DE102021102753B4 - Elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Elektrische Maschine (1) mit einer Leiterstruktur, die wenigstens ein metallisches Leiterelement (12, 18, 22, 23) aufweist, welches wenigstens ein aus Kupfer und Silber ausgewähltes Metall enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Leiterelement (12, 18, 22, 23) eine einkristalline oder kolumnare Kristallstruktur aufweist, und aufweisend einen Kurzschlussläufer (10), wobei die Leiterstruktur aus einem einzigen Leiterelement mit einkristalliner Kristallstruktur besteht und als Läuferkäfig (12) des Kurzschlussläufers (10) ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
• Die DE 10 2010 060 859 A1 betrifft einen Aufzugsantrieb und eine Wickelkopfscheibe. Der Aufzugsantrieb umfasst einen Elektromotor, der für einen Frequenzumrichterbetrieb ausgelegt ist und einen Rotor und einen Stator aufweist. Weiterhin ist eine Wickelkopfscheibe vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, Phasen des Elektromotors voneinander zu trennen und Eingänge und Ausgänge von Spulen jeder Phase des Elektromotors voneinander zu trennen. Die DE 10 2010 060 859 A1 beschreibt auch eine elektrische Maschine, mit einer Leiterstruktur, die wenigstens ein metallisches Leiterelement aufweist, welche wenigstens ein aus Kupfer ausgewähltes Material enthält.
• In der US 2007 / 0 169 857 A1 werden ein Einkristalldraht und ein Verfahren zu seiner Herstellung aufgezeigt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Einbringen mindestens eines Metalls, das aus der aus Gold, Kupfer, Silber, Aluminium und Nickel bestehenden Gruppe ausgewählt ist, in einen Züchtungstiegel; Erhitzen und Schmelzen des in den Züchtungstiegel eingebrachten Metalls; Züchten eines Einkristalls unter Verwendung des Metallkristalls als Keim nach dem Czochralski- oder Bridgmari-Verfahren; Schneiden des gezüchteten Einkristalls durch elektrische Entladungsbearbeitung; und Formen des geschnittenen Einkristalls zu einem Draht. Bei diesem Verfahren wird der gezüchtete Metall-Einkristall durch elektrische Entladungsbearbeitung in ein scheibenförmiges Stück geformt. Das Stück wird durch Funkenerosion zu einem Einkristalldraht geformt, und der Einkristalldraht kann als Ring, Anhänger oder als Draht in einem hochwertigen Kabel verwendet werden, das eine Verbindung in Audio- und Videosystemen herstellt.
• In vielen technischen Bereichen werden Elektromotoren verwendet. In der jüngeren Vergangenheit gewinnen sie vor allem als Alternative zu Verbrennungsmotoren beim Antrieb von Kraftfahrzeugen zunehmend an Bedeutung. Dabei wurden Wirkungsgrad und Energiedichte der Elektromotoren mit der Zeit immer mehr verbessert, so dass weitere Verbesserungen immer schwieriger werden. Heute stößt man an technologische Grenzen, wenn man versucht, die Reichweite von batterieelektrischen Fahrzeugen zu erhöhen, den Wirkungsgrad von Generatoren zu verbessern oder eine weitere Miniaturisierung von Elektromotoren bzw. Generatoren zu erreichen.
• Ein wichtiger Rohstoff für die Herstellung von Elektromotoren und anderen elektrischen Maschinen ist Kupfer. Da eine immer größere Nachfrage an elektronischen Geräten besteht und weil Kupfer ein börsengehandelter Rohstoff ist, unterliegt der Preis pro Tonne starken Schwankungen, z.B. zwischen ca. 1.450 $/Tonne und ca. 9.900 $/Tonne innerhalb von 17 Jahren, generell mit steigender Tendenz. Somit sind sowohl Kosten als auch Verfügbarkeit dieses Rohstoffs schwer vorhersehbar. Hiervon abgesehen werden in PMSM-Maschinen (Permanentmagnet-Synchronmotor) derzeit Seltene Erden (wie Neodym etc.) für das hartmagnetische Material benötigt. Preis und Verfügbarkeit dieser Materialien sind ebenfalls schwer vorhersagbar, was unter anderem an der politischen Ausrichtung der Abbauländer liegt. Um diese Problematik zu umgehen, werden alternativ auch ASM-Maschinen (Asynchronmotor) eingesetzt, die ohne Permanentmagnete auskommen, aber auch einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen.
• Die CN 108 631 459 B offenbart einen Sechs-Phasen-Permanentmagnet-Nabenmotor, der für ein elektrisches Fahrzeug verwendet wird. Der Motor umfasst eine Statoranordnung, eine Rotoranordnung, eine Drehwelle, ein Lager, ein Gehäuse, Abdeckungen und einen Positionssensor. Die Sechs-Phasen-Wicklungen der Statoranordnung weisen eine konzentrierte einlagige Wicklungsstruktur mit zwischengeordneten Trennzähnen auf, wodurch eine elektrische fehlertolerante Struktur zwischen den Phasenwicklungen gebildet wird. Die Rotorbaugruppe weist einen internen Permanentmagnet-Rotor auf, und die Außenseite des Rotors ist mit einer Kohlefaser-Schutzhülse umwickelt. Die Statorwicklung weist einen monokristallinen Kupferdraht oder Silberdraht auf, wodurch der Statorverlust des Nabenmotors gesenkt wird.
