专利名称：电感绕组的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电感绕组及其制备方法。电感绕组这一术语包括所有的至少有一匝电导体的电感绕组。而本发明所涉及的，更具体地说，是能以低导电损耗导通大电流的紧凑型电感绕组。
一个带有电荷Q的粒子，在磁场B中以速度V移动，它所受到的磁力FB等于 磁力FB垂直于V和B。上式的一个结论是长度为l的导体，流过其中的电流为i，如果矢量B和l互相垂直，那么它所受到的一个力等于FB＝B.i.l。这是所有旋转电气设备的理论基础。当线圈穿过磁场时，载流线圈上的力产生转矩，使转子旋转。旋转电气设备的有效输出取决于它的定子和转子中的磁通密度、绝缘材料中的最大电场强度及线圈中的电流密度。
如果通过导体的电流改变，则磁通量发生变化。相反地，变化的磁场使从属于此磁场的导体中产生电流。这种现象称为感应。电流的每一次改变都在线圈中产生感应电压。匝数为N、长度远大于半径的线圈中的感应电压e可以用下式表示e=-Ldidt;L=μ0μrAN2l]]>第一个等式中的负号表示感应电压的方向与产生这一电压的变化相反，i是交变电流，A是线圈的横截面积。一个线圈的电感L取决于它的外形尺寸、线圈的匝数及芯的材料。
感应电压使导体中的电子在环行路径中移动。这些通常所说的涡流产生自己的磁场，这种磁场与产生涡流的可变磁场相反。因此，涡流导致可变磁场中的能量耗散。
导体中的涡流损耗比导体电阻产生的损耗小。线圈的匝数越多，导体越长，电阻就越大。当电流通过导体时，能量以热的形式耗散。这种损耗称为铜损，其大小可用公式I2R计算，I是通过导体的电流。长度为l、横截面积为A的均匀导体的电阻R可用下式表示R=ρlA]]>此处ρ是导体的电阻率。从上式中可以看出，采用大截面积的导体可以减小导体的电阻，从而降低铜损。然而这样有其不利之处，因为这样做会增加线圈的尺寸和重量。
除了导体中的涡流损耗和铜损之外，由于磁芯的涡流损耗及磁滞损耗的作用，在以导电材料作芯的线圈中还会产生其他损耗。所有这些损耗产生热耗散，因此降低了包含电感线圈的器件的效率。在大多数情况下必须冷却这些器件，以防止生成的热破坏装置中的部件。
电感线圈用于许多不同类型的装置中，涉及能量生成、转换、传输及消耗等。变压器用于电能的传输及分配，其作用是在两个或更多个系统之间进行电能交换。扼流圈是电网中的基本部件，例如用于无功功率补偿和滤波。电磁铁有多种用途。当电流流过电感绕组时，电磁铁产生磁场。电磁感应同样用于补偿器、变频器、静态转换器、谐振器及许多其它装置中。总之，电感绕组可用于上述静态电气设备，还可用于旋转电气设备，例如马达、发电机等。
通常电感绕组是绝缘的。对于高压应用，使绝缘材料中出现空洞及孔隙的危险降到最小是十分重要的，因为空洞和孔隙会导致绝缘材料在高场强下局部放电。空洞和空隙可产生于电感绕组的制造过程中，或者是在使用中，尤其是在电导体和绝缘材料之间的界面上，由机械负载和热负载造成。局部放电的结果可能产生破坏有机化合物的臭氧。
WO 9745847描述了一种旋转设备，这种设备包括一个可以直接连接到高压电网的高压电感绕组。WO 9839250描述了一种新型导体，其中有金属单壁连续丝形式的碳纳米管。富日烯(Fullerense)发现于1985年，碳纳米管是它的一个实例(见“C60Buckminsterfullerene”，Kroto H.W，Heath J.R，O’Brien S.C，CurlR.F och Smalley R.E，Nature vol.318，p162，1985)。碳纳米管是中空的管状微粒。单壁碳纳米管可具有金属特性或半导体特性。碳纳米管可以是单壁的或多壁的敞开的或封闭的，通常直径为1.2-1.5nm，长度至少5μm。
单壁碳纳米管凝聚时，有趋势形成聚团(group)，各聚团包含10～1000个平行碳纳米管。这些所谓的绳，直径为5-20nm。碳纳米管绳表现出二维三角几何外形，而且认为碳纳米管是由范德瓦尔斯(Van der Waals)力结合在一起的。
