CN112585704A - 带有嵌入绕组布置的铸件的变压器和制造用于变压器的绕组布置的方法 - Google Patents
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Abstract
描述了一种变压器(100)。变压器(100)包括:变压器芯(110),该变压器芯具有芯柱,该芯柱具有纵向轴线(111);低压绕组(120),该低压绕组绕芯柱布置,该低压绕组(120)在纵向轴线(111)的方向上沿第一长度(L1)延伸;高压绕组(130),该高压绕组绕低压绕组(120)布置,该高压绕组(130)在纵向轴线(111)的方向上沿第二长度(L2)延伸;其中第二长度(L2)比第一长度(L1)短;以及铸件(140),低压绕组(120)和高压绕组(130)嵌入该铸件中。铸件(140)具有凹部(150)。凹部(150)设置在高压绕组(130)的径向位置处,并且凹部(150)在纵向轴线(111)的方向上延伸。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及具有嵌入绕组布置的铸件的变压器,该绕组布置包括绕低压绕组布置的高压绕组。特别地,本公开的实施例涉及干铸变压器,特别是干铸中频变压器(medium-frequency transformer,MFT)。本公开的另外的实施例涉及制造用于变压器的绕组布置的方法,特别是制造用于干铸中频变压器的绕组布置的方法。
背景技术
中频变压器(MFT)是各种电力电子系统中的关键部件。轨道交通工具中的示例是辅助转换器和取代了笨重的低频牵引变压器的固态变压器(solid-state transformer,SST)。SST的另外的应用正在考虑之中,例如用于可再生能源的电网集成、EY充电基础设施、数据中心或在船上电网。预期SST将在未来发挥越来越重要的作用。
电绝缘构成了MFT中的重要的挑战,因为一方面,工作电压可能很高(在10kV至50kV的范围内),并且另一方面,与常规低频配电和电力变压器相比,单独的MFT的功率相当低(在几百kVA的范围内)。因此,与MFT的总大小相比,电气绝缘所占据的空间相对较大。特别地,芯窗的填充率、即填充有绕组导体的芯窗区域的分数相对较差。需要智能解决方案来最小化绝缘距离和优化填充率。
对于所提及的MFT的功率和电压范围,原则上,干铸绝缘是具有吸引力的解决方案。这意味着对于干铸MFT而言需要智能的、节省空间的设计。
常规干铸变压器的绕组通常搁置在线圈块上。线圈块搁置在芯磁轭或框架上,其中的两者电接地。模塑化合物具有高的相对介电常数εr,例如,εr=5。如果线圈块也是由浇铸树脂制成的,则介电长度——即几何长度除以相对介电常数εr很小。这导致线圈块和框架之间以及线圈块和浇铸绕组之间的空气隙中的高电场。这又会导致在相对较低的电压下的空气隙中的局部放电。
相应地,对变压器、特别是对干铸中频变压器有持续的需求,其与现有技术相比、特别是在提供最佳的场分级并且因此最佳的芯窗使用方面得到改进,从而允许紧凑且经济的变压器设计。
德国专利申请公开号DE 28 26 266 Al描述了具有嵌入在铸件树脂中的线圈的多相变压器。所有相的高电压和低电压线圈,连同连接件和端子一起被浇铸到单个树脂块中。
日本专利申请公开号JP S61-158116 A描述了一种具有主要由铁氧体芯、缠绕有绕组的线圈极、用于浇铸的环氧树脂以及外部壳体组成的结构的变压器。外部壳体和线圈线轴由醚型树脂或环氧树脂构成,特别是由对变压器的外壳体和线圈线轴具有改进的粘附性的聚苯醚基树脂构成。
发明内容
鉴于上文,提供了一种根据独立权利要求的变压器和制造用于变压器的绕组布置的方法。根据从属权利要求、说明书和附图,另外的方面、优点和特征是显而易见的。
根据本公开的一方面,提供了一种变压器,该变压器包括具有芯柱的变压器芯,该芯柱具有纵向轴线。附加地,变压器包括绕芯柱布置的低压绕组。低压绕组在纵向轴线的方向上沿第一长度L1延伸。另外,变压器包括绕低压绕组布置的高压绕组。高压绕组在纵向轴线的方向上沿第二长度L2延伸。第二长度L2比第一长度L1短。而且,变压器包括铸件,低压绕组和高压绕组嵌入在该铸件中。铸件具有凹部。凹部设置在高压绕组的径向位置处,并且该凹部在纵向轴线的方向上延伸。
