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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Leiterelement. Das elektrische Leiterelement ist aus mehreren Einzelleitern zusammengesetzt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren eines solchen Leiterelements.
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Alternative elektrische Leiterwerkstoff basieren auf Kohlenstoffnanoröhren und/ oder Graphenplättchen. Die elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren und Graphenplättchen übertrifft die Leitfähigkeit von Kupfer. Diese alternativen elektrischen Leiterwerkstoffe zeichnen sich neben ihrer geringen Dicht (ca. 2g/cm3 - Kupfer 8,95 g/cm3) durch ihre Biegeschlaffheit aus, die es diesen Leiterwerkstoffen erlaubt ihren Querschnitt entsprechend der Wirkung äußerer Kräfte zu verändern. So kann in einer aus vielen Einzelleitern bestehenden Packung durch Kraftanwendung die Packungsdichte so erhöht werden, dass kaum mehr Hohlräume vorhanden sind. Dies ist für Kupferleiter, wegen ihrer radialen Steifheit, nicht möglich. Daher wird bei Kupferleitern, an Stelle von vielen Einzelleitern, die sogenannte Steck- bzw. Stabwicklung verwendet, die aus einem oder mehreren massiven Kupferleitern besteht. Graphenfilme oder Kohlennanoröhrenfilme werden nach Stand der Technik als Leiterwerkstoff durch verschiedene Methoden hergestellt.
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In
WO 2007/015710 A2 wird die Herstellung von CNT-Bändern aus sogenannten CNT-Wäldern gezeigt. Die Bänder sind elektrisch leitfähig und zeichnen sich durch hohe Bruchdehnung und hohe Zugfestigkeit aus. Ein alternatives Herstellverfahren für CNT-Bänder wird in
US8999285B2 beschrieben. Hier erfolgt die Herstellung durch die Synthese eines CNT-Aerogels. Dieses wird bei Verlassen des Reaktors zu einem Band verarbeitet.
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Ein weiteres Herstellverfahren für Bänder auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen wird in
WO 2013/034672 offenbart. Dabei werden die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Supersäure dispergiert und anschließend durch Nassspinnen zu Fasern oder auch zu Bändern verarbeitet.
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Für kommerziell interessante Herstellvarianten wird als Rohstoff ausschließlich Graphit verwendet. In
CN108892134A wird Graphitpulver mittels der sogenannten Hummers-Methode nasschemisch interkaliert und zu Graphenoxid oxidiert. Die gereinigte Graphenoxiddispersion wird dann zu einem Film verarbeitet und anschließend durch Wärmebehandlung zu einem Graphenfilm reduziert. In
CN107221387A erfolgt die Herstellung des Graphenfilms direkt aus einer wässrigen Dispersion heraus. Nach dem Auftragen des Graphenfilms auf ein Substrat und dem Trockenen erfolgt in einem weiteren Schritt die Entfernung des Dispersionsmittels, dass die wässrige Dispersion ermöglichte. Die Herstellung von Fasern aus Graphen ist in
US 8,999,212 B2 offenbart. Dabei wird Graphen durch einseitiges axiales Auftrennen von Kohlenstoffnanoröhrchen gewonnen. Danach wird das Graphen in einer Supersäure dispergiert und anschließend mittels Nasspinnen zu Fasern verarbeitet.
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Besonders bevorzugt für die Herstellung von Graphenfasern ist die Herstellung aus Graphenoxid, das aus Graphit durch nasschemische Oxidation wie z.B. der Hummers-Methode hergestellt wird. Da dieser Herstellweg Graphit als Rohstoff verwendet, sind die Rohstoffkosten im Vergleich zum dem oben genannten Verfahren 1-2 Größenordnungen niedriger.
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Solche Herstellverfahren werden in
CN105603581A ,
CN105544016A und
CN105544017A offenbart. Am Ende des Herstellprozesses ist für die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit eine thermische Behandlung bei Temperaturen bis 3000°C notwendig.