碳纳米管是所谓的一维弹道式导体，意即电子仅仅沿着碳纳米管的长度方向传输，此方向的传导损耗可忽略不计。电子的散射仅出现在碳纳米管的末端。此散射导致传导损耗，因此，纳米管的电阻与纳米管的长度无关。已有大量实验工作指出这一结论。此外，碳纳米管具有非常好的机械性能，例如高抗裂性和高柔韧性，还具有低密度及优良的耐冷和耐热性。
大电流密度(超过1×106A/cm2)有可能通过单个碳纳米管进行传输，因而包含碳纳米管的导体可以做得非常紧凑。1999年三月，Wang和de Heer在物理学能量展望研讨会“Symposium on EnergyLandscapes in Physics”(会期WC35.02)的报告中指出，在室温下，电子在长达5μm的碳纳米管中传导，没有热量产生。
发明概述本发明的一个目的是制造一种包含载流装置的电感绕组，它具有低传导损耗，即低电阻和低涡流损耗。另一个目的是制造一种坚固的、柔性载流装置，而这种装置形成一种紧凑的电感绕组。另一个目的是制造一种电感绕组，该绕组可以把载流装置周围的绝缘系统中存在的空洞和孔隙所引起的局部放电的危险减至最低限度。本发明的再一个的另外目的是制造一种可在低(0-1Kv)、中(1-34Kv)高(34Kv及更高)电压下使用的电感绕组，此种绕组还可在小电流(mA)以及大电流(1A及更高)条件下使用。根据本发明制造的电感绕组打算用于具有或没有芯的电感装置。该芯包含磁性材料或非磁性材料。本发明的另一个目的是使电感装置中不需要使用冷却系统。
采用根据权利要求1特征部分所述特点的电感绕组，并采用根据权利要求14特征部分所述特点的方法，即可达到本发明的这些目的。在相关权利要求中的特征部分阐述了优选的实施方案。
为了降低传导损耗，减小电感装置的尺寸，并取消冷却系统，电感绕组中包含具有纳米结构的载流装置。载流装置可以是单个导体，或者是包含多个导体的电力电缆，它包括例如WO 9839250所描述的碳纳米纤维，或者是分散在基体中的单个纳米结构。纳米结构这一术语包括直径范围从0.1nm到100nm的所有结构。包括的结构有敞开的或是封闭的、单壁或是多壁的纳米管，富日烯，纳米球，纳米带，纳米绳，纳米丝，以及被编织、喷涂或缠绕成层或套的纳米管、纳米绳、纳米纤维。按照本发明的优选实施方案，基体为聚合物、陶瓷、金属、非金属、胶体、流体、有机或无机材料。基体甚至可包括金属薄层，例如金，薄层可以全部或者部分覆盖纳米结构，为相邻的纳米结构之间提供金属接触。金属基体可降低接触电阻，改善单个纳米结构之间的传导，使导体具有低传导损耗。
由于纳米结构的体积小，所以包含纳米结构的载流装置可以做得紧凑。载流装置越紧凑，就使电感绕组更紧凑。在一定体积中的电感绕组的匝数加多，就会增加单位体积的电感。载流装置如果含有沿平行导体长度方向取向的纳米管之类的纳米结构，则是一种各向异性电导体，其沿长度方向的电阻小，而横向的电阻大。这意味着大部分电子沿纳米结构的方向移动，涡流损耗将会显著降低。总之，采用含有纳米结构的载流装置，可制造出更小、更轻、效率更高的电感绕组。
举例来说，构成载流装置的每一个导体都被一个绝缘系统环绕，该绝缘系统包括位于两个半导层之间的绝缘材料。由相同的基材料构成全部载流装置是可以做到的，因而可以制成低密度的柔性电感绕组，把出现空洞和孔隙的危险降到最小。
碳纳米管之类的纳米结构比常规导体能传导更大的电流。假如纳米结构两端的电压减小、电流增加，则可用更薄的绝缘层来达到相同的有效功率输出。如果绝缘层的厚度保持不变，对于一定电压来说，通过导体传导的电流就更大，因此可以实现更大的有效功率输出。
图2示出一幅根据本发明优选实施方案的电感绕组的三维视图，该电感绕组包括两个同轴电导体，该电导体含有分散在基体中的纳米结构。
图3描绘了一个根据本发明优选实施方案的三相变压器，该变压器带有一个包含电感绕组的叠层的芯。
图4描绘了一个二极直流马达，该马达作为包含根据本发明优选实施方案的电感绕组的电气设备一个实例。
