WO2020253918A1 - Elektrischer leiter - Google Patents
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- WO2020253918A1 WO2020253918A1 PCT/DE2020/100523 DE2020100523W WO2020253918A1 WO 2020253918 A1 WO2020253918 A1 WO 2020253918A1 DE 2020100523 W DE2020100523 W DE 2020100523W WO 2020253918 A1 WO2020253918 A1 WO 2020253918A1
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B5/00—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
- H01B5/02—Single bars, rods, wires, or strips
Definitions
- the present invention relates to an electrical conductor having the features according to the patent claims.
- alternating current machines are used to convert mechanical energy into alternating current or convert an alternating current into mechanical energy.
- the coils used can be made with a few mutually insulated electrical conductors, each with a large cross section, i.e. H. Bars are carried out (form bar winding, hairpin winding), the current displacement effect having a disadvantageous effect.
- the coils used in AC machines can also be made with a large number of mutually insulated electrical conductors, each with a small cross section, i. H. Wires or strands, twisted or parallel, are executed, which then together form an electrical conductor (conductor bundle), whereby the current displacement effect
- the so-called proximity effect also occurs (for example in the case of coil windings) between closely adjacent electrical conductors through which an alternating current flows, which also causes increased resistance.
- the proximity effect can also be counteracted by using conductor bundles (which are wound into a coil).
- an electrical conductor which comprises a plurality of individual electrical conductors made of a first metallic material, the individual conductors running along the longitudinal axis of the electrical conductor and being distributed over the cross section of the electrical conductor, and in that the Individual conductors are spaced apart, spaces are formed between the individual conductors and the individual conductors are enclosed by a second metallic material that fills the spaces between the individual conductors, the electrical conductivity of the first metallic material being greater than the electrical conductivity of the second metallic material, see above that when an electrical current flows in the electrical conductor, the electrical current predominantly flows in the individual conductors made of the first metallic material and, in contrast, only to a smaller extent through the second metallic work toff flows.
- the electric current flowing is divided unequally between the first and the second metallic material, the electric current flowing through the first metallic material, ie the plurality of individual electrical conductors, being greater than the electric current flowing through the second metallic material.
- the second metallic material acts to a certain extent as partial insulation between the individual conductors made of the first metallic material.
- the alternating currents flowing through the electrical conductor according to the invention are divided as described, so that the skin and proximity effects are counteracted and the electrical conductor is nevertheless designed to save space in terms of its external shape can.
- the electrical conductor according to the invention is contacted or connected to a further electrical conductor via the second metallic material on the outer circumference of the electrical conductor according to the invention.
- an electrical conductor 1 initially has a multiplicity of individual electrical conductors 2 made of a first metallic material.
- the four individual conductors 2 shown are only exemplary; more individual conductors 2 can or will be in practice.
- the first metallic material is a non-ferrous metal, in particular copper, ie technically pure copper, as it is generally used in electrical engineering.
- the (individual conductors) individual conductors 2 run along the longitudinal extension, ie Longitudinal axis L of the electrical conductor 1. D. h.
- these individual conductors 2 extend over the predominant length of the electrical conductor 1, for example over the entire length of the electrical conductor 1, so that one end / one end face (or all ends / all or both end faces) of the electrical conductor 1, as in FIG 1 explicitly shown, electrical individual conductors 2 comprises (include).
- the individual conductors 2 are particularly uniform over the
- Each individual conductor 2 of the multiplicity of individual conductors 2 is, for example, a (single) wire, i. H. a (compared to its length) comparatively thin rod or rod-shaped conductor. This can also be a rod or rod-shaped conductor, which by the
- each individual conductor 2 of the plurality of individual conductors 2 is a stranded wire, i. H. an electrical conductor consisting of (very) thin individual wires (up to several hundred), see also the electrotechnical standards IEC 60228 / VDE 0295.
- These individual strands are in particular aligned and run parallel to one another (i.e. with a certain distance between the individual strands) (all of them ) along the longitudinal axis L of the electrical conductor 1, it is also conceivable to form groups of such strands, for example by twisting several strands to form an (electrical) single conductor 2 or even stranding several such twisted strands to form a single conductor 2.
- no individual conductor 2 of the plurality of individual conductors 2 is encased with its own insulator.
- the rods or Röbel rods or strands or round wires, which represent the plurality of individual conductors 2 are each not enclosed by an insulating sleeve.
- the individual conductors 2 of the plurality of individual conductors 2 are not electrically isolated from one another (against each other) by a covering with a (each of their own) insulator, so there is no “wire insulation” so that the surface of each individual conductor 2 corresponds to the first metallic material . Rather, the individual conductors 2 are spaced apart from one another, so that intermediate spaces are formed between the individual conductors 2.
- the plurality of individual conductors 2 is embedded in a second metallic material.
- the electrical conductor 1 is formed from the multiplicity of individual conductors 2 made of the first metallic material, which are enclosed by a second metallic material which just fills the spaces between the individual conductors 2.
- the second material is (also) a non-ferrous metal, in particular (pure) aluminum or an aluminum alloy (consisting predominantly of aluminum) or a Copper alloy (consisting mainly of copper), such as especially brass (copper-zinc).
- the production of the electrical conductor 1 according to the invention takes place in particular by encapsulating the multiplicity of individual conductors 2 made of the first metallic material with the second metallic material.
- this production of the electrical conductor 1 takes place by means of a die-casting casting process, with liquid melt of the second material being placed in a casting mold, the individual conductors 2 made of the first metallic material being inserted into the casting mold, so that the
- Individual conductors 2 are enclosed by the second metallic material.
- no material connection is established between the individual conductors 2 made of the first material and the second material, which encloses or surrounds or sheaths the many individual conductors 2, with one possible implementation (e.g. aluminum as the second material).
