Elektrischer Leiter mit Gitterstruktur und Herstellungsver fahren

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter für eine elektrische Maschine mit einem Leitungskörper, der aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt ist, und einer Kühlmittelleiteinheit, die zumindest teilweise in den Leitungskörper integriert ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegend Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine durch Bereitstellen eines Eisenkerns mit Nuten, Herstellen eines elektrischen Leiters mit einem Leitungskörper, der aus einem elektrischen leitenden Material gefertigt wird, und einer Kühlmittelleiteinheit, die zumin dest teilweise in den Leitungskörper integriert ist, und Ein bringen des elektrischen Leiters in eine oder mehrere der Nu ten .

In elektrischen Maschinen, wie etwa Motoren, Generatoren und Transformatoren, werden elektrische Leiter zum Erzeugen eines Magnetfelds meist in Eisenkerne eingelegt. Insbesondere wer den häufig Spulen beziehungsweise Leiterstäbe in Nuten der meist geblechten Eisenkerne eingelegt.

An die elektrischen Leiter für die elektrischen Maschinen werden häufig zahlreiche, zum Teil erheblich gegensätzliche Anforderungen gestellt. Beispielsweise müssen die elektri schen Leiter gut kühlbar sein beziehungsweise eine hohe Wär meleitfähigkeit besitzen. Außerdem sollten sie gegebenenfalls mechanisch stabil (zum Beispiel im Wickelkopfbereich) sein. Weiterhin sind möglichst geringe und vorzugsweise nur ohmsche Verluste (zum Beispiel keine Wirbelstromverluste) wünschens wert. In der Regel sollte aber auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit des elektrischen Leiters gegeben sein. Bei den gegenwärtigen Ausführungen von Kupfer- oder Aluminiumleitern sind die zum Teil gegenständlichen Anforderungen nur sehr eingeschränkt beziehungsweise nur mit hohem konstruktiven und/oder fertigungstechnischen Aufwand umsetzbar.

Wie erwähnt besteht eine wesentliche Anforderung häufig da rin, eine effiziente Kühlung des elektrischen Leiters insbe sondere im Betrieb der elektrischen Maschine zu gewährleis ten. Um eine hohe Leistungsdichte und damit eine kompakte Bauweise für elektrische Maschinen zu erhalten, sind die Wicklungen in der Regel zu kühlen. Am häufigsten wird dabei die indirekte Luftkühlung angewandt. Die elektrischen Leiter sind dazu von einer Isolationshülle umgeben und in Nuten ein gebettet. Die im Leiter entstehende Verlustwärme wird mittels Wärmeleitung an das umgebende Eisen und von dort an Kühlrip pen oder ein Wassermantelgehäuse transportiert, vom Kühlmit tel aufgenommen und abgeführt. In der Wicklung selbst sind dabei meist keine Kühlleitungen vorgesehen.

Deutlich höhere Leistungsdichten werden erreicht, wenn das Kühlmittel direkt die elektrischen Leiter anströmen kann. Ei ne Wärmeleitung über zum Teil erhebliche Weglängen und schlechte Wärmeleiter (zum Beispiel Isoliermaterial) entfällt hierbei. Meist wird das direkte Anströmen des elektrischen Leiters durch das Kühlmittel dadurch realisiert, dass der elektrische Leiter mit entsprechenden Kühlleitungen durchzo gen ist. Als Kühlmittel werden häufig Gase (zum Beispiel Luft, Wasserstoff, Helium) oder nichtleitendes Wasser bezie hungsweise Isolieröl eingesetzt.

Weitere wichtige Anforderungen ergeben sich, wie oben darge stellt wurde, hinsichtlich elektrischer Verluste insbesondere in Bezug auf Wirbelströme. Durch den Einsatz von Wechselstrom werden in den ausgedehnten Leitern, die somit einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld ausgesetzt sind, Wirbelströme induziert. Die Wirbelströme sind direkt proportional zum Querschnitt des Leiters und der Frequenz des Wechselstroms und wirken wie eine Widerstandserhöhung. Um diese mitunter beträchtlichen zusätzlichen Wirbelstromverluste zu minimiere, werden die massiven Leiter häufig in parallele Teilleiter un- terteilt. So werden beispielsweise anstelle massiver Stablei ter so genannte Teilleiterbündel (Roebelstab) in die jeweili gen Nuten eingelegt.

Besonders bei elektrischen Maschinen großer Leistung (mehrere 100 MW) wird vorzugsweise eine spezifische und genau festge legte Verdrillung angewendet, um die Auswirkungen einer Wi derstandserhöhung bei Wechselstromspeisung zu reduzieren. Auf diese Weise lassen sich die elektrischen Verluste deutlich reduzieren .

Als weitere wichtige Anforderung bei der Konzipierung von elektrischen Leitern wurde oben die mechanische Stabilität genannt. Diese mechanische Stabilität ist nicht nur in den jeweiligen Nuten von Bedeutung, sondern speziell auch im Wi ckelkopfbereich. Im Betrieb der elektrischen Maschinen treten bei instationären Vorgängen oft hohe Stromkräfte auf. Insta tionäre Vorgänge sind beispielsweise der Maschinenanlauf, plötzliche Lastschwankungen, Netzsynchronisierung oder Kurz schlüsse. Damit durch die dabei auftretenden Stromkräfte die Wicklung nicht mechanisch zerstört wird, sind besonders die Wickelköpfe zu versteifen. Die einzelnen Spulen in den Wi ckelköpfen werden hierzu vielfach mit Keilen, Fließmaterial, Stricken und Bändern zueinander fixiert und stabilisiert.

