电气设备

技术领域

本发明涉及一种电气设备和一种用于生产电气设备的方法。

背景技术

在诸如变压器等电气设备中，例如在高功率中频变压器(MFT)中，功率密度通常具有高值，因为这样的变压器通常安装在相对较小的隔室内，因此变压器被各种其他热源围绕。这可能对这样的变压器布置的热性能产生强烈影响。

为了防止变压器在这样的热环境中过热，通常需要高功率风扇和高导热铸造材料。然而，这些技术解决方案可能导致这样的技术布置的高生产成本，并且获取或保证这样的电气设备的所需要的操作性能可能需要不适当的技术努力。

有必要解决这些问题。

发明内容

因此，提供一种用于以高效方式来提高电气设备的性能的概念将是有利的。

本发明的目的通过独立权利要求的主题来实现，其中在从属权利要求中并入了另外的实施例

在本发明的第一方面，提供了一种电气设备。该电气设备包括：

-磁芯，

-围绕磁芯延伸并且部分地覆盖磁芯的线轴，其中线轴由导热介电材料制成，

-其中线轴还包括可连接到内部本体的外部本体，其中内部本体包括被形成为肋的至少第一接触元件，肋被配置为直接接触磁芯的表面。

换言之，本发明背后的核心思想是，由高导热介电材料制成的线轴在电气设备中通过被配置为肋的第一接触元件直接接触电气设备的磁芯的表面。以这种方式，第一接触元件被配置为传导元件，该传导元件将由磁芯产生的热量传导或传递出去到布置在磁芯与线轴的内壁之间的空间或冷却通道。内壁是线轴的外部本体的一部分。通过使用合适的冷却技术，可以容易地从空间或冷却通道排出所传递的热量，该冷却技术使用冷却介质，诸如空气、气体或液体，该冷却介质设置或布置在上述空间或冷却通道内。这样的冷却技术的示例可以是强制(空气)冷却，用于有效地从线轴内部的上述冷却通道或空间中排出所传递的热量。

在本发明中，应当注意，在这种情况下，布置或设置在磁芯与线轴的内壁之间的上述空间可以被配置为冷却通道，因此，空间和冷却通道这两个术语可以以类似的方式使用。

以这种方式，随着电气设备的冷却以高效的方式被优化，包括电气设备的热性能在内的性能得到改善。此外，减少了电气设备对周围其他电气设备的热影响。

由于本发明，可以实现电气设备的低操作温度。这减少了电气设备的热老化，提高了电气设备的可靠性，并且延长了电气设备的寿命。

此外，使用本发明所述的技术解决方案，不需要附加的和外部的技术冷却装置，或者至少可以使用较小的冷却装置(诸如风扇)以高效的方式将热量从电气设备的热源-磁芯传递出去。这允许以节省空间的方式构建具有较小尺寸的电气设备，从而减少重量并且在机柜中形成更致密的封装。

本申请的另一优点是，电气设备的所需要的操作性能和热性能可以灵活且有效地适应电气设备的应用领域的变化。

根据示例，线轴的外部本体的内壁和磁芯的表面形成被配置为冷却通道的空间。所实现的优点是，可以有效地排出从磁芯传递来的热量。

根据示例，电气设备还包括布置在冷却通道内部的冷却介质。所实现的优点是，根据电气设备的应用，可以使用任何合适的冷却介质以高效的方式排出所传递的热量。可以使用较小的风扇以高效的方式将热量从磁芯传递出去。以这种方式，电气设备的热性能可以容易地适应电气设备的不同性能要求。

根据示例，冷却介质是冷却流体。所实现的优点是，冷却流体的使用或选择可以容易地适应电气设备的应用领域。

根据示例，线轴的导热介电材料是热塑性材料(诸如CoolPoly TCP)、具有填料的环氧树脂、陶瓷或碳材料中的至少一种。所实现的优点是，线轴的材料的选择可以容易地适应电气设备的应用领域，以便实现电气设备的所需要的(热)性能。

根据示例，线轴是圆形、方形、八边形、六边形或任何其他多边形中的至少一种。所实现的优点是，线轴的形状或形式可以容易地适应在特定应用领域中必不可少的技术要求。

根据示例，线轴的至少第一接触元件可连接到至少部分地围绕磁芯的表面的导热的第二接触元件。所实现的优点是，可以容易地使在被配置为肋的至少第一接触元件与磁芯之间的直接接触表面最大化。

