ELEKTRISCHES BAUTEIL UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES ELEKTRISCHEN BAUTEILS

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil mit einem elektrischen Leiter, wobei innerhalb des elektrischen Leiters ein Strompfad mit einer Stromflussrichtung aufgrund des Anschlusses der Enden des elektrischen Leiters an zwei elektrische Anschlusspunkte innerhalb des elektrischen Bauteils vorgegeben ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauteils mit einem Leiter.

[0002] Die Herstellung eines elektrischen Bauteils, insbesondere eines Transformators mit einer Wicklung als elektrischen Leiter, erfordert einen hohen Material- und Fertigungsaufwand. Herkömmlicherweise werden die elektrischen Leiter des elektrischen Bauteils aus einem elektrisch leitenden Kupferdraht oder aus einer Aluminiumfolie hergestellt. Der verarbeitungs- und fertigungstechnische Aufwand zur Herstellung des elektrischen Leiters und zur Einbringung des elektrischen Leiters in das elektrische Bauteil ist sehr hoch.

[0003] Des Weiteren sind bei der Herstellung und Fertigung des elektrischen Bauteils die Wärmeeigenschaften des elektrischen

[0004] Bauteils, wie Wärmeerzeugung und -abgabe während des Betriebes, zu berücksichtigen. Die während des Betriebes des elektrischen Bauteils entstehende Wärme ist mittels bekannter Kühlungskonfigurationen für elektrische Bauteile, insbesondere Transformatoren, gewährleistet. Insbesondere der Einsatz von wärmeleitenden Materialien um die wärmeerzeugenden Wicklungen und die Einbringung von vertikalen Kühlkanälen innerhalb des elektrischen Bauteils ermöglichen die Zirkulation eines Umgebungsmediums innerhalb und außerhalb des elektrischen Bauteils und damit eine Wärmeabgabe von dem elektrischen Bauteil an das Umgebungsmedium.

[0005] Im Rahmen der Konzeption und Fertigung von elektrischen Bauteilen sind ebenfalls die elektrischen Eigenschaften des elektrischen Leiters des elektrischen Bauteils von entscheidender Bedeutung. Im Stand der Technik sind einige Austauschmaterialien für den elektrischen Leiter, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, bekannt, die eine ähnliche beziehungsweise bessere elektrische Leitfähigkeit, wie Kupfer- oder Aluminiumwicklungen, aufweisen.

[0006] So beschreibt beispielsweise die EP 1 275 118 B1 ein Energiekabel, das elektrisch leitfähige Nanostrukturen aufweist und hierdurch eine elektrische Leitfähigkeit des Energiekabels gewährleistet.

[0007] Des Weiteren beschreibt die EP 1 246 205 A1 ein elektrisch leitfähiges Nanoverbundmaterial. Aufgrund einer intrinsischen Nanostrukturmatrix innerhalb eines Polymers wird gemäß der vorgenannten Patentanmeldung ein elektrisch leitfähiger Schichtkörper erzeugt.

[0008] US 2003/096104 A1 offenbart Kohlenstoffnanoröhrchen in verschiedener Ausrichtung in einer Matrix zur Erzielung unterschiedlicher, anisotroper thermischer und elektrischer Eigenschaften.

[0009] Problematisch an den Lösungen des Standes der Technik ist, dass die mit Nanostrukturen hergestellten elektrischen Bauteile zwar eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, jedoch nicht eine Lösung zur Abführung der während des Betriebes des elektrischen Bauteils entstehenden Wärme bereitstellen. Insbesondere bei einer verkleinerten Bauweise des elektrischen Bauteils ergibt sich eine damit verbundene erhöhte Wärmeentwicklung bei verschlechterten Wärmeleitfähigkeitseigenschaf-ten aufgrund der möglichen kompakteren Bauweise des elektrischen Bauteils.

[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein elektrisches Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauteils bereitzustellen, das eine verkleinerte Bauweise im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Bauteilen gewährleistet bei gleichzeitig verbesserter Wärmeabführung.

[0011] Die Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

[0012] Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauteils gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.

[0013] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der elektrische Leiter ein Gemisch von Kohlenstoffnanostrukturen mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit entlang der Stromflussrichtung aufweist und die während des Betriebes im elektrischen Leiter entstehende Wärme mit einem Innenteil an mindestens eine Außenfläche des elektrischen Bauteils abführbar ist, wobei das Innenteil ein Gemisch aus Nanostrukturen mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der Wärmeleitfähigkeit auf mindestens eine der Außenflächen des elektrischen Bauteils umfasst.

[0014] Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter Stromflussrichtung der Weg eines Elektrons innerhalb des elektrischen Leiters von einem ersten Anschlusspunkt zu einem zweiten Anschlusspunkt innerhalb des elektrischen Leiters verstanden. Nanostrukturen im Sinne der vorliegenden Erfindung können neben Kohlenstoffnanostrukturen auch weitere Nanostrukturen, wie beispielsweise, Bornitridnanostrukturen sein.

