高壓變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高壓變換器（10），包括：至少一個變換器芯（12、30），其由非晶帶狀材料（32、52）圍繞至少一個內(nèi)空心（14、16、44、46）纏繞，其中，兩個相對的層疊前面?zhèn)扔伤p繞的所述帶狀材料（32、52）的邊緣形成，并且其中，形成至少兩個相對的芯柱區(qū)（34、36、38）和上軛區(qū)（40、98）及下軛區(qū)（42、64）。至少一個空心圓筒變換器線圈（18、20、22）圍繞至少一個變換器芯（12、30）的芯柱區(qū)（34、36、38）布置。冷卻裝置（54、58、72、94、96）與層疊前面?zhèn)鹊闹辽僖粋€的至少一部分連接。
【專利說明】高壓變換器
[0001]本發(fā)明涉及高壓變換器，其包括由非晶帶狀材料圍繞至少一個內(nèi)空心(innerhollow)纏繞的至少一個變換器芯，其中，由纏繞的帶狀材料的邊緣形成兩個相對的層疊前面?zhèn)?front side),并且其中，形成至少兩個相對的芯柱區(qū)(limb area)和上軛區(qū)及下軛區(qū)(yoke area),其中，至少一個空心圓筒變換器線圈圍繞至少一個變換器芯的芯柱區(qū)布置。
[0002]已知用于功率傳輸?shù)母邏鹤儞Q器的額定電壓等級例如為10kV、60kV、110kV或者以上，而額定功率量例如為1MVA、10MVA甚至100MVA。用于這種變換器的變換器芯典型地基于堆疊金屬片。由于在這種變換器芯的操作期間永磁體重新取向，會產(chǎn)生磁損耗，這還會對變換器芯帶來加熱效果。堆疊金屬片的標準變換器芯能在高達幾百。C的溫度下操作，而在這種情況下例如180°C -200°C的所屬線圈的耐熱性對于整個變換器而言是限制溫度因子。
[0003]還已知由非晶材料制成的變換器芯與標準變換器芯相比，會提供減小的芯損耗。非晶材料典型可作為耐火帶狀材料得到，對任何機械應力極敏感。因此，非晶變換器芯需要由這種帶狀材料纏繞，而這種帶的寬度能是例如30cm的量，而需要纏繞幾千層。另外，纏繞的非晶變換器芯對于例如通過機械碰撞產(chǎn)生的任何機械應力敏感。而且要承受變換器的重量,該重量本身被認為是機械應力。
[0004]由于非晶變換器芯的高脆弱性，并且由于帶狀非晶材料的可用寬度的限制，考慮到實際的框架條件，具有非晶變換器芯的變換器的最大額定功率被限制為大致5-10MV。由于減小的芯損耗的效果例如僅在低于100°C _140°C的溫度范圍獲得，否則芯損耗會不利地增大，非晶材料的變換器芯需要在操作期間被冷卻。因此，非晶高壓變換器的最大額定功率也由這種變換器的冷卻系統(tǒng)或冷卻裝置限制。由于其布置在充油容器中，因此非晶油變換器已具有相當有效的油基冷卻系統(tǒng)，使得在大多數(shù)情況下不需要額外的冷卻工作。另一方面，在沒有加強的冷卻系統(tǒng)的情況下，非晶干式變換器受到例如2-4MVA的最大額定功率的限制。
[0005]基于本領(lǐng)域的這一現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的在于提供一種干式高壓變換器，其具有由非晶帶狀材料纏繞的變換器芯，具有改善的冷卻特性。
[0006]該問題由上述種類的高壓變換器解決。其特征在于，冷卻裝置與層疊前面?zhèn)鹊闹辽僖粋€的至少一部分連接。
