wird, schematisch im Querschnitt, sowie

Fig. 5 ein erfindungsgemäßes hybrid-elektrisches Flugzeug schematisch in einer Draufsicht.

Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße hochtemperatur supraleitende Magnet wird wie nachfolgend beschrieben mit ei nem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines supra leitenden Magneten magnetisiert:

Dazu wird ein Keramikstab 10 herangezogen, welcher im darge stellten Ausführungsbeispiel aus mehreren Folien 20, im dar gestellten Ausführungsbeispiel HTS-Bandleitern, aus hochtem peratursupraleitender Keramik besteht. Im dargestellten Aus führungsbeispiel ist der Keramikstab 10 aus diesen Folien 20 laminiert. Die hochtemperatursupraleitende Keramik ist im dargestellten Ausführungsbeispiel GdBa2Cu30 ₇ _5 (GdBCO) , kann in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen aber auch Yttrium-Barium-Kupferoxid, also YBa2Cu30 _{7-x (} YBCO) , oder ein anderes Seltenerd-Barium-Kupferoxid, d.h. REBaCuO (REBCO) (RE bildet einen Platzhalter für Seltenerdelemente in der Art einer Abkürzung für den englischen Begriff „Rare earth") sein. Die hochtemperatursupraleitende Keramik weist eine Kristallstruktur mit einer ausgezeichneten c-Achse c auf .

Die hochtemperatursupraleitende Keramik ist in ihren supra leitenden Eigenschaften stark anisotrop und in zu dieser c- Achse c senkrechten Ebenen (a-b-Ebenen der Kristallstruktur) , welche jeweils parallel zu den flächigen Erstreckungen der Folien 20 verlaufen, elektrisch besonders gut leitfähig, d.h. leitfähiger als in Richtung der c-Achse c. Daher kann im sup raleitenden Zustand der magnetische Fluss einer Folie 20 deutlich besser in Richtung der c-Achse c, d.h. senkrecht zu den flächigen Erstreckungen der Folie 20, geleitet werden. Folglich ist die Keramik vorzugsweise in Richtungen der c- Achse c magnetisierbar, sodass der Keramikstab 10 aus mehre ren Abschnitten mit unterschiedlichen Orientierungen der c- Achse c zusammengesetzt ist:

Der Keramikstab 10 erstreckt sich mit seiner Längserstreckung entlang einer Längsachse L und weist in Ebenen senkrecht zur Längsachse L ein rechteckiges, im dargestellten Ausführungs beispiel ein quadratisches, Profil auf. In Richtung der

Längsachse L des Keramikstabes 10 weist der Keramikstab 10 zwei Enden 30 auf, welche jeweils mit sich in Richtung der Längsachse L erstreckenden planen Folien 20 gebildet sind, die in einer Stapelfolge in Richtung senkrecht zur Längsachse L (in der Zeichnung in horizontaler Richtung) aneinander ge stapelt sind. Folglich sind die c-Achsen c der hochtempera tursupraleitenden Keramik an den Enden 30 des Keramikstabes 10 senkrecht zur Längsachse L des Keramikstabes 10 orien tiert .

Zwischen den Enden 30 des Keramikstabes 10 weist der

Keramikstab 10 eine Stapelfolge von sich mit ihren flächigen Erstreckungen senkrecht zur Längsachse L erstreckenden Folien 20 auf. Die Richtung der Stapelfolge der Folien 20 fällt dort also mit der Längsachse L des Keramikstabes 10 zusammen.

Mit diesem Aufbau ist der Keramikstab 10 in einer Haibach- Konfiguration magnetisierbar: Denn entlang der Längsachse L wechselt die Orientierung der c-Achse der Keramik des

Keramikstabes 10 in aufeinanderfolgenden Abschnitten des Keramikstabes 10 um jeweils 90 Grad. Grundsätzlich lässt sich ein solcher Aufbau in Längsrichtung L des Keramikstabes wei ter fortsetzen (Fig. 2).

Der Keramikstab 10 wird wie in Fig. 1 dargestellt in einer Halbach-Anordnung magnetisiert, indem eine gebogene Zylinder spule 50 als Magnetisierungseinrichtung herangezogen wird.

Die Zylinderspule 50 ist derart gebogen, dass sich die Zylin derspule 50 nicht um eine gerade Längsachse windet, sondern stattdessen windet sich die Zylinderspule um einen halben Kreisumfang 60. Die Zylinderspule 50 ist derart dimensio ^¬ niert, dass die Enden der Zylinderspule 50 in Richtung senk ^¬ recht zur Längsachse L auf die Enden 30 des Keramikstabes 10 zu weisen. Mittels dieser Anordnung der Zylinderspule 50 kop ^¬ pelt der magnetische Fluss 70 senkrecht zur Längsachse L in ein Ende 30 des Keramikstabes 10 ein, wird zwischen den Enden in Richtung der Längsachse L umgelenkt und koppelt am anderen Ende 30 des Keramikstabes 10 senkrecht zur Längsachse L aus dem Keramikstab 10 wieder aus und in die Zylinderspule 50 ein .

