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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter zur Wicklung einer Spule eines Stators einer elektrischen Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Leiterverbund mit mehreren solchen Leitern und eine elektrische Maschine mit einer Statorwicklung mit wenigstens einem solchen Leiter. Außerdem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Leiter.
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Bei bekannten elektrischen Maschinen werden die Statorwicklungen aus normalleitenden elektrischen Leitern gewickelt. Dies ist typischerweise auch dann der Fall, wenn in den Wicklungen des Rotors supraleitende Materialien zum Einsatz kommen, denn die Verwendung von Supraleitern im Stator ist aufgrund der im allgemeinen relativ hohen Wechselstromverluste meist nicht vorteilhaft. Die elektrischen Leiter der normalleitenden Statorwicklungen basieren nach dem Stand der Technik auf Kupfer als Leitermaterial, wobei meist eine Vielzahl von Kupferlitzen zu einem gemeinsamen Leiterstrang verseilt sind. Die mechanische Festigkeit einer solchen Seilstruktur ergibt sich dabei durch die mechanische Spannung zwischen den einzelnen Litzen. Hierdurch wird die Beweglichkeit der Litzenabschnitte gegeneinander stark eingeschränkt. Zwischen den einzelnen Litzen liegen Zwischenräume vor, die entweder frei bleiben oder mit einem zusätzlichen elektrisch isolierenden festen Material aufgefüllt sein können. Die Litzen des Leiters können auch zur besseren Wärmeabführung von einem fluiden Kühlmedium umspült werden, beispielsweise von einem thermisch gut leitfähigen Öl.
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Die beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine anfallenden Wechselstromverluste – insbesondere der Anteil der Wirbelstromverluste – werden im Stator entscheidend durch die Dicke der einzelnen Teilleiter des verwendeten Multifilamentleiters beeinflusst. Zur Reduktion der Wechselstromverluste ist es wünschenswert, den Durchmesser dieser Teilleiter oder Filamente möglichst gering zu halten. Gleichzeitig ist ein hoher Füllfaktor des leitfähigen Materials der Filamente wünschenswert, damit der Platzbedarf der Statorwicklung(en) nicht unnötig hoch wird. Auch soll das Gewicht der Statorwicklung(en) nicht durch einen unerwünscht hohen Anteil eines die Filamente umgebenden Materials gesteigert werden.
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Es kann vorteilhaft sein, bei einer elektrischen Maschine mit einem tiefkalten supraleitenden Rotor die Statorwicklungen ebenfalls auf eine kryogene Temperatur zu kühlen, selbst wenn diese normalleitend sind. Durch eine solche Kühlung ergibt sich bei genügender Reinheit ein sehr niedriger Widerstand in den metallischen Leitern der Filamente. Ein für diesen Einsatzzweck besonders geeignetes Material ist Aluminium, da es insbesondere in sehr hoher Reinheit ein besonders großes Restwiderstandsverhältnis und somit eine sehr hohe Leitfähigkeit bei tiefer Temperatur aufweist.
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Vor allem bei einer Kühlung des Leiters auf eine kryogene Temperatur ist es wichtig, eine effiziente Wärmeabfuhr aus den einzelnen Teilleitern zu bewirken. Deshalb kann eine Einbettung der Teilleiter in eine Matrix aus elektrisch isolierendem Material für die Anwendung hinderlich sein, da dann die Matrix oft auch eine ungewollte thermische Isolation bewirkt. Um dies zu vermeiden, wird bei bekannten Statorwicklungen mit filamentisierten Leitern oft eine direkte Umspülung der Filamente mit einem Kühlmittel bevorzugt, und eine Einbettung in ein anderes festes Material wird vermieden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrischen Leiter mit mehreren Teilleitern anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein elektrischer Leiter zur Verfügung gestellt werden, der sich für die Herstellung von Statorwicklungen in elektrischen Maschinen eignet, der geringe Wechselstromverluste aufweist und bei dem die in den einzelnen Teilleiter entstehende Wärme effizient abgeführt werden kann. Gleichzeitig soll dieser Leiter einfach herzustellen sein.
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Weitere Aufgaben der Erfindung sind, einen Leiterverbund mit den entsprechenden Vorteilen, eine elektrische Maschine mit wenigstens einem solchen Leiter und ein Herstellungsverfahren für einen solchen Leiter anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen elektrischen Leiter, den in Anspruch 13 beschriebenen Leiterverbund, die in Anspruch 14 beschriebene elektrische Maschine und das in Anspruch 15 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst.
