DE102016211758A1

DE102016211758A1 - Use of a composite material, electric machine, vehicles and wind turbine

Info

Publication number: DE102016211758A1
Application number: DE102016211758.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Frank; Jörn Grundmann; Anne Kuhnert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Es werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch die die Herstellung von hochleistungsfähigen Elektromaschinen, zum Beispiel für Luft- oder Schiffsfahrzeuge oder Windkraftanlagen, ohne ausladende und massige Wickelköpfe und damit ohne Masse- und lange Leitungsprobleme möglich ist. Kern der Maßnahmen ist die Verwendung eines Verbundmaterials in Form eines Kupfer-Kohlenstoffnanoröhrchen-Verbundmaterials bei der Herstellung der Ständerwicklungen in der Elektromaschine. Damit ist die Verteilung der Ständerwicklungen der Elektromaschine optimierbar, so dass ausladende Wickelköpfe vermeidbar und damit zusammenhängend die Masse der Wickelköpfe und die Länge der Wickeldrähte reduzierbar sind. Damit entfällt ein zusätzlicher Beitrag zu den Verlusten bei der Statorwicklung, wodurch die Anforderungen an eine Kühlung des Stators ebenfalls verringert sind. Der Wirkungsgrad der Elektromaschine ist entsprechend erhöht.There are proposed measures by which the production of high-performance electric machines, for example, for air or marine vehicles or wind turbines, without bulky and bulky winding heads and thus without mass and long line problems is possible. The core of the measures is the use of a composite material in the form of a copper-carbon nanotube composite material in the manufacture of the stator windings in the electric machine. Thus, the distribution of the stator windings of the electric machine can be optimized, so that projecting end windings avoidable and thus the mass of the winding heads and the length of the winding wires can be reduced together. This eliminates an additional contribution to the losses in the stator winding, whereby the requirements for a cooling of the stator are also reduced. The efficiency of the electric machine is increased accordingly.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Verbundmaterials nach dem Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine Elektromaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Fahrzeuge nach den Oberbegriffen der Ansprüche 9 oder 10. Die Erfindung betrifft schließlich eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11. The present invention relates to the use of a composite material according to claim 1. The present invention further relates to an electric machine according to the preamble of claim 2. The present invention further relates to vehicles according to the preambles of claims 9 or 10. The invention finally relates to a wind turbine according to the The preamble of claim 11.

Um rotierende elektrische Maschinen für den Zweck des elektrischen Fliegens einsetzen zu können, müssen die einzusetzenden Motoren und Generatoren eine hohe Leistungsdichte aufweisen. Als Zielgröße sind zum Beispiel 20 kW/kg ein entsprechender Richtwert für einen Generator mit einer Leistung von 10 MW. Um derartige Leistungsdichten zu erzielen, werden für die Rotorwicklungen zum Beispiel supraleitende Materialien eingesetzt. Diese ermöglichen es, trotz kompaktem Rotor, am Ort des Ständers hinreichend hohe magnetische Flussdichten, vorzugsweise > 1 T zu erzeugen. Zusammen mit entsprechenden hohen Stromdichten im Stator besteht dann die Möglichkeit, die gewünschten Leistungswerte zu erzielen. In order to use rotating electrical machines for the purpose of electric flying, the motors and generators to be used must have a high power density. For example, 20 kW / kg as the target value is a corresponding guideline value for a generator with a capacity of 10 MW. To achieve such power densities, for example, superconducting materials are used for the rotor windings. These make it possible, despite the compact rotor, to produce sufficiently high magnetic flux densities, preferably> 1 T, at the location of the stator. Together with corresponding high current densities in the stator, it is then possible to achieve the desired power values.

