Title:
Elektrischer Leiter mit mehreren Filamenten in einer Matrix
Kind Code:
A1


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 Filamente (3) aus einem bei 4,2 K normalleitenden Material, wobei diese Filamente (3) monolithisch in eine elektrisch höher resistive normalleitende Matrix (5) eingebettet wird. 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.




Inventors:
Arndt, Tabea (91056, Erlangen, DE)
Application Number:
DE102016210268A
Publication Date:
12/14/2017
Filing Date:
06/10/2016
Assignee:
Siemens Aktiengesellschaft, 80333 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102009046038A1N/A2011-04-28
DE68909144T2N/A1994-01-13
DE2525980A1N/A1976-10-07



Foreign References:
42007671980-04-29
Other References:
KRAUTH, Helmut: Fabrication and application of NbTi and NB3Sn superconductors. In: Niobium Science & Technology, Proceedings of the International Symposium Niobium 2001, December 2-5, 2001, Orlando, Florida, USA. 2001, S. 207-219. ISBN 0971206805.
Claims:
1. Elektrischer Leiter (1) zur Herstellung einer Statorwicklung (34) eines Stators (33) einer elektrischen Maschine (31),
umfassend
– mehrere Filamente (3) aus einem bei 4,2 K normalleitenden Material,
wobei diese Filamente (3) monolithisch in eine elektrisch höher resistive normalleitende Matrix (5) eingebettet sind.

2. Elektrischer Leiter (1) nach Anspruch 1, bei der das Material der Filamente (3) als Hauptbestandteil Aluminium aufweist.

3. Elektrischer Leiter (1) nach Anspruch 2, bei der das Material der Filamente (3) hochreines Aluminium ist, welches ein Restwiderstandsverhältnis von wenigstens 1000 aufweist.

4. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Material der Matrix (5) eine höhere Zugfestigkeit aufweist als das Material der Filamente (3).

5. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der monolithische Verbund (3, 5) als Ganzes eine Zugfestigkeit von wenigstens 10 N/mm2 aufweist.

6. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der monolithische Verbund zwischen den Filamenten (3) und der Matrix (5) durch gemeinsame mechanische Umformung hergestellt ist.

7. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Material der normalleitenden Matrix (5) eine Kupfer- und/oder Aluminiumlegierung umfasst und/oder aus einer solchen Legierung besteht.

8. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die spezifische Leitfähigkeit des Materials der Matrix (5) zwischen 1 × 10–7 Ωm und 2 × 10–6 Ωm liegt.

9. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die einzelnen Filamente (3) innerhalb des Leiters (1) wenigstens teilweise gegeneinander verdrillt sind.

10. Elektrischer (1) Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anzahl der Filamente (3) bei wenigstens 120 liegt.

11. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Durchmesser der einzelnen Filamente (3) bei höchstens 10 µm liegt.

12. Elektrischer Leiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die einzelnen Filamente (3) innerhalb des Verbundes jeweils mit einer Barriereschicht (7) ummantelt sind, wobei das Material dieser Barriereschicht (7) elektrisch höher resistiv ist als das Material der umgebenden Matrix (5).

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 12 aufweist.

15. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
gekennzeichnet durch wenigstens einen Verfahrensschritt,
bei dem die Matrix (5) und die Filamente (3) eine gemeinsame mechanische Umformung durchlaufen,
wobei ein monolithischer Verbund zwischen den Filamenten und der Matrix gebildet wird.

Description:

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 Wechselstromverluste meist nicht vorteilhaft. Die elektrischen Leiter der normalleitenden Statorwicklungen basieren nach dem Stand der Technik auf einem gut leitfähigen Metall, z.B. Kupfer oder Aluminium oder einer Legierung als Leitermaterial, wobei meist eine Vielzahl von Einzeldrähten zu einem gemeinsamen Leiterstrang verseilt sind (Litze). Die mechanische Festigkeit einer solchen Seilstruktur ergibt sich dabei sowohl aus den mechanischen Eigenschaften der Einzeldrähte als auch durch die Reibung beziehungsweise den Bewegungswiderstand zwischen den einzelnen Litzen. Hierdurch wird die Beweglichkeit der Einzelleiterabschnitte gegeneinander stark eingeschränkt. Zwischen den Einzelleitern liegen Zwischenräume vor, die entweder frei bleiben oder mit einem zusätzlichen elektrisch isolierenden festen Material (beispielsweise Epoxidharzen, Lacken, Polyimiden) aufgefüllt sein können. Die Einzelleiter können auch zur besseren Wärmeabführung von einem fluiden Kühlmedium umspült werden, beispielsweise von einem Öl guter thermischer Leitfähigkeit und/oder guter Wärmekapazität.

Die beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine anfallenden Wechselstromverluste – insbesondere der Anteil der Wirbelstromverluste – werden im Stator entscheidend durch die Dicke der verwendeten Einzelleiter beeinflusst. Zur Reduktion der Wechselstromverluste ist es wünschenswert, den Einzelleiterdurchmesser möglichst gering zu halten. Gleichzeitig ist ein hoher Füllfaktor des leitfähigen Materials der Einzelleiter wünschenswert, damit der Platzbedarf der Statorwicklung(en) nicht unnötig hoch wird. Auch soll das Gewicht der Statorwicklung(en) nicht durch einen unerwünscht hohen Anteil eines die Einzelleiter umgebenden Materials gesteigert werden.

Es kann vorteilhaft sein, bei einer elektrischen Maschine (insbesondere bei Verwendung eines tiefkalten supraleitenden Rotors) die Statorwicklungen ebenfalls auf eine kryogene Temperatur zu kühlen, selbst wenn diese normalleitend sind. Durch eine solche Kühlung ergibt sich ein sehr niedriger Widerstand in den metallischen Einzelleitern. 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 Leitfähigkeit bei tiefer Temperatur aufweist. Da Aluminium nur sehr eingeschränkt mechanisch umformbar (Streckgrenze reines Aluminium <= 17 N/mm2) ist, ist es jedoch bisher nicht möglich, verseilte Leiter (Litzen) mit Aluminiumsträngen/einzelleitern von jeweils nur wenigen Mikrometern Durchmesser herzustellen oder in den Statorwicklungen von elektrischen Maschinen einzusetzen. Die Zugfestigkeit von Einzelleitern und Seilen aus derart dünnen Aluminiumsträngen/-einzelleitern ist nicht hoch genug, um eine Herstellung von Statorwicklungen bei den typischerweise für die Wicklung angewendeten Zugspannungen zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Zugspannung bei der Herstellung solcher Wicklungen im Bereich von 35 bis 200 N/mm2 liegen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrischen Leiter anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein elektrischer Leiter zur Verfügung gestellt werden, der sich für die Herstellung von Litzen und/oder Statorwicklungen in elektrischen Maschinen eignet, der einen niedrigen ohmschen Widerstand, insbesondere bei kryogener Temperatur aufweist, und der gleichzeitig geringe Wechselstromverluste aufweist.

