CN109155180B - 液体冷却磁性元件 - Google Patents

Abstract

一种环形磁性元件。多个线圈布置成环形构型。每个线圈可以是通过将矩形导线缠绕成卷而形成的中空圆筒件。线圈与间隔件交替，所述间隔件中的每个间隔件可以是楔形件。线圈可以在缠绕方向上交替，并且每个线圈的内端部可以通过连接销连接至相邻线圈的内端部。在线圈与楔形件之间形成有小间隙，例如，这是因为每个楔形件在其两个面上具有线圈所抵靠的多个凸起肋状件。冷却流体流动通过间隙以使线圈冷却。

Description

液体冷却磁性元件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年5月13日提交的标题为“LIQUID-COOLED TOROIDALMAGNETICS(液体冷却环形磁体)”的美国临时申请No.62/336,466的优先权和权益，并且本申请要求于2016年9月28日提交的标题为“DISCLOSURE OF LIQUID-COOLED TOROIDALMAGNETICS(液体冷却环形磁体的公开)”的美国临时申请No.62/401,139的优先权和权益，美国临时申请No.62/336,466和美国临时申请No.62/401,139的全部内容通过参引并入本文中。

技术领域

根据本发明的实施方式的一个或更多个方面涉及磁性元件，并且更具体地涉及液体冷却环形磁性元件。

背景技术

诸如变压器和电感器之类的磁性元件在各种电力处理***中起着重要作用。为了使它们的尺寸和成本最小化，可以使电流密度和电频率尽可能地高。在这种***中，设置来自绕组和芯的有效热传递并且还设置绕组和芯两者内的低涡流损耗可以是有利的。具有环形几何形状的磁性元件可以具有各种优点，但是它们的制造可能涉及使用专用绕组装备，并且制造高电流绕组可能具有挑战性。

因此，需要一种用于磁性元件的改进设计。

发明内容

本公开的实施方式的各方面涉及一种环形磁性元件。多个线圈布置成环形构型。每个线圈可以是通过将矩形导线缠绕成卷而形成的中空圆筒件。线圈与间隔件交替，所述间隔件中的每个间隔件可以是楔形件。线圈可以在缠绕方向上交替，并且每个线圈的内端部可以通过连接销连接至相邻线圈的内端部。在线圈与楔形件之间形成有小间隙，例如，这是因为每个楔形件在其两个面上具有线圈所抵靠的多个凸起肋状件。冷却流体流动通过间隙以使线圈冷却。

根据本发明的实施方式，提供了一种磁性元件，该磁性元件包括：第一导电线圈，该第一导电线圈具有第一环状表面和第二环状表面；第一电绝缘间隔件，该第一电绝缘间隔件具有第一平面和第二平面，第一平面与第一环状表面隔开第一间隙；流体入口；以及流体出口，其中，流体路径从流体入口穿过第一间隙延伸至流体出口。

在一个实施方式中，第一线圈是中空筒形线圈，并且第一电绝缘间隔件是第一楔形件。

在一个实施方式中，磁性元件包括第二中空筒形线圈，第二线圈具有第一环状表面，第一环状表面与第一楔形件的第二平面形成第二间隙。

在一个实施方式中，第一线圈具有外端部和内端部，并且第二线圈具有外端部和连接至第一线圈的内端部的内端部，并且其中，流动通过两个串联线圈的电流对第一线圈的中央处的磁场的作用与流动通过第二线圈的电流对该磁场的作用在相同的方向上。

在一个实施方式中，磁性元件包括多个成对线圈，所述多个成对线圈包括第一线圈和第二线圈，每个线圈具有内端部和外端部，每对线圈的内端部连接在一起，线圈布置成形成环面。

在一个实施方式中，磁性元件包括：多个主动楔形件，所述多个主动楔形件包括第一楔形件；以及多个被动楔形件，主动楔形件中的每个主动楔形件具有两个平面并且位于相应对的线圈的两个线圈之间，一对线圈中的一个线圈位于平面中的一个平面上，并且一对线圈种的另一线圈位于另一平面上，并且被动楔形件中的每个被动楔形件位于一对线圈中的线圈与另一对线圈中的线圈之间。

在一个实施方式中，每个主动楔形件包括延伸穿过主动楔形件的导电销，位于主动楔形件的一个平面上的线圈的内端部连接并紧固至销的一个端部，位于主动楔形件的另一平面上的线圈的内端部连接并紧固至销的另一端部。

在一个实施方式中，多个主动楔形件和多个被动楔形件中的管道式楔形件具有从环面外侧延伸至环面的内部容积的流体通路。

在一个实施方式中，磁性元件包括位于环面的内部容积中的多个芯部段。

在一个实施方式中，多个芯部段中的芯部段是铁磁性的。

在一个实施方式中，流体路径还延伸穿过第三间隙，第三间隙是位于芯部段与第一线圈和/或第一楔形件之间的径向间隙。

在一个实施方式中，芯部段中的每个芯部段具有环形地延伸穿过芯部段的孔，并且其中，流体路径还延伸穿过孔中的一个孔并且穿过多个芯部段中的两个相邻芯部段之间的环形间隙。

根据本发明的实施方式，提供了一种环形磁性元件，该环形磁性元件包括：多个导电线圈，所述多个导电线圈布置成形成环面；以及多个电绝缘间隔件，间隔件中的每个间隔件位于多个线圈中的两个相邻线圈之间，多个线圈中的每个线圈包括面绕电导体并且具有第一内端部和第一外端部。

