DE102017205425A1

DE102017205425A1 - Superconductive permanent magnet

Info

Publication number: DE102017205425A1
Application number: DE102017205425.5A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Buchheim
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2018-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Permanentmagneten für eine elektrische Maschine, der bspw. an einem Rotor der Maschine befestigt sein kann. Der Permanentmagnet besteht aus einem supraleitfähigen Material, bspw. ReBCO oder MgB2, in welches Kohlenstoffnanoröhren als Störstellen eingebracht sind.The invention relates to a superconducting permanent magnet for an electric machine, which can be attached, for example, to a rotor of the machine. The permanent magnet consists of a superconductive material, for example. ReBCO or MgB2, in which carbon nanotubes are introduced as impurities.

Description

Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Permanentmagneten für eine elektrische Maschine, der bspw. an einem Rotor der Maschine befestigt sein kann. Die Maschine kann als Generator oder als Elektromotor verwendet werden.The invention relates to a superconducting permanent magnet for an electric machine, which can be attached, for example, to a rotor of the machine. The machine can be used as a generator or as an electric motor.

Zum Antrieb von Luftfahrzeugen wie bspw. Flugzeugen oder Helikoptern oder auch für elektrisch angetriebene Wasserfahrzeuge etc. werden als Alternative zu den gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen Konzepte beruhend auf elektrischen Antriebssystemen untersucht und eingesetzt. Ein derartiges elektrisches oder hybrid-elektrisches Antriebssystem weist in der Regel eine oder mehrere elektrische Maschinen auf, die je nach Verwendungszweck im Antriebssystem als Generator und/oder als Elektromotor konfiguriert sein können. Die für derartige mobile Anwendungen einzusetzenden elektrischen Antriebe sowie die entsprechenden Maschinen müssen sich, um die benötigten Leistungen erzeugen zu können, durch extrem hohe Leistungsdichten auszeichnen. Während für viele technische Anwendungen Leistungsdichten in Größenordnungen bis zu 2kW/kg ausreichend sind, werden bspw. für die Elektrifizierung der Luftfahrt, d.h. für elektrisch oder hybrid-elektrisch angetriebene Luftfahrzeuge, aber auch für andere -insbesondere mobile- Anwendungen elektrische Maschinen mit Leistungsdichten von mindestens 20kW/kg angestrebt.For propulsion of aircraft such as. Airplanes or helicopters or for electrically powered watercraft, etc. As an alternative to the conventional internal combustion engines concepts based on electric drive systems are investigated and used. Such an electric or hybrid-electric drive system generally has one or more electrical machines, which can be configured as a generator and / or as an electric motor depending on the intended use in the drive system. The electric drives to be used for such mobile applications and the corresponding machines must be characterized by extremely high power densities in order to generate the required power. While power densities of up to 2kW / kg are sufficient for many technical applications, for example, for the electrification of aviation, i. for electric or hybrid electric powered aircraft, but also for other - especially mobile applications - electrical machines with power densities of at least 20kW / kg sought.

Für die genannten mobilen Anwendungen werden demnach hochleistungsdichte, elektrische Maschinen benötigt. Bekanntermaßen weist eine elektrische Maschine typischerweise einen mit einer Vielzahl von elektrischen Spulen ausgestatteten Stator sowie einen mit Permanentmagneten ausgestatteten, gegenüber dem Stator um eine Rotationsachse A rotierbaren Rotor auf. Im Betriebszustand der elektrischen Maschine rotiert der Rotor gegenüber dem Stator und die Magnete treten mit den Spulen in elektromagnetische Wechselwirkung, so dass die elektrische Maschine aufgrund der Wechselwirkung in einem ersten Betriebsmodus als Generator und/oder in einem zweiten Betriebsmodus als Elektromotor arbeitet.Accordingly, high-performance electrical machines are required for the mobile applications mentioned. As is known, an electric machine typically has a stator equipped with a plurality of electric coils and a rotor equipped with permanent magnets and rotatable about a rotation axis A relative to the stator. In the operating state of the electric machine, the rotor rotates with respect to the stator and the magnets interact with the coils in electromagnetic interaction, so that the electric machine operates as a generator and / or in a second operating mode as an electric motor due to the interaction in a first operating mode.

