DE102013220412A1

DE102013220412A1 - Electric machine with rotor, coil winding and electrically conductive element

Info

Publication number: DE102013220412A1
Application number: DE201310220412
Authority: DE
Inventors: Tabea Arndt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2015-04-16
Also published as: WO2015052077A3; WO2015052077A2

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine angegeben mit einer Rotorwelle und einem Rotor, der von der Rotorwelle getragen wird und zusammen mit ihr um eine Rotationsachse beweglich gelagert ist. Der Rotor umfasst wenigstens eine elektrische Spulenwicklung und wenigstens ein elektrisch leitendes Element, über das die Spulenwicklung mit einem äußeren Stromkreis leitend verbunden ist. Das elektrisch leitende Element enthält Kohlenstoffnanoröhren.It is an electric machine specified with a rotor shaft and a rotor which is supported by the rotor shaft and is movably mounted together with it about a rotation axis. The rotor comprises at least one electrical coil winding and at least one electrically conductive element, via which the coil winding is conductively connected to an external circuit. The electrically conductive element contains carbon nanotubes.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Rotorwelle und einem Rotor, wobei der Rotor wenigstens eine elektrische Spulenwicklung und wenigstens ein elektrisch leitendes Element umfasst, über das die Spulenwicklung mit einem Stromkreis leitend verbunden ist. The invention relates to an electrical machine having a rotor shaft and a rotor, wherein the rotor comprises at least one electrical coil winding and at least one electrically conductive element, via which the coil winding is conductively connected to a circuit.

Elektrische Maschinen mit auf Rotoren gelagerten Spulenwicklungen werden beispielsweise in Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Energie oder in Motoren zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie eingesetzt. Solche Maschinen können beispielsweise als Synchronmaschinen oder auch als Asynchronmaschinen betrieben werden. Die elektrischen Spulenwicklungen können dabei entweder als normalleitende oder auch als supraleitende elektrische Spulen ausgeführt sein. Electric machines with coil windings mounted on rotors are used, for example, in generators for generating electrical energy or in motors for converting electrical energy into mechanical energy. Such machines can be operated, for example, as synchronous machines or as asynchronous machines. The electrical coil windings can be designed either as normal-conducting or as superconducting electrical coils.

Bei bekannten elektrischen Maschinen sind die Rotorspulen mit einem äußeren elektrischen Stromkreis durch eine Stromzuführung verbunden, die im Bereich der Rotorwelle relativ nahe an der Rotationsachse des Rotors angeordnet ist und in der Nähe der Spulenwicklung auf radial weiter außen liegende Bereiche geführt wird. Bei einer auf dem Rotor eines Generators angeordneten Erregerspule beispielsweise kann die Erregerspule über eine solche Stromzuführung an zwei Stellen mit einer außerhalb des Rotors angeordneten Erregerschaltung verbunden sein, so dass sich ein geschlossener Stromkreis ergibt. In known electrical machines, the rotor coils are connected to an external electric circuit by a power supply, which is arranged in the region of the rotor shaft relatively close to the axis of rotation of the rotor and is guided in the vicinity of the coil winding on radially outer regions. In an excitation coil arranged on the rotor of a generator, for example, the excitation coil can be connected via such a power supply at two points to an exciter circuit arranged outside the rotor, so that a closed circuit results.

Nach dem Stand der Technik umfasst die Stromzuführung typischerweise verschiedene Abschnitte, in denen Leiterelemente den Strom entweder parallel zur Rotationsachse oder radial nach außen führen. Auf der Seite des äußeren Schaltkreises wird die Stromzuführung meist möglichst nahe an der Rotationsachse, also beispielsweise im Inneren der Rotorwelle geführt. Die Rotorspulen sind meist auf weiter außen liegenden Radien angeordnet, so dass zwischen Rotorwelle und Rotorspule Leiterabschnitte für einen radialen Stromtransport zwischen achsnahen und achsfernen Bereichen benötigt werden. Insgesamt ist also eine Leiteranordnung notwendig, bei der die Stromtransportrichtung wenigstens einmal die Richtung um etwa 90° wechselt. Bei bekannten Rotoreinrichtungen ist dazu die Stromzuführung in mehrere miteinander verbundene Leitersegmente unterteilt, die den Strom teils axial und teils radial transportieren. Bei den meisten Ausführungen ist jedoch für jede Zuleitung zumindest ein gebogenes Leiterelement vorhanden, bei dem die Richtung zwischen radialem und axialem Stromtransport innerhalb eines Bauteils wechselt. Solche gebogenen Leiterelemente werden in der Fachwelt aufgrund ihrer Form allgemein als J-Straps bezeichnet. Sie können sowohl als flache Leiterstreifen als auch als massivere Körper wie beispielsweise gebogene Stangen oder Drähte ausgeführt sein. Als Materialien werden typischerweise Kupfer oder Kupfer enthaltende Legierungen verwendet, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen. In the prior art, the power supply typically includes various sections in which conductor elements conduct the current either parallel to the axis of rotation or radially outward. On the side of the outer circuit, the power supply is usually performed as close as possible to the axis of rotation, that is, for example, in the interior of the rotor shaft. The rotor coils are usually arranged on further outward radii, so that between rotor shaft and rotor coil conductor sections for a radial current transport between near-axis and off-axis areas are needed. Overall, therefore, a conductor arrangement is necessary in which the current transport direction at least once the direction changes by about 90 °. In known rotor devices for this purpose the power supply is divided into a plurality of interconnected conductor segments, which transport the power partly axially and partly radially. In most embodiments, however, at least one bent conductor element is present for each supply line, in which the direction between radial and axial current transport within a component changes. Such curved conductor elements are commonly referred to in the art because of their shape as J-straps. They can be designed both as flat conductor strips and as solid bodies such as curved rods or wires. As materials, copper or copper-containing alloys are typically used, which have a high electrical conductivity and at the same time a high mechanical strength.

Ein Nachteil bekannter elektrischer Maschinen ist, dass vor allem die gebogenen Leiterelemente und auch die Verbindungsstellen zwischen geraden und gebogenen Leiterelementen der Stromzuführung für die Rotorspulen anfällig für mechanische Beschädigung sind. Durch die schnelle Rotation des Rotors mitsamt seiner Komponenten sind die verschiedenen Abschnitte der Stromzuführung teilweise hohen Fliehkräften ausgesetzt. Vor allem die radial weiter außenliegenden Abschnitte sind höheren Fliehkräften ausgesetzt als die innenliegenden Abschnitte. Und die axial verlaufenden Leiterabschnitte sind anderen Kräften ausgesetzt als die radial verlaufenden Leiterabschnitte. Weiterhin erfolgt insbesondere durch hohe Drehzahlen und transiente Vorgänge eine hohe Wechselspielbelastung, die bei metallischen Werkstoffen und Legierungen schnell zur Versprödung führen kann. Dadurch kommt es gerade beim Wechsel zwischen radialer und axialer Richtung sowie bei einer Verbindung zwischen verschiedenen radialen Bereichen zu häufigen Ausfällen und Verschleißerscheinungen in der Stromzuführung. Ein zunächst mechanischer Verschleiß kann auch als Folgeschaden eine elektrische Schädigung der Komponenten durch Spannungsüberschläge verursachen. A disadvantage of known electrical machines is that above all the bent conductor elements and also the connection points between straight and curved conductor elements of the power supply for the rotor coils are susceptible to mechanical damage. Due to the rapid rotation of the rotor together with its components, the various sections of the power supply are exposed to high centrifugal forces. Especially the radially outer sections are exposed to higher centrifugal forces than the inner sections. And the axially extending conductor sections are subjected to forces other than the radially extending conductor sections. Furthermore, in particular by high speeds and transient processes a high interplay load, which can quickly lead to embrittlement in metallic materials and alloys. This leads to frequent failures and signs of wear in the power supply, especially when changing between the radial and axial directions and when connecting between different radial areas. An initial mechanical wear can also cause electrical damage to the components as a consequence of flashovers.

