CN107210110A - 电导线布置和用于制造电导线布置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电导线布置，包括导线束，所述导线束具有至少一根单独的电缆和至少一条冷却管路，冷却流体要流过所述冷却管路。为了将所述导线束热连接至所述至少一条冷却管路，所述至少一条冷却管路的一部分和所述导线束嵌入低熔化温度金属中，其中，所述至少一根单独的电缆的绝缘护套实施为塑料绝缘材料、优选地为聚酰亚胺绝缘材料或为聚酯绝缘材料。本发明还涉及一种用于制造这类布置的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种电导线布置，其包括导线束，所述导线束具有至少一根单独的电缆和至少一条冷却管路，冷却流体要流过所述冷却管路。本发明还涉及一种用于制造这类电导线布置的工艺。
背景技术
水冷式电线形式的电导线布置已经在现有技术中已知一段时间，例如，带有由电线匝形成的绕组的电线圈或电磁线圈的形式。线圈的电阻引起线圈加热，从而使得被供应较高功率的线圈通常必须冷却以将线圈保持在某一最佳工作温度范围内。
从冷却这类线圈的实际经验已知将线圈的电导线实施为空心导线(例如，空心铜导线形式)，电线冷却流体(通常为水)流过其空心内部来使产生的焦耳热效应消散。从实际经验中还已知将线圈的绕组做成平整几何形状，例如，做成所谓的“煎饼形状”，从而使得绕组的边缘冷却高效。在较低功率密度下，还已知通过风冷来冷却绕组。
现有技术中已知的空心铜导线的缺点在于，对于小线圈而言，它们相对低效且昂贵，因为流阻ρ随着冷却通道半径的减小而急剧升高，因为根据泊肃叶公式，流阻ρ与r-4成比例(ρ～r-4)。另一方面，扁平的煎饼形几何形状对于许多应用而言不切实际。已知的风冷仅对于低电输出和对于非紧凑几何形状而言起作用。
JP 3841340 B2提出了带有矿物绝缘电缆(NIC)的线圈，其中，例如，铜导线通过氧化镁包围层绝缘，所述氧化镁包围层进而被铜护套包围。为了冷却线圈，提出了用低熔化温度金属包裹线圈的矿物绝缘电缆，所述金属在电缆与线圈的、水流过其中的一个或多个冷却管路之间形成热连接。然而，这种方法的缺点为矿物绝缘电缆的使用不适合于许多应用，因为它们比较昂贵，并且特别是由于这类矿物绝缘电缆的直径比较大，不能以期望的功率密度实现小的高性能线圈。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的流体冷却式电导线布置，通过其可以避免常规技术的缺点。具体地，本发明的目的是提供一种流体冷却式电导线布置，其可以被紧凑地布置并且同时甚至在被供应高功率密度时高效地冷却，并且其优选地制造成本低。本发明的另一个目的是提供一种用于制造这类布置的方法，其具体特征在于简化的过程控制。
这些目的通过具有独立权利要求1所述的特征的电导线布置和通过具有独立权利要求2所述的特征的方法实现。本发明的有利实施例和应用是从属权利要求的主题并且部分参考各图在以下描述中进行了更详细的描述。
根据本发明的电导线布置包括导线束，所述导线束具有至少一根单独的电缆和至少一条冷却管路，冷却流体要流过所述冷却管路。单独的电缆应理解为绝缘金属电线，即带有绝缘护套的金属电线。金属电线可以是铜电线。至少一个冷却通道可以被实现为铜管。导线束优选地由多根单独的电缆组成，但还可以由仅一根单独的电缆组成。
根据本发明的一般方面，达到所提到的目的在于，为了将导线束(即，该或这些单独的电缆)热连接到至少一条冷却管路，所述至少一条冷却管路的一部分和所述单独的电缆嵌入低熔化温度金属中，其中，所述单独的电缆的绝缘护套实施为塑料绝缘材料。
使用根据本发明的布置，一方面由于低熔化温度金属的通常固有的高导热性和另一方面由于电线上的薄绝缘护套形成金属电线的塑料绝缘材料与低熔化温度金属之间的大接触表面，从单独的电缆的金属电线到冷却管路之间实现高导热。
令人惊奇地，发明人发现尽管常规电线的薄塑料绝缘材料，当所述电线嵌入熔化后的导电低熔化温度金属时也不发生短路。在本发明的范围内的实验表明市售的电线的电气塑料绝缘材料足以防止这类短路。