In weiteren Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen dem Dar gestellten entsprechen, kann ein Wechsel der Orientierung der c-Achsen in einer hochtemperatursupraleitenden Keramik auf eine andere Weise als mittels abschnittsweise unterschiedli ^¬ chen Stapelfolgen realisiert sein. So lässt sich wie in Fig.

3 dargestellt ein Wechsel der Orientierung der c-Achsen mit tels aneinander geklebter keilförmiger Kreissektoren 75 der hochtemperatursupraleitenden Keramik aufbauen, wobei die Kreissektoren 75 die Folien 20 ersetzen. Die Kreissektoren 75 sind radial um ein Zentrum 80 angeordnet und aneinander ge ^¬ klebt, wobei die c-Achsen c der hochtemperatursupraleitenden Keramik in umfänglicher Richtung um das Zentrum 80 orientiert sind. Auch in dieser Konfiguration lässt sich der magnetische Fluss schrittweise zur Realisation einer Haibach- Konfiguration umlenken.

Der Keramikstab 10 lässt sich auch mittels einer Magnetisie ^¬ rungseinrichtung in Gestalt einer Anti-Helmholtz-Anordnung wie in Fig. 4 gezeigt in einer Halbach-Konfiguration magneti sieren: Dazu werden die Enden der gebogenen Zylinderspule 50 der Konfiguration gern. Fig. 1 mit jeweils einem Ende je einer geraden Zylinderspule 90, 100 eines Spulenpaares 110 er ^¬ setzt. Dazu sind die Zylinderspulen 90, 100 parallel zueinan ^¬ der angeordnet und weisen jeweils mit je einem Ende in Rich ^¬ tung senkrecht zur Längsachse L des Keramikstabes 10 auf die Enden 30 des Keramikstabes 10 zu. Anstelle des zwischen den Enden der gebogenen Zylinderspule 50 befindlichen Teils der Zylinderspule 50 tritt ein flussleitendes Joch 120 (in Fig. 4 nicht in Gänze gezeigt), welches die Zylinderspulen 90, 100 an ihren, dem Keramikstab 10 fernen, Enden 130, 140 der gera den Zylinderspulen 90, 100 des Spulenpaares 110 flussleitend miteinander verbindet. Entsprechend lässt sich mit den ver bundenen Spulen der Keramikstab 10 in einer Haibach- Konfiguration magnetisieren.

In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nicht lediglich ein einziges Spulenpaar 110 vorhanden, sondern es ist zusätzlich ein zweites Spulenpaar 150 vorhanden, dessen Zylinderspulen 160, 170 mit je einer Zylinderspule 90, 100 des Spulenpaares 110 koaxial orientiert sind, wobei der

Keramikstab 10 zwischen den beiden Spulenpaaren 110, 150 be findlich ist. Dabei sind die Spulenpaare 110, 150 derart bestromt, dass der magnetische Fluss koaxial zueinander ori entierter Zylinderspulen 90, 160 oder 100, 170 innerhalb der Zylinderspulen 90, 160 oder 100, 170 jeweils einander entge gengesetzt orientiert ist. Auf diese Weise ist die Umlenkung des magnetischen Flusses parallel zur Längsachse L des

Keramikstabes 10 unterstützt. Aus Symmetriegründen wird im in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel nicht allein ein einziger Keramikstab 10 magnetisiert, sondern es wird zusätz lich ein weiterer Keramikstab 175 magnetisiert, welcher mit seiner Längserstreckung parallel zu jener des Keramikstabes 10 orientiert ist. Dabei sind Keramikstab 10 und der weitere Keramikstab 175 nicht mittig zwischen den beiden Spulenpaaren 110, 150 befindlich, sondern jeweils einem der beiden Spulen paare 110, 150 näher angeordnet.

In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen wird als hochtemperatursupraleitende Keramik für den

Keramikstab 10 keine Keramik herangezogen, welche nur in Richtung einer c-Achse magnetisierbar ist. Stattdessen wird eine Keramik herangezogen, bei welcher der supraleitende Strom keine Vorzugsrichtung oder Vorzugsebene aufweist, etwa MgB . Das erfindungsgemäße hybridelektrische Flugzeug 400 weist zum Antrieb eines Propellers 405 eine erfindungsgemäße elektri sche Maschine 410 mit einem supraleitenden Rotor mit einem wie vorstehend beschrieben hergestellten supraleitenden Mag neten 10 auf. In einem weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel kann der supraleitende Magnet 10 Teil ei nes supraleitenden Stators der elektrischen Maschine 410 des Flugzeugs 400 sein.

In weiteren Ausführungsbeispielen, die hier nicht gesondert dargestellt sind, ist das hybridelektrische Luftfahrzeug ein sonstiges Luftfahrzeug.