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TWI669725B - 具有３ｄ列印微通道熱槽之基於變壓器的電力轉換器 - Google Patents

具有３ｄ列印微通道熱槽之基於變壓器的電力轉換器 Download PDF

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TWI669725B
TWI669725B TW105105051A TW105105051A TWI669725B TW I669725 B TWI669725 B TW I669725B TW 105105051 A TW105105051 A TW 105105051A TW 105105051 A TW105105051 A TW 105105051A TW I669725 B TWI669725 B TW I669725B
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TW105105051A
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TW201643906A (zh
Inventor
恩斯特 派克
凡 王
詹姆士 威廉 懷特
麥可 羅伯特 皮爾斯
藍道 史蒂芬森
大衛Ｌ 威利
Original Assignee
美商格蘭電子公司
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Publication date
Application filed by 美商格蘭電子公司 filed Critical 美商格蘭電子公司
Publication of TW201643906A publication Critical patent/TW201643906A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI669725B publication Critical patent/TWI669725B/zh

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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling
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    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
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    • B22F10/20—Direct sintering or melting
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Abstract

利用藉由提供流體冷卻系統而允許諸如變壓器整流器單元(TRU)或自動變壓器整流器單元(ATRU)之電子組件之重量及大小減小之系統及方法來藉由以下操作提供TRU或ATRU之變壓器總成之高熱耗散：在該變壓器總成之繞組處提供熱界面，該等繞組係此等總成中之最熱點。該冷卻系統可包含經流體冷卻之繞組熱槽元件或「指狀件」，該經流體冷卻之繞組熱槽元件或「指狀件」可係在其中具有定位於變壓器之芯體與繞組之間或變壓器之若干匝繞組之間的微通道之導熱桿(例如，鋁、銅)。流體通過該熱槽元件之該等微通道以將直接冷卻提供至該等變壓器之熱產生繞組。該熱槽元件可藉由加法製造技術而產生。

Description

具有3D列印微通道熱槽之基於變壓器的電力轉換器
本發明一般而言係關於用於冷卻組件之系統、方法及物件。