特别优选的实施例在这种情况下提供了塑料绝缘材料是聚酰亚胺绝缘材料或聚酯绝缘材料。特别有利的聚酰亚胺绝缘材料变体是挤出护套。特别有利的聚酯绝缘材料变体是聚酯漆绝缘材料。这些变体具有以下优点：聚酰亚胺或聚酯绝缘材料与常见的低熔化温度金属(特别是锡铋合金)之间不发生破坏性化学反应。
这些绝缘材料变体相比于矿物绝缘材料还具有以下优点：两种绝缘材料变体均能够实现无限的电线弯曲半径并且令人惊奇地关于有孔或破裂引起的短路比矿物绝缘材料鲁棒得多。
聚酯漆绝缘电线的特定优点还有它们制造成本低，从而使它们总体上比典型的矿物绝缘电缆便宜高达50倍。
本发明的另一个优点是在通过经由低熔化温度金属热连接至单独的电缆的单独专用冷却通道进行冷却的过程中，可以独立于电线的直径指定所述冷却通道的直径，这准许更大幅度高效地优化冷却和独立于其指定电压/电流强度比。这个优点对于小线圈特别有意义，因为水流具有强光线性度(参考泊肃叶公式)。
低熔化温度金属(以下简称LMTM))的概念也意在包括低熔化温度金属合金。因此，低熔化温度金属应理解为具有第一熔化温度的金属或合金。这类金属又称为低熔化金属或金属合金。用于热连接单独的电缆的低熔化温度金属具有特别高的导热性。
低熔化温度金属优选地具有低于260℃的熔点、进一步优选地低于150℃的熔点。低熔化温度金属可以是例如锡铋合金、锡铅合金或钎焊合金。在本发明的范围内，低熔化温度金属可以含有至少一种金属或选自锡、锡铅、锡锌或锡铋合金的一种合金。
绝缘护套的材料的所指定的最大目标工作温度优选地大于低熔化温度金属的熔化温度，从而使得确保单独的电缆的绝缘材料在引入已熔化金属时不损坏。
导线束优选地通过使用低熔化温度金属铸造来永久性地牢固粘结到至少一条冷却管路的一部分上以确保良好热连接。
本发明的突出应用涉及电导线布置的实施例作为液冷式电线圈或电磁线圈，其中，所述具有至少一根单独的电缆的导线束形成所述线圈的至少一个绕组。在这种情况下，冷却管路的嵌入低熔化温度金属中的部分优选地是圆形的。
因为塑料绝缘材料电线的使用，可以紧凑且廉价地提供以此方式实现的线圈，并且由于高效冷却，同时可以为其提供高性能。在本发明的范围内，在这种情况下，线圈可以具有空心圆环形线圈架，作为所述线圈的至少一个绕组的载体，所述线圈架围绕所述至少一个绕组和冷却管路的嵌入部分。这类空心圆环形线圈架另外提供以下优点：其在线圈制造过程中可以同时用作铸模。冷却管路可以例如实施为铜管和/或基本上在线圈架的空心空间的中心延伸并且因此均匀地被线圈的绕组包围。可以用于排空线圈架的入流管或排放管形成为真空铸造工艺的一部分并且对于引入已熔化低熔化温度金属而言可以另外附接至线圈架上。
根据本发明，还提出了一种用于制造以上公开的本发明的电导线布置的方法。根据本发明的一般方面，通过真空铸造工艺将导线束或单独的电缆和至少一条冷却管路的一部分嵌入低熔化温度金属中。
通过真空铸造工艺引入已熔化低熔化温度金属防止形成气泡，另外确保甚至在收缩时电线之间无间隙。
有利的变化在这种情况下提供了线圈架被配置为真空密闭的并且因此可以用作铸模。真空铸造工艺可以包括以下步骤：
各自与线圈架的空心空间流体连通的入流管和出流管附接至所述线圈架。在线圈架排空之前，使用低熔化温度金属、优选地使用在后续真空铸造工艺中引入线圈架中以便热连接所述线圈架的低熔化温度金属密封入流管。入流管可以例如通过将入流管的开口浸入少量已熔化低熔化温度金属(其随后再次凝固并由此密封所述开口)中来进行密封或堵塞。
然后经由出流管排空线圈架的、线圈绕组和冷却管路的一部分所位于的内侧。在这种情况下，已经表明使用低真空泵实现排空是高效的。在排空线圈架之后，密封入流管的低熔化温度金属例如通过为其供应电流和由此将线圈加热至高达略微高于LMTM的熔化温度的温度而熔化。在通过熔化LMTM而重新打开入流管之前，入流管被定位成使得其进入口被浸入液态LMTM的储器中，从而使得在入流管中的LMTM熔化之后，通过线圈架中的真空力驱出的已熔化LMTM流出所述储器进入线圈架的空心空间，直到线圈架中的其余空心空间中填满LMTM。LMTM然后通过冷却下来而凝固。
附图说明
