KR20220129636A - 냉각제 투과성 전자기 코일 - Google Patents

Abstract

절연 와이어(11)를 사용하여 감겨진 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일(60)이 복수의 반경방향으로 배치되는 층(29) 및 층(29)마다 절연 와이어(11)의 복수의 축방향으로 배치된 턴(19)을 포함하고, 절연 와이어(11)는 그 길이를 따라 임의의 쌍의 2 개의 인접한 섹션(12와 13)에 대해 상이한 단면을 갖는 복수의 섹션(12, 13)을 가지므로 와이어(11)가 코어 둘레에 감겨짐에 따라 집합적으로 상기 와이어(11)의 축방향 및 반경방향 냉각제 채널(110)을 형성한다.

Description

냉각제 투과성 전자기 코일

본 발명은 냉각제 투과성 전자기 코일, 이러한 전자기 코일을 구성하는 절연 와이어, 및 이러한 냉각제 투과성 전자기 코일을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래기술/발명의 배경

전자기 코일은 방대한 현대 기술의 기본 컴포넌트이다. 특히 고출력 전자기 코일은 의학, 입자 물리학, 마이크로매니퓰레이션 등의 분야에서 널리 사용된다. 이러한 코일은 과열 없이 높은 전류 밀도에 견딜 수 있도록 종종 유체로 능동적으로 냉각되는 전자기 코일 권선을 포함한다.

이러한 냉각을 최대로 효과적으로 만들기 위한 다양한 전략이 있다. 일반적으로 말하면, 냉각제의 유량 및 냉각제와 접촉하는 와이어의 면적을 증가시킴과 동시에 와이어와 냉각제의 접근성을 최대화하는 것이 유리하다. 즉 와이어를 통해 냉각제에 전도되는 열이 가능한 한 단거리로 이동해야 한다. 또한 가능하면 표준 와이어 및 권선 기술을 사용하는 것이 물론 바람직하다.

전자기 코일 권선을 위한 다수의 설계 및 구성이 문헌에서 제안되어 왔으며, 가장 관련성이 있는 것을 여기서 설명한다.

US 2,710,947에는 2 개의 재료 스트립을 동시에 감은 코일이 기재되어 있고, 제 1 스트립은 절연되지 않은 도체이고, 제 2 스트립은 파형의 절연체이므로 파형의 절연 스트립이 코일 구조 내에서 축방향 냉각 채널을 형성한다.

EP 2,330,603에는 2 개의 전도성 스트립을 감은 변압기 코일이 기재되어 있고, 이것 중 적어도 하나는 축방향으로 연장하는 냉각제 채널을 형성하기 위해 파형이다.

US 8,284,006에는 공기가 흐르는 축방향 통로를 형성하는 권선 층들 사이에 스페이서 요소가 있는 공냉식 변압기 코일이 기재되어 있다.

권선 내에 다양한 스페이서 요소를 매립함으로써 냉각 채널을 생성하는 많은 다양한 방법이 알려져 있다. 일례는 US 7,023,312로서, 전도성 권선 층들 사이에 이격된 열가소성 덕트를 개시하고 있다.

US 3,579,162에는 코일 와이어를 주위에 감은 축방향 냉각 덕트를 갖는 변압기 코일이 기재되어 있다.

US 2,632,041에는 축방향 스페이서 요소에 의해 분리되어 반경방향 냉각 채널을 형성하는 권선 부분을 갖는 변압기가 기재되어 있다.

US 3,056,071에는 축방향 냉각 채널을 형성하는 얕은 그루브 형상의 컷아웃을 갖는 와이어로 형성되는 전자기 코일이 기재되어 있다.

종래 기술에 기재되어 있는 전자기 코일은 복잡한 와이어 형상 및/또는 권선 기술을 필요로 한다.

전술한 종래 기술 및 그 한계를 고려하여, 본 발명의 목적은 특히 그 냉각제 투과성이 본질적으로 나타나는 코일을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일은 절연 와이어를 사용하여 감겨지며, 층마다 절연 와이어의 반경방향으로 배치되는 복수의 층 및 축방향으로 배치되는 복수의 턴을 포함하고, 절연 와이어는 임의의 쌍의 2 개의 인접한 섹션에 대해 그 길이를 따라 상이한 단면을 갖는 복수의 섹션을 갖는다.

본 발명에 따른 코일은 와이어의 변화하는 단면 형상의 결과로서 본질적으로 냉각제 투과성이 나타나는 코일을 포함한다. 인접한 섹션의 단면의 차이는 높이 변화 또는 너비 변화 또는 둘 모두의 치수 변화를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 이러한 실시형태는 축방향 및 반경방향의 양방향에서 냉각제 투과성을 갖는 코일 권선을 제공하는 축방향 및 반경방향의 조합된 냉각 채널을 특징으로 한다.