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 gelöst.

Der erfindungsgemäße elektrische Leiter eignet sich zur Wicklung einer Spule eines Stators einer elektrischen Maschine. Er umfasst mehrere Filamente aus einem bei 4,2 K normalleitenden Material, wobei diese Filamente monolithisch in eine elektrisch höher resistive normalleitende Matrix eingebettet sind.

Unter einem Leiter, der zur Herstellung einer Statorwicklung geeignet ist, soll im vorliegenden Zusammenhang insbesondere ein Leiter verstanden werden, der eine Zugspannung von wenigstens 35 N/mm2 entlang seiner Längsrichtung aushält. Da es sich um einen monolithischen Leiter handelt, übernehmen hier die Filamente die Aufgabe der Einzelleiter in einer Litze.

Das Material der Matrix soll elektrisch höher resistiv sein als das Material der Filamente, insbesondere in Querrichtung des monolithischen Leiters von Filament zu Filament. Letzteres kann auch durch die Verwendung von höherresistiven Barrieren innerhalb der Matrix erreicht werden. Diese Eigenschaft der vergleichsweise höheren Resisitivät soll insbesondere bei einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine gelten, die beispielsweise unterhalb von 78 K, insbesondere 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 Filamente. Dies hat zur Folge, dass der Stromfluss in dem Leiter zumindest bei 20 K im Wesentlichen durch die Filamente erfolgt. Die Wechselstromverluste werden dann durch die zwischen den hochleitfähigen Filamenten angeordnete und vergleichsweise weniger leitfähige Matrix im Vergleich zu einem aus einheitlich leitfähigem Material bestehenden Leiter deutlich reduziert.

Sowohl das Material der Filamente als auch das Material der Matrix soll bei einer Temperatur von 4,2 K (also beim Siedepunkt von flüssigem Helium) normalleitend sein. 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 normalleitende Statorwicklung einer elektrischen Maschine. Selbst wenn das Material bei noch tieferen Temperaturen supraleitend werden sollte, eignet sich der Leiter für eine normalleitende 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.

Die Formulierung, dass die Filamente „monolithisch“ in die Matrix eingebettet sind, soll im vorliegenden Zusammenhang bedeuten, dass Filamente und Matrix in einem festen Verbund miteinander vorliegen, wobei keine wesentlichen leeren Zwischenräume zwischen den Filamenten und der Matrix in Stromtransportrichtung ausgebildet sind und die Filamente nicht (auch nicht abschnittsweise) gegen das umgebende Matrixmaterial bewegt werden können. Vielmehr sollen Filamente 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 Filamenten und der umgebenden Matrix noch eine zusätzliche Schicht vorliegen kann, wie weiter unten beispielhaft beschrieben wird. In einem solchen Fall soll diese zusätzliche Schicht sowohl mit dem davon umhüllten Filament als auch mit der umgebenden Matrix wiederum einen monolithischen Verbund bilden. Es soll also der gesamte Verbund aus Filamenten, Matrix und optionaler Zwischenschicht bezüglich der mechanischen Festigkeitseigenschaften wie aus einem Guss sein.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters liegt darin, dass durch die Bildung des monolithischen Verbunds seine mechanische Festigkeit im Wesentlichen durch die Festigkeitseigenschaften des Matrixmaterials bestimmt wird. Somit wird es möglich, sehr feine Filamente im Leiter zu verwenden, deren eigene mechanische Festigkeit für die Herstellung solcher Filamente kleinen Durchmessers und für die Zugbelastungen bei der Wicklung und dem Einsatz von Statorwicklungen nicht ausreichend wäre. Die Verwendung besonders feiner Filamente ist aber gerade besonders vorteilhaft, um eine besonders deutliche Reduktion der Wechselstromverluste zu erzielen. Mit dem erfindungsgemäßen Leiter können also die Anforderungen der hohen Festigkeit und der niedrigen Wechselstromverluste bei der Verwendung in einer Statorwicklung vorteilhaft gleichzeitig erreicht werden.

Der erfindungsgemäße Leiterverbund umfasst mehrere erfindungsgemäße elektrische Leiter, welche gegeneinander verseilt sind. 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 Wechselstromverluste im Vergleich zu einer nicht verseilten Anordnung der Einzelleiter. Es ist aber auch die Anordnung in einem Flachkabel, z.B. in Roebel- oder Rutherfordkabelgeometrie möglich.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Rotor und einen Stator. Dabei weist der Stator wenigstens eine Statorwicklung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen elektrischen Leiter auf. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Leiterverbundes und der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren dient zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Leiters. Es ist durch wenigstens einen Verfahrensschritt gekennzeichnet, bei dem die Matrix und die Filamente eine gemeinsame mechanische Umformung durchlaufen, wobei ein monolithischer Verbund zwischen den Filamenten und der Matrix gebildet wird.

Mit diesem Verfahren lässt sich auf besonders einfache Weise ein elektrischer Leiter mit den Vorteilen des beschriebenen „monolithischen Verbundes“ herstellen, denn bei der gemeinsamen mechanischen Umformung wird bereits während der Herstellung des Leiters eine feste mechanische Verbindung zwischen den Filamenten und der Matrix erzeugt (sogenannter „bond“ oder „bonding“). Insbesondere bei metallischen Materialien der Filamente und der Matrix kann durch eine gemeinsame mechanische Umformung die Erzeugung eines übergeordneten metallischen Verbunds erreicht werden, dessen äußere Festigkeit wesentlich durch die Festigkeit des die Filamente umgebenden Matrixmaterials bestimmt wird. In einem solchen übergeordneten metallischen Verbund sind die einzelnen Filamente nicht mehr gegen die umhüllende Matrix beweglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung 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 kann das Material der Filamente vorteilhaft als Hauptbestandteil Aluminium aufweisen. Insbesondere kann es sich bei dem Filamentmaterial um hochreines Aluminium handeln. Allgemein hat Aluminium den Vorteil eines großen Restwiderstandsverhältnisses. Mit steigender Reinheit des Aluminiums wird dieses Restwiderstandsverhältnis besonders groß.

