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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine sowie ein hybridelektrisches Flugzeug.
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Die Entwicklung von Elektromotoren zielt auf eine Optimierung von Effizienz, Leistungsgewicht, Zuverlässigkeit und Lebensdauer ab. Allerdings bedingen diese Größen einander: Ein niedriges Motorgewicht führt in der Regel zu einer geringeren Effizienz. Eine hohe Lebensdauer andererseits bedarf zumeist eines entsprechend dimensionierten elektrischen Kühlsystems, welches sich wiederum nachteilig auf die Entwärmung auswirkt.
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Eine gute Entwärmung ist jedoch essentiell für eine ausreichende Lebensdauer. Besonders wichtig ist die Entwärmung bei Motoren/Generatoren, die unter Hochspannung bei gleichzeitig erhöhten Taktfrequenzen laufen und/oder durch Umrichter betrieben werden, da durch die mit der Frequenz steigenden Polarisationseffekte zusätzlich Wärme entsteht. Denn mit zunehmender Frequenz ergeben sich bei elektrischen Antrieben zunehmend „Ohmsche Verluste“, Skinverluste und Proximityverluste. Daher zählt es zum Stand der Technik, sogenannte Litzenleiter einzusetzen, die im Gegensatz zu Vollleitern aus einzelnen, gegeneinander isolierten Drähten bestehen und damit die Verluste teilweise begrenzen.
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Gleichzeitig ist eine effiziente Kühlung und Isolierung für eine kompakte Bauweise und ein geringes Leistungsgewicht notwendig.
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Vor diesem Hintergrund ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine zu schaffen, bei welcher eine gute elektrische Isolierung von Leitern wie insbesondere Litzenleitern gewährleistet ist. Zusätzlich soll die elektrische Maschine möglichst kompakt ausbildbar sein. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Maschine sowie ein Flugzeug zu schaffen, welches kompakt und mit geringem Leistungsgewicht ausbildbar ist.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Verfahren mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Flugzeug mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst mindestens eine Wicklung mit mindestens einem elektrischen Leiter und mindestens eine elektrische Isolierung zur Isolierung einer oder mehrerer der Wicklungen und/oder Leiter. Bei der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung ist die mindestens eine Isolierung mit einem Metalloxid gebildet. Vorteilhaft weist bereits eine vergleichsweise dünne Schicht von Metalloxid eine hohe Durchschlagsfestigkeit auf, die im Bereich von mehr als tausend Volt bei einer Dicke von wenigen 10 Mikrometern liegt. Damit ist die Isolation erfindungsgemä0 besonders kompakt und mit geringem Gewicht ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine das Metalloxid oberflächlich am mindestens einen elektrischen Leiter angeordnet. In diesem Falle lässt sich die erfindungsgemäße elektrische Maschine besonders einfach herstellen, indem der mindestens eine Leiter oberflächlich oxidiert wird.
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Vorteilhaft weist oxidiertes Metall wie etwa Aluminiumoxid eine hohe thermische Leitfähigkeit auf, sodass zusätzlich zu einer hinreichenden elektrischen Isolierung gleichzeitig eine effiziente Kühlung infolge der hohen thermischen Leitfähigkeit durch das Metalloxid möglich ist.