現代飛機包含在飛行期間產生電力且將所產生電力提供至機載飛機電力系統之發電機。該等發電機利用飛機引擎之旋轉以使用各種電力產生技術產生AC電力。舉例而言，以此方式產生之電力可係230V 400Hz AC電力。當飛機在地面上時，可關斷飛機引擎，機載發電機停止產生電力，且機載電氣系統替代地可自地面氣源車接收AC電力。舉例而言，自地面氣源車提供之電力可係115V 400Hz AC電力。
儘管電源提供AC電力，但飛機組件通常需要DC電力而非AC電力。可用複數個二極體對實現AC至DC電力轉換，其中每一對連接至AC輸入之不同相位，以提供經整流DC輸出。然而，此類型之AC至DC轉換可導致污染電力產生與分配系統之實質電流諧波。為減少電流諧波，可採用多相自動變壓器來增加供應至整流器單元之AC相位之數目。舉例而言，在18脈衝被動AC至DC轉換器中，使用自動變壓器來將三相AC輸入(其相位以120°隔開)變換成具有以40°隔開之九個相位之系統。此具有減少與AC至DC轉換相關聯之諧波之效應。
變壓器通常包含諸如導線之導電材料之繞組。該等繞組充分靠 攏地隔開，使得在連接至負載時穿過一個繞組之電流流動將誘使電流在另一繞組中流動。通常將透過其驅動電流之繞組命名為初級繞組，然而通常將在其中誘發電流之繞組命名為次級繞組。該變壓器亦可包含該等繞組所纏繞之芯體，舉例而言磁芯或鐵芯。
整流器通常包含經組態以將AC信號轉換為DC信號之複數個二極體或閘流體。舉例而言，可採用全橋整流器來將AC信號轉換為DC信號。可採用額外裝置來提供電力調節，諸如相間變壓器、平衡電感器、相間電抗器、濾波器等。
在諸多應用中，變壓器大小及/或重量在實現實際及/或商業上成功之裝置中係重要因素。舉例而言，供在航空電子中使用之電力轉換器通常必須係輕型的且可需要佔據小體積。然而，此等應用通常需要高效能(諸如高電流)低雜訊電力轉換。另外或另一選擇係，諸多應用可需要低成本電力轉換器。成本可由包含材料類型、材料量及/或製造複雜度之若干個因素以及其他因素決定。
諸多電磁裝置或組件在使用期間產生熱且需要冷卻以將裝置或周圍環境之溫度保持為充分地低。包含變壓器及電感器之特定裝置包含產生需要耗散之大量熱之載流繞組。然而，由於該等繞組通常係被緊緊地捲繞且可塗佈有絕緣材料，因此在內部產生之熱必須跨越數個絕緣層傳遞，行進穿過芯體材料(其可展現不良熱導率)或沿著繞組導電路徑行進且進入連接至裝置之線路或匯流排。此等熱流動路徑中無一者係特別高效的。
當電磁裝置以高電力位準操作時熱耗散變得愈來愈重要。由此等裝置產生之高溫度限制裝置可操作之電力位準。此等溫度限制因此亦可不利地影響併入有電磁裝置之裝備之體積及重量效能。在於高周圍溫度中操作之高電力密度裝備中或在可需要主動式冷卻之應用中(諸如在航空應用中)此係尤其真實的。熱槽已知用於冷卻電子裝備， 但一般僅可用於自電磁裝置之經曝露表面移除熱。
一種電磁組件可總結為包含：芯體，其包括具有至少一個繞組表面之芯體繞組部分；繞組，其在該至少一個繞組表面上方纏繞在該芯體繞組部分上；及單片熱槽元件，其包含定位於該芯體之該繞組表面與該繞組之至少一部分之間的熱接收部分，由導熱材料形成之該熱槽元件之該熱接收部分在其中具有接收流體之至少一個流體通道。
該熱槽元件可包含以集合體形式形成該熱槽元件之燒結或熔化材料之層堆疊。該至少一個流體通道之第一部分可在第一平面中延伸，且該至少一個流體通道之第二部分可在第二平面中延伸，該第二平面不同於該第一平面。該熱接收部分可在其中包含接收流體之至少兩個流體通道，該至少兩個流體通道之各別第一部分可在第一平面中延伸，且該至少兩個流體通道之各別第二部分可在第二平面中延伸，該第二平面不同於該第一平面。該第一平面可係X-Y平面。該芯體之該繞組部分可包含四個平坦繞組表面，且該熱槽元件之該熱接收部分可毗鄰該四個平坦繞組表面中之一者定位。該熱槽元件可由銅、銅合金、鋁或鋁合金中之至少一者形成。該熱槽元件之該熱接收部分可毗鄰該繞組表面且在該繞組下方定位。該熱槽元件之該熱接收部分可包含面對該至少一個繞組表面中之至少一者之第一界面表面，且該至少一個繞組表面可包含與該熱槽元件之該熱接收部分之該第一界面表面互補之第二界面表面。該熱接收部分可由導熱材料形成，具有各自接收穿過其之流體之複數個流體通道。該電磁組件可包含電感器或變壓器中之至少一者。該流體通道可包含第一敞開端及第二敞開端，該熱槽元件可進一步包含：進入口，其以流體方式耦合至該流體通道之該第一端；及離開口，其以流體方式耦合至該流體通道之該第二端。