Daher kann das Material der Filamente besonders vorteilhaft hochreines Aluminium sein. Dieses kann vorteilhaft so rein sein, dass es ein Restwiderstandsverhältnis von wenigstens 1000 aufweist. Unter dem Restwiderstandsverhältnis soll im vorliegenden Zusammenhang allgemein das Verhältnis des Widerstands eines Material bei 293 Kelvin im Verhältnis zu seinem Widerstand bei 4 Kelvin verstanden werden. Besonders vorteilhaft kann das Restwiderstandsverhältnis sogar oberhalb von 10000 liegen. Ein Bereich zwischen 1000 und 20000 scheint für hochreines Aluminium realistisch. Hierzu kann die Reinheit des Aluminiums in den Filamenten bei wenigstens 5N liegen, mit anderen Worten kann die Stoffreinheit wenigstens 99,999% betragen.

Das Material der Matrix kann vorteilhaft eine höhere Zugfestigkeit aufweisen als das Material der Filamente. Hierdurch kann erreicht werden, dass der monolithische Verbund aus Matrix und Filamenten besonders zugfest wird, was die Anwendung des elektrischen Leiters für die Herstellung von Statorwicklungen von elektrischen Maschinen erleichtert.

Doch selbst dann, wenn das Matrixmaterial eine dem Filamentmaterial vergleichbare oder sogar eine geringere Zugfestigkeit aufweist, können durch die monolithische Einbettung der Filamente in das Matrixmaterial eine Verbesserung der Festigkeit des elektrischen Leiters (im Vergleich zu einem losen Verbund der Filamente) und/oder kleinere Filamentdurchmesser erreicht werden. Dies liegt daran, dass für die Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters die Querschnittsfläche des gesamten Verbunds maßgeblich ist. Dagegen kann die Zugfestigkeit eines herkömmlichen, nur lose verseilten Multifilamentleiters, durch die Zugfestigkeit derjenigen Einzelfilamente limitiert sein, auf die im Seilstrang lokal die stärkste Zugkraft einwirkt. Für diese ist aber nur die Querschnittsfläche des Einzelleiters maßgeblich. Durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen monolithischen Verbundes kann also ganz allgemein die mechanische Zugfestigkeit so weit erhöht werden, dass vom gesamten Leiter auf die Querschnittsfläche des Leiters bezogene Zugspannungen von wenigstens 35 N/mm2, insbesondere wenigstens 50 N/mm2 oder sogar wenigstens 100 N/mm2 ausgehalten werden.

Unter der genannten Zugfestigkeit (Streckgrenze) soll hier allgemein derjenige Parameter verstanden werden, der im englischen Sprachgebrauch als „Yield Stress“ oder „Tensile Elastic Limit“ bezeichnet wird.

Vorteilhaft kann bei dem elektrischen Leiter der monolithische Verbund zwischen den Filamenten und der Matrix durch gemeinsame mechanische Umformung erreicht werden. Die Vorteile dieser Ausführungsform sind analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das Material der normalleitenden Matrix kann vorteilhaft eine Kupferlegierung und/oder eine Aluminiumlegierung umfassen oder sogar vollständig aus einer solchen Legierung bestehen. Beispielsweise kann es sich bei einer derartigen Legierung um eine Kupfer-Nickel-Legierung, eine Kupfer-Chrom-Legierung oder eine Aluminium-Eisen-Cer-Legierung (wie z.B. Alcoa CU78) handeln. Allgemein weisen solche Legierungen im Vergleich zu reinem Kupfer oder Aluminium für die beschriebene Anwendung den Vorteil eines höheren spezifischen Widerstandes bei gleichzeitig hoher Zugfestigkeit auf.

Der spezifische Widerstand des Materials der Matrix kann vorteilhaft oberhalb von 1 × 10–7 Ωm liegen. Insbesondere kann er zwischen 1 × 10–7 Ωm und 2 × 10–6 Ωm liegen. Bei derart hohen spezifischen Widerständen wird vorteilhaft erreicht, dass der Stromfluss im Betrieb der Statorwicklung im Wesentlichen durch die Filamente erfolgt. Die genannten Widerstandswerte sollen dabei insbesondere die Widerstandswerte bei einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine sein, die vorteilhaft unterhalb von 78 K, insbesondere bei 20 K liegen kann.

Vorteilhaft kann das Verhältnis der spezifischen Leitfähigkeit des Materials der Filamente zur spezifischen Leitfähigkeit des Materials der Matrix bei der Betriebstemperatur der Maschine bei wenigstens 100 liegen.

Die einzelnen Filamente können innerhalb des Leiters wenigstens teilweise gegeneinander verdrillt sein. Dies ist besonders vorteilhaft zur Reduktion der Wechselstromverluste im Vergleich zu einem Leiter mit gerade verlaufenden Filamenten. Insbesondere können alle Filamente des elektrischen Leiters um eine zentrale Achse des Leiters verdrillt sein. Der Pitch, also die räumliche Verdrillungsperiode, kann hierbei vorteilhaft zwischen 2 und 10 mm liegen.

Die Anzahl n der einzelnen Filamente im elektrischen Leiter kann vorteilhaft bei wenigstens 120, insbesondere bei wenigstens 500, ganz besonders vorteilhaft bei wenigstens 1000 liegen. Durch eine derart feine Filamentisierung des Leiters kann eine besonders effektive Reduktion der Wechselstromverluste erreicht werden. Beispielsweise kann die Zahl n der Filamente in einem elektrischen Leiter zwischen 120 und 20000, insbesondere zwischen 1000 und 5000 liegen.

Besonders vorteilhaft können die Filamente in dem Leiter nach dem Muster eines zentrierten Sechsecks angeordnet sein. Wenn der zentrale Platz einer solchen Anordnung mit einem Leiter besetzt ist, ergibt sich die Anzahl n der Leiter dann nach der allgemeinen Formel n = 3i2 + 3i + 1,(Formel 1)wobei i die Anzahl der konzentrischen Schalen um den zentralen Platz ist. Die entsprechende Zahlenfolge ist also
n = 7, 19, 37, 61, 91, ...

