CN105144314A - 线轴和利用该线轴的变压器 - Google Patents

线轴和利用该线轴的变压器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种空气冷却式变压器(10)。其包括芯体(20)、内部绕组(30)、外部绕组(40)、位于内部绕组(30)和外部绕组(40)之间的空气间隙(50)和线轴(60)，外部绕组(40)在其外侧面上具有外边界面(42)，线轴(60)包括介电材料，定位在外部绕组(40)的外边界面(42)附近并从外部绕组(40)的外侧面支承外部绕组(40)，其中线轴(60)包括延伸到空气间隙(50)中的支承部分(70)，其特征在于，线轴(60)通过至少一个紧固元件(100)安装在芯体(20)上，并且紧固元件(100)适合于将线轴(60)和外部绕组(40)相对于内部绕组(30)进行定位，从而调整变压器(10)的寄生电感。

Description

线轴和利用该线轴的变压器
技术领域
本公开大体涉及变压器。具体地说，其涉及中频变压器，中频变压器在绕组之间具有空气间隙，并且具有至少一个用于使绕组彼此相对定位的紧固元件。
背景技术
冷却在变压器的设计中是一个关键方面，因为流过绕组的电流不可避免地产生了热量。同时，电绝缘是中频变压器的设计中的其中一个关键方面，尤其在高压(HV)绕组和低压(LV)绕组之间的绝缘。在高压绕组和低压绕组之间的电势的差异规定了所需要的最小电绝缘，最小电绝缘则依赖于在绕组和绝缘材料之间的距离。
在绕组之间的空气间隙中引进固体材料的构件(例如内部线轴)减小了间隙距离，并因此空气绝缘的介电强度容许电场贯穿固体绝缘体。传统地，在创造的线轴中，线轴的径向强度从线轴向外施加于绕组上，并且放置在内部绕组和外部绕组之间。因而，线轴的材料极大部分定位在内部绕组和外部绕组之间的间隙中。这需要在高压绕组和低压绕组之间的空气间隙较大，从而补偿线轴的固体材料的存在。
考虑到空气冷却方案用于具有极大的芯体和绕组造成的损失的情况，传统的线轴还禁止在朝着线轴定向的或与线轴接触的绕组部分上的高效气流，并减少局部热传递系数。尤其中频变压器通常具有过分要求的绝缘要求，并且由于它们的高操作频率而具有小的整体尺寸。因此，当试图实现缩小变压器尺寸的目的时，绝缘空气间隙变成了限制因素。
DE8007711U1公开了一种用于变压器的线轴框架，其具有用于承载内部绕组和外部绕组的伸长的内部支承部分和外部支承部分。绕组彼此不变地通过空气间隙而被间隔开。考虑到上面所述，需要一种具有线轴的变压器设计，其避免已知方案的缺点。
发明内容
上面提到的问题至少部分地通过根据权利要求1所述的变压器来解决。
在第一方面，提供了一种空气冷却式变压器，其包括芯体、内部绕组、外部绕组、位于内部绕组和外部绕组之间的空气间隙和线轴，外部绕组具有位于其外侧面上的外边界面，线轴包括介电材料，定位在外部绕组的外边界面附近并支承外部绕组，其中线轴包括延伸到空气间隙中的支承部分。变压器的特征在于，线轴通过至少一个紧固元件安装在芯体上，并且紧固元件适合于使线轴和外部绕组相对于内部绕组进行定位。
根据实施例的同心的变压器容许减少绕组之间的介电填充间隙的平均尺寸，因而减少了整体尺寸，同时保持低压绕组和高压绕组之间良好的绝缘属性。外部绕组主要从外部受到支承，其中该支承与绕组之间的间隙只有最小的干扰。另外，在实施例中，通过减少或省去在内部绕组和外部绕组之间提供的固体介电材料可改善冷却属性，同时冷却剂可接近增强的绕组表面。此外，根据实施例的变压器的寄生电感可很快且很容易进行调整。
根据从属权利要求、细节描述和附图，将进一步明晰本发明的方面、优势和特征。
附图说明
在说明书的其余部分，包括参照的附图，将为本领域中的普通技术人员更具体地描述完整且开放的发明公开，包括其最佳模式，其中：
图1示意性地显示了根据实施例的变压器的透视图；
图2示意性地显示了图1的变压器的侧视图；
图3示意性地显示了根据实施例的变压器的俯视图；
图4示意性地显示了根据实施例的用于变压器的线轴的透视图；
图5示意性地显示了图4的线轴的侧视图；
图6示意性地显示了图4的线轴的俯视图。
