CN102737813A - 液冷式感应部件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液冷式感应部件，其包括磁芯和压力件，压力件布置于磁芯的两个相对侧上并与磁芯直接地机械接触或者经由导热材料机械接触。提供缠绕在磁芯和压力件周围的绕组，使得压力件布置在磁芯的部分与绕组之间。压力件构造为包括冷却剂连接部的空心体，绕组的部分直接地在压力件上邻接或者经由导热材料在所述压力件上邻接。

Description

液冷式感应部件

技术领域

本发明涉及一种液冷式感应部件，并且特别涉及一种液冷式无源感应部件，诸如反应器或变压器(transformer)。

背景技术

多年以来，在工业转换器(converter)工程领域中已使用水冷式，或者更一般地使用液冷式感应部件，例如反应器和变压器。

存在冷却这种部件的不同方法。感应部件典型地由线圈(例如是由铜或铝制成的绕组)和磁芯(例如由软磁硅铁制成)组成。

已知的用液体冷却这种部件的方法在于用空心导体和/或铜管(液体必须流过其中)实现线圈。这由于流体的电导率而相对于所需的绝缘措施产生各种缺点。另外，仅有绕组(即线圈)本身可被冷却。在铁芯中出现的任何损耗经由其表面或多或少地继续发射至周围空气。

此外，存在这样的方法，其中将整个感应部件浸在其中具有流体的封闭容器中，从而冷却整个部件。例如，在DE 37 43 222A1中公开了这种装置的一种形式。正如显而易见的，这种过程使得在实现绝缘措施和密封需求方面需要相当大的花费。

通过其他已知的方法，将冷却板安装至感应部件的磁铁芯的前端。然而，通过这种变型，主要冷却磁铁芯，而绕组仅被较小程度地冷却。

从DE 1057219中可得知一种中频和高频电力变压器，其中用水冷却铁芯。

DE 28 54 520揭示了一种电线圈，其中，还用绕组缠绕管道(冷却剂可流过该管道)，所述管道表现出被平坦化的轮廓，与绕组紧密接触，并由非磁性的电绝缘材料组成。

WO 2009/143643A1描述了一种水冷式反应器，其中在至少两个盘形线圈之间布置平反应器。

发明内容

根据实施方式，液冷式感应部件可具有：磁芯；压力件，布置于磁芯的两个相对侧上并与磁芯直接地机械接触或者经由导热材料机械接触；绕组，缠绕在磁芯和压力件周围，使得压力件布置在磁芯的部分与绕组之间，其特征在于，压力件构造为包括冷却剂连接部的空心体，并且绕组直接地在所述压力件上邻接或者经由导热材料在所述压力件上邻接。

本发明的实施方式以这样的发现为基础：可以简单且有效的方式对感应部件实现液冷，因为将旨在在磁铁芯上施加压力以压紧(pressure-compact)或保持该磁铁芯的压力件构造为包括冷却剂连接部的空心体，以使得能够经由被构造为空心体的压力件冷却绕组和磁芯两者。

因此，本发明的实施方式使得液冷式感应部件能够具有可以尽可能低的成本制造的尽可能简单的结构。另外，本发明的实施方式使得能够从电线圈和从磁铁芯耗散在感应部件的操作中出现的全部耗散功率的几乎90％或更多的耗散功率。因此，本发明的实施方式使得部件与现有技术相比能够小得多、更轻、更简单且由此更便宜。

在本发明的实施方式中，压力件在其两个相互隔开的端部区域中具有两个冷却剂连接部，该两个冷却剂连接部通过流体通道连接。在本发明的实施方式中，流体通道包括多个部分，该多个部分具有分布在流体通道上的不同流动横截面，以使得能够在流体通道内产生湍流。在实施方式中，空心体的内壁限定第一横截面，空心体中设置有流动横截面减小装置，该流动横截面减小装置使流体通道的流动横截面与第一横截面相比至少在部分中减小。因此，可在流体通道内实现明显增加的冷却剂流速。此外，可能够通过流体通道产生冷却剂湍流。

在本发明的实施方式中，压力件的邻接有绕组的那些区域的横截面是弯曲的，例如，是环状扇形形状，特别是半圆形形状。结果，绕组的长度的大部分(例如绕组的整个长度的至少50％或至少60％)在压力件上邻接，使得从绕组到压力件的良好热传递是可能的。

