WO2017211561A1 - Elektrischer leiter mit mehreren durch matrixmaterial getrennten teilleitern - Google Patents

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WO2017211561A1
WO2017211561A1 PCT/EP2017/061909 EP2017061909W WO2017211561A1 WO 2017211561 A1 WO2017211561 A1 WO 2017211561A1 EP 2017061909 W EP2017061909 W EP 2017061909W WO 2017211561 A1 WO2017211561 A1 WO 2017211561A1
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matrix material
conductors
electrical conductor
electrical
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PCT/EP2017/061909
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Mykhaylo Filipenko
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to an electrical conductor for winding a coil of a stator of an electrical machine. Furthermore, the invention relates to a conductor composite with a plurality of such conductors and an electrical machine having a stator winding with at least one such conductor. Moreover, the invention relates to a manufacturing method for such a conductor.
  • Stator windings wound from normal conducting electrical conductors This is typically the case even when superconducting materials are used in the windings of the rotor, because the use of superconductors in the stator is usually not advantageous due to the generally relatively high AC losses.
  • the electrical conductors of the normally-conductive stator windings are based on the prior art on copper as a conductor material, wherein usually a lot of ⁇ number of copper strands are stranded into a common conductor strand. The mechanical strength of such a cable structure results from the mechanical stress between the individual strands. As a result, the mobility of the strand sections against each other is severely limited.
  • the strands of the conductor can also be lapped around a fluid cooling medium for better heat dissipation, for example, from a thermally highly conductive oil.
  • the ac losses incurred in the operation of such an electrical machine in particular the proportion of eddy current losses - are decisively used in the stator by the thickness of the individual conductor of the used Multifilament conductor influenced.
  • a high filling factor of the conductive material of the filaments is desirable so that the space requirement of the
  • Stator winding (s) is not unnecessarily high. Also, the Ge ⁇ weight of the stator winding (s) is not to be gestei ⁇ siege by an undesirably high proportion of the filaments surrounding material.
  • stator windings may be advantageous to also cool the stator windings to a cryogenic temperature in an electrical machine with a cryogenic superconducting rotor, even if they are normally conducting. Such cooling results in a very low resistance in the metallic conductors of the filaments with sufficient purity.
  • a particularly suitable material for this purpose is aluminum, since it has a particularly large residual resistance ratio and thus a very high conductivity at low temperature, especially in very high purity.
  • Stator windings with filamentAlb conductors often preferably a direct te flushing of the filaments with a coolant, and an embedding in other solid material is ver ⁇ avoided.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrical conductor with a plurality of sub-conductors, which mentioned
  • an electric conductor is to be provided which is suitable for the production of stator windings in electrical machines, has the low AC losses and in which the resulting heat in the individual sub-conductor can be efficiently till ⁇ leads. At the same time, this conductor should be easy to manufacture.
  • the electrical conductor according to the invention is suitable for the Wick ⁇ development of a coil of a stator of an electrical machine. It comprises several sub-conductors made of a material which normally conducts at 4.2 K, these sub-conductors being separated from one another by a more electrically resistively normal-conducting matrix material.
  • the matrix material has a lower melting point than the material of the sub-conductors, and the matrix material has a specific thermal conductivity of at least 10 W / m ' K.
  • a significant advantage of the electrical conductor according to the invention is that on the one hand the AC losses are reduced by the division into several sub-conductors and the separation with higher resistive material and on the other hand by the choice of the matrix material nevertheless effective cooling of the conductor is possible.
  • the melting point of the matrix material which is lower than that of the partial conductors, makes it possible to produce the conductor in an easy manner since the matrix material can be poured around the individual conductor parts without their material being melted.
  • the material of the matrix should be electrically higher resistive than the material of the sub-conductors. This should be the case in particular at an operating temperature of the electric machine, which may be, for example, below 78 K, in particular between 15 K and 30 K, for example at 20 K. Regardless of the ratio of the specific resistances at room temperature, in any case at 20 K the material of the matrix should have a higher specific resistance than the material of the partial conductors.
  • the specific resistance is advantageously significantly higher, for example at least two
  • Both the material of the sub-conductors and the material of the matrix should be normally conducting at a temperature of 4.2 K (ie at the boiling point of liquid helium). In particular, it is thus also at temperatures above 4.2 K, in ⁇ example, so at 15 K to 30 K normal conducting.
  • the electrical conductor for the stator winding should therefore be normally conducting. He is thus suitable for a normal in the cryogenic region stator winding of an electric machine.
  • the conductor is suitable for an ormalêtden stator winding of an electrical machine whose stator is operated in a temperature range above 4.2 K. For example, the operating temperature of the stator between 4.2 K and 78 K, in particular in the vicinity of about 20 K.
  • the conductor composite according to the invention according to claim 13 comprises a plurality of electrical conductors according to the invention, which especially against each other can be stranded.
  • the two or more conductors according to the invention can thus be arranged, for example in the manner of conventional wire strands, twisted around the central axis of the superordinate conductor assembly.
  • Such a structure enables the formation of a larger conductor assembly, while reducing the alternating current losses ⁇ compared to a non-stranded Anord ⁇ voltage of the individual conductors.
  • the electric machine according to the invention according to ⁇ demanding 14 comprises a rotor and a stator.
  • the stator has at least one stator winding with at least ei ⁇ nem electrical conductor according to the invention.
  • the production method according to the invention serves to produce an electrical conductor according to the invention. It is characterized by at least one process step, in which the sub-conductors are encapsulated with molten matrix material.
  • This method can be produced in a particularly simple manner, an electrical conductor with the advantages described above.
  • a mechanically strong composite can be formed, in which there is also a very good thermal contact between the conductor parts and the matrix material.
  • Einbet ⁇ tion of the conductor in initially liquid matrix material much better heat dissipation over the matrix material is guaranteed ⁇ makes, as if the conductor and matrix would be connected later in the form of solid elements together.
  • Such educated bond between the conductor elements and the matrix material may be referred to as a "monolithic" ⁇ to, because the bond between these materials as is all of a piece.
  • the Partial leader also no longer against each other or against the matrix material movable.
  • the casting over of the sub-conductors thus also improves the mechanical properties of the resulting electrical conductor. This mechanical strength is advantageous both with regard to the tensile load during the production of the stator winding and with regard to the forces acting during operation of the machine.
  • the individual conductor can at least in one spatial direction, a spatial extent below 200 ym, the ⁇ particular between 5 ym and ym have 200. Particularly advantageous, this spatial extent can be below 50 ym.
  • Such a fine segmentation is advantageous to achieve (insbeson ⁇ particular the eddy current losses) compared to non-shared among ⁇ conductors or conductors with thicker filaments, a significant reduction in the AC losses.
  • the sub-conductors may advantageously be formed from a material comprising copper, aluminum and / or carbon nanotubes.
  • the materials mentioned have a particularly high specific conductivity, in particular also in the aforementioned range of operating temperatures of an electrical machine.
  • aluminum and carbon nanotubes have a particularly low density, making them particularly suitable as conductor materials for machines with high power densities. Such machines with particularly high power densities are needed in particular for drives of aircraft. But also for drives of other vehicles high power densities are generally advantageous.
  • the material of the conductor can be particularly advantageous high ⁇ pure aluminum. This may advantageously be so pure that it has a residual resistance ratio of at least 1000.
  • the residual resistance ratio is the ratio of the resistance of a material at 293 Kelvin in relation to its reflection is to be understood generally ⁇ stand at 4 Kelvin PRESENT context. Particularly advantageously, the residual resistance ratio can even be above 10000. A range between 1000 and 20,000 seems realistic for high-purity aluminum. For this purpose, the purity of aluminum in the filaments are at least 5 N, in other words, the hydrogen purity at least 99, ⁇ carry 999% Be.
