CN102456475A - 磁性元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性元件，例如变压器或者电抗器。该磁性元件包括一个或者多个绞合线(litz-wire)绕组；以及一个或者多个金属冷却管绕组。每一绞合线绕组与对应的金属冷却管绕组一起缠绕在同一骨架上形成一个间接冷却的磁性元件的绕线筒组件。

Description

磁性元件

技术领域

本发明涉及一种磁性元件，尤其是指一种工作在千伏(kV)电压级别上的多兆瓦(mega-Watts，MW)级干式变压器或者电抗器，其在变频器中能够在数百赫兹(Hz)至约1千赫兹的基波频率下工作。

背景技术

目前大多数的商业解决方法实现的变压器是空气进行冷却的或者是通过直接冷却绕组实现冷却的变压器(例如可同时输送冷却液及传导电流的空心金属管)。然而，在兆瓦以上和数百赫兹，甚至1千赫兹基波频率的条件下，空气冷却式变压器的尺寸比较大。而直接冷却用的金属管的堆积因子(packingfactor)较差，导致变压器磁心上的绕组窗口较大。此外，直接冷却的绕组不能像绞合线(1itz-wire)那样换位、绞合，因此能耗比较高。

变压器的液体冷却系统优选地与变频器的冷却回路共用如去离子水的冷却液。现代大功率变频器中的去离子水与变频器中的多个部件接触。例如，去离子水与变频器中的压装型功率半导体器件的铝制散热器接触。因此，在热传导路径上，需要考虑可能出现在金属冷却通道上的电化学腐蚀反应。

基于上面所述，需要提供一种磁性部件，例如在变频器中能够在数百赫兹到约1千赫兹的基波频率下工作的多兆瓦级干式变压器或者电抗器。该变压器或者电抗器可具有比现有方案更高的效率。

发明内容

本发明提供了一种磁性元件，其包括一个或者多个第一绞合线绕组；以及一个或者多个金属冷却管绕组，其中每一第一绞合线绕组与对应的第一金属冷却管绕组一起缠绕在同一骨架上形成一个间接冷却的磁性元件的绕线筒组件。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，以期更好地理解本发明，在附图中：

图1示意了本发明变压器结构的一个实施例。

图2示意了适用于实现图1所示变压器的变压器磁心的一个实施例。

图3示意了用于图2所示变压器磁心上的冷却板的位置关系的一个实施例。

图4示意了图3所示冷却板内的冷却通路的一个实施例。

图5示意了适用于实现图1所示变压器的绕组几何结构的一个实施例。

图6示意了适用于实现图1所示变压器的绕组和冷却结合结构的一个实施例。

具体实施方式

本发明涉及一种磁性元件，尤其是一种可以在高基波频率、高功率条件下工作的磁性元件。磁性元件包括但不限于变压器、电抗器、变压器的一部分结构以及电抗器的一部分结构。其中变压器可以是单相变压器，也可以是三相以及三相以上的变压器。尽管以下实施例均以变压器为例，可以理解的是，本发明并不排除变压器以外的任何具有本发明特征、构思的磁性元件。

图1示意了本发明的一个实施例即一个兆瓦级Δ-Y接法的三相变压器10。该变压器10当根据在此描述的原理进行构造后适用于在数百赫兹的基波频率下工作。在本发明的一个实施例中，变压器10采用去离子水来间接冷却，其将在此进一步详细描述。图1所示的变压器10具有三相，每一相包括第一绕组和第二绕组。其中第一绕组包括用于导电的第一绞合线(litz-wire)绕组12以及用于冷却对应第一绞合线绕组12的第一金属冷却管绕组13。第二绕组包括用于导电的第二绞合线绕组14以及用于冷却对应第二绞合线绕组14的第二冷却管绕组15。三个第一绞合线绕组12设置成Δ型连接，三个第二绞合线绕组设置14成Y型连接。在一些特定的实施例中，所述的第一绞合线绕组12和第二绞合线绕组14均可设置成Y或者Δ型连接。

变压器10的多个实施例设置有磁心(未图示)以及上述的多个绞合线(litz-wire)绕组。该间接冷却的变压器10使用绞合线传导电流，可大大降低线圈的能耗，提高变压器的效率。这些绞合线绕组12、14通过以相邻缠绕的空心金属冷却管绕组13、15进行间接冷却。在一个实施例中，这些空心金属冷却管绕组与这些绞合线绕组嵌入树脂或者环氧树脂中以最大化这些绞合线绕组和空心金属冷却管绕组之间的导热性。这些空心金属冷却管绕组输送可将绞合线绕组上的热量带走的流体，例如去离子水或者其他合适的流体。在一个实施例中，这些流体连续地通过一个设有热交换器的闭环散热系统，该热交换器接收从这些绞合线绕组散发出来的热量。