[0015] Durch die Verbindung von Kohlenstoffnanostrukturen mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit entlang der Stromflussrichtung in Kombination mit einer Nanostruktur mit einer bevorzugten Ausrichtung der Wärmeleitfähigkeit auf mindestens eine der Außenflächen des elektrischen Bauteils kann das elektrische Bauteil kleiner konzipiert und gleichzeitig die damit verbundene erhöhte bzw. schlechtere Wärmeabgabe durch eine insgesamt verbesserte Wärmeleitfähigkeit des Innenteils und damit des elektrischen Bauteils gewährleistet werden.

[0016] Vorteilhafterweise umschließt das Innenteil des elektrischen Bauteils zumindest teilweise den elektrischen Leiter. Hierdurch wird die Wärmeübertragung vom elektrischen Leiter auf das Innenteil und damit auf eine der Außenflächen des elektrischen Bauteils verbessert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des elektrischen Bauteils ist vorgesehen, dass das Innenteil den elektrischen Leiter zumindest teilsweise elektrisch isoliert. In diesem Falle bildet das Innenteil des elektrischen Bauteils nicht nur als Verbindung zur Wärmeabgabe an mindestens eine der Außenflächen des elektrischen Bauteils, sondern dient gleichzeitig zur elektrischen Isolierung des elektrischen Leiters auf der Basis einer Nanostruktur. Ein zusätzlicher Aufwand für die Isolierung des elektrischen Leiters entfällt bei der Nutzung des Innenteils als Isolator.

[0017] Zur Reduzierung von elektromagnetischen Abstrahlungen des elektrischen Bauteils ist vorgesehen, dass das Innenteil eine um den elektrischen Leiter angeordnete halbleitende Abschirmung umfasst. Durch die Einbringung einer elektromagnetischen Abschirmung um den elektrischen Leiter kann eine effektive elektromagnetische Schirmung des elektrischen Leiters bereitgestellt werden.

[0018] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des elektrischen Bauteils ist vorgesehen, dass das Innenteil mindestens eine der Außenflächen des elektrischen Bauteils bildet und eine strukturierte Oberfläche zur verbesserten Wärmeabgabe an das Umgebungsmedium aufweist. Insbesondere die Ausbildung von Rippen und welligen Oberflächen dient zu einer Vergrößerung der wärmeabgebenden Oberfläche und verbessert somit die Wärmeabgabe vom dem elektrischen Bauteil an das Umgebungsmedium.

[0019] Vorteilhafterweise ist mindestens eine der Außenflächen des elektrischen Bauteils mit einer Nanostruktur mit feuchtigkeits- und/oder Schmutz abweisenden Eigenschaften beschichtet. Aufgrund einer feuchtigkeits- und/oder Schmutz abweisenden Beschichtung kann das elektrische Bauteil, insbesondere der Transformator, auch in feuchten und Schmutz anfälligen Umgebungen betrieben werden. Vorteilhafterweise umfasst das Innenteil ein Polymer, wobei in dem Polymer das Gemisch aus Kohlenstoffnanostrukturen und/oder Nanostrukturen einbringbar ist. In das Polymer können somit die Kohlenstoffnanostrukturen mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit, ein Gemisch aus Nanostrukturen mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der Wärmeleitfähigkeit eingebracht werden. Auch eine Außenfläche des elektrischen Bauteils in unmittelbarem Kontakt mit dem Innenteil kann eine feuchtigkeits- und/oder schmutzabweisende Nanostruktur aufweisen. Insbesondere die Verwendung einer Folie als Polymer ist auf das Innenteil aufbringbar, so dass die elektrisch leitfähigen und/oder wärmeleitfähigen und/oder feuchtigkeits-/schmutzabweisenden Eigenschaften der Kohlenstoffnanostrukturen und/oder Nanostrukturen auf das Innenteil aufbringbar, insbesondere aufklebbar sind.

[0020] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des elektrischen Bauteils ist vorgesehen, dass der elektrische Leiter ausschließlich aus einem Gemisch aus Kohlenstoffnanostrukturen mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit entlang der Stromflussrichtung umfasst. Durch die ausschließliche Verwendung von Kohlenstoffnanostrukturen kann auf die bisher herkömmlich genutzten Leitermaterialien, wie Kupfer und Aluminium, verzichtet werden.

[0021] Vorteilhafterweise variiert die Konzentration des Gemisches aus Kohlenstoffnanostrukturen und/oder Nanostrukturen innerhalb des Leiters des elektrischen Bauteils. Hier ergibt sich die Anpassungsmöglichkeit der Konzentration und Ausrichtung des Gemisches aus Kohlenstoffnanostrukturen und/oder Nanostrukturen an die erforderliche Stromdichte und/oder Wärmestromdichte.