  • the matrix material may be a material generally advantageous, which has a melting point of at most 600 ° C, in particular ⁇ sondere only at most 400 ° C. Such a low-melting material is particularly suitable for the novel process len the electrical conductor ⁇ rule herzustel-.
  • the material may preferably be such a low-melting metallic material, ie a metal or a metallic alloy. It may alternatively also be a composite material with at least one such low-melting component.
  • examples play be present within the matrix material a Materialkompo ⁇ component having particularly high thermal conductivity in comparison ⁇ composite with another material component with particularly nied ⁇ rigem melting point.
  • the matrix material may comprise an alkali metal and / or an alkaline earth metal.
  • Such metals have general ⁇ my a relatively low melting point, and they are relatively easy in comparison to other metals of the same period.
  • Particularly suitable of these metals are lithium, potassium, magnesium and calcium.
  • tin is particularly suitable as a metallic component of a particularly low-melting metallic alloy.
  • the matrix material may preferably have a density of at most 2 g / m 3 . With such a material, a low-density conductor can be manufactured as a whole, whereby a high power density machine can be obtained.
  • the matrix material may advantageously have a higher ductility than the material of the sub-conductors.
  • the matrix material may have a modulus of elasticity between 5 GPa and 50 GPa and / or a Mohs hardness between 0.5 and 3.
  • Such a configuration is advantageous because then a flexible conductor is obtained which is well suited for winding electrical coils. This may also be the case when the material of the conductor is relatively brittle per se. This brittleness is then partially compensated by the embedding in the ductile matrix material.
  • the entire electrical conductor may advantageously have a diameter of between 500 ⁇ through ym and 5 mm. Conductors of such diameters are well suited to the manufacture of
  • Stator windings in electrical machines It is also possible for a plurality of such conductors to be present in a conductor network and used as such for producing the windings.
  • the individual sub-conductors of the electrical conductor can optionally be twisted against each other. They can, for example, be twisted against each other about the longitudinal axis of the conductor. Alternatively, it is also possible that the sub-conductors within the conductor in each case réellere ⁇ ck parallel to the longitudinal axis and within the conductor are not twisted against each other. In such cases, it is advantageous if then several conductors are stranded against each other within a ladder network. Such torsion of the sub-conductors and / or conductors in such a composite is generally advantageous to reduce AC losses.
  • the electrical conductor may advantageously have at least 100, be ⁇ Sonders advantageously have at least 1,000 partial conductors.
  • the individual sub-conductors can advantageously be designed in each case as elongated filaments.
  • the conductor is then subdivided into a multiplicity of fine wires, wherein the wires are largely electrically separated from one another by the matrix material due to its comparatively poor conductivity.
  • a conductor in such an embodiment can be manufactured particularly well with the inventive method in which the individual filaments are arranged in the desired configuration (ie, for example parallel to each other tensioned or already played stranded) and then ge ⁇ jointly cast around the matrix material.
  • the individual sub-conductors may be formed as layers which are arranged in a stack and in each case by intervening
  • the individual conductor may be formed, for example, as an elongated films made ⁇ , which in turn may be separated by similar elongated Foli ⁇ s from the matrix material.
  • Layer thickness between 5 ym and 30 ym have. In one of these Similar layer thickness range is given a reliable electrical separation of the sub-conductor, while at the same time a high fill factor of conductor material in the overall conductor can be achieved.
  • the conductor can be designed so that the material of the sub-conductors in the cross-sectional profile of the conductor has a fill factor of at least 25%, in particular between 25% and 40%.
  • a fill factor can be achieved, for example, either by casting filaments over with matrix material or by stacking thin films of matrix material between conductor films.
  • the ratio of the specific conductivity of the conductor elements and of the matrix material at the operating temperature of the electrical machine can be generally advantageous in Wenig ⁇ least 1000, in particular at least 10,000, or even at least 100,000. In such a conductivity ⁇ ratio sufficient to reduce the AC losses electrical separation of the individual conductor elements can be effected.
  • Such a large ratio of specific conductivities can be achieved temperature for said cryogenic Radiotempe- with such a metallic matrix materials at room temperature for a substantially smaller difference from the specific conductivity of the Lei ⁇ termaterials part of the conductor would be present. It is therefore based on the finding that for many metallic matrix materials, the conductivity only slightly increases when cooled to cryogenic temperatures, while it is significantly increased for suitable materials of the conductor, for example silver or copper during cooling.
  • cooling to the cryogenic operating temperature therefore can be advantageously greatly fourth intensify ⁇ in such metal- metallic matrix materials of the difference in conductivity to the matrix material by cooling.
  • the electrically separating properties of the matrix material then suffice for the cryogenic operating temperature. in order to concentrate the current flow in the sub-conductors and thus to reduce the AC losses.
  • the sub-conductors can generally be embedded monolithically in the surrounding matrix material.
  • the wording that the conductor elements are "monolithic" Giveawaybet ⁇ tet in the matrix material is intended to mean in the present context that the conductor elements and matrix are in a solid bond with one another, with no empty spaces between the conductor elements and the matrix are formed and the Crystallei ⁇ ter (not even partially) can be moved against the surrounding matrix material. Rather, should Crystallei ⁇ ter and matrix form such a mechanically firm bond with one another, as if they were made of a cast.
  • an additional layer for example a higher resistive barrier layer for additional electrical Iso ⁇ lation.
  • this additional layer is to both to the thereof coated conductor as well as with the surrounding matrix in turn a monolithic composite form. It is intended that all composite of conductor, Matrix ⁇ material and optional intermediate layer be regarding the mecha ⁇ American strength characteristics of a piece. This can be achieved advantageously by encapsulating the sub-conductors with the lower-melting matrix material.
  • the thermal conductivity of the matrix material may generally advantageously be at least 30 W / m K, particularly advantageously even at least 50 W / m K, or even 100 W / m 'K.
  • a particularly good heat dissipation of the conductor can be achieved.
  • this can be used to facilitate cooling of the sub-conductors to a cryogenic operating temperature.
  • the simpler determination should be measured values at room temperature.
  • the electrical machine may comprise either a stator winding in which one or more individual invention shown SSE electrical conductors are wound into a coil. Alterna tively ⁇ but the electric machine can also comprise one or more circuit networks according to claim. 13
  • the rotor is suitably rotatably mounted relative to the stator by means of a rotor shaft.
  • the rotor may in particular be a rotor with at least one superconducting winding.
  • the machine in this embodiment may conveniently comprise a cooling system to cool the superconducting winding to an operating temperature below the critical temperature of the superconductor.
  • the superconductor may in particular be a high-temperature superconductor, for example magnesium diboride, a bismuth-containing high-temperature superconductor of the first generation or a material of the REBa 2 Cu 3 O x type (REBCO for short), where RE is a rare-earth element or a mixture of such elements.
  • the electric machine can be rich ⁇ interpreted by 20 K for an operating temperature of the stator winding (s) is below 78 K, in particular Be.
  • Rotor and stator windings can therefore be arranged in a cryogenic region of the machine to be cooled together. They can be isolated especially in ei ⁇ nem common cryostat against the warm external environment. This can simplify the construction of the machine since rotor and stator can be closer together and do not have to be thermally decoupled from each other.
  • the partial conductors may be encapsulated with matrix material under an inert protective gas, in particular if the matrix material comprises an alkali metal, an alkaline earth metal and / or another oxidation-sensitive material.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrical conductor according to a first example of the invention
  • Figure 2 shows a schematic representation of an electrical conductor according to a second example of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a conductor composite of a plurality of such conductors
  • Figure 4 shows a schematic representation of an electrical machine with stator windings of such conductors.
