СЛОЙ ПЛАНАРНОГО ТРАНСФОРМАТОРА, СБОРКА СЛОЕВ ДЛЯ ПЛАНАРНОГО ТРАНСФОРМАТОРА И ПЛАНАРНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2021 года по МПК H01F27/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к слою планарного трансформатора, к сборке слоев для планарного трансформатора и к планарному трансформатору.

Известны планарные трансформаторы, мощность которых ограничена величиной 2.500 Вт при 300 В или 1.400 Вт при 2 кВ.

Ограничение передаваемой трансформатором мощности обуславливает использование от двух до трех преобразователей, каждый из которых использует трансформатор, чтобы достичь общей мощности в 5 кВт. Трансформатор, способный передавать 5 кВт, позволяет экономить от одного до двух преобразователей.

Существующие решения ограничены по мощности по следующим причинам:

- эффекты близости в трансформаторе ограничивают как рабочую частоту, так и допустимое сечение меди;

- тепловое сопротивление трансформатора ограничивает мощность, которая может быть рассеяна в трансформаторе;

- высокое выходное напряжение обуславливает наличие прочной электрической изоляции, что сопровождается повышением теплового сопротивления; и

- чередования вторичных и первичных обмоток позволяет увеличить частоту без уменьшения сечения меди, но, кроме того, подразумевает увеличение слоев электрической изоляции, что обусловливает увеличение теплового сопротивления.

Фигура 1 показывает планарный трансформатор существующего уровня техники. В правой части фигуры 1 представлены материалы, а в левой части представлены тепловые потоки.

Сложенные в пакет элементарные катушки 1, - в данном случае в количестве трех - составлены из нескольких - в данном случае из двух - слоев меди 2. Эти слои меди или электрические проводники 2 электрически изолированы друг от друга изолятором или диэлектриком 3. Изолирующий слой, - слой диэлектрика расположен между каждой из элементарных катушек 1, а также между элементарной катушкой 1 в пакете и холодным источником, на котором расположен пакет элементарных катушек.

Охлаждение такого трансформатора через магнитный сердечник означает, что рассеиваемое в проводниках тепло должно пересекать диэлектрические слои, которые изолируют между собой электрические проводники, и которые изолируют проводники от магнитного сердечника. Поскольку диэлектрические материалы, как правило, являются плохими тепловыми проводниками, то тепловое сопротивление между горячей точкой проводниками и магнитным сердечником является повышенным (тепловые сопротивления каждого диэлектрического слоя соединены с горячей точкой на магнитном сердечнике последовательно). Кроме того, поскольку магнитный сердечник также является источником рассеяния тепла, то он не является хорошим "холодным источником".

Использование в качестве холодного источника электрических соединений позволяет охлаждать электрические проводники без прохождения через последовательность диэлектрических слоев. Когда трансформатор подключен к общей шине или, говоря по-английски - к "busbar " (общему проводу), то тепло может извлекаться посредством конвекции. Когда конвекция не возможна, то общий провод сам электрически изолирован и не представляет собой, таким образом, хороший холодный источник.

Увеличение выходного напряжения такого трансформатора повлекло бы за собой увеличение толщины изоляции и, как следствие, - увеличение теплового сопротивления. Увеличение теплового сопротивления повлекло бы за собой снижение передаваемой через трансформатор мощности. Для поддержания передаваемой мощности необходимо было бы увеличить объем и массу трансформатора, что повлекло бы за собой проблемы прочности термомеханического окружения уже ограниченной массой и объемом существующих конструкций. Таким образом, удвоение передаваемой мощности известными способами осуществления недостижимо.

Кроме того, такой трансформатор должен работать в вакууме, что делает невозможным конвекционное охлаждение.

Целью изобретения является обеспечение трансформатора для передачи электрической мощности по меньшей мере 5 кВт с гальванической изоляцией с выходным напряжение от 300 В до 2 кВ для питания ионного двигателя для спутника или космического аппарата.

В соответствии с одним объектом изобретения, предложен слой планарного трансформатора, содержащий отдельные электрические соединения и тепловые соединения.

Кроме того, есть возможность заметно улучшить отвод тепловой энергии и реализовать планарный трансформатор, способный передавать электрическую мощность по меньшей мере в 5 кВт с гальванической изоляцией при выходном напряжении от 300 В до 2 кВ для питания ионного двигателя для спутника или космического аппарата.

В одном варианте осуществления тепловое соединение содержит отверстие.

Такое отверстие дает возможность элементу, такому как винт, удерживать вместе сборку множества собранных слоев.

В соответствии с одним вариантом осуществления такое отверстие содержит углубление в направлении внутренней части слоя.

Такое углубление в направлении внутренней части слоя позволяет максимизировать поверхность обмена между слоем и теплоотводом.

В одном варианте тепловое соединение может быть в форме гребенки. Кроме того, при этом увеличена поверхность обмена между слоем и теплоотводом.