본 발명의 추가의 목적은 일반적인 코일 권선 기술을 사용하여 표준의 용이하게 입수가능한 절연 와이어로부터 형성될 수 있는 냉각제 투과성 코일을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 코일은 그 길이를 따라 주기적으로 변화하는 단면 형상 및/또는 단면적을 갖는 와이어로 감겨진다. 이 와이어는 성형 공구를 통해 균일한 단면을 갖는 표준 절연 와이어를 드로잉함으로써 형성될 수 있고, 이 성형 공구는 와이어의 높이, 너비 또는 둘 모두를 따라 그 단면을 주기적으로 압축한다. 와이어가 복수의 층에 걸쳐 복수의 열로 감겨짐에 따라 변화하는 단면은 축방향 및 반경방향의 두 방향으로 냉각제 채널을 형성한다. 단면의 형상 및 주기성은 다양한 목적을 위해 최적화될 수 있다. 예를 들면, 냉각제의 대부분이 반경방향으로 흐르는 것이 유리한 경우, 주로 반경방향 냉각제 채널을 형성하도록 와이어의 단면 파라미터를 조정할 수 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

본 발명에 따른 코일에 의해 권선 체적 전체에 걸쳐 냉각제가 분배되는 큰 열전달 면적이 얻어진다. 별개의 스페이서 요소를 필요로 하지 않으므로 권선 프로세스가 단순화되고, 최대 패킹 밀도(구리의 체적/총체적)가 가능해지고, 주어진 입력 전력에 대해 최대 자장 생성이 달성될 수 있다. 최적화는 코일 자체와 그 권선 방법에 관련된다. 스페이서를 필요로 하지 않고 표준 방법으로 감겨질 수 있다는 사실은 이 방법에 관련되지만 최적 패킹 밀도의 실현은 실제로 어떻게 달성되는지에 무관하고 권선 구성 자체의 특성이다.

코일은, 바람직하게는, 코일의 축방향 및/또는 반경방향으로 간극에 접속되어 냉각제 유체를 위한 채널을 생성하는 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구를 구비하는 하우징을 포함하고, 입구(들) 및 출구(들)은 냉각제 회로에 접속되어 코일의 채널을 통해 냉각제 유체를 펌핑하여 코일을 냉각시키도록 구성된다.

입구(들) 및 출구(들)은, 예를 들면, 코일의 코어로부터 반경방향에서, 코일의 하우징의 반대측에 길이방향으로 제공될 수 있고, 냉각제는 축방향 압력 구배를 적용함으로써 축방향으로 권선을 통해 이동하고, 반경방향 냉각 채널은 반경방향 흐름 단면에 걸쳐 균일하게 흐름을 분배하기 위해 사용된다.

입구(들) 및 출구(들)은 코일의 코어로부터 상이한 반경방향 거리에 제공될 수도 있고, 이 경우에 냉각제는 반경방향 압력 구배를 적용함으로써 반경방향(내측 또는 외측)으로 권선을 통해 이동하고, 축방향 냉각 채널은 축방향 흐름 단면에 걸쳐 균일하게 흐름을 분배하기 위해 사용된다.

본 발명의 추가의 목적은 냉각제 투과성을 갖는 개량된 코일을 구축하기 위한 절연 와이어를 제공하는 것이다.

이러한 절연 와이어는 원료의 최적 가격을 위해 변형 전에 원형의 초기 형상을 갖는다. 이것은 초기 직사각형, 특히 정사각형 형상을 가질 수도 있다. 사용되는 와이어가 변형 전에 대략 직사각형인 경우, 최적 패킹 밀도가 얻어진다.

냉각제 투과성 전자기 코일을 형성하기 위해 사용되는 절연 와이어는 원형 또는 직사각형 와이어의 섹션 및 와이어의 높이 또는 너비를 따라 압축된 변형된 섹션을 포함한다. 와이어의 높이 및 너비를 따른 단면 감소는 정렬되지 않을 수 있고, 와이어는 이것이 평탄한 부분에서 넓고, 또는 와이어는 이것이 높은 부분에서 좁으므로 와이어의 전체 단면은 대략 일정하다.

대안적으로, 와이어의 높이 및 너비를 따른 와이어의 변형은 정렬될 수 있고, 와이어는 이것이 높은 부분에서 넓고, 와이어는 이것이 평탄한 부분에서 좁으므로 최상의 유체 투과성을 달성한다.

본 발명의 추가의 목적은 냉각제 투과성을 갖는 코일 제조하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.

이 목적은, 일 실시형태에서, 원하는 와이어 두께에 대응하는 프로파일링(profiling)된 표면을 갖는 2 개의 휠로 구성된 와이어 성형 공구를 사용하여 와이어를 압축하는 단계를 포함하는 코일 제조 방법에 의해 실현된다.

