WO2015052077A2 - Elektrische maschine mit rotor, spulenwicklung und elektrisch leitendem element - Google Patents

Elektrische maschine mit rotor, spulenwicklung und elektrisch leitendem element Download PDF

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WO2015052077A2
WO2015052077A2 PCT/EP2014/071187 EP2014071187W WO2015052077A2 WO 2015052077 A2 WO2015052077 A2 WO 2015052077A2 EP 2014071187 W EP2014071187 W EP 2014071187W WO 2015052077 A2 WO2015052077 A2 WO 2015052077A2
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conductive element
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rotor
carbon nanotubes
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Tabea Arndt
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    • H02K2203/06—Machines characterised by the wiring leads, i.e. conducting wires for connecting the winding terminations

Definitions

  • Electric machine with rotor, coil winding and electrically conductive element
  • the invention relates to an electrical machine having a rotor shaft and a rotor, wherein the rotor comprises at least one electrical coil winding and at least one electrically conductive element, via which the coil winding is conductively connected to a circuit.
  • Electric machines with coil windings mounted on rotors are used, for example, in generators for generating electrical energy or in motors for converting electrical energy into mechanical energy. Such machines can be operated, for example, as synchronous machines or as asynchronous machines.
  • the electrical coil windings can be designed either as normal-conducting or as superconducting electrical coils.
  • the rotor coils are connected to an external electric circuit by a power supply, which is arranged in the region of the rotor shaft relatively close to the axis of rotation of the rotor and is guided in the vicinity of the coil winding on radially outer regions.
  • a power supply which is arranged in the region of the rotor shaft relatively close to the axis of rotation of the rotor and is guided in the vicinity of the coil winding on radially outer regions.
  • the excitation coil can be connected via such a power supply at two points to an exciter circuit arranged outside the rotor, so that a closed circuit results.
  • the power supply typically includes various sections in which conductor elements conduct the current either parallel to the axis of rotation or radially outward.
  • the power supply is usually performed as close as possible to the axis of rotation, that is, for example, in the interior of the rotor shaft.
  • the rotor coils are mostly on the outside Radii arranged so that between the rotor shaft and rotor coil conductor sections for a radial current transport between near-axis and off-axis areas are needed. Overall, therefore, a conductor arrangement is necessary, in which the current transport direction at least once the direction changes by about 90 °.
  • known rotor devices is the
  • Power supply divided into a plurality of interconnected conductor segments, which transport the power partly axially and partly radially.
  • at least one bent conductor element is present for each supply line, in which the direction between radial and axial
  • Such curved conductor elements are commonly referred to in the art because of their shape as J-straps. They can be designed both as flat conductor strips and as solid bodies such as curved rods or wires. As materials, copper or copper-containing alloys are typically used, which have a high electrical conductivity and at the same time a high mechanical strength.
  • a disadvantage of known electrical machines is that above all the bent conductor elements and also the connection points between straight and curved conductor elements of the power supply for the rotor coils are susceptible to mechanical damage. Due to the rapid rotation of the rotor together with its components, the various sections of the power supply are exposed to high centrifugal forces. Especially the radially outer sections are exposed to higher centrifugal forces than the inner sections. And the axially extending conductor sections are subjected to forces other than the radially extending conductor sections. Furthermore, in particular due to high speeds and transient processes a high interplay load, which can quickly lead to embrittlement in metallic materials and alloys. This makes it especially when changing between the radial and axial direction and in a connection between different radial areas frequent failures and signs of wear in the power supply. An initial mechanical wear can also cause electrical damage to the components as a consequence of flashovers.
  • a power supply for the rotor coil of a generator which comprises a plurality of electrical conductor components, which are partially flexibly interconnected.
  • An axial conductor section is connected via a flexible connecting piece to an intermediate piece, which in turn is contacted by a rigid radial conductor section.
  • a bent conductor strip, the so-called J-strap contacted, via which the connection of the other elements is made with the electric rotor coil.
  • EP 2272151B1 Also described in EP 2272151B1 is an electric machine having a power supply for a rotor coil, in which the power supply has a fixed radially extending bolt and a looped in a partial region conductor element which connects the radial bolt with the rotor winding.
  • the conductor element is surrounded by a gap in an intermediate region, so that differential mechanical stresses between the ends of this conductor element can be compensated for by lateral movements.
  • the object of the invention is to provide an electrical machine with a rotor, a coil winding and an electrically conductive element which avoids the disadvantages mentioned.
  • the machine according to the invention has a rotor shaft and a rotor which is separated from the rotor shaft.
  • shaft is supported and is movably mounted together with it about a rotation axis.
  • the rotor comprises at least one electrical coil winding and at least one electrically conductive element, via which the coil winding is conductively connected to an external circuit.
  • the electrically conductive element contains carbon nanotubes.
  • the advantage of the machine according to the invention over machines with conventional power supply of copper and / or copper alloys is that the electrically conductive element can be mechanically very robust by the embodiment with carbon nanotubes, with high electrical conductivity.
  • the mechanical strength and electrical conductivity of individual carbon nanotubes exceed the values for metals and metallic alloys many times over.
  • macroscopic components with carbon nanotube fibers or yarns do not achieve the values for the individual tubes, the values for conductivity and load capacity could be significantly increased by new production methods. For example, from
  • an electrically conductive element with carbon nanotubes is the fact that the density of such tubes is much lower than that of metallic connecting elements.
  • the density of dense carbon nanotube fibers may be between 0.5 and 1.5 g / cm 3 .
  • electrically conductive elements with a lower mass can be used here than would be possible with a purely metallic element.
  • the contact pieces are as light as possible, since then the centrifugal forces are smaller and so again the mechanical stress on the components is lower.
  • the electric machine may additionally have the following features:
  • a contact piece arranged on the rotor shaft can be conductively connected to the electrical coil winding via the electrically conductive element.
  • the contact piece can be, for example, a radial conductor element, via which a radial connection is created by the shaft to a region of the rotor lying radially further outward.
  • a radial conductor element may be a radial contact pin.
  • a preferred material for the contact piece is, for example, copper or a copper-containing alloy. In this embodiment, further conductor elements of the
  • Power supply advantageously be performed in a portion in the interior of the rotor shaft.
  • the conductor elements are arranged close to the axis of rotation and thus exposed only to low centrifugal forces.
  • the rotor coil can be connected to an external circuit via the conductor elements in the interior of the rotor shaft, which has, for example, stationary components outside the rotor and the rotor shaft.
  • the electrically conductive member may extend at least in a first length portion mainly in an axial direction and extend at least in a second length portion mainly in a radial direction with respect to the rotation axis. It can thus be present within a conductor element, a change of direction between the axial and radial current transport.
  • the power supply for the rotor coil advantageously connect radially inwardly with radially outer regions of the rotor and overcome axial distances between the parts to be electrically connected. If the change of the current transport direction is achieved by an arc within a component, then the production of additional, for mechanical loads susceptible conductor connections can be advantageously avoided.