在一个实施方式中，线圈的相应的缠绕方向围绕环面的至少一部分交替；并且多个线圈中的每个线圈的第一内端部连接至多个线圈中的相应的相邻线圈的第一内端部。

在一个实施方式中，环形磁性元件包括n个共绕导体并且具有包括第一内端部的n个内端部和包括第一外端部的n个外端部，并且其中，多个线圈中的线圈的第j个内端部连接至多个线圈中的相应的相邻线圈的第(n-j+1)个内端部。

在一个实施方式中，线圈中的每个线圈是具有两个平行的环状表面的中空圆筒件。

在一个实施方式中，间隔件中的每个间隔件是具有两个平面的楔形件。

在一个实施方式中，线圈中的每个线圈的每个环状表面与相邻楔形件的相邻面隔开一定间隙。

在一个实施方式中，环形磁性元件包括包含环面的壳体，该壳体具有流体入口和流体出口，从流体入口至流体出口的流体路径包括位于间隙中的一个间隙内的一部分。

在一个实施方式中，在其相应的内端部处连接在一起的每两个线圈通过间隔件隔开，该间隔件具有在相应的内端部之间形成连接的导电连接销。

在一个实施方式中，多个线圈中的第一线圈的外端部通过第一母线连接至多个线圈中的第二线圈的外端部。

在一个实施方式中，环形磁性元件包括：第一端子；第二端子；以及第三端子；并且环形磁性元件包括：第一绕组，该第一绕组具有连接至第一端子的第一端部和连接至第二端子的第二端部，并且包括多个线圈中的第一线圈和多个线圈中的第二线圈，第一线圈和第二线圈串联连接；以及第二绕组，该第二绕组具有第二端部和连接至第三端子的第一端部，并且包括多个线圈中的第三线圈和多个线圈中的第四线圈，第三线圈和第四线圈串联连接。

根据本发明的实施方式，提供了一种液体冷却环形磁性元件，该液体冷却环形磁性元件包括：多个导电线圈，所述多个导电线圈布置成形成环面；多个电绝缘间隔件；流体入口；以及流体出口，间隔件中的每个间隔件位于多个线圈中的两个相邻线圈之间，线圈中的每个线圈包括面绕电导体，线圈中的每个线圈具有两个环状表面，线圈中的每个线圈的每个环状表面与相邻间隔件的相邻面隔开一定间隙，其中，相应的流体路径从流体入口穿过间隙中的每个间隙延伸至流体出口。

在一个实施方式中，间隙中的每个间隙具有大于0.001英寸并且小于0.02英寸的宽度。

附图说明

参照说明书、权利要求以及附图将领会和理解本发明的这些和其他特征和优点，在附图中：

图1是根据本发明的实施方式的环形组件的局部剖视立体图；

图2是根据本发明的实施方式的环形组件的一部分的局部剖视立体图；

图3是根据本发明的实施方式的环形组件的一部分的横截面图；

图4A是根据本发明的实施方式的环形组件的楔形件的立体图；

图4B是根据本发明的实施方式的环形组件的楔形件的立体图；

图4C是根据本发明的实施方式的环形组件的芯部段的立体图；

图5是根据本发明的实施方式的环形组件的一部分的立体图；

图6是根据本发明的实施方式的环形组件的一部分的立体图；

图7是根据本发明的实施方式的环形组件的一部分的分解立体图；以及

图8是根据本发明的实施方式的液体冷却磁性元件的分解立体图。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述用作根据本发明提供的液体冷却磁性元件的示例性实施方式的描述，而非旨在表示可以构造或利用本发明的唯一形式。说明书结合示出的实施方式阐述了本发明的特征。然而，应当理解的是，相同或等同的功能和结构可以通过不同的实施方式来实现，所述不同的实施方式也旨在被包含在本发明的精神和范围内。如本文中其他地方指示的，类似的附图标记旨在指示类似的元件或特征。

在一些实施方式中，液体冷却环形磁性元件包括如图1中所示的环形组件101，环形组件101在根据一个实施方式的液体冷却磁性元件的壳体(图8；为了清楚起见壳体被从图1中省去)中。在一些实施方式中，环形组件101包括在具有近似环形形状的构型中的交替的一组线圈102和楔形件104、105。楔形件104、105可以用作绝缘间隔件以使线圈彼此绝缘并且将线圈102定位并对准到环形构型中。在环形磁性元件的顶部处使用端子106形成到线圈102的连接，端子106中的每个端子可以通过相应的母线108、109连接至线圈102中的一个或更多个线圈。