Wenn der zentrale Platz einer solchen Anordnung nicht mit einem Leiter besetzt ist, sondern frei bleibt, ergibt sich die Anzahl n der Leiter stattdessen nach der allgemeinen Formel n = 3i2 + 3i,(Formel 2)wobei i wiederum die Anzahl der konzentrischen Schalen um den nun vakanten zentralen Platz ist. Die entsprechende Zahlenfolge ist also
n = 6, 18, 36, 60, 90, ...

Bei einer verdrillten Ausführungsform des elektrischen Leiters ist es vorteilhaft, wenn der zentrale Platz frei bleibt, da dann kein zentraler Leiter vorliegt, der nur um sich selbst gedreht wäre. In diesem Fall ist also die Zahlenfolge nach Formel 2 zu bevorzugen, und die Zahl der Filamente kann vorteilhat ein Element dieser Zahlenfolge sein.

Alternativ zu ursprünglichen Zahlenfolgen kann die Zahl n der Filamente aber auch ein Produkt aus zwei oder mehr Elementen der Zahlenfolgen nach Formel 1 und/oder Formel 2 sein. Dies ist dann vorteilhaft, wenn die einzelnen Filamente in Gruppen angeordnet sind, wobei die einzelnen Filamente einer Gruppe nach der Art eines zentrierten Sechsecks angeordnet sind, und die einzelnen Gruppen von Filamenten wiederum untereinander nach der Art zentrierter Sechsecke angeordnet sind. Die Schachtelungstiefe solcher Gruppen kann auch größer als zwei ein, wobei dann entsprechend mehr Elemente der oben angegebenen Zahlenreihen miteinander multipliziert werden, um die vorteilhafte Gesamtzahl der Filamente zu erhalten.

Vorteilhaft kann der Durchmesser der einzelnen Filamente bei höchstens 10 µm, insbesondere bei höchstens 5 µm liegen. Beispielsweise kann der Durchmesser zwischen 3 µm und 10 µm liegen. Eine derart feine Strukturierung ist vorteilhaft, um eine deutliche Reduktion der Wechselstromverluste im Vergleich zu nicht unterteilten Leitern oder zu Leitern mit dickeren Filamenten zu erreichen.

Die einzelnen Filamente können beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Alternativ können sie aber auch einen rechteckigen, sechseckigen oder anderweitig polygonartigen Querschnitt aufweisen, gegebenenfalls auch mit abgerundeten Ecken. Durch die Herstellung des elektrischen Leiters mittels einer gemeinsamen mechanischen Umformung der Filamente und der Matrix kann auch eine ursprüngliche symmetrische Form der Filamente während dieses Schritts deformiert werden. Mit einer annähernd sechseckigen Form der Filamente kann ein besonders hoher Füllfaktor erzielt werden.

Unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Filamente kann der elektrische Leiter allgemein einen Füllfaktor an Filamentmaterial von wenigstens 20% aufweisen. Insbesondere kann dieser Füllfaktor sogar bei wenigstens 30% liegen, beispielsweise zwischen 30% und 60% oder sogar noch oberhalb von 60%. Bei entsprechend hohem Füllfaktor ist der Platzbedarf für die Statorwicklungen in der elektrischen Maschine vorteilhaft gering.

Der Durchmesser des gesamten elektrischen Leiters mit einer Vielzahl von Filamenten in einer Matrix kann vorteilhaft zwischen 0,5 mm und 3 mm liegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform können die einzelnen Filamente innerhalb des monolithischen Verbundes jeweils mit einer Barriereschicht ummantelt sein, wobei das Material dieser Barriereschicht insbesondere elektrisch höher resistiv ist als das Material der umgebenden Matrix. Auch hier gilt die genannte Beziehung zwischen den elektrischen Eigenschaften wiederum insbesondere bei der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine, also beispielsweise bei 20 K. Die Barriereschicht ist somit sowohl elektrisch niedriger leitfähig als die Filamente als auch niedriger leitfähig als die Matrix. Sie dient also als elektrische Barriere zwischen Filamenten und Matrix. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Resistivität des Matrixmaterials nicht für die gewünschte elektrische Trennung der Filamente ausreicht. Dann kann die elektrische Trennung durch die Barriereschicht verstärkt werden, wobei die mechanischen Eigenschaften (insbesondere die Zugfestigkeit) des gesamten elektrischen Leiters nach wie vor durch die Eigenschaften des Matrixmaterials (mit) bestimmt werden. So kann das Matrixmaterial vor allem im Hinblick auf die gewünschten mechanischen Festigkeits- und Verformungseigenschaften gewählt, und die elektrische Trennung kann unabhängig von dieser Materialwahl erfolgen.

Beispielsweise kann eine solche Barriereschicht Stahl, Chrom, eine Kupfer-Legierung, eine Keramik und/oder einen Kunststoff (beispielsweise einen Lack) umfassen. Die Dicke einer solchen Barriereschicht kann beispielsweise zwischen 0,5 µm und 20 µm, insbesondere zwischen 0,5 µm und 3 µm liegen. Zur Erzielung eines hohen Füllfaktors für das Filamentmaterial ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der Barriereschicht kleiner ist als der Durchmesser der Filamente. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, dass die Dicke der Barriereschicht größer ist als der Filamentdurchmesser, beispielsweise wenn der Füllfaktor weniger wichtig ist als die möglichst weitgehende elektrische Isolation zwischen den einzelnen Filamenten. Zusätzlich oder alternativ zur Funktion der elektrischen Isolation kann die Barriereschicht allgemein auch als Diffusionsbarriere zwischen der Matrix und den Filamenten wirken, beispielsweise um eine chemische Verunreinigung der hochreinen Filamente durch das Material der Matrix beim mechanischen Umformprozess (der allgemein auch bei einer erhöhten Temperatur stattfinden kann) zu unterdrücken.

Der elektrische Leiter kann einen innenliegenden Kühlmittelkanal umfassen. Durch diesen Kanal kann bei einem Betrieb der elektrischen Maschine ein fluides Kühlmittel zur Kühlung der Statorwicklungen geleitet werden. Ein solcher Kühlmittelkanal kann beispielsweise an einer zentralen Stelle im Leiter angeordnet sein. Dies kann der oben erwähnte unbesetzte zentrale Platz einer zentrierten Sechseckanordnung aus Filamenten beziehungsweise Gruppen von Filamenten sein. Der Querschnitt eines solchen Kühlmittelkanals kann beispielsweise sechseckig oder rund sein, wobei diese (ursprüngliche) Form auch durch den Herstellungsprozess, insbesondere durch eine gemeinsame mechanische Umformung der Komponenten des elektrischen Leiters, deformiert sein kann.

