CN108604842B - 用于功率重量比提高的电机的电导体和用于该电机的电部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电导体，该电导体基本上由一个或者甚至多个金属导体组成，所述金属导体被石墨烯层包覆。尤其是对于该电导体传输交变电流的情况来说，电流在导体中径向向外地被挤压并且因此在石墨烯层中流动。因为石墨烯比在该应用中常用的材料、诸如铜具有好得多的导电性，所以得到相对应地更低的损耗而且可以实现高得多的效率。这样构造的电导体被用在电机的定子和/或转子绕组中，使得该电机具有显著提高的功率重量比。

Description

用于功率重量比提高的电机的电导体和用于该电机的电部件

技术领域

本发明涉及电导体及其应用，例如用于在电机、例如用于发电机或用于电动机的应用情况下传导电流。本发明还涉及电机的配备有该电导体的构件、例如定子或转子，所述构件的相应的绕组借助于该电导体来实现。

背景技术

为了给电机分类，尤其可以使用所谓的功率重量比，该功率重量比将能由电机产生的功率与其重量建立比例而且通常以kW/kg为单位予以说明。对于很多技术应用来说在直至1kW/kg的量级下的功率重量比是足够的，而例如对于航空的电气化来说需要具有至少20kW/kg的功率重量比的电机。

为了提高电机的功率重量比，例如可以提高电机的定子中的电流负载或定子绕组中的电流密度。这导致：在功率相同的情况下，在绕组中需要更少的导体材料，由此在功率继续相同的情况下降低电机的重量。

在第一方案中，为了将电流密度从常见值、诸如2-10A/mm²提高到25-100A/mm²的量级，可以在运行期间使形成定子绕组的铜绕组冷却。为了该目的，可以使铜绕组与冷却介质直接接触，或者这些铜绕组在内部被设计成空心并且冷却介质直接被泵吸经过这样形成的空腔。在两种情况下，在导体与冷却介质之间都得到比较大的接触面积以及借此得到被提高的冷却效果，使得可以将比较多的热量运出。这在电线可以传输更高电流的方面表现出来。在用来提高电流密度的第二方案中，使用低温冷却的、必要时甚至超导的电导体，所述电导体的电阻随着周围环境温度显著降低。由此，导体中的损耗降低，导致比较高的电流密度。

然而，在终究基于对相应的电导体的冷却的两个方案中，不利的是，为了对导体进行冷却而需要的花费提高。此外，尤其在内部冷却的空心导体的情况下，电损耗比较高而由此效率低。

发明内容

因而，本发明的任务是说明一种提高电机的功率重量比的可替换的可能性。

该任务通过在权利要求1中描述的电导体及其应用以及通过在权利要求7中描述的用于电机的电部件来解决。从属权利要求描述了有利的设计方案。

电导体用于沿电流流动方向传导电流。在此，电导体由多个分别至少部分地被石墨烯层包围、尤其是包覆的金属导体形成。

本发明所基于的设计在于：使用如下电导体，该电导体的传统的金属导体被所提到的石墨烯层包围或包覆。由此，得到如下优点：尤其是这种电导体的交流损耗（AC损耗）相对于传统导体降低到1/100的量级。这导致：流经该电导体的电流由于径向向外作用的集肤效应而被挤压到石墨烯层。因为石墨烯比在该应用中常用的材料、诸如铜具有好得多的导电性，所以得到相对应地更低的损耗而且可以实现高得多的效率。由于该金属导体具有多个单独的金属单一导体，也得到对集肤效应的效果的进一步降低。

因此，对于电机的部件来说，使用这种电导体而不是通常所采用的例如由被绝缘体包围的铜线组成的电导体预示着具有该电部件的电机的功率重量比显著提高。

由于石墨烯相对于传统材料同样更好的导热能力，得到花费较少的冷却，作为额外优点。

在一个实施方式中，该电导体可以被实现为具有多根单线的绞线。在此，该绞线的单线中的每根单线都形成金属导体之一，这些金属导体被石墨烯包围。因此，这些单线分别至少部分地被石墨烯层包围或包覆。绞线和对单线的石墨烯包覆的组合导致电导体的导电性、尤其是针对交变电流的导电性进一步改善。

