Title:
Elektrischer Leiter für eine elektrische Maschine mit erhöhtem Leistungsgewicht und elektrische Komponente für die elektrische Maschine
Kind Code:
A1


Abstract:

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




Inventors:
Filipenko, Mykhaylo (91058, Erlangen, DE)
Beasley, Paul (Oxfordshire, Abingdon, GB)
Application Number:
DE102016202071A
Publication Date:
08/17/2017
Filing Date:
02/11/2016
Assignee:
Siemens Aktiengesellschaft, 80333 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102013226572A1N/A2015-06-25



Foreign References:
201201537622012-06-21
WO2015139736A12015-09-24
Claims:
1. Elektrischer Leiter (112) zum Leiten eines elektrischen Stroms in einer Stromflussrichtung (z), wobei der elektrische Leiter (112) durch eine Vielzahl von jeweils zumindest teilweise von einer Graphenschicht (114) umgebenen metallischen Leitern (113, 113-1, 113-2, ...) gebildet ist.

2. Elektrischer Leiter (112) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (112) ein eine Vielzahl von Einzeldrähten aufweisender Litzenleiter ist, wobei jeder der Einzeldrähte einen der metallischen Leiter (113-1, 113-2, ...) bildet.

3. Elektrischer Leiter (112) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (112) ein eine Vielzahl von Einzelschichten aufweisender Schichtstapel ist, wobei
– die Einzelschichten in einer zur Stromflussrichtung (z) senkrechten Richtung (x) übereinander gestapelt sind,
– die Vielzahl von Einzelschichten zumindest eine metallische Schicht (113-1), welche den metallischen Leiter (113) bildet, sowie zumindest zwei Graphenschichten (114-1, 114-2) umfasst,
– die Einzelschichten derart übereinander angeordnet sind, dass die metallische Schicht (113-1) zwischen den beiden Graphenschichten (114-1, 114-2) liegt.

4. Elektrischer Leiter (112) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Einzelschichten mehrere metallische Schichten (113-1, 113-2, ...) sowie mehrere Graphenschichten (114-1, 114-2, ...) umfasst und der elektrische Leiter (112) durch mehrere metallische Leiter (113) gebildet ist, wobei
– jede metallische Schicht (113-1, 113-2, ...) einen der metallischen Leiter bildet,
– die metallischen Schichten (113-1, 113-2, ...) und die Graphenschichten (114-1, 114-2, ...) abwechselnd übereinander angeordnet sind, so dass jeweils eine metallische Schicht (113-1, 113-2, ...) zwischen zwei Graphenschichten (114-1, 114-2, ...) liegt.

5. Elektrischer Leiter (112) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Graphenschichten (114-1, 114-2, ...) des Schichtstapels und die zwischen diesen beiden Graphenschichten (114-1, 114-2, ...) liegende metallische Schicht (113-1, 113-2, ...) ein elektrisches Leiterelement bilden, wobei die Vielzahl von Einzelschichten zusätzlich wärmeabführende Schichten (115-1, 115-2, ...), insbesondere Keramikschichten, aufweist, die derart im Schichtstapel angeordnet sind, dass ein jeweiliges elektrisches Leiterelement zwischen jeweils zwei der wärmeabführenden Schichten (115-1, 115-2, ...) liegt.

6. Elektrischer Leiter (112) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste (115-1) und die unterste Schicht (115-3) des Schichtstapels wärmeabführende Schichten sind.

7. Elektrische Komponente (110, 120) für eine elektrische Maschine (100), wobei die Komponente einen zumindest im Betriebszustand der elektrischen Maschine (100) von elektrischem Strom in einer Stromflussrichtung (z) durchflossenen elektrischen Leiter (112) aufweist, wobei der elektrische Leiter (112) durch zumindest einen, zumindest teilweise von einer Graphenschicht (114) umgebenen metallischen Leiter (113) gebildet ist.

8. Elektrische Komponente (110, 120) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente ein Stator (110) für die elektrische Maschine (100) ist, wobei der elektrische Leiter (112) eine am Stator (110) angeordnete Statorwicklung (111-1, 111-2, ...) ist.

9. Elektrische Komponente (110, 120) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente ein Rotor (120) für die elektrische Maschine (100) ist, wobei der elektrische Leiter (112) eine am Rotor (120) angeordnete Wicklung ist.

10. Elektrische Komponente (110, 120) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (112) ein elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.

