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一种应用于航空大功率变压整流器的液冷散热设备

阅读：679发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种应用于航空大功率变压整流器的液冷散热设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，包括自耦变压器磁芯(6)、绕组(7)、二极管 (8)、放电电阻 (9)、滤波电感(10)、液冷板及其液冷连接软管(15)、液冷进口(13)、液冷出口(14)和壳体。本发明为大功率变压整流器产品散热提供了解决方案，针对发热严重的变压器磁芯散热提出了底筒冷板散热方案；针对发热严重的变压器绕组散热提出了绕组冷板与变压器绕制一同进行方案等提高换热效率，上述措施可将变压器磁芯和绕组温度大幅度降低，可分别控制在60℃和80℃以下，并通过液冷板的串并联设计使散热效果及设备重量体积达到最优，进一步提高设备的功重比和功率密度。，下面是一种应用于航空大功率变压整流器的液冷散热设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，包括自耦变压器磁芯(6)、绕组(7)、二极管(8)、放电电阻(9)、滤波电感(10)、液冷板及其液冷连接软管(15)、液冷进口(13)、液冷出口(14)和壳体；
液冷板主要包括底筒冷板(1)、绕组冷板(2)、二极管冷板(3)、底板冷板(4)和分配板(5)，主要发热部件包括自耦变压器磁芯(6)、绕组(7)、二极管(8)、放电电阻(9)、滤波电感(10)；
多个底筒冷板(1)、多个绕组冷板(2)、多个分配板(5)、自耦变压器磁芯(6)、多个绕组(7)构成变压器部件，每个绕组(7)绕在一个底筒冷板(1)四周，一个绕组冷板(2)在绕制过程中放置在对应的绕组(7)内，随绕组(7)一同绕制，所有绕组(7)绕制完成后，将自耦变压器磁芯(6)插入各个底筒冷板(1)中，各个分配板(5)与对应的底筒冷板(1)、绕组冷板(2)连接，实现绕组(7)内底筒冷板(1)和绕组冷板(2)中液冷流道的串并联连接；
二极管冷板(3)下表面与绕组(7)上表面相接，为多个绕组(7)散热，二极管冷板(3)上表面与二极管(8)接触，实现二极管(8)的冷却；
底板冷板(4)为液冷散热设备的底板，一侧具有液冷进口(13)和液冷出口(14)，其上放置变压器部件，放电电阻(9)、滤波电感(10)，底板冷板(4)为变压器部件，放电电阻(9)、滤波电感(10)进行散热，底板冷板(4)上设有液冷连接软管(15)的进口和出口，实现底板与各液冷部件之间的管路连接；
液冷连接软管(15)将底板冷板(4)、二极管冷板(3)、分配板(5)的液冷散热流道连通。
2.如权利要求1所述的一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，其特征在于，液冷板材质均为铝合金材质，其内部均设有液冷流道，先将液冷板铣出流道，再使用高频扩散焊接技术将两块铝合金板无缝结合，以形成液冷流道。
3.如权利要求2所述的一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，其特征在于，变压器部件通过导热垫固定于底板冷板(4)上。
4.如权利要求3所述的一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，其特征在于，底筒冷板(1)由上下液冷板(11)和两个侧面四氟板(12)组成，四氟板(12)与上下液冷板(11)通过粘合剂粘接后形成底筒冷板，自耦变压器磁芯(6)和底筒冷板(1)适配完成后，由于他们之间会存在一定的间隙，为保证自耦变压器磁芯(6)位置相对固定，需要在自耦变压器磁芯(6)和底筒冷板(1)之间加垫聚酯板；为保证自耦变压器磁芯(6)发热有效传递至液冷板，使用硅胶将空隙完全填充。
5.如权利要求4所述的一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，其特征在于，自耦变压器磁芯(6)与绕组(7)适配完成后，使自耦变压器磁芯(6)站立，封住底面缝隙，用针筒对自耦变压器磁芯(6)和底筒冷板(1)之间缝隙打入硅胶，灌满后，80℃烘干2小时。
6.如权利要求4所述的一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，其特征在于，绕组冷板(2)绕制时首先需要将绕组冷板上下表面加垫绝缘材料，避免绕组与绕组冷板直接接触，然后在绕组冷板(2)上涂抹导热凝胶，在绕制过程中各层绕组之间均涂抹导热凝胶，以减小绕组之间的热阻。
7.如权利要求6所述的一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，其特征在于，二极管(8)涂抹导热硅脂后固定于二极管冷板上，二极管冷板通过导热垫与变压器绕组上表面相接。
8.如权利要求7所述的一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，其特征在于，各个分配板(5)通过12个螺钉与对应的底筒冷板(1)、绕组冷板(2)并联连接后，再通过各个分配板(5)之间串联连接实现流道贯通。
9.如权利要求8所述的一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，其特征在于，液冷源控制冷却液通过液冷进口(13)进入底板冷板(4)液冷流道，由液冷出口(14)流出。

