DE202021101956U1 - Waveguide made of an electrically conductive material - Google Patents

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Abstract

Hohlleiter aus einem elektrisch leitenden Material, bestehend aus einem Körper (2) mit einem Hohlraum (3), wobei der Körper (2) einen polygonalen Querschnitt aufweist und der Körper (2) eine Außenmantelfläche (4) aufweist, die mit einer Beschichtung (5) aus elektrisch nicht-leitendem Material ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, die Beschichtung (5) in allen Bereichen der Außenmantelfläche (4) eine gleichmäßige Schichtdicke aufweist und dass der Hohlraum (3) einen polygonalen Querschnitt aufweist.

Figure DE202021101956U1_0000
Waveguide made of an electrically conductive material, consisting of a body (2) with a cavity (3), the body (2) having a polygonal cross section and the body (2) having an outer jacket surface (4) which is coated with a coating (5 ) is formed from electrically non-conductive material, characterized in that the coating (5) has a uniform layer thickness in all areas of the outer jacket surface (4) and that the cavity (3) has a polygonal cross section.
Figure DE202021101956U1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Hohlleiter aus einem elektrisch leitenden Material, bestehend aus einem Körper mit einem Hohlraum, wobei der Körper einen polygonalen Querschnitt aufweist und der Körper eine Außenmantelfläche aufweist, die mit einer Beschichtung aus elektrisch nicht-leitendem Material ausgebildet ist.The invention relates to a waveguide made of an electrically conductive material, consisting of a body with a cavity, the body having a polygonal cross section and the body having an outer jacket surface which is formed with a coating of electrically non-conductive material.

Gattungsgemäße Hohlleiter sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise für elektromagnetische Maschinen, wie beispielsweise supraleitenden Magneten, Teilchenbeschleunigern, Fusionsreaktoren und Grenzleistungsturbogeneratoren eingesetzt. Zunehmend werden diese Hohleiter aber auch bei kleineren elektromagnetischen Maschinen eingesetzt, die eine Maximalleistung von 5 MW aufweisen. Beispiele hierfür sind Elektromotoren für Haushaltsgeräte, Handwerkzeuge, Baumaschinen, Traktoren, Werkzeugmaschinen sowie Elektromotoren für Land-, Wasser- und Luftahrzeuge und Generatoren für Windkraftanlagen. Diese Maschinen weise kleine Dimensionen auf, so dass auch hier zum Einsatz kommende elektromagnetische Spulen klein zu bemessen sind. Hierdurch sind kleine Biegeradien erforderlich. Die verwendeten Hohlleiter erlauben eine innere Kühlung durch ein den Hohlraum durchfließendes Kühlmittel. Durch das Kühlmittel wird bei einem Elektromotor auch die Spule gekühlt und insgesamt die Effektivität des Elektromotors gesteigert.Generic waveguides are known from the prior art and are used, for example, for electromagnetic machines, such as, for example, superconducting magnets, particle accelerators, fusion reactors and limit power turbo generators. Increasingly, however, these waveguides are also being used in smaller electromagnetic machines that have a maximum output of 5 MW. Examples of this are electric motors for household appliances, hand tools, construction machinery, tractors, machine tools and electric motors for land, water and air vehicles and generators for wind turbines. These machines have small dimensions, so that electromagnetic coils used here are also small. This means that small bending radii are required. The waveguides used allow internal cooling by means of a coolant flowing through the cavity. In an electric motor, the coolant also cools the coil and increases the overall effectiveness of the electric motor.

Beispielsweise ist aus der WO 2015/150556 ein gattungsgemäßer Hohlleiter bekannt, der sich durch eine bestimmte Geometrie, nämlich ein bestimmtes Verhältnis eines Außendurchmessers zu Innendurchmesser eines im Querschnitt runden Hohlleiters auszeichnet. Der Körper dieses bekannten Hohlleiters ist an seiner äußeren Mantelfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht aus Isolierlack beschichtet.For example, from the WO 2015/150556 a generic waveguide is known which is characterized by a certain geometry, namely a certain ratio of an outer diameter to an inner diameter of a waveguide with a round cross section. The body of this known waveguide is coated on its outer surface with an electrically insulating layer of insulating varnish.

