Einsatz von Hochtemperatur-Supraleitern in elektrischen Maschinen
Hysteresemotor STF70-45/-14-5
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Echtes Wissen besteht darin, das Ausmaß
der eigenen Unwissenheit zu kennen.
Konfuzius
chinesischer Philosoph, 551 - 479 v....
Dieser Bericht zeigt keine endgültigen Lösungen auf, sondern ist
lediglich ein Anfang des HTS-Motorversuches mittels magne...
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Inhaltsverzeichnis
Nomenklatur.................................................
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Supraleiter: Leitfähiger Werkstoff, der Strom ohne
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Cu3
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W. Meissner und R. Oschenfeld fanden 1933 bei Versuchen heraus, daß das Inne...
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HTS-Motor STF70-45
Die Versuchs Maschine
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Elektrisches Ersatzschaltbild des HTS-Motors
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Schaltung der Versuchsmaschine
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Impulsmagnetisiergerät
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Abbildung 16. Vergleicht zwischen Anpassung und Messung.
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Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 22
Meßergebnis
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HysteresiskurveHysteresiskurve
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InduktivitätInduktivität hL
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HysteresiskurveHysteresiskurve
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InduktivitätInduktivität hL
Die Hauptfeld Induktivität hL , die die Luftspa...
Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 28
Literatur
„HTSL-Massivmaterialmotor, Feldberechnung des Motors“„HTSL-Massiv...
Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 29
“Theory of superconductivity““Theory of superconductivity“
Ed. Perseus Book...
Ricardo Naciff
Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik
Universität Stuttgart
Wintersemester 2001/2002
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Einsatz von Hochtemperatur-Supraleitern in elektrischen Maschinen. Ricardo Naciff

  1. 1. Einsatz von Hochtemperatur-Supraleitern in elektrischen Maschinen Hysteresemotor STF70-45/-14-5 Prof. Dr.-Ing. habil Arkadi Grüner Ricardo Naciff ©2002 Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Mendoza Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik Deutscher Akademischer Austauschdinst Universität Stuttgart
  2. 2. Echtes Wissen besteht darin, das Ausmaß der eigenen Unwissenheit zu kennen. Konfuzius chinesischer Philosoph, 551 - 479 v. Chr.
  3. 3. Dieser Bericht zeigt keine endgültigen Lösungen auf, sondern ist lediglich ein Anfang des HTS-Motorversuches mittels magnetischer Stromspitze. Die komplette Arbeit wurde in 5,5 Monaten realisiert, in allen Phasen von der Idee bis zum Ergebnis. R.N. Vielen Dank für die wertvolle Unterstützung Dr.-Ing. Achim Beisse Dipl.-Ing. Tobias Kolb Dipl.-Ing. Sangbong Lee Christian Jähne M. A.
  4. 4. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 4 Inhaltsverzeichnis Nomenklatur........................................................................................................... 5 Einleitung ............................................................................................................... 7 Supraleiter 1. ArtSupraleiter 1. Art .................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 77 Supraleiter 2. ArtSupraleiter 2. Art .................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 88 Supraleiter 3. ArtSupraleiter 3. Art .................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 99 HTS-Motor STF70-45 ............................................................................................ 10 Die Versuchs MaschineDie Versuchs Maschine.................................................................................................................................................................................................................................................................................. 