说明书全文

一种应用于航空大功率变压整流器的液冷散热设备

技术领域

[0001] 本发明涉及变压整流器(TRU)和自耦变压整流器(ATRU)冷却技术领域。具体涉及一种应用于航空大功率变压整流器的液冷散热设备。

背景技术

[0002] 随着多/全电飞机技术发展和研究深入，电能将成为飞机上唯一的二次能源，用电需求量越来越大。多电飞机代表B787飞机供电总量高达1.5MW，且供电网络采用了80％以上的电源变换装置，且单体容量大幅增加，其相应散热量也越来越大。

[0003] B787飞机采用四台230V，频率为360Hz～800Hz，容量为250kVA变速变频交流发电机为飞机用电负载提供电能。但飞机上除交流用电设备以外，还同时存在直流用电设备，使用传统的整流器进行AC-DC电能变换会给飞机电网带来很多谐波污染，给其他设备也会带来很多干扰。在这种场合采用多脉冲变压整流器解决谐波污染问题，多脉冲变压整流器不仅能抑制电源输入部分电流中的谐波，还能降低直流侧输出电压的纹波幅值，且结构简单，可靠性高，过载能力强。航空领域常用的多脉冲整流器为12脉冲变压整流(TRU)及18脉冲自耦变压整流器(ATRU)。其中，18脉波变压整流器是将三相相位相差120°的交流电转变为9相相位互差40°的交流电，再经过三个整流电路最终实现低输入电流THD的AC-DC的转换。原理框图如图1所示。

[0004] 变压器整流器设备主要包括导线，可以是扁铜线或者铜箔(铝箔)等导电材质；同时包括磁芯，目前常用的磁芯材料有硅钢片和1J22磁芯；同时还包括整流部分，可以使用单桥臂二极管组成，也可以由二极管组成。

[0005] 变压整流器产品在工作期间其绕组、磁芯和二极管会产生大量热，为此需要使用相关冷却技术为主要发热点进行散热，以保证设备在其工作环境温度条件下的温度在允许范围内。由于变压器绕组紧密绕制于磁芯上，且各层间垫有聚酰亚胺绝缘介质，设备内部产生的热量只能通过多层绝缘介质传导至导热性能一般的磁芯上。这种导热路径必然会使变压器绕组内部温度超过允许范围，最终导致设备过温告警甚至烧毁设备。加之，随着多电飞机的发展对变压整流器提出更高功率等级要求，其损耗将进一步增加，散热问题将成为变压整流器设备急需解决的问题。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于，解决现有大功率变压整流器散热问题，提出应用于大功率变压整流器的液冷散热设备，主要包括产品内部功率器件布局、液冷板设计及液冷管路连接，尤其对磁芯和变压器绕组内部热量散热问题提出了解决方案，并依据上述原理完成大功率变压整流器的液冷设备设计。

[0007] 本发明技术方案:一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，包括自耦变压器磁芯6、绕组7、二极管8、放电电阻9、滤波电感10、液冷板及其液冷连接软管15、液冷进口13、液冷出口14和壳体；

[0008] 液冷板主要包括底筒冷板1、绕组冷板2、二极管冷板3、底板冷板4和分配板5，主要发热部件包括自耦变压器磁芯6、绕组7、二极管8、放电电阻9、滤波电感10；

[0009] 多个底筒冷板1、多个绕组冷板2、多个分配板5、自耦变压器磁芯6、多个绕组7构成变压器部件，每个绕组7绕在一个底筒冷板1四周，一个绕组冷板2在绕制过程中放置在对应的绕组7内，随绕组7一同绕制，所有绕组7绕制完成后，将自耦变压器磁芯6插入各个底筒冷板1中，各个分配板5与对应的底筒冷板1、绕组冷板2连接，实现绕组7内底筒冷板1和绕组冷板2中液冷流道的串并联连接；

