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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Leitung auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen, die insbesondere für eine elektrische Maschine dient, eine elektrische Maschine mit solch einer elektrischen Leitung und ein Verfahren zur Herstellung solch einer elektrischen Leitung. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der elektrischen Antriebsmaschinen für Kraftfahrzeuge.
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Aus der
WO 01/004741/A1 ist bekannt, dass Kohlenstoffnanoröhren in Supersäuren dispergiert werden können, um die Herstellung von Endlosfasern aus Kohlenstoffnanoröhren zu ermöglichen.
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Aus der
EP 2 392 700 A1 ist bekannt, dass Graphen in Supersäuren zu einer Spinnlösung dispergiert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Leitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen elektrischen Leitung, der im Anspruch 6 angegebenen elektrischen Maschine, und des im Anspruch 7 angegebenen Verfahrens möglich.
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Unter Graphen wird auch Graphit verstanden.
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Bei einer bevorzugten Ausbildung wird zuerst die gasdurchlässige Schicht aus Silikon aufgebracht, da diese bei tiefen Temperaturen aufgebracht werden kann. Danach wird dann die Schicht aus einem gasundurchlässigen Polymer bei hohen Temperaturen aufgebracht. Dabei wirkt die Silikonschicht dann als thermischer Isolator, so dass die hohen Temperaturen im Leiter erst dann erreicht werden, wenn dieser bereits mit dem gasundurchlässigen Polymer umhüllt ist.
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In vorteilhafter Weise ist der mit der zumindest einen gasdichten Beschichtung versehene elektrische Leiter somit zumindest im Wesentlichen mit zumindest einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen. Da der elektrische Leiter zuvor mit der elektrisch isolierenden Beschichtung versehen worden ist, kann die gasdichte Beschichtung auch bei relativ hohen Temperaturen aufgebracht werden, bei der zumindest ein flüchtiger Dotand aus dem zumindest einem Fremdmaterial ansonsten in die umgebende Atmosphäre verdampfen würde. Die gasdichte Beschichtung kann daher in Bezug auf ihre Gasdichtheit und Isolationseigenschaft optimal ausgestaltet und aus einem geeigneten Werkstoff gewählt werden. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass die gasdichte Beschichtung aus einem Werkstoff gebildet ist, der Polytetrafluorethylen und/oder zumindest ein Polyfluoralkoxy-Polymer und/oder zumindest ein modifiziertes Perfluoralkoxy-Polymer und/oder Polyetheretherketon aufweist. Dies ermöglicht die Auswahl eines geeigneten gasdichten und temperaturstabilen Polymers zur Ausgestaltung der gasdichten Beschichtung des elektrischen Leiters.
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Vorteilhaft ist es, wenn die elektrisch isolierende Beschichtung zumindest einen Silikonkautschuk aufweist. Silikonkautschuke sind eine Polymerklasse mit hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit, hoher Temperaturstabilität und mit sehr niedrigen Kosten im Vergleich zu Werkstoffen, insbesondere Polymeren, die für die gasdichte Beschichtung zum Einsatz kommen können. Somit können diese Vorteile realisiert werden. Da Silikonkautschuke allerdings eine hohe Gasdurchlässigkeit zeigen, sind diese in der Regel nicht dafür geeignet, Dotanden bei erhöhter Temperatur im Leiter zurückzuhalten. Diese Funktion, nämlich das Zurückhalten flüchtiger Dotanden, wird in vorteilhafter Weise durch die gasdichte Beschichtung erzielt, die nach der elektrisch isolierenden Beschichtung auf den elektrischen Leiter aufgebracht wird. Dabei ist weiterhin von Vorteil, dass die die elektrisch isolierende Beschichtung beim Aufbringen der gasdichten Beschichtung als thermischer Isolator wirkt, so dass die hohen Temperaturen im Leiter, die zur Verdampfung des flüchtigen Dotanden führen, zumindest erst dann erreicht werden, wenn dieser bereits mit dem gasundurchlässigen Polymer umhüllt ist.
