具有冷却剂渗透性的电磁线圈的制作方法

1.本发明涉及具有冷却剂渗透性的电磁线圈、构造这样的电磁线圈的绝缘导线、以及制造这样的具有冷却剂渗透性的电磁线圈的方法。


背景技术：

2.电磁线圈是大量现代技术的基本组成部件。特别是大功率电磁线圈广泛用于医学、粒子物理学、显微操作和许多其他领域。这样的线圈包括通常使用液体进行主动冷却的电磁线圈绕组，以允许绕组承受高电流密度而不会过热。
3.存在各种策略来使这种冷却最有效。一般而言，增加冷却剂流速和导线与冷却剂接触的面积是有利的，而同时最大限度地使导线和冷却剂接近，即传导至冷却剂的任何热量都应当必须以尽可能短的距离穿过导线。此外，如果可能的话，当然优选地使用标准导线和绕组技术。
4.文献中已经提出了用于电磁线圈绕组的许多设计和配置，此处描述了最相关的文献。
5.us 2,710,947描述了同时卷绕有两个材料带的线圈——第一个是非绝缘导体，并且第二个是波纹状绝缘体——使得该波纹状绝缘带在线圈结构中形成轴向冷却通道。
6.ep 2,330,603描述了卷绕有两个导电带的变压器线圈，其中至少一个是波纹状的，以形成轴向延伸的冷却剂通道。
7.us 8,284,006描述了空气冷却变压器线圈，该空气冷却变压器线圈在绕组层之间具有形成用于空气流动的轴向通道的间隔件元件。
8.通过在绕组内嵌入不同的间隔件元件来创建冷却通道的许多不同方法是已知的。一个示例是us 7,023,312，其公开了在导电绕组层之间间隔开的热塑性管道。
9.us 3,579,162描述了具有轴向冷却管道的变压器线圈，线圈导线围绕该轴向冷却管道卷绕。
10.us 2,632,041描述了变压器，该变压器具有由轴向间隔件元件分开的绕组节段，从而形成径向冷却通道。
11.us 3,056,071描述了由具有浅槽形切口的导线形成的电磁线圈，该浅槽形切口形成轴向冷却通道。


技术实现要素：

12.现有技术中描述的电磁线圈需要复杂的导线几何形状和/或绕组技术。
13.鉴于前面提及的现有技术及其限制，本发明的目的尤其是提供一种其固有地出现冷却剂渗透性的线圈。
14.根据本发明的具有冷却剂渗透性的电磁线圈使用绝缘导线卷绕，该电磁线圈包括多个径向布置的层以及每层的绝缘导线的多个轴向布置的匝，其中，绝缘导线具有沿其长度的多个节段(section)，任一对两个相邻节段具有不同的截面。
15.根据本发明的线圈包括由于导线的变化的截面形状而固有地出现冷却剂渗透性的线圈。相邻节段的截面的差异可以包括高度的变化或宽度的变化或高度和宽度二者的变化。根据本发明的这样的实施方式的特征在于，组合的轴向和径向冷却通道为线圈绕组提供了在轴向方向和径向方向二者上的冷却剂渗透性。
16.本发明的另一目的是提供一种冷却剂可渗透的线圈，该线圈可以使用常规的线圈绕组技术由标准的、容易获得的绝缘导线形成。
17.根据本发明的实施方式，线圈由导线卷绕而成，导线具有沿其长度周期性变化的截面形状和/或面积。该导线可以通过由成型工具拉制具有均匀截面的标准绝缘导线来形成，该成型工具沿导线的高度、宽度或二者周期性地压缩导线的节段。由于导线在多个层上以多行形式卷绕，因此变化的截面在轴向方向和径向方向二者上均形成冷却剂通道。可以针对各种目的优化截面的形状和周期性。例如，如果大部分冷却剂在径向方向上流动是有利的，则可以调整导线的截面参数，以主要形成径向冷却剂通道，反之亦然。
18.根据本发明的线圈导致大的热传递面积，其中冷却剂分配在整个绕组体积中。该线圈不需要单独的间隔件元件，从而简化了卷绕过程，并且允许最大的封装密度(体积铜/总体积)，以实现每个给定输入功率的最大磁场生成。优化与线圈本身和卷绕其的方法二者有关。该线圈不需要间隔件并且可以使用标准做法进行卷绕的事实与该方法有关，但是最佳封装密度的实现是绕组配置本身的属性，而不管其实际上是如何实现的。
19.线圈优选地包括具有至少一个入口和至少一个出口的壳体，至少一个入口和至少一个出口连接至线圈的轴向方向和/或径向方向上的间隙，创建用于冷却剂流体的通道，其中，入口和出口适于连接至冷却剂回路以泵送冷却剂流体通过线圈的通道以冷却线圈。
20.入口和出口可以在纵向方向上设置在线圈的壳体的相对侧处，例如在距线圈的芯相同的径向距离处，其中，通过施加轴向压力梯度使冷却剂在轴向方向上移动通过绕组，并且径向冷却通道用于在径向流截面上均匀地分配流。
21.入口和出口也可以设置在距线圈的芯不同的径向距离处，然后通过施加径向压力梯度使冷却剂在径向方向上(向内或向外)移动通过绕组，并且轴向冷却通道用于在轴向流截面上均匀地分配流。
22.本发明的另一目的是提供一种用于构建具有冷却剂渗透性的改进线圈的绝缘导线。