  • Figure 1 shows a schematic perspective view of a section of an electrical conductor 1 according to a first embodiment of the invention. Shown is a conductor 1, in which a plurality of sub-conductors 3a are embedded in the form of individual filaments in a surrounding matrix material 5. The individual sub-conductors 3a have a diameter d T between 5 ym and 200 ym. It is the
  • the sub-conductors 3a are present in the form of elongated filaments, which are each enclosed by matrix material.
  • the single ⁇ NEN conductor 3a x and z are arranged in a regular pattern in two spatial directions.
  • an orthogonal packing is shown here, but alternatively another type of packing, for example a hexagonal packing of the individual strands of sub-conductors 3a, may alternatively be present.
  • the main current transport direction in the superordinate electrical conductor 1 is the direction denoted y in FIG. 1, ie the current transport runs along the individual filaments 3 a. In the spatial directions perpendicular to it, ie in the x- and z-direction, a current flow between the
  • This alloy has a melting point below 400 ° C. However, it may also be other suitable alloys with correspondingly low melting points. It is only essential that the melting point is sufficiently low to allow the matrix material may be cast around the arranged in the gewünsch ⁇ th pattern conductor 3a around. Thus, a monolithic bond is formed between partial conductors 3 a and matrix material 5 in the resulting electrical conductor 1.
  • the superordinate electrical conductor has a rectangular cross section perpendicular to its main current transport direction.
  • the ladder can be any other one Have cross-sectional profile, it may also be shaped in particular round.
  • the 100 sub-conductors 3a shown in FIG. 1 are only to be understood by way of example and may also be used for a significantly greater number of sub-conductors 3a in the superordinate conductor 1.
  • Such a fine Filamentmaschine, for example, we ⁇ 1000 iquess partial conductors, is advantageous in order to reduce the change ⁇ current losses in the operation of an electrical machine with windings from such conductors.
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of a section of an electrical conductor 1 according to a second embodiment of the invention. Shown is an electrical conductor 1, which is divided into a stack of layer-shaped sub-conductors 3b. The individual layers of sub-conductors 3b are formed of films with a thickness d T between ⁇ 5 ym and 200 ym. Between these conductor films 3b foils are arranged in each case of a matrix material, the egg ne thickness d M of, for example, between 5 and 30 ym ym aufwei ⁇ can sen.
  • the main Stromtrans ⁇ port direction of the parent conductor is the z-direction. Due to its structure as a layer stack, the conductor 1 is therefore subdivided here into individual sub-conductors only in the x-direction. Within each sub-conductor layer thus finds a planar
  • the layers 3b of the sub-conductors can be formed in the example shown of copper or at least with copper as the main component.
  • the intermediate layers of matrix material can have, for example, magnesium as a main component ⁇ part. It is essential that these matrix foils are softer than the foils arranged therebetween. material of the sub-ladder.
  • the matrix material 5 does not have to be introduced by a melting process between the conductive layers 3b.
  • a lower melting point of the matrix material 5 compared to the material of the Operalei ⁇ ter is still advantageous, because with a lower melting point is typically accompanied by a lower hardness of a metal or a metallic alloy. It is generally advantageous if the matrix material 5 is softer than the material of the sub-conductors 3b in order to achieve high ductility in the superordinate electrical conductor 1.
  • the individual conductor layers may be 3b generally advantageous aligned so when used in an electrical machine that they pa ⁇ rallel to the locally prevailing magnetic field direction extend. By such an orientation again AC losses can be reduced.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a conductor assembly 21 with a plurality of electrical conductors 1 in a schematic cross section.
  • These electrical conductor 1 each should be entspre ⁇ accordingly to the present invention designed and constructed as described, for example, may be similar in connection with Figures 1 or second
  • the individual conductors 1 are stranded together and thereby spirally ver ⁇ twisted about a central axis A of the parent conductor assembly 21.
  • seven conductor elements 3a are shown in Figure 3 for each conductor 1, the forms ⁇ here out as filaments and are packed hexagonal.
  • FIG. 4 shows a schematic longitudinal section of an electrical machine 31 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the electrical machine includes a rotor 37 and a stator 33.
  • the rotor 37 is supported by a Rotorwel ⁇ le 39 about a rotation axis 38 rotatably.
  • the rotor shaft 37 is supported via the bearings 40 against the Maschinengeophu ⁇ se 41.
  • Shown is a longitudinal section along the axis of rotation 38.
  • the electric machine may in principle be a motor or a generator or even a machine that can be operated in both modes.
  • the stator 33 has a plurality of stator windings 34, the winding heads 34 a extending in radially outer Be ⁇ rich.
  • the further inner regions of the stator windings 34 between these end windings 33 interact in electromagnetic interaction with a field of the rotor. This interaction takes place via an air gap 36 which lies radially between rotor 37 and stator 33.
  • Stator windings 34 are embedded in the example shown in slots of a stator lamination stack 35, but may also be so-called ⁇ "air gap winding" without lamination stack to be. In the present invention, it is essential that the
  • Stator windings are each wound from electrical conductors 1 according to the invention or from conductor interconnections 21 according to the invention with such conductors 1.
  • the conductors may be constructed similarly as described in connection with FIGS. 1 or 2.
  • a conductor composite with a plurality of electrical conductors can be constructed, for example, as described in connection with FIG.
  • the electric machine of FIG. 4 can have superconducting windings in the rotor 37.
  • the rotor 37 in
  • the un ⁇ terrenz the critical temperature of the superconductor used is.
  • This operating temperature can, for example, at about 20K lie.
  • the cooling can be achieved with a cooling system not shown in detail in the figure.
  • the cryogenic components should also be thermally insulated against the warm environment. In the illustrated exemplary example is this (not shown in detail) thermi ⁇ specific insulation in the exterior of the electrical machine, so that the stator windings 34 are cooled together with the rotor 37 to the cryogenic temperature.
  • the machine 31 may be thermally insulated via the housing 41 to the outside.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Abstract

Es wird ein elektrischer Leiter (1) zur Herstellung einer Statorwicklung (34) eines Stators (33) einer elektrischen Maschine (31) angegeben. Der Leiter (1) umfasst mehrere Teilleiter (3a, 3b) aus einem bei 4,2 K normalleitenden Material, wobei diese Teilleiter (3a, 3b) durch ein elektrisch höher resistives normalleitendes Matrixmaterial (5) voneinander getrennt sind, wobei das Matrixmaterial (5) einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Material der Teilleiter (3a, 3b) und wobei das Matrixmaterial (5) eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 10 W/m.K aufweist. Weiterhin wird Leiterverbund (21) mit mehreren derartigen Leitern (1) angegeben, die gegeneinander verseilt sind. Es wird außerdem eine elektrische Maschine angegeben, die wenigstens eine Statorwicklung (34) mit einem derartigen Leiter aufweist. Schließlich wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leiters (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Elektrischer Leiter mit mehreren durch Matrixmaterial getrennten Teilleitern
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter zur Wicklung einer Spule eines Stators einer elektrischen Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Leiterverbund mit mehreren solchen Leitern und eine elektrische Maschine mit einer Statorwicklung mit wenigstens einem solchen Leiter. Außerdem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Leiter.