Bisher wurden für den Stator der supraleitenden Maschinen im MW-Leistungsbereich Luftspaltwicklungen aus Cu-Litzenmaterial eingesetzt, die mit Stromdichten im Bereich um ungefähr 4 bis 5 A/mm² beaufschlagt wurden. Für spezielle Anwendungen im Bereich der Elektromobilität beziehungsweise elektrischer Kleinflugzeuge, wurden zum Beispiel für Maschinen mit Leistungen bis einige Hundert kW Statoren mit Stromdichten von ungefähr 25 A/mm² realisiert. Derartige Werte müssen auch für Maschinen im MW-Bereich realisiert werden, um die gewünschten Leistungsdichten zu erhalten. Bei den erwähnten Kleinleistungsmaschinen wurden im Wesentlichen äußerst kompakt realisierbare Einzelzahnwicklungen eingesetzt und der Rotor mit Permanentmagneten bestückt. Bei den sogenannten Hochtemperatur-Supraleiter Maschinen (HTS Maschinen) im MW-Bereich wurden hingegen verteilte, gesehnte Wicklungen verwendet. Der Grund dafür liegt darin, dass diese Wicklungskonfigurationen einen sehr geringen Anteil von räumlichen Oberwellen erzeugen, was wiederum für den Einsatz der HTS-Wicklungen im Rotor unabdingbar ist. Heretofore, superconducting machines in the MW power range have used air-gap coils made of Cu stranded material, which have been subjected to current densities in the range of approximately 4 to 5 A / mm ² . For special applications in the field of electromobility or electric small aircraft, for example, for machines with outputs up to several hundred kW stators with current densities of approximately 25 A / mm ^{2 have been} realized. Such values must also be realized for machines in the MW range in order to obtain the desired power densities. In the mentioned small-power machines essentially extremely compact single-tooth windings were used and the rotor equipped with permanent magnets. In the so-called high-temperature superconductor machines (HTS machines) in the MW range, however, distributed, stretched windings were used. The reason for this is that these winding configurations generate a very small proportion of spatial harmonics, which in turn is essential for the use of HTS windings in the rotor.

Der Nachteil dieser verteilten Wicklungen liegt darin, dass sie jeweils mehrere Zähne umfassen und dadurch ausladende Wickelköpfe entstehen. Abhängig von der Gesamtgeometrie der Maschine kann es dabei vorkommen, dass die Masse der Wickelköpfe die Masse der Wicklungen im geraden Teil der Wicklung nicht nur erreicht, sondern sogar übertrifft. Dies ist wiederum aus mehreren Gründen von Nachteil: Zum Einen tragen die Wickelköpfe damit erheblich zum Gesamtgewicht der Maschine bei, ohne im gleichen Maße zu deren Leistung beizutragen. Zum Anderen bedeuten die langen Wege in den Wickelköpfen einen entsprechenden zusätzlichen Beitrag zu den (ohmschen) Verlusten der Statorwicklung, was die ohnehin schon erheblichen Anforderungen an die Kühlung des Stators noch verschärft und sich negativ im Wirkungsgrad niederschlägt. The disadvantage of these distributed windings is that they each comprise a plurality of teeth and thereby arise projecting end windings. Depending on the overall geometry of the machine, it may happen that the mass of the winding heads not only reaches the mass of the windings in the straight part of the winding, but even exceeds. This, in turn, is disadvantageous for a number of reasons: On the one hand, the winding heads thus contribute significantly to the overall weight of the machine, without contributing to the same extent to their performance. On the other hand, the long paths in the winding heads mean a corresponding additional contribution to the (ohmic) losses of the stator winding, which aggravates the already considerable requirements for the cooling of the stator and negatively impacts in terms of efficiency.