  • the electrically conductive element may have one or more bent sections.
  • a bent section may advantageously be provided for effecting a change in the current transport direction between substantially the radial direction and the substantially axial direction. Thus, for example, there may be a bend of about 90 °.
  • Further bent portions may be advantageous, for example, to provide a loop-shaped and / or partially flexible section, via which a mechanical decoupling between the two ends of the conductive element is effected, for example in the manner of a strain relief. This can be advantageous for differential mechanical loads between different elements of the power supply, such as between contact piece and electrically conductive element or between electrically conductive element and electric coil or along the length of the electrically conductive element.
  • the electrically conductive element may comprise one or more fibers, each fiber having a plurality of individual carbon nanotubes.
  • This embodiment is advantageous because individual carbon nanotubes are generally not long enough, not conductive enough, and / or not mechanically strong enough for macroscopic applications.
  • By arranging many carbon nanotubes in a common fiber a larger electrical conductor can be provided which can better meet the mechanical, electrical and geometric requirements than a single tube. It may in many cases be advantageous to use a multiplicity of such fibers in order to achieve predetermined values for current carrying capacities, mechanical strength and geometric dimensions in a macroscopic component.
  • the fibers can be obtained either by solids spinning or by liquid spinning and can be composed of a plurality of carbon nanotubes.
  • the carbon nanotubes required for this purpose can be produced, for example, by deposition from a gas phase or by catalytic reaction, in particular using iron as catalyst. In this case, the combustion of a starting materials containing, for example, alcoholic solvent, take place.
  • the average diameter of the individual spun fibers or yarns is advantageously between 5 and 50 ⁇ , particularly advantageously between 5 and 25 ⁇ .
  • the length of the fiber underlying individual carbon nanotubes may advantageously be on average above 3 ⁇ . Particularly advantageously, the average tube length can be far above this value, for example above 100 ⁇ m or even above 1 mm.
  • the electrically conductive element has one or more bent sections
  • the individual nanotubes containing carbon nanotubes can advantageously also be bent or even bent away in this area.
  • the advantage of such an embodiment is that fibers made of carbon nanotubes have hardly any impairment of the electrical conductivity, even in the bent and / or bent state.
  • the carbon nanotube-containing fibers may have an average tensile strength of at least 1 GPa.
  • an electrically conductive element can be made available that withstands the high mechanical loads in the rotor of an electrical machine.
  • the reliability of the machine can be improved, in particular a mechanical damage in the region of a bend of the electrically conductive element and / or in the range of differential mechanical forces between radially and axially disposed components can be advantageously avoided.
  • the fibers may have an average modulus of elasticity of at least 50 GPa, more preferably at least 100 GPa, in order to ensure a high mechanical strength of the electrically conductive element.
  • the specific electrical resistance of the carbon nanotube-containing fibers may be below
  • the density of the fibers containing carbon nanotubes may advantageously be below 1.5 g / cm 3 on average.
  • it is particularly advantageous between 0.5 and 1.5 g / cm 3 .
  • the carbon nanotube-containing fibers can be produced particularly advantageously under the application of a tensile stress. Fibers produced in this way can be particularly robust against further mechanical stress and can also have improved conductivity, in particular in the direction of the tensile load. For example, a drying of the fibers can take place under tensile load. The initial form of the fibers present before drying can be produced either with or without the presence of a tensile load.
  • the electrically conductive element may comprise at least one strand, a rope and / or a flat conductor of yarn containing carbon nanotubes.
  • a yarn may comprise a plurality of fibers each of a plurality of carbon nanotubes.
  • a multiplicity of carbon nanotube-containing fibers may be present in the form of at least one strand, a cable and / or a flat conductor.
  • Such an arrangement can additionally improve the resistance of the electrically conductive element to mechanical stresses.
  • such an embodiment is suitable for forming flexible or partially flexible regions in the electrically conductive element.
  • This can lead to a better absorption of differential mechanical loads on different sections of the conductive element, for example in the manner of a strain relief at least in a section.
  • a plurality of fiber bundles in the form of substantially parallel strands, cables and / or flat conductors may be provided in at least one subregion of the conductive element, which are only weakly interconnected in this subregion.
  • the electrically conductive element may comprise an injection-molded part containing carbon nanotubes.
  • Such a configuration may be advantageous in order to provide a rigid conductive element at least in sections.
  • a matrix material surrounding the nanotubes and mechanically fixed at the operating temperature of the machine can be provided.
  • the matrix material may be electrically conductive to improve the overall electrical conductivity of the conductive element.
  • the electrically conductive element may advantageously have both at least one rigid portion and at least one flexible or partially flexible portion in order to increase the resistance to mechanical loads.
  • the electrically conductive element may comprise a conductor composite with a metal conductor and fibers containing carbon nanotubes.
  • the metallic conductor may be, for example, a pure metal or a metallic alloy. It can advantageously contain copper.
  • a copper-containing conductor core may be surrounded by a strand of carbon nanotube-containing strands.
  • the material properties of the carbon nanotube-containing fibers may be selected such that the mechanical strength is particularly high and the electrical conductivity tends to be lower because the conduction of the current can be at least partially absorbed by the metallic core.
  • the carbon nanotubes of the electrically conductive element may be doped with iodine. By such a doping, the electrical conductivity can be significantly increased, at the same time very high mechanical resilience availability.
  • the individual carbon nanotubes of the electrically conductive element may be in the form of single-walled tubes, multi-walled tubes or a mixture of these two tube types.
  • the number of walls of a tube can be between 1 and 5 on average.
  • the diameter of the individual carbon nanotubes of the electrically conductive element may advantageously be between 1 and 6 nm on average.
  • the electrically conductive element may be covered with a ceramic insulating material. Sheaths of Sic and / or A1 2 0 3 are particularly advantageous.
  • a coating of SiC can be formed for example by a coating of the electrically conductive element with silicon, wherein the silicon is reacted with the carbon present in the conductive element by annealing to ceramic SiC.
  • the ceramic insulation material is advantageously used to reliably isolate the individual electrically conductive elements against each other and against their environment, so that voltage flashovers and partial discharges can be avoided.
  • the coating can be carried out, for example, by wetting with a dispersion and by subsequent drying and evaporation of the solvent. Alternatively, it can be done, for example, by spraying with starting materials for the coating and subsequent heat treatment, in particular to form SiC.
  • the individual fibers may each be covered with a ceramic insulating material.
  • This embodiment increases the dielectric strength over the service life of the plurality of insulating layers and is particularly advantageous for very dynamically or high-frequency operated machines nen. It can significantly increase the interplay loadability during transient processes.
  • Fig. 1 shows a schematic side elevational view of an electric machine 10 according to a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a corresponding schematic representation of an electrical machine 10 according to a second embodiment.