根据示例，传导材料至少部分地布置在第二接触元件与磁芯的表面之间。所实现的优点是，可以以简单的方式使从磁芯到线轴的热传递最大化。

根据另一示例，电气设备包括形成包围线轴的绕组的电导体。所实现的优点是，可以提高具有本发明的这样的线轴的电气设备的性能。

在本发明的第二方面，提供了一种变压器，其中该变压器包括本发明的电气设备。该变压器可以是高功率中频变压器。

在本发明的第三方面，提供了一种生产电气设备的方法，该方法具有以下步骤：

在该方法的第一步骤中，由导热材料形成线轴。

在该方法的第二步骤中，在线轴内提供磁芯。

在该方法的可选的第三步骤中，在线轴周围缠绕电导体。

应当注意，如果适用于电气设备的生产，则第二步骤和第三步骤可以颠倒。

在该方法的示例中，形成线轴的方法步骤包括以下生产工艺中的至少一种：热塑性挤出、铸造、烧结、3D打印或注射成型。所实现的优点是，线轴可以以适用于上述电气设备的所需要的(热)性能的不同方式来形成。

附图说明

下面将参考附图描述示例性实施例，在附图中：

图1示出了本发明的电气设备的具有第一接触元件和磁芯的线轴的第一示例；

图2示出了本发明的电气设备的具有第一接触元件、第二接触元件和磁芯的线轴的第二示例；

图3示出了电气设备，该电气设备具有第一示例的具有磁芯的线轴以及具有缠绕在线轴周围的绕组；

图4示出了本发明的具有线轴而没有磁芯的变压器的示例；以及

图5示出了生产本发明的电气设备的方法的示意性流程图。

具体实施方式

图1示出了用于电气设备1(未示出)的具有第一接触元件14和磁芯2的线轴10的第一示例的横截面。

线轴10围绕磁芯2延伸并且部分地覆盖磁芯2(另请参见图3中的细节)。线轴10由导热介电材料制成或形成。

线轴10的导热介电材料及其整个结构元件(诸如肋形式或被配置为肋的第一接触元件和第二接触元件)可以由热塑性材料、具有填料的环氧树脂、陶瓷或碳材料或具有允许有效散热离开磁芯2的特性的任何其他合适的材料等制成，磁芯2是本实施例中的主要热源中的一个。

线轴10包括连接到内部本体12的外部本体11。根据图1的实施例，线轴10的外部本体11具有圆形或圆柱形形状。然而，外部线轴10的形状可以根据电气设备1的应用领域而变化，或者可以根据磁芯2的形状而变化。应当提到，线轴的形状可以是任何其他合适的多边形形状。

内部本体12包括多个第一接触元件14。接触元件14中的每个被形成或配置为肋。在图1中，多个肋14直接接触磁芯2的表面3。这确保了由磁芯2生成的热量被直接输送到线轴10的外部本体11。

表示肋的壁厚的肋14的尺寸可以根据电气设备1的目标应用领域而变化。例如，对于使用相对较大线轴的高功率变压器，肋14的大致壁厚可以在10到20mm的范围内。当使用热塑性注射成型来生产线轴10时，肋14的壁厚可以在0.5至4mm的范围内。然而，在二氧化硅填充的环氧树脂铸造的情况下，肋14的壁厚可以高于10mm。

在本发明中，图1至图4的实施例中的每个中所示的肋14具有相同的尺寸。然而，这只是示例。根据应用领域，与其他肋相比，线轴10的个体或单个或多个肋14可以个体地形成或成形。为了从磁芯2的表面3的角度来优化肋14的接触表面，可以相应地调整肋14的形状或尺寸。

更具体地，由磁芯2产生的热量被传递到形成冷却通道的空间16。冷却通道16是由线轴10的外部本体11的内壁13和线轴10的磁芯2的表面3限制的间隙或空间。冷却通道16接收或吸收由磁芯2、设备的本体或绕组生成的热量。在本发明中，多个冷却通道16在形状和尺寸上是相同的，以促进生产线轴10。然而，如果在优化电气设备1的(热)性能时有用，则多个肋中的个体肋14可以是不同形状或尺寸。