- the multitude of individual conductors 2 is not melted and there is no cohesion between the individual conductors 2 made of the first metallic material and the second metallic material via atomic or molecular forces; rather, intermetallic compounds are formed between the first metallic material and the second metallic material which are rather poorly conductive and produce a certain insulation between the individual conductors 2 and the second metallic material surrounding the individual conductors 2 or under the individual conductors 2.
- An (external) insulation for insulation from other such electrical conductors 1 can be attached around the now formed elongated or rod-shaped electrical conductor 1, comprising the plurality of individual electrical conductors 2 made of the first metallic material, which are enclosed by the second metallic material such as a layer of lacquer or a coating with a plastic or a layer produced by anodizing (if the second metallic material comprises aluminum) (for applications up to 48V, for example) to avoid direct contact, as is the case with coil windings in an electrical machine the case is.
- the second metallic material such as a layer of lacquer or a coating with a plastic or a layer produced by anodizing (if the second metallic material comprises aluminum) (for applications up to 48V, for example) to avoid direct contact, as is the case with coil windings in an electrical machine the case is.
- the electrical conductivity of the first metallic material ie the individual electrical conductor 2 is greater than the electrical conductivity of the second metallic material. If, consequently, an electrical current flows in the electrical conductor 1, the electrical current will predominantly flow in the individual conductors 2 made of the first material, since their electrical conductivity is greater and only to a small extent flow through the second material surrounding the individual conductors 2, so that (complex) insulation of the individual conductors against each other and against the second metallic material can be dispensed with and space is saved. In other words, a large part of the flowing electrical current will remain in the individual conductors 2 and additionally to this end, part of the electrical current flows in the surrounding second metallic material with a lower electrical conductivity than the individual conductors 2, which
- the result is even better than providing (expensive and space-consuming) insulation of the individual conductors 2.
- the current displacement effect and the proximity effect are counteracted by the
- the shape of the cross-section (cross-sectional area) of the conductor 1 according to the invention can be designed as desired, in particular round, oval or polygonal, ie. H. rectangular, trapezoidal (V-shaped) or triangular.
- the cross-sectional shape of the conductor 1 is selected in particular such that the highest possible slot filling degree / slot filling factor is achieved in a coil arrangement or in an electrical machine, rotor or stator, i.e. H. the cross-sectional shape of the conductor 1 is preferably based on the predetermined (cross-sectional) shape of the respective groove in which the conductor 1 runs in practical use.
- the electrical conductor 1 according to the invention is preferably a (component) part of a coil or winding (for generating, converting or detecting a magnetic field).
- a winding of an electrical (alternating current) machine for the stator or rotor comprises the electrical conductor 1 according to the invention.
- the electrical machine is in particular
- Bar winding / form bar winding (hairpin / I-pin winding) or such a (distributed) winding / overall winding of an electrical machine a large number of individual electrical conductors 1 according to the invention is specified (in the slots of the stator or rotor) and contacted ( welded) or interconnected, so that just such a preformed coil is formed.
- the individual electrical conductor 1 according to the invention is then, as described above, insulated from the outside, ie on the outside, or with a (electrically not conductive or only very slightly conductive) insulation layer, so that the plurality of individual electrical conductors 1 is electrically isolated from or against each other and
- Each individual electrical conductor 1 according to the invention (shaped rod, hairpin) is initially / first produced to form such a winding in a first embodiment, as described above, in particular by inserting electrical individual conductors 2 made of the first metallic material into a mold and casting around these individual conductors 2 with the second metallic material and then deformed in such a way that it has the suitable shape, in particular is hairpin-shaped (U-shaped), i.e. forms a clamp that is open on one side, whereby, as is known, the two ends of this clamp pointing in one direction are available for contacting .
- the second metallic material which surrounds the individual conductors 2 made of the first metallic material, alone, i. H. seen only in itself, is comparatively brittle, is more flexible or more malleable because, according to the invention, the electrical conductor 1 now both the second metallic
- Electrical conductor 1 according to the invention can in a further embodiment (also already) be formed during the production of the respective electrical conductor 1, i.e. H. be brought into the outer shape required for the target application, so that it is in particular hairpin-shaped (U-shaped), i.e.
- connection of the electrical conductor 1 according to the invention to at least one further electrical conductor, which can also be an electrical conductor 1 constructed according to the invention, is regularly problematic.
- the electrical conductor 1 has a plurality of
- electrical single conductors 2 made of a first metallic material, which are encased by a second metallic material, there are no disadvantages compared to a rod-shaped electrical conductor which consists of only one material (in particular copper) in terms of connectivity (material connection, welded connection), since the second metallic material is available on the outer circumference (at the respective end of the respective shaped rod) for simple or routine contacting (welded connection).
- the electrical individual conductors 2 are embedded in the second material and this thus forms their sheathing, it is furthermore advantageous compared to the prior art, in which a large number of electrical individual conductors insulated from one another (for example by a plastic sheath), which as described above , then together form an electrical conductor (conductor bundle), so that the current displacement and the proximity effect is counteracted that according to the invention these individual conductors 2 are no longer individually present as they are individually connected to another (possibly also
- the second metallic material is (exclusively) available on the circumferential surface of the electrical conductor 1, so that a connection method is or can be used advantageously which is favorable or optimal with regard to the second metallic material (low costs, little time, high reliability / strength) .
- a connection method is or can be used advantageously which is favorable or optimal with regard to the second metallic material (low costs, little time, high reliability / strength) .
- the individual conductors 2 do not extend over the entire length of the electrical conductor 1, but are around a (freely selectable)
- the difference is shorter than the electrical conductor 1, so that the end faces or ends of the individual conductors 2 are also surrounded by the second metallic material, so that a
- this area of the electrical conductor 1 comprises only one metallic material (the second metallic material), a contact / connection with a further electrical conductor (possibly also an electrical conductor 1 according to the invention), in particular a (common) welded connection, is particularly advantageous advantageously possible without special measures.
- a (rod) winding from many individual electrical conductors 1 according to the invention (shaped rod, hairpin), each of which has the outer shape required for the target application, these being in particular hairpin-shaped (U-shaped), i.e. one on one side each Form open clamps, the two ends of the respective clamps pointing in one direction being available for contacting, are embodied according to the invention at both ends in this way with such areas.