Als Fachwissen ist die Entwicklung eines Materials mit gegenüber Kupfer und Gold ungefähr hundertfach höherer Stromtragfähigkeit, auch „Ampacity“ genannt, bekannt aus: [1] Nature Communications (2013) vol. 4, ISSN 20411723 (el.), Article (English), Subramaniam, Chandramouli; Yamada, Takeo; Kobashi, Kazufumi; Futaba, Don N.; Yumura, Motoo; Hata, Kenji; et. al., „One hundred fold increase in current carrying capacity in a carbon nanotube-copper composite“ ( http://www.nature.com/ncomms/2013/130723/ncomms3202/full/nco mms3202.html ). As expertise is the development of a material with about 100 times higher current carrying capacity than copper and gold, too Called "Ampacity," known from: [1] Nature Communications (2013) vol. 4, ISSN 20411723 (el.), Article (English), Subramaniam, Chandramouli; Yamada, Takeo; Kobashi, Kazufumi; Futaba, Don N .; Yumura, Motoo; Hata, Kenji; et. al., "One hundred fold increase in current carrying capacity in a carbon nanotube-copper composite" ( http://www.nature.com/ncomms/2013/130723/ncomms3202/full/nco mms3202.html ).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, Maßnahmen vorzuschlagen, durch die die Herstellung von hochleistungsfähigen Elektromaschinen ohne ausladende und massige Wickelköpfe und damit ohne Masse- und lange Leitungsprobleme möglich ist. Object of the present invention is to propose measures by which the production of high-performance electric machines without expansive and massive winding heads and thus without mass and long line problems is possible.

Gelöst wird diese Aufgabe bezüglich einer Verwendung eines Verbundmaterials erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Kupfer-Kohlenstoffnanoröhrchen-Verbundmaterials bei der Herstellung der Ständerwicklungen in Elektromaschinen. This object is achieved with respect to a use of a composite material according to the invention by the use of a copper-carbon nanotube composite material in the production of the stator windings in electric machines.

Gelöst wird diese Aufgabe bezüglich einer Elektromaschine ausgehend von einer Elektromaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch eine Elektromaschine, die das Merkmal im Kennzeichen des Anspruchs 2 aufweist. This object is achieved with respect to an electric machine, starting from an electric machine of the type mentioned according to the invention by an electric machine having the feature in the characterizing part of claim 2.

Gelöst wird diese Aufgabe bezüglich Fahrzeugen ausgehend von Fahrzeugen der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch Fahrzeuge, die das Merkmal im Kennzeichen des Anspruchs 9 oder 10 aufweisen. This object is achieved with respect to vehicles starting from vehicles of the type mentioned according to the invention by vehicles having the feature in the characterizing part of claim 9 or 10.

Gelöst wird diese Aufgabe bezüglich einer Windkraftanlage ausgehend von einer Windkraftanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch eine Windkraftanlage, die das Merkmal im Kennzeichen des Anspruchs 11 aufweist. This object is achieved with respect to a wind turbine starting from a wind turbine of the type mentioned according to the invention by a wind turbine having the feature in the characterizing part of claim 11.

Der Vorteil der bei diesen Lösungen im Fokus stehenden Elektromaschinen ist, dass die Verteilung der Ständerwicklungen der Elektromaschine optimierbar ist, so dass ausladende Wickelköpfe vermeidbar und damit zusammenhängend die Masse der Wickelköpfe und die Länge der Wickeldrähte reduzierbar sind. Letzteres wiederum hat auch den Vorteil, dass ein zusätzlicher Beitrag zu den Verlusten, wie zum Beispiel ohmsche Verluste, bei der Statorwicklung verringert sind, was wiederum die Anforderung an eine Kühlung des Stators verringert. Insgesamt wird dabei der Wirkungsgrad der Elektromaschine deutlich erhöht. The advantage of standing in these solutions in the focus of electric machines is that the distribution of the stator windings of the electric machine can be optimized so that cantilevered end windings are avoidable and thus the mass of the end windings and the length of the winding wires can be reduced. The latter in turn also has the advantage that an additional contribution to the losses, such as resistive losses, in the Stator winding are reduced, which in turn reduces the requirement for cooling of the stator. Overall, the efficiency of the electric machine is significantly increased.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent claims.

