EP3443647A1 - Elektrischer leiter mit mehreren filamenten in einer matrix - Google Patents

Elektrischer leiter mit mehreren filamenten in einer matrix

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Publication number
EP3443647A1
EP3443647A1 EP17724048.8A EP17724048A EP3443647A1 EP 3443647 A1 EP3443647 A1 EP 3443647A1 EP 17724048 A EP17724048 A EP 17724048A EP 3443647 A1 EP3443647 A1 EP 3443647A1
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EP
European Patent Office
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filaments
conductor
matrix
electrical conductor
electrical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17724048.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tabea Arndt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to an electrical conductor for winding a coil of a stator of an electrical machine. Furthermore, the invention relates to a conductor composite with a plurality of such conductors and an electrical machine having a stator winding with at least one such conductor. Moreover, the invention relates to a manufacturing method for such a conductor.
  • Stator windings wound from normal conducting electrical conductors This is typically the case even if superconducting materials are used in the windings of the rotor, because the use of superconductors in the stator is usually not advantageous due to the generally relatively high alternating current losses.
  • the electrical conductors of the normally-conductive stator windings are based on the prior art on a good conductive metal, such as copper or aluminum or an alloy as a conductor material, usually a plurality of individual wires are stranded into a common conductor strand (strand). The mechanical strength of such a cable structure results both from the mechanical properties of the individual wires and from the friction or the resistance to movement between the individual strands.
  • the mobility of the individual conductor sections against each other is severely limited.
  • the individual conductors can also be surrounded by a fluid cooling medium for better heat dissipation, for example, from an oil of good thermal conductivity and / or good heat capacity.
  • the AC losses incurred in the operation of such an electrical machine - in particular the proportion of eddy current losses - are decisively influenced in the stator by the thickness of the individual conductors used. To reduce the AC losses, it is desirable to keep the Einzellei ⁇ ter diameter as small as possible. At the same time, a high filling factor of the conductive material of the individual conductors is desirable, so that the space requirement of
  • Stator winding (s) is not unnecessarily high. Also, the weight of the stator winding (s) should not be increased by an undesirably high proportion of a material surrounding the individual conductors.
  • stator windings may be advantageous to cool the stator windings likewise to a cryogenic temperature Tem ⁇ in an electrical machine (particularly when using a low-temperature superconducting rotor), even if they are normal conducting.
  • Such a cooling results in a very low resistance in the metallic individual conductors.
  • the tension in the production of such windings may be in the range of 35 to 200 N / mm 2 .
  • the object of the invention is therefore to provide an electrical conductor which overcomes the disadvantages mentioned.
  • sondere an electrical conductor is to be provided, which is suitable for the production of strands and / or the stator windings in electric machines, having a low ohmic resistance, especially at cryogenic temperature, and has the same small change ⁇ current losses.
  • the electrical conductor according to the invention is suitable for winding a coil of a stator of an electrical machine. It comprises a plurality of filaments from a 4.2 K normallei ⁇ Tenden material, which filaments are monolithically embedded in an electrically resistive higher normal-conducting matrix.
  • a conductor which is suitable for producing a stator winding is to be understood in the present context in particular as a conductor which withstands a tensile stress of at least 35 N / mm 2 along its longitudinal direction. Since this is a monolithic ladder, here the filaments take over the task of the individual conductors in a stranded wire.
  • the material of the matrix should be electrically higher resistive than the material of the filaments, in particular in the transverse direction of the monolithic conductor of filament to filament. Last ⁇ res can also be achieved by the use of specificallyresistiven barriers within the matrix. This property of comparatively higher Resisitiv helpful should especially in an operating temperature of the electrical machine apply, which may for example be below 78 K, in particular at 20 K. Regardless of the ratio of the specific resistances at room temperature, in any case at 20 K the material of the matrix should have a higher specific resistance than the material of the filaments. This has the consequence that the flow of current in the conductor takes place at least at 20 K We ⁇ sentlichen by the filaments. The AC losses are then significantly reduced by the arranged between the highly conductive filaments and comparatively less conductive matrix compared to a conductor consisting of uniformly conductive material.
  • Both the material of the filaments and the material of the matrix should be normally conducting at a temperature of 4.2 K (ie at the boiling point of liquid helium).
  • the electrical conductor for the stator winding should therefore be normally conducting. It is thus suitable for a normal conducting stator winding of an electrical machine.
  • the conductor is suitable for a normally-conductive stator winding of an electrical machine whose stator is operated in a temperature range above 4.2 K. For example, the operating temperature of the stator between 4.2 K and 78 K, in particular in the vicinity of about 20 K.
  • the phrase that the filaments are "monolithic" embedded in the matrix is intended herein to mean that filaments and matrix are in a strong bond with each other, with no substantial empty spaces between the filaments and the matrix in the current transport direction, and the filaments (not even partially) can be moved against the surrounding matrix mate rial ⁇ . Rather, the filaments and matrix to form a solid composite in such a manner mechanically with each other, as if they were made of a cast. this However, it should not be ruled out that an additional layer may be present between the individual filaments and the surrounding matrix, as will be described below by way of example. In such a case, this additional layer should again form a monolithic composite both with the filament enveloped by it and with the surrounding matrix. So it should be the entire composite of filaments, matrix and optional intermediate layer in terms of mechanical strength properties from a piece.
  • An essential advantage of the electrical conductor according to the invention is that its mechanical strength is determined essentially by the strength properties of the matrix material as a result of the formation of the monolithic composite.
  • very fine filaments in the conductor, whose own mechanical strength would not be sufficient for the production of such small diameter filaments and for the tensile loads in the winding and the use of stator windings.
  • the use of very fine filaments is just particularly advantageous ⁇ way to achieve a particularly significant reduction of AC losses ⁇ .
  • Stator winding advantageously be achieved simultaneously.
  • the composite conductor according to the invention comprises several OF INVENTION ⁇ dung correct electrical conductors which are twisted against each other.
  • the two or more conductors according to the invention can thus be arranged, for example in the manner of conventional wire strands, twisted around the central axis of the superordinate conductor assembly.
  • Such a design allows the formation of a larger conductor network, while reducing the AC losses compared to a non-stranded arrangement of the individual conductors.
  • the electric machine according to the invention comprises a rotor and a stator.
  • the stator has at least one stator winding with at least one electrical conductor according to the invention.
  • the production method according to the invention serves to produce an electrical conductor according to the invention. It is characterized by at least one process step in which the matrix and the filaments undergo a common mechanical transformation, forming a monolithic bond between the filaments and the matrix.
  • an electrical conductor with the advantages of the described "monolithic composite” can be produced in a particularly simple manner, because in the case of joint mechanical deformation, a firm mechanical connection is already produced between the filaments and the matrix during the production of the conductor ( so-called “bond” or “bonding”).
  • the filaments and the matrix in particular, the generation of a higher-level metallic interconnection can be achieved by a common me ⁇ -mechanical working, the outer resistance substantially by the resistance of the surrounding the filaments matrix material is determined.
  • the individual filaments are no longer movable against the enveloping matrix.
  • the described embodiments of the electrical conductor, the conductor composite, the electrical machine and the manufacturing method can generally be advantageously combined.
  • the material of the filaments may advantageously comprise as Hauptbe ⁇ was partially aluminum.
  • the filament material may be high purity aluminum.
  • General ⁇ my aluminum has the advantage of a large Restwiderstands- ratio. With increasing purity of the aluminum, this residual resistance ratio becomes particularly large.
  • the material of the filaments can be particularly advantageous high-purity aluminum. This may advantageously be so pure that it has a residual resistance ratio of at least 1000.
  • the residual resistance ratio should generally be understood to mean the ratio of the resistance of a material at 293 Kelvin in relation to its resistance at 4 Kelvin. Particularly advantageously, the residual resistance ratio can even be above
  • the purity of the aluminum in the filaments can be at least 5N, in other words the purity of the substance can be at least 99.999%.
  • the material of the matrix may advantageously have a higher tensile ⁇ ACTION than the material of the filaments. In this way it can be achieved that the monolithic composite of matrix and filaments is particularly tensile, which is the application of the electrical conductor for the production of
  • Filament material comparable or even lower tensile ⁇ strength, can by the monolithic Einbet ⁇ tion of the filaments in the matrix material, an improvement in the strength of the electrical conductor (compared to a loose composite of filaments) and / or smaller
  • Filament diameter can be achieved. This is because the cross-sectional area of the entire composite is decisive for the tensile strength of the electrical conductor according to the invention.
  • the tensile strength of a conventional, only loosely stranded multifilament conductor be limited by the tensile strength of those individual filaments on which acts in the rope ⁇ strand locally the strongest tensile force.
  • the cross-sectional area of the individual conductor is decisive. Due to the formation of the monolithic invention
  • Composite can therefore quite generally the mechanical tensile ⁇ strength are increased so that related the entire conductor to the cross sectional area of the conductor tensile stresses from we ⁇ liens 35 N / mm 2, in particular at least 50 N / mm 2 or so-even at least 100 N / mm 2 are sustained.
  • yield strength is to be understood here to mean in general that parameter which is known in English as “yield stress” or “tensiles
  • the monolithic bond between the filaments and the matrix can be achieved by common mechanical deformation.
  • the advantages of this embodiment are analogous to the described advantages of the method according to the invention.
  • the material of the normal-conducting matrix can advantageously comprise a copper alloy and / or an aluminum alloy or even consist entirely of such an alloy.
  • such an alloy may be a copper-nickel alloy, a copper-chromium alloy, or an aluminum-iron-cerium alloy (such as Alcoa CU78).
  • such alloys have the advantage of higher resistivity and high tensile strength compared to pure copper or aluminum for the application described.
  • the resistivity of the material of the matrix may be pre-geous be above 1 x 10 -7 Qm. In particular, it may be 6 Qm between 1 x 10 -7 and 2 x 10 ⁇ Qm. With such high specific resistances, it is advantageously achieved that the current flow during operation of the stator winding is essentially the same. borrowed by the filaments.
  • the resistance values mentioned should in particular be the resistance values at an operating temperature of the electric machine, which may advantageously be below 78 K, in particular at 20 K.
  • the ratio of the specific conductivity of the material of the filaments to the specific conductivity of the material of the matrix at the operating temperature of the machine can be at least 100.
  • the individual filaments may be Wenig ⁇ least partially twisted against each other within the conductor. This is particular ⁇ It benefits in the reduction of AC losses compared to a ladder with straight filaments.
  • all the filaments of the electrical conductor can be twisted about a central axis of the conductor.
  • the number n of the individual filaments in the electrical conductor may be beneficial in at least 120, especially at Wenig ⁇ least 500, very particularly advantageously at least 1,000 lie ⁇ gene.
  • a particularly effective reduction of the AC losses can be achieved.
  • the number n of Fi ⁇ lamente in an electrical conductor 120 to 20,000 are, in particular between 1000 and 5000.
  • the filaments can be arranged in the conductor according to the pattern of a centered hexagon. If the central space of such an arrangement is occupied by a conductor, then the number n of conductors is given by the general formula
  • n 3i 2 + 3i + 1, (Formula 1) where i is the number of concentric shells around the central place. The corresponding sequence of numbers is so
  • n 6, 18, 36, 60, 90, ...
