CN101341555A - 电绕组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有金属绕组导线的电绕组，该金属绕组导线构成单绕组，其中该金属绕组导线具有金属导体和围绕该金属导体的绝电材料。另外，本发明还涉及一种金属导线的绝电外皮。通过绝电材料与围绕金属绕组导线的金属氧化层的组合可以相宜地与所述电绕组内部所需的最大击穿强度相关地确保该电绕组内部的绝缘性。由此可以在减小该电绕组的结构形式的同时改善导热特性。

Description

电绕组
技术领域
本发明涉及一种具有金属绕组导线的电绕组，该金属绕组导线构成单绕组，其中该金属绕组导线具有金属导体和围绕该金属导体的绝电材料。另外，本发明还涉及一种金属导线的绝电外皮以及涉及电绕组的阳极氧化处理的铝(Al)带的结构。
背景技术
在制造尤其在变压器结构中用作初级绕组或次级绕组的电绕组时，要对电绕组导线进行电绝缘。将绕组导线连续地卷绕到一个支架上，在此以下将绕组导线围绕支架一次性的卷绕定义为单绕组。尤其电绕组导线直接在一次卷绕后形成的单绕组必须具有下述绝缘效果的绝电外皮，即，防止单绕组之间或绕组内部出现电压击穿。首先对于在中压或高压范围内的应用，与通常由塑料组成的绝缘层结合地采用金属导体、尤其铝带(Geafol技术)是公知的。
但该现有技术的缺点是，所采用的塑料具有不良的温度特性并且因此如此制造的电绕组必须或者具有附加的冷却系统或者在结构设计尺寸上要比实际需要的大。
例如在DE4006697A1中记载了一种小尺寸的变压器，其中将初级绕组和次级绕组如此卷绕到一个芯体上，使得初级绕组和次级绕组相互搭接以及至少其中一个绕组具有包绕导体的由绝缘塑料构成的绝缘外皮。该绝缘外皮或者也可以由其他绝缘材料、例如树脂构成。因此在DE69629318T2中记载了一种干绝缘的变压器，其高压绕组具有由热塑性树脂构成的绝缘外皮而其低压绕组被包覆一种能导电的树脂。
在制造低电压范围内的电绕组时，基于小的击穿电压也可以采用薄绝缘外皮。在这种情况下采用铝导体，在其表面利用阳极氧化处理形成铝氧化层，在将如此制成的绕组导线卷绕成形后该铝氧化层提供足够的绝缘特性。但是在采用高的电压和/或大电流时这种绝缘形式不再能满足要求。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种确保足够高的绝缘特性并且有良好的导热特性的电绕组。在此应该在满足相应要求的同时降低运行温度导电损耗、导体横截面以及热损耗并且进而导致更小的结构尺寸和较少的重量和附加绝缘外皮。
按照本发明上述技术问题是这样解决的，即，金属绕组导线具有包裹金属导体表面的金属氧化层。该金属氧化层有利地借助于电解的氧化方法(阳极氧化处理)制成。不同地也可以在金属导体上单独敷设金属氧化层、例如通过粘接或钎焊。按照本发明的电绕组优选由具有铝导体的带材构成，该铝导体包覆一层铝氧化层。
在按照本发明的电绕组的一种优选的实施方式中，所述绝电材料根据所述电绕组内部所需的最大击穿强度而具有变化的厚度。若阳极氧化处理层的厚度不足以用于绝缘，则按照本发明也可以敷设较小厚度的附加绝缘层，如同采用不带阳极氧化处理层的导体材料那样。绝缘的金属氧化层与处于其上的绝电材料的组合防止相邻单绕组之间出现电压击穿。但是在电绕组内部尤其基于结构上或物理上、例如非线性的脉冲电压分布或受热情况而使所需的最大击穿强度在该绕组内是变化的。同样所采用的绝电材料的厚度要根据在电绕组内部需要的不同的最大击穿强度进行调整。在电绕组的特定区域内所要求的最大击穿强度越大，绝缘层的厚度、例如在电绕组相应区域内的绝电材料的厚度和/或材料特性、尤其绝缘材料等级也越大。由此减小电绕组的结构尺寸并且同时可以采用相宜的进而是经济的绝电材料。与之不同地，按下述方式改变在金属导体上的金属氧化层的厚度，即，尽可能根据所述电绕组内部所需的最大击穿强度给出绝缘特性。那么与电绕组内部的结构情况以及尤其还有物理情况、尤其受热情况相关地，基于绝电材料厚度的变化和/或金属氧化层厚度的变化可以为该电绕组提供相应调整准确的绝缘。
