DE112017002471T5

DE112017002471T5 - Flüssigkeitsgekühltes magnetisches Element

Info

Publication number: DE112017002471T5
Application number: DE112017002471.4T
Authority: DE
Inventors: Wally E. Rippel; Eric E. Rippel
Original assignee: Prippell Tech LLC; Prippell Technologies LLC
Current assignee: Prippell Tech LLC; Prippell Technologies LLC
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2019-01-24
Also published as: CN109155180B; JP6773811B2; US20170330670A1; US10600548B2; WO2017197368A1; JP2019519102A; CN109155180A

Abstract

Offenbart ist ein ringförmiges magnetisches Element. Eine Mehrzahl von Spulen ist in einer ringförmigen Konfiguration angeordnet. Jede Spule kann ein hohler Zylinder sein, der durch Wickeln eines rechteckförmigen Drahts in eine Rolle ausgebildet ist. Die Spulen wechseln sich mit Abstandshaltern ab, von denen jeder ein Keil sein kann. Die Spulen können sich hinsichtlich der Orientierung ihrer Wicklung abwechseln, und die inneren Enden von jeder Spule können durch einen Verbindungsbolzen mit dem inneren Ende einer benachbarten Spule verbunden sein. Kleine Spalte sind zwischen den Spulen und den Keilen ausgebildet, z.B. als ein Ergebnis davon, dass jeder Keil auf seinen zwei Flächen eine Mehrzahl von erhöhten Rippen aufweist, gegen die die Spulen anstoßen. Eine Kühlflüssigkeit fließt durch die Spalte, um die Spulen zu kühlen.

Description

QUERVERWEIS AUF KORRESPONDIERENDE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität und die Vorteile der U.S. Provisional-Anmeldung Nr. 62/336,466 , eingereicht am 13. Mai 2016 mit dem Titel „LIQUID-COOLED TOROIDAL MAGNETICS“ (übersetzt: „Flüssigkeitsgekühlte ringförmige Magnete“), und die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität und den Vorteil der U.S. Provisional-Anmeldung Nr. 62/401,139 , eingereicht am 28. September 2016 mit dem Titel „DISCLOSURE OF LIQUID-COOLED TOROIDAL MAGNETICS“ (übersetzt: „Offenbarung von flüssigkeitsgekühlten ringförmigen Magneten“), wobei der gesamte Inhalt von beiden hierin durch Verweis aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Einer oder mehrere Aspekte von Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf magnetische Elemente, und insbesondere auf ein flüssigkeitsgekühltes, ringförmiges magnetisches Element.
HINTERGRUND
Magnetische Elemente, wie etwa Transformatoren und Induktoren, dienen wichtigen Funktionen in verschiedenen Leistungsverarbeitungssystemen. Um ihre Größe und Kosten zu minimieren, können Stromdichten und elektrische Frequenzen so hoch wie möglich gemacht werden. In einem derartigen System kann es vorteilhaft sein, für eine effiziente Wärmeübertragung von der Wicklung und dem Kern zu sorgen und ebenso für niedrige Potenzialwirbelverluste - sowohl innerhalb der Wicklung als auch dem Kern. Magnetische Elemente mit einer ringförmigen Geometrie können verschiedenartige Vorteile aufweisen, jedoch kann deren Herstellung die Verwendung von speziellen Wicklungseinrichtungen involvieren, und das Herstellen von Wicklungen für hohe Ströme kann herausfordernd sein.
Daher besteht ein Bedarf für einen verbesserten Entwurf eines magnetischen Elements.
ZUSAMMENFASSUNG
Aspekte von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auf ein ringförmiges (oder torisches) magnetisches Element gerichtet. Eine Mehrzahl von Spulen ist in einer ringförmigen Konfiguration angeordnet. Jede Spule kann ein hohler Zylinder sein, der durch Wickeln eines rechteckförmigen Drahts in eine Rolle ausgebildet ist. Die Spulen wechseln sich mit Abstandshaltern ab, von denen jeder ein Keil sein kann. Die Spulen können sich hinsichtlich der Orientierung ihrer Wicklung abwechseln, und das innere Ende von jeder Spule kann, durch einen Verbindungsbolzen, mit dem inneren Ende einer benachbarten Spule verbunden sein. Kleine Spalte sind zwischen den Spulen und den Keilen ausgebildet, z.B. als ein Ergebnis davon, dass jeder Keil auf seinen zwei Flächen eine Mehrzahl von erhabenen Rippen aufweist, gegen die die Spulen anstoßen. Eine Kühlflüssigkeit fließt durch die Spalte, um die Spulen zu kühlen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein magnetisches Element bereitgestellt, das Folgendes aufweist: eine erste elektrisch leitfähige Spule, die eine erste ringförmige Oberfläche und eine zweite ringförmige Oberfläche aufweist, ein erster elektrisch isolierender Abstandshalter, der eine erste glatte Dichtfläche (oder flache Fläche) und eine zweite glatte Dichtfläche aufweist, wobei die erste glatte Dichtfläche von der ersten ringförmigen Oberfläche durch einen ersten Spalt (oder eine Lücke) getrennt ist, einen Fluideinlass und einen Fluidauslass, wobei sich ein Fluidpfad durch den ersten Spalt von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass erstreckt.
In einer Ausführungsform ist die erste Spule eine hohle zylinderförmige Spule, und der erste elektrisch isolierende Abstandshalter ist ein erster Keil.
In einer Ausführungsform enthält das magnetische Element eine zweite hohle zylinderförmige Spule, wobei die zweite Spule eine erste ringförmige Oberfläche aufweist, die einen zweiten Spalt mit der zweiten glatten Dichtfläche des ersten Keils ausbildet.
In einer Ausführungsform weist die erste Spule ein äußeres Ende und ein inneres Ende auf, und die zweite Spule weist ein äußeres Ende und ein inneres Ende, das mit dem inneren Ende der ersten Spule verbunden ist, auf, und wobei ein Beitrag zu einem magnetischen Feld an dem Mittelpunkt der ersten Spule von einem Strom, der durch beide Spulen in Reihe fließt, in derselben Richtung ist wie ein Beitrag zu dem magnetischen Feld von dem Strom, der durch die zweite Spule fließt.
In einer Ausführungsform umfasst das magnetische Element eine Mehrzahl von Paaren von Spulen, einschließlich der ersten Spule und der zweiten Spule, wobei jede Spule ein inneres Ende und ein äußeres Ende aufweist, wobei die inneren Enden von jedem Paar zusammen verbunden sind, wobei die Spulen angeordnet sind, um einen Ring (oder Torus) auszubilden.
In einer Ausführungsform umfasst das magnetische Element Folgendes: eine Mehrzahl von aktiven Keilen einschließlich dem ersten Keil und eine Mehrzahl von passiven Keilen, wobei die aktiven Keile zwei glatte Dichtflächen aufweisen und zwischen den zwei Spulen eines entsprechenden Paares von Spulen sind, wobei eine Spule des Paares der Spulen auf einer der glatten Dichtfläche ist und die andere Spule des Paares der Spulen auf der anderen glatten Dichtfläche ist, und wobei jeder der passiven Keile zwischen einer Spule von einem Paar von Spulen und einer Spule von einem anderen Paar von Spulen ist.
In einer Ausführungsform umfasst jeder aktive Keil einen leitfähigen Bolzen (oder Stift), der sich durch den aktiven Keil erstreckt, wobei das innere Ende der Spule auf einer glatten Dichtfläche des aktiven Keils mit einem Ende des Bolzens verbunden und befestigt ist, wobei das innere Ende der Spule auf der anderen glatten Dichtfläche des aktiven Keils mit dem anderen Ende des Bolzens verbunden und befestigt ist.
In einer Ausführungsform weist ein mit einer Rohrleitung versehener Keil (ducted wedge) von der Mehrzahl der aktiven Keile und der Mehrzahl der passiven Keile einen Fluiddurchlass auf, der sich von der Außenseite (oder von außerhalb) des Rings bis zu einem Innenvolumen (oder inneren Volumen) des Rings erstreckt.
In einer Ausführungsform umfasst das magnetische Element eine Mehrzahl von Kernsegmenten in einem Innenvolumen des Rings.