Aus der Druckschrift DE 10 2014 201 305 Al ist ein Verfahren zum Herstellen eines Statorteils mit einer Hohlleiterspule bekannt. Eine oder mehrere Windungen der Hohlleiterspule be sitzen jeweils wenigstens zwei beabstandet angeordnete Kühl kanäle. Zur Herstellung der Hohlleiterspule werden generative Verfahren verwendet. Hierunter fallen beispielsweise Laser sintern, allgemeine Sinterverfahren oder generell 3D-Druck- verfahren. Die Kühlkanäle können hinsichtlich ihrer Form und ihrer Anordnung in den Windungen so hergestellt werden, dass elektrische Wirbelströme in den Windungen vermieden werden. Dabei können die Kühlkanäle in einer Windung der Hohlleiter spule wie bei einem Zopf verflochten werden. In der Druckschrift EP 2 983 274 Bl ist ein additives Her stellungsverfahren beschrieben, mit dem Litzenanordnungen ei nes gewünschten Querschnitts und einer bestimmten Isolierung, zum Beispiel Keramik, Glas oder Polymer, zwischen den Litzen leitern gefertigt werden. Hohlbereiche können innerhalb der Anordnung von radial gestapelten Litzenleitern vorgesehen sein. Die Hohlbereiche können dazu dienen, flüssigkeitsba sierte Kühlmittel zu führen.

Auch die Druckschrift US 7 386 842 Bl beschreibt wasserge kühlte Wicklungen. Die Litzen sind in Hohlstrukturen angeord net, durch die Kühlwasser fließt. Einige Litzen haben einen kleineren Wasserdurchgangsbereich als andere.

Die US 6 784 573 Bl beschreibt eine hartgelötete Verbindung zwischen einem Ankerstangenstrangpaket und einem Endstück, wo mehrere feste Stränge und mehrere hohle Stränge in einer An ordnung angeordnet sind. Die Hohlstränge haben freie Enden. Ein Hohlraum im Endstück ist durch eine Öffnung zugänglich, und die freien Enden der Vielzahl von Hohlsträngen und die entsprechenden freien Enden der festen Stränge erstrecken sich durch die Öffnung in den Hohlraum.

Die DE 10 31 880 B offenbart einen Leiterstab für elektrische Maschinen, dessen in mehreren Ebenen liegende Teilleiter je weils nach dem Durchlaufen der leiterhöhe in eine andere Ebe ne abgekröpft sind. Durch Fräsen oder Stanzen sind in den Teilleitern Aussparungen geschaffen.

Die DE 2 356 673 Al bezieht sich auf eine gekühlte elektri sche Maschine mit dicht gepackten Leitern und ein Verfahren zu deren Herstellung. Den Leitern wird eine solche Quer schnittsform gegeben, dass längs des Umfanges zwei Arten von Flächen gebildet werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen elektrischen Leiter zur Verfügung zu stellen, mit dem die Vielzahl an obigen Anforderungen für bestimmte Anwendungen leichter erreicht werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen

elektrischen Leiter für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es wird demnach ein elektrischer Leiter für eine elektrische Maschine mit einem Leitungskörper, der aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt ist, bereitgestellt. Der elekt rische Leiter dient in der Regel zur Erzeugung eines Magnet felds in der elektrischen Maschine. Dies kann insbesondere zur Wandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie oder umgekehrt, oder aber auch nur zur Wandlung elektrischer Energie dienen. Dementsprechend handelt es sich beispielswei se bei der elektrischen Maschine um einen Motor, um einen Ge nerator oder um einen Transformator. Bei dem Leitungskörper handelt es sich um dasjenige Gebilde, mit dem die elektrische Leitung des Stroms realisiert wird. Beispielsweise handelt es sich bei dem Leitungskörper einer Spule beziehungsweise Win dung um das eigentliche Kupfer in der jeweiligen geometri schen Form. Der Leitungskörper stellt also die tatsächliche dreidimensionale Leitungsstruktur des jeweiligen elektrischen Leiters dar.

Außerdem umfasst der elektrische Leiter eine Kühlmittelleit einheit, die in den Leitungskörper zumindest teilweise inte griert ist. Bei der Kühlmittelleiteinheit kann es sich um ei ne Hohlstruktur handeln, die sich in dem Leitungskörper be findet. In diese Hohlstruktur lässt sich das Kühlmittel lei ten. Gegebenenfalls kann es sich bei dem Kühlmittel um gas förmiges oder flüssiges Kühlmittel handeln.

Erfindungsgemäß ist der Leitungskörper gitterförmig ausgebil det. Dies bedeutet, dass der Körper, der für die elektrische Leitung zuständig ist, nicht vollständig massiv ausgebildet ist, sondern zumindest teilweise eine Gitterstruktur besitzt. In dem oder durch den Leitungskörper ist also eine Gitter struktur aus dem leitenden Material (zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder dergleichen) realisiert. Gitterförmig bedeutet hier, dass es sich um eine dreidimensionale Gitterstruktur handelt. Ähnlich einem Kristallgitter handelt es sich also um ein dreidimensionales Netz, wobei jedoch die einzelnen Punkte durch tatsächliche Leiterelemente aus dem Leitermaterial ver bunden sind. Es kann sich beispielsweise um ein regelmäßiges Gitter handeln, bei dem jede Elementarzelle einem Würfel, Tetraeder oder dergleichen entspricht. Dementsprechend sind die Kanten der Elementarzellen, hier die Leiterabschnitte, entweder orthogonal oder in einem entsprechenden Winkel zuei nander angeordnet. Die Gitterstruktur kann jedoch auch unre gelmäßig sein, wobei die einzelnen Gitterpunkte mehr oder we niger zufällig im Raum angeordnet sind.