在按照本发明的电绕组的一项优选的扩展设计中，在金属导体上的金属氧化层具有恒定的厚度以及所述绝电材料的厚度根据所述电绕组内部所需的最大击穿强度而是变化的。金属氧化层、例如铝导体上的阳极氧化处理层具有良好的温度特性并且因此减小该电绕组的热负荷。根据所述电绕组内部所需的最大击穿强度按照本发明在需要提高绝缘性能时，可以使所述绝电材料具有变化的厚度和/或变化的材料特性。对于增强单绕组之间绝缘性能的要求的这种情况，可以使绝电材料更强烈地成形以及具有更大的厚度和/或更佳的材料特性、例如高级的绝缘材料等级。相反在对于绝缘特性要求较低的区域内相应地将绝电材料、例如塑料薄膜选择得较薄和/或采用较低的材料特性。塑料薄膜的这种材料特性、例如所基于的绝缘材料等级可以根据所需的与位置相关的电压强度改变。按照本发明，与所述电绕组内部所需的最大击穿强度相关地所述绝电材料的厚度可以几乎减小到零以及甚至在局部可以完全缺省，从而使得相应位置处的单绕组之间的绝缘作用仅由该电绕组的金属氧化层提供。
对于在电绕组内部对绝电性能提出特定的最低要求的情况，按照本发明，所述绝电材料具有恒定的厚度和/或恒定的材料特性，尤其就其绝缘材料等级而言，以及所述金属氧化层与所述电绕组内部所需的最大击穿强度相关地具有不同的厚度。通过预定绝电材料的恒定厚度和/或材料特性也预先规定了电绕组的最小绝缘特性。与所述电绕组内部所需的最大击穿强度相关地所述金属氧化层在其厚度方面适应性地变化。
所述金属氧化层的特性优选根据所述电绕组内部所需的最大击穿强度变化。
作为补充和/或替代方式可以在绕制过程中施加一层薄的薄膜。若在最大负荷处的电压强度还始终不足的话，可以在此处(平行地)施加第二层乃至第三层薄膜。由此对于绕制过程仅需要采用两种材料：a)具有相同厚度的阳极氧化处理层的绕组材料和b)相同厚度的薄膜。这在绕制过程中不再需要改装过程并且能够达到所述材料的有效利用。
尤其阳极氧化处理的或敷设的金属氧化层的纯度对电绕组的绝缘和导热特性影响巨大。金属氧化层内的不纯度主要导致影响绝缘和导热特性。通过相宜地采用相应的用于制造金属氧化层的输出产物及阳极氧化产物以及采用相应的制造方法与所述电绕组内部所需的最大击穿强度相关地影响绝缘特性并进而在按照本发明的电绕组中得到最佳的且节省位置的转化。另外，所述绝电材料的特性根据所述电绕组内部所需的最大击穿强度而变化。
优选，所述绝电材料包含漆、塑料，尤其是塑料薄膜和/或纸。按照本发明，同时可以将所述绝电材料和/或金属氧化层按层状构造。通过该层状结构确保，在一个层、例如塑料薄膜层即便在具有微观的小的损坏的情况下该绝电材料的相邻层也能保证该电绕组的绝缘性。此外，各塑料薄膜层的材料特性的改变可以尤其与电压强度相关地调整。仅在一个位置处的绝电材料彻底损坏时绝电材料才不再提供绝缘作用。另外金属氧化层可以按层状构造。
所述电绕组的一种优选的实施方式的特征在于，所述金属氧化层和绝电材料的表面构造成在金属氧化层与绝电材料之间不会出现相对移动。通过利用尤其已清洁的表面确保，在制造过程中以及在运行期间避免绝电材料与导体之间相互移动以及进而不需要频繁且耗时地再控制电绕组的绝缘特性。
另外本发明的技术问题通过权利要求12的特征部分的特征得以解决。为了对金属导体实施绝缘，该金属导体表面被敷设金属氧化层以及该金属氧化层至少在局部被包覆绝电材料。通过金属氧化层的绝缘特性与包覆该金属氧化层的绝电材料的绝缘特性的组合或者通过薄膜形式的附加绝缘层确保同样可沿金属导体变化的最佳绝电效果。所述绝电材料优选包含漆、塑料，尤其是塑料薄膜和/或纸，在这种情况下所述绝电材料有利地按层状构造，以及该绝电材料至少在局部包覆所述金属氧化层。
当在电绕组的高度防击穿的意义下绕组电压要与所述各层电压的值相等时，优选利用经阳极氧化处理的铝带形成具有绝缘材料的电绕组。
按照本发明，首先在可去除的支架上卷绕经阳极氧化处理的铝(Al)带作为带有金属氧化层的金属绕组导线以构成线圈；然后串联地布设作为带有抽头的整个绕组的分段的多个线圈；以及在整个绕组中位于输入端和输出端的线圈增添了绝缘材料的附加覆层，这些附加覆层可以由附加的薄膜层组成。
在此，在线圈或整个绕组的起点/终点的抽头处设有逐点的附加绝缘，在这种情况下该附加绝缘同样应该由薄膜、纸或绝缘漆构成。
