WO2017137250A1 - Elektrischer leiter für eine elektrische maschine mit erhöhtem leistungsgewicht und elektrische komponente für die elektrische maschine - Google Patents

Elektrischer leiter für eine elektrische maschine mit erhöhtem leistungsgewicht und elektrische komponente für die elektrische maschine Download PDF

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WO2017137250A1
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conductor
electrical conductor
metallic
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PCT/EP2017/051427
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Mykhaylo Filipenko
Paul Beasley
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/18—Windings for salient poles

Definitions

  • the invention relates to an electrical conductor and its use, for example, for conducting the electrical current in the application of an electrical machine, for example.
  • an electrical machine for example.
  • the invention relates to a component of the electrical machine, which is equipped with the electrical conductor, for example.
  • a stator or a rotor whose respective winding is realized by means of the electrical conductor.
  • the so-called power to weight ratio can be used, inter alia, which constitutes erbringbare from the engine power into Ver ⁇ relation to their weight and / kg is given arrival usually in kW. While for many technical applications Leis ⁇ processing weights in sizes up to simple truck / kg are sufficient, one needs eg. For the electrification of aviation electrical machines with power weights of at least 20 kW / kg.
  • the current load in the stator of the machine or the current density in the stator windings can be increased.
  • less conductor material is required in the windings with the same power, which reduces the weight of the machine while maintaining the same power.
  • the copper windings forming the stator windings can be cooled during operation.
  • the copper windings can be brought into direct contact with a cooling medium or they are hollowed inside. staltet and the cooling medium is pumped directly through the so ⁇ th shaped cavity.
  • a relatively large contact area between the conductor and cooling medium ⁇ yields to and thus an increased cooling effect, so that a comparatively large amount of heat can be removed. This is reflected in the fact that the electrical lines can transport higher currents.
  • the electrical conductor serves to conduct an electrical current in a current flow direction.
  • the electrical conductor is formed by a multiplicity of metallic conductors which are at least partially surrounded, in particular sheathed, by a graphene layer.
  • the concept underlying the invention is to use ei ⁇ nen electrical conductor, the conventional metallic conductor is surrounded or encased by said graphene layer.
  • AC losses AC losses
  • the metal ⁇ metallic conductor comprises a plurality of separate individual metallic conductors, results in a further reduction of the effect of the current displacement.
  • the electrical conductor can be realized in one embodiment as a stranded conductor having a plurality of individual wires.
  • the combination of stranded conductor and Graphenummantelung the individual wires results in a further improved Leitfä ⁇ ability of the electrical conductor, especially for alternating ⁇ current.
  • the electrical conductor can be realized as a layer stack having a plurality of individual layers and thus forming a film conductor. The individual layers are stacked one above the other in a direction perpendicular to the current flow direction and the plurality of individual layers comprises at least one metalli ⁇ cal layer which forms the metallic conductor, and not only the at least one, but at least two
  • Graphene sheets These individual layers are arranged one above the other such that the metallic layer lies between the two graphene layers and thus the graphene layers at least partially surround the metallic conductor.
  • the particular advantage of such a foil conductor is the simpler and cheaper manufacture since graphs can be producedinstallflä ⁇ chig already.
  • a coating of such a graphene sheet with copper, which then forms the metallic conductor, can be done, for example, with a so-called CVD method.
  • very thin copper layers could be realized much better than in the normal conductor, which leads to a strong reduction of the proximity losses.
  • the plurality of individual layers may comprise a plurality of metallic layers as well as a plurality of graphene layers, wherein the electrical conductor is formed not only by one but by a plurality of metallic conductors.
  • Each me ⁇ -metallic layer forms a metallic conductor.
  • the metallic layers and the graphene layers are arranged alternately one above the other, so that in each case a metallic layer lies between two graphene layers and thus these graphene layers at least partially surround the respective metallic conductor.
  • a further improvement in the conductivity results here from the fact that the electrical conductor has not just one but a plurality of metallic individual conductors.
  • the plurality of individual layers additionally includes heat dissipating layers, in particular ceramic layers, which are arranged in the layer stack, that a respective electrical conductor element is located between each two of the leading blazeab ⁇ layers.
  • the heat dissipating layers which may be formed in particular as ceramic layers, on the one hand allow a better removal of any resulting heat and cause on the other hand, an improved stability of the electrical conductor.
  • at least the uppermost and the lowermost layer of the layer stack may be heat-dissipating layers.
  • An electrical component for the electric machine has a carrying at least in the operating state of the electric machine by electric power in a current flow direction electrical conductor, the electrical conductor by at least one, at least partly surrounded by a graphene layer, in particular coated, metalli ⁇ rule conductor is formed. Due to the improved conductivity of such a particular electrical conductor, the use of this electrical conductor in or for an electric machine promises a significant increase in the power weight.
  • the electrical component may be a stator for the electrical ⁇ specific machine, wherein the electrical conductor used to implement a particular arranged on the stator the stator winding.
  • the electrical component may further be a rotor for the electric machine, wherein the electrical conductor is in ⁇ particular for the realization of a rotor arranged on the winding.
  • the electrical conductor may advantageously be an electrical ⁇ shear ladder with a plurality of metal strands, as already described above.
  • FIG. 1 shows an electrical machine, a cross section of an electrical conductor in a first embodiment, a cross section of the electrical conductor in a first variant of a second embodiment
  • FIG. 5 shows a cross section of the electrical conductor in a third variant of the second embodiment
  • FIG. 6 shows a cross section of the electrical conductor in a third embodiment.
  • the 1 shows exemplary and simplified designed as a ⁇ genera tor electric machine 100.
  • the electric machine 100 can be operated in a similar construction fundamentally ⁇ additionally as an electric motor.