• Die CN 209 170 084 U zeigt einen Motor mit einem einkristallinen Graphen-Dünnfilm als elektrischem Leiter. Der Motor weist einen Magnetfeldgenerator auf, der mindestens einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Stator einen hohlen Aufnahmeraum bildet, in welchem der Rotor drehbar angeordnet ist. Der Stator und/oder der Rotor weisen eine einkristalline Graphen-Dünnfilm-Leiterbahn auf, um einen Stromkreis für die Erzeugung eines Magnetfelds bereitzustellen. Der Motor kann insbesondere ein Gleichstrommotor sein, wobei der Rotor einen Elektromagneten aufweist, der durch Beschichten oder Umwickeln eines magnetischen Materials mit einem einkristallinen Graphen-Dünnfilm als leitendem Banddraht gebildet ist, wobei der Stator ein Permanentmagnet ist.
• Aus der CN 201 142 264 Y ist ein Audio-Ausgangstransformator bekannt, mit einem Kern sowie Spulen eines Spulenpakets in jeder Stufe. Dabei weist jede Primärspule einen gewickelten Draht aus einkristallinem Kupfer auf. Hierdurch sollen die verteilte Kapazität sowie die Streuinduktivität reduziert, ein Bass-Höhen-Verhältnis verbessert, eine größere Bandbreite erreicht und eine höhere Audioqualität erzielt werden.
• Die US 7 138 581 B2 offenbart einen Leiter mit geringem Widerstand unter Verwendung von Supraleitern. Der Leiter besteht aus einer Mehrzahl von Massensupraleitern auf REBa₂Cu₃O_7-x-Basis, in denen eine RE₂BaCuO₅-Phase dispergiert ist, wobei RE wenigstens ein Seltenerdelement einschließlich Y ist. Die Massensupraleiter weisen eine Längsrichtung parallel zu einer Längsrichtung des Leiters auf, sind in zwei oder mehr Schichten angeordnet und durch Normalleiter mit einem endlichen elektrischen Widerstand elektrisch verbunden. Bei 77 K ist ein scheinbarer spezifischer Widerstand des Leiters niedriger als ein spezifischer Widerstand von Kupfer. Als Normalleiter können u.a. Kupfer, Silber sowie Legierungen derselben verwendet werden.
• Die RU 2 663 025 C1 offenbart eine Vakuum-Induktions-Schmelz- und Gießanlage zur Herstellung von Gussstücken mit gerichteter und einkristalliner Struktur. Diese weist eine Schmelzkammer mit Kugelabdeckung auf, eine Schleusenkammer, einen Blockrücklauf und einen gekühlten Kupferhubtisch. Die Schmelzkammer weist einen Schmelztiegel, einen Kristallisator, ein Vakuumsystem, einen Formheizofen, einen vertikalen Bewegungsmechanismus für die Formen, einen Vakuumverschluss und einen Mechanismus zum Öffnen und Schließen einer Tür auf. Der gekühlte Kupferhubtisch weist Hohlräume für den Durchfluss eines Kühlmittels auf.
• Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung einer elektrischen Maschine, die sowohl hinsichtlich Leistung als auch Materialnutzung optimiert ist, noch Raum für Verbesserungen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sowohl hinsichtlich Leistung als auch Materialnutzung optimierte elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
• Aufgezeigt wird eine elektrische Maschine mit einer Leiterstruktur, die wenigstens ein metallisches Leiterelement aufweist, welches wenigstens ein aus Kupfer und Silber ausgewähltes Metall enthält. Erfindungsgemäß weist das wenigstens eine Leiterelement eine einkristalline oder kolumnare Kristallstruktur auf, wobei die elektrische Maschine einen Kurzschlussläufer aufweist, wobei die Leiterstruktur aus einem einzigen Leiterelement mit einkristalliner Kristallstruktur besteht und als Läuferkäfig des Kurzschlussläufers ausgebildet ist.
• Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
• Durch die Erfindung wird eine elektrische Maschine zur Verfügung gestellt. Bei dieser kann es sich um einen Elektromotor handeln, aber auch um einen Generator oder Transformator. Der Elektromotor ist als Asynchronmotor, kann aber auch als Synchronmotor, insbesondere Permanentmagnet-Synchronmotor, ausgebildet sein. Selbstverständlich kann die elektrische Maschine bei einigen Anwendungen auch zeitweise als Elektromotor und zeitweise als Generator arbeiten. Der Elektromotor kann insbesondere ein Antriebsmotor für ein Fahrzeug sein. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Landfahrzeug, wie beispielsweise einen Pkw oder Lkw, um ein Wasserfahrzeug oder um ein Luftfahrzeug, wie beispielsweise ein Flugzeug, handeln.
• Die elektrische Maschine weist eine Leiterstruktur auf, die ihrerseits wenigstens ein metallisches Leiterelement aufweist, welches wenigstens ein aus Kupfer und Silber ausgewähltes Metall enthält. In diesem Zusammenhang bezeichnet „Leiterstruktur“ allgemein eine elektrisch leitende und insoweit zusammenhängende Struktur. In einigen Fällen kann die Leiterstruktur auch aus einem einzigen Leiterelement bestehen, d.h. ein Leiterelement kann die Leiterstruktur bilden. Sofern die Leiterstruktur eine Mehrzahl von Leiterelementen aufweist, sind diese untereinander elektrisch leitend verbunden. Die Leiterstruktur kann wenigstens abschnittsweise gerade, gebogen, verzweigt und/oder ringförmig geschlossen sein. Sie kann sich gewissermaßen zweidimensional in einer Ebene erstrecken oder dreidimensional aufgebaut sein. Diese Aussagen hinsichtlich der Geometrie der Leiterstruktur lassen sich auch auf das einzelne Leiterelement übertragen. Im Falle eines Elektromotors oder Generators kann die Leiterstruktur Teil des Läufers (normalerweise des Rotors) oder des Ständers (Stators) sein.