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Vorteilhaft ist es ferner, dass das Fremdmaterial, mit dem der elektrische Leiterwerkstoff dotiert ist, zumindest im Wesentlichen aus Fluorsulfonsäure und/oder Perchlorsäure und/oder Trifluormethansulfonsäure und/oder Brom und/oder lodchlorid gebildet ist. Durch diese Fremdwerkstoffe ist in vorteilhafter Weise ein Dotieren des elektrischen Leiterwerkstoffs des elektrischen Leiters möglich. Insbesondere stellen diese wirkungsvolle Dotanden für eine extrinsische Dotierung von Graphen und Kohlenstoffnanoröhren dar. Diese besitzen jedoch Siedepunkte von weniger als 180°C, so dass das Verdampfen der Dotanden in die Umgebungsatmosphäre verhindert werden muss, was durch die gasdichte Beschichtung erreicht wird. Es können jedoch auch andere Fremdmaterialien, insbesondere andere Supersäuren, zum Einsatz kommen. Die Siedepunkte für die genannten Fremdmaterialien sind 163°C für Fluorsulfonsäure, 130°C für Perchlorsäure, 162°C für Trifluormethansulfonsäure, 58,8°C für Brom und 97°C für lodchlorid. Hierbei ist aufgrund der geringen Mengen des Fremdmaterials für den Dotanden der Partialdruck niedrig, so dass das Verdampfen bereits durch beispielsweise einen Kunststoff verhindert werden kann, der gegenüber dem Dotanden gasdicht ist. Solch ein Kunststoff wird dann in vorteilhafter Weise so gewählt, dass er so formstabil ist, dass er gegenüber dem Partialdruck des Dotanden nicht nachgibt.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung aus Silikonkautschuk kann die Umhüllung aus zwei Schichten aufgebaut werden. Die elektrisch isolierende Beschichtung, die unmittelbar auf den elektrischen Leiter aufgebracht wird, kann als dünne Schicht ausgeführt werden, die insbesondere dünner als 100 µm, weiter insbesondere dünner als 10 µm, ausgeführt wird. Hierbei kann die elektrisch isolierende Beschichtung aus einem elektrisch isolierende und temperaturstabilen Polymer gebildet sein, das aber nicht gasdicht bezüglich des Dotanden sein muss. Auf diese elektrisch isolierende Beschichtung wird dann die gasdichte Beschichtung aufgebracht, die temperaturstabil ist aber keine hohe Durchschlagsfestigkeit besitzt muss.
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Beispielsweise kann die gasdichte Beschichtung bei zumindest näherungsweise 100°C aufgebracht werden. Die gasdichte Beschichtung kann dann beispielsweise im Fall von Polytetrafluorethylen bei 350°C und im Fall von Polyetheretherketon bei 400°C aufgebracht werden.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung kann die elektrisch isolierende Beschichtung in vorteilhafter Weise aus beispielsweise Flüssigksilikon bei 100°C sehr dünn aufgetragen werden. Dies kann in weiter vorteilhafter Weise durch eine Schlauchextrusion erfolgen. Hierbei wird der mit dem Fremdmaterial dotierte elektrische Leiter beispielsweise im Zentrum eines ringförmigen Schlitzes sehr schnell durchgeführt, so dass es zu einem Aufschwinden der elektrisch isolierenden Beschichtung auf den elektrischen Leiter kommt.
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Die gasdichte Beschichtung kann in vorteilhafter Weise durch Koextrusion oder durch Bandieren, also ein kontinuierliches Umwickeln des Leiters mit einem Band, das bei erhöhter Temperatur auf den Leiter aufsintert, realisiert werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass zumindest eine Aderendhülse vorgesehen ist, die so an einem Ende des elektrischen Leiters aufgebracht ist, dass sie die Beschichtungen überlappt und damit der elektrische Leiter an dem Ende nach dem Quetschen der Aderendhülse gasdicht verschlossen ist. Somit wird auch an dem Ende des elektrischen Leiters verhindert, dass der flüchtige Dotand bei erhöhter Temperatur in die umgebende Atmosphäre verdampft. Vorzugsweise sind beide beziehungsweise alle Enden des elektrischen Leiters auf diese Weise mit Aderendhülsen versehen.