1010 Elektrisches Ersatzschaltbild des HTS-MotorsElektrisches Ersatzschaltbild des HTS-Motors......................................................................................................................................................................................................1111 Schaltung der VersuchsmaschineSchaltung der Versuchsmaschine ................................................................................................................................................................................................................................................ 1212 Impulsmagnetisiergerät....................................................................................... 14 Energie und Wirkungsgrad................................................................................... 15 Anpassung von Meßwerten durch mathematische Verfahren ............................ 18 Anpassung der SpannungAnpassung der Spannung .......................................................................................................................................................................................................................................................................... 1818 Anpassung des Stromes und des FlussesAnpassung des Stromes und des Flusses.................................................................................................................................................................................................................... 1919 Versuchsaufbau ................................................................................................... 21 Meßergebnis......................................................................................................... 22 Läufer 5mmLäufer 5mm ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................2222 Spannung, Strom und Fluß..............................................................................................................................................................22 Hysteresiskurve...................................................................................................................................................................................23 Induktivität hL ....................................................................................................................................................................................24 Läufer 14mmLäufer 14mm....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................2525 Spannung, Strom und Fluß..............................................................................................................................................................25 Hysteresiskurve...................................................................................................................................................................................26 Induktivität hL ....................................................................................................................................................................................27 Literatur ............................................................................................................... 28
  5. 5. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 5 Nomenklatur 2LN Strickstoff 3,2,11stR Widerstand des HTS-Motors in Strich 1, 2 und 3 3,2,11stLσ Streuinduktivität in Strich 1, 2 und 3 3,2,1δL Luftspaltinduktivität in Strich 1, 2 und 3 3,2,1HTSstL HTS-Induktivität in Strich 1, 2 und 3 1R Widerstand des HTS-Motors 1σL Streuinduktivität δL Luftspaltinduktivität HTSL HTS-Induktivität hL Hauptfeldinduktivität dL Synchroninduktivität hψ Polfluß i Strom u Spannung 1Ru Spannung im 1R 1σu Spannung im 1σL hu Spannung im hL W Windungszahl Φ Fluß δ Luftspalt HTS∆ radiale Tiefe supraleitende Ringe 1D Diode, BYT30PI 2D Diode, 1N4007
  6. 6. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 6 Tr Hochstrom-TRIAC C Elektrytkondensator Ri Impulsmagnetisiergerätswiderstand CW Energie in Kondensator LW Energie in Spule VW Verlustenergie η Wirkungsgrad 2 R Korrelationsfaktor t Zeit shR Shunt