該電磁組件可進一步包含：流體冷卻系統，其包含：至少一個 流體泵，其使流體移動；及至少一個熱交換器，其以流體方式耦合至該至少一個流體泵；其中該進入口及該離開口以流體方式耦合至該流體泵及該熱交換器。
該流體冷卻系統中之該流體可包含水、水/乙二醇溶液、介電流體、油或合成烴流體中之至少一者。該熱槽元件之該熱接收部分可具有長度及寬度，且該至少一個流體通道可包含彼此平行且平行於該熱接收部分之該長度延伸之複數個流體通道。
一種電力轉換器設備可總結為包含：外殼，其至少部分地由碳纖維強化聚合物形成；及電力轉換器電子總成，其安置於該外殼內，該電力轉換器電子總成包含：至少一個磁組件，其包含具有至少一個繞組表面之芯體及在該至少一個繞組表面上方纏繞在該芯體之繞組上；及單片熱槽元件，其包含定位在該芯體之該繞組表面與該繞組之至少一部分之間的熱接收部分，由導熱材料形成之該熱槽元件之該熱接收部分在其中具有至少一個流體通道，該至少一個流體通道經由第一敞開端接收流體且經由與該第一敞開端相對之第二敞開端排出該流體。
該熱槽元件可包含以集合體形式形成該熱槽元件之燒結或熔化材料之層堆疊。
一種製造電磁組件之方法可總結為包含：提供包括具有至少一個繞組表面之芯體繞組部分之芯體；提供在該至少一個繞組表面上方纏繞在該芯體繞組部分之繞組上；提供三維設計檔案，該設計檔案規定用於單片熱槽元件之三維設計，該單片熱槽元件包含熱接收部分，該熱接收部分在其中具有接收流體之至少一個流體通道；將該三維設計檔案提供至加法製造系統；使用該加法製造系統基於該三維設計檔案而形成該熱槽元件；及將該熱槽元件之該熱接收部分定位在該芯體之該繞組表面與該繞組之至少一部分之間。
形成該熱槽元件可包含將高能束流引導至連續層中之建構材料中以便將此等層結合成由該設計檔案規定之用於該熱槽元件之三維設計。形成該熱槽元件可包含使用選自包括以下各項之加法製造程序群組之加法製造程序形成該熱槽元件：直接金屬雷射燒結(DMLS)、選擇性雷射熔化(SLM)、選擇性雷射燒結(SLS)、電子束熔化(EBM)、雷射金屬成型(LMF)、雷射工程設計淨成形(LENS)或直接金屬沈積(DMD)。形成該熱槽元件可包含：將該設計檔案中之三維資訊轉換成各自界定該熱槽元件之剖面層之複數個切片；及藉由使用雷射能量熔合金屬粉末而連續地形成該熱槽元件之每一層。
100‧‧‧電力轉換器
102‧‧‧三相至n相自動變壓器/自動變壓器
104‧‧‧n脈衝整流器/整流器
105‧‧‧流體冷卻系統
106‧‧‧三相輸入信號
108‧‧‧三相初級線圈
110‧‧‧n相次級線圈
112‧‧‧n相AC信號
114‧‧‧分支
116‧‧‧二極體
118‧‧‧DC輸出
150‧‧‧飛機電力系統
152‧‧‧飛機引擎/渦輪機
154‧‧‧發電機
156‧‧‧電力轉換器
157‧‧‧流體冷卻系統
158‧‧‧DC匯流排
160‧‧‧負載
170‧‧‧電磁裝置/電磁組件
172‧‧‧芯體元件
172A‧‧‧第一「E形」芯體子元件/第一芯體子元件/芯體子元件
172B‧‧‧第二「E形」芯體子元件/第二芯體子元件/芯體子元件
174A‧‧‧主體部分
174B‧‧‧主體部分
176‧‧‧第一外支腿/第一支腿
176A‧‧‧第一外支腿/支腿/第一支腿
176B‧‧‧第一外支腿/支腿
178‧‧‧第二中心支腿/第二支腿/支腿
178A‧‧‧第二中心支腿/支腿
178B‧‧‧第二中心支腿/支腿
180‧‧‧第三外支腿/第三支腿/支腿
180A‧‧‧第三外支腿/支腿
180B‧‧‧第三外支腿/支腿
184A‧‧‧底部表面
184B‧‧‧底部表面
186A‧‧‧第一繞組/繞組
186B‧‧‧第二繞組/繞組
186C‧‧‧第三繞組/繞組
188A‧‧‧第一絕緣層
188B‧‧‧第二絕緣層
188C‧‧‧第三絕緣層
190‧‧‧底板/支撐底板
192‧‧‧緊固件
194A‧‧‧夾鉗
194B‧‧‧夾鉗
196A‧‧‧托架
196B‧‧‧托架
198A‧‧‧墊
198B‧‧‧墊
