DE102021210974A1 - Electrical machine and method for inserting at least one electrical conductor assembly into at least one slot of a stator or rotor for an electrical machine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Einlegen von zumindest einem elektrischen Leiterverbund (1) in zumindest eine Nut (2) eines Stators (3) oder Rotors einer elektrischen Maschine (4), wobei der elektrische Leiterverbund (1) mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente (5), insbesondere Fasern und/oder Garne, und eine auf zumindest einem Duroplast (6) basierende Isolation (7) aufweist. Vorgeschlagen wird, dass die einzelnen Leiterelemente (5) mit dem Duroplast (6) umhüllt werden, wobei der Duroplast (6) nach dem Umhüllen nur teilvernetzt wird, dass die die mit dem Duroplast (6) im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelemente (5) zu einem Verbund (8) verbunden werden, dass der Verbund (8) aus den mit dem Duroplast (6) im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen (5) in die zumindest eine Nut (2) eingelegt wird und dass der sich im teilvernetzten Zustand befindende Duroplast (6) thermisch vollvernetzt wird, um die Isolation (7) des elektrischen Leiterverbunds (1) zu bilden. Ferner ist eine elektrische Maschine (4) angegeben, bei der solch ein elektrischen Leiterverbund (1) in zumindest eine Nut (2) eines Stators (3) beziehungsweise Rotors eingelegt ist,Method for inserting at least one electrical conductor assembly (1) into at least one slot (2) of a stator (3) or rotor of an electrical machine (4), the electrical conductor assembly (1) having a plurality of conductor elements (5 ), in particular fibers and/or yarns, and an insulation (7) based on at least one duroplast (6). It is proposed that the individual conductor elements (5) be encased in the thermoset (6), the thermoset (6) being only partially crosslinked after encasing, that the conductor elements (5) encased with the thermoset (6) in the partially crosslinked state are connected to a composite (8), that the composite (8) made up of the conductor elements (5) encased with the thermoset (6) in the partially crosslinked state is inserted into the at least one groove (2) and that the thermoset ( 6) is fully thermally cross-linked in order to form the insulation (7) of the electrical conductor assembly (1). Furthermore, an electrical machine (4) is specified, in which such an electrical conductor assembly (1) is inserted in at least one slot (2) of a stator (3) or rotor,

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einlegen von zumindest einem elektrischen Leiterverbund in zumindest eine Nut eines Stators oder Rotors, der für eine elektrische Maschine dient, wobei der elektrische Leiterverbund mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente mit einer auf zumindest einem Duroplast basierende Isolation aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator beziehungsweise einem Rotor, wobei zumindest ein elektrischer Leiterverbund mit solch einem Verfahren in zumindest eine Nut des Stators beziehungsweise Rotors eingebracht ist.The invention relates to a method for inserting at least one electrical conductor assembly into at least one slot of a stator or rotor used for an electrical machine, the electrical conductor assembly having a plurality of conductor elements based on carbon nanotubes and/or graphene with insulation based on at least one duroplast . Furthermore, the invention relates to an electrical machine with a stator or a rotor, wherein at least one electrical conductor assembly is introduced into at least one slot of the stator or rotor using such a method.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Fixierung des Wickelkopfes, damit dieser nach dem thermischen Vollvernetzen des Duroplast als steifer Verbund in der erforderlichen Position vorliegt.In addition, the invention relates to a method for fixing the end winding so that it is present as a rigid composite in the required position after full thermal crosslinking of the thermoset.

Alternative elektrische Leiterwerkstoff basieren auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphenplättchen. Die elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren und Graphenplättchen übertrifft die Leitfähigkeit von Kupfer. Jedoch sind die auf den molekularen Bausteinen (Kohlenstoffnanoröhren und bzw. oder Graphenplättchen) basierenden makroskopischen Leiterwerkstoffe, die u. a. als Filme, Bänder und Garne ausgebildet sein können, Kupfer und Aluminium hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit noch unterlegen und kommen daher bisher nicht zur Anwendung.Alternative electrical conductor materials are based on carbon nanotubes and/or graphene plates. The electrical conductivity of carbon nanotubes and graphene sheets exceeds the conductivity of copper. However, the macroscopic conductor materials based on the molecular building blocks (carbon nanotubes and/or graphene plates), which i.a. as films, tapes and yarns, copper and aluminum are still inferior in terms of electrical conductivity and have therefore not been used to date.

Diese alternativen elektrischen Leiterwerkstoffe zeichnen sich neben ihrer geringen Dicht (ca. 2 g/cm3 - Kupfer 8,95 g/cm3) durch ihre Biegeschlaffheit aus, die es diesen Leiterwerkstoffen erlaubt ihren Querschnitt entsprechend der Wirkung äußerer Kräfte zu verändern. So kann in einer aus vielen Einzelleitern bestehenden Packung die Packungsdichte so erhöht werden, dass kaum mehr Hohlräume vorhanden sind. Dies ist für Kupferleiter, wegen ihrer radialen Steifheit, nicht möglich. Daher wird bei Kupferleitern an Stelle von vielen Einzelleitern die sogenannte Steck- bzw. Stabwicklung verwendet, die aus einem oder mehreren massiven Kupferleitern besteht.In addition to their low density (approx. 2 g/cm 3 - copper 8.95 g/cm 3 ), these alternative electrical conductor materials are characterized by their flexibility, which allows these conductor materials to change their cross-section in accordance with the effects of external forces. In a package consisting of many individual conductors, for example, the packing density can be increased to such an extent that there are hardly any cavities left. This is not possible for copper conductors because of their radial stiffness. For this reason, the so-called plug-in or bar winding, which consists of one or more solid copper conductors, is used with copper conductors instead of many individual conductors.

Graphenfilme oder Kohlennanoröhrenfilme können als Leiterwerkstoff durch verschiedene Methoden hergestellt werden. Leiterwerkstoffen aus Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) können wie folgt hergestellt werden: In WO 2007/015710 A2 wird die Herstellung von CNT-Bändern aus sogenannten CNT-Wäldern gezeigt. Die Bänder sind elektrisch leitfähig und zeichnen sich durch hohe Bruchdehnung und hohe Zugfestigkeit aus. Ein alternatives Herstellverfahren für CNT-Bänder wird in US 8,999,285 B2 beschrieben. Hier erfolgt die Herstellung durch die Synthese eines CNT-Aerogels. Dieses wird bei Verlassen des Reaktors zu einem Band verarbeitet. Ein weiteres Herstellverfahren für Bänder auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen wird in WO 2013/034672 offenbart. Dabei werden die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Supersäure dispergiert und anschließend durch Nassspinnen zu Fasern oder auch zu Bändern verarbeitet.Graphene films or carbon nanotube films can be produced as a conductor material by various methods. Carbon nanotube (CNT) conductor materials can be manufactured as follows: In WO 2007/015710 A2 the production of CNT ribbons from so-called CNT forests is shown. The tapes are electrically conductive and are characterized by high elongation at break and high tensile strength. An alternative manufacturing process for CNT tapes is presented in U.S. 8,999,285 B2 described. Here the production takes place through the synthesis of a CNT aerogel. This is processed into a ribbon as it leaves the reactor. Another manufacturing process for ribbons based on carbon nanotubes is WO 2013/034672 disclosed. The carbon nanotubes are dispersed in a super acid and then processed into fibers or ribbons by wet spinning.