在此进一步详细描述的变压器的磁心通过安装其上的冷却板进行冷却。流体在冷却板内部的冷却通路流动，将磁心上的热量导入热交换器，其与将在此进一步详细描述的绕组冷却环路类似。

进一步地，该变压器10设置成支持在如约100Hz至约1kHz的基波频率下工作的多兆瓦级应用，在此参考图2至图6所示进行描述。图2示意了适用于实现多兆瓦级、高基波频率变压器设计的变压器磁心20的一个实施例。该变压器磁心20包括三个磁心腿部22、24、26。尽管在此描述的是磁心式变压器，但是在此描述的构造原理也同样适用于具有5个磁心腿部的壳式变压器结构。在一个实施例中，变压器磁心20可以通过堆叠适合磁性材料的迭片结构实现，也可以通过卷制适合的磁心材料实现。如堆叠硅钢片形成的磁心以及卷制带状磁性材料形成的磁心。磁心腿部22、24、26内设置有用以控制磁心20励磁电感的气隙28。在一个实施例中，磁心20包括一个上E型部30和下E型部32，两者彼此对接形成三相的磁心20。

在一个实施例中，变压器磁心20通过安装在其表面的金属冷却板40、42冷却。图3示意了相对于变压器磁心20垂直放置的冷却板40和水平放置的冷却板42的一个实施例。

图4更详细地示意了图3所示的冷却板40、42的一个实施例。冷却板40、42包括多个冷却通路44，导热流体持续地在所述冷却通路44内流动。在一个实施例中，冷却板40、42的扁平表面通过导热环氧树脂连接到磁心20的垂直部和水平部。在一个实施例中，磁心20散发出的热量通过磁心20以及对应的环氧树脂导入冷却板40、42，然后通过以计算获得的流速流动的导热流体输送到一个热交换器上。在一个实施例中，每一冷却板40、42通过例如传统的类似C型夹的机制48夹持在适当位置上，以确保机械连接的稳定性。

图5示意了适用于实现如图1所示的多兆瓦级、高基波频率变压器10的绕组几何结构50的一个实施例。第一绕组52和第二绕组54放置在磁心腿部22、24、26的周围。

在一个实施例中，图6所示的骨架62设置为跑道式结构，以能够安装在磁心腿部22、24、26其中之一的周围。每一磁心腿部设置有类似的骨架62。这样三相的变压器就具有三个骨架。每一骨架62与安装在磁心20上的对应冷却板40、42之间存在间隙。

图6示意了适用于实现图1所示的多兆瓦级、高基波频率变压器10的部分绕组和冷却结构60的一个实施例。每一磁心腿部22、24、26设有一个绕线筒组件，该绕线筒组件包括骨架62、第一、第二空心冷却管绕组64、66、第一、第二绞合线绕组68、70、导热环氧树脂或者树脂72以及电绝缘材料74。第一空心冷却管64与第一绞合线绕组68组成变压器10的第一绕组。第二空心冷却管66与第二绞合线绕组70组成变压器10的第二绕组。

继续参阅图6所示，每一骨架62可包括电绝缘材料，例如，诺梅克斯(Nomex)。绕在骨架62上的空心冷却管绕组包括金属材料，例如铝或者不锈钢。使用铝制或者不锈钢制的冷却管，可避免或者减少了金属冷却通道上的电化学腐蚀反应。在一个实施例中，第一空心冷却管64与第一绞合线绕组68匝数相同。可以理解的是，在一些应用中，也可以根据工艺的要求，第一空心冷却管64与第一绞合线绕组68匝数设置成不同。在一个实施例中，第一空心冷却管绕组64上裹有足够的如诺梅克斯的电绝缘带以抵抗可能存在于第一空心冷却管绕组64每匝之间的匝间电压。

一层绞合线在空心冷却管绕组64上面卷成每一磁心腿部的第一绞合线绕组68。这些绞合线包括形成一束的几条、上百条或者上千条小股线。这些小股线的直径设置成小于工作的基波频率下的趋肤深度。这样设置是为了减少由于趋肤效应和邻近效应在小股线内产生的环流。在一个实施例中，每一小股绞合线在形成绞合线绕组之前裹有电绝缘带，以抵抗绞合线绕组内感应的匝间电压。

一层绝缘材料74绕在第一绞合线绕组68上。绝缘材料74的厚度设置成可在此详细描述的第二绕组和第一绕组之间提供足够的绝缘。

一层绞合线以预定的匝数在绝缘材料74上面形成每一磁心腿部的第二绞合线绕组70。第二绞合线绕组70与第一绞合线绕组68的结构相似。

空心冷却管绕组66包括金属材料，例如铝或者不锈钢。该空心冷却管绕组66绕在第二绞合线绕组70上面。在一个实施例中，空心冷却管绕组66设有与第二绞合线绕组70相同的匝数。尽管在上述实施例中金属冷却管和绞合线绕组的匝数是相同的，但是在一些实施例中，也可以根据工艺的要求，将匝数设置成不同。例如当第二空心冷却管66的横截面较小时，第二绞合线绕组70可以设置成对应两倍匝数的第二空心冷却管66。在一个实施例中，绕在第二绞合线绕组70上之前，空心冷却管绕组66裹上足够的如诺梅克斯的电绝缘带，以抵抗可能存在于空心冷却管绕组66每匝之间的匝间电压。

