CN110168678A - 具有空气引导板的变压器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种变压器(100)。变压器(100)包括第一线圈(110)，第一线圈(110)包括在第一方向(D1)上堆叠的第一线盘堆叠(111)；外部屏障(130)，被布置为在第一线盘堆叠(111)的线盘的外侧与外部屏障(130)之间形成第一空气间隙(131)；内部屏障(140)，被布置为在第一线盘堆叠(111)的线盘的内侧与内部屏障(140)之间形成第二空气间隙(141)；风发生器(150)，被布置为在第一方向(D1)上生成空气流；呈圆柱体形式的芯(170)，该芯(170)被第一线圈(110)围绕；以及空气引导板，被固定到外部屏障(130)和内部屏障(140)中的一个屏障，以在第二方向(D2)上引导空气流，第二方向(D2)沿着第一线盘堆叠(111)的线盘之间的第一堆叠间隙(114)。变压器有效地改进了线圈的散热，并且因此允许尺寸更小的变压器。还可以降低制造成本。

Description

具有空气引导板的变压器
技术领域
本文公开的示例性实施例总体上涉及一种变压器，更特别地，涉及一种具有空气引导板的开放绕线干式变压器。
背景技术
与服务关键系统的所有配电设备一样，变压器是广泛使用的关键组件，具有各种类型和规格。例如，大型干式配电变压器通常由中压电力系统(数十千伏)馈电，并且具有三相、480V的次级电压额定值。一些现今可用的较大常见尺寸的干式变压器具有高达数十MVA(百万VA)的能力。在这些变压器中，大电流生成显著的热量。因此，当设计配电变压器时，散热是至关重要的。
开放绕线(open wound)干式变压器通常具有呈线盘(wire disk)的堆叠的形状的一些线圈。通常，线盘被竖直地堆叠。当前，散热可以通过布置在堆叠的底部的风扇实现，但是风扇不能有效地减少在堆叠内部深处的温度。
发明内容
本文公开的示例实施例提出了一种变压器的结构，其中可以更有效地耗热。
在一个方面，本文公开的示例实施例提供了一种变压器。变压器包括：第一线圈，包括在第一方向上堆叠的第一线盘堆叠；外部屏障，被布置为在第一线盘堆叠的线盘的外侧与外部屏障之间形成第一空气间隙；内部屏障，被布置为在所述第一线盘堆叠的线盘的内侧与内部屏障之间形成第二空气间隙；风发生器，被布置为在第一方向上生成空气流；呈圆柱体形式的芯，该芯被第一线圈围绕；以及空气引导板，被固定到外部屏障和内部屏障中的一个屏障，以在第二方向上引导空气流，第二方向沿着第一线盘堆叠的线盘之间的第一堆叠间隙。
通过以下描述，应当理解的是，根据本公开的变压器提供了有效结构，通过该有效结构，空气流可以在变压器中的线盘之间直接彻底的流动，这进而改进了有源耗散的效率。以这种方式，变压器的尺寸可以被减小，因为通过根据本公开的结构，即使在线盘之间的更小的间隙也能够导致散热的改进的性能。此外，由于无源散热器需要更少的材料，因此可以降低材料成本。
附图说明
通过下面参照附图的详细描述，本文公开的示例实施例的上述以及其它目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将在示例中并且以非限制性方式说明本文中所公开的若干示例实施例，其中：
图1示出了根据一个示例实施例的变压器的示意性截面图；
图2示出了根据另一个示例实施例的变压器的示意性截面图；
图3示出了根据一个示例性实施例的变压器的透视图，其中该变压器的外部屏障和线圈被移除以用于示出如何布置空气引导板；
图4示出了根据一个示例性实施例的空气引导板；以及
图5示出了根据一个示例性实施例的另一个空气引导板。
在整个附图中，相同或对应的附图标记指代相同或对应的部分。
具体实施方式
现在将参考若干示例实施例来讨论本文描述的主题的原理。讨论这些实施例只是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本文描述的主题的目的，而并非启示对限制本文描述的主题的范围的任何限制。