在本发明的实施方式中，进一步提供热绝缘材料，该热绝缘材料至少设置于绕组上以防止热量辐射至环境。这使得能够以有利的方式进一步减小辐射至环境的散热。

在本申请的上下文内，可将空心体理解为这样的本体，该本体包括围绕内腔的外壁，该外壁表现出5mm的最大壁厚。在本发明的实施方式中，可将空心体理解为表示半管(semi-pipe)、扇形管或包括至少部分地(至少在绕组邻接的地方)弯曲的扇形的结构，所述结构具有5mm的最大壁厚。

在本发明的实施方式中，将冷却空心体用作压力件，这带来了相当多的优点。一方面，可减小或避免由于组成压力件的材料的可能存在的反向磁化能力而引起的额外损耗、以及如果材料是导电的而可能出现的额外的涡流(eddy-current)损耗。在本发明的实施方式中，压力件由导电金属材料组成，因为其他材料(例如基于塑料的材料)表现出差得多的热导率值。

附图说明

下面将参考附图详细描述本发明的实施方式，在附图中：

图1A和图1B示出了根据本发明实施方式的液冷式感应部件的示意性立体图和分解图；

图2A和图2B示出了压力件的示意性立体图和示意性横截面图；

图3A和图3B示出了可替换压力件的示意性立体图和示意性横截面图；

图4A和图4B示出了压力件的另一可替换实例的示意性立体图和示意性横截面图；

图5和图6示出了根据本发明可替换实施方式的液冷式感应部件的示意图。

具体实施方式

本发明的实施方式涉及例如一种液冷式无源感应(电磁)部件，诸如反应器或变换器。本发明的实施方式能够从电线圈(即绕组)和从磁芯本身经由冷却剂发射在操作过程中出现的热耗散功率。在本发明的实施方式中，绕组可由塑料绝缘的铜或铝组成。在本发明的实施方式中，铁芯例如可由诸如如硅板的软磁铁板组成。在本发明的实施方式中，可用水作为冷却剂。

能量和材料成本的大幅度增加导致电子和电磁部件的制造商转向更加有效、紧凑且更高性能的部件。本发明的实施方式提供了一种满足现代技术要求并符合以上要求的液冷式感应部件。感应部件(例如反应器和变换器)典型地以三相设计的方式在中性能至高性能范围内(高达几兆瓦)构造。因此，本发明的液冷式感应部件的实施方式可涉及这种三相设计。对于这种结构，可得到规范尺寸的标准磁芯。同样地，从各种制造商可得到线圈形状、绝缘材料、齿根角和所谓的压力件以及用于许多标准尺寸的其它标准部件。本发明的实施方式使得能够利用这种标准部件。

在已知的感应部件中，所谓的压力件用于牢固地机械压紧由分层铁板组成的磁铁芯。通常，压力件是由铝或其他金属或甚至塑料制成的简单的扁平物。在本发明的实施方式中，由多个决定性的功能精确地延伸所述压力件。

图1A和图1B示出了三相设计的本发明实施方式。

图1A和图1B所示的液冷式感应部件包括磁芯10。磁芯10包括三个在其端部经由磁轭12、14连接的相互隔开的腿10a、10b、10c。磁芯可以已知的方式由分层铁片组成，或可例如由软磁分层硅铁组成。

如图1A和图1B所示，对于磁芯的每个腿，在磁芯10的两个相对侧上布置有压力件，即，用于右手腿10a的压力件16a和18a、用于中心腿10b的压力件16b和18b、以及用于左手腿10c的压力件16c和18c。在所示实施方式中，压力件与磁芯直接机械接触。在可替换实施方式中，可在压力件与磁芯之间布置导热材料。

压力件可由任何适当的导热材料形成，导热材料诸如铝、其他金属或导热塑料。

在磁芯的右手腿10a以及压力件16a和18a周围缠绕绕组20a，使得压力件16a和18a布置在磁芯的部分与绕组20a之间。类似地，在中心腿10b以及压力件16b和18b周围缠绕绕组20b，并且，类似地，在左手腿10c以及压力件16c和18c周围缠绕绕组20c。如图1A所示，磁芯10的部分和压力件16a至18c的部分在绕组20a、20b、20c的顶侧和底侧上从绕组伸出。