由电绝缘材料构成的包覆模制件110将端子106紧固在一起。母线108、109中的每一者包括一个或更多个母线孔112，包覆模制件110被模制穿过一个或更多个母线孔112，使得包覆模制件110被机械锁定至母线108、109，并且母线108、109加固了包覆模制件110。包括端子106、母线108、109以及包覆模制件110的子组件可以单独制造，例如通过将端子106和母线108、109紧固在适合的模具中并且围绕端子106和母线108、109并穿过母线108、109中的孔112来模制包覆模制件110。包覆模制件的模制可以使用在模具中固化的热固性树脂例如通过注射模制或通过铸造来执行。包覆模制件110可以由绝缘材料构成，例如，一种可以承受其在线圈102的外端部132(图2)焊接至母线108、109时可能经受的温度的绝缘材料。例如，包覆模制件110可以由聚醚醚酮(PEEK)构成。图1示出了具有十二个端子106、三十六个线圈102、以及三十六个楔形件104、105的实施方式，在其他实施方式中，可以存在更多或更少的一些或全部这些部件。

图2示出了图1中所示的环形组件101的一部分。还示出了限定环形坐标系的箭头，箭头在本文中用于在结构中标识位置和方向。第一箭头113指向环形方向，第二箭头114指向极向方向，并且第三箭头115指向径向方向。在操作中，电流在每个线圈102中沿大致极向方向流动，从而在线圈102内部形成沿大致环形方向的磁场。如下面进一步详细讨论的，线圈102布置成在两个不同的线圈缠绕方向，即第一缠绕方向与第二缠绕方向之间交替。在具有第一缠绕方向的线圈102中，电流在其沿正极向方向流动时沿着径向向外发展的螺旋路径流动(如同图2的线圈102a的情况一样)，并且在具有第二缠绕方向的线圈102中，电流在其沿正极向方向流动时沿着径向向内发展的螺旋路径流动(如同图2的线圈102b的情况一样)。线圈102成对地串联连接，其中，每个线圈102具有连接至相邻线圈的内端部的内端部。由于线圈102的交替的缠绕方向，因此当电流连续地流动通过成对的两个线圈102时，任何这样的成对线圈中的一个线圈102的作用如同成对线圈中的另一线圈102的作用一样将是在沿着两个线圈102的轴线的相同的方向上。

芯部段118布置成在线圈内部形成呈近似环形形状的组合芯。如本文中使用的，“线圈”是具有一匝或更多匝导体(例如，导线)并且从导体的内端部延伸(例如以螺旋形式)至导体的外端部的导电元件。如本文中使用的，“绕组”是包括一个或更多个线圈并且具有连接至两个相应的端子的两个端部的导电元件。例如，如下面进一步详细描述的，绕组可以包括两个线圈，它们的相应的内端部连接在一起，，它们的相应的外端部是绕组的两个端部并且连接至两个相应的端子。如本文中使用的，“复合绕组”是双端元件，该双端元件是一个或更多个绕组的串联和/或并联组合。如本文中使用的，“复合线圈”是包括两个或更多个共绕导体的导电元件，每个共绕导体从相应导体的相应内端部延伸(例如，以螺旋形式)至相应导体的相应外端部。

如下面进一步详细讨论的，图1和图2的端子106中的每个端子可以连接至包括并联连接的三个绕组的复合绕组，每个绕组包括串联连接的两个线圈。这样，环形组件101包括六个复合绕组，所述六个复合绕组可以通过适当地连接至端子而构造成变压器或电感器。例如，复合绕组的适当的并联或串联组合可以用作电感器。通过以第一并联或串联组合连接复合绕组的第一子组并且以第二并联或串联组合连接复合绕组的第二子组(例如，复合绕组的其余部分)，可以形成变压器。变压器的芯可以与其他类似的电感器的芯不同。对于变压器而言，芯磁导率可以很高而使部段之间的间隙最小化，使得使磁化电流最小化。通过电感器，芯材料可以是低磁导率的或者可以建立有限的间隙(或两者同时发生)，使得防止了芯饱和。在一些情况下，如在“回扫变压器”的情况下，电感作用和变压器作用都存在。在所有这些情况下，本发明的实施方式允许绕组根据需要连接和相互连接。变压器的漏电感可以通过例如选择用于第一子组中的交替的复合绕组(以减小漏电感)或选择用于第一子组中的连续的复合绕组(以增大漏电感)来调节。

冷却流体(或“冷却剂”，或“冷却液体”)可以在线圈与芯之间以及周围以提取热。在一些实施方式中，冷却剂是液体，例如油或传动流体。在其他实施方式中，冷却剂是气体，例如空气。如本文中使用的，“流体”指的是液体或气体，除非另有说明。每个线圈102由具有内端部130和外端部132的面绕矩形导线形成(即，以带卷的方式缠绕)。导线可以具有约0.16英寸的宽度(例如，0.163英寸的宽度)和约0.020英寸的厚度(例如，0.023英寸的厚度)。内端部130可以围绕连接销128缠绕，使得内端部130紧固至并且电连接至连接销128。内端部130可以焊接至连接销128。每个线圈102的外端部132可以具有45度折叠部133(或小半径弯曲部)使得导线方向改变90度，并且其可以穿过应变消除部134(图4A)，例如楔形件104、105中的一者中的槽，并且(例如，通过焊接到母线108、109中的一者中的母线槽152中)连接至母线108、109中的一者。

每个线圈102可以单独制造。矩形导线可以在缠绕成线圈之前直接在导线上或在导线上的绝缘层上涂覆有自粘绝缘涂层。导线上的总绝缘厚度可以是例如0.002英寸。线圈可以通过将导线围绕适合的芯棒缠绕并且驱使电流通过导线(例如，持续30秒)以加热导线和自粘绝缘部，使得相邻匝粘合在一起而形成，并且线圈除了内端部130和外端部132之外变成刚性中空筒形单元。