术语“包括”和“包含”及其变型应被读作开放式术语，表示“包括但不限于”。除非上下文另有清楚地指示，否则术语“或”应被读作“和/或”。术语“基于”应被读作“至少部分地基于”。术语“可操作以(being operable to)”表示功能、动作、运动或状态可以通过由用户或外部机构引起的操作来实现。术语“一个实施例”和“一实施例”应被读作“至少一个实施例”。术语“另一实施例”应被读作“至少一个其他实施例”。除非另有说明或限制，术语“安装”、“连接”、“支撑”以及“耦接”及其变型被广义地使用，并且包含直接和间接安装、连接、支撑和耦接。此外，“连接”和“耦接”并不局限于物理的、机械的或电的连接或耦接。在以下的描述中，使用了类似的附图标记和标注来描述在图1至图5这几个图中相同、相似或对应的部分。其他显式或隐式的定义可以被包括在下文中。
图1示出了示例变压器100的示意性截面图。变压器100包括第一线圈110和第二线圈120。在一个示例中，第一线圈110用于高电压，而第二线圈120用于低电压。在一些其他示例中，第一线圈110用于低电压，而第二线圈120用于高电压。当通过堆叠多个线盘来布置第二线圈120时，该第二线圈120可以以与第一线圈110类似的方式被构造，并且因此将在下文中详细解释关于第一线圈110的特征。
如图1所示，在该示例中，第一线圈110包括第一线盘堆叠111，该第一线盘堆叠111沿竖直方向堆叠。然而，应当理解的是，在一些情况下，线盘111可以相对于放置变压器100的地面呈不同的角度被堆叠。第一线圈110可以由一个或多个线圈堆叠组成。在该示例中，第一线圈110包括围绕公共轴线的一个线圈堆叠(通常，在变压器100中存在沿着相同轴线延伸的芯170，如图1所示)。该一个线圈堆叠包括自底部向上堆叠的、形状为闭合环的多个线盘111。可存在用于第一线圈110的多于一个线圈堆叠，每个线盘形状为闭合环的扇区。换句话说，每件线盘111可以呈闭合环的形状、或者呈作为闭合环的一部分的扇区的形状。线盘和线圈广泛地已知于变压器领域中，并且因此它们的特征、功能和连接将不被详细描述。
芯170可以是通常用于各种变压器的铁芯。图1中所示的芯170与方向D1平行竖直地延伸。虽然芯170被示出为是直的，但是在一些情况下，芯170可以具有其他形状、诸如曲线或波。
提供外部屏障130以在线盘111的外侧与外部屏障130之间形成第一空气间隙131。外部屏障130用于沿着第一空气间隙131引导空气流，以便带走从线盘111生成的热量。当以图1中所示的方式布置线盘111时，第一空气间隙131在竖直方向(D1或与D1平行)上延伸，并且线盘111的外侧是线盘111相对于最内芯170的外边缘。
提供内部屏障140以在线盘111的内侧(相对于外侧命名)与内部屏障140之间形成第二空气间隙141。内部屏障140用于沿着第二空气间隙141引导空气流，以便带走从线盘111生成的热量。当以图1中所示的方式布置线盘111时，第二空气间隙140在竖直方向(D1或与D1平行)上延伸，并且线盘111的内侧是与线盘111的外边缘相对的线盘111的内边缘。
应当理解的是，尽管图1示出了圆柱形变压器100，其中外部屏障130、内部屏障140、第一线圈110和线盘111围绕公共轴线(在该示例中与芯170重合)，但是它们可以以其他方式布置。例如，变压器可以是长方体或立方体而不是圆柱体，并且线盘可以呈矩形或多边形而不是呈扇区的形状。外部屏障、内部屏障、(一个或多个)线圈和芯可以不以同轴的方式布置。本公开不旨在限制这些组件的形状、形式、材料和尺寸。
如图1所示，在变压器100的底部，可以提供一个或多个风发生器150，以沿着第一空气间隙131和第二空气间隙141向上移动(吹)空气。然而，应当理解的是，只要风基本上从底部到顶部生成，就可以将风发生器150放置在变压器100的顶部上(以吸入空气)。在该示例中，风发生器150可以是风扇。由于热空气在大气中向上移动，与风向下流动的情况相比，向上移动的风在散热方面将会更有效。由风发生器150生成的空气流沿第一方向D1或与第一方向D1平行。在该示例中，第一方向D1是基本上竖直的方向。