이 방법에 의해 종래의 방식으로 단일의 연속된 절연 와이어로 코일을 권선할 수 있으나, 추가의 스페이싱 요소(spacing element)는 사용할 필요가 없다. 통상의 절연 와이어의 변형 프로세스는 권선 직전에 와이어를 프레싱 및 변형시킴으로써 권선과 동시에 실시된다.

일 실시형태에 따르면, 권선의 두께, 변형 주기성, 변형된 섹션의 길이, 변형된 섹션의 너비 및 내경을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 와이어의 파라미터는 랜덤으로 선택된다. 이로 인해 확률적으로 형성되는 냉각제 채널을 생성할 수 있다. 결과적인 채널이 여전히 매우 효과적이지만 최적이 아닐 가능성이 있다.

다른 실시형태에 따르면, 와이어 파라미터와 얻어지는 코일 사이의 관계는 이상적인 채널 구성을 실현하기 위해 채널이 복수의 층에 걸쳐 그 자체와 확실하게 계속 정렬되도록 미리 정의된다. 이러한 관계의 하나는 L = 2*pi*t를 설정하는 가장 단순한 형태로 구성되고, 여기서 L은 주기적 패턴의 길이이고, t는 와이어의 최대 두께(높이)이고, pi는 루돌프 수(Ludolph's number)이다. 동시에 동일한 층에서 권선들 사이의 변형된 섹션 및 변형되지 않은 섹션이 정렬되도록 와이어가 감겨지는 코어의 둘레는 길이(L)의 배수가 되도록 선택된다. 다시 말하면, L은 와이어가 감겨지는 코어의 둘레의 값의 약수(divisor)이다. 이러한 정렬은 감겨진 와이어 층의 직경을 증가시키는 다수의 층에 대해 본질적으로 달성된다.

냉각제 채널은 와이어의 후속 층들 사이의 반경방향 냉각제 채널, 와이어의 인접한 턴들 사이의 축방향 냉각제 채널, 및 2 개의 인접한 턴들 사이 및 2 개의 후속 층들 사이의 단면 냉각제 채널을 포함하는 그룹으로부터 형성될 수 있다.

와이어의 단면은 변형되지 않은 원형 섹션과 2 개의 상이한 변형된 섹션, 즉, 장축 방향이 층 또는 턴의 배향인 난형 섹션 또는 타원형 섹션 사이에서 변화할 수 있다.

본 발명에 따른 전자기 코일 권선은 본질적으로 나타나는 반경방향 및 축방향 냉각제 채널을 갖는다. 이 코일은 변화하는 단면 형상을 갖는 와이어로 감겨지며, 상기 와이어는 와이어가 코어의 주위에 감겨짐에 따라 축방향 및 반경방향 냉각제 채널을 집합적으로 형성하는 교대로 배치되는 변형된 섹션 및 변형되지 않는 섹션으로 구성된다.

본 발명의 바람직한 실시형태를 도면을 참조하여 설명하며, 본 도면은 본 발명의 바람직한 실시형태를 예시하기 위한 목적을 가지며 본 발명을 제한하기 위한 목적을 가지지 않는다.

도 1a는 와이어의 변형된 부분과 변형되지 않은 부분이 교대로 배치되는 것을 도시한 와이어의 제 1 실시형태의 일부의 평면도이고,
도 1b는 도 1a에 따른 와이어의 측면도이고,
도 1c는 도 1a에 따른 와이어의 사시도이고,
도 2a는 와이어의 변형된 섹션과 변형되지 않는 섹션이 교대로 배치되는 것을 도시한 와이어의 제 2 실시형태의 일부의 평면도이고,
도 2b는 도 2a에 따른 와이어의 측면도이고,
도 2c는 도 2a에 따른 와이어의 사시도이고,
도 3은 원통형 코어의 주위에 감겨진 도 1의 와이어의 하나의 층의 일부의 측면도이고,
도 4는 도 1에 도시된 와이어로 형성되는 코일의 하나의 층의 4 개의 인접한 권선의 일부의 평면도이고, 와이어 파라미터는 인접한 권선의 변형된 섹션이 정렬되도록 선택되고,
도 5는 도 4의 4 개의 정렬된 권선의 사시도이고,
도 6은 도 1에 도시된 와이어로 형성되는 코일의 하나의 층의 4 개의 인접한 권선의 일부의 사시도이고, 인접한 변형된 섹션은 정렬되지 않고,
도 7a는 도 1에 도시된 와이어로 형성되는 4 개의 층에서 4 개의 인접한 권선을 갖는 코일의 4x4 부분의 평면도이고, 냉각제 채널의 정렬은 제어되지 않고,
도 7b는 채널이 확률적으로 형성될 수 있다는 것을 보여주는 도 7a의 4x4 부분의 단면도이고,
도 8은 도 1에 도시된 와이어로 형성되는 코일의 4x4 부분의 사시도이고, 인접한 권선은 정렬되어 축방향 및 반경방향의 두 방향으로 명확한 냉각제 채널을 형성하고,
도 9는 냉각제 흐름이 주로 축방향인 투과성 권선을 갖는 전자기 코일의 제 1 실시형태의 개략 단면도이고,
도 10은 냉각제 흐름이 주로 반경방향인 투과성 권선을 갖는 전자기 코일의 추가의 실시형태의 개략 단면도이고,
도 11은 와이어 성형 장치의 일부의 개략 사시도이고,
도 12는 와이어를 포함하는 도 11의 장치의 성형 휠의 개략 측면도이고,
도 13은 도 12의 개략 확대도이고,
도 14는 와이어의 변형된 부분과 변형되지 않은 부분이 교대로 배치되는 것을 도시한 와이어의 제 3 실시형태의 일부의 사시도이고,
도 15는 도 14에 도시된 와이어로 형성되는 9 개의 층에서 5 개의 인접한 권선을 갖는 5x12 부분의 단면도이고, 냉각제 채널의 정렬은 상이한 층에 걸쳐서만 제어되고,
도 16은 도 14에 도시된 와이어로 형성되는 코일의 3x5 부분의 사시도이고, 인접한 권선은 정렬되어 명확한 축방향 내부 채널 및 단면 냉각제 채널을 형성한다.