In einer Ausführungsform ist ein Kernsegment von der Mehrzahl der Kernsegmente ferromagnetisch.
In einer Ausführungsform erstreckt sich der Fluidpfad weiter durch einen dritten Spalt, wobei der dritte Spalt ein radialer Spalt zwischen dem Kernsegment und der ersten Spule und/oder dem ersten Keil ist.
In einer Ausführungsform weist jedes der Kernsegmente ein Loch auf, das sich ringförmig durch das Kernsegment erstreckt, und wobei sich der Fluidpfad ferner durch eines der Löcher und durch einen ringförmigen Spalt zwischen zwei benachbarten Kernsegmenten von der Mehrzahl der Kernsegmente erstreckt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein ringförmiges (oder torisches) magnetisches Element bereitgestellt, das Folgendes aufweist: eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Spulen, die angeordnet sind, um einen Ring (oder Torus) auszubilden, und eine Mehrzahl von elektrisch isolierenden Abstandshaltern, wobei jeder der Abstandshalter zwischen zwei benachbarten Spulen von der Mehrzahl der Spulen ist, wobei jede von der Mehrzahl der Spulen einen flächengewickelten elektrischen Leiter aufweist und ein erstes inneres Ende und ein erstes äußeres Ende hat.
In einer Ausführungsform wechseln sich die entsprechenden Orientierungen der Wicklungen (oder Erregerwicklungen) der Spulen um zumindest einen Teil des Ringes ab, und das erste innere Ende von jeder von der Mehrzahl der Spulen ist mit dem ersten inneren Ende einer entsprechenden benachbarten Spule von der Mehrzahl der Spulen verbunden.
In einer Ausführungsform umfasst das ringförmige magnetische Element n gemeinsam gewickelte Leiter und weist n innere Enden einschließlich des ersten inneren Endes und n äußere Enden einschließlich des ersten äußeren Endes auf, und wobei ein j-tes inneres Ende von einer Spule von der Mehrzahl Spulen mit einem (n-j+1)-ten inneren Ende einer entsprechenden benachbarten Spule von der Mehrzahl der Spulen verbunden ist.
In einer Ausführungsform ist jede der Spulen ein hohler Zylinder, der zwei parallele ringförmige Oberflächen aufweist.
In einer Ausführungsform ist jeder der Abstandshalter ein Keil mit zwei glatten Dichtflächen.
In einer Ausführungsform ist jede ringförmige Oberfläche von jeder der Spulen von einer benachbarten Fläche eines benachbarten Keils durch einen Spalt getrennt.
In einer Ausführungsform umfasst das ringförmige magnetische Element ein Gehäuse, das den Ring enthält, wobei das Gehäuse einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist, wobei ein Fluidpfad von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass einen Abschnitt innerhalb von einem der Spalte enthält.
In einer Ausführungsform sind jeweils zwei Spulen, die an ihren entsprechenden inneren Enden zusammen verbunden sind, durch einen Abstandshalter getrennt, der einen leitfähigen Verbindungsbolzen (oder Stift) aufweist, der die Verbindung zwischen den entsprechenden inneren Enden ausbildet.
In einer Ausführungsform ist ein äußeres Ende von einer ersten Spule von der Mehrzahl der Spulen mit einem äußeren Ende von einer zweiten Spule von der Mehrzahl der Spulen durch eine erste Stromsammelschiene verbunden.
In einer Ausführungsform umfasst das ringförmige magnetische Element Folgendes: einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss, und weist ferner auf: eine erste Wicklung (oder Erregerwicklung), die ein erstes Ende, das mit dem ersten Anschluss verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, aufweist, und die eine erste Spule von der Mehrzahl von Spulen und eine zweite Spule von der Mehrzahl von Spulen aufweist, wobei die erste Spule und die zweite Spule in Reihe verbunden sind, und wobei eine zweite Wicklung ein erstes Ende, das mit dem dritten Anschluss verbunden ist, und ein zweites Ende aufweist, und die eine dritte Spule von der Mehrzahl der Spulen und eine vierte Spule von der Mehrzahl der Spulen aufweist, wobei die dritte Spule und die vierte Spule in Reihe verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein flüssigkeitsgekühltes, ringförmiges magnetisches Element bereitgestellt, das Folgendes aufweist: eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Spulen, die angeordnet sind, um einen Ring (oder Torus) auszubilden, eine Mehrzahl von elektrisch isolierenden Abstandshaltern, einen Fluideinlass und einen Fluidauslass, wobei jeder der Abstandshalter zwischen zwei benachbarten Spulen von der Mehrzahl der Spulen ist, wobei jede der Spulen einen flächengewickelten elektrischen Leiter aufweist, wobei jede der Spulen zwei ringförmige Oberflächen aufweist, wobei jede ringförmige Oberfläche von jeder der Spulen von einer benachbarten Fläche eines benachbarten Abstandshalters durch einen Spalt getrennt ist, wobei sich ein entsprechender Fluidpfad durch jeden von den Spalten von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass erstreckt.
In einer Ausführungsform hat jeder von den Spalten eine Breite von größer als 0,001 Inch und weniger als 0,02 Inch.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Verweis auf die Beschreibung, die Patentansprüche und die beigefügten Zeichnungen gewertschätzt und verstanden werden, wobei gilt:

1 ist eine teilweise weggeschnittene, perspektivische Ansicht eines ringförmigen Zusammenbaus, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine teilweise weggeschnittene, perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines ringförmigen Zusammenbaus, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts von einem ringförmigen Zusammenbau gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4A ist eine perspektivische Ansicht von einem Keil eines ringförmigen Zusammenbaus, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4B ist eine perspektivische Ansicht von einem Keil eines ringförmigen Zusammenbaus, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4C ist eine perspektivische Ansicht von einem Kernsegment eines ringförmigen Zusammenbaus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines ringförmigen Zusammenbaus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines ringförmigen Zusammenbaus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Abschnitts eines ringförmigen Zusammenbaus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
8 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines flüssigkeitsgekühlten magnetischen Elements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die nachfolgend dargelegte, ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ist gedacht als eine Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen eines flüssigkeitsgekühlten magnetischen Elements, das gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, und ist nicht dazu gedacht, die einzige Form darzustellen, in der die vorliegende Erfindung konstruiert oder verwendet werden kann. Die Beschreibung legt die Merkmale der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den veranschaulichten Ausführungsformen dar. Es sollte jedoch verstanden werden, dass dieselben oder äquivalenten Funktionen und Strukturen durch andere Ausführungsformen erzielt werden können, die ebenfalls als innerhalb des Geists und des Schutzumfangs der Erfindung als umfasst gedacht sind. So wie das anderenorts hierin erwähnt ist, ist beabsichtigt, dass gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente oder Merkmale anzeigen.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein flüssigkeitsgekühltes ringförmiges magnetisches Element einen ringförmigen Zusammenbau 101, dargestellt in 1, in einem Gehäuse (8; zur Klarheit in 1 weggelassen) eines flüssigkeitsgekühlten, magnetischen Elements gemäß einer Ausführungsform. In einigen Ausführungsformen umfasst der ringförmige Zusammenbau 101 eine abwechselnde Menge von Spulen 102 und Keilen 104, 105 in einer Konfiguration, die eine näherungsweise ringförmige (oder torische) Form aufweist. Die Keile 104, 105 können als isolierende Abstandshalter fungieren, um die Spulen voneinander zu isolieren und um die Spulen 102 in einer kreisförmigen Konfiguration zu positionieren und auszurichten. Verwendungen mit den Spulen 102 werden hergestellt unter Verwendung von Anschlüssen 106, an der Oberseite der ringförmigen magnetischen Elemente, von welchen Anschlüssen jeder mit einer oder mehreren der Spulen 102 durch entsprechende Stromsammelschienen 108, 109 verbunden werden können.