Für dieses generelle Konzept der elektrischen Maschine ist bekannt, dass die erzielbare Leistungsdichte der Maschine u.a. von der magnetischen Flussdichte B der Permanentmagnete abhängt. Eine erhöhte Leistungsdichte kann demnach über eine Erhöhung der Flussdichte B erreicht werden. Gängige Permanentmagnete mit einer höheren Flussdichte B weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie gegenüber den Magneten mit geringerer Flussdichte B typischerweise wesentlich schwerer sind, was sich wiederum negativ auf die Leistungsdichte auswirkt. Desweiteren ist die maximale Flussdichte durch die Dichte der Elektronen-Spins im Material bedingt. Für NdFeB erreicht man z.B. 1.2T.For this general concept of the electric machine is known that the achievable power density of the machine u.a. depends on the magnetic flux density B of the permanent magnets. An increased power density can therefore be achieved by increasing the flux density B. However, common permanent magnets with a higher flux density B have the disadvantage that they are typically much heavier compared to the magnets with lower flux density B, which in turn has a negative effect on the power density. Furthermore, the maximum flux density is due to the density of the electron spins in the material. For NdFeB, e.g. 1.2T.

Eine Verbesserung der Leistungsdichte ohne entsprechende Einbußen bzgl. des Gewichts verspricht sich von der Verwendung supraleitender Permanentmagnete aufgrund der mit diesen erzielbaren höheren magnetischen Flussdichten B. Die mit einem supraleitfähigen Permanentmagneten maximal erzeugbare magnetische Flussdichte BAM hängt im Wesentlichen linear mit der maximalen, die Flussdichte B begründenden Stromdichte Ja im Permanentmagneten zusammen. Die Stromdichte Jc ist ihrerseits abhängig von der Verteilungsdichte bzw. Anzahl, der Größe und der Qualität von sog. „Flux Pinning“ Zentren, d.h. bestimmten Störstellen im Material des supraleitfähigen Permanentmagneten, wobei die maximale Stromdichte Jc bspw. mit der Anzahl derartiger Störstellen ansteigt, bis bei einer Konzentration von 10-20Vol% in die Sättigung geht. Der Begriff „Flux Pinning“ beschreibt dabei ein im Umfeld der Supraleitung bekanntes Phänomen, bei dem es zu einer Fixierung von magnetischen Feldlinien eines Magneten in einem supraleitenden Material kommt, was dazu führt, dass der Supraleiter in einem festen Abstand an den Magneten gebunden ist. Das Eintreten und die Stärke des Flux Pinning Effekts ist jedoch davon abhängig, dass die Kristallstruktur des supraleitfähigen Materials bspw. aufgrund von Korngrenzen oder Verunreinigungen des Materials die genannten Störstellen aufweist.An improvement in the power density without corresponding losses in terms of weight is expected from the use of superconducting permanent magnets due to the higher magnetic flux densities B achievable therewith. The maximum magnetic flux density BAM which can be generated with a superconductive permanent magnet depends essentially linearly with the maximum, which establishes the flux density B. Current density Yes in the permanent magnet together. The current density Jc is in turn dependent on the distribution density or number, size and quality of so-called "flux pinning" centers, i. certain impurities in the material of the superconducting permanent magnet, wherein the maximum current density Jc, for example. With the number of such impurities increases until it goes to a concentration of 10-20Vol% in the saturation. The term "flux pinning" describes a phenomenon known in the field of superconductivity, in which magnetic field lines of a magnet are fixed in a superconducting material, which results in the superconductor being bound to the magnet at a fixed distance. However, the onset and strength of the flux pinning effect is dependent on the fact that the crystal structure of the superconducting material, for example, due to grain boundaries or impurities of the material having said impurities.