绕组可由绝缘铜线组成；绝缘铜线的绝缘材料可包括优选地具有高热导率的塑料。

在实施方式中，可以单股方式缠绕绕组。

压力件16a至18c形成为在相互隔开的端部区域处包括相应的冷却剂连接部22的空心体。冷却剂连接部22中的一些可经由流体管线24彼此连接，以执行串行液体循环。

因此，在图1A和图1B所示的实施方式中，压力件18a的下冷却剂连接部22连接于压力件16a的上冷却剂连接部22，压力件16a的下冷却剂连接部22连接于压力件16b的上冷却剂连接部，压力件16b的下冷却剂连接部连接于压力件16c的上冷却剂连接部，并且压力件16c的下冷却剂连接部代表入口或出口连接部，串行液体循环可经由入口或出口连接部与外部冷却循环连接。

以类似的方式，压力件的冷却剂连接部可在后侧上彼此连接，以完成串行液体循环，后侧上的冷却剂连接部的其中一个可用作入口/出口连接件。例如，压力件18a的上冷却剂连接部可连接于压力件18b的下冷却剂连接部，压力件18b的上冷却剂连接部可连接于压力件18c的下冷却剂连接部，并且压力件18c的上冷却剂连接部可代表入口/出口连接件。对于本领域的任何技术人员来说显而易见的是，其他流体连接部也是可能的。

如可在图1A中看出的，绕组20a、20b和20c的部分在它们所缠绕的相应压力件上直接邻接。在可替换实施方式中，绕组的相应部分可经由导热材料在压力件上邻接。

在图1A和图1B中用参考标号28表示用于相应绕组的电连接。

图1A和图1B进一步示出了在感应部件的顶侧和底侧上包括U形承载件30、32、34和36的固定件。顶侧和/或底侧上的U形承载件可附接至(例如焊接至)支撑板。在图1A和图1B中用参考标号38表示用于上支撑部30和32的支撑板。提供可设置有螺纹的张力杆40，使得在使用相应的螺母42和可选的垫片44的同时可在U形承载件30、32、34和36之间拉紧液冷式感应部件。为了改进对感应部件的支撑，可分别在U形承载件处设置向内伸出的舌部46，舌部46与磁轭12、14的区域中的磁芯接合。

在图1A和图1B所示的实施方式中，压力件16a、16b、16c、18a、18b和18c构造为半管形式的空心体。可由冷却剂连接部22实现通过压力件的内腔的相应液流，使得压力件可用作冷却压力件。因此，除了具有牢固地机械压紧和/或将层压铁芯保持在一起的任务之外，压力件还具有冷却铁芯和绕组的任务，因为冷却剂流过被构造为空心体的压力件。

如图1A所示，压力件16a、16b、16c、18a、18b和18c的平坦侧在磁铁芯10的相应部分上直接邻接。在所示实施方式中，用总共六个压力件构造整个感应部件(该感应部件可能是反应器)，使得产生非常大的表面积，在该表面积处，磁铁芯中产生的散热可直接泄漏至冷却剂。经由所述路径的热阻与如果必须将产生的耗散功率经由磁铁芯的表面发射至周围空气的情况相比要小许多倍。因此，仅留下小部分的发射至周围空气的“铁耗”。

从被实现为半管的压力件产生的第二主要优点在于，绕组可在半圆上被放置得机械上非常紧密。结果，这里，从绕组材料(即缠绕线圈的材料)向接收耗散功率能量的压力件也可出现非常低的热阻。例如，如果某人观看整个反应器的机械结构，那么，绕组全长(即线圈全长)的大约2/3可在压力件上直接邻接。剩余的1/3在铁芯(即相应的腿)上机械地邻接。因此，根据热阻来分离出现在由绕组形成的电线圈中的耗散功率，并且其大部分经由绕组的材料(例如铜)在压力件的方向上直接流动，即，在绕组在压力件上邻接的地方流动。剩余的经由铁芯的相对低热阻回到压力件中，即，通过芯部的中心、经由压力件在磁芯上邻接的表面回到压力件中。

在本发明的实施方式中，可通过适当的措施来减小压力件内的流动横截面，使得压力件内的流体从层流过渡至湍流。为此目的，横截面的减小可能导致更高的流速，这也有助于减小过渡阻力。在图2至图4中示出了如何可实现横截面减小的实施方式。在这方面，应注意的是，在图2至图4中，压力件的壁被示为是透明的，以使得能够看到其内部活动。