[0022] Es wird als Vorteil angesehen, dass die Konzentration des Gemisches aus Kohlenstoffnanostrukturen und/oder Nanostrukturen in mechanisch belasteten Regionen innerhalb des Leiters erhöht ist. Hierdurch bietet sich der Vorteil, dass aufgrund der guten mechanischen Festigkeitseigenschaften der Kohlenstoffnanostrukturen und/oder Nanostrukturen auftretende mechanische Kräfte innerhalb des Leiters gut aufgenommen oder weitergeleitet werden können. Insbesondere die Aufnahme von kurzzeitig hohen Kurzschlusskräften innerhalb des Leiters kann durch entsprechende Konzentration des Gemisches aus Kohlenstoffnanostrukturen und/oder Nanostrukturen aufgenommen werden und damit eine Beschädigung des Leiters oder sogar des elektrischen Bauteils vermieden werden. Des Weiteren können mittels einer ausgewählten Konzentration des Gemisches aus Kohlenstoffnanostrukturen und/oder Nanostrukturen mechanische Spannelemente innerhalb des Leiters gebildet und damit statische Kräfte, wie beispielsweise die Gewichtskraft, zu außerhalb des Leiters liegenden Befestigungselementen weitergeleitet werden.

[0023] Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die während des Betriebes im elektrischen Leiter bestehend aus Kohlenstoffnanostrukturen mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit entlang der Stromflussrichtung die entstehende Wärme mit einem Innenteil an mindestens eine Außenfläche des elektrischen Bauteils abführbar ist, wobei das Innenteil aus einem Gemisch aus Nanostrukturen mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der Wärmeleitfähigkeit auf mindestens eine der Außenflächen des elektrischen Bauteils gebildet wird.

[0024] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der elektrische Leiter in eine Trägerstruktur, insbesondere eine Polyamidstruktur, eingebettet wird, wobei in die Trägerstruktur das Gemisch aus Nanostrukturen mit einer bevorzugten Ausrichtung der Wärmeleitfähigkeit mindestens im Kontakt zu einer der Außenflächen des elektrischen Bauteils eingebettet wird.

[0025] Das Gemisch aus Kohlenstoffnanostrukturen und/oder Nanostrukturen wird vorteilhafterweise mittels Elektrophorese in die Trägerstruktur, insbesondere in ein Polyamid, eingebettet. Mittels des Elektrophoreseverfahrens lässt sich die Konzentration und die örtliche Verteilung der Kohlenstoffnanostrukturen und/oder Nanostrukturen innerhalb der Trägerstruktur gezielt und sehr genau vorgeben. Vorteilhafterweise wird eine halbleitende Abschirmung in die Trägerstruktur als Bestandteil des Innenteils ebenfalls integriert.

[0026] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Es zeigen die Figuren:

Fig. 1

eine halbseitige Schnittzeichnung eines Transformators als elektrisches Bauteil mit zwei separaten Nanostrukturen;

Fig. 2

eine halbseitige Schnittzeichnung eines elektrischen Bauteils mit zwei Innenteilen und kombinierten Nanostrukturen;

Fig. 3

eine halbseitige Schnittzeichnung mit zwei Innenteilen und kombinierten elektrischen Wicklungen und wärmeleitfähigen Nanostrukturen;

Fig. 4

eine halbseitige Schnittzeichnung mit drei Innenteilen und definierten elektrisch und wärmeleitfähigen Nanostrukturen;

Fig. 5

eine Darstellung der elektrisch und wärmeleitfähigen mikroskopischen Nanostrukturen innerhalb des Innenteils;

Fig. 6

eine Schnittzeichnung der Oberflächenstruktur an einer der Außenfläche des elektrischen Bauteils;

Fig. 7

eine Schnittzeichnung der Oberflächenstruktur mit einer schmutzabweisenden Nanostrukturbeschichtung an einer der Außenfläche des elektrischen Bauteils;

Fig. 8

eine Aufsicht auf drei elektrische Bauteile kombiniert zu einem Dreiphasen-Transformator.

[0027] Die FIG 1 zeigt eine halbseitige Schnittzeichnung eines Transformators als elektrisches Bauteil la mit einer Kohlenstoffnanostruktur 3 und einer Nanostruktur 6. Durch einen Kern 4 des Transformators la verläuft die Schnittlinie, die als gestrichelte Linie angedeutet ist. Ein Innenteil 2a weist eine schichtweise elektrisch leitende Struktur auf. Exemplarisch ist eine elektrisch leitende Schicht als elektrischer Leiter 5a in der FIG 1 eingezeichnet. Die einzelnen elektrisch leitenden Schichten sind durch isolierende Schichten von einander getrennt, wobei die dieser schichtweise Aufbau des Innenteils 2a innerhalb einer Matrix mit einem Gemisch von Kohlenstoffnanostrukturen 3 mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit entlang der Stromflussrichtung realisiert wird.

