包含改进的冷却器件的用于具有绕组的磁性构件的磁芯的制作方法
【专利摘要】本发明涉及包含改进的冷却器件的用于具有绕组的磁性构件的磁芯。磁芯(16)沿纵向方向(X)延伸，并且包含：至少一个薄片(20)的叠堆(19)，该薄片(20)由磁性材料组成，并且在垂直于纵向方向(X)的堆叠方向(Z)上堆叠；至少一个导热材料板(24)，其呈现相对的第一面(24A)和第二面(24B)；以及至少一个冷却管(26)，其定位成与板(24)的所述第一面(24A)接触，载热流体设计成在该至少一个冷却管(26)中循环。板(24)在平行于纵向方向(X)和堆叠方向(Z)的平面中延伸，其第二面(24B)定位成与叠堆(19)中的薄片(20)热接触。
【专利说明】包含改进的冷却器件的用于具有绕组的磁性构件的磁芯
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磁芯，其用于具有绕组的磁性构件(诸如感应线圈或变压器)，包含改进的冷却器件。
【背景技术】
[0002]现有技术(特别是根据EP1993111)涉及用于感应线圈的磁芯，其沿纵向方向延伸，并且包含至少一个磁性材料的薄片叠堆，该薄片在垂直于纵向方向的堆叠方向上堆叠。该磁芯包含冷却器件，其包含至少一个导热材料板和至少一个冷却管，该至少一个冷却管定位成与所述板接触，载热流体设计成在该至少一个冷却管内循环。
[0003]因此，存在磁性构件(特别是感应线圈)，其包含环绕这种磁芯的绕组。
[0004]通常，根据三项标准评价具有绕组的磁性构件，S卩，高效(有限的损失)、减小的大小和降低的成本。
[0005]一般来说，这三项标准为不兼容的。特别地，相比于大小设定成提供降低的成本的磁性构件，具有优化的效率的磁性构件通常具有较大的大小和较高的成本。这意味着，通常优化三项以上提到的标准中的一项对另外两项中的至少一项是不利的。观察到，现有技术的当前趋势涉及优先达到成本和大小的标准，而不利于效率准则。
[0006]将注意，磁性构件的效率关系到该磁性构件内的能量的损失。这些损失主要由绕组内的损失(已知为“焦耳损失”)和磁芯内的损失(已知为“铁损失”)组成。
[0007]焦耳损失大体占来自磁性构件的总损失的多于80%。本领域技术人员已知的是，当芯部中的铁损失大致等于绕组内的焦耳损失时，实现最佳输出。
[0008]为了实现焦耳损失与铁损失之间的平衡，在EP1993111中规定借助于冷却板系统冷却磁芯。特别地，该冷却有助于增加芯部的容量，以消除其损失，并且因此有助于提高芯部中的感应水平。
[0009]然而，通过这种系统的热移除不总是令人满意的。特别地，本发明人观察到，在EP1993111中，冷却在层压的同时进行，这限制了从芯部经过至冷却板的热流。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是特别地通过向磁芯供应优化的冷却而补救该问题。
[0011]为此，本发明的目的特别地为一种用于具有绕组的磁性构件的磁芯，其在纵向方向上延伸，并且包含:
[0012]至少一个磁性材料薄片的叠堆，该磁性材料薄片在垂直于纵向方向的堆叠方向上堆叠，
[0013]至少一个由导热材料组成的板，其中，其第一面和第二面相对，以及
[0014]至少一个冷却管，其定位成与板的所述第一面接触，热运载流体设计成在该至少一个冷却管内循环，
[0015]其特征在于，板在平行于纵向方向和堆叠方向的平面中延伸，其第二面定位成与堆叠的薄片热接触。
[0016]每个冷却板定位成在磁路中垂直于薄片的叠层。该布置允许从芯部的内部流向热运载流体回路的最佳热传导。因此，本发明允许磁芯的最佳冷却，这进而允许感应的相当大的增加。
[0017]另外，优化的冷却有助于减小芯部的尺寸，同时保持最佳感应。磁芯尺寸的减小还减小了环绕所述芯部的绕组的尺寸，并且因此降低了绕组中的焦耳损失以及所述绕组的成本。
