用于可再生能源设施中电气装置的电导体的制作方法

本发明涉及一种用于例如可再生能源设施中的电气装置的电导体。本发明还涉及一种用于耦接这种电导体的端部段(end segments)的方法。

背景技术：

1、可再生能源设施是向环境和可持续能源生产转型的关键部分。由于气候变化的威胁前景，全世界对这种转变的需求非常大。

2、由于可再生能源设施通常依赖自然环境直接提供的能源，因此它们可能会受到强烈振动和极端天气条件的影响。一个示例就是光伏发电站，其全年都暴露在外部天气中，可能包括酷热和霜冻。另一个示例是风力涡轮机，其中有极端的力在起作用。

3、复杂因素是可再生能源设施中存在高电流和/或高电压，其必须与天气和振动同时解决。

4、天气、振动和电力条件通常倾向于提高可再生能源设施中使用的设备和部件的要求。

5、因此，需要能够耐受可再生能源设施条件的廉价设备和部件。

技术实现思路

1、发明人已经发现了与可再生能源设施部件相关的上述问题和挑战，并随后提出了可能改进这种部件的下述发明。

2、本发明的一个方面涉及一种用于电气装置的电导体，所述电导体包括：

3、第一端部段；

4、第二端部段；以及

5、由多个导体分支形成的中间段，其电耦接并机械耦接于所述第一端部段和所述第二端部段，

6、其中，所述第一端部段和所述多个导体分支的导体分支通过连接部一体地接合(monolithically united)，从而形成所述第一端部段和所述多个导体分支的导体分支之间的内角(interior corners)，并且在两个不同的横向方向上在空间上间隔开所述多个导体分支的导体分支。

7、在本发明的一个实施例中，所述电导体被配置用于安装在可再生能源设施中的配电板中。

8、在本发明的一实施例中，所述内角形成为凹圆内角。

9、如下文所述，导体分支可以从端部段基本垂直于端部段的横向方向“生长”。然而，为了增加电导体的结构强度，端部段和导体分支通过圆形连接部一体地接合，从而在端部段和导体分支之间形成凹圆内角。

10、根据本发明的电导体可用于促进振动阻尼，例如在电气装置中，这是有利的。具体地，通过提供电导体，其中，端部段经由一体接合的圆形连接部由多个导体分支电气和机械地耦接，其在两个不同的横向方向上在空间上间隔开导体分支，该电导体可以能够在任何横向方向上改善振动阻尼，同时潜在地最小化结构损坏的风险，这是有利的。

11、此外，导体分支在两个横向方向上的空间间隔可以允许改善散热，同时潜在地最小化上述结构损坏的风险，这是有利的。

12、大电流和变化的天气条件可能会导致可再生能源设施的温度跨度很大。通过使多个导体分支通过圆形连接部一体地接合到第一端部段并且分布在两个横向方向上，该电导体能够在这种条件下更好地耐受热膨胀，这是有利的。

13、所谓趋肤效应，是指交流电流倾向于主要在导体表面附近流动的趋势。这种效应可能会在导体中引入额外的ac电阻率。通过提供多个导体分支，可以潜在地增加表面积，至少在中间段局部地增加，从而降低ac电阻率，这是有利的。同时，圆形一体连接部可以促进在中间段中形成多个导体分支，同时最小化不这样做就可能在尖角和/或接合部处发生的传导损耗，这是有利的。

14、此外，通过在在空间上间隔开导体分支，可以减少不这样做就会由电导体的安装所造成的阻碍，这是有利的。这些导体分支之间的空间间隔允许视觉上看到位于电导体后面的部件和元件。此外，其他部件(诸如电线或承重结构)可以通过空间间隔引导。并且空间间隔可以允许将工具(例如螺丝刀)施加到电气元件后面的部件。如果要将工具或部件引导穿过空间间隔，则分支中的至少一些可以可选地通过电绝缘件进行电绝缘。减少电导体的阻碍可以进一步有利地允许更容易的安装。

15、此外，多个导体分支通过圆形连接部与第一端部段一体地接合，确保可以节省材料，而基本上不会增加由于拐角处应力集中而导致结构损坏的风险，这是有利的。例如，与具有杆状或超矩形形状且没有由空间间隔的多个分支形成的中间段的传统电导体相比，可以认为是节省材料。通过节省材料，电导体的制造成本可以更低，对环境的影响也更小。