Eine Überform (over-mold) 110, die aus elektrisch isolierenden Materialien aufgebaut ist, befestigt die Anschlüsse 106 zusammen. Jede der Stromsammelschienen 108, 109 umfasst ein oder mehrere Stromsammelschienenlöcher 112, durch die die Überform 110 geformt ist, so dass die Überform 110 mit den Stromsammelschienen 108, 109 mechanisch blockiert ist und die Stromsammelschienen 108, 109 die Überform 110 verstärken. Der Teilzusammenbau, der aus den Anschlüssen 106, den Stromsammelschienen 108, 109 und der Überform 110 besteht, kann gesondert hergestellt werden, z.B. durch Befestigen der Anschlüsse 106 und der Stromsammelschienen 108, 109 in einer geeigneten Form, und Ausformen der Überform 110 um die Anschlüsse 106 und die Stromsammelschienen 108, 109 und durch die Löcher 112 in den Stromsammelschienen 108, 109. Das Ausformen der Überform kann beispielsweise ausgeführt werden durch Spritzgießen oder durch Gießen unter Verwendung eines aushärtbaren Harzes, der in der Form ausgehärtet wird. Die Überform 110 kann aus einem isolierenden Material aufgebaut sein, z.B. einem, das der Temperatur widerstehen kann, der es ausgesetzt werden könnte, wenn die äußeren Enden 132 (2) der Spulen 102 an die Stromsammelschienen 108, 109 gelötet werden. Beispielsweise kann die Überform 110 aus Polyetheretherketon (PEEK) aufgebaut sein. 1 zeigt eine Anordnung mit zwölf Anschlüssen 106, sechsunddreißig Spulen 102 und sechsunddreißig Keilen 104, 105; in anderen Ausführungsformen können mehr oder weniger von einigen oder allen dieser Komponenten vorhanden sein.
2 zeigt einen Abschnitt des in 1 dargestellten ringförmigen Zusammenbaus 101. Ebenfalls gezeigt sind Pfeile, die ein ringförmiges Koordinatensystem definieren, das hierin verwendet wird, um Positionen und eine Richtung in der Struktur anzuzeigen. Ein erster Pfeil 113 zeigt in einer ringförmigen Richtung, ein zweiter Pfeil 114 zeigt in einer poloidalen (oder stabspulenförmigen) Richtung, und ein dritter Pfeil 115 zeigt in einer radialen Richtung. Im Betrieb fließt in jeder Spule 102 ein Strom in einer im Wesentlichen poloidalen Richtung, bildet dadurch ein magnetisches Feld aus, innerhalb der Spule 102, in einer im Wesentlichen ringförmigen Richtung. So wie das unten in näherer Einzelheit besprochen wird, sind die Spulen 102 so angeordnet, dass zwischen zwei verschiedenen Spulenwicklungsorientierungen einer ersten Wicklungsorientierung und einer zweiten Wicklungsorientierung, abgewechselt wird. In einer Spule 102, welche die erste Wicklungsorientierung aufweist, fließt ein Strom entlang eines spiralförmigen Pfades, der radial nach außen fortschreitet, wenn er in der positiven poloidalen Richtung strömt (so wie das für die Spule 102a der 2 der Fall ist), und in einer Spule 102, welche die zweite Wicklungsorientierung aufweist, fließt ein Strom entlang eines spiralförmigen Pfades fortschreitend radial einwärts, wenn er in der positiven poloidalen Richtung fließt (so wie das für die Spule 102b der 2 der Fall ist). Die Spulen 102 sind paarweise in Reihe verbunden, wobei jede Spule ein inneres Ende aufweist, das mit dem inneren Ende einer benachbarten Spule verbunden ist. Als ein Ergebnis der abwechselnden Wicklungsorientierung der Spulen 102 wird der Beitrag von jeder Spule 102 von irgendeinem derartigen Paar in derselben Richtung sein, entlang der Achse der zwei Spulen 102, so wie der Beitrag von der anderen Spule 102 des Paares, wenn der Strom in Reihe durch die zwei Spulen 102 des Paares fließt.
Kernsegmente 118 sind angeordnet, um einen Verbundkern (oder zusammengesetzten Kern) in einer näherungsweise ringförmigen Form innerhalb der Spulen auszubilden. So wie das hierin verwendet wird, ist eine „Spule“ ein leitfähiges Element, das eine oder mehrere Wicklungen eines Leiters (z.B. eines Drahtes) aufweist und das sich (z.B. in einer Spirale) von einem inneren Ende zu einem äußeren Ende des Leiters erstreckt. Eine „Wicklung“, wie hierin verwendet, ist ein leitfähiges Element, das eine oder mehrere Spulen aufweist und das zwei Enden aufweist, die mit zwei entsprechenden Anschlüssen verbunden sind. Beispielsweise, und so wie das in näherer Einzelheit unten beschrieben ist, kann eine Wicklung aus zwei Spulen bestehen, die ihre entsprechenden inneren Enden zusammen verbunden hat, wobei ihre entsprechenden äußeren Enden die zwei Enden der Wicklung sind, die mit zwei entsprechenden Anschlüssen verbunden sind. Eine „Verbundwicklung“ (oder „zusammengesetzte Wicklung“), so wie das hierin verwendet wird, ist ein Element mit zwei Anschlüssen, welches eine Reihen- und/oder Parallelkombination von einer oder mehreren Wicklungen ist. Eine „Verbundspule“ (oder „zusammengesetzte Spule“), so wie das hierin verwendet wird, ist ein leitfähiges Element, das zwei oder mehrere gemeinsam gewickelte Leiter aufweist, von denen jeder sich (z.B. in einer Spirale) von einem entsprechenden inneren Ende zu einem entsprechenden äußeren Ende des entsprechenden Leiters erstreckt.
So wie das in näherer Einzelheit unten besprochen wird, kann jeder der Anschlüsse 106 der 1 und 2 mit einer Verbundwicklung verbunden werden, die aus drei Wicklungen besteht, die parallel verbunden sind, wobei jede Wicklung aus zwei in Reihe verbundenen Spulen besteht. Als solcher besteht der ringförmige Zusammenbau 101 aus sechs Verbundwicklungen, die eingerichtet sein können, indem geeignete Verbindungen an den Anschlüssen hergestellt werden, so dass sie ein Transformator oder ein Induktor ist. Beispielsweise kann eine geeignete Parallel- oder Reihenkombination der Verbundwicklungen als ein Induktor funktionieren. Indem eine erste Teilmenge der Verbundwicklungen in einer ersten Parallel- oder Reihenkombination verbunden wird und eine zweite Teilmenge von Verbundwicklungen (z.B. die verbleibenden der Verbundwicklungen) in einer zweiten Parallel- oder Reihenkombination verbunden werden, kann ein Transformator ausgebildet werden. Der Kern eines Transformators kann verschieden sein von dem Kern eines andernfalls ähnlichen Induktors. Für Transformatoren kann die Kernpermeabilität hoch sein, während Spalte zwischen Segmenten minimiert werden, so dass magnetisierende Ströme minimiert werden. Mit Induktoren kann das Kernmaterial entweder von niedriger Permeabilität sein oder es können endliche Spalte eingerichtet werden (oder beides), so dass eine Kernsättigung vermieden wird. In beiden Fällen sind sowohl Induktanz- als auch Transformator-Aktionen vorhanden, so wie in dem Fall eines „Zeilenkipptransformators“ („flyback transformer“). In allen derartigen Fällen erlauben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, dass die Wicklungen so verbunden und miteinander verbunden werden, wie das gewünscht ist. Die Leck-Induktanz des Transformators kann eingestellt werden, z.B. indem abwechselnd Verbundwicklungen ausgewählt werden zur Verwendung in der ersten Teilmenge (um die Leck-Induktanz zu verringern) oder indem aufeinanderfolgende Verbundwicklungen zur Verwendung in der ersten Teilmenge ausgewählt werden (um die Leck-Induktanz zu vergrößern).
