Titel

Elektrische Maschine und Verfahren zum Einlegen von zumindest einem elektrischen Leiterverbund in zumindest eine Nut eines Stators oder Rotors für eine elektrische Maschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einlegen von zumindest einem elektrischen Leiterverbund in zumindest eine Nut eines Stators oder Rotors, der für eine elektrische Maschine dient, wobei der elektrische Leiterverbund mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente mit einer auf zumindest einem Duroplast basierende Isolation aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator beziehungsweise einem Rotor, wobei zumindest ein elektrischer Leiterverbund mit solch einem Verfahren in zumindest eine Nut des Stators beziehungsweise Rotors eingebracht ist.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Fixierung des Wickelkopfes, damit dieser nach dem thermischen Vollvernetzen des Duroplast als steifer Verbund in der erforderlichen Position vorliegt.

Alternative elektrische Leiterwerkstoff basieren auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphenplättchen. Die elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren und Graphenplättchen übertrifft die Leitfähigkeit von Kupfer. Jedoch sind die auf den molekularen Bausteinen (Kohlenstoffnanoröhren und bzw. oder Graphenplättchen) basierenden makroskopischen Leiterwerkstoffe, die u. a. als Filme, Bänder und Garne ausgebildet sein können, Kupfer und Aluminium hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit noch unterlegen und kommen daher bisher nicht zur Anwendung.

Diese alternativen elektrischen Leiterwerkstoffe zeichnen sich neben ihrer geringen Dicht (ca. 2 g/cm ³ - Kupfer 8,95 g/cm ³ ) durch ihre Biegeschlaffheit aus, die es diesen Leiterwerkstoffen erlaubt ihren Querschnitt entsprechend der Wirkung äußerer Kräfte zu verändern. So kann in einer aus vielen Einzelleitern bestehenden Packung die Packungsdichte so erhöht werden, dass kaum mehr Hohlräume vorhanden sind. Dies ist für Kupferleiter, wegen ihrer radialen Steifheit, nicht möglich. Daher wird bei Kupferleitern an Stelle von vielen Einzelleitern die sogenannte Steck- bzw. Stabwicklung verwendet, die aus einem oder mehreren massiven Kupferleitern besteht.

Graphenfilme oder Kohlennanoröhrenfilme können als Leiterwerkstoff durch verschiedene Methoden hergestellt werden. Leiterwerkstoffen aus Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) können wie folgt hergestellt werden: In WO 2007/015710 A2 wird die Herstellung von CNT- Bändern aus sogenannten CNT-Wäldern gezeigt. Die Bänder sind elektrisch leitfähig und zeichnen sich durch hohe Bruchdehnung und hohe Zugfestigkeit aus. Ein alternatives Herstellverfahren für CNT-Bänder wird in US 8,999,285 B2 beschrieben. Hier erfolgt die Herstellung durch die Synthese eines CNT-Aerogels. Dieses wird bei Verlassen des Reaktors zu einem Band verarbeitet. Ein weiteres Herstellverfahren für Bänder auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen wird in WO 2013/034672 offenbart. Dabei werden die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Supersäure dispergiert und anschließend durch Nassspinnen zu Fasern oder auch zu Bändern verarbeitet.

Auf Graphen basierende Leiterwerkstoffe können wie folgt hergestellt werden, wobei für kommerziell interessanten Herstellvarianten als Rohstoff ausschließlich Graphit verwendet wird. In Form von Filmen oder Bändern kann eine Herstellung beispielsweise wie folgt erfolgen: In CN 108892134 A wird Graphitpulver mittels der sogenannten Hummers- Methode nasschemisch interkaliert und zu Graphenoxid oxidiert. Die gereinigte Graphenoxiddispersion wird dann zu einem Film verarbeitet und anschließend durch Wärmebehandlung zu einem Graphenfilm reduziert. In CN 107221387 A erfolgt die Herstellung des Graphenfilms direkt aus einer wässrigen Dispersion heraus. Nach dem Aufträgen des Graphenfilms auf ein Substrat und dem Trockenen erfolgt in einem weiteren Schritt die Entfernung des Dispersionsmittels, das die wässrige Dispersion ermöglichte. In DE102020200325A1 erfolgt die Herstellung mittels einer Spinndüse deren Geometrie für eine Ausrichtung der Graphenplättchen parallel zur Filmebenen sorgt.