• Das jeweilige Leiterelement enthält wenigstens ein Metall, welches aus Kupfer und Silber ausgewählt ist. Anders ausgedrückt, das Leiterelement enthält Kupfer und/oder Silber. Bevorzugt bilden Kupfer und/oder Silber den (gewichtsmäßigen) Hauptbestandteil des Leiterelement, d. h. das Leiterelement besteht bevorzugt überwiegend (also zu über 50 Gew.-% bis einschließlich 100 %) aus Kupfer und/oder Silber, wobei der entsprechende Anteil normalerweise deutlich über 50% liegt, z.B. bei wenigstens 80% oder wenigstens 90%. Für die meisten Anwendungen, bspw. im Falle von Straßenfahrzeugen wie LKW oder PKW, besteht das Leiterelement überwiegend aus Kupfer. Für einige Anwendungen, bspw. bei Luftfahrzeugen, unter Umständen aber auch bei besonders hochwertigen Straßenfahrzeugen, kann auch Silber den Hauptbestandteil bilden. Es sind ausdrücklich auch Legierungen denkbar, die sowohl Kupfer als auch Silber enthalten.
• Das wenigstens eine Leiterelement weist, wie oben bereits erwähnt, eine einkristalline oder kolumnare Kristallstruktur auf. D.h., jedes Leiterelement kann zum einen aus einem Einkristall mit durchgehend ausgerichteter Kristallstruktur ohne Korngrenzen bestehen. Sofern das Leiterelement aus lediglich einem Metall besteht (sowie ggf. vernachlässigbaren, herstellungstechnisch kaum vermeidbaren Verunreinigungen), ist eine durchgehende, gleichbleibende Kristallstruktur gegeben. Es versteht sich, dass einzelne Fehler im Kristallgitter kaum vermeidbar sind, deren Anteil ist allerdings bei der in diesem Zusammenhang als „einkristallin“ bezeichneten Struktur vernachlässigbar. Im Falle einer Legierung ist das Kristallgitter ebenfalls innerhalb des gesamten Leiterelements gleich ausgerichtet, kann allerdings hinsichtlich seiner Zusammensetzung lokale Unterschiede aufweisen. Jedoch sind auch hier im Gegensatz zu einer gewöhnlichen polykristallinen Struktur (nahezu) keine Korngrenzen oder sonstige Gitterfehler vorhanden.
• Alternativ kann das jeweilige Leiterelement eine kolumnare Kristallstruktur aufweisen, d. h. es ist aus Säulenkristallen bzw. Stängelkristallen (oder -kristalliten) aufgebaut. Diese Kristallite weisen eine längliche Struktur auf und sind wenigstens überwiegend entlang einer Richtung orientiert, d. h. die Ausrichtung der meisten Kristallite weicht um bspw. weniger als 20° von dieser Richtung ab. Insofern kann die kolumnare Kristallstruktur als teilweise oder mehrheitlich ausgerichtet bezeichnet werden, während die einkristalline Kristallstruktur vollständig ausgerichtet ist. Zur Herstellung des einzelnen Leiterelements sowie der Leiterstruktur (sofern diese mehrere Leiterelement aufweist) sind unterschiedliche Möglichkeiten gegeben, die weiter unten diskutiert werden.
• Durch die Verwendung eines Leiterelements mit wenigstens teilweise ausgerichteter Kristallstruktur wird zum einen der spezifische elektrische Widerstand des Leiterelements verringert. D.h., es kann im Vergleich zu einem Leiterelement mit nicht-ausgerichteter (z.B. globularer) Kristallstruktur bei gleicher Dimensionierung des Leiterelements ein geringerer Widerstand realisiert werden und somit eine verbesserte Leistung der elektrischen Maschine. Umgekehrt wäre es möglich, bspw. gegenüber einem herkömmlichen Leiterelement den Leiterquerschnitt und somit die Gesamtmenge an verwendetem Metall zu verringern, wobei der geringere Leiterquerschnitt durch den ebenfalls geringeren spezifischen elektrischen Widerstand kompensiert wird.
• Man erhält auf diese Weise eine elektrische Maschine, die eine hohe Leistungsfähigkeit bei effizienter Materialausnutzung erreicht. Besonders gering ist der spezifische elektrische Widerstand bei einem Einkristall, so dass in dieser Hinsicht eine Leiterstruktur aus genau einem Leiterelement mit einkristalliner Kristallstruktur optimal ist. Allerdings ist auch bei kolumnarer Kristallstruktur der spezifische elektrische Widerstand geringer als bei nicht-ausgerichteter Kristallstruktur, zumindest entlang der Richtung, in der die Kristallite überwiegend ausgerichtet sind. Wann einer kolumnaren Kristallstruktur der Vorzug gegenüber einer Einkristall Kristallstruktur zu geben ist, hängt von verschiedenen Abwägungen ab, bspw. einerseits von den Anforderungen an die elektrische Maschine hinsichtlich Leistungsfähigkeit sowie Größe bzw. Masse, und andererseits den veranschlagten Produktionskosten. Im Allgemeinen ist die Herstellung einer kolumnare Kristallstruktur einfacher und kostengünstiger möglich als die einer einkristallinen Kristallstruktur. Bekannterweise besteht bei Metallen ein Zusammenhang zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, so dass sich die erfindungsgemäß verwendeten Leiterelemente auch durch eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Hiermit ist es möglich, eine effiziente Wärmeabfuhr auch aus Bereichen der Leiterstruktur zu gewährleisten, bei welchen dies bei einer herkömmlichen Fertigung kaum möglich ist, bspw. aufgrund eines geringen Leiterquerschnitts oder aufgrund einer Kaltumformung, die sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die Wärmeleitfähigkeit lokal herabsetzen kann. Es versteht sich, dass die verbesserte Wärmeabfuhr ebenfalls zur Leistungsverbesserung der elektrischen Maschine beiträgt, da die Gefahr eines Überhitzens einzelner Bereiche verringert wird.