在一个实施例中，每一绕线筒组件包括骨架62、第一、第二空心冷却管64、66，第一、第二绞合线绕组68、70以及位于两绞合线绕组之间的绝缘材料74。在安装到磁心腿部22、24、26之前，绕线筒组件嵌入如树脂或者环氧树脂的绝缘媒介中。在一些特定的实施例中，该嵌入步骤可以是标准的环氧树脂封装工艺，也可以是真空压力注入工艺，其中绕线筒组件浸在树脂或者环氧树脂中通过热加工进行处理。

为了最大化绕线筒组件的散热性以提高散热效率，第一、第二绞合线绕组68、70的横截面积、第一、第二空心冷却管64、66的尺寸以及环氧树脂或者树脂的选择彼此关联、联合优化。在一些特定的实施例中，第一、第二绞合线绕组68、70的横截面是长方形、椭圆形、方形、或圆形。在一些特定的实施例中，第一、第二空心冷却管64、66的外截面以及内截面也可以分别是长方形、椭圆形、方形、或者是圆形。在一些实施例中，第一、第二空心冷却管64、66外截面和内截面形状不同，例如在图6所示的实施例中，第一、第二空心冷却管64、66外截面是长方形，而内截面是椭圆形。

在一个实施例中，空心冷却管64或66可以感应对应线圈绕组上的电压。在一个实施例中，第一或者第二空心冷却管64或66上安装有电压测量装置以获得对应线圈绕组上的电压。可通过对该电压求积分获得磁心20磁通密度的估计值。在一个实施例中，每一空心冷却管64和66与包括热交换器的外部冷却系统电绝缘连接，如通过橡皮管连接。

在此描述的实施例提供但不限于一种高功率、多兆瓦级、可至如约1千赫兹的高基波频率下工作的干式变压器。该变压器采用间接冷却方式冷却绕组和磁心，从而获得高效率和高功率密度的变压器。另外，此种结构的变压器的结构较轻，易于运输。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以对本发明作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书意图覆盖在本发明真正构思范围内的所有这些修改和变型。

Claims (16)

1.一种磁性元件，其包括：

一个或者多个第一绞合线绕组；以及

一个或者多个第一金属冷却管绕组，其中每一第一绞合线绕组与对应的第一金属冷却管绕组一起缠绕在同一骨架上形成一个间接冷却的磁性元件的绕线筒组件。

2.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述磁性元件的绕线筒组件嵌入树脂或者环氧树脂中。

3.如权利要求1所述的磁性元件，进一步包括冷却剂，所述冷却剂放入每一金属冷却管绕组内以吸取对应第一绞合线绕组上的热量。

4.如权利要求1所述的磁性元件，进一步包括：

一个或者多个第二绞合线绕组；

一个或者多个第二金属冷却管绕组，其中每一第一绞合线绕组与对应的第二绞合线绕组、对应的第一金属冷却管绕组以及对应的第二金属冷却管绕组一起缠绕在同一骨架上，其中所述第一绞合线绕组和第二绞合线绕组通过电绝缘材料层彼此电绝缘。

5.如权利要求1所述的磁性元件，进一步包括磁心。

6.如权利要求5所述的磁性元件，进一步包括安装在磁心预定表面上的一个或者多个冷却板。

7.如权利要求6所述的磁性元件，其中所述冷却板包括至少一个冷却通路，所述冷却板通过流过所述至少一个冷却通路的导热流体带走磁心上的热量。

8.如权利要求6所述的磁性元件，其中所述冷却板通过导热环氧树脂连接到磁心的表面上。

9.如权利要求5所述的磁性元件，其中所述磁心包括多个腿部，且每一腿部包括用于控制励磁电感的气隙。

10.如权利要求1或者4所述的磁性元件，其中所述第一金属冷却管绕组和/或第二金属冷却管绕组裹有电绝缘材料。

11.如权利要求1或者4所述的磁性元件，进一步包括安装在第一金属冷却管绕组或第二金属冷却管绕组上可测量对应的绞合线绕组电压的测量装置。

12.如权利要求1或者4所述的磁性元件，其中所述第一绞合线绕组和/或第二绞合线绕组上的绞合线裹有足以抵抗对应的匝间电压的电绝缘带。

13.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述磁性元件包括电抗器。

14.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述磁性元件包括变压器。

15.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述骨架包括诺梅克斯电绝缘材料。

16.如权利要求1或者4所述的磁性元件，其中所述第一金属冷却管绕组和/或第二金属冷却管绕组包括铝或者不锈钢材料。

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