Ein Kühlfluid (oder ein „Kühlmittel“ oder eine „Kühlflüssigkeit“) kann zwischen den und um die Spulen und den Kern herum strömen, um Wärme zu entziehen. In einigen Ausführungsformen ist das Kühlmittel eine Flüssigkeit, z.B. Öl oder ein Übertragungsfluid. In anderen Ausführungsformen ist es ein Gas, z.B. Luft. So wie dies hierin verwendet wird, bezeichnet „Fluid“ entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas, außer wo das anderweitig angegeben ist. Jede Spule 102 ist aus einem flächengewickelten, rechteckförmigen Draht ausgebildet (d.h. gewickelt in der Art und Weise einer Rolle eines Bandes), der ein inneres Ende 130 und ein äußeres Ende 132 aufweist. Der Draht kann eine Breite von etwa 0,16 Inch (z.B. eine Breite von 0,163 Inch) und eine Dicke von etwa 0,020 Inch (z.B. eine Dicke von 0,023 Inch) aufweisen. Das innere Ende 130 kann um einen Verbindungsbolzen (oder Verbindungsstift) 128 herumgewickelt sein, so dass es an dem Verbindungsbolzen 128 befestigt und mit diesem elektrisch verbunden ist. Das innere Ende 130 kann an dem Verbindungsbolzen 128 angelötet sein. Das äußere Ende 132 von jeder Spule 102 kann eine 45-Grad-Faltung 133 (oder eine Biegung mit kleinem Radius) aufweisen, so dass der Draht seine Richtung um 90 Grad ändert, und er kann durch eine Zugentlastung 134 (4A), z.B. einen Schlitz in einem der Keile 104, 105, hindurchlaufen und kann mit einer der Stromanschlussschienen 108, 109 verbunden sein (z.B. durch Löten in einer Ritze 152 einer Stromanschlussschiene).
Jede Spule 102 kann gesondert hergestellt werden. Der rechteckförmige Draht kann beschichtet werden, bevor er in eine Spule gewickelt wird, mit einer Beschichtung oder einer selbst-aushärtenden Isolierung direkt auf dem Draht oder auf einer Schicht einer Isolierung, die auf dem Draht ist. Die gesamte Isolationsdicke auf dem Draht kann z.B. 0,002 Inch sein. Die Spule kann ausgebildet werden, indem der Draht um einen geeigneten Spanndorn herumgewickelt wird, und indem ein Strom durch den Draht getrieben wird (z.B. für 30 Sekunden), um den Draht und die selbstaushärtende Isolierung zu erwärmen, so dass benachbarte Wicklungen zusammen verbunden werden und die Spule, mit Ausnahme des inneren Endes 130 und des äußeren Endes 132, eine starre, hohle, zylinderförmige Einheit wird.
3 zeigt eine vergrößerte Draufsicht eines Abschnitts des flüssigkeitsgekühlten magnetischen Elements, das vier Kernsegmente 118, zwei Spulen 102 und drei Keile 104, 105 aufweist. Ein Kühlmittel strömt in den Richtungen, die durch die Pfeile angezeigt sind, strömt in die Struktur (von einem Kühlmitteleinlass 174 und durch ein Einlassloch 175 in dem Gehäuse (8)) durch einen Einlassdurchlass 122 in den zentralen Keil 105 der drei Keile, ringförmig (oder torisch) und poloidal innerhalb eines ersten radialen Spalts 124, und radial auswärts durch eine Mehrzahl von ringförmigen Spalten 126. Jeder der ringförmigen Spalte 126 kann eine Breite g (z.B. 0,004 Inch) aufweisen, so wie das in 3 veranschaulicht ist. Von einem der ringförmigen Spalte 126 kann das Fluid direkt in den Mittelpunkt 127 des ringförmigen Zusammenbaus 101 strömen (wenn das Fluid durch einen ringförmigen Spalt 126 an einer poloidalen Koordinate in der Nähe des Mittelpunkts 127 des ringförmigen Zusammenbaus 101 ausströmt), oder es kann in einer poloidalen Richtung fließen durch einen von einer Mehrzahl von zweiten radialen Spalten 129 (wobei jeder ein Spalt zwischen der äußeren Oberfläche einer Spule 102 und der inneren Oberfläche des Gehäuses (8) ist), und in den Mittelpunkt 127 des ringförmigen Zusammenbaus 101. Der erste und der zweite radiale Spalt kann jeweils eine radiale Abmessung von etwa 0,05 Inch aufweisen, was wesentlich größer als g sein kann. Als solcher kann der erste radiale Spalt 124 als ein Ansaugrohr fungieren, und zweite radiale Spalte und der Mittelpunkt 127 des ringförmigen Zusammenbaus 101 können als ein Auslasskrümmer fungieren, für die Fluidströmung durch die Mehrzahl der ringförmigen Spalte 126, was einen im Wesentlichen gleichen Druckabfall über und entlang der poloidalen Erstreckung von jedem der ringförmigen Spalte 126 sicherstellt.
Eine Fluidströmung innerhalb des ersten radialen Spalts 124 kann eine Kühlung der Kernsegmente 118 bereitstellen. Des Weiteren kann ein Druckgradient innerhalb der Spalte zwischen den Kernsegmenten 118 (wobei der Druck in der Nähe des Mittelpunkts des kreisförmigen Zusammenbaus 101 allgemein niedriger ist) bewirken, dass das Fluid durch diese Spalte strömt, um eine zusätzliche Kühlung der Kernsegmente 118 bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen ist der Kern aus Kernsegmenten aufgebaut, von denen jeder ein ringförmiges Durchgangsloch aufweist, so dass der Kern hohl ist, und eines der Kernsegmente weist ein Einlassloch auf, das mit dem Einlassdurchlass 122 (der eine geeignete geänderte Form aufweisen kann) ausgerichtet ist, so dass ein Kühlmittel zunächst hinein in und dann ringförmig innerhalb des hohlen Inneren des Kerns strömt, und dann durch ringförmige Spalte zwischen den Kernsegmenten 118 in den ersten radialen Zwischenraum 124. Im Ergebnis kann der Kern sowohl durch eine Kühlmittelströmung durch den hohlen Mittelpunkt des Kerns als auch durch eine Kühlmittelströmung durch die ringförmigen Spalte zwischen den Kernsegmenten 118 gekühlt werden. In einigen Ausführungsformen weist der Keil 104, 105, der den Einlassdurchlass 122 enthält, eine Rippe oder ein ähnliches Merkmal auf (oder es wird ein Dichtmittel zwischen dem Keil und dem Kernsegment, das das Eingangsloch aufweist, aufgebracht), so dass ein Damm ausgebildet wird, um zu verhindern, dass Kühlmittel aus dem Einlassdurchlass direkt in den ersten radialen Spalt 124 entkommt.
Eine Wärmeübertragung zwischen den Spulen 102 und dem Kühlmittel kann primär innerhalb der ringförmigen Spalte 126 auftreten. Die Abmessungen dieser Spalte und die Kühlmittelströmungsrate können unter Verwendung einer Wärmeübertragungsanalyse ausgewählt werden, die wie folgt ausgeführt werden kann. Wenn die Strömung eines Fluids (z.B. Öl) in einem Spalt zwischen parallelen Oberflächen (jede Oberfläche weise eine Fläche A auf, wobei die Oberflächen um einen Abstand d getrennt sind) laminar ist (d.h. wenn die Viskosität, die Strömungsrate und die Breite des Spalts zu einer laminaren Strömung führen), kann die Wärmeübertragung durch einen Wärmewiderstand (θ) gekennzeichnet sein, der wiederum die Summe von zwei Ausdrücken ist. Der erste Ausdruck (θ₁) ist der Wärmemasse und der Strömungsrate der Flüssigkeit zugeordnet und ist gleich 1/(C_pρF), wobei C_p die spezifische Wärme ist, p die Massendichte ist, und F die volumetrische Strömungsrate ist. Der zweite Ausdruck (θ₂) ist der thermischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit zugeordnet.
Wenn Wärme aus einer der beiden Oberflächen mit einer Rate von P_d fließt und keine Wärme aus der anderen Oberfläche fließt, dann ist der gemittelte Wärmeflussabstand innerhalb des Kühlmittels (unter Vernachlässigung von Temperaturgradienten innerhalb des Fluids) d/2 und folglich ist der Wert von θ₂ d/(2KA), wobei K die thermische Leitfähigkeit des Kühlmittels ist. Wenn die Wärme aus jeder der beiden Oberflächen mit einer Rate von P_d/2 strömt, dann ist der gemittelte Wärmeströmungsabstand d/4, und der Wert von θ₂ ist in diesem Fall d/(8KA). In jedem Fall gilt, dass wenn d verringert wird und A vergrößert wird, θ₂ verringert wird, was eine verbesserte Wärmeübertragung ermöglicht. Wenn jedoch d verringert wird, vergrößert sich der Kühlmitteldruckabfall. Folglich existiert ein Wert von d, bei dem die Wärmeübertragungsrate am größten ist, auf der Grundlage der Strömungs- versus Druckcharakteristik, die durch die Kühlmittelzirkulationspumpe bereitgestellt wird.