  • the number n of the filaments can also be a product of two or more elements of the numerical sequences according to formula 1 and / or formula 2. This is advantageous when the individual filaments are arranged in groups, wherein the individual filaments of a group are arranged in the manner of a centered hexagon, and the individual groups of filaments are in turn arranged with each other in the manner of centered hexagons.
  • the diameter of the individual filaments can be at most 10 ⁇ m, in particular at most 5 ⁇ m. In ⁇ example, the diameter can be between 3 ym and 10 ym.
  • the individual filaments may, for example, have a circular cross-section. Alternatively, however, they can also have a rectangular, hexagonal or otherwise polygonal cross-section, optionally also with rounded corners.
  • the electrical conductor may generally have a fill factor
  • this fill factor may even be at least 30%, for example between 30% and 60% or even above 60%. With a correspondingly high fill factor, the space requirement for the stator windings in the electrical machine is advantageously low.
  • the diameter of the entire electrical conductor with a plurality of filaments in a matrix may advantageously be between 0.5 mm and 3 mm.
  • the individual filaments may be encased within the monolithic bond respectively with a barrier layer, wherein the material of the barrier layer electrically ⁇ ser higher is particularly resistive than the material of the surrounding matrix.
  • the said relationship between the electrical properties in turn applies in particular at the operating temperature of the electric machine, so for example at 20 K.
  • the barrier layer is thus both electrically lower leitfä ⁇ hig than the filaments and lower conductive than the matrix. It thus serves as an electrical barrier between fi ⁇ laments and matrix.
  • the resistivity of the matrix material is not sufficient for the ge ⁇ desired electrical isolation of the filaments.
  • the electrical separation through the barrier layer can be strengthened, with the mechanical properties (in particular the tensile strength) of the entire electrical conductor still being determined by the properties of the matrix material.
  • the matrix material can be chosen especially with regard to the desired mechanical strength and deformation properties, and the electrical separation can be carried out independently of this choice of material.
  • a barrier layer steel, chromium, a copper alloy, a ceramic and / or a plastic for example, a paint
  • the thickness of such a barrier layer can be, for example, between 0.5 .mu.m and 20 .mu.m, in particular between 0.5 .mu.m and 3 .mu.m.
  • the thickness of the barrier layer is smaller than the diameter of the filaments.
  • the thickness of the barrier layer is greater than the filament diameter, for example if the Grefak- tor is less important than the greatest possible elekt ⁇ generic insulation between the individual filaments.
  • the barrier layer may also act as a diffusion Barrie ⁇ re between the matrix and the filaments generally beispiels- example by chemical contamination of the high purity filaments through the material of the matrix in the mechanical forming process (which generally also at an elevated temperature can take place).
  • the electrical conductor may include an internal coolant channel. During operation of the electric machine, a fluid coolant for cooling the stator windings can be conducted through this channel.
  • a coolant channel can be arranged, for example, at a central point in the conductor. This may be the above-mentioned unoccupied central space of a centered hexagonal array of filaments or groups of filaments.
  • the cross section of such a coolant channel can, for example, hexagonal or be round, this (original) shape can also be deformed by the manufacturing process, in particular by a common mechanical deformation of the components of the electrical conductor.
  • the electrical conductor may further optionally be provided with an outer shell to increase its mechanical strength and / or the electrical contact resistance.
  • Suitable materials for such an outer shell are, for example, chromium, nickel and / or anodized aluminum.
  • these individual conductors can each be straight, that is to say untwisted.
  • a twisting of the individual conductors "in itself” is not necessary, since they are twisted against each other, but alternatively the individual electrical conductors in the stranded structure of the conductor assembly can already be twisted "twisted” in itself.
  • the electrical machine may comprise either a stator winding in which one or more individual invention shown SSE electrical conductors are wound into a coil. Alterna tively ⁇ but the electric machine can also comprise one or more circuit networks according to claim. 13
  • the rotor is suitably rotatably mounted relative to the stator by means of a rotor shaft.
  • the rotor may in particular be a rotor with at least one superconducting winding.
  • the machine in this embodiment may conveniently comprise a cooling system to cool the superconducting winding to an operating temperature below the critical temperature of the superconductor.
  • the superconductor may in particular be a high-temperature superconductor, for example magnesium diboride, a bismuth-containing high-temperature superconductor of the first generation or a high-temperature superconductor of the second generation, in particular a material of the REBa 2 Cu 3 O x type (REBCO for short), where RE stands for a rare earth element or a mixture of such elements.
  • a high-temperature superconductor for example magnesium diboride
  • a bismuth-containing high-temperature superconductor of the first generation or a high-temperature superconductor of the second generation in particular a material of the REBa 2 Cu 3 O x type (REBCO for short), where RE stands for a rare earth element or a mixture of such elements.
  • the electric machine can be rich ⁇ interpreted by 20 K for an operating temperature of the stator winding (s) is below 78 K, in particular Be.
  • Rotor and stator windings can therefore be arranged in a cryogenic region of the machine to be cooled together. In particular, they can be isolated in a common cryostat against the warm external environment. This can facilitate the construction of the machine since the rotor and stator can be closer together and need not be thermally decoupled from each other.
  • Stator need not be cooled separately, compared to the prior art, the number of cooling units can be reduced and / or the space required for the cooling can be reduced. Overall, the electric machine can be made smaller and lighter in comparison with the prior art, and a higher power density can be achieved.
  • Particularly advantageous embodiments of the manufacturing process may be designed analogously to the general be ⁇ known processes for producing monolithic Multifi- lament-low-temperature superconductors.
  • Such a process is exemplified for niobium-titanium (NbTi) and niobium-tin superconductors (bsSn) in the publication "Fabrication and Application of NbTi and Nb 3 Sn Superconductors" by H. Krauth (NIOBIUM: SCIENCE & TECHNOLOGY, pp 207 -219, 2001)
  • the niobium-based low-temperature superconductors described therein are replaced by the normal-conducting filament material.
  • Come here at ⁇ can both the filament and for the matrix material, the advantageous materials described above are used.
  • the process step of co-forming mechanically matrix and filaments may generally advantageously comprise a step of drawing, rolling and / or extrusion
  • a pressing bolt can be pressed through a pressing die.
  • This pressing pin may comprise an extruded body of matrix material, and may be made of filamentary material (or at least with a part in filament An ⁇ ) in this extrusion body wrapped ⁇ leads prior to the pressing step ⁇ elongated rod elements.
  • the extruded body may have previously been provided, for example with elongated holes.
  • the reduction of the cross-sectional area in such an extrusion step may for example be between 20% and a factor of 10, in particular between 50% and a factor of 5.
  • the reduction is largely determined by the shape of the press die.
  • a plurality of such extrusion steps or also cold deformation steps can be carried out successively.
  • the first intermediate body (or a relevant portion thereof) can pass through an oven between the various forming steps. In such a thermal treatment, at least partially a recrystallization is acted in the intermediate body, whereby the suitability of the first intermediate body is improved for a re-forming.
  • the diameter of the extruded body used can be, for example, between 60 mm and 200 mm, and the diameter of the rod elements (later filaments ) inserted therein can be, for example, in the range between 1 mm and 10 mm.
  • a conductor with a diameter of, for example, 5 mm to 50 mm can be formed with such output elements.
  • Consist filament and after reduction to the individual filaments, the filament diameter is determined by the diameter of the rod elements and the Verkleine ⁇ approximate ratio.
  • the filaments can therefore not be arbitrarily fine in this embodiment of the method.
  • Very fine filaments to obtain the procedural ren can in a particularly advantageous embodiment, a plurality of nested sub-strings of forming steps umfas ⁇ sen.
  • pure filament material or filament material sheathed only with a barrier layer
  • the rod elements included here in any case, no Matrixma ⁇ TERIAL.
  • a first formed body is formed, which contains a plurality of filaments in monolithic composite with the extruded body of matrix material.
  • a second extruded body of matrix material can now be used, whose holes with several second rod elements be filled.
  • the inserted second rod elements each ⁇ wells the products of the first part of the process chain ver ⁇ applies, in other words a plurality of first UmformMechn.
  • This rod elements of first converting body so keep ent ⁇ then both matrix material and
  • the nesting depth can also be greater than two, which then correspondingly very fine filaments and particularly large numbers of filaments can be formed in a conductor.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrical conductor according to a first example of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an electrical conductor according to a second example of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an electrical conductor according to a third example of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a ladder assembly made up of a plurality of such ladders
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an electrical machine with stator windings of such conductors
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a pressing device for carrying out the production method
  • Figure 7 shows an exemplary flow diagram for the manufacturing process.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional representation of an electrical conductor 1 according to a first exemplary embodiment of the invention. Shown is a conductor 1, at a plurality of filaments 3 are monolithically embedded in a surrounding matrix 5.
  • the conductor diameter is denoted by d D ⁇ net and the filament diameter is denoted by d F.
  • d D The conductor diameter
  • d F the filament diameter
  • Figure 1 only by way of example seven filaments are shown, but ⁇ can deputy kicking also stand for a much larger number of filaments, especially at least 120 filaments in an electrical conductor 1.
  • These filaments may advantageously be embedded in a hexagonal array in the matrix, as shown for the exemplary seven filaments in Fig. 1.
  • the filament arrangements can also be divided into subsections arranged in each case hexagonally arranged subgroups.
  • the cross-sectional shape of the individual filaments is not limited to the circle shown ⁇ form.
  • the filaments can also have any other cross-sectional shapes, for example hexagonal cross-sections.
  • the conductor 1 may be generally twisted about its longitudinal axis A.
  • FIG. 2 shows another example of an electrical Lei ⁇ ters 1 according to the present invention is again shown in schematic cross-section.
  • several filaments 3 are monolithically embedded in a matrix 5 in a hexagonal configuration. Only 18 filaments are exemplified herein shown for simplicity, where this number also re ⁇ rum is only representative and may also stand for a much higher number of filaments. It is essential for the example that there is a hexagonal arrangement, and that the central area of the conductor 1 is unoccupied by filaments. This has the advantage that, for a twisting of the electrical conductor 1 about its own longitudinal axis A no Fi lament ⁇ 3 is present, which undergoes no place ⁇ change in twist.
  • the filaments 3 are arranged so that they ver ⁇ change places with a twist, so that the AC loss can be reduced in the conductor 1 with such a configuration in free-lasting center.
  • Another difference of the electrical conductor 1 in Figure 2 to the conductor of the first embodiment is that the filaments 3 are each covered by a barrier layer 7.
  • This barrier layer 7 has a higher resistance than the matrix material (and thus also as the filaments 3). It therefore acts as an additional electrical barrier Zvi ⁇ rule the filaments 7, which contributes to a reduction of eddy current losses in the conductor. 1
  • the barrier layer 7 has a higher resistance than the matrix material (and thus also as the filaments 3). It therefore acts as an additional electrical barrier Zvi ⁇ rule the filaments 7, which contributes to a reduction of eddy current losses in the conductor.