相应地,与常规变压器相比,改进了本公开的变压器的设计。特别地,利用本文所描述的变压器,可以提供最佳的场分级并且因此可以提供芯窗的最佳使用,从而允许紧凑且经济的变压器设计。
根据本公开的另外的方面,提供了一种用于制造变压器的绕组布置的方法。该方法包括绕基本上竖直的轴线布置低压绕组,使得低压绕组在基本上竖直的轴线的方向上沿第一长度L1延伸。附加地,该方法包括绕低压绕组布置高压绕组,使得高压绕组在基本上竖直的轴线的方向上延伸第二长度L2。第二长度L2比第一长度L1短。另外,该方法包括提供包围低压绕组和高压绕组的铸模。铸模具有底壁。在高压绕组的径向位置处,底壁具有轴向突出部。而且,该方法包括通过将绝缘材料浇铸到铸模中,来将低压绕组和高压绕组嵌入到绝缘材料中。
相应地,有利地,可以提供一种制造变压器的绕组布置的方法,使得可以提供紧凑且经济的变压器设计,利用该变压器设计可以改进场分级,并且因此可以改进芯窗的使用。
附图说明
为了使得本公开的上述特征的方式可以被详细了解,本公开的更具体的描述(以上被简要概括)可以通过参考实施例而得到。附图涉及本公开的实施例,并且在下面进行描述:
图1示出了根据本文描述的实施例的变压器的示意截视图;
图2示出了根据本文描述的实施例的提供在铸模中的绕组布置的示意截面视图;以及
图3A和图3B示出了用于示出根据本公开的制造用于变压器的绕组布置的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考各种实施例,在每个图中示出了其的一个或多个示例。每个示例是以说明的方式提供的,并不意味着限制。例如,作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用在任何其他实施例上或与任何其他实施例结合使用,以产生又一实施例。本公开旨在包括这样的修改和变化。
在附图的以下描述中,相同的附图标记指代相同或相似的部件。一般来说,仅描述了关于各个实施例的差异。除非另外指明,否则一个实施例中的部分或方面的描述也可以适用于另一实施例中的相对应的部分或方面。
示例性参考图1,描述了根据本公开的变压器100。根据可以与本文描述的其他实施例结合的实施例,变压器100包括具有芯柱的变压器芯110,该芯柱具有纵向轴线111。附加地,变压器100包括绕芯柱布置的低压(LV)绕组120。低压绕组120在纵向轴线111的方向上延伸第一长度L1。另外,变压器100包括绕低压绕组120布置的高压(HV)绕组130。高压绕组130在纵向轴线111的方向上延伸第二长度L2。如图1中所示,第二长度L2比第一长度L1短。
而且,变压器100包括嵌入低压绕组120和高压绕组130的铸件140。如图l中示例性示出的那样,铸件140具有凹部150。凹部150被设置在高压绕组130的径向位置处。径向方向由图1中的箭头R指示。另外,如图1中所示,凹部150在纵向轴线111的方向上延伸。特别地,与低压绕组120的径向位置相比,在高压绕组130的径向位置处,铸件140具有在纵向轴线111的方向上延伸的凹部150。特别地,如图1中示例性示出的那样,应当理解的是凹部150具有特定径向范围(即,占据3维体积)。相应地,如图1中示例性示出的那样,在高压绕组130的径向位置处,铸件140具有与在低压绕组120的径向位置处的铸件的更长的长度相比的短的长度,特别是其中,在铸件的短的长度和更长的长度之间的差异为凹部150和/或另一凹部151提供了轴向空间。
相应地,与常规变压器相比,改进了本公开的变压器的设计。特别地,通过提供带有嵌入低压绕组和高压绕组的铸件的变压器,可以提供绕组布置,在该绕组布置中可以避免低压绕组和高压绕组之间的空气间隙。另外,提供如本文所描述的带有凹部的铸件具有这样的优点,即可以避免空气中的流光起始出现的临界电场强度(例如,2.588kV/mm)。相应地,本文所描述的变压器的实施例提供了优化的变压器设计,该优化的变压器设计减少由铸件和芯磁轭之间的空气间隙中的、特别是在芯窗的顶部处和芯窗的底部处的电场引起的负面影响。