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Die Isolation von Graphen basierten Leitern wie beispielsweise Filme, Fasern und Garne kann wie in
WO18177767A1 durch Fluorierung der Randschicht erfolgen, die sich dabei in einen Isolator verwandelt und den Film dadurch elektrisch abschirmt. Darüber hinaus ist auch die elektrische Isolation durch Polymerauftrag möglich wie dies in
WO13051761A1 dargestellt ist.
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Verwendet werden solche elektrische Leiter in elektrischen Motoren wie in
WO18233897 A1 oder
WO18158003 A1 dargestellt.
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Weiterhin kennt der Stand der Technik mit der
WO2015162586 A2 Formlitzen, die speziell an die Verwendung in Statoren oder Rotoren von elektrischen Maschinen angepasst sind. Schließlich ist aus dem Dokument
DE 10 2004 038 723 A1 bekannt, Leiter die zur Verwendung als Wicklung in Rotoren oder Statoren elektrischer Maschinen vorgesehen sind, aus verdichteten Litzen herzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße stabförmige elektrische Leiterelement weist mehrere kombinierte elektrisch isolierte Einzelleiter auf, die aus biegeschlaffem Leiterwerkstoff bestehen wie insbesondere auf Basis von Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhren. Dabei entsteht ein biegesteifes Leiterelement mit einem Querschnitt, der bevorzugt entsprechend der Nut des Stators oder des Rotors eines Elektromotors ausgebildet ist. In dem Leiterelement sind Hohlräumen bevorzugt weitgehend eliminiert. Dadurch wird einerseits der elektrisch leitfähige Querschnitt stark erhöht und die Wärmeableitung aus dem Einzelleiter heraus verbessert. Darüber hinaus wird das Eindringen von Feuchtigkeit oder Schmutz in das Leiterelement dauerhaft verhindert. Dies hat insbesondere für Mittel- und Hochspannungsmotoren erhebliche Vorteile in Hinsicht auf die Durchschlagsfestigkeit und dem Schutz vor Teilentladungen.
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Das erfindungsgemäße elektrische Leiterelement weist eine Vielzahl von Einzelleitern auf. Die Einzelleiter verlaufen von einem Ende des Leiterelements zu einem anderen Ende des Leiterelements und weisen jeweils eine elektrisch leitfähige Einzelader und eine erste Einzelleiterummantelung auf. Die erste Einzelleiterummantelung ummantelt die Einzelader, insbesondere über deren gesamten Umfang. Die erste Einzelleiterummantelung ist aus einem ersten elektrischen Isolationsmaterial gebildet. Somit ist die Einzelader von der Umgebung elektrisch isoliert, sodass keine ungewollte Abgabe von elektrischer Leistung über eine Mantelfläche der Einzelader erfolgen kann. Es ist weiterhin vorgesehen, dass jede Einzelader aus Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen gefertigt ist. Zusätzlich weist jeder Einzelleiter eine zweite Einzelleiterummantelung auf. Die zweite Einzelleiterummantelung ist zwischen der jeweiligen Einzelader und der jeweiligen ersten Einzelleiterummantelung vorgesehen. Somit ist die erste Einzelleiterummantelung von der Umgebung durch die zweite Einzelleiterummantelung getrennt. Die zweite Einzelleiterummantelung ist aus einem zweiten elektrischen Isolationsmaterial gebildet. Besonders vorteilhaft ist das zweite elektrische Isolationsmaterial identisch zu dem ersten elektrischen Isolationsmaterial. Sämtliche zweiten Einzelleiterummantelungen aller Einzelleiter sind formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden, sodass das stabförmige Leiterelement gebildet ist. Insbesondere wurde in einem Fügeverfahren erreicht, dass sich die zweiten Einzelleiterummantelungen allesamt miteinander verbinden.
