CN110870030B - 流体冷却式磁性元件 - Google Patents

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Abstract

一种流体冷却式磁性元件。多个线圈设置成非环形构型。每个线圈可以是通过将矩形线材卷绕成卷而形成的中空筒形件。线圈与平坦间隔件交替。线圈可以按卷绕方向交替，并且每个线圈的内端部可以通过连接销连接至相邻线圈的内端部。例如，由于每个间隔件在该间隔件的两个面上具有供线圈抵接的多个凸起的肋部，因此在线圈与间隔件之间形成小的间隙。冷却流体流动通过间隙以对线圈进行冷却。

Description

流体冷却式磁性元件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月28日提交的题为“LIQUID-COOLED NON-TOROIDALMAGNETIC ELEMENT(液体冷却式非环形磁性元件)”的美国临时申请No.62/526,199的优先权和权益，该临时申请的全部内容通过参引并入本文。
本申请涉及于2017年5月12日提交的题为“LIQUID COOLED MAGNETIC ELEMENT(液体冷却式磁性元件)”的美国专利申请15/594,521，该专利申请的全部内容通过参引并入本文。
技术领域
根据本公开的实施方式的一个或更多个方面涉及磁性元件，并且更具体地涉及流体冷却式磁性元件。
背景技术
磁性元件、比如变压器和电感器在各种电力处理系统中发挥重要作用。为了使磁性元件的尺寸和成本最小化，可以使电流密度和电频率尽可能高。然而，由于导体发热与电流密度的平方成正比，并且芯发热与频率的平方近似成正比，因此有效的传热是重要的。最终结果是对于磁性元件的功率密度实际上受到传热的限制。在这样的系统中，进行用于从绕组和芯有效传热并且还用于低涡流损耗——有效传热和低涡流损耗两者均在绕组和芯内发生——的布置可能是有利的。
因此，需要具有实现改善的传热效率的设计的磁性元件。
发明内容
本公开的实施方式的各方面涉及非环形磁性元件。多个线圈设置成线性构型。每个线圈可以是通过将矩形线材卷绕成卷而形成的中空筒形件。线圈与间隔件交替。线圈可以按卷绕方向交替。成对线圈的内端部可以经由连接销连接，或者成对线圈可以由单个连续矩形导体形成。例如，由于每个间隔件在间隔件的两个面上具有供线圈抵接的多个凸起的肋部，因此在线圈与间隔件之间形成小的间隙。冷却流体被导引通过间隙以对线圈进行冷却。
根据本公开的实施方式，提供了一种流体冷却式磁性元件，该流体冷却式磁性元件具有：导电的第一线圈，该第一线圈具有第一环形表面和第二环形表面；第一间隔件，该第一间隔件是电绝缘的并且具有第一平坦面和第二平坦面，该第一平坦面与第一环形表面分隔开第一间隙；流体入口；以及流体出口，其中，流体路径通过第一间隙从流体入口延伸至流体出口。
在一个实施方式中，电绝缘的第一间隔件是第一板材。
在一个实施方式中，第一线圈为中空筒形线圈，并且流体冷却式磁性元件包括中空筒形的第二线圈，该第二线圈具有与第一间隔件的第二平坦面形成第二间隙的第一环形表面。
在一个实施方式中，第一线圈具有外端部和内端部，第二线圈具有外端部和连接至第一线圈的内端部的内端部，并且其中，来自流动通过串联的两个线圈的电流对第一线圈的中央处的磁场的贡献与来自流动通过第二线圈的电流对该磁场的贡献位于相同的方向上。
在一个实施方式中，流体冷却式磁性元件包括：多对线圈，所述多对线圈包括第一线圈和第二线圈；多个有源间隔件，所述多个有源间隔件包括第一间隔件；以及多个无源间隔件，有源间隔件中的每个有源间隔件具有两个平坦面并且位于所述多对线圈中的一对线圈的两个线圈之间，所述一对线圈中的一个线圈位于平坦面中的一个平坦面上，并且所述一对线圈中的另一线圈位于另一平坦面上，并且无源间隔件中的每个无源间隔件位于一对线圈中的线圈与另一对线圈中的线圈之间。
在一个实施方式中，流体冷却式磁性元件包括：多个有源间隔件，所述多个有源间隔件包括第一间隔件；多个无源间隔件；以及芯部分，所述芯部分位于第一线圈和/或第一间隔件内，其中，所述多个有源间隔件和所述多个无源间隔件中的间隔件具有两个平行的平坦面以及位于所述两个面之间的流体通道，并且其中，流体路径还延伸通过第三间隙，该第三间隙是位于芯部分与第一线圈和/或第一间隔件之间的径向间隙。
在一个实施方式中，流体冷却式磁性元件包括芯，该芯包括芯部分，该芯部分具有通道，其中，流体路径通过该通道从流体入口延伸至流体出口。
根据本公开的实施方式，提供了一种流体冷却式磁性元件，该流体冷却式磁性元件包括：多个导电线圈；以及多个电绝缘间隔件，间隔件中的每个间隔件位于所述多个线圈中的相应的一对相邻线圈之间，所述多个线圈中的每个线圈包括面卷绕式电导体并且具有第一内端部和第一外端部。