Description:

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter und dessen Verwendung, bspw. zum Leiten des elektrischen Stroms im Anwendungsfall einer elektrischen Maschine, bspw. für einen Generator oder für einen Elektromotor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil der elektrischen Maschine, welches mit dem elektrischen Leiter ausgestattet ist, bspw. einen Stator oder einen Rotor, dessen jeweilige Wicklung mittels des elektrischen Leiters realisiert ist.

Zur Klassifizierung einer elektrischen Maschine kann unter anderem das sogenannte Leistungsgewicht verwendet werden, welches die von der Maschine erbringbare Leistung ins Verhältnis zu ihrem Gewicht setzt und in der Regel in kW/kg angegeben wird. Während für viele technische Anwendungen Leistungsgewichte in Größenordnungen bis zu 1kW/kg ausreichend sind, benötigt man bspw. für die Elektrifizierung der Luftfahrt elektrische Maschinen mit Leistungsgewichten von mindestens 20kW/kg.

Zur Erhöhung der Leistungsdichte von elektrischen Maschinen kann bspw. der Strombelag im Stator der Maschine bzw. die Stromdichte in den Statorwindungen erhöht werden. Dies hat zur Folge, dass in den Windungen bei gleicher Leistung weniger Leitermaterial benötigt wird, wodurch sich das Gewicht der Maschine bei weiterhin gleicher Leistung reduziert.

Um die Stromdichte von üblichen Werten wie bspw. 2–10A/mm2 auf Größenordnungen von 25–100A/mm2 zu erhöhen, können in einem ersten Ansatz die die Statorwindungen bildenden Kupferwicklungen während des Betriebes gekühlt werden. Zu diesem Zweck können die Kupferwicklungen in direkten Kontakt mit einem Kühlmedium gebracht werden oder sie werden innen hohl gestaltet und das Kühlmedium wird direkt durch den so gebildeten Hohlraum gepumpt. In beiden Fällen ergibt sich eine vergleichsweise große Berührfläche zwischen Leiter und Kühlmedium und damit eine erhöhte Kühlwirkung, so dass vergleichsweise viel Wärme abtransportiert werden kann. Dies schlägt sich darin nieder, dass die elektrischen Leitungen höhere Ströme transportieren können. In einem zweiten Ansatz zur Erhöhung der Stromdichte werden kryogen gekühlte, ggf. sogar supraleitende elektrische Leiter verwendet, deren elektrischer Widerstand mit der Umgebungstemperatur signifikant abnimmt. Dadurch reduzieren sich die Verluste im Leiter, resultierend in vergleichsweise hohen Stromdichten.

Bei beiden Ansätzen, die letztlich auf einer Kühlung des jeweiligen elektrischen Leiters basieren, wirkt sich jedoch nachteilig aus, dass zur Kühlung des Leiters ein erhöhter Aufwand notwendig ist. Desweiteren sind insbesondere beim innengekühlten Hohlleiter die elektrischen Verluste vergleichsweise hoch und dadurch der Wirkungsgrad gering.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Möglichkeit anzugeben, das Leistungsgewicht einer elektrischen Maschine zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 beschriebenen elektrischen Leiter und dessen Verwendung sowie durch die in Anspruch 7 beschriebene elektrische Komponente für eine elektrische Maschine gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.

Der elektrische Leiter dient zum Leiten eines elektrischen Stroms in einer Stromflussrichtung. Dabei ist der elektrische Leiter durch eine Vielzahl von jeweils zumindest teilweise von einer Graphenschicht umgebenen, insbesondere ummantelten, metallischen Leitern gebildet.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept liegt darin, einen elektrischen Leiter zu verwenden, dessen herkömmlicher metallischer Leiter von der genannten Graphenschicht umgeben bzw. ummantelt ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass insbesondere Wechselstromverluste (AC-Verluste) eines solchen elektrischen Leiters gegenüber herkömmlichen Leitern um Faktoren in einer Größenordnung von 100 reduziert sind. Dies resultiert daraus, dass der über den elektrischen Leiter fließende Strom aufgrund der radial nach außen wirkenden Stromverdrängung die Graphenschicht gedrängt wird. Da Graphen eine wesentlich bessere Leitfähigkeit aufweist als die in dieser Anwendung gängigen Materialien wie bspw. Kupfer, ergeben sich entsprechend geringere Verluste und es lassen sich wesentlich höhere Wirkungsgrade erzielen. Auch dadurch, dass der metallische Leiter eine Vielzahl von separaten metallischen Einzelleitern aufweist, ergibt sich eine weitere Reduzierung des Effekts der Stromverdrängung.