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Der erfindungsgemäße elektrische Leiter eignet sich zur Wicklung einer Spule eines Stators einer elektrischen Maschine. Er umfasst mehrere Teilleiter aus einem bei 4,2 K normalleitenden Material, wobei diese Teilleiter durch ein elektrisch höher resistives normalleitendes Matrixmaterial voneinander getrennt sind. Das Matrixmaterial weist einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das Material der Teilleiter, und das Matrixmaterial weist eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 10 W/m·K auf.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters liegt darin, dass einerseits die Wechselstromverluste durch die Aufteilung in mehrere Teilleiter und die Trennung mit höher resistivem Material reduziert sind und andererseits durch die Wahl des Matrixmaterials trotzdem eine effektive Entwärmung der Teilleiter möglich ist. Durch den im Vergleich zu den Teilleitern niedrigeren Schmelzpunkt des Matrixmaterials wird eine leichte Herstellbarkeit des Leiters ermöglicht, denn das Matrixmaterial kann so um die einzelnen Teilleiter herum gegossen werden, ohne dass dabei deren Material geschmolzen wird.
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Das Material der Matrix soll elektrisch höher resistiv sein als das Material der Teilleiter. Dies soll insbesondere bei einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine der Fall sein, die beispielsweise unterhalb von 78 K, insbesondere zwischen 15 K und 30 K, beispielsweise bei 20 K liegen kann. Unabhängig vom Verhältnis der spezifischen Widerstände bei Raumtemperatur soll in jedem Fall bei 20 K das Material der Matrix einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen als das Material der Teilleiter. Der spezifische Widerstand ist vorteilhaft deutlich höher, beispielsweise wenigstens zwei Größenordnungen höher als im Material der Teilleiter Dies hat zur Folge, dass der Stromfluss in dem Leiter zumindest bei 20 K im Wesentlichen durch die Teilleiter bewirkt wird. Die Wechselstromverluste werden dann durch die zwischen den hochleitfähigen Teilleitern angeordnete und vergleichsweise weniger leitfähige Matrix im Vergleich zu einem aus einheitlich leitfähigem Material bestehenden Leiter deutlich reduziert.
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Sowohl das Material der Teilleiter als auch das Material der Matrix soll bei einer Temperatur von 4,2 K (also beim Siedepunkt von flüssigem Helium) normalleitend sein. Insbesondere ist es damit auch bei Temperaturen oberhalb von 4,2 K, beispielsweise also bei 15 K bis 30 K normalleitend. Bei einer Betriebstemperatur, die im kryogenen Bereich, aber oberhalb der Siedetemperatur von flüssigem Helium liegt, soll der elektrische Leiter für die Statorwicklung also normalleitend sein. Er eignet sich damit für eine auch im kryogenen Bereich normalleitende Statorwicklung einer elektrischen Maschine. Selbst wenn das Material bei noch tieferen Temperaturen supraleitend werden sollte, eignet sich der Leiter für eine ormalleitenden Statorwicklung einer elektrischen Maschine, deren Stator in einem Temperaturbereich oberhalb von 4,2 K betrieben wird. Beispielsweise kann die Betriebstemperatur des Stators zwischen 4,2 K und 78 K, insbesondere in der Nähe von etwa 20 K liegen.
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Der erfindungsgemäße Leiterverbund entsprechend Anspruch 13 umfasst mehrere erfindungsgemäße elektrische Leiter, welche insbesondere gegeneinander verseilt sein können. Die zwei oder mehr erfindungsgemäßen Leiter können also beispielsweise in der Art herkömmlicher Drahtlitzen um die zentrale Achse des übergeordneten Leiterverbundes verdrillt angeordnet sein. Ein solcher Aufbau ermöglicht die Ausbildung eines größeren Leiterverbundes, bei gleichzeitiger Reduktion der Wechselstromverluste im Vergleich zu einer nicht verseilten Anordnung der Einzelleiter.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine entsprechend Anspruch 14 umfasst einen Rotor und einen Stator. Dabei weist der Stator wenigstens eine Statorwicklung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter auf. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Leiterverbundes und der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren dient zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Leiters. Es ist durch wenigstens einen Verfahrensschritt gekennzeichnet, bei dem die Teilleiter mit geschmolzenem Matrixmaterial umgossen werden.
