Elektrische Maschine, Verfahren zur Herstellung einer elekt rischen Maschine und hybridelektrisches Flugzeug

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, ein Verfah ren zur Herstellung einer elektrischen Maschine sowie ein hybridelektrisches Flugzeug.

Die Entwicklung von Elektromotoren zielt auf eine Optimierung von Effizienz, Leistungsgewicht, Zuverlässigkeit und Lebens dauer ab. Allerdings bedingen diese Größen einander: Ein niedriges Motorgewicht führt in der Regel zu einer geringeren Effizienz. Eine hohe Lebensdauer andererseits bedarf zumeist eines entsprechend dimensionierten elektrischen Kühlsystems, welches sich wiederum nachteilig auf die Entwärmung auswirkt.

Eine gute Entwärmung ist jedoch essentiell für eine ausrei chende Lebensdauer. Besonders wichtig ist die Entwärmung bei Motoren/Generatoren, die unter Hochspannung bei gleichzeitig erhöhten Taktfrequenzen laufen und/oder durch Umrichter be trieben werden, da durch die mit der Frequenz steigenden Po larisationseffekte zusätzlich Wärme entsteht. Denn mit zuneh mender Frequenz ergeben sich bei elektrischen Antrieben zu nehmend „Ohmsche Verluste", Skinverluste und

Proximityverluste . Daher zählt es zum Stand der Technik, so genannte Litzenleiter einzusetzen, die im Gegensatz zu Voll leitern aus einzelnen, gegeneinander isolierten Drähten be stehen und damit die Verluste teilweise begrenzen.

Gleichzeitig ist eine effiziente Kühlung und Isolierung für eine kompakte Bauweise und ein geringes Leistungsgewicht not wendig .

Vor diesem Hintergrund ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine zu schaffen, bei welcher eine gute elektrische Isolierung von Leitern wie insbesondere Litzen leitern gewährleistet ist. Zusätzlich soll die elektrische Maschine möglichst kompakt ausbildbar sein. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Maschine sowie ein Flugzeug zu schaffen, welches kompakt und mit geringem Leistungsgewicht ausbildbar ist .

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einer elektrischen Ma schine mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Verfahren mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Flugzeug mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst mindestens eine Wicklung mit mindestens einem elektrischen Leiter und mindestens eine elektrische Isolierung zur Isolierung einer oder mehrerer der Wicklungen und/oder Leiter. Bei der elekt rischen Maschine gemäß der Erfindung ist die mindestens eine Isolierung mit einem Metalloxid gebildet. Vorteilhaft weist bereits eine vergleichsweise dünne Schicht von Metalloxid ei ne hohe Durchschlagsfestigkeit auf, die im Bereich von mehr als tausend Volt bei einer Dicke von wenigen 10 Mikrometern liegt. Damit ist die Isolation erfindungsgemäO besonders kom pakt und mit geringem Gewicht ausgebildet. Besonders vorteil haft ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine das Metalloxid oberflächlich am mindestens einen elektrischen Leiter angeordnet. In diesem Falle lässt sich die erfindungs gemäße elektrische Maschine besonders einfach hersteilen, in dem der mindestens eine Leiter oberflächlich oxidiert wird.

Vorteilhaft weist oxidiertes Metall wie etwa Aluminiumoxid eine hohe thermische Leitfähigkeit auf, sodass zusätzlich zu einer hinreichenden elektrischen Isolierung gleichzeitig eine effiziente Kühlung infolge der hohen thermischen Leitfähig keit durch das Metalloxid möglich ist. Zweckmäßig weist bei der erfindungsgemäßen elektrische Ma schine die mindestens eine Wicklung mindestens eine Litze mit dem zumindest einen Leiter, vorzugsweise mit mindestens zwei oder mehr Leitern, auf. Vorteilhafterweise weist die elektri sche Maschine mindestens eine Nut auf, wobei die mindestens eine Litze in der Nutz angeordnet ist.

Vorteilhafterweise ist die elektrische Maschine eine rotie rende Maschine und vorzugsweise umrichtergesteuert.