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Die Erweichungstemperatur der zweiten Einzelleiterummantelung ist größer als die Erweichungstemperatur der ersten Einzelleiterummantelung. Bei der Erweichungstemperatur handelt es sich insbesondere um die Vicat-Erweichungstemperatur nach ISO 306. Somit lässt sich die Erweichungstemperatur bestimmen, indem eine Eindringtiefe einer Nadel, insbesondere mit kreisrunder Fläche von einem Quadratmillimeter, unter einer Prüfkraft, insbesondere 10 Newton oder 50 Newton, in die jeweilige Einzelleiterummantelung ermittelt wird. Ist eine vorgegebene Eindringtiefe, insbesondere von einem Millimeter, erreicht, so liegt die Erweichungstemperatur vor.
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Somit ist die Herstellung des elektrischen Leiterelements optimiert. Durch die unterschiedlichen Erweichungstemperaturen kann nur die zweite Einzelleiterummantelung erweicht werden, um somit alle zweiten Einzelleiterummantelungen zu verbinden. Dahingegen wird die erste Einzelleiterummantelung nicht erweicht. Da die erste Einzelleiterummantelung die Einzelader isoliert, ist erreicht, dass während des Herstellungsverfahren, bei dem Druck auf die Einzelleiter ausgeübt wird um die zweiten Einzelleiterummantelungen zu verbinden, keinerlei elektrischer Kontakt zwischen zwei Einzeladern entsteht, da die erste Einzelleiterummantelung unverändert bestehen bleibt. Dies ist insbesondere vorteilhaft für die biegeschlaffen Einzelleiter, deren Einzeladern aus Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen hergestellt sind.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt ist eine Glasübergangstemperatur der zweiten Einzelleiterummantelung größer ist als eine Schmelztemperatur der ersten Einzelleiterummantelung. Somit ist sichergestellt, dass keine oder nahezu keine Verformung der zweiten Einzelleiterummantelung erfolgt, wenn die ersten Einzelleiterummantelungen stoffschlüssig verbunden werden. Dadurch ist eine elektrische Isolierung der Einzeladern zuverlässig erreicht. Die Glasübergangstemperatur und die Schmelztemperatur lassen sich insbesondere gemäß ISO 11357 anhand der dynamischen Differenzkalorimetrie ermitteln.
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Bevorzugt ist die erste Einzelleiterummantelung und/oder die zweite Einzelleiterummantelung ein Kunststoff. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen Thermoplast oder ein Elastomer. Als Thermoplast ist besonders bevorzugt Polyetheretherketon oder Polyphenylensulfid vorgesehen. Als Elastomer ist besonders bevorzugt Silikonkautschuk oder Perfluorkautschuk vorgesehen. Bei der Verwendung des Kautschuks ist es vorteilhaft, wenn dieser noch nicht vollständig vernetzt ist. Alle die genannten Materialien erlauben ein zuverlässiges elektrisches Isolieren der jeweiligen Einzeladern. Außerdem lassen sich die genannten Materialen optimal verbinden, um so die zweiten Einzelleiterummantelungen allesamt formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander zu verbinden.
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Die Erweichungstemperatur der ersten Einzelleiterummantelung beträgt vorteilhafterweise maximal 90% der Erweichungstemperatur der zweiten Einzelleiterummantelung. Dadurch ist erreichbar, dass ein ausreichender Abstand zwischen den Erweichungstemperaturen der einzelnen Isolierungen vorhanden ist, um einerseits die erste Einzelleiterummantelung zu erweichen, andererseits die zweite Einzelleiterummantelung nicht zu erweichen. Somit ist zuverlässig sichergestellt, dass die ersten Einzelleiterummantelungen verbunden werden können, während die zweiten Einzelleiterummantelung nicht verändert werden. Damit ist verhindert, dass eine Entisolierung der Einzeladern der Einzelleiter erfolgen kann.
