WO2020025530A1 - Supraleitender magnet, verfahren zu dessen herstellung, elektrische maschine und hybridelektrisches luftfahrzeug - Google Patents

Supraleitender magnet, verfahren zu dessen herstellung, elektrische maschine und hybridelektrisches luftfahrzeug Download PDF

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WO2020025530A1
WO2020025530A1 PCT/EP2019/070340 EP2019070340W WO2020025530A1 WO 2020025530 A1 WO2020025530 A1 WO 2020025530A1 EP 2019070340 W EP2019070340 W EP 2019070340W WO 2020025530 A1 WO2020025530 A1 WO 2020025530A1
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superconducting magnet
ceramic
configuration
magnet
magnetized
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PCT/EP2019/070340
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Mykhaylo Filipenko
Peter Kummeth
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706Inner rotors
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    • H02K1/274Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
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    • H02K1/2783Surface mounted magnets; Inset magnets with magnets arranged in Halbach arrays
    • HELECTRICITY
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    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a superconducting magnet, a method for producing a superconducting magnet and an electric machine and a hybrid electric air vehicle.
  • a yoke made of iron or iron-cobalt is usually used for this. Such a yoke regularly forms the heaviest part of an electrical machine.
  • magnets made of superconducting ceramics could be used in the future. Such magnets could generate magnetic fields of up to 8 Tesla. Such field strengths would require even heavier yokes, making it difficult to achieve a high power-to-weight ratio.
  • the superconducting magnet according to the invention is magnetized in a Halbach configuration.
  • Superconducting magnets allow the construction of electrical machines with a very high power density. Such superconducting magnets enable the generation of magnetic fields with field strengths of up to 8 Tesla and higher. However, the yokes that are required in principle for guiding the magnetic flux outside the magnets would be very difficult. Because the saturation density of the typically used iron cobalt is ⁇ 2.5 T, while high-temperature superconducting magnets would drive significantly higher magnetic flux densities. As a result, yokes were unacceptably difficult for numerous purposes.
  • a yoke for guiding the magnetic flux can be dispensed with in conventional magnets if magnets are installed in a so-called Halbach configuration.
  • Halbach configuration the magnetic flux is not unidirectional, but is redirected within the magnet. The flux is therefore guided within the magnets, so to speak.
  • Halbach configurations are generally manufactured in such a way that individual, small magnets are magnetized in the normal north-south configuration and then mechanically brought together and glued in the corresponding configuration.
  • the superconducting magnet according to the invention is magnetized in a Halbach configuration. Therefore, strong me chanical forces which would oppose the assembly of a superconducting magnet do not occur in the superconducting magnet according to the invention.
  • the superconducting magnet according to the invention is preferably formed with a copper oxide-based ceramic, in particular with ReBCO, preferably GdBCO or YBCO.
  • the superconducting magnet can be spatially structured with a ceramic in such a way that it can be magnetized particularly easily into a Halbach configuration. Because with copper oxide-based superconductors, the superconducting current flows in a preferred plane, namely in an ab plane of a crystal structure of the ceramic. These preferred levels can be rotated against each other so that the magnetic flux within the superconducting magnet can be redirected in the manner of the Halbach configuration.
  • the superconducting magnet is formed with a ceramic, which is structured in such a way that c-axes of the ceramic are arranged in a spatial arrangement which speaks to the spatial arrangement of the magnetization of the Halbach configuration.
  • the magnetic flux can be diverted in the manner of a Halbach configuration with one of the spatial arrangement of the c-axes of the ceramic.
  • the superconducting magnet according to the invention is expediently formed from two or more components, each with a uniform orientation of the c-axis, preferably wedge-shaped or layered components, in particular foils and / or high-temperature superconducting strip conductors (HTS strip conductors).
  • the c plane can be rotated in discrete steps as it progresses along a spatial direction of the superconducting magnet according to the invention.
  • the magnetic field can be rotated in several successive intermediate steps by an arbitrarily large angle, in particular by 180 °, i.e. redirect.