Auf Graphen basierende Leiterwerkstoffe können wie folgt hergestellt werden, wobei für kommerziell interessanten Herstellvarianten als Rohstoff ausschließlich Graphit verwendet wird. In Form von Filmen oder Bändern kann eine Herstellung beispielsweise wie folgt erfolgen: In CN 108892134 A wird Graphitpulver mittels der sogenannten Hummers-Methode nasschemisch interkaliert und zu Graphenoxid oxidiert. Die gereinigte Graphenoxiddispersion wird dann zu einem Film verarbeitet und anschließend durch Wärmebehandlung zu einem Graphenfilm reduziert. In CN 107221387 A erfolgt die Herstellung des Graphenfilms direkt aus einer wässrigen Dispersion heraus. Nach dem Auftragen des Graphenfilms auf ein Substrat und dem Trockenen erfolgt in einem weiteren Schritt die Entfernung des Dispersionsmittels, das die wässrige Dispersion ermöglichte. In DE102020200325A1 erfolgt die Herstellung mittels einer Spinndüse deren Geometrie für eine Ausrichtung der Graphenplättchen parallel zur Filmebenen sorgt.Conductor materials based on graphene can be produced as follows, with graphite being the only raw material used for commercially interesting production variants. In the form of films or tapes, production can take place, for example, as follows: In CN 108892134A Graphite powder is wet-chemically intercalated and oxidized to graphene oxide using the so-called Hummers method. The purified graphene oxide dispersion is then processed into a film and subsequently reduced into a graphene film by heat treatment. In CN 107221387A the graphene film is produced directly from an aqueous dispersion. After applying the graphene film to a substrate and drying it, the next step is to remove the dispersant that made the aqueous dispersion possible. In DE102020200325A1 is produced using a spinneret whose geometry ensures that the graphene platelets are aligned parallel to the film planes.

Für Fasern oder Garne kann die Herstellung wie folgt erfolgen: Die Herstellung von Fasern aus Graphen ist in US 8,999,212 B2 offenbart. Dabei wird Graphen durch einseitiges axiales Auftrennen von Kohlenstoffnanoröhrchen gewonnen. Danach wird das Graphen in einer Supersäure dispergiert und anschließend mittels Nasspinnen zu Fasern verarbeitet. For fibers or yarns, the production can be done as follows: The production of fibers from graphene is in U.S. 8,999,212 B2 disclosed. Graphene is obtained by one-sided axial cutting of carbon nanotubes. After that, the graphene is dispersed in a superacid and then processed into fibers by wet spinning.

Besonders bevorzugt für die Herstellung von Graphenfasern ist die Herstellung aus Graphenoxid, das aus Graphit durch nasschemische Oxidation, wie z. B. der Hummers-Methode, hergestellt wird. Da dieser Herstellweg Graphit als Rohstoff verwendet, sind die Rohstoffkosten im Vergleich zum dem oben genannten Verfahren 1-2 Größenordnungen niedriger. Solche Herstellverfahren werden in CN 105603581 A , CN 105544016 A und CN 105544017 A offenbart. Am Ende des Herstellprozesses ist für die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit eine thermische Behandlung bei Temperaturen bis 3000°C notwendig.Particularly preferred for the production of graphene fibers is the production of graphene oxide, which is obtained from graphite by wet-chemical oxidation, such as. B. the Hummers method is produced. Since this manufacturing route uses graphite as a raw material, the raw material costs are 1-2 orders of magnitude lower compared to the above process. Such manufacturing processes are CN 105603581A , CN 105544016A and CN 105544017A disclosed. At the end of the manufacturing process, thermal treatment at temperatures of up to 3000°C is necessary to increase the electrical conductivity.

Die Isolation von Graphen basierten Leitern, wie beispielsweise Filme, Fasern und Garne, kann, wie in der WO 18177767 A1 , durch Fluorierung der Randschicht erfolgen, die sich dabei in einen Isolator verwandelt und den Film dadurch elektrisch abschirmt. Darüber hinaus ist auch die elektrische Isolation durch Polymerauftrag möglich, wie dies in WO13051761A1 dargestellt ist. Des Weiteren wird in DE102019220214A1 gezeigt wie eine Isolation durch Schichten aus Bornitrid dargestellt werden kann.The insulation of graphene-based conductors, such as films, fibers, and yarns, can be WO 18177767 A1 , by fluorination of the surface layer, which turns into an insulator and thereby electrically shields the film. In addition, electrical insulation can also be achieved by applying polymers, as shown in WO13051761A1 is shown. Furthermore, in DE102019220214A1 shows how insulation can be achieved using layers of boron nitride.

Zum Einsatz können solche elektrische Leiter in elektrischen Motoren kommen, wie es in WO18233897 A1 oder WO18158003 dargestellt ist.Such electrical conductors can be used in electrical motors, as described in WO18233897 A1 or WO18158003 is shown.

Durch die oben vorgestellten Spinnverfahren werden Endlosfasern gewonnen. Diese Endlosfasern werden zu Garnen weiterverarbeitet. Dabei können Techniken angewandt werden wie Zwirnen oder Flechten. Ziel all dieser Verfahren ist die Endlosfasern zu einer Einheit, dem Garn, zusammenzufassen. Dadurch wird die Weiterverarbeitung, wie z.B. das Umhüllen mit einem Isolator oder das Wickeln als elektrischer Leiter in einen Rotor, ermöglicht.Endless fibers are obtained by the spinning processes presented above. These endless fibers are processed into yarns. Techniques such as twisting or braiding can be used. The aim of all these processes is to combine the endless fibers into one unit, the yarn. This enables further processing, such as covering with an insulator or winding as an electrical conductor in a rotor.

Alle bekannten Techniken Endlosfasern bzw. Garne aus Graphen und/oder Kohlenstoff zu einem Garn mit größerem Querschnitt zu formen, wie z.B. Zwirnen, Weben oder Flechten, haben den Nachteil, dass der Garn weiterhin biegeschlaff bleibt. Dies ist ein Mangel nach dem Stand der Technik, wenn der Leiter so durch die Nuten bzw. um die Pole eines Stators oder Rotors eines elektrischen Motors geführt wird, dass ein Überstand entsteht.All known techniques for forming endless fibers or yarns made of graphene and/or carbon into a yarn with a larger cross-section, such as twisting, weaving or braiding, have the disadvantage that the yarn remains pliable. This is a deficiency in the prior art when the conductor is routed through the slots or around the poles of a stator or rotor of an electric motor in such a way that an overhang occurs.

Aus der US 9,520,213 B2 ist die Beschichtung eines leitfähigen Garns aus Kohlenstoffnanoröhrchen oder Graphen mit einem Duroplasten beziehungsweise einem Epoxidharz bekannt.From the U.S. 9,520,213 B2 the coating of a conductive yarn made of carbon nanotubes or graphene with a duroplastic or an epoxy resin is known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind.The method according to the invention with the features of claim 1 and the electric machine according to the invention with the features of claim 11 have the advantage that an improved design and mode of operation are made possible.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens und der im Anspruch 11 angegebenen elektrischen Maschine möglich.Advantageous developments of the method specified in claim 1 and of the electrical machine specified in claim 11 are possible as a result of the measures listed in the dependent claims.

Insbesondere wird ermöglicht, das ein Überstand eines Leiterverbunds auf Basis von Garnen aus Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren, auch als Wickelkopf bezeichnet, nach Fertigstellung der Wicklung versteift werden kann, so dass dieser im Betrieb durch die dabei entstehenden Magnetfelder um den Leiterverbund herum nicht mehr bewegt oder verformt wird.In particular, it is made possible for an overhang of a conductor assembly based on yarns made of graphene and/or carbon nanotubes, also referred to as a winding head, to be stiffened after completion of the winding, so that it no longer moves around the conductor assembly during operation due to the magnetic fields that are created or is deformed.

Somit kann ein Verbund aus Leiterelementen geschaffen werden, der mit teilvernetztem Duroplast beschichtet wurde. Dieser noch weiche Verbund kann als elektrischen Leiter in den Motor eingebracht werden und dort dann aushärten, so dass sich dann die biegeschlaffen Leiterelemente in einen steifen Verbund verwandeln.In this way, a composite of conductor elements can be created that has been coated with partially cross-linked duroplast. This composite, which is still soft, can be introduced into the engine as an electrical conductor and then harden there, so that the flexible conductor elements are then transformed into a rigid composite.