Bei bekannten elektrischen Maschinen werden die
Statorwicklungen aus normalleitenden elektrischen Leitern gewickelt. Dies ist typischerweise auch dann der Fall, wenn in den Wicklungen des Rotors supraleitende Materialien zum Einsatz kommen, denn die Verwendung von Supraleitern im Stator ist aufgrund der im allgemeinen relativ hohen Wechselstrom- Verluste meist nicht vorteilhaft. Die elektrischen Leiter der normalleitenden Statorwicklungen basieren nach dem Stand der Technik auf Kupfer als Leitermaterial, wobei meist eine Viel¬ zahl von Kupferlitzen zu einem gemeinsamen Leiterstrang verseilt sind. Die mechanische Festigkeit einer solchen Seil- struktur ergibt sich dabei durch die mechanische Spannung zwischen den einzelnen Litzen. Hierdurch wird die Beweglichkeit der Litzenabschnitte gegeneinander stark eingeschränkt. Zwischen den einzelnen Litzen liegen Zwischenräume vor, die entweder frei bleiben oder mit einem zusätzlichen elektrisch isolierenden festen Material aufgefüllt sein können. Die Litzen des Leiters können auch zur besseren Wärmeabführung von einem fluiden Kühlmedium umspült werden, beispielsweise von einem thermisch gut leitfähigen Öl. Die beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine anfallenden Wechselstromverluste - insbesondere der Anteil der Wirbelstromverluste - werden im Stator entscheidend durch die Dicke der einzelnen Teilleiter des verwendeten Multifilamentleiters beeinflusst . Zur Reduktion der Wechsel¬ stromverluste ist es wünschenswert, den Durchmesser dieser Teilleiter oder Filamente möglichst gering zu halten. Gleichzeitig ist ein hoher Füllfaktor des leitfähigen Materials der Filamente wünschenswert, damit der Platzbedarf der
Statorwicklung (en) nicht unnötig hoch wird. Auch soll das Ge¬ wicht der Statorwicklung (en) nicht durch einen unerwünscht hohen Anteil eines die Filamente umgebenden Materials gestei¬ gert werden.
Es kann vorteilhaft sein, bei einer elektrischen Maschine mit einem tiefkalten supraleitenden Rotor die Statorwicklungen ebenfalls auf eine kryogene Temperatur zu kühlen, selbst wenn diese normalleitend sind. Durch eine solche Kühlung ergibt sich bei genügender Reinheit ein sehr niedriger Widerstand in den metallischen Leitern der Filamente. Ein für diesen Einsatzzweck besonders geeignetes Material ist Aluminium, da es insbesondere in sehr hoher Reinheit ein besonders großes Restwiderstandsverhältnis und somit eine sehr hohe Leitfähig- keit bei tiefer Temperatur aufweist.
Vor allem bei einer Kühlung des Leiters auf eine kryogene Temperatur ist es wichtig, eine effiziente Wärmeabfuhr aus den einzelnen Teilleitern zu bewirken. Deshalb kann eine Ein- bettung der Teilleiter in eine Matrix aus elektrisch isolierendem Material für die Anwendung hinderlich sein, da dann die Matrix oft auch eine ungewollte thermische Isolation be¬ wirkt. Um dies zu vermeiden, wird bei bekannten
Statorwicklungen mit filamentisierten Leitern oft eine direk- te Umspülung der Filamente mit einem Kühlmittel bevorzugt, und eine Einbettung in ein anderes festes Material wird ver¬ mieden .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrischen Leiter mit mehreren Teilleitern anzugeben, welches die genannten
Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein elektrischer Lei¬ ter zur Verfügung gestellt werden, der sich für die Herstellung von Statorwicklungen in elektrischen Maschinen eignet, der geringe Wechselstromverluste aufweist und bei dem die in den einzelnen Teilleiter entstehende Wärme effizient abge¬ führt werden kann. Gleichzeitig soll dieser Leiter einfach herzustellen sein.
Weitere Aufgaben der Erfindung sind, einen Leiterverbund mit den entsprechenden Vorteilen, eine elektrische Maschine mit wenigstens einem solchen Leiter und ein Herstellungsverfahren für einen solchen Leiter anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen elektrischen Leiter, den in Anspruch 13 beschriebenen Leiterverbund, die in Anspruch 14 beschriebene elektrische Maschine und das in Anspruch 15 beschriebene Herstellungsverfahren ge- löst.
Der erfindungsgemäße elektrische Leiter eignet sich zur Wick¬ lung einer Spule eines Stators einer elektrischen Maschine. Er umfasst mehrere Teilleiter aus einem bei 4,2 K normallei- tenden Material, wobei diese Teilleiter durch ein elektrisch höher resistives normalleitendes Matrixmaterial voneinander getrennt sind. Das Matrixmaterial weist einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das Material der Teilleiter, und das Matrixmaterial weist eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 10 W/m'K auf.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters liegt darin, dass einerseits die Wechselstromverluste durch die Aufteilung in mehrere Teilleiter und die Trennung mit höher resistivem Material reduziert sind und andererseits durch die Wahl des Matrixmaterials trotzdem eine effektive Entwärmung der Teilleiter möglich ist. Durch den im Vergleich zu den Teilleitern niedrigeren Schmelzpunkt des Matrixmaterials wird eine leichte Herstellbarkeit des Leiters ermöglicht, denn das Matrixmaterial kann so um die einzelnen Teilleiter herum gegossen werden, ohne dass dabei deren Material geschmolzen wird. Das Material der Matrix soll elektrisch höher resistiv sein als das Material der Teilleiter. Dies soll insbesondere bei einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine der Fall sein, die beispielsweise unterhalb von 78 K, insbesondere zwischen 15 K und 30 K, beispielsweise bei 20 K liegen kann. Unabhängig vom Verhältnis der spezifischen Widerstände bei Raumtemperatur soll in jedem Fall bei 20 K das Material der Matrix einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen als das Material der Teilleiter. Der spezifische Widerstand ist vorteilhaft deutlich höher, beispielsweise wenigstens zwei
Größenordnungen höher als im Material der Teilleiter Dies hat zur Folge, dass der Stromfluss in dem Leiter zumindest bei 20 K im Wesentlichen durch die Teilleiter bewirkt wird. Die Wechselstromverluste werden dann durch die zwischen den hoch- leitfähigen Teilleitern angeordnete und vergleichsweise weni¬ ger leitfähige Matrix im Vergleich zu einem aus einheitlich leitfähigem Material bestehenden Leiter deutlich reduziert.
Sowohl das Material der Teilleiter als auch das Material der Matrix soll bei einer Temperatur von 4,2 K (also beim Siedepunkt von flüssigem Helium) normalleitend sein. Insbesondere ist es damit auch bei Temperaturen oberhalb von 4,2 K, bei¬ spielsweise also bei 15 K bis 30 K normalleitend. Bei einer Betriebstemperatur, die im kryogenen Bereich, aber oberhalb der Siedetemperatur von flüssigem Helium liegt, soll der elektrische Leiter für die Statorwicklung also normalleitend sein. Er eignet sich damit für eine auch im kryogenen Bereich normalleitende Statorwicklung einer elektrischen Maschine. Selbst wenn das Material bei noch tieferen Temperaturen sup- raleitend werden sollte, eignet sich der Leiter für eine ormalleitenden Statorwicklung einer elektrischen Maschine, deren Stator in einem Temperaturbereich oberhalb von 4,2 K betrieben wird. Beispielsweise kann die Betriebstemperatur des Stators zwischen 4,2 K und 78 K, insbesondere in der Nähe von etwa 20 K liegen.
Der erfindungsgemäße Leiterverbund entsprechend Anspruch 13 umfasst mehrere erfindungsgemäße elektrische Leiter, welche insbesondere gegeneinander verseilt sein können. Die zwei oder mehr erfindungsgemäßen Leiter können also beispielsweise in der Art herkömmlicher Drahtlitzen um die zentrale Achse des übergeordneten Leiterverbundes verdrillt angeordnet sein. Ein solcher Aufbau ermöglicht die Ausbildung eines größeren Leiterverbundes, bei gleichzeitiger Reduktion der Wechsel¬ stromverluste im Vergleich zu einer nicht verseilten Anord¬ nung der Einzelleiter. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine entsprechend An¬ spruch 14 umfasst einen Rotor und einen Stator. Dabei weist der Stator wenigstens eine Statorwicklung mit wenigstens ei¬ nem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter auf. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Leiterverbundes und der erfindungsgemä- ßen elektrischen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters .
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren dient zur Herstel- lung eines erfindungsgemäßen elektrischen Leiters. Es ist durch wenigstens einen Verfahrensschritt gekennzeichnet, bei dem die Teilleiter mit geschmolzenem Matrixmaterial umgössen werden . Mit diesem Verfahren lässt sich auf besonders einfache Weise ein elektrischer Leiter mit den oben beschriebenen Vorteilen herstellen. Durch das Umgießen der Teilleiter mit dem Matrixmaterial kann ein mechanisch fester Verbund gebildet werden, bei dem auch ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen Teilleiten und Matrixmaterial vorliegt. Durch diese Einbet¬ tung der Teilleiter in zunächst flüssiges Matrixmaterial ist eine viel bessere Wärmeabfuhr über das Matrixmaterial gewähr¬ leistet, als wenn Teilleiter und Matrix erst nachträglich in Form von festen Elementen miteinander verbunden würden. Ein derart gebildeter Verbund zwischen den Teilleitern und dem Matrixmaterial kann auch als „monolithisch" bezeichnet wer¬ den, da der Verbund zwischen diesen Materialien wie aus einem Guss ist. In einem solchen monolithischen Verbund sich die Teilleiter auch nicht mehr gegeneinander oder gegen das Matrixmaterial beweglich. Durch das Umgießen der Teilleiter werden somit auch die mechanischen Eigenschaften des resultierenden elektrischen Leiters verbessert. Diese mechanische Festigkeit ist sowohl im Hinblick auf die Zugbelastung bei der Herstellung der Statorwicklung als auch im Hinblick auf die beim Betrieb der Maschine wirkenden Kräfte vorteilhaft.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des elektrischen Leiters, des Leiterverbunds, der elektrischen Maschine und des Herstellungsverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
So können die einzelnen Teilleiter zumindest in einer Raumrichtung eine räumliche Ausdehnung unterhalb von 200 ym, ins¬ besondere zwischen 5 ym und 200 ym aufweisen. Besonders vorteilhaft kann diese räumliche Ausdehnung unterhalb von 50 ym liegen. Eine derart feine Segmentierung ist vorteilhaft, um eine deutliche Reduktion der Wechselstromverluste (insbeson¬ dere der Wirbelstromverluste) im Vergleich zu nicht unter¬ teilten Leitern oder zu Leitern mit dickeren Filamenten zu erreichen .
Die Teilleiter können vorteilhaft aus einem Material gebildet sein, welches Kupfer, Aluminium und/oder Kohlenstoffnanoröh- ren umfasst. Die genannten Materialien weisen eine besonders hohe spezifische Leitfähigkeit auf, insbesondere auch im ge- nannten Bereich der Betriebstemperaturen einer elektrischen Maschine. Aluminium und Kohlenstoffnanoröhren weisen gleichzeitig eine besonders niedrige Dichte auf, so dass sie sich als Leitermaterialien für Maschinen mit hohen Leistungsdichten besonders eignen. Solche Maschinen mit besonders hohen Leistungsdichten werden insbesondere für Antriebe von Luftfahrzeugen benötigt. Aber auch für Antriebe anderer Fahrzeuge sind hohe Leistungsdichten allgemein vorteilhaft. Das Material der Teilleiter kann besonders vorteilhaft hoch¬ reines Aluminium sein. Dieses kann vorteilhaft so rein sein, dass es ein Restwiderstandsverhältnis von wenigstens 1000 aufweist. Unter dem Restwiderstandsverhältnis soll im vorlie- genden Zusammenhang allgemein das Verhältnis des Widerstands eines Materials bei 293 Kelvin im Verhältnis zu seinem Wider¬ stand bei 4 Kelvin verstanden werden. Besonders vorteilhaft kann das Restwiderstandsverhältnis sogar oberhalb von 10000 liegen. Ein Bereich zwischen 1000 und 20000 scheint für hoch- reines Aluminium realistisch. Hierzu kann die Reinheit des Aluminiums in den Filamenten bei wenigstens 5N liegen, mit anderen Worten kann die Stoffreinheit wenigstens 99, 999% be¬ tragen . Das Matrixmaterial kann allgemein vorteilhaft ein Material sein, welches einen Schmelzpunkt von höchstens 600°C, insbe¬ sondere nur höchstens 400°C aufweist. Ein derart niedrig schmelzendes Material ist besonders geeignet, um den elektri¬ schen Leiter mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustel- len. Es kann sich bei dem Material bevorzugt um ein derart niedrig schmelzendes metallisches Material, also ein Metall oder eine metallische Legierung handeln. Es kann sich alternativ auch um einen Verbundwerkstoff mit wenigstens einer derart niedrig schmelzenden Komponente handeln. So kann bei- spielsweise innerhalb des Matrixmaterials eine Materialkompo¬ nente mit besonders hoher thermischer Leitfähigkeit im Ver¬ bund mit einer anderen Materialkomponente mit besonders nied¬ rigem Schmelzpunkt vorliegen. Für beide Parameter gelten die an anderen Stellen dieser Anmeldung als bevorzugt angegebenen Werte.
Vorteilhaft kann das Matrixmaterial ein Alkalimetall und/oder ein Erdalkalimetall umfassen. Derartige Metalle weisen allge¬ mein einen relativ niedrigen Schmelzpunkt auf, und sie sind im Vergleich zu anderen Metallen derselben Periode relativ leicht. Besonders geeignet sind von diesen Metallen Lithium Natrium, Kalium, Magnesium und Calcium. Aber auch Zinn ist besonders geeignet als metallische Komponente einer besonders niedrig schmelzenden metallischen Legierung.
Das Matrixmaterial kann bevorzugt eine Dichte von höchstens 2 g/m3 aufweisen. Mit einem solchen Material kann insgesamt ein Leiter mit niedriger Dichte herstellt werden, wodurch eine Maschine mit hoher Leistungsdichte erhalten werden kann.
Das Matrixmaterial kann vorteilhaft eine höhere Duktilität als das Material der Teilleiter aufweisen. Insbesondere kann das Matrixmaterial ein Elastizitätsmodul zwischen 5 GPa und 50 GPa und/oder eine Mohshärte zwischen 0,5 und 3 aufweisen. Eine solche Ausgestaltung ist vorteilhaft, da dann insgesamt ein biegsamer Leiter erhalten wird, der sich gut zur Wicklung von elektrischen Spulen eignet. Dies kann auch dann der Fall sein, wenn das Material der Teilleiter an sich relativ spröde ist. Diese Sprödigkeit wird dann durch die Einbettung in das duktile Matrixmaterial zum Teil ausgeglichen. Der gesamte elektrische Leiter kann vorteilhaft einen Durch¬ messer zwischen 500 ym und 5 mm aufweisen. Leiter mit derartigen Durchmessern eigenen sich gut zur Herstellung von
Statorwicklungen in elektrischen Maschinen. Es können auch mehrere solche Leiter in einem Leiterverbund vorliegen und als solcher zur Herstellung der Wicklungen verwendet werden.
Die einzelnen Teilleiter des elektrischen Leiters können optional gegeneinander tordiert sein. Sie können beispielsweise gegeneinander um die Längsachse des Leiters tordiert sein. Es ist aber alternativ auch möglich, dass sich die Teilleiter innerhalb des Leiters jeweils parallel zur Längsachse erstre¬ cken und innerhalb des Leiters nicht gegeneinander tordiert sind. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, wenn dann mehrere Leiter innerhalb eines Leiterverbundes gegeneinander verseilt sind. Eine derartige Torsion der Teilleiter und/oder der Leiter in einem solchen Verbund ist allgemein vorteilhaft, um die Wechselstromverluste zu reduzieren. Der elektrische Leiter kann vorteilhaft wenigstens 100, be¬ sonders vorteilhaft wenigstens 1000 Teilleiter aufweisen. Beispielsweise können zwischen 1000 und 10000 Teilleitern in einem solchen Leiter vorliegen. Eine derart feine Segmentie- rung bewirkt wiederum eine besonders effektive Reduzierung der Wechselstromverluste. Durch das erwähnte umgießen der Einzelleiter mit dem Matrixmaterial kann auf besonders einfa¬ che Weise eine derart feine Segmentierung realisiert werden.