Für Fasern oder Garne kann die Herstellung wie folgt erfolgen: Die Herstellung von Fasern aus Graphen ist in US 8,999,212 B2 offenbart. Dabei wird Graphen durch einseitiges axiales Auftrennen von Kohlenstoffnanoröhrchen gewonnen. Danach wird das Graphen in einer Supersäure dispergiert und anschließend mittels Nasspinnen zu Fasern verarbeitet. Besonders bevorzugt für die Herstellung von Graphenfasern ist die Herstellung aus Graphenoxid, das aus Graphit durch nasschemische Oxidation, wie z. B. der Hummers- Methode, hergestellt wird. Da dieser Herstellweg Graphit als Rohstoff verwendet, sind die Rohstoffkosten im Vergleich zum dem oben genannten Verfahren 1-2 Größenordnungen niedriger. Solche Herstellverfahren werden in CN 105603581 A, CN 105544016 A und CN 105544017 A offenbart. Am Ende des Herstellprozesses ist für die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit eine thermische Behandlung bei Temperaturen bis 3000°C notwendig.

Die Isolation von Graphen basierten Leitern, wie beispielsweise Filme, Fasern und Garne, kann, wie in der WO 18177767 A1 , durch Fluorierung der Randschicht erfolgen, die sich dabei in einen Isolator verwandelt und den Film dadurch elektrisch abschirmt. Darüber hinaus ist auch die elektrische Isolation durch Polymerauftrag möglich, wie dies in WO13051761A1 dargestellt ist. Des Weiteren wird in DE102019220214A1 gezeigt wie eine Isolation durch Schichten aus Bornitrid dargestellt werden kann.

Zum Einsatz können solche elektrische Leiter in elektrischen Motoren kommen, wie es in WO1 8233897 A1 oder WO18158003 dargestellt ist.

Durch die oben vorgestellten Spinnverfahren werden Endlosfasern gewonnen. Diese Endlosfasern werden zu Garnen weiterverarbeitet. Dabei können Techniken angewandt werden wie Zwirnen oder Flechten. Ziel all dieser Verfahren ist die Endlosfasern zu einer Einheit, dem Garn, zusammenzufassen. Dadurch wird die Weiterverarbeitung, wie z.B. das Umhüllen mit einem Isolator oder das Wickeln als elektrischer Leiter in einen Rotor, ermöglicht.

Alle bekannten Techniken Endlosfasern bzw. Garne aus Graphen und/oder Kohlenstoff zu einem Garn mit größerem Querschnitt zu formen, wie z.B. Zwirnen, Weben oder Flechten, haben den Nachteil, dass der Garn weiterhin biegeschlaff bleibt. Dies ist ein Mangel nach dem Stand der Technik, wenn der Leiter so durch die Nuten bzw. um die Pole eines Stators oder Rotors eines elektrischen Motors geführt wird, dass ein Überstand entsteht.

Aus der US 9,520,213 B2 ist die Beschichtung eines leitfähigen Garns aus Kohlenstoffnanoröhrchen oder Graphen mit einem Duroplasten beziehungsweise einem Epoxidharz bekannt. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens und der im Anspruch 11 angegebenen elektrischen Maschine möglich.

Insbesondere wird ermöglicht, das ein Überstand eines Leiterverbunds auf Basis von Garnen aus Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren, auch als Wickelkopf bezeichnet, nach Fertigstellung der Wicklung versteift werden kann, so dass dieser im Betrieb durch die dabei entstehenden Magnetfelder um den Leiterverbund herum nicht mehr bewegt oder verformt wird.

Somit kann ein Verbund aus Leiterelementen geschaffen werden, der mit teilvernetztem Duroplast beschichtet wurde. Dieser noch weiche Verbund kann als elektrischen Leiter in den Motor eingebracht werden und dort dann aushärten, so dass sich dann die biegeschlaffen Leiterelemente in einen steifen Verbund verwandeln.