  7. 7. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 7 Einleitung Supraleiter: Leitfähiger Werkstoff, der Strom ohne Widerstand leiten kann. Vor der Entdeckung der Supraleitung wurden die Werkstoffe, die man in der Natur fand, in Leiter, Halbleiter und Isolatoren eingeteilt. Seit 1911 müssen dieser Gliederung, die durch Heike Kamerlingh Onnes entdeckten Supraleiter hinzugefügt werden. Im Prinzip kann fast jeder Stoff supraleitend werden, wenn geeignete thermische und elektrische Bedingungen erfüllt sind. Der Zustand der Supraleitung tritt nur unterhalb einer kritischen magnetische Induktion, einer kritischen Stromdichte und unterhalb einer kritischen Temperatur, der sogenannten Sprungtemperatur auf. Die supraleitenden Materialien werden im Supraleiter 1. Art, die sogenannten leichten oder metallischen Supraleiter, im Supraleiter 2. Art, die sogenannten harten oder Intensivfeld-Supraleiter und iin die Supraleiter 3. Art, die keramischen Supraleiter, unterteilt. Supraleiter 1. Art Manche Metalle, im Besonderen die, die niedrige Schmelztemperaturen haben, weich und frei von inneren mechanischen Spannungen sind, weisen ein ähnliches Verhalten im supraleitenden Zustand auf. Diese Materialien nennt man leichte oder metallische Supraleiter 1. Art. Es handelt sich um chemische Elemente wie zum Beispiel Zink, Aluminium oder Quecksilber. Diese Werkstoffe haben bei Raumtemperatur von 300K einen bestimmten elektrischen Widerstand. Wenn sie unter die kritische Temperatur abgekühlt werden, werden sie supraleitend, das heißt, ihr elektrischer Widerstand wird zu Null. Dieser Vorgang findet bei Veränderung der Temperatur, die weniger als ein Hundertstel Kelvin beträgt, statt. Da der supraleitende Zustand bei Supraleitern 1. Art unter dem Einfluß eines starken elektrischen Feldes nicht aufrecht erhalten werden kann, spricht man auch von weichen Supraleitern. Temperatur Stromdichte Induktion Abbildung 1. Kritischen Stromdichte, Induktion und Temperatur
  8. 8. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 8 Abbildung 3. Supraleitende Stellen für den Werkstoff YBa2 Cu3 O7 . Ein weiterer negativer Punkt, der praktische Anwendungen einschränkt, ist die sehr niedrige kritische Temperatur zwischen 1K und 9K. Zur Kühlung ist deshalb teueres flüssiges Helium notwendig. Aus diesen Gründen ist ihr praktischer Einsatz begrenzt. Die Theorie, die diese Veränderungen im elektrischen Zustand der Supraleiter 1. Art am besten erklärt, ist die BCS–Theorie, die von Bardeen, Cooper und Schrieffer 1957 vorgestellt wurde und für die sie 1972 den Physiknobelpreis erhielten. Supraleiter 2. Art Das Verhalten mehrerer Legierungen und einiger metallischer Supraleiter ist besonders unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes komplex und individuell verschieden. Diese Supraleiter werden Supraleiter 2. Art genannt. Bleibt die Supraleitung unter dem Einfluß von starken magnetischen Feldern erhalten, so spricht man von harten Supraleitern. Bei dieser Art der Supraleitung gibt es einen gemischten Zustand, das heißt, im selben Material gibt es Stellen, in denen Supraleitung besteht und Stellen und an denen keine Supraleitung besteht. Diese Stellen sind zylindrisch und parallel zum anliegenden magnetischen Feld. Diese Materialien sind Blei- und Quecksilberlegierungen. Abbildung 2. Abfall des elektrischen Widerstandes für Quecksilber 0. 000 0. 025 0. 050 0. 075 0. 100 0. 125 0. 150 4. 10 4. 20 4. 30 4. 40 Temperat ur [K] Widerstand[Ohm]
  9. 9. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 9 W. Meissner und R. Oschenfeld fanden 1933 bei Versuchen heraus, daß das Innere von Supraleitern stets feldfrei ist. Supraleiter 3. Art In April 1986 wurden neue keramische Supraleiter gefunden, die eine höhere kritische Temperatur im Vergleich mit denen der bisher bekannten Materialien aufweisen. Die Entdeckung dieser neuen Materialien wurde von J. C. Bednorz und K. A. Müller in einem Labor der Firma IBM in Zürich, gemacht. Für diese Entdeckung bekamen sie 1987 den Physiknobelpreis. Die gefundene Legierung war 4,1354 OCuBaLa und die erste kritische Temperatur, die gemessen wurde, war 35K. Dies war eine im Vergleich mit den kritischen Temperaturen bisher bekannter Supraleiter eine erheblich höhere Sprungtemperatur. Im Februar 1994 wurde am National Institute of Standards and Technology Colorado bei einen Versuch unter einem Druck von mehr als 300000 bar für die Legierung 33,308222,08,0 CuCaBaTlHg eine kritische Temperatur von 138K erreicht. Dies ist bis heute die höchste erreichte Sprungtemperatur. Im besonderen weisen sie eine Hyteresekurve auf, die sie stark von ferromagnetischen Materialien unterscheidet. Das Ziel der Wissenschaftler ist immer gewesen, Supraleiter zu finden, die bei Raumtemperatur von 300K supraleitenden sind. Abbildung 4. Hysteresekurve für einen ferromagnetischen und einen supraleitenden Werkstoff 3. Art.