在一个实施方式中，线圈的各自的卷绕方向在流体冷却式磁性元件的至少一部分中交替；并且所述多个线圈中的每个线圈的第一内端部连接至所述多个线圈中的相应的相邻线圈的第一内端部。
在一个实施方式中，线圈中的每个线圈是具有两个平行环形表面的中空筒形件，并且其中，间隔件中的每个间隔件是具有两个平坦平行面的板材。
在一个实施方式中，所述多个线圈中的每个线圈是复合线圈，该复合线圈包括n个共卷绕导体并且具有包括第一内端部的n个内端部和包括第一外端部的n个外端部，并且其中，所述多个线圈中的线圈的第j个内端部连接至所述多个线圈中的相邻线圈的第(n-j+1)个内端部。
在一个实施方式中，所述多个电绝缘间隔件包括：多个有源间隔件；以及多个无源间隔件，其中，每个有源间隔件包括延伸穿过有源间隔件的n个导电销，有源间隔件的一个平面上的线圈的导体的内端部连接并固定至所述n个销中的销的一个端部，并且有源间隔件的另一平坦面上的线圈的导体的内端部连接并固定至该销的另一端部。
在一个实施方式中，线圈中的每个线圈的每个环形表面与相邻间隔件的相邻面分隔开间隙。
在一个实施方式中，流体冷却式磁性元件包括壳体，该壳体容纳所述多个导电线圈和所述多个电绝缘间隔件，该壳体具有流体入口和流体出口，从流体入口至流体出口的流体路径包括位于间隙中的一个间隙内的一部分。
在一个实施方式中，在线圈的相应的内端部处连接在一起的每对线圈包括单个连续导体，该连续导体包括所述一对线圈中的线圈的相应的面卷绕式电导体。
在一个实施方式中，所述多个线圈中的第一线圈的外端部由第一母线连接至所述多个线圈中的第二线圈的外端部。
在一个实施方式中，流体冷却式磁性元件包括：第一端子；第二端子；以及第三端子；并且该流体冷却式磁性元件包括：第一绕组，该第一绕组具有连接至第一端子的第一端部和连接至第二端子的第二端部，并且该第一绕组包括所述多个线圈中的第一线圈和所述多个线圈中的第二线圈，第一线圈和第二线圈串联连接；以及第二绕组，该第二绕组具有第一端部和第二端部，该第一端部连接至第三端子，并且该第二绕组包括所述多个线圈中的第三线圈和所述多个线圈中的第四线圈，第三线圈和第四线圈串联连接。
根据本公开的实施方式，提供了一种流体冷却式磁性元件，该流体冷却式磁性元件包括：多个导电线圈；多个电绝缘间隔件；流体入口；以及流体出口，间隔件中的每个间隔件位于所述多个线圈中的两个相邻线圈之间，线圈中的每个线圈包括面卷绕式电导体，线圈中的每个线圈具有两个环形表面，线圈中的每个线圈的每个环形表面与相邻间隔件的相邻面分隔开间隙，其中，相应的流体路径通过间隙中的每个间隙从流体入口延伸至流体出口。
在一个实施方式中，间隙中的每个间隙具有大于0.001英寸且小于0.070英寸的宽度。
在一些实施方式中，流体冷却式磁性元件构造成在稳态流体流动的条件下使在流体入口处接收的流体中的至少50％通过间隙流动至流体出口。
在一个实施方式中，流体冷却式磁性元件包括压紧件，该压紧件构造成向所述多个导电线圈和所述多个电绝缘间隔件施加压缩力。
在一个实施方式中，流体冷却式磁性元件包括芯，该芯的一部分位于所述多个线圈中的线圈或所述多个间隔件中的间隔件内，该芯包括第一芯段和第二芯段。
在一个实施方式中，流体冷却式磁性元件包括通量导引器，该通量导引器是围绕芯并与所述多个线圈中的端线圈相邻的铁磁性元件。
在一个实施方式中，所述多个导电线圈和所述多个电绝缘间隔件设置成堆叠件，并且流体冷却式磁性元件包括位于堆叠件的端部处以限制流体流入到堆叠件的该端部中或从堆叠件的该端部流出的结构。
在一个实施方式中，流体冷却式磁性元件包括端子板，该端子板包括：第一导电层；以及绝缘包覆成型件，该绝缘包覆成型件在第一导电层之间延伸并且围绕第一导电层的一部分延伸，第一导电层包括第一导电板，该第一导电板具有延伸超过包覆成型件的周缘的多个绕组端部端子。
附图说明
将参照说明书、权利要求书和附图领会并理解本发明的这些和其他特征及优点，在附图中：
图1a是根据本发明的实施方式的使用U-U铁芯的磁性组件的立体图；
图1b是根据本发明的实施方式的使用U-U铁芯的磁性组件的部分未组装的立体图；
图1c是根据本发明的实施方式的使用U-U铁芯的磁性组件的立体图；
图1d是根据本发明的实施方式的使用E-E铁芯的磁性组件的立体图；
图2是根据本发明的实施方式的使用E-E铁芯的磁性组件的分解立体图；
图3是根据本发明的实施方式的使用U-U铁芯的磁性组件的局部分解立体图；
图4是根据本发明的实施方式的使用U-U芯的磁性组件的截面图；
图5是根据本发明的实施方式的磁性组件的有源间隔件的立体图；
图6是根据本发明的实施方式的磁性组件的无源间隔件的立体图；