Die Isolation ist vorzugsweise nicht nur außen auf dem Verbund zu finden, sondern auch im Verbund zwischen den Leiterelementen, die mit dem Duroplast umhüllt sind. Dies ist vorteilhaft, da dadurch nach der thermischen Vollvernetzung nicht nur die elektrische Isolation gegenüber dem Rotor oder Stator geschaffen wird, sondern sowohl eine elektrische Isolation der Leiterelemente gegeneinander, die eine hohe Wirksamkeit gegen Stromverdrängungseffekte besitzt, als auch eine Matrix, die dem Verbund strukturelle Festigkeit verleiht.

Vorteilhaft ist es, dass die Isolation so ausgebildet wird, dass der elektrische Leiterverbund biegesteif ausgestaltet ist. Hierdurch wird ein Verformen oder Bewegen insbesondere am Wickelkopf im Betrieb verhindert.

Vorteilhaft ist es, dass dem Duroplast zumindest ein thermolatenter Katalysator, insbesondere zumindest ein Addukt des Bortrifluorids an Aminen, weiter insbesondere BF3- Monoethylamin, und/oder zumindest eine quaternäre Phosphoniumverbindung und/oder ein Dicyandiamid, beigemischt ist. Hierdurch kann die vollständige Vernetzung unterstützt und/oder beschleunigt werden.

Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente durch ein Tauchbaud mit dem Duroplast umhüllt werden. Hierdurch kann im jeweiligen Anwendungsfall eine vorteilhafte Umhüllung der Leiterelemente in einfacher Weise erfolgen.

Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente durch einen Sprühprozess mit dem Duroplast umhüllt werden. Im jeweiligen Anwendungsfall kann hierdurch eine vorteilhafte Verfahrensdurchführung mit einem optimierten Einsatz der Produktionsfaktoren ermöglicht werden.

Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente durch ein Pultrusionsverfahren mit dem Duroplast umhüllt werden. Hierdurch können besondere Vorteile realisiert werden. Insbesondere kann der Duroplast gut haftend und/oder dünn aufgebracht werden. Dadurch kann auch ein niedriger Wärmewiderstand realisiert werden. Speziell wenn das Leiterelement als Garn ausgebildet ist, dann ist es vorteilhaft, dass nur das Garn isoliert bzw. beschichtet wird und keine Infiltration durch das Isolationsmaterial in dem Garn stattfindet, was durch das Pultrusionsverfahren erreicht werden kann.

Ob eine Infiltration stattfindet hängt im geringen Umfang vom Verfahren ab. Maßgeblich für die Infiltration ist die Benetzungsfähigkeit des Harzes gegenüber dem Garn und insbesondere die Viskosität des Harzes. Je niederviskoser umso mehr Harz kann in den Garn infiltrieren.

Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente mit dem Duroplast im flüssigen Zustand umhüllt werden. Dadurch können Lufteinschlüsse beziehungsweise Hohlräume soweit wie möglich vermieden werden.

Vorteilhaft ist es, dass der Duroplast aus einem Harzsystem ausgebildet wird, das zumindest ein Harz auf der Basis von Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan und/oder einem Epoxidharz vom Typ Novolac und einem Härter auf der Basis von mikroverkapseltem Imidazol und/oder Diaminodiphenylsulfon aufweist. Hierdurch kann das System bei einer gewissen Mischviskosität, beispielsweise von 750 mPa * s, bei einer vorteilhaften Verarbeitungstemperatur, beispielsweise von 25 °C, noch ausreichend niederviskos sein. Vorteilhaft ist es, dass der Verbund aus den mit dem Duroplast im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen mit einem Silikonschlauch umhüllt wird und dass der mit dem Silikonschlauch umhüllte Verbund aus den mit dem Duroplast im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen in die zumindest eine Nut eingelegt wird. Hierdurch kann der Verbund insbesondere für das Einlegen in die Nut weiter stabilisiert werden.

