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Supraleitende Motoren: Den Stator zu kühlen bringt Vorteile

Bisher haben sich die Hersteller vor allem mit Motoren beschäftigt, deren Rotor supraleitend ausgelegt ist, denn durch ihn fließt Gleichstrom. Doch den Stator zu kühlen, bringt Vorteile, meint Thomas Reis, Abteilungsleiter für Supraleiter-Motoren-Entwicklung der Oswald Elektromotoren GmbH. Die zu befürchtenden AC-Verluste bleiben gering.

Supraleiter, Stator Bildquelle: © Oswald Elektromotoren

Um das Verhalten von Autokarosserien zu prüfen, setzen die Hersteller sie auf Teststände. Alles was sich dann im Bereich der Karosserie dreht, simulieren Elektromotoren. »Die Ansprüche der Automobilhersteller sind über die letzten Jahre enorm gewachsen. Die gewünschten hochdynamischen Beschleunigungen liegen um den Faktor 3 über dem, was Synchronmotoren liefern«, sagt Thomas Reis.

Ein weiteres Beispiel sind Pressen, wie sie in der Automobilindustrie verwendet werden. Hier hatte über die letzten Jahre bereits die Umstellung auf getriebelose Synchronmotoren stattgefunden, die bereits einen deutlichen Effizienzsprung gebracht haben: »Ein Presse ist jetzt so effizient wie 1,5 konventionelle Pressen«, sagt Thomas Reis, »Die Synchronmotoren sind jetzt aber an ihre Grenze angelangt, ein Technologiesprung ist mit dieser Technik nicht mehr zu schaffen.«

Aus diesem Grund beschäftigt sich Oswald Elektromotoren schon länger mit der Entwicklung von Antrieben auf Supraleiter-Basis. Die Technik der Supraleiter der zweiten Generation hat über die letzte Zeit enorme Fortschritte gemacht: die Supraleiter selber kommen heute auf 60.000 A/mm², die Drähte auf 600 A/mm² und in der realen Anwendung sind heute 150 A/mm² möglich. Das liegt um den Faktor 10 bis 15 über dem, was Kupferdrähte aushalten.

Jetzt hat das Unternehmen einen Typ konzipiert, dessen Stator supraleitend ausgelegt ist. Bisher wurden vor allem Motoren entwickelt, deren Rotoren gekühlt werden. Denn weil dort Gleichstrom erforderlich ist, bietet sich der Rotor für die Supraleitung an. So kann bei gleicher Baugröße aus einem 4-MW-Motor ein 10-MW-Typ gemacht werden. Der Nachteilliegt in der Kühlung des rotierenden Teils des Motors: Die Kühlung zu zuführen und für die erforderliche Isolation zu sorgen.

Deshalb hat Oswald vor sechs Jahren damit begonnen, das Konzept eines Motors mit supraleitenden Stator zu entwickeln. Ein erster 575-Nm-Motor mit 40 kW zeigte, dass die Kraftdichte um den Faktor 2 höher als bei konventionellen Motoren liegt. Bei gleicher Leistung verringert sich das Gewicht um 40 bis 60 Prozent, der Wirkungsgrad liegt bei 99,7 Prozent. Die Drähte der zweiten Generation werden auf 77 K gekühlt.

Seit zwei Jahren arbeitet Oswald zusammen mit der Hochschule Aschaffenburg (Entwicklung und Bau eines modularen Umrichters zum optimalen Betrieb von supraleitenden Maschinen) am Projekt SuTor, das das BMWi fördert: ein 156-kW-Motor mit 10.000 Nm und einem Wirkungsgrad von 99,6 Prozent. Der Motor kommt auf eine Drehzahl von 10.000 Umdrehungen pro Minute. Zum Vergleich: ein konventioneller Motor würde zwischen 300 und 400 Umdrehungen schaffen. Im Stator hat Oswald rund 4 km Draht der zweiten Generation verbaut (YBCOcc), den Helium-Gas auf eine Temperatur von 40 bis 50 K kühlt, »der optimale Temperaturbereich«, so Thomas Reis. Die Kühlung hat Oswald als Blackbox ausgelegt, um die sich der Anwender nicht kümmern muss. Allerdings ist der Aufwand für die Kühlung beträchtlich: »Er liegt um den Faktor 3 höher als für den Motor selbst«, so Reis.

Außerdem hat Oswald im Rahmen einer Umschichtung des Projekts jetzt auch einen 600-Nm-Motor mit 650 Umdrehungen pro Minute (mini-SuTor) gebaut, der mit 250 W Kühlleistung auskommt. Vor zwei Wochen haben die Ingenieure dem Motor gemessen: er funktioniert.

Und der Nachteil, dass nun Wechselstrom durch den supraleitenden Stator geschickt werden muss? »Die Verluste sind sehr schwierig abzuschätzen, nach unseren Ergebnissen bleiben sie aber sehr klein und fallen kaum ins Gewicht«, so Reis. »Wir sind guter Hoffnung, dass der Motor wie vorgesehen funktioniert. Das einzige, aber durchaus große Problem stellt nach wie vor die Kyrotechnik dar.«