在另一实施方式中，该电导体可以被实现为具有多个单层并且这样形成一个箔导体的层堆。在此，这些单层沿垂直于电流流动方向的方向重叠地堆叠，而且所述多个单层包括：至少一个金属层，该金属层形成金属导体；以及不只是至少一个石墨烯层，而是至少两个石墨烯层。这些单层重叠地布置为使得金属层位于两个石墨烯层之间而且所述石墨烯层因此至少部分地包围该金属导体。这种箔导体的特殊优点是更简单并且更有利的制造，因为石墨烯已经可以大规模地制造。例如可以用所谓的CVD方法来用铜给这种石墨烯箔涂层，所述铜接着形成金属导体。尤其是，会比在正常导体的情况下好得多地实现很薄的铜层，这导致靠近损耗的显著降低。

尤其是，所述多个单层可包括多个金属层以及多个石墨烯层，其中该电导体并不只由一个金属导体形成，而是由多个金属导体形成。在此，每个金属层都形成这些金属导体中的一个金属导体。金属层和石墨烯层交替重叠地来布置，使得分别有一个金属层位于两个石墨烯层之间而且这些石墨烯层因此至少部分地包围相应的金属导体。这里，除了箔导体的上文提到的优点之外，由于该电导体并不只有一个金属单一导体，而是具有多个金属单一导体，还得到对导电性的进一步改善。

在该实施方式的一个扩展方案中，在箔导体的情况下，该层堆的分别两个石墨烯层和在这两个石墨烯层之间的金属层可以形成一个电导体元件。所述多个单层附加地具有散热层、尤其是陶瓷层，所述散热层布置在该层堆中，使得相应的电导体元件位于这些散热层中的分别两个散热层之间。尤其可以被构造为陶瓷层的散热层一方面允许更好地运出可能形成的热量而且另一方面造成该电导体的稳定性改善。

在此，至少该层堆的最上方的和最下方的层可以是散热层。

用于电机的电部件具有至少在该电机的运行状态下有电流沿电流流动方向流经的电导体，其中该电导体由至少一个至少部分地被石墨烯层包围的、尤其是包覆的金属导体形成。由于这种特殊的电导体的导电性被改善，将该电导体用在电机中或用于电机预示着功率重量比的显著提高。

该电部件可以是电机的定子，其中该电导体尤其用于实现布置在定子上的定子绕组。

该电部件还可以是电机的转子，其中该电导体尤其用于实现布置在转子上的绕组。

有利地，该电导体可以是具有多个金属单一导体的电导体，如该电导体已经在上面予以描述的那样。

其它的优点和实施方式从附图和相对应的描述中得到。

附图说明

在下文，本发明和示例性的实施方式依据附图进一步予以阐述。不同的附图中的相同的部件在那里通过相同的附图标记来表征。

其中：

图1示出了电机；

图2示出了在第一实施方式中的电导体的横截面；

图3示出了在第二实施方式的第一变型方案中的电导体的横截面；

图4示出了在第二实施方式的第二变型方案中的电导体的横截面；

图5示出了在第二实施方式的第三变型方案中的电导体的横截面；

图6示出了在第三实施方式中的电导体的横截面。

具体实施方式

图1示范性地并且简化地示出了被构造为发电机的电机100。应提及的是，类似结构的电机100原则上也可以作为电动机来运行。还应注意，在下文描述的电机的结构是纯示范性的。可以假定为公知的是：视电机作为发电机或作为电动机和/或作为例如具有被构造为内转子或也包括被构造为外转子的转子的径流式或轴流式电机等等的构造方案而定，电机的不同的部件可以不一样地来布置。然而，所有实施方式的共同点是需要电导体来传输电流。这些电导体及其在电机中的应用是本发明的真正的重点，而电机的具体结构不是特别重要。出于该原因，并不探讨电机的细节。