Danach kann die Elektromaschine als ein Elektromotor oder als ein Generator ausgebildet sein, wobei wenigstens ein einziger Propeller vorgesehen sein kann, der über eine technische Wirkverbindung mit der Elektromaschine verbunden ist. Damit kann die Elektromaschine als Elektromotor für ein Luft- oder Schiffsfahrzeug oder als Generator für eine Windkraftanlage ausgebildet und in diesen entsprechenden Einheiten verwendet sein. Thereafter, the electric machine may be formed as an electric motor or as a generator, wherein at least a single propeller may be provided, which is connected via a technical operative connection with the electric machine. Thus, the electric machine can be designed as an electric motor for an air or marine vehicle or as a generator for a wind turbine and used in these corresponding units.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen können vorteilhaft auch bei HTS-Rotoren zum Einsatz kommen. Mit diesen Maßnahmen ist der gleichzeitige Einsatz von verteilten, gegebenenfalls gesehnten Wicklungen möglich, was bei HTS-Rotoren unabdingbar ist. In vorteilhafter Weise sind die Wicklungen gegenüber herkömmlichen Cu-Wicklungen mit geringerer Masse und geringeren, ohmschen, Verlusten realisierbar, und zwar dadurch, dass das neu entwickelte Kupfer-Kohlenstoffnanoröhrchen-Verbundmaterial (Cu-CNT-Kompositmaterial, Englisch: carbon nanotube-copper composite) für Kontaktierungen im Mikroelektronikbereich verwendet wird. The measures according to the invention can advantageously also be used with HTS rotors. With these measures, the simultaneous use of distributed, optionally extended windings is possible, which is indispensable in HTS rotors. Advantageously, the windings can be realized compared to conventional Cu windings with lower mass and lower ohmic losses, by virtue of the fact that the newly developed copper-carbon nanotube composite material (Cu-CNT composite material, English: carbon nanotube-copper composite) is used for contacts in the field of microelectronics.