16、应注意的是，减少部件(诸如电导体)的重量和材料用量尤其具有挑战性，其具有与振动阻尼、对结构损坏的敏感性和/或载流能力相关的要求。简单地去除材料可能并不可行，因为它可能会降低电导体的性能，使其低于给定应用的要求，给定应用例如特定可再生能源设施中的特定电气装置。因此，节省/去除材料的前景可以结合最低限度减少、维持甚至改善电导体的其他属性来评估。

17、电导体可以理解为便于电荷流动的物体或元件。电导体的一示例是母线(busbar)。电导体的其他示例是电缆或电线装置。例如，母线可用于连接风力涡轮机内的电转换器装置中的高电压和/或大电流设备或端子。通常，电导体的材料是金属，例如银、铜、金、铝、一种或多种其他金属，或它们的任意组合。

18、电导体可以安装/集成例如在可再生能源设施的电气装置中。电气装置的一示例是转换器，诸如ac-dc转换器、dc-ac转换器、ac-ac转换器或dc-dc转换器。这种转换器通常对于正确且可靠地转换电力至关重要，例如在可再生能源设施和电网之间从一个转换到另一个。电气装置的其他示例是不间断电源(ups)、电源、开关模块和通常在电气柜中提供的电气装置。

19、可再生能源设施的示例是诸如风力涡轮机、光伏发电厂、水力发电厂、生物能源发电厂和地热能源发电厂的可再生能源发电厂。可再生能源设施的其他示例是电力存储设施(诸如基于电池的电力存储设施)和电到x设施(诸如电解设施)。

20、电导体的第一端部段和第二端部段可以理解为电导体的相对于彼此远离的两个端部。因此，电导体可用于例如通过将第一端部段连接到一个端子/连接器并将第二端部段连接到另一个端子/连接器，电地和机械地耦接两个原本断开的电端子/连接器。

21、中间段可以理解为电地且机械地耦接第一和第二端部段的段。在一些实施例中，中间段可以不一定与两个端部段直接接触。例如，它可以仅与第一端部段一体地接合，而第四段位于第二端部段和中间段之间。

22、应注意的是，本发明的实施例不限于仅具有两个端部段。一些电导体可以用作配电导体，其将电流和/或电压提供/分配给若干电端子和/或电路。此类电导体可以具有两个以上的端部段。此外，本发明的实施例可以具有若干不同的中间段。因此，本发明的实施例可以包括比仅仅两个端部段和一个中间段更多的段，例如位于第二端部段和中间段之间的第四段。

23、导体分支可以理解为一种伸长的突起，(通常与其他导体分支结合)用于促进电荷的流动和振动的衰减。在一些实施例中，每个导体分支具有圆柱形杆的形状(除了其与第一端部段的连接处，在该处它通过与端部段的连接而倒圆)。在其他实施例中，导体分支具有更不规则的形状，例如与树木分支相似。导体分支可以分叉成两个，甚至两个以上分叉的导体分支小枝。这种发散的导体分支小枝可以与其他导体分支连接。

24、第一端部段与导体分支一体地接合可以理解为导体分支和第一端部段由单个单元、部件或件组成。例如，导体分支可以与第一端部段无缝或无接头地接合。存在用于实现这种一体接合的多种制造方法，例如，将导体分支和第一端部段铸造为单件，从单件体材料机加工(例如，例如经由cnc机器的铣削)导体分支和第一端部段，或者对导体分支和第一端部段进行增材制造。作为示例，在铸造时，可以采用失芯注射成型和/或侧向作用/侧拉成型来制造复杂的导体分支形状。然而，应注意的是，本发明不限于这些示例性方法。还要注意的是，整个第一端部段和整个中间段不限于一体，但导体分支中的至少一些应该与第一端部段一体地接合。

25、根据本发明一实施例，导体分支通过圆形连接部与第一端部段一体地接合，从而在第一端部段和导体分支之间形成凹圆内角。这种圆形连接也可以替代地称为圆角。并且带有圆角的导体分支也可称为圆角导体分支。由于凹圆内角，导体分支(包括圆角)的宽度在其与第一端部段的连接部处通常比在其远离与第一端部段的连接部处的宽度更大。

26、第一端部段之间的凹圆内角的存在可以在一定程度上在横向方向上在空间上间隔开导体分支中的至少一些。在本发明的实施例中，至少两个导体分支在一个横向方向上在空间上间隔开，并且至少两个分支在另一个横向方向上在空间上间隔开。