图3示出了液体冷却磁性元件的一部分的放大俯视图，该部分包括四个芯部段118、两个线圈102、和三个楔形件104、105。冷却剂沿由箭头指示的方向流动，通过三个楔形件中的中间楔形件105中的入口通路122(从壳体(图8)中的冷却剂入口174并且通过入口孔175)流动到结构中，在第一径向间隙124内环形地且极向地流动并且径向向外流动通过多个环形间隙126。环形间隙126中的每个环形间隙可以具有宽度g(例如，0.004英寸)，如图3中所示。流体可以从环形间隙126中的任何一个环形间隙直接流动到环形组件101的中央部127中(如果流体在环形组件101的中央部127附近的极向坐标处离开环形间隙126)，或者流体可以沿极向方向流动通过多个第二径向间隙129中的一个第二径向间隙(每个第二径向间隙129是线圈102的外表面与壳体(图8)的内表面之间的间隙)，并且流动到环形组件101的中央部127中。第一径向间隙和第二径向间隙可以各自具有约0.05英寸的径向尺寸，该径向尺寸可以明显大于g。这样，对于通过多个环形间隙126的流体流而言，第一径向间隙124可以用作入口歧管，并且第二径向间隙以及环形组件101的中央部127可以用作出口歧管，从而确保了横过和沿着环形间隙126中的每个环形间隙的极向范围的大致相等的压降。

第一径向间隙124内的流体流动可以提供芯部段118的冷却。此外，芯部段118之间的间隙内的压力梯度(通常越靠近环形组件101的中央处，压力越低)可以导致流体流动通过这些间隙以提供芯部段118的额外的冷却。在一些实施方式中，芯包括芯部段，所述芯部段各自具有环形通孔，使得芯呈中空的，并且芯部段中的一个芯部段具有与入口通路122(入口通路122可以具有适合改变的形状)对准的入口孔，使得冷却剂首先流动到芯的中空内部中并且在芯的中空内部内环形地流动，并且然后流动通过芯部段118之间的环形间隙并进入第一径向间隙124中。因此，可以通过冷却剂流动穿过芯的中空中央部并且可以通过冷却剂流动穿过芯部段118之间的环形间隙来冷却芯。在一些实施方式中，包括入口通路122的楔形件104、105具有形成挡板的脊部或类似特征(或者在楔形件与具有入口孔的芯部段之间应用有密封剂)，以防止冷却剂从入口通路直接逸出到第一径向间隙124中。

线圈102与冷却剂之间的热传递可以主要发生在环形间隙126内。可以使用热传递分析来选择这些间隙的尺寸以及冷却剂流量，这可以如下进行。如果流体(例如，油)在平行表面(每个表面具有面积A，表面隔开距离d)之间的间隙中的流体流是层流的(即，如果粘度、流量和间隙的宽度导致层流)，则热传递可以通过于热阻(θ)来表征，该热阻(θ)又是两项的和。第一项(θ₁)与液体的热质量和流量相关联并且等于1/(C_pρF)，其中，C_p是比热，ρ是质量密度，F是容积流量。第二项(θ₂)与液体的热导率相关联。

如果热以P_d的速率从两个表面中的一个表面流出，并且没有热从另一表面流出，那么冷却剂内的平均热流动距离(忽略流体内的温度梯度)是d/2，并且因此θ₂的值是d/(2KA)，其中，K是冷却剂的热导率。如果热以P_d/2的速率从两个表面中的每个表面流出，那么平均热流动距离是d/4，并且在这种情况下θ₂的值是d/(8KA)。在任一情况下，随着d减小和A增加，θ₂减小，从而实现了改善的热传递。然而，随着d减小，冷却剂水头损失增加。因此，基于由冷却剂循环泵提供的流动与压力特性，存在热传递速率最大的d值。

以上关系可以在来自绕组的热传递的情况下加以利用。例如，在图3中所示的实施方式中，在环形间隙126中的每个环形间隙中流动的流体可以呈现层流，并且热可以在线圈102中的每个线圈的每个端部处流出大致平坦的环状端部表面并进入流动通过相应的环形间隙126的流体中。环形间隙126中的每个环形间隙的另一表面可以是楔形件的表面，热不会流出该表面。热从线圈102流动至冷却剂所穿过的总表面面积与线圈102的数目成正比，并且可以很大。可以选择环形间隙126的宽度使得对于给定的泵流动特性而言，使θ₁与θ₂的和最小化。随着绕组的数目增加，有效绕组填充系数减小，并且热耗散(对于固定功率密度而言)可以增加。因此，可以存在可实现的功率密度为最大的许多线圈。

比如图1中所示的磁性元件可以例如用作电感器或变压器。在变压器中，高磁导率芯可以用于保持低磁化电流。在功率电感器中，磁化电流可以是存在的，并且变压器作用可以不存在。因此，用于电感器的有用的芯构型可以包括有间隙的高磁导率叠片结构、有间隙的铁素体结构、无间隙的低磁导率粉末芯以及空气芯结构。为了形成粉末芯，可以在类似于烧结过程的过程中将粉末粘合以变成刚性固体。