In der US6501201B1 wird eine Stromzuführung für die Rotorspule eines Generators beschrieben, die mehrere elektrische Leiterkomponenten umfasst, die zum Teil flexibel miteinander verbunden sind. Ein axialer Leiterabschnitt ist über ein flexibles Verbindungsstück mit einem Zwischenstück verbunden, das wiederum mit einem starren radialen Leiterabschnitt kontaktiert ist. An diesen starren radialen Leiterabschnitt ist ein gebogener Leiterstreifen, der sogenannte J-Strap, kontaktiert, über den die Verbindung der anderen Elemente mit der elektrischen Rotorspule hergestellt wird. In the US6501201B1 a power supply for the rotor coil of a generator is described which comprises a plurality of electrical conductor components, which are partially flexibly interconnected. An axial conductor section is connected via a flexible connecting piece with an intermediate piece, which in turn is contacted with a rigid radial conductor section. At this rigid radial conductor portion, a bent conductor strip, the so-called J-strap, contacted, via which the connection of the other elements is made with the electric rotor coil.

Auch in der EP 2272151B1 wird eine elektrische Maschine mit einer Stromzuführung für eine Rotorspule beschrieben, bei der die Stromzuführung einen feststehenden radial verlaufenden Bolzen und ein in einem Teilbereich schleifenförmig gebogenes Leiterelement aufweist, das den radialen Bolzen mit der Rotorwicklung verbindet. Das Leiterelement ist in einem Zwischenbereich von einem Spalt umgeben, so dass differentielle mechanische Spannungen zwischen den Enden dieses Leiterelements durch seitliche Bewegungen ausgeglichen werden können. Also in the EP 2272151B1 An electric machine with a power supply for a rotor coil is described, in which the power supply has a fixed radially extending bolt and a partially looped curved conductor element which connects the radial bolt with the rotor winding. The conductor element is surrounded by a gap in an intermediate region, so that differential mechanical stresses between the ends of this conductor element can be compensated for by lateral movements.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine mit einem Rotor, einer Spulenwicklung und einem elektrisch leitenden Element anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit einem elektrisch leitenden Element anzugeben, das eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweist bei gleichzeitig hoher Stromtragfähigkeit und/oder niedriger Dichte. The object of the invention is an electric machine with a rotor, a coil winding and To provide an electrically conductive element which avoids the disadvantages mentioned. In particular, it is an object of the invention to provide an electrical machine with an electrically conductive element, which has a high mechanical strength while high current carrying capacity and / or low density.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Maschine gelöst. Die erfindungsgemäße Maschine weist eine Rotorwelle und einen Rotor auf, der von der Rotorwelle getragen wird und zusammen mit ihr um eine Rotationsachse beweglich gelagert ist. Der Rotor umfasst wenigstens eine elektrische Spulenwicklung und wenigstens ein elektrisch leitendes Element, über das die Spulenwicklung mit einem äußeren Stromkreis leitend verbunden ist. Das elektrisch leitende Element enthält Kohlenstoffnanoröhren. This object is achieved by the electrical machine described in claim 1. The machine according to the invention has a rotor shaft and a rotor, which is supported by the rotor shaft and is movably mounted together with it about a rotation axis. The rotor comprises at least one electrical coil winding and at least one electrically conductive element, via which the coil winding is conductively connected to an external circuit. The electrically conductive element contains carbon nanotubes.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Maschine gegenüber Maschinen mit herkömmlichen Stromzuführungen aus Kupfer und/oder Kupferlegierungen ist, dass das elektrisch leitende Element durch die Ausführung mit Kohlenstoffnanoröhren mechanisch sehr belastbar sein kann, bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit. Die mechanische Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit einzelner Kohlenstoffnanoröhren übertreffen die Werte für Metalle und metallische Legierungen um ein Mehrfaches. Auch wenn makroskopische Bauteile mit Fasern oder Garnen aus Kohlenstoffnanoröhren nicht die Werte für die einzelnen Röhren erreichen, so konnten doch die Werte für Leitfähigkeit und Belastbarkeit durch neue Herstellungsmethoden erheblich gesteigert werden. Beispielsweise werden von N. Behabtu et al. gesponnene Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren beschrieben, die spezifische Widerstände zwischen 22 und 33 µOhm·cm aufweisen ( N. Behabtu el al. in Science 339 (2013), S. 182–185 ). Obwohl die elektrische Leitfähigkeit dieser Materialien noch nicht so hoch ist wie die von Kupfer und seinen Legierungen, so ist doch die mechanische Festigkeit der von hochleitfähigen metallischen Legierungen zum Teil schon überlegen. Für Faserdicken im Bereich zwischen 8 und 10 µm wurden Elastizitätsmodule oberhalb von 100 GPa und Zugfestigkeiten im Bereich von 1 GPa gemessen. In Laborexperimenten bei Siemens wurden für Garne mit Durchmessern von ca. 20 µm sogar Zugfestigkeiten oberhalb von 2 GPa gemessen. Auch wenn die Werte des Elastizitätsmoduls noch ihn ähnlichen Bereichen liegen wie die von kupferhaltigen Werkstoffen, so ist ein besonderer Vorteil der Kohlenstoffnanoröhren darin zu sehen, dass ihre Leitfähigkeit und ihre mechanische Belastbarkeit auch bei einem Abknicken der Fasern oder einer Verbiegung der Bauteile nicht wesentlich beeinträchtigt wird. The advantage of the machine according to the invention over machines with conventional power supply of copper and / or copper alloys is that the electrically conductive element can be mechanically very robust by the embodiment with carbon nanotubes, with high electrical conductivity. The mechanical strength and electrical conductivity of individual carbon nanotubes exceed the values for metals and metallic alloys many times over. Although macroscopic components with carbon nanotube fibers or yarns do not achieve the values for the individual tubes, the values for conductivity and load capacity could be significantly increased by new production methods. For example, N. Behabtu et al. spun carbon nanotube fibers having resistivities between 22 and 33 μOhm.cm ( N. Behabu el al. in Science 339 (2013), pp. 182-185 ). Although the electrical conductivity of these materials is not yet as high as that of copper and its alloys, the mechanical strength of some of them is already superior to that of highly conductive metallic alloys. For fiber thicknesses in the range between 8 and 10 μm, moduli of elasticity above 100 GPa and tensile strengths in the range of 1 GPa were measured. In laboratory experiments at Siemens even tensile strengths above 2 GPa were measured for yarns with diameters of approx. 20 μm. Even if the values of the modulus of elasticity are still similar to those of copper-containing materials, it is a particular advantage of carbon nanotubes that their conductivity and their mechanical strength are not significantly impaired even if the fibers bend or bend ,

Auch ist bisher kein Wechselspielversagen bei Fasern und Garnen aus Kohlenstoffnanoröhren beobachtet worden. Gerade bei der Verwendung für die elektrisch leitenden Verbindungselemente für Rotorspulen ist aber eine solche Robustheit bei einer gebogenen Leiterführung von besonderem Vorteil. Also, no interplay failure has been observed with fibers and yarns made of carbon nanotubes. Especially when used for the electrically conductive connection elements for rotor coils but such robustness in a curved conductor guide is particularly advantageous.