23.这样的绝缘导线在变形之前具有初始的圆形形状，以实现最佳原材料价格。该绝缘导线也可以具有初始的矩形，特别是方形形状。如果使用的导线在变形之前近似为矩形，则会产生最佳封装密度。
24.用于形成冷却剂可渗透的电磁线圈的绝缘导线包括交替的圆形或矩形形状导线的节段和沿导线的高度或宽度压缩的变形节段。沿导线的高度和宽度的截面减小可以是反向对齐的，其中，导线在其平坦的位置是宽的，或者其中，导线在其高的位置是窄的，实现导线的近似恒定的总导线截面。
25.可替选地，沿导线的高度和宽度的导线变形可以是对齐的，其中，导线在其高的位置是宽的，并且其中，导线在其平坦的位置是窄的，以实现最佳的流体渗透性。
26.本发明的另一目的是提供一种生产具有冷却剂渗透性的线圈的改进的方法。
27.该目的是通过一种用于生产线圈的方法实现的，该方法包括使用在一个实施方式
中包括两个轮的导线成型工具压缩导线的步骤，两个轮具有与期望的导线厚度对应的轮廓表面。
28.该方法允许以传统方式从单个连续绝缘导线卷绕线圈，但不需要使用附加的间隔元件。通过在对导线进行卷绕之前对导线进行挤压和变形，普通绝缘导线的变形过程与卷绕同时发生。
29.根据一个实施方式，随机选择从包括厚度、变形周期性、变形节段长度、变形节段宽度和绕组内径的组中提取的导线参数。这允许创建随机形成的冷却剂通道。虽然产生的通道仍然非常有效，但是它们可能不是最佳的。
30.根据另一实施方式，导线参数与所得线圈之间的关系是预先限定的，从而确保通道将在多个层上继续彼此对齐，以实现理想的通道配置。一种这样的关系包括以其最简单的形式设置l＝2*pi*t，其中，l是周期性图案的长度，并且t是导线的最大厚度(高度)，其中，pi是鲁道夫数。同时，卷绕有导线的芯的周长被选择为长度l的倍数，使得相同层中的绕组之间的变形节段和未变形节段对齐。换言之，l是卷绕有导线的芯的周长值的因数(divider)。对于增加卷绕的导线层的直径的大量层，仍然基本实现这种对齐。
31.冷却剂通道可以由包括以下的组形成：导线的后续层之间的径向冷却剂通道、导线的相邻匝之间的轴向冷却剂通道、以及两个相邻匝之间和两个后续层之间的截面冷却剂通道。
32.导线的截面可以在层或匝取向上随着长轴方向在未变形的圆形节段与两个不同的变形节段即卵形或椭圆形节段之间变化。
33.根据本发明的电磁线圈绕组具有固有地出现的径向和轴向冷却剂通道。该线圈由具有变化的截面形状的导线卷绕而成，所述导线由交替的变形节段和未变形节段组成，当导线围绕芯卷绕时，这些节段共同形成轴向冷却剂通道和径向冷却剂通道。
附图说明
34.下面参照附图对本发明的优选实施方式进行描述，这些附图出于说明本发明的优选实施方式的目的，而不是出于限制本发明的目的。在附图中：
35.图1a是导线的第一实施方式的一部分的俯视图，描绘了导线的交替的变形节段和未变形节段，
36.图1b是根据图1a的导线的侧视图，
37.图1c是根据图1a的导线的立体图，
38.图2a是导线的第二实施方式的一部分的俯视图，描绘了导线的交替的变形节段和未变形节段，
39.图2b是根据图2a的导线的侧视图，
40.图2c是根据图2a的导线的立体图，
41.图3是围绕圆柱形芯缠绕的图1中的导线的一层的一部分的侧视图，
42.图4是由图1中描绘的导线形成的线圈的一层的四个相邻绕组的一部分的俯视图，其中，选择导线参数使得相邻绕组中的变形节段对齐，
43.图5是图4的四个对齐的绕组的立体图，
44.图6是由图1中描绘的导线形成的线圈的一层的四个相邻绕组的一部分的立体图，
其中，相邻的变形节段未对齐，
45.图7a是由图1中描绘的导线形成的在四个层中均具有四个相邻绕组的线圈的4
×
4部分的俯视图，其中，冷却剂通道的对齐不受控制，
46.图7b是图7a的4
×
4部分的截面图，示出了允许通道随机形成，
47.图8是由图1中描绘的导线形成的线圈的4
×
4部分的立体图，其中，相邻的绕组对齐，在轴向方向和径向方向二者上都形成明确限定的冷却剂通道，
48.图9是具有可渗透绕组的电磁线圈的第一实施方式的示意性截面图，其中，冷却剂流主要是轴向的，
49.图10是具有可渗透绕组的电磁线圈的另一实施方式的示意性截面图，其中，冷却剂流主要是径向的，
50.图11是导线成型装置的部件的示意性立体图；
51.图12是图11的装置的成型轮与导线的示意性侧视图，
52.图13是图12的示意性放大图；
53.图14是导线的第三实施方式的一部分的立体图，描绘了导线的交替的变形节段和未变形节段；
54.图15是由图14中描绘的导线形成的在九个层中均具有五个相邻绕组的线圈的5
×
12部分的截面图，其中，冷却剂通道的对齐仅在不同的层上受到控制；以及
55.图16是由图14中描绘的导线形成的线圈的3
×