도 1a, 1b 및 1c는 각각 평면도, 측면도 및 사시도로 다양한 단면을 가진 와이어(11)의 제 1 실시형태(10)를 도시한다. 실제로, 이것은 와이어의 변형된 섹션과 변형되지 않은 섹션이 교대로 배치된 것을 묘사하는 와이어의 한정된 부분을 도시한다.

도 1은 동시에 본 발명에 따른 방법의 일 실시형태의 결과를 도시한다. 와이어(11)는 초기에 시판되는 절연 와이어이다. 처음에 와이어(11)의 단면은 그 길이의 전체를 통해 균일하다. 하나의 실체로서 보이는 와이어 및 그 절연체의 단면은 도 1a의 도시되어 있는 와이어(11)와 같이 정사각형일 수 있다. 이 단면은 둥근형 특히 원형일 수도 있다. 와이어(11)가 자석 코어 상에 감겨져 코일을 형성할 때, 와이어는 도 11에 도시된 바와 같이 성형 공구(300)를 통과하여 와이어(11)의 섹션을 주기적으로 변형시킴으로써 원래의 단면(예를 들면, 정사각형 또는 원형 또는 최소로 변형된 단면)을 갖는 비접촉 영역(12)과 새로운 단면을 갖는 변형된 영역(13)이 교대로 배치된다. 성형 공구(300)에 대해서는 변형된 와이어(311)를 생성하는 방법의 일 실시형태를 보여주는 도 12 및 도 13과 관련하여 후술한다.

초기의 와이어(310)는 직사각형 또는 장방형/타원형일 수 있고, 특히 절연된 초기의 와이어일 수 있다. 도 13 및 도 1의 변형된 섹션(13)의 단면은 평탄하고 원래의 섹션(12)보다 더 넓다. 섹션(12)과 섹션(13) 사이에는 대응하는 인접면들 사이에 주로 경사면을 포함하는 변형된 상부 숄더(101)와 측부 숄더(102)가 존재한다. 인접한 숄더(101, 102)는 반대로 배향된 경사를 갖는다. 둥근 와이어(11)(도면에 도시되지 않음)의 경우, 숄더는 더 복잡한 3차원 곡선이다.

물론, 직사각형 단면을 갖는 와이어(11)로 시작하고, 이것을 본질적으로 정사각형 단면으로 변형하는 것이 가능하다. 변형 프로세스는 절연체를 손상하지 않도록 한다. 변형의 주요 부분은 절연 코팅 내에서 발휘될 수 있다.

도 2a, 2b 및 2c는 각각 평면도, 측면도 및 사시도로 다양한 단면을 가진 와이어의 제 2 실시형태(20)를 도시한다. 와이어(21)는 시판되는 절연 와이어이다. 처음에 와이어(21)의 단면은 그 길이의 전체를 통해 균일하다. 와이어(21)가 자석 코어 상에 감겨짐에 따라, 와이어는 실질적으로 원래의 단면을 갖는 비접촉 영역(22)과 새로운 단면을 갖는 변형된 영역(23)이 교대로 배치되도록 주기적으로 변형된다. 변형된 섹션(23)의 단면은 원래의 섹션(22)보다 더 평탄하고 더 좁다. 즉 이것은 더 작은 단면적으로 압축된다. 다시 말하면, 와이어(21)를 변형하기 위해 사용되는 공구는 와이어(21)를 그 높이 및 너비의 양쪽을 따라 변형시킨다.