Subramaniam et al. [1] haben ein entsprechendes Material entwickelt, das eine gegenüber Kupfer und Gold ungefähr hundertfach höhere Stromtragfähigkeit hat. Diese Eigenschaft („Ampacity“) ist im Bereich der Mikroelektronik wichtig, da dort in den dünnen Bonddrähten bei den herkömmlichen Materialien diese Stromtragfähigkeit die Belastbarkeit begrenzt. Höhere Stromdichten führen durch Elektromigration zur Zerstörung der Verbindungen. Für makroskopische Leitungen in der Leistungselektronik wird diese Eigenschaft als von untergeordneter Bedeutung angesehen, da die Stromdichte in den Drähten hier thermisch limitiert ist. Die erwähnten Cu-CNT Komposite können unter bestimmten Bedingungen, und damit für bestimmte Anwendungen, aber auch für makroskopische Leitungen Vorteile bieten. Zum Einen besitzen diese Materialien durch den hohen Anteil von CNT, ca. 45%, eine erheblich geringere Dichte als reines Cu, ungefähr 5,2 g/cm³ anstelle von 8,9 g/cm³, und ermöglichen dadurch erheblich leichtere Wicklungen (Ziel der hohen gewichtspezifischen Leistungsdichte gemessen in kW/kg). Zum Anderen weist die Leitfähigkeit des Materials besonders vorteilhafte Eigenschaften in Anwendungen auf, bei welchen die Betriebstemperatur deutlich über ungefähr 80°C liegt: Bei Raumtemperatur liegt der Wert der Leitfähigkeit nur bei ungefähr 80% des Wertes von Kupfer, allerdings ist der Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes des Materials erheblich geringer als der von reinem Kupfer. So geben die Autoren an, dass die Leitfähigkeit des Komposits bereits bei ungefähr 80°C den Wert von Kupfer erreicht und bei ungefähr 200°C etwa doppelt so hoch wie die Leitfähigkeit von Kupfer ist. Da die Statortemperatur der hochausgenutzen Maschinen im Bereich von 120–200°C liegen wird, ist davon auszugehen, dass bei Verwendung der Kompositmaterialien für die Statorwicklung deren, ohmsche, Verluste entsprechend geringer ausfallen als bei der Verwendung von Kupfer als Wicklungsmaterial. Da zusätzlich CNT auch noch geringere Verluste durch Skin- und Proximity-Effekt aufweisen, können für die Komposite auch bei diesen Verlusten Reduzierungen erwartet werden. In Summe wird die Statorwicklung also leichter und weist geringere Verluste auf, was sich wiederum nicht nur im Wirkungsgrad, sondern auch bei Größe und Gewicht der Hilfsbetriebe zur Statorkühlung positiv auswirkt. Subramaniam et al. Have developed a corresponding material, which has a copper and gold about hundred times higher current carrying capacity. This property ("Ampacity") is important in the field of microelectronics, since there in the thin bonding wires in conventional materials, this current carrying capacity limits the load capacity. Higher current densities lead to the destruction of the compounds due to electromigration. For macroscopic lines in power electronics, this property is considered to be of secondary importance, since the current density in the wires is thermally limited here. The Cu-CNT composites mentioned can offer advantages under certain conditions, and therefore for certain applications, but also for macroscopic lines. On the one hand, due to the high proportion of CNT, about 45%, these materials have a significantly lower density than pure Cu, about 5.2 g / cm ³ instead of 8.9 g / cm ³ , and thus allow considerably lighter windings ( Objective of the high weight-specific power density measured in kW / kg). On the other hand, the conductivity of the material has particularly advantageous properties in applications where the operating temperature is well above about 80 ° C. At room temperature, the value of the conductivity is only about 80% of the value of copper, but the temperature coefficient of resistivity material significantly lower than that of pure copper. The authors state that the conductivity of the composite already reaches the value of copper at about 80 ° C and at about 200 ° C is about twice as high as the conductivity of copper. Since the stator temperature of the highly used machines will be in the range of 120-200 ° C, it can be assumed that, when using the composite materials for the stator winding, their ohmic losses will be correspondingly lower than when using copper as the winding material. In addition, since CNTs also have lower losses due to skin and proximity effects, reductions can also be expected for the composites even with these losses. In sum, the stator winding thus becomes lighter and has lower losses, which in turn has a positive effect not only on the efficiency, but also on the size and weight of the auxiliary equipment for stator cooling.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Called "Ampacity," known from: [1] Nature Communications (2013) vol. 4, ISSN 20411723 (el.), Article (English), Subramaniam, Chandramouli; Yamada, Takeo; Kobashi, Kazufumi; Futaba, Don N .; Yumura, Motoo; Hata, Kenji; et. al., "One hundred fold increase in current carrying capacity in a carbon nanotube-copper composite" [0005]
http://www.nature.com/ncomms/2013/130723/ncomms3202/full/nco mms3202.html [0005]
Subramaniam et al. [0015]

Claims

Use of copper-carbon nanotube composite material in the manufacture of stator windings in electric machines.

An electric machine having stator windings made of a given material, characterized in that the predetermined material of at least a single one of the stator windings made therewith is a copper-carbon nanotube composite material.

Electric machine according to claim 2, characterized in that the electric machine is designed as an electric motor.

Electric machine according to claim 2, characterized in that the electric machine is designed as a generator.

Electric machine according to one of claims 2 to 4, characterized in that at least one single propeller is provided, which is connected via a technical operative connection with the electric machine.

Electric machine according to claim 5 with an electric motor designed as an electric machine, characterized in that the electric machine is designed as an electric motor for an aircraft.

Electric machine according to claim 5 with an electric motor designed as an electric machine, characterized in that the electric machine is designed as an electric motor for a ship's vehicle.

Electric machine according to claim 5 with a trained as a generator electric machine, characterized in that the electric machine is designed as a generator for a wind turbine.

Aircraft with an electric motor designed as an electric motor, characterized in that the electric machine is designed as an electric machine according to one of claims 2, 3, 5 or 6.

Ship vehicle with an electric motor designed as an electric motor, characterized in that the electric machine is designed as an electric machine according to one of claims 2, 3, 5 or 7.

Wind turbine with a generator designed as an electric machine, characterized in that the electric machine is designed as an electric machine according to one of claims 2, 4, 5 or 8.