Die Isolation ist vorzugsweise nicht nur außen auf dem Verbund zu finden, sondern auch im Verbund zwischen den Leiterelementen, die mit dem Duroplast umhüllt sind. Dies ist vorteilhaft, da dadurch nach der thermischen Vollvernetzung nicht nur die elektrische Isolation gegenüber dem Rotor oder Stator geschaffen wird, sondern sowohl eine elektrische Isolation der Leiterelemente gegeneinander, die eine hohe Wirksamkeit gegen Stromverdrängungseffekte besitzt, als auch eine Matrix, die dem Verbund strukturelle Festigkeit verleiht.The insulation is preferably not only to be found on the outside of the composite, but also in the composite between the conductor elements that are encased with the duroplast. This is advantageous because, after full thermal crosslinking, it not only creates electrical insulation from the rotor or stator, but also electrical insulation of the conductor elements from one another, which is highly effective against current displacement effects, and a matrix that gives the composite structural strength gives.

Vorteilhaft ist es, dass die Isolation so ausgebildet wird, dass der elektrische Leiterverbund biegesteif ausgestaltet ist. Hierdurch wird ein Verformen oder Bewegen insbesondere am Wickelkopf im Betrieb verhindert.It is advantageous that the insulation is designed in such a way that the electrical conductor assembly is designed to be rigid. This prevents deformation or movement, particularly at the end winding, during operation.

Vorteilhaft ist es, dass dem Duroplast zumindest ein thermolatenter Katalysator, insbesondere zumindest ein Addukt des Bortrifluorids an Aminen, weiter insbesondere BF3-Monoethylamin, und/oder zumindest eine quaternäre Phosphoniumverbindung und/oder ein Dicyandiamid, beigemischt ist. Hierdurch kann die vollständige Vernetzung unterstützt und/oder beschleunigt werden.It is advantageous that at least one thermolatent catalyst, in particular at least one adduct of boron trifluoride with amines, more particularly BF 3 -monoethylamine, and/or at least one quaternary phosphonium compound and/or a dicyandiamide, is admixed to the thermoset. This can support and/or accelerate complete crosslinking.

Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente durch ein Tauchbaud mit dem Duroplast umhüllt werden. Hierdurch kann im jeweiligen Anwendungsfall eine vorteilhafte Umhüllung der Leiterelemente in einfacher Weise erfolgen.It is advantageous that the individual conductor elements are encased in the duroplast by means of an immersion baud. In this way, the conductor elements can be advantageously encased in a simple manner in the respective application.

Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente durch einen Sprühprozess mit dem Duroplast umhüllt werden. Im jeweiligen Anwendungsfall kann hierdurch eine vorteilhafte Verfahrensdurchführung mit einem optimierten Einsatz der Produktionsfaktoren ermöglicht werden.It is advantageous that the individual conductor elements are encased with the duroplast by a spraying process. In the respective application, an advantageous implementation of the method with an optimized use of the production factors can thereby be made possible.

Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente durch ein Pultrusionsverfahren mit dem Duroplast umhüllt werden. Hierdurch können besondere Vorteile realisiert werden. Insbesondere kann der Duroplast gut haftend und/oder dünn aufgebracht werden. Dadurch kann auch ein niedriger Wärmewiderstand realisiert werden. Speziell wenn das Leiterelement als Garn ausgebildet ist, dann ist es vorteilhaft, dass nur das Garn isoliert bzw. beschichtet wird und keine Infiltration durch das Isolationsmaterial in dem Garn stattfindet, was durch das Pultrusionsverfahren erreicht werden kann.It is advantageous that the individual conductor elements are encased with the duroplast by a pultrusion process. This allows special advantages to be realized. In particular, the duroplast can be applied with good adhesion and/or thinly. A low thermal resistance can also be realized as a result. Especially when the conductor element is designed as a yarn, it is advantageous that only the yarn is insulated or is coated and there is no infiltration by the insulation material in the yarn, which can be achieved by the pultrusion process.

Ob eine Infiltration stattfindet hängt im geringen Umfang vom Verfahren ab. Maßgeblich für die Infiltration ist die Benetzungsfähigkeit des Harzes gegenüber dem Garn und insbesondere die Viskosität des Harzes. Je niederviskoser umso mehr Harz kann in den Garn infiltrieren.Whether an infiltration takes place depends to a small extent on the procedure. The ability of the resin to wet the yarn and, in particular, the viscosity of the resin are decisive for the infiltration. The lower the viscosity, the more resin can infiltrate into the yarn.

Vorteilhaft ist es, dass die einzelnen Leiterelemente mit dem Duroplast im flüssigen Zustand umhüllt werden. Dadurch können Lufteinschlüsse beziehungsweise Hohlräume soweit wie möglich vermieden werden.It is advantageous that the individual conductor elements are encased with the duroplast in the liquid state. As a result, air inclusions or cavities can be avoided as far as possible.

Vorteilhaft ist es, dass der Duroplast aus einem Harzsystem ausgebildet wird, das zumindest ein Harz auf der Basis von Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan und/oder einem Epoxidharz vom Typ Novolac und einem Härter auf der Basis von mikroverkapseltem Imidazol und/oder Diaminodiphenylsulfon aufweist. Hierdurch kann das System bei einer gewissen Mischviskosität, beispielsweise von 750 mPa * s, bei einer vorteilhaften Verarbeitungstemperatur, beispielsweise von 25 °C, noch ausreichend niederviskos sein. It is advantageous that the duroplast is formed from a resin system which has at least one resin based on tetraglycidyldiaminodiphenylmethane and/or an epoxy resin of the novolac type and a hardener based on microencapsulated imidazole and/or diaminodiphenylsulfone. As a result, the system can still be sufficiently low-viscous at a certain mixed viscosity, for example 750 mPa*s, at an advantageous processing temperature, for example 25°C.

Vorteilhaft ist es, dass der Verbund aus den mit dem Duroplast im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen mit einem Silikonschlauch umhüllt wird und dass der mit dem Silikonschlauch umhüllte Verbund aus den mit dem Duroplast im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen in die zumindest eine Nut eingelegt wird. Hierdurch kann der Verbund insbesondere für das Einlegen in die Nut weiter stabilisiert werden.It is advantageous that the composite of the conductor elements encased with the thermoset in the partially crosslinked state is encased in a silicone tube and that the composite of the conductor elements encased with the thermoset in the partially crosslinked state, encased with the silicone tube, is inserted into the at least one groove. As a result, the composite can be further stabilized, in particular for insertion into the groove.

Die elektrische Maschine, insbesondere die elektrische Antriebsmaschine für Kraftfahrzeuge, umfasst in vorteilhafter Weise zumindest einen elektrischen Leiterverbund, der in zumindest eine Nut eines Stators beziehungsweise Rotors eingelegt ist, wobei der elektrische Leiterverbund mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente und eine auf zumindest einem Duroplast basierende Isolation aufweist. Da das Leiterelement mit Duroplast umhüllt sein kann, bildet sich im Leiterverbund dann aus dem Duroplast eine Matrix, die den Leiterverbund zusammenhält.The electric machine, in particular the electric drive machine for motor vehicles, advantageously comprises at least one electrical conductor assembly that is inserted into at least one slot of a stator or rotor, the electrical conductor assembly having a plurality of conductor elements based on carbon nanotubes and/or graphene and a conductor element based on at least one Has thermoset based insulation. Since the conductor element can be encased in duroplast, a matrix then forms from the duroplast in the conductor assembly, which matrix holds the conductor assembly together.

