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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem
Stator und einem an dem Stator rotatorisch bewegbar gelagerten Läufer,
wobei der Stator eine Statorwicklung aufweist. Überdies
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen
eines Stators für eine elektrische Maschine.
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Es
ist bekannt, dass die Leistung von elektrischen Maschinen direkt
proportional zu einem von der Läuferwicklung erzeugten
Erregerfeld und zu der Stromstärke eines in der Statorwicklung
bzw. Ankerwicklung fließenden Stroms ist. Das Interesse
gilt vorliegend insbesondere einer Synchronmaschine mit einer supraleitenden
Erregerwicklung (auch Läuferwicklung genannt). Bei derartigen
Synchronmaschinen mit supraleitender Läuferwicklung werden
im Stand der Technik Stromdichten von 100 A/mm2 realisiert,
was gegenüber Stromdichten einer konventionellen Kupferwicklung
von 5 A/mm2 eine deutliche Verbesserung
darstellt. Dabei wird die Eigenschaft von supraleitenden Materialien
ausgenutzt, nämlich dass diese unter einer sogenannten
Sprungtemperatur einen elektrischen Widerstand von nahezu gleich Null,
also eine unendlich große Leitfähigkeit besitzen. Da
sich Supraleiter durch hohe realisierbare Stromdichten bei kleinen
Leiterquerschnitten auszeichnen, kann der Läufer einer
solchen Synchronmaschine deutlich kompakter als bei konventionellen
Maschinen mit Kupferwicklungen gestaltet werden. Auch höhere
Felddichten von 2 bis 4 T können überdies realisiert
werden.
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Würde
die Statorwicklung einer elektrischen Maschine mit supraleitender
Läuferwicklung zwischen (Eisen-)Zähnen angeordnet
werden, so würden die (Eisen-)Zähne des Stators
aufgrund der hohen Erregerfeldstärken im Luftspalt sehr
stark in magnetische Sättigung gehen, so dass unzulässig
hohe Verluste auf treten würden. Deshalb ist bei elektrischen
Maschinen mit supraleitender Läuferwicklung der Einsatz
von einer so genannten Luftspaltwicklung im Stator erforderlich.
Solche Luftspaltwicklungen sind Wicklungen, die nicht zwischen (Eisen-)Zähnen angeordnet
sind. Dies hat zur Folge, dass die Statorwicklung kompakter ausgeführt
werden kann. Eine solche Reduktion des Statorvolumens ist bei Ausführung
mit Kupferwicklung in Folge einer begrenzten Stromdichte von 5 bis
7 A/mm
2 allerdings nicht im gleichen Maße
wie beim Läufer möglich. Das gesamte Bauvolumen
von elektrischen Maschinen mit supraleitender Läuferwicklung
wird somit wesentlich durch die Abmessungen der Statorwicklung bestimmt.
Eine weitere Reduktion des Bauvolumens von derartigen Maschinen
scheiterte bisher an der geringen Stromleitfähigkeit der
nicht supraleitenden Statorwicklung im Vergleich zur hohen Stromleitfähigkeit
der supraleitenden Läuferwicklung. Eine Abhilfe hierzu
schafft beispielsweise der Einsatz einer Flüssigkeitskühlung
für die Statorwicklung, wodurch die Stromdichte derselben
leicht erhöht werden kann. Beispielsweise offenbart die
Druckschrift
EP 1 251 624
A2 eine Kühlungseinrichtung für eine
als Luftspaltwicklung ausgeführte Statorwicklung einer supraleitenden
elektrischen Maschine. Der Einsatz einer derartigen Kühlungseinrichtung
ist allerdings mit einem relativ hohen technischen Aufwand verbunden.
Darüber hinaus kann die Stromleitfähigkeit bzw.