因此,与现有技术相比,利用根据本文所述实施例的变压器,可以避免LV绕组和HV绕组之间的环形间隙中的介电强度的削弱。相应地,本公开的变压器的实施例提供了最佳的场分级,并且因此可以提供芯窗的最佳使用,从而允许紧凑且经济的变压器设计。
示例性参考图1,根据可以与本文所描述的其他实施例结合的一些实施例,凹部150可以至少部分地占据由于第二长度L2比第一长度L1短而提供的空间。附加地或可替换地,凹部150提供了表面155,该表面具有基本上在纵向轴线111的方向上延伸的法线N。特别地,凹部150以铸件的表面155为界,该表面具有基本上在纵向轴线111的方向上延伸的法线N。特别地,表面155在高压绕组130的径向位置处是平坦环形表面。典型地,平坦环形表面至少在高压绕组130的径向宽度WHV上延伸,如图1中示例性示出那样。
表述“基本上在纵向轴线111的方向上延伸的法线N”可以被理解为:法线N在与纵向轴线111的方向的偏移角度D内在纵向轴线111的方向上延伸,D≤±20°,特别是D≤±10°、更特别是D≤±5°。
根据可以与本文所描述的其他实施例相结合的一些实施例,变压器还包括嵌入在铸件140中的线圈块160,如图1中示例性示出的那样。更具体地,典型地线圈块160被设置在凹部150和高压绕组130之间的位置处。特别地,从图1中可以理解的是,线圈块160被布置和构造用于为高压绕组提供竖直支撑。应当理解的是,在本公开中,如图1和图2中示例性所示的线圈块160代表一个或多个线圈块。在将低压绕组120和高压绕组130嵌入铸件140中期间,一个或多个线圈块有利地为高压绕组130提供竖直支撑,即在竖直方向上的支撑。特别地,将低压绕组120和高压绕组130嵌入在铸件140中是通过采用如本文所描述的制造变压器的绕组布置的方法来进行的。
本文所描述的一些实施例涉及“竖直”的概念,即相对于“竖直方向”来指定。竖直方向被认为是基本上平行于重力沿其延伸方向的方向,并且在直立变压器的情况下应该与纵向轴线111相对应。竖直方向可能偏离精确的竖直(后者由重力定义)例如高达20度的角度。特别地,在本公开中,术语“竖直”或“竖直方向”可以包括与精确竖直的偏离角度DV,DV≤±20°,特别是DV≤±10°、更特别是DV≤±5°。
示例性参考图1,根据可以与本文所描述的其他实施例结合的一些实施例,凹部150设置在铸件140的第一端部141处。附加地,铸件140可以具有设置在铸件140的第二端部142处的另一凹部151。典型地,第二端部142与第一端部141相对,如图1所示。
特别地,典型地另一凹部151至少部分地占据由于第二长度L1比第一长度L1短而提供的空间。根据可以与本文所描述的其他实施例相结合的一些实施例,凹部150和另一凹部151的轴向延伸量加上第二长度L1至少近似等于第一长度。根据可以与本文所描述的其他实施例结合的一些实施例,选择凹部150和/或另一凹部151的轴向延伸量,使得铸件在高压绕组130的径向位置处超过所述第二长度的第一剩余轴向延伸量大于铸件在低压绕组120的径向位置处超过所述第一长度的第二剩余轴向延伸量。
特别地,设置在第二端部142处的另一凹部151可以相对于垂直延伸穿过纵向轴线111的对称平面112与设置在第一端部141处的凹部150对称,如图1中示例性示出的那样。
根据可以与本文所描述的其他实施例结合的一些实施例,铸件140由绝缘材料,特别是绝缘树脂制成。
根据可以与本文所描述的其他实施例相结合的一些实施例,变压器100相对于包括纵向轴线111的平面对称。更具体而言,变压器可以相对于纵向轴线111所在的平面镜像对称。
根据可以与本文所描述的其他实施例相结合的一些实施例,变压器是中频变压器。特别地,变压器可以是干铸中频变压器。
特别地,应当理解的是,根据可以与本文描述的其他实施例结合的实施例,低压绕组和高压绕组被浇铸在一起,其间没有气隙。相应地,有利地,可以提供非常节省空间的变压器设计。