200‧‧‧條帶/帶
202‧‧‧夾子
204‧‧‧熱槽元件
204A‧‧‧熱槽元件/第一熱槽元件
204B‧‧‧熱槽元件/第二熱槽元件
204C‧‧‧熱槽元件/第三熱槽元件
206‧‧‧第一端部分
208‧‧‧第二端部分
210‧‧‧熱接收部分
212‧‧‧頂部表面
214‧‧‧底部表面
216‧‧‧面向上流體口/流體口
218‧‧‧流體配件
218A‧‧‧進入流體配件
218B‧‧‧流體配件
218C‧‧‧配件
218D‧‧‧配件
218E‧‧‧配件
218F‧‧‧配件
218G‧‧‧流體配件
218H‧‧‧第一流體配件
218I‧‧‧第二流體配件
218J‧‧‧流體配件
218K‧‧‧流體配件
218L‧‧‧流體配件
218M‧‧‧流體配件
218N‧‧‧離開流體配件
220‧‧‧微通道
222‧‧‧下部部分
224‧‧‧面向下膛孔
226‧‧‧邊緣
230‧‧‧熱槽元件
232‧‧‧底部表面
234‧‧‧支腿
236‧‧‧芯體元件
238‧‧‧熱接收部分
240‧‧‧匝
242‧‧‧匝
244‧‧‧繞組
250‧‧‧流體冷卻系統
252‧‧‧外殼/機殼/碳纖維環氧樹脂機殼
254‧‧‧自動變壓器整流器單元
256‧‧‧前嵌板/嵌板
258‧‧‧後嵌板/嵌板
260‧‧‧頂部嵌板/嵌板
262‧‧‧底部嵌板/嵌板
264‧‧‧左側嵌板/嵌板
266‧‧‧右側嵌板/嵌板
268‧‧‧手柄
270‧‧‧手柄
272‧‧‧電磁組件
273‧‧‧整流器單元
274A‧‧‧熱槽元件
274B‧‧‧熱槽元件
276A‧‧‧繞組
276B‧‧‧繞組
278‧‧‧芯體元件
280‧‧‧二極體
282‧‧‧熱槽底板/整流器熱槽底板
283‧‧‧微通道
284‧‧‧第一流體口/流體口
286‧‧‧第二流體口/流體口
288‧‧‧流體泵
290‧‧‧熱交換器
292A-292G‧‧‧管
8-8‧‧‧線
9-9‧‧‧線
H‧‧‧高度
L‧‧‧長度
W‧‧‧寬度
在各圖式中，相同參考編號識別相似元件或行為。圖式中之元件之大小及相對位置未必係按比例繪製的。舉例而言，各種元件之形狀及角度未按比例繪製，且此等元件中之某些元件經任意放大及定位以改良圖式清晰度。進一步地，如所繪製之元件之特定形狀並非意欲傳達關於特定元件之實際形狀之任何資訊，且僅為易於在圖式中辨識而選擇。
圖1係根據一項所圖解說明實施例之電力轉換器之示意性表示。
圖2係根據一項所圖解說明實施例之飛機電力系統之示意性表示。
圖3係根據一項所圖解說明實施例之包含經流體冷卻之熱槽元件之電磁組件之等角視圖。
圖4係根據一項所圖解說明實施例之圖3之電磁組件之等角分解視圖。
圖5係根據一項所圖解說明實施例之圖3之電磁組件之俯視平面圖。
圖6係根據一項所圖解說明實施例之圖3之電磁組件之前視立面 圖。
圖7係根據一項所圖解說明實施例之圖3之電磁組件之右面側視立面圖。
圖8係根據一項所圖解說明實施例之沿著圖5之線8一8截取的圖3之電磁組件之等角剖視圖。
圖9係根據一項所圖解說明實施例之沿著圖5之線9一9截取的圖3之電磁組件之等角剖視圖。
圖10A係根據一項所圖解說明實施例之經流體冷卻之熱槽元件之側視立面圖。
圖10B係根據一項所圖解說明實施例之經流體冷卻之熱槽元件之俯視平面圖。
圖10C係根據一項所圖解說明實施例之經流體冷卻之熱槽元件之等角視圖。
圖11係根據一項所圖解說明實施例之包含經流體冷卻之熱槽元件之電磁組件之一部分之等角剖視圖。
圖12係根據一項所圖解說明實施例之自動變壓器整流器單元(ATRU)及與ATRU相關聯之流體冷卻系統之等角視圖。
圖13A係根據一項所圖解說明實施例之展示ATRU之內部組件的ATRU及流體冷卻系統之等角視圖。
圖13B係根據一項所圖解說明實施例之展示ATRU之內部組件的ATRU及流體冷卻系統之俯視平面圖。
圖14係根據一項所圖解說明實施例之包含複數個流體通道之ATRU之整流器熱槽底板之等角視圖。
圖15係根據一項所圖解說明實施例之ATRU之流體冷卻系統之組件之等角視圖。