Konsequenterweise verspricht die Verwendung eines solchen elektrischen Leiters an Stelle der typischerweise eingesetzten elektrischen Leiter, die bspw. aus einem von einem Isolator umgebenen Kupferdraht bestehen, für eine Komponente einer elektrischen Maschine ein signifikant erhöhtes Leistungsgewicht der diese elektrische Komponente aufweisenden elektrischen Maschine.

Als zusätzlicher Vorteil ergibt sich aufgrund der gegenüber herkömmlichen Materialien ebenfalls besseren Wärmeleitfähigkeit von Graphen eine weniger aufwändige Kühlung.

Der elektrische Leiter kann in einer Ausführungsform als ein eine Vielzahl von Einzeldrähten aufweisender Litzenleiter realisiert sein. Dabei bildet jeder der Einzeldrähte des Litzenleiters einen der metallischen Leiter, welche von Graphen umgeben sind. Demnach sind die Einzeldrähte jeweils zumindest teilweise von einer Graphenschicht umgeben bzw. ummantelt. Die Kombination aus Litzenleiter und Graphenummantelung der Einzeldrähte resultiert in einer weiter verbesserten Leitfähigkeit des elektrischen Leiters, insbesondere für Wechselstrom.

Der elektrische Leiter kann in einer weiteren Ausführungsform als ein eine Vielzahl von Einzelschichten aufweisender und so einen Folienleiter bildender Schichtstapel realisiert sein. Dabei sind die Einzelschichten in einer zur Stromflussrichtung senkrechten Richtung übereinander gestapelt sind und die Vielzahl von Einzelschichten umfasst zumindest eine metallische Schicht, welche den metallischen Leiter bildet, sowie nicht nur die zumindest eine, sondern zumindest zwei Graphenschichten. Diese Einzelschichten sind derart übereinander angeordnet, dass die metallische Schicht zwischen den beiden Graphenschichten liegt und die Graphenschichten den metallischen Leiter somit zumindest teilweise umgeben. Der besondere Vorteil eines solchen Folienleiters ist die einfachere und günstigere Herstellung, da Graphen bereits großflächig hergestellt werden kann. Eine Beschichtung einer solchen Graphenfolie mit Kupfer, welches dann den metallischen Leiter bildet, kann bspw. mit einem sogenannten CVD-Verfahren erfolgen. Insbesondere würden sich sehr dünne Kupferschichten wesentlich besser realisieren lassen als beim normalen Leiter, was zu einer starken Reduktion der Proximityverluste führt.

Insbesondere kann die Vielzahl von Einzelschichten mehrere metallische Schichten sowie mehrere Graphenschichten umfassen, wobei der elektrische Leiter nicht nur durch einen, sondern durch mehrere metallische Leiter gebildet ist. Jede metallische Schicht bildet dabei einen der metallischen Leiter. Die metallischen Schichten und die Graphenschichten sind abwechselnd übereinander angeordnet, so dass jeweils eine metallische Schicht zwischen zwei Graphenschichten liegt und diese Graphenschichten den jeweiligen metallischen Leiter somit zumindest teilweise umgeben. Neben den oben genannten Vorteilen des Folienleiters ergibt sich hier eine weitere Verbesserung der Leitfähigkeit dadurch, dass der elektrische Leiter nicht nur einen, sondern eine Vielzahl von metallischen Einzelleitern aufweist.

Im Fall des Folienleiters können in einer Weiterbildung der Ausführungsform jeweils zwei Graphenschichten des Schichtstapels und die zwischen diesen beiden Graphenschichten liegende metallische Schicht ein elektrisches Leiterelement bilden. Die Vielzahl von Einzelschichten weist zusätzlich wärmeabführende Schichten auf, insbesondere Keramikschichten, die derart im Schichtstapel angeordnet sind, dass ein jeweiliges elektrisches Leiterelement zwischen jeweils zwei der wärmeabführenden Schichten liegt. Die wärmeabführenden Schichten, die insbesondere als Keramiklagen ausgebildet sein können, erlauben zum Einen einen besseren Abtransport von ggf. entstehender Wärme und bewirken zum Anderen eine verbesserte Stabilität des elektrischen Leiters.