- the electrical conductor 1 according to the invention can also simply be a busbar, for example as a (component) part of a power electronic assembly, such as a power converter or DC voltage converter, d. H. be arranged within such an assembly or a connecting element between such
- a busbar for example as a (component) part of a power electronic assembly, such as a power converter or DC voltage converter, d. H. be arranged within such an assembly or a connecting element between such
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Abstract
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Leiter bereitzustellen, der bei möglichst geringer und flexibler Querschnittsfläche/-form, so dass zum Beispiel bei einer Anwendung bei einer Wechselstrommaschine ein hoher Nutfüllgrad erreicht werden kann, sowohl keine Erhöhung des Widerstands durch den Stromverdrängungseffekt, als auch keine Erhöhung des Widerstands durch den Proximity-Effekt erfolgt, wobei zudem eine Verbindung dieses elektrischen Leiters mit zumindest einem weiteren elektrischen Leiter einfach und auf wirtschaftliche Weise möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein elektrischer Leiter gebildet wird, der eine Vielzahl elektrischer Einzelleiter aus einem ersten metallischen Werkstoff umfasst, wobei die Einzelleiter entlang Längsachse des elektrischen Leiters verlaufen und über den Querschnitt des elektrischen Leiters verteilt sind und dadurch, dass die Einzelleiter voneinander beabstandet sind, Zwischenräume zwischen den Einzelleitern gebildet werden und die Einzelleiter von einem zweiten metallischen Werkstoff umschlossen sind, der die Zwischenräume zwischen den Einzelleitern ausfüllt, wobei die elektrische Leitfähigkeit des ersten metallischen Werkstoffs größer als die elektrische Leitfähigkeit des zweiten metallischen Werkstoffs ist, sodass wenn in dem elektrischen Leiter ein elektrischer Strom fließt, der elektrische Strom überwiegend in den Einzelleitern aus dem ersten metallischen Werkstoff fließt und demgegenüber nur zu einem kleineren Teil durch den zweiten metallischen Werkstoff fließt.
Description
Elektrischer Leiter
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen.
Wie bekannt, tritt bei elektrischen Leitern mit einem relativ großen Querschnitt, die von einem Wechselstrom durchflossen werden, mit zunehmender Frequenz ein
Stromverdrängungseffekt auf, so dass sich der Wderstand erhöht.
Dieser Nachteil wird bei Anwendungen gemäß dem Stand der Technik deutlich.
Beispielsweise erfolgt mittels Wechselstrommaschinen eine Wandlung von mechanischer Energie in einen Wechselstrom oder eine Wandlung eines Wechselstroms in mechanische Energie. Die dabei eingesetzten Spulen können mit wenigen gegeneinander isolierten elektrischen Leitern jeweils mit einem großen Querschnitt, d. h. Stäben ausgeführt werden (Formstabwicklung, Hairpin-Wcklung), wobei der Stromverdrängungseffekt nachteilig wirkt. Die bei Wechselstrommaschinen eingesetzten Spulen können auch mit sehr vielen gegeneinander isolierten elektrischen Leitern jeweils mit einem kleinen Querschnitt, d. h. Drähten oder Litzen, verdrillt oder parallel, ausgeführt werden, die dann gemeinsam einen elektrischen Leiter (Leiterbündel) bilden, wobei dem Stromverdrängungseffekt
entgegengewirkt wird.
Neben einer durch den Stromverdrängungseffekt bedingten Erhöhung des Widerstands tritt zudem (beispielsweise bei Spulenwicklungen) zwischen von einem Wechselstrom durchflossenen eng benachbarten elektrischen Leitern der so genannte Proximity-Effekt auf, der auch einen erhöhten Widerstand verursacht. Um dem entgegenzuwirken, ist es ebenfalls zweckmäßig (bei Spulenwicklungen), Vollleiter/Volldrähte, also elektrische Leiter, in gegeneinander isolierte, ggf. verdrillte bzw. verseilte bzw. verflochtene (runde) Einzelleiter bzw. Einzeldrähte/Litzendrähte zu unterteilen. D. h. auch dem Proximity-Effekt kann durch einen Einsatz von Leiterbündeln (die zu einer Spule aufgewickelt sind) entgegengewirkt werden.
Vor allem bei dem Einsatz einer Vielzahl gegeneinander isolierter elektrischer Leiter jeweils mit einem kleinen Querschnitt wird zwar wirksam dem Stromverdrängungs- und
(insbesondere bei einer Spulenwicklung) dem Proximity-Effekt entgegengewirkt, jedoch ist die Isolation der Einzelleiter und ggf. die Verdrillung von Nachteil, da die Isolation Platz braucht, so dass der, insbesondere bei einer Wechselstrommaschine, infolge der Anordnung einer Vielzahl von isolierten Einzelleitern nur geringe Nutfüllgrad, noch weiter verschlechtert
wird. Der Einsatz von wenigen gegeneinander isolierten elektrischen Leitern jeweils mit einem großen Querschnitt, d. h. Stäben (Stabwicklung, Hairpin-Wicklung) ergibt einen deutlich besseren Nutfüllungsgrad und der Einfluss der Isolierung bzw. deren Platzbedarf tritt in den Hintergrund, wobei hier jedoch der Stromverdrängungseffekt überwiegt und eine entsprechende Erhöhung des Widerstands verursacht. Beispielhaft sei hier die US
2016/0013692 A1 genannt.