Die Kühlmittelleiteinheit ist zum Teil durch Hohlräume des gitterförmigen Leitungskörpers gebildet. Dies bedeutet, dass das Gitter des Leitungskörpers einen oder mehrere Hohlräume begrenzt, die zu der Kühlmittelleiteinheit gehören. Insbeson dere kann es sich um einen oder mehrere zusammenhängende Hohlräume innerhalb des Gitters des Leitungskörpers handeln. Durch diese Gitterstruktur kann es sich beispielsweise um ei ne porösen Leitungskörper handeln, in dem das Kühlmittel vor zugsweise in alle Richtungen strömen kann. Gegebenenfalls wird innerhalb der Gitterstruktur aber auch eine gewisse Ka nalisierung vorgenommen.

Die Kühlmittelleiteinheit besitzt eine dichte Wandung, die bereichsweise einen Kühlmittelaustritt aus dem Leitungskörper verhindert. Diese dichte Wandung umgibt beispielsweise den gitterförmigen beziehungsweise porösen Leitungskörper, sodass das Kühlmittel nicht nach außen austreten kann. Natürlich ist die Wandung nicht komplett geschlossen, denn es soll eine Kühlmitteldurchströmung des Leitungskörpers erfolgen. Daher sind an dem Leitungskörper beispielsweise Kühlmittelöffnungen vorgesehen, durch die das Kühlmittel ein- und austreten kann. Dementsprechend schließt die Wandung den Leitungskörper nur bereichsweise dichtend ab. Bei einem zylindrischen Leitungs körper kann die dichte Wandung zylindermantelförmig den Lei tungskörper umgeben, wobei zum Beispiel die Stirnseiten zur Kühlmitteleinführung und -ausführung offen sind, d.h. die Gitterstruktur ist offen zugänglich.

In vorteilhafter Weise werden durch die Gitterstruktur des Leitungskörpers die Wirbelstromverluste deutlich reduziert. Trotz der Gitterstruktur kann auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit durch beispielsweise Kupfer- oder Aluminiumma terial gegeben sein. Das Gitter sorgt darüber hinaus für hohe mechanische Stabilität. Ein besonderer Vorteil der Git terstruktur des Leitungskörpers besteht jedoch darin, dass das Gitter unmittelbar von Kühlmittel umströmt beziehungswei se durchströmt sein kann, sodass die Wärmeleitungswege vom Leiter zum Kühlmittel verhältnismäßig gering sind. Auf diese Weise kann ein vielfacher Vorteil gegenüber massiven Leitern oder Leitern mit wenigen Kühlkanälen erzielt werden.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist der Leitungskör per zur elektrischen Leitung einschließlich der Kühlmittel leiteinheit einteilig durch ein additives oder subtraktives Verfahren hergestellt. Dies bedeutet, dass die Gitterform be ziehungsweise Gitterstruktur des Leitungskörpers und gegebe nenfalls weitere Komponenten des elektrischen Leiters mittels des additiven oder subtraktiven Herstellungsverfahrens gefer tigt sind. Durch die Herstellung des elektrischen Leiters mittels eines additiven beziehungsweise generativen Verfah rens ergibt sich der Vorteil, dass im Wesentlichen keine Ein schränkungen bezüglich der Geometrie oder der Gestaltung des Produkts bestehen. Als generative Verfahren sind beispiels weise Lasersintern, allgemeine Sinterverfahren oder generelle 3D-Druckverfahren zu nennen. Besonders vorteilhaft ist, dass durch die Herstellung des elektrischen Leiters mittels eines generativen Verfahrens zum Beispiel einzelne Windungen einer Spule optimal an einen verfügbaren Wickelraum einer elektri schen Maschine angepasst werden können. Beispielsweise können die einzelnen Windungen der Spule individuell dimensioniert werden. Unter einer Anpassung der Spule ist beispielsweise auch eine Erhöhung des Füllfaktors zu verstehen. Hierbei ist der Füllfaktor definiert als das Verhältnis von Querschnitts fläche der Windungen (Leiterquerschnittsfläche) der Spule zum Querschnitt des Wickelraums. Durch den erhöhten Füllfaktor der im generativen Verfahren hergestellten Spule wird der Wicklungswiderstand der Spule verringert. Vorteilhafter Weise ergibt sich dadurch ein erhöhter Wirkungsgrad der elektri schen Maschine.