• Allgemein ist der spezifische Widerstand eines reinen Metalls geringer als der jeder seiner Legierungen. Anders ausgedrückt, die elektrische Leitfähigkeit des reinen Metalls ist höher, wobei gleiches im Allgemeinen auch für die Wärmeleitfähigkeit gilt. Aus diesen Gründen ist es im Allgemeinen bevorzugt, dass das wenigstens eine Leiterelement aus einem aus Kupfer und Silber ausgewählten Metall besteht. In diesem Zusammenhang bedeutet dies, dass der (Gewichts-)Anteil an Kupfer bzw. Silber über 98% liegt.
• Gemäß einer Ausführungsform ist wenigstens ein Leiterelement als gewickelter Draht ausgebildet. Der Draht kann beispielsweise einen kreisförmigen oder kreisähnlichen Querschnitt aufweisen, wobei der Durchmesser normalerweise unter 1 mm liegt, oder einen rechteckigen Querschnitt, wobei die Querabmessungen normalerweise unter 3 mm betragen. Dementsprechend verhält sich der Draht flexibel und kann bspw. Teil einer Wicklung eines Stators oder Rotors sein. Es versteht sich, dass der Draht i.d.R. eine isolierende Beschichtung aufweist, bspw. einen Isolierlack. Insbesondere bei dieser Ausführungsform kann das Leiterelement eine kolumnare Kristallstruktur aufweisen, wobei die Orientierung der einzelnen Kristalle bzw. Kristallite bevorzugt der Längsrichtung des Drahtes entspricht, wodurch der Widerstand in Längsrichtung minimiert wird. Der Draht kann aber auch eine einkristalline Struktur aufweisen. Normalerweise besteht die Leiterstruktur hierbei aus einem einzigen Leiterelement. Ein (endloser) Draht mit kolumnarer oder einkristalliner Struktur lässt sich z.B. mittel des OCC-Verfahrens (Ohno Continuous Casting) herstellen.
• Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Leiterstruktur eine Mehrzahl von stoffschlüssig verbundenen Leiterelementen aufweist. Die Leiterelemente werden einzelnen vorgefertigt, bspw. durch Urformen, optional gefolgt von einer Umformung und/oder einem Trennen. Die vollständige Leiterstruktur entsteht durch stoffschlüssiges Verbinden der einzelnen Leiterelemente zu einer zusammenhängenden Struktur. Geeignete Verbindungstechniken werden weiter unten beschrieben. Es ist dabei möglich, dass in den Verbindungsbereichen zwischen zwei verbundenen Leiterelementen ein Füllmaterial eingesetzt wird, das weder einkristallin noch kolumnar ist. Ebenso ist es möglich, dass aufgrund der Verbindungstechnik im Verbindungsbereich die ansonsten vorhandene einkristalline bzw. kolumnare Struktur lokal zerstört ist und stattdessen bspw. eine globulare Struktur vorliegt. Der entsprechende Verbindungsbereich macht allerdings in der Regel nur einen kleinen Teil der gesamten Leiterstruktur aus und führt somit zu keiner wesentlichen Verschlechterung der thermischen oder elektrischen Eigenschaften. Falls nötig, kann der Querschnitt der Leiterstruktur im Verbindungsbereich vergrößert werden, um eine Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstands zu kompensieren. Zudem können für die Verbindungsbereiche solche Regionen der Leiterstruktur gewählt werden, die aufgrund ihrer Struktur und Position verhältnismäßig einfach zu kühlen sind.
• Insbesondere kann die Leiterstruktur als Wicklung mit einer Mehrzahl von Windungen ausgebildet sein, wobei jedes der stoffschlüssig verbundenen Leiterelemente auf eine Windung beschränkt ist. Die einzelnen Windungen der Wicklung sind aufeinanderfolgend und einander überlappend angeordnet, so dass sich insgesamt eine helixartige Geometrie ergibt. Indem jedes Leiterelement auf eine Windung beschränkt ist, kommt es zu keiner Selbstüberlappung des jeweiligen Leiterelements. Dementsprechend kann jedes Leiterelement eine annähernd zweidimensionale Struktur aufweisen. Je nach dem kann eine Windung durch ein einziges Leiterelement oder durch eine Mehrzahl von Leiterelementen gebildet sein. Bspw. kann eine Windung durch zwei identische, aber um 180° zueinander verdrehte Leiterelemente gebildet sein. Daneben sind aber auch andere Konfigurationen denkbar, z.B. ein Hairpin-Design oder eine Continuos-Winding-Konfiguration.