Ein weiterer Vorteil eines elektrisch leitenden Elements mit Kohlenstoffnanoröhren ist darin zu sehen, dass die Dichte solcher Röhren wesentlich niedriger ist als die von metallischen Verbindungselementen. Beispielsweise kann die Dichte von verdichteten Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren zwischen 0.5 und 1.5 g/cm³ liegen. Bei vergleichbarer Stromtragfähigkeit können hiermit elektrisch leitende Elemente mit niedrigerer Masse verwendet werden als es bei einem rein metallischen Element möglich wäre. Gerade bei der Kontaktierung von Rotorspulen in radial weiter außen gelegenen Bereichen des Rotors ist es vorteilhaft, wenn die Kontaktstücke möglichst leicht sind, da dann die Fliehkräfte kleiner ausfallen und so wiederum die mechanische Belastung der Bauteile geringer ist. Another advantage of an electrically conductive element with carbon nanotubes is the fact that the density of such tubes is substantially lower than that of metallic fasteners. For example, the density of dense carbon nanotube fibers may be between 0.5 and 1.5 g / cm ³ . With comparable current carrying capacity, electrically conductive elements with a lower mass can be used here than would be possible with a purely metallic element. Especially when contacting rotor coils in radially outer regions of the rotor, it is advantageous if the contacts are as light as possible, since then the centrifugal forces are smaller and so again the mechanical stress on the components is lower.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann die elektrische Maschine zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Ein an der Rotorwelle angeordnetes Kontaktstück kann über das elektrisch leitende Element mit der elektrischen Spulenwicklung leitend verbunden sein. Das Kontaktstück kann beispielsweise ein radiales Leiterelement sein, über das eine radiale Verbindung von der Welle zu einem radial weiter außen liegenden Bereich des Rotors geschaffen wird. Beispielsweise kann ein solches radiales Leiterelement ein radialer Kontaktbolzen sein. Ein bevorzugtes Material für das Kontaktstück ist beispielsweise Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung. Bei dieser Ausführungsform können weitere Leiterelemente der Stromzuführung vorteilhaft in einem Teilbereich im Inneren der Rotorwelle geführt werden. In diesem Teilbereich sind die Leiterelemente nah an der Rotationsachse angeordnet und somit nur geringen Fliehkräften ausgesetzt. Über die Leiterelemente im Inneren der Rotorwelle kann die Rotorspule mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein, der beispielsweise stationär angeordnete Komponenten außerhalb des Rotors und der Rotorwelle aufweist. Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent of claim 1 claims. Thus, the electric machine may additionally have the following features:
A contact piece arranged on the rotor shaft can be conductively connected to the electrical coil winding via the electrically conductive element. The contact piece can be, for example, a radial conductor element, via which a radial connection is created by the shaft to a region of the rotor lying radially further outward. For example, such a radial conductor element may be a radial contact pin. A preferred material for the contact piece is, for example, copper or a copper-containing alloy. In this embodiment, further conductor elements of the power supply can be advantageously performed in a partial area in the interior of the rotor shaft. In this subarea, the conductor elements are arranged close to the axis of rotation and thus exposed to only low centrifugal forces. About the conductor elements in the interior of the rotor shaft, the rotor coil may be connected to an external circuit having, for example, stationary components disposed outside the rotor and the rotor shaft.

Das elektrisch leitende Element kann sich wenigstens in einem ersten Längenabschnitt hauptsächlich in einer axialen Richtung erstrecken und sich wenigstens in einem zweiten Längenabschnitt hauptsächlich in einer radialen Richtung bezüglich der Rotationsachse erstrecken. Es kann also innerhalb eines Leiterelements ein Richtungswechsel zwischen axialem und radialem Stromtransport vorliegen. Hierdurch kann die Stromzuführung für die Rotorspule vorteilhaft radial innenliegende mit radial außenliegenden Bereichen des Rotors verbinden und axiale Abstände zwischen den elektrisch zu verbindenden Teilen überwinden. Wird der Wechsel der Stromtransportrichtung durch einen Bogen innerhalb eines Bauteils erreicht, dann kann die Herstellung zusätzlicher, für mechanische Belastungen anfälliger Leiterverbindungen vorteilhaft vermieden werden. The electrically conductive member may extend at least in a first length portion mainly in an axial direction and extend at least in a second length portion mainly in a radial direction with respect to the rotation axis. It can thus be present within a conductor element, a change of direction between the axial and radial current transport. As a result, the power supply for the rotor coil advantageously connect radially inwardly with radially outer regions of the rotor and overcome axial distances between the parts to be electrically connected. If the change of the current transport direction is achieved by an arc within a component, then the production of additional, for mechanical stresses prone conductor connections can be advantageously avoided.

Das elektrisch leitende Element kann einen oder mehrere gebogene Abschnitte aufweisen. Ein gebogener Abschnitt kann vorteilhaft dafür vorgesehen sein, um einen Wechsel der Stromtransportrichtung zwischen im Wesentlichen radialer Richtung und im Wesentlichen axialer Richtung zu bewirken. Es kann also beispielsweise eine Biegung um etwa 90° vorliegen. Weitere gebogene Abschnitte können vorteilhaft sein, um beispielsweise einen schleifenförmig gebogenen und/oder teilflexiblen Abschnitt zu schaffen, über den eine mechanische Entkopplung zwischen den beiden Enden des leitenden Elements bewirkt wird, beispielsweise in der Art einer Zugentlastung. Dies kann vorteilhaft sein, um differentielle mechanische Belastungen zwischen verschiedenen Elementen der Stromzuführung, wie beispielsweise zwischen Kontaktstück und elektrisch leitendem Element oder zwischen elektrisch leitendem Element und elektrischer Spule oder entlang der Länge des elektrisch leitenden Elements aufzunehmen. The electrically conductive element may have one or more bent sections. A bent portion may advantageously be provided for effecting a change of the current transport direction between substantially the radial direction and the substantially axial direction. Thus, for example, there may be a bend of about 90 °. Further bent portions may be advantageous, for example, to provide a looped and / or partially flexible portion, via which a mechanical decoupling between the two ends of the conductive element is effected, for example in the manner of a strain relief. This may be advantageous for receiving differential mechanical loads between different elements of the power supply, such as between the contact piece and the electrically conductive element or between the electrically conductive element and the electrical coil or along the length of the electrically conductive element.