  • Corresponding or equivalent elements are provided in the figures with the same reference numerals.
  • FIG. 1 shows a schematic side elevation of an electrical machine 10 according to a first embodiment of the invention. Shown is a section of a rotor shaft 12 and furthermore a section of a rotor 14, which is supported by the rotor shaft 12 and can be moved together with it about an axis of rotation, not illustrated here. stores.
  • the axis of rotation runs horizontally within the plane of the paper, below the detail shown in FIG.
  • the rotor 14 includes a rotor body 16 and a plurality of electrical coil windings 18 held in the rotor body 16 and acting as exciting coils of an electric generator.
  • a retaining ring 20 surrounds the coil windings 18 on the outside of the rotor 14 and supports them against radially outwardly acting centrifugal forces.
  • the electrical coil windings 18 may be made of copper or other normal conductive materials, for example. Alternatively or additionally, they may also contain superconducting materials.
  • the electrical coil windings 18 are each connected to at least two electrically conductive power supply lines to an exciter circuit arranged outside the rotor 14. For this purpose, electrical lines are guided in the interior of the rotor shaft 12 in the vicinity of the axis of rotation. For each of the power supply lines, a connection between the corresponding electrical line and the associated electrical coil is provided via an electrically conductive element 26.
  • the electrically conductive element 26 is connected to a contact piece 24 arranged on the rotor shaft 12.
  • this contact piece 24 is to be understood as an example of a plurality of such contact pieces 24, which are each connected to associated conductive elements 26 and coil windings 18.
  • the contact piece 24 is designed as a radially extended conductor part. In the example shown, it is a bolt made of copper or a copper alloy, which conducts the current between a radially inner region of the rotor shaft 12 and a radially outer region.
  • the contact piece 24 is conductively connected via the electrically conductive element 26 with the associated electrical coil winding 18 a.
  • the electrically conductive element 26 consists of two sections 26a and 26b, of which the first section 26a is looped and the second section 26b has a section extending substantially parallel to the axis of rotation and a shorter section bounded by two sections bent through approximately 90 ° comprises radially extending region.
  • Both sections 26a and 26b contain conductor bundles with fibers 28 formed from carbon nanotubes.
  • these conductor bundles are firmly connected to one another at the end pieces thereof, but in the middle region are arranged movably relative to one another.
  • the portion 26 a is relatively flexible and therefore can be easily bent into a loop shape.
  • increased durability under mechanical loads is achieved by the centrifugal forces of the rotor.
  • Both conductor pieces 26a and 26b consist to a large extent of carbon nanotube fibers 28 and are thus highly conductive and mechanically very robust.
  • the carbon nanotubes of both sections 26 and 26b are doped in this example with iodine, whereby an average specific electrical resistance below 25 ⁇ is achieved.
  • the fibers 28 of the second conductor piece 26b are connected relatively tightly to each other along the entire conductor length by being intertwined into a conductive cable.
  • the conductor strands may be potted with a potting material. Overall, the second conductor piece 26b is relatively rigid and mechanically fixed.
  • the relatively rigid second conductor piece 26b may include an injection molded part containing carbon nanotubes and / or comprising a composite of a metallic conductor and carbon nanotubes containing fibers.
  • the second conductor piece 26b extends in a large portion substantially parallel to the axis of rotation. In the vicinity of the associated coil winding 18a, the second conductor piece has a short radially extending region, through which the position for contacting the coil winding 18a is reached. For this purpose, at least one arc with a change in direction of about 90 ° is required. In the example shown, even two such curved sections are provided.
  • Both sections 26a and 26b of the electrically conductive element 26 are encased on their outer side with a ceramic insulating material. This sheath serves to insulate the conductive element 26 against other adjacently disposed conductive elements of other power leads.
  • the insulating material contains at least a partial layer of Sic obtained by coating the electrically conductive element 26 with silicon and subsequent conversion by reaction with the carbon contained in the nanotubes.
  • Fig. 2 shows an electrical machine 10 according to a second embodiment of the invention.
  • an electrically conductive element 26 connects a radially extending contact pin 24 arranged on the rotor shaft 12 with an associated coil winding 18 a.
  • the electrically conductive element 26 in this example is made of a single elongated member formed of a plurality of bundled carbon nanotube fibers 28. The fibers 28 extend for the most part along the prevailing direction of Stromtransports.
  • the conductive element 26 has a substantially axially extending portion 26 c on the side facing the contact pin 24 side te and a substantially radially extending portion 26 d on the coil winding 18 a side facing. These two portions 26c and 26d are connected by a portion bent around about 90 ° 26e. This results in the typical J-shape of the conductive element 26 referred to in the art as a J-strap.
  • the fibers 28 made of carbon nanotubes are bundled in the electrically conductive element 26 to form a kind of rope. In the manufacture and drying of the fibers 28, they are subjected to tensile loading along the longitudinal direction of the fibers, thereby strengthening their electrical conductivity and their tensile strength. The conductivity of the fibers 28 is hardly affected by the advantageous properties of the carbon nanotubes during subsequent bending into the required J shape.
  • the electrically conductive element 26 is encased on the outside with a ceramic insulation layer.

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Abstract

Es wird eine elektrische Maschine angegeben mit einer Rotorwelle und einem Rotor, der von der Rotorwelle getragen wird und zusammen mit ihr um eine Rotationsachse beweglich gelagert ist. Der Rotor umfasst wenigstens eine elektrische Spulenwicklung und wenigstens ein elektrisch leitendes Element, über das die Spulenwicklung mit einem äußeren Stromkreis leitend verbunden ist. Das elektrisch leitende Element enthält Kohlenstoffnanoröhren.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine mit Rotor, Spulenwicklung und elektrisch leitendem Element
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Rotorwelle und einem Rotor, wobei der Rotor wenigstens eine elektrische Spulenwicklung und wenigstens ein elektrisch leitendes Element umfasst, über das die Spulenwicklung mit einem Stromkreis leitend verbunden ist.
Elektrische Maschinen mit auf Rotoren gelagerten Spulenwicklungen werden beispielsweise in Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Energie oder in Motoren zur Umwandlung von elek- trischer in mechanische Energie eingesetzt. Solche Maschinen können beispielsweise als Synchronmaschinen oder auch als Asynchronmaschinen betrieben werden. Die elektrischen Spulenwicklungen können dabei entweder als normalleitende oder auch als supraleitende elektrische Spulen ausgeführt sein.
Bei bekannten elektrischen Maschinen sind die Rotorspulen mit einem äußeren elektrischen Stromkreis durch eine Stromzuführung verbunden, die im Bereich der Rotorwelle relativ nahe an der Rotationsachse des Rotors angeordnet ist und in der Nähe der Spulenwicklung auf radial weiter außen liegende Bereiche geführt wird. Bei einer auf dem Rotor eines Generators angeordneten Erregerspule beispielsweise kann die Erregerspule über eine solche Stromzuführung an zwei Stellen mit einer außerhalb des Rotors angeordneten Erregerschaltung verbunden sein, so dass sich ein geschlossener Stromkreis ergibt.