一个或多个空气引导板被固定到外部屏障130和内部屏障140中的至少一个屏障。在一个示例中，空气引导板被成形为与外部屏障130或内部屏障140匹配，使得空气引导板的存在分别阻挡沿着第一空气间隙131或第二空气间隙141流动的大部分空气流。如图1中所示，空气引导板可以包括两组板，其中第一组板被命名为一个或多个第一空气引导板161，该一个或多个第一空气引导板161被固定到外部屏障130，并且第二组板被命名为一个或多个第二空气引导板162，该一个或多个第二空气引导板162被固定到内部屏障140。第一空气引导板161和第二空气引导板162中的每个空气引导板可以在相邻的线盘111之间突出，使得空气流可以在基本上垂直于第一方向D1的第二方向D2上被引导或被导向。应当理解的是，只要大部分空气流能够被重新导向到线盘111中，第一空气引导板161或第二空气引导板162可以不一定突出到线盘111中。第二方向D2沿着线盘111之间的第一堆叠间隙114。在该示例中，第二方向D2可以面向芯170或背对芯170，并且第一方向D1可以相对于第二方向D2成80度到100度之间的角度。
由风发生器150生成的空气流可以以以下方式行进。首先，所生成的空气流沿着第一空气间隙131向上移动，直到撞击在第一空气引导板161中的一个第一空气引导板161上。由于通过被固定到外部屏障130的第一空气引导板161所导致的第一空气间隙131的阻挡，空气流将被重新引导，以经由多个第一堆叠间隙114而朝向内部屏障140移动，直到撞击在内部屏障140上。然后，空气流被迫沿着第二空气间隙141向上移动，直到撞击在被固定到内部屏障140的第二空气引导板162中的一个第二空气引导板162上。由于通过第二空气引导板162所导致的第二空气间隙141的阻挡，空气流将被重新引导，以朝向外部屏障130移动。
在该示例中，在外部屏障130上提供多个第一空气引导板161，以及在内部屏障140上提供多个第二空气引导板162。第一空气引导板161和第二空气引导板162中的每个空气引导板被放置在不同高度处，使得空气流的路线曲折穿过第一线盘堆叠111。
以这种方式，可以极大地改进散热，因为空气流几乎穿过每件线盘111。特别地，在没有提供空气引导板的情况下空气流无法到达的线盘的中间部分生成大量的热量。换句话说，如果没有提供空气引导板，即使外侧和内侧附近的热量容易被空气流带走，也只能以无源的方式将由线盘111的中间部分生成的热量传导到外侧和内侧，这是低效的。因此，空气引导板的存在迫使空气流在基本上水平的方向上流动，这显著地降低了变压器100内的整体温度。
在一些情况下，甚至一个空气引导板也足够有效地降低线盘111的中间部分中的温度。因此，本公开并不旨在限制空气引导板的数量。在一个示例中，空气引导板可以突出到第一线盘堆叠111中，以达到沿着第一空气间隙131或第二空气间隙141的大部分空气流被迫改变其行进方向的程度。如上所述，只要空气流的一部分被重新引导到第一堆叠间隙114中，空气引导板也可以不突出到线盘111中。
在一个示例中，第一空气引导板161(如果存在的话)以气密的方式被固定到外部屏障130，并且第二空气引导板162(如果存在的话)以气密的方式被固定到内部屏障140。以这种方式，几乎所有的空气流将被(一个或多个)空气引导板重新引导，从而形成穿过线盘的完整的曲折路线。然而，在另一示例中，也可以在(一个或多个)空气引导板上提供一些孔或开口。可以控制空气引导板上的开口面积，使得能够相应地控制空气流的路线。
附加地或备选地，变压器100可以包括第二线圈120。在图1所示的示例中，第二线圈120包括第二线盘堆叠121，并且第二线圈120被布置在芯170与内部屏障140之间。在内部屏障140与第二线盘堆叠121的线盘的外侧之间形成第三空气间隙132，并且在芯170与第二线盘堆叠121的线盘的内侧之间形成第四空气间隙171。第二线盘堆叠121的外侧接近内部屏障140，并且第二线盘堆叠121的内侧接近芯170并且与第二线盘堆叠121的外侧相对。芯170可以包括或可以不包括单独的屏障。