Das elektrisch leitende Element kann eine oder mehrere Fasern umfassen, wobei jede Faser eine Vielzahl einzelner Kohlenstoffnanoröhren aufweist. Diese Ausführungsform ist deshalb vorteilhaft, weil einzelne Kohlenstoffnanoröhren im Allgemeinen nicht lang genug, nicht leitfähig genug und/oder mechanisch nicht belastbar genug für makroskopische Anwendungsfälle sind. Durch die Anordnung vieler Kohlenstoffnanoröhren in einer gemeinsamen Faser kann ein größerer elektrischer Leiter zur Verfügung gestellt werden, der die mechanischen, elektrischen und geometrischen Anforderungen besser erfüllen kann als eine einzelne Röhre. Es kann in vielen Fällen vorteilhaft sein, eine Vielzahl solcher Fasern einzusetzen, um vorgegebene Werte für Stromtragfähigkeiten, mechanische Belastbarkeit und geometrische Abmessungen in einem makroskopischen Bauteil zu erreichen. Es können mehrere Fasern zu einem Garn verbunden sein. The electrically conductive element may comprise one or more fibers, each fiber having a plurality of individual carbon nanotubes. This embodiment is advantageous because individual carbon nanotubes are generally not long enough, not conductive enough, and / or not mechanically resilient enough for macroscopic applications. By arranging many carbon nanotubes in a common fiber, a larger electrical conductor can be provided which can better meet the mechanical, electrical and geometric requirements than a single tube. It may in many cases be advantageous to use a multiplicity of such fibers in order to achieve predetermined values for current carrying capacities, mechanical strength and geometric dimensions in a macroscopic component. There may be several fibers connected to a yarn.

Die Fasern können entweder durch Feststoff-Spinnen oder durch Flüssigkeits-Spinnen erhalten werden und aus einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren aufgebaut sein. Die dazu benötigten Kohlenstoffnanoröhren können beispielsweise durch Abscheidung aus einer Gasphase oder durch katalytische Reaktion hergestellt werden, insbesondere unter Verwendung von Eisen als Katalysator. Dabei kann die Verbrennung eines die Ausgangsstoffe enthaltenden, beispielsweise alkoholischen Lösemittels, erfolgen. The fibers can be obtained either by solids spinning or by liquid spinning and can be composed of a plurality of carbon nanotubes. The carbon nanotubes required for this purpose can be produced, for example, by deposition from a gas phase or by catalytic reaction, in particular using iron as catalyst. In this case, the combustion of a starting materials containing, for example, alcoholic solvent, take place.

Der mittlere Durchmesser der einzelnen gesponnenen Fasern oder Garne liegt dabei vorteilhaft zwischen 5 und 50 µm, besonders vorteilhaft zwischen 5 und 25 µm. Die Länge der den Faser zugrundeliegenden einzelnen Kohlenstoffnanoröhren kann vorteilhaft im Mittel oberhalb von 3 µm liegen. Besonders vorteilhaft kann die Mittlere Röhrenlänge weit über diesem Wert liegen, beispielsweise oberhalb von 100 µm oder sogar oberhalb von 1 mm. Wie im oben zitierten Science-Artikel von Behabtu et al. beschrieben, konnten jedoch auch mit Fasern aus Röhren mit Längen zwischen 3 µm und 11 µm hohe mechanische Festigkeiten und gute Leitfähigkeiten erreicht werden. The average diameter of the individual spun fibers or yarns is advantageously between 5 and 50 microns, more preferably between 5 and 25 microns. The length of the individual carbon nanotubes underlying the fiber can advantageously be on average above 3 μm. Particularly advantageously, the average tube length can be far above this value, for example above 100 μm or even above 1 mm. As in the above-cited science article by Behabtu et al. However, high mechanical strengths and good conductivities could also be achieved with fibers from tubes with lengths of between 3 μm and 11 μm.

Bei einer Ausführungsform, bei der das elektrisch leitende Element einen oder mehrere gebogene Abschnitte aufweist, können vorteilhaft in diesem Bereich die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern ebenfalls gebogen oder sogar abgeknickt angeordnet sein. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform ist, dass Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren auch im gebogenen und/oder abgeknickten Zustand kaum eine Beeinträchtigung der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. In an embodiment in which the electrically conductive element has one or more bent sections, the fibers containing individual carbon nanotubes can advantageously also be bent or even bent down in this area. The advantage of such an embodiment is that fibers made of carbon nanotubes have hardly any impairment of the electrical conductivity even in the bent and / or bent state.

Die Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern können eine mittlere Zerreißfestigkeit von wenigstens 1 GPa aufweisen. Insbesondere durch Bündelung vieler solcher Fasern in ein oder mehrere größere Werkstücke kann ein elektrisch leitendes Element zu Verfügung gestellt werden, dass den hohen mechanischen Belastungen im Rotor einer elektrischen Maschine standhält. Somit kann die Ausfallsicherheit der Maschine verbessert werden, insbesondere kann eine mechanische Schädigung im Bereich einer Biegung des elektrisch leitenden Elements und/oder im Bereich differentieller mechanischer Kräfte zwischen radial und axial angeordneten Bauteilen vorteilhaft vermieden werden. The carbon nanotube-containing fibers may have an average tensile strength of at least 1 GPa. In particular, by bundling many such fibers in one or more larger workpieces, an electrically conductive element can be provided that withstands the high mechanical loads in the rotor of an electrical machine. Thus, the reliability of the machine can be improved, in particular a mechanical damage in the region of a bend of the electrically conductive element and / or in the range of differential mechanical forces between radially and axially disposed components can be advantageously avoided.

Die Fasern können ein mittleres Elastizitätsmodul von wenigstens 50 GPa, besonders vorteilhaft wenigstens 100 GPa aufweisen, um eine hohe mechanische Belastbarkeit des elektrisch leitenden Elements zu gewährleisten. The fibers may have an average modulus of elasticity of at least 50 GPa, more preferably at least 100 GPa, in order to ensure a high mechanical strength of the electrically conductive element.

Der spezifische elektrische Widerstand der Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern kann im Mittel unterhalb von 100 µOhm·cm, besonders vorteilhaft unterhalb von 50 µOhm·cm liegen. Mit einem solchen Fasermaterial können bei vergleichbaren Leiterabmessungen Stromtragfähigkeiten erreicht werden, die zumindest ähnlich sind wie bei Verwendung metallischer Legierungen. Prinzipiell können mit Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Materialien vorteilhaft auch noch wesentlich höhere Leitfähigkeiten mit spezifischen Widerständen unterhalb von 10 µOhm·cm, besonders vorteilhaft unterhalb von 1 µOhm·cm erreicht werden. The specific electrical resistance of the fibers containing carbon nanotubes may be on average below 100 μOhm.cm, more preferably below 50 μOhm.cm. With such a fiber material current carrying capabilities can be achieved with comparable conductor dimensions, which are at least similar to when using metallic alloys. In principle, materials containing carbon nanotubes can advantageously also be used to achieve significantly higher conductivities with resistivities below 10 μOhm.cm, particularly advantageously below 1 μOhm.cm.

Die Dichte der Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern kann vorteilhaft im Mittel unterhalb von 1.5 g/cm³ liegen. Bei verdichteten Fasermaterialien liegt sie besonders vorteilhaft zwischen 0.5 und 1.5 g/cm³. Durch die Verdichtung auf derartige Werte kann eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit erreicht werden. Trotzdem ist die Dichte in diesem Bereich noch wesentlich geringer als die Dichte metallischer Werkstoffe, so dass durch das geringere Gewicht bei vergleichbaren Abmessungen geringere Fliehkräfte uns somit niedrigere mechanische Belastungen auftreten. The density of the fibers containing carbon nanotubes may advantageously be below 1.5 g / cm ³ on average. For densified fiber materials, it is particularly advantageous between 0.5 and 1.5 g / cm ³ . By compaction to such values, a particularly good electrical conductivity and mechanical strength can be achieved. Nevertheless, the density in this area is still much lower than the density of metallic materials, so that lower centrifugal forces and thus lower mechanical loads occur due to the lower weight with comparable dimensions.