Die elektrische Maschine, insbesondere die elektrische Antriebsmaschine für Kraftfahrzeuge, umfasst in vorteilhafter weise zumindest einen elektrischen Leiterverbund, der in zumindest eine Nut eines Stators beziehungsweise Rotors eingelegt ist, wobei der elektrische Leiterverbund mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente und eine auf zumindest einem Duroplast basierende Isolation aufweist. Da das Leiterelement mit Duroplast umhüllt sein kann, bildet sich im Leiterverbund dann aus dem Duroplast eine Matrix, die den Leiterverbund zusammenhält.

Kurze Beschreibungen der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine mit einem teilvernetzten Duroplast umhülltes Leiterelement 5, die Fasern oder Garne mit niedrigem Durchmesser sind, in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung eines Verfahrens entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte, mit einem teilvernetzten Duroplast umhüllten Leiterelemente entsprechend einer abgewandelten Ausgestaltung;

Fig. 3 einen als Garn ausgestalteten Verbund aus mehreren in Fig. 1 dargestellten Leiterelementen in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 den in Fig. 3 dargestellten Verbund entsprechend der abgewandelten Ausgestaltung; Fig. 5 den in Fig. 3 dargestellten Verbund, der zusätzlich mit einem Elastomerschlauch umhüllt ist, in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 den in Fig. 5 dargestellten Verbund, der zusätzlich mit einem Elastomerschlauch umhüllt ist, entsprechend der abgewandelten Ausgestaltung und

Fig. 7 eine auszugsweise, schematische Schnittdarstellung einer Nut eines Stators einer elektrischen Maschine, in die der in Fig. 5 dargestellte, mit dem Elastomerschlauch umhüllte Verbund als elektrischer Leiterverbund eingelegt ist, um eine Wicklung des Stators zu bilden.

Ausführungsformen der Erfindung

An Hand von Fig. 1 bis 7 ist ein Verfahren zum Einlegen von zumindest einem elektrischen Leiterverbund 1 in zumindest eine Nut 2 eines Stators 3 oder Rotors einer elektrischen Maschine 4 erläutert. Hierbei ist an Hand Fig. 1 , 3, 5 und 7 ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Fig. 2, 4 und 6 zeigen eine abgewandelte Ausgestaltung.

Fig. 1 zeigt ein Leiterelement 5, das von einem teilvernetzten Duroplast 6 umhüllt ist, in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel. Das Leiterelement 5 kann als Endlosfaser 5 oder Garn 5 ausgebildet sein. Das Leiterelement 5 basiert auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen. Der elektrische Leiterverbund 1 (Fig. 6) weist dann mehrere solche Leiterelemente 5 auf, wobei schließlich eine auf dem Duroplasten 6 basierende Isolation 7 (Fig. 7) gebildet wird. Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel können auch Leiterelemente 5, die Garne mit kleinem Querschnitt sind und die beispielsweise aus mehreren Fasern bestehen, mit dem teilvernetzten Duroplast 6 umhüllt werden. Die Fasern und solche Garne mit kleinem Querschnitt sind mögliche Ausgestaltungen für ein Leiterelement 5, das auf Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Graphen basiert.

Wenn die einzelnen Leiterelemente 5 mit dem Duroplast 6 umhüllt werden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, dann erfolgt dies so, dass der Duroplast 6 nach dem Umhüllen nur teilvernetzt wird. Bei der bevorzugten Ausgestaltung ist der Querschnitt der Leiterelemente 5 rund. Die einzelnen Leiterelemente 5 können durch ein Tauchbad, einen Sprühprozess oder ein Pultrusionsverfahren mit dem Duroplast 6 umhüllt werden. Je nach Ausgestaltung des Verfahrens kann der Duroplast e im flüssigen Zustand aufgebracht werden.

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 dargestellte, mit einem teilvernetzten Duroplast 6 umhüllte Leiterelement 5 entsprechend einer abgewandelten Ausgestaltung. Hierbei ist der Querschnitt des Leiterelements 5 sternförmig. Auch Garne können mit fast beliebigen Querschnitten hergestellt werden, z.B. durch Flechten, Weben oder Formen.