Nach dem Stand der Technik umfasst die Stromzuführung typischerweise verschiedene Abschnitte, in denen Leiterelemente den Strom entweder parallel zur Rotationsachse oder radial nach außen führen. Auf der Seite des äußeren Schaltkreises wird die Stromzuführung meist möglichst nahe an der Rotationsachse, also beispielsweise im Inneren der Rotorwelle geführt. Die Rotorspulen sind meist auf weiter außen liegenden Radien angeordnet, so dass zwischen Rotorwelle und Rotorspule Leiterabschnitte für einen radialen Stromtransport zwischen achsnahen und achsfernen Bereichen benötigt werden. Insgesamt ist also eine Leiteranordnung notwendig, bei der die Strom- transportrichtung wenigstens einmal die Richtung um etwa 90° wechselt. Bei bekannten Rotoreinrichtungen ist dazu die
Stromzuführung in mehrere miteinander verbundene Leitersegmente unterteilt, die den Strom teils axial und teils radial transportieren. Bei den meisten Ausführungen ist jedoch für jede Zuleitung zumindest ein gebogenes Leiterelement vorhanden, bei dem die Richtung zwischen radialem und axialem
Stromtransport innerhalb eines Bauteils wechselt. Solche gebogenen Leiterelemente werden in der Fachwelt aufgrund ihrer Form allgemein als J-Straps bezeichnet. Sie können sowohl als flache Leiterstreifen als auch als massivere Körper wie beispielsweise gebogene Stangen oder Drähte ausgeführt sein. Als Materialien werden typischerweise Kupfer oder Kupfer enthaltende Legierungen verwendet, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen.
Ein Nachteil bekannter elektrischer Maschinen ist, dass vor allem die gebogenen Leiterelemente und auch die Verbindungsstellen zwischen geraden und gebogenen Leiterelementen der Stromzuführung für die Rotorspulen anfällig für mechanische Beschädigung sind. Durch die schnelle Rotation des Rotors mitsamt seiner Komponenten sind die verschiedenen Abschnitte der Stromzuführung teilweise hohen Fliehkräften ausgesetzt. Vor allem die radial weiter außenliegenden Abschnitte sind höheren Fliehkräften ausgesetzt als die innenliegenden Abschnitte. Und die axial verlaufenden Leiterabschnitte sind anderen Kräften ausgesetzt als die radial verlaufenden Leiterabschnitte. Weiterhin erfolgt insbesondere durch hohe Drehzahlen und transiente Vorgänge eine hohe Wechselspielbe- lastung, die bei metallischen Werkstoffen und Legierungen schnell zur Versprödung führen kann. Dadurch kommt es gerade beim Wechsel zwischen radialer und axialer Richtung sowie bei einer Verbindung zwischen verschiedenen radialen Bereichen zu häufigen Ausfällen und Verschleißerscheinungen in der Stromzuführung. Ein zunächst mechanischer Verschleiß kann auch als Folgeschaden eine elektrische Schädigung der Komponenten durch Spannungsüberschläge verursachen.
In der US6501201B1 wird eine Stromzuführung für die Rotorspule eines Generators beschrieben, die mehrere elektrische Leiterkomponenten umfasst, die zum Teil flexibel miteinander verbunden sind. Ein axialer Leiterabschnitt ist über ein fle- xibles Verbindungsstück mit einem Zwischenstück verbunden, das wiederum mit einem starren radialen Leiterabschnitt kontaktiert ist. An diesen starren radialen Leiterabschnitt ist ein gebogener Leiterstreifen, der sogenannte J-Strap, kontaktiert, über den die Verbindung der anderen Elemente mit der elektrischen Rotorspule hergestellt wird.
Auch in der EP 2272151B1 wird eine elektrische Maschine mit einer Stromzuführung für eine Rotorspule beschrieben, bei der die Stromzuführung einen feststehenden radial verlaufenden Bolzen und ein in einem Teilbereich schleifenförmig gebogenes Leiterelement aufweist, das den radialen Bolzen mit der Rotorwicklung verbindet. Das Leiterelement ist in einem Zwischenbereich von einem Spalt umgeben, so dass differentielle mechanische Spannungen zwischen den Enden dieses Leiterele- ments durch seitliche Bewegungen ausgeglichen werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine mit einem Rotor, einer Spulenwicklung und einem elektrisch leitenden Element anzugeben, die die genannten Nachteile vermei- det . Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit einem elektrisch leitenden Element anzugeben, das eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweist bei gleichzeitig hoher Stromtragfähigkeit und/oder niedriger Dichte .
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Maschine gelöst. Die erfindungsgemäße Maschine weist eine Rotorwelle und einen Rotor auf, der von der Rotor- welle getragen wird und zusammen mit ihr um eine Rotationsachse beweglich gelagert ist. Der Rotor umfasst wenigstens eine elektrische Spulenwicklung und wenigstens ein elektrisch leitendes Element, über das die Spulenwicklung mit einem äu- ßeren Stromkreis leitend verbunden ist. Das elektrisch leitende Element enthält Kohlenstoffnanoröhren .
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Maschine gegenüber Maschinen mit herkömmlichen Stromzuführungen aus Kupfer und/oder Kupferlegierungen ist, dass das elektrisch leitende Element durch die Ausführung mit Kohlenstoffnanoröhren mechanisch sehr belastbar sein kann, bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit. Die mechanische Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit einzelner Kohlenstoffnanoröhren übertreffen die Werte für Metalle und metallische Legierungen um ein Mehrfaches. Auch wenn makroskopische Bauteile mit Fasern oder Garnen aus Kohlenstoffnanoröhren nicht die Werte für die einzelnen Röhren erreichen, so konnten doch die Werte für Leitfähigkeit und Belastbarkeit durch neue Herstellungsmethoden erheblich gesteigert werden. Beispielsweise werden von
N. Behabtu et al . gesponnene Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren beschrieben, die spezifische Widerstände zwischen 22 und 33 μθηπταιη aufweisen (N. Behabtu el al . in Science 339
(2013), S. 182-185). Obwohl die elektrische Leitfähigkeit dieser Materialien noch nicht so hoch ist wie die von Kupfer und seinen Legierungen, so ist doch die mechanische Festigkeit der von hochleitfähigen metallischen Legierungen zum Teil schon überlegen. Für Faserdicken im Bereich zwischen 8 und 10 μπι wurden Elastizitätsmodule oberhalb von 100 GPa und Zugfestigkeiten im Bereich von 1 GPa gemessen. In Laborexperimenten bei Siemens wurden für Garne mit Durchmessern von ca. 20 μπι sogar Zugfestigkeiten oberhalb von 2 GPa gemessen. Auch wenn die Werte des Elastizitätsmoduls noch ihn ähnlichen Bereichen liegen wie die von kupferhaltigen Werkstoffen, so ist ein besonderer Vorteil der Kohlenstoffnanoröhren darin zu sehen, dass ihre Leitfähigkeit und ihre mechanische Belastbarkeit auch bei einem Abknicken der Fasern oder einer Ver- biegung der Bauteile nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Auch ist bisher kein Wechselspielversagen bei Fasern und Garnen aus Kohlenstoffnanoröhren beobachtet worden. Gerade bei der Verwendung für die elektrisch leitenden Verbindungselemente für Rotorspulen ist aber eine solche Robustheit bei einer gebogenen Leiterführung von besonderem Vorteil.