Um also eine hohe Leistungsdichte der elektrischen Maschine zu erzielen, was in diesem Fall durch Erhöhung der magnetischen Flussdichte B angestrebt wird, wird das den supraleitfähigen Permanentmagneten bildende Material gezielt mit derartigen Störstellen angereichert, was wie beschrieben zu einer Erhöhung der maximalen Stromdichte Jc und in der Folge zu einer entsprechenden Erhöhung der maximalen Flussdichte Bmax führt. Hierbei hat sich herausgestellt, dass die als „ROCD“ (für „randomly oriented columnar defects“) bezeichneten Störstellen bspw. bei ReBCO-Supraleitern (ReBCO für „Rare-Earth Barium-Copper-Oxide“) sehr effizient durch Spaltung von Uran-Verunreinigungen im Material des Supraleiters erzeugt werden können. Derartige supraleitfähige Materialien werden hergestellt, indem das dem herzustellenden Supraleiter zu Grunde liegende Präkursormaterial mit radioaktivem Uran dotiert und anschließend zur Anregung von Kernspaltungsprozessen mit Neutronen bestrahlt wird. Aufgrund des hierbei nicht zu vermeidenden Auftretens von radioaktiver Strahlung ist dieses Verfahren jedoch offenkundig nachteilig.In order to achieve a high power density of the electric machine, which is aimed in this case by increasing the magnetic flux density B, the superconducting permanent magnet material forming is selectively enriched with such impurities, which as described to increase the maximum current density Jc and in the Result leads to a corresponding increase in the maximum flux density Bmax. It has been found that the so-called "ROCD" (for "randomly oriented columnar defects") designated impurities, for example, in ReBCO superconductors (ReBCO for "rare earth barium copper oxides") very efficient by splitting uranium contaminants can be produced in the material of the superconductor. Such superconducting materials are produced by doping the precursor material underlying the superconductor to be produced with radioactive uranium and then irradiating it with neutrons to excite nuclear fission processes. However, due to the unavoidable occurrence of radioactive radiation, this process is obviously disadvantageous.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Möglichkeit anzugeben, die maximale magnetische Flussdichte eines Permanentmagneten und hiermit die Leistungsdichte eines mit dem Permanentmagneten ausgestatteten elektrischen Maschine zu erhöhen.It is therefore an object of the present invention to provide an alternative possibility, the maximum magnetic flux density of a permanent magnet and hereby the power density of a to increase equipped with the permanent magnet electric machine.

Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 beschriebenen Permanentmagneten, das in Anspruch 6 beschriebene Verfahren und die in Anspruch 7 erläuterte elektrische Maschine gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.This object is achieved by the permanent magnet described in claim 1, the method described in claim 6 and the explained in claim 7 electric machine. The subclaims describe advantageous embodiments.

Ein erfindungsgemäßer supraleitfähiger Permanentmagnet weist zunächst ein Material auf, welches bei Unterschreiten eines Temperaturschwellwertes in einen supraleitenden Zustand übergeht, wobei in das Material als ROCDs Störstellen eingebracht sind. Vorteilhafterweise sind die Störstellen Kohlenstoffnanoröhren. Der Temperaturschwellwert ist auch als Sprungtemperatur des jeweiligen supraleitfähigen Materials bekannt. Die Konzentration der Störstellen im Material bleibt sinnvollerweise unter dem Schwellwert, bei dem wie einleitend erwähnt eine Sättigung eintritt.A superconductive permanent magnet according to the invention initially has a material which changes into a superconducting state when the temperature falls below a temperature threshold value, with impurities being introduced into the material as ROCDs. Advantageously, the impurities are carbon nanotubes. The temperature threshold is also known as the transition temperature of the respective superconducting material. The concentration of the impurities in the material is usefully below the threshold value at which saturation occurs as mentioned in the introduction.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept, welches letztlich zu einer Erhöhung der Leistungsdichte der elektrischen Maschine führt, basiert auf einer Erhöhung der maximalen magnetischen Flussdichte Bmax der supraleitfähigen Permanentmagnete der Maschine. Dies wird durch eine Anreicherung des supraleitfähigen Materials der Permanentmagente mit Störstellen erreicht, wobei als Störstellen insbesondere Kohlenstoffnanoröhren (im Folgenden auch „CNTs“ für „carbon nano tubes“) verwendet werden.The concept underlying the invention, which ultimately leads to an increase in the power density of the electric machine, is based on an increase in the maximum magnetic flux density Bmax of the superconducting permanent magnets of the machine. This is achieved by an enrichment of the superconducting material of the permanent magenta with impurities, wherein as impurities in particular carbon nanotubes (hereinafter also "CNTs" for "carbon nanotubes") are used.