发电机100具有定子110以及被构造为内转子的转子120，其中转子120布置在定子110之内而且在电机100的运行状态下绕着转轴旋转。为此，转子120可以借助于未示出的马达通过轴130来驱动或被置于旋转。转子120的极靴121是磁极而定子110具有多个定子绕组111-1, ..., 111-4，所述多个定子绕组分别布置在定子110的极靴119-1, ..., 119-4上或绕着该定子110缠绕。绕组111-1, ..., 111-4中的每个绕组都由电导体112形成，该电导体在电机100的运行状态下有电流流经。转子120的极靴121例如可以被构造为永磁体或者被构造为励磁绕组。在下文，示范性地假定涉及永磁体。

在转子120旋转时，在定子110的定子绕组111-1, ..., 111-4中以公知的方式感应出电压，该电压经由电线141、142被输送给发电机100的电接线端子143、144。该感应电压可以在接线端子143、144上量取并且最后被提供给耗电器200。

为了运行电机100作为电动机，将电压源300而不是耗电器200连接到接线端子143、144上。这同样在图1中象征性地表现。电压源300例如提供交变电压，该交变电压造成：使定子绕组111-1, ..., 111-4产生与此相应的磁场，所述磁场与转子120的永磁体121的磁场发生相互作用。按公知，这导致：在所提到的部件彼此间适当的布局的情况下，转子120以及轴130与该转子120一起被置于旋转。轴130与所要驱动的对象500连接，例如与螺旋桨连接，该对象由于转子120和轴130的旋转同样被置于旋转。

图2以横截面图示出了按照本发明的电导体112的第一实施方式。因此，在图2的视图中，电流会流入到纸平面中或从该纸平面流出。由其形成相应的电子绕组111-1, ...,111-4的电导体112由金属导体113组成，例如由铜导体组成，该金属导体至少部分地被石墨烯层114包围或包覆。在此，所述补充“至少部分地包围”应该表示：铜导体例如在其始端和末端不强制被石墨烯层114覆盖，使得导体113可以与其它部件、例如与电线141、142电连接，或必要时可以与电接线端子143、144直接电连接。例如，石墨烯层114可以沿着金属导体113的纵向延伸尽可能完整地延伸，但是在此可以使金属导体113的末端以使得所述末端可以与其它部件电连接的程度不被覆盖。

在第一实施方式中，电导体112类似于传统的电导体，所述传统的电导体通常具有横截面基本上为圆形的金属导体、例如铜导体以及绝缘包覆。不同于此，这里所使用的电导体112的金属导体113用石墨烯层114来包围或包覆。在此，包覆的特点在于：该包覆沿周向绕着被包覆的导体完整地延伸而且还沿着纵向延伸朝电流流动方向至少尽可能完整地延伸。流经铜导体113的电流由于径向向外作用的集肤效应而被挤压到石墨烯包覆114中。因为石墨烯比在该应用中常用的材料、诸如铜具有好得多的导电性，所以得到相对应地更低的损耗而且可以实现高得多的效率。

图3示出了电导体112的第二实施方式的横截面图。因此，在该视图中，电流也会流入到纸平面中或从该纸平面流出。在第二实施方式中，电导体112被构造为箔导体。在这种情况下，电导体112是具有多个单层的层堆，其中这些单层沿着与电导体112中的电流的电流流动方向z垂直的方向x重叠地堆叠。在此，对于电导体112的在图3中示出的部分来说，电流流动方向对应于z方向。在第二实施方式的最简单的第一变型方案中，所述多个单层具有：一个金属层113-1，该金属层形成金属导体113；以及两个石墨烯层114-1、114-2。这些单层113-1、114-1、114-2交替重叠地来布置，使得金属层113-1位于两个石墨烯层114-1、114-2之间而石墨烯层114-1、114-2因此至少部分地包围金属导体113-1。因此，在该第二实施方式中，金属导体113-1不是被石墨烯层包覆，而是分别一个石墨烯层114-1、114-2布置在金属导体113-1的上侧和下侧。