[0007]本發(fā)明的基本想法是，在一個或者兩個層疊前面?zhèn)葘⒅T如冷卻元件或者熱交換器的冷卻裝置連接至非晶變換器芯。一方面，冷卻裝置適于從與非晶變換器芯接觸的面積的熱傳輸，以獲得對于非晶變換器芯的冷卻效果。另一方面，布置在一個或者兩個層疊前面?zhèn)饶茉诜蔷ё儞Q器芯其自身內(nèi)實現(xiàn)顯著更高的冷卻效果或熱傳輸。
[0008]由非晶帶狀材料纏繞的變換器芯內(nèi)的熱傳導性并非在所有幾何方向都是相同的。進一步而言，非晶帶材料的相同層內(nèi)的熱傳導性最高，而與其垂直通過鄰近層的熱傳導性顯著降低。由于非晶帶狀材料的機械敏感性，與常規(guī)變換器芯的堆疊金屬片相比，不會以這種壓力將鄰近層壓在一起，使得鄰近層之間的熱傳輸可由于可能存在的極小的間隙而減弱。此外，非晶變換器芯的纏繞層數(shù)與常規(guī)類似的變換器芯的堆疊金屬片數(shù)相比顯著更高(例如為5000)，而后者例如只包括幾百層。因此，通過所有層的熱通道的數(shù)量對于由非晶帶狀材料纏繞的變換器芯而言，與類似尺寸的常規(guī)堆疊的變換器芯相比顯著更高。
[0009]因此，將冷卻裝置連接至由非晶帶狀材料纏繞的變換器芯的一個或者兩個層疊前面?zhèn)葧Ψ蔷ё儞Q器芯提供顯著增大的冷卻效果，并能夠組成具有2-4MVA以上的增大的額定功率的、具有非晶變換器芯的干式變換器。另外，更大的變換器芯可以以如下方式隨之冷卻:在其操作期間在內(nèi)變換器芯內(nèi)不超過例如100°C _140°C的臨界材料溫度。
[0010]在本發(fā)明的變形中，冷卻裝置包括至少一個具有平坦側(cè)的冷卻元件，該冷卻元件與變換器芯的前面?zhèn)让鎸γ娴剜徑惭b。如果變換器芯與冷卻元件具有公共邊界表面，那么這兩個組件之間的熱傳遞被有利地改善。冷卻裝置可包括若干組件，并基于若干類型的冷卻原理。例如可以使用基于空氣的冷卻系統(tǒng)，其中，冷卻元件部分地被環(huán)境空氣包圍，當被加熱時，環(huán)境空氣向上移動，以給出自然空氣流?？諝饬骺梢杂衫缢惋L機或者風扇或者此類改善，以便這種冷卻系統(tǒng)的效率以有利方式改善。而且，具有熱交換器或蒸發(fā)器和凝結(jié)器和封閉式冷卻回路的冷卻系統(tǒng)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。封閉式冷卻回路能以有利方式填充有冷卻液體，以便冷卻系統(tǒng)的效率再次增大。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實施例，變換器芯的至少一個層疊前面?zhèn)戎辽俨糠质抢咝危鋮s裝置包括其中至少一個具有平坦側(cè)和對應的凹口的冷卻元件，該凹口面對面并有齒地鄰近安裝在變換器芯的前面?zhèn)鹊乃鶎俨糠帧＠鋮s裝置或冷卻元件與非晶變換器芯的公共邊界表面隨之擴大，使得兩個組件之間的熱傳遞再次增大。在變換器芯的層疊前面?zhèn)壬系睦咝慰赏ㄟ^帶狀非晶材料的寬度的所屬變化來實現(xiàn)。例如可選的是改變帶狀材料的層的封裝，例如在其位置具有相同的寬度為各250層的封裝。在這種情況下，肋形成在變換器芯的兩個層疊表面?zhèn)?face side)、以及芯柱區(qū)和軛區(qū)。典型而言，空心圓筒線圈圍繞每個芯柱區(qū)布置，使得圍繞芯柱區(qū)幾乎沒有可用的、用于冷卻元件的空間。然而芯柱區(qū)中的肋之間的凹口可以被用作例如冷卻通道。因此，可以布置其中具有冷卻液體的管通過芯柱區(qū)，該管需要被視為是冷卻裝置。但是，還可以在纏繞狀態(tài)改變非晶帶狀材料的寬度，使得肋僅形成于軛區(qū)，軛區(qū)提供充分的空間來連接冷卻元件。