Figurenlistecharacter list

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

  • 1 eine mit einem teilvernetzten Duroplast umhülltes Leiterelement 5, die Fasern oder Garne mit niedrigem Durchmesser sind, in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung eines Verfahrens entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 die in 1 dargestellte, mit einem teilvernetzten Duroplast umhüllten Leiterelemente entsprechend einer abgewandelten Ausgestaltung;
  • 3 einen als Garn ausgestalteten Verbund aus mehreren in 1 dargestellten Leiterelementen in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel;
  • 4 den in 3 dargestellten Verbund entsprechend der abgewandelten Ausgestaltung;
  • 5 den in 3 dargestellten Verbund, der zusätzlich mit einem Elastomerschlauch umhüllt ist, in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel;
  • 6 den in 5 dargestellten Verbund, der zusätzlich mit einem Elastomerschlauch umhüllt ist, entsprechend der abgewandelten Ausgestaltung und
  • 7 eine auszugsweise, schematische Schnittdarstellung einer Nut eines Stators einer elektrischen Maschine, in die der in 5 dargestellte, mit dem Elastomerschlauch umhüllte Verbund als elektrischer Leiterverbund eingelegt ist, um eine Wicklung des Stators zu bilden.
Preferred exemplary embodiments of the invention are explained in more detail in the following description with reference to the attached drawings, in which corresponding elements are provided with the same reference symbols. Show it:
  • 1 a conductor element 5 sheathed with a partially cross-linked duroplast, which are fibers or yarns with a small diameter, in a schematic sectional view for explaining a method according to an embodiment of the invention;
  • 2 in the 1 illustrated conductor elements covered with a partially cross-linked duroplast according to a modified embodiment;
  • 3 a composite designed as a yarn consisting of several in 1 illustrated conductor elements in a schematic sectional view to explain the method according to the embodiment;
  • 4 the in 3 composite shown according to the modified embodiment;
  • 5 the in 3 shown composite, which is additionally covered with an elastomer tube, in a schematic sectional view to explain the method according to the embodiment;
  • 6 the in 5 shown composite, which is additionally covered with an elastomer tube, according to the modified embodiment and
  • 7 a partial, schematic sectional view of a slot of a stator of an electrical machine, in which the 5 is inserted as an electrical conductor assembly in order to form a winding of the stator.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

An Hand von 1 bis 7 ist ein Verfahren zum Einlegen von zumindest einem elektrischen Leiterverbund 1 in zumindest eine Nut 2 eines Stators 3 oder Rotors einer elektrischen Maschine 4 erläutert. Hierbei ist an Hand 1, 3, 5 und 7 ein Ausführungsbeispiel beschrieben. 2, 4 und 6 zeigen eine abgewandelte Ausgestaltung.Based on 1 until 7 a method for inserting at least one electrical conductor assembly 1 into at least one slot 2 of a stator 3 or rotor of an electrical machine 4 is explained. Here is at hand 1 , 3 , 5 and 7 described an embodiment. 2 , 4 and 6 show a modified design.

1 zeigt ein Leiterelement 5, das von einem teilvernetzten Duroplast 6 umhüllt ist, in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel. Das Leiterelement 5 kann als Endlosfaser 5 oder Garn 5 ausgebildet sein. Das Leiterelement 5 basiert auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen. Der elektrische Leiterverbund 1 (6) weist dann mehrere solche Leiterelemente 5 auf, wobei schließlich eine auf dem Duroplasten 6 basierende Isolation 7 (7) gebildet wird. Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel können auch Leiterelemente 5, die Garne mit kleinem Querschnitt sind und die beispielsweise aus mehreren Fasern bestehen, mit dem teilvernetzten Duroplast 6 umhüllt werden. Die Fasern und solche Garne mit kleinem Querschnitt sind mögliche Ausgestaltungen für ein Leiterelement 5, das auf Kohlenstoffnanoröhrchen und/oder Graphen basiert. 1 shows a conductor element 5, which is covered by a partially cross-linked duroplast 6, in a schematic sectional view to explain the method according to the embodiment. The conductor element 5 can be designed as a continuous fiber 5 or yarn 5 . The conductor element 5 is based on carbon nanotubes and/or graphene. The electrical conductor assembly 1 ( 6 ) then has several such conductor elements 5, with finally an insulation 7 based on the duroplastic 6 ( 7 ) is formed. In a modified embodiment, conductor elements 5, which are yarns with a small cross-section, can also be used and which consist, for example, of several fibers, are encased with the partially cross-linked duroplast 6. The fibers and such yarns with a small cross-section are possible configurations for a conductor element 5 based on carbon nanotubes and/or graphene.

Wenn die einzelnen Leiterelemente 5 mit dem Duroplast 6 umhüllt werden, wie es in 1 dargestellt ist, dann erfolgt dies so, dass der Duroplast 6 nach dem Umhüllen nur teilvernetzt wird. Bei der bevorzugten Ausgestaltung ist der Querschnitt der Leiterelemente 5 rund.If the individual conductor elements 5 are covered with the duroplast 6, as is shown in 1 is shown, then this is done in such a way that the duroplast 6 is only partially crosslinked after the encapsulation. In the preferred embodiment, the cross section of the conductor elements 5 is round.

Die einzelnen Leiterelemente 5 können durch ein Tauchbad, einen Sprühprozess oder ein Pultrusionsverfahren mit dem Duroplast 6 umhüllt werden. Je nach Ausgestaltung des Verfahrens kann der Duroplast 6 im flüssigen Zustand aufgebracht werden.The individual conductor elements 5 can be encased with the duroplastic 6 by means of an immersion bath, a spraying process or a pultrusion process. Depending on the configuration of the method, the thermoset 6 can be applied in the liquid state.

2 zeigt die in 1 dargestellte, mit einem teilvernetzten Duroplast 6 umhüllte Leiterelement 5 entsprechend einer abgewandelten Ausgestaltung. Hierbei ist der Querschnitt des Leiterelements 5 sternförmig. Auch Garne können mit fast beliebigen Querschnitten hergestellt werden, z.B. durch Flechten, Weben oder Formen. 2 shows the in 1 illustrated conductor element 5 encased with a partially cross-linked duroplast 6 according to a modified embodiment. Here, the cross section of the conductor element 5 is star-shaped. Yarns can also be produced with almost any cross section, for example by braiding, weaving or moulding.

3 zeigt einen Verbund 8 aus mehreren in 1 dargestellten Leiterelementen 5 in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel. Der Verbund 8 kann als Garn 8 ausgestaltet sein. Hierbei sind die Leiterelemente 5 mit dem Duroplast 6 im teilvernetzten Zustand umhüllt und zu dem Verbund 8 verbunden. 3 shows a composite 8 of several in 1 illustrated conductor elements 5 in a schematic sectional view to explain the method according to the embodiment. The composite 8 can be designed as a yarn 8 . In this case, the conductor elements 5 are encased in the partially crosslinked state with the duroplast 6 and connected to form the composite 8 .

Die auf Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren basierenden Leiterelementen 5, die aus Endlosfasern oder aus den daraus geformten Garnen kleineren Querschnitts und dem teilvernetzten Duroplast 6 bestehen, werden zu dem Verbund 8 in Form eines Garns 8 mit größerem Querschnitt weiterverarbeitet. Die Leiterelemente 5 sind biegeschlaff und deformieren sich bei der Herstellung des Garns 8. Dazu werden Endlosfasern 5 beziehungsweise die Garne mit kleinerem Querschnitt mit dem vernetzbaren Duroplast 6 beschichtet. Besonders vorteilhaft ist, wenn dies vor dem Zwirnen, Weben oder Flechten geschieht, wie es auch an Hand 1 beziehungsweise 2 beschrieben ist. Noch vorteilhafter ist es, wenn die Endlosfasern 5 beziehungsweise Garne mit kleinerem Querschnitt direkt zu einem Leiterverbund 1 verarbeitet werden, in dem diese parallel zur Längsachse des Garns geführt sind. Dies bewirkt, dass die effektive Leitungslänge der Endlosfasern 5 verkürzt und die Packungsdichte der Endlosfasern 5 im Garn 8 erhöht ist. Neben der daraus resultierenden Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Leiterverbunds 1 ist der Verbund 8 auch leichter zu verformen, was ein Vorteil für die Verarbeitbarkeit beim Erzeugen der Wicklung ist.The conductor elements 5 based on graphene and/or carbon nanotubes, which consist of endless fibers or yarns formed from them with a smaller cross section and the partially crosslinked duroplast 6, are further processed into the composite 8 in the form of a yarn 8 with a larger cross section. The conductor elements 5 are limp and deform during the production of the yarn 8 . It is particularly advantageous if this is done before twisting, weaving or braiding, as is also the case at hand 1 respectively 2 is described. It is even more advantageous if the continuous fibers 5 or yarns with a smaller cross section are processed directly into a conductor assembly 1 in which they are guided parallel to the longitudinal axis of the yarn. This causes the effective line length of the filaments 5 to be shortened and the packing density of the filaments 5 in the yarn 8 to be increased. In addition to the resulting increase in the electrical conductivity of the conductor assembly 1, the assembly 8 is also easier to deform, which is an advantage for the processability when producing the winding.