Problematisch bei der Anordnung einer Vielzahl gegeneinander isolierter elektrischer Einzelleiter, die wie oben beschrieben, dann gemeinsam einen elektrischen Leiter bilden (Leiterbündel), so dass dem Stromverdrängungs- und dem Proximity-Effekt entgegengewirkt wird, ist es weiterhin, dass eine stets erforderliche Verbindung der vielen Einzelleiter mit einem weiteren elektrischen Leiter oder mehreren elektrischen Leitern, insbesondere einer Sammelschiene, sehr aufwendig ist, da jeder der vielen Einzelleiter nicht sinnvoll bzw.
wirtschaftlich mit zumindest einem weiteren elektrischen Leiter beispielsweise mittels Flachsteckern verbunden werden kann oder diese Einzelleiter durch Schweißen oder Löten mit zumindest einem weiteren elektrischen Leiter verbunden werden können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Leiter bereitzustellen, der bei möglichst geringer und flexibler Querschnittsfläche/-form, so dass zum Beispiel bei einer Anwendung bei einer Wechselstrommaschine oder eines T ransformators ein hoher Nutfüllgrad erreicht werden kann, sowohl nur eine geringe Erhöhung des Wderstands durch den Stromverdrängungseffekt, als auch nur eine geringe Erhöhung des Wderstands durch den Proximity-Effekt erfolgt, wobei zudem eine Verbindung dieses elektrischen Leiters mit zumindest einem weiteren elektrischen Leiter einfach und auf wirtschaftliche Weise möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein elektrischer Leiter gebildet wird, der eine Vielzahl elektrischer Einzelleiter aus einem ersten metallischen Werkstoff umfasst, wobei die Einzelleiter entlang der Längsachse des elektrischen Leiters verlaufen und über den Querschnitt des elektrischen Leiters verteilt sind und dadurch, dass die Einzelleiter voneinander beabstandet sind, Zwischenräume zwischen den Einzelleitern gebildet werden und die Einzelleiter von einem zweiten metallischen Werkstoff umschlossen sind, der die Zwischenräume zwischen den Einzelleitern ausfüllt, wobei die elektrische Leitfähigkeit des ersten metallischen Werkstoffs größer als die elektrische Leitfähigkeit des zweiten metallischen Werkstoffs ist, so dass, wenn in dem elektrischen Leiter ein elektrischer Strom fließt, der elektrische Strom überwiegend in den Einzelleitern aus dem ersten metallischen Werkstoff fließt und demgegenüber nur zu einem kleineren Teil durch den zweiten metallischen Werkstoff fließt.
Anders gesagt, teilt sich der fließende elektrische Strom auf den ersten und den zweiten metallischen Werkstoff ungleich auf, wobei der durch den ersten metallischen Werkstoff, d. h. die Vielzahl elektrischer Einzelleiter fließende elektrische Strom größer ist, als der durch den zweiten metallischen Werkstoff fließende elektrische Strom. Der zweite metallische Werkstoff wirkt gewissermaßen als Teilisolation zwischen den Einzelleitern aus dem ersten metallischen Werkstoff. Insbesondere bei einem elektrischen Wechselstrom mit einer hohen Frequenz teilen sich die durch den erfindungsgemäßen elektrischen Leiter fließenden Wechselströme wie beschrieben auf, so dass dem Skin- und dem Proxi mity- Effekt entgegengewirkt wird und der elektrische Leiter in Bezug auf seine äußere Form dennoch platzsparend gestaltet werden kann.
Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, dass keine Isolation um die Einzeldrähte gebraucht wird. D. h. wenn sich die elektrische Leitfähigkeit des ersten metallischen
Werkstoffs genug von der elektrischen Leitfähigkeit des zweiten metallischen Werkstoffs unterscheidet, reicht gewissermaßen die Abgrenzung der aus dem ersten metallischen Werkstoff bestehenden Einzelleiter untereinander durch den zweiten metallischen Werkstoff als Isolator aus, der diese umschließt. Ein Großteil des Stromes wird daher in den
Einzelleitern aus dem ersten metallischen Werkstoff verbleiben. Zusätzlich kann sozusagen ein Teil des Stromes im umgebenden zweiten metallischen Werkstoff fließen. Dies gestaltet sich vorteilhafter als eine separate Isolierung, die erhöhten Bauraum und Kosten verursacht. Es ist also quasi ein Mittelweg, Kompromiss zwischen einem Litzenbüschel, also einer Vielzahl von elektrischen Einzelleitern gemäß dem Stand der Technik und einem massiven Stab, der wieder hohe Wechselstrom-Verluste durch Skin-/Proximity-Effekt hätte. Daneben lässt sich der erfindungsgemäße elektrische Leiter/Stab, da dieser eine Vielzahl von
Einzelleitern aus einem ersten metallischen Werkstoff umfasst, die von einem zweiten metallischen Werkstoff umschlossen sind, besser kontaktieren als Litze, weil die
Kontaktierung bzw. Verbindung des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters mit einem weiteren elektrischen Leiter über den zweiten metallischen Werkstoff am Außenumfang des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters erfolgt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Wie in Figur 1 gezeigt, weist ein elektrischer Leiter 1 zunächst eine Vielzahl elektrischer Einzelleiter 2 aus einem ersten metallischen Werkstoff auf. Die vier gezeigten Einzelleiter 2 sind lediglich beispielhaft, es können bzw. werden in der Praxis mehr Einzelleiter 2 sein. Der erste metallische Werkstoff ist ein Nichteisenmetall, insbesondere Kupfer, d. h. technisch reines Kupfer, wie es allgemein in der Elektrotechnik verwendet wird. Wie in Figur 1 gezeigt, verlaufen die (einzelnen Leiter) Einzelleiter 2 entlang der Längserstreckung, d. h. der
Längsachse L des elektrischen Leiters 1. D. h. diese Einzelleiter 2 erstrecken sich über die überwiegende Länge des elektrischen Leiters 1 , beispielsweise über die gesamte Länge des elektrischen Leiters 1 , so dass ein Ende/eine Stirnseite (oder alle Enden/alle bzw. beide Stirnseiten) des elektrischen Leiters 1 , wie in Figur 1 explizit gezeigt, elektrische Einzelleiter 2 umfasst (umfassen). Die Einzelleiter 2 sind insbesondere gleichmäßig über den
Querschnitt bzw. die (gesamte) Querschnittsfläche des elektrischen Leiters 1 verteilt. Jeder Einzelleiter 2 der Vielzahl von Einzelleitern 2 ist beispielsweise ein (Einzel-) Draht, d. h. ein (gegenüber seiner Länge) vergleichsweise dünner Stab bzw. stabförmiger Leiter. Hierbei kann es sich auch um einen Stab bzw. stabförmigen Leiter handeln, der durch das
Zusammenführen mehrerer Profildrähte, insbesondere mit einem Röbelwerkzeug, also durch ein Verdrillen von (eckigen) Profildrähten gebildet wird („Röbelstab“), so dass sich auch die Vorteile ergeben, welche bekanntermaßen durch den Einsatz von Röbelstäben bedingt sind.