Durch die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren zur Realisierung der Störstellen ergeben sich diverse Vorteile. Zum Einen sind CNT-basierte Störstellen bzw. ROCDs selbst nicht radioaktiv. Desweiteren kann zur Herstellung auf radioaktive Bestrahlung verzichtet werden. Darüber hinaus ergeben sich für das supraleitfähige Material aufgrund der bekannten mechanischen Eigenschaften von CNT-Materialien Vorteile hinsichtlich der mechanischen Stabilität, d.h. die CNTs wirken als strukturelle Verstärkung des Materials.The use of carbon nanotubes for the realization of the impurities offers various advantages. On the one hand, CNT-based impurities or ROCDs themselves are not radioactive. Furthermore, can be dispensed with radioactive irradiation for the production. Moreover, due to the known mechanical properties of CNT materials, the superconductive material has mechanical stability advantages, i. the CNTs act as a structural reinforcement of the material.

Eine Verbesserung des beschriebenen Effekts, einhergehend mit einer Steigerung der maximal erzeugbaren magnetischen Flussdichte, kann erzielt werden, indem passend dimensionierte Kohlenstoffnanoröhren gewählt werden. Die Kohlenstoffnanoröhren sind vorteilhafterweise derart dimensioniert, dass das Verhältnis AR ihrer Längserstreckung L zu ihrem Durchmesser D in einem Bereich zwischen AR=L/D=[10^3,...,10^6] und insbesondere in einer Größenordnung von AR=L/D=10^5 liegt, und/oder wenn die Kohlenstoffnanoröhren derart dimensioniert sind, dass ihre Durchmesser D in der Größenordnung der Kohärenzlänge des Materials des Permanentmagneten liegen, welches dem Magneten die Eigenschaft der Supraleitfähigkeit verleiht. Dabei ist die Kohärenzlänge ein für das supraleitfähige Material typischer Parameter, der den Abstand angibt, über den die Wechselwirkung zwischen den beiden Elektronen eines Cooper-Paares des Materials wirkt. Der Permanentmagnet kann bspw. ein ReBCO- oder MgB2-basierter Magnet sein, d.h. als Material kann bspw. ReBCO oder MgB2 verwendet werden. Bspw. weist MgB2 eine Kohärenzlänge von 5-6nm auf, weswegen der Durchmesser D der CNTs in einer Größenordnung von 5-20nm liegen sollte.An improvement of the described effect, along with an increase in the maximum producible magnetic flux density, can be achieved by choosing appropriately sized carbon nanotubes. The carbon nanotubes are advantageously dimensioned such that the ratio AR of their longitudinal extension L to their diameter D in a range between AR = L / D = [10 ^ 3, ..., 10 ^ 6] and in particular in the order of AR = L / D = 10 ^ 5, and / or if the carbon nanotubes are dimensioned such that their diameters D are on the order of the coherence length of the material of the permanent magnet, which gives the magnet the property of superconductivity. The coherence length is a typical parameter for the superconducting material, which indicates the distance over which the interaction between the two electrons of a Cooper pair of the material acts. The permanent magnet may be, for example, a ReBCO or MgB2 based magnet, i. as material, for example, ReBCO or MgB2 can be used. For example. For example, MgB2 has a coherence length of 5-6nm, so the diameter D of the CNTs should be on the order of 5-20nm.