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Die ersten Einzelleiterummantelungen aller Einzelleiter sind bevorzugt stoffschlüssig verbunden. Dies wird insbesondere durch Erweichen und Aufeinanderpressen der ersten Einzelleiterummantelungen erreicht. Alternativ oder zusätzlich bildet sich ein einstückiges Isolierungselement aus, sodass alle ersten Einzelleiterummantelungen der Einzelleiter zu einer einzigen Komponente im Sinne einer Matrix kombiniert sind. Bevorzugt ist in jedem Fall eine zerstörungsfreie Trennung der ersten Einzelleiterummantelungen nicht mehr möglich.
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Die Einzelleiter sind insbesondere während des Herstellungsverfahrens aneinandergepresst und dadurch verdichtet. Somit liegen die Einzelleiter unmittelbar aneinander an. Dadurch lässt sich ein geringeres Volumen des Leiterelements erreichen. Insbesondere verbleibt keinerlei Hohlraum innerhalb des elektrischen Leiterelements. Dies führt zu einer vorteilhaften Wärmeabfuhr aus dem Leiterelement heraus.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Einzeladern eine Litze oder die Gesamtheit der Einzelleiter bildet einen Röbelstab. Dies führt insbesondere zur einer Reduzierung des Skin-Effekts und des Proximity-Effekts.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Einzelleiter miteinander verflochten. Auf diese Weise kann insbesondere ein rechteckiger Querschnitt des Leiterelements erreicht werden.
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Bevorzugt weist das elektrische Leiterelement einen rechteckigen Querschnitt auf. Dieser lässt sich einfach durch Einzelleiter herstellen, wobei Hohlräume vollständig vermieden oder zumindest in Anzahl und Volumen reduziert werden können.
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Das elektrische Leiterelement ist vorteilhafterweise als einzelnes Steckwicklungselement einer Steckwicklung eines Rotors oder Stators einer elektrischen Maschine ausgebildet. Somit kann die Steckwicklung aus den eigentlich biegeschlaffen Einzelleitern aus Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen hergestellt werden, indem die biegeschlaffen Einzelleiter zu einem biegestarren Leiterelement kombiniert werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist eine Wicklung, insbesondere eine Steckwicklung auf. Diese Wicklung ist aus einer Vielzahl von Leiterelementen wie zuvor beschrieben gebildet. Somit weist die elektrische Maschine insbesondere eine hohe Leistungsdichte auf.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Leiterelements. Das elektrische Leiterelement ist insbesondere ein elektrisches Leiterelement wie zuvor beschrieben. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Zunächst erfolgt ein Bereitstellen mehrerer Einzelleiter. Die Einzelleiter verlaufen jeweils von einem Ende des Leiterelements zu einem anderen Ende des Leiterelements. Jeder Einzelleiter weist eine elektrisch leitfähige Einzelader aus Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen sowie eine erste Einzelleiterummantelung und eine zweite Einzelleiterummantelung auf. Die erste Einzelleiterummantelung ummantelt die jeweilige Einzelader und ist aus einem ersten elektrischen Isolationsmaterial gebildet. Die zweite Einzelleiterummantelung ist zwischen der jeweiligen Einzelader und der jeweiligen ersten Einzelleiterummantelung vorgesehen und ist aus einem zweiten elektrischen Isolationsmaterial gebildet. Somit ist ein schichtweiser Aufbau der Isolierungen vorgesehen. Die zweite Einzelleiterummantelung weist eine geringere Erweichungstemperatur als die erste Einzelleiterummantelung auf. Die Einzelleiter werden in ein Werkzeug eingelegt. Anschließend wird Kraft zum Verdichten der Einzelleiter in dem Werkzeug aufgebracht. Das Werkzeug definiert insbesondere eine Form, die das elektrische Leiterelement einnehmen soll. Durch die Kraft erfolgt ein Verdichten, sodass die Anzahl und das Volumen der Hohlräume bereits verringert ist. Für ein vollständiges Eliminieren von Hohlräumen erfolgt zusätzlich ein Erwärmen der Einzeleiter auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der ersten Einzelleiterummantelung und unterhalb der Erweichungstemperatur der zweiten Einzelleiterummantelung unter Beibehaltung der aufgebrachten Kraft. Somit können sich sämtliche ersten Einzelleiterummantelungen verbinden, insbesondere stoffschlüssig verbinden. Gleichzeitig ist aber sichergestellt, dass keine elektrischen Kurzschlüsse entstehen können, da jede zweite Einzelleiterummantelung unverändert bestehen bleibt. Somit ist das Herstellungsverfahren sicher und zuverlässig durchführbar.