在图1的实施例中，线轴10包括多个冷却通道16，通过以下描述的不同方式从磁芯2传递的热量可以从多个冷却通道16被容易地排出。

这样的排出可以使用冷却介质来实现，该冷却介质可以临时布置或定位在冷却通道16内部。冷却介质可以是冷却流体，诸如冷却气体或冷却液体。作为优选示例，冷却流体可以是被输送或流动通过上述冷却通道16的空气。这可以通过使用主动冷却系统的方式来提供，例如，强制空气冷却设备(图1中未示出)。然而，被动空气冷却也可以用于使冷却空气流动通过冷却通道16，以排出位于或收集在上述冷却通道16中的热量。

图2示出了用于电气设备1的具有第一接触元件14和第二接触元件15以及磁芯2的线轴10的第二示例的横截面。与图1的线轴的实施例相比，图2的线轴的主要区别在于，表示线轴10的多个第一接触元件14的肋14现在连接到导热介电的第二接触元件15。

在图2所示的实施例中，第二接触元件15完全围绕磁芯2的表面3。在本发明的上下文中，术语“围绕表面3”可以是指第二接触元件15直接接触磁芯2的表面3，以实现从作为电气设备1的主热源的磁芯2的改进的或最佳的热传递。以这种方式，在多个肋14与磁芯2之间的接触表面以简单的方式被最大化。

此外，在图2的实施例中，第二接触元件15被形成或配置为围绕磁芯2的所谓的支架。因此，更一般地，线轴10可以以围绕磁芯2形成支架这样的方式成形或形成。当然，也可以仅覆盖或包围磁芯2的表面3的一部分，以实现第二接触元件或支架15的直接热接触。

当在第二接触元件15与磁芯2的表面3之间的接触表面涂覆有诸如导热膏等传导材料17时，可以实现使从磁芯2到线轴10的热传递最大化的另一种方式。

图3示出了电气设备1，该电气设备1具有带有八边形磁芯2的线轴10、以及被配置为绕组的电导体4。绕组4至少部分地环绕在线轴10的表面。除此之外，如图3所示的线轴10的结构元件和尺寸与如图1所示的线轴10的实施例相同。以这种方式，电气设备1可以被配置为变压器。

进一步参考图3，可以看出，线轴10的形状是圆形或圆柱形。然而，线轴的其他合适形状(诸如正方形、八边形、六边形或任何其他形式)也是可能的。线轴10的形状可以适应磁芯2的形状，以便最大化从磁芯2到线轴10的热传递。

图4示出了本发明的具有线轴10、而没有磁芯2的变压器的示意性模型的示例。变压器可以是高功率中频变压器。然而，本发明也可以应用于任何其他类型的变压器(诸如低压变压器)，并且既不限于特定类型的变压器，也不限于变压器的特定操作频率。图4中的线轴10的结构元件和尺寸与图2的线轴的实施例相似。

图5示出了本发明的生产电气设备1的方法100的示意性流程图。

在第一步骤102中，由导热材料形成线轴10。形成线轴10的这一步骤可以通过使用不同的生产工艺来进行，诸如热塑性挤出、铸造、烧结、3D打印或注射成型。特定生产工艺的选择可以取决于其中包括线轴10的电气设备1的热性能方面的要求，或者取决于电气设备1的应用领域。

在这种情况下，应当注意，为了使线轴10的形成或生产变得容易，可以优选地通过热塑性挤出的方式来生产线轴。为此，具有高导热性的塑料材料(达到高达3W/mK及以上)可商购，例如CoolPoly TCP。诸如具有导热填料的环氧树脂或陶瓷等其他材料也是可能的，但在这种情况下，线轴10的形成可能更具挑战性并且更昂贵。

在第二步骤103中，在线轴10内提供磁芯2。

在可选的第三步骤104中，在线轴10周围缠绕电导体4。

应当注意，如果适合于电气设备1的生产，则第二步骤103和第三步骤104可以颠倒。

附图标记列表

1：电气设备

2：磁芯

3：磁芯的表面

4：电导体

10：线轴

11：线轴的外部本体

12：线轴的内部本体

13：线轴的内壁

14：第一接触元件

15：第二接触元件

16：空间/冷却通道

17：传导材料

100：方法

102：形成线轴

103：提供磁芯

104：缠绕电导体