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Zweckmäßig weist bei der erfindungsgemäßen elektrische Maschine die mindestens eine Wicklung mindestens eine Litze mit dem zumindest einen Leiter, vorzugsweise mit mindestens zwei oder mehr Leitern, auf. Vorteilhafterweise weist die elektrische Maschine mindestens eine Nut auf, wobei die mindestens eine Litze in der Nutz angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise ist die elektrische Maschine eine rotierende Maschine und vorzugsweise umrichtergesteuert. Vorzugsweise weist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine das Metalloxid Aluminiumoxid und/oder Silberoxid auf. So sind vorteilhafterweise zum einen die nichtoxidierten Metalle Aluminium und Silber gute Leiter, welche oberflächlich zu Aluminiumoxid oder Silberoxid oxidiert werden können. Zum anderen weist Aluminiumoxid bereits bei wenigen 10 Mikrometern Schichtdicke eine Durchschlagsfestigkeit von mehr als 1000 Volt auf. Auch Silberoxid weist eine hinreichend hohe Durchschlagsfestigkeit für den Einsatz in elektrischen Maschinen auf.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung sind zumindest zwei und vorzugsweise mehr als zwei Leiter vorhanden und es weisen die Leiter einen im Wesentlichen dreieckigen oder viereckigen, insbesondere rechteckigen, oder sechseckigen, Querschnitt auf. Vorteilhaft können die Leiter auf diese Weise besonders kompakt, d.h. mit einem Füllfaktor von nahezu 100 Prozent, miteinander angeordnet werden. Unter einem im Wesentlichen dreieckigen oder viereckigen, insbesondere rechteckigen, oder sechseckigen Querschnitt ist zu verstehen, dass die die Querschnitte der Kupferdrähte nicht notwendigerweise einen dreieckigen oder viereckigen oder sechseckigen Querschnitt in Reinkultur aufweisen, sondern geeigneterweise abgerundete Ecken aufweisen, wobei der Rundungsradius einer abgerundeten Ecken einen Bruchteil einer Kantenlänge der idealen dreieckigen oder viereckigen oder sechseckigen Gestalt des Querschnitts, zweckmäßigerweise weniger als oder höchstens ein Viertel dieser Kantenlänge, ausmacht.
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Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine die Isolierung mit Metall mit einer oberflächlichen Schicht mit dem Metalloxid gebildet. Auf diese Weise kann entweder ein bereits, etwa in Form des Leiters, vorhandenes Metall herangezogen werden, welches oberflächlich oxidiert ist. Alternativ und ebenfalls vorteilhaft ist die Isolierung fertigbar, indem mit dem Metall zunächst metallisiert wird und nachfolgend das Metall oxidiert wird.
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Geeigneterweise ist bei der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung die Isolierung mit Kunststoff mit einer oberflächlichen Schicht mit dem Metalloxid gebildet. Beispielsweise wird der Kunststoff zunächst mit Metall metallisiert und nachfolgend das Metall oxidiert. In einer Fortbildung dieser Weiterbildung bildet der Kunststoff eine Umhüllung, insbesondere ein Rohr oder einen Schlauch.
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Die elektrische Maschine gemäß der Erfindung umfasst zweckmäßig eine Umhüllung des zumindest einen Leiters, vorzugsweise ein Rohr oder ein Schlauch, insbesondere Schrumpfschlauch, mit dem Metalloxid. In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Umhüllung ein Rohr, welches zumindest zwei oder mehrere Leiter in Gestalt mindestens einer Litze umfänglich umgibt. Auf diese Weise lassen sich die eine oder die mehreren Litzen mittels des Rohres oder des Schlauchs leicht fixieren. Somit ist die mindestens eine Litze gegenüber Vibrationen oder mechanischen Erschütterungen wenig anfällig angeordnet, sodass insbesondere Bewegungen der einzelnen elektrischen Leiter der Litze zueinander verringert sind: Folglich können Beschädigungen oder sogar Kurzschlüsse innerhalb der Litze/n beim Betrieb der erfindungsgemäßen Maschine vermieden werden. Eine zusätzliche Verklebung, etwa durch Backlacke oder Klebstoffe, der einzelnen elektrischen Leiter ist folglich verzichtbar. Besonders vorteilhaft ist das Rohr in eine zu einer Nutz der elektrischen Maschine korrespondierende Form verpressbar.
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Zweckmäßigerweise weist die elektrische Maschine einen Kühlkreislauf mit einem Kühlmittelpfad auf, wobei die Umhüllung, vorzugsweise ein Rohr, einen Teil des Kühlmittelpfads bildet. Auf diese Weise kann/können der/die zumindest eine elektrische Leiter und insbesondere die ggf. vorhandene/n Litze/n sehr effizient gekühlt werden, indem Kühlmittel, insbesondere ein Fluid, vorzugsweise gasförmiger Wasserstoff, durch die Umhüllung geleitet wird.