  • the structure of the hereinafter beschrie ⁇ surrounded machine is purely exemplary. It can be known as are out set so that depending on the design of the electrical machine, etc. the various components of the machine may be arranged differently as a generator or as an electric motor and / or as eg. radial or axial flow machine having formed as an inner ⁇ or also as an external rotor rotor.
  • all embodiments have in common that electrical conductors are required for current transport. These electrical conductors and their application in an electric machine represent the actual focus of the invention, while the concrete construction of the machine is not of particular importance. For this reason, details of the electric machine are not discussed.
  • the generator 100 has a stator 110 and a rotor 120 formed as a domestic neninr, the rotor 120 is disposed inside the stator 110, and rotates about an axis of rotation Radiozu ⁇ stand of the electrical machine 100th
  • the rotor 120 can be driven via a shaft 130 and placed in ro tation by means of a motor not represent ⁇ provided.
  • Pole shoes 121 of the rotor 120 represent magnetic poles
  • the stator 110 has a plurality
  • Stator windings 111-1, 111-4 which are respectively arranged on pole pieces 119-1, 119-4 of the stator 110 and wound around this.
  • Each of the windings 111-1, 111-4 is formed by an electrical conductor 112, which flows through in the operating state of the electric machine 100 of a elekt ⁇ step current.
  • the pole shoes 121 of the rotor 120 may be formed, for example, as permanent magnets or as excited Wick ⁇ lungs. The following example assumes that they are permanent magnets.
  • a voltage is induced in the stator windings 111-1, 111-4 of the stator 110 in a known manner, which voltage is supplied via electrical lines 141, 142 to electrical terminals 143, 144 of the generator 100.
  • This induced voltage can be tapped at the terminals 143, 144 and finally made available to an electrical load 200.
  • a clamping voltage source 300 is connected to the terminals 143, 144th This is likewise symbolized in FIG.
  • the voltage source 300 provides ⁇ eg., An AC voltage is available, that causes the stator windings 111-1, 111-4 DEM generate respective magnetic fields which interact with the magnetic fields of the permanent magnets ⁇ 121 of the rotor 120 in exchange effect. As is known, this results in that with a suitable arrangement of said components relative to one another the rotor 120 and with it the shaft 130 are set in rotation.
  • the shaft 130 is connected to an object 500 to be driven, for example with a propeller, which is also set in rotation by the rotation of the rotor 120 and the shaft 130.
  • FIG 2 shows a first embodiment of the erfindungsge ⁇ MAESSEN electrical conductor 112 in a cross-sectional view. An electric current would thus run in the view of FIG 2 in the paper plane or out of this. An electrical conductor 112, from which the respective
  • Stator windings 111-1, 111-4 are formed, consists of a metallic conductor 113, for example.
  • a metallic conductor 113 for example.
  • a copper conductor which is at least partially passed from one graphene layer 114 to ⁇ or encased.
  • the supplement "at least partially surrounded” express that the copper conductor, for example. At the beginning and end is not necessarily of the
  • Graphene layer 114 is covered, so that the conductor 113 can be electrically connected to other components, for example. With the electrical lines 141, 142 and possibly directly to the electrical terminals 143, 144, respectively.
  • the graphene layer 114 may extend substantially completely along the length of the metallic conductor 113, data on but the ends of the metallic conductor 113 as far as non-blank ⁇ revealed that these can be electrically connected to the other components.
  • the electrical conductor 112 is similar to a conventional electrical conductor, which typically includes a metallic conductor, such as a copper conductor, of substantially circular cross-section and an insulating sheath.
  • the herein ver ⁇ applied metallic conductor 113 of the electrical conductor 112 is surrounded with the graphene layer 114 and jacketed.
  • a sheath is characterized in that it extends completely in a circumferential direction around the sheathed conductor completely and also at least as far as possible completely along the longitudinal extent in the current flow direction. A flowing over the copper conductor 113 current is due to the radially outward current displacement in the
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a second embodiment of the electrical conductor 112. An electric current would thus also run into or out of the plane of the paper in this view.
  • the electrical conductor 112 is formed as a foil conductor.
  • the electrical conductor 112 is a layer stack comprising a plurality of individual layers, wherein the individual layers are stacked one above another in a direction x perpendicular to the current flow direction z of the electrical current in the electrical conductor 112.
  • the current flow direction corresponds to the z-direction.
  • the plurality of individual layers has a metallic one
  • Layer 113-1 which forms the metallic conductor 113, as well as two graphene layers 114-1, 114-2.
  • the individual layers 113-1, 114-1, 114-2 are alternately arranged above one another ⁇ so that the metallic layer 113-1 between the two graphene layers 114-1, 114-2 and is the Graphene layers 114-1, 114-2 thus at least partially surround the metallic conductor 113-1.
  • the metallic conductor 113-1 is not encased by the graphene layer, but it is one each
  • Graphene layer 114-1, 114-2 disposed on an upper and a lower side of the metallic conductor 113-1.
  • the film conductor can be defined, for example, by defining the extensions of its individual layers in the respective cross section, i. in the two in the current flow direction z by the single layer perpendicular directions x, y, strongly different from each other, for example. By an order of magnitude or typically even more.
  • the extent of each individual layer in the current flow direction z is typically substantially greater than the extensions in the cross-sectional directions x, y
  • one of the extensions in the cross-sectional directions x, y for example, the extension in the y-direction
  • the layer stack is not only one but several me ⁇ -metallic layers, whereby here each of the metalli ⁇ rule layers 113-1, 113- 2 forms a metallic conductor of the electrical conductor 112.