在以下說明中，陳述某些特定細節以便提供對各種所揭示實施例之透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，可在不具有此等特定細節中之一或多者之情況下或藉助其他方法、組件、材料等來實踐實施例。在其他例項中，尚未展示或詳細闡釋與電力電子學相關聯之眾所周知之結構以避免不必要地使實施例之說明模糊。
除非內容脈絡另有要求，否則在說明書及以下申請專利範圍通篇中，措辭「包括」與「包含」同義，且係包含性的或開放式的(即，不排除額外未敘述元件或方法行為)。
此說明書通篇中對「一項實施例」或「一實施例」之提及意指與該實施例一起闡述之特定特徵、結構或特性包含於至少一項實施例中。因此，在本說明書通篇中之各處出現之片語「在一項實施例中」或「在一實施例中」未必全部係指同一實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以任一適合方式組合於一或多項實施例中。
如本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，單數形式「一(a、an)」及「該」包含複數個指示物，除非內容脈絡另有明確指示。亦應注意，術語「或」一般在其最寬廣意義上(亦即，作為含義「及/或」)被採用，除非內容脈絡另有明確指示。
本文中所提供之本發明之標題及發明摘要僅為方便起見且並不解釋實施例之範疇或意義。
本發明之實施例針對於允許電子組件(舉例而言變壓器整流器單元(TRU)或自動變壓器整流器單元(ATRU))之重量及大小減小之系統及方法。
在某些實施方案中，利用輕型流體冷卻系統以藉由以下操作提供TRU或ATRU之變壓器總成之高熱耗散：在變壓器總成之繞組與磁芯(其通常係此等總成中之最熱點)之間的界面處提供熱界面。該輕型冷卻系統可包含經流體冷卻之繞組熱槽元件或「指狀件」，該經流體 冷卻之繞組熱槽元件或「指狀件」可係在其中具有定位於變壓器之芯體與繞組之間或變壓器之若干匝繞組之間的微通道之導熱桿。流體(例如，液體、氣體)通過熱槽指狀件之微通道以將直接冷卻提供至變壓器之熱產生繞組。
熱槽元件可由任何適合之相對高熱導率材料(舉例而言銅、鋁、合金(例如，鋁合金1050A、6061及6063、銅合金))形成。舉例而言，銅可具有多於300瓦特/米開爾文(W/(m．K))之熱導率，而鋁或鋁合金可具有多於150W/(m．K)之熱導率。
在某些實施方案中，熱槽元件可藉由與減法製造技術相對之加法製造技術(其係依據三維(3D)模型資料通常層疊地接合材料以製成物件之程序)而產生。加法製造技術之非限制性實例包含直接金屬雷射燒結(DMLS)、選擇性雷射熔化(SLM)、選擇性雷射燒結(SLS)、電子束熔化(EBM)、雷射金屬成型(LMF)、雷射工程設計淨成形(LENS)或直接金屬沈積(DMD)。
DMLS係使用雷射來燒結粉末狀材料(例如，金屬)從而使雷射自動針對由3D模型界定之空間中之點且將材料結合在一起以形成固體結構之加法製造程序。SLM使用可比較概念，但在SLM中，材料經完全熔化而非燒結，從而允許所得產品中之不同性質。
DMLS程序涉及3D CAD模型之使用，藉此形成檔案(例如，.STL檔案)且將該檔案發送至在DMLS機器上執行之軟件。技術人員可藉助3D模型工作以恰當地定向部件建構之幾何形狀且可視情況而定添加支撐結構。一旦已完成此「建構文檔」，便將模型切分成機器將建構成且下載至DMLS機器之層厚度。DMLS機器可使用相對高動力雷射，舉例而言，200瓦特Yb纖維光學雷射。在建構室區域內側，可存在材料施配平臺及建構平臺連同用於使新粉末在建構平臺上方移動之重新塗佈器刀片。該技術藉由使用聚焦雷射束局部地燒結金屬粉末而 將金屬粉末熔合成固體部件。部件通常使用極薄層(例如，20微米厚之層)而逐層相加地積累。此程序允許依據3D CAD資料在若干小時內且不藉助任何工具完全自動地直接形成高度複雜之幾何形狀。DMLS係以高準確度及詳細解析度、良好表面品質及極好機械性質產生部件之淨成形程序。
一個當前解決方案使用一個或兩個固體金屬桿以透過長路徑將熱傳導至附接至變壓器之外部之冷板。在內部產生之熱亦透過繞組之外部表面傳導至冷板，儘管熱必須首先自更靠近於變壓器繞組之芯體之熱點傳導至線圈之外部表面。