Die obigen Beziehungen können in dem Fall einer Wärmeübertragung von einer Wicklung ausgenutzt werden. Beispielsweise kann in der in 3 veranschaulichten Ausführungsform das Fluid, das in jedem der ringförmigen Spalte 126 strömt, eine laminare Strömung zeigen, und Wärme kann aus der im Wesentlichen flachen, kreisförmigen Endoberfläche von jedem Ende von jeder der Spulen 102 herausströmen, in ein Fluid, das durch einen entsprechenden ringförmigen Spalt 126 strömt. Die andere Oberfläche von jedem der ringförmigen Spalte 126 kann eine Oberfläche eines Keils sein, aus der heraus Wärme nicht strömt. Die gesamte Oberflächenfläche, durch die Wärme aus den Spulen 102 zu dem Kühlmittel strömt, ist proportional zu der Anzahl der Spulen 102, und kann groß sein. Die Breite der ringförmigen Spalte 126 kann so ausgewählt werden, dass die Summe von θ₁ und θ₂ für eine vorgegebene Pumpenströmungscharakteristik minimiert wird. Wenn die Anzahl der Wicklungen vergrößert wird, wird der effektive Wicklungspackungsfaktor verringert, und die Wärmeabführung (für eine festgelegte Leistungsdichte) kann zunehmen. Folglich kann es eine Anzahl von Spulen geben, für die die erzielbare Leistungsdichte am größten ist.
Ein magnetisches Element, so wie das in 1 veranschaulichte, kann beispielsweise als ein Induktor oder als ein Transformator verwendet werden. In einem Transformator kann ein Kern mit hoher Permeabilität verwendet werden, um niedrige magnetisierende Ströme aufrechtzuerhalten. In einem Leistungsinduktor können die magnetisierenden Ströme das Ziel sein und eine Transformatorwirkung braucht nicht vorhanden zu sein. Folglich können nützliche Kernkonfigurationen für Induktoren mit Spalten versehene Laminatstrukturen mit hoher Permeabilität, mit Spalten versehene Ferritstrukturen, nicht mit Spalten versehene Pulverkerne mit niedriger Permeabilität und Luftkern-Strukturen sein. Um einen Leistungskern auszubilden, kann das Pulver ausgehärtet werden, in einem Prozess ähnlich wie ein Sinterprozess, um ein starrer Festkörper zu werden.
In dem Fall von mit Spalten versehenen Laminierungskernen ist die Größe des Spalts proportional zu der Anzahl der Amperewicklungen, die wiederum proportional ist zu dem Quadrat einer linearen Abmessung multipliziert mit der Stromdichte. Die erzielbare Stromdichte nimmt zu wenn die Wärmeübertragung verbessert wird, und in großen Induktoren, die eine gute Wärmeübertragung aufweisen, kann die Spaltgröße unverhältnismäßig groß werden. In solchen Fällen kann entweder ein Pulverkern oder ein Luftkern verwendet werden. Ringförmige Kernstrukturen können sowohl für Transformatoren als auch für Induktoren Vorteile aufweisen. Einer ist, dass die Leck-Felder klein sind, insbesondere in Luftkernmagnetischen Elementen, aufgrund der Symmetrie, diese Eigenschaft kann wichtig sein, wo hohe Ströme involviert sind und wo es eine Empfindlichkeit auf ausgestrahlte Felder gibt. Eine ringförmige Geometrie kann auch hinsichtlich Leistung-zu-Masse- und Leistung-zu-Volumen-Verhältnissen Vorteile bereitstellen. Schließlich ermöglicht es die Symmetrie einer ringförmigen Struktur, dass mehrere Wicklungen miteinander verbunden werden, ohne zirkulierende Ströme hervorzurufen. Für magnetische Elemente mit einem magnetischen Kern (d.h. einem Kern, der nicht ein Luftkern ist), kann die Leistungsabgabe (z.B. aufgrund von Wirbelströmen) in dem Kern signifikant werden, und es können Vorkehrungen getroffen werden, um den Kern zu kühlen, beispielsweise wie oben beschrieben.
Leistung kann in den Wicklungen durch mehrere Mechanismen abgebaut werden. Zusätzlich zu Gleichstromwiderstandsverlusten, können Oberflächen- und Nähe-Verluste zunehmend wichtig werden, wenn der Strom und/oder die Frequenz erhöht wird. Oberflächenverlust ist ein Phänomen, das zu einer verringerten Stromdichte in Richtung zu dem Mittelpunkt des Leiters führt und resultiert aufgrund der Tatsache, dass die Rate, mit der das B-Feld in einen Leiter eintritt, durch die elektrische Leitfähigkeit des Leiters begrenzt ist; je niedriger die Leitfähigkeit, desto schneller kann das B-Feld eintreten und umso weniger ausgeprägt ist der Effekt. Folglich weisen die besten Leiter (wie etwa Kupfer) den am stärksten ausgeprägten Oberflächeneffekt auf. Der Einfluss des Oberflächeneffekts kann verringert werden, indem mehrere Leiter, die parallel verbunden sind, verwendet werden. In einem derartigen Mehrfach-Leiteraufbau können innere und äußere Leiter verschoben werden, so dass induzierte Spannungen sich ausmitteln und die zirkulierenden Ströme verschwinden, mit dem Ergebnis, dass die Ströme nahezu gleichförmig sind. Die mehreren Leiter können symmetrisch angeordnet werden, so dass induzierte Spannungen genau übereinstimmen, wodurch weniger zirkulierende Ströme zwischen den einzelnen Leitern resultieren. Der Näheeffekt (proximity effect) ist ein Phänomen, das zu zirkulierenden Strömen und Verlusten führt, wenn magnetische Felder, die durch externe Leiter erzeugt wurden, in einen gegebenen Leiter eintreten, wobei sie die zirkulierenden Ströme induzieren, die wiederum die Verluste innerhalb des gegebenen Leiters hervorrufen. Für runde Leiter ist die Größe dieser Verluste proportional zum Quadrat des magnetischen Feldes multipliziert mit der vierten Potenz des Leiterdurchmessers. Als solche können diese Verlustkomponenten für große Strukturen, wie etwa Induktoren, ebenso wie die Oberflächenverlustkomponenten verringert werden, indem mehrere Leiter oder mehrere parallel verbundene Wicklungen verwendet werden.
Jeder der Keile 104, 105 kann entweder ein aktiver Keil 104 (4A) oder ein passiver Keil 105 (4B) sein. Mit Verweis auf 4A umfasst in einigen Ausführungsformen jeder aktive Keil einen elektrisch leitfähigen elektrischen Verbindungsbolzen 128, der ein inneres Ende einer Spule, die gegen eine Fläche des aktiven Keils 104 installiert ist, mit einem inneren Ende einer Spule 102, die gegen die andere Fläche des aktiven Keils 104 installiert ist, verbinden kann. Zwei Spalte fungieren als Zugentlastungsspalte 134. Mit Ausnahme des Verbindungsbolzens 128 kann jeder Spalt aus einem isolierenden Material, z.B. PEEK, aufgebaut sein. In anderen Ausführungsformen wird ein anderes Material verwendet, das in der Lage ist, dem Kühlmittel, z.B. Transformatorenöl, das während des Betriebs auf hoher Temperatur sein kann, Stand zu halten. Beispiele von Kandidatenmaterialien umfassen Nylon, Polyphenylenoxid (PPO) und Polyphenylensulfid (PPS).
Mit Verweis auf 4B können die verbleibenden Keile in dem flüssigkeitsgekühlten magnetischen Element passive Keile 105 sein, denen der elektrische Verbindungsbolzen 128 fehlt. In dem ringförmigen Zusammenbau 101 können sich die passiven Keile 105 mit den aktiven Keilen 104 abwechseln. Jeder aktive Keil 104 kann zwischen einem Paar von Spulen 102, die an ihren entsprechenden inneren Enden durch den Verbindungsbolzen 128 des aktiven Keils 108 miteinander verbunden sind, angeordnet sein. Jedem passiven Keil 105 kann ein Loch für einen Verbindungsbolzen 128 fehlen, und ihm können die Zugentlastungsritzen 134 fehlen. In einigen Ausführungsformen weisen zum Erleichtern der Herstellung alle Keile dieselbe Form auf, und einige Merkmale von einigen der Keile werden nicht verwendet. Beispielsweise kann nur die Hälfte der Keile (die aktiven Keile) einen installierten Verbindungsbolzen 128 aufweisen, und die Hälfte der Zugentlastungsritzen 134 kann ungenutzt sein. In einigen Ausführungsformen können einer oder beide der Zugentlastungsritzen 134 der passiven Keile 105 (wenn Zugentlastungsritzen 134 in den passiven Keilen 105 vorhanden sind) anstelle der entsprechenden Zugentlastungsritzen in den aktiven Keilen 104 verwendet werden.