Fig. 3 zeigt einen Verbund 8 aus mehreren in Fig. 1 dargestellten Leiterelementen 5 in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel. Der Verbund 8 kann als Garn 8 ausgestaltet sein. Hierbei sind die Leiterelemente 5 mit dem Duroplast 6 im teilvernetzten Zustand umhüllt und zu dem Verbund 8 verbunden.

Die auf Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren basierenden Leiterelementen 5, die aus Endlosfasern oder aus den daraus geformten Garnen kleineren Querschnitts und dem teilvernetzten Duroplast 6 bestehen, werden zu dem Verbund 8 in Form eines Garns 8 mit größerem Querschnitt weiterverarbeitet. Die Leiterelemente 5 sind biegeschlaff und deformieren sich bei der Herstellung des Garns 8. Dazu werden Endlosfasern 5 beziehungsweise die Garne mit kleinerem Querschnitt mit dem vernetzbaren Duroplast 6 beschichtet. Besonders vorteilhaft ist, wenn dies vor dem Zwirnen, Weben oder Flechten geschieht, wie es auch an Hand Fig. 1 beziehungsweise Fig. 2 beschrieben ist. Noch vorteilhafter ist es, wenn die Endlosfasern 5 beziehungsweise Garne mit kleinerem Querschnitt direkt zu einem Leiterverbund 1 verarbeitet werden, in dem diese parallel zur Längsachse des Garns geführt sind. Dies bewirkt, dass die effektive Leitungslänge der Endlosfasern 5 verkürzt und die Packungsdichte der Endlosfasern 5 im Garn 8 erhöht ist. Neben der daraus resultierenden Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Leiterverbunds 1 ist der Verbund 8 auch leichter zu verformen, was ein Vorteil für die Verarbeitbarkeit beim Erzeugen der Wicklung ist.

Die Herstellung eines solchen Verbundes 8 kann also beispielsweise erfolgen, indem die Garne mit kleinerem Querschnitt beziehungsweise Endlosfasern 5 durch ein Tauchbad oder durch Sprühen mit dem vernetzungsfähigen Duroplast 6 beschichtet werden. Dieser Verbund 8 kann anschließend durch ein konisches Loch geführt werden. Dadurch werden die Endlosfasern 5 zu einem Garn 8 kompaktiert und der Duroplast 6 teilvernetzt, so dass der Verbund 8 noch verformbar ist. Je nach Wahl der Geometrie des Querschnitts kann der Garn 8 aus parallelen Endlosfasern 5 beispielsweise einen Querschnitt mit runder, ovaler, dreieckiger, quadratischer, rechteckiger, trapezförmiger oder sternförmiger Geometrie besitzen.

Fig. 4 zeigt den in Fig. 3 dargestellten Verbund 8 entsprechend der abgewandelten Ausgestaltung, wobei die Querschnitte der einzelnen Leiterelemente 5 sternförmig sind.

Fig. 5 zeigt den in Fig. 3 dargestellten Verbund 8 in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel, wobei der Verbund 8 zusätzlich mit einem Elastomerschlauch 9 umhüllt ist. Der Verbund 8 weist hierbei den Duroplast e im teilvernetzten Zustand auf. Der Elastomerschlauch 9 kann ein Silikonschlauch 9 sein. In dieser Form kann der mit dem Elastomerschlauch 9 umhüllte Verbund 8 dann in die Nut 2 eingelegt werden. Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann der Elastomerschlauch 9 auch entfallen.

Der mit dem Elastomerschlauch 9 umhüllte Verbund 8 kann durch Schlauchextrusion mit gleichzeitiger kontinuierlicher Zuführung des Verbundes 8 in den sich bildenden Elastomerschlauch 9, hergestellt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Verbund 8 nicht zerfällt, die Verarbeitbarkeit beim Wickeln verbessert und darüber hinaus verhindert ist, dass der Verbund 8 beim Lagern auf einer Spule mit sich selbst verklebt beziehungsweise, dass der auf der Oberfläche befindliche Duroplast sich mit dem Duroplast der nächsten Lage vernetzt.

Besonders vorteilhaft ist die Umhüllung des Verbundes 8 mit einem Silikonschlauch 9. Dieser kann durch Schlauchextrusion mit gleichzeitiger kontinuierlicher Zuführung des Verbundes 8 in den extrudierten Silikonschlauch 9 hergestellt werden.