Die Verwendung von Hohldrähten mit rundem Querschnitt zur Spulenherstellung hat den Nachteil, dass die im endfertigen Zustand die nebeneinanderliegenden Drähte unter Belassung eines Spaltraums bzw. eines Zwickels nebeneinander angeordnet sind, der aufgrund der runden Querschnittsform des Leiters entsteht. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es auch bekannt Volldrähte mit rechteckigem Querschnitt zu verwenden. Sodass die Packungsdichte erhöht wird.The use of hollow wires with a round cross-section for coil production has the disadvantage that the wires lying next to one another in the finished state are arranged next to one another, leaving a gap or a gusset which is created due to the round cross-sectional shape of the conductor. To avoid this disadvantage, it is also known to use solid wires with a rectangular cross section. So that the packing density is increased.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Hohlleiter mit verbesserter Kühlmöglichkeit bei gleichzeitig höherer Leistungsdichte und hoher elektrischer Sicherheit zu schaffen.Proceeding from this prior art, the invention is based on the object of creating a generic waveguide with improved cooling options with a higher power density and high electrical safety.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung sieht bei einem erfindungsgemäßen Hohlleiter vor, dass die Beschichtung in allen Bereichen der Außenmantelfläche eine identische Schichtdicke aufweist und dass der Hohlraum einen polygonalen Querschnitt aufweist.The solution to this problem provides for a waveguide according to the invention that the coating has an identical layer thickness in all areas of the outer jacket surface and that the cavity has a polygonal cross section.

Durch den Hohlraum mit polygonalem Querschnitt ist ein höherer Füllfaktor und damit eine effizientere Ausnutzung des vorhandenen Bauraumes bei einem Elektromotor möglich. Es kann eine 5 bis 20% effizientere Ausnutzung des Bauraumes erzielt werden. Die Verwendung des Hohlleiters führt zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung und Materialeinsparung, verglichen mit einem Volldraht. Des Weiteren verhindert die Beschichtung mit identischer Schichtdicke in allen Bereichen der Außenfläche des Hohlleiters eine gute elektrische Isolation, mit der ungewollte Spannungsdurchschläge (elektrische Entladungen) vermieden werden können. Hierdurch werden kurzschlussbedingte Effekte beispielsweise bei einer Spule weitgehend reduziert bzw. ganz vermieden. Die Beschichtung ist demnach sowohl im Bereich der einzelnen Flächen der Außenmantelfläche, als auch in Übergangsbereichen zwischen benachbarten Flächen der Außenmantelfläche mit im wesentlichen gleichmäßiger Schichtdicke ausgebildet.The hollow space with a polygonal cross-section enables a higher fill factor and thus a more efficient use of the available installation space in an electric motor. A 5 to 20% more efficient use of the installation space can be achieved. The use of the waveguide leads to a significant reduction in weight and material savings compared to a solid wire. Furthermore, the coating with an identical layer thickness prevents good electrical insulation in all areas of the outer surface of the waveguide, with which undesired voltage breakdowns (electrical discharges) can be avoided. In this way, effects caused by short circuits, for example in the case of a coil, are largely reduced or avoided entirely. The coating is accordingly formed with a substantially uniform layer thickness both in the area of the individual surfaces of the outer jacket surface and in transition areas between adjacent surfaces of the outer jacket surface.

Für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Hohlleiters ist ein Hohlleiter mit hohlzylindrischer Ausgestaltung Ausgangspunkt, also ein Hohlleiter mit ringförmigem Querschnitt, der entweder in einem ersten Schritt mit der Beschichtung auf der Mantelfläche ausgebildet und anschließend umgeformt wird oder in einem ersten Schritt zuerst umgeformt und anschließend mit der Beschichtung ausgebildet wird. Insbesondere bei einer Umformung nachdem die Beschichtung aufgebracht ist, ist sichergestellt, dass die Beschichtung mit gleichmäßiger Schichtdicke in allen Bereichen ausgebildet ist.The starting point for the production of a waveguide according to the invention is a waveguide with a hollow cylindrical design, i.e. a waveguide with an annular cross section, which is either formed in a first step with the coating on the outer surface and then formed or in a first step first formed and then with the coating is trained. Particularly in the case of reshaping after the coating has been applied, it is ensured that the coating is formed with a uniform layer thickness in all areas.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Körper und der Hohlraum einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Eckbereichen aufweisen. Derartige Hohlleiter haben sich besonders für die Wicklung von Spulen als geeignet erwiesen, da ein enges Aneinanderliegen der Hohlleiter möglich ist, um eine hohe Dichte in einem geringen Volumen zu ermöglichen. Somit ist eine sehr genaue Verlegung bei hoher Präzision möglich.According to a further feature of the invention it is provided that the body and the cavity have a rectangular cross section with rounded corner regions. Such waveguides have proven to be particularly suitable for winding coils, since the waveguides can lie close to one another in order to enable a high density in a small volume. This enables very precise laying with high precision.