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Bevorzugt sind die Einzelleiter in dem Werkzeug in einem Vakuum angeordnet. Das Vakuum herrscht insbesondere zumindest dann vor, wenn die Schritte des Verdichtens und/oder Erwärmens durchgeführt werden. Dadurch kann selbst bei einer geringen aufgebrachten Kraft erreicht werden, dass sämtliche Hohlräume in dem elektrischen Leiterelement eliminiert werden.
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Besonders vorteilhaft wird außerdem das Erwärmen der Einzelleiter durch einen durch die Einzeladern der Einzelleiter fließenden elektrischen Strom erreicht. Dieser Strom führt aufgrund von Verlusten zu einer Wärmeentwicklung der Einzelleiter. Dadurch kann eine Erweichungstemperatur in der ersten Einzelleiterummantelung erreicht werden. Außerdem wird die Wärme jeweils gleichmäßig in den Einzelleitern erzeugt. Dies bewirkt, dass der Temperaturgradient zwischen Einzelader und dem Werkzeug so klein wie möglich wird.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine erste schematische Ansicht eines Herstellungsverfahrens eines elektrischen Leiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine zweite schematische Ansicht des Herstellungsverfahrens des elektrischen Leiterelements gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Ansicht des elektrischen Leiterelements gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Ansicht des elektrischen Leiterelements gemäß einer ersten Variante des Ausführungsbeispiels der Erfindung,
- 5 eine schematische Ansicht des elektrischen Leiterelements gemäß einer zweiten Variante des Ausführungsbeispiels der Erfindung,
- 6 eine schematische Ansicht des elektrischen Leiterelements gemäß einer dritten Variante des Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
- 7 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt schematisch einen ersten Zustand beim Ausführern eines Herstellungsverfahrens zum Herstellen eines elektrischen Leiterelements 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dazu werden mehrere Einzelleiter 2 verwendet, die einen schichtweisen Aufbau aufweisen. So ist für jeden Einzelleiter 2 eine elektrisch leitfähige Einzelader 3 vorhanden, die mit einer ersten Einzelleiterummantelung 5 und mit einer zweiten Einzelleiterummantelung 4 beschichte ist. Die erste Einzelleiterummantelung 5 befindet sich zwischen der zweiten Einzelleiterummantelung 4 und der Einzelader 3. Bei der ersten Einzelleiterummantelung 5 und der zweiten Einzelleiterummantelung 4 handelt es sich bevorzugt um ein Polymer oder mehrerer Polymere.
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Die ersten Einzelleiterummantelungen 4 zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei erhöhter Temperatur und unter mechanischem Druck miteinander eine stoffschlüssige Verbindung eingehen können. Außerdem sollen die erste Einzelleiterummantelung 5 und die zweite Einzelleiterummantelung 4 die Biegeschlaffheit der Einzeladern 6 mindestens bei der Verarbeitungstemperatur erhalten. Die Einzeladern 6 sind aus Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren gefertigt. Bei der ersten Einzelleiterummantelung 5 und der zweiten Einzelleiterummantelung 4 handelt es sich insbesondere um hochtemperaturbeständige Polymere, entweder um Thermoplaste wie bevorzugt Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyphenylensulfid (PPS) oder um Elastomere, die noch nicht vollständig vernetzt sind, wie bevorzugt Silikonkautschuk oder Perfluorkautschuk (FFKM oder FFPM).
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In 1 ist gezeigt, dass die Einzelleiter 2 in ein Werkzeug 6 eingebracht und im Querschnitt dargestellt sind. Wird eine Kraft F durch einen Stempel 7 auf die Einzelleiter 2 im Werkzeug 6 aufgebracht, führt dies zur Verformung und somit zur Verdichtung der Einzelleiter. Das Ergebnis ist in 2 dargestellt.