5部分的立体图，其中，相邻的绕组对齐，形成明确限定的轴向冷却剂通道和截面冷却剂通道。
具体实施方式
56.图1a、图1b和图1c分别以俯视图、侧视图和立体图示出了具有变化的截面的导线11的第一实施方式10。事实上，该实施方式示出了导线的界定部分，描绘了导线的交替的变形节段和未变形节段。
57.图1同时示出了根据本发明的方法的实施方式的结果。导线11最初是市售的绝缘导线。起初，导线11的截面在其整个长度上是均匀的。导线及其绝缘层的截面被视为一个整体，可以是方形的，如图1a中的导线11所示。截面也可以成圆形，并且特别地是圆圈。当导线11卷绕在磁芯上形成线圈时，导线11通过如图11所示的成型工具300，使导线11的节段周期性地变形，使得具有原始截面(例如，方形或圆形或最小变形截面)的未接触区域12与具有新截面的变形区域13交替。稍后将结合图12和图13来描述成型工具300，图12和图13示出了如何创建变形导线311的一个实施方式。
58.初始导线310可以是矩形或长方形/椭圆形，特别地初始导线310可以是绝缘的初始导线。图13和图1的变形节段13的截面比原始节段12更平坦且更宽。在节段12与节段13之间存在变形的上肩部101和侧肩部102，主要包括对应的相邻表面之间的倾斜表面。相邻的肩部101和肩部102具有相反取向的倾斜。在圆形导线11(图中未示出)的情况下，肩部是更复杂的三维曲线。
59.当然，可以从具有矩形截面的导线11开始，并且将其变形为基本上方形的导线。变形过程无意损坏绝缘层。变形的主要部件可以施加在绝缘涂层内。
60.图2a、图2b和图2c分别以俯视图、侧视图和立体图示出了具有变化的截面的导线
的第二实施方式20。导线21是市售的绝缘导线。起初，导线21的截面在其整个长度上是均匀的。当导线21卷绕在磁芯上时，导线21周期性地变形，使得具有基本上原始截面的未接触区域22与具有新截面的变形区域23交替。变形节段23的截面比原始节段22更平坦且更窄，即变形节段23被压缩成更小的截面面积。换言之，用于使导线21变形的工具使导线21沿其高度和宽度二者变形。
61.在节段22与节段23之间存在变形的上肩部201和侧肩部202，主要包括对应的相邻表面之间的倾斜表面。相邻的肩部201和肩部202具有指向相同方向的倾斜，即从节段22至节段23减小了截面面积，并且从节段23至节段22增大了截面面积。
62.图3是导线实施方式10的一层的一部分的侧视图，其中，导线11围绕圆柱形磁芯15缠绕。明显地是，轴向通道16将形成在导线11与芯15的表面之间以及后续绕组层(图3中未示出)之间。如果根据图3的实施方式设置有图2的导线20，则也将形成类似的通道。
63.图4是由图1中描绘的导线实施方式10的导线11形成的线圈的一层29的四个相邻绕组或匝19的一部分的俯视图，其中，选择与芯(未示出)相关的导线参数，使得相邻绕组中的变形节段13对齐。当然，未变形节段12然后也会对齐。变形节段13彼此对齐，形成明确限定的径向冷却剂通道110，而相邻未变形节段12的侧表面在接触表面111处相互接触。
64.当在图4所示的第一层29上布置第二层的绕组(此处为四个匝19)时，则在未变形节段12的顶表面上建立另外的接触表面111，如果选择以后续层的变形节段13以其截面的较长部分作为底表面定位在所述顶表面上的方式对齐。
65.图5是图4的一个单层29的四个对齐的绕组19的立体图，其中，轴向冷却剂通道115和径向冷却剂通道110二者都可见。
66.图6是由图1中描绘的导线形成的线圈的一层29的四个相邻绕组19的一部分的立体图，其中，相邻的变形节段13未对齐。当然，在这种情况下，未变形节段12在相邻层中也未对齐。然而，明显地是，轴向115和径向110冷却剂通道二者都将出现。
67.图7a是由图1中描绘的导线实施方式10形成的在四个层29中均具有四个相邻绕组19的线圈的4
×
4部分的俯视图，其中，冷却剂通道110和115的对齐不受控制，以及图7b是图7a的4
×
4部分的截面图，示出了允许通道110和115随机形成，因为导线11的变形节段13的对齐完全是随机的。选择4
×
4阵列来说明出现的冷却通道110和115。在常规应用中，每层绕组的实际数目以及实际层数二者都可以大很多倍，例如，特别是在10到100个层29之间以及10到500个绕组或匝19之间。已经选择使用4乘4阵列的绕组和层来说明应用原理，可以理解为示出更大线圈的细节。
68.图8是由图1中描绘的导线实施方式10形成的线圈的4
×
4部分的立体图，其中，四个相邻的绕组19对齐，在轴向方向和径向方向二者上都形成明确限定的冷却剂通道。相邻绕组的导线阵列内的对齐受到控制，使得变形节段13在整个绕组层29内对齐。径向方向和轴向方向二者上的通道分别用附图标记110和115清楚标记。阴影表面表示较小维度的变形表面。