  • the layer stack has a plurality of graphene layers 114-1, 114-2, 114-3. The metallic layers 113-1, 113-2, 113-3 and the
  • Graphene layers 114-1, 114-2, 114-3 are again arranged alternately one above the other, so that in each case a metallic layer lies between two graphene layers and these
  • Graphene layers 114-1, 114-2, 114-3 thus at least partially surround the respective metallic conductors 113-1, 113-2, namely above and below the respective metallic conductor 113-1, 113-2 are arranged.
  • a third variant of the second embodiment which is shown in FIG. 5 and which corresponds to a development of the second variant, two each form
  • second layers are in the third variant heat dissipating layers 115-1, ... vorgese ⁇ hen.
  • the heat dissipating layers 115-1, ... are arranged in the layer stack such that a respective electrical conductor element lies between in each case two of the heat dissipating layers 115-1,.
  • the various individual layers are arranged such that the individual layers lying in the layer stack at the wide ⁇ th outside, ie in superposed layers, the uppermost and lowermost single ⁇ layer of the layer stack are heat-dissipating layers.
  • the heat dissipating layers in particular as
  • Ceramic layers may be formed that allow on the one hand a better removal of possibly emerging heat and be ⁇ act on the other hand an improved stability of the electrical ⁇ rule manager 112.
  • this is designed as a stranded conductor, which has a plurality of ⁇ number of metallic individual wires 113-1, 113-7.
  • a first variant of the third embodiment is shown in FIG.
  • the individual wires is surrounded or encased in each case by a graphene layer 114-1, 114-7.
  • the electrical lines 141, 142 which extend between the respective stator winding 111 and the terminals 143, 144 of the electric machine 100, constructed in an analogous manner, ie the electrical lines 141, 142 consist of one or more metallic conductors 113, for example. of copper conductors, which at least in part, by a ⁇ graphene layer 114 are surrounded.
  • a suitable method for producing the graphene layers is, for example, the technique for coating copper with graphene, which is known as "microwave plasma chemical vapor deposition.”
  • a technique known as “chemical vapor deposition” or “chemical vapor deposition” is known whose help graphene can be applied to copper.
  • the graphene layer 114 may be surrounded by an insulating varnish (not illustrated here) in order to prevent breakdowns between adjacent conductors at high voltages. Since the conductivity of the graph is dependent ⁇ tung so rich that a current only within the quasi-two-dimensional graphene sheet, but is not directed perpendicular thereto, can be dispensed with under certain circumstances to such insulating lacquer layer. This would have the advantage that the degree of filling of the winding can be increased over conventional approaches with a dedicated insulating layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter, der im Wesentlichen aus einem oder sogar mehreren metallischen Leitern besteht, welche von einer Graphenschicht ummantelt sind. Insbesondere für den Fall, dass der elektrische Leiter einen Wechselstrom transportiert, wird der Strom im Leiter radial nach außen gedrängt und fließt somit in der Graphenschicht. Da Graphen eine wesentlich bessere Leitfähigkeit aufweist als die in dieser Anwendung gängigen Materialien wie bspw. Kupfer, ergeben sich entsprechend geringere Verluste und es lassen sich wesentlich höhere Wirkungsgrade erzielen. Der so aufgebaute elektrische Leiter wird in einer Stator- und/oder Rotorwicklung einer elektrischen Maschine eingesetzt, so dass diese ein signifikant erhöhtes Leistungsgewicht aufweist.

Description

Beschreibung
Elektrischer Leiter für eine elektrische Maschine mit erhöhtem Leistungsgewicht und elektrische Komponente für die elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter und dessen Verwendung, bspw. zum Leiten des elektrischen Stroms im Anwendungsfall einer elektrischen Maschine, bspw. für einen Ge- nerator oder für einen Elektromotor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil der elektrischen Maschine, welches mit dem elektrischen Leiter ausgestattet ist, bspw. einen Stator oder einen Rotor, dessen jeweilige Wicklung mittels des elektrischen Leiters realisiert ist.
Zur Klassifizierung einer elektrischen Maschine kann unter anderem das sogenannte Leistungsgewicht verwendet werden, welches die von der Maschine erbringbare Leistung ins Ver¬ hältnis zu ihrem Gewicht setzt und in der Regel in kW/kg an- gegeben wird. Während für viele technische Anwendungen Leis¬ tungsgewichte in Größenordnungen bis zu lkW/kg ausreichend sind, benötigt man bspw. für die Elektrifizierung der Luftfahrt elektrische Maschinen mit Leistungsgewichten von mindestens 20kW/kg.
Zur Erhöhung der Leistungsdichte von elektrischen Maschinen kann bspw. der Strombelag im Stator der Maschine bzw. die Stromdichte in den Statorwindungen erhöht werden. Dies hat zur Folge, dass in den Windungen bei gleicher Leistung weni- ger Leitermaterial benötigt wird, wodurch sich das Gewicht der Maschine bei weiterhin gleicher Leistung reduziert.
Um die Stromdichte von üblichen Werten wie bspw. 2-10A/mm2 auf Größenordnungen von 25-100A/mm2 zu erhöhen, können in ei- nem ersten Ansatz die die Statorwindungen bildenden Kupferwicklungen während des Betriebes gekühlt werden. Zu diesem Zweck können die Kupferwicklungen in direkten Kontakt mit einem Kühlmedium gebracht werden oder sie werden innen hohl ge- staltet und das Kühlmedium wird direkt durch den so gebilde¬ ten Hohlraum gepumpt. In beiden Fällen ergibt sich eine vergleichsweise große Berührfläche zwischen Leiter und Kühlmedi¬ um und damit eine erhöhte Kühlwirkung, so dass vergleichswei- se viel Wärme abtransportiert werden kann. Dies schlägt sich darin nieder, dass die elektrischen Leitungen höhere Ströme transportieren können. In einem zweiten Ansatz zur Erhöhung der Stromdichte werden kryogen gekühlte, ggf. sogar supralei¬ tende elektrische Leiter verwendet, deren elektrischer Wider- stand mit der Umgebungstemperatur signifikant abnimmt. Da¬ durch reduzieren sich die Verluste im Leiter, resultierend in vergleichsweise hohen Stromdichten.