具体实施方式
现在将详细参考各种实施例，各图中显示了其一个或多个示例。各个示例是作为解释而提供的，而并不意味着限制意义。例如，作为一个实施例的一部分而显示或描述的特征可结合其它实施例使用，以产生更进一步的实施例。本发明公开意图包括这种改型和变体。
在图纸的以下描述中，相同的标号指相同的构件。总地说来，只有与单个实施例相关的差异会进行描述。当在图中出现几个相同的事物或部件时，不是所有的部件都具有标号，从而简化了外观。
该系统和方法并不局限于这里所述的特定的实施例，相反，该系统的构件和/或该方法的步骤可与这里所述的其它构件和/或步骤独立地和分开地进行利用。相反，典型的实施例可与许多其它应用结合起来实现和利用。
虽然在某些图中可能显示了而在其它图中没有显示本发明各种实施例的具体特征，但这仅仅出于方便的目的。根据本发明的原理，任何附图特征都可与任何其它附图的任何特征结合起来进行参照和/或申明权利。
根据实施例，提供了一种空气绝缘的变压器。其包括至少两个设于铁磁芯体上的绕组，在绕组之间具有空气间隙。内部绕组具有朝向外部绕组定向的外表面，并且外部绕组具有朝向内部绕组定向的内表面，以及相对于外部绕组的中心向外定向的外侧面。外部绕组由线轴来支承。线轴是用于导线的永久框架，用于形成绕组的形状，并使绕组易于组装到芯体中或芯体上。线轴定位在外部绕组的外边界面附近。因此，线轴的支承部分可延伸到内部绕组和外部绕组之间的空气间隙中。在实施例中，空气间隙具有在内部绕组和外部绕组之间具有较大距离的区域和具有较小距离的区域。优选地，在线轴的支承部分延伸到空气间隙中的实施例中，它们仅仅于在内部绕组和外部绕组之间具有较大距离的区域延伸到空气间隙中。
通过最大限度地减少，或者在某些实施例中完全避免在内部绕组和外部绕组之间的间隙中存在的介电线轴材料，可最大限度地减小在绕组之间的空间需求，同时保持预定的绝缘属性。换而言之，实施例容许减少或最大限度地减小空气间隙，同时保持限定的绝缘属性。最大限度地减小空气间隙还意味着可减少外部绕组的外部尺寸，并因而可减少变压器整体的外部尺寸。
图1显示了根据实施例的流体冷却式变压器10。变压器具有壳式芯体20，其具有三个柱脚22,23,24。纵向轴线L通过芯体20的中间柱脚23的扩展部分来限定，其中内部绕组30缠绕在该纵向轴线L的周围，纵向轴线L在以下也被称为轴线L或中间轴线L。包围内部绕组30的外部绕组40具有位于其外侧面上的外边界面42。在具有纵向轴线L的内部绕组和外部绕组之间，提供了空气间隙50，其通常以周向方向围绕内部绕组30和其纵向轴线L突出。线轴60形成外部绕组40的形状，包括介电材料的形状，线轴定位在外部绕组40的外边界面42附近并从外部绕组40的外侧面，换句话说从外部绕组40的径向向外的区域支承外部绕组40。通常，线轴60以周向方向围绕纵向轴线L包围外部绕组40的外边界面42。在实施例中，线轴60的支承部分70在外部绕组40的内侧部41上从纵向轴线L径向向外并平行于纵向轴线L而突出。
如图2中所描绘的那样，空气间隙50在周向方向上围绕内部绕组30和纵向轴线L而突出。换句话说，空气间隙50包围内部绕组30，并在内部绕组30和外部绕组40之间形成空间。由于内部绕组30和外部绕组40的矩形接地表面的基本圆柱形的几何形状，提供了至少一个在内部绕组30和外部绕组40之间具有第一距离d1的第一区域52，以及至少一个在内部绕组30和外部绕组40之间具有第二距离ds的第二区域54。虽然第一区域52的第一距离d1大于第二区域54。的第二距离ds，但是线轴60的支承部分70可优选仅仅在所述至少一个第一区域52中延伸到空气间隙50中。在图2中，变压器10典型地具有四个区域52，其具有较大的第一距离d1。四个支承部分70定位在基本矩形横截面的线轴60的转角区域中，支承外部绕组40，其中支承部分70安装在线轴60的沿着外部绕组的外边界面42而突出的那个部分上。在图2中，因为所示线轴60具有垂直于纵向轴线L的基本矩形的横截面，所以存在四个具有较大的第一距离d1的区域52以及四个具有较小的第二距离ds的区域54，其中在图2中只有两个是可见的。同区域52相比较小距离的区域54通过内部绕组30的平行侧部和外部绕组30的平行侧部来形成，各个绕组30,40具有基本矩形的横截面。