  10. 10. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 10 HTS-Motor STF70-45 Die Versuchs Maschine Der untersuchte HTS-Motor wurde bei der Firma Oswald Elektromotoren GmbH für Versuche am Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik gebaut. Die Statorwicklung ist in Sternschaltung ausgeführt, zusätzlich wurde eine Zahn- und eine Polspule für Meßtische eingebaut. Der Läufer kann für verschiedene Versuche sehr einfach gewechselt werden. In diesem Fall wurden zwei verschiedene Läufer mit supraleitenden Ringen benutzt, die eine radiale Tiefe von 14 und 5mm haben. Der Läufer besteht aus vier Ringen, die aus jeweils acht supraleitenden keramischen Segmenten bestehen. Der verwendete supraleitende Werkstoff ist xOCuYBa −732 , Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid, seine kritische Temperatur beträgt 90K. Die Versuche werden bei einer Temperatur von 77K durchgeführt, da dies der Siedetemperatur von flüssigen Stickstoff 2LN entspricht. Abbildung 5. Schnittdarstellung des HTS-Motors, in der man die vier HTS-Ringe und die acht HTS-Segmente pro Ring erkennen kann. Läufer St änderj och Zahnbereich HTS-Segment Zahnspule Polspule
  11. 11. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 11 Elektrisches Ersatzschaltbild des HTS-Motors Das elektrische Ersatzschaltbild des magnetischen Kreises des HTS-Motors ist in Abbildung 6 dargestellt. Jeder Bereich des HTS-Motors; Ständerjoch, Nut- und Zahnbereich, Luftspalt, HTS-Läufer und Läuferjoch erhalten ihr eigenes T-Ersatzschaltbild. Abbildung 6. T-Ersatzschaltbild der einzelnen Bereiche des magnetischen Kreises des HTS-Motors. Z HTS LäuferSt änderjoch ZJS3 JS2ZJS1Z Z LuftspaltZahnbereich ZS3 Zδ3 δ1ZZS2ZZS1Z HTS1Zδ2Z Läuferjoch HTS3 ZJL3 ZJL2JL1ZZHTS2 Abbildung 7. Sternschaltung der Maschine, mit zwei kurzgeschlossenen Strängen. R1st3 σ1L δL LHTSst3 L HTSst1δ L σ1L R1st1 L HTSst2 δ L σ1L R1st2 st1 st1 st3 st2 st2st3 321 321 312111 stHTSstHTSstHTS ststst ststst LLL LLL RRR == == == δδδ
  12. 12. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 12 Schaltung der Versuchsmaschine Wie man Abbildung 7 entnehmen kann, wird die Maschine für die durchgeführten Versuche in Stern geschaltet, wobei zwei Stränge kurzgeschlossen sind. 3121 3121 111 stst stst st RR RR RR ⋅ + += (1) 32 32 1 dd dd dd LL LL LL ⋅ + += (2) Um das in Abbildung 7 dargestellte Ersatzschaltbild zu vereinfachen, geht man von dem in Abbildung 8 dargestellten Flußverlauf in Ständer und Läufer aus. Das Ersatzschaltbild dieser Konfiguration zeigt Abbildung 9. Beim Übergang vom in Abbildung 9 dargestellten Ersatzschaltbild auf das vereinfachte Ersatzschaltbild in Abbildung 10 wird die Luftspaltinduktivität δL und die Induktivität des HTS-Materials HTSL zur HauptfeldiInduktivität hL zusammengefaßt. In einem weiteren Schritt wird die Streuinduktivität 1σL mit der Hauptfeld- Induktivität hL zum Ersatzschaltbild dL , wie in Abbildung 11 dargestellt, zusammengefaßt. Zur Bestimmung der Hauptfeldinduktivität hL nach Gleichung (3) muß der Polfluß hψ bekannt sein. Dieser wird mit Hilfe eines an die Polspule angeschlossenen Flußmeters gemessen. Das Flußmeter bestimmt die Spannungszeitfläche. )( )( tdi td L h h ψ = (3) Die Maschengleichung für )(tu lautet: )()()()( 11 tutututu hR ++= σ (4) Wobei 1)()(1 RtituR ⋅= (5) R δL L1 σ1 LHTS Abbildung 9. Elektrisches Ersatzschaltbild in Abbildung 7 1R dL Abbildung 11. Elementares Ersatzschaltbild des HTS-Motors. Abbildung 8. Idealisierte Flußverlaufs. ∆HTS δ σ1 ψ Läufer Luftspalt ψHTS δψ Stator Abbildung 10. Die Induktivitäten von Luftspalt und HTS-Material werden zusammengefaßt. R1 Lh σ1L
  13. 13. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 13 dt di Ltu hh ⋅=)( (6) Anhand von Gleichung (3) ergibt sich dt td dt tdi di td tu hh h )()()( )( ψψ =⋅= (7) Damit gilt W⋅Φ=ψ (8) Das Ziel ist es, die zeitlich veränderlichen Induktivitäten im Ersatzschaltbild in Abbildung 10 zu finden. Dafür wird die Abbildung 10 weiter vereinfacht mittels einer Gruppierung der zwei Induktivitäten 1σL und hL , dies ergibt die Schaltung nach Abbildung 11. In diesem Fall ist dt di Ltu dd ⋅=)( (9) Setzen wir die Gleichung (4) in (9) ergibt sich dt tdi tLRtitu d )( )()()( 1 ⋅=⋅− (10) Auf diese Weise kann )(tLd berechnet werden dt tdi Rtitu tLd )( )()( )( 1⋅− = (11) Diese Gleichung ist nicht geeignet zum Repräsentieren der zeitveränderlichen Induktivität des ganzes HTS- Motors. Deswegen wird die selbe Induktivität bei der Energiebilanz analysiert.