Ein weiterer Vorteil eines elektrisch leitenden Elements mit Kohlenstoffnanoröhren ist darin zu sehen, dass die Dichte solcher Röhren wesentlich niedriger ist als die von metalli- sehen Verbindungselementen. Beispielsweise kann die Dichte von verdichteten Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren zwischen 0.5 und 1.5 g/cm3 liegen. Bei vergleichbarer Stromtragfähigkeit können hiermit elektrisch leitende Elemente mit niedrigerer Masse verwendet werden als es bei einem rein metalli- sehen Element möglich wäre. Gerade bei der Kontaktierung von Rotorspulen in radial weiter außen gelegenen Bereichen des Rotors ist es vorteilhaft, wenn die Kontaktstücke möglichst leicht sind, da dann die Fliehkräfte kleiner ausfallen und so wiederum die mechanische Belastung der Bauteile geringer ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann die elektrische Maschine zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Ein an der Rotorwelle angeordnetes Kontaktstück kann über das elektrisch leitende Element mit der elektrischen Spulenwicklung leitend verbunden sein. Das Kontaktstück kann beispielsweise ein radiales Leiterelement sein, über das eine radiale Verbindung von der Welle zu einem radial weiter außen liegenden Bereich des Rotors geschaffen wird. Beispielsweise kann ein solches radiales Leiterelement ein radialer Kontaktbolzen sein. Ein bevorzugtes Material für das Kontaktstück ist beispielsweise Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung. Bei dieser Ausführungsform können weitere Leiterelemente der
Stromzuführung vorteilhaft in einem Teilbereich im Inneren der Rotorwelle geführt werden. In diesem Teilbereich sind die Leiterelemente nah an der Rotationsachse angeordnet und somit nur geringen Fliehkräften ausgesetzt. Über die Leiterelemente im Inneren der Rotorwelle kann die Rotorspule mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein, der beispielsweise stationär angeordnete Komponenten außerhalb des Rotors und der Rotor- welle aufweist.
Das elektrisch leitende Element kann sich wenigstens in einem ersten Längenabschnitt hauptsächlich in einer axialen Richtung erstrecken und sich wenigstens in einem zweiten Längen- abschnitt hauptsächlich in einer radialen Richtung bezüglich der Rotationsachse erstrecken. Es kann also innerhalb eines Leiterelements ein Richtungswechsel zwischen axialem und radialem Stromtransport vorliegen. Hierdurch kann die Stromzuführung für die Rotorspule vorteilhaft radial innenliegende mit radial außenliegenden Bereichen des Rotors verbinden und axiale Abstände zwischen den elektrisch zu verbindenden Teilen überwinden. Wird der Wechsel der Stromtransportrichtung durch einen Bogen innerhalb eines Bauteils erreicht, dann kann die Herstellung zusätzlicher, für mechanische Belastun- gen anfälliger Leiterverbindungen vorteilhaft vermieden werden .
Das elektrisch leitende Element kann einen oder mehrere gebogene Abschnitte aufweisen. Ein gebogener Abschnitt kann vor- teilhaft dafür vorgesehen sein, um einen Wechsel der Stromtransportrichtung zwischen im Wesentlichen radialer Richtung und im Wesentlichen axialer Richtung zu bewirken. Es kann also beispielsweise eine Biegung um etwa 90° vorliegen. Weitere gebogene Abschnitte können vorteilhaft sein, um beispielswei- se einen schleifenförmig gebogenen und/oder teilflexiblen Abschnitt zu schaffen, über den eine mechanische Entkopplung zwischen den beiden Enden des leitenden Elements bewirkt wird, beispielsweise in der Art einer Zugentlastung. Dies kann vorteilhaft sein, um differentielle mechanische Belas- tungen zwischen verschiedenen Elementen der Stromzuführung, wie beispielsweise zwischen Kontaktstück und elektrisch leitendem Element oder zwischen elektrisch leitendem Element und elektrischer Spule oder entlang der Länge des elektrisch leitenden Elements aufzunehmen.
Das elektrisch leitende Element kann eine oder mehrere Fasern umfassen, wobei jede Faser eine Vielzahl einzelner Kohlenstoffnanoröhren aufweist. Diese Ausführungsform ist deshalb vorteilhaft, weil einzelne Kohlenstoffnanoröhren im Allgemeinen nicht lang genug, nicht leitfähig genug und/oder mechanisch nicht belastbar genug für makroskopische Anwendungsfäl - le sind. Durch die Anordnung vieler Kohlenstoffnanoröhren in einer gemeinsamen Faser kann ein größerer elektrischer Leiter zur Verfügung gestellt werden, der die mechanischen, elektrischen und geometrischen Anforderungen besser erfüllen kann als eine einzelne Röhre. Es kann in vielen Fällen vorteilhaft sein, eine Vielzahl solcher Fasern einzusetzen, um vorgegebene Werte für Stromtragfähigkeiten, mechanische Belastbarkeit und geometrische Abmessungen in einem makroskopischen Bauteil zu erreichen. Es können mehrere Fasern zu einem Garn verbunden sein.
Die Fasern können entweder durch Feststoff-Spinnen oder durch Flüssigkeits-Spinnen erhalten werden und aus einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren aufgebaut sein. Die dazu benötigten Kohlenstoffnanoröhren können beispielsweise durch Abscheidung aus einer Gasphase oder durch katalytische Reaktion hergestellt werden, insbesondere unter Verwendung von Eisen als Katalysator. Dabei kann die Verbrennung eines die Ausgangs- Stoffe enthaltenden, beispielsweise alkoholischen Lösemittels, erfolgen.