Dabei können zumindest die oberste und die unterste Schicht des Schichtstapels wärmeabführende Schichten sein.

Eine elektrische Komponente für die elektrische Maschine weist einen zumindest im Betriebszustand der elektrischen Maschine von elektrischem Strom in einer Stromflussrichtung durchflossenen elektrischen Leiter auf, wobei der elektrische Leiter durch zumindest einen, zumindest teilweise von einer Graphenschicht umgebenen, insbesondere ummantelten, metallischen Leiter gebildet ist. Aufgrund der verbesserten Leitfähigkeit eines solchen speziellen elektrischen Leiters verspricht die Verwendung dieses elektrischen Leiters in bzw. für eine elektrische Maschine eine signifikante Erhöhung des Leistungsgewichts.

Die elektrische Komponente kann ein Stator für die elektrische Maschine sein, wobei der elektrische Leiter insbesondere zur Realisierung einer am Stator angeordneten Statorwicklung dient.

Die elektrische Komponente kann desweiteren ein Rotor für die elektrische Maschine sein, wobei der elektrische Leiter insbesondere zur Realisierung einer am Rotor angeordneten Wicklung ist.

Der elektrische Leiter kann vorteilhafterweise ein elektrischer Leiter mit einer Vielzahl von metallischen Einzelleitern sein, wie er oben bereits beschrieben wurde.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.

Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

Es zeigen:

1 eine elektrische Maschine,

2 einen Querschnitt eines elektrischen Leiters in einer ersten Ausführungsform,

3 einen Querschnitt des elektrischen Leiters in einer ersten Variante einer zweiten Ausführungsform,

4 einen Querschnitt des elektrischen Leiters in einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform,

5 einen Querschnitt des elektrischen Leiters in einer dritten Variante der zweiten Ausführungsform,

6 einen Querschnitt des elektrischen Leiters in einer dritten Ausführungsform.

Die 1 zeigt exemplarisch und vereinfacht eine als Generator ausgebildete elektrische Maschine 100. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 100 in ähnlichem Aufbau grundsätzlich auch als Elektromotor betrieben werden kann. Weiterhin sei angemerkt, dass der Aufbau der im Folgenden beschriebenen Maschine rein exemplarisch ist. Es kann als bekannt vorausgesetzt werden, dass je nach Ausbildung der elektrischen Maschine als Generator oder als Elektromotor und/oder als bspw. Radial- oder Axialflussmaschine mit einem als Innen- oder auch als Außenläufer ausgebildeten Rotor etc. die verschiedenen Komponenten der Maschine unterschiedlich angeordnet sein können. Sämtlichen Ausführungsformen ist jedoch gemein, dass zum Stromtransport elektrische Leiter benötigt werden. Diese elektrischen Leiter und ihre Anwendung in einer elektrischen Maschine stellen den eigentlichen Schwerpunkt der Erfindung dar, während der konkrete Aufbau der Maschine nicht von besonderer Bedeutung ist. Aus diesem Grund wird auf Details der elektrischen Maschine nicht eingegangen.

Der Generator 100 weist einen Stator 110 sowie einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor 120 auf, wobei der Rotor 120 innerhalb des Stators 110 angeordnet ist und im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 um eine Rotationsachse rotiert. Hierzu kann der Rotor 120 mit Hilfe eines nicht dargestellten Motors über eine Welle 130 angetrieben bzw. in Rotation versetzt werden. Polschuhe 121 des Rotors 120 stellen magnetische Pole dar und der Stator 110 weist mehrere Statorwicklungen 111-1, ..., 111-4 auf, die jeweils an Polschuhen 119-1, ..., 119-4 des Stators 110 angeordnet bzw. um diesen gewickelt sind. Jede der Wicklungen 111-1, ..., 111-4 wird durch einen elektrischen Leiter 112 gebildet, der im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Die Polschuhe 121 des Rotors 120 können bspw. als Permanentmagnete oder als erregte Wicklungen ausgebildet sein. Im Folgenden wird exemplarisch angenommen, dass es sich um Permanentmagnete handelt.

Bei Rotation des Rotors 120 wird in den Statorwicklungen 111-1, ..., 111-4 des Stators 110 in bekannter Weise eine Spannung induziert, welche über elektrische Leitungen 141, 142 elektrischen Anschlüssen 143, 144 des Generators 100 zugeführt wird. Diese induzierte Spannung kann an den Anschlüssen 143, 144 abgegriffen und schließlich einem elektrischen Verbraucher 200 zur Verfügung gestellt werden.

Zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor wird anstelle des elektrischen Verbrauchers 200 eine Spannungsquelle 300 an die Anschlüsse 143, 144 angeschlossen. Dies ist ebenfalls in der 1 symbolisiert. Die Spannungsquelle 300 stellt bspw. eine Wechselspannung zur Verfügung, die bewirkt, dass die Statorwicklungen 111-1, ..., 111-4 dementsprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnetfeldern der Permanentmagnete 121 des Rotors 120 in Wechselwirkung treten. Dies resultiert bekanntermaßen darin, dass bei geeigneter Anordnung der genannten Komponenten zueinander der Rotor 120 und mit ihm die Welle 130 in Rotation versetzt werden. Die Welle 130 ist mit einem anzutreibenden Objekt 500 verbunden, bspw. mit einem Propeller, welches durch die Rotation des Rotors 120 und der Welle 130 ebenfalls in Rotation versetzt wird.

Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters 112 in einer Querschnittsansicht. Ein elektrischer Strom würde also in der Ansicht der 2 in die Papierebene hinein bzw. aus dieser heraus laufen. Ein elektrischer Leiter 112, aus dem die jeweiligen Statorwicklungen 111-1, ..., 111-4 gebildet sind, besteht aus einem metallischen Leiter 113, bspw. aus einem Kupferleiter, welcher zumindest teilweise von einer Graphenschicht 114 umgeben bzw. ummantelt ist. Dabei soll die Ergänzung „zumindest teilweise umgeben“ ausdrücken, dass der Kupferleiter bspw. an dessen Anfang und Ende nicht zwangsläufig von der Graphenschicht 114 bedeckt ist, so dass der Leiter 113 elektrisch mit anderen Komponenten, bspw. mit den elektrische Leitungen 141, 142 bzw. ggf. direkt mit den elektrischen Anschlüssen 143, 144, verbunden werden kann. Bspw. kann sich die Graphenschicht 114 weitestgehend vollständig entlang der Längserstreckung des metallischen Leiters 113 erstrecken, dabei aber die Enden des metallischen Leiters 113 soweit unbedeckt lassen, dass diese elektrisch mit den weiteren Komponenten verbunden werden können.

In der ersten Ausführungsform ähnelt der elektrische Leiter 112 einem herkömmlichen elektrischen Leiter, der typischerweise einen metallischen Leiter, bspw. einen Kupferleiter, mit im Wesentlichen rundem Querschnitt sowie eine isolierende Ummantelung aufweist. Im Unterschied hierzu ist der hier verwendete metallische Leiter 113 des elektrischen Leiters 112 mit der Graphenschicht 114 umgeben bzw. ummantelt. Dabei zeichnet sich eine Ummantelung dadurch aus, dass sie sich in einer Umfangsrichtung um den ummantelten Leiter vollständig und zudem entlang der Längserstreckung in der Stromflussrichtung zumindest weitestgehend vollständig erstreckt. Ein über den Kupferleiter 113 fließender Strom wird aufgrund der radial nach außen wirkenden Stromverdrängung in die Graphenummantelung 114 gedrängt. Da Graphen eine wesentlich bessere Leitfähigkeit aufweist als die in dieser Anwendung gängigen Materialien wie bspw. Kupfer, ergeben sich entsprechend geringere Verluste und es lassen sich wesentlich höhere Wirkungsgrade erzielen.

Die 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des elektrischen Leiters 112. Ein elektrischer Strom würde also auch in dieser Ansicht in die Papierebene hinein bzw. aus dieser heraus laufen. In der zweiten Ausführungsform ist der elektrische Leiter 112 als Folienleiter ausgebildet. Der elektrische Leiter 112 ist hierbei ein eine Vielzahl von Einzelschichten aufweisender Schichtstapel, wobei die Einzelschichten in einer zur Stromflussrichtung z des elektrischen Stroms im elektrischen Leiter 112 senkrechten Richtung x übereinander gestapelt sind. Dabei entspricht für den in der 3 dargestellten Abschnitt des elektrischen Leiters 112 die Stromflussrichtung der z-Richtung. In der ersten, einfachsten Variante der zweiten Ausführungsform weist die Vielzahl von Einzelschichten eine metallische Schicht 113-1, welche den metallischen Leiter 113 bildet, sowie zwei Graphenschichten 114-1, 114-2 auf. Die Einzelschichten 113-1, 114-1, 114-2 sind abwechselnd übereinander angeordnet, so dass die metallische Schicht 113-1 zwischen den beiden Graphenschichten 114-1, 114-2 liegt und die Graphenschichten 114-1, 114-2 den metallischen Leiter 113-1 somit zumindest teilweise umgeben. In dieser zweiten Ausführungsform ist also der metallische Leiter 113-1 nicht von der Graphenschicht ummantelt, sondern es ist jeweils eine Graphenschicht 114-1, 114-2 auf einer Ober- und einer Unterseite des metallischen Leiters 113-1 angeordnet.