Die einzelnen Teilleiter können vorteilhaft jeweils als langgestreckte Filamente ausgebildet sein. Es können also mehrere im Wesentlichen eindimensionale Teilleiter im Leiter vorliegen. Diese können so in Matrixmaterial eingebettet sein, dass sie im zweidimensionalen Querschnittsprofil des Leiters je¬ weils im Wesentlichen vollständig von Matrixmaterial umgeben sind. Mit anderen Worten ist der Leiter dann in eine Vielzahl feiner Drähte unterteilt, wobei die Drähte voneinander durch das Matrixmaterial durch dessen vergleichsweise schlechte Leitfähigkeit elektrisch weitgehend getrennt sind.
Ein Leiter in einer derartigen Ausführungsform lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders gut herstellen, indem die einzelnen Filamente in der gewünschten Konfiguration angeordnet werden (also beispielsweise parallel zueinander gespannt oder bereits gegeneinander verseilt) und dann ge¬ meinsam mit dem Matrixmaterial umgössen werden.
Alternativ zu dieser Ausführungsform können die einzelnen Teilleiter als Schichten ausgebildet sein, welche in einem Stapel angeordnet und jeweils durch dazwischenliegende
Schichten aus Matrixmaterial getrennt sind. Dazu können die einzelnen Teilleiter beispielsweise als längliche Folien aus¬ gebildet sein, welche wiederum durch ähnliche längliche Foli¬ en aus Matrixmaterial getrennt sein können.
Die zwischen den Schichten der Teilleiter angeordneten
Schichten aus Matrixmal können vorteilhaft jeweils eine
Schichtdicke zwischen 5 ym und 30 ym aufweisen. In einem der- artigen Schichtdickenbereich ist eine zuverlässige elektrische Trennung der Teilleiter gegeben, wobei gleichzeitig ein hoher Füllfaktor an Leitermaterial im Gesamtleiter erreicht werden kann.
Allgemein und unabhängig von der genauen geometrischen Ausführung der Teilleiter kann der Leiter so ausgestaltet sein, dass das Material der Teilleiter im Querschnittsprofil des Leiters einen Füllfaktor von wenigstens 25%, insbesondere zwischen 25% und 40% aufweist. Ein derart hoher Füllfaktor kann beispielsweise entweder durch das Umgießen von Filamenten mit Matrixmaterial oder durch das Stapeln von dünnen Folien aus Matrixmaterial zwischen Teilleiter-Folien erzielt werden .
Das Verhältnis der spezifischen Leitfähigkeiten der Teilleiter und des Matrixmaterials bei der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine kann allgemein vorteilhaft bei wenigs¬ tens 1000, insbesondere bei wenigstens 10000 oder sogar we- nigstens 100000 liegen. Bei einem derartigen Leitfähigkeits¬ verhältnis kann eine zur Reduktion der Wechselstromverluste ausreichende elektrische Trennung der einzelnen Teilleiter bewirkt werden. Ein derart großes Verhältnis der spezifischen Leitfähigkeiten kann für die genannte kyrogene Betriebstempe- ratur auch mit solchen metallischen Matrixmaterialien erreicht werden, für die bei Raumtemperatur ein wesentlich geringerer Unterschied zur spezifischen Leitfähigkeit des Lei¬ termaterials des Teilleiters vorliegen würde. Es liegt also hier die Erkenntnis zugrunde, dass für viele metallische Mat- rixmaterialien die Leitfähigkeit bei Kühlung auf kryogene Temperaturen nur wenig ansteigt, während sie für geeignete Materialien der Teilleiter, beispielsweise Silber oder Kupfer bei der Abkühlung deutlich erhöht wird. Durch die Kühlung auf die kryogene Betriebstemperatur kann also bei solchen metal- lischen Matrixmaterialien der Leitfähigkeitsunterschied zum Matrixmaterial durch die Kühlung vorteilhaft stark intensi¬ viert werden. Die elektrisch trennenden Eigenschaften des Matrixmaterials reichen dann bei der kryogenen Betriebstempe- ratur aus, um den Stromfluss in den Teilleitern zu konzentrieren und so die Wechselstromverluste zu reduzieren.
Die Teilleiter können allgemein monolithisch in sie umgeben- des Matrixmaterial eingebettet sein. Die Formulierung, dass die Teilleiter „monolithisch" in das Matrixmaterial eingebet¬ tet sind, soll im vorliegenden Zusammenhang bedeuten, dass Teilleiter und Matrix in einem festen Verbund miteinander vorliegen, wobei keine leeren Zwischenräume zwischen den Teilleitern und der Matrix ausgebildet sind und die Teillei¬ ter nicht (auch nicht abschnittsweise) gegen das umgebende Matrixmaterial bewegt werden können. Vielmehr sollen Teillei¬ ter und Matrix einen derart mechanisch festen Verbund miteinander bilden, als wenn sie aus einem Guss hergestellt wären. Hierbei soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass zwischen den einzelnen Teilleitern und der umgebenden Matrix noch eine zusätzliche Schicht vorliegen kann, beispielsweise eine höher resistive Barriereschicht zur zusätzlichen elektrischen Iso¬ lation. In einem solchen Fall soll diese zusätzliche Schicht sowohl mit dem davon umhüllten Teilleiter als auch mit der umgebenden Matrix wiederum einen monolithischen Verbund bilden. Es soll also der gesamte Verbund aus Teilleiter, Matrix¬ material und optionaler Zwischenschicht bezüglich der mecha¬ nischen Festigkeitseigenschaften wie aus einem Guss sein. Die kann vorteilhaft durch das Umgießen der Teilleiter mit dem niedriger schmelzenden Matrixmaterial erreicht werden.
Die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Matrixmaterials kann allgemein vorteilhaft bei wenigstens 30 W/m'K, besonders vor- teilhaft sogar bei wenigstens 50 W/m'K oder sogar 100 W/m'K liegen. So kann eine besonders gute Entwärmung der Teilleiter erreicht werden. Insbesondere kann damit eine Kühlung der Teilleiter auf eine kryogene Betriebstemperatur erleichtert werden. Bei den genannten spezifischen Wärmeleitfähigkeiten soll es sich der einfacheren Bestimmung halber um Messwerte bei Raumtemperatur handeln. Die elektrische Maschine kann entweder eine Statorwicklung umfassen, bei der einer oder mehrere einzelne erfindungsgemä¬ ße elektrische Leiter zu einer Spule gewickelt sind. Alterna¬ tiv kann die elektrische Maschine aber auch eine oder mehrere Leiterverbünde gemäß Anspruch 13 umfassen.
Bei der Maschine ist der Rotor zweckmäßig relativ zum Stator mittels einer Rotorwelle drehbar gelagert. Der Rotor kann insbesondere ein Rotor mit wenigstens einer supraleitenden Wicklung sein. Die Maschine kann bei dieser Ausführungsform zweckmäßig ein Kühlsystem umfassen, um die supraleitende Wicklung auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters zu kühlen. Bei dem Supraleiter kann es sich insbesondere um einen Hochtemperatursupraleiter han- dein, beispielsweise um Magnesiumdiborid, einen Bismut- haltigen Hochtemperatursupraleiter erster Generation oder um ein Material des Typs REBa2Cu3Ox (kurz REBCO) , wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.