[0010] 二极管冷板3下表面与绕组7上表面相接，为多个绕组7散热，二极管冷板3上表面与二极管8接触，实现二极管8的冷却；

[0011] 底板冷板4为液冷散热设备的底板，一侧具有液冷进口13和液冷出口14，其上放置变压器部件，放电电阻9、滤波电感10，为变压器部件，放电电阻9、滤波电感10进行散热，底板冷板4上设有液冷连接软管15的进口和出口，实现底板与各液冷部件之间的管路连接；

[0012] 液冷连接软管15将底板冷板4、二极管冷板3、分配板5的液冷散热流道连通。

[0013] 其特征在于，液冷板材质均为铝合金材质，其内部均设有液冷流道，先将液冷板铣出流道，再使用高频扩散焊接技术将两块铝合金板无缝结合，以形成液冷流道。

[0014] 其特征在于，变压器部件通过导热垫固定于底板冷板4上。

[0015] 其特征在于，底筒冷板1由上下液冷板11和两个侧面四氟板12组成，四氟板12与上下液冷板11通过粘合剂粘接后形成底筒冷板，自耦变压器磁芯6和底筒冷板1适配完成后，由于他们之间会存在一定的间隙，为保证自耦变压器磁芯6位置相对固定，需要在自耦变压器磁芯6和底筒冷板1之间加垫聚酯板；为保证自耦变压器磁芯6发热有效传递至液冷板，使用硅胶将空隙完全填充。

[0016] 其特征在于，自耦变压器磁芯6与绕组7适配完成后，使自耦变压器磁芯6站立，封住底面缝隙，用针筒对自耦变压器磁芯6和底筒冷板1之间缝隙打入硅胶，灌满后，80℃烘干2小时。

[0017] 其特征在于，绕组冷板2绕制时首先需要将绕组冷板上下表面加垫绝缘材料，避免绕组与绕组冷板直接接触，然后在绕组冷板2上涂抹导热凝胶，在绕制过程中各层绕组之间均涂抹导热凝胶，以减小绕组之间的热阻。

[0018] 其特征在于，二极管8涂抹导热硅脂后固定于二极管冷板上，二极管冷板通过导热垫与变压器绕组上表面相接。

[0019] 其特征在于，各个分配板5通过12个螺钉与对应的底筒冷板1、绕组冷板2并联连接后，再通过各个分配板5之间串联连接实现流道贯通。

[0020] 其特征在于，液冷源控制冷却液通过液冷进口13进入底板冷板4液冷流道，由液冷出口14流出。

[0021] 发明的有益效果：

[0022] 本发明为大功率变压整流器产品散热提供了解决方案，并在样机中得到验证。针对发热严重的变压器磁芯散热提出了底筒冷板散热方案；针对发热严重的变压器绕组散热提出了绕组冷板与变压器绕制一同进行方案等提高换热效率，上述措施可将变压器磁芯和绕组温度大幅度降低，可分别控制在60℃和80℃以下。

[0023] 通过液冷板的串并联设计使散热效果及设备重量体积达到最优，进一步提高设备的功重比和功率密度。附图说明

[0024] 图1为变压整流变换器原理框图

[0025] 图2为液冷变压整流器设备及其液冷系统图

[0026] 图3为液冷板部件等轴视图

[0027] 图4为液冷板及发热部件图

[0028] 图5为含液冷板的变压器部件等轴视图

[0029] 图6为底筒冷板部件等轴视图

[0030] 图7为绕组冷板部件等轴视图

[0031] 图8为二极管液冷板顶视图

[0032] 图9为设备液冷管路分布图

[0033] 图10为分配板部件等轴视图

具体实施方式

[0034] 下面结合附图和实施例对本发明的连接结构进行详细说明。

[0035] 本发明的变压器本体与二极管采用上下结构布置，变压器部件安装于底板上，其上面放置二极管冷板，二极管冷板与变压器线包上端之间通过导热垫连接，二极管冷板即可以为二极管冷板散热又能够为变压器绕组上表面进行散热。

[0036] 大功率变压整流器发热部件有变压器磁芯、变压器绕组、二极管、放电电阻及滤波电感。针对变压器磁芯、变压器绕组和二极管主要发热部件设计了液冷板及相应液冷管路。

[0037] 所设计的液冷板包括磁芯底筒冷板、绕组冷板、分配板、底板冷板、二极管散热冷板。将变压器磁芯底筒上下两表面设置成液冷冷板形式，底筒两侧使用四氟板，与底筒上下液冷板粘接后形成底筒冷板，另外磁芯和底筒冷板适配完成后需使用聚酯板和硅胶对空隙进行填充。