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Die in 2 dargestellte Verdichtung durch den Stempel 7 hat die Hohlräume signifikant reduziert und die Einzelleiter 2 so verformt, dass die Oberfläche der runden Einzelleiter 2 vergrößert wurde. Dadurch wird einerseits der elektrisch leitfähige Querschnitt stark erhöht und die Wärmeableitung aus dem Einzelleiter 2 heraus verbessert. Die Gesamtheit der Einzelleiter 2 bildet das stabförmige elektrische Leiterelement 1. Trotz der Verdichtung sind aber weiterhin Hohlräume vorhanden, die mit einem nachfolgenden Schritt eliminiert werden.
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3 zeigt eine schematische Ansicht eines stabförmigen elektrischen Leiterelement 1 gemäße einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere zeigt 3 den Zustand nachdem die Einzelleiter 2 unter der mittels des Stempels 7 aufgebrachten Kraft F erwärmt wurden, so dass die ersten Einzelleiterummantelungen 5 erweichen und sich mit der jeweiligen ersten Einzelleiterummantelung 5 der benachbarten Einzelleiter 2 stoffschlüssig verbinden. Dadurch sind in dem elektrischen Leiterelement 1 keine Hohlräume mehr vorhanden. Auch nach dem Abkühlen bleibt das elektrische Leiterelement 1 ohne Hohlräume. Dies hat insbesondere für Mittelspannungsmotoren und Hochspannungsmotoren erhebliche Vorteile in Hinsicht auf die Durchschlagsfestigkeit und die Beständigkeit gegen Teilentladungen durch in das elektrische Leiterelement 1 eindringende Feuchtigkeit oder Verschmutzung. Außerdem wird die Wärmeableitung aus dem elektrischen Leiterelement 1 verbessert, wenn keine Hohlräume mehr vorliegen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist, wenn das Verdichten und Erweichen im Werkzeug 6 unter Vakuum stattfindet. Dadurch kann der Zustand ohne Hohlräume bereits bei signifikant niedrigerer Kraft F erreicht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Wärme in die Einzelleiter 2 nicht über das Werkzeug 6 eingebracht wird, sondern elektrischer Strom, der durch die Einzeladern 6 der Einzelleiter 2 fließt, den gesamten Einzelleiter 2 und insbesondere die jeweilige erste Einzelleiterummantelung 5 aufheizt. Dadurch wird die Wärme gleichmäßig im Leiter erzeugt. Dies bewirkt, dass der Temperaturgradient zwischen dem Inneren des elektrischen Leiterelements 1 und einer Wand es Werkzeugs 6 so klein wie möglich wird.
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Die Erweichungstemperatur der ersten Einzelleiterummantelung ist geringer als die Erweichungstemperatur der zweiten Einzelleiterummantelung. Das Verdichten und Erweichen wird bevorzugt bei einer Temperatur durchgeführt die mindestens 10% unterhalb der Erweichungstemperatur der zweiten Einzelleiterummantelung 4 liegt und mindestens oberhalb der Erweichungstemperatur der ersten Einzelleiterummantelung 5. Vorteil dieses Vorgehens ist, dass sich die stromführenden Einzeladern 6 der Einzelleiter 2 unter keinen Umständen berühren können, da die zweite Einzelleiterummantelung 4 nicht erweicht. Daher kann bei der Erweichung mit hoher Kraft F gearbeitet werden. Besonders vorteilhaft liegt die Glasübergangstemperatur der zweiten Einzelleiterummantelung 4 oberhalb der Schmelztemperatur der ersten Einzelleiterummantelung 5, sodass eine stoffschlüssige Verbindung der ersten Einzelleiterummantelungen 5 ermöglicht, ein Verformen der zweiten Einzelleiterummantelungen 4 und damit ein möglicher Verlust der elektrischen Isolierung jedoch vermieden ist.