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Mit diesem Verfahren lässt sich auf besonders einfache Weise ein elektrischer Leiter mit den oben beschriebenen Vorteilen herstellen. Durch das Umgießen der Teilleiter mit dem Matrixmaterial kann ein mechanisch fester Verbund gebildet werden, bei dem auch ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen Teilleiten und Matrixmaterial vorliegt. Durch diese Einbettung der Teilleiter in zunächst flüssiges Matrixmaterial ist eine viel bessere Wärmeabfuhr über das Matrixmaterial gewährleistet, als wenn Teilleiter und Matrix erst nachträglich in Form von festen Elementen miteinander verbunden würden. Ein derart gebildeter Verbund zwischen den Teilleitern und dem Matrixmaterial kann auch als „monolithisch“ bezeichnet werden, da der Verbund zwischen diesen Materialien wie aus einem Guss ist. In einem solchen monolithischen Verbund sich die Teilleiter auch nicht mehr gegeneinander oder gegen das Matrixmaterial beweglich. Durch das Umgießen der Teilleiter werden somit auch die mechanischen Eigenschaften des resultierenden elektrischen Leiters verbessert. Diese mechanische Festigkeit ist sowohl im Hinblick auf die Zugbelastung bei der Herstellung der Statorwicklung als auch im Hinblick auf die beim Betrieb der Maschine wirkenden Kräfte vorteilhaft.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des elektrischen Leiters, des Leiterverbunds, der elektrischen Maschine und des Herstellungsverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
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So können die einzelnen Teilleiter zumindest in einer Raumrichtung eine räumliche Ausdehnung unterhalb von 200 µm, insbesondere zwischen 5 µm und 200 µm aufweisen. Besonders vorteilhaft kann diese räumliche Ausdehnung unterhalb von 50 µm liegen. Eine derart feine Segmentierung ist vorteilhaft, um eine deutliche Reduktion der Wechselstromverluste (insbesondere der Wirbelstromverluste) im Vergleich zu nicht unterteilten Leitern oder zu Leitern mit dickeren Filamenten zu erreichen.
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Die Teilleiter können vorteilhaft aus einem Material gebildet sein, welches Kupfer, Aluminium und/oder Kohlenstoffnanoröhren umfasst. Die genannten Materialien weisen eine besonders hohe spezifische Leitfähigkeit auf, insbesondere auch im genannten Bereich der Betriebstemperaturen einer elektrischen Maschine. Aluminium und Kohlenstoffnanoröhren weisen gleichzeitig eine besonders niedrige Dichte auf, so dass sie sich als Leitermaterialien für Maschinen mit hohen Leistungsdichten besonders eignen. Solche Maschinen mit besonders hohen Leistungsdichten werden insbesondere für Antriebe von Luftfahrzeugen benötigt. Aber auch für Antriebe anderer Fahrzeuge sind hohe Leistungsdichten allgemein vorteilhaft.
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Das Material der Teilleiter kann besonders vorteilhaft hochreines Aluminium sein. Dieses kann vorteilhaft so rein sein, dass es ein Restwiderstandsverhältnis von wenigstens 1000 aufweist. Unter dem Restwiderstandsverhältnis soll im vorliegenden Zusammenhang allgemein das Verhältnis des Widerstands eines Materials bei 293 Kelvin im Verhältnis zu seinem Widerstand bei 4 Kelvin verstanden werden. Besonders vorteilhaft kann das Restwiderstandsverhältnis sogar oberhalb von 10000 liegen. Ein Bereich zwischen 1000 und 20000 scheint für hochreines Aluminium realistisch. Hierzu kann die Reinheit des Aluminiums in den Filamenten bei wenigstens 5N liegen, mit anderen Worten kann die Stoffreinheit wenigstens 99,999% betragen.
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Das Matrixmaterial kann allgemein vorteilhaft ein Material sein, welches einen Schmelzpunkt von höchstens 600°C, insbesondere nur höchstens 400°C aufweist. Ein derart niedrig schmelzendes Material ist besonders geeignet, um den elektrischen Leiter mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellen. Es kann sich bei dem Material bevorzugt um ein derart niedrig schmelzendes metallisches Material, also ein Metall oder eine metallische Legierung handeln. Es kann sich alternativ auch um einen Verbundwerkstoff mit wenigstens einer derart niedrig schmelzenden Komponente handeln. So kann beispielsweise innerhalb des Matrixmaterials eine Materialkomponente mit besonders hoher thermischer Leitfähigkeit im Verbund mit einer anderen Materialkomponente mit besonders niedrigem Schmelzpunkt vorliegen. Für beide Parameter gelten die an anderen Stellen dieser Anmeldung als bevorzugt angegebenen Werte.