Der mittlere Durchmesser der einzelnen gesponnenen Fasern oder Garne liegt dabei vorteilhaft zwischen 5 und 50 μπι, besonders vorteilhaft zwischen 5 und 25 μπι. Die Länge der den Faser zugrundeliegenden einzelnen Kohlenstoffnanoröhren kann vorteilhaft im Mittel oberhalb von 3 μπι liegen. Besonders vorteilhaft kann die Mittlere Röhrenlänge weit über diesem Wert liegen, beispielsweise oberhalb von 100 μπι oder sogar oberhalb von 1 mm. Wie im oben zitierten Science-Artikel von Behabtu et al . beschrieben, konnten jedoch auch mit Fasern aus Röhren mit Längen zwischen 3 μπι und 11 μπι hohe mechanische Festigkeiten und gute Leitfähigkeiten erreicht werden. Bei einer Ausführungsform, bei der das elektrisch leitende Element einen oder mehrere gebogene Abschnitte aufweist, können vorteilhaft in diesem Bereich die einzelnen Kohlenstoff- nanoröhren enthaltenden Fasern ebenfalls gebogen oder sogar abgeknickt angeordnet sein. Der Vorteil einer solchen Ausfüh- rungsform ist, dass Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren auch im gebogenen und/oder abgeknickten Zustand kaum eine Beeinträchtigung der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen.
Die Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern können eine mittlere Zerreißfestigkeit von wenigstens 1 GPa aufweisen. Insbesondere durch Bündelung vieler solcher Fasern in ein oder mehrere größere Werkstücke kann ein elektrisch leitendes Element zu Verfügung gestellt werden, dass den hohen mechanischen Belastungen im Rotor einer elektrischen Maschine stand- hält. Somit kann die Ausfallsicherheit der Maschine verbessert werden, insbesondere kann eine mechanische Schädigung im Bereich einer Biegung des elektrisch leitenden Elements und/oder im Bereich differentieller mechanischer Kräfte zwischen radial und axial angeordneten Bauteilen vorteilhaft vermieden werden.
Die Fasern können ein mittleres Elastizitätsmodul von wenigstens 50 GPa, besonders vorteilhaft wenigstens 100 GPa aufweisen, um eine hohe mechanische Belastbarkeit des elektrisch leitenden Elements zu gewährleisten.
Der spezifische elektrische Widerstand der Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern kann im Mittel unterhalb von
100 μθηπταιη, besonders vorteilhaft unterhalb von 50 μθηπταιη liegen. Mit einem solchen Fasermaterial können bei vergleichbaren Leiterabmessungen Stromtragfähigkeiten erreicht werden, die zumindest ähnlich sind wie bei Verwendung metallischer Legierungen. Prinzipiell können mit Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Materialien vorteilhaft auch noch wesentlich höhere Leitfähigkeiten mit spezifischen Widerständen unterhalb von 10 μθηπταιη, besonders vorteilhaft unterhalb von 1 μθηπταιη erreicht werden.
Die Dichte der Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern kann vorteilhaft im Mittel unterhalb von 1.5 g/cm3 liegen. Bei verdichteten Fasermaterialien liegt sie besonders vorteilhaft zwischen 0.5 und 1.5 g/cm3. Durch die Verdichtung auf derar- tige Werte kann eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit erreicht werden. Trotzdem ist die Dichte in diesem Bereich noch wesentlich geringer als die Dichte metallischer Werkstoffe, so dass durch das geringere Gewicht bei vergleichbaren Abmessungen geringere Fliehkräfte uns somit niedrigere mechanische Belastungen auftreten.
Die Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern können besonders vorteilhaft unter Anliegen einer Zugspannung hergestellt sein. Auf diese Weise hergestellte Fasern können besonders robust gegenüber weiterer mechanischer Belastung sein und können auch eine verbesserte Leitfähigkeit, insbesondere in Richtung der Zugbelastung, aufweisen. Beispielsweise kann eine Trocknung der Fasern unter Zugbelastung erfolgen. Die vor der Trocknung vorliegende Ausgangsform der Fasern kann dabei entweder mit oder ohne Vorliegen einer Zugbelastung hergestellt sein.
Das elektrisch leitende Element kann wenigstens eine Litze, ein Seil und/oder einen Flachleiter aus Kohlenstoffnanoröhren enthaltendem Garn aufweisen. Ein solches Garn kann eine Vielzahl von Fasern aus jeweils einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren umfassen. Insbesondere kann eine Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern in Form wenigstens einer Litze, eines Seils und/oder eines Flachleiters vorlie- gen. Es können mehrere solche Faserbündel in Form von Litzen, Seilen und/oder Flachleitern vorliegen, die im Wesentlichen bezüglich einer Richtung des Stromtransports durch das leitende Element ausgerichtet sind und parallel zueinander ver- laufen. Eine solche Anordnung kann zusätzlich die Beständigkeit des elektrisch leitenden Elements gegenüber mechanischen Belastungen verbessern. Insbesondere eignet sich eine solche Ausführungsform, um flexible oder teilflexible Bereiche im elektrisch leitenden Element auszubilden. Dies kann zu einer besseren Aufnahme differentieller mechanischer Belastungen an verschiedenen Abschnitten des leitenden Elements führen, beispielsweise in der Art einer Zugentlastung zumindest in einem Teilabschnitt. Beispielsweise kann in wenigstens einem Teil- bereich des leitenden Elements eine Mehrzahl von Faserbündeln in Form von im Wesentlichen parallel verlaufenden Litzen, Seilen und/oder Flachleitern vorgesehen sein, die in diesem Teilbereich nur schwach miteinander verbunden sind. Alternativ oder zusätzlich zu einer Ausführungsform mit solchen Faserbündeln kann das elektrisch leitende Element ein Kohlenstoffnanoröhren enthaltendes Spritzgussteil aufweisen. Eine solche Ausgestaltung kann vorteilhaft sein, um zumindest in Teilabschnitten ein starres leitendes Element zur Verfü- gung zu stellen. Dazu kann ein die Nanoröhren umgebendes, bei der Betriebstemperatur der Maschine mechanisch festes Matrixmaterial vorgesehen sein. Das Matrixmaterial kann elektrisch leitfähig sein, um die elektrische Leitfähigkeit des leitenden Elements insgesamt zu verbessern.
Das elektrisch leitende Element kann vorteilhaft sowohl wenigstens einen starren Teilbereich als auch wenigstens einen flexiblen oder teilflexiblen Teilbereich aufweisen, um die Beständigkeit gegenüber mechanischen Belastungen zu erhöhen.
Das elektrisch leitende Element kann einen Leiterverbund mit einem metallischen Leiter und Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern aufweisen. Der metallische Leiter kann beispielsweise ein reines Metall oder eine metallische Legierung sein. Er kann vorteilhaft Kupfer enthalten. Beispielsweise kann ein Kupfer enthaltender Leitererkern mit einem Mantel aus Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Litzen umgeben sein. Hierdurch können mechanische Spannungen im Bereich der Strom- Zuführung des Rotors besonders gut abgefangen werden, bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit des leitenden Elements. Auch können bei einer solchen Ausführungsform die Materialeigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern so ausgewählt werden, dass die mechanische Festigkeit besonders hoch ist und die elektrische Leitfähigkeit eher niedrigere Werte aufweist, denn die Leitung des Stroms kann wenigstens zum Teil durch den metallischen Kern übernommen werden .