Insbesondere ist jeder Einzelleiter 2 der Vielzahl von Einzelleitern 2 eine Litze, d. h. ein aus (sehr) dünnen Einzeldrähten (bis mehrere hundert) bestehender elektrischer Leiter, siehe auch die elektrotechnischen Normen IEC 60228 / VDE 0295. Diese einzelnen Litzen sind insbesondere parallel zueinander (also mit einem gewissen Abstand zwischen den einzelnen Litzen) ausgerichtet und verlaufen (allesamt) entlang der Längsachse L des elektrischen Leiters 1 , denkbar ist auch, Gruppen von solchen Litzen zu bilden, beispielsweise durch ein Verdrillen mehrerer Litzen zu einem (elektrischen) Einzelleiter 2 oder sogar ein Verseilen mehrerer solcher verdrillter Litzen zu einem Einzelleiter 2.
Erfindungsgemäß ist kein Einzelleiter 2 der Vielzahl von Einzelleitern 2 mit einem eigenen Isolator umhüllt. D. h. die Stäbe bzw. Röbelstäbe bzw. Litzen bzw. Runddrähte, welche die Vielzahl von Einzelleitern 2 repräsentieren, sind jeweils nicht von einer Isolierhülle umschlossen. Mit anderen Worten sind die Einzelleiter 2 der Vielzahl von Einzelleitern 2 nicht voneinander (gegeneinander) elektrisch isoliert durch eine Umhüllung mit einem (jeweils eigenen) Isolator, also es fehlt eine„Drahtisolierung“, so dass die Oberfläche jedes Einzelleiters 2 dem ersten metallischen Werkstoff entspricht. Vielmehr sind die Einzelleiter 2 voneinander beabstandet, so dass Zwischenräume zwischen den Einzelleitern 2 gebildet werden.
Erfindungsgemäß ist die Vielzahl von Einzelleitern 2 in einem zweiten metallischen Werkstoff eingebettet. D. h. der elektrische Leiter 1 wird aus der Vielzahl von Einzelleitern 2 aus dem ersten metallischen Werkstoff gebildet, die von einem zweiten metallischen Werkstoff umschlossen sind, der eben die Zwischenräume zwischen den Einzelleitern 2 ausfüllt. Der zweite Werkstoff ist (ebenfalls) ein Nichteisenmetall, insbesondere (reines) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung (bestehend überwiegend aus Aluminium) oder aber eine
Kupferlegierung (bestehend überwiegend aus Kupfer), wie insbesondere Messing (Kupfer- Zink).
Die Bildung, d. h. die Herstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters 1 erfolgt insbesondere durch ein Umgießen der Vielzahl von Einzelleitern 2 aus dem ersten metallischen Werkstoff mit dem zweiten metallischen Werkstoff. Insbesondere erfolgt diese Herstellung des elektrischen Leiters 1 mittels eines Druckguss-Gießverfahrens, wobei flüssige Schmelze des zweiten Werkstoffes in eine Gussform erfolgt, wobei die Einzelleiter 2 aus dem ersten metallischen Werkstoff in die Gussform eingelegt sind, so dass die
Einzelleiter 2 von dem zweiten metallischen Werkstoff umschlossen werden. Insbesondere wird zwischen den Einzelleitern 2 aus dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff, der die vielen Einzelleiter 2 umschließt bzw. umgibt bzw. ummantelt, bei einer Möglichkeit der Realisierung (z. B. Aluminium als zweiter Werkstoff) keine stoffschlüssige Verbindung hergestellt. D. h. die Vielzahl von Einzelleitern 2 wird nicht aufgeschmolzen und es wird kein Zusammenhalt zwischen den Einzelleitern 2 aus dem ersten metallischen Werkstoff und dem zweiten metallischen Werkstoff über atomare bzw. molekulare Kräfte geschaffen, vielmehr bilden sich zwischen dem ersten metallischen Werkstoff und dem zweiten metallischen Werkstoff intermetallische Verbindungen, die eher schlecht leitfähig sind und eine gewisse Isolierung zwischen den Einzelleitern 2 und dem die Einzelleiter 2 umschließenden zweiten metallischen Werkstoff bzw. unter den Einzelleitern 2 hersteilen.
Um den nunmehr gebildeten länglichen bzw. stabförmigen elektrischen Leiter 1 , umfassend die Vielzahl elektrischer Einzelleiter 2 aus dem ersten metallischen Werkstoff, welche von dem zweiten metallischen Werkstoff umschlossen sind, kann eine (Außen-)lsolation zur Isolation gegenüber weiteren solchen elektrischen Leitern 1 angebracht sein, wie etwa eine Lackschicht oder ein Überzug mit einem Kunststoff oder eine durch Eloxieren (wenn der zweite metallische Werkstoff Aluminium umfasst) erzeugte Schicht (für Anwendungen bis z. B. 48V) zur Vermeidung eines unmittelbaren Kontakts, wie es etwa bei Spulenwindungen einer elektrischen Maschine der Fall ist.