例如可以通过如下方式来限定箔导体：该箔导体的单层在相应的横截面方面、也就是说沿两个垂直于经过单层的电流流动方向z的两个方向x、y的延伸彼此间非常有区别，例如区别于量级或通常甚至更多。即每个单层沿电流流动方向z的延伸通常总归比沿横截面方向x、y的延伸大得多，而沿横截面方向x、y的延伸之一、例如沿y方向的延伸也比沿相应另一横截面方向、在本例中即x方向的延伸大得多。

在该上下文中以及尤其是结合第二实施方式，术语如“在......之上”、“在......之下”、“重叠地”等等涉及层堆的单层具有最小的延伸的那个空间方向。以一级近似，可以如上面所描述的那样来假定：这些单层基本上沿两个空间方向、即沿电流流动方向、例如z方向延伸，而且沿与此垂直的方向、例如沿y方向延伸，而这些单层沿第三空间方向、在这种情况下即沿x方向具有比较小的延伸，即这些单层是近似二维的。因此，在所提到的示例中，所提到的术语“在......之上”、“在......之下”、“重叠地”等等都以x方向为参照。

这种箔导体的特殊优点是更简单并且更有利的制造，因为石墨烯已经可以大规模地制造，使得例如铜层或铜箔可以用石墨烯层来涂层。可替换地，也可设想的是，用铜给石墨烯箔涂层，所述铜接着形成金属导体。这例如可以用所谓的CVD方法（“chemical vapordeposition”或“化学气相沉积”）来实现。尤其是，会比在正常导体的情况下好得多地实现很薄的铜层，这导致靠近损耗的显著降低。

在电导体112的第二实施方式的在图4中示出的第二变型方案中，层堆并不只有一个金属层，而是具有多个金属层，其中这里金属层113-1、113-2中的每个金属层也都形成电导体112的金属导体。除了金属层113-1、113-2之外，层堆还具有多个石墨烯层114-1、114-2、114-3。金属层113-1、113-2、113-3和石墨烯层114-1、114-2、114-3又交替重叠地来布置，使得分别有一个金属层位于两个石墨烯层之间而且这些石墨烯层114-1、114-2、114-3因此至少部分地包围相应的金属导体113-1、113-2，即布置在相应的金属导体113-1、113-2之上和之下。

为了清楚起见，电导体112的在图4中示出的实施方案仅仅具有A=2个金属层113-1、113-2。但是，第二变型方案当然也可以用超过两个金属层（A>2）和与此相应地更高的数目B个石墨烯层114-1, ..., 114-B来实现，其中在该第二变型方案中通常将适用B=A+1，但是并不必然将适用B=A+1。

在第二实施方式的在图5中示出的并且对应于第二变型方案的一个扩展方案的第三变型方案中，层堆的分别两个石墨烯层114-1, ...和在这两个石墨烯层114-1, ...之间的金属层113-1, …形成电导体112的一个电导体元件。在第三变型方案中，除了结合第二变型方案所介绍的单层之外，还设置有散热层115-1, ...。这些散热层115-1, ...布置在层堆中，使得相应的电导体元件位于这些散热层115-1, ...中的分别两个散热层之间。在此，不同的单层布置为使得在层堆中在外面最远的单层，也就是说在层重叠地布置的情况下层堆的最上方的和最下方的单层都是散热层。尤其可以被构造为陶瓷层的散热层一方面允许更好地运出可能形成的热量而且另一方面造成该电导体112的稳定性改善。

在图5中的具体的、示范性的实施方案中，层堆具有A=2个金属层113-1、113-2以及B=4个石墨烯层114-1, ..., 114-B并且与此相应地具有C=3个散热层115-1, ..., 115-C。

在电导体112的第三实施方式中，该电导体被构造为绞线，该绞线具有多根金属单线113-1, ..., 113-7。在图6中示出了第三实施方式的第一变型方案。在该第一变型方案中，这些单线中的至少一根单线、理想地但是这些单线中的每根单个的单线都分别被石墨烯层114-1, ..., 114-7包围或包覆。

