用于高功率密度(HPD)变压器的液体/流体冷却系统技术方案

一种高功率密度功率转换器(500)采用液体冷却系统(200)来冷却其变压器(120)。在实施例中，变压器(100)的线圈(135)嵌入在导热固体(环氧树脂或树脂)中。树脂嵌入线圈(135)与冷板(160)物理/热接触，冷板夹在线圈(135)之间和/或与线圈(135)的外表面接触。冷板(160)可附加地或备选地与变压器芯(145)物理/热接触。冷却剂流体被泵送通过冷板(160)。在另一个实施例中，变压器(120)浸没在热管理外壳(710)内的诸如油的冷却剂流体(740)中。冷板(160)与外壳(710)物理/热接触。泵送通过冷板(160)的冷却剂液体(240)将热量从油封闭的变压器(700)传导走。传导走。传导走。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高功率密度(HPD)变压器的液体/流体冷却系统


[0001]本主题大体上涉及冷却系统和高功率电子功率系统，并且更特别地涉及高功率电功率系统中的高功率密度(HPD)变压器。本主题还涉及用于HPD变压器的液体冷却系统。

技术介绍

[0002]变压器概述：变压器是一种无源电气设备，它将电能从一个电路(“源”)传递到一个或多个其它电路(“(多个)负载”)，而在源和(多个)负载之间没有任何电流传递。能量仅经由电场传输来传递。变压器具有至少两个单独的线线圈，其各自典型地缠绕在一个或多个铁(磁)金属芯周围。在变压器的任何一个源线圈中变化的电流产生变化的磁场(磁通)，这又在缠绕在同一芯周围的任何其它负载线圈上感应出变化的电动势。如果负载线圈连接到电气负载，则电流流过负载线圈。电能可在(可能许多)线圈之间传递，而不需要在源电路和负载电路之间的导电金属连接。这能够实现源电流和(多个)负载电流的完全物理绝缘。
[0003]变压器在电功率应用中用于在低电流下增加交流电压(升压变压器)或在高电流下降低交流电压(降压变压器)。
[0004]高功率系统概述：中高功率系统可为大型工业厂房、工厂、大型交通工具(诸如大型船舶和飞机)、办公楼、公寓楼或整个城市提供电力。功率转换系统(或功率转换器)在中和高功率电子分布式功率母线和电网中转换电功率，例如：将较高电压转换到较低电压；将较低电压转换到较高电压；将电力从一个交流频率转换到另一个交流频率；或从直流转换到交流，或从交流转换到直流。
[0005]电功率系统大体上由发电、传输、分配和最终使用组成。功率由一台或多台发电机供应，或由诸如太阳能的可再生能源系统供应。在到达其最终负载(使用电功率的设备)的过程中，功率典型地由一个或多个功率转换器接收和传输。例如，发电机侧转换器可经由定子母线从发电机接收交流(AC)功率，并且可将AC功率转换到合适的输出频率，诸如电网频率。AC功率经由线路母线提供到电力网。
[0006]低电压、中电压和高电压没有严格限定，但例如术语“低电压”可指小于或等于1.5 kV的电压，“中电压”可指大于1.5 kV且小于100 kV的电压，并且高电压可指100 kV及以上的电压。
[0007]高功率密度(HPD)功率系统
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用于船舶和具有紧凑空间要求的其它环境的功率转换器：诸如军用和商用船舶以及飞机的某些环境对空间的利用非常重视。因此，船舶需要比在陆基环境中采用的功率转换器更紧凑的功率转换器。还希望减轻用于海事应用的功率转换系统的重量。功率转换器体积和功率转换器重量上的减少导致提高的功率密度和对船舶的较小阻力两者。
[0008]本系统和方法特别地但非唯一地适用于微电网，诸如在船舶和飞机上可见的微电网。(电网和微电网在本文中大体上称为“功率系统”。)船舶和飞机的功率系统以及适合于其它紧凑物理空间的功率系统都受益于在物理上尽可能小和紧凑。对于给定的功率水平，物理尺寸越小，整个功率系统的所得功率密度就越高。高功率密度又意味着大量不需要的
热量的产生，这些热量需要被耗散。
[0009]高功率密度(HPD)系统的一个示例是电力电子组块(PEBB)最小可更换单元(LRU)，其是功率转换器的结构和功能元件，并且可为将任何输入电功率转换为所需电压、电流和频率输出的任何功率处理器。PEBB旨在用于作为模块化和可扩展的功率转换器架构的一部分使用，该架构典型地采用多个互连的PEBB。
[0010]PEBB典型地将功率器件、栅极驱动器、变压器和其它部件结合到具有可构造和明确限定的功能的组块中。
[0011]因此，出于能源效率和有效的船上空间利用的原因，希望提供具有紧凑元件、高功率密度和由此产生的高热量的PEBB LRU。这种PEBB LRU以及其它紧凑型高功率系统可能需要使用物理上紧凑并将较低电压升高到较高电压的变压器。这种高功率变压器可能需要使用1:1的绕组比，或者可能需要使用K:N的绕组比，其中N是等于或大于K的值。低体积特别容易散热，并且高绕组比导致更多的发热和相应的热耗散需求。
[0012]热耗散概述：功率转换器和用于功率转换器的电力电子组块(PEBB)的功率处理极限在很大程度上取决于此类系统中采用的高频变压器的热管理。“热管理”是涉及变压器的热耗散能力的另一种方式，它又在很大程度上决定功率转换器的体积和重量以及因此功率密度和比功率。
[0013]传统的功率转换器和电力电子组块(PEBB)依赖于空气冷却变压器。在功率转换器操作期间从(多个)变压器产生的热量由在初级线圈和次级线圈中的I2t损耗(线圈损耗)和磁芯中的热/功率损耗(芯损耗)组成。
[0014]热损耗在线圈损耗和芯损耗之间的分布根据具体的设计和所使用的材料而不同。典型的变压器冷却系统采用空气冷却，空气冷却例如可包括风扇，该风扇迫使空气围绕并穿过变压器。这又需要足够的用于空气流动的空间以及高的空气速度，这两者都可能不利于保持功率转换器的低总体积的目标。
[0015]鉴于诸如例如体积功率密度挑战的上述缺陷，需要一种用于中高电压HPD电力变压器的紧凑冷却系统。还需要一种采用液体冷却的冷却系统来进行高效的热传递。还需要一种冷却系统，该冷却系统提供与电力变压器的结构集成，或者提供在一种或多种液体冷却剂与电力变压器的电有源发热元件之间的宽接触区域。