• Die elektrische Maschine weist, wie oben bereits erwähnt, einen Kurzschlussläufer auf, wobei die Leiterstruktur aus einem einzigen Leiterelement mit einkristalliner Kristallstruktur besteht und als Läuferkäfig des Kurzschlussläufers ausgebildet ist. D.h., bei dieser Ausgestaltung ist die elektrische Maschine normalerweise ein Asynchronmotor, der in einigen Bereichen als Alternative zu einem Permanentmagnet-Synchronmotor eingesetzt werden kann. Der Kurzschlussläufer weist normalerweise einen (Eisen-) Blechpaket auf, das von den Stäben eines Läuferkäfigs durchzogen ist. Diese Stäbe erstrecken sich bezüglich der Rotationsachse des Läufers axial, allerdings normalerweise nicht parallel zur axialen Richtung. Axial endseitig sind die Stäbe durch jeweils einen Ring verbunden und auf diese Weise kurzgeschlossen. Während im Stand der Technik die Stäbe und der Ring einzeln vorgefertigt, zusammengesetzt und verschweißt, verlötet oder verschraubt werden, wird bei der hier geschilderten Ausgestaltung der gesamte Läuferkäfig einstückig als Einkristall gegossen, also urgeformt. Alternativ wäre es selbstverständlich auch möglich, die Stäbe sowie die Ringe des Läuferkäfigs separat mit einkristalliner Kristallstruktur zu fertigen und anschließend miteinander zu verbinden oder bspw. einen Ring einstückig mit den Stäben als Einkristall zu gießen, den anderen Ring ebenfalls als Einkristall zu fertigen und nach erfolgter Montage diese beiden Teilkomponenten zu verschweißen oder zu verlöten. Grundsätzlich könnten auch andere Komponenten als einkristalline Leiterstruktur aus einem einzigen Leiterelement bestehen, z.B. wäre es möglich, dass eine oben erwähnte Wicklung einstückig urgeformt werden könnte, statt aus einzelnen Leiterelementen zusammengefügt zu werden.
• In einem weiteren Aspekt wird des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterstruktur für eine elektrische Maschine zur Verfügung gestellt, wobei die Leiterstruktur wenigstens ein metallisches Leiterelement aufweist, welches wenigstens ein aus Kupfer und Silber ausgewähltes Metall enthält. Das wenigstens eine Leiterelement wird mit einer einkristallinen oder kolumnaren Kristallstruktur hergestellt. Die genannten Begriffe wurden bereits im Hinblick auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine erklärt und werden daher nicht nochmals erläutert. Ausführungsformen des Verfahrens entsprechen denen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
• Die Leiterstruktur kann u.a. durch stoffschlüssiges Verbinden bzw. Fügen einer Mehrzahl von Leiterelementen hergestellt werden. Insbesondere kann das Verbinden durch Verlöten oder Verschweißen von Leiterelementen erfolgen. Zu den möglichen Schweißtechniken zählen Gasschweißen (Autogen, WIG; MIG; MAG), Mikroplasma-Schweißen, Elektronenstrahl-Schweißen sowie Laserstrahl-Schweißen, ohne dass die beispielhaft genannten Schweißverfahren beschränkend wirken sollen. Dabei kann entweder ohne Zusatzwerkstoff geschweißt werden oder es kann auch (je nach Füge-Geometrie) ein Zusatzwerkstoff, also Füllmaterial eingesetzt werden. Weitere mögliche Verbindungstechniken sind Diffusionsschweißen sowie Transient-Liquid-Phase-Fügen. Die genannten Verbindungstechniken eignen sich insbesondere zum Verbinden einkristalliner Leiterelemente, allerdings auch für Leiterelemente mit kolumnarer Kristallstruktur. Z.B. können auch Abschnitte eines Drahts mit kolumnarer Struktur zu Elementen für eine Haarnadelspule („Hairpins“) umgeformt und nach der Montage verschweißt werden.
• Zur Herstellung eines einkristallinen Leiterelements bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. Gemäß einer Ausführungsform wird ein einkristalliner Körper hergestellt und wenigstens ein Leiterelement wird durch ein Trennverfahren aus diesem Körper gewonnen. Zur Herstellung des einkristallinen Körpers, der zumindest in einigen Ausführungsformen auch als Barren bezeichnet werden kann, sind unterschiedliche Verfahren möglich, wobei normalerweise eine Urformung aus einer Schmelze vorgesehen wird. Beim Czochralski-Verfahren erfolgt ein Ziehen des Einkristalls aus der Schmelze, wobei ein Impfkristall den Ausgangspunkt der Kristallisation bildet. Bei der Bridgman-Stockbarger-Methode wird eine Schmelze in einem speziell geformten Tiegel nach und nach aus einer Zone mit höherer Temperatur in eine Zone mit niedrigerer Temperatur abgesenkt, wobei die Geometrie des Tiegels die Bildung des Einkristalls begünstigt. Eine weitere Möglichkeit wäre das Zonenschmelzverfahren. Für eine möglichst effiziente Nutzung des einkristallinen Körpers sind Trennverfahren bevorzugt, bei denen möglichst wenig Material verloren geht, so dass bspw. Laserschneiden der Vorzug vor mechanischen, spanenden Verfahren gegeben werden kann.