Durch die Gestaltungsmöglichkeiten, die ein generatives Ver fahren ermöglicht, können die einzelnen Windungen einer Wick lung variabel in ihrer Form und bezüglich ihres Zwecks opti miert hergestellt werden. Beispielsweise können die einzelnen Windungen in wenigstens einem Wickelkopf der Spule einen im Vergleich zu bekannten Wicklungen oder Windungen geringeren Biegeradius aufweisen. Durch den verringerten Biegeradius der Wicklungen oder Windungen im Wickelkopf ergibt sich vorteil hafter Weise eine Bauraumersparnis, sodass der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessert wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Leitungskörper eine Längsachse aufweist, und die dichte Wan dung der Kühlmittelleiteinheit zylindermantelförmig ausgebil det ist und koaxial mit der Längsachse des Leitungskörpers verläuft. Der Leitungskörper ist also typischerweise länglich ausgeführt und besitzt eine Zylinderform. Dabei kann es sich um eine Kreiszylinderform, eine Ovalzylinderform, eine Pris menform oder dergleichen handeln. In jedem Fall umgibt die dichte Wandung der Kühlmittelleiteinheit den Leitungskörper so, dass am Mantel kein Kühlmittel austreten kann. Dement sprechend besitzt die dichte Wandung eine Zylindermantelform. Alternativ muss die dichte Wandung den Leitungskörper nicht ganz außen umgeben. Vielmehr kann die Wandung auch ganz oder teilweise im Inneren des Leitungskörpers vorgesehen sein. In diesem Fall durchströmt das Kühlmittel nicht alle Teile des Leitungskörpers gleichermaßen. In einer weiteren Ausgestaltung ist die dichte Wandung aus dem gleichen Material wie der Leitungskörper oder einem elektrischen Isolationsmaterial, insbesondere einer Keramik, hergestellt. Je nach elektrischen Anforderungen kann die dichte Wandung zur Abdichtung des Kühlmittelstroms aus dem gleichen elektrisch leitenden Material wie der Leitungskörper oder aus einem elektrisch isolierenden Material insbesondere additiv gefertigt sein. Gegebenenfalls kann die dichte Wan dung durch eine zusätzliche Isolationsschicht umgeben sein. Bei dem Isolationsmaterial kann es sich gegebenenfalls auch um ein Polymer handeln.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Leiter als Lei terstab ausgebildet. Ein solcher Leiterstab kann beispiels weise für eine Käfigwicklung genutzt werden. Insbesondere werden derartige Leiterstäbe bei großen elektrischen Maschi nen eingesetzt, wodurch sich die Montage vereinfachen lässt.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kühlmittelleiteinheit einen Kühlmittelanschluss aufweist, durch den ein Kühlmittel in das Innere der Kühlmittelleitein heit einleitbar ist, und der dicht mit der Wandung ausgebil det ist. Bei dem Kühlmittelanschluss handelt es sich um ein spezifisch für den Kühlmittelein- beziehungsweise -auslass vorgesehenes Element wie beispielsweise einen Flansch oder Rohrstutzen. Der Kühlmittelanschluss stellt damit eine

Schnittstelle zwischen beispielsweise eine Kühlmitteleitung und dem zu kühlenden elektrischen Leiter beziehungsweise Lei tungskörper dar. Hierbei ist der Kühlmittelanschluss so aus zugestalten, dass er dicht mit der Wandung der Kühlmittellei teinheit abschließt. Wenn der Kühlmittelanschluss beispiels weise an der Stirnseite eines stabförmigen Leiters vorgesehen ist, sollte er die komplette Stirnseite dicht abschließen und insbesondere mit der zylindermantelförmigen Wandung der Kühl mittelleiteinheit dicht verbunden sein. In einer vorteilhaf ten Ausgestaltung besitzt der elektrische Leiter beziehungs weise die Kühlmittelleiteinheit mindestens zwei Kühlmittelan schlüsse, durch die das Kühlmittel ein- und ausgeleitet wird. Beispielsweise sind ein derartiger Kühlmittelanschluss an der einen Stirnseite eines Leiterstabs und ein anderer Kühlmit telanschluss an der anderen Stirnseite des Leiterstabs ange ordnet. Durch einen oder mehrere derartige Kühlmittelan schlüsse ist ein definierter Ein- beziehungsweise Auslauf von Kühlmittel in beziehungsweise aus dem elektrischen Leiter ge währleistet. Dabei kann der jeweilige Kühlmittelanschluss Adapterfunktionalität übernehmen .

Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann damit eine elektrische Maschine mit einem Eisenkern, der Nuten aufweist, in die einer oder mehrere elektrische Leiter nach einer der vorhergehenden Ausführungsvarianten eingefügt sind, bereitge stellt werden. Bei dieser elektrischen Maschine kann es sich wie bereits erwähnt, um einen Motor, einen Generator oder ei nen Transformator handeln. Der Eisenkern ist beispielsweise der Kern eines Stators oder Rotors (Anker) . In die Nuten die ses Eisenkerns können nun die vollständig oder teilweise git terförmig gebildeten Leitungskörper eingelegt werden. Gegebe nenfalls sind sie mit entsprechenden Isolationen in die Nuten eingelegt. Mit einem derartigen gitterförmigen Leitungskör per, der zahlreiche Hohlräume für ein Kühlmittel besitzt, kann eine elektrische Maschine mit einem sehr hohen Wirkungs grad hergestellt werden. Darüber hinaus sind auch die Wir belstromverluste aufgrund der vielfach unterbrochenen Ober fläche sehr gering.

Bei der elektrischen Maschine können gemäß einer Weiterbil dung der eine oder die mehreren elektrischen Leiter Teil ei ner Wicklung sein. Beispielsweise kann der elektrische Leiter mit dem gitterförmigen Leitungskörper Teil einer Wicklung sein, bei der ein anderer Teil einen massiven Leitungskörper oder einen mit Kühlleitungen durchzogenen Leitungskörper dar stellt. Alternativ kann die gesamte Wicklung auch vollständig aus dem elektrischen Leiter mit dem gitterförmigen Leitungs körper gebildet sein. Dies bedeutet, dass insbesondere auch die Wickelköpfe eines Motors oder Generators mit dem gitter förmigen Leitungskörper gebildet sein können. Alternativ kann aber auch beispielsweise ein Kurzschlusskäfig oder derglei chen aus dem elektrischen Leiter mit dem gitterförmigen Lei tungskörper gebildet sein. Demnach können nahezu sämtliche Arten von elektrischen Maschinen von den gitterförmigen Lei tungskörpern mit integrierter Kühlung profitieren.

Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Ma schine durch Bereitstellen eines Eisenkerns mit Nuten,

Herstellen eines elektrischen Leiters mit einem Leitungskör per, der aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt wird, und einer Kühlmittelleiteinheit, die zumindest teilwei se in den Leitungskörper integriert ist, und

Einbringen des elektrischen Leiters in eine oder mehrere der Nuten, wobei der Leitungskörper durch ein additives oder sub- traktives Herstellungsverfahren gitterförmig ausgebildet wird, die Kühlmittelleiteinheit zum Teil durch Hohlräume des gitterförmigen Leitungskörpers gebildet wird, und

eine dichte Wandung der Kühlmittelleiteinheit in dem oder um den Leitungskörper, die bereichsweise einen Kühlmittelaus tritt aus dem Leitungskörper verhindert, angebracht wird.

Es wird also für die Herstellung der elektrischen Maschine ein Eisenkern mit Nuten bereitgestellt. In diesen üblicher weise geblechten Eisenkern wird der oben genannte gitterför mige Leitungskörper eingelegt. Dabei kann der elektrische Leiter beziehungsweise Leitungskörper (gegebenenfalls auch mehrere davon) in alle Nuten oder nur einen Teil dieser Nuten eingelegt werden. Der gitterförmige Leitungskörper wird durch ein additives oder subtraktives Herstellungsverfahren ausge bildet beziehungsweise hergestellt. Insbesondere wird er also additiv, beispielsweise durch einen 3D-Druck oder subtraktiv durch Ätzen oder Laserabtragung gefertigt. Die dichte Wandung der Kühlmittelleiteinheit kann, wie oben bereits erwähnt wur de, ebenfalls durch das additive oder subtraktive Verfahren zusammen mit dem Leitungskörper gefertigt werden. Insgesamt gelten die oben in Zusammenhang mit dem elektrischen Leiter beziehungsweise der elektrischen Maschine genannten Vorteile und Variationsmöglichkeiten sinngemäß auch für das erfin dungsgemäße Herstellungsverfahren .

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungs verfahrens wird eine Gitterstruktur dadurch ermittelt, dass sie hinsichtlich eines Strömungsparameters optimiert wird.

Die Gitterstruktur des Leitungskörpers kann unterschiedlichs te Gestalt besitzen. Sie ist nicht auf würfelförmige Element arzellen beschränkt. Vielmehr können die die einzelnen Git terpunkte verbindenden Gitterstäbe beziehungsweise Kanten auch andere als 90 Grad Winkel beinhalten. Speziell müssen aber auch nicht alle Elementarzellen im gesamten Leitungskör per gleichförmig ausgebildet sein. Beispielsweise können die Elementarzellen im Zentrum des Leitungskörpers anders struk turiert sein als diejenigen am Rand des Leitungskörpers.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird für das Herstellen des elektri schen Leiters eine Gitterstruktur dadurch ermittelt, dass sie hinsichtlich eines Strömungsparameters optimiert wird. Dies bedeutet, dass vor dem tatsächlichen Herstellen für den Lei tungskörper eine Gitterstruktur gefunden wird, die hinsicht lich eines Strömungsparameters beziehungsweise einer Strö mungsanforderung optimiert ist. So kann beispielsweise das Gitter danach optimiert werden, dass bei einem gegebenen Kühlmitteldurchfluss an bestimmten Orten in dem Leitungskör per vorgegebene Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden. Alternativ könnte die Gitterstruktur bei vorgegebenem elekt rischem Widerstand einen gewünschten, d.h. ebenfalls vorgege benen, Kühlmitteldurchsatz erzielen. Das Optimieren kann da rin liegen, dass bei gegebenen Randbedingungen ein bestimmter Wert eines Strömungsparameters erreicht wird. Es wird also in der Regel ein Kompromiss zwischen den Strömungsparametern und anderen Maschinen- beziehungsweise Herstellungsparametern ge funden. Bei dieser Kompromissfindung kann der ein oder andere Parameter in den Vordergrund treten, beispielsweise durch entsprechende Gewichtung. Alternativ kann für das Herstellen des elektrischen Leiters auch eine Gitterstruktur dadurch ermittelt werden, dass sie hinsichtlich eines Festigkeitsparameters optimiert wird. Für die Gitterstruktur kann also beispielsweise eine Mindestfes tigkeit vorgegeben werden. Die übrigen Herstellungs- bezie hungsweise Maschinenparameter für das Gitter werden dann so eingestellt, dass diese Mindestfestigkeit erreicht wird. Bei spielsweise wird die Festigkeit von länglichen Leitern durch bionische Ansätze verwirklicht. So kann beispielsweise die Steifigkeit eines Leiters dadurch optimiert werden, dass sie der Struktur eines Grashalms angeglichen wird, der ebenfalls von einer Flüssigkeit durchströmt wird. Speziell könnten der artige Festigkeitsvorgaben auch im Wickelkopfbereich von gro ßem Nutzen sein. Hierdurch könnte auf bestimmte Verfesti- gungs- beziehungsweise Abstützmaßnahmen im Wickelkopfbereich verzichtet werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1 einen elektrischen Leiter mit mehreren gitterförmig strukturierten Leitungskörpern;

FIG 2 einen gitterförmig strukturierten Leitungskörper für eine ovale Nut;

FIG 3 ein Strömungsbild für mehrere aneinander gefügte

Leitungskörper;

FIG 4 einen elektrischen Leiter in einer elektrischen Ma schine; und

FIG 5 einen schematischen Verfahrensablauf zum Herstellen einer elektrischen Maschine mit gitterförmig struk turierten Leitern.

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung dar. Es soll ein elektrischer Leiter für eine elektrische Maschine wie etwa einem Elektromotor, einem Generator oder einem

Transformator zur Verfügung gestellt werden.