Fig. 6 zeigt den in Fig. 5 dargestellten Verbund 8, der zusätzlich mit einem Elastomerschlauch 9 umhüllt ist, entsprechend der abgewandelten Ausgestaltung.

Fig. 7 zeigt eine auszugsweise, schematische Schnittdarstellung der Nut 2 des Stators 3 der elektrischen Maschine 4. Hierbei ist der in Fig. 5 dargestellte Verbund 8, der mit dem Elastomerschlauch 9 umhüllt ist, als elektrischer Leiterverbund 1 in die Nut 2 eingelegt. Die Darstellung ist hierbei exemplarisch zu verstehen. Insbesondere können auch weitere, dem Leiterverbund 1 entsprechende Leiterverbünde eingelegt sein. Ferner kann der Leiterverbund 1 auch in mehreren Wicklungen eingelegt sein. Somit kann eine Wicklung des Stators 3 gebildet werden.

Die Garne 8 beziehungsweise Garnbündel 8 können bei einem Ausführungsbeispiel eingepresst oder gewickelt werden und dann, falls kein Wickelzug vorhanden ist, je nach Einbausituation ggf. unter mechanischen Druck auf 120°C erwärmt und ausgehärtet werden. Dabei schmiegen sich die Garne 8 spaltfrei an die Nut 2 an. Isolationspapier ist nicht notwendig, wenn die Durchschlagsfestigkeit des Elastomer- beziehungsweise Silikonschlauchs 9 für den anliegenden Potentialunterschied ausreicht.

Wenn der Verbund 8 aus den mit dem Duroplast 6 im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelement 5, die Fasern oder Garne mit niedrigem Durchmesser sind, in die zumindest eine Nut 2 eingelegt ist, dann erfolgt eine Wärmebehandlung. Dadurch wird der sich im teilvernetzten Zustand befindende Duroplast 6 thermisch vollvernetzt. Dadurch wird dann die Isolation 7 des elektrischen Leiterverbunds 1 gebildet. Der elektrische Leiterverbund 1 weist dann mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente 5 und eine auf dem Duroplast e basierende Isolation 7 auf. Die Isolation 7 kann dann so ausgebildet sein, dass der elektrische Leiterverbund 1 biegesteif ausgestaltet ist. Der Leiter ist dann biegesteif ausgestaltet, wenn die Vernetzung der Isolation der Leiterelemente mit der Isolation angrenzender Leiterelemente während der thermischen Vollvernetzung zu einem biegesteifen Verbund führt.

Dem Duroplast 6 kann ein thermolatenter Katalysator beigemischt sein, der bei der Wärmebehandlung die Vollvernetzung unterstützt und beschleunigt. Bei einer möglichen Ausgestaltung kann als Katalysator ein Addukt des Bortrifluorids an Aminen, insbesondere BFs-Monoethylamin, und/oder zumindest eine quaternäre Phosphoniumverbindung und/oder ein Dicyandiamid beigemischt sein.

Bei einer möglichen Ausgestaltung kann der Duroplast 6 aus einem Harzsystem ausgebildet werden, das ein Harz auf der Basis von Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan und ein Epoxidharz vom Typ Novolac und Härter auf der Basis von mikroverkapseltem Imidazol und Diaminodiphenylsulfon aufweist.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine mögliche Durchführung von Verfahrensschritten des Verfahrens angegeben. Ein Beispiel für die Zusammensetzung eines Harzsystems in Gewichtsanteilen kann hierfür wie folgt angegeben werden, wobei HX3722 und DDS die Härter sind: Ep604: 50, Ep1032: 50, HX3722: 25 und DDS: 20.

Die chemische Zusammensetzung ist:

Ep604: Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan, Japan Epoxy Resins Co., Ltd.;

Ep1032: Epoxidharz vom Typ Novolac (siehe US 2003/0135011 A1 , Formel(l));

HX3722: Mikroverkapseltes Imidazol, Asahi-Ciba Co., Ltd.; und DDS: Diaminodiphenylsulfon, Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.