为了避免重复，仅根据所述装置公开的任何特征应视为被公开并且还可作为所述制造工艺的一部分而要求保护。以下参考相关联附图描述了本发明的另外的细节和优点。附图示出：
图1为根据本发明的一个实施例的线圈的一部分的示意性截面图；
图2为线圈的透视图，其中为了说明的目的，已经省略了外体的四分之一和LMTM的填充；
图3为图示了制造工艺的步骤的流程图；并且
图4为根据本发明的另外一个实施例的线圈的示意性透视图。
具体实施方式
下图描述了水冷式线圈作为本发明的突出应用实例，及其制造工艺。在所有图中用相同的参考数字表示完全相同或功能等效的元件。
图1和图2示意性地图示了水冷式线圈的实施例。线圈1包括是空心圆环形的铜质外体6。图1示出了沿图2的截平面A-A的截面，以图示圆环面的子午线，而图2示出了线圈1的透视图，其中，省略了外体6的八分之一和在这个点处的低熔化温度金属5以使得内部结构清晰。
在图1和图2中可以看出冷却流体(优选地水)要流过的冷却管路的圆形部分4在由线圈外体6形成的空心内部空间的中心延伸。冷却通道的部分4由直径为3mm的空心铜管道的单个绕组形成。水经由入流管路4a进入圆形管路部分4并且经由出流管路4b再次引出线圈架6。未图示冷却回路的以本身已知的方式设计的其余部分。
围绕水冷管4布置铜电线的多个绕组，从而使得在图2的图示中，冷却管的圆形管路部分4大部分被绕组覆盖。在本实例中有60个绕组。所述绕组因此由单独的电缆2组成，所述电缆的电导线由包覆有聚酰亚胺绝缘材料或聚酯绝缘材料3的铜电线形成。单独的电缆2或绕组通过使用低熔化温度金属(LMTM)5铸造来永久性地牢固粘结至冷却管路的圆形部分4上。LMTM 5因此填入电缆与冷却管路的部分4之间的所有间隙空间中，并且因此将在线圈工作期间产生的单独的电缆2的热量传导至冷却管路的部分4，当线圈工作时，水流过所述冷却管路。
应强调的是，图1和图2仅示出了示意图并且绕组之间的实际距离小于实际图示的距离。单独的电缆3的直径在本实施例中例如是1.2mm，而冷却管路的直径是4mm。这些细节仅仅是举例并且可以取决于应用区域而根据线圈加以修改。
图2此外示出了用于为绕组供应电流的电连接电缆2a。在本实例中，挤出用作聚酰亚胺绝缘材料的实例。根据制造商的数据，电线的最大目标工作温度是230℃并且因此显著低于所使用的锡铋合金的熔化温度。绝缘材料因此当引入已熔化的锡铋合金时不被损坏。
Stefan Maier GmbH的W210型聚酯漆绝缘材料用作聚酯实例。使用真空铸造工艺引入线圈架6中的锡铋合金用作LMTM 5。
这类水冷式线圈用于不同的技术领域中，例如，物理实验、紧凑型大功率变压器或各种紧凑型致动器装置。
以下基于图3更详细描述了线圈1的有利制造工艺。
在步骤S1中，线圈架6准备用于真空铸造工艺。在这种情况下，将上述单独的电缆2的绕组和冷却管的圆形部分4引入线圈外体6的空心空间中。为此目的，线圈外体6可以例如由两个半壳形成，所述半壳围绕单独的电缆2和冷却管部分4放置，并且通过钎焊真空密闭连结在一起。线圈外体6具有用于冷却回路的入流管路和出流管路4b的通孔。此外，入流管7(参见图4)和出流管8附接至线圈架6上。出流管8还用作连接的低真空泵的排放管。
入流管7的开口变窄为大致1mm2的空隙，从而使得LMTM流速(参见步骤S6)减小一个到两个数量级并且减小至大约一升/分钟。由此可以确保LMTM在铸造步骤过程中以受控方式流入和流出并且不到达所连接的低真空泵，而是替代地一旦已经填满线圈架6就堵塞排放管8。因此，可以防止线圈中的真空气泡和对低真空泵的损坏。
随后，在步骤S2中，通过将入流管7浸入少量LMTM(在此为锡铋合金)中来密封入流管7。然后，已熔化的锡铋合金在入流管7中凝固并阻塞所述入流管。然后在步骤S3中，排放管8连接至低真空泵，并且使用线圈绕组排空线圈架6，即，使用低真空泵将其抽干。