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，至少一條固體熱傳導材料纏繞在帶狀材料的鄰近層之間，并熱連接至至少一個冷卻元件。這種條或桿提供從內(nèi)變換器芯向一個或者兩個非晶變換器芯的層疊前面?zhèn)鹊母纳频臒醾鬟f，其中可見冷卻裝置。因此，在非晶變換器芯內(nèi)獲得更同質(zhì)的溫度分布，這會再次改善關(guān)于減小損耗的其磁行為。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，至少一個冷卻元件包括冷卻肋，冷卻肋避開變換器芯的所屬層疊前面?zhèn)?。因此，冷卻元件的外表面被再次擴大，例如對于與周圍空氣的熱交換提供改善的冷卻效果。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，冷卻裝置通過至少部分膠粘接合，與層疊前面?zhèn)鹊闹辽僖徊糠诌B接。優(yōu)選的是膠以液體形式施加，使得所有可能存在于鄰近組件之間的要被膠粘在一起的空腔填充有膠。優(yōu)選的是膠具有良好的熱傳導特性，其可例如通過增加一些氮化硼而增強。因此改善了變換器芯與冷卻裝置之間的熱傳遞。
[0015]也由于相同的原因，冷卻裝置與層疊前面?zhèn)戎辽僖粋€部分的連接包括例如重量的1%的熱傳導物質(zhì)、諸如氮化硼，尤其是在如果其以液體狀態(tài)施加的情況下。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，冷卻裝置與軛區(qū)的層疊側(cè)面連接。軛區(qū)對例如冷卻元件的附接提供最佳的可達性和空間。冷卻元件的可選的冷卻肋優(yōu)選垂直取向，使得肋可被自然空氣流冷卻。而且芯柱區(qū)適于在其中、例如芯柱與變換器線圈之間的可用空間內(nèi)安裝冷卻通道。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，至少一個層疊前面?zhèn)鹊膮^(qū)域傾斜，且冷卻裝置與其連接。一方面，傾斜區(qū)域在變換器芯與冷卻裝置之間提供擴大的接觸區(qū)域，以改善熱傳遞?’另一方面，芯柱的橫截面能以類似圓形或多邊形方式成形，使得芯柱的橫截面適合圍繞芯柱布置的空心圓筒變換器線圈的內(nèi)開口的橫截面。傾斜區(qū)域由帶狀非晶材料的寬度的所屬變化來實現(xiàn)。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，由非晶帶狀材料纏繞的變換器芯包括兩個內(nèi)空心和三個芯柱區(qū)。這種變換器芯適于在其上布置三個線圈，以建立三相變換器。
[0019]本發(fā)明的其他有利實施例在從屬權(quán)利要求中提出。
[0020]現(xiàn)在通過示例性實施例和參考附圖進一步解釋本發(fā)明，其中:
圖1示出高壓變換器，
圖2示出由非晶帶狀材料纏繞的第二變換器芯，
圖3示出具有冷卻裝置的第三變換器芯的截面，
圖4示出具有冷卻裝置的第四變換器芯的截面，
圖5示出具有冷卻裝置的第五變換器芯的截面，以及圖6示出具有冷卻裝置的第六變換器芯的截面。
[0021]圖1從側(cè)視示出高壓變換器10。三個空心圓筒變換器線圈18、20、22圍繞由非晶帶狀材料纏繞的變換器芯12的所屬芯柱布置。變換器芯12在芯柱之間包括兩個空心14、
16。在上軛區(qū)中的層疊前面?zhèn)瓤梢娎鋮s元件24，其包括具有垂直取向的肋。冷卻元件24被膠粘在變換器芯12的所屬層疊前面?zhèn)?。一方面，這改善了兩個組件12與24相互之間的熱傳遞，另一方面，隨之改善了纏繞的變換器芯12的機械穩(wěn)定性。