图2A示出了具有两个冷却剂连接部22的压力件16的实例，其中所述冷却剂连接部与压力件的内腔建立流体连接。通过压力件的内壁52限定压力件16的第一流动横截面。在图2A和图2B所示的实施方式中，通过布置于内腔内的本体54减小此流动横截面。在冷却剂连接部22的区域中，本体54具有第一横截面，在其中心区域中其具有比第一横截面大的第二横截面。在所示实施方式中，本体54在横截面之间表现出连续过渡。

在图3A和图3B中示出了可替换实施方式，其中本体56形成为在压力件16的内腔50内实现均匀的减小的流动横截面。

图4A和图4B示出了压力件16的实施方式，其中，实现压力件16的内部空间50内的横截面的一部分一部分地(portion-by-portion)逐渐变细。如图4A所示，沿着压力件的分布位置具有布置于那里的阻挡件60，阻挡件使得流动横截面一部分一部分地减小。更特别地，在此实施方式中，阻挡件60的与压力件16的壁52的内表面接合的边缘包括凹槽62，通过这些凹槽与壁的内表面一起限定流动横截面。

对于本领域的技术人员来说显而易见的是，除了图2至图4所示的流动横截面减小装置以外，可提供其他装置来实现至少一部分一部分地减小横截面。例如，压力件的内壁可设置有相应的伸出部，以实现流动横截面一部分一部分地或连续地减小。

使用被构造为冷却压力件的压力件的所述过程使得能够将感应部件处出现的任何耗散功率以目标方式从绕组和磁芯两者发射至液体冷却剂中。在此上下文中，感应部件的全部耗散功率的大于90％的耗散功率可进入流过压力件的冷却剂中。

为了甚至进一步减小经由空气发射的耗散功率，在本发明的实施方式中，通过使用适于此目的的材料可使感应部件(例如绕组、暴露的层叠片等)的较大表面积朝着外部热绝缘。例如，适当的绝缘材料可以是纺织品材料、纤维材料等。

在图5和图6中示出了本发明的一个实施方式，其中在绕组上设置热绝缘材料。图5和图6所示的实施方式与以上参考图1A所示的实施方式相应，除了以下方面之外：在绕组的顶侧和底侧上设置热绝缘材料70、72，并且在绕组的侧面上进一步设置热绝缘材料74。在图5中的图示中，已经省略了侧面上的绝缘材料。通过提供相应的热绝缘材料，因为对周围空气的热阻有效地增加，所以可进一步改进相对于周围空气与压力件16a至16c内的流体的热连接。因此，图5和图6所示的实施方式使得能够甚至更有效地发射耗散热量。

因此，本发明的实施方式提供了一种特别适合于转换器应用的液冷式感应部件。在本发明的实施方式中，制成半管或同等/相似形状的压力件构造为能够将感应率的耗散功率从磁铁芯和从携带电流的导体材料发射至冷却液中。在可替换实施方式中，压力件的邻接有绕组的区域的形状可大致是弯曲的、可具有环状扇形(ring segment)形状、可以是多角形的或半椭圆形的。

在本发明的实施方式中，可提供用于减小冷却剂/冷却液流动的有效横截面的适当措施，以使冷却液的流速产生相当大的增加，并由此产生湍流，其结果是可实现从磁铁芯和从电绕组进一步相当大地减小热阻。相应的流动横截面减小装置可构造为，与由内壁限定的流动横截面相比，将流动横截面至少部分地减小大于50％、大于80％、或大于90％。

在本发明的实施方式中，可在部分感应部件周围或在整个感应部件周围缠绕适当的热绝缘材料，以进一步减小经由感应表面发射的耗散功率。如以上参考图5和图6说明的，例如，绕组可设置有热绝缘材料。可替换地，磁芯10的那些部分以及在绕组的两侧上伸出的压力件16a、16b、16c、16d、16e和16f的那些部分也可设置有热绝缘材料。提供这种热绝缘材料可有助于极大地增加从感应表面到周围空气的热阻，这导致最初发射的耗散功率的剩余部分也将在压力件的方向上流走，使得可将感应部件的几乎100％的耗散功率传送至冷却剂中。

以上通过三相感应部件描述了本发明的一个实施方式。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，感应部件也可由不同数量的相组成，即，可由设置有压力件和绕组的磁芯的相应部分组成。例如，本发明的实施方式可表现出单相、双相或四相设计。