  • Barrier layer also act as a chemical barrier to a
  • the thickness of the barrier layer d B can in particular assume the advantageous values mentioned above.
  • the filling factor of the material of the filaments 3 with respect to the cross-sectional area of the electrical conductor 1 may be generally preferably at least 20%, especially advantageously at least 30% and in particular even at least 60% lie ⁇ gene.
  • Such high fill factors may be achieved, for example in that the distances s F between the individual adjacent filaments are at most 20 ⁇ m.
  • the distance d M of the outer filaments 3 to the outer edge of the matrix 5 - that is, the thickness of the matrix jacket surrounding the Fila ⁇ elements - is greater than the average distance s F adjacent filaments.
  • the thickness d M of this matrix jacket may be less than 5% of the diameter d D of the conductor 1, for example it may be between 1.5% and 5% of this diameter.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of an OF INVENTION ⁇ to the invention the electrical conductor 1 in schematic cross section.
  • the individual filaments 7 are in arranged regular groups 9, which are each composed of hexagonal arranged filaments 7.
  • FIG. 3 by way of example, 37 filaments 3 per group 9 are shown, and there are 6 such groups arranged around a center unoccupied by filaments. From this grouping results in the example shown 222 filaments.
  • FIG. The central offices can be occupied or unoccupied.
  • the center can be occupied example ⁇ as to achieve a high fill factor.
  • the center unoccupied by filaments is filled by a coolant channel 11.
  • the conductor 1 thus comprises an inner channel 11, through which a fluid coolant can flow for cooling the conductor.
  • the conductor can be hereby cooled to a cryogenic temperature ⁇ ture.
  • the coolant can advantageously play examples comprise liquid helium, liquid neon, liquid What ⁇ serstoff or liquid nitrogen.
  • the electrical conductor filaments 3 may be configured without a barrier layer or they may be similarity ⁇ Lich as in Figure 2 are each covered by a barrier layer either in principle, similar to FIG. 1
  • the groups of filaments can be introduced into the matrix via a multi-stage, nested co-extrusion process, in which a plurality of first reshaping bodies (each having a plurality of filaments embedded in a matrix) as rod elements for a be used further co-extrusion process.
  • the illustrated in Fig. 3 internal coolant channel 11 may optionally be surrounded by a channel wall 13, the material of which differs from the material of the remaining matrix 5 ⁇ det.
  • a channel wall 13 may serve to keep thedemit ⁇ telkanal in a mechanical forming process disclosed.
  • the material of the channel wall is advantageously harder than the material of the surrounding matrix.
  • the channel can also be filled during the forming to avoid closing during the forming.
  • the filler material eg a salt, advantageously NaCl
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a conductor composite 21 with a plurality of electrical conductors 1 in a schematic cross section.
  • These electrical conductor 1 each should be entspre ⁇ accordingly to the present invention designed and constructed as described may be, for example, similarly as in connection with FIGS. 1 to 3
  • the individual conductors 1 are stranded together and thereby spirally twisted about a central axis A of the parent conductor assembly 21.
  • each conductor seven groups of 9 Porterfilêtn which are arranged among themselves deliberatelyeckartig.
  • each group 9 can comprise a plurality of filaments 3, which in particular also have a hexagonal arrangement within the group 9. Again, the arrangement of the filaments 3 in the groups 9 by multiple, nested deformation of rod elements in a matrix.
  • the three individual electrical conductors 1 of Figure 4 have to the matrix material 5 on an additional outer shell 15, which serves to protect the individual conductors and / or for mechanical reinforcement and / or increase the contact resistance of the conductor.
  • Suitable materials for a sol ⁇ che outer shell 15 are, for example, anodized aluminum, aluminum or copper alloys, ceramic coatings or plastic coatings.
  • FIG. 5 shows a schematic longitudinal section of an electrical machine 31 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the electric machine comprises a rotor 37 and a stator 33.
  • the rotor 37 is rotatably mounted about a rotation axis 38 by means of a rotor shaft 39.
  • the rotor shaft 37 is supported via the bearings 40 against the Maschinengeophu ⁇ se 41.
  • Shown is a longitudinal section along the axis of rotation 38.
  • the electric machine may in principle be a motor or a generator or even a machine that can be operated in both modes.
  • the stator 33 has a plurality of stator windings 34, the winding heads 34 a extending in radially outer Be ⁇ rich.
  • stator windings 34 between these end windings 33, during operation of the electric machine 31, interact with a magnetic field of the rotor. This interaction takes place via an air gap 36 which lies radially between rotor 37 and stator 33.
  • stator windings 34 are embedded in slots in a stator laminated core 35, but may also be so-called "air gap windings" without a laminated core
  • Stator windings respectively from inventive electrical conductors 1 and ladder connections according to the invention 21 are wound with such conductors 1.
  • the conductors can be constructed similarly as described in connection with FIGS. 1 to 3.
  • a conductor composite with a plurality of electrical conductors can be constructed, for example, as described in connection with FIG.
  • the electric machine of Figure 5 may have in the rotor 37 supra ⁇ conductive windings.
  • the rotor 37 can be cooled in operation to a cryogenic temperature which is un ⁇ terrenz the critical temperature of the superconductor used.
  • this operating temperature may be about 20K.
  • the cooling can be achieved with a cooling system not shown in detail in the figure.
  • the cryogenic components should also be thermally insulated against the warm environment.
  • this execution ⁇ (not shown here) is thermi ⁇ specific insulation in the exterior of the electrical machine, so that the stator windings 34 are cooled together with the rotor 37 to the cryogenic temperature.
  • the machine 31 may be thermally insulated via the housing 41 to the outside.
  • FIG. 6 shows a pressing device 61 for carrying out the method according to the invention for producing a conductor 1 in a schematic longitudinal section. Shown is a transducer 62, which has an internal recess 63. In this Aus ⁇ recess a pressing pin 66 is inserted, which mechanically formed during passage through a likewise arranged in the recess 63 pressing ⁇ matrix 67 and thereby reduced in its cross section. In order to effect this forming process, in the example shown, the pressing die 67 with a
  • the pressing bolt 66 has an extruded body 64, which consists essentially of matrix material, and in which a plurality of holes were produced prior to insertion into the receptacle. These bores may be blind holes, for example, which are closed in the region of the extruded body 64 shown on the left in FIG. In the bores several rod members 65 were then from the exposed side introduced, which may consist of a matrix material for example, substantially or already loading a plurality of embedded in matrix material Fila ⁇ elements comprise. Due to the deformation in the press die 67, a first intermediate body 69 with a reduced cross-section is formed from the original press stud 66. The thus formed intermediate body can already represent the finished electrical conductor in the simplest case.
  • one or more further forming steps may be carried out, in which further pressing steps are carried out in a similar manner, and in which the conductor is successively further reduced in cross-section.
  • additional thermal specialistsschrit ⁇ te can take place.
  • An example of an inventive process of the production process for the electrical conductor is shown schematically in Figure 7.
  • Optional process steps are shown in brackets.
  • an extruded body 64 and a plurality of rod elements are connected in a first mechanical forming step to a first intermediate body 69 and reduced in cross-section.
  • this first intermediate body 69 continues into reduced its cross-section, so that a first Umformkör ⁇ per 80 is formed.
  • thermal treatment steps can be provided between the individual forming steps, which are not shown in the figure for the sake of simplicity.
  • the first forming body 80 then includes a
  • Process steps may be provided, which are shown in Figure 7 within the thick drawn bracket.
  • another extruded body 64 is initially used which, analogously to the extruded body of the first step, can essentially be formed from matrix material.
  • the first formed body 80 from the process chain described above and n other such first formed body 80 is introduced, analogous to the rod elements 65 of the first process step 71.
  • another mechanical forming step 81 (analogous to Forming step 71 can run), then these forming bodies 80 are in turn monolithicallyLeet ⁇ tet in the matrix material of the new extrusion body 64, and the cross section is reduced again.
  • this mechanical forming step 81 may be supplemented by a number of i ⁇ op tional further forming steps 82, in order to achieve a stronger reduction.
  • a second formed body 90 is formed.
  • the electrical conductor can be formed directly (possibly by cladding with an outer shell), or a further nesting of the process can take place with a sequence of further optional process steps indicated by dots, in which the second formed body 90 together with similar second Umform stressesn is in turn introduced into another extruded body and so on. This can be done until a predetermined number of filaments 3 in the finished electrical conductor 1 is achieved.
  • the rod members 65 used in the first process step 65 may be formed of either pure filament material or filament material covered with barrier material.
  • a bore can be left free, or it can be equipped with a tube made of the material of the described cooling channel wall 13.

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Abstract

Elektrischer Leiter mit mehreren Filamenten in einer Matrix Es wird ein elektrischer Leiter (1) zur Herstellung einer Statorwicklung (34) eines Stators (33) einer elektrischen Maschine (31) angegeben. Der Leiter (1) umfasst mehrere Filamente (3) aus einem bei 4,2 K normalleitenden Material, wobei diese Filamente (3) monolithisch in eine elektrisch höher resistive normalleitende Matrix (5) eingebettet wird. Weiterhin wird Leiterverbund (21) mit mehreren derartigen Leitern (1) angegeben, die gegeneinander verseilt sind. Es wird außerdem eine elektrische Maschine angegeben, die wenigstens eine Statorwicklung (34) mit einem derartigen Leiter aufweist. Schließlich wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiters (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Elektrischer Leiter mit mehreren Filamenten in einer Matrix Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter zur Wicklung einer Spule eines Stators einer elektrischen Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Leiterverbund mit mehreren solchen Leitern und eine elektrische Maschine mit einer Statorwicklung mit wenigstens einem solchen Leiter. Außerdem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Leiter.
Bei bekannten elektrischen Maschinen werden die
Statorwicklungen aus normalleitenden elektrischen Leitern ge- wickelt. Dies ist typischerweise auch dann der Fall, wenn in den Wicklungen des Rotors supraleitende Materialien zum Einsatz kommen, denn die Verwendung von Supraleitern im Stator ist aufgrund der im allgemeinen relativ hohen Wechselstromverluste meist nicht vorteilhaft. Die elektrischen Leiter der normalleitenden Statorwicklungen basieren nach dem Stand der Technik auf einem gut leitfähigen Metall, z.B. Kupfer oder Aluminium oder einer Legierung als Leitermaterial, wobei meist eine Vielzahl von Einzeldrähten zu einem gemeinsamen Leiterstrang verseilt sind (Litze) . Die mechanische Festig- keit einer solchen Seilstruktur ergibt sich dabei sowohl aus den mechanischen Eigenschaften der Einzeldrähte als auch durch die Reibung beziehungsweise den Bewegungswiderstand zwischen den einzelnen Litzen. Hierdurch wird die Beweglichkeit der Einzelleiterabschnitte gegeneinander stark einge- schränkt. Zwischen den Einzelleitern liegen Zwischenräume vor, die entweder frei bleiben oder mit einem zusätzlichen elektrisch isolierenden festen Material (beispielsweise Epoxidharzen, Lacken, Polyimiden) aufgefüllt sein können. Die Einzelleiter können auch zur besseren Wärmeabführung von ei- nem fluiden Kühlmedium umspült werden, beispielsweise von einem Öl guter thermischer Leitfähigkeit und/oder guter Wärmekapazität . Die beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine anfallenden Wechselstromverluste - insbesondere der Anteil der Wirbelstromverluste - werden im Stator entscheidend durch die Dicke der verwendeten Einzelleiter beeinflusst. Zur Reduktion der Wechselstromverluste ist es wünschenswert, den Einzellei¬ terdurchmesser möglichst gering zu halten. Gleichzeitig ist ein hoher Füllfaktor des leitfähigen Materials der Einzelleiter wünschenswert, damit der Platzbedarf der
Statorwicklung (en) nicht unnötig hoch wird. Auch soll das Ge- wicht der Statorwicklung (en) nicht durch einen unerwünscht hohen Anteil eines die Einzelleiter umgebenden Materials gesteigert werden.