Die elektrische Leitfähigkeit des ersten metallischen Werkstoffs, d. h. der elektrischen Einzelleiter 2 ist erfindungsgemäß größer als die elektrische Leitfähigkeit des zweiten metallischen Werkstoffs. Wenn folglich in dem elektrischen Leiter 1 ein elektrischer Strom fließt, dann wird der elektrische Strom überwiegend in den Einzelleitern 2 aus dem ersten Werkstoff fließen, da deren elektrische Leitfähigkeit größer ist und nur zu einem geringen Teil durch den die Einzelleiter 2 umgebenden zweiten Werkstoff fließen, so dass eine (aufwendige) Isolierung der einzelnen Leiter gegeneinander und gegenüber dem zweiten metallischen Werkstoff entfallen kann und Platz gespart wird. Mit anderen Worten wird ein Großteil des fließenden elektrischen Stromes in den Einzelleitern 2 verbleiben und zusätzlich
dazu ein Teil des elektrischen Stromes im umgebenden zweiten metallischen Werkstoff mit gegenüber den Einzelleitern 2 geringerer elektrischer Leitfähigkeit fließen, was
erfindungsgemäß im Ergebnis noch besser ist, als eine (aufwendige und platzraubende) Isolierung der Einzelleiter 2 vorzusehen. Zudem wird dem Stromverdrängungseffekt und dem Proximity-Effekt (insbesondere bei Spulenwicklungen) entgegengewirkt, durch die
Anordnung einer Vielzahl von elektrischen Einzelleitern 2, welche in einen metallischen Werkstoff (dem zweiten metallischen Werkstoff) mit einer gegenüber dem metallischen Werkstoff (dem ersten metallischen Werkstoff) der elektrischen Einzelleiter 2 geringeren elektrischen Leitfähigkeit eingebettet sind. D. h. erfindungsgemäß wird ein Kompromiss erreicht, zwischen dem aus dem Stand der Technik bekannten Ansatz, sehr viele
voneinander isolierte elektrische Leiter jeweils mit einem kleinen Querschnitt, d. h. Drähte oder Litze vorzusehen, die dann gemeinsam einen elektrischen Leiter (Leiterbündel) bilden, so dass dem Stromverdrängungseffekt sowie dem Proximity-Effekt entgegengewirkt wird und einer möglichst geringen und flexiblen Querschnittsfläche/-form, so dass insbesondere bei einer Spulenanordnung bzw. bei einer Wechselstrommaschine oder eines Transformators ein hoher Nutfüllgrad erreicht werden kann bzw. dadurch, dass kein Isolationsmaterial zwischen den Einzelleitern erforderlich ist und gezielt weggelassen wird, Platz und Aufwand (Kosten, Zeit) gespart werden.
Die Form des Querschnitts (Querschnittsfläche) des erfindungsgemäßen Leiters 1 kann beliebig gestaltet sein, insbesondere rund, oval oder vieleckig, d. h. rechteckig, trapezförmig (V-förmig) oder dreieckig. Die Querschnittsform des Leiters 1 wird insbesondere derart gewählt, dass ein möglichst hoher Nutfüllgrad/Nutfüllfaktor bei einer Spulenanordnung bzw. bei einer elektrischen Maschine, Rotor oder Stator erreicht wird, d. h. die Querschnittsform des Leiters 1 orientiert sich bevorzugt an der vorgegebenen (Querschnitts-)Form der jeweiligen Nut, in der der Leiter 1 in der praktischen Anwendung verläuft.
Bevorzugt ist der erfindungsgemäße elektrische Leiter 1 (Bestand-)Teil einer Spule bzw. Wicklung (zur Erzeugung, Wandlung oder Detektion eines Magnetfelds). So umfasst etwa eine Wicklung einer elektrischen (Wechselstrom-)Maschine, für den Stator oder Rotor, den erfindungsgemäßen elektrischen Leiter 1. Die elektrische Maschine ist insbesondere
Bestandteil eines Fahrzeuges. Zur Bildung einer (segmentierten)
Stabwicklung/Formstabwicklung (Hairpin-/I-Pin-Wicklung) bzw. einer solchen (verteilten) Wicklung/Gesamtwicklung einer elektrischen Maschine wird dabei eine Vielzahl einzelner erfindungsgemäßer elektrischer Leiter 1 vorgegeben (in den Nuten des Stators bzw. Rotors) angeordnet und kontaktiert (verschweißt) bzw. verschaltet, so dass eben eine solche Formspule gebildet wird. Der erfindungsgemäße einzelne elektrische Leiter 1 ist dann, wie oben beschrieben, von außen, d. h. an der Außenseite isoliert bzw. mit einer (elektrisch nicht
leitenden oder nur sehr wenig leitenden) Isolationsschicht versehen, so dass die Vielzahl einzelner elektrischer Leiter 1 von- bzw. gegeneinander elektrisch isoliert ist und
beispielsweise über- und/oder nebeneinandergestapelt in der Nut eines Rotors oder Stators einer elektrischen Maschine in Kontakt steht, so dass wieder Platz gespart wird.
Jeder einzelne erfindungsgemäße elektrische Leiter 1 (Formstab, Hairpin) wird zur Bildung einer solchen Wicklung in einer ersten Ausführung zunächst/erst hergestellt, wie oben beschrieben, insbesondere durch Einlegen von elektrischen Einzelleitern 2 aus dem ersten metallischen Werkstoff in eine Gussform und ein Umgießen dieser Einzelleiter 2 mit dem zweiten metallischen Werkstoff und dann so verformt, dass er die geeignete Form aufweist, insbesondere haarnadelförmig (U-förmig) ist, also eine einseitige geöffnete Klammer bildet, wobei wie bekannt die beiden in eine Richtung weisenden Enden dieser Klammer für eine Kontaktierung bereitstehen. Hierbei ist es von Vorteil, dass der zweite metallische Werkstoff, welcher die Einzelleiter 2 aus dem ersten metallischen Werkstoff umgibt, allein, d. h. nur für sich gesehen, vergleichsweise spröde ist, dadurch flexibler bzw. formbarer ist, dass erfindungsgemäß der elektrische Leiter 1 nunmehr sowohl den zweiten metallischen
Werkstoff (insbesondere Aluminium) als auch die darin eingebetteten elektrischen
Einzelleiter 2 aus dem ersten metallischen Werkstoff (insbesondere Kupfer) umfasst.