Auf jeder der zwei Keilflächen 136 ist eine Mehrzahl von Rippen 135 vorhanden. Jede Rippe 135 kann einen Abstand h oberhalb der Fläche, auf der sie angeordnet ist, herausstehen, wobei h gleich der Breite g des ringförmigen (oder toroidalen) Spalts 126 zwischen der ringförmigen Oberfläche der Spule 102 und der Keilfläche 136 (3) ist, so dass, wenn eine Spule 102 so installiert ist, dass eine ihrer ringförmigen Oberflächen gegen die Rippen 135 anstößt, der ringförmige Spalt 126 eine Breite g (außer an den Rippen 135) aufweist. Ein Kühlmittel kann durch diesen ringförmigen Spalt 126 strömen, eine direkte Berührung mit der Drahtisolation herstellen, und der Wärmewiderstand zwischen dem Leiter der Spule und dem Kühlmittel kann relativ klein sein. Die Länge des Wärmepfades zwischen dem Leiter von jeder Wicklung von jeder Spule und dem Kühlmittel kann einen relativ langen Abstand innerhalb des Leiters (der jedoch ein guter Leiter für Wärme sein kann) und einen Abschnitt durch die Drahtisolierung aufweisen. Die Drahtisolierung kann ein relativ schlechter Wärmeleiter sein, jedoch kann die Länge des Wärmepfades durch die Isolierung gleich der Dicke der Isolierung sein, d.h. sie kann sehr klein sein. Jede der Rippen 135 kann über die Keilfläche um z.B. 0,004 Inch herausragen, so dass die Breite g des Spalts 126 0,004 Inch beträgt. In einigen Ausführungsformen sind Rippen auf den ringförmigen Oberflächen der Spulen ausgebildet, anstelle von oder zusätzlich zu den Rippen 135 auf den Keilen. Rippen können auf den Spulen ausgebildet werden, beispielsweise unter Verwendung von Streifen eines Bandes (z.B. Klebeband) oder Streifen eines anderen geeigneten Anpassunterlagenmaterials. Jeder der Keile 104, 105 kann eine Mehrzahl von Spulenzentriernasen (coil centering tigs) 138 aufweisen, die in die Bohrung von jeder Spule 102 hineinpassen und (zusammen mit dem inneren Ende 130 der Spule, das mit dem Verbindungsbolzen 128 verbunden ist) die Spule 102 mit dem Kern und den anderen Kernen ausgerichtet halten. In einer Ausführungsform werden die Nasen primär zum Zusammenbau verwendet und nach dem Zusammenbau werden die Spulen durch Kompressionskräfte (z.B. Kräfte, die durch ein Kompressionsband 148 (8), das in Einzelheiten unten beschrieben wird, erzeugt werden) in Position gehalten. In anderen Ausführungsformen wird ein anderes Verfahren verwendet, um die Ausrichtung während des Zusammenbaus aufrechtzuerhalten, z.B. kann ein Klebstoff (der das Kühlmittel nicht kontaminieren wird) verwendet werden. Zwei Spulenstützvorsprünge (coil support projections) 140 können sich in die Öffnung von jedem Keil 104, 105 erstrecken, und zusammen mit einem Verbindungsbolzenstreifen (connection pin tab) 142 (der ein Loch für den Verbindungsbolzen 128 enthält) die Kernsegmente 118 innerhalb der Öffnung abstützen. Ein Ansatz auf jeder der Spulentragevorsprünge 140 und auf den Verbindungsbolzenstreifen 142 fungiert als ein Kerntrennelement 144, der einen geeigneten ringförmigen Abstand zwischen benachbarten Kernsegmenten 118 aufrechterhält. Jeder von den Keilen 104, 105 kann ein oder mehrere Register 146 für ein Kompressionsband 148 (8) aufweisen, das sich um einen äußeren Umkreis des ringförmigen Zusammenbaus erstreckt und eine nach innen gerichtete Kraft auf jeden der Keile 104, 105 beaufschlagt, um eine Kompressionskraft auf alle Spulen 102 und Keile 104, 105 aufrechtzuerhalten. Mit Verweis auf 4C kann jeder Kernabschnitt 118 ein mit einem Keil versehener Abschnitt eines Zylinders sein, der eine Vertiefung 150 aufweist, um einen Freiraum für den Verbindungsbolzenstreifen 142 bereitzustellen. Einer der Keile 104, 105, der als ein „mit Leitungsrohr versehener Keil“ bezeichnet werden kann, umfasst ein Einlassloch 122, das einen Fluidpfad in den ersten radialen Spalt 124 bereitstellt. 4B zeigt das Einlassloch 122 in einem passiven Keil 105; in anderen Ausführungsformen ist es stattdessen in einem aktiven Keil 104, oder mehrere Keile (z.B. alle Keile) können Einlasslöcher 122 aufweisen, von denen einige (oder alle mit Ausnahme von einem) nicht verwendet sein können.
Mit Verweis auf 5 ist in einigen Ausführungsformen jeder der Anschlüsse 106 entweder mit einer inneren Stromsammelschiene 108 oder einer äußeren Stromsammelschiene 109 verbunden. Jede der Stromsammelschienen 108, 109 weist einen oder mehrere Stromsammelschienenschlitze 152 auf, die verwendet werden, um entsprechende äußere Enden 132 der Spulen 102 mit den Stromsammelschienen 108, 109 zu befestigen (z.B. durch Löten oder Schweißen). In der Ausführungsform der 5 verbindet jedes Paar der Stromsammelschienen 108, 109 drei Wicklungen parallel miteinander, wobei jede Wicklung zwei in Reihe verbundene Spulen 102 aufweist, wobei die inneren Enden 130 der zwei Spulen von jeder Wicklung durch die Verbindungsbolzen 128 des aktiven Keils 104 zwischen den zwei Spulen miteinander verbunden sind.
Vielfältige Variationen der beschriebenen Ausführungsformen sind möglich, so wie das für einen Fachmann offensichtlich werden wird. Beispielsweise, und mit Verweis auf 6, werden in einigen Ausführungsformen Verbundspulen (oder zusammengesetzte Spulen) 154a, 154b anstelle von einfachen Spulen 102 verwendet. Jede der Verbundspulen 154a, 154b umfasst zwei gemeinsam gewickelte, flächengewickelte, rechteckförmige Drähte wie gezeigt, so dass die Verbundspule zwei innere Enden 156 und zwei äußere Enden 158 aufweist. Der aktive Keil 160 in dieser Ausführungsform weist zwei Verbindungsbolzen 128 auf, von denen jeder eines von den zwei inneren Enden einer ersten Verbundspule 154a mit einem entsprechenden einen von zwei inneren Enden einer zweiten Verbundspule 154b verbindet. So wie das in den gezeigten Ausführungsformen, z.B. in den 2 und 5, der Fall ist, sind die zwei Verbundspulen 154a, 154b in verschiedenen Wicklungsorientierungen auf zwei entsprechenden Flächen der Keile 160 installiert, so dass beispielsweise ein Strom im Uhrzeigersinn (wie in der Ansicht der 6 gesehen) von den äußeren Enden zu den inneren Enden der ersten Verbundspule 154a fließen kann, dann durch die zwei Verbindungsbolzen 128 zu den zwei inneren Enden der zweiten Verbundspule 154b, und dann wiederum im Uhrzeigersinn von den inneren Enden zu den äußeren Enden der zweiten Verbundspule 154b. In dieser Anordnung sind die Magnetfeldbeiträge, die von den zwei Verbundspulen 154a, 154b erzeugt werden, in der gleichen Richtung (d.h. nicht in entgegengesetzten Richtungen) entlang der Mittelachse der zwei Verbundspulen 154a, 154b. In anderen Ausführungsformen können Verbundspulen, von denen jede mehr als zwei gemeinsam gewickelte Leiter (z.B. drei, vier, fünf oder mehr gemeinsam gewickelte Leitern) verwendet werden. Verluste aufgrund des Näheeffekts und Verluste aufgrund des Oberflächeneffekts können beide durch eine derartige Herangehensweise verringert werden. Beispielsweise ist in der Ausführungsform der 6 der Leiter, der an der Innenseite der ersten Verbundspule 154a ist, durch einen der Verbindungsbolzen 128 mit dem Leiter, der an der Außenseite der zweiten Verbundspule 154b ist, verbunden. Allgemeiner kann in einer Ausführungsform mit n gemeinsam gewickelten Leitern auf jeder Verbundspule (wobei n eine positive Ganzzahl ist), der j-te Leiter (z.B. gezählt vom innersten Leiter nach außen) von einer Verbundspule auf einer Seite eines aktiven Keils 104 mit dem (n-j+1)-ten Leiter (in derselben Weise zählend, z.B. vom innersten Leiter nach außen) der Verbundspule auf der anderen Seite des aktiven Keils 104 verbunden werden. Diese Verbindung stellt eine Transposition bereit, die zu einer Verringerung der Näheverluste, beispielsweise um einen Faktor von nahezu 4 (oder um einen Faktor von nahezu n², wenn n gemeinsam gewickelte Leiter verwendet werden) führen kann.