Es kann vorteilhaft sein, bei einer elektrischen Maschine (insbesondere bei Verwendung eines tiefkalten supraleitenden Rotors) die Statorwicklungen ebenfalls auf eine kryogene Tem¬ peratur zu kühlen, selbst wenn diese normalleitend sind.
Durch eine solche Kühlung ergibt sich ein sehr niedriger Widerstand in den metallischen Einzelleitern. Ein für diesen Einsatzzweck besonders geeignetes Material ist Aluminium, da es insbesondere in sehr hoher Reinheit ein besonders großes Restwiderstandsverhältnis und somit eine sehr hohe Leitfähig¬ keit bei tiefer Temperatur aufweist. Da Aluminium nur sehr eingeschränkt mechanisch umformbar (Streckgrenze reines Alu- minium <=17 N/mm2) ist, ist es jedoch bisher nicht möglich, verseilte Leiter (Litzen) mit Aluminiumsträngen/- einzelleitern von jeweils nur wenigen Mikrometern Durchmesser herzustellen oder in den Statorwicklungen von elektrischen Maschinen einzusetzen. Die Zugfestigkeit von Einzelleitern und Seilen aus derart dünnen Aluminiumsträngen/-einzelleitern ist nicht hoch genug, um eine Herstellung von
Statorwicklungen bei den typischerweise für die Wicklung angewendeten Zugspannungen zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Zugspannung bei der Herstellung solcher Wicklungen im Be- reich von 35 bis 200 N/mm2 liegen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrischen Leiter anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbe- sondere soll ein elektrischer Leiter zur Verfügung gestellt werden, der sich für die Herstellung von Litzen und/oder Statorwicklungen in elektrischen Maschinen eignet, der einen niedrigen ohmschen Widerstand, insbesondere bei kryogener Temperatur aufweist, und der gleichzeitig geringe Wechsel¬ stromverluste aufweist.
Weitere Aufgaben der Erfindung sind, einen Leiterverbund mit den entsprechenden Vorteilen, eine elektrische Maschine mit wenigstens einem solchen Leiter und ein Herstellungsverfahren für einen solchen Leiter anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen elektrischen Leiter, den in Anspruch 13 beschriebenen Leiter- verbünd, die in Anspruch 14 beschriebene elektrische Maschine und das in Anspruch 15 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst.
Der erfindungsgemäße elektrische Leiter eignet sich zur Wick- lung einer Spule eines Stators einer elektrischen Maschine. Er umfasst mehrere Filamente aus einem bei 4,2 K normallei¬ tenden Material, wobei diese Filamente monolithisch in eine elektrisch höher resistive normalleitende Matrix eingebettet sind .
Unter einem Leiter, der zur Herstellung einer Statorwicklung geeignet ist, soll im vorliegenden Zusammenhang insbesondere ein Leiter verstanden werden, der eine Zugspannung von wenigstens 35 N/mm2 entlang seiner Längsrichtung aushält. Da es sich um einen monolithischen Leiter handelt, übernehmen hier die Filamente die Aufgabe der Einzelleiter in einer Litze.
Das Material der Matrix soll elektrisch höher resistiv sein als das Material der Filamente, insbesondere in Querrichtung des monolithischen Leiters von Filament zu Filament. Letzte¬ res kann auch durch die Verwendung von höherresistiven Barrieren innerhalb der Matrix erreicht werden. Diese Eigenschaft der vergleichsweise höheren Resisitivät soll insbesondere bei einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine gelten, die beispielsweise unterhalb von 78 K, insbesondere bei 20 K liegen kann. Unabhängig vom Verhältnis der spezifischen Widerstände bei Raumtemperatur soll in jedem Fall bei 20 K das Material der Matrix einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen als das Material der Filamente. Dies hat zur Folge, dass der Stromfluss in dem Leiter zumindest bei 20 K im We¬ sentlichen durch die Filamente erfolgt. Die Wechselstromverluste werden dann durch die zwischen den hochleitfähigen Fi- lamenten angeordnete und vergleichsweise weniger leitfähige Matrix im Vergleich zu einem aus einheitlich leitfähigem Material bestehenden Leiter deutlich reduziert.
Sowohl das Material der Filamente als auch das Material der Matrix soll bei einer Temperatur von 4,2 K (also beim Siedepunkt von flüssigem Helium) normalleitend sein. Bei einer Betriebstemperatur, die im kryogenen Bereich, aber oberhalb der Siedetemperatur von flüssigem Helium liegt, soll der elektrische Leiter für die Statorwicklung also normalleitend sein. Er eignet sich damit für eine normalleitende Statorwicklung einer elektrischen Maschine. Selbst wenn das Material bei noch tieferen Temperaturen supraleitend werden sollte, eignet sich der Leiter für eine normalleitende Statorwicklung einer elektrischen Maschine, deren Stator in einem Temperaturbereich oberhalb von 4,2 K betrieben wird. Beispielsweise kann die Betriebstemperatur des Stators zwischen 4,2 K und 78 K, insbesondere in der Nähe von etwa 20 K liegen.
Die Formulierung, dass die Filamente „monolithisch" in die Matrix eingebettet sind, soll im vorliegenden Zusammenhang bedeuten, dass Filamente und Matrix in einem festen Verbund miteinander vorliegen, wobei keine wesentlichen leeren Zwischenräume zwischen den Filamenten und der Matrix in Stromtransportrichtung ausgebildet sind und die Filamente nicht (auch nicht abschnittsweise) gegen das umgebende Matrixmate¬ rial bewegt werden können. Vielmehr sollen Filamente und Matrix einen derart mechanisch festen Verbund miteinander bilden, als wenn sie aus einem Guss hergestellt wären. Hierbei soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass zwischen den einzelnen Filamenten und der umgebenden Matrix noch eine zusätzliche Schicht vorliegen kann, wie weiter unten beispielhaft beschrieben wird. In einem solchen Fall soll diese zusätzli- che Schicht sowohl mit dem davon umhüllten Filament als auch mit der umgebenden Matrix wiederum einen monolithischen Verbund bilden. Es soll also der gesamte Verbund aus Filamenten, Matrix und optionaler Zwischenschicht bezüglich der mechanischen Festigkeitseigenschaften wie aus einem Guss sein.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters liegt darin, dass durch die Bildung des monolithischen Verbunds seine mechanische Festigkeit im Wesentlichen durch die Festigkeitseigenschaften des Matrixmaterials be- stimmt wird. Somit wird es möglich, sehr feine Filamente im Leiter zu verwenden, deren eigene mechanische Festigkeit für die Herstellung solcher Filamente kleinen Durchmessers und für die Zugbelastungen bei der Wicklung und dem Einsatz von Statorwicklungen nicht ausreichend wäre. Die Verwendung be- sonders feiner Filamente ist aber gerade besonders vorteil¬ haft, um eine besonders deutliche Reduktion der Wechselstrom¬ verluste zu erzielen. Mit dem erfindungsgemäßen Leiter können also die Anforderungen der hohen Festigkeit und der niedrigen Wechselstromverluste bei der Verwendung in einer
Statorwicklung vorteilhaft gleichzeitig erreicht werden.
Der erfindungsgemäße Leiterverbund umfasst mehrere erfin¬ dungsgemäße elektrische Leiter, welche gegeneinander verseilt sind. Die zwei oder mehr erfindungsgemäßen Leiter können also beispielsweise in der Art herkömmlicher Drahtlitzen um die zentrale Achse des übergeordneten Leiterverbundes verdrillt angeordnet sein. Ein solcher Aufbau ermöglicht die Ausbildung eines größeren Leiterverbundes, bei gleichzeitiger Reduktion der Wechselstromverluste im Vergleich zu einer nicht verseil- ten Anordnung der Einzelleiter. Es ist aber auch die Anordnung in einem Flachkabel, z.B. in Roebel- oder
Rutherfordkabelgeometrie möglich . Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Rotor und einen Stator. Dabei weist der Stator wenigstens eine Statorwicklung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter auf. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Lei- terverbundes und der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren dient zur Herstel- lung eines erfindungsgemäßen elektrischen Leiters. Es ist durch wenigstens einen Verfahrensschritt gekennzeichnet, bei dem die Matrix und die Filamente eine gemeinsame mechanische Umformung durchlaufen, wobei ein monolithischer Verbund zwischen den Filamenten und der Matrix gebildet wird.
Mit diesem Verfahren lässt sich auf besonders einfache Weise ein elektrischer Leiter mit den Vorteilen des beschriebenen „monolithischen Verbundes" herstellen, denn bei der gemeinsamen mechanischen Umformung wird bereits während der Herstel- lung des Leiters eine feste mechanische Verbindung zwischen den Filamenten und der Matrix erzeugt (sogenannter „bond" oder „bonding") . Insbesondere bei metallischen Materialien der Filamente und der Matrix kann durch eine gemeinsame me¬ chanische Umformung die Erzeugung eines übergeordneten metal- lischen Verbunds erreicht werden, dessen äußere Festigkeit wesentlich durch die Festigkeit des die Filamente umgebenden Matrixmaterials bestimmt wird. In einem solchen übergeordne¬ ten metallischen Verbund sind die einzelnen Filamente nicht mehr gegen die umhüllende Matrix beweglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des elektrischen Leiters, des Leiter- Verbunds, der elektrischen Maschine und des Herstellungsverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden. So kann das Material der Filamente vorteilhaft als Hauptbe¬ standteil Aluminium aufweisen. Insbesondere kann es sich bei dem Filamentmaterial um hochreines Aluminium handeln. Allge¬ mein hat Aluminium den Vorteil eines großen Restwiderstands- Verhältnisses. Mit steigender Reinheit des Aluminiums wird dieses Restwiderstandsverhältnis besonders groß.
Daher kann das Material der Filamente besonders vorteilhaft hochreines Aluminium sein. Dieses kann vorteilhaft so rein sein, dass es ein Restwiderstandsverhältnis von wenigstens 1000 aufweist. Unter dem Restwiderstandsverhältnis soll im vorliegenden Zusammenhang allgemein das Verhältnis des Widerstands eines Material bei 293 Kelvin im Verhältnis zu seinem Widerstand bei 4 Kelvin verstanden werden. Besonders vorteil- haft kann das Restwiderstandsverhältnis sogar oberhalb von
10000 liegen. Ein Bereich zwischen 1000 und 20000 scheint für hochreines Aluminium realistisch. Hierzu kann die Reinheit des Aluminiums in den Filamenten bei wenigstens 5N liegen, mit anderen Worten kann die Stoffreinheit wenigstens 99, 999% betragen.