在本发明的实施方式中，磁芯包括可能螺接在一起的分层铁片。在可替换实施方式中，可仅通过压力件和绕组以及附加的固定元件(见图1A和图1B中的舌部46)将分层铁板保持在一起。在可替换实施方式中，磁芯可以是紧凑型磁芯。

在本发明的实施方式中，在压力件的相互隔开的端部区域中布置冷却剂连接部。在本发明的可替换实施方式中，冷却剂连接部可布置在不同的位置。在本发明的实施方式中，流体地连接冷却剂连接部的流体通道使得冷却剂能够基本上沿着压力件的整个长度流动。例如，可在压力件的一个端部的区域中和再分流体通道中设置两个冷却剂连接部；在一半中，存在从压力件的设置冷却剂连接部的一端到相对端的冷却剂流，并且在另一半中，出现相应的回流。

在本发明的实施方式中，多个压力件的冷却剂连接部经由压力件外部的一个或几个流体管线连接，以实现串行或并行的冷却循环。

Claims (13)

1.一种液冷式感应部件，包括：

磁芯(10)；

压力件(16a、16b、16c、18a、18b、18c)，布置在所述磁芯(10)的两个相对侧上，并且与所述磁芯(10)直接地机械接触或者经由导热材料机械接触；

绕组(20a、20b、20c)，缠绕在所述磁芯和所述压力件(16a、16b、16c、18a、18b、18c)周围，使得所述压力件布置在所述磁芯(10)的部分与所述绕组(20a、20b、20c)之间，

其特征在于，所述压力件(16a、16b、16c)构造为包括冷却剂连接部的空心体，并且所述绕组的部分直接地在所述压力件上邻接或者经由导热材料在所述压力件上邻接。

2.根据权利要求1所述的液冷式感应部件，其中，每个压力件(16a、16b、16c)均包括两个冷却剂连接部(22)和流体地连接所述冷却剂连接部的流体通道。

3.根据权利要求2所述的液冷式感应部件，其中，所述流体通道包括多个部分，所述多个部分包括分布在所述流体通道上的不同流动横截面。

4.根据权利要求2所述的液冷式感应部件，其中，所述空心体的内壁(52)限定第一横截面，所述空心体中设置有流动横截面减小装置(54；56；60)，所述流动横截面减小装置使所述流体通道的流动横截面与所述第一横截面相比至少在部分中减小。

5.根据权利要求4所述的液冷式感应部件，其中，所述流动横截面减小装置使流动横截面至少在部分中减小大于50％、大于80％或大于90％。

6.根据权利要求4所述的液冷式感应部件，其中，所述流动横截面减小装置使所述流体通道的流动横截面在部分中减少至多种程度，以能够通过所述流体通道产生冷却剂湍流。

7.根据权利要求1所述的液冷式感应部件，其中，所述压力件(16a、16b、16c、18a、18b、18c)的邻接有所述绕组(20a、20b、20c)的区域的横截面是弯曲的。

8.根据权利要求7所述的液冷式感应部件，其中，所述压力件(16a、16b、16c、18a、18b、18c)的邻接有所述绕组(20a、20b、20c)的区域在其横截面中具有环状扇形形状，并且特别是半圆形形状。

9.根据权利要求1所述的液冷式感应部件，其中，所述压力件(16a、16b、16c、18a、18b、18c)被构造为半管。

10.根据权利要求1所述的液冷式感应部件，进一步包括热绝缘材料(70、72、74)，所述热绝缘材料至少设置于所述绕组(20a、20b、20c)上以减少向环境的热量辐射。

11.根据权利要求1所述的液冷式感应部件，其中，所述磁芯(10)包括多个腿(10a、10b、10c)，所述多个腿经由所述腿的两端处的磁轭(12、14)连接，对于所述磁芯的每个腿提供两个压力件，在每个腿和相关压力件周围缠绕单独的绕组。

12.根据权利要求1所述的液冷式感应部件，其中，所述磁芯(10)和所述压力件(16a、16b、16c、18a、18b、18c)包括这样的横截面形状，该横截面形状使得所述绕组的整个长度的至少50％或至少60％在所述压力件上邻接。

13.根据权利要求1所述的液冷式感应部件，其中，多个压力件的冷却剂连接部经由所述压力件外部的一个或多个流体管线连接，以实现串行或并行的冷却循环。

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