Als ein anderes Beispiel und mit Verweis auf 7 wechseln sich in einigen Ausführungsformen keilförmige Spulen 162 mit scheibenförmigen Abstandshaltern 163 ab, um einen ringförmigen Zusammenbau auszubilden. Die Endoberflächen dieser Spulen können leicht davon abweichen, in ihrer Form ringförmig zu sein, können jedoch näherungsweise ringförmig sein, wenn der Keilwinkel klein ist (so dass sie nicht bis zu einem signifikanten Ausmaß elliptisch sind), und die Drahtdicke ist klein (so dass der innenseitige Radius und der außenseitige Radius sich über eine Wicklung nicht signifikant verändern). Die Breite des rechteckförmigen Drahts, der zum Ausbilden der Spulen 162 verwendet wird, variiert entlang seiner Länge, was zu größeren Herausforderungen in der Herstellung der Spulen 162 führen kann. Der Füllfaktor des ringförmigen Zusammenbaus kann größer sein, jedoch wenn ein größerer Anteil des ringförmigen Zusammenbaus aus Draht aufgebaut sein kann und ein kleinerer Anteil aus dem isolierenden Material der scheibenförmigen Abstandshalter 163 aufgebaut sein kann, als das ist für die Proportionen der entsprechenden Teile in beispielsweise der in 2 gezeigten Ausführungsform der Fall.
8 zeigt eine Explosionsansicht eines flüssigkeitsgekühlten magnetischen Elements gemäß einer Ausführungsform. Der ringförmige Zusammenbau 101 ist in einem Gehäuse eingeschlossen, das eine untere Hälfte 164 und eine obere Hälfte 166 aufweist, die mit einem Gehäuse-O-Ring 168 zusammen abgedichtet sind. Um jeden Anschluss herum kann durch einen entsprechenden Anschluss-O-Ring 170 eine Dichtung ausgebildet werden. Die untere Hälfte 164 und die obere Hälfte 166 können bei einer Mehrzahl von Gehäuseohren 172 mit einem Verbindungselement 173 mit Gewinde zusammen verbunden werden. Die untere Hälfte 164 und die obere Hälfte 166 können aus einem Isolator (z.B. einem Polymer) oder aus einem Metall aufgebaut sein; wenn ein Metall verwendet wird, können isolierende Buchsen um die Anschlüsse 106 herum verwendet werden, um diese gegenüber der oberen Hälfte 166 zu isolieren. Befestigungsbügel 177 können verwendet werden, um die flüssigkeitsgekühlten magnetischen Elemente auf einer geeigneten Montageoberfläche zu fixieren. Ein Fluid kann in die flüssigkeitsgekühlten magnetischen Elemente durch einen Fluideinlass 174 strömen (der durch ein Einlassloch 175 auf der inneren Oberfläche der unteren Hälfte 164 verbunden ist, und durch das Einlassloch von einem der Keile 104, 105 zu dem ersten radialen Spalt 124), und es kann aus dem Mittelpunkt 127 des ringförmigen Zusammenbaus 101 heraus (nachdem es durch die ringförmigen Spalte 126 geflossen ist, was die Spulen 102 gekühlt hat) durch ein Auslassloch 176 auf der inneren Oberfläche der unteren Hälfte 164 und durch einen Fluidauslass 178 strömen. Die obere Hälfte 166 kann Isolationstrennelemente 180 aufweisen, um den Kriechstromabstand zwischen benachbarten Anschlüssen 106 zu vergrößern.
In einigen Ausführungsformen ist die innere runde Oberfläche der unteren Hälfte 164 nicht zylinderförmig, sondern weist eine leichte Verjüngung auf (die auch als ein Entwurf funktionieren kann, um zu ermöglichen, dass die untere Hälfte 164 während der Herstellung aus einer Form entfernt wird), und anstelle eines Bandes, das in ein Register 146 passt und angezogen wird, um die Elemente des ringförmigen Zusammenbaus 101 zusammenzudrücken, kann das Kompressionsband 148 ein umlaufender Ausgleichsring sein, der für eine gleiche Wirkung in den sich verjüngenden Spalt zwischen den Keilen 104, 105 und der unteren Hälfte 164 gedrückt werden kann. In anderen Ausführungsformen wird dieser Vorgang unter Verwendung der oberen Hälfte 166 anstelle der unteren Hälfte 164 ausgeführt. Das in 8 dargestellte Band 148 kann entweder ein Kompressionsband sein, das dicht um die Keile herum befestigt wird (ohne innerhalb der Register 146 ausgerichtet zu sein), oder es kann ein umlaufender Ausgleichsring sein; die beiden Ausführungsformen können in ihrem Erscheinungsbild ähnlich sein. Auch wenn die hierin beschriebenen Fluidpfade eine Fluidströmung in einer Richtung involvieren, z.B. radial auswärts durch den ringförmigen Spalt 126, kann in anderen Ausführungsformen das Fluid mit einem ähnlichen Effekt in der entgegengesetzten Richtung strömen, auch wenn das Gehäuse größeren hydrostatischen Kräften ausgesetzt ist, wenn das Fluid in den Fluidauslass 178 anstatt in den Fluideinlass 174 gepumpt wird.
Obwohl beispielhafte Ausführungsformen eines flüssigkeitsgekühlten magnetischen Elements hierin spezifisch beschrieben und dargestellt worden sind, werden für einen Fachmann viele Modifikationen und Variationen offensichtlich werden. Demgemäß sollte verstanden werden, dass ein flüssigkeitsgekühltes magnetisches Element, das gemäß den Prinzipien dieser Erfindung konstruiert ist, anders als hierin spezifisch beschrieben ausgeführt sein kann. Die Erfindung ist auch in den nachfolgenden Patentansprüche und deren Äquivalenten definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62336466 [0001]
US 62401139 [0001]

Claims

Ein magnetisches Element, aufweisend: eine erste elektrisch leitfähige Spule, die eine erste ringförmige Oberfläche und eine zweite ringförmige Oberfläche aufweist, einen ersten elektrisch isolierenden Abstandshalter, der eine erste glatte Dichtfläche und eine zweite glatte Dichtfläche aufweist, wobei die erste glatte Dichtfläche von der ersten ringförmigen Oberfläche durch einen ersten Spalt getrennt ist, einen Fluideinlass und einen Fluidauslass, wobei sich ein Fluidpfad durch den ersten Spalt von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass erstreckt.
Das magnetische Element gemäß Anspruch 1, wobei die erste Spule eine hohle zylinderförmige Spule ist, und der erste elektrisch isolierende Abstandshalter ein erster Keil ist.