  14. 14. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 14 Impulsmagnetisiergerät Im Wesentlichen besteht es aus vier Strichen von Kondensatoren wie in Abbildung 12 dargestellt. Es handelt sich um Elektrolytkondensatoren, die mit einer maximalen Spannung von 300V arbeiten. Mit einer Taste wird der TRIAC gezündet und die Kondensatoren entladen. Die Prinzipschaltung des verwendeten Impulsmagnetisiergerät zeigt Abbildung 12. Es ermöglicht einen Spitzenstrom von 175A bei einer maximalen Ausgangspannung von 380V. Abbildung 12. Prinzipschaltung des Impulsmagnetisiergerätes. 0-300 ACV 1D Ausgang C Tr 2D iR G
  15. 15. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 15 Energie und Wirkungsgrad Ausgangspunkt der nun folgenden Betrachtungen ist, daß die gesamte Energie zum Zeitpunkt Null im Kondensator gespeichert sei. Wie aus Abbildung 14 ersichtlich ist, kann nicht die gesamte im Kondensator gespeicherte Energie in die Spule des HTS-Motors entladen werden. Ein Teil der Energie bleibt im Kondensator, ein Teil wurde in die Spule des HTS-Motors entladen, ein weiterer Teil geht verloren. Die Gleichungen, die den typischen energetischen Zustand jedes Elements der Schaltung, nämlich Kondensator und Spule, darstellen sind: 2 )( )( 2 tu CtWC ⋅= (12) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 Spannung Strom Spannung[V] Strom[A] Zeit [ms] Abbildung 14. Spannung- und Stromkurve bei 5mm radiale Tiefe Läufer. Abbildung 13.Die gespeicherte Energie des Kondensators wird in der Spule des HTS-Motors entladen. Syst em C LEnergie
  16. 16. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 16 2 )( )()( 2 ti tLtW dL ⋅= (13) Die Anfangsbedingungen zum Zeitpunkt Null lauten 2 2 0 0 U CWC ⋅= (14) 2 )( 2 0 0 I tLW dL ⋅= (15) Der Index 16 bedeutet 16 Millisekunden, was dem Augenblick, in dem der maximale Strom erzeugt wird, entspricht. 2 2 16 16 U CWC ⋅= (16) 2 2 16 161616 I LW dL ⋅⋅=η (17) Für diesen Augenblick lautet die Energiebilanz 1616160 VLCC WWWW ++= (18) 16VW ist der Energieverlust des Prozesses in diesem Augenblick. In diesem Fall wird nicht der Verlust betrachtet, sondern der elektrische Wirkungsgrad des Systems, den man als zeitveränderlich annimmt. In diesem Fall kann die Gleichung wie folgt geschrieben werden: 16 6161 0 η LC C WW W + = oder 6161160 LCC WWW +=⋅η (19) Setzen wir Gleichung (12) und (13) in (19) ein, so ergibt sich 2 )( 2 )( 2 16 2 160 ti L tu CW dC ⋅+⋅=⋅η (20) Wenn man Gleichung 20 nach der Spuleninduktivität 16dL auflöst, erhält man         ⋅−⋅⋅= 2 2 2 16 1602 16 16 U CW I L Cd η (21)
  17. 17. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 17 Allgemein       ⋅−⋅⋅= 2 )( )( )( 2 )( 2 02 tu CtW ti tL Cd η (22) Diese Gleichung beschreibt die zeitveränderliche Induktivität des HTS-Motors für eine Spitze des Magnetisierungsstromes. Obwohl der zeitveränderliche Wirkungsgrad nicht gefunden wird, was man bestimmen kann, ist daß, der Wirkungsgrad schneller als die Induktivität zur Null neigt.