[0022]圖2示出在一個其層疊前面?zhèn)鹊囊晥D中的、由非晶帶狀材料纏繞的第二變換器芯。圍繞兩個內(nèi)空心44、46，非晶帶狀材料是纏繞的層狀32，以便形成三個芯柱區(qū)34、36、38和上軛區(qū)40及下軛區(qū)42?？梢娍偣踩齻€帶狀非晶材料的環(huán):圍繞各個空心44、46的各一個內(nèi)環(huán)和圍繞兩個內(nèi)環(huán)的第三外環(huán)。每個環(huán)可能包括幾千層。
[0023]圖3示出通過變換器芯的內(nèi)空心60和鄰近軛64的、第三變換器芯的截面50?？招?0的中心軸標有參考標號62。在這種情況下,冷卻裝置是具有冷卻肋56的冷卻兀件54、58，冷卻肋56在上軛區(qū)及下軛區(qū)64中附接在變換器芯的兩個層疊表面?zhèn)?。在該圖中，僅顯示了非晶帶狀材料的幾個纏繞層52，而在實際的非晶變換器芯中，可見這些層的幾千層。
[0024]圖4示出通過變換器芯的內(nèi)空心和鄰近軛的、第四變換器芯的截面70。在該示例中，軛區(qū)的橫截面中包括肋和凹口 76，而冷卻元件72的所屬側(cè)包括與其對應的肋和凹口。因此，建立了具有所屬冷卻元件72的變換器芯的層疊前面?zhèn)鹊挠旋X78連接。熱傳遞隨之增大。為了進一步增大冷卻效果，冷卻元件72包括冷卻肋74。
[0025]圖5示出類似于圖3的第五變換器的截面80。此外，第五變換器芯包括由固體熱傳導材料制的條或桿84，其在非晶帶狀材料的鄰近層之間纏繞，熱連接至冷卻元件82，冷卻元件82安裝在變換器芯的兩個層疊表面?zhèn)?。合適的熱材料例如是鋼鐵。
[0026]圖6示出具有冷卻裝置或冷卻元件94、96的第六變換器芯的截面。上芯柱98和下芯柱的橫截面包括傾斜區(qū)域92。冷卻元件94也附接至傾斜區(qū)域。
[0027]參考標號列表
10高壓變換器
12由非晶帶狀材料纏繞的第一變換器芯 14第一變換器芯的第一內(nèi)空心 16第一變換器芯的第二內(nèi)空心 18第一空心圓筒變換器線圈 20第二空心圓筒變換器線圈 22第三空心圓筒變換器線圈 24第一冷卻元件
30由非晶帶狀材料纏繞的第二變換器芯
32非晶帶狀材料的纏繞層
34第一芯柱區(qū)
36第二芯柱區(qū)
38第三芯柱區(qū)
40上軛區(qū)
42下軛區(qū)
44第二變換器芯的第一內(nèi)空心 46第二變換器芯的第二內(nèi)空心 50具有冷卻裝置的第三變換器芯的截面 52非晶帶狀材料的纏繞層 54第三變換器芯的第一冷卻元件 56避開第三變換器芯的前面?zhèn)鹊睦鋮s肋 58第三變換器芯的第二冷卻元件 60第三變換器芯的內(nèi)空心 62虛擬中心軸
64第三變換器芯的下軛區(qū)的橫截面 70具有冷卻裝置的第四變換器芯的截面 72第四變換器芯的冷卻元件 74避開第四變換器芯的前面?zhèn)鹊睦鋮s肋 76第四變換器芯的冷卻元件的凹口 78有齒區(qū)域
80具有冷卻裝置的第五變換器芯的截面
82第五變換器芯的冷卻元件
84固體熱傳導材料的條
90具有冷卻裝置的第六變換器芯的截面
92層疊前面?zhèn)鹊膬A斜區(qū)域
94安裝在層疊前面?zhèn)鹊膬A斜區(qū)域的冷卻元件
96安裝在層疊前面?zhèn)鹊姆莾A斜區(qū)域的冷卻元件