27、横向方向可以基本上横向于或者基本上垂直于大多数导体分支的取向。和/或它可以基本上横向于或基本上垂直于长度方向。和/或它可以基本上横向于或基本上垂直于第一端部段和第二端部段之间的电和/或机械耦接的方向。

28、通常，当提及所述多个导体分支中的导体分支时，这种提及可能不一定是指多个导体分支中的所有导体分支，而只是指多个导体分支中的一个子集(例如，至少两个导体分支)。

29、在本发明的实施例中，所述多个导体分支经由所述第一端部段和经由所述第二端部段一体地接合。

30、在本发明的实施例中，所述第二端部段和所述多个导体分支的导体分支通过圆形连接部一体地接合起来，从而在所述第二端部段和所述多个导体分支的导体分支之间形成凹圆内角，并且在所述两个不同的横向方向上在空间上间隔开所述多个导体分支的导体分支。

31、第二端部段与多个导体分支中的导体分支之间的圆形连接部可以具有与第一端部段与多个导体分支中的导体分支之间的圆形连接部类似的性质和特性。除了在第一端部段与多个导体分支中的导体分支之间具有圆形连接部之外，通过在第二端部段与多个导体分支中的导体分支之间具有圆形连接部，可进一步改进电导体，例如出于与在第一端部段与多个导体分支中的导体分支之间具有圆形连接部可改进电导体类似的原因。

32、在本发明的实施例中，所述多个导体分支在所述第一端部段和所述第二端部段之间形成网状(web)结构。

33、在本发明的实施例中，所述第一端部段和所述第二端部段至少部分地形成为网状结构。

34、这在减小重量和增加散热方面是有利的。为了确保端子处足够的结构强度，包括端子的端部段的部分通常以实心形式制造。该部分可仅限于围绕端子的一小部分，诸如围绕穿过端段的孔的一小部分。

35、在本发明的实施例中，所述多个导体分支在中间段的纵向方向上各个导体分支之间无物理接触的情况下，相互扭绞。

36、这些导体分支在端部段处均进行电和机械连接，但是沿着中间段的纵向，在此实施例中，在各个导体分支之间没有电和机械连接。换句话说，即使导体分支被扭绞，它们也没有(电或机械)连接。

37、电导体的相互扭绞设计可受益于以下优点中的一个或多个：减少高频绕组中的ac损耗、提高效率、减轻趋肤效应、减轻邻近效应、最小化涡流损耗、降低工作温度、减少最终产品的占用面积(footprint)和大幅减轻重量。

38、扭绞导体设计的优点在于，这种设计允许获得纵向、横向和轴向的容差

39、在本发明的实施例中，所述电导体包括从所述中间段的纵向方向延伸的冷却结构。

40、冷却结构可以从电导体沿基本垂直于中间段的纵向的方向延伸。冷却结构可以设计为具有高散热能力的网状物或类似物。冷却结构可以包括空气导流翅片，其迫使部分气流穿过冷却结构

41、在本发明的实施例中，所述电导体包括多个冷却结构，其间隔开一定距离，以便于在两个冷却结构之间安装铁氧体磁芯。

42、将铁氧体磁芯与冷却结构间隔开是有利的，因为它具有这样的效果，即，铁氧体磁芯保持就位，而电导体仍然能够经由冷却结构散热。

43、在本发明的实施例中，所述冷却结构延伸到比所述铁氧体磁芯更远离所述电导体。

44、让冷却结构从导体延伸得比铁氧体磁芯更长是有利的，因为冷却结构与用来冷却的气流接触。因此，即使导体被铁氧体磁芯包裹，仍然可以冷却导体。

45、在本发明的实施例中，所述多个导体分支中的一个或多个导体分支具有内部冷却通道。

46、内部冷却通道还可穿过第一端部段中的冷却通道开口和/或第二端部段中的冷却通道开口与外部环境相流体耦接。

47、内部冷却通道可以促进和改善电导体的冷却，特别是导体分支的冷却，这是有利的。此外，冷却通道可以进一步减少材料，这是有利的。

48、内部冷却通道可促进空气冷却和/或液体冷却。无论哪种方式，内部冷却通道都可以流体地耦接到流动产生装置，诸如泵或风扇，用于在通道中产生流体流。

49、此外，内部冷却通道可至少部分地促进用于在部件(例如电气装置的部件)之间冷却的流体的输送。例如，需要将流体从流体泵输送到需要冷却流体的处理器，并且通过在导体分支中集成冷却通道，可能不需要在电气装置中安装用于输送流体的单独的流体导管，这是有利的。