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Vorteilhaft kann das Matrixmaterial ein Alkalimetall und/oder ein Erdalkalimetall umfassen. Derartige Metalle weisen allgemein einen relativ niedrigen Schmelzpunkt auf, und sie sind im Vergleich zu anderen Metallen derselben Periode relativ leicht. Besonders geeignet sind von diesen Metallen Lithium Natrium, Kalium, Magnesium und Calcium. Aber auch Zinn ist besonders geeignet als metallische Komponente einer besonders niedrig schmelzenden metallischen Legierung.
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Das Matrixmaterial kann bevorzugt eine Dichte von höchstens 2 g/m3 aufweisen. Mit einem solchen Material kann insgesamt ein Leiter mit niedriger Dichte herstellt werden, wodurch eine Maschine mit hoher Leistungsdichte erhalten werden kann.
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Das Matrixmaterial kann vorteilhaft eine höhere Duktilität als das Material der Teilleiter aufweisen. Insbesondere kann das Matrixmaterial ein Elastizitätsmodul zwischen 5 GPa und 50 GPa und/oder eine Mohshärte zwischen 0,5 und 3 aufweisen. Eine solche Ausgestaltung ist vorteilhaft, da dann insgesamt ein biegsamer Leiter erhalten wird, der sich gut zur Wicklung von elektrischen Spulen eignet. Dies kann auch dann der Fall sein, wenn das Material der Teilleiter an sich relativ spröde ist. Diese Sprödigkeit wird dann durch die Einbettung in das duktile Matrixmaterial zum Teil ausgeglichen.
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Der gesamte elektrische Leiter kann vorteilhaft einen Durchmesser zwischen 500 µm und 5 mm aufweisen. Leiter mit derartigen Durchmessern eigenen sich gut zur Herstellung von Statorwicklungen in elektrischen Maschinen. Es können auch mehrere solche Leiter in einem Leiterverbund vorliegen und als solcher zur Herstellung der Wicklungen verwendet werden.
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Die einzelnen Teilleiter des elektrischen Leiters können optional gegeneinander tordiert sein. Sie können beispielsweise gegeneinander um die Längsachse des Leiters tordiert sein. Es ist aber alternativ auch möglich, dass sich die Teilleiter innerhalb des Leiters jeweils parallel zur Längsachse erstrecken und innerhalb des Leiters nicht gegeneinander tordiert sind. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, wenn dann mehrere Leiter innerhalb eines Leiterverbundes gegeneinander verseilt sind. Eine derartige Torsion der Teilleiter und/oder der Leiter in einem solchen Verbund ist allgemein vorteilhaft, um die Wechselstromverluste zu reduzieren.
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Der elektrische Leiter kann vorteilhaft wenigstens 100, besonders vorteilhaft wenigstens 1000 Teilleiter aufweisen. Beispielsweise können zwischen 1000 und 10000 Teilleitern in einem solchen Leiter vorliegen. Eine derart feine Segmentierung bewirkt wiederum eine besonders effektive Reduzierung der Wechselstromverluste. Durch das erwähnte umgießen der Einzelleiter mit dem Matrixmaterial kann auf besonders einfache Weise eine derart feine Segmentierung realisiert werden.
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Die einzelnen Teilleiter können vorteilhaft jeweils als langgestreckte Filamente ausgebildet sein. Es können also mehrere im Wesentlichen eindimensionale Teilleiter im Leiter vorliegen. Diese können so in Matrixmaterial eingebettet sein, dass sie im zweidimensionalen Querschnittsprofil des Leiters jeweils im Wesentlichen vollständig von Matrixmaterial umgeben sind. Mit anderen Worten ist der Leiter dann in eine Vielzahl feiner Drähte unterteilt, wobei die Drähte voneinander durch das Matrixmaterial durch dessen vergleichsweise schlechte Leitfähigkeit elektrisch weitgehend getrennt sind.
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Ein Leiter in einer derartigen Ausführungsform lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders gut herstellen, indem die einzelnen Filamente in der gewünschten Konfiguration angeordnet werden (also beispielsweise parallel zueinander gespannt oder bereits gegeneinander verseilt) und dann gemeinsam mit dem Matrixmaterial umgossen werden.
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Alternativ zu dieser Ausführungsform können die einzelnen Teilleiter als Schichten ausgebildet sein, welche in einem Stapel angeordnet und jeweils durch dazwischenliegende Schichten aus Matrixmaterial getrennt sind. Dazu können die einzelnen Teilleiter beispielsweise als längliche Folien ausgebildet sein, welche wiederum durch ähnliche längliche Folien aus Matrixmaterial getrennt sein können.