图7a是根据本发明的实施方式的磁性组件的包括附接的线圈的有源间隔件的立体图；
图7b是根据本发明的实施方式的磁性组件的一对线圈的立体图；
图8a是根据本发明的实施方式的磁性组件的进料板的立体图；
图8b是根据本发明的实施方式的磁性组件的进料板的立体图；
图9是根据本发明的实施方式的磁性组件的端板的立体图；
图10a是根据本发明的实施方式的磁性组件的包括附接的两层线圈的有源间隔件的立体图；
图10b是根据本发明的实施方式的磁性组件的一对线圈的立体图；
图11是根据本发明的实施方式的包括封围件的完整磁性组件的分解立体图；
图12a是示出了根据本发明的实施方式的具有最小交错的变压器的示意图；
图12b是示出了根据本发明的实施方式的具有最大交错的变压器的示意图；以及
图13是根据本发明的实施方式的端子板的导体的立体图。
除非另外指出，否则每个图均是针对相应的实施方式按比例绘制的。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述意在作为对根据本发明提供的流体冷却式磁性元件的示例性实施方式的描述，而非意在表示本发明仅可以构造成或利用描述中的形式。该描述阐述了与所示的实施方式相关的本发明的特征。然而，应当理解的是，可以通过也意在包含在本发明的精神和范围内的不同实施方式来实现相同或等同的功能和结构。如本文中别处所指示的，相同的元件标记意在表示相同的元件或特征。
示出了流体冷却式磁性元件的两个实施方式。在图1a至图1c中，示出了使用两个“U”形铁芯半体的实施方式，并且在图1d和图2中，示出了使用两个“E”形铁芯半体的实施方式。图1a至图1d和图2的实施方式包括绕组组件101、端子板140和铁芯130(包括芯部分130a和130b)(或者在图2的实施方式的情况下为芯131(芯131包括芯部分131a和131b)。例如，如在图11中示出的，这些元件可以被容纳在包括封围件顶部162和封围件底部172的封围件内。芯(或者，例如，芯半体)可以由粉末比如铁氧体或粉末状铁制成，或者芯也可以由结合在一起的堆叠叠片制成。如果磁性元件要用作电感器，则可以包括一个或更多个芯间隙。
进而，绕组组件101是包括多个线圈108的堆叠件，线圈108由有源间隔件104(在图2的实施方式的情况下为105)和无源间隔件106(在图2的实施方式的情况下为107)分隔开，并且绕组组件101由限制流量的端板110保持在压缩状态下。线圈108、有源间隔件104(或105)和无源间隔件106(或107)是中央开口的，使得铁芯130(在图2的实施方式的情况下为131)可以被包含在中央以使磁性结构完整。如图3和图4中示出的，在芯130与线圈108和有源间隔件104及无源间隔件106的组合之间建立环形间隙127。冷却剂流经由进料板112引入到该环形间隙127中。然后，冷却剂流轴向地行进并通过存在于线圈面与有源间隔件104的面及无源间隔件106的面之间的流动间隙129而径向地流出。
轴向流量可以(由于通过流动间隙129的径向流量而)在绕组组件101的端部处减少；剩余的轴向流量可以继续进入位于芯130中且位于围绕芯的未处于绕组组件101内的部分的两个护罩121中的一个护罩内的冷却通道115中。来自冷却通道115的流体可以被收集在收集通道123中，并且从收集通道123通过排放槽125流出护罩121，排放槽125可以足够窄，使得在线圈108的内部与外部之间保持足够的压差来驱动流体通过流动间隙129。在一些实施方式中，绕过流动间隙129的流动路径(比如通过冷却通道115和排放槽125的路径)被充分限制，使得从入口流动通过出口的流体的很大一部分(例如，在10％至100％的范围内，例如，至少50％)流动通过流动间隙129中的一个流动间隙。在一些实施方式中，护罩121被省去并且轴向流量代替地由限制流量的端板110(图4)限制在绕组组件101的端部处。
在图1a和图1b中，绕组端部连接至端子母线142a、142b、144a、144b(统称为142和144)，存在连接至端子母线142a、142b、144a、144b中的每个端子母线的五个绕组端部，使得绕组(绕组中的每个绕组包括两个串联线圈，如下面进一步详细讨论的)以五个为一组并联连接。每组五个并联绕组终止于两个端子柱146处。然后，可以对端子柱146进行外部连接以例如以并联、串联或像变压器一样的方式连接各组。图1c示出了与图1b的实施方式的不同之处在于使用了提供交替式绕组端部端子133的端子板140的实施方式(如下面进一步详细讨论的)。一个或更多个压缩带137可以用作用以向线圈108和间隔件104、106的堆叠件提供压缩力(例如，通过可以变形以补偿厚度变化的柔性端板150提供压缩力)的压紧件。