22
Towards compact and lightweight Electrical Machines Department of Superconducting Materials and Large Scale Nanoestructures State Agency Spanish Highest Council of Scientific Research, CSIC Institute of Materials Science of Barcelona, ICMABCSIC X. Granados, T. Puig and X. Obradors SUNJET UEJapan Symposium “Electrical T h l i f th i ti f th ft Technologies for the aviation of the futureMarch 2627 2015, Tokyo “Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 2627/03/2015, Tokyo

Towards compact and lightweight Electrical Machines

Embed Size (px)

Citation preview

Towards compact and lightweight Electrical Machines

Department of Superconducting Materials and Large Scale Nanoestructures

State Agency Spanish Highest Council of Scientific Research, CSICInstitute of Materials Science of Barcelona,  ICMAB‐CSIC 

X. Granados, T. Puig and X. Obradors, g

SUNJET  UE‐Japan Symposium “Electrical T h l i f th i ti f th f t ”Technologies for the aviation of the future”March 26‐27 2015, Tokyo

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo

Where are we?

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo

Where are we?

SUMAN Group 20 researchers7 permanent7 permanent

Main activity:  functional materials

Staff: 200 peopleStaff: 200 peopleAbout 50 permanents

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo

Applications and material development

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo

Applications and material development

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo

Applications development

International cofundedprojects in HTS EngineeringFlywheel (Brite Euram)

Activities on HTS Engineering

Motors  Supermachines (TMR FP5)Inductively coupled fault Limiters (ByFault, Brite Euram)Cable HTS Super 3C (FP6)Superconductivity in space propulsion (ESA)Superconductivity in space propulsion (ESA)Current limiter resistive ECCOFLOW (FP7)High Performance Computation for HTS FORTISSIMO (FP7)Assessment of HTS tapes for fusion (EFDA WS 2) Assessment of HTS tapes for fusion (WP MAG  EUROFUSION)Hybrid Energy storage (COST Action MP1004)

National funded Projects in HTS EngineeringNational funded Projects in HTS EngineeringCurrent Leads (Midas Project)Superconducting motor(PETRI)Superconducting motor(Feder)Levitation system(Fundació laCaixa)HTS Cable “Supercable” (Novare Endesa)Superconducting Magnet for ALBA Synchrotron (Grandes Instalaciones)Generator(CENIT AZIMUT 10 MW and beyond)Generator(CENIT AZIMUT 10 MW and beyond)Generator  (Retos Colaboración, new Wind technologies)

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo

Electrical evolution in aircraft‐tech

T di it f l t i l MW h ld b h dl dTwo digits of electrical  MW should be handled

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo

Why Superconductivity can help?

N i t

M

No resistanceDiamagnetismMagnetic Flux trapping

Macrosc

Electro‐technicalApplications

Magnetic Flux trappingCurrent Driven Transition

copicM Sensors (SQUID)Microsc

Electronic interactions. Vortex dynamics & other

Sensors (SQUID)

Superconductingelectronic Devicescopic

Micro‐nanoscopic & quanticeffects

electronic Devices

MicrowavesETC.

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo

Existing HTS Materials: Bulks & wires

Powder in tubeBulk

MgB2

TAPES

Bi‐2212Bi‐2223 Tape

1G

TAPES

Bi‐2212  wire

Coated Conductors(YBCO, 123)( )

Y‐123

Y‐123 cc‐Tape 2G 

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

Magnetic performance

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

Superconducting Cables,  losses: AC or DC

Power feeding

TerminationsThruster

cable

Weight

Cryocooler

WeightCable:  Cryostat and copper stabilizer,  diminishes when temp diminish, lower for rigid !Terminations : vessel and copperTerminations : vessel and copper Cryocooler: Compressor and motors , Increases when temp diminish

Efficiency diminish when temp diminishy p

Temperature typically between 65 and 75 KCryocooler more efficient, reliable and compact Centralized  cooling or y , p