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4 zeigt schematisch eine erste Variante des elektrischen Leiterelements 1 gemäß Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei das elektrische Leiterelement 1 als Röbelstab ausgebildet ist. Auf eine Darstellung der ersten Einzelleiterummantelung 5 wird der besseren Übersichtlichkeit halber verzichtet. Vorteile ergeben sich durch den gesteigerten Leiterquerschnitt, da aufgrund der Biegeschlaffheit der Einzelleiter 2 sich an den Überlappungsstellen keine Hohlräume ergeben, die insbesondere für Hochspannungsmotoren nachteilig sind.
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5 zeigt schematisch eine zweite Variante des elektrischen Leiterelements 1 gemäß Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die Einzeladern 3 eine Litze bilden. Auf eine Darstellung der ersten Einzelleiterummantelung 5 ist der besseren Übersichtlichkeit halber verzichtet. 5 zeigt den Zustand, bevor die Litze in ein Werkzeug eingebracht wird, wie in 1 dargestellt, und unter der mittels des Stempels 7 aufgebrachten Kraft F erwärmt wird, wie in 2 und 3 dargestellt.
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6 zeigt schematisch eine dritte Variante des elektrischen Leiterelements 1 gemäß Ausführungsbeispiels der Erfindung. Durch die Biegeschlaffheit des auf Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhren basierenden Leiterwerkstoffs der Einzeladern 3 der Einzelleiter 2 sind auch geflochtene Ausgestaltungen möglich, wie in 6 gezeigt. Wiederum ist auf eine Darstellung der ersten Einzelleiterummantelung 5 der besseren Übersichtlichkeit halber verzichtet. Hier ist das elektrische Leiterelement 1 durch Verflechten der Einzelleiter 2 miteinander zu einem rechteckigen Querschnitt geformt. Durch das Verdichten der Einzelleiter 2 werden Hohlräume vollständig vermieden, wobei in 6 gezeigte Hohlräume von der nicht dargestellten ersten Einzelleiterummantelung 5 aufgefüllt sind. Somit können geflochtene Leiter auch für Mittel- und Hochspannungsmotoren eingesetzt werden.
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Die stabförmigen elektrischen Leiterelemente 1 lassen sich bevorzugt zur Herstellung von Steckwicklungen von elektrischen Maschinen 8 verwenden, was in 7 gezeigt ist. Die elektrische Maschine 8 weist einen Rotor 10 und einen Stator 11 auf, wobei der Stator 11 eine elektrische Wicklung 9 aus elektrischen Leiterelementen 1 wie zuvor beschrieben aufweist. Somit weist die elektrische Maschine eine hohe Leistungsdichte auf, die durch das elektrische Leiterelement 1 erreicht wird.
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Die elektrischen Leiterelemente 1, seien dies beispielsweise Ringe, Ovale, Steck- oder Stabwicklungen, können entsprechend der Erfindung in dem dafür vorgesehen Werkzeug 6 gestapelt werden und durch Wärmebehandlung bei erhöhter Temperatur zu größeren Einheiten stoffschlüssig verbunden werden. Prinzipiell ist dies auf eine Vielzahl von Querschnitten des Einzelleiters anwendbar. Neben rundem Querschnitt sind beispielhaft auch ovale, dreieckige, quadratische, rechteckige oder regellose Querschnitte anwendbar. Dies schließt beispielsweise auch Bänder mit ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/015710 A2 [0003]
- US 8999285 B2 [0003]
- WO 2013/034672 [0004]
- CN 108892134 A [0005]
- CN 107221387 A [0005]
- US 8999212 B2 [0005]
- CN 105603581 A [0007]
- CN 105544016 A [0007]
- CN 105544017 A [0007]
- WO 18177767 A1 [0008]
- WO 13051761 A1 [0008]
- WO 18233897 A1 [0009]
- WO 18158003 A1 [0009]
- WO 2015162586 A2 [0010]
- DE 102004038723 A1 [0010]