然后在步骤S5中将入流管7的之前堵塞的开口浸入容纳已熔化状态的LMTM的储器中。此外，通过为线圈供应电流来将线圈加热至高达140℃的温度，即，略微高于LMTM的熔化温度(在这种情况下是132℃)的温度。因此，入流管7的由LMTM材料形成的堵塞熔化，从而使得来自储器的、由真空力驱动的LMTM现在经由不再阻塞的入流管7流入线圈架6的内部并且填满所述线圈架，从而使得单独的电缆2的绕组和线圈架6的内部中的冷却管4完全嵌入有LMTM并且因此彼此热联接在一起。然后，冷却线圈，从而使得LMTM凝固(步骤S6)。
线圈架6的内部容积排空(步骤S3)与后续倒入已熔化的LMTM(步骤S6)之间的分开可靠地防止形成气泡和改进从线圈到冷却管路并且因此到冷却流体的热传递。
图4示出了图2的线圈1，区别在于，如上所述，入流管7和出流管8此外设置在线圈外体6上并且可以在铸造工艺完成之后移除。
尽管已经参考特定实施例描述了本发明，但对于本领域的技术人员而言明显的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变并且等效物可以用作替代品。此外，在不脱离相关联范围的情况下，可以进行许多修改。因此，本发明不应局限于所公开的实施例，而是本发明应包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施例。具体地，无论引用哪个权利要求，本发明还要求保护从属权利要求的主题和特征。
Claims (9)
1.电导线布置，包括：
导线束，所述导线束具有至少一根单独的电缆(2)；以及
至少一条冷却管路(4，4a，4b)，冷却流体要流过所述冷却管路，
其中，为了将所述导线束热连接至所述至少一条冷却管路(4，4a，4b)，所述至少一条冷却管路(4，4a，4b)的一部分(4)和所述导线束嵌入低熔化温度金属(5)中；
其特征在于，所述至少一根单独的电缆(2)的绝缘护套(3)实施为塑料绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的电导线布置，其特征在于，所述塑料绝缘材料是聚酰亚胺绝缘材料或聚酯绝缘材料。
3.根据权利要求1或2所述的电导线布置，其特征在于，所述导线束通过使用所述低熔化温度金属(5)铸造来永久性地牢固粘结到所述至少一条冷却管路(4，4a，4b)的所述部分(4)上。
4.根据权利要求2或3所述的电导线布置，其特征在于，
(a)所述聚酰亚胺绝缘材料是挤出护套；和/或
(b)所述聚酯绝缘材料是聚酯漆绝缘材料；和/或
(c)所述单独的电缆(2)的电导线是铜电线。
5.根据以上权利要求之一所述的电导线布置，其特征在于，
(a)所述低熔化温度金属(5)具有低于260℃的熔点、进一步优选地低于150℃的熔点；和/或
(b)所述低熔化温度金属(5)是锡铋合金、锡铅合金或钎焊合金；和/或
(c)所述低熔化温度金属(5)含有至少一种金属或选自锡、锡铅、锡锌和锡铋合金的一种合金。
6.根据以上权利要求之一所述的电导线布置，其特征在于，该布置被配置为液冷式电线圈或电磁线圈(1)，其中，具有所述至少一根单独的电缆(2)的所述导线束形成所述线圈的至少一个绕组。
7.根据权利要求6所述的电导线布置，其特征在于，空心圆环形线圈架(6)包围所述至少一个绕组和所述冷却管路(4，4a，4b)的所述嵌入部分(4)，作为所述至少一个绕组的载体。
8.用于制造根据以上权利要求之一所述的电导线布置的方法，其特征在于，通过真空铸造工艺将所述导线束和所述至少一条冷却管路(4，4a，4b)的所述嵌入部分(4)嵌入所述低熔化温度金属(5)中。
9.根据权利要求8所述的用于制造根据权利要求6所述的电导线布置的方法，其中，所述线圈架被设计为真空密闭的，其特征在于，所述真空铸造工艺的以下步骤：
将入流管(7)和出流管(8)布置在所述线圈架(6)上(S1)；
用低熔化温度金属堵塞所述入流管(7)(S2)；
经由所述出流管(8)将所述线圈架(6)排空(S3)；
将所述入流管中的所述低熔化温度金属(5)熔化(S5)，所述入流管被浸入低熔化温度金属储器中(S4)，从而使得在所述低熔化温度金属在所述入流管(7)中熔化之后，通过真空力被驱出所述储器的熔化后的低熔化温度金属流入所述线圈架(6)的空心空间(S6)。
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