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Somit kann in vorteilhafter Weise eine Herstellung der elektrischen Leitung erfolgen, wobei der mit zumindest einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehene elektrische Leiter bei einer Temperatur beziehungsweise in einem Temperaturbereich, die beziehungsweise der größer als der Siedepunkt des Fremdmaterials ist, mit zumindest einer gasdichten Beschichtung versehen wird. Da durch die elektrisch isolierende Beschichtung, die Erwärmung beim Aufbringen der gasdichten Beschichtung zumindest soweit verzögert wird, das der flüchtige Dotand die erhöhte Temperatur erst erreicht, wenn er von der gasdichten Beschichtung umschlossen ist und so zurückgehalten wird, kann somit die gasdichte Beschichtung optimal gewählt und hergestellt werden.
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Figurenliste
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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 elektrische Leitung entsprechend einem Ausführungsbeispiel in einer stark vereinfachten, schematischen Schnittdarstellung und
- 2 den in 1 dargestellten elektrischen Leiter an einem Ende in einer stark vereinfachten, schematischen Schnittdarstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine elektrische Leitung 1 entsprechend einem Ausführungsbeispiel in einer stark vereinfachten, schematischen Schnittdarstellung. Die elektrische Leitung dient insbesondere für eine elektrische Maschine. Speziell kann die elektrische Leitung für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs dienen. Solch eine elektrische Maschine kann als elektrischer Motor, insbesondere als Antriebsmotor für Elektrofahrzeuge, oder als sonstiger Elektromotor in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen. Die elektrische Leitung 1 eignet sich allerdings auch für andere Elektromotoren und Generatoren.
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Die elektrische Leitung weist einen elektrischen Leiter 2 auf, der aus einem elektrischen Leiterwerkstoff 3 gebildet ist. Der elektrische Leiterwerkstoff 3 basiert auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphen. Hierbei ist der elektrische Leiterwerkstoff 3 mit zumindest einem Fremdmaterial 4 dotiert. Die Dotierung kann extrinsisch und molekular sein, das heißt, dass sich die Supersäuremoleküle einzeln auf den CNT oder zwischen den Graphenlagen befinden. Der elektrische Leiter 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel umfänglich mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 5 versehen.
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Der mit der elektrisch isolierenden Beschichtung 5 versehene elektrische Leiter 2 wird in diesem Ausführungsbeispiel mit einer gasdichten Beschichtung 7 versehen. Auf diese Weise ist die elektrische Leitung 1 in vorteilhafter Weise dotierbar und zugleich mit der gasdichten Beschichtung 7 versehen.
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Die gasdichte Beschichtung 7 kann aus geeigneten gasdichten und temperaturstabilen Polymeren, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxy-Polymeren (PFA), modifizierten Perfluoralkoxy-Polymeren (MFA) und Polyetheretherketon (PEEK) gebildet sein. Dadurch können wirkungsvolle Dotanden, die flüchtig sind und bei erhöhter Temperatur in die umgebende Atmosphäre verdampfen würden, zum Einsatz kommen. Insbesondere können die Dotanden somit aus Fluorsulfonsäure, Perchlorsäure, Trifluormethansulfonsäure, Brom und/oder lodchlorid als Fremdmaterial für den elektrischen Leiterwerkstoff gebildet werden.
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Somit kann ein elektrischer Leiterwerkstoff, der auf Kohlenstoffnanoröhren oder Graphenplättchen basiert, zum Einsatz kommen. Die elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren und Graphenplättchen übertrifft die Leitfähigkeit von Kupfer. Hierdurch sind die auf den molekularen Baustoffen, also den Kohlenstoffnanoröhren und den Graphenplättchen, basierenden makroskopischen Leiterwerkstoffe beispielsweise Kupfer hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit unterlegen, wenn diese als Filme, Bänder oder Garne ausgebildet sind. Die Kohlenstoffnanoröhren können allerdings in Supersäure dispergiert werden, wodurch die Herstellung von Endlosfasern aus Kohlenstoffnanoröhren möglich ist. Entsprechend kann Graphen in Supersäuren zu einer Spinnlösung dispergiert werden.