柔性端板150可以是或可以不是限制流量的；在各种实施方式中，端板可以是限制流量或不限制流量、以及柔性或刚性的任意组合。在其他实施方式中，楔形件190(图11)可以代替地用作用以达到类似的效果的压紧件。一个或更多个通量导引器139可以用于为通量泄漏提供路径，使得由绕组内的通量泄漏产生的涡流损耗最小化。每个通量导引器139可以由包覆成型到护罩121上的结合的铁磁性粉末构成(或者，在缺少护罩的实施方式(例如，图11)中，每个通量导引器139可以与相应的芯部分130b成一体或者包覆成型到相应的芯部分130b上)。如示出的，每个护罩可以由在护罩接缝143处相接的两个半体构成。每个通量导引器139可以类似地由两个半体形成。
图1d示出了三相液体冷却式磁性元件，该三相液体冷却式磁性元件包括三相芯和绕组组件103，三相芯由例如使用两个“E”形的铁芯构成，绕组组件103包括三组绕组，每组绕组位于双E形铁芯的三个分支中的相应的一个分支上。进而，每个绕组包括连接至端子母线142的成对线圈108。冷却剂流动和机械方面的细节可以大致类似于图1a的实施方式(该实施方式可以用于单相应用)或图4的实施方式的冷却剂流动和机械方面的细节。在一些实施方式中，所述三个芯分支是相同的并且所述三个绕组组是相同的。在一些实施方式中，绕组组中的一个绕组组可以不同于绕组组中的另一绕组组；同样地，在一些实施方式中，芯分支中的一个芯分支可以不同于另外两个芯分支。
可以使用单个端子板形成从外部线缆至绕组的连接，或者可以使用若干个(例如，三个)端子板(例如，对于每个绕组组使用一个端子板)。进料板112可以被制造为单个共用元件，或者被制造为例如三个单独的元件。在一些情况下，进料板可以是壳体的一体部分。同样地，柔性端板150可以是单个共用元件或者例如三个单独的元件。
在图4中示意性地描绘出了流动细节。图4没有按比例绘制。冷却剂流用于移除铁芯130(或131)和线圈108两者中产生的热量。
如图7a中示出的，线圈108附接至有源间隔件104(或105)并成对连接以形成绕组，每个绕组具有第一绕组引线116a和第二绕组引线116b(统称为绕组引线116)。每对线圈中的一个线圈的内端部114可以由导体中的S形弯曲部135连接至相邻线圈(所述一对线圈中的另一线圈)的内端部114(使得所述一对线圈形成为单个连续导体，参见图7b)，或者内端部114可以经由销126(如图10b中示出的)互连以形成绕组元件(每个绕组元件包括在线圈的内端部处连接在一起的这样一对线圈)。利用这种互连方法，消除了“埋藏的”线圈启动的问题。当一对线圈由导体中的S形弯曲部135连接时，这两个线圈108可以被卷绕为单个单元(其中不涉及拼接)。当这样做时，可以在有源间隔件104(或105)的周缘中包括槽152(图5)以允许在绕组与有源间隔件的组装期间的连结导体的插入。槽可以足够窄以避免在操作期间不可接受的高速率的流体流通过槽；在一些实施方式中，如果槽比线圈线材窄，则间隔件可以挠曲成使得在组装期间暂时打开槽以允许(S形弯曲部的)线材穿过槽152。在其他实施方式中，线圈可以在有源间隔件上卷绕就位，并且可以不存在槽152。
应当注意的是，示出了四个线圈108的图7a的布置结构例如适用于使用了两个“U”形芯的实施方式，比如图1a至图1c的实施方式。在图2的实施方式的情况下，在一个有源间隔件104上仅包含两个互连线圈108。线圈108可以由涂覆有比如聚酯的薄绝缘体的矩形铜线材或铝线材制成。可以添加外部结合涂层比如热活化环氧树脂，使得线圈可以在组装之前自结合。在所有情况下，无源间隔件106可以安置在相邻的绕组元件之间。
每对线圈中的两个线圈以不同的卷绕方向安装在间隔件104(或105)的两个相应的面上，使得例如(从一个方向观察)电流可以从所述一对线圈中的第一线圈的外端部顺时针流动至第一线圈的内端部，然后流动至所述一对线圈中的第二线圈的内端部，并且然后(从同一方向观察)再次顺时针从第二线圈的内端部流动至第二线圈的外端部。在这种布置结构中，由所述一对线圈中的两个线圈产生的磁场贡献沿着两个线圈的中心轴线位于相同的方向上(即，不是沿相反的方向)。线圈堆叠件中的其他线圈可以类似地卷绕，使得线圈的各自的卷绕方向沿着堆叠件交替。
如图5和图6中示出的，有源间隔件104和无源间隔件106两者都包括凸起的表面肋部117，表面肋部117在线圈面与间隔件面之间建立了冷却剂流动间隙129。替代性地，凸起的表面肋部可以代替地添加至线圈面。两种类型的间隔件都包括用于固定和对准线圈108的线圈支撑定位部(tigs)118；有源间隔件还可以包括应变消除柱128(参见图5和图7a)，应变消除柱128对绕组引线进行锚固使得提供应变消除。该特征可以在组装期间有所帮助并且用于防止线圈108变得脱离。