[0018]因此，本发明有助于增加铁损失(通过芯部的改进冷却)，同时降低了焦耳损失(通过绕组的减小尺寸)。换言之，本发明有助于在铁损失与焦耳损失之间实现平衡，并且因此优化了效率，如先前提到的。
[0019]另外，减小磁芯和绕组的尺寸还一方面减小了磁性构件的大小，并且另一方面减小了用于制造该磁性构件的材料的数量，并且因此降低了磁性构件的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]本发明可从阅读仅给出为实例并参考附图作出的下列描述更好地理解，其中:
[0021]图1是根据本发明的一个实施例的三相感应线圈的截面图。
[0022]图2是线圈中的一个以及被该线圈环绕的芯部的一部分的图1的平面II的截面图。
[0023]图3是根据本发明的第二实施例的线圈的类似于图2的视图；
[0024]图4是根据本发明的第三实施例的线圈的类似于图2的视图。
【具体实施方式】
[0025]图1表示三相装置10，其包含三个感应线圈12。整个电路(包括连接部)具有典型设计，并且因此将不被更详细地描述。
[0026]三个线圈12是相同的，并且因此，将仅在下面描述它们中的一个。每个感应线圈12包括绕组14，其由传导元件组成，该传导元件例如绕着纵向轴线X缠绕成螺旋形状。传导元件为例如导线，或者使用中空辊(rolling)或薄片生产。
[0027]每个线圈12还包括磁芯16，其沿纵向轴线X的方向延伸，并且因此绕组14同轴地环绕磁芯16。
[0028]三个磁芯16以标准形式平行布置，并且连接于由元件18组成的柱体，用于从磁芯回流。
[0029]每个磁芯16以已知方式由多个磁性材料薄片20的叠堆19组成，磁性材料优选为铁。在描述的实例中，叠堆19典型地通过绝缘的非磁性材料的气隙分离。叠堆19因此沿着纵向轴线X —个接一个地放置，其中，气隙垂直于该纵向轴线X。在变形中，磁芯16可没有这种气隙。
[0030]在图2中以截面示出叠堆19中的一个。
[0031]以下将堆叠的方向Z限定为薄片20沿其堆叠的方向。该堆叠方向Z垂直于纵向方向X。以该方式，每个叠堆19由在平行于纵向轴线X的平面中延伸的单独薄片20组成。
[0032]在示出的实例中，薄片20具有大致相同的尺寸，以使叠堆19基本上呈平行六面体的形式。在变形中，薄片可根据不同的样式切割，以使它们的布置具有更类似于圆形截面的截面。
[0033]薄片20可使用任何已知的方法连接在一起。例如，薄片20的叠堆19在堆叠方向Z上包含至少一个横贯孔口(未示出)，其中，带延伸到该孔口中以确保薄片20彼此连接。优选地，芯部16包含两个主薄片22，其在堆叠方向Z上压在薄片20的任一侧，以确保它们借助于所述带连接在一起。为此，每个带借助于其头部支承在主薄片22上，该头部例如呈旋拧到该带的螺纹端部上的螺母的形式。
[0034]为了排出磁芯16中的热，该芯部包括冷却器件23，特别地包括至少一个由导热材料组成的板24。在图1和图2中示出的实例中，每个磁芯包含两个板24，其在横向方向Y上定位在叠堆19的任一侧,横向方向Y垂直于堆叠方向Z,如将在下面描述的。
[0035]以该方式，相比于按照现有技术的冷却装置(诸如EP1993111中描述的冷却装置)，板24不提供薄片20彼此之间的机械保持。板24的厚度因此可基本上减小，并且用于这些板24的物质可在主观上(in mind)关于技术和经济优化进行选择，因此改进了其导热性并降低了其成本。应当注意，EP1993111设计成赋予冷却板冷却和机械保持的双重作用。另一方面，根据本发明，冷却板不再实现机械保持功能，该功能由保持薄片22实现，但是另一方面，它们提供比现有技术更好的冷却水平。