69.图9是具有可渗透绕组72的电磁线圈70的第一实施方式的示意性截面图，其中，冷却剂流主要是轴向的，如通过带有附图标记211的箭头所表示的。第一磁体实施方式70具有围绕磁芯71卷绕的可渗透绕组72。绕组72示出为填充芯71、端盖75、76以及外管77之间的空间；但是当然，绕组72由多个导线层中的多个导线绕组构建，如图8所示，具有来自图1或图2
或类似实施方式的导线10或20。
70.端盖75和76形成用于绕组的结构支承，并且与外管77一起形成围绕绕组72的密封体积。冷却剂如由入口流200所表示的通过端盖75中的入口73被泵送，并且作为出口流212通过端盖76中的出口74泵出。当冷却剂进入绕组时，冷却剂径向地分散并且作为轴向流211轴向地流动至出口74。设计的变型是可能的，例如，通过将导线体积分段以形成返回入口侧的u形流动路径，或者通过嵌入流动通道以将冷却剂通过芯71或围绕绕组引导回端盖75处的入口侧，使入口73和出口74位于磁体71的同一侧。
71.图10是具有可渗透绕组的电磁线圈80的另一实施方式的示意性截面图，其中，冷却剂流213主要是径向的。第二磁体实施方式80包括围绕磁芯81卷绕的可渗透绕组82。端盖85和86与外管87一起形成围绕绕组82的密封体积。示出为元件81、85、86和87之间的平面的绕组82如图9中那样由多个层中的多个导线绕组构建。冷却剂通过入口83和芯81中的径向冷却通道88'被泵送。当冷却剂离开芯81并且进入绕组82时，冷却剂轴向地分散并且径向地流入槽89中，槽89切入外管87中并且将重定向的轴向冷却剂流214引导至端盖86中的出口84。
72.图11是导线成型装置的部件的示意性立体图，图12是图11的装置的成型轮305和306与导线的示意性侧视图，以及图13是图12的示意性放大图。在实施方式中，如图13中的主要部件的示意性立体图所示，卷绕工具300包括一组两个成型轮305和306，在成型轮305和306的外表面上具有脊308的图案。初始的优选绝缘导线310可以被动地拉过成型轮305和306，或者轮可以借助于驱动轴301主动地驱动。当导线310通过成型轮305和306时，导线的截面被轮305和306上的脊308周期性地变形。此处呈现为两个啮合齿轮304的同步机构确保了成型轮305和306一起旋转并且不会变得不同步。啮合齿轮304中的一个安装在驱动轴301上，而啮合齿轮304中的第二个安装在上轴302上。成型轮305和306分别平行地安装在这些轴301和302上。
73.图14是导线140的第三实施方式的一部分的立体图，描绘了导线140的交替的变形节段和未变形节段。导线140在未变形导线节段120中具有圆形形状。变形导线节段130在图14的附图中由指示没有边缘的逐渐变圆的凹部的线界定。
74.图15是由图14中描绘的导线140形成的在十二个层29中均具有五个相邻绕组或匝19的线圈的5
×
12部分的截面图，其中，冷却剂通道110和116的对齐仅在不同的层上受到控制。图15中的附图标记140指示三条不同的导线140；具有圆形截面的一条导线140(用十字线指示)和在彼此垂直的两个方向上具有最大直径的两条卵形或椭圆形导线140。箭头19指示相邻的匝，此处为五个匝19。存在十二个层29。在图15的实施方式中，每个后续层直接接触更内侧的层，使得不存在轴向冷却剂通道115。然而，存在多个径向冷却剂通道110。鉴于圆形导线140的截面在两个垂直方向上从圆形改变为椭圆形或卵形，在两个相邻层29的导线140的两个相邻匝19的交点处出现截面冷却剂通道116。在所有实施方式中，相邻匝19的数目可以从几个到10个或更多个中选择。在所有实施方式中，相邻层29的数目可以从几个到10个或100个或更多个中选择，从而创建例如10乘100导线140(或导线10或导线20)的阵列。
75.最后，图16是由图14中描绘的导线140形成的线圈的3
×
5部分的立体图，其中，相邻的绕组对齐，形成明确限定的轴向冷却剂通道115和截面冷却剂通道116。换言之，此处，
匝19中导线140的相邻绕组彼此接触，但是在不同层之间出现轴向冷却剂通道115。在任何情况下，鉴于圆形导线140，在交点处都存在截面冷却剂通道116。
[0076]-附图标记列表
[0077]
10 导线(第一实施方式)
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81 磁芯
[0078]
11 导线
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82 可渗透绕组
[0079]
12 未变形导线节段