Das magnetische Element gemäß Anspruch 2, ferner aufweisend eine zweite hohle zylinderförmige Spule, wobei die zweite Spule eine erste ringförmige Oberfläche aufweist, die einen zweiten Spalt mit der zweiten glatten Dichtfläche des ersten Keils ausbildet.
Das magnetische Element gemäß Anspruch 3, wobei die erste Spule ein äußeres Ende und ein inneres Ende aufweist, und wobei die zweite Spule ein äußeres Ende und ein inneres Ende, das mit dem inneren Ende der ersten Spule verbunden ist, aufweist, und wobei ein Beitrag zu einem magnetischen Feld an dem Mittelpunkt der ersten Spule von einem Strom, der durch die beiden Spulen in Reihe fließt, in derselben Richtung ist wie ein Beitrag zu dem magnetischen Feld von dem Strom, der durch die zweite Spule fließt.
Das magnetische Element gemäß Anspruch 4, aufweisend eine Mehrzahl von Paaren von Spulen, welche die erste Spule und die zweite Spule enthalten, wobei jede Spule ein inneres Ende und ein äußeres Ende aufweist, wobei die inneren Enden von jedem Paar zusammen verbunden sind, und wobei die Spulen angeordnet sind, um einen Ring auszubilden.
Das magnetische Element gemäß Anspruch 5, aufweisend: eine Mehrzahl von aktiven Keilen, die den ersten Keil enthalten, und eine Mehrzahl von passiven Keilen, wobei jeder der aktiven Keile zwei glatte Dichtflächen aufweist und zwischen den zwei Spulen eines entsprechenden Paares von Spulen ist, wobei eine Spule des Paares der Spulen auf einer der glatten Dichtflächen ist und die andere Spule des Paares von Spulen auf der anderen glatten Dichtfläche ist, und wobei jeder der passiven Keile zwischen einer Spule von einem Paar von Spulen und einer Spule von einem anderen Paar von Spulen ist.
Das magnetische Element gemäß Anspruch 6, wobei jeder aktive Keil einen leitfähigen Bolzen enthält, der sich durch den aktiven Keil erstreckt, wobei das innere Ende der Spule auf der einen glatten Dichtfläche des aktiven Keils mit einem Ende des Bolzens verbunden und befestigt ist, wobei das innere Ende der Spule auf der anderen glatten Dichtfläche des aktiven Keils mit dem anderen Ende des Bolzens verbunden und befestigt ist.
Das magnetische Element gemäß Anspruch 7, wobei ein mit einer Rohrleitung versehener Keil von der Mehrzahl der aktiven Keile und die Mehrzahl der passiven Keile einen Fluiddurchlass aufweisen, der sich von der Außenseite des Rings zu einem Innenvolumen des Rings erstreckt.
Das magnetische Element gemäß Anspruch 7, ferner aufweisend eine Mehrzahl von Kernsegmenten in einem Innenvolumen des Rings.
Das magnetische Element gemäß Anspruch 9, wobei ein Kernsegment von der Mehrzahl der Kernsegmente ferromagnetisch ist.
Das magnetische Element gemäß Anspruch 10, wobei der Fluidpfad sich ferner durch einen dritten Spalt erstreckt, wobei der dritte Spalt ein radialer Spalt ist zwischen dem Kernsegment und der ersten Spule und/oder dem ersten Keil.
Das magnetische Element gemäß Anspruch 9, wobei jedes von den Kernsegmenten ein Loch aufweist, das sich ringförmig durch das Kernsegment erstreckt, und wobei der Fluidpfad sich ferner durch eines der Löcher und durch einen ringförmigen Spalt zwischen zwei benachbarten Kernsegmenten von der Mehrzahl der Kernsegmente erstreckt.
Ein ringförmiges magnetisches Element, aufweisend: eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Spulen, die angeordnet sind, um einen Ring auszubilden, und eine Mehrzahl von elektrisch isolierenden Abstandshaltern, wobei jeder der Abstandshalter zwischen zwei benachbarten Spulen von der Mehrzahl der Spulen ist, wobei jede von der Mehrzahl der Spulen einen flächengewickelten elektrischen Leiter aufweist und ein erstes inneres Ende und ein erstes äußeres Ende hat.
Das ringförmige magnetische Element gemäß Anspruch 13, wobei: die entsprechenden Orientierungen der Wicklungen der Spulen sich um mindestens einen Teil des Ringes herum abwechseln, und das erste innere Ende von jeder von der Mehrzahl der Spulen mit dem ersten inneren Ende einer entsprechenden benachbarten Spule von der Mehrzahl der Spulen verbunden ist.
Das ringförmige magnetische Element gemäß Anspruch 14, wobei jede von der Vielzahl der Spulen eine Verbundspule ist, die n gemeinsam gewickelte Leiter aufweisen und die n innere Enden einschließlich des ersten inneren Endes und n äußere Enden einschließlich des ersten äußeren Endes aufweist, und wobei ein j-tes inneres Ende einer Spule von der Mehrzahl der Spulen mit einem (n-j+1)-ten inneren Ende einer entsprechenden benachbarten Spule von der Mehrzahl der Spulen verbunden ist.
Das ringförmige magnetische Element gemäß Anspruch 14, wobei jede der Spulen ein hohler Zylinder ist, der zwei parallele ringförmige Oberflächen aufweist.
Das ringförmige magnetische Element gemäß Anspruch 16, wobei jeder der Abstandshalter ein Keil ist, der zwei glatte Dichtflächen aufweist.
Das ringförmige magnetische Element gemäß Anspruch 17, wobei jede ringförmige Oberfläche von jeder der Spulen von einer benachbarten Fläche eines benachbarten Keiles durch einen Spalt getrennt ist.
Das ringförmige magnetische Element gemäß Anspruch 18, ferner aufweisend ein Gehäuse, das den Ring enthält, wobei das Gehäuse einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist, wobei ein Fluidpfad von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass einen Abschnitt innerhalb von einem der Spalte aufweist.
Das ringförmige magnetische Element gemäß Anspruch 14, wobei jeweils zwei Spulen, die an ihren entsprechenden inneren Enden zusammen verbunden sind, durch einen Abstandshalter getrennt sind, der einen leitfähigen Verbindungsbolzen aufweist, der die Verbindung zwischen den entsprechenden inneren Enden ausbildet.
Das ringförmige magnetische Element gemäß Anspruch 14, wobei ein äußeres Ende von einer ersten Spule von der Mehrzahl der Spulen mit einem äußeren Ende von einer zweiten Spule von der Mehrzahl der Spulen durch eine erste Stromsammelschiene verbunden ist.
Das ringförmige magnetische Element gemäß Anspruch 13, ferner aufweisend: einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss, und aufweisend: eine erste Wicklung, die ein erstes Ende, das mit dem ersten Anschluss verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, aufweist, und die eine erste Spule von der Mehrzahl der Spulen und eine zweite Spule von der Mehrzahl der Spulen aufweist, wobei die erste Spule und die zweite Spule in Reihe verbunden sind, und eine zweite Wicklung, die ein erstes Ende, das mit dem dritten Anschluss verbunden ist, und ein zweites Ende aufweist, und die eine dritte Spule von der Mehrzahl der Spulen und eine vierte Spule von der Mehrzahl der Spulen aufweist, wobei die dritte Spule und die vierte Spule in Reihe verbunden sind.
Ein flüssigkeitsgekühltes, ringförmiges magnetisches Element, aufweisend: eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Spulen, die angeordnet sind, um einen Ring auszubilden, eine Mehrzahl elektrisch isolierender Abstandshalter, einen Fluideinlass und einen Fluidauslass, wobei jeder der Abstandshalter zwischen zwei benachbarten Spulen von der Mehrzahl der Spulen ist, wobei jede der Spulen einen flächengewickelten elektrischen Leiter aufweist, wobei jede der Spulen zwei ringförmige Oberflächen aufweist, wobei jede ringförmige Oberfläche von jeder der Spulen von einer benachbarten Fläche eines benachbarten Abstandshalters durch einen Spalt getrennt ist, wobei sich ein entsprechender Fluidpfad durch jeden der Spalte von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass erstreckt.
Das flüssigkeitsgekühlte, ringförmige magnetische Element gemäß Anspruch 23, wobei jeder der Spalte eine Breite von größer als 0,001 Inch und weniger als 0,02 Inch aufweist.