图2示出包含两个同轴电导体20、24的电感绕组2。同轴电导体包括基本上均匀分布在一种基体中的纳米结构和一个绝缘系统。最里面的电导体20的绝缘系统包括内半导层21、绝缘材料22及外半导层23，最外面的电导体24的绝缘系统包括内半导层25、绝缘材料26及外半导层27。
按照本发明的优选实施方案，电感绕组1和2还包括其他部件，例如机械加强部分。在所示实例中，电导体10和20的几何结构是圆形的。如果需要，例如需要有更好的定子槽的封装密度，采用其他多种横截面也是可以的，甚至可能更为有利。该电感绕组至少包含一个含有纳米结构的电导体，纳米结构例如纳米管、纳米绳、分散在一种基体中的纳米纤维、或连续的碳纳米纤维。
半导层11、13、21、23、25、27形成等电位表面，电场相对均匀地分布在绝缘材料上。采用这种方式可以消除绝缘材料因电场中材料局部集中而击穿的危险。如果外半导层13和27接地，则所述外半导层之外没有电场。外半导层13和27保持在受控电位，例如经由沿着电感绕组长度方向基本上均匀间隔接触的地电位，接触点间的间隔足够紧密，可以消除由于接触点电压升高产生的局部放电的危险。
举例来说，绝缘材料21、22、26包括热塑性塑料，例如低/高密度聚乙烯、低/高密度聚丙烯、聚丁基乙烯、聚甲基五亚乙基六胺；包括含氟聚合物，例如聚四氟乙烯(TeflonTM)、聚氯乙烯；包括聚合物交联材料，例如交联聚乙烯；包括橡胶材料，例如乙烯丙烯橡胶或硅橡胶。半导层由相同的绝缘材料构成，但包含诸如碳黑、金属之类的导电材料，或包含具有半导电/金属特性的碳纳米管等纳米结构。绝缘系统的单层相互接触，在本发明的优选实施方案中，它们是由径向邻近层挤压结合在一起的。把绝缘材料中形成空洞或孔隙的危险减至最低程度是很重要的，因为空洞和孔隙会导致高电场强度下绝缘材料的局部放电。
如果上述(绝缘)材料被用作基体材料，就有可能用相同的基材料制作整个电感绕组。例如聚乙烯可用于绝缘材料，在半导层中加入一些导电材料，比如碳黑，同样可用作基体材料。这样解决了不同材料之间能否良好粘合的问题，使得存在温度梯度时不同材料的膨胀所造成的问题降至最低，并且简化了电感绕组的制造过程。电感绕组内的各个层，即绝缘层、半导层及外覆盖层，环绕导体挤压在一起。为了生产根据本发明的电缆，导体甚至是整个电感绕组可以用一种简单的挤制工艺进行挤压。电感绕组中的部件被挤制或缠绕成径向邻近层，然后最好是进行硫化，以赋予更好的弹性、强度和稳定性。含有纳米结构的电导体通过一个喷嘴挤制，使纳米结构的沿平行于导体长度的方向取向。然后可将绝缘系统中的部件缠绕到导体上。也可采用其他的制备方法，上述方法仅作为实例。
本发明的电感绕组可用于所有的电感装置。在下文中给出了两个电感绕组的实例，即包含根据本发明的电感绕组的一个变压器和一个简单直流马达。
图3举例说明了一个三相电源变压器，其中包含根据本发明的电感绕组3和一个叠层芯。该芯包含三个管脚30、31、32和两个支架33、34。根据本发明的电感绕组同轴地环绕在芯的管脚上。图中示出了三个这种同轴的电感绕组35、36、37。内电感绕组35是初级电感绕组，其他两个36、37是次级电感绕组。隔离垫片(spacer)38和39置于电感绕组之间。该垫片可以由绝缘材料构成，促进冷却，并作为电感绕组的机械支撑；也可以由导电材料构成，作为电感绕组接地系统的一部分。
图4a举例说明了一个包含根据本发明的电感绕组的电气设备。该图示出一个简单的二极直流马达，该马达包括转子40、电感绕组4、连接到轴43的整流器41、电刷42、定子44，直流电源45的接头，比如电池。图中的定子44是一个永久磁铁，当然也可以采用电磁铁。当电流流过电感绕组4时产生磁场。转子的北极被定子的北极排斥，并被其南极吸引。转动到半圈后，通过电感绕组的电流改变方向，触发转子两极的极性互换，使转子绕轴旋转。
图4b表示转子40的主视图、侧视图和顶视图。整流器41包括一对连接到轴43的接触头，与电感绕组4接触。电刷42包含两片与整流器41接触的柔性金属刷或者是碳刷，该金属刷或者是碳刷构成了与直流电源45的接触。转子转动时，流过电感绕组的电流方向的改变由整流器41和电刷42来完成。