优选在所述线圈之间为了增强在整个绕组内从线圈到线圈的轴向防击穿设施而设置附加绝缘层，例如空气、铸造材料或绝缘片。
相宜地对于特定的用途，在所述抽头处设有由未经阳极氧化处理的Al带构成的联接端。
附图说明
从从属权利要求中可以得知其他优选的扩展设计。下面借助附图对本发明主题予以详细阐述。
图1示出了本发明电绕组的结构的简略示意图；
图2示出了本发明电绕组的单绕组在绕制过程中的简略示意图；
图3示出了作为用于电绕组(6)的线圈(6.1)的Al带构成分段设计的整个绕组的简略综合示意图；
图4示出了按照图3的整个绕组的剖面；
图5示出了按照图3的整个绕组的一个具有抽头(8)的分段的剖面。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的金属绕组导线4的简略示意图。该金属绕组导线4由金属的铝导体1、至少一层铝氧化层2以及一层绝电的塑料绝缘膜3组成，该塑料绝缘膜3包围金属氧化层2或者至少处于两个相邻的上下相叠的单绕组之间。若各分段串联，则这些封闭的分段仅获得这样的附加绝缘，处于其间的分段未设有附加绝缘，除了带有抽头的区域外。在此情况下电绕组导线4或者完全被金属氧化层2包绕或者与之不同地仅在金属导体1的特定位置存在金属氧化层2。在图1所示的剖视图的示例中示出了作为恒定厚度的外皮的金属氧化层2，该金属氧化层外包绕不同厚度的绝电材料3。在此可以将该绝电材料3或者绕制成围绕金属导体1的附加外皮或中间层或者与之不同地仅在金属导体1上或电导体1的金属氧化层2的上的特定位置敷设该绝电材料3。
在图2中示出了按照本发明的电绕组6，在此将金属导体1、金属氧化层2以及塑料薄膜形式的绝电材料3卷绕到支架5上。至少在金属导体1的上侧和下侧布设金属氧化层2。优选将支架5设计成圆柱体并确保在制造电绕组的过程中绝电材料3和带有金属氧化层2的金属导体1分别沿特定的轨迹上下相叠地卷绕。在制造过程中将如此形成的绕组导线4连续地卷绕到支架5上。在图2所示的本实施例中就沿轴向的金属氧化层2而言仅存在绝缘效果。沿相对于支架5的轴向在相应的金属氧化层2上敷设绝电材料的塑料膜3作为附加绝缘层。由此与电绕组6内部所需的最大击穿强度相关地确保该电绕组6的彻底绝缘以及由此可通过下述方式达到局部增强绝缘，即，将金属氧化层2或绝缘层3设计成在最高的电压负荷位置处增强。
图3、图4及图5简略地示出了作为用于电绕组6的线圈6.1的Al带构成分段设计的整个绕组，其例如可应用在变压器中。
在图3中为了清楚起见，简略综合地示出了作为用于线圈6的Al带构成分段设计的整个绕组的情况。
该Al带构成金属导体1及金属绕组导线4以及其外敷的阳极氧化层构成金属氧化层2。将该阳极氧化的Al带卷绕到可去除的支架5上(见图2)以形成线圈6。
在图3中可以看到，作为带有抽头的整个绕组的分段的多个线圈6的布局结构及它们串联连接的情况。在整个绕组中位于输入端的线圈6增添了仅在起点7另外包裹的绝缘材料3的覆层3.1，所连接的线圈6仅具有阳极氧化的Al带的层作为带有金属氧化层2的金属导体1，以及在整个绕组中位于输出端的线圈6也增添了仅在其终点7处另外包裹的绝缘材料3的覆层3.1。
相应地，图4示出了按照图3的该整个绕组的剖面图以及图5类似地示出了该整个绕组的带有抽头8的各分段的剖面图，从中与图3结合地可以看出，在整个绕组的起点/终点的抽头8处逐点的附加绝缘9。如果在图5中引用中轴线，则仅可看到在一半示意图上的抽头(以及进而所述的附加绝缘)。
附加的覆层3.1和在整个绕组的起点/终点的抽头8处的逐点附加绝缘9由塑料薄膜、纸或漆构成，以及抽头8的未示出的联接端和绕组或线圈起点及绕组或线圈终点的联接端由未经阳极氧化处理的Al带构成。

Claims (20)

1.一种具有金属绕组导线(4)的电绕组(6)，该金属绕组导线构成单绕组，其中该金属绕组导线(4)具有金属导体(1)和围绕该金属导体(1)的绝电材料(3)，其特征在于，所述金属绕组导线(4)具有至少局部包覆所述金属导体(1)的外表面的金属氧化层(2)。