[0028] Die aus den Kohlenstoffnanostrukturen 3 gebildeten Leiter 5a, Windungen oder Wicklungsteile werden vorzugsweise in einem Polyamid eingebettet. Das Innenteil 2a umfasst eine halbleitende Abschirmung 10. Hieran schließt sich eine Schicht aus einem Gemisch aus Nanostrukturen 6 mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der Wärmeleitfähigkeit auf mindestens eine der Außenflächen 9 des elektrischen Bauteils 1a,1b,1c des Innenteils 2a an. Vorzugsweise wird ein Gemisch aus Nanostrukturen 6 mit geringer elektrischer aber hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet, beispielsweise Bornitrid-Kohlenstoffnanostrukturen.

[0029] Eine halbseitige Schnittzeichnung eines elektrischen Bauteils 1a mit zwei Innenteilen 2a,2b und kombinierter Kohlenstoffnanostruktur 3 und Nanostruktur 6 ist in der FIG 2 dargestellt. Die Innenteile 2a,2b weisen einen schichtweisen Aufbau der elektrischen Leiter 5a,5b,5c,5d,5e,5f aus einem Gemisch von Kohlenstoffnanostrukturen 3 mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit entlang der Stromflussrichtung auf. Zwischen die elektrischen Leiter 5a,5b,5c,5d,5e,5f ist ein Gemisch aus Nanostrukturen 6 mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der Wärmeleitfähigkeit auf mindestens eine der Außenflächen 9 des elektrischen Bauteils 1a,1b,1c umfasst. Zwischen den Innenteilen 2a,2b ist ein Kühlkanal 7a zur zusätzlichen Kühlung der elektrischen Bauteile 2a,2b angeordnet.

[0030] Die FIG 3 zeigt eine halbseitige Schnittzeichnung mit zwei Innenteilen 2a,2b und kombinierten elektrischen Wicklungen 5a,5b und wärmeleitfähigen Nanostrukturen 6 eines elektrischen Bauteils 1a. Innerhalb einer Matrix aus wärmeleitfähigen Nanostrukturen 6 sind Wicklungsleiter 5a,5b mit elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanostrukturen 3 eingebettet.

[0031] Eine halbseitige Schnittzeichnung mit drei Innenteilen 2a,2b,2c und definierten elektrisch und wärmeleitfähigen Kohlenstoffnanostruktur 3 mit Nanostruktur 6 ist in der FIG 4 gezeigt. Die Innenteile 2a,2b,2c sind als Zylinder konzipiert und bestehen aus einem Gemisch mit wärmeleitfähigen Nanostrukturen 6. Die Zylinder weisen Ausbuchten zu einer der Außenflächen 9 des elektrischen Bauteils 1a auf in die das Gemisch aus elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanostrukturen 3 eingebracht ist und somit einen elektrischen Leiter 5a,5b,5c,5d,5e,5f bildet. Die so gebildeten elektrischen Wicklungen 5a,5b,5c,5d,5e,5f der einzelnen Innenteile 2a,2b,2c können mittels elektrischer Verbinder 8 elektrisch verbunden werden. Die einzelnen Innenteile 2a,2b,2c sind relativ zueinander beabstandet, so dass die so entstehende Zwischenräume als Kühlkanäle 7a,7b dienen.

[0032] Die FIG 5 zeigt eine Darstellung der elektrischen und wärmeleitfähigen mikroskopischen Kohlenstoffnanostruktur 3 mit Nanostruktur 6 innerhalb des Innenteils 2a. Aus vorzugsweise in Stromflussrichtung ausgerichteten elektrisch leitfähige Kohlenstoffnanostrukturen 3 gebildete Leiter oder Wicklungsteile 5a bilden innerhalb der mikroskopischen Struktur des Innenteils 2a eine erste Region. Wärmeleitfähige Nanostrukturen 6 mit hoher thermischer Leitfähigkeit vorzugsweise in Richtung des gewünschten Wärmeflusses bilden Nebenregionen, die innerhalb der mikroskopischen Struktur klar voneinander getrennt sind.

[0033] Die wesentliche Baugrößenverringerung lässt die Konzeption kompakter gekapselter und I oder geschirmter Anlagen oder kompletter Anlagenstrukturen zu. Mittels dieses elektrischen Bauteils ergibt sind die Möglichkeit, eine komplette Umspannstationen als Verbund zu konzipieren. Möglich wird die Konzeption kompletter gekapselter Gesamtanlagen, welche zum Beispiel mehrere Transformatoren, Drosseln, Wandler, Strombegrenzer, Sicherungs- und Überwachungseinrichtungen sowie Schalteinrichtungen beinhalten können.

[0034] In FIG 6 ist eine Schnittzeichnung der Oberflächenstruktur und in der FIG 7 eine Schnittzeichnung der Oberflächenstruktur mit einer schmutzabweisenden Nanostrukturbeschichtung an einer der Außenfläche 9 des elektrischen Bauteils 2a gezeigt.