섹션(22)과 섹션(23) 사이에는 대응하는 인접면들 사이에 주로 경사면을 포함하는 변형된 상부 숄더(201)와 측부 숄더(202)가 존재한다. 인접한 숄더(201, 202)는 동일한 방향을 향해 경사를 이룬다. 즉, 섹션(22)으로부터 섹션(23)까지 단면적을 감소시키고, 섹션(23)으로부터 섹션(22)까지 단면적을 증가시킨다.

도 3은 와이어(11)가 원통형 자석 코어(15)의 주위에 감겨진 와이어 실시형태(10)의 하나의 층의 일부의 측면도이다. 축방향 채널(16)이 와이어(11)와 코어(15)의 표면 사이 및 후속 권선 층들(도 3에 도시되지 않음) 사이에 형성되는 것은 분명하다. 도 3에 따른 실시형태에 도 2의 와이어(20)가 제공되는 경우, 유사한 채널이 형성되기도 한다.

도 4는 도 1에 묘사된 와이어 실시형태(10)의 와이어(11)로 형성된 코일의 하나의 층(29)의 4 개의 인접한 권선 또는 턴(19)의 일부의 평면도이고, 여기서 코어(도시되지 않음)와 관련되는 와이어 파라미터는 인접한 권선에서 변형된 섹션(13)이 정렬되도록 선택된다. 물론, 변형되지 않은 섹션(12)도 정렬된다. 변형된 섹션(13)은 서로 정렬되어 명확하게 형성되는 반경방향 냉각제 채널(110)을 형성하며, 반면에 인접한 변형되지 않은 섹션(12)의 측면은 접촉면(111)에서 서로 접촉하고 있다.

권선의 제 2 층(여기서는 4 개의 턴(19))이 도 4에 도시된 제 1 층(29) 상에 배치될 때, 후속 층의 변형된 섹션(23)이 단면의 더 긴 부분을 저면으로서 상기 상면 상에 배치되는 경우에 변형되지 않은 섹션(12)의 상면에 추가의 접촉면(111)이 구축된다.

도 5는 도 4의 하나의 단일 층(29)의 4 개의 정렬된 권선(19)의 사시도이고, 여기서 축방향 냉각제 채널(115) 및 반경방향 냉각제 채널(110)의 둘 모두를 볼 수 있다.

도 6은 도 1에 도시된 와이어로 형성되는 코일의 하나의 층(29)의 4 개의 인접한 권선(19)의 일부의 사시도이고, 여기서 인접한 변형된 섹션(13)들은 정렬되지 않는다. 이 경우, 물론, 변형되지 않은 섹션(12)은 인접한 층에서 마찬가지로 정렬되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 축방향 냉각제 채널(115) 및 반경방향 냉각제 채널(110)의 둘 모두가 분명하게 나타난다.

도 7a는 도 1에 묘사된 와이어 실시형태(10)로 형성되는 4 개의 층(29)에서 4 개의 인접한 권선(19)을 갖는 코일의 4x4 부분의 평면도이고, 여기서는 냉각제 채널(110) 및 냉각제 채널(115)의 정렬은 제어되지 않고, 도 7b는 변형된 섹션(13)과 와이어(11)의 정렬이 완전히 랜덤이므로 채널(110, 115)이 확률적으로 형성될 수 있음을 도시하는 도 7a의 4x4 부분의 단면도이다. 4x4 배열은 냉각 채널(110, 115)의 출현을 예시하도록 선택된다. 전형적인 어플리케이션에서, 층 당 실제의 권선수와 층의 실제의 수의 둘 모두는, 예를 들면, 특히 10 내지 500 개의 권선 또는 턴(19)을 갖는 10 내지 100 개의 층(29)으로 수 배나 더 클 수 있다. 4x4 배열의 권선 및 층을 사용하는 것은 적용 원리를 설명하기 위해 선택되었으며, 이것은 더 큰 코일의 세부사항을 보여주는 것으로 이해될 수 있다.

도 8은 도 1에 도시된 와이어 실시형태(10)로 형성되는 코일의 4x4 부분의 사시도이고, 4 개의 인접한 권선(19)은 정렬되어 축방향 및 반경방향의 두 방향으로 명확한 냉각제 채널을 형성한다. 인접한 권선의 와이어의 배열 내의 정렬은 변형된 섹션(13)이 권선 층(29)의 전체를 통해 정렬되도록 제어된다. 반경방향 및 축방향의 두 방향의 채널은 각각 참조번호 110 및 115로 명확하게 표시되어 있다. 해칭된 면은 더 작은 치수의 변형된 표면을 나타낸다.

도 9는 투과성 권선(72)을 갖는 전자기 코일(70)의 제 1 실시형태의 개략 단면도이고, 여기서 냉각제 흐름은 참조번호 211의 화살표로 표시된 주로 축방향이다. 제 1 자석 실시형태(70)는 자석 코어(71)의 주위에 감겨진 투과성 권선(72)을 갖는다. 권선(72)은 코어(71), 엔드캡(end cap; 75, 76) 및 외부 튜브(77) 사이의 공간을 채우는 것으로 도시되어 있으나, 물론 권선(72)은 도 1 또는 도 2 또는 유사한 실시형태의 와이어(10 또는 20)를 사용하여 도 8에 도시된 바와 같은 복수의 와이어 층 내의 복수의 와이어 권선으로 구축된다.