通过保持流动间隙129的较小数值(即，宽度)，可以实现从线圈108至冷却剂的有效传热，这使得线圈108能够处理高电流密度，例如大于50A/mm2的电流密度。这又使得能够处理非常高的比功率水平例如，对于以20kHz运行的变压器的大于300kW/kg的比功率水平。随着流动间隙129减小，从线圈108至冷却剂的传热以增加的压头损失为代价得到改善。因此，对于给定的压头损失和冷却剂粘度，存在使总热阻达到最小的最佳间隙尺寸。在一些实施方式中，环形间隙127具有0.050”的间隙宽度。在一些实施方式中，如下面进一步详细讨论的，流动间隙129具有0.004”的间隙宽度或0.001”与0.070”之间的间隙宽度。间隔件可以被制造为注射成型的热塑性塑料或注射成型的热固性物质。
流动间隙的宽度可以影响磁性元件的性能。随着流动间隙129(g)(即，流动间隙的宽度)减小，冷却剂内的特征热流长度减小，这用于减小热阻的热导率分量。相反，随着g增加，冷却剂流动速率增加，这用于降低热阻的热质量分量。由于这些相反的影响，因此存在导致对于总热阻的最小值的对于流动间隙的最佳值(在压头损失恒定的条件下)。基于第一原理，该最佳间隙(gopt)被求解为：
gopt＝3.46[(μKΔR2)/(cpρP)]0.25，
其中，μ为冷却剂动力粘度，K为冷却剂热导率，cp为冷却剂比热，ρ为冷却剂质量密度，P为由间隙引起的冷却剂压头损失，并且ΔR为线圈的径向构造。对应的传热(hc)系数(例如W/m2/C)被求解为：
hc＝0.865[(cpρPK3)/(μΔR2)]0.25
在变压器油为冷却剂的一个实施方式中，径向构造为1cm(0.010m)，并且压头损失为1psi(6895Pa)，以上等式可以用于求解最佳间隙和对应的传热系数。(对于处于60C的变压器油，μ＝0.01Pa-sec，K＝0.2W/m/C，cp＝1800J/kg/C，并且ρ＝880kg/m3。)最佳间隙被求解为0.065mm或0.00261英寸。对应的传热系数被求解为2644W/m2/C。
根据第一等式，注意到的是，最佳间隙随径向构造的平方根增长而增长。将ΔR增大十倍会导致间隙增长约三倍。还注意到的是，所有其他因子都取四分之一幂，因此，间隙关于这些因子中的任何因子缓慢变化。
在使用P的较高值和ΔR的较小值的情况下，最佳间隙值可以在0.001英寸的数量级上。但是，出于制造、公差和稳定性的考虑，将通常需要增大的间隙值。因此，在一些实施方式中，间隙宽度设定为约0.001英寸。同样地，对于径向构造在0.1m的数量级上的大线圈，则使用相对粘稠的冷却剂(例如，μ＝0.1Pa-sec)，并且压头损失小(例如，0.25psi或1750Pa)，最佳间隙计算为1.8mm＝0.071英寸。(对应的传热系数为332W/m2/C。)因此，在一些实施方式中，间隙可以与0.07英寸一样大。
在一些实施方式中，可以使用与最佳间隙相差多达三倍的间隙(即，在0.33gopt至3.00gopt的范围内的间隙)，而不存在性能的不可接受的劣化。在一些实施方式中，可以使用可以额定用于180摄氏度的H类材料，并且入口与出口之间的温度差可以高达100摄氏度。在一些实施方式中，设计、比如图1的设计可以具有约10英寸的总长度并且能够承受约5kW(例如，至少1kW)的耗散功率(该耗散功率可以对应于约1MW的传输功率)。在这样的实施方式中，1psi的压力差(例如，在0.2psi至5.0psi的范围内的压力差)可以提供足够的流体流量。
除了为绕组提供机械支撑之外，间隔件104和106还在相邻线圈108之间提供电绝缘。通过增加间隔件的尺寸，可以增大相邻线圈108之间的击穿电压。此外，随着间隔件104和106的厚度增加，相邻线圈108之间的电容可以减小。
在存在限制流量的端板110的情况下，限制流量的端板110可以将绕组堆叠件保持在压缩状态下，并且限制流量的端板110用于限制轴向冷却剂流量(例如，在如图2、图4和图11中示出的不使用护罩121的情况下)。该功能通过与芯密封表面136强制接触的端板密封凸缘119(参见图2和图9)实现。芯的配装在线圈108内部的部分可以是圆柱形的(在存在凹槽134的情况下，除凹槽134(图10a)外的部分是圆柱形的)。芯密封表面136可以是筒形的(例如，在凹槽134存在于芯的一部分上的情况下，凹槽134可以不存在于芯的形成密封表面136的部分上)。端板密封凸缘119可以具有渐缩锥形唇缘的形状，使得唇缘上的压力差使唇缘紧固抵靠筒形芯密封表面136。在一些实施方式中，不存在端板密封凸缘119，并且限制流量的端板110具有紧密配合在芯密封表面136上的一个或两个圆孔。在其他实施方式中，芯密封表面136是相比于芯的配装在线圈108内部的部分具有更大的直径的圆柱形部分的环形端表面，并且围绕限制流量的端板110中的每个孔的环形区域抵靠芯密封表面136而抵接以形成密封。可以在不损失整体性能的情况下容许流过芯密封表面136的小的旁通流。