[0035] Zur Verbesserung des Wärmeüberganges zum Umgebungsmedium ist es erforderlich, dass die Oberfläche durch eine Rippenstruktur 8 vergrößert wird. Diese Rippen 8 werden erfindungsgemäß derart gestaltet, dass wärmeleitfähigen Nanostrukturen 6 mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit und hohem elektrischem Widerstand nicht nur in die Vergussmasse der Wicklung 5a (nicht dargestellt) eingebracht werden, sondern derart angeordnet werden, dass sie den Transport der Wärme in die Kühlrippen 8 übernehmen.

[0036] Zweckmäßigerweise ist die Dichte der wärmeleitfähigen Nanostrukturen 6 in der Übergangszone zur Rippe 8 besonders hoch, um ein günstiges Verhältnis der Erhöhung des Rippenwirkungsgrades zu den Kosten der wärmeleitfähigen Nanostrukturen 6 zu erreichen.

[0037] Zur Erzielung einer feuchtigkeits- und/oder schmutzabweisenden Oberfläche ist die Einbringung von schmutz- und/oder feuchtigkeitsabweisenden Nanostrukturen 11 an der Außenfläche 9 der Vergussmasse möglich; ähnlich so genannter easy-toclean-Beschichtungen). Dies kann in besonderen Fällen auch mittels einer schmutz- und feuchtigkeitsabweisenden Nanostrukturen 11 enthaltenden Folie oder eines Schmutz- und feuchtigkeitsabweisenden Nanostrukturen 11 enthaltenden Lackes erfolgen. Werden die elektrischen Bauteile 1a unter Wasser eingesetzt, so kommt es zu einer sehr günstigen Kühlung, so dass zusätzliche Kühlvorrichtungen entfallen können.

[0038] Aufgrund der Gefahr einer wärmedämmenden Schicht durch Bewuchs, Foulingprozesse oder Krustenbildung verhindert die Beschichtung mit einer schmutz- und feuchtigkeitsabweisenden Nanostrukturen 11 die oben genannten Oberflächenprozesse.

[0039] Durch interne Streueffekte ist der Kurzschlussstrom innerhalb eines einzelnen elektrischen Leiters 5a aus elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanostrukturen 3 (nicht dargestellt) begrenzt. Durch Reduzierung der Anzahl der sozusagen parallel geschalteten Nanodrähte der elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanostrukturen 3 in einem Übergangsbereich können in der Leitungsführung, Durchführung oder in bestimmten Bereichen der elektrischen Leiter 5a Strombegrenzungselemente in die elektrischen Bauteile 1a (nicht dargestellt) eingebunden werden.

[0040] Die FIG 8 zeigt eine Aufsicht auf drei elektrische Bauteile 1a,1b,1c kombiniert zu einem Dreiphasen-Transformator. Die Kerne 4 (nicht sichtbar) sind durch ein Joch miteinander verbunden. Die Innen und die Außenseite der Wicklungskörper als elektrische Bauteile 1a,1b,1c sind mit einer wärmeleitfähigen Nanostrukturen 6 überzogen.

[0041] Durch die neuartige Kombination von unterschiedlichen Kohlenstoffnanostrukturen 3 und Nanostrukturen 6,11 und als elektrischen Komponenten 2a,2b,2c,5a,5b,5c,5d,5e,5f des elektrischen Bauteils 1a,1b,2b ergibt sich die Möglichkeit, die Kohlenstoffnanostrukturen 3 und Nanostrukturen 6,11 auf der Basis unterschiedlicher Dotierungen, Ausrichtungen und räumlicher Verteilungen in einer Matrix anzuordnen und damit ein kompaktes elektrisches Bauteil bereitzustellen.

[0042] Durch diesen Aufbau ist es beispielsweise möglich, den elektrischen Leiter mit ausgerichteter elektrisch leitfähiger Kohlenstoffnanostrukturen 3 als Ausrichtelektroden zu nutzen.

[0043] Durch die Platzierung von halbleitenden Abschirmungen in den Innenteilen 2a,2,b,2c ist eine Anlenkung und/oder Feldsteuerung möglich. Durch die Verwendung von elektrisch leitfähigen Kohlenstoffnanostrukturen 3 werden im Vergleich zu herkömmlichen Leitern die elektrischen Verluste gesenkt und gleichzeitig eine gute Ableitung der Verlustwärme nach außen gewährleistet. Der Verzicht auf innere Kühlmedien und die hohe thermische Beständigkeit der wärmeleitfähigen Nanostrukturen 6 lassen den Betrieb des elektrischen Bauteils 1a,1b,1c bei sehr hohen Temperaturen zu. Dadurch wird die Effektivität der Kühlung über die Außenflachen extrem gesteigert.

[0044] Die Einbettung der elektrischen Leiters 2a,2b,2c,5a,5b,5c,5d,5e,5f in eine wärmeleitfähigen Nanostrukturen 6 führt zu einer hohen mechanischen Festigkeit des gesamten Innenteils 2a,2b,2c.