Der elektrische Leiter kann weiterhin optional mit einer Außenhülle zu Erhöhung seiner mechanischen Festigkeit und/ oder des elektrischen Kontaktwiderstands versehen sein. Geeignete Materialien für eine solche Außenhülle sind beispielsweise Chrom, Nickel und/oder eloxiertes Aluminium.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Leiterverbundes mit mehreren gegeneinander verseilten erfindungsgemäßen Leitern können diese Einzelleiter jeweils in sich gerade, also unverdrillt sein. Eine Verdrillung der Einzelleiter „in sich“ ist nicht nötig, da diese ja noch gegeneinander verdrillt werden. Alternativ können aber auch die einzelnen elektrischen Leiter in der verseilten Struktur des Leiterverbundes trotzdem bereits „in sich“ verdrillt („getwistet“) sein.

Die elektrische Maschine kann entweder eine Statorwicklung umfassen, bei der einer oder mehrere einzelne erfindungsgemäße elektrische Leiter zu einer Spule gewickelt sind. Alternativ 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 handeln, beispielsweise um Magnesiumdiborid, einen Bismuthaltigen Hochtemperatursupraleiter erster Generation oder um einen Hochtemperatursupraleiter zweiter Generation, insbesondere 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 Bereich 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 einem gemeinsamen Kryostaten gegen die warme äußere Umgebung isoliert sein. Dies kann die Konstruktion der Maschine erleichtern, da Rotor und Stator näher beieinander liegen können 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 reduziert werden. Insgesamt kann die elektrische Maschine im Vergleich zum Stand der Technik kleiner und leichter ausgeführt werden, und es kann eine höhere Leistungsdichte erreicht werden. Diese Vorteile sind insbesondere im Hinblick auf Luftfahrzeuge mit elektrischen Antrieben interessant, bei denen die Leistungsdichte der für den Antrieb verwendeten Motoren und der an Bord befindlichen Generatoren extrem hoch sein muss.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens können allgemein analog ausgestaltet sein wie die bekannten Verfahren zur Herstellung von monolithischen Multifilament-Tieftemperatursupraleitern. Ein solches Verfahren wird beispielhaft für Niob-Titan-(NbTi) und Niob-Zinn-Supraleiter (Nb3Sn) in der Veröffentlichung „Fabrication and Application of NbTi and Nb3Sn Superconductors“ von H. Krauth (NIOBIUM: SCIENCE & TECHNOLOGY, pp 207–219, 2001) beschrieben. Bei den Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung werden die dort beschriebenen Niob-basierten Tieftemperatursupraleiter durch das normalleitende Filamentmaterial ersetzt. Hierbei können sowohl für das Filamentmaterial als auch für das Matrixmaterial die weiter oben beschriebenen vorteilhaften Materialien zum Einsatz kommen.

Der Verfahrensschritt der gemeinsamen mechanischen Umformung von Matrix und Filamenten kann allgemein vorteilhaft einen Schritt des Ziehens, Walzens und/oder des Strangpressens (auch bekannt unter dem Begriff der Koextrusion) umfassen.

Bei dem Schritt des Strangpressens kann insbesondere ein Pressbolzen durch eine Pressmatrize gedrückt werden. Dieser Pressbolzen kann einen Strangpresskörper aus Matrixmaterial umfassen, und es können vor dem Pressschritt längliche Stabelemente aus Filamentmaterial (oder zumindest mit einem Anteil an Filamentmaterial) in diesen Strangpresskörper eingeführt werden. Hierzu kann der Strangpresskörper vorher beispielsweise mit länglichen Bohrungen versehen worden sein. Eine Ausgestaltung dieser Bohrungen als Sacklöcher ist dabei vorteilhaft. Der Strangpresskörper und die Stabelemente werden dann gemeinsam durch die Pressmatrize gepresst, wobei einerseits eine Verkleinerung der Querschnittsfläche und andererseits die Bildung eines monolithischen Verbundes zwischen dem Strangpresskörper und den Stabelementen bewirkt werden.

Die Verkleinerung der Querschnittsfläche bei einem solchen Strangpress-Schritt kann beispielsweise zwischen 20% und einem Faktor 10, insbesondere zwischen 50% und einem Faktor 5 liegen. Die Verkleinerung wird maßgeblich durch die Form der Pressmatrize bestimmt. Um eine noch stärkere Verkleinerung des Durchmessers zu bewirken, können eine Mehrzahl solcher Strangpress-Schritte oder auch Kaltverformungsschritte (konventionelles Ziehen durch einen sogenannten Ziehstein) nacheinander durchgeführt werden. Dabei ist es vorteilhaft, den gebildeten ersten Zwischenkörper zwischen den einzelnen Umform-Schritten einer thermischen Behandlung zu unterziehen.

Beispielsweise kann der erste Zwischenkörper (beziehungsweise ein betreffender Teilbereich davon) zwischen den verschiedenen Umformschritten durch einen Ofen laufen. Bei einer solchen thermischen Behandlung wird zumindest teilweise eine Rekristallisation im Zwischenkörper gewirkt, wodurch die Eignung des ersten Zwischenkörpers für eine erneute Umformung verbessert wird.

Der Durchmesser des verwendeten Strangpresskörpers kann beispielsweise zwischen 60 mm und 200 mm liegen, und der Durchmesser der darin eingeführten Stangenelemente (spätere Filamente) kann beispielsweise im Bereich zwischen 1 mm und 10 mm liegen. Nach Durchlaufen von mehreren Umformchritten kann mit derartigen Ausgangselementen ein Leiter mit einem Durchmesser von beispielsweise 5 mm bis 50 mm gebildet werden.