Die Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern können besonders vorteilhaft unter Anliegen einer Zugspannung hergestellt sein. Auf diese Weise hergestellte Fasern können besonders robust gegenüber weiterer mechanischer Belastung sein und können auch eine verbesserte Leitfähigkeit, insbesondere in Richtung der Zugbelastung, aufweisen. Beispielsweise kann eine Trocknung der Fasern unter Zugbelastung erfolgen. Die vor der Trocknung vorliegende Ausgangsform der Fasern kann dabei entweder mit oder ohne Vorliegen einer Zugbelastung hergestellt sein. The carbon nanotube-containing fibers can be produced particularly advantageously under the application of a tensile stress. Fibers produced in this way can be particularly robust against further mechanical stress and can also have improved conductivity, in particular in the direction of the tensile load. For example, a drying of the fibers can take place under tensile load. The initial form of the fibers present before drying can be produced either with or without the presence of a tensile load.

Das elektrisch leitende Element kann wenigstens eine Litze, ein Seil und/oder einen Flachleiter aus Kohlenstoffnanoröhren enthaltendem Garn aufweisen. Ein solches Garn kann eine Vielzahl von Fasern aus jeweils einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren umfassen. Insbesondere kann eine Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern in Form wenigstens einer Litze, eines Seils und/oder eines Flachleiters vorliegen. Es können mehrere solche Faserbündel in Form von Litzen, Seilen und/oder Flachleitern vorliegen, die im Wesentlichen bezüglich einer Richtung des Stromtransports durch das leitende Element ausgerichtet sind und parallel zueinander verlaufen. Eine solche Anordnung kann zusätzlich die Beständigkeit des elektrisch leitenden Elements gegenüber mechanischen Belastungen verbessern. Insbesondere eignet sich eine solche Ausführungsform, um flexible oder teilflexible Bereiche im elektrisch leitenden Element auszubilden. Dies kann zu einer besseren Aufnahme differentieller mechanischer Belastungen an verschiedenen Abschnitten des leitenden Elements führen, beispielsweise in der Art einer Zugentlastung zumindest in einem Teilabschnitt. Beispielsweise kann in wenigstens einem Teilbereich des leitenden Elements eine Mehrzahl von Faserbündeln in Form von im Wesentlichen parallel verlaufenden Litzen, Seilen und/oder Flachleitern vorgesehen sein, die in diesem Teilbereich nur schwach miteinander verbunden sind. The electrically conductive element may comprise at least one strand, a rope and / or a flat conductor of yarn containing carbon nanotubes. Such a yarn may comprise a plurality of fibers each of a plurality of carbon nanotubes. In particular, a plurality of carbon nanotube-containing fibers may be in the form of at least one strand, a rope and / or a flat conductor. There may be a plurality of such fiber bundles in the form of strands, ropes and / or flat conductors which are substantially aligned with respect to a direction of current transport through the conductive element and parallel to each other. Such an arrangement can additionally improve the resistance of the electrically conductive element to mechanical stresses. In particular, such an embodiment is suitable for forming flexible or partially flexible regions in the electrically conductive element. This can lead to a better absorption of differential mechanical loads on different sections of the conductive element, for example in the manner of a strain relief at least in a section. For example, a plurality of fiber bundles in the form of substantially parallel strands, cables and / or flat conductors may be provided in at least one subregion of the conductive element, which are only weakly interconnected in this subregion.

Alternativ oder zusätzlich zu einer Ausführungsform mit solchen Faserbündeln kann das elektrisch leitende Element ein Kohlenstoffnanoröhren enthaltendes Spritzgussteil aufweisen. Eine solche Ausgestaltung kann vorteilhaft sein, um zumindest in Teilabschnitten ein starres leitendes Element zur Verfügung zu stellen. Dazu kann ein die Nanoröhren umgebendes, bei der Betriebstemperatur der Maschine mechanisch festes Matrixmaterial vorgesehen sein. Das Matrixmaterial kann elektrisch leitfähig sein, um die elektrische Leitfähigkeit des leitenden Elements insgesamt zu verbessern. Alternatively or in addition to an embodiment with such fiber bundles, the electrically conductive element may comprise an injection-molded part containing carbon nanotubes. Such a configuration may be advantageous in order to provide a rigid conductive element at least in sections. For this purpose, a matrix material surrounding the nanotubes and mechanically fixed at the operating temperature of the machine can be provided. The matrix material may be electrically conductive to improve the overall electrical conductivity of the conductive element.

Das elektrisch leitende Element kann vorteilhaft sowohl wenigstens einen starren Teilbereich als auch wenigstens einen flexiblen oder teilflexiblen Teilbereich aufweisen, um die Beständigkeit gegenüber mechanischen Belastungen zu erhöhen. The electrically conductive element may advantageously have both at least one rigid portion and at least one flexible or partially flexible portion in order to increase the resistance to mechanical loads.

Das elektrisch leitende Element kann einen Leiterverbund mit einem metallischen Leiter und Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern aufweisen. Der metallische Leiter kann beispielsweise ein reines Metall oder eine metallische Legierung sein. Er kann vorteilhaft Kupfer enthalten. Beispielsweise kann ein Kupfer enthaltender Leitererkern mit einem Mantel aus Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Litzen umgeben sein. Hierdurch können mechanische Spannungen im Bereich der Stromzuführung des Rotors besonders gut abgefangen werden, bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit des leitenden Elements. Auch können bei einer solchen Ausführungsform die Materialeigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern so ausgewählt werden, dass die mechanische Festigkeit besonders hoch ist und die elektrische Leitfähigkeit eher niedrigere Werte aufweist, denn die Leitung des Stroms kann wenigstens zum Teil durch den metallischen Kern übernommen werden. The electrically conductive element may comprise a conductor composite with a metal conductor and fibers containing carbon nanotubes. The metallic conductor may be, for example, a pure metal or a metallic alloy. It can advantageously contain copper. For example, a copper-containing conductor core may be surrounded by a strand of carbon nanotube-containing strands. As a result, mechanical stresses in the region of the power supply of the rotor can be intercepted particularly well, while high electrical conductivity of the conductive element. Also, in such an embodiment, the material properties of the carbon nanotube-containing fibers may be selected such that the mechanical strength is particularly high and the electrical conductivity tends to be lower because the conduction of the current can be at least partially absorbed by the metallic core.

Die Kohlenstoffnanoröhren des elektrisch leitenden Elements können eine Dotierung mit Iod aufweisen. Durch eine solche Dotierung kann die elektrische Leitfähigkeit wesentlich erhöht werden, bei gleichzeitig sehr hoher mechanischer Belastbarkeit. The carbon nanotubes of the electrically conductive element may be doped with iodine. By such a doping, the electrical conductivity can be significantly increased, at the same time very high mechanical strength.

Die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren des elektrisch leitenden Elements können als einwandige Röhren, als mehrwandige Röhren oder als eine Mischung dieser beiden Röhrentypen vorliegen. Vorteilhaft kann die Zahl der Wände einer Röhre im Mittel zwischen 1 und 5 liegen. The individual carbon nanotubes of the electrically conductive element may be in the form of single-walled tubes, multi-walled tubes or a mixture of these two tube types. Advantageously, the number of walls of a tube can be between 1 and 5 on average.