엔드캡(75, 76)은 권선을 위한 구조적 지지체를 형성하고, 외부 튜브(77)와 함께 권선(72)의 주위에 실링된 용적을 형성한다. 냉각제는, 입구 흐름(200)에 의해 표시되는 바와 같이, 엔드캡(75) 내의 입구(들)(73)을 통해 펌핑되고, 엔드캡(76) 내의 출구(들)(74)을 통해 배출된다. 냉각제가 권선 내로 들어감에 따라, 냉각제는 반경방향으로 분산되고, 축방향 흐름(211)으로서 축방향으로 출구(74)를 향해 흐른다. 입구측으로 되돌아가는 U형 흐름 경로를 형성하도록 와이어 체적을 세그먼트화(segmenting)함으로써, 또는 흐름 채널을 매립하여 냉각제가 코어(71)를 통해 또는 권선의 주위로 엔드캡(75)에 있는 입구측으로 되돌아가도록 함으로써 입구(73) 및 출구(74)가 자석(71)의 동일측 상에 있도록 설계 변형이 가능하다.

도 10은 냉각제 흐름(213)이 주로 반경방향인 투과성 권선을 갖는 전자기 코일(80)의 추가의 실시형태의 개략 단면도이다. 제 2 자석 실시형태(80)는 자석 코어(81) 주위에 감겨진 투과성 권선(82)을 포함한다. 엔드캡(85, 86)은 외부 튜브(87)와 함께 권선(82)의 주위에 밀봉된 용적을 형성한다. 요소(81, 85, 86, 87)들 사이의 평평한 표면으로서 도시된 권선(82)은 도 9에서와 같이 복수의 층의 복수의 와이어 권선으로 구축된다. 냉각제는 입구(들)(83)을 통해 그리고 코어(81)의 반경방향 냉각 채널(88')을 통해 펌핑된다. 냉각제가 코어(81)를 벗어나 권선(82)으로 들어가면, 냉각제는 축방향으로 분산되고, 외부 튜브(87) 내에 커팅된 그리고 방향전환된 축방향 냉각제 흐름(214)을 엔드캡(86)의 출구(들)(84)을 향해 유도하는 그루브(들)(89) 내로 반경방향으로 흐른다.

도 11은 와이어 성형 장치의 일부의 개략 사시도이고, 도 12는 와이어를 포함한 도 11의 장치의 성형 휠(305, 306)의 개략 측면도이고, 도 13은 도 12의 개략 확대도이다. 일 실시형태에서, 도 13의 주요 부분의 개략 사시도에 도시된 바와 같은 권선 공구(300)는 외면에 융기부(308)의 패턴을 갖는 2 개의 성형 휠(305, 306)의 세트를 포함한다. 초기의 바람직하게는 절연 와이어(310)는 성형 휠(305, 306)을 통해 수동적으로 드로잉될 수 있고, 또는 휠은 구동 샤프트(301)에 의해 능동적으로 구동될 수 있다. 와이어(310)가 성형 휠(305, 306)을 통과함에 따라, 와이어의 단면은 휠(305, 306) 상의 융기부(308)에 의해 주기적으로 변형된다. 여기서 2 개의 치합 기어(304)로서 존재하는 동기화 메커니즘에 의해 성형 휠(305, 306)은 함께 회전하여 동기화로부터 벗어나지 않도록 보장된다. 하나의 치합 기어(304)는 구동 샤프트(301) 상에 장착되고, 반면에 제 2 치합 기어(304)는 상부 액슬(axle; 302) 상에 장착된다. 성형 휠(305, 306)은 이들 액슬(301, 302) 상에 평행하게 장착된다.

도 14는 와이어(140)의 변형된 부분과 변형되지 않은 부분이 교대로 배치되는 것을 도시한 와이어(140)의 제 3 실시형태의 일부의 사시도이다. 와이어(140)는 변형되지 않은 와이어 부분(120)에서 둥근 원형을 갖는다. 변형된 와이어 부분(130)은 도 14의 도면에서 연부가 없는 점진적으로 둥근 리세스를 나타내는 선에 의해 한정된다.