• Insbesondere kann das Trennen in zwei Schritten erfolgen, wobei ein Wafer von dem einkristallinen Körper abgetrennt wird und danach wenigstens ein Leiterelement von dem Wafer abgetrennt wird. Der Wafer stellt eine ebene Scheibe dar, die aus dem einkristallinen Körper (Barren) herausgetrennt bzw. geschnitten wird. Aus einem länglichen Körper, der bspw. im Czochralski-Verfahren hergestellt werden kann, lassen sich eine Vielzahl von Wafern gewinnen, die dann als Ausgangspunkt für die nächste Verfahrensstufe dienen. Dabei wird aus dem ebenen Wafer wenigstens ein Leiterelement, normalerweise eine Mehrzahl von Leiterelementen herausgetrennt bzw. herausgeschnitten. Bspw. ist es hiermit gut möglich, Leiterelemente zu gewinnen, die anschließend verbunden werden und die Windungen einer Wicklung bilden. Wie bereits oben erläutert, kann jede Windung aus einem einzigen Leiterelement gebildet werden. Um eine möglichst effiziente Nutzung des Wafers zu erreichen, kann es dabei vorteilhaft sein, wenn jede Windung aus wenigstens zwei Leiterelementen gebildet wird.
• Gemäß einer anderen Ausgestaltung wird wenigstens ein Leiterelement in einer Gussform gegossen, die wenigstens abschnittsweise die Form des Leiterelements definiert. Dies ermöglicht die präzise Herstellung unterschiedlichster Geometrien, bspw. der des oben erwähnten Läuferkäfigs. Bei einem geeigneten Verfahren weist die Gussform einen ersten Abschnitt auf, der der vorgesehenen Form des Leiterelements entspricht, sowie einen sich hieran anschließenden zweiten Abschnitt, der als Selektor oder aufgrund seiner Spiralform auch als „pig-tail“-Selektor bezeichnet wird. Der Kristallisationsprozess geht vom Selektor aus, indem zunächst eine polykristalline Struktur entsteht, die aber spätestens beim Übergang zum ersten Abschnitt in einen Einkristall übergeht. Das im Selektor auskristallisierte Metall kann nachträglich abgetrennt und wieder eingeschmolzen werden.
• Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
• 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors gemäß einer ersten Ausführungsform;
• 2 eine perspektivische Darstellung eines einkristallinen Körpers;
• 3 eine Draufsicht eines aus dem Körper aus 2 geschnittenen Wafers;
• 4 eine perspektivische Darstellung einer Wicklung eines Stators gemäß einer zweiten Ausführungsform
• 5 eine Darstellung eines Teils des Stators gemäß der zweiten Ausführungsform
• 6 eine perspektivische Darstellung eines Kurzschlussläufers eines erfindungsgemäßen Elektromotors;
• 7 eine perspektivische Darstellung eines Läuferkäfig des Kurzschlussläufers aus 6; sowie
• 8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung des Läuferkäfigs.
• In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
• 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors 1, genauer gesagt eines Asynchronmotors. Der Elektromotor 1 weist ein stationäres Gehäuse 2 auf, an welchem eine Welle 3 über zwei Lager 4 drehbar gelagert ist. Ein Rotor oder Kurzschlussläufer 10 ist drehfest mit der Welle 3 verbunden. Der Kurzschlussläufer weist ein Blechpaket 11 sowie einen Läuferkäfig 12 auf, welcher weiter unten mit Bezug auf 6 und 7 noch erläutert wird. Ein Ständer bzw. Stator 15 ist fest am Gehäuse 2 montiert. Der Stator 15 weist einen Kern 16 aus einer Eisenlegierung auf, der abschnittsweise von mehreren Wicklungen 17 umgeben ist.
• Jede Wicklung 17 ist durch einen Draht 19 gebildet, dessen Verlauf hier (wie auch die anderen Komponenten des Elektromotors 1) nur schematisch wiedergegeben ist. Der Draht 19 besteht im vorliegenden Fall aus Kupfer bzw. weist einen Kupferanteil von über 98 % auf. Die Kristallstruktur des Drahtes 19 ist kolumnar, d.h. sie besteht aus Stängelkristallen bzw. Säulenkristallen. Diese sind überwiegend entlang der Längsrichtung des Drahtes 19 orientiert, wodurch der Draht 19 einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist als einen entsprechende Draht mit globularer Kristallstruktur. Es ist daher möglich, im Vergleich zu einem herkömmlichen Draht entweder einen dünneren Draht zu verwenden oder bei gleichem Drahtquerschnitt einen geringeren Widerstand zu realisieren, was sich vorteilhaft auf die Leistung des Elektromotors 1 auswirkt. Außerdem neigt der Draht 19 aufgrund seines niedrigen ohmschen Widerstands weniger zum Überhitzen. Schließlich geht der geringere ohmschen Widerstand auch mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit einher, so dass die Wärmeableitung aus möglicherweise stärker erwärmten Bereichen des Drahtes 19 leichter möglich ist. Der Widerstand des Drahtes 19 lässt sich weiter dadurch verringern, dass ein Draht aus Silber bzw. einer Silberlegierung mit hohem Silberanteil verwendet wird. Der Draht 19 kann z.B. mittel des OCC-Verfahrens (Ohno Continuous Casting) hergestellt werden. U.U. ist dabei auch die Herstellung eines Drahtes 19 mit einkristalliner Struktur möglich.
• Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die jeweilige Wicklung 17 aus einem einstückigen Draht 19 gefertigt, der aufgrund seiner Flexibilität um den Statorkern 16 gewickelt werden kann. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung, die anhand von 2 - 5 erläutert wird, können die Wicklungen 17 des Stators 15 aus vorgefertigten Leiterelementen 22, 23 zusammengefügt werden. Ausgangspunkt der Fertigung ist ein in 2 schematisch dargestellter einkristalliner Barren 20, der auch als Barren bezeichnet werden kann. Dieser kann bspw. im Czochralski-Verfahren oder mit der Bridgman-Stockbarger-Methode gefertigt werden. Für die meisten Anwendungen, bspw. im Kraftfahrzeugbereich, wird der Barren 20 aus Kupfer gefertigt, während für andere Anwendungen, bspw. im Flugzeugbau, ein Barren 20 aus Silber gefertigt werden kann. Aus dem einkristallinen Barren 20 können eine Mehrzahl von Wafern 21 geschnitten werden. Der einzelne Wafer 21 weist eine scheibenartige Struktur sowie einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Dicke des Wafers 21 kann entsprechend der gewünschten Dicke der Leiterelemente 22, 23 gewählt werden. 3 zeigt eine Draufsicht eines Wafers 21 mit den Konturen von Leiterelementen 22, 23, die aus diesem herausgeschnitten werden. Geometrie und Anordnung der einzelnen Leiterelemente 22, 23 ist hier rein beispielhaft und kann in der Praxis auch anders gewählt werden. Gezeigt sind drei Windungselemente 22 sowie ein Endelement 23. Es versteht sich, dass normalerweise Anzahl und Anordnung der ausgeschnittenen Leiterelemente 22, 23 so gewählt werden, dass das Material des Wafers 21 möglichst optimal ausgenutzt wird.
• 4 zeigt eine Wicklung 17, die aus den Leiterelemente 22, 23 gefertigt worden ist. Die Wicklung 17 weist eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Windungen 18 auf, von denen jede aus zwei Windungselementen 22 zusammengesetzt ist. Dabei ist jedes Windungselement 22 auf eine Windung 18 beschränkt, d.h. es überlappt nicht mit sich selbst und kann daher ohne (wesentliche) Umformung aus der zweidimensionalen Form des Wafers 21 gewonnen werden. Endseitig ist jeweils ein Endelement 23 mit einem Verbindungselement 22 verbunden. Die Endelemente 23 dienen dem elektrischen Anschluss der Wicklung 17 innerhalb des Elektromotors 1. Die Leiterelemente 22, 23 können durch Verschweißen miteinander verbunden werden, z.B. durch Gasschweißen, Mikroplasma-Schweißen, Elektronenstrahl-Schweißen oder Laserstrahl-Schweißen. Die fertigen Wicklungen 17 können dann in den Spulenkern 16 eingesetzt werden, wie in 5 dargestellt.
• 6 ist eine perspektivische Darstellung des Kurzschlussläufers 10 sowie der Welle 3 und der Lager 4. Wie bereits erwähnt, weist der Kurzschlussläufer 10 ein Blechpaket 11 auf sowie einen Läuferkäfig 12, der in 7 einzeln dargestellt ist. In diesem Beispiel ist der Läuferkäfig 12 aus Kupfer mit einkristalliner Struktur einstückig urgeformt. Er weist eine komplexe dreidimensionale Struktur mit Durchbrechungen auf. Namentlich sind axial endseitig zwei tangential umlaufende Ringe 12.1 ausgebildet, die durch eine Mehrzahl von Stäben 12.2 miteinander verbunden sind. In diesem Beispiel verlaufen die Stäbe 12.2 gerade, allerdings schräg zur axialen Richtung. Es sind allerdings auch andere Verläufe möglich, bspw. ein axialer Verlauf oder ein nicht-gerader, bspw. gekrümmter Verlauf.
• 8 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Herstellung des Läuferkäfigs 12 aus 7. Erkennbar ist eine Gussform 40 mit einer Kavität 41, in die Kupfer in flüssiger Form hineingegossen wird. Im obersten Bereich weist die Kavität 41 einen Einfüllabschnitt 41.1 auf, an den sich ein Formabschnitt 41.2 anschließt. Der Formabschnitt 41.2 definiert die eigentliche Form des Läuferkäfig 12. Unterhalb des Formabschnitts 41.2 ist ein im Wesentlichen spiralförmiger Selektorabschnitt 41.3 ausgebildet. Unter diesem schließt sich an die Gussform 40 eine Kupferplatte 42 mit einer Mehrzahl von Kühlkanälen 43 an. Während des Eingießens des flüssigen Kupfers durch den Einfüllabschnitt 41.1 kann die Gussform 40 beheizt bzw. temperiert werden, um einen vorzeitiges Erstarren des Kupfers zu verhindern. Die Kupferplatte 42 wird in vorgesehener Weise gekühlt, in dem ein Kühlmittel (bspw. Wasser) durch die Kühlkanäle 43 geleitet wird. Dies führt zu einer beginnenden Erstarrung des Kupfers im Selektorabschnitt 41.3, beginnend von unten und fortschreitend nach oben. Die Spiralform des Selektorabschnitts 41.3 führt dazu, dass sich zumindest im oberen Teil desselben eine einkristalline Struktur ausbildet, die sich dann auch im Formabschnitt 41.2 fortsetzt. Nachdem das Kupfer vollständig erstarrt ist, wird die Gussform 40 entfernt, was bei der hier gezeigten Geometrie der Kavität 41 nur durch Zerstörung der Gussform 40 möglich ist. Anschließend werden die Teile des Kupferkörpers, die dem Selektorabschnitt 41.3 sowie dem Einfüllabschnitt 41.1 entsprechen, abgetrennt, wodurch man den in 7 dargestellten Läuferkäfig 12 erhält. Die abgetrennten Teile können eingeschmolzen und wiederverwendet werden. Das hier geschilderte Verfahren lässt sich auch auf einen Läuferkäfig 12 anwenden, der aus Silber gefertigt ist.
• Wenngleich sich die geschilderten Ausführungsbeispiele auf einen Asynchronmotor beziehen, lassen sich ähnliche oder andere Leiterstrukturen mit kolumnarer oder einkristalliner Kristallstruktur auch für Synchronmotoren oder andere elektrische Maschinen herstellen.
• Bezugszeichenliste