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Eine weitere Wirkung der Supersäuren ist die Erhöhung der Ladungsträgerdichte in den Kohlenstoffnanoröhren beziehungsweise dem Graphen. Dies führt zu einer Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit der gesponnenen Endlosfasern. Diese Art des Dotierens ist ein extrinsisches Dotieren. Allerdings besitzen leistungsfähige Dotanden, wie zum Beispiel die genannten Supersäuren, bei erhöhter Temperatur bereits einen relevanten Dampfdruck. Dieser nimmt bei weiterem Temperaturanstieg zu und würde dann bewirken, dass der Dotand in kurzer Zeit verdampft. Dies wird jedoch durch die gasdichte Beschichtung 7 verhindert. Somit wird auch verhindert, dass die elektrische Leitfähigkeit bei erhöhter Temperatur stark zurückgeht. Ein solcher Leitfähigkeitsverlust wäre zudem irreversibel, da der Dotand ohne die gasdichte Beschichtung 7 in die umgebende Atmosphäre verdampfen würde.
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Somit kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass der flüchtige Dotand bei erhöhter Temperatur nicht in die Atmosphäre verdampft. Dadurch wird die Temperaturstabilität der elektrischen Leitfähigkeit des elektrischen Leiters 2 auf der Basis von Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren erhöht.
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Außerdem ermöglicht die gasdichte Beschichtung 7 bei der Herstellung die Ausbildung der elektrisch isolierenden Beschichtung 5 aus Werkstoffen, die zwar eine hohe Durchschlagsfestigkeit besitzen, aber gegenüber dem flüchtigen Dotanden nicht gasdicht sind. Die elektrisch isolierende Beschichtung 5 kann dann auch bei erhöhter Temperatur eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit aufweisen.
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Es können sich somit sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb Vorteile ergeben. Einerseits bei der Herstellung der gasdichten Beschichtung 7 bei höheren Temperaturen, bei denen der Dotand flüchtig ist, als auch im Betrieb, wenn dort höhere Temperaturen im elektrischen Leiter 2 auftreten.
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Der elektrische Leiter 2 kann aus Fasern beziehungsweise Garnen gebildet sein, die auf Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren basieren.
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2 zeigt die in 1 dargestellte elektrische Leitung 1 in einer stark vereinfachten, schematischen Schnittdarstellung. Hierbei ist zumindest eine Aderendhülse 10 vorgesehen, die an einem Ende 11 des elektrischen Leiters 2 angebracht ist. Durch die Aderendhülse 10 ist der elektrische Leiter 2 auch an dem Ende 11 gasdicht verschlossen. Beispielsweise kann der aus einem Geflecht bestehende elektrische Leiter 2 am Ende 11 freigemacht werden. Besonders Vorteilhaft ist, wenn die Aderendhülse 10 die Beschichtung 7 überlappt. Wie es durch Pfeile 12, 13 veranschaulicht ist, kann die Aderendhülse 10 dann zusammengequetscht werden, wodurch es zu einer elastischen Verformung des elektrischen Leiters 2 am Ende 11 kommt. Kontaktwiderstände zwischen einzelnen Fasern werden durch den hierbei aufgebrachten hohen Druck reduziert. Insgesamt ergibt sich dadurch eine vorteilhafte elektrische Kontaktierung der Aderendhülse 10. Zudem gewährleistet die Aderendhülse 10 die gasdichte Abdichtung bezüglich zumindest eines flüchtigen Dotanden.
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Die Hülse 7 überlappt die elektrisch isolierende Beschichtung 5 und die gasdichte Beschichtung 7. Durch das Quetschen der Hülse auf die gasdichte Beschichtung 7 werden diese komprimiert. Die Überlappung ermöglicht die Gasdichtheit.
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Somit kann in vorteilhafter Weise die gasdichte Beschichtung 7 so gewählt werden, dass in Bezug auf den beziehungsweise die spezifischen Dotanden ein Verdampfen der Dotanden in die umgebende Atmosphäre bei einer hohen Temperatur, insbesondere einer Temperatur über dem Siedepunkt des jeweiligen Dotanden, verhindert ist. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung 5 wird zudem eine zuverlässige elektrische Isolierung auch bei höheren Temperaturen, die insbesondere über dem Siedepunkt des Dotanden liegen, erreicht.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 01004741 A1 [0002]
- EP 2392700 A1 [0003]