在实施例中，在内部绕组和外部绕组之间的空气间隙50还可基本或完全没有线轴60的介电材料。如图1和图2中所示，在这种情况下省略了从线轴延伸到空气间隙中的支承部分70。为了支承外部绕组，线轴60通过其它方法安装到线轴结构上。在实施例中，这可通过粘合剂，例如树脂，更具体地说环氧树脂或聚酯树脂来实现，其将外部绕组60固定在定位在其外边界面42周围的线轴上。也就是说，外部绕组40胶合在定位在其外边界面42上的线轴上。因此，绕组的单个导线通常被胶水或树脂浸没，即它们被胶水或树脂完全覆盖。在这种情况下，线轴60完全从外部绕组40的外部支承外部绕组40，线轴没有任何部分延伸到内部绕组30和外部绕组40之间的空气间隙50中。
如参照图1和图2所示，在实施例中，线轴60通常安装在芯体20上。这可通过至少一个紧固元件100来实现。这个紧固元件100适合于将线轴60和外部绕组40相对于内部绕组30定位在沿着纵向轴线L的方向上。通过改变线轴60相对于内部绕组沿着纵向轴线L的相对位置，可调整变压器10的寄生电感。
因此，在如图2所示的实施例中，紧固元件100通常从线轴60朝着芯体20径向向外地相对于纵向轴线L而延伸。线轴60的所述至少一个紧固元件100通常可移动地安装在芯体20的至少一个外部柱脚22,24上。这容许在与纵向轴线L平行的方向上调整线轴60和因而受其支承的外部绕组40，从而调整变压器的寄生电感。在图2中，显示了四个紧固元件100，其中两个安装在各个柱脚22,24上，通常是壳式芯体的外部柱脚22,24。各个紧固元件100通常包围相应的柱脚22,24。另外，紧固元件100可能仅仅部分地包围或围绕柱脚22,24，例如它们可能被设计为具有夹子形状，例如类似C形，并且可能例如只包围柱脚22,24的一半。不用说，技术人员可以很容易地找到紧固元件的许多变化，其被认为落在本公开的范围内。
在实施例中，芯体20通常包括非传导性铁素体材料或迭片式硅钢。
在图3中显示了两个几何平面a和b，其在纵向轴线L的方向上限定了内部绕组30和外部绕组40。线轴60的支承部分70(在图3中未显示，参阅图1和图2)通常突出到间隙50中，其是内部绕组30和外部绕组40之间的空间，位于两个平面a和b之间。
在图4中，显示了根据实施例的变压器10的线轴60。线轴60包括四个基本矩形部段110,112,114,116。各个部段110,112,114,116在两个相邻的支承部分70之间延伸，支承部分具有柱状伸长的形状。部段110,112,114,116共同形成笼状线轴60，其具有矩形的横截面。在实施例中，笼状线轴60具有立方体形状，其中部段110,112,114,116形成了立方体的六个面的其中四个面，并且省略了两个相反的侧面。在实施例中，矩形部段的数量可能不同，使得线轴60具有n边形横截面，其中n是例如，4,5,6或8。图5和图6显示了图4的线轴60的侧视图和俯视图。
在实施例中，变压器10的芯体20还可能是闭合芯体类型或D形类型，不同于图1至图3的实施例，图1至图3显示了壳式或E形类型的形状。在这种情况下，线轴围绕闭合芯体变压器的两个柱脚的其中一个柱脚而延伸，并且通常通过紧固元件100安装到第二柱脚，即另一柱脚上。
本说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还可使本领域中的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任何所含方法。虽然已经在之前公开了各种特定的实施例，但是本领域中的技术人员应该认识到权利要求的精神和范围容许实现等效的改型。尤其可将上述实施例的相互不排斥的特征彼此组合起来。本发明的可专利性范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求的字面语言的结构元件，或者如果其包括与权利要求的字面语言无实质差异的等效的结构元件，那么这些其它示例都属于权利要求的范围内。
部件列表：
10变压器；
20芯体；