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Die zwischen den Schichten der Teilleiter angeordneten Schichten aus Matrixmal können vorteilhaft jeweils eine Schichtdicke zwischen 5 µm und 30 µm aufweisen. In einem derartigen Schichtdickenbereich ist eine zuverlässige elektrische Trennung der Teilleiter gegeben, wobei gleichzeitig ein hoher Füllfaktor an Leitermaterial im Gesamtleiter erreicht werden kann.
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Allgemein und unabhängig von der genauen geometrischen Ausführung der Teilleiter kann der Leiter so ausgestaltet sein, dass das Material der Teilleiter im Querschnittsprofil des Leiters einen Füllfaktor von wenigstens 25%, insbesondere zwischen 25% und 40% aufweist. Ein derart hoher Füllfaktor kann beispielsweise entweder durch das Umgießen von Filamenten mit Matrixmaterial oder durch das Stapeln von dünnen Folien aus Matrixmaterial zwischen Teilleiter-Folien erzielt werden.
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Das Verhältnis der spezifischen Leitfähigkeiten der Teilleiter und des Matrixmaterials bei der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine kann allgemein vorteilhaft bei wenigstens 1000, insbesondere bei wenigstens 10000 oder sogar wenigstens 100000 liegen. Bei einem derartigen Leitfähigkeitsverhältnis kann eine zur Reduktion der Wechselstromverluste ausreichende elektrische Trennung der einzelnen Teilleiter bewirkt werden. Ein derart großes Verhältnis der spezifischen Leitfähigkeiten kann für die genannte kyrogene Betriebstemperatur auch mit solchen metallischen Matrixmaterialien erreicht werden, für die bei Raumtemperatur ein wesentlich geringerer Unterschied zur spezifischen Leitfähigkeit des Leitermaterials des Teilleiters vorliegen würde. Es liegt also hier die Erkenntnis zugrunde, dass für viele metallische Matrixmaterialien die Leitfähigkeit bei Kühlung auf kryogene Temperaturen nur wenig ansteigt, während sie für geeignete Materialien der Teilleiter, beispielsweise Silber oder Kupfer bei der Abkühlung deutlich erhöht wird. Durch die Kühlung auf die kryogene Betriebstemperatur kann also bei solchen metallischen Matrixmaterialien der Leitfähigkeitsunterschied zum Matrixmaterial durch die Kühlung vorteilhaft stark intensiviert werden. Die elektrisch trennenden Eigenschaften des Matrixmaterials reichen dann bei der kryogenen Betriebstemperatur aus, um den Stromfluss in den Teilleitern zu konzentrieren und so die Wechselstromverluste zu reduzieren.
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Die Teilleiter können allgemein monolithisch in sie umgebendes Matrixmaterial eingebettet sein. Die Formulierung, dass die Teilleiter „monolithisch“ in das Matrixmaterial eingebettet sind, soll im vorliegenden Zusammenhang bedeuten, dass Teilleiter und Matrix in einem festen Verbund miteinander vorliegen, wobei keine leeren Zwischenräume zwischen den Teilleitern und der Matrix ausgebildet sind und die Teilleiter nicht (auch nicht abschnittsweise) gegen das umgebende Matrixmaterial bewegt werden können. Vielmehr sollen Teilleiter und Matrix einen derart mechanisch festen Verbund miteinander bilden, als wenn sie aus einem Guss hergestellt wären. Hierbei soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass zwischen den einzelnen Teilleitern und der umgebenden Matrix noch eine zusätzliche Schicht vorliegen kann, beispielsweise eine höher resistive Barriereschicht zur zusätzlichen elektrischen Isolation. In einem solchen Fall soll diese zusätzliche Schicht sowohl mit dem davon umhüllten Teilleiter als auch mit der umgebenden Matrix wiederum einen monolithischen Verbund bilden. Es soll also der gesamte Verbund aus Teilleiter, Matrixmaterial und optionaler Zwischenschicht bezüglich der mechanischen Festigkeitseigenschaften wie aus einem Guss sein. Die kann vorteilhaft durch das Umgießen der Teilleiter mit dem niedriger schmelzenden Matrixmaterial erreicht werden.
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Die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Matrixmaterials kann allgemein vorteilhaft bei wenigstens 30 W/m·K, besonders vorteilhaft sogar bei wenigstens 50 W/m·K oder sogar 100 W/m·K liegen. So kann eine besonders gute Entwärmung der Teilleiter erreicht werden. Insbesondere kann damit eine Kühlung der Teilleiter auf eine kryogene Betriebstemperatur erleichtert werden. Bei den genannten spezifischen Wärmeleitfähigkeiten soll es sich der einfacheren Bestimmung halber um Messwerte bei Raumtemperatur handeln.