在图1所示的示例中，第二线盘堆叠121的线盘被布置为与第一线盘堆叠111的线盘平行。由风发生器150生成的空气流可以沿着第三空气间隙132和第四空气间隙171被引导。然而，在一些其他示例中(诸如在图2中示出的示例，该示例将在以下讨论)中，第一线圈110和第二线圈120中的一个线圈可以被布置为使得该线圈的线盘被竖直地定向而不是水平地定向。
第三空气引导板163可以被固定到内部屏障140，并且第四空气引导板164可以被固定到芯170。第三空气引导板163和第四空气引导板164两者均可以在第二线盘堆叠121的相邻线盘之间突出，以在第二方向D2上引导空气流，第二方向D2沿着第二线盘堆叠121的线盘之间的第二堆叠间隙124。
在另一示例中，第二线圈120可以围绕芯170并且被布置为与芯170、外部屏障130和内部屏障140同轴。第三空气引导板163可以呈闭合环的形式，以被周向地固定到内部屏障140，并且第四空气引导板164可以呈闭合环的形式，芯170被周向地被固定到第四空气引导板164。第三空气引导板163可以以气密方式被固定到内部屏障140，并且第四空气引导板164可以以气密方式被固定到芯170。
与第二线圈120以及第三空气引导板163和第四空气引导板164相关联的组件的布置可以呈与第一线圈110和对应的(一个或多个)空气板相关联的那些组件的布置类似的方式。由第三空气引导板163和第四空气引导板164提供给第二线盘堆叠121的优点也与线盘121之间的散热相关，因此将省略详细描述。
应当理解的是，尽管图1示出了第一线圈110和第二线圈120两者被布置为线盘中的每个线盘水平地延伸，但是第一线圈110和第二线圈120中的一个线圈可以被布置为使得该线圈的线盘竖直地延伸。竖直布置的线盘可以体现在图2中，图2中提供包括用于变压器200的多个线盘221的第二线圈220。假定线盘221竖直地延伸，可以与芯170基本同轴地布置线盘221。因此，(一个或多个)空气引导板的存在不是必需的，因为放置在变压器100的底部(或顶部)处的风发生器150容易地将空气流向上移动通过堆叠间隙。
在变压器100中可以有更多或更少的(一个或多个)线圈。例如，在第二线圈120或220不存在的一些情况下，内部屏障140可以被认为是芯170的外表面，并且因此第一线圈110位于芯170与外部屏障130之间。在其他情况下，附加的(一个或多个)线圈也可以堆叠在现有的(一个或多个)线圈的顶部上。
图3示出了变压器100的透视图，该变压器100的第一(外)屏障130和线圈110被移除以示出空气引导板如何被布置。如图3中所示，在内部屏障140上提供多个脊142，并且在该示例中它们彼此相等地间隔开。在该图中省略了外部屏障130，在外部屏障130上也可以提供多个脊。第二空气引导板162被直接固定到内部屏障140。如上所述，脊142可以提供用于第一线圈110的不同组的分离。在脊142上可以提供连接构件143，以用于保持第一空气引导板161。用这种方式，第一空气引导板161和第二空气引导板162被放置在不同高度处。
图4和图5分别示出了第一空气引导板161和第二空气引导板162。在这些示例中，第一空气引导板161呈闭合环的形式以被周向地固定到外部屏障130，并且第二空气引导板162呈闭合环的形式，内部屏障140被周向地固定到第二空气引导板162。在第一空气引导板161的外周上存在一些突出165，以用于与连接构件143接合。在第二空气引导板162的内周上有一些凹口166，以用于与内部屏障140上的脊142接合。第三空气引导板163和第四空气引导板164可以以类似的方式布置。
根据仿真结果，通过为具有123厘米高并且具有2.2厘米的空气间隙的线盘堆叠来布置具有五个第一空气引导板和五个第二空气引导板的曲折路线，可以显著降低线圈处的温度。与没有任何空气引导板的模型相比，对于具有五个第一空气引导板和五个第二空气引导板的模型，线圈处的平均温度可以从80℃降低约30摄氏度，并且在仿真时段期间线圈处的最高温度可以从约100℃降低约20摄氏度。