另外,与LV绕组相比,HV绕组通常具有较短的轴向长度,从而允许HV绕组在绕组的至少一个轴向端处相对于LV绕组轴向凹入。根据示例,与LV绕组相比带有较短的轴向长度的HV绕组被布置成使得HV绕组可以在绕组的两个轴向端部处相对于LV绕组轴向凹入。通过提供如本文所描述的凹部,已经发现,有益地可以提供通过LV绕组进行的、HV绕组与芯磁轭的电场的一定程度的屏蔽。
而且,从结合以上描述的图1,可以理解的是,铸件轮廓特别是子午线截面上的铸件轮廓跟随HV绕组的凹部,从而形成环形水平表面。环形水平表面有利地实现了与HV绕组和LV绕组一起浇铸的一个或多个线圈块的定位。例如,一个或多个线圈块可以由与铸件相同的材料、例如绝缘材料、特别是绝缘树脂制成。从而,HV绕组可以被定位在铸模的底部表面上,而不需要用于HV绕组的线轴。没有HV线轴有益地节省了空间,并且避免了电介质强度的削弱,这种削弱通常发生在常规变压器,特别是常规中频变压器的LV和HV绕组之间的环形间隙中。
结合图2示例性参考图3A和图3B中示出的流程图,描述了根据本发明的制造用于变压器的绕组布置的方法的实施例,图2示出包括设置在铸模140中的低压绕组120和高压绕组130的绕组布置的示意性截面视图。
根据可以与本文所描述的其它实施例相结合的实施例,制造用于变压器的绕组布置的方法200包括绕基本上竖直的轴线113布置低压绕组120(由图3A和图3B中的框210表示),使得低压绕组120在基本上竖直的轴线或基本上纵向轴线111的方向上沿第一长度L1延伸。如本文所描述的,“基本上竖直的轴线”可以理解为偏离精确竖直(后者由重力定义)例如高达20度的角度的轴。相应地,“基本上竖直的轴线”可以指与精确竖直具有偏离角度DV的轴,DV≤±20°,特别是DV≤±10°、更特别是DV≤±5°。
附加地,该方法包括绕低压绕组120布置高压绕组130(由图3A和图3B中的框220表示),使得高压绕组130在基本上竖直的轴线方向上延伸第二长度L2。如图2中示例性示出的那样,第二长度L2比第一长度L1短。进一步,该方法包括提供(由图3A和图3B中的框230表示)包围低压绕组120和高压绕组130的铸模170,如图2中示例性示出的那样。铸模具有底壁171。在高压绕组130的径向位置处,底壁171具有轴向凹陷172,或反之亦然,在低压绕组120的径向位置处具有轴向突出部。特别地,如图2中示例性示出的那样,典型地铸模170的轴向凹陷172设置在铸模170的第一端部176处。
而且,该方法包括通过将绝缘材料浇铸到铸模170中来将低压绕组120和高压绕组130嵌入(由图3A和图3B中的框240表示)绝缘材料中。典型地,将绝缘材料浇铸到铸模170中是通过将绝缘材料浇铸通过设置在铸模170的顶壁173中的铸模开口175来进行的,如图2中示例性示出的那样。
相应地,通过采用如本文所描述的制造用于变压器的绕组布置的方法有利地提供了改进变压器的设计,特别是相对于紧凑性和经济方面。特别地,可以提供改进的绕组布置,使得可以提供带有优化的场分级和芯窗的使用的变压器。
根据可以与本文所描述的其他实施例结合的一些实施例,该方法还包括在绕低压绕组120布置高压绕组130之前,在高压绕组130的径向位置处,在铸模170的底壁171上放置线圈块160(由图3B中的框215表示)。示例性参考图2,典型地铸模170的底壁171在高压绕组130的径向位置处、特别地在凹部150的径向位置处基本上是水平的,特别地用于提供凹部150的基本上水平的表面155。
如图2中所示,典型地铸模170的底壁171是躺置S形(或弧形)的,同时在低压绕组120的径向位置处基本上是水平的(或者垂直于纵向轴线111)并且在高压绕组130的径向位置处是水平的。表述“基本上是水平的”可以理解为在与精确水平的微小偏离内是水平的,例如具有偏离角度DH,DH≤±20°,特别是DH≤±10°、更特别地是DH≤±5°。
示例性参考图2,根据可以与本文所描述的其他实施例相结合的一些实施例,铸模170具有顶壁173,其中顶壁173在高压绕组130的径向位置处、特别地在另一凹部151的径向位置处具有轴向凹陷174,特别地用于提供另一凹部151的基本水平的表面。