理想地，也以类似的方式构造电线141、142，所述电线141、142在电机100的相应的定子绕组111与接线端子143、144之间延伸，也就是说这些电线141、142由一个或多个金属导体113、例如由铜导体组成，所述金属导体至少部分地被石墨烯层114包围。

适合于产生石墨烯层的方法例如是用“微波等离子体化学气相沉积（Microwaveplasma chemical vapor deposition）”来表示的用于用石墨烯给铜涂层的技术。可替换地，用“chemical vapor deposition”或者也包括“化学气相沉积”来表示的技术是公知的，借助于该技术可以将石墨烯涂覆到铜上。

在不同的实施方式和变型方案中，石墨烯层114也许可以被这里却没有示出的绝缘漆包围，以便防止在高电压的情况下发生相邻导体之间的击穿。因为石墨烯的导电性与方向有关，使得电流仅仅在近似二维的石墨烯层之内、但是不是垂直于该石墨烯层地被传导，所以在某些情况下可以省去这种绝缘漆层。这会具有如下优点：相对于具有专用的绝缘层的传统方案可以提高绕组的容积效率。

Claims (7)

1.一种用于沿电流流动方向（z）传导电流的电导体（112），其中所述电导体（112）由多个分别至少部分地被石墨烯层（114）包围的金属导体（113, 113-1, 113-2, ...）形成，

其中

所述电导体（112）是具有多个单层的层堆，其中

- 所述单层沿垂直于所述电流流动方向（z）的方向（x）重叠地堆叠，

- 所述多个单层包括：至少一个金属层（113-1），所述金属层形成金属导体（113）；以及至少两个石墨烯层（114-1、114-2），

- 所述单层重叠地布置，使得所述金属层（113-1）位于两个石墨烯层（114-1、114-2）之间，

而且其中

所述层堆的分别两个石墨烯层（114-1, 114-2, ...）和在所述两个石墨烯层（114-1,114-2, ...）之间的金属层（113-1, 113-2, ...）形成一个电导体元件，其中所述多个单层附加地具有散热层（115-1, 115-2, ...），所述散热层布置在所述层堆中，使得相应的电导体元件位于所述散热层（115-1, 115-2, ...）中的分别两个散热层之间。

2.根据权利要求1所述的电导体（112），其特征在于，所述多个单层包括多个金属层（113-1, 113-2, ...）以及多个石墨烯层（114-1, 114-2, ...）而所述电导体（112）由多个金属导体（113）形成，其中

- 每个金属层（113-1, 113-2, ...）都形成所述金属导体中的一个金属导体，

- 所述金属层（113-1, 113-2, ...）和所述石墨烯层（114-1, 114-2, ...）交替重叠地布置，使得分别有一个金属层（113-1, 113-2, ...）位于两个石墨烯层（114-1, 114-2,...）之间。

3.根据权利要求1或2所述的电导体（112），其特征在于，所述层堆的最上方的层（115-1）和最下方的层（115-3）都是散热层。

4.根据权利要求1所述的电导体（112），其特征在于，所述散热层（115-1, 115-2, ...）是陶瓷层。

5.一种用于电机（100）的电部件（110、120），其中所述部件具有至少在所述电机（100）的运行状态下有电流沿电流流动方向（z）流经的电导体（112），其中所述电导体（112）由至少一个至少部分地被石墨烯层（114）包围的金属导体（113）形成，其中所述电导体（112）是根据权利要求1至4之一所述的电导体。

6.根据权利要求5所述的电部件（110、120），其特征在于，所述电部件是所述电机（100）的定子（110），其中所述电导体（112）是布置在所述定子（110）上的定子绕组（111-1, 111-2, ...）。

7.根据权利要求5所述的电部件（110、120），其特征在于，所述电部件是所述电机（100）的转子（120），其中所述电导体（112）是布置在所述转子（120）上的绕组。

Images