  18. 18. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 18 Anpassung von Meßwerten durch mathematische Verfahren Anpassung der Spannung Am Beispiel einer aufgenommenen Spannungskurve am Kondensator des Impulsmagnetisiergerätes bei V300 ergibt sich für den Läufer mit 5mm tiefen Elementen im Zeitbereich zwischen ms0 und ms20 ein Polynom fünften Grades nach Gleichung (23). Zwischen ms200 ≤ 5 5 4 4 3 3 2 21 x+Bx+Bx+Bxx+BA+By ⋅⋅⋅⋅⋅= (23) ParameterParameter WertWert FehlerFehler A 294.63471 0.3505 1B 1.21339- 0.066 2B 0.42356- 0.00876 3B 0.03498- -4 107.67485⋅ 4B -6 102.16639⋅ -5 103.97386⋅ 5B -5 105.68117⋅ -6 102.44742⋅ Ab ms20 ist die Spannung gleich Null. Die Korrelationsfaktor ist 0.999762 =R Abbildung 15. Vergleicht zwischen Anpassung und Messung. -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 0 50 100 150 200 250 300 Spannung[V] Zeit [ms]
  19. 19. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 19 Anpassung des Stromes und des Flusses Für beide Größen wird dieselbe Methode verwendet. Um die Anpassung mit einem möglichst kleinsten Fehler zu machen, wurden die Meßergebnisse in zwei Zeitbereiche eingeteilt, mst 160 ≤≤ und mst 16≥ . Im ersten Zeitbereich werden die Meßwerte mit einem Polynom siebten Grades, in zweiten mit einer Pulsfunktion angenähert. Zwischen mst 160 ≤≤ , mit einem Fehler von 0.99962 =R 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 21 x+Bx+Bx+Bx+Bx+Bxx+By=A+B ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ (24) ParameterParameter WertWert FehlerFehler A 1.78756 1.07543 1B 13.97522 1.84855 2B 3.75063- 0.98644 3B 1.07657 0.22649 4B 0.12238- 0.02617 5B 0.00666 0.00159 6B -4 101.77089- ⋅ -5 104.865⋅ 7B -6 101.86297⋅ -7 105.86394⋅ Ab ms16       −−       −− ⋅         −⋅+= 2 0 1 0 10 t xx P t xx eeAyy (25) ParameterParameter WertWert FehlerFehler 0y 0 0 0x 0 0 A 285 2.51294 1t 3.81366 0.14034 P 6 0.28077 2t 35 0.38441
  20. 20. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 20 Abbildung 16. Vergleicht zwischen Anpassung und Messung. 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Strom[A] Zeit [ms]
  21. 21. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 21 Versuchsaufbau Mit einem digitalen Speicheroszilloskop wurden folgende Größen gemessen: § Spannung [V]. Die Spannung am Kondensator des Impulsmagnetisiergerätes mittels eines galvanisch getrennten Tastkopfes. § Strom [A]. Der Strom durch die Spule des HTS-Motors über den Spannungsabfall am Shunt Ω= 1,0shR , mittels eines galvanisch getrennten Tastkopfes. § Fluß [Vs]. Der Fluß durch die Polspule mit einem Flußmeter; dieses Gerät nimmt das Spannungssignal und integriert dieses Signal in der Zeit. Mittels eines Visual Basic Programmes, das unter Excel arbeitet, werden die Daten aus dem Oszilloskop ausgelesen, nach jedem Versuch gespeichert und in einer Excel-Tabelle dargestellt. Abbildung 17. Schema der Schaltung der Meßgeräte im Labor. st stZ Z Zst shR Ch1 Ch2 Ch3 AUS EIN Flußmeter 6 DCV0-300 ACV AusgangTaste Impuslmagnetizierungsgerät Oszilloskop HTS-Motor 0 ACV 300 ACV AusgangEingang Spartrafo Quelle Quelle Transtrafo Transtrafo Transtrafo PC Transtrafo Transtrafo Quelle Freipotencial Freipotencial Transtrafo