Vorzugsweise besteht die Beschichtung aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem Polymermaterial, beispielsweise aus Polyesterimid oder Polyamidimid. Diese Kunststoffe lassen sich gut verarbeiten und ermöglichen eine Beschichtung mit identischer Schichtdicke in allen Bereichen der Außenmantelfläche. Die Beschichtung kann auch aus mehreren unterschiedlichen und übereinander angeordneten Lagen ausgebildet sein, beispielsweise mehreren inneren Lagen aus Polyesterimid und mehreren äußeren Lagen aus Polyamidimid. Wohlgleich auch andere, funktionale Elektrobeschichtungen zum Einsatz kommen können.The coating preferably consists of a plastic material, in particular a polymer material, for example polyesterimide or polyamideimide. These plastics are easy to process and enable a coating with an identical layer thickness in all areas of the outer jacket surface. The coating can also be formed from several different layers arranged one above the other, for example several inner layers of polyester imide and several outer layers of polyamide imide. Other, functional electrical coatings can also be used.

Für die Nutzung der erfindungsgemäßen Hohlleiter in kleineren elektromagnetischen Maschinen ist es bevorzugt, dass der Körper Kantenlängen zwischen 0,10 mm und 7,0 mm mit einer sehr geringenToleranz aufweist. Bei diesen Kantenlängen wird eine ausreichende Leitfähigkeit des Hohleiters bei gleichzeitig guter Kühlmöglichkeit gegeben, so dass leistungsfähige Elektromaschinen mit geringem Bauvolumen mit den erfindungsgemäßen Hohlleitern hergestellt werden können.For the use of the waveguides according to the invention in smaller electromagnetic machines, it is preferred that the body has edge lengths between 0.10 mm and 7.0 mm with a very low tolerance. With these edge lengths, the waveguide has sufficient conductivity with good cooling options at the same time, so that powerful electrical machines with a small structural volume can be produced with the waveguides according to the invention.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die abgerundeten Eckbereiche mit einem Kantenradius von 0,02 bis 0,3 mm ausgebildet sind. Diese Kantenradien stellen einerseits eine ausreichende große Verbindungsfläche zwischen benachbarten Flächen sicher, die mit der Beschichtung beschichtet werden und die Beschichtung auch auf diesen Verbindungsflächen haftet, ohne dass die Schichtdicke reduziert wird.Another embodiment provides that the rounded corner areas are designed with an edge radius of 0.02 to 0.3 mm. On the one hand, these edge radii ensure a sufficiently large connecting surface between adjacent surfaces that are coated with the coating and the coating also adheres to these connecting surfaces without the layer thickness being reduced.

Vorzugsweise ist der Körper aus einem Werkstoff aus der Gruppe Kupferlegierungen, Bronze, Messing, Neusilber, Beryllium-Kupfer, Aluminium, Edelstahllegierungen, FormGedächtnis-Legierungen ausgebildet, um eine gute Leitfähigkeit sicherzustellen.The body is preferably made from a material from the group consisting of copper alloys, bronze, brass, nickel silver, beryllium copper, aluminum, stainless steel alloys, shape memory alloys, in order to ensure good conductivity.

Weiterhin ist vorgesehen, dass der Körper eine Oberfläche aus einem Werkstoff aus der Gruppe Reinzinn-Kupfer-Nickel-Silber, Kupfer-Blei-Legierungen, Nickel-Zinn mit Zinn aus der Gruppe Re-Flow, Hartzinn, Glanzzinn aufweist. Auch diese Materialen dienen der Verbesserung der Leitfähigkeit aber auch einer Haftverbesserung zur Beschichtung.Furthermore, it is provided that the body has a surface made of a material from the group of pure tin-copper-nickel-silver, copper-lead alloys, nickel-tin with tin from the group Re-Flow, hard tin, bright tin. These materials also serve to improve the conductivity but also to improve the adhesion to the coating.