[0038] 针对发热严重的变压器绕组内部增设绕组冷板，为保证绕组冷板与绕组之间热阻足够低，绕组冷板需随变压器一同绕制。另外，绕制过程中每层绕组间需使用导热凝胶进行填充。

[0039] 根据变压器发热点分布所设计了相应液冷管路，液冷管路包括依次相连的底板冷板段、二极管段和变压器段。进出口设计集成于设备一侧，与外部通过防漏快插液冷接口连接。液冷源将冷却液通过设备进水口快插接口进入底板液冷流道。底板冷板、二极管冷板、变压器各绕组间底筒冷板和绕组冷板采用串联方式连接，单个变压器绕组内部底筒冷板和绕组冷板使用分配板实现并联连接方式，如图2所示。

[0040] 具体而言，本发明的一种应用于航空大功率自耦变压整流器的液冷散热设备，包括自耦变压器磁芯6、绕组7、二极管8、放电电阻9、滤波电感10、液冷板及其液冷连接软管15、液冷进口13、液冷出口14和壳体。液冷板主要包括底筒冷板1、绕组冷板2、二极管冷板3、底板冷板4和分配板5。液冷板如图3所示。液冷板材质均为铝合金材质，其内部均设有液冷流道，液冷流道置于上述液冷板的内部，先将在铝合金板铣出流道，再使用高频扩散焊接技术将两块铝合金板无缝结合，以形成液冷流道。主要发热部件包括自耦变压器磁芯6、绕组
7、二极管8、放电电阻9、滤波电感10。液冷板及发热部件如图4所示。

[0041] 所述的变压器部件如图5所示，多个底筒冷板1、多个绕组冷板2、多个分配板5、自耦变压器磁芯6、多个绕组7构成变压器部件，变压器部件通过导热垫固定于底板冷板上。针对变压器磁芯和变压器绕组分别设计了底筒冷板及绕组冷板。底筒冷板如图6，底筒冷板由上下液冷板11和侧面四氟板12组成。四氟板12与上下液冷板11通过粘合剂粘接后形成底筒冷板，磁芯和底筒冷板适配完成后由于他们之间会存在一定的间隙，为保证磁芯位置相对固定，需要在磁芯和底筒之间加垫聚酯板；为保证磁芯发热能有效传递至液冷板，需使用硅胶将空隙完全填充。具体操作为使自耦变压器磁芯6站立，封住底面缝隙，用针筒对铁芯和冷板缝隙打入硅胶，灌满后，80℃烘干2小时。

[0042] 绕组冷板如图7所示。绕组冷板为铝合金材质，绕制时首先需要将绕组冷板上下表面加垫绝缘材料，避免绕组与绕组冷板直接接触。然后在绕组冷板上涂抹导热凝胶。在绕制过程中各层绕组之间均涂抹导热凝胶。

[0043] 二极管冷板如图8所示。二极管涂抹导热硅脂后固定于二极管冷板上，二极管冷板通过导热垫与变压器绕组上表面相接。

[0044] 液冷流道如图9所示，所述液冷流道包括依次相连的底板冷板段101、二极管段102和变压器段103，他们之间通过液冷连接软管15相连；通过分配板5将变压器底筒冷板1和变压器绕组冷板2连接，以实现串并联液冷管道散热方式。分配部件如图10所示。所述的液冷流道的进出口设计集成于设备一侧，与外部通过防漏快插液冷进出接口13和14连接。液冷源将冷却液通过设备进水口快插接口13进入底板液冷流道，冷却液通过底板冷板流至设备另一端，底板冷板段101主要为变压器下表面进行散热。然后冷却液通过底板冷板4和二极管冷板3之间的液冷连接软管15流至二极管段102，该段102主要为二极管进行散热。然后冷却液通过二极管冷板3和分配板5之间的液冷连接软管15流从二极管冷板3流至分配板5A，分配板5A再将冷却液以并联方式流经底筒冷板1A和绕组冷板2A，该段主要是为磁芯6和变压器绕组7进行散热。然后冷却液通过分配板间的液冷连接软管15依次以串联的方式从分配板5A流至5B和5C。分配板5B和5C再将冷却液分配至各自绕组的底筒冷板(1B和1C)和绕组冷板(2B和2C)。最终冷却液通过5C另一端接口与底板间的液冷连接软管15流至底板4的液冷出口14，至此冷却液在设备中完成了一次循环，再通过外部液冷源泵(及其冷却装置)实现反复循环，最终将设备各段发热部分热量通过液冷方式带走。

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