Vorzugsweise weist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Ma schine das Metalloxid Aluminiumoxid und/oder Silberoxid auf. So sind vorteilhafterweise zum einen die nichtoxidierten Me talle Aluminium und Silber gute Leiter, welche oberflächlich zu Aluminiumoxid oder Silberoxid oxidiert werden können. Zum anderen weist Aluminiumoxid bereits bei wenigen 10 Mikrome tern Schichtdicke eine Durchschlagsfestigkeit von mehr als 1000 Volt auf. Auch Silberoxid weist eine hinreichend hohe Durchschlagsfestigkeit für den Einsatz in elektrischen Ma schinen auf.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der elektrischen Maschi ne gemäß der Erfindung sind zumindest zwei und vorzugsweise mehr als zwei Leiter vorhanden und es weisen die Leiter einen im Wesentlichen dreieckigen oder viereckigen, insbesondere rechteckigen, oder sechseckigen, Querschnitt auf. Vorteilhaft können die Leiter auf diese Weise besonders kompakt, d.h. mit einem Füllfaktor von nahezu 100 Prozent, miteinander angeord net werden. Unter einem im Wesentlichen dreieckigen oder viereckigen, insbesondere rechteckigen, oder sechseckigen Querschnitt ist zu verstehen, dass die die Querschnitte der Kupferdrähte nicht notwendigerweise einen dreieckigen oder viereckigen oder sechseckigen Querschnitt in Reinkultur auf weisen, sondern geeigneterweise abgerundete Ecken aufweisen, wobei der Rundungsradius einer abgerundeten Ecken einen

Bruchteil einer Kantenlänge der idealen dreieckigen oder viereckigen oder sechseckigen Gestalt des Querschnitts, zweckmäßigerweise weniger als oder höchstens ein Viertel die ser Kantenlänge, ausmacht. Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Ma schine die Isolierung mit Metall mit einer oberflächlichen Schicht mit dem Metalloxid gebildet. Auf diese Weise kann entweder ein bereits, etwa in Form des Leiters, vorhandenes Metall herangezogen werden, welches oberflächlich oxidiert ist. Alternativ und ebenfalls vorteilhaft ist die Isolierung fertigbar, indem mit dem Metall zunächst metallisiert wird und nachfolgend das Metall oxidiert wird.

Geeigneterweise ist bei der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung die Isolierung mit Kunststoff mit einer oberfläch lichen Schicht mit dem Metalloxid gebildet. Beispielsweise wird der Kunststoff zunächst mit Metall metallisiert und nachfolgend das Metall oxidiert. In einer Fortbildung dieser Weiterbildung bildet der Kunststoff eine Umhüllung, insbeson dere ein Rohr oder einen Schlauch.

Die elektrische Maschine gemäß der Erfindung umfasst zweckmä ßig eine Umhüllung des zumindest einen Leiters, vorzugsweise ein Rohr oder ein Schlauch, insbesondere Schrumpfschlauch, mit dem Metalloxid. In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Umhüllung ein Rohr, welches zumindest zwei oder mehrere Leiter in Gestalt mindestens einer Litze umfäng lich umgibt. Auf diese Weise lassen sich die eine oder die mehreren Litzen mittels des Rohres oder des Schlauchs leicht fixieren. Somit ist die mindestens eine Litze gegenüber Vib rationen oder mechanischen Erschütterungen wenig anfällig an geordnet, sodass insbesondere Bewegungen der einzelnen elekt rischen Leiter der Litze zueinander verringert sind: Folglich können Beschädigungen oder sogar Kurzschlüsse innerhalb der Litze/n beim Betrieb der erfindungsgemäßen Maschine vermieden werden. Eine zusätzliche Verklebung, etwa durch Backlacke oder Klebstoffe, der einzelnen elektrischen Leiter ist folg lich verzichtbar. Besonders vorteilhaft ist das Rohr in eine zu einer Nutz der elektrischen Maschine korrespondierende Form verpressbar. Zweckmäßigerweise weist die elektrische Maschine einen Kühl kreislauf mit einem Kühlmittelpfad auf, wobei die Umhüllung, vorzugsweise ein Rohr, einen Teil des Kühlmittelpfads bildet. Auf diese Weise kann/können der/die zumindest eine elektri sche Leiter und insbesondere die ggf. vorhandene/n Litze/n sehr effizient gekühlt werden, indem Kühlmittel, insbesondere ein Fluid, vorzugsweise gasförmiger Wasserstoff, durch die Umhüllung geleitet wird.