Vor allem bei einer Ausführungsform mit supraleitendem Rotor kann die elektrische Maschine für eine Betriebstemperatur der Statorwicklung (en) unterhalb von 78 K, insbesondere im Be¬ reich von 20 K ausgelegt sein. Rotor- und Statorwicklungen können also in einem gemeinsam zu kühlenden kryogenen Bereich der Maschine angeordnet sein. Sie können insbesondere in ei¬ nem gemeinsamen Kryostaten gegen die warme äußere Umgebung isoliert sein. Dies kann die Konstruktion der Maschine erleichtern, da Rotor und Stator näher beieinander liegen kön- nen und nicht gegeneinander thermisch entkoppelt sein müssen. Da durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Leiters die Wechselstromverluste im Stator gering gehalten werden, ist auch die vom Stator abzuführende Wärme gering, und das Kühlsystem der elektrischen Maschine kann insgesamt für relativ geringe abzuführende Wärmemengen ausgelegt werden. Da Rotor und
Stator nicht getrennt gekühlt werden müssen, kann im Vergleich zum Stand der Technik auch die Zahl der Kühlaggregate reduziert werden und/oder der Platzbedarf für die Kühlung re- duziert werden. Insgesamt kann die elektrische Maschine im Vergleich zum Stand der Technik kleiner und leichter ausgeführt werden, und es kann eine höhere Leistungsdichte er¬ reicht werden. Diese Vorteile sind insbesondere im Hinblick auf Luftfahrzeuge mit elektrischen Antrieben interessant, bei denen die Leistungsdichte der für den Antrieb verwendeten Mo¬ toren und der an Bord befindlichen Generatoren extrem hoch sein muss . Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens kann das Umgießen der Teilleiter mit Matrixmaterial unter inertem Schutzgas erfolgen, insbesondere wenn das Matrixmaterial ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall und/oder ein anderes oxidationsempfindliches Material umfasst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Leiters nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt, Figur 2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Leiters nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt, Figur 3 eine schematische Darstellung eines Leiterverbunds aus mehreren derartigen Leitern zeigt und
Figur 4 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit Statorwicklungen aus derartigen Leitern zeigt . Figur 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines elektrischen Leiters 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Leiter 1, bei dem mehrere Teilleiter 3a in Form von einzelnen Filamenten in ein umgebendes Matrixmaterial 5 eingebettet sind. Die einzelnen Teilleiter 3a weisen einen Durchmesser dT zwischen 5 ym und 200 ym auf. Dabei ist die
Querschnittsgeometrie der Teilleiter 3a jedoch nicht auf die gezeigte kreissymmetrische Form beschränkt, sondern es können auch andere Querschnittsformen, beispielsweise rechteckige oder hexagonale Formen vorliegen. Wesentlich für die gezeigte Ausführungsform ist nur, dass die Teilleiter in Form länglich ausgedehnter Filamente vorliegen, die jeweils von Matrixmate- rial umschlossen sind. Im gezeigten Beispiel sind die einzel¬ nen Teilleiter 3a in zwei Raumrichtungen x und z in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Beispielhaft ist hier eine orthogonale Packung gezeigt, es kann jedoch alternativ auch vorteilhaft ein anderer Packungstyp, beispielsweise eine he- xagonale Packung der einzelnen Stränge von Teilleitern 3a vorliegen. Die hauptsächliche Stromtransportrichtung im übergeordneten elektrischen Leiter 1 ist die in Figur 1 mit y bezeichnete Richtung, der Stromtransport läuft also entlang der einzelnen Filamente 3a. In den Raumrichtungen senkrecht dazu, also in x- und z-Richtung wird ein Stromfluss zwischen den
Filamenten 3a dagegen durch die bei Betriebstemperatur deutlich geringere Leitfähigkeit des Matrixmaterials 5 vorteil¬ haft unterdrückt. Die einzelnen Teilleiter 3a sind im gezeigten Beispiel aus
Aluminium gebildet. Sie sind in ein metallisches Matrixmate¬ rial 5 eingebettet, wobei dieses Matrixmaterial beispielhaft eine Legierung mit einem Alkalimetall als Hauptbestandteil darstellt. Diese Legierung weist einen Schmelzpunkt unterhalb von 400 °C auf. Es kann sich jedoch auch um andere geeignete Legierungen mit entsprechend niedrigen Schmelzpunkten handeln. Wesentlich ist nur, dass der Schmelzpunkt ausreichend niedrig ist, damit das Matrixmaterial um die in dem gewünsch¬ ten Muster angeordneten Teilleiter 3a herum gegossen werden kann. So wird ein monolithischer Verbund zwischen Teilleitern 3a und Matrixmaterial 5 im resultierenden elektrischen Leiter 1 gebildet.
Im gezeigten Beispiel der Figur 1 weist der übergeordnete elektrische Leiter senkrecht zu seiner Haupt- Stromtransportrichtung einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Leiter kann alternativ aber auch ein anderes, beliebiges Querschnittsprofil aufweisen, er kann insbesondere auch rund geformt sein.
Die in Figur 1 gezeigten 100 Teilleiter 3a sind nur beispiel- haft zu verstehen und können auch für eine wesentlich größere Anzahl an Teilleitern 3a im übergeordneten Leiter 1 stehen. Eine derart feine Filamentisierung, beispielsweise mit we¬ nigstens 1000 Teilleitern, ist vorteilhaft, um die Wechsel¬ stromverluste beim Betrieb einer elektrischen Maschine mit Wicklungen aus derartigen Leitern zu reduzieren.
Figur 2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines elektrischen Leiters 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein elektrischer Leiter 1, der in einen Stapel von schichtförmi- gen Teilleitern 3b aufgeteilt ist. Die einzelnen Schichten von Teilleitern 3b sind aus Folien mit einer Dicke dT zwi¬ schen 5 ym und 200 ym gebildet. Zwischen diesen Leiterfolien 3b sind jeweils Folien aus Matrixmaterial angeordnet, die ei- ne Dicke dM von beispielweise zwischen 5 ym und 30 ym aufwei¬ sen können.
Im Beispiel der Figur 2 ist die hauptsächliche Stromtrans¬ portrichtung des übergeordneten Leiters die z-Richtung. Durch seinen Aufbau als Schichtstapel ist der Leiter 1 hier also nur in x-Richtung in einzelne Teilleiter unterteilt. Innerhalb jeder Teilleiter-Schicht findet also ein flächiger
Stromtransport statt, wobei die Ausdehnung der einzelnen Schichten in z-Richtung insgesamt wesentlich größer ist als in y-Richtung. Es handelt sich also um Schichten beziehungsweise Folien mit ausgeprägt länglicher Form.
Die Schichten 3b der Teilleiter können im gezeigten Beispiel aus Kupfer oder zumindest mit Kupfer als Hauptbestandteil ausgebildet sein. Die dazwischen liegenden Schichten aus Matrixmaterial können beispielsweise Magnesium als Hauptbestand¬ teil aufweisen. Wesentlich ist, dass diese Matrix-Folien weicher sind als die dazwischen angeordneten Folien aus dem Ma- terial der Teilleiter. Bei dem gezeigten Aufbau des elektrischen Leiters 1 als Schichtsystem muss das Matrixmaterial 5 auch nicht durch einen Schmelzprozess zwischen den leitenden Schichten 3b eingebracht werden. Ein niedrigerer Schmelzpunkt des Matrixmaterials 5 im Vergleich zum Material der Teillei¬ ter ist trotzdem vorteilhaft, weil mit einem niedrigeren Schmelzpunkt typischerweise auch eine geringere Härte eines Metalls oder einer metallischen Legierung einhergeht. Es ist allgemein vorteilhaft, wenn das Matrixmaterial 5 weicher ist als das Material der Teilleiter 3b, um eine hohe Duktilität im übergeordneten elektrischen Leiter 1 zu erreichen.