Bei beiden Ansätzen, die letztlich auf einer Kühlung des je- weiligen elektrischen Leiters basieren, wirkt sich jedoch nachteilig aus, dass zur Kühlung des Leiters ein erhöhter Aufwand notwendig ist. Desweiteren sind insbesondere beim in¬ nengekühlten Hohlleiter die elektrischen Verluste vergleichsweise hoch und dadurch der Wirkungsgrad gering.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Möglichkeit anzugeben, das Leistungsgewicht einer elektrischen Maschine zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 beschriebenen elektrischen Leiter und dessen Verwendung sowie durch die in Anspruch 7 beschriebene elektrische Komponente für eine elektrische Maschine gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
Der elektrische Leiter dient zum Leiten eines elektrischen Stroms in einer Stromflussrichtung. Dabei ist der elektrische Leiter durch eine Vielzahl von jeweils zumindest teilweise von einer Graphenschicht umgebenen, insbesondere ummantelten, metallischen Leitern gebildet.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept liegt darin, ei¬ nen elektrischen Leiter zu verwenden, dessen herkömmlicher metallischer Leiter von der genannten Graphenschicht umgeben bzw. ummantelt ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass insbesondere Wechselstromverluste (AC-Verluste) eines solchen elektrischen Leiters gegenüber herkömmlichen Leitern um Fak- toren in einer Größenordnung von 100 reduziert sind. Dies resultiert daraus, dass der über den elektrischen Leiter fließende Strom aufgrund der radial nach außen wirkenden Stromverdrängung die Graphenschicht gedrängt wird. Da Graphen eine wesentlich bessere Leitfähigkeit aufweist als die in dieser Anwendung gängigen Materialien wie bspw. Kupfer, ergeben sich entsprechend geringere Verluste und es lassen sich wesentlich höhere Wirkungsgrade erzielen. Auch dadurch, dass der metal¬ lische Leiter eine Vielzahl von separaten metallischen Einzelleitern aufweist, ergibt sich eine weitere Reduzierung des Effekts der Stromverdrängung.
Konsequenterweise verspricht die Verwendung eines solchen elektrischen Leiters an Stelle der typischerweise eingesetz¬ ten elektrischen Leiter, die bspw. aus einem von einem Isola- tor umgebenen Kupferdraht bestehen, für eine Komponente einer elektrischen Maschine ein signifikant erhöhtes Leistungsge¬ wicht der diese elektrische Komponente aufweisenden elektri¬ schen Maschine. Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich aufgrund der gegenüber herkömmlichen Materialien ebenfalls besseren Wärmeleitfähigkeit von Graphen eine weniger aufwändige Kühlung.
Der elektrische Leiter kann in einer Ausführungsform als ein eine Vielzahl von Einzeldrähten aufweisender Litzenleiter realisiert sein. Dabei bildet jeder der Einzeldrähte des Lit¬ zenleiters einen der metallischen Leiter, welche von Graphen umgeben sind. Demnach sind die Einzeldrähte jeweils zumindest teilweise von einer Graphenschicht umgeben bzw. ummantelt. Die Kombination aus Litzenleiter und Graphenummantelung der Einzeldrähte resultiert in einer weiter verbesserten Leitfä¬ higkeit des elektrischen Leiters, insbesondere für Wechsel¬ strom. Der elektrische Leiter kann in einer weiteren Ausführungsform als ein eine Vielzahl von Einzelschichten aufweisender und so einen Folienleiter bildender Schichtstapel realisiert sein. Dabei sind die Einzelschichten in einer zur Stromflussrichtung senkrechten Richtung übereinander gestapelt sind und die Vielzahl von Einzelschichten umfasst zumindest eine metalli¬ sche Schicht, welche den metallischen Leiter bildet, sowie nicht nur die zumindest eine, sondern zumindest zwei
Graphenschichten. Diese Einzelschichten sind derart übereinander angeordnet, dass die metallische Schicht zwischen den beiden Graphenschichten liegt und die Graphenschichten den metallischen Leiter somit zumindest teilweise umgeben. Der besondere Vorteil eines solchen Folienleiters ist die einfa- chere und günstigere Herstellung, da Graphen bereits großflä¬ chig hergestellt werden kann. Eine Beschichtung einer solchen Graphenfolie mit Kupfer, welches dann den metallischen Leiter bildet, kann bspw. mit einem sogenannten CVD-Verfahren erfolgen. Insbesondere würden sich sehr dünne Kupferschichten we- sentlich besser realisieren lassen als beim normalen Leiter, was zu einer starken Reduktion der Proximityverluste führt.