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83 冷却剂入口
[0080]
13 变形导线节段
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84 冷却剂出口
[0081]
15 芯
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85 第一端盖
[0082]
16 轴向通道
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86 第二端盖
[0083]
19 匝
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87 外管
[0084]
20 导线(第二实施方式)
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88 轴向芯冷却剂通道
[0085]
21 导线
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88'径向芯冷却剂通道
[0086]
22 未变形导线节段
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89 带槽冷却剂通道
[0087]
23 变形导线节段
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101 变形上/下肩部
[0088]
29 层
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102 变形侧肩部
[0089]
30 第一绕组实施方式
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110 径向冷却剂通道
[0090]
40 第二绕组实施方式
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111 接触表面
[0091]
50 第三绕组实施方式
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115 轴向冷却剂通道
[0092]
60 第四绕组实施方式
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116 截面冷却剂通道
[0093]
70 第一磁体实施方式
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120 未变形导线节段
[0094]
71 磁芯
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130 变形导线节段
[0095]
72 可渗透绕组
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131 凹陷
[0096]
73 冷却剂入口
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140 导线(第三实施方式)
[0097]
74 冷却剂出口
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200 入口流
[0098]
75 第一端盖
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201 变形上/下肩部
[0099]
76 第二端盖
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
202 变形侧肩部
[0100]
77 外管
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
211 轴向冷却剂流
[0101]
80 第二磁体实施方式
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
212 出口流
[0102]
213 径向冷却剂流
[0103]
214 轴向冷却剂流
[0104]
300 成型装置
[0105]
301 驱动轴
[0106]
302 第二轴
[0107]
304 驱动齿轮
[0108]
305 下成型轮
[0109]
306 上成型轮
[0110]
308 脊图案
[0111]
310 未成型导线
[0112]
311 成型导线