Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Potentialanalyse supraleitender Wicklungen für den Einsatz in getriebelosen Windgeneratoren. Derzeit eingesetzte Synchrongeneratoren werden überwiegend mit Seltenen-Erden-Permanentmagneten erregt. Der allgemein hohe und volatile Preis der Seltenen-Erden-Metalle einerseits und die Marktdominanz der Volksrepublik China andererseits veranlassen führende Hersteller von Windkraftanlagen derzeit, nach Technologiealternativen zu suchen. Für Generatoren mit Nennleistung von ⪆5MW kann die Supraleiter-Technologie neben einer Reduktion der Rohstoffabhängigkeit Vorteile in Hinblick auf eine reduzierte Aktivmasse, einen gesteigerten Wirkungsgrad und eine gesteigerte Generatorleistung ermöglichen.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden direktangetriebene, dreiphasige, umrichtergespeiste, supraleitende Generatoren untersucht. Auf eine analytische und feldnumerische Modellbildung sowie eine thermische Modellierung für dieses Generatorkonzept folgt der Vergleich verschiedener Generatortopologien (Drehstrom-Wicklung in Nuten in Kombination mit (i) ferromagnetischem Rotor, (ii) nicht-magnetischen Rotorpolen, (iii) nicht-magnetischem Rotor sowie (iv) eine Luftspaltwicklung in Kombination mit einem ferromagnetischen Rotor) und ein Vergleich verschiedener Supraleiter (Hochtemperatursupraleiter der 2. Generation mit / ohne künstliche Haftzentren sowie MgB₂) hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in Windgeneratoren. Im Rahmen von Parameterstudien und multikriteriellen, numerischen Optimierungen werden exemplarisch Generatoren für die verschiedenen Topologien (i) - (iv) ausgelegt. Zu Vergleichszwecken erfolgt analog eine Auslegung von getriebelosen, permanentmagneterregten Windgeneratoren, weil detaillierte Parameterstudien zu industriell gefertigten, permanentmagneterregten Generatoren nicht verfügbar sind.

Die Untersuchung der ein-, zwei- und dreiphasigen Klemmenkurzschlüsse und des Betriebs bei teilweiser Statorspeisung sowie die Verluste im Kaltteil zeigen keine grundsätzlichen Schwierigkeiten, die der Kommerzialisierung der Supraleiter-Technologie bei Windgeneratoren entgegenstehen könnten. Es wird gezeigt, dass derzeit erhältliche MgB₂-Leiter unter technischen und ökonomischen Gesichtspunkten schlechter für den Einsatz in supraleitenden Feldwicklungen geeignet sind, als Hochtemperatursupraleiter der zweiten Generation (GdBCO, EuBCO). Die zwangsläufig niedrigere Betriebstemperatur und der deutlich niedrigere kritische Strom im Magnetfeld können nicht durch die deutlich niedrigeren Kosten von MgB₂-Leitern aufgewogen werden. Für Generatoren mit Hochtemperatur-Supraleiter-Feldwicklung werden die niedrigsten Investitionskosten (Aktivteile des Generators, Umrichter, kroygenes Kühlsystem) erreicht, wenn die normalleitende Statorwicklung in Nuten liegt und Rotor-Polkerne sowie das Rotorjoch ferromagnetisch sind. Mit dieser Topologie kann die gravimetrische Leistungsdichte um ≈33% gegenüber permanentmagneterregten Generatoren gesteigert werden. Gegenüber permanentmagneterregten Generatoren ermöglicht die supraleitende Feldwicklung zudem eine Steigerung des Leistungsfaktors in Höhe von ≈+0.2 auf ⪆0.97. Für getriebelose, teil-supraleitende Generatoren wird basierend auf einer numerischen Optimierung gezeigt, dass jedoch eine Preisreduktion für Hochtemperatursupraleiter auf etwa 1/3 des derzeitigen Werts erforderlich ist, um die Wettbewerbsfähigkeit herzustellen.