尽管在上面的描述中以特定的顺序描述了操作，但是这不应该被理解为要求以所示出的特定顺序或连续顺序来执行这样的操作、或者要执行所有示出的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可以是有利的。同样地，尽管上述讨论包含了某些细节，但这并不应解释为限制任何本文所描述的主题的范围，而应解释为对能够针对特定发明的特定实施例的描述。本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以组合实施在单个实施例中。另一方面，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分开地在多个实施例中或在任意合适的子组合中实施。
尽管已经用特定于结构特征和/或方法动作的语言对主题进行了描述，但是应当理解的是，在所附权利要求中限定的主题不一定限于在上文中所描述的特定特征或动作。相反，在上文中所描述的特定特征和动作是作为实现权利要求的示例形式而被公开的。

Claims (15)

1.一种变压器(100)，包括：
第一线圈(110)，包括在第一方向(D1)上堆叠的第一线盘堆叠(111)；
外部屏障(130)，被布置为在所述第一线盘堆叠(111)的线盘的外侧与所述外部屏障(130)之间形成第一空气间隙(131)；
内部屏障(140)，被布置为在所述第一线盘堆叠(111)的所述线盘的内侧与所述内部屏障(140)之间形成第二空气间隙(141)；
风发生器(150)，被布置为在所述第一方向(D1)上生成空气流；
呈圆柱体形式的芯(170)，所述芯(170)被所述第一线圈(110)围绕；以及
空气引导板，被固定到所述外部屏障(130)和所述内部屏障(140)中的一个屏障，以在第二方向(D2)上引导所述空气流，所述第二方向(D2)沿着所述第一线盘堆叠(111)的所述线盘之间的第一堆叠间隙(114)。
2.根据权利要求1所述的变压器(100)，其中所述空气引导板包括被固定到所述外部屏障(130)的第一空气引导板(161)和被固定到所述内部屏障(140)的第二空气引导板(162)。
3.根据权利要求2所述的变压器(100)，其中所述第一方向(D1)是竖直方向，并且所述第一空气引导板(161)和所述第二空气引导板(162)处于不同的高度。
4.根据权利要求3所述的变压器(100)，其中所述芯(170)被布置为与所述第一线圈(110)、所述外部屏障(130)和所述内部屏障(140)同轴。
5.根据权利要求4所述的变压器(100)，其中所述第一空气引导板(161)呈闭合环的形式以被周向地固定到所述外部屏障(130)，并且所述第二空气引导板(162)呈闭合环的形式，所述内部屏障(140)被周向地固定到所述第二空气引导板(162)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的变压器(100)，其中所述空气引导板突出到所述第一堆叠间隙(114)中的至少一个第一堆叠间隙中。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的变压器(100)，其中所述第一方向(D1)相对于所述第二方向(D2)成80度至100度之间的角度。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的变压器(100)，其中所述风发生器(150)被布置为向上生成所述空气流。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的变压器(100)，还包括：
第二线圈(120)，包括在所述第一方向(D1)上堆叠的第二线盘堆叠(121)，
其中所述第二线圈(120)被布置在所述芯(170)与所述内部屏障(140)之间，
其中第三空气间隙(132)形成在所述内部屏障(140)与所述第二线盘堆叠(121)的线盘的外侧之间，以及