die Strombelastbarkeit der Statorwicklung somit nur in eng begrenztem
Maß erhöht werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische
Maschine sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Stators für
eine elektrische Maschine bereitzustellen, bei welcher und bei welchem
Maßnahmen getroffen sind, die eine kompakte Bauweise der
elektrischen Maschine gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische
Maschine mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie durch ein
Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
7 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist
somit vorgesehen, dass die Statorwicklung zumindest teilweise aus
einem Nanoröhren umfassenden Material besteht. Ein derartiges,
Nanoröhren umfassendes leitfähiges Material weist
eine verhältnismäßig höhere
maximale Stromtragfähigkeit auf als beispielsweise Kupfer. Hierdurch
wird erreicht, dass die Statorwicklung und somit auch die elektrische
Maschine kompakter gestaltet werden können als bisherige
Ausführungsformen.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft heraugestellt, wenn die Nanoröhren
Kohlenstoffnanoröhren umfassen bzw. wenn die Statorwicklung
zumindest teilweise aus einem Kohlenstoffnanoröhren umfassenden
Material besteht. Dabei bezeichnet der Begriff Kohlenstoffnanoröhren
(CNT, Carbon Nano Tubes) röhrenförmige Gebilde,
welche aus Kohlenstoff ausgebildet sind. Durch Einsatz des Kohlenstoffnanoröhren
umfassenden Materials wird eine Statorwicklung geschaffen, welche
im Vergleich zu einer Kupferwicklung eine deutlich höhere
Stromleitfähigkeit bzw. Stromtragfähigkeit (maximale
Stromstärke für einen vorgegebenen Querschnitt)
besitzt, und welche mit höheren Stromdichten betrieben
werden kann. Hierdurch wird erreicht, dass der Stator deutlich kompakter
als mit einer Kupferwicklung ausgeführt werden kann. Insbesondere
bei einer elektrischen Maschine mit einer supraleitenden Läuferwicklung
zeigt sich der Einsatz einer aus Kohlenstoffnanoröhren
ausgebildeten Statorwicklung besonders vorteilhaft. Es konnte nämlich
nachgewiesen werden, dass für eine vorbestimmte Maschinenleistung
das Bauvolumen einer derartigen elektrischen Maschine um ca. 75%
reduziert werden kann. Gegenüber einer konventionellen
Maschine mit einer aus Kupfer ausgebildeten Läufer- und
Statorwicklung hat eine elektrische Maschine mit einer supraleitenden
Läuferwicklung und darüber hinaus mit einer aus
Kohlenstoffnanoröhren ausgebildeten Statorwicklung also nur
noch 25% des gesamten Volumens.
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Bei
einer Ausführungsform ist deshalb vorgesehen, dass die
elektrische Maschine als eine Synchronmaschine mit einer supraleitenden
Läuferwicklung bereitgestellt ist. Des Weiteren kann die Statorwicklung
als Luftspaltwicklung ausgebildet sein, wodurch keine Sättigungsverluste
aufgrund des Ausfalls der Eisenzähne auftreten können.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Statorwicklung vollständig
aus Nanoröhren ausgebildet ist. Dann kommen die Vorteile
der Nanoröhren vollständig zum Tragen. Hierdurch
wird im Hinblick auf eine kompakte Bauweise der elektrischen Maschine
erreicht, dass die Statorwicklung mit deutlich erhöhten Stromdichten
betrieben werden kann.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform ist das Material aus
einem Komposit aus Nanoröhren und Kupfer ausgebildet. Hierdurch
kann eine kostenreduzierte und dennoch kompakte elektrische Maschine
geschaffen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen
eines Stators für eine elektrische Maschine. Bei dem Verfahren
wird ein Statorblechpaket bereitgestellt und eine Statorwicklung
wird in dem und/oder an das Statorblechpaket angeordnet. Erfindungsgemäß wird
die Statorwicklung zumindest teilweise aus einem Nanoröhren,
vorzugsweise Kohlenstoffnanoröhren, umfassenden Material
ausgebildet.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung einen Längsschnitt über
eine elektrische Maschine nach einer Ausführungsform der
Erfindung;
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2 in
schematischer Darstellung eine Seitenansicht der elektrischen Maschine
im Vergleich zu elektrischen Maschinen gemäß dem
Stand der Technik; und
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3 in
schematischer Darstellung die Stirnseite der elektrischen Maschine
im Vergleich zu den elektrischen Maschinen gemäß dem
Stand der Technik.
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Eine
in 1 dargestellte elektrische Maschine 10 nach
einer Ausführungsform der Erfindung, vorliegend eine Synchronmaschine,
weist einen Stator 11 auf, welcher ein Statorblechpaket 12 sowie
ein das Statorblechpaket 12 umgebendes Statorgehäuse 13 umfasst.