Die zur Bildung einer solchen (Stab-)Wicklung, insbesondere vielen einzelnen
erfindungsgemäßen elektrischen Leiter 1 (Formstab, Hairpin) können in einer weiteren Ausführung (auch schon) während der Herstellung des jeweiligen elektrischen Leiters 1 geformt, d. h. in die für die Zielanwendung erforderliche äußere Form gebracht werden, so dass dieser insbesondere haarnadelförmig (U-förmig) ist, also eine einseitige geöffnete Klammer bildet, wobei wie bekannt die beiden in eine Richtung weisenden Enden dieser Klammer für eine Kontaktierung bereitstehen und zwar dadurch, dass elektrische Einzelleiter 2 aus dem ersten metallischen Werkstoff, welche schon vorher so geformt (gebogen) wurden, dann in eine Gussform eingelegt werden und dann ein Umgießen dieser Einzelleiter 2 mit dem zweiten metallischen Werkstoff erfolgt, so dass ein Umformvorgang nach dem Umgießen der Einzelleiter 2 nicht erforderlich ist, da diese schon nach dem Umgießen die für die Zielanwendung erforderliche äußere Form aufweisen, wobei diese Ausführung von Vorteil ist, da jegliche Verformung des vergleichsweise spröden zweiten metallischen Werkstoffs, welcher die Einzelleiter 2 aus dem ersten metallischen Werkstoff umgibt, vermieden wird.
Insbesondere im Zusammenhang mit der Bildung einer Spule bzw. Wicklung ist eine
Verbindung des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters 1 mit zumindest einem weiteren elektrischen Leiter, der ebenfalls ein erfindungsgemäß aufgebauter elektrischer Leiter 1 sein kann, regelmäßig problematisch. Wie oben schon beschrieben, wird zur Bildung einer
(segmentierten) Stabwicklung/Formstabwicklung (kontinuierlichen Hairpin-/I-Pin-Wicklung) bzw. einer solchen (verteilten) Wicklung/Gesamtwicklung einer elektrischen Maschine eine Vielzahl einzelner erfindungsgemäßer (entsprechend geformter/gebogener/U-förmiger) elektrischer Leiter 1 vorgegeben (in den Nuten des Stators bzw. Rotors),
angeordnet/eingesetzt und kontaktiert (verschweißt) bzw. verschaltet und zwar insbesondere an den Stirnseiten des Stators bzw. Rotors, so dass eben eine solche Formspule gebildet wird. Dadurch, dass der erfindungsgemäße elektrische Leiter 1 eine Vielzahl von
elektrischen Einzelleitern 2 aus einem ersten metallischen Werkstoff umfasst, die von einem zweiten metallischen Werkstoff umhüllt sind, ergeben sich gegenüber einem stabförmigen elektrischen Leiter, der nur aus einem Material besteht (insbesondere Kupfer) hinsichtlich der Verbindbarkeit (Stoffschluss, Schweißverbindung) keine Nachteile, da der zweite metallische Werkstoff am Außenumfang (am jeweiligen Ende des jeweiligen Formstabes) für eine einfache bzw. routinemäßige Kontaktierung (Schweißverbindung) bereitsteht. Dadurch, dass die elektrischen Einzelleiter 2 in dem zweiten Werkstoff eingebettet sind und dieser somit deren Ummantelung bildet, ist es weiterhin vorteilhaft, gegenüber dem Stand der Technik, bei dem eine Vielzahl gegeneinander (beispielsweise durch eine Kunststoffhülle) isolierter elektrischer Einzelleiter, die wie oben beschrieben, dann gemeinsam einen elektrischen Leiter bilden (Leiterbündel), so dass dem Stromverdrängungs- und dem Proximity-Effekt entgegengewirkt wird, dass erfindungsgemäß diese Einzelleiter 2 gar nicht mehr insofern einzeln vorhanden sind, als diese einzeln mit einem weiteren (ggf. ebenfalls
erfindungsgemäßen elektrischen Leiter 1) Leiter zu verbinden wären, da die elektrischen Einzelleiter 2 nunmehr erfindungsgemäß in dem zweiten metallischen Werkstoff eingebettet bzw. von diesem umschlossen sind, wobei eben nur noch der zweite metallische Werkstoff für die Kontaktierung (ausreichend) bereitsteht bzw. dafür ausreicht oder
vorgesehen/zugeschlagen werden kann. D. h. es steht ein (Kontaktierungs-)Bereich an einem oder allen Enden (allen beiden Enden) des elektrischen Leiters 1 am Umfang/an der Umfangsfläche des elektrischen Leiters 1 bereit, wobei in diesem Bereich - für eine
Kontaktierung mit einem weiteren elektrischen Leiter - vorteilhaft am Umfang/an der
Umfangsfläche des elektrischen Leiters 1 (ausschließlich) der zweite metallische Werkstoff bereitsteht, so dass vorteilhaft ein Verbindungsverfahren angewendet wird bzw. genutzt werden kann, das hinsichtlich des zweiten metallischen Werkstoffs günstig bzw. optimal ist (geringe Kosten, wenig Zeit, hohe Zuverlässigkeit/Festigkeit). In einer besonders
vorteilhaften Ausführungsform, siehe Figur 2, erstrecken sich die Einzelleiter 2 nicht über die gesamte Länge des elektrischen Leiters 1 , sondern sind um einen (frei wählbaren)
Differenzbetrag kürzer, als der elektrische Leiter 1 , so dass auch Stirnseiten bzw. Enden der Einzelleiter 2 mit dem zweiten metallischen Werkstoff umschlossen sind, so dass ein
(Kontaktierungs-)Bereich am Umfang/an der Umfangsfläche des elektrischen Leiters 1 und