  • the superconducting magnet is formed with a spatially unstructured ceramic.
  • the superconducting magnet is magnetically structured solely by the magnetization.
  • the ceramic is particularly preferably a ceramic which has no preferred direction for the superconducting current, in particular MgB.
  • magnetization in a Halbach configuration is possible without prior structuring of the material of the magnet.
  • the superconducting magnet is particularly advantageously a high-temperature superconducting magnet.
  • the magnet is magnetized in a Halbach configuration by means of a magnetization device.
  • a magnetization device is particularly preferably used which comprises at least one coil or an arrangement of one or more coils for generating a magnetic field.
  • the coils are spatially arranged and energized such that the coils allow magnetization of a workpiece, ie a magnet, in the spatial configuration of a Halbach configuration.
  • the invention makes it possible to dispense with the mechanical assembly of the Haibach configuration in the case of high-temperature superconducting magnets and instead to freeze the field directly in a Halbach configuration during the magnetization process.
  • a curved solenoid is particularly preferably used, which is bent in particular in such a way that the two ends of the solenoid point in the same direction.
  • the magnetic flux can be spatially spaced and, in particular, impressed in the magnet in an antipa rallel configuration.
  • the magnetization device has an anti-Helmholtz configuration.
  • the magnet to be magnetized can be arranged in an area between the coils, since a magnetic field is formed there, the spatial shape of which resembles that of a Halbach configuration.
  • the magnetization device is preferably designed for magnetization by means of a pulse magnetization method (ie a pulse magnetization method).
  • a pulse magnetization method ie a pulse magnetization method.
  • even two magnets can be magnetized simultaneously for reasons of field symmetry.
  • the electrical machine according to the invention is in particular a motor and / or a generator and has a superconducting magnet as described above, in particular produced by a method according to the invention as previously described.
  • the hybrid electric aircraft according to the invention is in particular an aircraft and has an electrical machine according to the invention as described above.
  • Fig. 1 an inventive
  • Fig. 2 shows another embodiment of a
  • Fig. 3 shows a further exemplary embodiment of a
  • high-temperature superconducting magnets which are formed with wedge-shaped components from a ceramic with a uniform alignment of the c-axis, schematically in cross section,
  • Fig. 4 shows another embodiment of a
  • FIG. 5 schematically shows a hybrid electric aircraft according to the invention in a top view.
  • the high-temperature superconducting magnet according to the invention shown in FIG. 1 is magnetized as described below with a method according to the invention for producing a superconducting magnet:
  • a ceramic rod 10 is used, which consists of several foils 20 in the illustrated embodiment, in the illustrated embodiment HTS ribbon conductors, made of high-temperature superconducting ceramic.
  • the ceramic rod 10 is laminated from these foils 20.
  • the high-temperature superconducting ceramic is GdBa2Cu30 7 _5 (GdBCO) in the exemplary embodiment shown, but can also be yttrium-barium copper oxide, ie YBa2Cu30 7-x ( YBCO), or another rare earth barium copper oxide, ie REBaCuO, in further exemplary embodiments which are not specifically shown (REBCO) (RE forms a placeholder for rare earth elements in the manner of an abbreviation for the English term "rare earth”).
  • the high-temperature superconducting ceramic has a crystal structure with an excellent c-axis c.
  • the high-temperature superconducting ceramic is highly anisotropic in its superconducting properties and, in planes perpendicular to this c-axis c (ab planes of the crystal structure), which each run parallel to the planar extents of the foils 20, is particularly good electrical conductivity, ie more conductive than in Direction of the c-axis c. Therefore, the magnetic flux of a film 20 can be conducted significantly better in the direction of the c-axis c, ie perpendicular to the planar extents of the film 20, in the sup ralonducting state. Consequently, the ceramic can preferably be magnetized in the directions of the c-axis c, so that the ceramic rod 10 is composed of several sections with different orientations of the c-axis c:
  • the ceramic rod 10 extends with its longitudinal extent along a longitudinal axis L and has a rectangular plane in planes perpendicular to the longitudinal axis L, for example a square profile in the illustrated embodiment.