In einem Verfahren zur Herstellung eines solchen supraleitfähigen Permanentmagneten wird ein Material bereitgestellt, welches bei Unterschreiten eines Temperaturschwellwertes in einen supraleitenden Zustand übergeht. Anschließend werden Kohlenstoffnanoröhren als Störstellen bzw. ROCDs in das Material eingebracht.In a method for producing such a superconductive permanent magnet, a material is provided, which goes into a superconducting state when falling below a temperature threshold. Subsequently, carbon nanotubes are introduced into the material as impurities or ROCDs.

Dabei werden die Kohlenstoffnanoröhren derart in das Material eingebracht, dass sich eine zufällige Verteilung der Kohlenstoffnanoröhren im Material ergibt. Hierzu können die Ausgangsstoffe von MgB2 oder ReBCO als Pulver vermischt. Die CNTs können dem Pulver dabei untergemischt werden.The carbon nanotubes are introduced into the material in such a way that a random distribution of the carbon nanotubes in the material results. For this purpose, the starting materials of MgB2 or ReBCO can be mixed as a powder. The CNTs can be mixed into the powder.

Eine elektrische Maschine mit hoher Leistungsdichte weist demnach einen Stator mit zumindest einer Statorspule sowie einen gegenüber dem Stator rotierbaren Rotor mit zumindest einem derartigen, supraleitfähigen Permanentmagneten auf. Stator und der Rotor sind derart zueinander angeordnet, dass im Betriebszustand der elektrischen Maschine die Statorspule und der Permanentmagnet elektromagnetisch miteinander wechselwirken, so dass die Maschine als Generator oder als Elektromotor arbeitet.An electric machine with a high power density accordingly has a stator with at least one stator coil and a rotor rotatable relative to the stator with at least one such superconducting permanent magnet. Stator and the rotor are arranged to each other such that in the operating state of the electric machine, the stator coil and the permanent magnet interact electromagnetically with each other, so that the machine operates as a generator or as an electric motor.

Lediglich zur Begriffsklärung sei angemerkt, dass Komponenten von Vorrichtungen, die einen Supraleiter umfassen, oft als supraleitende Komponenten bezeichnet werden. So spricht man beispielsweise bei elektrischen Maschinen von einer supraleitenden Maschine, wenn innerhalb des Stators oder häufiger des Rotors Supraleiter zum Einsatz kommen, obwohl ggf. nicht sämtliche Komponenten der Maschine supraleitend sind. Da in diesem Zusammenhang der Begriff „supraleitend“ insofern misinterpretiert werden kann, als dass er fälschlicherweise suggeriert, dass die Komponente in jedem Zustand, d.h. insbesondere auch bei jeder Temperatur, supraleitend ist, wird im Folgenden und insbesondere in den Ansprüchen der Begriff „supraleitfähig“ verwendet. Dabei soll eine „supraleitfähige“ Komponente eine Komponente sein, die bei entsprechender Temperatur supraleitend ist.Merely for clarity, it should be noted that components of devices comprising a superconductor are often referred to as superconducting components. For example, in electrical machines, one speaks of a superconducting machine when superconductors are used within the stator or, more commonly, the rotor, although not all components of the machine may be superconducting. In this context, as the term "superconducting" can be misinterpreted as mistakenly suggesting that the component in each state, i. especially at any temperature, superconducting is used in the following and in particular in the claims, the term "superconductive". In this case, a "superconductive" component should be a component which is superconducting at the appropriate temperature.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus der Zeichnung und der entsprechenden Beschreibung. In the following the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Further advantages and embodiments will become apparent from the drawing and the corresponding description.

Es zeigen:

1 eine elektrische Maschine,
2 einen supraleitfähigen Permanentmagneten.

Show it:

1 an electric machine,
2 a superconductive permanent magnet.