其中第四空气间隙(171)形成在所述芯(170)与所述第二线盘堆叠(121)的所述线盘的内侧之间。
10.根据权利要求9所述的变压器(100)，其中所述第二线盘堆叠(121)的所述线盘被布置为与所述第一线盘堆叠(111)的所述线盘平行。
11.根据权利要求10所述的变压器(100)，还包括：
第三空气引导板(163)，被固定到所述内部屏障(140)；以及
第四空气引导板(164)，被固定到所述芯(170)的屏障，
其中所述第三空气引导板(163)和所述第四空气引导板(164)两者都突出到在所述第二线盘堆叠(121)的所述线盘之间的第二堆叠间隙(124)中的至少一个第二堆叠间隙中，以在沿着所述第二堆叠间隙(124)的所述第二方向(D2)上引导所述空气流。
12.根据权利要求11所述的变压器(100)，其中所述第二线圈(120)围绕所述芯(170)，并且被布置为与所述芯(170)和所述内部屏障(140)同轴。
13.根据权利要求12所述的变压器(100)，其中所述第三空气引导板(163)呈闭合环的形式以被周向地固定到所述内部屏障(140)，并且所述第四空气引导板(164)呈闭合环的形式，所述芯(170)的所述屏障被周向地固定到所述第四空气引导板(164)。
14.根据权利要求13所述的变压器(100)，其中所述第三空气引导板(163)和所述第四空气引导板(164)突出到所述第二堆叠间隙(124)中的至少一个第二堆叠间隙中。
15.根据权利要求1所述的变压器(100)，还包括第二线圈(120)，所述第二线圈(120)包括在所述第一方向(D1)上堆叠的第二线盘堆叠(121)；
第三空气引导板(163)，被固定到所述内部屏障(140)；以及
第四空气引导板(164)，被固定到所述芯(170)的屏障，
其中所述空气引导板包括被固定到所述外部屏障(130)的第一空气引导板(161)和被固定到所述内部屏障(140)的第二空气引导板(162)，
其中所述第一方向(D1)是竖直方向，并且所述第一空气引导板(161)和所述第二空气引导板(162)处于不同的高度，
其中所述第一空气引导板(161)呈闭合环的形式以被周向地固定到所述外部屏障(130)，并且所述第二空气引导板(162)呈闭合环的形式，所述内部屏障(140)被周向地固定到所述第二空气引导板(162)，
其中所述空气引导板突出到所述第一堆叠间隙(114)中的至少一个第一堆叠间隙中，
其中所述第一方向(D1)相对于所述第二方向(D2)成85度至95度之间的角度，
其中所述风发生器(150)被布置为向上生成所述空气流，
其中所述第二线圈(120)被布置在所述芯(170)与所述内部屏障(140)之间，
其中第三空气间隙(132)形成在所述内部屏障(140)与所述第二线盘堆叠(121)的线盘的外侧之间，
其中第四空气间隙(171)形成在所述芯(170)与所述第二线盘堆叠(121)的所述线盘的内侧之间，
其中所述第二线盘堆叠(121)的所述线盘被布置为与所述第一线盘堆叠(111)的所述线盘平行，
其中所述第三空气引导板(163)和所述第四空气引导板(164)两者都突出到在所述第二线盘堆叠(121)的所述线盘之间的第二堆叠间隙(124)中的至少一个第二堆叠间隙中，以在沿着所述第二堆叠间隙(124)的所述第二方向(D2)上引导所述空气流，
其中所述芯(170)被布置为与所述第一线圈(110)、所述第二线圈(120)、所述外部屏障(130)和所述内部屏障(140)同轴，
其中所述第三空气引导板(163)呈闭合环的形式以被周向地固定到所述内部屏障(140)，并且所述第四空气引导板(164)呈闭合环的形式，所述芯(170)的所述屏障被周向地固定到所述第四空气引导板(164)，以及
其中所述第三空气引导板(163)和所述第四空气引导板(164)突出到所述第二堆叠间隙(124)中的至少一个第二堆叠间隙中。
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