技术实现思路

[0016]本专利技术的系统和方法提出了具有液体冷却热管理解决方案的空气冷却转换器，以提供提高的体积功率密度，尤其是但不唯一地用于空间受限的脉冲负载功率转换器应用，包括例如但不限于在军用或商用船舶上或在飞机上。
[0017]液体相对流体：在一般/普通用法中，术语“液体”和“流体”是大体上或大致等同的。在化学和物理学中，“流体”是流动的任何东西(包括液体和气体两者)，而“液体”是几乎不可压缩的流体，它适形于其容器的形状，但与压力无关地保持(几乎)恒定的体积。在本文件中，术语“液体”和“流体”都是指流动的、具有几乎恒定的体积的几乎不可压缩的材料。(因此这两个术语广义上都意味着“是液体但不是气体的流体”)。然而，在本文件中，“液体”和“流体”被进一步赋予不同的含义：(A)“液体”是指冷却剂液体材料240(参见图2)，其在一些实施例中可为流过冷板
160的水(参见图1)；(B)“流体”是指传热液体材料740(参见图7)，其在一些实施例中可为油，用于与热管理外壳710内的变压器120直接接触。
[0018]“液体”240(例如，水)相对“流体”740(例如，油)的使用仅是为了方便阅读，以帮助读者区分提供冷却和/或传递和移除热量的不同液体的不同类型/应用。
[0019]应当指出，在本文件中，在一个上下文中“冷却剂”相对在另一个上下文中“传热”的一致使用也是为了方便和便于读者理解。相关领域中的其它文献可等效地或具有其它含义地使用诸如“冷却剂”或“传热物质”的术语。
附图说明
[0020]本专利技术的实施例的有利设计来自独立和从属的权利要求、描述和附图。在下文本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种液体冷却变压器(100)，包括：多个线圈部件(135)，其各自用于传导电流；芯(145)，其构造成在所述多个线圈部件(135)之间传送磁通量；冷板(160)，其与所述芯(145)和所述多个线圈部件(135)中的线圈部件(135.1, 135.2)中的至少一个表面接触和热耦合；其中，所述冷板(160)包括冷却剂通道(260)，所述冷却剂通道(260)构造成在所述冷板(160)内传送液体冷却剂(240)。2.根据权利要求1所述的液体冷却变压器(100)，其中，所述冷板(160)包括非铁金属。3.根据权利要求1所述的液体冷却变压器(100)，其中，所述冷板(160)包括用于所述液体冷却剂(240)的流入和流出的两个或更多个冷却剂端口(175)。4. 根据权利要求1所述的液体冷却变压器(100)，其中，所述线圈部件(135)包括：连续导电材料(610)，其被缠绕、盘绕或表面图案化以在电流流过所述导电材料(610)时产生磁通量；和导热、非导电、非铁线圈支撑材料(620)，其构造成基本上包含或嵌入所述导电材料(610)并将热量从所述导电材料(610)传导走。5.根据权利要求1所述的液体冷却变压器(100)，其中：所述冷板(160)的第一表面和与所述冷板热耦合的所述芯(145)和所述线圈部件(135.1, 135.2)中的所述至少一个的第二表面如此相互成形，以便促进延伸表面接触，以及因此促进热量在所述芯(145)和所述线圈部件(135.1, 135.2)中的至少一个的所述第二表面与所述冷板(160)的所述第一表面之间的有效传递。6.根据权利要求5所述的液体冷却变压器(160)，其中，所述第一表面和所述第二表面是平坦的表面。7.根据权利要求1所述的液体冷却变压器(100)，其中：单个冷板(160)具有第一表面和第二相对表面，每个表面与来自所述芯(145)和所述两个线圈部件(135.1, 135.2)中的所述变压器元件中的不同的一个接触。8.