Dieser elektrische Leiter wird zur Erzeugung eines Magnet felds benutzt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads ist eine Kühl mittelleiteinheit zur Kühlung des eigentlichen Leitungskör pers des elektrischen Leiters in diesen integriert. Die Er findung basiert nun auf dem Gedanken, den eigentlichen Lei tungskörper gitterförmig zu strukturieren, um einerseits Wir belstromverluste zu reduzieren und andererseits die Verlust wärme möglichst effizient abzuführen. Dazu werden die Hohl räume in dem gitterförmig strukturierten Leitungskörper zur Kühlmittelleitung verwendet.

Vorzugsweise werden derartige elektrische Leiter mit gitter förmig strukturierten Leitungskörpern und Kühlmittelleitein heit durch ein additives oder subtraktives Herstellungsver fahren hergestellt. Besonders vorteilhaft lässt sich ein ad ditives Verfahren, wie etwa ein 3D-Druck, dazu einsetzen, den elektrischen Leiter mit seinen gesamten Funktionalitäten ein teilig zu fertigen. Gegebenenfalls können durch das additive Verfahren weitere Funktionseinheiten wie etwa eine dichte Wandung der Kühlmittelleiteinheit sowie etwaige Anschlüsse und dergleichen in einem Verfahrensschritt mit hergestellt werden .

FIG 1 zeigt ein Beispiel eines elektrischen Leiters 1 mit mehreren Leitungskörpern 2. Die einzelnen Leitungskörper be sitzen hier im gewählten Beispiel eine Quaderform. Die Form der einzelnen Leitungskörper muss nicht gleich sein. Im vor liegenden Beispiel ist über drei nebeneinander angeordneten Leitungskörpern 2 ein weiterer Leitungskörper 2 angeordnet. Die einzelnen Leitungskörper können relativ zueinander iso liert sein, sie müssen es aber nicht.

Jeder Leitungskörper 2 besitzt eine dreidimensionale gitter förmige Struktur. Dies bedeutet, dass zwischen einzelnen Git- terfilamente Hohlräume angeordnet sind. Die Gitterfilamente sind aus einem elektrisch leitenden Material wie etwa Kupfer oder Aluminium gefertigt und sind insbesondere in der Lei tungsrichtung des elektrischen Stroms kontinuierlich ausge bildet. Im Endeffekt ergeben sich somit in Stromrichtung vie le parallele Leiterfilamente, die in regelmäßigen oder unre gelmäßigen Abständen kurzgeschlossen sind. Dies bedeutet, dass das Leitungsgitter in allen Raumrichtungen regelmäßig oder unregelmäßig ausgebildet sein kann.

Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Leiterfilamenten stellen Hohlräume zum Leiten eines Kühlmittels wie etwa Luft oder Wasser dar. Die Hohlräume sind in einer gewünschten Strömungsrichtung miteinander verbunden, sodass das Kühlmit tel in dieser gewünschten Strömungsrichtung durch den Lei tungskörper 2 in entsprechender Weise strömen kann.

FIG 2 zeigt ein Beispiel eines elektrischen Leiters 1 bezie hungsweise Leitungskörpers 2 mit ovalem Querschnitt. Dieses Beispiel zeigt, dass der gitterförmig strukturierte Leitungs körper 2 ohne weiteres an einen Nutquerschnitt einer elektri schen Maschine angepasst sein kann. Insbesondere bei additi ven beziehungsweise generativen Herstellungsverfahren ist die Anpassung des Querschnitts an beliebige Nutformen unproblema tisch. Auch dieser Leitungskörper mit spezieller Außenkontur besitzt im Inneren eine dreidimensionale Gitterstruktur be ziehungsweise Gitterform, die sowohl die Stromleitung als auch die Kühlmittelleitung gewährleistet.

FIG 3 zeigt drei gitterförmig strukturierte Leitungskörper 20, 21 und 22. Sie sind aneinander gefügt und bilden einen elektrischen Leiter 1. Dies bedeutet, dass beispielsweise Strom von dem einen Leitungskörper 20 in den oder die anderen Leitungskörper 21, 22 oder umgekehrt fließen kann.

Am Beispiel von FIG 3 ist dargelegt, wie die einzelnen Lei tungskörper auch räumlich in beliebiger Weise aneinander an geordnet werden können. Die einzelnen hier quaderförmigen Leitungskörper 20, 21 und 22, die auch andere Körperformen annehmen können, können einzeln aneinander gefügt werden oder einteilig miteinander gefertigt werden. Im vorliegenden Bei spiel ist an einer Seite des quaderförmigen Leitungskörpers 20 der weitere quaderförmige Leitungskörper 22 mit seiner Stirnseite angefügt. An der benachbarten Seite des quaderför migen Leitungskörpers 20 ist der weitere, ebenfalls quader förmige Leitungskörper 21 angebracht. Damit ergibt stellver tretend für viele dreidimensionale Formen sich ein dreidimen sionaler Körper mit Anformungen in allen drei Raumrichtungen.

Dieser elektrische Leiter 1 von FIG 3 wird auch von Kühlmit tel durchströmt, was durch Strömungspfeile 30, 31 und 32 in drei verschiedenen Raumrichtungen angedeutet ist. So strömt beispielsweise Kühlmittel entsprechend dem Strömungspfeil 31 in den Leitungskörper 21 ein. Ebenso strömt Kühlmittel gemäß Strömungspfeil 32 in eine freie Stirnseite des Leitungskör pers 22 ein. Das Kühlmittel durchströmt die Leitungskörper 21 und 22 und fließt in den Leitungskörper 20. In diesem wird es hier jeweils senkrecht umgelenkt und verlässt ihn stirnseitig gemäß Strömungspfeil 30. Mit diesem Beispiel soll angedeutet werden, dass unterschiedlichste Strömungsrichtungen bezie hungsweise Strömungen in dem elektrischen Leiter ermöglicht werden können.