[0045] Gleichzeitig ist eine extreme Verringerung der Baugröße und Masse des elektrischen Bauteils möglich, so dass extrem robuste und kompakte elektrischer Geräte - beispielsweise eine Kompakttransformatoren in kleinster Bauform für Hochspannungsanwendungen - gebaut werden können. Darüber hinaus lässt die wesentliche Baugrößenverringerung die Konzeption neuartiger kompakter Gesamtanlagen zu. So sind Kompaktumspannstation oder Kompaktanlage aus Transformatoren, Drosseln, Wandlern, Strombegrenzern und Sicherheitseinrichtungen mit der vorliegenden Erfindung denkbar.

Ansprüche

1. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) mit einem elektrischen Leiter (5a,5b,5c,5d,5e,5f), wobei innerhalb des elektrischen Leiters (5a,5b,5c,5d,5e,5f) ein Strompfad mit einer Stromflussrichtung aufgrund des Anschlusses der Enden des elektrischen Leiters (5a,5b,5c,5d,5e,5f)an zwei elektrische Anschlusspunkte innerhalb des elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) vorgegeben sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Leiter (5a,5b,5c,5d,5e,5f) ein Gemisch von Kohlenstoffnanostrukturen (3) mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit entlang der Stromflussrichtung aufweist und die während des Betriebs im elektrischen Leiter (5a,5b,5c,5d,5e,5f) entstehende Wärme mit einem Inneneinteil (2a,2b,2c) an mindestens eine Außenfläche (9) des elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) abführbar ist, wobei das Innenteil (9) ein Gemisch aus Nanostrukturen (6) mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der Wärmeleitfähigkeit auf mindestens eine der Außenflächen (9) des elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) umfasst.

2. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Innenteil (2a,2b,2c) zumindest teilweise den elektrischen Leiter (5a,5b,5c,5d,5e,5f) umschließt.

3. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Innenteil (2a,2b,2c) den elektrischen Leiter zumindest teilsweise elektrisch isoliert.

4. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Innenteil (2a,2b,2c) eine um den elektrischen Leiter (5a,5b,5c,5d,5e,5f) angeordnete elektrische Abschirmung (10) umfasst.

5. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Innenteil (2a,2b,2c) mindestens eine der Außenflächen (9) des elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) bildet und eine strukturierte Oberfläche (8) zur verbesserten Wärmeabgabe an ein Umgebungsmedium aufweist.

6. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine der Außenflächen (9) des elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) mit einer Nanostruktur (11) mit feuchtigkeits- und/oder Schmutz abweisenden Eigenschaften beschichtet ist.

7. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Innenteil (2a,2b,2c) ein Polymer umfasst, wobei in das Polymer Kohlenstoffnanostrukturen (3) und/oder Nanostrukturen (6,11) einbringbar ist.

8. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Polymer als Folie auf das Innenteil (2a,2b,2c) aufbringbar ist.

9. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Leiter (5a,5b,5c,5d,5e,5f) ausschließlich aus dem Gemisch aus Kohlenstoffnanostrukturen (3) mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit entlang der Stromflussumrichtung umfasst.

10. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Gemisches aus Kohlenstoffnanostrukturen (3) und/oder Nanostrukturen (6,11) innerhalb des Leiters (5a,5b,5c,5d,5e,5f) variiert.

11. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Konzentration des Gemisches aus Kohlenstoffnanostrukturen (3) und/oder Nanostrukturen (6,11) in mechanisch belasteten Regionen innerhalb des Leiters (5a,5b,5c,5d,5e,5f) erhöht ist.

12. Elektrisches Bauteil (1a,1b,1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
das elektrische Bauteil (1a,1b,1c) ein Transformator, eine Drossel oder eine Spule ist und der elektrische Leiter (5a,5b,5c,5d,5e,5f) mindestens eine Teilwicklung umfasst.

13. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) mit einem elektrischen Leiter (5a,5b,5c,5d,5e,5f), wobei innerhalb des elektrischen Leiters (5a,5b,5c,5d,5e,5f) ein Strompfad mit einer Stromflussrichtung aufgrund des Anschlusses der Enden des elektrischen Leiters (5a,5b,5c,5d,5e,5f) an zwei Anschlusspunkte innerhalb des elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) gebildet wird und die während des Betriebes im elektrischen Leiter (5a,5b,5c,5d,5e,5f) entstehende Wärme mit einem Innenteil (2a,2b,2c) an mindestens eine Außenfläche (9) des elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) abführbar ist, wobei das Innenteil (2a,2b,2c) aus einem Gemisch aus Nanostrukturen (6) mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der Wärmeleitfähigkeit auf mindestens eine der Außenflächen (9) des elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) gebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Leiter (5a,5b,5c,5d,5e,5f) in eine Trägerstruktur, insbesondere Polyamidstruktur, eingebettet wird, wobei in die Trägerstruktur das Gemisch aus Nanostrukturen (6) mit einer bevorzugten Ausrichtung bezüglich der Wärmeleitfähigkeit auf mindestens eine der Außenflächen (9) des elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) eingebettet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das eine halbleitende Abschirmung (10) in die Trägerstruktur als Bestandteil des Innenteils (2a,2b,2c) integriert wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Außenflächen (9) des elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) mit einer Nanostruktur (11) mit feuchtigkeits- und/oder Schmutz abweisenden Eigenschaften beschichtet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gemisch auf Kohlenstoffnanostrukturen (3) und/oder Nanostrukturen (6,11) mittels Elektrophorese in die Trägerstruktur definiert eingebracht wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17 zur Herstellung eines elektrischen Bauteils (1a,1b,1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