旋转电气设备通常在转子或定子或者同时在两者中有电感绕组。定子经常是叠层的，因此涡流电流被限制在各个分层中。定子中的电感绕组位于定子槽中并且定子是接地的。
由于电网的电压通常高于旋转电气设备，所以经常需要用变压器将带有常规电感绕组的旋转电气设备连接到电网中。变压器的使用增加了成本并且加大了损耗。如果用于高压的旋转电气设备是结合了根据本发明的电感绕组来进行设计的，那么就不再需要变压器了。
权利要求
1.一种包含载流装置的电感绕组1、2、3、4，其特征在于载流装置包含纳米结构。
2.根据权利要求1的电感绕组1、2、3、4，其特征在于所述纳米结构至少包括下述纳米结构中的一种单壁、多壁金属性、半导体的纳米结构。
3.根据权利要求1的电感绕组1、2、3、4，其特征在于电导体包含由金属性单壁碳纳米管构成的连续纤维。
4.根据上述任何一项权利要求的电感绕组1、2、3、4，其特征在于电导体包含一种基体，在该基体中配置有纳米结构。
5.根据权利要求4的电感绕组1、2、3、4，其特征在于该基体至少包括一种下述材料聚合物、陶瓷、金属、非金属、流体、胶体、含碳金属例如石墨、非晶碳或富日烯，有机或无机材料或上述材料的组合。
6.根据权利要求4或权利要求5的电感绕组1、2、3、4，其特征在于单个纳米结构基本上均匀地分散在该基体中。
7.根据上述任何一项权利要求的电感绕组1、2、3、4，其特征在于所述载流装置被包含两个半导层的绝缘系统所环绕，这两个半导层之间有绝缘材料。
8.根据上述任何一项权利要求的电感绕组1、2、3、4，其特征在于所述载流装置至少包含两个同轴导体。
9.根据权利要求8的电感绕组1、2、3、4，其特征在于所述载流装置中的每个导体与相邻的半导层保持电接触。
10.根据权利要求7-9中任何一项的电感绕组1、2、3、4，其特征在于该外半导层适合保持在受控电位。
11.根据上述任何一项权利要求的电感绕组1、2、3、4，其特征在于所述半导层包含与绝缘材料相同的基材料，并含有导电材料。
12.根据权利要求11的电感绕组1、2、3、4，其特征在于该导电材料为碳黑、纳米结构或金属。
13.根据权利要求7-12中任何一项的电感绕组1、2、3、4，其特征在于所述绝缘材料至少包含一种下述材料热塑性塑料、含氟聚合物、云母、交联或橡胶材料。
14.一种根据上述任何一项权利要求的电感绕组的制备方法，其特征在于载流装置中结合有纳米结构并且在所述电导体周围施加一个绝缘系统。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于绝缘系统中的所有部件采用相同的基材料制成并被挤压在一起。
16.根据权力要求14或15的方法，其特征在于对所述电感绕组进行硫化。
17.根据权利要求14的方法，其特征在于将该绝缘系统缠绕到所述电导体上。
18.根据权利要求14的方法，其特征在于该电感绕组用挤压和缠绕相结合的方法制备。
19.电感装置中的电感绕组，其特征在于所述电感装置包含至少一匝电感绕组，该电感绕组含有纳米结构。
20.根据权利要求19的电感绕组，其特征在于该电感装置有一个磁芯。
21.根据权利要求19的电感绕组，其特征在于该电感装置有一个非磁性芯。
22.根据权利要求1-13中任何一项的电感绕组的使用，或者权利要求14-18中任何一项的方法在静态电气设备中的使用。
23.根据权利要求1-13中任何一项的电感绕组的使用，或者权利要求14-18中任何一项的方法在旋转电气设备中的使用。
24.根据权利要求1-13中任何一项的电感绕组的使用，或者权利要求14-18中任何一项的方法在电能生产、传输、分配、转换、消耗中的使用。
全文摘要
至少包含一匝载流装置的电感绕组,该载流装置至少包括一个含有纳米结构的电导体。
文档编号H01B7/00GK1381060SQ0180152
公开日2002年11月20日 申请日期2001年3月30日 优先权日2000年3月30日
发明者O·约兹唐姆, P·埃斯伯格, S·苏德洪姆 申请人:Abb股份有限公司