В соответствии с другим объектом изобретения предложена также сборка слоев для планарного трансформатора, содержащая по меньшей мере первичный слой планарного трансформатора, такого, как описанный выше, и два вторичных слоя планарного трансформатора, не имеющие отдельных электрических и тепловых соединений, при этом три слоя разделены между собой и покрыты диэлектрическим материалом, за исключением тех мест, в которых находятся тепловые соединения слоя планарного трансформатора, такого, как описанный выше.

Такая сборка слоев обеспечивает наличие кратчайшего теплового пути между вторичными слоями и первичным слоем, при этом отвод тепла осуществляется посредством доступа первичного слоя к теплоотводу. Эта сборка особенно интересна, поскольку трудно гарантировать электрическую изоляцию между вторичными слоями и теплоотводом.

В соответствии с другим объектом настоящего изобретения предложен также планарный трансформатор, содержащий по крайней мере сборку, такую, как описанная выше.

В одном варианте осуществления трансформатор содержит множество расположенных одна на другой сборок, в котором тепловые соединения первичных слоев подсоединены к теплоотводу.

Кроме того, теплоотведение каждой сборки осуществляется отдельно. Сборка слоев трансформатора охлаждается также посредством параллельных соединений к теплоотводу, что улучшает отвод тепла по сравнению с их последовательным соединением.

По одному варианту осуществления теплоотвод содержит холодный источник и диэлектрический элемент.

Таким образом, диэлектрический элемент обеспечивает электрическую изоляцию между теплоотводом и слоями трансформатора. Поскольку слои подсоединяют к теплоотводу при требовании максимально слабой диэлектрической изоляции по отношению к этому теплоотводу, то имеется расширенный выбор диэлектриков, что позволяет осуществлять оптимизацию тепловой проводимости, а толщина диэлектрика, разделяющего слой трансформатора и теплоотвод, может быть минимизирована, чтобы максимизировать тепловую проводимость между этим слоем и теплоотводом.

В одном варианте осуществления холодный источник расположен на внешней части теплоотвода, окружая диэлектрическую часть.

По одному варианту осуществления планарный трансформатор дополнительно содержит магнитный сердечник и связанный с ним крепежный элемент.

В соответствии с другим объектом изобретения предложено также электронное устройство преобразования энергии для спутника, оснащенное по меньшей мере одним планарным трансформатором, таким, как описанный выше.

Настоящее изобретение будет более понятно по рассмотрении нескольких вариантов осуществления, описанных в виде никоим образом не ограничивающих примеров и проиллюстрированных приложенными чертежами, на которых:

фигура 1 схематично иллюстрирует планарный трансформатор в соответствии с существующим уровнем техники;

фигура 2 схематично иллюстрирует планарный трансформатор в соответствии с одним объектом настоящего изобретения;

фигуры 3 и 4 схематично иллюстрируют один слой планарного трансформатора в соответствии с двумя объектами изобретения;

фигуры с 5 по 11 схематично иллюстрируют способ осуществления трансформатора по одному объекту настоящего изобретения.

На разных фигурах элементы, имеющие одинаковые ссылочные позиции, являются идентичными.

Фигура 2 представляет собой планарный трансформатор в соответствии с одним объектом изобретения, в котором элементарная катушка 6 включает в себя один или несколько слоев 7 меди, из которых по крайней мере слой 7а выполняет функцию переноса тепла. Эти слои 7 меди электрически изолированы, например, посредством диэлектрического изолятора 8. В данном случае элементарная катушка или элементарная сборка 6 включает в себя, например, слой 7а, выполняющий функцию переноса тепла, а два других, классических слоя 7b эту функцию не выполняют.

В левой части фигуры 2 стрелками показано распространение тепловой энергии в планарном трансформаторе по слоям 7а, часть которых вблизи холодного источника 10 окружена диэлектриком 9. Таким образом образован непрерывный тепловой путь или теплоотвод между катушками 6 и холодным источником 10. Тепловая производительность холодного источника 10 играет важную роль в получении конечной характеристики трансформатора.

Уменьшение теплового сопротивления электрических проводников трансформатора позволяет значительно увеличить (более чем вдвое) передаваемую мощность, хотя выходное электрическое напряжение возросло в пять раз, без увеличения занимаемого трансформатором объема.

На фигуре 3 представлен слой 7а планарного трансформатора, включая отдельные электрические соединения 12 и тепловые соединения 13.

Тепловые соединения 13, в данном случае в количестве четырех на один слой 7а, содержат отверстия 14, позволяющие фиксировано удерживать это множество слоев 7a вместе.

Например, отверстия 14 тепловых соединений 13 могут содержать выступы 14а в направлении внутрь слоя 7а. Эти выступы 14а позволяют локально максимизировать тепловой поток в направлении холодного источника - и это с учетом ограничения, обусловленного механическим креплением трансформатора посредством винтов.

В варианте осуществления, как это показано на фигуре 4, тепловые соединения могут быть выполнены в форме гребенки, при этом без отверстия, что позволяет приспособить другой способ крепления трансформатора.