[0036]每个薄片24具有相对的第一面24A和第二面24B，每个面在平行于纵向方向X和堆叠方向Z的平面中延伸。
[0037]对于每个板24而言，冷却器件23还包含至少一个冷却管26，其设计成堆栈(stackup)载热流体，定位成与板24的第一面24A接触。载热流体可为任何已知的类型，例如水或油。有利地，冷却板24和管26由高导热且非磁性的材料(诸如铝，铜或不锈钢)组成。每个板24的第二面24B定位成与叠堆19中的薄片20热接触，以使该叠堆散置在板24之间。以该方式，每个板24定位成垂直于薄片20，与每个薄片20的截面热接触。换言之，冷却板24定位成垂直于叠堆19的叠层。
[0038]在本说明书中，用语“热接触”指的是允许通过两个元件之间的传导的热传递的接触。这种热接触可为直接接触或通过导热层的接触。
[0039]特别地，热粘剂(诸如热润滑油)可有利地散置在板24中的至少一个与薄片20之间。当这些薄片20的边缘不一起形成完全平滑的表面时，这种热粘剂将有助于增加板24与薄片20之间的导热性。
[0040]另外，根据图2中示出的该初始实施例，其中，两个冷却板24与薄片20接触，必要的是将磁性薄片20与这两个冷却板24中的至少一个电隔离，以便在磁路内不形成电流环。当仅一个冷却板24与薄片20接触时，该电隔离为不必要的，如将在下面描述的图3和图4的实施例中的情况，这是因为在该情况下不形成电流环。
[0041 ] 为了实现该电隔离，板20中的至少一个在其第二面上包含导热电绝缘薄膜，以使绝缘薄膜散置在第二面24B与薄片20之间。将注意，低水平的电隔离为大体足够的，以使电隔离薄膜可由单层漆组成。
[0042]将注意，冷却板24可通过任何已知的固定手段保持在薄片20上。
[0043]例如，在叠堆19中，沿横向方向Y经过的孔口和穿过该孔口的带可设置成确保每个板24抵靠叠堆19中的薄片20固定。[0044]作为变形，条可设置成缠绕在叠堆19和板24周围，以便抵靠叠堆19保持这些板24。
[0045]图3示出了根据本发明的第二示例性实施例的线圈12。在该图中，类似于先前附图的元件使用相同的标记来指示。
[0046]根据该第二实施例，冷却器件23仅包含一个冷却板24，其与薄片20在垂直于横向方向Y的表面上热接触。事实上，单个冷却板24可在一些设想的应用中为足够的。
[0047]图4示出了根据本发明的第三示例性实施例的线圈12。在该图4中，类似于先前附图中的这些元件的元件使用相同的标记来指示。
[0048]根据该第三实施例，芯部16包含薄片20A的第一叠堆19A和薄片20B的第二叠堆19B。薄片20A，20B在相同的堆叠方向Z上堆叠，并且叠堆19A，19B彼此平行并平行于纵向轴线X延伸。第一叠堆19A和第二叠堆19B彼此分离，以便产生空间28。
[0049]冷却器件23包含两个导热材料板24，其布置在空间28中，并且每个与相应的叠堆19A，19B中的薄片20A，20B热接触。空间28因此被这两个板24界定。
[0050]另外，冷却器件23包含定位在板24之间的至少一个冷却管26，其与这些板24中的每一个接触。因此，磁芯16的冷却在其心部处发生。
[0051]根据该第三实施例，磁薄片20横向于冷却板24的宽度减小(特别是关于图3中示出的第二实施例中的磁薄片的宽度减半)，这改进了这些薄片的冷却，尤其是在这些薄片的不与冷却板接触的端部处。
[0052]另外，相比于要求两个冷却回路的图1中的第一实施例，该第三实施例仅要求单个冷却回路。
[0053]将注意，本发明不受限于以上描述的实施例，而是在不背离权利要求的范围的情况下，可提出各种变体。
[0054]特别地，磁芯16可装备变压器(诸如高频变压器)，或任何其它类型的具有绕组的磁性构件。
[0055]将注意，以上描述的冷却器件23可用于不仅消除磁性构件中的显著损失，而且防止给定环境中的任何热辐射。例如，在海底模块中，这种热辐射为不受欢迎的。