Claims

1. Electric component (1a, 1b, 1c) comprising an electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f), wherein inside the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) a current path having a current flow direction is specified because of the ends of the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) being connected to two electric connection points inside the electric component (1a, 1b, 1c), characterized in that the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) exhibits a mixture of carbon nanostructures (3) having a preferred orientation with respect to the electric conductivity along the current flow direction and the heat produced during the operation in the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) can be removed to at least one outside surface (9) of the electric component (1a, 1b, 1c) by means of an inner part (2a, 2b, 2c), the inner part (2a, 2b, 2c) comprising a mixture of nanostructures (6) having a preferred orientation with respect to the thermal conductivity to at least one of the outside surfaces (9) of the electric component (1a, 1b, 1c).

2. Electric component (1a, 1b, 1c) according to Claim 1, characterized in that the inner part (2a, 2b, 2c) encloses the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) at least partially.

3. Electric component (1a, 1b, 1c) according to Claim 2, characterized in that the inner part (2a, 2b, 2c) electrically insulates the electric conductor at least partially.

4. Electric component (1a, 1b, 1c) according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the inner part (2a, 2b, 2c) comprises an electric shielding (10) arranged around the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f).

5. Electric component (1a, 1b, 1c) according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the inner part (2a, 2b, 2c) forms at least one of the outside surfaces (9) of the electric component (1a, 1b, 1c) and has a structured surface (8) for the improved heat delivery to an environmental medium.

6. Electric component (1a, 1b, 1c) according to one of Claims 1 to 5, characterized in that at least one of the outside surfaces (9) of the electric component (1a, 1b, 1c) is coated with a nanostructure (11) having moisture- and/or dirt-repelling characteristics.

7. Electric component (1a, 1b, 1c) according to one of Claims 3 to 6, characterized in that the inner part (2a, 2b, 2c) comprises a polymer, wherein carbon nanostructures (3) and/or nanostructures (6, 11) can be inserted into the polymer.

8. Electric component (1a, 1b, 1c) according to Claim 7, characterized in that the polymer can be applied to the inner part (2a, 2b, 2c) as a foil.

9. Electric component (1a, 1b, 1c) according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) consists exclusively of the mixture of carbon nanostructures (3) having a preferred orientation with respect to the electric conductivity along the current flow direction.

10. Electric component (1a, 1b, 1c) according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the concentration of the mixture of carbon nanostructures (3) and/or nanostructures (6, 11) varies within the conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f).

11. Electric component (1a, 1b, 1c) according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the concentration of the mixture of carbon nanostructures (3) and/or nanostructures (6, 11) is increased in mechanically loaded regions within the conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f).

12. Electric component (1a, 1b, 1c) according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the electric component (1a, 1b, 1c) is a transformer, a choke or a coil and the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) comprises at least one part-winding.

13. Method for producing an electric component (1a, 1b, 1c) comprising an electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f), wherein inside the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) a current path having a current flow direction is formed because of the ends of the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) being connected to two connection points inside the electric component (1a, 1b, 1c) and the heat produced during the operation in the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) can be removed to at least one outside surface (9) of the electric component (1a, 1b, 1c) by means of an inner part (2a, 2b, 2c), the inner part (2a, 2b, 2c) being formed of a mixture of nanostructures (6) having a preferred orientation with respect to the thermal conductivity to at least one of the outside surfaces (9) of the electric component (1a, 1b, 1c).

14. Method according to Claim 13, characterized in that the electric conductor (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) is embedded into a carrier structure, particularly a polyamide structure, the mixture of nanostructures (6) having a preferred orientation with respect to the thermal conductivity to at least one of the outside surfaces (9) of the electric component (1a, 1b, 1c) being embedded into the carrier structure.

15. Method according to one of Claims 13 to 14, characterized in that a semiconducting shielding (10) is integrated into the carrier structure as a component of the inner part (2a, 2b, 2c).

16. Method according to one of Claims 13 to 15, characterized in that at least one of the outside surfaces (9) of the electric component (1a, 1b, 1c) is coated with a nanostructure (11) having moisture- and/or dirt-repelling characteristics.

17. Method according to one of Claims 13 to 16, characterized in that the mixture of carbon nanostructures (3) and/or nanostructures (6, 11) is inserted in a defined manner into the carrier structure by means of electrophoresis.