도 15는 도 14에 도시된 와이어(14)로 형성되는 12 개의 층(29)에서 5 개의 인접한 권선 또는 턴(19)을 갖는 코일의 5x12 부분 부분의 단면도이고, 냉각제 채널(110, 116)의 정렬은 상이한 층에 대해서만 제어된다. 도 15에서 참조번호 140은 3 개의 상이한 와이어(140)을 향하여 표시되어 있으며, 하나의 와이어(140)는 둥근 원형 단면(+모양의 선으로 표시됨)을 가지며, 2 개의 난형 또는 타원형 와이어(140)는 하나의 방향이 다른 하나의 방향에 대해 수직인 2 개의 방향에서 최대직경을 갖는다. 화살표(19)는 인접한 턴, 여기서는 5 개의 턴(19)을 나타낸다. 층(29)은 12 개이다. 도 15의 실시형태에서, 축방향 냉각제 채널(115)이 존재하지 않도록 모든 후속 층이 보다 내측의 층에 직접 접촉한다. 그러나, 복수의 반경방향 냉각제 채널(110)이 존재한다.. 원형 와이어(140)가 그 단면을 원형으로부터 2 개의 수직 방향으로 타원형 또는 난형으로 변화시키는 것을 고려하면, 2 개의 인접한 층(29)의 와이어(140)의 2 개의 인접한 턴(19)의 교차점에서 단면 냉각제 채널(116)이 나타난다. 인접한 턴(19)의 수는 모든 실시형태에서 수 개 내지 10 개 이상으로 선택될 수 있다. 인접한 층(29)의 수는 모든 실시형태에서, 예를 들면, 10x100 와이어(140)(또는 와이어(10) 또는 와이어(20))의 어레이를 생성하도록 수 개 내지 10 개 또는 100 개 이상으로 선택될 수 있다.

마지막으로, 도 16은 도 14에 도시된 와이어(140)로 형성되는 코일의 3x5 부분의 사시도이고, 인접한 권선은 정렬되어 명확한 축방향 냉각제 채널(115) 및 단면 냉각제 채널(116)을 형성한다. 다시 말하면, 여기서, 턴(19) 내의 와이어(140)의 인접한 권선은 서로 접촉해 있으나 상이한 층들 사이에 축방향 냉각제 채널(115)이 나타난다. 어떠한 경우에도, 둥근 와이어(140)를 고려하면 교점에 단면 냉각제 채널(116)이 있다.

10 와이어(제 1 실시형태)
11 와이어
12 변형되지 않은 와이어 단면
13 변형된 와이어 단면
15 코어
16 축방향 채널
19 턴
20 와이어(제 2 실시형태)
21 와이어
22 변형되지 않은 와이어 단면
23 변형된 와이어 단면
29 층
30 제 1 권선 실시형태
40 제 2 권선 실시형태
50 제 3 권선 실시형태
60 제 4 권선 실시형태
70 제 1 자석 실시형태
71 자석 코어
72 투과성 권선
73 냉각제 입구
74 냉각제 출구
75 제 1 엔드캡
76 제 2 엔드캡
77 외부 튜브
80 제 2 자석 실시형태
81 자석 코어
82 투과성 권선
83 냉각제 입구
84 냉각제 출구
85 제 1 엔드캡
86 제 2 엔드캡
87 외부 튜브
88 축방향 코어 냉각제 채널
88' 반경방향 코어 냉각제 채널
89 그루브형 냉각제 채널
101 변형된 상부/하부 숄더
102 변형된 측부 숄더
110 반경방향 냉각제 채널
111 접촉면
115 축방향 냉각제 채널
116 단면 냉각제 채널
120 변형되지 않은 와이어 단면
130 변형된 와이어 단면
131 리세스
140 와이어(제 3 실시형태)
200 입구 흐름
201 변형된 상부/하부 숄더
202 변형된 측부 숄더
211 축방향 냉각제 흐름
212 출구 흐름
213 반경방향 냉각제 흐름
214 축방향 냉각제 흐름
300 성형 장치
301 피동 액슬
302 제 2 액슬
304 구동 기어
305 하부 성형 휠
306 상부 성형 휠
308 융기부 패턴
310 성형되지 않은 와이어
311 성형된 와이어

Claims (15)