Конечно, возможен совершенно другой, отличный от этого тип теплового соединения, который, независимо от своего типа, позволяет фиксировано связать между собой пакет или сборку слоев посредством другого элемента.

Далее по тексту не ограничивающим образом будут описываться только тепловые соединения 13 с отверстиями 14.

Нижеследующее описание показывает пример осуществления изобретения.

Технологии создания обмотки основана на использовании гибких схем, составленных из электрических цепей в слое, инкапсулированном между двумя слоями эластичной изоляции.

Образованные таким образом обмотки затем укладывают в пакет.

Как показано на фигуре 5, для того чтобы легко выполнить монтаж трансформатора, можно создать сборку - непосредственно у производителя цепи, - включающую в себя, например, слой 7а планарного трансформатора, содержащий электрические соединения 12, отдельные тепловые соединения 13 и два классических слоя 7b планарного трансформатора, получив таким образом элементарную катушку или набор слоев.

Фигура 6 представляет укладку в пакет нескольких сборок слоев по фигуре 5, который таким образом составляет сборку катушек трансформатора в соответствии с одним объектом настоящего изобретения.

Для того чтобы отводить тепловой поток, создаваемый витками первичной обмотки или, другими словами, витками или слоями 7a, необходимо создать образовать непрерывный путь к основной плате трансформатора.

Сборка трансформатора осуществляется нижеуказанным образом.

Как показано на фигуре 7, после укладки в пакет на сборочном приспособлении сборок слоев или элементарных катушек 6, закрывают четыре участка отвода тепла, в данном случае расположенные вблизи углов, - посредством частей алюминиевого корпуса 16, а также скобы 17 из диэлектрического материала. Эти части 16 и 17 служат для герметизации и формирования пакета. Когда эта операция будет завершена, переходят к "опорам" трансформатора, которые служат для увеличения теплообмена в направлении холодной пластины или холодного источника 10. Действительно, в предлагаемой сборке, есть разрыв связи между трансформатором и холодным источником. В более общем смысле, эта функция более естественно могла бы выполняться непосредственно холодным источником, что еще более способствовало бы улучшению тепловых характеристик.

Затем, как показано на фигуре 8, четыре опоры 16, 17 из диэлектрической смолы 18 имели бы хорошую теплопроводность. Данная концепция с целью обеспечения электрической изоляции учитывает, возникающие между элементарными катушками 6 механические напряжения.

Наконец, вокруг катушки, составленной пакетом элементарных катушек 6, размещают ферриты 19 (магнитный сердечник). Настоящий трансформатор предполагает полное исключение теплового потока потерь в меди 6 и потери в железе ферритов 19. Поэтому ферриты 19 механически удерживаются посредством элемента 20, например, из алюминия, кроме того, выполняющего функцию теплоотвода в направлении пластины основания.

Фигура 10 показывает плоскость сечения на фигуре 8, чтобы получить сечение, вид которого показан на фигуре 11.

Группа изобретений относится к слою планарного трансформатора, к сборке слоев для планарного трансформатора и к планарному трансформатору. Слой витков катушки планарного трансформатора содержит отдельные электрические соединения и тепловые соединения, при этом тепловое соединение содержит отверстие, снабженное углублением в направлении внутрь слоя. Технический результат - повышение выходного напряжения трансформатора. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Слой (7а) витков катушки планарного трансформатора, содержащий отдельные электрические соединения (12) и тепловые соединения (13), при этом тепловое соединение (13) содержит отверстие (14), снабженное углублением (14а) в направлении внутрь слоя (6).

2. Сборка (6) слоев (7) витков катушки для планарного трансформатора, содержащая по меньшей мере один первичный слой (7а) планарного трансформатора по п. 1 и два вторичных слоя (7b) планарного трансформатора, не имеющие отдельных электрических (12) и тепловых (13) соединений, при этом три слоя (7a, 7b) разделены между собой и покрыты диэлектрическим материалом (8), за исключением того места, в котором находятся тепловые соединения слоя планарного трансформатора по п. 1.

3. Планарный трансформатор, содержащий по крайней мере одну сборку (6) по п. 2.

4. Планарный трансформатор по п. 3, содержащий расположенные одна на другой множество сборок (6), в котором тепловые соединения (13) первичных слоев (7а) подсоединены к теплоотводу.

5. Планарный трансформатор по п. 4, в котором теплоотвод содержит холодный источник (10) и диэлектрическую часть (9).

6. Планарный трансформатор по п. 5, в котором холодный источник (10) расположен на внешней части теплоотвода, окружая диэлектрическую часть (9).

7. Планарный трансформатор по одному из пп. 4-6, содержащий дополнительно магнитный сердечник (19) и связанный с ним крепежный элемент (20).

8. Электронное устройство преобразования энергии для спутника, оснащенное по меньшей мере одним планарным трансформатором по одному из предшествующих пунктов.