Die 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer elektrischen Maschine 100. Die Maschine 100 weist einen Rotor 110 mit Permanentmagneten 130 sowie einen Stator 120 mit Statorspulen 140 auf. Der Rotor 110 ist gegenüber dem Stator 120 um eine Rotationsachse A rotierbar. Im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 rotiert der Rotor 110 gegenüber dem Stator 120. Rotor 110 und Stator 120 sind derart zueinander angeordnet, dass ein Magnetfeld der Permanentmagnete 130 und die Spulen 140 derart in elektromagnetische Wechselwirkung miteinander treten, dass die elektrische Maschine 100 aufgrund der Wechselwirkung in einem ersten Betriebsmodus als Generator und/oder in einem zweiten Betriebsmodus als Elektromotor arbeitet. Arbeitet die elektrische Maschine 100 als Generator, so werden der Rotor 110 und mit ihm die Permanentmagnete 130 bspw. über eine nicht dargestellte Welle der elektrischen Maschine 100 in Rotation versetzt, so dass in den Spulen 140 des Stators 120 elektrische Spannungen induziert werden, die über nicht dargestellte elektrische Anschlüsse abgegriffen werden können. Soll die elektrische Maschine 100 als Elektromotor arbeiten, so werden die Spulen 140 mit elektrischem Strom beaufschlagt, so dass aufgrund der Wechselwirkung der hiermit erzeugten Magnetfelder mit den Feldern der Permanentmagnete 130 ein Drehmoment auf den Rotor 110 und damit auf die Welle wirkt, welches an eine anzutreibende Vorrichtung, bspw. ein Propeller, weiter gegeben werden kann. Da die grundsätzliche Arbeitsweise einer elektrischen Maschine bekannt ist, wird an dieser Stelle auf eine weiter gehende Erläuterung verzichtet.The 1 shows a schematic diagram of an electrical machine 100 , The machine 100 has a rotor 110 with permanent magnets 130 as well as a stator 120 with stator coils 140 on. The rotor 110 is opposite the stator 120 rotatable about a rotation axis A. In the operating state of the electric machine 100 rotates the rotor 110 opposite the stator 120 , rotor 110 and stator 120 are arranged to each other such that a magnetic field of the permanent magnets 130 and the coils 140 in such an electromagnetic interaction with each other that the electric machine 100 works as an electric generator due to the interaction in a first operating mode and / or in a second operating mode as an electric motor. Works the electric machine 100 as a generator, so will the rotor 110 and with it the permanent magnets 130 For example. Via a shaft, not shown, of the electric machine 100 rotated so that in the coils 140 of the stator 120 electrical voltages are induced, which can be tapped via electrical connections, not shown. Should the electric machine 100 work as an electric motor, so are the coils 140 subjected to electric current, so that due to the interaction of the magnetic fields generated therewith with the fields of the permanent magnets 130 a torque on the rotor 110 and thus acts on the shaft, which can be passed on to a device to be driven, for example. A propeller. Since the basic operation of an electric machine is known, will be omitted at this point to a more detailed explanation.

Durch Verwendung von supraleitenden Permanentmagneten 130 lässt sich wie einleitend angedeutet die Leistungsdichte der Maschine 100 erhöhen, da supraleitende Magnete 130 eine höhere magnetische Flussdichte B erzeugen. Eine weitere Erhöhung wird nun dadurch erreicht, dass die Magnete 130 bzw. das Material, aus dem die Magnete 130 hergestellt sind, mit Störstellen bzw. ROCDs 131 dotiert sind.By using superconducting permanent magnets 130 As mentioned in the introduction, the power density of the machine can be determined 100 increase because superconducting magnets 130 generate a higher magnetic flux density B Another increase is now achieved by the magnets 130 or the material from which the magnets 130 are made with impurities or ROCDs 131 are doped.

Die 2 zeigt den in der 1 mit „II“ gekennzeichneten Abschnitt 130' eines der supraleitfähigen Permanentmagnete 130 in nicht maßstabsgetreuer Darstellung. Insbesondere ist die Größe der die CNTs 131 darstellenden Objekte in der 2 nicht maßstabsgetreu. Auch die Verteilung der CNTs 131 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur einige wenige CNTs 131 exemplarisch mit Bezugszeichen versehen.The 2 shows the in the 1 marked with "II" section 130 ' one of the superconducting permanent magnets 130 in not to scale representation. In particular, the size of the CNTs 131 performing objects in the 2 not to scale. Also the distribution of CNTs 131 is merely an example. For clarity, only a few CNTs 131 exemplified with reference numerals.