Der Durchmesser der einzelnen Kohlenstoffnanoröhren des elektrisch leitenden Elements kann im Mittel vorteilhaft zwischen 1 und 6 nm liegen. The diameter of the individual carbon nanotubes of the electrically conductive element may advantageously be between 1 and 6 nm on average.

Das elektrisch leitende Element kann mit einem keramischen Isolationsmaterial ummantelt sein. Besonders vorteilhaft sind Ummantelungen aus SiC und/oder Al₂O₃. Eine Ummantelung aus SiC kann beispielsweise durch eine Beschichtung des elektrisch leitenden Elements mit Silizium gebildet werden, wobei das Silizium mit dem im leitenden Element vorliegenden Kohlenstoff durch Temperung zu keramischem SiC umgesetzt wird. Das keramische Isolationsmaterial dient vorteilhaft dazu, die einzelnen elektrisch leitenden Elemente gegeneinander und gegen ihre Umgebung so zuverlässig zu isolieren, dass auch Spannungsüberschläge und Teilentladungen vermieden werden können. The electrically conductive element may be covered with a ceramic insulating material. Sheaths of SiC and / or Al ₂ O ₃ are particularly advantageous. A coating of SiC can be formed, for example, by a coating of the electrically conductive element with silicon, wherein the silicon with the in the conductive Element present carbon is converted by heat treatment to ceramic SiC. The ceramic insulation material is advantageously used to reliably isolate the individual electrically conductive elements against each other and against their environment, so that voltage flashovers and partial discharges can be avoided.

Die Beschichtung kann beispielsweise durch Benetzen mit einer Dispersion und durch anschließendes Trocknen und Ausdampfen des Lösungsmittels erfolgen. Alternativ kann sie beispielsweise durch Besprühen mit Ausgangsstoffen für die Beschichtung und anschließende Wärmebehandlung, insbesondere zur Bildung von SiC erfolgen. The coating can be carried out, for example, by wetting with a dispersion and by subsequent drying and evaporation of the solvent. Alternatively, it can be done for example by spraying with starting materials for the coating and subsequent heat treatment, in particular for the formation of SiC.

Bei einer Ausführungsform mit Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern können die einzelnen Fasern jeweils mit einem keramischen Isolationsmaterial ummantelt sein. Diese Ausführungsform erhöht die Spannungsfestigkeit über die Lebensdauer durch die Vielzahl der Isolationsschichten und ist insbesondere für sehr dynamisch oder hochfrequent betriebene Maschinen vorteilhaft. Sie kann die Wechselspielbelastbarkeit bei transienten Vorgängen deutlich erhöhen. In one embodiment with carbon nanotube-containing fibers, the individual fibers may each be encased with a ceramic insulation material. This embodiment increases the dielectric strength over the life of the plurality of insulating layers and is particularly advantageous for very dynamic or high-frequency operated machines. It can significantly increase the interplay loadability during transient processes.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen: The invention will be described below with reference to two preferred embodiments with reference to the attached drawings, of which:

1 einen schematischen seitlichen Aufriss einer elektrischen Maschine 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt und 1 a schematic side elevation of an electrical machine 10 shows a first embodiment of the invention and

2 eine entsprechende schematische Darstellung für eine elektrische Maschine 10 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt. 2 a corresponding schematic representation of an electrical machine 10 according to a second embodiment shows.

Einander entsprechende oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding or equivalent elements are provided in the figures with the same reference numerals.

In 1 ist ein schematischer seitlicher Aufriss einer elektrischen Maschine 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein Ausschnitt einer Rotorwelle 12 und weiterhin ein Ausschnitt eines Rotors 14, der von der Rotorwelle 12 getragen wird und zusammen mit ihr um eine hier nicht dargestellte Rotationsachse beweglich gelagert ist. Die Rotationsachse verläuft innerhalb der Papierebene horizontal liegend, unterhalb des in 1 gezeigten Ausschnitts. In 1 is a schematic side elevational view of an electric machine 10 shown according to a first embodiment of the invention. Shown is a section of a rotor shaft 12 and further a section of a rotor 14 from the rotor shaft 12 is supported and is movably mounted together with her about a rotation axis, not shown here. The axis of rotation runs horizontally within the plane of the paper, below the in 1 shown detail.

Der Rotor 14 umfasst einen Rotorkörper 16 und eine Mehrzahl von in dem Rotorkörper 16 gehaltenen elektrischen Spulenwicklungen 18, die als Erregerspulen eines elektrischen Generators wirken. Ein Haltering 20 umgibt die Spulenwicklungen 18 auf der Außenseite des Rotors 14 und stützt sie gegen radial nach außen wirkende Fliehkräfte. Die elektrischen Spulenwicklungen 18 können beispielsweise aus Kupfer oder anderen normalleitenden Materialien ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich können sie auch supraleitende Materialien enthalten. The rotor 14 includes a rotor body 16 and a plurality of in the rotor body 16 held electric coil windings 18 which act as excitation coils of an electric generator. A retaining ring 20 surrounds the coil windings 18 on the outside of the rotor 14 and supports them against radially outward centrifugal forces. The electrical coil windings 18 For example, they may be made of copper or other normal conducting materials. Alternatively or additionally, they may also contain superconducting materials.

Die elektrischen Spulenwicklungen 18 sind jeweils mit wenigstens zwei elektrisch leitenden Stromzuführungen an einen außerhalb des Rotors 14 angeordneten Erregerstromkreis angeschlossen. Hierzu werden elektrische Leitungen im Inneren der Rotorwelle 12 in der Nähe der Rotationsachse geführt. Für jede der Stromzuführungen ist eine Verbindung zwischen der entsprechenden elektrischen Leitung und der zugehörigen elektrischen Spule über ein elektrisch leitfähiges Element 26 vorgesehen. Für Rotoren 14 mit einer Vielzahl von Spulenwicklungen 18 werden also viele Stromzuführungen und viele elektrisch leitfähige Elemente 26 benötigt. In 1 ist beispielhaft für diese Vielzahl an Stromzuführungen nur ein elektrisch leitfähiges Element 26 dargestellt. The electrical coil windings 18 are each with at least two electrically conductive power leads to one outside the rotor 14 arranged exciter circuit connected. For this purpose, electrical lines are inside the rotor shaft 12 guided near the axis of rotation. For each of the power leads, a connection between the corresponding electrical lead and the associated electrical coil is via an electrically conductive element 26 intended. For rotors 14 with a variety of coil windings 18 So many power supplies and many electrically conductive elements 26 needed. In 1 is exemplary of this variety of power supply only an electrically conductive element 26 shown.

Das elektrisch leitende Element 26 ist mit einem an der Rotorwelle 12 angeordneten Kontaktstück 24 verbunden. Auch dieses Kontaktstück 24 ist beispielhaft für eine Vielzahl solcher Kontaktstücke 24 zu verstehen, die jeweils mit zugehörigen leitenden Elementen 26 und Spulenwicklungen 18 verbunden sind. Das Kontaktstück 24 ist als radial ausgedehnter Leiterteil ausgebildet. Im gezeigten Beispiel ist es ein Bolzen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, der den Strom zwischen einem radial innenliegenden Bereich der Rotorwelle 12 und einem radial weiter außenliegenden Bereich leitet. The electrically conductive element 26 is with one on the rotor shaft 12 arranged contact piece 24 connected. Also this contact piece 24 is exemplary of a variety of such contacts 24 to be understood, each with associated conductive elements 26 and coil windings 18 are connected. The contact piece 24 is designed as a radially extended conductor part. In the example shown, it is a bolt made of copper or a copper alloy, which is the current between a radially inner region of the rotor shaft 12 and a radially outer region passes.