在电感器或非交错式变压器的情况下，中杂散B场至高杂散B场可以穿过线圈108。这又可以引起显著的邻近涡流损耗，从而引起发热增加和效率减小。这些损耗可以通过使线圈108中所使用的导体的厚度最小化而最小化，使线圈108中所使用的导体的厚度最小化又通过使每个线圈中的匝数最大化来实现。然而，最大匝数可能受到各种设计要求的限制。如图10a和图10b中示出的，在两个或更多个导体共卷绕的情况下，导体厚度可以进一步减小。通过将一个线圈的导体起点与相反的线圈的起点单独连接，如果对互连件进行适当换位，则环流损耗实际上可以被消除。(在n层被共卷绕的一般情况下，在A侧的第j层与B侧的第(n+1-j)层唯一连接的情况下提供最佳换位。)图10a和图10b的布置结构满足该转置换位。当使用共卷绕导体时，使用连接销126以将多个共卷绕导体的内端部连接至相邻线圈的对应共卷绕导体(例如，如图10a和图10b中示出的，将两个共卷绕导体的内端部114a、114b连接至相邻线圈的两个共卷绕导体的对应内端部)可以有助于组装。
如图1a至图1d、图2、图3和图11中示出的，绕组引线116连接至作为端子板140的一部分的端子母线142和144。端子板140用作“互连件”或“电路板”，使得各个绕组元件可以以不同的方式互连。除了能够实现串联和并联连接的各种组合之外，端子板140还能够实现如图12a和图12b中示出的初级交错与次级交错的各种组合。图12a示出了初级绕组与次级绕组最大限度分隔的最小交错的情况。相反地，图12b示出了初级绕组与次级绕组最大限度交错的情况。随着交错增加，绕组泄漏电感和杂散场两者均减小。
端子母线142和144包括端子柱146，端子柱146突出穿过位于封围件顶部162中的孔164；这些端子柱进而用于连接外部电力线缆(参见图11)。O形环148(参见图1a至图1d、图2、图3和图11)在端子柱146与封围件顶部162的内表面之间提供密封。当封围件顶部162与封围件底部172充分配合时，O形环148处于压缩状态下。
如图3中示出的，端子母线142和144通过包覆成型件141保持就位。位于端子母线142和144中的孔147用于帮助将这些母线锁定至包覆成型件，使得提供了可以安全地处理施加至端子柱146的力的刚性组件。线圈外接引线116连接至相应的端子母线142和144。例如，这些连接可以通过钎焊、熔接、铜焊或压接进行。
芯可以包括凹槽134，凹槽134使得在使用连接销126进行连接时为每对线圈的线圈之间的连接部或“拼接部”提供空间(参见图10a)。
在磁性元件为变压器的情况下，可以使用U形芯和E形芯；芯材料的示例可以包括铁氧体和高磁导率粉末状铁。在磁性元件为电感器的情况下，芯材料的示例可以包括低磁导率粉末状铁或包含一个或更多个气体间隙的高磁导率芯段(例如，如图10a中图示的芯段131)。在包括气体间隙时，由于可以穿过线圈108的一部分的边缘磁通量，可能出现附加的绕组损耗。这些问题可以通过使用相对大量的芯段使得建立大量的芯间隙——每个间隙具有相对小的尺寸——来最小化。当这被执行时，芯间隔件122可以被添加至有源间隔件104(如图10a和图10b中示出的)和无源间隔件106以及进料板112。芯间隔件122的厚度建立了芯段之间的最小间距。仅在芯由多个段构成并且在各个段之间包括间隙的情况下包括芯间隔件122。
进料板112可以位于绕组组件101的中央中。在一些情况下，进料板112可以位于组件的一个端部处，在这种情况下，进料板112还可以用作端板。如图8a和图8b中示出的，进料板112包括在进料板112的两个平行面之间形成流体通道的腔120，使得在进料板的底部与位于芯130(或131)和相应的线圈及间隔件之间的环形区域127之间建立冷却剂流动路径。进而，腔120与位于封围件底部172内的入口腔178对准以接收冷却剂流。进而，腔178与流体入口174(参见图11)流体连通。沿径向离开流动间隙129的冷却剂流被包含在封围件半体162和172内。冷却剂经由与流体出口176(参见图11)相连的出口腔180离开封围件。垫片190(例如，楔形垫片)建立对芯130的(或者在图2的实施方式的情况下为对芯131的)压缩力。垫片190中的每个垫片可以安装在芯130(或131)与封围件底部172的内表面196之间。进料板112可以包括用以保持进料板112与腔178之间的对准的一个或更多个指引接脚124。如图11中图示出并且在下面进一步详细论述的，衬垫153(图11)可以配装到腔178的配准部(register)中以在进料板112与封围件底部172之间形成密封。