Insbesondere kann die Vielzahl von Einzelschichten mehrere metallische Schichten sowie mehrere Graphenschichten umfas- sen, wobei der elektrische Leiter nicht nur durch einen, sondern durch mehrere metallische Leiter gebildet ist. Jede me¬ tallische Schicht bildet dabei einen der metallischen Leiter. Die metallischen Schichten und die Graphenschichten sind abwechselnd übereinander angeordnet, so dass jeweils eine me- tallische Schicht zwischen zwei Graphenschichten liegt und diese Graphenschichten den jeweiligen metallischen Leiter somit zumindest teilweise umgeben. Neben den oben genannten Vorteilen des Folienleiters ergibt sich hier eine weitere Verbesserung der Leitfähigkeit dadurch, dass der elektrische Leiter nicht nur einen, sondern eine Vielzahl von metallischen Einzelleitern aufweist. Im Fall des Folienleiters können in einer Weiterbildung der Ausführungsform jeweils zwei Graphenschichten des Schichtstapels und die zwischen diesen beiden Graphenschichten liegende metallische Schicht ein elektrisches Leiterelement bilden. Die Vielzahl von Einzelschichten weist zusätzlich wärmeabführende Schichten auf, insbesondere Keramikschichten, die derart im Schichtstapel angeordnet sind, dass ein jeweiliges elektrisches Leiterelement zwischen jeweils zwei der wärmeab¬ führenden Schichten liegt. Die wärmeabführenden Schichten, die insbesondere als Keramiklagen ausgebildet sein können, erlauben zum Einen einen besseren Abtransport von ggf. entstehender Wärme und bewirken zum Anderen eine verbesserte Stabilität des elektrischen Leiters. Dabei können zumindest die oberste und die unterste Schicht des Schichtstapels wärmeabführende Schichten sein.
Eine elektrische Komponente für die elektrische Maschine weist einen zumindest im Betriebszustand der elektrischen Ma- schine von elektrischem Strom in einer Stromflussrichtung durchflossenen elektrischen Leiter auf, wobei der elektrische Leiter durch zumindest einen, zumindest teilweise von einer Graphenschicht umgebenen, insbesondere ummantelten, metalli¬ schen Leiter gebildet ist. Aufgrund der verbesserten Leitfä- higkeit eines solchen speziellen elektrischen Leiters verspricht die Verwendung dieses elektrischen Leiters in bzw. für eine elektrische Maschine eine signifikante Erhöhung des Leistungsgewichts . Die elektrische Komponente kann ein Stator für die elektri¬ sche Maschine sein, wobei der elektrische Leiter insbesondere zur Realisierung einer am Stator angeordneten Statorwicklung dient . Die elektrische Komponente kann desweiteren ein Rotor für die elektrische Maschine sein, wobei der elektrische Leiter ins¬ besondere zur Realisierung einer am Rotor angeordneten Wicklung ist. Der elektrische Leiter kann vorteilhafterweise ein elektri¬ scher Leiter mit einer Vielzahl von metallischen Einzelleitern sein, wie er oben bereits beschrieben wurde.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausfüh- rungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. zeigen :
1 eine elektrische Maschine, einen Querschnitt eines elektrischen Leiters in einer ersten Ausführungsform, einen Querschnitt des elektrischen Leiters in einer ersten Variante einer zweiten Ausführungsform,
FIG 4 einen Querschnitt des elektrischen Leiters in einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform,
FIG 5 einen Querschnitt des elektrischen Leiters in einer dritten Variante der zweiten Ausführungsform, FIG 6 einen Querschnitt des elektrischen Leiters in einer dritten Ausführungsform.
Die FIG 1 zeigt exemplarisch und vereinfacht eine als Genera¬ tor ausgebildete elektrische Maschine 100. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 100 in ähnlichem Aufbau grund¬ sätzlich auch als Elektromotor betrieben werden kann. Weiterhin sei angemerkt, dass der Aufbau der im Folgenden beschrie¬ benen Maschine rein exemplarisch ist. Es kann als bekannt vo- rausgesetzt werden, dass je nach Ausbildung der elektrischen Maschine als Generator oder als Elektromotor und/oder als bspw. Radial- oder Axialflussmaschine mit einem als Innen¬ oder auch als Außenläufer ausgebildeten Rotor etc. die ver- schiedenen Komponenten der Maschine unterschiedlich angeordnet sein können. Sämtlichen Ausführungsformen ist jedoch gemein, dass zum Stromtransport elektrische Leiter benötigt werden. Diese elektrischen Leiter und ihre Anwendung in einer elektrischen Maschine stellen den eigentlichen Schwerpunkt der Erfindung dar, während der konkrete Aufbau der Maschine nicht von besonderer Bedeutung ist. Aus diesem Grund wird auf Details der elektrischen Maschine nicht eingegangen.
Der Generator 100 weist einen Stator 110 sowie einen als In- nenläufer ausgebildeten Rotor 120 auf, wobei der Rotor 120 innerhalb des Stators 110 angeordnet ist und im Betriebszu¬ stand der elektrischen Maschine 100 um eine Rotationsachse rotiert. Hierzu kann der Rotor 120 mit Hilfe eines nicht dar¬ gestellten Motors über eine Welle 130 angetrieben bzw. in Ro- tation versetzt werden. Polschuhe 121 des Rotors 120 stellen magnetische Pole dar und der Stator 110 weist mehrere
Statorwicklungen 111-1, 111-4 auf, die jeweils an Polschuhen 119-1, 119-4 des Stators 110 angeordnet bzw. um diesen gewickelt sind. Jede der Wicklungen 111-1, 111-4 wird durch einen elektrischen Leiter 112 gebildet, der im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 von einem elekt¬ rischen Strom durchflössen wird. Die Polschuhe 121 des Rotors 120 können bspw. als Permanentmagnete oder als erregte Wick¬ lungen ausgebildet sein. Im Folgenden wird exemplarisch ange- nommen, dass es sich um Permanentmagnete handelt.