Das räumliche Gitter des beziehungsweise der Leitungskörper kann nach verschiedenen Optimierungsbedingungen ermittelt be ziehungsweise vorgegeben werden. Beispielsweise kann der Querschnitt des jeweiligen Leitungskörpers entsprechend dem zugehörigen Nutquerschnitt (zum Beispiel 10 x 20 mm) vorgege ben werden. Beispielsweise kann eine Optimierung nach gewis sen Strömungsparametern, wie Durchflussmenge, Durchflussge schwindigkeit, Strömungsprofil und dergleichen erfolgen. Ins besondere kann auch nach geringstmöglichen Druckverlusten und/oder möglichst effizienter Wärmeabfuhr optimiert werden. Dabei kann als Randbedingung eine bestimmte mechanische Fes tigkeit des elektrischen Leiters vorgegeben werden. In einem anderen Beispiel kann spezifisch für einen Wickel kopfbereich ein Leitungsquerschnitt fest vorgegeben werden. Hier im Wickelkopfbereich kann die Optimierung primär nach der maximalen mechanischen Festigkeit erfolgen. Eine unterge ordnete Rolle können hier die Strömungskanäle spielen. Auf grund der Gitterstruktur der Leitungskörper, die den Strom fluss bewirken, treten in jedem Fall keine ausgedehnten Lei terflächen auf und somit auch kaum Wirbelströme.

FIG 4 zeigt wie ein derartiger elektrischer Leiter mit git terförmig strukturiertem Leitungskörper in einer elektrischen Maschine genutzt beziehungsweise in diese eingebaut werden kann. So ist beispielsweise innerhalb eines Maschinengehäuses 3 ein hohlzylindrischer Eisenkern 4 (zum Beispiel Teil eines Stators) angeordnet. Dieser Eisenkern 4 besitzt hier eine Nut 5. Weitere Nuten sind hier der Übersicht halber nicht einge zeichnet. In die Nut 5 ist ein elektrischer Leiter 1 mit git terförmig strukturiertem Leitungskörper eingelegt. Zur elektrischen Isolation kann der elektrische Leiter 1 eine Isolationshülse 6 aufweisen.

An einem Ende kann der elektrische Leiter 1 einen Einspeise abschnitt 7 aufweisen. Dieser Einspeiseabschnitt 7 besitzt beispielsweise einen Stromanschluss 8 und eine Kühlmittelan schluss 9. Damit das Kühlmittel in dem elektrischen Leiter geführt werden kann, ist es notwendig, dass der elektrische Leiter eine Kühlmittelleiteinheit aufweist. In dem vorliegen den Beispiel gehören neben den Hohlräumen in dem gitterförmig strukturierten Leitungskörper, durch die das Kühlmittel strömt, auch eine dichtende Wandung, die eine Abdichtung nach außen darstellt, damit das Kühlmittel den elektrischen Leiter nicht ungehindert an beliebigen Stellen verlassen kann. Im vorliegenden Beispiel von FIG 4 ist diese dichtende Wandung als Leiterhülse 10 realisiert. Sie umgibt den elektrischen Leiter beziehungsweise Leitungskörper nahezu vollständig.

Auch an der Stirnseite des elektrischen Leiters 1, an der hier der Kühlmittelanschluss 9 vorgesehen ist, dichtet die Leiterhülse 10 den elektrischen Leiter bis zum Kühlmittelan- Schluss 9 ab. Das Kühlmittel kann hier entsprechend den Strö mungspfeilen 33 nur durch den Kühlmittelanschluss 9 in den Einspeiseabschnitt 7 eingespeist und in Längsrichtung durch den stabförmigen elektrischen Leiter 1 hindurchgeleitet wer den. An dem dem Einspeiseabschnitt 7 gegenüberliegenden Ende des elektrischen Leiters 1 wird das Kühlmittel gegebenenfalls durch einen weiteren Kühlmittelanschluss aus dem elektrischen Leiter 1 ausgeleitet. Weitere Kühlmittelein- und Auslässe ne ben denjenigen an den Stirnseiten des Leiters 1 sind hier nicht vorgesehen. Sowohl der Strom als auch das Kühlmittel werden hier in Längsrichtung (oder entgegengesetzt) durch den elektrischen Leiter 1 geführt.

Abschottungen, wie die elektrische Leiterhülse 10 können mit tels additiver Herstellungsverfahren direkt in den Leiter eingearbeitet werden. Gegebenenfalls kann auch ein Wickelkopf ohne direkte Kühlung vorgesehen und mittels dieser Ferti gungstechnik angeschlossen werden. Die äußere Hülle (oben Isolationshülle 6 genannt) kann alternativ auch von einer dünnen elektrisch leitenden Schicht gebildet werden. Im Falle einer nichtleitenden Schicht kann es sich um Isolationsmate rial wie etwa Keramik handeln. Diese Hüll- beziehungsweise Isolationsschicht 6, sofern erforderlich, lässt sich auch nachträglich mittels konventioneller Technik (Beschichtung, Umwicklung) aufbringen.

In FIG 5 ist schematisch ein Herstellungsverfahren einer elektrischen Maschine mit dem gitterförmig strukturierten Leitungskörper dargestellt. In einem Schritt S1 erfolgt das Bereitstellen eines Eisenkerns mit Nuten. In einem anschlie ßenden Schritt S2 wird eine Gitterstruktur ermittelt. Dabei kann beispielsweise die Gitterstruktur hinsichtlich eines Strömungsparameters optimiert werden. Alternativ kann die Gitterstruktur auch im Hinblick auf Festigkeitsparameter des elektrischen Leiters optimiert werden. Gegebenenfalls können für die Gitterstruktur auch dichtende Wandungen für das Kühl mittel berücksichtigt werden. Dazu wird diese dichtende Wan- düng in einem Schritt S3 festgelegt. Dadurch werden die we sentlichen Strömungsrichtungen vorgegeben.