根据权利要求1所述的液体冷却变压器(100)，其中：所述冷板(160)物理地位于以下中的至少一者之间、与以下中的至少一者物理地接触并与以下中的至少一者热耦合：所述芯(145)和所述线圈部件之一(135.1, 135.2)两者；和两个所述线圈部件(135.1, 135.2)。9.根据权利要求1所述的液体冷却变压器(100)，还包括至少两个单独的冷板(160)，其中，所述至少两个冷板(160)构造和布置成与来自所述芯(145)、所述第一线圈部件(135.1)和所述第二线圈部件(135.2)中的至少两个不同的非邻接变压器元件物理接触和热接触。10.根据权利要求1所述的液体冷却变压器(100)，还包括至少两个单独的冷板(160)，其中，所述至少两个冷板(160)构造和布置成与来自所述芯(145)、所述第一线圈部件(135.1)和所述第二线圈部件(135.2)中的至少三个不同的变压器元件物理接触和热接触。11.一种流体浸没式变压器(FIT)(700)，包括：多个变压器部件(135, 145)，其包括(i)各自用于传导电流的多个线圈部件(135)，和(ii)构造成在所述多个线圈部件(135)之间传送磁通量的芯(145)；
热管理外壳(710)，其包含所述变压器部件(135, 145)，并且构造成包含导热流体(740)，所述导热流体(740)适合于将热量从所述多个线圈部件(135)和所述芯(145)传递到所述热管理外壳(710)的外壁(755)；和冷板(160)，其与所述热管理外壳(710)的外壁(755)表面接触并热耦合，或者所述冷板(160)集成到所述热管理外壳(710)的所述外壁(755)中，其中：所述冷板(160)包括冷却剂通道(260)，所述冷却剂通道(260)构造成在所述冷板(160)内并通过所述冷板(160)传送液体冷却剂(240)；并且从所述变压器部件(135, 145)传送到所述外壁(755)的热量经由传递到流过所述冷板的所述液体冷却剂(240)中而被进一步消除。12.根据权利要求11所述的FIT(700)，其中，所述冷板(160)包括非铁金属。13.根据权利要求11所述的FIT(700)，其中，所述冷板(160)包括用于所述液体冷却剂(240)的流入和流出的两个或更多个冷却剂端口(175)。14. 根据权利要求11所述的FIT(700)，其中，所述线圈部件(135)包括：连续导电材料(610)，其被缠绕、盘绕或表面图案化以在电流流过所述导电材料(610)时产生磁通量；和导热、非导电、非铁线圈支撑材料(620)，其构造成基本上包含或嵌入所述导电材料(610)，并将热量从所述导电材料(610)传导走。15.根据权利要求11所述的FIT(700)，其中，所述导热流体(740)是非导电油。16.根据权利要求11所述的FIT(700)，其中，所述液体冷却剂(240)是水基流体。17. 根据权利要求11所述的FIT(700)，其中，所述多个变压器部件(135, 145)构造有在所述部件(135, 145)中的至少两个之间的空间间隙(730)，其中，所述导热流体(740)填充所述空间间隙(730)以增加热对流。18.根据权利要求11所述的FIT(700)，包括至少三个线圈(135)。19.根据权利要求11所述的FIT(700)，其中，所述芯(145)和所述线圈(135)中的一个中的至少一个与所述热管理外壳(710)的内表面直接物理和热接触。20. 根据权利要求11所述的FIT(700)，其中：所有的所述线圈(135)和所述芯(145)都经由支柱(805)悬挂在所述热管理外壳(710)内；并且所述线圈(135)和所述芯(145)都直接物理和热接触，并且基本上在所有侧面上由所述导热流体(740)围绕。21. 根据权利要求11所述的FIT(700)，其中：所有的所述线圈(135)和所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：