Bevorzugt umfasst die elektrische Maschine einen Flächeniso lierstoff mit dem Kunststoff.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die elektrische Maschine eine Kontur auf und die Litze und/oder die Umhüllung weist eine Querschnittskontur auf, welche mit der Kontur der elektrischen Maschine korrespondiert, insbe sondere eine rechteckige Querschnittskontur. Auf diese Weise ist die Litze und/oder die Umhüllung leicht in die Kontur der elektrischen Maschine einlegbar, sodass die Litze und/oder die Umhüllung mittels ihres Querschnitts leicht in der Kontur der elektrischen Maschine, insbesondere einer Nut der elekt rischen Maschine, fixierbar ist. In dieser Weiterbildung ist die mindestens eine Litze gegenüber Vibrationen oder mechani schen Erschütterungen wenig anfällig angeordnet, sodass Bewe gungen der einzelnen elektrischen Leiter der Litze zueinander verringert sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektri schen Maschine mit mindestens einer Wicklung mit mindestens einem Leiter, insbesondere einer erfindungsgemäßen elektri schen Maschine wie oben beschrieben, umfasst die Schritte Metallisierung der/des mindestens einen Wicklung und/oder Leiters mit Metall sowie Oxidierung des Metalls.

Das erfindungsgemäße Flugzeug ist vorzugsweise ein elektri sches oder hybridelektrisches Flugzeug. Das erfindungsgemäße Flugzeug weist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine wie oben beschrieben auf. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig . 1 eine elektrische Maschine mit einem Wicklungspaket schematisch in einer Prinzipskizze,

Fig . 2 das Wicklungspaket der elektrischen Maschine gern.

Fig.l schematisch im Querschnitt,

Fig . 3 eine Litze des Wicklungspakets der elektrischen

Maschine gern. Fig. 1 in einem weiteren

Ausführungsbeispiel im Querschnitt,

Fig. 4 eine Litze des Wicklungspakets der elektrischen

Maschine gern. Fig. 1 in einem weiteren

Ausführungsbeispiel im Querschnitt,

Fig . 5 eine Litze des Wicklungspakets der elektrischen

Maschine gern. Fig. 2 in einem weiteren

Ausführungsbeispiel, sowie

Fig. 6 ein erfindungsgemäßes elektrisches Flugzeug mit der elektrischen Maschine gern. Fig. 1 schematisch in einer Draufsicht.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße elektrische Ma ^¬ schine 10 umfasst ein mit Kupferdrähten 20 gebildetes Wick ^¬ lungspaket 30.

Das Wicklungspaket 30 umfasst wie in Fig. 2 dargestellt meh ^¬ rere Litzen 40, im dargestellten Ausführungsbeispiel drei. Jede der Litzen 40 umfasst mehrere Kupferdrähte 20, welche aneinander entlang ihrer Längserstreckungen anliegen.

Es ist an sich bekannt, eine oberflächliche Isolierung der Kupferdrähte 20 vorzusehen. Erfindungsgemäß wird die elektri- sehe Isolierung der Kupferdrähte 20 mittels Aluminiumoxids realisiert :

Dazu wird jeder der Kupferdrähte 20 mit einer wenige 10 Mik rometer dicken Schicht aus Aluminium beschichtet. Das auf dem Kupferdraht 20 abgeschiedene Aluminium wird in an sich be kannter Weise eloxiert, sodass auf dem Kupferdraht 20 anstel le der ursprünglichen Schicht aus Aluminium nunmehr eine Schicht aus Aluminiumoxid verbleibt (die Schicht aus Alumini umoxid ist in Fig. 1 nicht explizit gezeigt) . Die Schicht aus Aluminiumoxid ist im dargestellten Fall ca. 50 Mikrometer dick und weist eine Durchschlagsfestigkeit von 1.213 Volt auf .