Die Herstellung eines solchen Verbundes 8 kann also beispielsweise erfolgen, indem die Garne mit kleinerem Querschnitt beziehungsweise Endlosfasern 5 durch ein Tauchbad oder durch Sprühen mit dem vernetzungsfähigen Duroplast 6 beschichtet werden. Dieser Verbund 8 kann anschließend durch ein konisches Loch geführt werden. Dadurch werden die Endlosfasern 5 zu einem Garn 8 kompaktiert und der Duroplast 6 teilvernetzt, so dass der Verbund 8 noch verformbar ist. Je nach Wahl der Geometrie des Querschnitts kann der Garn 8 aus parallelen Endlosfasern 5 beispielsweise einen Querschnitt mit runder, ovaler, dreieckiger, quadratischer, rechteckiger, trapezförmiger oder sternförmiger Geometrie besitzen.Such a composite 8 can thus be produced, for example, by coating the yarns with a smaller cross section or endless fibers 5 with the crosslinkable duroplast 6 by means of an immersion bath or by spraying. This composite 8 can then be passed through a conical hole. As a result, the endless fibers 5 are compacted into a yarn 8 and the duroplast 6 is partially crosslinked, so that the composite 8 is still deformable. Depending on the choice of the geometry of the cross section, the yarn 8 made of parallel endless fibers 5 can have a cross section with a round, oval, triangular, square, rectangular, trapezoidal or star-shaped geometry, for example.

4 zeigt den in 3 dargestellten Verbund 8 entsprechend der abgewandelten Ausgestaltung, wobei die Querschnitte der einzelnen Leiterelemente 5 sternförmig sind. 4 shows the in 3 shown composite 8 according to the modified embodiment, wherein the cross sections of the individual conductor elements 5 are star-shaped.

5 zeigt den in 3 dargestellten Verbund 8 in einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend dem Ausführungsbeispiel, wobei der Verbund 8 zusätzlich mit einem Elastomerschlauch 9 umhüllt ist. Der Verbund 8 weist hierbei den Duroplast 6 im teilvernetzten Zustand auf. Der Elastomerschlauch 9 kann ein Silikonschlauch 9 sein. In dieser Form kann der mit dem Elastomerschlauch 9 umhüllte Verbund 8 dann in die Nut 2 eingelegt werden. Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann der Elastomerschlauch 9 auch entfallen. 5 shows the in 3 shown composite 8 in a schematic sectional view to explain the method according to the embodiment, wherein the composite 8 is additionally covered with an elastomer tube 9. In this case, the composite 8 has the duroplast 6 in the partially crosslinked state. The elastomer hose 9 can be a silicone hose 9 . The composite 8 encased with the elastomer tube 9 can then be inserted into the groove 2 in this form. In a modified embodiment, the elastomer hose 9 can also be omitted.

Der mit dem Elastomerschlauch 9 umhüllte Verbund 8 kann durch Schlauchextrusion mit gleichzeitiger kontinuierlicher Zuführung des Verbundes 8 in den sich bildenden Elastomerschlauch 9, hergestellt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Verbund 8 nicht zerfällt, die Verarbeitbarkeit beim Wickeln verbessert und darüber hinaus verhindert ist, dass der Verbund 8 beim Lagern auf einer Spule mit sich selbst verklebt beziehungsweise, dass der auf der Oberfläche befindliche Duroplast sich mit dem Duroplast der nächsten Lage vernetzt.The composite 8 encased with the elastomeric tube 9 can be produced by hose extrusion with simultaneous continuous feeding of the composite 8 into the elastomeric tube 9 being formed. This ensures that the composite 8 does not disintegrate, improves the workability during winding and also prevents the composite 8 from sticking to itself when stored on a spool or that the thermoset on the surface sticks to the thermoset of the next Location networked.

Besonders vorteilhaft ist die Umhüllung des Verbundes 8 mit einem Silikonschlauch 9. Dieser kann durch Schlauchextrusion mit gleichzeitiger kontinuierlicher Zuführung des Verbundes 8 in den extrudierten Silikonschlauch 9 hergestellt werden.The encasing of the composite 8 with a silicone hose 9 is particularly advantageous. This can be produced by hose extrusion with simultaneous continuous feeding of the composite 8 into the extruded silicone hose 9 .

6 zeigt den in 5 dargestellten Verbund 8, der zusätzlich mit einem Elastomerschlauch 9 umhüllt ist, entsprechend der abgewandelten Ausgestaltung. 6 shows the in 5 shown composite 8, which is additionally covered with an elastomer tube 9, according to the modified embodiment.

7 zeigt eine auszugsweise, schematische Schnittdarstellung der Nut 2 des Stators 3 der elektrischen Maschine 4. Hierbei ist der in 5 dargestellte Verbund 8, der mit dem Elastomerschlauch 9 umhüllt ist, als elektrischer Leiterverbund 1 in die Nut 2 eingelegt. Die Darstellung ist hierbei exemplarisch zu verstehen. Insbesondere können auch weitere, dem Leiterverbund 1 entsprechende Leiterverbünde eingelegt sein. Ferner kann der Leiterverbund 1 auch in mehreren Wicklungen eingelegt sein. Somit kann eine Wicklung des Stators 3 gebildet werden. 7 shows a partial, schematic sectional view of the slot 2 of the stator 3 of the electrical machine 4. Here, the in 5 shown compound 8, which is covered with the elastomer tube 9, inserted as an electrical conductor compound 1 in the groove 2. The representation is to be understood as an example. In particular, other conductor assemblies corresponding to the conductor assembly 1 can also be inserted. Furthermore, the conductor assembly 1 can also be inserted in several windings. Thus, a winding of the stator 3 can be formed.

Die Garne 8 beziehungsweise Garnbündel 8 können bei einem Ausführungsbeispiel eingepresst oder gewickelt werden und dann, falls kein Wickelzug vorhanden ist, je nach Einbausituation ggf. unter mechanischen Druck auf 120°C erwärmt und ausgehärtet werden. Dabei schmiegen sich die Garne 8 spaltfrei an die Nut 2 an. Isolationspapier ist nicht notwendig, wenn die Durchschlagsfestigkeit des Elastomer- beziehungsweise Silikonschlauchs 9 für den anliegenden Potentialunterschied ausreicht.In one exemplary embodiment, the yarns 8 or yarn bundles 8 can be pressed in or wound and then, if there is no winding tension, depending on the installation situation, optionally heated to 120° C. under mechanical pressure and cured. The yarns 8 nestle against the groove 2 without a gap. Insulating paper is not necessary if the dielectric strength of the elastomer or silicone hose 9 is sufficient for the potential difference that is present.