Der Magnet 130 weist ein Material M auf, welches beim Unterschreiten eines Temperaturschwellwertes in den supraleitenden Zustand übergeht, wobei der Magnet 130 bspw. ein ReBCO- oder MgB2-basierter supraleitfähiger Magnet sein kann. Im Allgemeinen kann das Material M bspw. derart gewählt sein, dass der Magnet 130 ein Typ-II-Supraleiter ist.The magnet 130 has a material M, which merges when falling below a temperature threshold in the superconducting state, wherein the magnet 130 for example, a ReBCO or MgB2-based superconductive magnet may be. In general, the material M may, for example, be selected such that the magnet 130 is a type II superconductor.

Das Material M des Magneten 130 ist mit Störstellen 131 bzw. ROCDs 131 versehen, welche wie einleitend beschrieben eine Erhöhung der maximalen Stromdichte Jc und damit eine Erhöhung der maximalen magnetischen Flussdichte Bmax des jeweiligen Permanentmagneten 130 bewirken. Eine mit einem Permanentmagneten 130, welcher ein derartiges dotiertes Material M aufweist, ausgestattete elektrische Maschine 100 zeichnet sich demnach aufgrund der hohen magnetischen Flussdichte des Magneten 130 durch eine hohe Leistungsdichte aus.The material M of the magnet 130 is with impurities 131 or ROCDs 131 provided, which as described in the introduction, an increase in the maximum current density Jc and thus an increase in the maximum magnetic flux density Bmax of the respective permanent magnet 130 cause. One with a permanent magnet 130 comprising such doped material M, equipped electrical machine 100 is characterized by the high magnetic flux density of the magnet 130 through a high power density.

Die Störstellen 131 sind insbesondere zufällig in dem Material M des Magneten 130 verteilt. Grundlegend anders als bei der einleitend beschriebenen, gängigen Methode zur Herstellung eines derartigen, mit Störstellen 131 dotierten Materials mittels Einbringung von Uran und anschließender Bestrahlung mit Neutronen wird das Material M erfindungsgemäß vorteilhafterweise mit Kohlenstoffnanoröhren bzw. CNTs 131 dotiert. Die CNTs 131 weisen einen Durchmesser D und eine Länge L auf und sind wie erwähnt in zufälliger Art und Weise in dem Material M verteilt. Dabei bezieht sich der Ausdruck „zufällig verteilt“ sowohl auf die Verteilung der Positionen der einzelnen CNTs 131 im Material M als auch auf die Orientierungen der CNTs 131 im Material M, d.h. die Längsachsen der diversen CNTs 131 sind in allen oder zumindest in den meisten Fällen nicht parallel zu einander.The impurities 131 in particular are random in the material M of the magnet 130 distributed. Fundamentally different from the initially described, common method for producing such, with impurities 131 doped material by introducing uranium and subsequent irradiation with neutrons, the material M according to the invention advantageously with carbon nanotubes or CNTs 131 doped. The CNTs 131 have a diameter D and a length L and, as mentioned, are randomly distributed in the material M. The term "randomly distributed" refers to both the distribution of the positions of the individual CNTs 131 in the material M as well as the orientations of the CNTs 131 in the material M, ie the longitudinal axes of the various CNTs 131 are not parallel to each other in all, or at least in most cases.