Die Kohlenstoffnanoröhren des elektrisch leitenden Elements können eine Dotierung mit Iod aufweisen. Durch eine solche Dotierung kann die elektrische Leitfähigkeit wesentlich erhöht werden, bei gleichzeitig sehr hoher mechanischer Belast- barkeit.
Die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren des elektrisch leitenden Elements können als einwandige Röhren, als mehrwandige Röhren oder als eine Mischung dieser beiden Röhrentypen vorliegen. Vorteilhaft kann die Zahl der Wände einer Röhre im Mittel zwischen 1 und 5 liegen.
Der Durchmesser der einzelnen Kohlenstoffnanoröhren des elektrisch leitenden Elements kann im Mittel vorteilhaft zwischen 1 und 6 nm liegen.
Das elektrisch leitende Element kann mit einem keramischen Isolationsmaterial ummantelt sein. Besonders vorteilhaft sind Ummantelungen aus Sic und/oder A1203. Eine Ummantelung aus SiC kann beispielsweise durch eine Beschichtung des elektrisch leitenden Elements mit Silizium gebildet werden, wobei das Silizium mit dem im leitenden Element vorliegenden Kohlenstoff durch Temperung zu keramischem SiC umgesetzt wird. Das keramische Isolationsmaterial dient vorteilhaft dazu, die einzelnen elektrisch leitenden Elemente gegeneinander und gegen ihre Umgebung so zuverlässig zu isolieren, dass auch Spannungsüberschläge und Teilentladungen vermieden werden können . Die Beschichtung kann beispielsweise durch Benetzen mit einer Dispersion und durch anschließendes Trocknen und Ausdampfen des Lösungsmittels erfolgen. Alternativ kann sie beispiels- weise durch Besprühen mit Ausgangsstoffen für die Beschichtung und anschließende Wärmebehandlung, insbesondere zur Bildung von SiC erfolgen.
Bei einer Ausführungsform mit Kohlenstoffnanoröhren enthal- tenden Fasern können die einzelnen Fasern jeweils mit einem keramischen Isolationsmaterial ummantelt sein. Diese Ausführungsform erhöht die Spannungsfestigkeit über die Lebensdauer durch die Vielzahl der Isolationsschichten und ist insbesondere für sehr dynamisch oder hochfrequent betriebene Maschi- nen vorteilhaft. Sie kann die Wechselspielbelastbarkeit bei transienten Vorgängen deutlich erhöhen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen:
Fig. 1 einen schematischen seitlichen Aufriss einer elektrischen Maschine 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt und
Fig. 2 eine entsprechende schematische Darstellung für eine elektrische Maschine 10 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt. Einander entsprechende oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein schematischer seitlicher Aufriss einer elektrischen Maschine 10 nach einem ersten Ausführungsbei - spiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein Ausschnitt einer Rotorwelle 12 und weiterhin ein Ausschnitt eines Rotors 14, der von der Rotorwelle 12 getragen wird und zusammen mit ihr um eine hier nicht dargestellte Rotationsachse beweglich ge- lagert ist. Die Rotationsachse verläuft innerhalb der Papierebene horizontal liegend, unterhalb des in Fig. 1 gezeigten Ausschnitts . Der Rotor 14 umfasst einen Rotorkörper 16 und eine Mehrzahl von in dem Rotorkörper 16 gehaltenen elektrischen Spulenwicklungen 18, die als Erregerspulen eines elektrischen Generators wirken. Ein Haltering 20 umgibt die Spulenwicklungen 18 auf der Außenseite des Rotors 14 und stützt sie gegen radial nach außen wirkende Fliehkräfte. Die elektrischen Spulenwicklungen 18 können beispielsweise aus Kupfer oder anderen normalleitenden Materialien ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich können sie auch supraleitende Materialien enthalten. Die elektrischen Spulenwicklungen 18 sind jeweils mit wenigstens zwei elektrisch leitenden Stromzuführungen an einen außerhalb des Rotors 14 angeordneten Erregerstromkreis angeschlossen. Hierzu werden elektrische Leitungen im Inneren der Rotorwelle 12 in der Nähe der Rotationsachse geführt. Für je- de der Stromzuführungen ist eine Verbindung zwischen der entsprechenden elektrischen Leitung und der zugehörigen elektrischen Spule über ein elektrisch leitfähiges Element 26 vorgesehen. Für Rotoren 14 mit einer Vielzahl von Spulenwicklungen 18 werden also viele Stromzuführungen und viele elektrisch leitfähige Elemente 26 benötigt. In Fig. 1 ist beispielhaft für diese Vielzahl an Stromzuführungen nur ein elektrisch leitfähiges Element 26 dargestellt.
Das elektrisch leitende Element 26 ist mit einem an der Ro- torwelle 12 angeordneten Kontaktstück 24 verbunden. Auch dieses Kontaktstück 24 ist beispielhaft für eine Vielzahl solcher Kontaktstücke 24 zu verstehen, die jeweils mit zugehörigen leitenden Elementen 26 und Spulenwicklungen 18 verbunden sind. Das Kontaktstück 24 ist als radial ausgedehnter Leiter- teil ausgebildet. Im gezeigten Beispiel ist es ein Bolzen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, der den Strom zwischen einem radial innenliegenden Bereich der Rotorwelle 12 und einem radial weiter außenliegenden Bereich leitet. Das Kontaktstück 24 ist über das elektrisch leitende Element 26 mit der zugeordneten elektrischen Spulenwicklung 18a leitfähig verbunden. Das elektrisch leitfähige Element 26 besteht in diesem Beispiel aus zwei Teilstücken 26a und 26b, von denen das erste Teilstück 26a schlaufenförmig gebogen ist und das zweite Teilstück 26b einen im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse verlaufenden Bereich und einen von zwei um etwa 90° gebogenen Bereichen begrenzten kürzeren radial verlau- fenden Bereich umfasst. Beide Teilstücke 26a und 26b enthalten Leiterbündel mit aus Kohlenstoffnanoröhren gebildeten Fasern 28. Im Teilstück 26a sind diese Leiterbündel an dessen Endstücken fest miteinander verbunden, im mittleren Bereich jedoch gegeneinander beweglich angeordnet. Hierdurch ist das Teilstück 26a relativ flexibel und kann daher leicht in eine Schlaufenform gebogen werden. Hierdurch wird eine erhöhte Haltbarkeit bei mechanischen Belastungen durch die Fliehkräfte des Rotors erreicht. Die unterschiedlichen Kräfte, die an dem im Wesentlichen radial verlaufenden Kontaktbolzen 24 und dem zum großen Teil axial verlaufenden leitenden Element 26 angreifen, werden durch diese Art von Zugentlastung aufgenommen, ohne dass sie zu einer Schädigung des leitenden Elements 26 führen. Beide Leiterstücke 26a und 26b bestehen zu einem großen Teil aus Kohlenstoffnanoröhren-Fasern 28 und sind hierdurch hoch leitfähig und mechanisch sehr robust. Die Kohlenstoffnanoröhren beider Teilstücke 26 und 26b sind in diesem Beispiel mit Iod dotiert, wodurch ein mittlerer spezifischer elektrischer Widerstand unterhalb von 25 μθηπταιη erreicht wird. Die Fasern 28 des zweiten Leiterstücks 26b sind auf der gesamten Leiterlänge relativ fest miteinander verbunden, indem sie zu einem leitenden Seil verflochten sind. Zusätzlich können die Leiterstränge mit einem Vergussmaterial vergossen sein. Insgesamt ist das zweite Leiterstück 26b relativ starr und mechanisch fixiert.