Das Material der Matrix kann vorteilhaft eine höhere Zugfes¬ tigkeit aufweisen als das Material der Filamente. Hierdurch kann erreicht werden, dass der monolithische Verbund aus Mat- rix und Filamenten besonders zugfest wird, was die Anwendung des elektrischen Leiters für die Herstellung von
Statorwicklungen von elektrischen Maschinen erleichtert.
Doch selbst dann, wenn das Matrixmaterial eine dem
Filamentmaterial vergleichbare oder sogar eine geringere Zug¬ festigkeit aufweist, können durch die monolithische Einbet¬ tung der Filamente in das Matrixmaterial eine Verbesserung der Festigkeit des elektrischen Leiters (im Vergleich zu einem losen Verbund der Filamente) und/oder kleinere
Filamentdurchmesser erreicht werden. Dies liegt daran, dass für die Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters die Querschnittsfläche des gesamten Verbunds maßgeblich ist. Dagegen kann die Zugfestigkeit eines herkömmlichen, nur lose verseilten Multifilamentleiters , durch die Zugfestigkeit derjenigen Einzelfilamente limitiert sein, auf die im Seil¬ strang lokal die stärkste Zugkraft einwirkt. Für diese ist aber nur die Querschnittsfläche des Einzelleiters maßgeblich. Durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen monolithischen
Verbundes kann also ganz allgemein die mechanische Zugfestig¬ keit so weit erhöht werden, dass vom gesamten Leiter auf die Querschnittsfläche des Leiters bezogene Zugspannungen von we¬ nigstens 35 N/mm2, insbesondere wenigstens 50 N/mm2 oder so- gar wenigstens 100 N/mm2 ausgehalten werden.
Unter der genannten Zugfestigkeit (Streckgrenze) soll hier allgemein derjenige Parameter verstanden werden, der im englischen Sprachgebrauch als „Yield Stress" oder „Tensile
Elastic Limit" bezeichnet wird.
Vorteilhaft kann bei dem elektrischen Leiter der monolithische Verbund zwischen den Filamenten und der Matrix durch gemeinsame mechanische Umformung erreicht werden. Die Vorteile dieser Ausführungsform sind analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Material der normalleitenden Matrix kann vorteilhaft eine Kupferlegierung und/oder eine Aluminiumlegierung umfassen oder sogar vollständig aus einer solchen Legierung bestehen. Beispielsweise kann es sich bei einer derartigen Legierung um eine Kupfer-Nickel-Legierung, eine Kupfer-Chrom-Legierung oder eine Aluminium-Eisen-Cer-Legierung (wie z.B. Alcoa CU78) handeln. Allgemein weisen solche Legierungen im Vergleich zu reinem Kupfer oder Aluminium für die beschriebene Anwendung den Vorteil eines höheren spezifischen Widerstandes bei gleichzeitig hoher Zugfestigkeit auf.
Der spezifische Widerstand des Materials der Matrix kann vor- teilhaft oberhalb von 1 x 10~7 Qm liegen. Insbesondere kann er zwischen 1 x 10~7 Qm und 2 x 10~6 Qm liegen. Bei derart hohen spezifischen Widerständen wird vorteilhaft erreicht, dass der Stromfluss im Betrieb der Statorwicklung im Wesent- liehen durch die Filamente erfolgt. Die genannten Widerstandswerte sollen dabei insbesondere die Widerstandswerte bei einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine sein, die vorteilhaft unterhalb von 78 K, insbesondere bei 20 K liegen kann.
Vorteilhaft kann das Verhältnis der spezifischen Leitfähigkeit des Materials der Filamente zur spezifischen Leitfähigkeit des Materials der Matrix bei der Betriebstemperatur der Maschine bei wenigstens 100 liegen.
Die einzelnen Filamente können innerhalb des Leiters wenigs¬ tens teilweise gegeneinander verdrillt sein. Dies ist beson¬ ders vorteilhaft zur Reduktion der Wechselstromverluste im Vergleich zu einem Leiter mit gerade verlaufenden Filamenten. Insbesondere können alle Filamente des elektrischen Leiters um eine zentrale Achse des Leiters verdrillt sein. Der Pitch, also die räumliche Verdrillungsperiode, kann hierbei vorteil¬ haft zwischen 2 und 10 mm liegen.
Die Anzahl n der einzelnen Filamente im elektrischen Leiter kann vorteilhaft bei wenigstens 120, insbesondere bei wenigs¬ tens 500, ganz besonders vorteilhaft bei wenigstens 1000 lie¬ gen. Durch eine derart feine Filamentisierung des Leiters kann eine besonders effektive Reduktion der Wechselstromverluste erreicht werden. Beispielsweise kann die Zahl n der Fi¬ lamente in einem elektrischen Leiter zwischen 120 und 20000, insbesondere zwischen 1000 und 5000 liegen. Besonders vorteilhaft können die Filamente in dem Leiter nach dem Muster eines zentrierten Sechsecks angeordnet sein. Wenn der zentrale Platz einer solchen Anordnung mit einem Leiter besetzt ist, ergibt sich die Anzahl n der Leiter dann nach der allgemeinen Formel
n = 3i2 + 3i + 1, (Formel 1) wobei i die Anzahl der konzentrischen Schalen um den zentralen Platz ist. Die entsprechende Zahlenfolge ist also
n = 7, 19, 37, 61, 91, ... Wenn der zentrale Platz einer solchen Anordnung nicht mit einem Leiter besetzt ist, sondern frei bleibt, ergibt sich die Anzahl n der Leiter stattdessen nach der allgemeinen Formel n = 3i2 + 3i, (Formel 2) wobei i wiederum die Anzahl der konzentrischen Schalen um den nun vakanten zentralen Platz ist. Die entsprechende Zahlenfolge ist also
n = 6, 18, 36, 60, 90, ... Bei einer verdrillten Ausführungsform des elektrischen Leiters ist es vorteilhaft, wenn der zentrale Platz frei bleibt, da dann kein zentraler Leiter vorliegt, der nur um sich selbst gedreht wäre. In diesem Fall ist also die Zahlenfolge nach Formel 2 zu bevorzugen, und die Zahl der Filamente kann vorteilhat ein Element dieser Zahlenfolge sein.
Alternativ zu ursprünglichen Zahlenfolgen kann die Zahl n der Filamente aber auch ein Produkt aus zwei oder mehr Elementen der Zahlenfolgen nach Formel 1 und/oder Formel 2 sein. Dies ist dann vorteilhaft, wenn die einzelnen Filamente in Gruppen angeordnet sind, wobei die einzelnen Filamente einer Gruppe nach der Art eines zentrierten Sechsecks angeordnet sind, und die einzelnen Gruppen von Filamenten wiederum untereinander nach der Art zentrierter Sechsecke angeordnet sind. Die
Schachtelungstiefe solcher Gruppen kann auch größer als zwei ein, wobei dann entsprechend mehr Elemente der oben angegebe¬ nen Zahlenreihen miteinander multipliziert werden, um die vorteilhafte Gesamtzahl der Filamente zu erhalten. Vorteilhaft kann der Durchmesser der einzelnen Filamente bei höchstens 10 ym, insbesondere bei höchstens 5 ym liegen. Bei¬ spielsweise kann der Durchmesser zwischen 3 ym und 10 ym liegen. Eine derart feine Strukturierung ist vorteilhaft, um ei¬ ne deutliche Reduktion der Wechselstromverluste im Vergleich zu nicht unterteilten Leitern oder zu Leitern mit dickeren Filamenten zu erreichen. Die einzelnen Filamente können beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Alternativ können sie aber auch einen rechteckigen, sechseckigen oder anderweitig polygonartigen Querschnitt aufweisen, gegebenenfalls auch mit abgerun- deten Ecken. Durch die Herstellung des elektrischen Leiters mittels einer gemeinsamen mechanischen Umformung der Filamente und der Matrix kann auch eine ursprüngliche symmetrische Form der Filamente während dieses Schritts deformiert werden. Mit einer annähernd sechseckigen Form der Filamente kann ein besonders hoher Füllfaktor erzielt werden.
Unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Filamente kann der elektrische Leiter allgemein einen Füllfaktor an
Filamentmaterial von wenigstens 20% aufweisen. Insbesondere kann dieser Füllfaktor sogar bei wenigstens 30% liegen, beispielsweise zwischen 30% und 60% oder sogar noch oberhalb von 60%. Bei entsprechend hohem Füllfaktor ist der Platzbedarf für die Statorwicklungen in der elektrischen Maschine vorteilhaft gering.
Der Durchmesser des gesamten elektrischen Leiters mit einer Vielzahl von Filamenten in einer Matrix kann vorteilhaft zwischen 0,5 mm und 3 mm liegen. In einer bevorzugten Ausführungsform können die einzelnen Filamente innerhalb des monolithischen Verbundes jeweils mit einer Barriereschicht ummantelt sein, wobei das Material die¬ ser Barriereschicht insbesondere elektrisch höher resistiv ist als das Material der umgebenden Matrix. Auch hier gilt die genannte Beziehung zwischen den elektrischen Eigenschaften wiederum insbesondere bei der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine, also beispielsweise bei 20 K. Die Barriereschicht ist somit sowohl elektrisch niedriger leitfä¬ hig als die Filamente als auch niedriger leitfähig als die Matrix. Sie dient also als elektrische Barriere zwischen Fi¬ lamenten und Matrix. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Resistivität des Matrixmaterials nicht für die ge¬ wünschte elektrische Trennung der Filamente ausreicht. Dann kann die elektrische Trennung durch die Barriereschicht ver¬ stärkt werden, wobei die mechanischen Eigenschaften (insbesondere die Zugfestigkeit) des gesamten elektrischen Leiters nach wie vor durch die Eigenschaften des Matrixmaterials (mit ) bestimmt werden. So kann das Matrixmaterial vor allem im Hinblick auf die gewünschten mechanischen Festigkeits- und Verformungseigenschaften gewählt, und die elektrische Trennung kann unabhängig von dieser Materialwahl erfolgen. Beispielsweise kann eine solche Barriereschicht Stahl, Chrom, eine Kupfer-Legierung, eine Keramik und/oder einen Kunststoff (beispielsweise einen Lack) umfassen. Die Dicke einer solchen Barriereschicht kann beispielsweise zwischen 0,5 ym und 20 ym, insbesondere zwischen 0,5 ym und 3 ym liegen. Zur Erzie- lung eines hohen Füllfaktors für das Filamentmaterial ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der Barriereschicht kleiner ist als der Durchmesser der Filamente. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, dass die Dicke der Barriereschicht größer ist als der Filamentdurchmesser, beispielsweise wenn der Füllfak- tor weniger wichtig ist als die möglichst weitgehende elekt¬ rische Isolation zwischen den einzelnen Filamenten. Zusätzlich oder alternativ zur Funktion der elektrischen Isolation kann die Barriereschicht allgemein auch als Diffusionsbarrie¬ re zwischen der Matrix und den Filamenten wirken, beispiels- weise um eine chemische Verunreinigung der hochreinen Filamente durch das Material der Matrix beim mechanischen Umform- prozess (der allgemein auch bei einer erhöhten Temperatur stattfinden kann) zu unterdrücken. Der elektrische Leiter kann einen innenliegenden Kühlmittelkanal umfassen. Durch diesen Kanal kann bei einem Betrieb der elektrischen Maschine ein fluides Kühlmittel zur Kühlung der Statorwicklungen geleitet werden. Ein solcher Kühlmittelkanal kann beispielsweise an einer zentralen Stelle im Leiter ange- ordnet sein. Dies kann der oben erwähnte unbesetzte zentrale Platz einer zentrierten Sechseckanordnung aus Filamenten beziehungsweise Gruppen von Filamenten sein. Der Querschnitt eines solchen Kühlmittelkanals kann beispielsweise sechseckig oder rund sein, wobei diese (ursprüngliche) Form auch durch den Herstellungsprozess , insbesondere durch eine gemeinsame mechanische Umformung der Komponenten des elektrischen Leiters, deformiert sein kann.