Wenn der Verbund 8 aus den mit dem Duroplast 6 im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelement 5, die Fasern oder Garne mit niedrigem Durchmesser sind, in die zumindest eine Nut 2 eingelegt ist, dann erfolgt eine Wärmebehandlung. Dadurch wird der sich im teilvernetzten Zustand befindende Duroplast 6 thermisch vollvernetzt. Dadurch wird dann die Isolation 7 des elektrischen Leiterverbunds 1 gebildet. Der elektrische Leiterverbund 1 weist dann mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente 5 und eine auf dem Duroplast 6 basierende Isolation 7 auf. Die Isolation 7 kann dann so ausgebildet sein, dass der elektrische Leiterverbund 1 biegesteif ausgestaltet ist. Der Leiter ist dann biegesteif ausgestaltet, wenn die Vernetzung der Isolation der Leiterelemente mit der Isolation angrenzender Leiterelemente während der thermischen Vollvernetzung zu einem biegesteifen Verbund führt.If the composite 8 is made up of the conductor element 5 encased with the duroplast 6 in the partially crosslinked state, the fibers or yarns with a small diameter, in which at least one groove 2 is inserted, heat treatment then takes place. As a result, the duroplast 6, which is in the partially crosslinked state, is thermally fully crosslinked. As a result, the insulation 7 of the electrical conductor assembly 1 is then formed. The electrical conductor assembly 1 then has a plurality of conductor elements 5 based on carbon nanotubes and/or graphene and an insulation 7 based on the duroplast 6 . The insulation 7 can then be designed in such a way that the electrical conductor assembly 1 is designed to be rigid. The conductor is designed to be rigid if the crosslinking of the insulation of the conductor elements with the insulation of adjacent conductor elements during full thermal crosslinking leads to a rigid composite.

Dem Duroplast 6 kann ein thermolatenter Katalysator beigemischt sein, der bei der Wärmebehandlung die Vollvernetzung unterstützt und beschleunigt. Bei einer möglichen Ausgestaltung kann als Katalysator ein Addukt des Bortrifluorids an Aminen, insbesondere BF3-Monoethylamin, und/oder zumindest eine quaternäre Phosphoniumverbindung und/oder ein Dicyandiamid beigemischt sein.A thermolatent catalyst can be added to the duroplast 6, which supports and accelerates the full crosslinking during the heat treatment. In one possible embodiment, an adduct of boron trifluoride with amines, in particular BF 3 monoethylamine, and/or at least one quaternary phosphonium compound and/or a dicyandiamide can be admixed as a catalyst.

Bei einer möglichen Ausgestaltung kann der Duroplast 6 aus einem Harzsystem ausgebildet werden, das ein Harz auf der Basis von Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan und ein Epoxidharz vom Typ Novolac und Härter auf der Basis von mikroverkapseltem Imidazol und Diaminodiphenylsulfon aufweist.In one possible embodiment, the thermoset 6 may be formed from a resin system comprising a tetraglycidyldiaminodiphenylmethane-based resin and a novolac-type epoxy resin and microencapsulated imidazole and diaminodiphenylsulfone-based hardeners.

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

  • Ep604: 50,
  • Ep1032: 50,
  • HX3722: 25 und
  • DDS: 20.
A preferred exemplary embodiment for a possible implementation of method steps of the method is specified below. An example of the composition of a resin system in parts by weight can be given as follows, where HX3722 and DDS are the hardeners:
  • Ep604: 50,
  • Ep1032: 50,
  • HX3722: 25 and
  • DDS: 20.

Die chemische Zusammensetzung ist:

  • Ep604: Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan, Japan Epoxy Resins Co., Ltd.;
  • Ep1032: Epoxidharz vom Typ Novolac (siehe US 2003/0135011 A1 , Formel(I));
  • HX3722: Mikroverkapseltes Imidazol, Asahi-Ciba Co., Ltd.; und
  • DDS: Diaminodiphenylsulfon, Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.
The chemical composition is:
  • Ep604: Tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, Japan Epoxy Resins Co., Ltd.;
  • Ep1032: Novolac type epoxy resin (see U.S. 2003/0135011 A1 , formula (I));
  • HX3722: Microencapsulated Imidazole, Asahi-Ciba Co., Ltd.; and
  • DDS: Diaminodiphenylsulfone, Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.

Dieses System ist mit seiner Mischviskosität ausreichend niederviskos. Je nach Auswahl und Mischungsanteil der Komponenten kann eine Mischviskosität variieren, wobei beispielsweise eine Mischviskosität von etwa 750 mPas bei 25°C als noch ausreichend niederviskos betrachtet werden kann. Die oben genannten Komponenten des Epoxidharzsystems werden auf 25 °C temperiert und dann im angegebenen Verhältnis gemischt. Die Mischung wird in einen Behälter gegeben. Dieser besitzt einen Doppelmantel mittels dem die Mischung auf 25°C temperiert wird. Im Behälter befindet sich eine Umlenkrolle, die so positioniert ist, dass die Endlosfasern 5 kontinuierlich durch das im Behälter befindliche Epoxidharzsystem geführt werden können. Somit ist ein kontinuierliches Tauchbad realisiert.With its mixed viscosity, this system is sufficiently low in viscosity. Depending on the selection and mixing ratio of the components, a mixed viscosity can vary, with a mixed viscosity of around 750 mPas at 25° C., for example, still being considered to be sufficiently low in viscosity. The components of the epoxy resin system mentioned above are heated to 25 °C and then mixed in the specified ratio. The mixture is placed in a container. This has a double jacket by means of which the mixture is tempered to 25°C. There is a deflection roller in the container, which is positioned in such a way that the endless fibers 5 can be guided continuously through the epoxy resin system in the container. A continuous immersion bath is thus realized.

Sobald die Endlosfasern 5 aus dem Tauchbad austreten, werden sie durch eine Vorrichtung gezogen, deren erster Teil aus einem Metallsegment besteht, das ein konisches Loch von 5 cm Länge mit einem kreisrunden Querschnitt besitzt. Der Durchmesser des Lochs beträgt am Anfang 5 mm und am Ende 1,5 mm. Daran schließt sich in dem Metallsegment ein Loch mit 2 cm Länge an, das einen kreisrunden Querschnitt von 1,5 mm Durchmesser besitzt. Dieses erste Metallsegment wird auf 20°C gekühlt. An das erste Metallsegment schließt sich ein weiteres Metallsegment an. Dieses ist durch eine Isolationsschicht thermisch vom ersten Metallsegment getrennt. Das Loch in zweiten Metallsegment ist 50 cm lang und besitzt einen kreisrunden Querschnitt mit einem Durchmesser von 1,5 mm. Dieses zweite Metallsegment wird beheizt, um es auf einer Temperatur von 80°C zu halten. Wenn die Endlosfasern 5 durch diese beiden Metallsegmente gezogen werden, werden sie im ersten Metallsegment durch den Konus kompaktiert und im zweiten Metallsegment durch das thermische Teilvernetzen des Epoxidharzsystems zu einem Garn 8 geformt, in dem die Endlosfasern 5 parallel zueinander angeordnet sind. Die Verweilzeit des Garns im zweiten Metallsegment beträgt 2 s. Danach erfolgt die Umhüllung des Garns 8 mit einem Silikonschlauch 9 durch Koextrusion.As soon as the continuous fibers 5 emerge from the immersion bath, they are drawn through a device, the first part of which consists of a metal segment which has a conical hole 5 cm long with a circular cross-section. The diameter of the hole is 5mm at the beginning and 1.5mm at the end. This is followed by a 2 cm long hole in the metal segment, which has a circular cross-section with a diameter of 1.5 mm. This first metal segment is cooled to 20°C. Another metal segment follows the first metal segment. This is thermally separated from the first metal segment by an insulating layer. The hole in the second metal segment is 50 cm long and has a circular cross section with a diameter of 1.5 mm. This second metal segment is heated to keep it at a temperature of 80°C. When the continuous fibers 5 are drawn through these two metal segments, they are compacted by the cone in the first metal segment and formed into a yarn 8 in the second metal segment by the partial thermal crosslinking of the epoxy resin system, in which the continuous fibers 5 are arranged parallel to one another. The dwell time of the yarn in the second metal segment is 2 s. The yarn 8 is then encased in a silicone hose 9 by coextrusion.