Vorzugsweise werden CNTs 131 verwendet, die derart dimensioniert sind, dass sie einen maximalen Flux Pinning Effekt bewirken. Hierzu trägt zum Einen die zufällige Verteilung bei, zum Anderen spielt das Verhältnis AR von Länge L zu Durchmesser D der einzelnen CNTs 131 eine tragende Rolle. Insbesondere eignet sich hierbei eine „aspect ratio“ AR=L/D=10^5. Dabei stellt es sich desweiteren vorteilhaft heraus, wenn ein Durchmesser D der CNTs 131 gewählt wird, der in einer Größenordnung der Kohärenzlänge des supraleitfähigen Materials M liegt. Dabei ist die Kohärenzlänge ein für das supraleitfähige Material M typischer Parameter, der den Abstand angibt, über den die Wechselwirkung zwischen den beiden Elektronen eines Cooper-Paares des Materials M wirkt.Preferably, CNTs 131 used, which are dimensioned so that they cause a maximum flux pinning effect. On the one hand contributes to the random distribution, on the other hand plays the ratio AR of length L to diameter D of the individual CNTs 131 a supporting role. In particular, an "aspect ratio" AR = L / D = 10 ^ 5 is suitable here. In this case, it turns out to be advantageous if a diameter D of the CNTs 131 is selected, which is in the order of the coherence length of the superconducting material M. The coherence length is a typical parameter for the superconductive material M, which indicates the distance over which the interaction between the two electrons of a Cooper pair of the material M acts.

Neben der Erzielung einer höheren maximalen magnetischen Flussdichte der Permanentmagnete 130 bewirkt die Verwendung der CNTs 131 als Störstellen im Material M aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften auch eine verbesserte mechanische Stabilität des Materials M und der Permanentmagnete 130. Desweiteren ist der vorgeschlagene Ansatz gegenüber den gängigen Verfahren von Vorteil, da keine radioaktive Strahlung zum Einsatz kommt - weder aufgrund einer Verwendung von radioaktiven Stoffen, noch durch Einsatz von Neutronen zum Bestrahlen des Materials. Die mit dem hier gezeigten Ansatz herstellbaren, supraleitfähigen Permanentmagnete stellen eine außerordentlich hohe magnetische Flussdichte bereit und bilden somit die Basis für elektrische Maschinen mit extrem hoher Leistungsdichte, wie sie bspw. für die eingangs erwähnte Elektromobilität benötigt werden.In addition to achieving a higher maximum magnetic flux density of the permanent magnets 130 causes the use of CNTs 131 as impurities in the material M due to their mechanical properties also improved mechanical stability of the material M and the permanent magnets 130 , Furthermore, the proposed approach to the current method is advantageous because no radioactive radiation is used - either due to the use of radioactive materials, or by using neutrons to irradiate the material. The producible with the approach shown here, superconductive permanent magnets provide an extremely high magnetic flux density and thus form the basis for electrical machines with extremely high power density, as they are needed, for example. For the above-mentioned electromobility.

Claims

A superconductive permanent magnet (130) comprising a material M, which passes into a superconducting state when a temperature threshold is undershot, wherein impurities (131) are introduced into the material M, characterized in that the impurities (131) are carbon nanotubes.

Permanent magnet after Claim 1 , characterized in that the carbon nanotubes (131) are dimensioned such that the ratio AR of their longitudinal extension L to their diameter D in a range AR = L / D = [10 ^ 3, ..., 10 ^ 5] and in particular in the order of AR = L / D = 10 ^ 5.

Permanent magnet according to one of the Claims 1 to 2 , characterized in that the carbon nanotubes (131) are dimensioned such that their diameters D are of the order of magnitude of the coherence length of the material M.

Permanent magnet according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the material is ReBCO or MgB2.

Method for producing a superconducting permanent magnet comprising the steps Providing a material M which changes into a superconducting state when a temperature threshold value is undershot, - Introducing impurities (131) in the material M, wherein the impurities (131) are carbon nanotubes.

Electric machine (100) having - a stator (120) with at least one stator coil (140) and - a rotor (110) rotatable relative to the stator (120) with at least one superconducting permanent magnet (130) according to one of Claims 1 to 4 wherein the stator (120) and the rotor (110) are arranged to each other such that in the operating state of the electric machine (100), the stator coil (140) and the permanent magnet (130) interact electromagnetically with each other.