如图2中示例性示出的,轴向凹陷174可以被设置在铸模170的第二端部177处。铸模170的第二端部177与铸模170的第一端部176相对。
根据可以与本文所描述的其他实施例结合的一些实施例,顶部轴向凹陷174可以相对于垂直延伸穿过基本上竖直的轴线或纵向轴线111的对称平面112与底部轴向凹陷172对称。
应当理解的是,在低压绕组120和高压绕组130被浇铸在绝缘材料中之后,移除铸模170。另外,应当理解的是,为了提供变压器,绕组布置180可以绕变压器芯110布置。相应地,在变压器的组装状态下,图2中示出的基本上竖直的轴线113可以与图1中示出的纵向轴线111重合。
鉴于以上上文,应该理解的是,与现有技术相比,本公开的实施例有益地提供了改进的变压器设计,其允许最佳的场分级并且因此允许最佳的芯窗使用。相应地,可以提供紧凑且经济的变压器设计。特别地,如本文所描述,本公开的变压器可以是具有绕低压(LV)绕组布置的高压(HV)绕组的干铸变压器,其中LV绕组和HV绕组两者被浇铸在一起。HV绕组在轴向上比LV绕组短,并且铸件相对于在LV绕组处的铸件延伸部在HV绕组处具有轴向凹部。优选地,凹部提供接近水平的表面,这允许将HV绕组定位在线圈块上的模具中,而不需要用于HV绕组的线轴。
虽然前述内容涉及各个实施例,但是在不脱离基本范围的情况下,可以设计出其他和另外的实施例,并且该范围由所附权利要求确定。
附图标记
100 变压器
110 变压器芯
111 纵向轴线
112 对称平面
113 基本上竖直的轴线
120 低压绕组
130 高压绕组
140 铸件
141 铸件的第一端部
142 铸件的第二端部
150 凹部
151 另一凹部
155 表面
160 线圈块
170 铸模
171 铸模的底壁
172 铸模的轴向凹陷
173 铸模的顶壁
174 铸模的轴向凹陷
175 铸模开口
176 铸模的第一端部
177 铸模的第二端部
180 绕组布置
200 制造用于变压器的绕组布置的方法
210 绕基本上竖直的轴线布置低压绕组
215 在铸模的底壁上放置线圈块
220 绕低压绕组布置高压绕组
230 提供铸模
240 将低压绕组和高压绕组嵌入到绝缘材料中
L1 第一长度
L2 第二长度
N 法线
R 径向方向
Claims (15)
1.一种变压器(100),包括:
-变压器芯(110),所述变压器芯具有芯柱,所述芯柱具有纵向轴线(111);
-低压绕组(120),所述低压绕组绕所述芯柱布置,所述低压绕组(120)在所述纵向轴线(111)的方向上沿第一长度(L1)延伸;
-高压绕组(130),所述高压绕组绕所述低压绕组(120)布置,所述高压绕组(130)在所述纵向轴线(111)的方向上沿第二长度(L2)延伸,其中所述第二长度(L2)比所述第一长度(L1)短;以及
-铸件(140),所述低压绕组(120)和所述高压绕组(130)嵌入所述铸件中,其中所述铸件(140)具有凹部(150),其中所述凹部(150)设置在所述高压绕组(130)的径向位置处,并且其中所述凹部(150)在所述纵向轴线(111)的方向上延伸,
其中,所述凹部(150)至少部分占据由于所述第二长度(L2)比所述第一长度(L1)短而提供的空间;并且
其中,所述凹部(150)提供表面(155),所述表面具有基本上在所述纵向轴线(111)的方向上延伸的法线(N),并且所述表面(155)在所述高压绕组(130)的径向位置处是平坦环形表面(155)。
2.根据权利要求1所述的变压器(100),还包括嵌入在所述铸件(140)中的线圈块(160),其中所述线圈块(160)设置在所述凹部(150)和所述高压绕组(130)之间。
3.根据权利要求2所述的变压器(100),其中所述线圈块(160)被布置和构造用于提供所述高压绕组(130)的竖直支撑,特别是在将所述低压绕组(120)和所述高压绕组(130)嵌入到所述铸件(140)期间所述高压绕组(130)的竖直支撑。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的变压器(100),其中,所述凹部(150)设置在所述铸件(140)的第一端部(141)处,并且其中,所述铸件(140)具有设置在所述铸件(140)的第二端部(142)处的另一凹部(151),其中,所述第二端部(142)与所述第一端部(141)相对。