1

Elektromotor

2

Gehäuse

3

Welle

4

Lager

10

Kurzschlussläufer

11

Blechpaket

12

Läuferkäfig

12.1

Kurzschlussring

12.2

Kurzschlussstab

15

Stator

16

Statorkern

17

Wicklung

18

Windung

19

Draht

20

Barren

21

Wafer

22

Windungselement

23

Endelement

40

Gussform

41

Kavität

41.1

Einfüllabschnitt

41.2

Formabschnitt

41.3

Selektorabschnitt

42

Kupferplatte

43

Kühlkanal

Claims (3)

1. Elektrische Maschine (1) mit einer Leiterstruktur, die wenigstens ein metallisches Leiterelement (12, 18, 22, 23) aufweist, welches wenigstens ein aus Kupfer und Silber ausgewähltes Metall enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Leiterelement (12, 18, 22, 23) eine einkristalline oder kolumnare Kristallstruktur aufweist, und aufweisend einen Kurzschlussläufer (10), wobei die Leiterstruktur aus einem einzigen Leiterelement mit einkristalliner Kristallstruktur besteht und als Läuferkäfig (12) des Kurzschlussläufers (10) ausgebildet ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Leiterelement (12, 18, 22, 23) aus einem aus Kupfer und Silber ausgewählten Metall besteht.
3. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Leiterelement (12, 18, 22, 23) als gewickelter Draht ausgebildet ist.

Images