Durch Lagerung bei Temperaturen < 0°C nach der Herstellung kann in diesem Verbund über Wochen hinweg die Nachvernetzung unterdrückt werden und so eine ausreichende Verformbarkeit und somit die Verarbeitbarkeit sichergestellt werden. Wenn aus dem Verbund die Wicklung hergestellt wurde, muss diese thermisch nachbehandelt werden, damit die maximale Temperaturfestigkeit von 180°C erreicht wird. Dazu wird das Bauteil wärmebehandelt, Dabei wird das Epoxidharzsystem durch Temperaturstufen mit 30 min bei 100°C und 30 min bei 145°C und 30 min bei 180°C voll vernetzt. Anschließend ist der Verbund so steif, dass dieser im Betrieb durch Magnetkräfte nicht mehr verformt werden kannPost-crosslinking can be suppressed in this composite for weeks by storage at temperatures < 0°C after production, thus ensuring adequate deformability and thus processability. Once the winding has been made from the composite, it must be thermally post-treated so that the maximum temperature resistance of 180°C is achieved. For this purpose, the component is heat-treated. The epoxy resin system is fully crosslinked through temperature stages of 30 minutes at 100°C and 30 minutes at 145°C and 30 minutes at 180°C. The composite is then so stiff that it can no longer be deformed by magnetic forces during operation

Die Leiterelemente 8 können dadurch durchgehend mit aushärtbarem Harz beschichtet sein. Die Leiterelemente 8, die in der Nut liegen, sind nach der Wärmebehandlung durch das Harz miteinander stoffschlüssig verbunden. Hierbei ergibt sich ein Unterschied zum Gießen mit einem Harz. Sowohl beim Gießen als auch beim vorgeschlagenen Verfahren lassen sich Hohlräume zwischen den Leiterelementen in der Regel nicht vollständig vermeiden. Im Bereich der Hohlräume ist ein Leiterelement, wenn das vorgeschlagene Verfahren zum Einsatz kommt, aber in der Regel immer mit Harz beschichtet, während beim Gießen die an Hohlräume angrenzenden Leiterelemente partiell nicht mit Harz beschichtet sindAs a result, the conductor elements 8 can be continuously coated with curable resin. The conductor elements 8, which lie in the groove, are bonded to one another by the resin after the heat treatment. This differs from casting with a resin. As a rule, cavities between the conductor elements cannot be completely avoided both in the case of casting and in the case of the proposed method. If the proposed method is used, a conductor element is usually always coated with resin in the area of the cavities, while the conductor elements adjoining the cavities are not partially coated with resin during casting

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Isolierung durch Nutzung eines Pultrusionsverfahrens hergestellt werden, wie es im Folgenden beschrieben ist.In another preferred embodiment, the insulation may be made using a pultrusion process, as described below.

Leiterelemente 5 in Form von Garnen und Bändern auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) oder Graphen sind Leiterwerkstoffe, die in axialer Richtung eine hohe Zugfestigkeit besitzen aber gleichzeitig in radialer Richtung biegeschlaff sind. Um das volle Potential von CNT-Garnen und -Bändern hinsichtlich ihrer Biegeschlaffheit und der damit verbundenen Designfreiheit für elektrische Leiter (extrem kleine Biegeradien, sehr hohe Zugbeanspruchung, sehr hohe Wickelgeschwindigkeit und so weiter) zu heben, soll die elektrische Isolationsschicht so flexibel und gut haftend sein, dass auch bei sehr kleinen Biegeradien die Isolationsschicht nicht reißt oder sich ablöst. Gleichzeitig soll die Isolationsschicht möglichst dünn sein, um einen niedrigen Wärmewiderstand zu realisieren. Die Isolationsschicht wird deshalb möglichst gleichmäßig und in einem Prozessschritt dünn sowie mit niedrigen Prozesszeiten aufgetragen.Conductor elements 5 in the form of yarns and tapes based on carbon nanotubes (CNT) or graphene are conductor materials that have high tensile strength in the axial direction but at the same time are pliable in the radial direction. In order to leverage the full potential of CNT yarns and tapes in terms of their flexibility and the associated design freedom for electrical conductors (extremely small bending radii, very high tensile stress, very high winding speed and so on), the electrical insulation layer should be as flexible and adhesive as possible be that even with very small bending radii the insulation layer does not tear or become detached. At the same time, the insulating layer should be as thin as possible in order to achieve low thermal resistance. The insulation layer is therefore applied as evenly as possible and thinly in one process step with short process times.

Die Isolation des CNT-Garns oder anderen elektrisch leitfähigen Fasern 5 ist mittels Pultrusion möglich. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn anstelle einer Faser 5 ein Garn mit kleinerem Querschnitt zum Einsatz kommt. Hierbei ist es wichtig, dass nur das Garn isoliert bzw. beschichtet wird und keine Infiltration durch das Isolationsmaterial in dem Garn stattfindet. Weiterhin kann hierzu die Viskosität des Material auf den Prozess fein abgestimmt werden, um zum einen die Beschichtung beziehungsweise Isolation zu ermöglichen und zum anderen die Infiltration zu verhindern. Durch eine Infiltration würde die elektrische Leitfähigkeit im Garn selbst sinken. Ferner kann vorgegeben werden, wie hoch die Porosität des Garns/Bands maximal sein soll, damit die Reaktion nur auf der Oberfläche und nicht im Kern des Garns/Bands stattfindet. Eine Reaktion im Kern ist zu vermeiden, da diese die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigen kann. Vorteilhaft ist es, dass eine besonders dünne, temperaturbeständige und sehr stark dehnbare Isolationsschicht durch die Pultrusion erzeugt wird. Das Verfahren ist einfach skalierbar.The CNT yarn or other electrically conductive fibers 5 can be insulated by means of pultrusion. This is particularly advantageous if a yarn with a smaller cross section is used instead of a fiber 5 . It is important here that only the yarn is insulated or coated and that the insulation material does not infiltrate the yarn. Furthermore, the viscosity of the material can be fine-tuned to the process in order to enable coating or insulation on the one hand and to prevent infiltration on the other. Infiltration would reduce the electrical conductivity in the yarn itself. It is also possible to specify how high the maximum porosity of the yarn/tape should be so that the reaction only takes place on the surface and not in the core of the yarn/tape. A reaction in the core is to be avoided as this can impair the electrical conductivity. It is advantageous that a particularly thin, temperature-resistant and highly elastic insulation layer is produced by the pultrusion. The process is easily scalable.

Darüber hinaus besitzt bei Verwendung von Silikonen, insbesondere Flüssigsilikonen, die Oberfläche einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten. Dies bietet, wenn ohne weitere Beschichtung verwendet, insbesondere bei Wickelprozessen große Vorteile in Bezug auf die mögliche Wickelgeschwindigkeit und die Fähigkeit auch in komplizierten Geometrien der Wickeltasche eine hohe Packungsdichte der Wicklung zu erreichen. Neben Silikonen lassen sich auch alle thermoplastischen Werkstoffe, wie auch thermoplastische Elastomere als Isolator durch die Pultrusion auf das Garn aufbringen.In addition, when using silicones, especially liquid silicones, the surface has a very low coefficient of friction. If used without further coating, this offers great advantages in relation to the possible winding speed and the ability to achieve a high packing density of the winding even in complicated geometries of the winding pocket, especially in winding processes. In addition to silicone, all thermoplastic materials as well as thermoplastic elastomers can be applied to the yarn as an insulator by pultrusion.

Neben dem bereits beschriebenen Verfahren lassen sich auch mehrere Garne nebeneinander eng aufreihen und dennoch jeweils einzelnen isolieren. Dabei entsteht eine breite Leiterbahn, die sich entsprechend einfach um eine Spule wickeln lässt. Weitere Anordnungen, die beispielsweise übereinander liegen, sind ebenfalls möglich und durch den hohen Biegegrad des Garns weiterhin einfach zu wickeln. Beispielsweise können die Garne über Kreuz ins Werkzeug geführt werden und mit der Isolationsschicht überzogen werden. Für die elektrische Leitfähigkeit ist es besonders vorteilhaft, dass die Faser nicht mit einem Isolator infiltriert wird. Hierzu kann die Faser stark gekühlt werden, um die Viskosität des Isolators an der Faser zu erhöhen und dadurch eine Infiltration zu verhindern. In addition to the method already described, several yarns can also be lined up next to each other and still be insulated individually. This creates a wide conductor track that can be easily wound around a coil. Other arrangements, for example one on top of the other, are also possible and still easy to wind due to the high degree of bending of the yarn. For example, the yarns can be fed crosswise into the tool and covered with the insulating layer. It is particularly advantageous for the electrical conductivity that the fiber is not infiltrated with an insulator. For this purpose, the fiber can be strongly cooled to reduce the viscosity of the To increase the insulator on the fiber and thereby prevent infiltration.