Der elektrische Leiter kann weiterhin optional mit einer Außenhülle zu Erhöhung seiner mechanischen Festigkeit und/ oder des elektrischen Kontaktwiderstands versehen sein. Geeignete Materialien für eine solche Außenhülle sind beispielsweise Chrom, Nickel und/oder eloxiertes Aluminium.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Leiterverbundes mit mehreren gegeneinander verseilten erfindungsgemäßen Leitern können diese Einzelleiter jeweils in sich gerade, also unverdrillt sein. Eine Verdrillung der Einzelleiter „in sich" ist nicht nötig, da diese ja noch gegeneinander verdrillt werden. Alternativ können aber auch die einzelnen elektrischen Leiter in der verseilten Struktur des Leiterverbundes trotzdem bereits „in sich" verdrillt („getwistet") sein.
Die elektrische Maschine kann entweder eine Statorwicklung umfassen, bei der einer oder mehrere einzelne erfindungsgemä¬ ße elektrische Leiter zu einer Spule gewickelt sind. Alterna¬ tiv kann die elektrische Maschine aber auch eine oder mehrere Leiterverbünde gemäß Anspruch 13 umfassen.
Bei der Maschine ist der Rotor zweckmäßig relativ zum Stator mittels einer Rotorwelle drehbar gelagert. Der Rotor kann insbesondere ein Rotor mit wenigstens einer supraleitenden Wicklung sein. Die Maschine kann bei dieser Ausführungsform zweckmäßig ein Kühlsystem umfassen, um die supraleitende Wicklung auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters zu kühlen. Bei dem Supraleiter kann es sich insbesondere um einen Hochtemperatursupraleiter han- dein, beispielsweise um Magnesiumdiborid, einen Bismut- haltigen Hochtemperatursupraleiter erster Generation oder um einen Hochtemperatursupraleiter zweiter Generation, insbesondere ein Material des Typs REBa2Cu3Ox (kurz REBCO) , wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.
Vor allem bei einer Ausführungsform mit supraleitendem Rotor kann die elektrische Maschine für eine Betriebstemperatur der Statorwicklung (en) unterhalb von 78 K, insbesondere im Be¬ reich von 20 K ausgelegt sein. Rotor- und Statorwicklungen können also in einem gemeinsam zu kühlenden kryogenen Bereich der Maschine angeordnet sein. Sie können insbesondere in ei- nem gemeinsamen Kryostaten gegen die warme äußere Umgebung isoliert sein. Dies kann die Konstruktion der Maschine erleichtern, da Rotor und Stator näher beieinander liegen können und nicht gegeneinander thermisch entkoppelt sein müssen. Da durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Leiters die Wech- selstromverluste im Stator gering gehalten werden, ist auch die vom Stator abzuführende Wärme gering, und das Kühlsystem der elektrischen Maschine kann insgesamt für relativ geringe abzuführende Wärmemengen ausgelegt werden. Da Rotor und
Stator nicht getrennt gekühlt werden müssen, kann im Ver- gleich zum Stand der Technik auch die Zahl der Kühlaggregate reduziert werden und/oder der Platzbedarf für die Kühlung reduziert werden. Insgesamt kann die elektrische Maschine im Vergleich zum Stand der Technik kleiner und leichter ausgeführt werden, und es kann eine höhere Leistungsdichte er- reicht werden. Diese Vorteile sind insbesondere im Hinblick auf Luftfahrzeuge mit elektrischen Antrieben interessant, bei denen die Leistungsdichte der für den Antrieb verwendeten Mo¬ toren und der an Bord befindlichen Generatoren extrem hoch sein muss .
Besonders vorteilhafte Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens können allgemein analog ausgestaltet sein wie die be¬ kannten Verfahren zur Herstellung von monolithischen Multifi- lament-Tieftemperatursupraleitern . Ein solches Verfahren wird beispielhaft für Niob-Titan- (NbTi) und Niob-Zinn-Supraleiter ( bsSn) in der Veröffentlichung „Fabrication and Application of NbTi and Nb3Sn Superconductors" von H. Krauth (NIOBIUM: SCIENCE & TECHNOLOGY, pp 207-219, 2001) beschrieben. Bei den Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung werden die dort beschriebenen Niob-basierten Tieftemperatursupralei- ter durch das normalleitende Filamentmaterial ersetzt. Hier¬ bei können sowohl für das Filamentmaterial als auch für das Matrixmaterial die weiter oben beschriebenen vorteilhaften Materialien zum Einsatz kommen.
Der Verfahrensschritt der gemeinsamen mechanischen Umformung von Matrix und Filamenten kann allgemein vorteilhaft einen Schritt des Ziehens, Walzens und/oder des Strangpressens
(auch bekannt unter dem Begriff der Koextrusion) umfassen.
Bei dem Schritt des Strangpressens kann insbesondere ein Pressbolzen durch eine Pressmatrize gedrückt werden. Dieser Pressbolzen kann einen Strangpresskörper aus Matrixmaterial umfassen, und es können vor dem Pressschritt längliche Stab¬ elemente aus Filamentmaterial (oder zumindest mit einem An¬ teil an Filamentmaterial) in diesen Strangpresskörper einge¬ führt werden. Hierzu kann der Strangpresskörper vorher bei- spielsweise mit länglichen Bohrungen versehen worden sein.
Eine Ausgestaltung dieser Bohrungen als Sacklöcher ist dabei vorteilhaft. Der Strangpresskörper und die Stabelemente wer¬ den dann gemeinsam durch die Pressmatrize gepresst, wobei ei¬ nerseits eine Verkleinerung der Querschnittsfläche und ande- rerseits die Bildung eines monolithischen Verbundes zwischen dem Strangpresskörper und den Stabelementen bewirkt werden.
Die Verkleinerung der Querschnittsfläche bei einem solchen Strangpress-Schritt kann beispielsweise zwischen 20% und ei- nem Faktor 10, insbesondere zwischen 50% und einem Faktor 5 liegen. Die Verkleinerung wird maßgeblich durch die Form der Pressmatrize bestimmt. Um eine noch stärkere Verkleinerung des Durchmessers zu bewirken, können eine Mehrzahl solcher Strangpress-Schritte oder auch Kaltverformungsschritte (kon- ventionelles Ziehen durch einen sogenannten Ziehstein) nacheinander durchgeführt werden. Dabei ist es vorteilhaft, den gebildeten ersten Zwischenkörper zwischen den einzelnen Um- form-Schritten einer thermischen Behandlung zu unterziehen. Beispielsweise kann der erste Zwischenkörper (beziehungsweise ein betreffender Teilbereich davon) zwischen den verschiedenen Umformschritten durch einen Ofen laufen. Bei einer solchen thermischen Behandlung wird zumindest teilweise eine Rekristallisation im Zwischenkörper gewirkt, wodurch die Eignung des ersten Zwischenkörpers für eine erneute Umformung verbessert wird.
Der Durchmesser des verwendeten Strangpresskörpers kann bei- spielsweise zwischen 60 mm und 200 mm liegen, und der Durchmesser der darin eingeführten Stangenelemente (spätere Fila¬ mente) kann beispielsweise im Bereich zwischen 1 mm und 10 mm liegen. Nach Durchlaufen von mehreren Umformchritten kann mit derartigen Ausgangselementen ein Leiter mit einem Durchmesser von beispielsweise 5 mm bis 50 mm gebildet werden.
Wenn bei diesem Verfahren die ursprünglich in den Strangpresskörper eingeführten Stangenelemente nur aus
Filamentmaterial bestehen und nach der Verkleinerung zu den einzelnen Filamenten werden, ist der Filamentdurchmesser durch den Durchmesser der Stangenelemente und das Verkleine¬ rungsverhältnis vorgegeben. Die Filamente können daher bei dieser Ausführungsform des Verfahrens nicht beliebig fein werden. Um sehr feine Filamente zu erhalten, kann das Verfah- ren in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mehrere ineinandergeschachtelte Teilketten von Umformschritten umfas¬ sen. Bei der ersten Teilkette wird in den Stangenelementen beispielsweise reines Filamentmaterial (oder nur mit einer Barriereschicht ummanteltes Filamentmaterial) eingesetzt. Die Stangenelemente enthalten hier jedenfalls noch kein Matrixma¬ terial. Als Produkt der ersten Teilkette von Umformschritten wird ein erster Umformkörper gebildet, der eine Mehrzahl von Filamenten im monolithischen Verbund mit dem Strangpresskörper aus Matrixmaterial enthält.
In einer zweiten Teilkette von Umformschritten kann nun ein zweiter Strangpresskörper aus Matrixmaterial eingesetzt werden, dessen Bohrungen mit mehreren zweiten Stangenelementen befüllt werden. Dabei werden als zweite Stangenelemente je¬ weils die Produkte der ersten Teilkette des Verfahrens ver¬ wendet, mit anderen Worten eine Mehrzahl von ersten Umformkörpern. Diese Stangenelemente aus erstem Umformkörper ent¬ halten dann also sowohl Matrixmaterial als auch
Filamentmaterial .
Durch die beschriebene Schachtelung der Ketten von Strangpress-Schritten kann eine stärkere Verkleinerung der ursprünglichen, im Wesentlichen aus Filamentmaterial gebildeten Stangenelemente des ersten Schritts erreicht werden. Die Schachtelungstiefe kann auch größer als zwei sein, womit dann entsprechend besonders feine Filamente und besonders große Zahlen von Filamenten in einem Leiter gebildet werden können.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Leiters nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Leiters nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Leiters nach einem dritten Beispiel der Erfindung zeigt,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Leiterverbunds aus mehreren derartigen Leitern zeigt,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit Statorwicklungen aus derartigen Leitern zeigt,
Figur 6 eine schematische Darstellung einer Pressvorrichtung zur Durchführung des Herstellungsverfahrens zeigt und
Figur 7 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für das Herstellungsverfahren zeigt.