18. Method according to one of Claims 13 to 17 for producing an electric component (1a, 1b, 1c) according to one of Claims 1 to 12.

Revendications

1. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique ayant un conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique, dans lequel il est prescrit à l'intérieur du conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique un trajet de courant ayant un sens de conduction du courant en raison du raccordement des extrémités du conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique à deux points électriques de raccordement à l'intérieur du composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique,
caractérisé en ce que
le conducteur ( 15a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique comporte un mélange de nanostructures ( 3) de carbone ayant une orientation préférée par rapport à la conductivité électrique le long du sens de conduction du courant et la chaleur se créant pendant le fonctionnement dans le conducteur ( 15a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique peut être évacuée par une partie (2a, 2b, 2c) intérieure sur au moins une surface ( 9 ) extérieure du composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique, la partie ( 9 ) intérieure comprenant sur au moins l'une des surfaces ( 9 ) extérieure du composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique un mélange de nanostructures ( 6 ) ayant une orientation préférée par rapport à la conductibilité thermique.

2. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie ( 2a, 2b, 2c ) intérieure enferme au moins en partie le conducteur (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) électrique.

3. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la partie ( 2a, 2b, 2c ) intérieure isole électriquement au moins en partie le conducteur électrique.

4. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie ( 2a, 2b, 2c ) intérieure comprend un blindage ( 10 ) électrique disposé autour du conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique.

5. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie ( 2a, 2b, 2c ) intérieure forme au moins l'une des surfaces ( 9 ) extérieures du composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique et a une surface ( 8 ) structurée pour améliorer la chaleur cédée à un milieu ambiant.

6. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins l'une des surfaces ( 9 ) extérieures du composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique est revêtue d'une nanostructure ( 11 ) ayant des propriétés repoussant l'humidité et/ou la saleté..

7. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la partie ( 2a, 2b, 2c ) intérieure comprend un polymère, des nanostructures ( 3 ) de carbone et/ou des nanostructures ( 6, 11 ) pouvant être incorporées dans le polymère.

8. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le polymère peut être mis sous la forme d'une feuille sur la partie ( 2a, 2b, 2c ). intérieure.

9. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique comprend exclusivement le mélange de nanostructures ( 3 ) de carbone ayant une orientation préférée par rapport à la conductivité électrique le long du sens de conduction du courant.

10. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la concentration du mélange de nanostructures ( 3 ) de carbone et/ou de nanostructures ( 6, 11 ) varie à l'intérieur du conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ).

11. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la concentration du mélange de nanostructures ( 3 ) de carbone et/ou de nanostructures ( 6, 11 ) est augmentée à l'intérieur du conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) dans des régions sollicitées mécaniquement.

12. Composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique est un transformateur, une bobine de self ou une bobine et le conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique comprend au moins une fraction d'enroulement.

13. Procédé de fabrication d'un composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique ayant un conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique dans lequel il est formé à l'intérieur du conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) un trajet de courant ayant un sens de conduction du courant en raison du raccordement des extrémités du conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique à deux points de raccordement à l'intérieur du composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique et la chaleur se créant pendant le fonctionnement dans le conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique peut être évacuée par une partie ( 2a, 2b, 2c ) intérieure sur au moins une surface ( 9 ) extérieure du composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique, la partie ( 2a, 2b, 2c ) intérieure étant formée, sur au moins l'une des surfaces ( 9 ) extérieures du composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique, d'un mélange de nanostructures ( 6 ) ayant une orientation préférée par rapport à la conductibilité thermique.

14. Procédé suivant la revendication 13, caractérisé en ce que le conducteur ( 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f ) électrique est incorporé dans une structure support notamment une structure en polyamide, dans lequel le mélange de nanostructures ( 6 ), ayant une orientation préférée par rapport à la conductibilité thermique, est incorporé à au moins l'une des surfaces ( 9 ) extérieures du composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique.

15. Procédé suivant l'une des revendications 13 à 14, caractérisé en ce qu'un blindage ( 10 ) semi-conducteur est intégré dans la structure support comme élément constitutif de la partie ( 2a, 2b, 2c ) intérieure.

16. Procédé suivant l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce qu'au moins une des surfaces ( 9 ) extérieure du composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique est revêtue d'une nanostructure ( 11 ) ayant des propriétés repoussant l'humidité et/ou la saleté.

17. Procédé suivant l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le mélange de nanostructures ( 3 ) de carbone et/ou de nanostructures ( 6, 11 ) est incorporé de manière définie dans la structure support au moyen d'une électrophorèse.

18. Procédé suivant l'une des revendications 13 à 17, pour la fabrication d'un composant ( 1a, 1b, 1c ) électrique suivant l'une des revendications 1 à 12.

Zeichnung