  • the ceramic rod 10 has two ends 30, which are each formed with extending in the direction of the longitudinal axis L plan films 20, the ge in a stacking sequence in the direction perpendicular to the longitudinal axis L (in the drawing in the horizontal direction) are stacked. Consequently, the c-axes c of the high-temperature superconducting ceramic are oriented at the ends 30 of the ceramic rod 10 perpendicular to the longitudinal axis L of the ceramic rod 10.
  • Ceramic rod 10 has a stacking sequence of foils 20 which extend with their flat extensions perpendicular to the longitudinal axis L.
  • the direction of the stacking sequence of the foils 20 thus coincides with the longitudinal axis L of the ceramic rod 10.
  • the ceramic rod 10 can be magnetized in a Haibach configuration: because along the longitudinal axis L the orientation of the c-axis of the ceramic changes
  • the ceramic rod 10 is magnetized as shown in Fig. 1 in a Halbach arrangement by using a curved cylinder coil 50 as a magnetization device.
  • the solenoid 50 is bent such that the Zylin derspule 50 does not wind around a straight longitudinal axis, but Instead, the cylindrical coil winds around a half circumference 60.
  • the solenoid 50 is so defined dimensio ⁇ that the ends of the cylindrical coil 50 to have perpendicular ⁇ in the direction right to the longitudinal axis L on the ends 30 of the ceramic rod 10 degrees.
  • the solenoid 50 LAD ⁇ the magnetic flux 70 pelt perpendicular to the longitudinal axis L in an end 30 of the ceramic rod 10 a is deflected between the ends in the direction of the longitudinal axis L and coupling at the other end 30 of the ceramic rod 10 perpendicular to the longitudinal axis L of the ceramic rod 10 out again and into the solenoid 50.
  • a change in the orientation of the c-axes in a high-temperature superconducting ceramic can be realized in a different way than by means of stack sequences which differ in sections. So as in Fig.
  • FIG 3 shows a change in the orientation of the c-axes by means of wedge-shaped circular sectors 75 of the high-temperature superconducting ceramic which are bonded to one another, the circular sectors 75 replacing the foils 20.
  • the circular sectors 75 are arranged radially around a center 80 and are glued to one another, the c-axes c of the high-temperature superconducting ceramic being oriented in the circumferential direction around the center 80. In this configuration, too, the magnetic flux can be gradually redirected to implement a Haibach configuration.
  • the ceramic rod 10 can also be by means of a magnetization ⁇ inference means in the form of an anti-Helmholtz arrangement as shown in Figure 4 in a Halbach configuration magneti Sieren.
  • a magnetization ⁇ inference means in the form of an anti-Helmholtz arrangement as shown in Figure 4 in a Halbach configuration magneti Sieren.
  • the ends of the curved cylindrical coil 50 of the configuration like.
  • Fig. 1 with one end each a straight solenoid 90, 100 of a pair of coils 110 he ⁇ sets.
  • the solenoids 90, 100 parallel zueinan ⁇ are disposed and in each case with one end in Rich ⁇ tung perpendicular to the longitudinal axis L of the ceramic rod 10 to the ends 30 of the ceramic rod 10 to.
  • the straight cylinder coils 90, 100 of the coil pair 110 connects to one another in a flux-conducting manner. Accordingly, can be magnetized with the connected coils of the ceramic rod 10 in a Haibach configuration.
  • Ceramic rod 10 between the two pairs of coils 110, 150 be sensitive.
  • the coil pairs 110, 150 are energized in such a way that the magnetic flux coaxially oriented solenoids 90, 160 or 100, 170 within the solenoids 90, 160 or 100, 170 are oriented opposite each other. In this way, the deflection of the magnetic flux is parallel to the longitudinal axis L of the
  • Ceramic rod 10 supports. For reasons of symmetry, not only a single ceramic rod 10 is magnetized in the exemplary embodiment shown in FIG. 4, but also a further ceramic rod 175 is magnetized, which is oriented parallel to that of the ceramic rod 10 with its longitudinal extent. Ceramic rod 10 and the further ceramic rod 175 are not located centrally between the two pairs of coils 110, 150, but rather are each one of the two pairs of coils 110, 150 arranged closer.
  • the high-temperature superconducting ceramic for the high-temperature superconducting ceramic for the high-temperature superconducting ceramic
  • Ceramic rod 10 no ceramic used, which can only be magnetized in the direction of a c-axis. Instead, a ceramic is used in which the superconducting current has no preferred direction or plane, such as MgB.
  • the hybrid-electric aircraft 400 according to the invention has an electrical machine 410 according to the invention with a superconducting rotor with a superconducting magnet 10 produced as described above for driving a propeller 405.
  • the superconducting magnet 10 can be part of a superconducting stator of the electrical machine 410 of the aircraft 400.
  • the hybrid-electric aircraft is another aircraft.