Bei Rotation des Rotors 120 wird in den Statorwicklungen 111- 1, 111-4 des Stators 110 in bekannter Weise eine Spannung induziert, welche über elektrische Leitungen 141, 142 elekt- rischen Anschlüssen 143, 144 des Generators 100 zugeführt wird. Diese induzierte Spannung kann an den Anschlüssen 143, 144 abgegriffen und schließlich einem elektrischen Verbraucher 200 zur Verfügung gestellt werden. Zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor wird anstelle des elektrischen Verbrauchers 200 eine Span¬ nungsquelle 300 an die Anschlüsse 143, 144 angeschlossen. Dies ist ebenfalls in der FIG 1 symbolisiert. Die Spannungs¬ quelle 300 stellt bspw. eine Wechselspannung zur Verfügung, die bewirkt, dass die Statorwicklungen 111-1, 111-4 dem- entsprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnet¬ feldern der Permanentmagnete 121 des Rotors 120 in Wechsel- Wirkung treten. Dies resultiert bekanntermaßen darin, dass bei geeigneter Anordnung der genannten Komponenten zueinander der Rotor 120 und mit ihm die Welle 130 in Rotation versetzt werden. Die Welle 130 ist mit einem anzutreibenden Objekt 500 verbunden, bspw. mit einem Propeller, welches durch die Rota- tion des Rotors 120 und der Welle 130 ebenfalls in Rotation versetzt wird.
Die FIG 2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsge¬ mäßen elektrischen Leiters 112 in einer Querschnittsansicht. Ein elektrischer Strom würde also in der Ansicht der FIG 2 in die Papierebene hinein bzw. aus dieser heraus laufen. Ein elektrischer Leiter 112, aus dem die jeweiligen
Statorwicklungen 111-1, 111-4 gebildet sind, besteht aus einem metallischen Leiter 113, bspw. aus einem Kupferleiter, welcher zumindest teilweise von einer Graphenschicht 114 um¬ geben bzw. ummantelt ist. Dabei soll die Ergänzung „zumindest teilweise umgeben" ausdrücken, dass der Kupferleiter bspw. an dessen Anfang und Ende nicht zwangsläufig von der
Graphenschicht 114 bedeckt ist, so dass der Leiter 113 elekt- risch mit anderen Komponenten, bspw. mit den elektrische Leitungen 141, 142 bzw. ggf. direkt mit den elektrischen Anschlüssen 143, 144, verbunden werden kann. Bspw. kann sich die Graphenschicht 114 weitestgehend vollständig entlang der Längserstreckung des metallischen Leiters 113 erstrecken, da- bei aber die Enden des metallischen Leiters 113 soweit unbe¬ deckt lassen, dass diese elektrisch mit den weiteren Komponenten verbunden werden können. In der ersten Ausführungsform ähnelt der elektrische Leiter 112 einem herkömmlichen elektrischen Leiter, der typischerweise einen metallischen Leiter, bspw. einen Kupferleiter, mit im Wesentlichen rundem Querschnitt sowie eine isolierende Ummantelung aufweist. Im Unterschied hierzu ist der hier ver¬ wendete metallische Leiter 113 des elektrischen Leiters 112 mit der Graphenschicht 114 umgeben bzw. ummantelt. Dabei zeichnet sich eine Ummantelung dadurch aus, dass sie sich in einer Umfangsrichtung um den ummantelten Leiter vollständig und zudem entlang der Längserstreckung in der Stromflussrichtung zumindest weitestgehend vollständig erstreckt. Ein über den Kupferleiter 113 fließender Strom wird aufgrund der radial nach außen wirkenden Stromverdrängung in die
Graphenummantelung 114 gedrängt. Da Graphen eine wesentlich bessere Leitfähigkeit aufweist als die in dieser Anwendung gängigen Materialien wie bspw. Kupfer, ergeben sich entsprechend geringere Verluste und es lassen sich wesentlich höhere Wirkungsgrade erzielen. Die FIG 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Aus¬ führungsform des elektrischen Leiters 112. Ein elektrischer Strom würde also auch in dieser Ansicht in die Papierebene hinein bzw. aus dieser heraus laufen. In der zweiten Ausführungsform ist der elektrische Leiter 112 als Folienleiter ausgebildet. Der elektrische Leiter 112 ist hierbei ein eine Vielzahl von Einzelschichten aufweisender Schichtstapel, wobei die Einzelschichten in einer zur Stromflussrichtung z des elektrischen Stroms im elektrischen Leiter 112 senkrechten Richtung x übereinander gestapelt sind. Dabei entspricht für den in der FIG 3 dargestellten Abschnitt des elektrischen Leiters 112 die Stromflussrichtung der z-Richtung. In der ersten, einfachsten Variante der zweiten Ausführungsform weist die Vielzahl von Einzelschichten eine metallische
Schicht 113-1, welche den metallischen Leiter 113 bildet, so- wie zwei Graphenschichten 114-1, 114-2 auf. Die Einzelschichten 113-1, 114-1, 114-2 sind abwechselnd übereinander ange¬ ordnet, so dass die metallische Schicht 113-1 zwischen den beiden Graphenschichten 114-1, 114-2 liegt und die Graphenschichten 114-1, 114-2 den metallischen Leiter 113-1 somit zumindest teilweise umgeben. In dieser zweiten Ausführungsform ist also der metallische Leiter 113-1 nicht von der Graphenschicht ummantelt, sondern es ist jeweils eine
Graphenschicht 114-1, 114-2 auf einer Ober- und einer Unterseite des metallischen Leiters 113-1 angeordnet.
Der Folienleiter kann bspw. dadurch definiert werden, dass sich die Erstreckungen seiner Einzelschichten im jeweiligen Querschnitt, d.h. in den beiden auf der Stromflussrichtung z durch die Einzelschicht senkrecht stehenden Richtungen x, y, stark voneinander unterscheiden, bspw. um eine Größenordnung oder typischerweise sogar mehr. Während also die Erstreckung jeder Einzelschicht in Stromflussrichtung z typischerweise ohnehin wesentlich größer ist, als die Erstreckungen in den Querschnittsrichtungen x, y, ist auch eine der Erstreckungen in den Querschnittsrichtungen x, y, bspw. die Erstreckung in y-Richtung, wesentlich größer als die Erstreckung in der jeweils anderen Querschnittsrichtung, in diesem Beispiel also die x-Richtung.