Eine andere Möglichkeit ist, die Faser mittels Strom zu erhitzen und somit für eine schnelle Aushärtung auf der Faseroberfläche zu sorgen.Another option is to heat the fiber with electricity and thus ensure rapid hardening on the fiber surface.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.The invention is not limited to the exemplary embodiments described.

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Claims (12)

Verfahren zum Einlegen von zumindest einem elektrischen Leiterverbund (1) in zumindest eine Nut (2) eines Stators (3) oder Rotors einer elektrischen Maschine (4), wobei der elektrische Leiterverbund (1) mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente (5), insbesondere Fasern und/oder Garne, und eine auf zumindest einem Duroplast (6) basierende Isolation (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leiterelemente (5) mit dem Duroplast (6) umhüllt werden, wobei der Duroplast (6) nach dem Umhüllen nur teilvernetzt wird, dass die mit dem Duroplast (6) im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelemente (5) zu einem Verbund (8) verbunden werden, dass der Verbund (8) aus den mit dem Duroplast (6) im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen (5) in die zumindest eine Nut (2) eingelegt wird, dass der sich im teilvernetzten Zustand befindende Duroplast (6) thermisch vollvernetzt wird, um die Isolation (7) des elektrischen Leiterverbunds (1) zu bilden und dass die Isolation (7) so ausgebildet wird, dass der elektrische Leiterverbund (1) biegesteif ausgestaltet ist.Method for inserting at least one electrical conductor assembly (1) into at least one slot (2) of a stator (3) or rotor of an electrical machine (4), the electrical conductor assembly (1) having a plurality of conductor elements (5 ), in particular fibers and/or yarns, and an insulation (7) based on at least one duroplastic (6), characterized in that the individual conductor elements (5) are encased with the duroplastic (6), the duroplastic (6) only partially cross-linked after encapsulation, that the conductor elements (5) encased with the thermoset (6) in the partially cross-linked state are connected to form a composite (8), that the composite (8) consists of the encapsulated with the thermoset (6) in the partially cross-linked state Conductor elements (5) are inserted into the at least one groove (2), that the duroplast (6), which is in the partially crosslinked state, is thermally fully crosslinked in order to form the insulation (7) of the electrical conductor assembly (1). and that the insulation (7) is designed in such a way that the electrical conductor assembly (1) is designed to be rigid. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Duroplast (6) das Leiterelement (5) elektrisch isoliert und so bewirkt, dass der Stromverdrängungseffekt nur noch im Querschnitt der Leiterelemente (5) und nicht mehr im Querschnitt des Verbunds (8) wirksam ist.procedure after claim 1 , characterized in that the duroplast (6) electrically insulates the conductor element (5) and thus causes the current displacement effect to be effective only in the cross section of the conductor elements (5) and no longer in the cross section of the composite (8). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Duroplast (6) zumindest ein thermolatenter Katalysator, insbesondere zumindest ein Addukt des Bortrifluorids an Aminen, weiter insbesondere BF3-Monoethylamin, und/oder zumindest eine quaternäre Phosphoniumverbindung und/oder ein Dicyandiamid, beigemischt ist.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that at least one thermolatent catalyst, in particular at least one adduct of boron trifluoride with amines, more particularly BF 3 -monoethylamine, and/or at least one quaternary phosphonium compound and/or a dicyandiamide, is added to the thermoset (6). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leiterelemente (5) durch ein Tauchbad mit dem teilvernetzten Duroplast (6) umhüllt werden.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the individual conductor elements (5) are covered by an immersion bath with the partially cross-linked duroplast (6). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leiterelemente (5) durch einen Sprühprozess mit dem teilvernetzten Duroplast (6) umhüllt werden.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the individual conductor elements (5) are covered by a spraying process with the partially cross-linked duroplast (6). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leiterelemente (5) durch ein Pultrusionsverfahren mit dem teilvernetzten Duroplast (6) umhüllt werden.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the individual conductor elements (5) are covered by a pultrusion process with the partially cross-linked duroplast (6). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leiterelemente (5) mit dem teilvernetzten Duroplast (6) im flüssigen Zustand umhüllt werden.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the individual conductor elements (5) are covered with the partially cross-linked duroplast (6) in the liquid state. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Duroplast (6) aus einem Harzsystem ausgebildet wird, das zumindest ein Harz auf der Basis von Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan und/oder einem Epoxidharz vom Typ Novolac und einem Härter auf der Basis von mikroverkapseltem Imidazol und/oder Diaminodiphenylsulfon aufweist.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the thermoset (6) is formed from a resin system which has at least one resin based on tetraglycidyldiaminodiphenylmethane and/or an epoxy resin of the novolac type and a hardener based on microencapsulated imidazole and/or diaminodiphenylsulfone. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund (8) aus den mit dem Duroplast (6) im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen (5) mit einem Elastomerschlauch (9), insbesondere Silikonschlauch (9), umhüllt wird und dass der mit dem Elastomerschlauch (9) umhüllte Verbund (8) aus den mit dem Duroplast (6) im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen (5) in die zumindest eine Nut (2) eingelegt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the composite (8) made up of the conductor elements (5) encased with the duroplast (6) in the partially cross-linked state is encased in an elastomer hose (9), in particular a silicone hose (9), and that the elastomer hose (9) encased assembly (8) made up of the conductor elements (5) encased with the duroplast (6) in the partially cross-linked state, is inserted into the at least one groove (2). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund (8) aus den mit dem Duroplast (6) im teilvernetzten Zustand umhüllten Leiterelementen (5) im Bereich des Wickelkopfes so fixiert wird, dass nach der thermischen Vollvernetzung ein biegesteifer Verbund vorliegt, wobei für das Fixieren insbesondere ein Elastomerschlauch (9), insbesondere ein Silikonschlauch (9) und insbesondere Kabelbinder verwendet werden.Procedure according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that the composite (8) consisting of the conductor elements (5) encased with the duroplast (6) in the partially crosslinked state is fixed in the area of the end winding in such a way that after full thermal crosslinking there is a rigid composite, with a Elastomer hose (9), in particular a silicone hose (9) and in particular cable ties are used. Elektrische Maschine (4), insbesondere elektrische Antriebsmaschine für Kraftfahrzeuge, mit zumindest einem elektrischen Leiterverbund (1), der in zumindest eine Nut (2) eines Stators (3) beziehungsweise Rotors eingelegt ist, wobei der elektrische Leiterverbund (1) mehrere auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen basierende Leiterelemente (5) und eine auf zumindest einem Duroplast (6) basierende Isolation (7) aufweist und wobei der elektrische Leiterverbund (1) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet und in die zumindest eine Nut (2) eingelegt ist.Electrical machine (4), in particular an electric drive unit for motor vehicles, having at least one electrical conductor assembly (1) which is inserted in at least one slot (2) of a stator (3) or rotor, the electrical conductor assembly (1) having a plurality of carbon nanotubes and / or Graphene-based conductor elements (5) and at least one thermoset (6) based insulation (7) and wherein the electrical conductor composite (1) by a method according to one of Claims 1 until 9 formed and in which at least one groove (2) is inserted. Elektrische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkopf so gestaltet und/oder unterstützt ist, dass dieser nach der thermischen Vollvernetzung in der erforderlichen Position als Verbund vorliegt.Electric machine after claim 11 , characterized in that the end winding is designed and/or supported in such a way that it is present in the required position as a composite after full thermal crosslinking.
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