在有间隙的叠片芯的情况下，间隙的尺寸与安匝数成正比，安匝数又与线性尺寸的平方乘以电流密度成正比。可实现的电流密度随着热传递的改善而增大，并且在具有良好热传递的大型电感器中，间隙尺寸可以变得不合理地大。在这种情况下，可以使用粉末芯或空气芯。对于变压器和电感器而言，环形芯结构可以具有优点。一个优点是，由于对称性，因此泄漏场，尤其是在空气芯磁性元件中的泄漏场很小；在涉及高电流的情况下和在对辐射场有敏感性的情况下，该特性可能很重要。环形几何形状还可以在功率与质量比率以及功率与体积比率方面提供优点。最终，环形结构的对称性允许多个绕组相互连接而不会导致循环电流。例如，对于具有磁性芯(即，芯不是空气芯)的磁性元件而言，芯中的功率耗散(例如，由于涡电流)可能是显著的，并且如上所述例如可以采取措施以冷却芯。

功率可以通过若干机构在绕组中耗散。除了DC电阻损耗之外，集肤损耗和邻近损耗可能随着电流和/或频率增加而变得越来越重要。集肤损耗是导致朝向导体的中央的电流密度减小的现象，并且集肤损耗是由B场进入导体的速率受导体的电导率限制的事实造成的；电导率越低，B场可以越快进入并且效应越不明显。因此，最佳导体(比如铜)具有最明显的集肤效应。集肤效应的影响可以通过使用并联连接的多个导体来降低。在这种多个导体构型中，内导体和外导体可以转置，使得感应电压平均化并且循环电流消失，其结果是电流几乎是均匀的。多个导体可以对称地布置使得感应电压精确匹配，以免各个导体之间产生循环电流。邻近效应是在由外部导体产生的磁场进入给定导体，感应出循环电流——该循环电流又导致给定导体内的损耗——时产生循环电流和损耗的现象。对于圆形导体而言，这些损耗的大小与磁场的平方乘以导体直径的四次方成正比。这样，对于诸如电感器之类的大型结构而言，可以通过使用并联连接的多个导体或多个绕组来减小该损耗分量，如集肤损耗分量。

楔形件104、105中的每一者可以是主动楔形件104(图4A)或被动楔形件105(图4B)。参照图4A，在一些实施方式中，每个主动楔形件包括导电性电连接销128，导电性电连接销128可以将安装抵靠于主动楔形件104的一个面的线圈102的内端部连接至安装抵靠于主动楔形件104的另一面的线圈102的内端部。两个槽用作应变消除槽134。除了连接销128之外，每个楔形件可以包括绝缘材料，例如PEEK。在其他实施方式中，采用能够承受可能在操作期间处于高温的冷却流体，例如变压器油的不同材料。候选材料的示例包括尼龙、聚苯醚(PPO)和聚苯硫醚(PPS)。

参照图4B，在液体冷却磁性元件中的其余楔形件可以是缺少电连接销128的被动楔形件105。在环形组件101中，被动楔形件105可以与主动楔形件104交替。每个主动楔形件104可以夹在一对线圈102之间，一对线圈102在其相应的内端部处通过主动楔形件104的连接销128彼此连接。每个被动楔形件105可以缺少用于连接销128的孔，并且其可以缺少应变消除槽134。在一些实施方式中，为了易于制造，所有的楔形件具有相同的形状，并且一些楔形件的一些特征未使用。例如，仅一半楔形件(主动楔形件)可以安装有连接销128，并且一半应变消除槽134可以是未使用的。在一些实施方式中，可以使用被动楔形件105的应变消除槽134中的一个或两个应变消除槽(如果被动楔形件105中存在应变消除槽134)代替主动楔形件104中的对应的应变消除槽134。

在两个楔形件面136中的每个楔形件面上存在有多个肋状件135。每个肋状件135可以在其定位的面上方突出距离h，其中，h等于线圈102的环状表面与楔形件面136之间的环形间隙126的宽度g(图3)，使得在线圈102被安装成使得其环状表面中的一个环状表面抵接肋状件135时，环形间隙126具有宽度g(除了在肋状件135处之外)。冷却剂可以流动通过该环形间隙126，形成与导线绝缘体的直接接触，并且线圈的导体与冷却剂之间的热阻可以是相对较小的。每个线圈的每匝的导体与冷却剂之间的热路径的长度可以包括导体(然而，该导体可以是良好的导热体)内的相对较长距离和穿过导线绝缘体的一部分。导线绝缘体可以是相对较差的导热体，但是穿过绝缘体的热路径的长度可以等于绝缘体的厚度，即，其可以非常小。肋状件135中的每个肋状件可以在楔形件面上方突出例如0.004英寸，使得间隙126的宽度g为0.004英寸。在一些实施方式中，代替楔形件上的肋状件135或者除了楔形件上的肋状件135之外附加地，肋状件形成于线圈的环状表面上。可以例如使用带条(例如，胶带)或另一适合的垫片材料的带条来在线圈上形成肋状件。楔形件104、105中的每一者可以具有多个线圈定中心凸耳138，多个线圈定中心凸耳138配装在每个线圈102的腔孔内部并且(与紧固至连接销128的线圈的内端部130一起)使线圈102保持与芯和其他线圈对准。在一些实施方式中，凸耳主要用于组装，并且在组装之后，线圈通过压缩力(例如，由压缩带(图8)产生的力，如下面进一步详细描述的)保持就位。在其他实施方式中，另一方法用于在组装期间保持对准，例如可以使用(不会污染冷却剂的)粘合剂。两个线圈支承突出部140可以延伸到每个楔形件104、105的孔口中，并且与连接销突出部142(包括用于连接销128的孔)一起在孔口内支承芯部段118。在线圈支承突出部140中的每个线圈支承突出部上并且在连接销突出部142上的凸台用作芯分隔件144，芯分隔件144在相邻的芯部段118之间保持适合的环形分隔。楔形件104、105中的每一者可以包括用于压缩带148(图8)的一个或更多个标记146，压缩带148围绕环形组件的外周延伸并且对楔形件104、105中的每一者施加向内的力以在所有的线圈102和楔形件104、105上保持压缩力。参照图4C，每个芯部段118可以是圆柱体的楔形部段，具有凹部150以为连接销突出部142提供空隙。可以称为“管道式楔形件”的楔形件104、105中的一个楔形件包括入口孔122，入口孔122提供进入第一径向间隙124的流体路径。图4B示出了被动楔形件105中的入口孔122，在其他实施方式中，其替代地在主动楔形件104中，或者若干楔形件(例如，所有楔形件)可以包括入口孔122，一些入口孔(或者除一个入口孔之外的其他所有入口孔)可以是未使用的。