an Stirnseiten (allen beiden Stirnseiten oder nur einer Stirnseite) bzw. Enden (allen beiden Enden oder nur einem Ende) des elektrischen Leiters 1 gebildet wird, der (infolgedessen) allein den zweiten metallischen Werkstoff umfasst und nicht auch die Einzelleiter 2 aus dem ersten metallischen Werkstoff, wobei dieser Bereich (allein) für eine Kontaktierung mit einem weiteren elektrischen Leiter (ggf. ebenfalls einem erfindungsgemäßen Leiter 1) bereitsteht, so dass vorteilhaft ein Verbindungsverfahren angewendet wird bzw. genutzt werden kann, das hinsichtlich des zweiten metallischen Werkstoffs günstig bzw. optimal ist (geringe Kosten, wenig Zeit, hohe Zuverlässigkeit/Festigkeit). D. h. dadurch, dass dieser Bereich des elektrischen Leiters 1 nur einen metallischen Werkstoff (den zweiten metallischen Werkstoff) umfasst, ist eine Kontaktierung/Verbindung mit einem weiteren elektrischen Leiter (ggf. ebenfalls einem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter 1), insbesondere eine (gewöhnliche) Schweißverbindung, besonders vorteilhaft ohne besondere Maßnahmen möglich. Für den Fall der Bildung einer (Stab-) Wicklung aus vielen einzelnen erfindungsgemäßen elektrischen Leitern 1 (Formstab, Hairpin), welche jeweils die für die Zielanwendung erforderliche äußere Form aufweisen, wobei diese insbesondere haarnadelförmig (U-förmig) sind, also jeweils eine einseitige geöffnete Klammer bilden, wobei die beiden in eine Richtung weisenden Enden der jeweiligen Klammer für eine Kontaktierung bereitstehen, sind erfindungsgemäß an beiden Enden auf diese Weise mit solchen Bereichen ausgeführt.
Natürlich kann der erfindungsgemäße elektrische Leiter 1 auch einfach eine Stromschiene sein, beispielsweise als (Bestand-)Teil einer leistungselektronischen Baugruppe, wie etwa eines Stromrichters oder Gleichspannungswandlers, d. h. innerhalb einer solchen Baugruppe angeordnet sein oder aber ein Verbindungselement zwischen einer solchen
leistungselektronischen Baugruppe und einer elektrischen Maschine sein.
Claims
1. Elektrischer Leiter (1), umfassend eine Vielzahl elektrischer Einzelleiter (2) aus einem ersten metallischen Werkstoff, wobei
- die Einzelleiter (2) entlang der Längsachse (L) des elektrischen Leiters (1) verlaufen und über den Querschnitt des elektrischen Leiters (1) verteilt sind,
- die Einzelleiter (2) voneinander beabstandet sind, so dass Zwischenräume zwischen den Einzelleitern (2) gebildet werden,
- die Einzelleiter (2) durch ein Umgießen mit einem zweiten metallischen Werkstoff von dem zweiten metallischen Werkstoff umschlossen sind und der zweite metallische Werkstoff die Zwischenräume zwischen den Einzelleitern (2) ausfüllt,
- die elektrische Leitfähigkeit des ersten metallischen Werkstoffs größer als die elektrische Leitfähigkeit des zweiten metallischen Werkstoffs ist, so dass, wenn in dem elektrischen Leiter (1) ein elektrischer Strom fließt, der elektrische Strom überwiegend in den Einzelleitern (2) aus dem ersten metallischen Werkstoff fließt.
2. Elektrischer Leiter (1) nach Patentanspruch 1 , wobei der erste metallische Werkstoff ein Nichteisenmetall ist, insbesondere Kupfer und der zweite metallische Werkstoff ein
Nichteisenmetall ist, insbesondere Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder eine überwiegend aus Kupfer bestehende Kupferlegierung, insbesondere Messing.
3. Elektrischer Leiter (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Einzelleiter (2)
stabförmige Leiter, Röbelstäbe oder Litzen sind.
4. Elektrischer Leiter (1) nach Patentanspruch 1 bis 3, wobei die Herstellung des elektrischen Leiters (1) mittels eines Druckguss-Gießverfahrens erfolgt.
5. Elektrischer Leiter (1) nach Patentanspruch 1 bis 4, wobei um den elektrischen Leiter (1) ein Isolationswerkstoff zur Isolation gegenüber weiteren solchen elektrischen Leitern (1) angebracht ist.
6. Elektrischer Leiter (1) nach Patentanspruch 1 bis 5, wobei die Form des Querschnitts des elektrischen Leiters (1) rund, oval oder vieleckig ist.
7. Elektrischer Leiter (1) nach Patentanspruch 1 bis 6, wobei der elektrische Leiter (1) Teil einer Spule/Wicklung zur Erzeugung oder Detektion eines Magnetfelds ist.
8. Elektrischer Leiter (1) nach Patentanspruch 7, wobei der elektrische Leiter (1) ein
Formstab einer Formstabwicklung einer elektrischen Maschine ist.
9. Elektrischer Leiter (1) nach Patentanspruch 1 bis 8, wobei sich die Einzelleiter (2) nicht über die gesamte Länge des elektrischen Leiters (1) erstrecken, sondern um einen
Differenzbetrag kürzer sind, als der elektrische Leiter (1), so dass auch Stirnseiten/Enden der Einzelleiter (2) mit dem zweiten metallischen Werkstoff umschlossen sind, so dass ein Bereich an zumindest einer Stirnseite/einem Ende des elektrischen Leiters (1) gebildet wird, der allein den zweiten metallischen Werkstoff umfasst und nicht auch die Einzelleiter (2) aus dem ersten metallischen Werkstoff umfasst, wobei dieser Bereich einer Kontaktierung mit einem weiteren elektrischen Leiter bereitsteht.
10. Fahrzeug mit einem elektrischen Leiter (1) nach Patentanspruch 1 bis 9.
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