Schließlich ist vorgesehen, dass der Körper aus einer Kupferlegierung CU-ETP1 ausgebildet ist.Finally, it is provided that the body is made from a copper alloy CU-ETP1.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

  • 1 eine erste Ausführungsform eines Hohlleiters mit rechteckigem Querschnitt und
  • 2 eine zweite Ausführungsform des Hohlleiters mit quadratischem Querschnitt.
Further features and advantages of the invention emerge from the following description of the associated drawing. In the drawing show:
  • 1 a first embodiment of a waveguide with a rectangular cross-section and
  • 2 a second embodiment of the waveguide with a square cross-section.

1 und 2 zeigen zwei Ausführungsformen eines Hohlleiters 1 aus einem elektrisch leitenden Material, bestehend aus einem Körper 2 mit einem Hohlraum 3, wobei der Körper 2 einen rechteckigen Querschnitt aufweist und der Körper 2 eine Außenmantelfläche 4 aufweist, die mit einer Beschichtung 5 aus elektrisch nicht-leitendem Material ausgebildet ist. Die Beschichtung 5 weist in allen Bereichen der Außenmantelfläche 4 eine gleichmäßige, vorzugsweise identische Schichtdicke auf. Der Hohlraum 3 weist einen polygonalen Querschnitt auf. 1 and 2 show two embodiments of a waveguide 1 made of an electrically conductive material consisting of a body 2 with a cavity 3 , being the body 2 has a rectangular cross-section and the body 2 an outer jacket surface 4th having that with a coating 5 is made of electrically non-conductive material. The coating 5 points in all areas of the outer jacket surface 4th a uniform, preferably identical layer thickness. The cavity 3 has a polygonal cross-section.

Aus den 1 und 2 ist ferner zu erkennen, dass der Körper 2 und der Hohlraum 3 einen identisch ausgebildeten rechteckigen Querschnitt aufweist, so dass auch der Körper 2 in allen Bereichen eine identisch ausgebildete Wandstärke. Ferner ist der Körper 2 mit abgerundeten Eckbereichen 6 mit einem Kantenradius von 0,02 bis 0,3 mm ausgebildet. Zwischen den Eckbereichen 6 weist der Körper 2 Flächen 7 mit Kantenlängen zwischen 0,10 mm und 7,0 mm bei einer Toleranz von ± 0,005 mm auf. In 1 ist erkennbar, dass jeweils zwei parallel verlaufende Flächen 7 des Körpers 2 identische Längen aufweisen, die sich von den Längen der dazu rechtwinklig ausgerichteten Flächen 7 unterscheiden.From the 1 and 2 can also be seen that the body 2 and the cavity 3 has an identically designed rectangular cross section, so that the body 2 an identically designed wall thickness in all areas. Further is the body 2 with rounded corner areas 6th formed with an edge radius of 0.02 to 0.3 mm. Between the corner areas 6th instructs the body 2 Surfaces 7th with edge lengths between 0.10 mm and 7.0 mm with a tolerance of ± 0.005 mm. In 1 it can be seen that there are two parallel surfaces 7th of the body 2 have identical lengths that differ from the lengths of the surfaces aligned at right angles thereto 7th distinguish.

Als die Beschichtung 5 ist ein Kunststoff vorgesehen. Die Beschichtung ist aus zwei unterschiedlichen und übereinander angeordneten mehrschichtigen Lagen 8, 9 ausgebildet, wobei die Lage 8 beispielhaft aus mehrlagigen Polyesterimid und die Lage 9 beispielhaft aus mehrlagigen aus Polyamidimid besteht. Wobei auch alle gängigen funktionalen Elektroisolierbeschichtungen zum Einsatz kommen können.Than the coating 5 a plastic is provided. The coating consists of two different multilayer layers arranged one above the other 8th , 9 formed, the location 8th exemplified from multilayer polyesterimide and the location 9 for example, consists of multilayered polyamide-imide. All common functional electrical insulation coatings can also be used.

Der Körper 2 besteht aus einem Werkstoff aus der Gruppe Kupferlegierungen, Bronze, Messing, Neusilber, Beryllium-Kupfer, Aluminium, Edelstahllegierungen, Form-Gedächtnis-Legierungen und weist eine Oberfläche aus einem Werkstoff aus der Gruppe Reinzinn-Kupfer-Nickel-Silber, Kupfer-Blei-Legierungen, Nickel-Zinn mit Zinn aus der Gruppe Re-Flow, Hartzinn, Glanzzinn auf.The body 2 consists of a material from the group of copper alloys, bronze, brass, nickel silver, beryllium-copper, aluminum, stainless steel alloys, shape-memory alloys and has a surface made of a material from the group of pure tin-copper-nickel-silver, copper-lead Alloys, nickel-tin with tin from the group Re-Flow, hard tin, bright tin.