Free piston StirlingSingle shaft reverse Brayton

Distributed coolingEFFICIENCY and WEIGHT

Performance (COP‐1) 10‐20 W/W 

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

Cables: EU Projects

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

Cryocoolers:  free piston stirling

CryoTel® Model GTAmbientOperation

-40°C to 60°C

Orientation Operates in any 200 000h MTBF

30g accelerationp yorientation

Nominal CoolerInput Power

240 Watts

Power Supply DC 48V

200,000h MTBFNo data about ageingby vibration 

PerformanceNominal Lift at 77 K (35°C reject)

15 Watts

No Load 35KNo Load Temperature (35°C reject)

35K

Cooler Mass 3.1 kgOperating 60 HzOp gFrequencyTemperature Stability

+ 0.1K

Dimension 83 x 257 mmDiameter x Length (nominal)Density (kg/kWcold@77K)

207

Research should be done to obtain lighter and simplerg pSingle‐shaft Brayton could be a candidate Cryotel

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

Cryocoolers:  single shaft turbo Brayton Cycle

MTBF  105,000 hMaintenance : 10 years

Adapted from 25K to 150KCooling power  from 5 kW to 23 kW

2.1x1.2x 8m

Air Liquide

Adequate for a centralized cooling  system

q

Effort in order to diminish weight  should be done

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

Ceramic CoilsPrinted pole self levitated machineHTS Bulk low power motor concepts

Ceramic CoilsPrinted pole self levitated  machineSynchronic motor with optimised flux penetration

Sh ft l HTS P i

400 W 40 000 min‐1

Shaft‐less HTS Pumping machine

400 W 40.000 min

TMR SUPERMACHINESAxial autolevitated rotor (Petri)3kW

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

HTS motor Trapped flux concepts (Bulk) 

Full superconducting

Switched reluctanceCopper field windingCopper field winding plus Fe‐HTS rotor

T. Coombs et al. Cambridge University

RR turbofan

NdFeB magnets plus HTS wires

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

New lighter options

Optimization of HTS material : bulk

Max Power density=20kW/kg at 77K,Stacks of tapes

y / g ,considering the active mass

Iron should be retired !!!

Lowering temperature power density increases

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

Superconducting motors: comments

Tendency to    Synchronous motors (minimize hysteresis losses)HTS rotor and copper windings in the stator…….. Iron should be removed……HTS rotor  and copper windings in the stator…….. Iron should be removed………….. Copper limits the power density ……. New ways for screening stray filed

Magnetic field is in the range of 2T ……..   Higher field diminishes the weight , efficiency g g g g , y

High switching frequency increases power density ………… increases losses

Higher magnetic field  requires lower temperatures ………….. Inefficient and  heavier

Full superconductor motors allow large compactness 

50K  working temp for efficient  cooling systems and a general cryo‐bus for cablingand propulsion  20kW/kg  seems an  objective achievablep p g j

Driving electronics should take care with harmonics: losses in  SC

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

Open questions

Cryogenics       Higher power  and efficient at temperatures in the range of 50KOil‐free compressors, lighter, reliable Single shaft Brayton? Centralized Cryo –bus? Di ib d i i h l l ?Distributed cryogenics with low power compact cryocoolers?

Cables               DC  with higher current density, aluminium cryostat ,  rigid I in the range of 200 kA, low voltage (50V), losses under 10 W/mScreening of the magnetic fieldTransposition of the strands                            

Motors and generatorsFull superconducting?    Yes!!Stacks of tapes for trapped field synchronous motorsHigher frequency & higher field  (higher losses)

Materials        Higher magnetic field at medium temperature 40‐50 KHigher JcStacks of tapes for trapped field synchronous motorsHigher frequency & higher field  (higher power losses) !!!!!Mechanical properties should be investigated !!!!!!Materials are working in severe conditionsMechanical and thermal should be improved

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

Materials improvement effort

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

Materials improvement effort

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo  

Forecasting

For sure we will see commercial electric aircrafts!!!!!For sure we will see commercial electric aircrafts!!!!!

Thanks 

“Electrical Technologies for the aviation of the future”, X. Granados , T. Puig, X. Obradors, 26‐27/03/2015, Tokyo