Wenn bei diesem Verfahren die ursprünglich in den Strangpresskörper eingeführten Stangenelemente nur aus Filamentmaterial bestehen und nach der Verkleinerung zu den einzelnen Filamenten werden, ist der Filamentdurchmesser durch den Durchmesser der Stangenelemente und das Verkleinerungsverhältnis vorgegeben. Die Filamente können daher bei dieser Ausführungsform des Verfahrens nicht beliebig fein werden. Um sehr feine Filamente zu erhalten, kann das Verfahren in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mehrere ineinandergeschachtelte Teilketten von Umformschritten umfassen. Bei der ersten Teilkette wird in den Stangenelementen beispielsweise reines Filamentmaterial (oder nur mit einer Barriereschicht ummanteltes Filamentmaterial) eingesetzt. Die Stangenelemente enthalten hier jedenfalls noch kein Matrixmaterial. Als Produkt der ersten Teilkette von Umformschritten wird ein erster Umformkörper gebildet, der eine Mehrzahl von Filamenten im monolithischen Verbund mit dem Strangpresskörper aus Matrixmaterial enthält.

In einer zweiten Teilkette von Umformschritten kann nun ein zweiter Strangpresskörper aus Matrixmaterial eingesetzt werden, dessen Bohrungen mit mehreren zweiten Stangenelementen befüllt werden. Dabei werden als zweite Stangenelemente jeweils die Produkte der ersten Teilkette des Verfahrens verwendet, mit anderen Worten eine Mehrzahl von ersten Umformkörpern. Diese Stangenelemente aus erstem Umformkörper enthalten dann also sowohl Matrixmaterial als auch Filamentmaterial.

Durch die beschriebene Schachtelung der Ketten von Strangpress-Schritten kann eine stärkere Verkleinerung der ursprünglichen, im Wesentlichen aus Filamentmaterial gebildeten Stangenelemente des ersten Schritts erreicht werden. Die Schachtelungstiefe kann auch größer als zwei sein, womit dann entsprechend besonders feine Filamente und besonders große Zahlen von Filamenten in einem Leiter gebildet werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Leiters nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,

2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Leiters nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt,

3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Leiters nach einem dritten Beispiel der Erfindung zeigt,

4 eine schematische Darstellung eines Leiterverbunds aus mehreren derartigen Leitern zeigt,

5 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit Statorwicklungen aus derartigen Leitern zeigt,

6 eine schematische Darstellung einer Pressvorrichtung zur Durchführung des Herstellungsverfahrens zeigt und

7 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für das Herstellungsverfahren zeigt.

In 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines elektrischen Leiters 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein Leiter 1, bei dem mehrere Filamente 3 monolithisch in eine umgebende Matrix 5 eingebettet sind. Der Leiterdurchmesser ist mit dD bezeichnet und der Filamentdurchmesser ist mit dF bezeichnet. Diese Abmessungen können beispielsweise die weiter oben als vorteilhaft beschriebenen Werte annehmen. In 1 sind nur beispielhaft sieben Filamente gezeigt, die jedoch stellvertretend auch für eine wesentlich größere Zahl an Filamenten stehen können, insbesondere wenigstens 120 Filamente in einem elektrischen Leiter 1. Diese Filamente können vorteilhaft in einer sechseckförmigen Anordnung in die Matrix eingebettet sein, wie für die beispielhaften sieben Filamente in 1 dargestellt. Bei größeren Filamentzahlen können die Filament-Anordnungen auch in jeweils untereinander sechseckartig angeordnete Teilgruppen aufgeteilt sein. Die Querschnittsform der einzelnen Filamente ist dabei nicht auf die gezeigte Kreisform beschränkt. Die Filamente können auch beliebige andere Querschnittsformen, beispielsweise sechseckige Querschnitte aufweisen. Der Leiter 1 kann allgemein um seine Längsachse A verdrillt sein.

In 2 ist ein weiteres Beispiel eines elektrischen Leiters 1 nach der vorliegenden Erfindung wiederum im schematischen Querschnitt gezeigt. Auch hier sind mehrere Filamente 3 in einer sechseckartigen Konfiguration monolithisch in eine Matrix 5 eingebettet. Beispielhaft sind hier der Einfachheit halber nur 18 Filamente gezeigt, wobei auch diese Zahl wiederum nur repräsentativ ist und auch für eine wesentlich höhere Zahl an Filamenten stehen kann. Wesentlich ist für das Beispiel, dass eine sechseckförmige Anordnung vorliegt, und dass der zentrale Bereich des Leiters 1 von Filamenten unbesetzt ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Verdrillung des elektrischen Leiters 1 um seine eigene Längsachse A kein Filament 3 vorliegt, welches bei der Verdrillung keinen Platzwechsel erfährt. Anders ausgedrückt, sind bei einer solchen Konfiguration bei freibleibendem Zentrum alle Filamente 3 so angeordnet, dass sie ihre Plätze bei einer Verdrillung vertauschen, wodurch die Wechselstromverluste in dem Leiter 1 reduziert werden.

Ein weiterer Unterschied des elektrischen Leiters 1 in 2 zum Leiter des ersten Ausführungsbeispiels ist, dass die Filamente 3 jeweils von einer Barriereschicht 7 ummantelt sind. Diese Barriereschicht 7 weist einen höheren Wiederstand auf als das Matrixmaterial (und somit auch als die Filamente 3). Sie wirkt daher als zusätzliche elektrische Barriere zwischen den Filamenten 7, was zu einer Reduzierung der Wirbelstromverluste im Leiter 1 beiträgt. Zusätzlich kann die Barriereschicht auch als chemische Barriere wirken, um eine Diffusion zwischen den Filamenten 7 und dem Material der Matrix 5 zu vermindern. Hierdurch kann beispielsweise eine hohe Reinheit des Materials der Filamente 7 beibehalten werden. Die Dicke der Barriereschicht dB kann insbesondere die weiter oben genannten vorteilhaften Werte annehmen.