参照图5，在一些实施方式中，端子106中的每个端子连接至内母线108或外母线109。母线108、109中的每一者具有一个或更多个母线槽152，一个或更多个母线槽152用于(例如，通过钎焊或焊接)将线圈102的相应的外端部132紧固至母线108、109。在图5的实施方式中，每对母线108、109将三个绕组并联连接在一起，每个绕组包括串联连接的两个线圈102，每个绕组的两个线圈的内端部130通过两个线圈之间的主动楔形件104的连接销128而连接在一起。

所描述的实施方式的许多变型是可能的，这对本领域技术人员来说是明显的。例如，参照图6，在一些实施方式中，使用复合线圈154a、154b来代替简单线圈102。如所示出的，复合线圈154a、154b中的每一者包括两个共绕且面绕的矩形导线，使得复合线圈具有两个内端部156和两个外端部158。在该实施方式中，主动楔形件160包括两个连接销128，每个连接销128将第一复合线圈154a的两个内端部中的一个内端部连接至第二复合线圈154b的两个内端部中的对应的一个内端部。如在例如图2和图5中所示的实施方式中的情况，两个复合线圈154a、154b以不同的缠绕方向安装在楔形件160的两个相应面上，使得例如电流可以从第一复合线圈154a的外端部按顺时针方向流动(如图6所见)至第一复合线圈154a的内端部，然后通过两个连接销128到达第二复合线圈154b的两个内端部，并且然后从第二复合线圈154b的内端部再次按顺时针方向流动至第二复合线圈154b的外端部。在该布置中，由两个复合线圈154a、154b产生的磁场作用是在沿着两个复合线圈154a、154b的中心轴线的相同方向上(即，不是在相反方向上)。在其他实施方式中，可以使用各自包括多于两个共绕导体(例如，使用三个、四个、五个或更多个共绕导体)的复合线圈。由于邻近效应的损耗和由于集肤效应的损耗都可以通过这种方法来降低。例如，在图6的实施方式中，位于第一复合线圈154a的内侧上的导体通过连接销128中的一个连接销连接至位于第二复合线圈154b的外侧上的导体。更具体地，在每个复合线圈中具有n个共绕导体的实施方式中(n是正整数)，从主动楔形件104的一侧上的复合线圈的第j个导体(例如，从最内侧导体向外计数)可以连接至主动楔形件104的另一侧上的复合线圈的第(n-j+1)个导体(以同样的方式计数，例如从最内侧导体向外计数)。该连接提供了转置，转置可以导致邻近损耗降低，例如邻近损耗的以接近4的系数的降低(或在使用n个共绕导体时，该系数接近n的二次方)。

如另一示例，参照图7，在一些实施方式中，楔形线圈162与盘形间隔件163交替以形成环形组件。这些线圈的端部表面可以略微偏离环状形状，但如果楔形角度很小(使得它们在很大程度上不是椭圆形)并且导线厚度很小(使得内侧半径和外侧半径在一匝上变化不明显)，则这些线圈的端部表面可以呈近似环状的。用于形成线圈102的矩形导线的宽度沿着其长度变化，这可能会导致线圈162的制造中的更大挑战。然而，该环形组件的填充系数可以更大，这是因为相比于例如在图2中所示的实施方式中对应零部件的比例的情况，更大比例的该环形组件可以包括导线并且更小比例可以包括盘形间隔件163的绝缘材料。

