Title:
Verwendung eines Materials bei der Lackisolierung normalleitender elektrischer Kabel und normalleitendes elektrisches Kabel
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Zur einfachen und kostengünstigen Verbesserung der Entwärmung normalleitender Kabel mit wenigstens einem einzigen lackisolierten stromleitenden Element wird vorgeschlagen, für die Lackisolierung ein Composite beziehungsweise ein organisches Composite Material zu verwenden beziehungsweise es wird ein normalleitendes Kabel mit wenigstens einem einzigen lackisolierten stromleitenden Element vorgeschlagen, dessen Lackisolierung mit einem Composite beziehungsweise organischen Composite Material bewerkstelligt ist. Dies trägt zum Erhalt hoher Leistungsgewichte bei Maschinen bei.





Inventors:
Filipenko, Mykhaylo (91058, Erlangen, DE)
Application Number:
DE102016209438A
Publication Date:
11/30/2017
Filing Date:
05/31/2016
Assignee:
Siemens Aktiengesellschaft, 80333 (DE)
International Classes:
H02K3/30; C09D5/25; H01B3/30
Claims:
1. Verwendung eines Composite Materials bei der Lackisolierung von stromleitenden Elementen normalleitender elektrischer Kabel.

2. Verwendung eines organischen Composite Materials bei der Lackisolierung von stromleitenden Elementen normalleitender elektrischer Kabel.

3. Normalleitendes elektrisches Kabel mit wenigstens einem einzigen lackisolierten stromleitenden Element, dadurch gekennzeichnet, dass die Lackisolierung der stromleitenden Elemente mit einem Composite Material oder einem organischen Composite Material bewerkstelligt ist.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines Materials bei der Lackisolierung normalleitender elektrischer Kabel nach einem der Ansprüche 1 oder 2 und ein normalleitendes elektrisches Kabel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Für viele technische Anwendungen sind elektrische Maschinen mit hohem Leistungsgewicht (Kilowatt kW pro kg Eigengewicht, kurz: x kW/kg) von großem Vorteil. Einige Anwendungen sind erst möglich, wenn solche Maschinen tatsächlich zur Verfügung gestellt sind. Ein Beispiel dafür ist die Elektrifizierung der Luftfahrt, das heißt, die in dieser Branche zur Verfügungstellung von Generatoren beziehungsweise Elektromotoren mit einem Leistungsgewicht von mindestens 20 kW/kg.

Eine bedeutende Maßnahme, das Leistungsgewicht zu erhöhen, ist, die Ständerwicklung so zu konfigurieren, dass

  • a) die elektrischen Verluste in der Wicklung reduziert sind, und
  • b) die Wärmeverluste möglichst effizient abgeführt sind, das heißt, resultierend aus a) und b),
  • c) eine möglichst hohe Stromdichte erreicht ist.

Hohe Leistungsgewichte bei Maschinen sind insbesondere dadurch zu realisieren, dass die Maschinen für eine hohe elektrische Frequenz ausgelegt sind und dass Magnete verwendet sind, die eine möglichst hohe Flussdichte aufweisen. Dadurch erhöhen sich aber auch sehr stark die AC-Verluste (Wechselstrom-Verluste) wie die Skin- und Proximity-Effekt Verluste in den Maschinen. Diese sind zu reduzieren insbesondere dadurch, dass für die elektrischen Leitungen Litzen verwendet sind.

Unter einer Litze ist an Stelle einer massiven Kupferleitung eine Leitung zu verstehen, die aufgeteilt ist in viele filigrane Einzeladern als ein jeweiliges stromleitendes Element, die einzeln von den jeweils übrigen durch einen zum Beispiel Kunststofflackmantel isoliert und zusammen miteinander verseilt sind, so dass letztlich wieder ein quasi massives Kabel beziehungsweise eine quasi massive Leitung vorliegend ist.

Der Nachteil bei der Verwendung von Kunststofflacken für die Isolierung der Einzeladern einer Litze ist die sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, die zu einer sehr verminderten Entwärmung des Kabels führt.

In der Fachwelt ist bezüglich normalleitender Kabel allgemein auch bekannt, an Stelle von Litzen Flachleiter zu verwenden, die wenigstens in eine Richtung die Wärme gut leitet. Desweiteren ist bekannt, Litzen zur gut wärmeleitenden Isolierung mit Keramik zu ummanteln. Ferner ist bekannt, kryogene Kabel zu verwenden, deren stromleitenden Elemente durch eine metallische Matrix voneinander getrennt sind. Bei kryogenen Temperaturen ist der Widerstand der Metallmatrix wesentlich größer als der Widerstand der Stromleiter, so dass diese quasi als Isolator funktioniert. Jedoch ist eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit als beispielsweise bei einer Kunststoffisolation gegeben.

Nachteilig aber bei all diesen Lösungen ist, dass sie sehr aufwendig und kostenintensiv in der Herstellung sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einfache und kostengünstige technische Maßnahmen zur Verbesserung der Entwärmung von normalleitenden Kabeln der eingangs genannten Art anzugeben.

Diese Aufgabe wird zum einen durch eine erfindungsgemäße Verwendung eines Materials bei der Lackisolierung normalleitender elektrischer Kabel nach einem der Ansprüche 1 oder 2 und zum anderen ausgehend von einem normalleitende elektrischen Kabel der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch ein normalleitendes elektrisches Kabel gelöst, das das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 3 aufweist.

Danach werden zur Verbesserung der Entwärmung von normalleitenden Kabeln für die Lackisolierung stromleitender Elemente entweder ein Composite oder ein organisches Composite Material verwendet, oder es ist bei einem normalleitenden Kabel mit wenigstens einem einzigen lackisolierten stromleitenden Element die Lackisolierung der stromleitenden Elemente mit einem Composite Material oder einem organischen Composite Material bewerkstelligt.

Diese Maßnahmen sind einfach und kostengünstig in der Herstellung und verbessern das Leistungsgewicht entsprechender Maschinen.

Die Erfindung besteht somit darin, den Kunststoff bei der Lackisolierung durch sogenannte Composite Materialien zu ersetzen. Composite Materialien sind Polymerwerkstoffe, bei denen in die Polymermatrix andere Elemente eingelagert sind, um die Eigenschaften gezielt zu beeinflussen. In einer beispielhaften konkreten Anwendung sind Keramische Moleküle, wie zum Beispiel Aluminium-Nitrid oder Bor-Nitrid, eingelagert, die die Wärmeleitung stark verbessern, jedoch die Isolationsfähigkeit des Materials nicht negativ beeinflussen.

Im Gegensatz zu konventionellen Lackisolierwerkstoffen, die eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich beispielsweise von ca. 0,5 W(Watt)/Km (Kelvin-Meter) haben, hat die neue Isolierung eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich beispielsweise von 1 bis 10 W/Km. Dadurch erfolgt ein wesentlich effizienterer Abtransport von Wärme, was eines der Hauptprobleme in einem Kühlnetzwerk eines Stators verbessert. Damit wiederum lassen sich höhere Stromdichten oder auch eine höhere Maschineneffizienz realisieren.

Im Vergleich zu einer reinen Keramikummantelung bei den stromleitenden Elementen eines wenigstens ein einziges stromleitendes Element aufweisenden Kabels lassen sich diese Werkstoffe wesentlich besser bearbeiten und zu einer Spule formen.

Die Herstellung ultra-leichter elektrischer Maschinen ist ermöglicht. Bestehende Maschinen wie zum Beispiel Windkraft-, Wasserkraft-, Dampfkraft- und so weiter – Maschinen oder Motoren bei der Bahn sind effizienter zu entwärmen.