Begriffe wie „oberhalb", „unterhalb", „übereinander" etc. be¬ ziehen sich in diesem Zusammenhang und insbesondere im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform auf diejenige Raum- richtung, in der die Einzelschichten des Schichtstapels die geringste Erstreckung aufweisen. In einer ersten Näherung kann wie oben beschrieben angenommen werden, dass sich die Einzelschichten im Wesentlichen in zwei Raumrichtungen erstrecken, nämlich in Stromflussrichtung, bspw. die z- Richtung, und in einer dazu senkrecht stehenden Richtung, bspw. in der y-Richtung, während sie in der dritten Raumrichtung, in diesem Fall also in x-Richtung, eine vergleichsweise geringe Erstreckung aufweisen, also quasi-zweidimensional sind. Die genannten Begriffe „oberhalb", „unterhalb", „über- einander" etc. referenzieren im genannten Beispiel also die x-Richtung . Der besondere Vorteil eines solchen Folienleiters ist die einfachere und günstigere Herstellung, da Graphen bereits großflächig hergestellt werden kann, so dass bspw. eine Kupferschicht bzw. -folie mit einer Graphenschicht beschichtet werden kann. Alternativ ist es auch denkbar, eine
Graphenfolie mit Kupfer zu beschichten, welches dann den me¬ tallischen Leiter bildet. Dies kann bspw. mit einem sogenannten CVD-Verfahren („chemical vapor deposition" bzw. „chemische Gasphasenabscheidung" ) erfolgen. Insbesondere würden sich sehr dünne Kupferschichten wesentlich besser realisieren lassen als bei einem normalen Leiter, was zu einer starken Reduktion der Proximityverluste führt.
In einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform des elektrischen Leiters 112, die in der FIG 4 dargestellt ist, weist der Schichtstapel nicht nur eine, sondern mehrere me¬ tallische Schichten auf, wobei auch hier jede der metalli¬ schen Schichten 113-1, 113-2 einen metallischen Leiter des elektrischen Leiters 112 bildet. Zusätzlich zu den metalli- sehen Schichten 113-1, 113-2 weist der Schichtstapel eine Vielzahl von Graphenschichten 114-1, 114-2, 114-3 auf. Die metallischen Schichten 113-1, 113-2, 113-3 und die
Graphenschichten 114-1, 114-2, 114-3 sind wieder abwechselnd übereinander angeordnet, so dass jeweils eine metallische Schicht zwischen zwei Graphenschichten liegt und diese
Graphenschichten 114-1, 114-2, 114-3 den jeweiligen metallischen Leiter 113-1, 113-2 somit zumindest teilweise umgeben, nämlich oberhalb und unterhalb des jeweiligen metallischen Leiters 113-1, 113-2 angeordnet sind.
Die in der FIG 4 dargestellte Ausführung des elektrischen Leiters 112 weist der Übersichtlichkeit wegen lediglich A=2 metallische Schichten 113-1, 113-2 auf. Natürlich kann die zweite Variante aber auch mit mehr als zwei metallischen Schichten (A>2) und einer dementsprechend höheren Anzahl B von Graphenschichten 114-1, 114-B realisiert werden, wobei in dieser zweiten Variante im Allgemeinen, aber nicht notwendigerweise gelten wird B=A+1. In einer dritten Variante der zweiten Ausführungsform, die in der FIG 5 dargestellt ist und die einer Weiterbildung der zweiten Variante entspricht, bilden jeweils zwei
Graphenschichten 114-1,... des Schichtstapels und die zwischen diesen beiden Graphenschichten 114-1,... liegende metallische Schicht 113-1,... ein elektrisches Leiterelement des elektri¬ schen Leiters 112. Zusätzlich zu den im Zusammenhang mit der zweiten Variante eingeführten Einzelschichten sind in der dritten Variante wärmeabführende Schichten 115-1,... vorgese¬ hen. Die wärmeabführenden Schichten 115-1,... sind derart im Schichtstapel angeordnet, dass ein jeweiliges elektrisches Leiterelement zwischen jeweils zwei der wärmeabführenden Schichten 115-1,... liegt. Dabei sind die verschiedenen Einzel- schichten so angeordnet, dass die im Schichtstapel am weites¬ ten außen liegenden Einzelschichten, d.h. bei übereinander angeordneten Schichten die oberste und die unterste Einzel¬ schicht des Schichtstapels, wärmeabführende Schichten sind. Die wärmeabführenden Schichten, die insbesondere als
Keramiklagen ausgebildet sein können, erlauben zum Einen einen besseren Abtransport von ggf. entstehender Wärme und be¬ wirken zum Anderen eine verbesserte Stabilität des elektri¬ schen Leiters 112. In der konkreten, exemplarischen Ausführung in der FIG 5 weist der Schichtstapel A=2 metallische Schichten 113-1, 113- 2 sowie B=4 Graphenschichten 114-1, 114-B und dementsprechend C=3 wärmeabführende Schichten 115-1, 115-C auf. In einer dritten Ausführungsform des elektrischen Leiters 112 ist dieser als Litzenleiter ausgebildet, welcher eine Viel¬ zahl von metallischen Einzeldrähten 113-1, 113-7 aufweist. Eine erste Variante der dritten Ausführungsform ist in der FIG 6 dargestellt. In dieser ersten Variante ist zumindest einer der Einzeldrähte, idealerweise aber jeder einzelne der Einzeldrähte, jeweils von einer Graphenschicht 114-1, 114- 7 umgeben bzw. ummantelt. Idealerweise sind auch die elektrischen Leitungen 141, 142, die sich zwischen der jeweiligen Statorwicklung 111 und den Anschlüssen 143, 144 der elektrischen Maschine 100 erstrecken, in analoger Weise aufgebaut, d.h. die elektrischen Lei- tungen 141, 142 bestehen aus einem oder mehreren metallischen Leitern 113, bspw. aus Kupferleitern, welche zumindest teil¬ weise von einer Graphenschicht 114 umgeben sind.