Der Füllfaktor des Materials der Filamente 3 bezogen auf die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters 1 kann allgemein bevorzugt bei wenigstens 20%, besonders vorteilhaft bei wenigstens 30% und insbesondere sogar bei wenigstens 60% liegen. Derart hohe Füllfaktoren können beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Abstände sF zwischen den einzelnen benachbarten Filamenten bei höchstens 20 µm liegen. Dabei ist es zweckmäßig, dass der Abstand dM der äußeren Filamente 3 zum äußeren Rand der Matrix 5 – also die Dicke des die Filamente insgesamt umgebenden Matrix-Mantels – größer ist als der mittlere Abstand sF benachbarter Filamente. Bei großen Anzahlen an Filamenten (die insbesondere wesentlich größer sein können als die in den Figuren exemplarisch gezeigten), ist der Einfluss dieses umgebenden Mantels auf den Füllfaktor an Filamentmaterial trotzdem vorteilhaft gering. So kann die Dicke dM dieses Matrix-Mantels beispielsweise weniger als 5% des Durchmesser dD des Leiters 1 betragen, beispielsweise kann sie zwischen 1,5% und 5% dieses Durchmessers liegen.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Leiters 1 im schematischen Querschnitt. Bei diesem Leiter sind die einzelnen Filamente 7 in regelmäßigen Gruppen 9 angeordnet, die jeweils aus sechseckförmig angeordneten Filamenten 7 zusammengesetzt sind. In 3 sind beispielhaft 37 Filamente 3 pro Gruppe 9 gezeigt, und es sind 6 solche Gruppen um ein von Filamenten unbesetztes Zentrum angeordnet. Aus dieser Gruppierung ergeben sich im gezeigten Beispiel 222 Filamente. Es sind jedoch auch beliebige andere Anzahlen von Filamenten 3 pro Gruppe 9 und von Gruppen 9 pro Leiter möglich, wobei sich bevorzugte Zahlen für beide Werte jeweils aus den sechseckigen Anordnungen – also nach den weiter oben genannten Formeln 1 und 2 ergeben können. Die zentralen Stellen können dabei jeweils besetzt oder unbesetzt sein. Innerhalb einer Gruppe 9 kann beispielsweise das Zentrum besetzt sein, um einen hohen Füllfaktor zu erzielen. Im Zentrum des Leiters 1 insgesamt ist es allgemein vorteilhaft, wenn dieses nicht durch eine Gruppe 9 besetzt ist, um wiederum Filamente 7 ohne signifikanten Platzwechsel bei Verdrillung zu vermeiden.

Im Beispiel der 3 ist das von Filamenten unbesetzte Zentrum von einem Kühlmittelkanal 11 ausgefüllt. Der Leiter 1 umfasst also einen innenliegenden Kanal 11, durch den ein fluides Kühlmittel zur Kühlung des Leiters strömen kann. Insbesondere kann der Leiter hiermit auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden. Das Kühlmittel kann vorteilhaft beispielsweise flüssiges Helium, flüssiges Neon, flüssigen Wasserstoff oder flüssigen Stickstoff umfassen.

Bei dem in 3 dargestellten elektrischen Leiter können die Filamente 3 prinzipiell entweder ähnlich wie in 1 ohne Barriereschicht ausgestaltet sein oder sie können ähnlich wie in 2 jeweils von einer Barriereschicht umhüllt sein. Allgemein und unabhängig von der genauen Ausführungsform können die Gruppen von Filamenten über einen mehrstufigen, verschachtelten Ko-Extrusionsprozess in die Matrix eingebracht werden, bei dem jeweils eine Mehrzahl von ersten Umformkörpern (mit jeweils mehreren in eine Matrix eingebetteten Filamenten) als Stangenelemente für einen weiteren Ko-Extrusionsprozess verwendet werden. Dies kann gegebenenfalls auch mehrfach wiederholt werden, um eine besonders große Zahl von Filamenten 3 in einem elektrischen Leiter 1 mit begrenztem Durchmesser dD einzubetten, ohne dass das Verkleinerungsverhältnis innerhalb einer fortlaufenden Kette von Umformschritten zu extrem gewählt werden muss und ohne dass die eingesetzten Stangenelemente zu dünn dimensioniert werden müssen.

Der in 3 dargestellte innenliegende Kühlmittelkanal 11 kann optional von einer Kanalwand 13 umgeben sein, deren Material sich von dem Material der übrigen Matrix 5 unterscheidet. Eine solche Kanalwand 13 kann dazu dienen, den Kühlmittelkanal bei einem mechanischen Umformungsprozess offen zu halten. Dazu ist das Material der Kanalwand vorteilhaft härter als das Material der umgebenden Matrix. Beispielsweise kann als Material der Kanalwand 13 vorteilhaft dünner Stahl oder eine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung vorgesehen sein. Vorteilhaft kann der Kanal auch während der Umformung gefüllt sein, um ein Schließen während der Umformung zu vermeiden. Das Füllmaterial (z.B. ein Salz, vorteilhaft NaCl) kann leicht nach der Umformung entfernt werden, beispielsweise durch ein Lösungsmittel.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leiterverbunds 21 mit mehreren elektrischen Leitern 1 in schematischem Querschnitt. Diese elektrischen Leiter 1 sollen jeweils entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sein und können beispielsweise ähnlich wie im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschrieben aufgebaut sein. Die einzelnen Leiter 1 sind miteinander verseilt und dabei spiralförmig um eine zentrale Achse A des übergeordneten Leiterverbundes 21 verdrillt. Beispielhaft sind in 4 für jeden Leiter 1 sieben Gruppen 9 aus Leiterfilamenten, die untereinander sechseckartig angeordnet sind. Dabei kann jede Gruppe 9 eine Vielzahl von Filamenten 3 umfassen, die insbesondere auch innerhalb der Gruppe 9 eine sechseckartige Anordnung aufweisen. Auch hier kann die Anordnung der Filamente 3 in den Gruppen 9 durch mehrfache, verschachtelte Umformung von Stangenelementen in einer Matrix erzeugt sein.

Die drei einzelnen elektrischen Leiter 1 der 4 weisen um das Matrixmaterial 5 noch eine zusätzliche Außenhülle 15 auf, die dem Schutz der einzelnen Leiter und/oder zur mechanischen Verstärkung und/oder zur Erhöhung des Kontaktwiderstandes der Leiter dient. Geeignete Materialien für eine solche Außenhülle 15 sind beispielsweise eloxiertes Aluminium, Aluminium- oder Kupferlegierungen, Keramikbeschichtungen oder Kunststoffbeschichtungen.

5 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 Rotorwelle 39 um eine Rotationsachse 38 drehbar gelagert. Hierzu ist die Rotorwelle 37 über die Lager 40 gegen das Maschinengehäuse 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 Bereiche 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 sogenannte „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 1 bis 3 beschrieben aufgebaut sein. Ein Leiterverbund mit mehreren elektrischen Leitern kann beispielsweise wie im Zusammenhang mit 4 beschrieben aufgebaut sein.

Die elektrische Maschine der 5 kann im Rotor 37 supraleitende Wicklungen aufweisen. Hierzu kann der Rotor 37 im Betrieb auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden, die unterhalb 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 Ausführungsbeispiel liegt diese (hier nicht näher dargestellte) thermische 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 thermisch 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.