In Figur 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines elektrischen Leiters 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein Leiter 1, bei dem mehrere Filamente 3 monolithisch in eine umgebende Matrix 5 eingebettet sind. Der Leiterdurchmesser ist mit dD bezeich¬ net und der Filamentdurchmesser ist mit dF bezeichnet. Diese Abmessungen können beispielsweise die weiter oben als vor- teilhaft beschriebenen Werte annehmen. In Figur 1 sind nur beispielhaft sieben Filamente gezeigt, die jedoch stellver¬ tretend auch für eine wesentlich größere Zahl an Filamenten stehen können, insbesondere wenigstens 120 Filamente in einem elektrischen Leiter 1. Diese Filamente können vorteilhaft in einer sechseckförmigen Anordnung in die Matrix eingebettet sein, wie für die beispielhaften sieben Filamente in Fig. 1 dargestellt. Bei größeren Filamentzahlen können die Filament- Anordnungen auch in jeweils untereinander sechseckartig angeordnete Teilgruppen aufgeteilt sein. Die Querschnittsform der einzelnen Filamente ist dabei nicht auf die gezeigte Kreis¬ form beschränkt. Die Filamente können auch beliebige andere Querschnittsformen, beispielsweise sechseckige Querschnitte aufweisen. Der Leiter 1 kann allgemein um seine Längsachse A verdrillt sein.
In Figur 2 ist ein weiteres Beispiel eines elektrischen Lei¬ ters 1 nach der vorliegenden Erfindung wiederum im schematischen Querschnitt gezeigt. Auch hier sind mehrere Filamente 3 in einer sechseckartigen Konfiguration monolithisch in eine Matrix 5 eingebettet. Beispielhaft sind hier der Einfachheit halber nur 18 Filamente gezeigt, wobei auch diese Zahl wiede¬ rum nur repräsentativ ist und auch für eine wesentlich höhere Zahl an Filamenten stehen kann. Wesentlich ist für das Beispiel, dass eine sechseckförmige Anordnung vorliegt, und dass der zentrale Bereich des Leiters 1 von Filamenten unbesetzt ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Verdrillung des elektrischen Leiters 1 um seine eigene Längsachse A kein Fi¬ lament 3 vorliegt, welches bei der Verdrillung keinen Platz¬ wechsel erfährt. Anders ausgedrückt, sind bei einer solchen Konfiguration bei freibleibendem Zentrum alle Filamente 3 so angeordnet, dass sie ihre Plätze bei einer Verdrillung ver¬ tauschen, wodurch die Wechselstromverluste in dem Leiter 1 reduziert werden. Ein weiterer Unterschied des elektrischen Leiters 1 in Figur 2 zum Leiter des ersten Ausführungsbeispiels ist, dass die Filamente 3 jeweils von einer Barriereschicht 7 ummantelt sind. Diese Barriereschicht 7 weist einen höheren Wiederstand auf als das Matrixmaterial (und somit auch als die Filamente 3) . Sie wirkt daher als zusätzliche elektrische Barriere zwi¬ schen den Filamenten 7, was zu einer Reduzierung der Wirbelstromverluste im Leiter 1 beiträgt. Zusätzlich kann die
Barriereschicht auch als chemische Barriere wirken, um eine
Diffusion zwischen den Filamenten 7 und dem Material der Matrix 5 zu vermindern. Hierdurch kann beispielsweise eine hohe Reinheit des Materials der Filamente 7 beibehalten werden. Die Dicke der Barriereschicht dB kann insbesondere die weiter oben genannten vorteilhaften Werte annehmen.
Der Füllfaktor des Materials der Filamente 3 bezogen auf die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters 1 kann allgemein bevorzugt bei wenigstens 20%, besonders vorteilhaft bei we- nigstens 30% und insbesondere sogar bei wenigstens 60% lie¬ gen. Derart hohe Füllfaktoren können beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Abstände sF zwischen den einzelnen benachbarten Filamenten bei höchstens 20 ym liegen. Dabei ist es zweckmäßig, dass der Abstand dM der äußeren Filamente 3 zum äußeren Rand der Matrix 5 - also die Dicke des die Fila¬ mente insgesamt umgebenden Matrix-Mantels - größer ist als der mittlere Abstand sF benachbarter Filamente. Bei großen Anzahlen an Filamenten (die insbesondere wesentlich größer sein können als die in den Figuren exemplarisch gezeigten) , ist der Einfluss dieses umgebenden Mantels auf den Füllfaktor an Filamentmaterial trotzdem vorteilhaft gering. So kann die Dicke dM dieses Matrix-Mantels beispielsweise weniger als 5% des Durchmesser dD des Leiters 1 betragen, beispielsweise kann sie zwischen 1,5% und 5% dieses Durchmessers liegen.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen elektrischen Leiters 1 im schematischen Querschnitt. Bei diesem Leiter sind die einzelnen Filamente 7 in regelmäßigen Gruppen 9 angeordnet, die jeweils aus sechseck- förmig angeordneten Filamenten 7 zusammengesetzt sind. In Figur 3 sind beispielhaft 37 Filamente 3 pro Gruppe 9 gezeigt, und es sind 6 solche Gruppen um ein von Filamenten unbesetz- tes Zentrum angeordnet. Aus dieser Gruppierung ergeben sich im gezeigten Beispiel 222 Filamente. Es sind jedoch auch be¬ liebige andere Anzahlen von Filamenten 3 pro Gruppe 9 und von Gruppen 9 pro Leiter möglich, wobei sich bevorzugte Zahlen für beide Werte jeweils aus den sechseckigen Anordnungen - also nach den weiter oben genannten Formeln 1 und 2 ergeben können. Die zentralen Stellen können dabei jeweils besetzt oder unbesetzt sein. Innerhalb einer Gruppe 9 kann beispiels¬ weise das Zentrum besetzt sein, um einen hohen Füllfaktor zu erzielen. Im Zentrum des Leiters 1 insgesamt ist es allgemein vorteilhaft, wenn dieses nicht durch eine Gruppe 9 besetzt ist, um wiederum Filamente 7 ohne signifikanten Platzwechsel bei Verdrillung zu vermeiden.
Im Beispiel der Figur 3 ist das von Filamenten unbesetzte Zentrum von einem Kühlmittelkanal 11 ausgefüllt. Der Leiter 1 umfasst also einen innenliegenden Kanal 11, durch den ein fluides Kühlmittel zur Kühlung des Leiters strömen kann. Ins¬ besondere kann der Leiter hiermit auf eine kryogene Tempera¬ tur gekühlt werden. Das Kühlmittel kann vorteilhaft bei- spielsweise flüssiges Helium, flüssiges Neon, flüssigen Was¬ serstoff oder flüssigen Stickstoff umfassen.
Bei dem in Figur 3 dargestellten elektrischen Leiter können die Filamente 3 prinzipiell entweder ähnlich wie in Figur 1 ohne Barriereschicht ausgestaltet sein oder sie können ähn¬ lich wie in Figur 2 jeweils von einer Barriereschicht umhüllt sein. Allgemein und unabhängig von der genauen Ausführungsform können die Gruppen von Filamenten über einen mehrstufigen, verschachtelten Ko-Extrusionsprozess in die Matrix ein- gebracht werden, bei dem jeweils eine Mehrzahl von ersten Umformkörpern (mit jeweils mehreren in eine Matrix eingebetteten Filamenten) als Stangenelemente für einen weiteren Ko- Extrusionsprozess verwendet werden. Dies kann gegebenenfalls auch mehrfach wiederholt werden, um eine besonders große Zahl von Filamenten 3 in einem elektrischen Leiter 1 mit begrenztem Durchmesser dD einzubetten, ohne dass das Verkleinerungs¬ verhältnis innerhalb einer fortlaufenden Kette von Umform- schritten zu extrem gewählt werden muss und ohne dass die eingesetzten Stangenelemente zu dünn dimensioniert werden müssen .
Der in Fig. 3 dargestellte innenliegende Kühlmittelkanal 11 kann optional von einer Kanalwand 13 umgeben sein, deren Material sich von dem Material der übrigen Matrix 5 unterschei¬ det. Eine solche Kanalwand 13 kann dazu dienen, den Kühlmit¬ telkanal bei einem mechanischen Umformungsprozess offen zu halten. Dazu ist das Material der Kanalwand vorteilhaft här- ter als das Material der umgebenden Matrix. Beispielsweise kann als Material der Kanalwand 13 vorteilhaft dünner Stahl oder eine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung vorgesehen sein. Vorteilhaft kann der Kanal auch während der Umformung gefüllt sein, um ein Schließen während der Umformung zu vermeiden. Das Füllmaterial (z.B. ein Salz, vorteilhaft NaCl) kann leicht nach der Umformung entfernt werden, beispielsweise durch ein Lösungsmittel.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leiterverbunds 21 mit mehreren elektrischen Leitern 1 in schematischem Querschnitt. Diese elektrischen Leiter 1 sollen jeweils entspre¬ chend der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sein und können beispielsweise ähnlich wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 beschrieben aufgebaut sein. Die einzelnen Leiter 1 sind miteinander verseilt und dabei spiralförmig um eine zentrale Achse A des übergeordneten Leiterverbundes 21 verdrillt. Bei¬ spielhaft sind in Figur 4 für jeden Leiter 1 sieben Gruppen 9 aus Leiterfilamenten, die untereinander sechseckartig angeordnet sind. Dabei kann jede Gruppe 9 eine Vielzahl von Fila- menten 3 umfassen, die insbesondere auch innerhalb der Gruppe 9 eine sechseckartige Anordnung aufweisen. Auch hier kann die Anordnung der Filamente 3 in den Gruppen 9 durch mehrfache, verschachtelte Umformung von Stangenelementen in einer Matrix erzeugt sein.
Die drei einzelnen elektrischen Leiter 1 der Figur 4 weisen um das Matrixmaterial 5 noch eine zusätzliche Außenhülle 15 auf, die dem Schutz der einzelnen Leiter und/oder zur mechanischen Verstärkung und/oder zur Erhöhung des Kontaktwiderstandes der Leiter dient. Geeignete Materialien für eine sol¬ che Außenhülle 15 sind beispielsweise eloxiertes Aluminium, Aluminium- oder Kupferlegierungen, Keramikbeschichtungen oder Kunststoffbeschichtungen .