In einem nun anschließenden Schritt S4 erfolgt das Fertigen des elektrischen Leiters, bei dem die Kühlmittelleiteinheit in den Leitungskörper integriert ist, vorzugsweise durch ein additives oder subtraktives Verfahren. Schließlich erfolgt in einem letzten Schritt S5 das Einbringen des hergestellten elektrischen Leiters in die Nut des Eisenkerns der elektri schen Maschine. Gegebenenfalls werden weitere solche elektri schen Leiter in anderen Nuten des Eisenkerns eingebracht.

Durch die beliebige Geometriegestaltung des gitterförmig strukturierten Leitungskörpers insbesondere durch additive Herstellungsverfahren lassen sich die Anforderungen an die mechanische Festigkeit und günstigen Strömungsverhältnisse gleichzeitig optimieren. Hier kann auch auf bionische Ansatz punkte zurückgegriffen werden.

Bei gegebenen Leiterquerschnitt kann das Gitter an jeder Stabstelle, d.h. abhängig davon, ob sich die Leiterstelle im Nut- oder Wickelkopfbereich befindet, den mechanischen und strömungstechnischen Anforderungen angepasst werden. Bei Ein satz der herkömmlichen Leitermaterialien, Aluminium und Kup fer, ist zudem eine gute Wärmeleitung gegeben.

Durch die Gitterstruktur gibt es keine ausgedehnten, zusam menhängenden Oberflächen. Damit treten auch bei hohen Fre quenzen keine Wirbelströme auf. Die zusätzliche Widerstands erhöhung durch etwaige Wirbelströme und die damit einherge henden Verluste entfallen, sodass der Wirkungsgrad steigt. Gegebenenfalls können auch Teilleiterisolationen entfallen, wodurch sich der Nutquerschnitt besser ausnutzen lässt. Durch die effiziente Kühlung kann außerdem die thermische Wider standserhöhung in Grenzen gehalten werden. All dies trägt zu einer Steigerung des Wirkungsgrads bei. Eine Aufteilung des Leiters in parallele Teilleiter ist durch die Gitterstruktur des Leiters hinfällig. Damit entfällt auch die Isolation der einzelnen Teilleiter und in dem zur Verfü gung stehenden Nutquerschnitt kann, wie oben bereits angedeu tet wurde, mehr Leiterquerschnitt eingebracht werden. Der ohmsche Widerstand sinkt und die Kupferverluste werden gerin ger, sodass der Wirkungsgrad steigt.

Mit Hilfe der Gitterstruktur wird die Leiteroberfläche (bei unverändertem Gesamtquerschnitt) enorm vergrößert, womit sich ein hohes Kühlvermögen ergibt. Zum Beispiel ist für das Kühl mittel „Luft" das Leiterinnere leicht zugänglich, wodurch ei ne direkte Luftkühlung einfach zu realisieren ist. In Folge der verbesserten Kühlung sind bisher nicht erreichbare Leis tungsdichten erzielbar. Besonders für die Kühlmittelzuführung ergeben sich durch die Gitterstruktur, d.h. keine geschlosse ne Oberfläche, vielfältige, einfache Ausführungsmöglichkei ten .

Weiterhin ist ein schichtweises Zusammensetzten des Leiters aus mehreren einzelnen gitterförmigen Leitungskörpern mög lich. Damit ist eine einfache Anpassung an nicht parallel- flankige Nutgeometrien entsprechend dem Baukastenprinzip rea lisierbar. Insbesondere können so bei größeren Nutabmessungen mehrere Gitterschichten in die jeweilige Nut eingelegt wer den .

Im Wickelkopfbereich kann die Gitterstruktur hinsichtlich op timaler mechanischer Festigkeit vorgegeben werden. Damit kann speziellen Randbedingungen, wie etwa den Stromkräften, besser Rechnung getragen werden. Beispielsweise können so die auf wändigen Abstützungen entfallen beziehungsweise reduziert werden .

Besonders bei elektrischen Maschinen mit Stableitern, wie diese beispielsweise bei Turbogeneratoren, Flugmotoren oder großen Industrieantrieben _V orkommen, können mit dem erfin dungsgemäßen elektrischen Leiter sehr kompakte Antriebe rea- lisiert werden. Durch die vereinfachte, direkte Kühlung der Gitterstableiter mit Gasen oder Flüssigkeiten können Leis tungsdichten erreicht werden, welche bisher nur durch den Einsatz von sehr teuren Technologien (zum Beispiel Hochtempe ratur-Supraleiter) denkbar sind.

Wie oben mehrfach angedeutet wurde, verhindert der Gitter stableiter die Bildung von Wirbelströmen und die damit ver bundenen Verluste unabhängig von der Speisefrequenz zum Bei spiel der Statorwicklung. Maschinen mit erhöhtem Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik können realisiert werden. Schnell drehende Maschinen können für höhere Speisefrequenzen ausgelegt werden, ohne auf spezielle Wicklungsausführungen, wie Kupferlitze, zurückgreifen zu müssen. Alternativ zum ad ditiven Verfahren lässt sich ein Gitterstableiter mittels fi ligraner Strangpressprofile und subtraktiver Bearbeitung her steilen, was besonders für große Maschinen- und Blechpaket längen von Interesse ist.