Der Folienleiter kann bspw. dadurch definiert werden, dass sich die Erstreckungen seiner Einzelschichten im jeweiligen Querschnitt, d.h. in den beiden auf der Stromflussrichtung z durch die Einzelschicht senkrecht stehenden Richtungen x, y, stark voneinander unterscheiden, bspw. um eine Größenordnung oder typischerweise sogar mehr. Während also die Erstreckung jeder Einzelschicht in Stromflussrichtung z typischerweise ohnehin wesentlich größer ist, als die Erstreckungen in den Querschnittsrichtungen x, y, ist auch eine der Erstreckungen in den Querschnittsrichtungen x, y, bspw. die Erstreckung in y-Richtung, wesentlich größer als die Erstreckung in der jeweils anderen Querschnittsrichtung, in diesem Beispiel also die x-Richtung.

Begriffe wie „oberhalb“, „unterhalb“, „übereinander“ etc. beziehen sich in diesem Zusammenhang und insbesondere im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform auf diejenige Raumrichtung, in der die Einzelschichten des Schichtstapels die geringste Erstreckung aufweisen. In einer ersten Näherung kann wie oben beschrieben angenommen werden, dass sich die Einzelschichten im Wesentlichen in zwei Raumrichtungen erstrecken, nämlich in Stromflussrichtung, bspw. die z-Richtung, und in einer dazu senkrecht stehenden Richtung, bspw. in der y-Richtung, während sie in der dritten Raumrichtung, in diesem Fall also in x-Richtung, eine vergleichsweise geringe Erstreckung aufweisen, also quasi-zweidimensional sind. Die genannten Begriffe „oberhalb“, „unterhalb“, „übereinander“ etc. referenzieren im genannten Beispiel also die x-Richtung.

Der besondere Vorteil eines solchen Folienleiters ist die einfachere und günstigere Herstellung, da Graphen bereits großflächig hergestellt werden kann, so dass bspw. eine Kupferschicht bzw. -folie mit einer Graphenschicht beschichtet werden kann. Alternativ ist es auch denkbar, eine Graphenfolie mit Kupfer zu beschichten, welches dann den metallischen Leiter bildet. Dies kann bspw. mit einem sogenannten CVD-Verfahren („chemical vapor deposition“ bzw. „chemische Gasphasenabscheidung“) erfolgen. Insbesondere würden sich sehr dünne Kupferschichten wesentlich besser realisieren lassen als bei einem normalen Leiter, was zu einer starken Reduktion der Proximityverluste führt.

In einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform des elektrischen Leiters 112, die in der 4 dargestellt ist, weist der Schichtstapel nicht nur eine, sondern mehrere metallische Schichten auf, wobei auch hier jede der metallischen Schichten 113-1, 113-2 einen metallischen Leiter des elektrischen Leiters 112 bildet. Zusätzlich zu den metallischen Schichten 113-1, 113-2 weist der Schichtstapel eine Vielzahl von Graphenschichten 114-1, 114-2, 114-3 auf. Die metallischen Schichten 113-1, 113-2, 113-3 und die Graphenschichten 114-1, 114-2, 114-3 sind wieder abwechselnd übereinander angeordnet, so dass jeweils eine metallische Schicht zwischen zwei Graphenschichten liegt und diese Graphenschichten 114-1, 114-2, 114-3 den jeweiligen metallischen Leiter 113-1, 113-2 somit zumindest teilweise umgeben, nämlich oberhalb und unterhalb des jeweiligen metallischen Leiters 113-1, 113-2 angeordnet sind.