Ein zur Erzeugung der Graphenschichten geeignetes Verfahren ist bspw. die mit „Microwave plasma chemical vapor depositi- on" bezeichnete Technik zur Beschichtung von Kupfer mit Graphen. Alternativ ist eine mit „chemical vapor deposition" oder auch „chemische Gasphasenabscheidung" bezeichnete Technik bekannt, mit deren Hilfe Graphen auf Kupfer aufgebracht werden kann.
Ggf. kann die Graphenschicht 114 in den verschiedenen Ausführungen und Varianten von einem hier jedoch nicht dargestellten Isolierlack umgeben sein, um zu verhindern, dass es bei hohen Spannungen zu Durchschlägen zwischen benachbarten Leitern kommt. Da die Leitfähigkeit von Graphen derart rich¬ tungsabhängig ist, dass ein Strom lediglich innerhalb der quasi-zweidimensionalen Graphenschicht, nicht jedoch senkrecht dazu geleitet wird, kann auf eine solche isolierende Lackschicht u.U. verzichtet werden. Dies hätte den Vorteil, dass der Füllgrad der Wicklung gegenüber herkömmlichen Ansätzen mit dedizierter Isolierschicht erhöht werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Leiter (112) zum Leiten eines elektrischen Stroms in einer Stromflussrichtung (z), wobei der elektrische Leiter (112) durch eine Vielzahl von jeweils zumindest teilweise von einer Graphenschicht (114) umgebenen metallischen Leitern (113, 113-1, 113-2, ...) gebildet ist.
2. Elektrischer Leiter (112) nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der elektrische Leiter (112) ein eine Vielzahl von Einzeldrähten aufweisender Litzenleiter ist, wobei jeder der Einzeldrähte einen der metallischen Leiter (113-1, 113-2, ...) bildet.
3. Elektrischer Leiter (112) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (112) ein eine Vielzahl von Einzelschichten aufweisender Schichtstapel ist, wobei
- die Einzelschichten in einer zur Stromflussrichtung (z) senkrechten Richtung (x) übereinander gestapelt sind,
- die Vielzahl von Einzelschichten zumindest eine metallische Schicht (113-1), welche den metallischen Leiter (113) bildet, sowie zumindest zwei Graphenschichten (114-1, 114-2) umfasst,
- die Einzelschichten derart übereinander angeordnet sind, dass die metallische Schicht (113-1) zwischen den beiden Graphenschichten (114-1, 114-2) liegt.
4. Elektrischer Leiter (112) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Einzelschichten mehrere me¬ tallische Schichten (113-1, 113-2, ...) sowie mehrere
Graphenschichten (114-1, 114-2, ...) umfasst und der elektrische Leiter (112) durch mehrere metallische Leiter (113) ge¬ bildet ist, wobei
- jede metallische Schicht (113-1, 113-2, ...) einen der metal¬ lischen Leiter bildet,
- die metallischen Schichten (113-1, 113-2, ...) und die
Graphenschichten (114-1, 114-2, ...) abwechselnd übereinander angeordnet sind, so dass jeweils eine metallische Schicht (113-1, 113-2, ...) zwischen zwei Graphenschichten (114-1, 114- 2, ...) liegt.
5. Elektrischer Leiter (112) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Graphenschichten (114-1,
114-2, ...) des Schichtstapels und die zwischen diesen beiden Graphenschichten (114-1, 114-2, ...) liegende metallische
Schicht (113-1, 113-2, ...) ein elektrisches Leiterelement bil¬ den, wobei die Vielzahl von Einzelschichten zusätzlich wärme- abführende Schichten (115-1, 115-2, ...) , insbesondere
Keramikschichten, aufweist, die derart im Schichtstapel ange¬ ordnet sind, dass ein jeweiliges elektrisches Leiterelement zwischen jeweils zwei der wärmeabführenden Schichten (115-1,
115-2, ...) liegt.
6. Elektrischer Leiter (112) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste (115-1) und die unterste Schicht (115-3) des Schichtstapels wärmeabführende Schichten sind.
7. Elektrische Komponente (110, 120) für eine elektrische Ma¬ schine (100), wobei die Komponente einen zumindest im Be¬ triebszustand der elektrischen Maschine (100) von elektri¬ schem Strom in einer Stromflussrichtung (z) durchflossenen elektrischen Leiter (112) aufweist, wobei der elektrische Leiter (112) durch zumindest einen, zumindest teilweise von einer Graphenschicht (114) umgebenen metallischen Leiter (113) gebildet ist.
8. Elektrische Komponente (110, 120) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente ein Stator (110) für die elektrische Maschine (100) ist, wobei der elektrische Leiter (112) eine am Stator (110) angeordnete Statorwicklung (111-1, 111-2, ...) ist.
9. Elektrische Komponente (110, 120) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente ein Rotor (120) für die elektrische Maschine (100) ist, wobei der elektrische Leiter (112) eine am Rotor (120) angeordnete Wicklung ist.
10. Elektrische Komponente (110, 120) nach einem der Ansprü- che 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische
Leiter (112) ein elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.
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