50、冷却通道还可允许使用更少的材料来制造电导体，这是有利的。

51、在一些实施例中，只有一个导体分支具有冷却通道，在一些实施例中，数个导体分支具有冷却通道，并且在一些实施例中，所有导体分支都具有冷却通道。

52、通常地，内部冷却通道的输入和输出可以放置在端部段中的任一个的任意位置，甚至可以放置在导体分支中。输入和输出可以可选地包括电绝缘件，用于提供电导体主体和附接到电导体的冷却管之间的电气绝缘。

53、在本发明的实施例中，所述多个导体分支中的两个导体分支通过横向分支生长(outgrowth)进行机械耦接和电耦接。

54、在本发明的实施例中，所述中间段是第一中间段，其中，所述电导体还包括由第二多个导体分支形成的第二中间段，其也电耦接和机械耦接所述第一端部段和所述第二端部段。

55、在本发明的一个实施例中，所述第二端部段和所述第二多个导体分支的导体分支通过圆形连接部一体地接合起来，从而在所述第二端部段和所述第二多个导体分支的导体分支之间成形凹圆内角，并且在所述不同的横向方向上在空间上间隔开所述第二多个导体分支的导体分支。

56、在本发明的实施例中，所述电导体是一体的。

57、在本发明的实施例中，所述电导体至少部分地通过增材制造工艺制造。

58、增材制造工艺适合于制造复杂形状，因此有利于制造由多个导体分支形成的中间段。

59、在本发明的一实施例中，所述电导体包括两个或更多个中心主体段，其中连接到相同中心主体段的导体部分的几何形状不同。

60、在本发明的一实施例中，所述电导体包括与电感器部分连接的两个中心主体段。

61、在本发明的一实施例中，铁氧体磁芯通过所述电感器部分连接。

62、连接到中心主体段的导体具有不同的导体几何形状，这是有利的，因为它能够实现电导体与附加电气系统的不同类型的连接。此外，它还允许将电导体的一部分设计用于特定用途，诸如铁氧体磁芯可以延伸穿过电感器。以此方式，可以将对多个铁氧体磁芯的需求限制为单个铁氧体磁芯。

63、在本发明的实施例中，所述多个导体分支中的一个导体分支的分支直径小于3cm，例如小于2.5cm，例如小于2cm，诸如小于1.5cm。

64、这种示例性的分支直径可以有利地提供所需的必要的机械和电气特性，这是有利的。

65、可以在分支的最小直径处测量分支直径。

66、在本发明的实施例中，所述多个导体分支中的导体分支具有圆形连接部，其形成一个或多个凹圆内角，其角半径为所述导体分支的至少0.2倍分支直径，例如至少0.3倍分支直径，例如至少0.5倍分支直径，例如至少0.8倍分支直径，诸如至少1.2倍分支直径。

67、在本发明的实施例中，所述多个导体分支中的两个相邻导体分支中的一个导体分支具有圆形连接部，其形成一个或多个凹圆内角，所述凹圆内角的角半径为所述两个相邻导体分支的至少0.05倍相邻间距，例如至少0.1倍相邻间距，例如至少0.2倍相邻间距，例如至少0.3倍相邻间距，诸如至少0.4倍相邻间距。

68、具有一个或多个圆角，其半径相对于相邻间距(或分支直径)至少具有特定尺寸，这确保这些角可以承受振动，同时最小化由于应力集中而造成损坏的风险，这是有利的。

69、然而，应注意的是，本发明不限于圆形、椭圆形、抛物线形、双曲线或任何其他形状的角。尽管如此，至少一些实施例具有带有圆形连接部的角，其中电导体的材料在空间上以这样的方式布置，使得给定圆形连接部的外表面位于具有特定半径的圆弧之外。