Alternativ kann das relativ starre zweite Leiterstück 26b ein Kohlenstoffnanoröhren enthaltendes Spritzgussteil und oder einen Verbund aus einem metallischen Leiter und Kohlenstoff- nanoröhren enthaltenden Fasern umfassen.
Das zweite Leiterstück 26b verläuft in einem großen Teilbe- reich im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse. In der Nähe der zugehörigen Spulenwicklung 18a weist das zweite Leiterstück einen kurzen radial verlaufenden Bereich auf, durch den die Position zur Kontaktierung an die Spulenwicklung 18a erreicht wird. Hierzu ist zumindest ein Bogen mit einer Rich- tungsänderung um etwa 90° erforderlich. Im gezeigten Beispiel sind sogar zwei solche gebogene Abschnitte vorgesehen.
Beide Teilstücke 26a und 26b des elektrisch leitenden Elements 26 sind auf Ihrer Außenseite mit einem keramischen Iso- lationsmaterial ummantelt. Diese Ummantelung dient der Isolation des leitenden Elements 26 gegen andere benachbart angeordnete leitende Elemente von weiteren Stromzuführungen.
Durch die keramische Ummantelung werden Spannungsüberschläge zu benachbarten Stromzuführungen und/oder zu sonstigen Teilen des Rotors 14 vermieden. In diesem Beispiel enthält das Isolationsmaterial zumindest eine Teilschicht aus Sic, das durch Beschichten des elektrisch leitenden Elements 26 mit Silizium und nachfolgende Umwandlung durch Reaktion mit dem in den Na- noröhren enthaltenen Kohlenstoff erhalten wurde.
Fig. 2 zeigt eine elektrische Maschine 10 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier verbindet ein elektrisch leitendes Element 26 einen auf der Rotorwelle 12 angeordneten radial verlaufenden Kontaktbolzen 24 mit einer zugehörigen Spulenwicklung 18a. Das elektrisch leitende Element 26 ist in diesem Beispiel aus einem einzelnen länglichen Bauteil gefertigt, das aus einer Vielzahl von gebündelten Fasern 28 aus Kohlenstoffnanoröhren gebildet ist. Die Fasern 28 erstrecken sich dabei zum Großteil entlang der vorherrschenden Richtung des Stromtransports. Das leitende Element 26 weist einen im Wesentlichen axial verlaufenden Teilbereich 26c auf der dem Kontaktbolzen 24 zugewandten Sei- te und einen im Wesentlichen radial verlaufenden Teilbereich 26d auf der der Spulenwicklung 18a zugewandten Seite auf. Diese beiden Teilbereiche 26c und 26d sind durch einen um etwa 90° gebogenen Abschnitt 26e verbunden. Hierdurch ergibt sich die typische J-Form des in der Fachwelt als J-Strap bezeichneten leitenden Elements 26.
Die Fasern 28 aus Kohlenstoffnanoröhren sind im elektrisch leitenden Element 26 zu einer Art Seil gebündelt. Bei der Herstellung und Trocknung der Fasern 28 werden sie einer Zugbelastung entlang der Längsrichtung der Fasern ausgesetzt, wodurch ihre elektrische Leitfähigkeit und ihre Zugfestigkeit gestärkt werden. Die Leitfähigkeit der Fasern 28 wird beim nachfolgenden Biegen in die benötigte J-Form durch die vor- teilhaften Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren kaum beeinträchtigt .
Auch in diesem Beispiel ist das elektrisch leitende Element 26 auf der Außenseite mit einer keramischen Isolationsschicht ummantelt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine (10) mit einer Rotorwelle (12) und einem Rotor (14), der von der Rotorwelle (12) getragen wird und zusammen mit ihr um eine Rotationsachse beweglich gelagert ist,
wobei der Rotor (14) wenigstens eine elektrische Spulenwicklung (18a) und wenigstens ein elektrisch leitendes Element (26) umfasst, über das die Spulenwicklung (18a) mit einem Stromkreis leitend verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Element (26) Kohlenstoffnanoröhren enthält.
2. Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, bei der ein an der Rotorwelle (12) angeordnetes Kontaktstück (24) über das elektrisch leitende Element (26) mit der elektrischen Spulenwicklung (18a) leitend verbunden ist.
3. Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der sich das elektrisch leitende Element (26) wenigsten in einem ersten Längenabschnitt (26c) hauptsächlich in einer axialen Richtung erstreckt und sich wenigstens in einem zweiten Längenabschnitt (26d) hauptsächlich in einer radialen Richtung bezüglich der Rotationsachse erstreckt.
4. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) einen oder mehrere gebogene Abschnitte (26e) aufweist.
5. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) wenigstens eine Faser (28) umfasst, wobei jede Faser (28) eine Vielzahl einzelner Kohlenstoffnanoröhren aufweist.
6. Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 5, wobei die mittlere Zerreißfestigkeit der Fasern (28) bei wenigstens 1 GPa liegt .
7. Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 5 oder
6, wobei der spezifische elektrische Widerstand der Fasern (28) im Mittel unterhalb von 100 μθηπταιη liegt.
8. Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 5 bis
7, wobei die Fasern (28) unter Anliegen einer Zugspannung hergestellt und/oder getrocknet sind.
9. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) wenigstens eine Litze, ein Seil und/oder einen Flachleiter aus Kohlenstoffnanoröhren enthaltendem Garn aufweist.
10. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) ein
Kohlenstoffnanoröhren enthaltendes Spritzgussteil umfasst.
11. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) einen Leiterverbund mit einem metallischen Leiter und Kohlenstoff- nanoröhren enthaltenden Fasern (28) aufweist.
12. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kohlenstoffnanoröhren eine Dotierung mit Iod aufweisen.
13. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) zumindest in einem Teilabschnitt (26a) als ein mechanisch fle- xibles Bündel aus mehreren Kohlenstoffnanoröhren aufweisenden Leitersträngen ausgebildet ist.
14. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) mit einem keramischen Isolationsmaterial ummantelt ist.
15. Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 5 bis
8, bei der einzelne Kohlenstoffnanoröhren enthaltende Fasern (28) jeweils mit einem keramischen Isolationsmaterial ummantelt sind.
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