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Die elektrische Maschine kann entweder eine Statorwicklung umfassen, bei der einer oder mehrere einzelne erfindungsgemäße elektrische Leiter zu einer Spule gewickelt sind. Alternativ kann die elektrische Maschine aber auch eine oder mehrere Leiterverbünde gemäß Anspruch 13 umfassen.
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Bei der Maschine ist der Rotor zweckmäßig relativ zum Stator mittels einer Rotorwelle drehbar gelagert. Der Rotor kann insbesondere ein Rotor mit wenigstens einer supraleitenden Wicklung sein. Die Maschine kann bei dieser Ausführungsform zweckmäßig ein Kühlsystem umfassen, um die supraleitende Wicklung auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters zu kühlen. Bei dem Supraleiter kann es sich insbesondere um einen Hochtemperatursupraleiter handeln, beispielsweise um Magnesiumdiborid, einen Bismuthaltigen Hochtemperatursupraleiter erster Generation oder um ein Material des Typs REBa2Cu3Ox (kurz REBCO), wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.
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Vor allem bei einer Ausführungsform mit supraleitendem Rotor kann die elektrische Maschine für eine Betriebstemperatur der Statorwicklung(en) unterhalb von 78 K, insbesondere im Bereich von 20 K ausgelegt sein. Rotor- und Statorwicklungen können also in einem gemeinsam zu kühlenden kryogenen Bereich der Maschine angeordnet sein. Sie können insbesondere in einem gemeinsamen Kryostaten gegen die warme äußere Umgebung isoliert sein. Dies kann die Konstruktion der Maschine erleichtern, da Rotor und Stator näher beieinander liegen können und nicht gegeneinander thermisch entkoppelt sein müssen. Da durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Leiters die Wechselstromverluste im Stator gering gehalten werden, ist auch die vom Stator abzuführende Wärme gering, und das Kühlsystem der elektrischen Maschine kann insgesamt für relativ geringe abzuführende Wärmemengen ausgelegt werden. Da Rotor und Stator nicht getrennt gekühlt werden müssen, kann im Vergleich zum Stand der Technik auch die Zahl der Kühlaggregate reduziert werden und/oder der Platzbedarf für die Kühlung reduziert werden. Insgesamt kann die elektrische Maschine im Vergleich zum Stand der Technik kleiner und leichter ausgeführt werden, und es kann eine höhere Leistungsdichte erreicht werden. Diese Vorteile sind insbesondere im Hinblick auf Luftfahrzeuge mit elektrischen Antrieben interessant, bei denen die Leistungsdichte der für den Antrieb verwendeten Motoren und der an Bord befindlichen Generatoren extrem hoch sein muss.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens kann das Umgießen der Teilleiter mit Matrixmaterial unter inertem Schutzgas erfolgen, insbesondere wenn das Matrixmaterial ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall und/oder ein anderes oxidationsempfindliches Material umfasst.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Leiters nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
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2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Leiters nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt,
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3 eine schematische Darstellung eines Leiterverbunds aus mehreren derartigen Leitern zeigt und
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4 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit Statorwicklungen aus derartigen Leitern zeigt.
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1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines elektrischen Leiters 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Leiter 1, bei dem mehrere Teilleiter 3a in Form von einzelnen Filamenten in ein umgebendes Matrixmaterial 5 eingebettet sind. Die einzelnen Teilleiter 3a weisen einen Durchmesser dT zwischen 5 µm und 200 µm auf. Dabei ist die Querschnittsgeometrie der Teilleiter 3a jedoch nicht auf die gezeigte kreissymmetrische Form beschränkt, sondern es können auch andere Querschnittsformen, beispielsweise rechteckige oder hexagonale Formen vorliegen. Wesentlich für die gezeigte Ausführungsform ist nur, dass die Teilleiter in Form länglich ausgedehnter Filamente vorliegen, die jeweils von Matrixmaterial umschlossen sind. Im gezeigten Beispiel sind die einzelnen Teilleiter 3a in zwei Raumrichtungen x und z in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Beispielhaft ist hier eine orthogonale Packung gezeigt, es kann jedoch alternativ auch vorteilhaft ein anderer Packungstyp, beispielsweise eine hexagonale Packung der einzelnen Stränge von Teilleitern 3a vorliegen. Die hauptsächliche Stromtransportrichtung im übergeordneten elektrischen Leiter 1 ist die in 1 mit y bezeichnete Richtung, der Stromtransport läuft also entlang der einzelnen Filamente 3a. In den Raumrichtungen senkrecht dazu, also in x- und z-Richtung wird ein Stromfluss zwischen den Filamenten 3a dagegen durch die bei Betriebstemperatur deutlich geringere Leitfähigkeit des Matrixmaterials 5 vorteilhaft unterdrückt.