22,23,24柱脚；
30内部绕组；
40外部绕组；
42外边界面；
50空气间隙；
52第一区域；
54第二区域；
60线轴；
70支承部分；
100紧固元件；
110,112,114,116矩形元件。

Claims (12)

1.一种流体冷却式变压器(10)包括：
芯体(20)，
内部绕组(30)，
外部绕组(40)，其在其外侧面上具有外边界面(42)，
位于所述内部绕组(30)和所述外部绕组(40)之间的空气间隙(50)，
线轴(60)，其包括介电材料，定位在所述外部绕组(40)的外边界面(42)附近，并支承所述外部绕组(40)，其中所述线轴(60)包括延伸到所述空气间隙(50)中的支承部分(70)，其特征在于，
所述线轴(60)通过至少一个紧固元件(100)安装到所述芯体(20)上，并且所述紧固元件(100)适合于将所述线轴(60)和所述外部绕组(40)相对于所述内部绕组(30)进行定位，从而调整所述变压器(10)的寄生电感。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述空气间隙(50)具有至少一个第一区域(52)和至少一个第二区域(54)，所述至少一个第一区域(52)在所述内部绕组(30)和所述外部绕组(40)之间具有第一距离，所述至少一个第二区域(54)在所述内部绕组(30)和所述外部绕组(40)之间具有第二距离，并且所述支承部分(70)在所述至少一个第一区域(52)中延伸到所述空气间隙(50)中，并且所述第一区域(52)的第一距离大于所述第二区域(54)的第二距离。
3.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于，所述空气间隙(50)于在所述内部绕组(30)和所述外部绕组(40)之间具有较小的距离的所述至少一个第二区域(54)中没有所述线轴(60)的材料。
4.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述紧固元件(100)从所述线轴(60)朝着所述芯体(20)在径向方向上相对于纵向轴线(L)向外突出。
5.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述线轴(60)可移动地安装在所述芯体(20)的柱脚(22,24)上，从而容许在与纵向轴线(L)平行的方向上的调整，以调整所述变压器(10)的寄生电感。
6.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述芯体(20)包括非传导性铁素体材料。
7.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述线轴(60)包括n个在相邻的支承部分(70)之间延伸的矩形部段(110,112,114,116)。
8.根据权利要求7所述的变压器，其特征在于，所述线轴(60)具有n边形的横截面。
9.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述线轴(60)包围所述外部绕组(40)的外侧面。
10.根据任何前述权利要求所述的变压器，其特征在于，所述芯体具有壳式形状和闭合芯体类型形状的其中一种形状。
11.根据权利要求1至9的其中一项权利要求所述的变压器，其特征在于，所述芯体(20)具有壳式形状，其具有承载内部绕组(30)的中间柱脚(23)，以及两个外部柱脚(22,24)，其中所述线轴(60)通过紧固元件(100)安装在至少其中一个外部柱脚(22,24)上，使得所述线轴(60)相对于所述内部绕组(30)在平行于所述纵向轴线(L)的方向上是可调整的，以调整所述变压器(10)的寄生电感。
12.根据权利要求11所述的变压器，其特征在于，所述线轴(60)相对于所述内部绕组(30)在至少一个垂直于所述纵向轴线(L)的方向上可通过所述紧固元件(100)进行调整，以调整所述变压器(10)的寄生电感。
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