Die Synchronmaschine 10 weist ferner einen Läufer 14 einschließlich
eines Läuferblechpakets 15 sowie einer Läuferwelle 16 auf. Dabei
ist die Läuferwelle 16 und somit der gesamte Läufer 14 über
jeweils ein Kugellager 17, 18 an zwei einander
gegenüberliegenden Seiten 19, 20 des
Statorgehäuses 13 rotatorisch bewegbar gelagert.
Somit ist der Läufer 14 relativ zum Stator 11 um
eine durch eine Orientierung der Läuferwelle 16 definierte
Drehachse A drehbar.
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Dem
Statorblechpaket 12 ist eine Statorwicklung 21 zugeordnet,
welche im vorliegenden Beispiel aus einem Kohlenstoffnanoröhren
aufweisenden Material ausgebildet ist. Ferner umfasst der Läufer 14 eine
hochtemperatur-supraleitende Läuferwicklung 22,
welche wenigstens einen Spulenstrang aufweist.
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Der
Synchronmaschine 10 gemäß der Ausführungsform
der Erfindung sind in den 2 und 3 zwei
konventionelle Synchronmaschinen 30, 40 gegenüber
gestellt. In den 2 und 3 sind alle
Synchronmaschinen in schematischer Darstellung seitlich (1)
sowie in Draufsicht auf die Stirnseiten (2) gezeigt.
Eine erste konventionelle Synchronmaschine 30 weist einen
Stator und einen an dem Stator rotatorisch bewegbar gelagerten Läufer
auf. Der Stator der ersten konventionellen Synchronmaschine 30 umfasst
dabei eine Statorwicklung (Ankerwicklung). Ferner weist der Läufer
der ersten konventionellen Synchronmaschine 30 eine Läuferwicklung
auf. Die Statorwicklung und die Läuferwicklung der ersten
konventionellen Synchronmaschine sind aus Kupfer ausgebildet.
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Der
ersten konventionellen Synchronmaschine 30 ist im vorliegenden
Beispiel eine zweite konventionelle Synchronmaschine 40 mit
einer supraleitenden, vorliegend hochtemperatur-supraleitenden,
Läuferwicklung gegenüber gestellt. Wie in den 2 und 3 dargestellt
ist, kann das Bauvolumen der Synchronma schine 40 mit einer
supraleitenden Läuferwicklung gegenüber der ersten
konventionellen Synchronmaschine 30 bei Aufrechterhalten
der Maschinenleistung um circa 50% reduziert werden.
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Wird
die aus Kupfer ausgebildete Statorwicklung der zweiten konventionellen,
eine supraleitende Läuferwicklung aufweisenden Synchronmaschine 40 durch
die aus Kohlenstoffnanoröhren ausgebildete Statorwicklung 21 ersetzt
und geht man von einer moderaten Steigerung der Stromdichte um einen Faktor 10 aus,
so kann das Bauvolumen der Synchronmaschine 10 gemäß der
Ausführungsform der Erfindung gegenüber der zweiten
konventionellen elektrischen Maschine 40 noch einmal um
50% reduziert werden. Gegenüber der ersten konventionellen Synchronmaschine 30 hat
die Synchronmaschine 10 mit der aus Kohlenstoffnanoröhren
ausgebildeten Statorwicklung 21 also nur noch ein Viertel
des gesamten Volumens.
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Supraleitende
Synchronmaschinen zeichnen sich durch ein kleines Bauvolumen und
hohe Leistungsdichte aus. Dieser Vorteil kommt erst durch den Einsatz
eines Kohlenstoffnanoröhren umfassenden Materials für
die Statorwicklung 21 (Ankerwicklung) vollständig
zum Tragen. Durch den Einsatz einer derartigen Statorwicklung 21 kann
das Bauvolumen der elektrischen Maschine 10 im Vergleich
zu der ersten konventionellen elektrischen Maschine 30 um
circa 75% reduziert werden.
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Im
vorliegenden Beispiel ist die Statorwicklung
21 durch einen
elektrischen Leiter gemäß der Druckschrift
EP 1 275 118 B1 gebildet.
Demnach umfasst die Nanostruktur aufweisende Statorwicklung
21 eine
leitende Matrix, in welcher die Kohlenstoffnanoröhren angeordnet
sind. Dabei enthält die Matrix in weniger als 98 Vol.-%
Nanostrukturen. Es ist auch möglich, die Statorwicklung
21 auf
eine von der hier dargestellten Art abweichende Weise auszubilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1251624
A2 [0003]
- - EP 1275118 B1 [0022]