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Die einzelnen Teilleiter 3a sind im gezeigten Beispiel aus Aluminium gebildet. Sie sind in ein metallisches Matrixmaterial 5 eingebettet, wobei dieses Matrixmaterial beispielhaft eine Legierung mit einem Alkalimetall als Hauptbestandteil darstellt. Diese Legierung weist einen Schmelzpunkt unterhalb von 400 °C auf. Es kann sich jedoch auch um andere geeignete Legierungen mit entsprechend niedrigen Schmelzpunkten handeln. Wesentlich ist nur, dass der Schmelzpunkt ausreichend niedrig ist, damit das Matrixmaterial um die in dem gewünschten Muster angeordneten Teilleiter 3a herum gegossen werden kann. So wird ein monolithischer Verbund zwischen Teilleitern 3a und Matrixmaterial 5 im resultierenden elektrischen Leiter 1 gebildet.
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Im gezeigten Beispiel der 1 weist der übergeordnete elektrische Leiter senkrecht zu seiner Haupt-Stromtransportrichtung einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Leiter kann alternativ aber auch ein anderes, beliebiges Querschnittsprofil aufweisen, er kann insbesondere auch rund geformt sein.
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Die in 1 gezeigten 100 Teilleiter 3a sind nur beispielhaft zu verstehen und können auch für eine wesentlich größere Anzahl an Teilleitern 3a im übergeordneten Leiter 1 stehen. Eine derart feine Filamentisierung, beispielsweise mit wenigstens 1000 Teilleitern, ist vorteilhaft, um die Wechselstromverluste beim Betrieb einer elektrischen Maschine mit Wicklungen aus derartigen Leitern zu reduzieren.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines elektrischen Leiters 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein elektrischer Leiter 1, der in einen Stapel von schichtförmigen Teilleitern 3b aufgeteilt ist. Die einzelnen Schichten von Teilleitern 3b sind aus Folien mit einer Dicke dT zwischen 5 µm und 200 µm gebildet. Zwischen diesen Leiterfolien 3b sind jeweils Folien aus Matrixmaterial angeordnet, die eine Dicke dM von beispielweise zwischen 5 µm und 30 µm aufweisen können.
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Im Beispiel der 2 ist die hauptsächliche Stromtransportrichtung des übergeordneten Leiters die z-Richtung. Durch seinen Aufbau als Schichtstapel ist der Leiter 1 hier also nur in x-Richtung in einzelne Teilleiter unterteilt. Innerhalb jeder Teilleiter-Schicht findet also ein flächiger Stromtransport statt, wobei die Ausdehnung der einzelnen Schichten in z-Richtung insgesamt wesentlich größer ist als in y-Richtung. Es handelt sich also um Schichten beziehungsweise Folien mit ausgeprägt länglicher Form.
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Die Schichten 3b der Teilleiter können im gezeigten Beispiel aus Kupfer oder zumindest mit Kupfer als Hauptbestandteil ausgebildet sein. Die dazwischen liegenden Schichten aus Matrixmaterial können beispielsweise Magnesium als Hauptbestandteil aufweisen. Wesentlich ist, dass diese Matrix-Folien weicher sind als die dazwischen angeordneten Folien aus dem Material der Teilleiter. Bei dem gezeigten Aufbau des elektrischen Leiters 1 als Schichtsystem muss das Matrixmaterial 5 auch nicht durch einen Schmelzprozess zwischen den leitenden Schichten 3b eingebracht werden. Ein niedrigerer Schmelzpunkt des Matrixmaterials 5 im Vergleich zum Material der Teilleiter ist trotzdem vorteilhaft, weil mit einem niedrigeren Schmelzpunkt typischerweise auch eine geringere Härte eines Metalls oder einer metallischen Legierung einhergeht. Es ist allgemein vorteilhaft, wenn das Matrixmaterial 5 weicher ist als das Material der Teilleiter 3b, um eine hohe Duktilität im übergeordneten elektrischen Leiter 1 zu erreichen.