Die in der 4 dargestellte Ausführung des elektrischen Leiters 112 weist der Übersichtlichkeit wegen lediglich A = 2 metallische Schichten 113-1, 113-2 auf. Natürlich kann die zweite Variante aber auch mit mehr als zwei metallischen Schichten (A > 2) und einer dementsprechend höheren Anzahl B von Graphenschichten 114-1, ..., 114-B realisiert werden, wobei in dieser zweiten Variante im Allgemeinen, aber nicht notwendigerweise gelten wird B = A + 1.

In einer dritten Variante der zweiten Ausführungsform, die in der 5 dargestellt ist und die einer Weiterbildung der zweiten Variante entspricht, bilden jeweils zwei Graphenschichten 114-1, ... des Schichtstapels und die zwischen diesen beiden Graphenschichten 114-1, ... liegende metallische Schicht 113-1, ... ein elektrisches Leiterelement des elektrischen Leiters 112. Zusätzlich zu den im Zusammenhang mit der zweiten Variante eingeführten Einzelschichten sind in der dritten Variante wärmeabführende Schichten 115-1, ... vorgesehen. Die wärmeabführenden Schichten 115-1, ... sind derart im Schichtstapel angeordnet, dass ein jeweiliges elektrisches Leiterelement zwischen jeweils zwei der wärmeabführenden Schichten 115-1, ... liegt. Dabei sind die verschiedenen Einzelschichten so angeordnet, dass die im Schichtstapel am weitesten außen liegenden Einzelschichten, d.h. bei übereinander angeordneten Schichten die oberste und die unterste Einzelschicht des Schichtstapels, wärmeabführende Schichten sind. Die wärmeabführenden Schichten, die insbesondere als Keramiklagen ausgebildet sein können, erlauben zum Einen einen besseren Abtransport von ggf. entstehender Wärme und bewirken zum Anderen eine verbesserte Stabilität des elektrischen Leiters 112.

In der konkreten, exemplarischen Ausführung in der 5 weist der Schichtstapel A = 2 metallische Schichten 113-1, 113-2 sowie B = 4 Graphenschichten 114-1, ..., 114-B und dementsprechend C = 3 wärmeabführende Schichten 115-1, ..., 115-C auf.

In einer dritten Ausführungsform des elektrischen Leiters 112 ist dieser als Litzenleiter ausgebildet, welcher eine Vielzahl von metallischen Einzeldrähten 113-1, ..., 113-7 aufweist. Eine erste Variante der dritten Ausführungsform ist in der 6 dargestellt. In dieser ersten Variante ist zumindest einer der Einzeldrähte, idealerweise aber jeder einzelne der Einzeldrähte, jeweils von einer Graphenschicht 114-1, ..., 114-7 umgeben bzw. ummantelt.

Idealerweise sind auch die elektrischen Leitungen 141, 142, die sich zwischen der jeweiligen Statorwicklung 111 und den Anschlüssen 143, 144 der elektrischen Maschine 100 erstrecken, in analoger Weise aufgebaut, d.h. die elektrischen Leitungen 141, 142 bestehen aus einem oder mehreren metallischen Leitern 113, bspw. aus Kupferleitern, welche zumindest teilweise von einer Graphenschicht 114 umgeben sind.

Ein zur Erzeugung der Graphenschichten geeignetes Verfahren ist bspw. die mit „Microwave plasma chemical vapor deposition“ bezeichnete Technik zur Beschichtung von Kupfer mit Graphen. Alternativ ist eine mit „chemical vapor deposition“ oder auch „chemische Gasphasenabscheidung“ bezeichnete Technik bekannt, mit deren Hilfe Graphen auf Kupfer aufgebracht werden kann.

Ggf. kann die Graphenschicht 114 in den verschiedenen Ausführungen und Varianten von einem hier jedoch nicht dargestellten Isolierlack umgeben sein, um zu verhindern, dass es bei hohen Spannungen zu Durchschlägen zwischen benachbarten Leitern kommt. Da die Leitfähigkeit von Graphen derart richtungsabhängig ist, dass ein Strom lediglich innerhalb der quasi-zweidimensionalen Graphenschicht, nicht jedoch senkrecht dazu geleitet wird, kann auf eine solche isolierende Lackschicht u.U. verzichtet werden. Dies hätte den Vorteil, dass der Füllgrad der Wicklung gegenüber herkömmlichen Ansätzen mit dedizierter Isolierschicht erhöht werden kann.