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Abstract

Der supraleitende Magnet ist in einer HaIbach-Konfiguration magnetisiert. Bei dem Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Magneten wird mittels einer Magnetisierungseinrichtung magnetisiert. Die elektrische Maschine weist solche Magneten auf. Das hybridelektrische Luftfahrzeug ist insbesondere Flugzeug und weist eine solche elektrische Maschine auf.

Description

Beschreibung
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 GdBa2Cu307_5 (GdBCO) , kann in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen aber auch Yttrium-Barium-Kupferoxid, also YBa2Cu307-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.

Claims

Patentansprüche
1. Supraleitender Magnet (10), welcher in einer Haibach- Konfiguration magnetisiert ist.
2. Supraleitender Magnet (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher mit einer kupferoxidbasierten Keramik ge bildet ist, insbesondere mit ReBCO, vorzugsweise GdBCO oder YBCO .
3. Supraleitender Magnet nach einem der vorhergehenden An sprüche, welcher mit einer Keramik gebildet ist, die derart strukturiert ist, dass c-Achsen (c) der Keramik in einer räumlichen Anordnung angeordnet sind, die der räumlichen An ordnung der Magnetisierung der Halbach-Konfiguration ent spricht .
4. Supraleitender Magnet nach einem der vorhergehenden An sprüche, welcher aus zwei oder mehr Komponenten (20) mit je einheitlicher Ausrichtung der c-Achse, vorzugsweise keilför migen oder schichtförmigen Komponenten, gebildet ist.
5. Supraleitender Magnet, welcher mit einer räumlich unstruk turierten Keramik gebildet ist.
6. Supraleitender Magnet, welcher ein hochtemperatursupralei tender Magnet ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Magneten (10, 175) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei wel chem der Magnet mittels einer Magnetisierungseinrichtung (50; 90, 100, 120, 160, 170) magnetisiert wird.
8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die Magnetisierungseinrichtung (50; 90, 100, 120, 160, 170) zumindest eine Spule (50, 90, 100, 160, 170) aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mittels der Magnetisierungseinrichtung (50; 90, 100, 120, 160, 170) in Anti-Helmholtz-Konfiguration magnetisiert wird .
10. Elektrische Maschine mit einem oder mehreren supraleiten den Magneten (10; 175) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder hergestellt nach einem Verfahren nach einem der An sprüche 7 bis 9.
11. Hybridelektrisches Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug, mit einer elektrischen Maschine (410) nach dem vorhergehenden Anspruch und/oder mit einem supraleitenden Magneten (10; 175) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
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