【权利要求】
1.一种用于具有绕组(12)的磁性构件的磁芯(16)，其沿着纵向方向(X)延伸，并且包括: 至少一个磁性材料薄片(20)的叠堆(19)，所述磁性材料薄片(20)在垂直于所述纵向方向⑴的堆叠方向⑵上堆叠， 至少一个导热材料板(24)，其呈现相对的第一面(24A)和第二面(24B)，以及 至少一个冷却管(26)，其定位成与所述板(24)的所述第一面(24A)接触，载热流体设计成在所述至少一个冷却管(26)内循环， 其特征在于，所述板(24)在平行于所述纵向方向(X)和所述堆叠方向(Z)的平面中延伸，其第二面(24B)布置成与所述叠堆(19)中的所述薄片(20)热接触。
2.如权利要求1所述的磁芯(16)，其特征在于，包括两个导热材料板(24)，每个在平行于所述纵向方向(X)和所述堆叠方向(Z)的相应平面中延伸，并且在垂直于所述纵向方向(X)和所述堆叠方向(Y)的横向方向(Y)上定位在所述叠堆(19)的任一侧。
3.如权利要求2所述的磁芯(16)，其特征在于，至少一个板(24)在其第二面(24B)上支承导热电绝缘薄膜，以使所述绝缘薄膜散置在所述第二面(24B)与所述薄片(20)之间。
4.如先前权利要求中的任一项所述的磁芯(16)，其特征在于，至少一个板(24)在其第二面(24B)上支承诸如热润滑油的热粘剂的层， 以使该热粘剂散置在所述第二面(24B)与所述薄片(20)之间。
5.如先前权利要求中的任一项所述的磁芯(16),其特征在于: 所述磁芯(16)包含平行薄片(20A，20B)的第一叠堆(19A)和第二叠堆(19B)，所述第一叠堆(19A)和所述第二叠堆(19B)彼此分离以便形成空间(28)， 所述第一叠堆(19A)在所述空间(28)内支承由导热材料组成的与其薄片(20A)接触的第一板(24), 所述第二叠堆(19B)在所述空间(28)内支承由导热材料组成的与其薄片(20B)接触的第二板(24)， 所述第一板定位成与所述第二板相对， 至少一个冷却管(26)定位在所述第一板(24)与所述第二板(24)之间，与这些第一和第二板(24)中的每一个接触。
6.如先前权利要求中的任一项所述的磁芯(16)，其特征在于，包含两个主薄片(22)，其在所述堆叠方向(Z)上压在薄片(20)的任一侧，以将它们固定在一起。
7.如先前权利要求中的任一项所述的磁芯(16)，其特征在于，包含由绝缘材料的气隙分离的多个薄片(20)的叠堆(19)，这些叠堆沿所述纵向轴线(X) —个接一个定位，并且所述气隙垂直于该纵向轴线(X)。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的磁芯(16)，其特征在于，所述薄片叠堆(19)包含至少一个孔口，其沿垂直于所述纵向方向(X)和所述堆叠方向(Z)的横向方向(Y)经过，其中，带在该孔口中延伸，以抵靠所述叠堆(19)中的所述薄片(20)固定每个板(24)。
9.如权利要求1至7中的任一项所述的磁芯(16)，其特征在于，包含至少一个条，其绕着所述叠堆(19)和每个板(24)卷绕以抵靠所述叠堆(19)保持每个板(24)。
10.一种具有绕组(12)的磁性构件，其包含由绕着纵向轴线(X)缠绕的导线组成的绕组(14)，其特征在于，其包含根据权利要求1至9中的任一项所述的磁芯(16)，所述磁芯(16)沿纵向方向⑴与所述`绕组(16)同轴地延伸。
【文档编号】H01F27/245GK103680825SQ201310491274
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2012年8月31日
【发明者】J·德拉内, E·盖特 申请人:通用电气能源能量变换技术有限公司