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Bevorzugt umfasst die elektrische Maschine einen Flächenisolierstoff mit dem Kunststoff.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die elektrische Maschine eine Kontur auf und die Litze und/oder die Umhüllung weist eine Querschnittskontur auf, welche mit der Kontur der elektrischen Maschine korrespondiert, insbesondere eine rechteckige Querschnittskontur. Auf diese Weise ist die Litze und/oder die Umhüllung leicht in die Kontur der elektrischen Maschine einlegbar, sodass die Litze und/oder die Umhüllung mittels ihres Querschnitts leicht in der Kontur der elektrischen Maschine, insbesondere einer Nut der elektrischen Maschine, fixierbar ist. In dieser Weiterbildung ist die mindestens eine Litze gegenüber Vibrationen oder mechanischen Erschütterungen wenig anfällig angeordnet, sodass Bewegungen der einzelnen elektrischen Leiter der Litze zueinander verringert sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit mindestens einer Wicklung mit mindestens einem Leiter, insbesondere einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wie oben beschrieben, umfasst die Schritte Metallisierung der/des mindestens einen Wicklung und/oder Leiters mit Metall sowie Oxidierung des Metalls.
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Das erfindungsgemäße Flugzeug ist vorzugsweise ein elektrisches oder hybridelektrisches Flugzeug. Das erfindungsgemäße Flugzeug weist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine wie oben beschrieben auf.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine elektrische Maschine mit einem Wicklungspaket schematisch in einer Prinzipskizze,
- 2 das Wicklungspaket der elektrischen Maschine gem. 1 schematisch im Querschnitt,
- 3 eine Litze des Wicklungspakets der elektrischen Maschine gem. 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel im Querschnitt,
- 4 eine Litze des Wicklungspakets der elektrischen Maschine gem. 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel im Querschnitt,
- 5 eine Litze des Wicklungspakets der elektrischen Maschine gem. 2 in einem weiteren Ausführungsbeispiel, sowie
- 6 ein erfindungsgemäßes elektrisches Flugzeug mit der elektrischen Maschine gem. 1 schematisch in einer Draufsicht.
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Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße elektrische Maschine 10 umfasst ein mit Kupferdrähten 20 gebildetes Wicklungspaket 30.
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Das Wicklungspaket 30 umfasst wie in 2 dargestellt mehrere Litzen 40, im dargestellten Ausführungsbeispiel drei. Jede der Litzen 40 umfasst mehrere Kupferdrähte 20, welche aneinander entlang ihrer Längserstreckungen anliegen.
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Es ist an sich bekannt, eine oberflächliche Isolierung der Kupferdrähte 20 vorzusehen. Erfindungsgemäß wird die elektrische Isolierung der Kupferdrähte 20 mittels Aluminiumoxids realisiert:
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Dazu wird jeder der Kupferdrähte 20 mit einer wenige 10 Mikrometer dicken Schicht aus Aluminium beschichtet. Das auf dem Kupferdraht 20 abgeschiedene Aluminium wird in an sich bekannter Weise eloxiert, sodass auf dem Kupferdraht 20 anstelle der ursprünglichen Schicht aus Aluminium nunmehr eine Schicht aus Aluminiumoxid verbleibt (die Schicht aus Aluminiumoxid ist in 1 nicht explizit gezeigt). Die Schicht aus Aluminiumoxid ist im dargestellten Fall ca. 50 Mikrometer dick und weist eine Durchschlagsfestigkeit von 1.213 Volt auf.
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Die Litzen 40 sind nicht allein hinsichtlich ihrer einzelnen Kupferdrähte 20 elektrisch isoliert, sondern zur Absicherung der Durchschlagsfestigkeit sind auch die Litzen 40 voneinander zusätzlich elektrisch isoliert. Dazu sind die Litzen 40 mit einem Schrumpfschlauch 50 zusammengehalten, welcher mit Aluminiumoxid beschichtet ist. Der Schrumpfschlauch 50 ist dazu in an sich bekannter Weise mit einem Kunststoff gebildet, welcher an seiner Innenseite und an seiner Außenseite erfindungsgemäß zunächst oberflächlich mit Aluminium beschichtet worden ist, wobei das Aluminium anschließend eloxiert ist.