Bei einem Schicht-Folien-Leiter, der ähnlich wie im Beispiel der Figur 2 aufgebaut ist, können bei einer Verwendung in ei- ner elektrischen Maschine die einzelnen Leiterschichten 3b allgemein vorteilhaft so ausgerichtet sein, dass sie sich pa¬ rallel zu der lokal vorherrschenden Magnetfeldrichtung erstrecken. Durch eine solche Ausrichtung können wiederum Wechselstromverluste reduziert werden.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leiterverbunds 21 mit mehreren elektrischen Leitern 1 in schematischem Querschnitt. Diese elektrischen Leiter 1 sollen jeweils entspre¬ chend der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sein und können beispielsweise ähnlich wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 oder 2 beschrieben aufgebaut sein. Die einzelnen Leiter 1 sind miteinander verseilt und dabei spiralförmig um eine zentrale Achse A des übergeordneten Leiterverbundes 21 ver¬ drillt. Beispielhaft sind in Figur 3 für jeden Leiter 1 nur sieben Teilleiter 3a gezeigt, die hier als Filamente ausge¬ bildet sind und hexagonal gepackt sind. Diese Teilleiter sol¬ len jedoch nur repräsentativ für eine wesentlich größere Anzahl an Teilleitern stehen und können alternativ zur gezeigten Struktur auch als Leiterschichten wie in Figur 2 vorlie- gen. Die drei einzelnen elektrischen Leiter 1 der Figur 4 weisen um das Matrixmaterial 5 noch eine zusätzliche Außen¬ hülle 15 auf, die dem Schutz der einzelnen Leiter und/oder zur mechanischen Verstärkung der Leiter dient. Figur 4 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer elektrischen Maschine 31 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor 37 und einen Stator 33. Der Rotor 37 ist mittels einer Rotorwel¬ le 39 um eine Rotationsachse 38 drehbar gelagert. Hierzu ist die Rotorwelle 37 über die Lager 40 gegen das Maschinengehäu¬ se 41 abgestützt. Gezeigt ist ein Längsschnitt entlang der Rotationsachse 38. Bei der elektrischen Maschine kann es sich grundsätzlich um eine Motor oder einen Generator handeln oder auch um eine Maschine, die in beiden Modi betrieben werden kann .
Der Stator 33 weist eine Mehrzahl von Statorwicklungen 34 auf, deren Wickelköpfe 34a sich in radial außenliegende Be¬ reiche erstrecken. Vor allem die weiter innenliegenden Bereiche der Statorwicklungen 34 zwischen diesen Wickelköpfen 33 treten beim Betrieb der elektrischen Maschine 31 in elektromagnetische Wechselwirkung mit einem Feld des Rotors. Diese Wechselwirkung findet über einen Luftspalt 36 hinweg statt, der radial zwischen Rotor 37 und Stator 33 liegt. Die
Statorwicklungen 34 sind im gezeigten Beispiel in Nuten eines Stator-Blechpaketes 35 eingebettet, können aber auch soge¬ nannte „Luftspaltwicklungen" ohne Blechpaket sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, dass die
Statorwicklungen jeweils aus erfindungsgemäßen elektrischen Leitern 1 beziehungsweise aus erfindungsgemäßen Leiterverbünden 21 mit solchen Leitern 1 gewickelt sind. Dabei können die Leiter ähnlich wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 oder 2 beschrieben aufgebaut sein. Ein Leiterverbund mit mehreren elektrischen Leitern kann beispielsweise wie im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben aufgebaut sein.
Die elektrische Maschine der Figur 4 kann im Rotor 37 supra- leitende Wicklungen aufweisen. Hierzu kann der Rotor 37 im
Betrieb auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden, die un¬ terhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiters liegt. Diese Betriebstemperatur kann beispielsweise bei etwa 20 K liegen. Die Kühlung kann mit einem in der Abbildung nicht näher dargestellten Kühlsystem erreicht werden. Die tiefkalten Komponenten sollten außerdem thermisch gegen die warme Umgebung isoliert sein. Bei dem gezeigten Ausführungs- beispiel liegt diese (hier nicht näher dargestellte) thermi¬ sche Isolation im Außenbereich der elektrischen Maschine, so dass auch die Statorwicklungen 34 zusammen mit dem Rotor 37 auf die kryogene Temperatur gekühlt werden. Beispielsweise kann die Maschine 31 über das Gehäuse 41 nach außen hin ther- misch isoliert sein. Durch die Kühlung des Stators 33 treten in den Statorwicklungen 34 geringere Verluste auf, und es kann auch ein geringerer radialer Abstand zwischen den Rotorwicklungen und den Statorwicklungen eingehalten werden, was für den Betrieb der Maschine ebenfalls vorteilhaft ist.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Leiter (1) zur Herstellung einer
Statorwicklung (34) eines Stators (33) einer elektrischen Ma- schine (31) ,
umfassend
- mehrere Teilleiter (3a, 3b) aus einem bei 4,2 K normallei¬ tenden Material,
wobei diese Teilleiter (3a, 3b) durch ein elektrisch höher resistives normalleitendes Matrixmaterial (5) voneinander ge¬ trennt sind,
wobei das Matrixmaterial (5) einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Material der Teilleiter (3a, 3b)
und wobei das Matrixmaterial (5) eine spezifische Wärmeleit- fähigkeit von wenigstens 10 W/m'K aufweist.
2. Elektrischer Leiter (1) nach Anspruch 1, bei dem die einzelnen Teilleiter (3a, 3b) zumindest in einer Raumrichtung (x) eine räumliche Ausdehnung (dT) zwischen 5 ym und 200 ym auf- weisen.
3. Elektrischer Leiter (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die Teilleiter aus einem Material gebildet sind, welches Kupfer, Aluminium und/oder Kohlenstoffnanoröhren um- fasst.
4. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Matrixmaterial (5) ein Material ist, welches einen Schmelzpunkt von höchsten 600 °C, insbesondere höchstens 400 °C aufweist.
5. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Matrixmaterial (5) ein Alkalimetall und/oder ein Erdalkalimetall umfasst.
6. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Matrixmaterial (5) eine Dichte von höchstens 2 g/cm3 aufweist.
7. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Matrixmaterial (5) ein Elastizitäts¬ modul zwischen 5 GPa und 50 GPa und/oder eine Mohshärte zwi- sehen 0,5 und 3 aufweist.
8. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher einen Durchmesser dL zwischen 500 ym und 5 mm aufweist.
9. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher wenigstens 100, insbesondere wenigstens 1000 Teilleiter (3a, 3b) aufweist.
10. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die einzelnen Teilleiter (3a, 3b) als langgestreckte Filamente (3a) ausgebildet sind, welche im zweidimensionalen Querschnittsprofil des Leiters (1) jeweils vollständig von Matrixmaterial (5) umgeben sind.
11. Elektrischer Leiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
10. bei welchem die einzelnen Teilleiter (3a, 3b) als Schichten (3b) ausgebildet sind, welche in einem Stapel angeordnet und jeweils durch dazwischenliegende Schichten aus Matrixma- terial (5) getrennt sind.
12. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Material der Teilleiter (3a, 3b) im Querschnittsprofil des Leiters einen Füllfaktor von wenigs- tens 25%, insbesondere zwischen 25% und 40% aufweist.
13. Leiterverbund (21), umfassend mehrere elektrische Leiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welche gegeneinander verseilt sind.
14. Elektrische Maschine (31) mit einem Rotor (37) und einem Stator (33) , wobei der Stator (33) wenigstens eine Statorwicklung (34) mit wenigstens einem elektrischen Leiter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
15. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
gekennzeichnet durch wenigstens einen Verfahrensschritt, bei dem die Teilleiter (3a, 3b) mit geschmolzenem Matrixmaterial (5) umgössen werden.
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