98第六變換器芯的上軛區(qū)的橫截面。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓變換器(10)，包括: ?至少一個變換器芯(12、30)，其由非晶帶狀材料(32、52)圍繞至少一個內(nèi)空心(14、16、44、46)纏繞，其中，兩個相對的層疊前面?zhèn)扔伤p繞的帶狀材料(32、52)的邊緣形成，并且其中，形成至少兩個相對的芯柱區(qū)(34、36、38)和上軛區(qū)(40、98)及下軛區(qū)(42、64)， ?至少一個空心圓筒變換器線圈(18、20、22)圍繞所述至少一個變換器芯(12、30)的芯柱區(qū)(34、36、38)布置， 其特征在于， 冷卻裝置(54、58、72、94、96)與所述層疊前面?zhèn)鹊闹辽僖粋€的至少一部分連接。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓變換器，其特征在于，所述冷卻裝置(54、58、72、94、96)包括具有平坦側(cè)的至少一個冷卻元件(54、58),所述至少一個冷卻元件(54、58)與所述變換器芯(12、30)的前面?zhèn)让鎸γ娴剜徑惭b。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高壓變換器，其特征在于，所述變換器芯(12、30)的至少一個層疊前面?zhèn)戎辽俨糠质抢咝?，并且所述冷卻裝置(54、58、72、94、96)包括其中具有平坦側(cè)和對應的凹口(76)的至少一個冷卻元件(72)，所述至少一個冷卻元件(72)面對面并有齒(78)地鄰近安裝在所述變換器芯的(12、30)的前面?zhèn)鹊乃鶎俨糠稚稀?br> 4.如權(quán)利要求 2或3所述的高壓變換器，其特征在于，至少一條固體熱傳導材料(84)纏繞在所述帶狀材料(32、52)的鄰近層之間，并熱連接至所述冷卻元件(54、58、72、94、96)之一 O
5.如權(quán)利要求2至4的任一項所述的高壓變換器，其特征在于，所述至少一個冷卻元件(54、58、72、94、96)包括避開所述變換器芯(12、30)的所述所屬層疊前面?zhèn)鹊睦鋮s肋(56、74)。
6.如上述權(quán)利要求的任一項所述的高壓變換器，其特征在于，所述冷卻裝置(54、58、72、94、96)通過至少部分膠粘接合，與所述層疊前面?zhèn)鹊乃鲋辽僖徊糠诌B接。
7.如上述權(quán)利要求的任一項所述的高壓變換器，其特征在于，所述冷卻裝置(54、58、72、94、96)與所述層疊前面?zhèn)鹊闹辽僖徊糠值倪B接包括熱傳導物質(zhì)。
8.如上述權(quán)利要求的任一項所述的高壓變換器，其特征在于，所述冷卻裝置(54、58、72、94、96)與于所述軛區(qū)(40、42、64、98)的所述層疊側(cè)面連接。
9.如上述權(quán)利要求的任一項所述的高壓變換器，其特征在于，所述層疊前面?zhèn)鹊乃鲋辽僖粋€區(qū)域傾斜(92)，并且冷卻裝置(54、58、72、94、96)連接至其。
10.如上述權(quán)利要求的任一項所述的高壓變換器，其特征在于，由非晶帶狀材料(32、52)纏繞的所述變換器芯(12、30)包括兩個內(nèi)空心(14、16、44、46)和三個芯柱區(qū)(34、36、38)。
【文檔編號】H01F27/245GK104081480SQ201280067501
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月20日
【發(fā)明者】M.哈貝特, U.德羅費尼克 申請人:Abb技術(shù)有限公司