图8示出了根据一个实施方式的液体冷却磁性元件的分解图。环形组件101被封闭在壳体中，该壳体包括通过壳体O型环168密封在一起的下半部164和上半部166。可以通过相应的端子O型环170围绕每个端子形成密封件。下半部164和上半部166可以在多个壳体耳状部172处通过螺纹紧固件173紧固在一起。下半部164和上半部166可以由绝缘体(例如，聚合物)或金属构成；如果使用金属，则可以在端子106周围使用绝缘衬套以使它们与上半部166绝缘。安装支架177可以用于将液体冷却磁性元件紧固至适合的安装表面。流体可以通过流体入口174(通过下半部164的内表面上的入口孔175并且通过楔形件104、105中的一者的入口孔连接至第一径向间隙124)流动到液体冷却磁性元件中，并且流体可以(在已经流动通过环形间隙126，使线圈102冷却之后)通过下半部164的内表面上的出口孔176并且通过流体出口178流出环形组件101的中央部127。上半部166可以包括绝缘体分隔件180以增加相邻端子106之间的爬电距离。

在一些实施方式中，下半部164的内部圆形表面不是筒形的而是具有略微的渐缩(在制造期间，该渐缩还可以用作便于将下半部164从模具中移除的拔模斜度)，并且代替配装到标记146中且被拉紧以压缩环形组件101的元件的带，压缩带148可以是周向垫片，该周向垫片可以被压入到楔形件104、105与下半部164之间的渐缩间隙中以达到类似的效果。在其他实施方式中，使用上半部166代替下半部164来执行该操作。图8中所示的带148可以是紧紧地围绕楔形件104、105紧固(没有对准在标记146内)的压缩带，或者其可以是周向垫片；两种实施方式在外观上可以是类似的。尽管本文中描述的流体路径涉及沿一个方向——例如径向向外穿过环形间隙126——的流体流动，但是在其他实施方式中，流体可以沿相反的方向流动以达到类似的效果，尽管如果流体被泵送到流体出口178中而不是流体入口174中，则壳体可能经受更大的静水力。

尽管在本文中已经具体描述并说明了液体冷却磁性元件的示例性实施方式，但是对于本领域技术人员而言许多修改和变型将是明显的。因此，应当理解的是，根据本发明的原理构造的液体冷却磁性元件可以不同于如本文中具体描述地实施。本发明也被限定在以下权利要求及其等同物中。

Claims (21)

1.一种磁性元件，包括：

第一导电线圈，所述第一导电线圈具有第一环状表面和第二环状表面；

第二导电线圈，所述第二导电线圈具有第一环状表面和第二环状表面；以及

间隔件，所述间隔件位于所述第一导电线圈和所述第二导电线圈之间，并且所述间隔件具有第一平面，所述第一平面与所述第一导电线圈的第一环状表面隔开第一间隙；

肋状件，所述肋状件位于所述间隔件与所述第一导电线圈之间并且构造成设定所述第一间隙的宽度，

所述磁性元件包括：

多个成对线圈，所述多个成对线圈包括所述第一导电线圈和所述第二导电线圈，每个线圈具有内端部和外端部，

多个第一间隔件，所述多个第一间隔件包括所述间隔件；以及

多个第二间隔件，

所述第一间隔件中的一个第一间隔件具有两个平面并且位于相应的一对线圈的两个线圈之间，并且

所述第二间隔件中的一个第二间隔件位于一对线圈中的一个线圈和另一对线圈中的一个线圈之间。

2.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述第一导电线圈是中空筒形线圈。

3.根据权利要求2所述的磁性元件，其中，所述第一导电线圈具有外端部和内端部，并且所述第二导电线圈具有外端部和连接至所述第一导电线圈的内端部的内端部，并且其中，流动通过两个串联线圈的电流对所述第一导电线圈的中央处的磁场的作用与流动通过所述第二导电线圈的所述电流对所述磁场的作用在相同的方向上。

4.根据权利要求3所述的磁性元件，其中，所述多个成对线圈中的所述线圈布置成形成环面。

5.根据权利要求4所述的磁性元件，其中，每个第一间隔件是主动楔形件并且每个第二间隔件是被动楔形件。

6.根据权利要求5所述的磁性元件，其中，每个主动楔形件包括延伸穿过所述主动楔形件的导电销，位于所述主动楔形件的一个平面上的线圈的内端部连接并紧固至所述销的一个端部，位于所述主动楔形件的另一平面上的线圈的内端部连接并紧固至所述销的另一端部。

7.一种磁性元件，包括：

第一导电线圈，所述第一导电线圈具有第一环状表面和第二环状表面；

第二导电线圈，所述第二导电线圈具有第一环状表面和第二环状表面；以及

间隔件，所述间隔件位于所述第一导电线圈和所述第二导电线圈之间，并且所述间隔件具有第一平面，所述第一平面与所述第一导电线圈的第一环状表面隔开第一间隙；

肋状件，所述肋状件位于所述间隔件与所述第一导电线圈之间并且构造成设定所述第一间隙的宽度，

所述磁性元件包括：

多个成对线圈，所述多个成对线圈包括所述第一导电线圈和所述第二导电线圈，每个线圈具有内端部和外端部，

多个第一间隔件，所述多个第一间隔件包括所述间隔件；以及

多个第二间隔件，

所述多个成对线圈中的所述线圈布置成形成环面，

其中，所述多个第一间隔件和所述多个第二间隔件中的间隔件具有从该间隔件的外侧延伸至该间隔件的内部容积的流体通路。

8.根据权利要求7所述的磁性元件，还包括位于所述环面的内部容积中的多个芯部段。

9.根据权利要求8所述的磁性元件，其中，所述多个芯部段中的芯部段是铁磁性的。

10.根据权利要求9所述的磁性元件，还包括：

流体入口；以及

流体出口，

其中，流体路径从所述流体入口穿过所述第一间隙以及穿过所述第二间隙延伸至所述流体出口，所述第二间隙是所述芯部段与所述第一导电线圈和/或所述间隔件之间的径向间隙。

11.根据权利要求8所述的磁性元件，还包括：

流体入口；以及

流体出口，

其中，流体路径从所述流体入口穿过所述第一间隙延伸至所述流体出口，其中，所述芯部段中的每个芯部段具有环形地延伸穿过所述芯部段的孔，并且其中，所述流体路径还延伸穿过所述孔中的一个孔并且穿过所述多个芯部段中的两个相邻芯部段之间的环形间隙。