  22. 22. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 22 Meßergebnis Läufer 5mm Spannung, Strom und FlußSpannung, Strom und Fluß Bei V300 Kondensatrospannung wird der Maximalstrom von A165 durch die Spule ms16 nach Beginn der Entladung erreicht. Abbildung 18. Messung von Spannung, Strom und Fluß beim Läufer mit 5mm tiefen HTS-Segmenten. 0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 Zeit [ms] Fluß[Vs] 0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256 0 30 60 90 120 150 180 Strom[A] 0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240 256 0 50 100 150 200 250 300 Spannung[V]
  23. 23. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 23 HysteresiskurveHysteresiskurve Bei einer Stromspitze von A165 erreicht die Remanenzflußdichte einer Wert von T44,0 . Im Detail in Abbildung 19 links unten ist ein Abfall der Induktion selbst nach Abklingen des Stromes auf den Wert Null zu beobachten. Dieses Verhalten tritt bei ferromagnetischen Stoffen nicht auf. Abbildung 19. Es zeigt den Verlauf der Hysteresekurve 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 Flußdichte[T] Zeit [ms] 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 Strom [A] Flußdichte[T] 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Strom [A] Zeit[ms] 0A 4A 8A 12A 16A 20A 0.4T 0.6T 0.8T 1.0T 1.2T
  24. 24. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 24 InduktivitätInduktivität hL Die Hauptfeld Induktivität hL , die die Luftspaltinduktivität δL und die Induktivität HTSL des HTS- Materials darstellt, wird in zwei Bereiche unterteilt, in einen Bereich vor Erreichen des Maximalstroms und einen Bereich danach. Die Spuleninduktivität nach Abbildung 20 ergibt sich dabei nach Gleichung (3). Abbildung 20. Induktivität sverlauf der Hauptfeldinduktivität. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 Lh[H] Strom [A] 0 40 80 120 160 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Zeit [ms] Strom[A]
  25. 25. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 25 Läufer 14mm Spannung, Strom und FlußSpannung, Strom und Fluß Bei V250 Kondensatrospannung wird der Maximalstrom von A140 durch die Spule ms16 nach Beginn der Entladung erreicht. Abbildung 21. Messung von Spannung, Strom und Fluß beim Läufer mit 14mm tiefen HTS-Segmenten. 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 Zeit [ms] Fluß[Vs] 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 0 25 50 75 100 125 150 Strom[A] 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 0 50 100 150 200 250 Spannung[V]
  26. 26. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 26 HysteresiskurveHysteresiskurve Für eine Stromspitze von A140 , Remanenzflußdichte ist gleich T28,0 . Abbildung 22. Sie zeigt den Verlauf der Hysteresekurve 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Flußdichte[T] Zeit [ms] 0 25 50 75 100 125 150 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Strom [A] Flußdichte[T] 0 25 50 75 100 125 150 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Strom [A] Zeit[ms]
  27. 27. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 27 InduktivitätInduktivität hL Die Hauptfeld Induktivität hL , die die Luftspaltinduktivität δL und die Induktivität HTSL des HTS- Materials darstellt, wird in zwei Bereiche unterteilt, in einen Bereich vor Erreichen des Maximalstroms und einen Bereich danach. Die Spuleninduktivität nach Abbildung 23 ergibt sich dabei nach Gleichung (3). Abbildung 23. Induktivität verlauf der Hauptfeldinduktivität. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 0.0009 0.0010 Strom [A] Lh[H] 0 20 40 60 80 100 120 140 0 25 50 75 100 125 150 Strom[A] Zeit [ms]