Dieses System ist mit seiner Mischviskosität ausreichend niederviskos. Je nach Auswahl und Mischungsanteil der Komponenten kann eine Mischviskosität variieren, wobei beispielsweise eine Mischviskosität von etwa 750 mPas bei 25°C als noch ausreichend niederviskos betrachtet werden kann. Die oben genannten Komponenten des Epoxidharzsystems werden auf 25 °C temperiert und dann im angegebenen Verhältnis gemischt. Die Mischung wird in einen Behälter gegeben. Dieser besitzt einen Doppelmantel mittels dem die Mischung auf 25°C temperiert wird. Im Behälter befindet sich eine Umlenkrolle, die so positioniert ist, dass die Endlosfasern 5 kontinuierlich durch das im Behälter befindliche Epoxidharzsystem geführt werden können. Somit ist ein kontinuierliches Tauchbad realisiert.

Sobald die Endlosfasern 5 aus dem Tauchbad austreten, werden sie durch eine Vorrichtung gezogen, deren erster Teil aus einem Metallsegment besteht, das ein konisches Loch von 5 cm Länge mit einem kreisrunden Querschnitt besitzt. Der Durchmesser des Lochs beträgt am Anfang 5 mm und am Ende 1 ,5 mm. Daran schließt sich in dem Metallsegment ein Loch mit 2 cm Länge an, das einen kreisrunden Querschnitt von 1 ,5 mm Durchmesser besitzt. Dieses erste Metallsegment wird auf 20°C gekühlt. An das erste Metallsegment schließt sich ein weiteres Metallsegment an. Dieses ist durch eine Isolationsschicht thermisch vom ersten Metallsegment getrennt. Das Loch in zweiten Metallsegment ist 50 cm lang und besitzt einen kreisrunden Querschnitt mit einem Durchmesser von 1,5 mm. Dieses zweite Metallsegment wird beheizt, um es auf einer Temperatur von 80°C zu halten. Wenn die Endlosfasern 5 durch diese beiden Metallsegmente gezogen werden, werden sie im ersten Metallsegment durch den Konus kompaktiert und im zweiten Metallsegment durch das thermische Teilvernetzen des Epoxidharzsystems zu einem Garn 8 geformt, in dem die Endlosfasern 5 parallel zueinander angeordnet sind. Die Verweilzeit des Garns im zweiten Metallsegment beträgt 2 s. Danach erfolgt die Umhüllung des Garns 8 mit einem Silikonschlauch 9 durch Koextrusion.

Durch Lagerung bei Temperaturen < 0°C nach der Herstellung kann in diesem Verbund über Wochen hinweg die Nachvernetzung unterdrückt werden und so eine ausreichende Verformbarkeit und somit die Verarbeitbarkeit sichergestellt werden. Wenn aus dem Verbund die Wicklung hergestellt wurde, muss diese thermisch nachbehandelt werden, damit die maximale Temperaturfestigkeit von 180°C erreicht wird. Dazu wird das Bauteil wärmebehandelt, Dabei wird das Epoxidharzsystem durch Temperaturstufen mit 30 min bei 100°C und 30 min bei 145°C und 30 min bei 180°C voll vernetzt. Anschließend ist der Verbund so steif, dass dieser im Betrieb durch Magnetkräfte nicht mehr verformt werden kann

Die Leiterelemente 8 können dadurch durchgehend mit aushärtbarem Harz beschichtet sein. Die Leiterelemente 8, die in der Nut liegen, sind nach der Wärmebehandlung durch das Harz miteinander stoffschlüssig verbunden. Hierbei ergibt sich ein Unterschied zum Gießen mit einem Harz. Sowohl beim Gießen als auch beim vorgeschlagenen Verfahren lassen sich Hohlräume zwischen den Leiterelementen in der Regel nicht vollständig vermeiden. Im Bereich der Hohlräume ist ein Leiterelement, wenn das vorgeschlagene Verfahren zum Einsatz kommt, aber in der Regel immer mit Harz beschichtet, während beim Gießen die an Hohlräume angrenzenden Leiterelemente partiell nicht mit Harz beschichtet sind

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Isolierung durch Nutzung eines Pultrusionsverfahrens hergestellt werden, wie es im Folgenden beschrieben ist.