12.一种环形磁性元件，包括：

多个导电线圈，所述多个导电线圈布置成形成环面；以及

多个第一间隔件，所述多个第一间隔件中的每个第一间隔件位于所述多个导电线圈中的两个相邻线圈之间，

多个第二间隔件，所述多个第二间隔件中的每个第二间隔件位于所述多个导电线圈中的两个相邻线圈之间，并且所述多个导电线圈中的一个导电线圈的环状表面与相邻间隔件的相邻面隔开一定间隙，

肋状件，所述肋状件位于所述间隔件与所述多个导电线圈中的一个导电线圈之间并且构造成设定所述间隙的宽度，

所述多个导电线圈中的每个线圈包括面绕电导体并且具有第一内端部和第一外端部，

所述多个导电线圈成对布置，每个线圈具有内端部和外端部，

所述第一间隔件中的一个第一间隔件具有两个平面并且位于相应的一对线圈中的两个线圈之间，并且

所述第二间隔件中的一个第二间隔件位于一对线圈中的一个线圈和另一对线圈中的一个线圈之间。

13.根据权利要求12所述的环形磁性元件，其中，

所述线圈的相应的缠绕方向围绕所述环面的至少一部分交替。

14.根据权利要求13所述的环形磁性元件，

其中，所述多个导电线圈中的每个线圈是复合线圈，所述复合线圈包括n个共绕导体，并且所述复合线圈具有包括所述第一内端部的n个内端部和包括所述第一外端部的n个外端部，并且

其中，所述多个导电线圈中的线圈的第j个内端部连接至所述多个导电线圈中的相应的相邻线圈的第(n-j+1)个内端部。

15.根据权利要求13所述的环形磁性元件，其中，所述线圈中的每个线圈是具有两个平行的环状表面的中空圆筒件。

16.根据权利要求12所述的环形磁性元件，还包括包含所述环面的壳体，所述壳体具有流体入口和流体出口，从所述流体入口至所述流体出口的流体路径包括位于所述间隙中的一个间隙内的一部分。

17.根据权利要求13所述的环形磁性元件，其中，每两个线圈通过间隔件隔开，所述每两个线圈在所述每两个线圈的相应的内端部处连接在一起，所述间隔件具有在所述相应的内端部之间形成连接的导电连接销。

18.根据权利要求13所述的环形磁性元件，其中，所述多个导电线圈中的第一导电线圈的外端部通过第一母线连接至所述多个导电线圈中的第二导电线圈的外端部。

19.根据权利要求12所述的环形磁性元件，还包括：

第一端子；

第二端子；以及

第三端子；

并且包括：

第一绕组，所述第一绕组具有连接至所述第一端子的第一端部和连接至所述第二端子的第二端部，并且所述第一绕组包括所述多个导电线圈中的第一导电线圈和所述多个导电线圈中的第二导电线圈，所述第一导电线圈和所述第二导电线圈串联连接；以及

第二绕组，所述第二绕组具有第二端部和连接至所述第三端子的第一端部，并且所述第二绕组包括所述多个导电线圈中的第三导电线圈和所述多个导电线圈中的第四导电线圈，所述第三导电线圈和所述第四导电线圈串联连接。

20.一种液体冷却环形磁性元件，包括：

多个导电线圈，所述多个导电线圈布置成形成环面；

多个第一间隔件，所述第一间隔件中的每个第一间隔件位于所述多个导电线圈中的两个相邻线圈之间；

多个第二间隔件，所述第二间隔件中的每个第二间隔件位于所述多个导电线圈中的两个相邻线圈之间；

流体入口；以及

流体出口，

所述导电线圈中的每个线圈包括面绕电导体，

所述导电线圈中的每个线圈具有两个环状表面，

所述导电线圈中的一个线圈的环状表面与相邻间隔件的相邻面隔开一定间隙，

所述磁性元件包括肋状件，所述肋状件位于所述间隔件与所述导电线圈中的一个导电线圈之间并且构造成设定所述间隙的宽度，

其中，流体路径从所述流体入口穿过所述间隙延伸至所述流体出口，

所述多个导电线圈成对布置，每个线圈具有内端部和外端部，

所述第一间隔件中的一个第一间隔件具有两个平面并且位于相应的一对线圈中的两个线圈之间，并且

所述第二间隔件中的一个第二间隔件位于一对线圈中的一个线圈和另一对线圈中的一个线圈之间。

21.根据权利要求20所述的液体冷却环形磁性元件，其中，所述间隙具有大于0.001英寸且小于0.02英寸的宽度。

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