  28. 28. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 28 Literatur „HTSL-Massivmaterialmotor, Feldberechnung des Motors“„HTSL-Massivmaterialmotor, Feldberechnung des Motors“ Bundesministerium für Bildung und Forschung - Projekt 13N6855A/4, Stuttgart ©2002 Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Gutt - Prof. Dr.-Ing. Arkadi Grüner I.E.H. - I.E.M.A. , Universität Stuttgart „PSpice, Einführung in die Elektroniksimulation“„PSpice, Einführung in die Elektroniksimulation“ Ed. Carl HanserVerlag München Wien ©2001 Robert Heinemann, Robert.PSPICE.Heinemann@t-online.de ISBN: 3-446-21656-1 „HTS Motors < 0,5 MW“„HTS Motors < 0,5 MW“ Bundesministerium für Bildung und Forschung - Projekt 13N6855A/4, Moscow ©2001 Prof. L. Kovalev Moscow State Aviation Institute, Technical University „Superconducting Trapped Field Motors with Static Magnetization“„Superconducting Trapped Field Motors with Static Magnetization“ Bundesministerium für Bildung und Forschung - Projet 13N6855A/4, Stuttgart ©2001 Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Gutt I.E.H. - I.E.M.A. , Universität Stuttgart “Superconductivity and localization““Superconductivity and localization“ Ed. World Scientific, Singapore ©2000 Michael V. Sadovskii ISBN: 981-02-4193-3 “Magnetism and superconductivity““Magnetism and superconductivity“ Ed. Stephen Lyle ©2000 Laurent-Patrick Lévy ISBN: 3-540-66688-5 “Handbook of superconductivity““Handbook of superconductivity“ Ed. Academic Press, San Diego ©2000 Charles P. Poole ISBN: 0-12-561460-8 „Das große PSpice V9 Arbeitsbuch“„Das große PSpice V9 Arbeitsbuch“ Ed. Fächer Verlag Frank Hoschar und Klaus Pontius GdbR, Karlsruhe ©2000 Frank Krämer ISBN: 3-9804099-7-X „Einsatz schmelztexturierter Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) in elektrischen Maschinen“„Einsatz schmelztexturierter Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) in elektrischen Maschinen“ Ed. Shaker Verlag GmbH ©2000 Dr.-Ing. Volker Schlechter ISBN: 3-8265-7643-8
  29. 29. Hochtemperatur-Supraleiter STF70-45/-14-5 | 29 “Theory of superconductivity““Theory of superconductivity“ Ed. Perseus Books ©1999 J. R. Schrieffer ISBN: 0-7382-0120-0 „Das OrCAD Capture Insider-Buch“„Das OrCAD Capture Insider-Buch“ Ed. Fächer Verlag Frank Hoschar und Klaus Pontius GdbR, Karlsruhe ©1998 Paul G. Krol ISBN: 3-9804099-6-1 “Los Superconductores”“Los Superconductores” Ed. IEPSA ©1997 Dr. Luis Fernando Magaña Solís ISBN: 968-16-5329-7 “Máquinas Eléctricas”“Máquinas Eléctricas” Manuscritos de cátedra ©1997 Ing. Roberto De Rosetti Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Mendoza „Hochstromanwendung der Supraleitung“„Hochstromanwendung der Supraleitung“ Ed. B.G. Teubner Stuttgart ©1995 Prof. Dr. techn. Peter Komarek ISBN: 3-519-03225-2 „Tehoretisch Elektrotechnik und Elektronic”„Tehoretisch Elektrotechnik und Elektronic” Ed. Springer-Lehrbuch 14. Auflage ©1993 Prof. Dr.-Ing. E. h. Karl Küpfmüller – Prof. Dr.-Ing. Gerhard Kohn ISBN: 3-540-56500-0 “Superconductor engineering““Superconductor engineering“ B. F. Allen, New York ©1992 Thomas O. Mensah ISBN: 0-8169-0567-3 „Supraleitung, 4. überarbeitete und ergänzte Auflage“„Supraleitung, 4. überarbeitete und ergänzte Auflage“ Ed. VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim ©1990 Prof. Dr., Dr. h. c. Werner Buckel ISBN: 3-527-27882-6 “VLSI handbook““VLSI handbook“ Ed. McGraw-Hill ©1989 Joseph DiGiacomo ISBN: 0-07-016903-9
  30. 30. Ricardo Naciff Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik Universität Stuttgart Wintersemester 2001/2002

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