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Bei einem Schicht-Folien-Leiter, der ähnlich wie im Beispiel der 2 aufgebaut ist, können bei einer Verwendung in einer elektrischen Maschine die einzelnen Leiterschichten 3b allgemein vorteilhaft so ausgerichtet sein, dass sie sich parallel zu der lokal vorherrschenden Magnetfeldrichtung erstrecken. Durch eine solche Ausrichtung können wiederum Wechselstromverluste reduziert werden.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leiterverbunds 21 mit mehreren elektrischen Leitern 1 in schematischem Querschnitt. Diese elektrischen Leiter 1 sollen jeweils entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sein und können beispielsweise ähnlich wie im Zusammenhang mit den 1 oder 2 beschrieben aufgebaut sein. Die einzelnen Leiter 1 sind miteinander verseilt und dabei spiralförmig um eine zentrale Achse A des übergeordneten Leiterverbundes 21 verdrillt. Beispielhaft sind in 3 für jeden Leiter 1 nur sieben Teilleiter 3a gezeigt, die hier als Filamente ausgebildet sind und hexagonal gepackt sind. Diese Teilleiter sollen jedoch nur repräsentativ für eine wesentlich größere Anzahl an Teilleitern stehen und können alternativ zur gezeigten Struktur auch als Leiterschichten wie in 2 vorliegen. Die drei einzelnen elektrischen Leiter 1 der 4 weisen um das Matrixmaterial 5 noch eine zusätzliche Außenhülle 15 auf, die dem Schutz der einzelnen Leiter und/oder zur mechanischen Verstärkung der Leiter dient.
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4 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer elektrischen Maschine 31 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor 37 und einen Stator 33. Der Rotor 37 ist mittels einer Rotorwelle 39 um eine Rotationsachse 38 drehbar gelagert. Hierzu ist die Rotorwelle 37 über die Lager 40 gegen das Maschinengehäuse 41 abgestützt. Gezeigt ist ein Längsschnitt entlang der Rotationsachse 38. Bei der elektrischen Maschine kann es sich grundsätzlich um eine Motor oder einen Generator handeln oder auch um eine Maschine, die in beiden Modi betrieben werden kann.
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Der Stator 33 weist eine Mehrzahl von Statorwicklungen 34 auf, deren Wickelköpfe 34a sich in radial außenliegende Bereiche erstrecken. Vor allem die weiter innenliegenden Bereiche der Statorwicklungen 34 zwischen diesen Wickelköpfen 33 treten beim Betrieb der elektrischen Maschine 31 in elektromagnetische Wechselwirkung mit einem Feld des Rotors. Diese Wechselwirkung findet über einen Luftspalt 36 hinweg statt, der radial zwischen Rotor 37 und Stator 33 liegt. Die Statorwicklungen 34 sind im gezeigten Beispiel in Nuten eines Stator-Blechpaketes 35 eingebettet, können aber auch sogenannte „Luftspaltwicklungen“ ohne Blechpaket sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, dass die Statorwicklungen jeweils aus erfindungsgemäßen elektrischen Leitern 1 beziehungsweise aus erfindungsgemäßen Leiterverbünden 21 mit solchen Leitern 1 gewickelt sind. Dabei können die Leiter ähnlich wie im Zusammenhang mit den 1 oder 2 beschrieben aufgebaut sein. Ein Leiterverbund mit mehreren elektrischen Leitern kann beispielsweise wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben aufgebaut sein.
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Die elektrische Maschine der 4 kann im Rotor 37 supraleitende Wicklungen aufweisen. Hierzu kann der Rotor 37 im Betrieb auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden, die unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiters liegt. Diese Betriebstemperatur kann beispielsweise bei etwa 20 K liegen. Die Kühlung kann mit einem in der Abbildung nicht näher dargestellten Kühlsystem erreicht werden. Die tiefkalten Komponenten sollten außerdem thermisch gegen die warme Umgebung isoliert sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt diese (hier nicht näher dargestellte) thermische Isolation im Außenbereich der elektrischen Maschine, so dass auch die Statorwicklungen 34 zusammen mit dem Rotor 37 auf die kryogene Temperatur gekühlt werden. Beispielsweise kann die Maschine 31 über das Gehäuse 41 nach außen hin thermisch isoliert sein. Durch die Kühlung des Stators 33 treten in den Statorwicklungen 34 geringere Verluste auf, und es kann auch ein geringerer radialer Abstand zwischen den Rotorwicklungen und den Statorwicklungen eingehalten werden, was für den Betrieb der Maschine ebenfalls vorteilhaft ist.