Leiterelemente 5 in Form von Garnen und Bändern auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) oder Graphen sind Leiterwerkstoffe, die in axialer Richtung eine hohe Zugfestigkeit besitzen aber gleichzeitig in radialer Richtung biegeschlaff sind. Um das volle Potential von CNT-Garnen und -Bändern hinsichtlich ihrer Biegeschlaffheit und der damit verbundenen Designfreiheit für elektrische Leiter (extrem kleine Biegeradien, sehr hohe Zugbeanspruchung, sehr hohe Wickelgeschwindigkeit und so weiter) zu heben, soll die elektrische Isolationsschicht so flexibel und gut haftend sein, dass auch bei sehr kleinen Biegeradien die Isolationsschicht nicht reißt oder sich ablöst. Gleichzeitig soll die Isolationsschicht möglichst dünn sein, um einen niedrigen Wärmewiderstand zu realisieren. Die Isolationsschicht wird deshalb möglichst gleichmäßig und in einem Prozessschritt dünn sowie mit niedrigen Prozesszeiten aufgetragen.

Die Isolation des CNT-Garns oder anderen elektrisch leitfähigen Fasern 5 ist mittels Pultrusion möglich. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn anstelle einer Faser 5 ein Garn mit kleinerem Querschnitt zum Einsatz kommt. Hierbei ist es wichtig, dass nur das Garn isoliert bzw. beschichtet wird und keine Infiltration durch das Isolationsmaterial in dem Garn stattfindet. Weiterhin kann hierzu die Viskosität des Material auf den Prozess fein abgestimmt werden, um zum einen die Beschichtung beziehungsweise Isolation zu ermöglichen und zum anderen die Infiltration zu verhindern. Durch eine Infiltration würde die elektrische Leitfähigkeit im Garn selbst sinken. Ferner kann vorgegeben werden, wie hoch die Porosität des Garns/Bands maximal sein soll, damit die Reaktion nur auf der Oberfläche und nicht im Kern des Garns/Bands stattfindet. Eine Reaktion im Kern ist zu vermeiden, da diese die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigen kann. Vorteilhaft ist es, dass eine besonders dünne, temperaturbeständige und sehr stark dehnbare Isolationsschicht durch die Pultrusion erzeugt wird. Das Verfahren ist einfach skalierbar.

Darüber hinaus besitzt bei Verwendung von Silikonen, insbesondere Flüssigsilikonen, die Oberfläche einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten. Dies bietet, wenn ohne weitere Beschichtung verwendet, insbesondere bei Wickelprozessen große Vorteile in Bezug auf die mögliche Wickelgeschwindigkeit und die Fähigkeit auch in komplizierten Geometrien der Wickeltasche eine hohe Packungsdichte der Wicklung zu erreichen. Neben Silikonen lassen sich auch alle thermoplastischen Werkstoffe, wie auch thermoplastische Elastomere als Isolator durch die Pultrusion auf das Garn aufbringen.

Neben dem bereits beschriebenen Verfahren lassen sich auch mehrere Garne nebeneinander eng aufreihen und dennoch jeweils einzelnen isolieren. Dabei entsteht eine breite Leiterbahn, die sich entsprechend einfach um eine Spule wickeln lässt. Weitere Anordnungen, die beispielsweise übereinander liegen, sind ebenfalls möglich und durch den hohen Biegegrad des Garns weiterhin einfach zu wickeln. Beispielsweise können die Garne über Kreuz ins Werkzeug geführt werden und mit der Isolationsschicht überzogen werden. Für die elektrische Leitfähigkeit ist es besonders vorteilhaft, dass die Faser nicht mit einem Isolator infiltriert wird. Hierzu kann die Faser stark gekühlt werden, um die Viskosität des Isolators an der Faser zu erhöhen und dadurch eine Infiltration zu verhindern. Eine andere Möglichkeit ist, die Faser mittels Strom zu erhitzen und somit für eine schnelle Aushärtung auf der Faseroberfläche zu sorgen.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.