Das Kontaktstück 24 ist über das elektrisch leitende Element 26 mit der zugeordneten elektrischen Spulenwicklung 18a leitfähig verbunden. Das elektrisch leitfähige Element 26 besteht in diesem Beispiel aus zwei Teilstücken 26a und 26b, von denen das erste Teilstück 26a schlaufenförmig gebogen ist und das zweite Teilstück 26b einen im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse verlaufenden Bereich und einen von zwei um etwa 90° gebogenen Bereichen begrenzten kürzeren radial verlaufenden Bereich umfasst. Beide Teilstücke 26a und 26b enthalten Leiterbündel mit aus Kohlenstoffnanoröhren gebildeten Fasern 28. Im Teilstück 26a sind diese Leiterbündel an dessen Endstücken fest miteinander verbunden, im mittleren Bereich jedoch gegeneinander beweglich angeordnet. Hierdurch ist das Teilstück 26a relativ flexibel und kann daher leicht in eine Schlaufenform gebogen werden. Hierdurch wird eine erhöhte Haltbarkeit bei mechanischen Belastungen durch die Fliehkräfte des Rotors erreicht. Die unterschiedlichen Kräfte, die an dem im Wesentlichen radial verlaufenden Kontaktbolzen 24 und dem zum großen Teil axial verlaufenden leitenden Element 26 angreifen, werden durch diese Art von Zugentlastung aufgenommen, ohne dass sie zu einer Schädigung des leitenden Elements 26 führen. Beide Leiterstücke 26a und 26b bestehen zu einem großen Teil aus Kohlenstoffnanoröhren-Fasern 28 und sind hierdurch hoch leitfähig und mechanisch sehr robust. Die Kohlenstoffnanoröhren beider Teilstücke 26 und 26b sind in diesem Beispiel mit Iod dotiert, wodurch ein mittlerer spezifischer elektrischer Widerstand unterhalb von 25 µOhm·cm erreicht wird. Die Fasern 28 des zweiten Leiterstücks 26b sind auf der gesamten Leiterlänge relativ fest miteinander verbunden, indem sie zu einem leitenden Seil verflochten sind. Zusätzlich können die Leiterstränge mit einem Vergussmaterial vergossen sein. Insgesamt ist das zweite Leiterstück 26b relativ starr und mechanisch fixiert. The contact piece 24 is over the electrically conductive element 26 with the associated electrical coil winding 18a conductively connected. The electrically conductive element 26 consists in this example of two parts 26a and 26b of which the first part 26a bent loop-shaped and the second section 26b comprises a substantially parallel to the axis of rotation extending portion and bounded by two bent by about 90 ° regions shorter radial extending portion. Both cuts 26a and 26b contain fiber bundles with fibers formed from carbon nanotubes 28 , In the section 26a These conductor bundles are firmly connected to each other at the end pieces, but in the middle region, they are arranged movably relative to one another. This is the section 26a relatively flexible and therefore can be easily bent into a loop shape. As a result, increased durability under mechanical loads is achieved by the centrifugal forces of the rotor. The different forces acting on the substantially radially extending contact pin 24 and the largely axially extending conductive element 26 Attack will be through this type of strain relief absorbed without causing damage to the conductive element 26 to lead. Both conductor pieces 26a and 26b consist to a large extent of carbon nanotube fibers 28 and are thus highly conductive and mechanically very robust. The carbon nanotubes of both cuts 26 and 26b are doped with iodine in this example, whereby an average electrical resistivity below 25 μOhm.cm is achieved. The fibers 28 of the second conductor piece 26b are relatively tightly interconnected along the entire length of the conductor by being intertwined into a conductive rope. In addition, the conductor strands may be potted with a potting material. Overall, the second conductor piece 26b relatively rigid and mechanically fixed.

Alternativ kann das relativ starre zweite Leiterstück 26b ein Kohlenstoffnanoröhren enthaltendes Spritzgussteil und oder einen Verbund aus einem metallischen Leiter und Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern umfassen. Alternatively, the relatively rigid second conductor piece 26b comprising a carbon nanotube-containing injection molded part and / or a composite of a metallic conductor and carbon nanotubes containing fibers.

Das zweite Leiterstück 26b verläuft in einem großen Teilbereich im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse. In der Nähe der zugehörigen Spulenwicklung 18a weist das zweite Leiterstück einen kurzen radial verlaufenden Bereich auf, durch den die Position zur Kontaktierung an die Spulenwicklung 18a erreicht wird. Hierzu ist zumindest ein Bogen mit einer Richtungsänderung um etwa 90° erforderlich. Im gezeigten Beispiel sind sogar zwei solche gebogene Abschnitte vorgesehen. The second conductor piece 26b runs in a large portion substantially parallel to the axis of rotation. Near the associated coil winding 18a the second conductor piece has a short radially extending region through which the position for contacting the coil winding 18a is reached. For this purpose, at least one arc with a change in direction of about 90 ° is required. In the example shown, even two such curved sections are provided.

Beide Teilstücke 26a und 26b des elektrisch leitenden Elements 26 sind auf Ihrer Außenseite mit einem keramischen Isolationsmaterial ummantelt. Diese Ummantelung dient der Isolation des leitenden Elements 26 gegen andere benachbart angeordnete leitende Elemente von weiteren Stromzuführungen. Durch die keramische Ummantelung werden Spannungsüberschläge zu benachbarten Stromzuführungen und/oder zu sonstigen Teilen des Rotors 14 vermieden. In diesem Beispiel enthält das Isolationsmaterial zumindest eine Teilschicht aus SiC, das durch Beschichten des elektrisch leitenden Elements 26 mit Silizium und nachfolgende Umwandlung durch Reaktion mit dem in den Nanoröhren enthaltenen Kohlenstoff erhalten wurde. Both cuts 26a and 26b of the electrically conductive element 26 are encased on your outside with a ceramic insulation material. This sheath serves to insulate the conductive element 26 against other adjacently arranged conductive elements of further power supply lines. By the ceramic sheath voltage flashovers to adjacent power supply lines and / or other parts of the rotor 14 avoided. In this example, the insulating material includes at least a sub-layer of SiC by coating the electrically conductive element 26 with silicon and subsequent conversion by reaction with the carbon contained in the nanotubes.

2 zeigt eine elektrische Maschine 10 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier verbindet ein elektrisch leitendes Element 26 einen auf der Rotorwelle 12 angeordneten radial verlaufenden Kontaktbolzen 24 mit einer zugehörigen Spulenwicklung 18a. Das elektrisch leitende Element 26 ist in diesem Beispiel aus einem einzelnen länglichen Bauteil gefertigt, das aus einer Vielzahl von gebündelten Fasern 28 aus Kohlenstoffnanoröhren gebildet ist. 2 shows an electric machine 10 according to a second embodiment of the invention. Again, an electrically conductive element connects 26 one on the rotor shaft 12 arranged radially extending contact pins 24 with an associated coil winding 18a , The electrically conductive element 26 In this example, it is made from a single elongate member made up of a plurality of bundled fibers 28 is formed of carbon nanotubes.