进一步参照图11，绝缘屏障166被添加至封围件顶部162的外表面以增强端子柱146之间的耐电压性。两个封围件半体之间的流体密封由位于定位在封围件底部172内的O形环槽182中的O形环184实现。封围件半体通过与顶部附接平台168和底部附接平台186连接的螺钉170被拉在一起。安装脚188可以是封围件底部172的一体元件。封围件半体可以被制造为注射成型的热塑性塑料或注射成型的热固性物质。
参照图13，在一些实施方式中，端子板140包括一个或更多个层，每个层包括一个或更多个相互绝缘的导体。在图13中，示出了两层端子板，其中，下层由四个导电板构成(所述四个导电板中的一个导电板为第一下导电板138)，并且上层由四个导电板构成(所述四个导电板中的一个导电板为第一上导电板133)。每个导电板与相应的端子柱146(例如端子柱146a、146b、146c、146d中的一个端子柱)相连，使得形成完整的电节点。各个导体(每个导体包括例如导电板和端子柱)相互绝缘并且由包覆成型件141(例如，树脂包覆成型件；在图13中未示出，但是在例如图1c中可见，并且在图3中标识出)以机械的方式支承。还可以包括附加的绝缘元件以确保在向导体施加高电压时不会发生电击穿。每个端子柱146可以包括如示出的内螺纹或者可以包括螺纹螺柱，使得带凸耳的线缆可以被端接。每个导电层具有一个或更多个侧向延伸部，所述一个或更多个侧向延伸部形成从绝缘包覆成型件延伸出并且进而连接至绕组端部从而实现期望的端子功能的绕组端部端子133(绕组端部端子133可以是例如焊接端子)或者例如端子母线142a、142b、144a、144b。
端子板构思可以具有许多变型。例如，可以使用任何数目的层；每层可以包含任何数目的导体；各个层可以彼此不同；绕组端部端子尺寸或端子柱尺寸可以彼此不同；对于单个导体可以使用多个端子；或者绕组端部端子133可以被设计成适应焊接。
该组件可以用合适的流体进行冷却，该流体可以是液体比如变压器油、自动变速器流体或乙二醇，或者该流体可以是气体、比如空气。将理解的是，尽管本文中描述的一些实施方式是为了方便起见而在流体沿特定方向流动、例如从流体入口径向向外通过流动间隙并通过流体出口流动的情况下进行描述的，但是在一些实施方式中，流体沿相反的方向流动以达到相似或相同的效果。尽管一些实施方式被描述为包括铁磁性芯，但是在一些实施方式(对应于磁性元件，这些实施方式可以被称为“空气芯”磁性元件)中，这样的铁磁性芯可以不存在，并且例如，任何线圈的内部容积可以填充有冷却流体。
本文所列举的任何数值范围意在包括被包含在所列举范围内的相同数值精度的所有子范围。例如，“1.0至10.0”的范围意在包括所列举的最小值1.0与所列举的最大值10.0之间的所有子范围，也就是说，具有等于或大于1.0的最小值以及等于或小于10.0的最大值，例如2.4至7.6。本文所列举的任何最大数值极限意在包括其中包含的所有较低数值极限，并且本说明书中所列举的任何最小数值极限意在包括其中包含的所有较高数值极限。
尽管本文中已经具体地描述并说明了流体冷却式磁性元件的示例性实施方式，但是许多改型和变型对于本领域技术人员而言将会是明显的。因此，应当理解的是，根据本公开的原理构造的流体冷却式磁性元件可以以除如本文中具体描述的方式之外的方式来实施。本发明还通过所附权利要求及其等同方案进行限定。

Claims (22)

1.一种流体冷却式磁性元件，包括：
第一导电线圈，所述第一导电线圈具有第一环形表面和第二环形表面；
第二导电线圈，所述第二导电线圈具有第一环形表面和第二环形表面；
第一间隔件，所述第一间隔件是电绝缘的并且具有第一面和第二面，所述第一面与所述第一导电线圈的所述第一环形表面分隔开第一间隙；
间隙设定特征，所述间隙设定特征位于所述第一间隔件与所述第一导电线圈之间，所述间隙设定特征构造成设定所述第一间隙的宽度，
流体入口；以及
流体出口，
其中：
流体路径通过所述第一间隙从所述流体入口延伸至所述流体出口，并且
所述磁性元件构造成使流体在所述第一导电线圈的内部体积和所述第一导电线圈的外部体积之间沿具有径向分量的方向流动通过所述第一间隙。
2.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述第一导电线圈是中空筒形线圈。
3.根据权利要求2所述的磁性元件，其中：
所述第二导电线圈是中空筒形线圈，并且
所述第二导电线圈的所述第一环形表面与所述第一间隔件的所述第二面形成第二间隙。