Figur 5 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer elektrischen Maschine 31 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor 37 und einen Stator 33. Der Rotor 37 ist mittels einer Rotorwelle 39 um eine Rotationsachse 38 drehbar gelagert. Hierzu ist die Rotorwelle 37 über die Lager 40 gegen das Maschinengehäu¬ se 41 abgestützt. Gezeigt ist ein Längsschnitt entlang der Rotationsachse 38. Bei der elektrischen Maschine kann es sich grundsätzlich um eine Motor oder einen Generator handeln oder auch um eine Maschine, die in beiden Modi betrieben werden kann . Der Stator 33 weist eine Mehrzahl von Statorwicklungen 34 auf, deren Wickelköpfe 34a sich in radial außenliegende Be¬ reiche erstrecken. Vor allem die weiter innenliegenden Bereiche der Statorwicklungen 34 zwischen diesen Wickelköpfen 33 treten beim Betrieb der elektrischen Maschine 31 in elektro- magnetische Wechselwirkung mit einem Feld des Rotors. Diese Wechselwirkung findet über einen Luftspalt 36 hinweg statt, der radial zwischen Rotor 37 und Stator 33 liegt. Die
Statorwicklungen 34 sind im gezeigten Beispiel in Nuten eines Stator-Blechpaketes 35 eingebettet, können aber auch soge- nannte „Luftspaltwicklungen" ohne Blechpaket sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, dass die
Statorwicklungen jeweils aus erfindungsgemäßen elektrischen Leitern 1 beziehungsweise aus erfindungsgemäßen Leiterverbün- den 21 mit solchen Leitern 1 gewickelt sind. Dabei können die Leiter ähnlich wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 beschrieben aufgebaut sein. Ein Leiterverbund mit mehreren elektrischen Leitern kann beispielsweise wie im Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben aufgebaut sein.
Die elektrische Maschine der Figur 5 kann im Rotor 37 supra¬ leitende Wicklungen aufweisen. Hierzu kann der Rotor 37 im Betrieb auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden, die un¬ terhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiters liegt. Diese Betriebstemperatur kann beispielsweise bei etwa 20 K liegen. Die Kühlung kann mit einem in der Abbildung nicht näher dargestellten Kühlsystem erreicht werden. Die tiefkalten Komponenten sollten außerdem thermisch gegen die warme Umgebung isoliert sein. Bei dem gezeigten Ausführungs¬ beispiel liegt diese (hier nicht näher dargestellte) thermi¬ sche Isolation im Außenbereich der elektrischen Maschine, so dass auch die Statorwicklungen 34 zusammen mit dem Rotor 37 auf die kryogene Temperatur gekühlt werden. Beispielsweise kann die Maschine 31 über das Gehäuse 41 nach außen hin thermisch isoliert sein. Durch die Kühlung des Stators 33 treten in den Statorwicklungen 34 geringere Verluste auf, und es kann auch ein geringerer radialer Abstand zwischen den Rotorwicklungen und den Statorwicklungen eingehalten werden, was für den Betrieb der Maschine ebenfalls vorteilhaft ist.
Figur 6 zeigt eine Pressvorrichtung 61 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Leiters 1 in schematischem Längsschnitt. Gezeigt ist ein Aufnehmer 62, der eine innenliegende Ausnehmung 63 aufweist. In diese Aus¬ nehmung ist ein Pressbolzen 66 eingelegt, der beim Durchtritt durch eine ebenfalls in der Ausnehmung 63 angeordnete Press¬ matrize 67 mechanisch umgeformt und dabei in seinem Querschnitt verkleinert wird. Um diesen Umformprozess zu bewirken wird im gezeigten Beispiel die Pressmatrize 67 mit einer
Druckkraft K gegen ein links dargestelltes Druckstück 62a des Aufnehmers 62 gedrückt. Es ist aber alternativ auch möglich, den Pressbolzen 66 mit einer vergleichbaren Druckkraft von links gegen eine feststehende Pressmatrize 67 zu drücken. We¬ sentlich ist nur, dass der Pressbolzen 66 gegen die Pressmatrize 67 gedrückt wird und beim Durchtritt durch eine zentrale Öffnung 68 der Pressmatrize 67 mechanisch umgeformt wird.
Der Pressbolzen 66 weist einen Strangpresskörper 64 auf, der im Wesentlichen aus Matrixmaterial besteht, und in dem vor Einlegen in den Aufnehmer eine Mehrzahl von Bohrungen erzeugt wurden. Bei diesen Bohrungen kann es sich beispielsweise um Sacklöcher handeln, die in dem in Figur 6 links dargestellten Bereich des Strangpresskörpers 64 geschlossen sind. In die Bohrungen wurden anschließend von der offenliegenden Seite mehrere Stangenelemente 65 eingeführt, die beispielsweise im Wesentlichen aus Matrixmaterial bestehen können oder aber be- reits eine Mehrzahl von in Matrixmaterial eingebetteten Fila¬ menten umfassen. Durch die Umformung in der Pressmatrize 67 wird aus dem ursprünglichen Pressbolzen 66 ein erster Zwischenkörper 69 mit verkleinerten Querschnitt gebildet. Der so gebildete Zwischenkörper kann im einfachsten Fall bereits den fertigen elektrischen Leiter darstellen. Es kann aber auch nach einem ersten solchen mechanischen Umformschritt einer oder mehrere weitere Umformschritte erfolgen, bei denen in ähnlicher Weise weitere Pressschritte durchlau- fen werden, und bei dem der Leiter sukzessive weiter im Querschnitt verkleinert wird. Zwischen den einzelnen Umformschritten können dabei optional thermische Behandlungsschrit¬ te erfolgen. Ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Ablauf des Herstellungsprozesses für den elektrischen Leiter ist schematisch in Figur 7 wiedergegeben. Dabei sind optionale Prozessschritte in Klammern dargestellt. Als Ausgangselemente werden ein Strangpresskörper 64 und eine Mehrzahl von Stangenelemente in einem ersten mechanischen Umformschritt zu einem ersten Zwischenkörper 69 verbunden und im Querschnitt verkleinert. In einer optionalen Abfolge von i weiteren mechanischen Umformschritten 72 wird dieser erste Zwischenkörper 69 weiter in seinem Querschnitt verkleinert, so dass ein erster Umformkör¬ per 80 gebildet wird. Zwischen den einzelnen Umformschritten können jeweils thermische Behandlungsschritte vorgesehen sein, die der Einfachheit halber in der Figur nicht darge- stellt sind. Der erste Umformkörper 80 umfasst dann eine
Mehrzahl von Filamenten 7, die durch den wenigstens einen Umformschritt 71 in das Matrixmaterial monolithisch eingebettet sind. Wenn eine noch größere Zahl an Filamenten pro Leiter gewünscht wird, als mit einer solchen einfachen Umformkette zweckmäßig erreicht werden kann, können weitere optionale
Prozessschritte vorgesehen sein, welche in Figur 7 innerhalb der dick gezeichneten Klammer dargestellt sind. Hierbei kommt zunächst ein weiterer Strangpresskörper 64 zum Einsatz, der analog zu dem Strangpresskörper des ersten Schritts im We- sentlichen aus Matrixmaterial gebildet sein kann. In diesem werden ebenfalls Bohrungen angebracht, und in diese Bohrungen wird der erste Umformkörper 80 aus der vorab beschriebenen Prozesskette sowie n weitere derartige erste Umformkörper 80 eingebracht, analog zu den Stangenelementen 65 des ersten Prozessschrittes 71. In einem weiteren mechanischen Umformschritt 81 (der analog zum Umformschritt 71 ablaufen kann) , werden dann diese Umformkörper 80 wiederum in das Matrixmaterial des neuen Strangpresskörpers 64 monolithisch eingebet¬ tet, und der Querschnitt wird wieder verkleinert. Auch dieser mechanische Umformschritt 81 kann durch eine Anzahl i von op¬ tionalen weiteren Umformschritte 82 ergänzt werden, um eine stärkere Verkleinerung zu erzielen. Als Produkt dieser weiteren Kette von Prozessschritten wird schließlich ein zweiter Umformkörper 90 gebildet. Aus diesem kann entweder direkt der elektrische Leiter gebildet werden (gegebenenfalls durch Um- mantelung mit einer Außenhülle) , oder es kann mit einer Abfolge von weiteren durch Punkte angedeuteten optionalen Prozessschritten eine noch weitere Verschachtelung des Prozesses erfolgen, indem auch der zweite Umformkörper 90 zusammen mit ähnlichen zweiten Umformkörpern wiederum in einen weiteren Strangpresskörper eingeführt wird und so fort. Dies kann so oft erfolgen, bis eine vorgegebene Zahl von Filamenten 3 in dem fertigen elektrischen Leiter 1 erzielt wird. Bei dem vorab beschriebenen Prozess können die in ersten Pro zessschritt 65 verwendeten Stangenelemente 65 entweder aus reinem Filamentmaterial oder auch aus mit Barrierematerial umhülltem Filamentmaterial gebildet sein. Die
Querschnittsformen und Größen der Bohrungen und der Stangenelemente können frei gewählt sein, sie sollten nur im Wesent liehen aufeinander angepasst sein. Für einen innenliegenden Kühlmittelkanal kann entweder eine Bohrung freigelassen werden, oder diese kann mit einem Rohr aus dem Material der beschriebenen Kühlkanalwand 13 bestückt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Leiter (1) zur Herstellung einer
Statorwicklung (34) eines Stators (33) einer elektrischen Ma- schine (31) ,
umfassend
- mehrere Filamente (3) aus einem bei 4,2 K normalleitenden Material ,
wobei diese Filamente (3) monolithisch in eine elektrisch hö- her resistive normalleitende Matrix (5) eingebettet sind.
2. Elektrischer Leiter (1) nach Anspruch 1, bei der das Material der Filamente (3) als Hauptbestandteil Aluminium auf¬ weist.
3. Elektrischer Leiter (1) nach Anspruch 2, bei der das Material der Filamente (3) hochreines Aluminium ist, welches ein Restwiderstandsverhältnis von wenigstens 1000 aufweist.
4. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Material der Matrix (5) eine höhere Zugfestigkeit aufweist als das Material der Filamente (3) .
5. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, bei welchem der monolithische Verbund (3,5) als Gan¬ zes eine Zugfestigkeit von wenigstens 10 N/mm2 aufweist.
6. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der monolithische Verbund zwischen den Filamenten (3) und der Matrix (5) durch gemeinsame mechanische Umformung hergestellt ist.
7. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Material der normalleitenden Matrix (5) eine Kupfer- und/oder Aluminiumlegierung umfasst und/oder aus einer solchen Legierung besteht.
8. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die spezifische Leitfähigkeit des Mate¬ rials der Matrix (5) zwischen 1 x 10~7 Qm und 2 x 10~6 Qm liegt .
9. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die einzelnen Filamente (3) innerhalb des Leiters (1) wenigstens teilweise gegeneinander verdrillt sind .
10. Elektrischer (1) Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anzahl der Filamente (3) bei wenigstens 120 liegt.
11. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Durchmesser der einzelnen Filamente (3) bei höchstens 10 ym liegt.
12. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, bei welchem die einzelnen Filamente (3) innerhalb des Verbundes jeweils mit einer Barriereschicht (7) ummantelt sind,
wobei das Material dieser Barriereschicht (7) elektrisch hö¬ her resistiv ist als das Material der umgebenden Matrix (5) .
13. Leiterverbund (21), umfassend mehrere elektrische Leiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welche gegeneinander verseilt sind.
14. Elektrische Maschine (31) mit einem Rotor (37) und einem Stator (33) , wobei der Stator (33) wenigstens eine
Statorwicklung (34) mit wenigstens einem elektrischen Leiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
15. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
gekennzeichnet durch wenigstens einen Verfahrensschritt, bei dem die Matrix (5) und die Filamente (3) eine gemeinsame mechanische Umformung durchlaufen,
wobei ein monolithischer Verbund zwischen den Filamenten und der Matrix gebildet wird.
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