6 zeigt eine Pressvorrichtung 61 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Leiters 1 in schematischem Längsschnitt. Gezeigt ist ein Aufnehmer 62, der eine innenliegende Ausnehmung 63 aufweist. In diese Ausnehmung ist ein Pressbolzen 66 eingelegt, der beim Durchtritt durch eine ebenfalls in der Ausnehmung 63 angeordnete Pressmatrize 67 mechanisch umgeformt und dabei in seinem Querschnitt verkleinert wird. Um diesen Umformprozess zu bewirken wird im gezeigten Beispiel die Pressmatrize 67 mit einer Druckkraft K gegen ein links dargestelltes Druckstück 62a des Aufnehmers 62 gedrückt. Es ist aber alternativ auch möglich, den Pressbolzen 66 mit einer vergleichbaren Druckkraft von links gegen eine feststehende Pressmatrize 67 zu drücken. Wesentlich ist nur, dass der Pressbolzen 66 gegen die Pressmatrize 67 gedrückt wird und beim Durchtritt durch eine zentrale Öffnung 68 der Pressmatrize 67 mechanisch umgeformt wird.

Der Pressbolzen 66 weist einen Strangpresskörper 64 auf, der im Wesentlichen aus Matrixmaterial besteht, und in dem vor Einlegen in den Aufnehmer eine Mehrzahl von Bohrungen erzeugt wurden. Bei diesen Bohrungen kann es sich beispielsweise um Sacklöcher handeln, die in dem in 6 links dargestellten Bereich des Strangpresskörpers 64 geschlossen sind. In die Bohrungen wurden anschließend von der offenliegenden Seite mehrere Stangenelemente 65 eingeführt, die beispielsweise im Wesentlichen aus Matrixmaterial bestehen können oder aber bereits eine Mehrzahl von in Matrixmaterial eingebetteten Filamenten umfassen. Durch die Umformung in der Pressmatrize 67 wird aus dem ursprünglichen Pressbolzen 66 ein erster Zwischenkörper 69 mit verkleinerten Querschnitt gebildet.

Der so gebildete Zwischenkörper kann im einfachsten Fall bereits den fertigen elektrischen Leiter darstellen. Es kann aber auch nach einem ersten solchen mechanischen Umformschritt einer oder mehrere weitere Umformschritte erfolgen, bei denen in ähnlicher Weise weitere Pressschritte durchlaufen werden, und bei dem der Leiter sukzessive weiter im Querschnitt verkleinert wird. Zwischen den einzelnen Umformschritten können dabei optional thermische Behandlungsschritte erfolgen.

Ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Ablauf des Herstellungsprozesses für den elektrischen Leiter ist schematisch in 7 wiedergegeben. Dabei sind optionale Prozessschritte in Klammern dargestellt. Als Ausgangselemente werden ein Strangpresskörper 64 und eine Mehrzahl von Stangenelemente in einem ersten mechanischen Umformschritt zu einem ersten Zwischenkörper 69 verbunden und im Querschnitt verkleinert. In einer optionalen Abfolge von i weiteren mechanischen Umformschritten 72 wird dieser erste Zwischenkörper 69 weiter in seinem Querschnitt verkleinert, so dass ein erster Umformkörper 80 gebildet wird. Zwischen den einzelnen Umformschritten können jeweils thermische Behandlungsschritte vorgesehen sein, die der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt sind. Der erste Umformkörper 80 umfasst dann eine Mehrzahl von Filamenten 7, die durch den wenigstens einen Umformschritt 71 in das Matrixmaterial monolithisch eingebettet sind. Wenn eine noch größere Zahl an Filamenten pro Leiter gewünscht wird, als mit einer solchen einfachen Umformkette zweckmäßig erreicht werden kann, können weitere optionale Prozessschritte vorgesehen sein, welche in 7 innerhalb der dick gezeichneten Klammer dargestellt sind. Hierbei kommt zunächst ein weiterer Strangpresskörper 64 zum Einsatz, der analog zu dem Strangpresskörper des ersten Schritts im Wesentlichen aus Matrixmaterial gebildet sein kann. In diesem werden ebenfalls Bohrungen angebracht, und in diese Bohrungen wird der erste Umformkörper 80 aus der vorab beschriebenen Prozesskette sowie n weitere derartige erste Umformkörper 80 eingebracht, analog zu den Stangenelementen 65 des ersten Prozessschrittes 71. In einem weiteren mechanischen Umformschritt 81 (der analog zum Umformschritt 71 ablaufen kann), werden dann diese Umformkörper 80 wiederum in das Matrixmaterial des neuen Strangpresskörpers 64 monolithisch eingebettet, und der Querschnitt wird wieder verkleinert. Auch dieser mechanische Umformschritt 81 kann durch eine Anzahl i von optionalen weiteren Umformschritte 82 ergänzt werden, um eine stärkere Verkleinerung zu erzielen. Als Produkt dieser weiteren Kette von Prozessschritten wird schließlich ein zweiter Umformkörper 90 gebildet. Aus diesem kann entweder direkt der elektrische Leiter gebildet werden (gegebenenfalls durch Ummantelung mit einer Außenhülle), oder es kann mit einer Abfolge von weiteren durch Punkte angedeuteten optionalen Prozessschritten eine noch weitere Verschachtelung des Prozesses erfolgen, indem auch der zweite Umformkörper 90 zusammen mit ähnlichen zweiten Umformkörpern wiederum in einen weiteren Strangpresskörper eingeführt wird und so fort. Dies kann so oft erfolgen, bis eine vorgegebene Zahl von Filamenten 3 in dem fertigen elektrischen Leiter 1 erzielt wird.

Bei dem vorab beschriebenen Prozess können die in ersten Prozessschritt 65 verwendeten Stangenelemente 65 entweder aus reinem Filamentmaterial oder auch aus mit Barrierematerial umhülltem Filamentmaterial gebildet sein. Die Querschnittsformen und Größen der Bohrungen und der Stangenelemente können frei gewählt sein, sie sollten nur im Wesentlichen aufeinander angepasst sein. Für einen innenliegenden Kühlmittelkanal kann entweder eine Bohrung freigelassen werden, oder diese kann mit einem Rohr aus dem Material der beschriebenen Kühlkanalwand 13 bestückt werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • H. Krauth (NIOBIUM: SCIENCE & TECHNOLOGY, pp 207–219, 2001) [0046]