4.根据权利要求3所述的磁性元件，其中，所述第一导电线圈具有外端部和内端部，并且所述第二导电线圈具有外端部和连接至所述第一导电线圈的所述内端部的内端部，并且其中，来自流动通过串联的两个线圈的电流对所述第一导电线圈的中央处的磁场的贡献与来自流动通过所述第二导电线圈的所述电流对所述磁场的贡献位于相同的方向上。
5.根据权利要求1所述的磁性元件，包括多对线圈，所述多对线圈包括所述第一导电线圈和所述第二导电线圈，
其中：
每对线圈中的一个线圈的内端部连接至每对线圈中的另一线圈的内端部，并且
所述第一间隔件是板材。
6.根据权利要求5所述的磁性元件，包括：
多个有源间隔件，所述多个有源间隔件包括所述第一间隔件；以及
多个无源间隔件，
所述有源间隔件中的每个有源间隔件具有两个面并且位于相应的一对线圈的两个线圈之间，所述一对线圈中的一个线圈位于所述面中的一个面上，并且所述一对线圈中的另一线圈位于另一个面上，并且
所述无源间隔件中的每个无源间隔件位于一对线圈中的一线圈与另一对线圈中的一线圈之间。
7.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述第一间隔件包括腔，所述腔形成从所述第一间隔件的外部延伸至所述第一间隔件的内部体积的流体通道。
8.根据权利要求1所述的磁性元件，还包括多个芯段。
9.根据权利要求8所述的磁性元件，其中，所述多个芯段中的芯段是铁磁性的。
10.根据权利要求9所述的磁性元件，其中，所述流体路径还延伸穿过第三间隙，所述第三间隙是所述芯段与所述第一导电线圈或所述第一间隔件之间的径向间隙。
11.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述第一导电线圈是具有第一内端部和第一外端部的面卷绕式电导体，并且所述第二导电线圈是具有第一内端部和第一外端部的面卷绕式电导体。
12.根据权利要求11所述的磁性元件，包括多个线圈，所述多个线圈包括所述第一导电线圈和所述第二导电线圈，
其中：
所述线圈堆叠以形成筒形件，
所述线圈的各自卷绕方向沿着所述筒形件的至少一部分交替，使得相邻线圈的卷绕方向相反；并且
所述多个线圈中的每个线圈的第一内端部连接至所述多个线圈中的相应的相邻线圈的第一内端部。
13.根据权利要求1所述的磁性元件，包括多个间隙，所述多个间隙包括所述第一间隙，所述磁性元件构造成在稳态流体流动的条件下使在所述流体入口处接收的流体的至少50％通过所述间隙流动至所述流体出口。
14.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述第一间隙具有大于0.001英寸且小于0.070英寸的宽度。
15.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述第一导电线圈是包括n个共卷绕导体的复合线圈。
16.根据权利要求15所述的磁性元件，其中：
所述第一导电线圈具有n个内端部，
所述第二导电线圈是包括具有n个内端部的n个共卷绕导体的复合线圈，并且
所述第一导电线圈的第j个内端部连接至所述第二导电线圈的第(n-j+1)个内端部。
17.根据权利要求1所述的磁性元件，还包括第三导电线圈，
所述第一导电线圈、所述第二导电线圈和所述第三导电线圈通过第一单片导体连接在一起。
18.根据权利要求17所述的磁性元件，其中：
第四导电线圈连接至第二单片导体，并且
所述第一单片导体是分层结构中的第一层的一部分，并且所述第二单片导体是所述分层结构中的第二层的一部分。
19.根据权利要求1所述的磁性元件，包括：
多个线圈，所述多个线圈包括所述第一导电线圈和所述第二导电线圈；以及
多个间隔件，所述多个间隔件包括所述第一间隔件，
所述磁性元件具有多个间隙，所述多个间隙包括所述第一间隙，所述间隙中的每个间隙位于所述线圈中的一个线圈的环形表面与相应的间隔件的面之间，
其中，所述磁性元件构造成接收流入所述流体入口中的流体并且使所述流体的至少50％流动通过所述间隙并通过所述流体出口流出。
20.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述间隙设定特征是：
位于所述第一间隔件的所述第一面上的突出部，或者
位于所述第一导电线圈上的突出部。
21.根据权利要求1所述的磁性元件，还包括构造成防止流体逸出的壳体。
22.根据权利要求1所述的流体冷却式磁性元件，还包括：
第一端子；
第二端子；以及
第三端子；
其中：
所述第一导电线圈具有连接至所述第一端子的第一端部和连接至所述第二端子的第二端部；并且
所述第二导电线圈具有连接至所述第三端子的第一端部。
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