In 2 ist eine Ausführungsform des Hohlleiters 1 mit quadratischem Querschnitt dargestellt. Der konstruktive Aufbau diese Hohlleiters 1 entspricht dem Aufbau des Hohlleiters nach 1.In 2 is an embodiment of the waveguide 1 shown with a square cross-section. The structural design of this waveguide 1 corresponds to the structure of the waveguide 1 .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
HohlleiterWaveguide
22
Körperbody
33
Hohlraumcavity
44th
AußenmantelflächeOuter jacket surface
55
BeschichtungCoating
66th
Kantenradien/EckbereichEdge radii / corner area
77th
Flächesurface
88th
Lagelocation
99
Lagelocation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • WO 2015/150556 [0003]WO 2015/150556 [0003]

Claims (9)

Hohlleiter aus einem elektrisch leitenden Material, bestehend aus einem Körper (2) mit einem Hohlraum (3), wobei der Körper (2) einen polygonalen Querschnitt aufweist und der Körper (2) eine Außenmantelfläche (4) aufweist, die mit einer Beschichtung (5) aus elektrisch nicht-leitendem Material ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, die Beschichtung (5) in allen Bereichen der Außenmantelfläche (4) eine gleichmäßige Schichtdicke aufweist und dass der Hohlraum (3) einen polygonalen Querschnitt aufweist.Waveguide made of an electrically conductive material, consisting of a body (2) with a cavity (3), the body (2) having a polygonal cross section and the body (2) having an outer jacket surface (4) which is coated with a coating (5 ) is formed from electrically non-conductive material, characterized in that the coating (5) has a uniform layer thickness in all areas of the outer jacket surface (4) and that the cavity (3) has a polygonal cross section. Hohlleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) und der Hohlraum (3) einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Eckbereichen (6) aufweisen.Waveguide after Claim 1 , characterized in that the body (2) and the cavity (3) have a rectangular cross-section with rounded corner regions (6). Hohlleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) aus einem Kunststoff, beispielsweise aus Polyesterimid oder Polyamidimid besteht.Waveguide after Claim 1 or 2 , characterized in that the coating (5) consists of a plastic, for example polyesterimide or polyamideimide. Hohlleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) zwei unterschiedliche, vorzugsweise mehrlagige und übereinander angeordnete Lagen (8, 9) aufweist.Waveguide according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the coating (5) has two different, preferably multilayered and superposed layers (8, 9). Hohlleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) Kantenlängen zwischen 0,10 mm und 7,0 mm mit einer Toleranz aufweist.Waveguide according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the body (2) has edge lengths between 0.10 mm and 7.0 mm with a tolerance. Hohlleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundeten Eckbereiche (6) mit einem Kantenradius von 0,02 bis 0,3 mm ausgebildet sind.Waveguide after Claim 2 , characterized in that the rounded corner areas (6) are designed with an edge radius of 0.02 to 0.3 mm. Hohlleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) aus einem Werkstoff aus der Gruppe Kupferlegierungen, Bronze, Messing, Neusilber, Beryllium-Kupfer, Aluminium, Edelstahllegierungen, FormGedächtnis-Legierungen ausgebildet ist.Waveguide according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the body (2) is made from a material from the group consisting of copper alloys, bronze, brass, nickel silver, beryllium copper, aluminum, stainless steel alloys, shape memory alloys. Hohlleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) eine Oberfläche aus einem Werkstoff aus der Gruppe Reinzinn-Kupfer-Nickel-Silber, Kupfer-Blei-Legierungen, Nickel-Zinn mit Zinn aus der Gruppe Re-Flow, Hartzinn, Glanzzinn aufweist.Waveguide according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that the body (2) has a surface made of a material from the group of pure tin-copper-nickel-silver, copper-lead alloys, nickel-tin with tin from the group re-flow, hard tin, bright tin. Hohlleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) aus einer Kupferlegierung vorzugsweise CU-ETP1 ausgebildet ist.Waveguide according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the body (2) is formed from a copper alloy, preferably CU-ETP1.
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