5.根据权利要求4所述的变压器(100),其中所述另一凹部(151)至少部分地占据由于所述第二长度(L1)比所述第一长度(L1)短而提供的空间。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的变压器(100),其中所述凹部(150)和所述另一凹部(151)的轴向延伸量加上所述第二长度(L2)至少近似等于所述第一长度(L1)。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的变压器(100),其中所述凹部(150)和/或所述另一凹部(151)的轴向延伸量被选择成使得所述铸件在所述高压绕组(130)的径向位置处超过所述第二长度的第一剩余轴向延伸量大于所述铸件在所述低压绕组(120)的径向位置处超过所述第一长度(L1)的第二剩余轴向延伸量。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的变压器(100),其中,设置在所述第二端部(142)处的所述另一凹部(151)相对于垂直延伸穿过所述纵向轴线(111)的对称平面(112)与设置在所述第一端部(141)处的所述凹部(150)对称。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的变压器,其中所述铸件(140)由绝缘材料、特别是绝缘树脂制成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的变压器,其中所述变压器相对于包括所述纵向轴线(111)的平面对称。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的变压器,其中所述变压器是中频变压器,特别是干铸中频变压器。
12.一种制造用于变压器(100)的绕组布置(180)的方法,特别地用于根据前述权利要求中任一项所述的变压器的绕组布置,所述方法包括:
-绕基本上竖直的轴线(113)布置低压绕组(120),使得所述低压绕组(120)在所述基本上竖直的轴线的方向上沿第一长度(L1)延伸;
-绕所述低压绕组(120)布置高压绕组(130),使得所述高压绕组(130)在所述基本上竖直的轴线的方向上沿第二长度(L2)延伸,其中所述第二长度(L2)比所述第一长度(L1)短;
-提供包围所述低压绕组(120)和所述高压绕组(130)的铸模(170),其中所述铸模具有底壁(171),其中在所述高压绕组(130)的径向位置处,所述底壁(171)具有轴向突出部(172);其中所述轴向突出部(172)基本上是水平的,用于提供凹部(150)的水平表面(155),其中所述凹部(150)至少部分地占据由于所述第二长度(L2)比所述第一长度(L1)短而提供的空间;以及
-通过将绝缘材料浇铸到所述铸模(170)中,将所述低压绕组(120)和所述高压绕组(130)嵌入在所述绝缘材料中。
13.根据权利要求12所述的方法,还包括在绕所述低压绕组(120)布置所述高压绕组(130)之前,在所述高压绕组(130)的径向位置处在所述铸模(170)的所述底壁(171)上放置线圈块(160)。
14.根据权利要求12至13中任一项所述的方法,其中所述铸模(170)具有顶壁(173),其中所述顶壁(173)在所述高压绕组(130)的径向位置处,特别是在所述另一凹部(151)的径向位置处具有轴向凹陷(174),特别地用于提供所述另一凹部(151)的水平表面。
15.根据权利要求14所述的方法,其中所述轴向凹陷(174)相对于垂直延伸穿过所述基本上竖直的轴线的对称平面(112)与所述轴向突出部(172)对称。
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