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Grundsätzlich kann in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen anstelle eines Schrumpfschlauches 50 auch ein mit Kunststoff gebildeter Flächenisolierstoff zum Einsatz kommen, welcher erfindungsgemäß oberflächlich mit Aluminium beschichtet worden ist, wobei das Aluminium anschließend eloxiert ist. Auf diese Weise ist der Flächenisolierstoff mit Aluminiumoxid beschichtet. Der Flächenisolierstoff ist in diesem weiteren Ausführungsbeispiel anstelle des Schrumpfschlauches 50 um die Litzen 40 gewickelt.
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Die Litzen 40 sind in einem Wicklungspaket 30 zusammengefasst, das von weiteren Wicklungspakten 30 zusätzlich zur Gewährleistung einer hinreichenden elektrischen Durchschlagsfähigkeit elektrisch isoliert ist. Dazu sind die Litzen 40 in einem sehr dünnen, wenige 100 Mikrometer dicken Aluminiumrohr 60 geführt, welches an seiner Innenseite und an seiner Außenseite mit einer Tiefe von mehreren 10, im dargestellten Ausführungsbeispiel 50, Mikrometern eloxiert ist. Auch die Wicklungspakete 30 sind folglich mittels Aluminiumoxids elektrisch isoliert. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen ist zusätzlich an der inneren und der äußeren Oberfläche des Aluminiumrohres 60 zusätzlich ein elektrisch isolierender, auf Polymer basierender, Kunststoff aufgetragen, welcher die elektrische Durchschlagsfähigkeit weiter erhöht.
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Die Litzen 40 weise in weiteren in den 3 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen einzelne Kupferdrähte 20 mit einem anderen als einem runden Querschnitt auf: So können die einzelnen Kupferdrähte wie in 3 dargestellt einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt oder einen im Wesentlichen sechseckigen Querschnitt wie in 4 dargestellt oder einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt wie in 5 dargestellt aufweisen. Die Wendung „im Wesentlichen“ meint in diesem Zusammenhang lediglich, dass die Querschnitte der Kupferdrähte 20 keine geometrischen Polygone in Reinkultur sind, sondern abgerundete Ecken aufweisen, wobei der Rundungsradius der abgerundeten Ecken einen Bruchteil einer Kantenlänge, zweckmäßigerweise weniger als oder höchstens ein Viertel der Kantenlänge, eines solchen Polygons ausmacht. In diesen in den 3 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Füllfaktor auf nahezu 100 Prozent erhöht.
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Die elektrische Maschine 10 umfasst einen Wasserstoffkühlkreislauf (nicht im Einzelnen dargestellt). Das Aluminiumrohr 60 bildet zur Kühlung der Litzen 40 einen Teil eines Wasserstoffkühlpfades des Wasserstoffkühlkreislaufs. Mittels des Wasserstoffkühlpfades lässt sich gasförmiger Wasserstoff durch das Alurohr 60 hindurch an den Litzen 40 vorbeileiten, sodass die Litzen 40 effizient kühlbar sind.
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Das Aluminiumrohr 60 kann, wie im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, eine rechteckige Querschnittskontur aufweisen, welche mit einer ebenfalls im Wesentlichen rechteckförmigen Ausnehmung, einer Nut 100, der elektrischen Maschine 10 korrespondiert. Das Aluminiumrohr 60 ist in die Nut 100 eingepresst.
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Das in 6 dargestellte hybridelektrische Flugzeug 200 weist die elektrische Maschine 10 in Gestalt eines Elektromotors auf. Die elektrische Maschine 10 treibt einen Propeller 210 des Flugzeugs 200 zu dessen Antrieb an.