1. 절연 와이어(11, 21)를 사용하여 감겨진 냉각제 투과성을 구비하는 전자기 코일(60, 70, 80)로서,
   복수의 반경방향으로 배치되는 층(29) 및 상기 층(29)마다 상기 절연 와이어(11, 21)의 축방향으로 배치되는 복수의 턴(turn; 19)을 포함하고, 상기 절연 와이어(11, 21)는 그 길이를 따라 임의의 쌍의 2 개의 인접한 섹션(12와 13; 22와 23)에 대해 상이한 단면을 갖는 복수의 섹션(12, 13; 22, 23)을 가지며, 이로 인해 상기 절연 와이어의 축방향으로 그리고 반경방향으로 인접한 섹션에 의해 형성되는 빈 공간이 집합적으로 냉각제 채널(110, 115, 116)을 형성하는, 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 단면의 차이는 높이 변화 또는 너비 변화 또는 둘 모두의 치수 변화를 포함하는, 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 코일은 상기 코일의 축방향(211) 및/또는 반경방향(213)으로 간극(88', 89)에 접속되어 냉각제 유체를 위한 채널(110, 115)을 생성하는 적어도 하나의 입구(73; 83) 및 적어도 하나의 출구(74; 84)를 구비하는 하우징(75, 76, 77; 85, 86, 87)을 포함하고, 상기 입구(73; 83)(들) 및 상기 출구(74; 84)(들)은 냉각제 회로에 접속되어 상기 코일의 채널을 통해 냉각제 유체를 펌핑하여 상기 코일을 냉각시키도록 구성되는, 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 냉각제는, 선택적으로 유체 펌프를 사용하여, 상기 입구(73; 83)(들) 및 상기 출구(74; 84)(들) 사이에 축방향 압력 구배를 적용함으로써 권선을 통해 축방향으로 이동하고, 상기 반경방향 냉각 채널(110)은 반경방향 흐름 단면에 걸쳐 균일하게 흐름을 분배하기 위해 사용되는, 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 냉각제는, 선택적으로 유체 펌프를 사용하여, 상기 입구(73; 83)(들) 및 상기 출구(74; 84)(들) 사이에 반경방향 압력 구배를 적용함으로써 권선을 통해 반경방향(내측 또는 외측)으로 이동하고, 상기 축방향 냉각 채널(115)은 축방향 흐름 단면에 걸쳐 균일하게 흐름을 분배하기 위해 사용되는, 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   인접한 섹션(12와 13; 22와 23)의 국부적 와이어 변형은 상기 코일 상의 접선 위치와 정합되지 않고, 축방향 및 반경방향의 간극은 확률적으로 생성되는, 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일.
7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인접한 섹션(12와 13; 22와 23)의 국부적 와이어 변형은 상기 코일 상의 접선 위치와 정합되고, 상기 축방향 및/또는 반경방향으로 냉각 채널이 정합된 방식으로 생성되는, 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일.
8. 제 7 항에 있어서,
   여기서, l = 2*pi*t이고, 여기서, l은 주기적 패턴의 길이이고, t는 상기 와이어(11, 21)의 최대 두께이고, pi는 루돌프 수(Ludolph's number)이고, 여기서 l은 동일한 층 내의 권선들 사이의 변형된 섹션 및 변형되지 않은 섹션이 정렬되도록 상기 와이어(11, 21)가 감겨지는 코어(15)의 둘레의 분할수(divider)인, 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각제 채널은 와이어의 후속 층(29)들 사이의 반경방향 냉각제 채널(110), 와이어의 인접한 턴(19)들 사이의 축방향 냉각제 채널(115), 및 2 개의 인접한 턴(19)들 사이 및 2 개의 후속 층(29)들 사이의 단면 냉각제 채널(116)을 포함하는 그룹으로부터의 것인, 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일.
10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    와이어(140)의 단면은 변형되지 않은 원형 섹션(120)과 장축 방향이 층 또는 턴의 배향인 난형 섹션 또는 타원형 섹션(130) 사이에서 변화하는, 냉각제 투과성을 갖는 전자기 코일.
11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 전자기 코일을 구축하는 데 사용하기 위한 절연 와이어로서,
    교대하는 패턴의 주기적 길이 및 와이어 두께 사이의 비율이 축방향 및 반경방향 냉각제 채널의 규칙적 패턴을 생성하도록 상기 와이어의 너비 및/또는 높이를 따라 압축된 섹션이 교대로 배치되는 원형 또는 직사각형의 와이어 섹션(12와 13; 22와 23)을 포함하는, 절연 와이어.
12. 제 11 항에 있어서,
    와이어(11)의 높이 및 너비를 따른 단면 감소는 정렬되지 않고, 상기 와이어(11)의 섹션(12)은 평탄한 부분에서 넓고, 상기 와이어(11)의 섹션(13)은 높은 부분에서 좁아지므로 상기 와이어(11)의 총 단면은 대략 일정한, 절연 와이어.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 와이어의 높이 및 너비를 따른 와이어의 변형은 정렬되고, 와이어(21)의 섹션(22)은 높은 부분에서 넓고, 상기 와이어(21)의 섹션(23)은 평탄한 부분에서 좁으므로 최상의 유체 투과성을 달성하는, 절연 와이어.
14. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 코일을 제조하기 위한 방법으로서,
    원하는 와이어 두께에 대응하는 프로파일링(profiling)된 표면을 갖는 2 개의 휠로 구성되는 와이어 플래트너(wire flattener)를 사용하여 상기 와이어(11; 21)를 압축하는 단계를 포함하는, 코일 제조 방법.
15. 제 11 항에 있어서,
    상기 와이어가 통과할 때 휠들 사이의 거리를 변화시키기 위한 작동 메커니즘을 갖는 2 개의 휠로 구성되는 와이어 플래트너를 사용하여 상기 와이어를 압축함으로써 상기 와이어를 변형시키는, 코일 제조 방법.

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