Die Litzen 40 sind nicht allein hinsichtlich ihrer einzelnen Kupferdrähte 20 elektrisch isoliert, sondern zur Absicherung der Durchschlagsfestigkeit sind auch die Litzen 40 voneinan der zusätzlich elektrisch isoliert. Dazu sind die Litzen 40 mit einem Schrumpfschlauch 50 zusammengehalten, welcher mit Aluminiumoxid beschichtet ist. Der Schrumpfschlauch 50 ist dazu in an sich bekannter Weise mit einem Kunststoff gebil det, welcher an seiner Innenseite und an seiner Außenseite erfindungsgemäß zunächst oberflächlich mit Aluminium be schichtet worden ist, wobei das Aluminium anschließend elo xiert ist.

Grundsätzlich kann in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen anstelle eines SchrumpfSchlauches 50 auch ein mit Kunststoff gebildeter Flächenisolierstoff zum Einsatz kommen, welcher erfindungsgemäß oberflächlich mit Aluminium beschichtet worden ist, wobei das Aluminium an schließend eloxiert ist. Auf diese Weise ist der Flächeniso lierstoff mit Aluminiumoxid beschichtet. Der Flächenisolier stoff ist in diesem weiteren Ausführungsbeispiel anstelle des SchrumpfSchlauches 50 um die Litzen 40 gewickelt.

Die Litzen 40 sind in einem Wicklungspaket 30 zusammenge fasst, das von weiteren Wicklungspakten 30 zusätzlich zur Ge- währleistung einer hinreichenden elektrischen Durchschlagsfä higkeit elektrisch isoliert ist. Dazu sind die Litzen 40 in einem sehr dünnen, wenige 100 Mikrometer dicken Aluminiumrohr 60 geführt, welches an seiner Innenseite und an seiner Außen seite mit einer Tiefe von mehreren 10, im dargestellten Aus führungsbeispiel 50, Mikrometern eloxiert ist. Auch die Wick lungspakete 30 sind folglich mittels Aluminiumoxids elekt risch isoliert. In weiteren, nicht eigens dargestellten Aus führungsbeispielen ist zusätzlich an der inneren und der äu ßeren Oberfläche des Aluminiumrohres 60 zusätzlich ein elekt risch isolierender, auf Polymer basierender, Kunststoff auf getragen, welcher die elektrische Durchschlagsfähigkeit wei ter erhöht.

Die Litzen 40 weise in weiteren in den Figuren 3 bis 5 darge stellten Ausführungsbeispielen einzelne Kupferdrähte 20 mit einem anderen als einem runden Querschnitt auf: So können die einzelnen Kupferdrähte wie in Fig. 3 dargestellt einen im We sentlichen rechteckigen Querschnitt oder einen im Wesentli chen sechseckigen Querschnitt wie in Fig. 4 dargestellt oder einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt wie in Fig. 5 dargestellt aufweisen. Die Wendung „im Wesentlichen" meint in diesem Zusammenhang lediglich, dass die Querschnitte der Kup ferdrähte 20 keine geometrischen Polygone in Reinkultur sind, sondern abgerundete Ecken aufweisen, wobei der Rundungsradius der abgerundeten Ecken einen Bruchteil einer Kantenlänge, zweckmäßigerweise weniger als oder höchstens ein Viertel der Kantenlänge, eines solchen Polygons ausmacht. In diesen in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Füllfaktor auf nahezu 100 Prozent erhöht.

Die elektrische Maschine 10 umfasst einen Wasserstoffkühl- kreislauf (nicht im Einzelnen dargestellt) . Das Aluminiumrohr 60 bildet zur Kühlung der Litzen 40 einen Teil eines Wasser stoffkühlpfades des Wasserstoffkühlkreislaufs . Mittels des Wasserstoffkühlpfades lässt sich gasförmiger Wasserstoff durch das Alurohr 60 hindurch an den Litzen 40 vorbeileiten, sodass die Litzen 40 effizient kühlbar sind. Das Aluminiumrohr 60 kann, wie im in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, eine rechteckige Querschnittskontur auf weisen, welche mit einer ebenfalls im Wesentlichen rechteck- förmigen Ausnehmung, einer Nut 100, der elektrischen Maschine 10 korrespondiert. Das Aluminiumrohr 60 ist in die Nut 100 eingepresst .

Das in Fig. 6 dargestellte hybridelektrische Flugzeug 200 weist die elektrische Maschine 10 in Gestalt eines Elektromo tors auf. Die elektrische Maschine 10 treibt einen Propeller 210 des Flugzeugs 200 zu dessen Antrieb an.