2.按照权利要求1所述的电绕组(6)，其特征在于，所述绝电材料(3)根据所述电绕组(6)内部所需的最大击穿强度而具有变化的厚度和/或变化的材料特性。
3.按照权利要求1或2所述的电绕组(6)，其特征在于，所述金属氧化层(2)根据所述电绕组(6)内部所需的最大击穿强度而具有变化的厚度。
4.按照权利要求1所述的电绕组(6)，其特征在于，所述金属氧化层(2)具有恒定的厚度以及所述绝电材料(3)根据所述电绕组(6)内部所需的最大击穿强度而具有变化的厚度和/或变化的材料特性。
5.按照权利要求4所述的电绕组(6)，其特征在于，根据所述电绕组(6)内部所需的最大击穿强度而在局部不布设绝电材料(3)。
6.按照权利要求1所述的电绕组(6)，其特征在于，所述绝电材料(3)具有恒定的厚度以及所述金属氧化层(2)根据所述电绕组(6)内部所需的最大击穿强度而具有不同的厚度。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的电绕组(6)，其特征在于，所述金属氧化层(2)的特性根据所述电绕组(6)内部所需的最大击穿强度而变化。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的电绕组(6)，其特征在于，所述绝电材料(3)包含漆、塑料，尤其是塑料薄膜和/或纸。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的电绕组(6)，其特征在于，所述绝电材料(3)和/或金属氧化层(2)按层状构造。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的电绕组(6)，其特征在于，所述绝电材料(3)的特性根据所述电绕组(6)内部所需的最大击穿强度而变化。
11.按照权利要求1至10中任一项所述的电绕组(6)，其特征在于，所述金属氧化层(2)和绝电材料(3)的表面制造成，在该金属氧化层(2)与绝电材料(3)之间不会出现相对移动。
12.一种金属导体(1)的绝电外皮，其特征在于，该金属导体(1)表面敷设金属氧化层(2)以及该金属氧化层(2)至少在局部被包覆绝电材料(3)。
13.按照权利要求12所述的绝电外皮，其特征在于，所述绝电材料(3)包含漆、塑料，尤其是塑料薄膜和/或纸。
14.按照权利要求12或13所述的绝电外皮，其特征在于，所述绝电材料(3)按层状构造。
15.一种利用经阳极氧化处理的铝带形成按照权利要求1至14中任一项所述的具有绝缘材料(3)的电绕组(6)的结构，其特征在于，在可去除的支架(5)上具有卷绕的经阳极氧化处理的铝带作为带有金属氧化层(2)的金属绕组导线(4)以构成线圈(6)，
布设作为带有抽头(8)的整个绕组的分段的多个线圈(6)并将它们串联连接；
在整个绕组中位于输入端和输出端的线圈(6)增添了绝缘材料(3)的附加覆层(3.1)。
16.按照权利要求15所述的利用经阳极氧化处理的铝带形成具有绝缘材料(3)的电绕组(6)的结构，其特征在于，在整个绕组(7)的起点/终点的抽头(8)处设有逐点的附加绝缘(8.1)(图3有附加绝缘的位置8.1和9，也可以参见权利要求19，其中采用了9；建议：通常仅采用9)。
17.按照权利要求15或16所述的利用经阳极氧化处理的铝带形成具有绝缘材料(3)的电绕组(6)的结构，其特征在于，在所述线圈(6)之间作为在整个绕组内的从线圈到线圈的防击穿设施而设置附加绝缘层作为薄膜的附加屏障(3.1)。
18.按照权利要求15至17中任一项所述的利用经阳极氧化处理的铝带形成具有绝缘材料(3)的电绕组(6)的结构，其特征在于，所述附加层(3.1)由薄膜构成。
19.按照权利要求15至18中任一项所述的利用经阳极氧化处理的铝带形成具有绝缘材料(3)的电绕组(6)的结构，其特征在于，所述逐点的附加绝缘(9)由薄膜构成。
20.按照权利要求15至19中任一项所述的利用经阳极氧化处理的铝带形成具有绝缘材料(3)的电绕组(6)的结构，其特征在于，在所述抽头(8)处设有由未经阳极氧化处理的铝带构成的联接端。
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