70、在本发明的实施例中，所述电导体具有与所述第一端部段和所述第二端部段之间的相对运动相关联的共振振动频率。

71、所述共振振动频率为至多300hz，例如至多150hz，例如至多70hz，例如至多30hz，例如至多20hz或

72、其中所述共振振动频率至少为300hz，例如至少为500hz，例如至少为1khz，诸如至少为5khz。

73、在本发明的实施例中，所述电导体包括内部体结构和外表面结构，其中所述内部体结构和所述外表面结构具有不同的材料成分。

74、在本发明的实施例中，所述第一端部段和所述第二端部段中的任一个包括至少一个紧固件孔，用于将所述电导体电连接且机械连接到电端子。

75、例如，电气装置的电端子。紧固件孔也可以称为电导体的端子。

76、在本发明的一实施例中，所述电导体包括具有第一外径的第一部分和具有第二外径的第二部分，其中，所述第一直径大于所述第二直径。

77、第一部分和第二部分可以是扭绞部分。外径是整个扭绞导体的外径，即可用游标卡尺测量。这样做的好处是，如果线圈部分的直径小，这导致需要较小的磁芯的窗口，该磁芯具有一个卷绕的部分卷绕在其上的部分/腿。从而获得尺寸、重量和成本均减小的更紧凑的磁芯。

78、本发明的一个方面涉及一种用于在电气装置内将电导体的第一端部段耦接到所述电导体的第二端部段的方法，所述方法包括以下步骤：

79、通过连接部将所述第一端部段和多个导体分支的导体分支一体地接合起来，以在所述第一端部段和所述多个导体分支的导体分支之间形成内角，并在两个不同的方向上在空间上间隔开所述多个导体分支的导体分支，并且

80、通过由所述多个导体分支形成的所述电导体的中间段来电耦接和机械耦接所述第一端部段和所述第二端部段。

81、根据本发明的用于耦接电导体的第一端部段和第二端部段的方法可以潜在地提供根据本发明的电导体的任何优点。

82、在本发明的实施例中，所述电气装置包括在可再生能源设施。

83、在本发明的实施例中，所述连接部是圆形连接部，在所述第一端部段和所述多个导体分支的所述导体分支之间形成凹圆内角。

84、在本发明的实施例中，所述电导体是根据本发明的任一实施例的电导体。

85、在本发明的实施例中，所述方法包括建立所述电导体的数字表示的步骤。

86、在本发明的实施例中，所述方法包括对所述电导体的所述数字表示进行数字几何优化以至少部分地形成所述多个导体分支的步骤。

87、在本发明的实施例中，所述方法包括基于所述电导体的所述数字表示来增材制造所述电导体的步骤。

88、增材制造可以简化复杂几何形状的生产，例如根据本发明的电导体，这是有利的。具体地，可以直接通过增材制造来制造电导体的几何特征，例如导体分支，同时在两个不同的横向方向上建立导体分支的空间间隔。

89、此外，增材制造可以减少制造所需的步骤数，这是有利的。然而，应注意的是，本发明的实施例不限于特定数量的制造步骤。

90、在本发明的实施例中，增材制造所述电导体的步骤包括选择性激光熔化。

91、选择性激光熔化也可以称为或涉及直接金属激光熔化和粉末床熔化。

92、在本发明的实施例中，增材制造所述电导体的步骤包括线弧增材制造。

93、线弧增材制造可能特别适合于相对廉价地制造根据本发明的电导体。

94、在具有不同材料的不同结构的本发明的实施例中，这些不同的结构可以或可以不以增材方式制造。在一些实施例中，电导体的一个结构采用增材制造，而另一个结构则通过不同的工艺制造。

95、本发明的一个方面涉及一种用于可再生能源设施的电气装置，所述电气装置包括根据本技术的任意实施例的电导体。

96、该电气装置例如可以是转换器、不间断电源、电源和开关模块中的任何一个。

97、具有根据本发明的电导体的电气装置可发挥电导体的优点。

98、本发明的一个方面涉及一种可再生能源设施，其包括电气装置，所述电气装置包括根据本技术的任意实施例的电导体。

99、可再生能源设施例如可以是风力涡轮机、光伏发电站、水力发电厂、生物能源发电厂、地热能发电厂、电力存储设施和power-to-x(万物供电)设施中的任何一种。

100、具有根据本发明的电导体的可再生能源设施可以发挥电导体的优点。

101、本发明的一个方面涉及使用增材制造来至少部分地制造可再生能源设施的电气装置的电导体。

102、使用增材制造技术来制造可再生能源设施的电导体是有利的，因为它可以根据可再生能源设施的条件定制电导体。

103、在本发明的实施例中，所述电导体是根据本发明的任一实施例的电导体。

104、本发明的一个方面涉及一种在纵向方向上伸长的电导体，所述电导体包括：

105、内部体结构，以及

106、外表面结构，

107、其中，所述内部体结构和所述外表面结构具有不同的材料组成，其中，所述外表面结构的电导大于所述内部体结构的电导。