Die Fasern 28 erstrecken sich dabei zum Großteil entlang der vorherrschenden Richtung des Stromtransports. Das leitende Element 26 weist einen im Wesentlichen axial verlaufenden Teilbereich 26c auf der dem Kontaktbolzen 24 zugewandten Seite und einen im Wesentlichen radial verlaufenden Teilbereich 26d auf der der Spulenwicklung 18a zugewandten Seite auf. Diese beiden Teilbereiche 26c und 26d sind durch einen um etwa 90° gebogenen Abschnitt 26e verbunden. Hierdurch ergibt sich die typische J-Form des in der Fachwelt als J-Strap bezeichneten leitenden Elements 26. The fibers 28 extend for the most part along the prevailing direction of power transport. The guiding element 26 has a substantially axially extending portion 26c on the contact bolt 24 facing side and a substantially radially extending portion 26d on the coil winding 18a facing side up. These two subareas 26c and 26d are through a section bent by about 90 ° 26e connected. This results in the typical J-shape of the conductive element referred to in the art as a J-strap 26 ,

Die Fasern 28 aus Kohlenstoffnanoröhren sind im elektrisch leitenden Element 26 zu einer Art Seil gebündelt. Bei der Herstellung und Trocknung der Fasern 28 werden sie einer Zugbelastung entlang der Längsrichtung der Fasern ausgesetzt, wodurch ihre elektrische Leitfähigkeit und ihre Zugfestigkeit gestärkt werden. Die Leitfähigkeit der Fasern 28 wird beim nachfolgenden Biegen in die benötigte J-Form durch die vorteilhaften Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren kaum beeinträchtigt. The fibers 28 Carbon nanotubes are in the electrically conductive element 26 bundled into a kind of rope. In the production and drying of the fibers 28 They are exposed to a tensile load along the longitudinal direction of the fibers, whereby their electrical conductivity and tensile strength are strengthened. The conductivity of the fibers 28 is hardly affected by the advantageous properties of the carbon nanotubes during subsequent bending in the required J-shape.

Auch in diesem Beispiel ist das elektrisch leitende Element 26 auf der Außenseite mit einer keramischen Isolationsschicht ummantelt. Also in this example, the electrically conductive element 26 encased on the outside with a ceramic insulation layer.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6501201 B1 [0006] US 6501201 B1 [0006]
EP 2272151 B1 [0007] EP 2272151 B1 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

N. Behabtu el al. in Science 339 (2013), S. 182–185 [0010] N. Behabu el al. in Science 339 (2013), pp. 182-185 [0010]
Behabtu et al. [0018] Behabtu et al. [0018]

Claims

Elektrische Maschine (10) mit einer Rotorwelle (12) und einem Rotor (14), der von der Rotorwelle (12) getragen wird und zusammen mit ihr um eine Rotationsachse beweglich gelagert ist, wobei der Rotor (14) wenigstens eine elektrische Spulenwicklung (18a) und wenigstens ein elektrisch leitendes Element (26) umfasst, über das die Spulenwicklung (18a) mit einem Stromkreis leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Element (26) Kohlenstoffnanoröhren enthält. Electric machine ( 10 ) with a rotor shaft ( 12 ) and a rotor ( 14 ), of the rotor shaft ( 12 ) is supported and is movably mounted together with it about an axis of rotation, wherein the rotor ( 14 ) at least one electrical coil winding ( 18a ) and at least one electrically conductive element ( 26 ), over which the coil winding ( 18a ) is conductively connected to a circuit, characterized in that the electrically conductive element ( 26 ) Contains carbon nanotubes.

Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, bei der ein an der Rotorwelle (12) angeordnetes Kontaktstück (24) über das elektrisch leitende Element (26) mit der elektrischen Spulenwicklung (18a) leitend verbunden ist. Electric machine ( 10 ) according to claim 1, wherein one on the rotor shaft ( 12 ) arranged contact piece ( 24 ) via the electrically conductive element ( 26 ) with the electrical coil winding ( 18a ) is conductively connected.

Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der sich das elektrisch leitende Element (26) wenigsten in einem ersten Längenabschnitt (26c) hauptsächlich in einer axialen Richtung erstreckt und sich wenigstens in einem zweiten Längenabschnitt (26d) hauptsächlich in einer radialen Richtung bezüglich der Rotationsachse erstreckt. Electric machine ( 10 ) according to one of claims 1 or 2, in which the electrically conductive element ( 26 ) at least in a first length section ( 26c ) extends mainly in an axial direction and at least in a second longitudinal section ( 26d ) extends mainly in a radial direction with respect to the axis of rotation.

Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) einen oder mehrere gebogene Abschnitte (26e) aufweist. Electric machine ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the electrically conductive element ( 26 ) one or more bent sections ( 26e ) having.

Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) wenigstens eine Faser (28) umfasst, wobei jede Faser (28) eine Vielzahl einzelner Kohlenstoffnanoröhren aufweist. Electric machine ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the electrically conductive element ( 26 ) at least one fiber ( 28 ), each fiber ( 28 ) has a plurality of individual carbon nanotubes.

Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 5, wobei die mittlere Zerreißfestigkeit der Fasern (28) bei wenigstens 1 GPa liegt. Electric machine ( 10 ) according to claim 5, wherein the average tensile strength of the fibers ( 28 ) is at least 1 GPa.

Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der spezifische elektrische Widerstand der Fasern (28) im Mittel unterhalb von 100 µOhm·cm liegt. Electric machine ( 10 ) according to one of claims 5 or 6, wherein the specific electrical resistance of the fibers ( 28 ) is on average below 100 μOhm.cm.

Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Fasern (28) unter Anliegen einer Zugspannung hergestellt und/oder getrocknet sind. Electric machine ( 10 ) according to any one of claims 5 to 7, wherein the fibers ( 28 ) are produced and / or dried under the application of a tensile stress.

Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) wenigstens eine Litze, ein Seil und/oder einen Flachleiter aus Kohlenstoffnanoröhren enthaltendem Garn aufweist. Electric machine ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the electrically conductive element ( 26 ) comprises at least one strand, a rope and / or a flat conductor of yarn containing carbon nanotubes.

Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) ein Kohlenstoffnanoröhren enthaltendes Spritzgussteil umfasst. Electric machine ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the electrically conductive element ( 26 ) comprises an injection molded part containing carbon nanotubes.

Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) einen Leiterverbund mit einem metallischen Leiter und Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern (28) aufweist. Electric machine ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the electrically conductive element ( 26 ) a ladder composite with a metallic conductor and carbon nanotubes containing fibers ( 28 ) having.

Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kohlenstoffnanoröhren eine Dotierung mit Iod aufweisen. Electric machine ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the carbon nanotubes have a doping with iodine.

Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) zumindest in einem Teilabschnitt (26a) als ein mechanisch flexibles Bündel aus mehreren Kohlenstoffnanoröhren aufweisenden Leitersträngen ausgebildet ist. Electric machine ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the electrically conductive element ( 26 ) at least in one subsection ( 26a ) is formed as a mechanically flexible bundle of conductor strands comprising a plurality of carbon nanotubes.

Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (26) mit einem keramischen Isolationsmaterial ummantelt ist. Electric machine ( 10 ) according to one of the preceding claims, in which the electrically conductive element ( 26 ) is coated with a ceramic insulation material.

Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der einzelne Kohlenstoffnanoröhren enthaltende Fasern (28) jeweils mit einem keramischen Isolationsmaterial ummantelt sind. Electric machine ( 10 ) according to any one of claims 5 to 8, in which individual carbon nanotube-containing fibers ( 28 ) are each covered with a ceramic insulation material.