在本文中所論述之實施方案中，實質上縮短了自熱產生元件(例如，繞組)至冷卻流體之熱傳導路徑。此減小繞組與冷卻流體之間的溫度差。
本發明之實施方案亦由於繞組之熱產生表面與熱槽指狀件之間的較高壓縮力而提供自變壓器繞組至冷卻流體之較高熱傳遞速率。透過界面之熱傳導與所施加之壓力成比例。此相對於現有解決方案係有利的，現有解決方案可透過聚矽氧橡膠柔度材料將變壓器繞組之外部表面壓在冷板上。此材料具有低熱導率，且透過界面施加之壓力通常係低的。因此，本發明之實施方案提供高得多之熱傳遞效率。
習用空氣冷卻或冷板冷卻解決方案需要導熱電力供應器外殼(「機殼」)來耗散所產生熱。如下文進一步詳細地論述，前述輕型流體冷卻系統之使用允許使用碳纖維環氧樹脂材料來形成裝納TRU或ATRU之機殼。有利地，與由導熱材料(例如，鋁)形成之機殼相比，碳纖維環氧樹脂機殼具有較低重量及較高強度。
圖1係其中可提供本發明之實施方案之實例性電力轉換器100之建構區塊之示意性表示。電力轉換器100經組態以將三相AC輸入轉換為DC輸出。為了圖解說明，電力轉換器100包括三相至n相自動變壓 器102、n脈衝整流器104及可用於冷卻自動變壓器及/或整流器之一或多個組件之流體冷卻系統105。可採用其他形式及/或拓撲之電力轉換器。
自動變壓器102經組態以接收三相輸入信號106且包括三相初級線圈108及n相次級線圈110。自動變壓器102經組態以提供n相AC信號112。整流器104包括耦合至n相AC信號112之各別輸出之複數個分支114。如所圖解說明，每一分支包括兩個二極體116。可採用其他整流裝置，諸如閘流體等。整流器104產生DC輸出118。
較高脈衝整流一般提供DC輸出上之較低漣波及較低AC輸入電流失真，且因此一般產生電力轉換器之較高電力品質。一般而言，6脈衝轉換器拓撲對於在額定小於35 VA之某些航空電子裝備中使用可被視為可接受的。12脈衝轉換器拓撲對於大量航空應用可係普遍接受的。舉例而言，可針對較高電力裝備或在期望或規定高電力品質時使用24脈衝拓撲。
航空電子應用通常可採用=TRU或ATRU(舉例而言，圖1之電力轉換器100)來將三相AC電源(諸如以諸如400Hz之固定頻率操作之115伏AC電源、115伏AC 360Hz至800Hz可變頻率電源、230伏AC 360Hz至800Hz可變頻率電源等)轉換為DC電力供應器，諸如28伏DC電力供應器、270伏DC電力供應器、540伏DC電力供應器等。舉例而言，呈現至電力轉換器100之負載通常可介於4安培與400安培之間。在航空電子設備中使用之電力轉換器之典型功能可包含供應短期過載以清除下游故障、提供飛機AC電源與DC電力供應器之間的流電隔離、用以為飛機電力系統及電負載之適當功能提供電力轉換器之AC及DC側上之可接受電力品質的電力調節、故障之自監測及報告等。當需要流電隔離及/或輸入至輸出電壓之比率為大時使用TRU。TRU用於自115伏AC或230伏AC飛機源電力產生28伏DC飛機匯流排。ATRU不提供 流電隔離。當不需要此隔離時ATRU使用且當輸入至輸出電壓之比率為低時ATRU係最高效的。ATRU通常用於將115伏AC 3相源轉換為270伏DC或將230伏AC 3相源轉換為540伏DC，以將此等電壓提供為飛機上之分配匯流排或給大個別負載(諸如馬達)供電。諸如圖1之電力轉換器100之電力轉換器可在其他應用中採用且經組態以提供其他功能。TRU及ATRU可採用使用額外裝置(諸如相間變壓器、平衡電感器、相間電抗器、濾波器等)之拓撲，以便提供所要功能性，諸如可接受電力品質。
圖2係實例性飛機電力系統150之功能方塊圖。如所圖解說明，飛機引擎或渦輪機152驅動發電機154。發電機154將AC電力信號提供至電力轉換器156，諸如圖1中所圖解說明之電力轉換器100。根據下文所論述之實施方案中之一或多者，電力轉換器156可由流體冷卻系統157冷卻。舉例而言，在飛機上產生之電力在400Hz或可變頻率下可係115伏AC電力。可採用其他電壓位準及頻率。電力轉換器156耦合至DC匯流排158且將DC電力信號提供至DC匯流排。一或多個負載160(諸如飛行裝備，包含關鍵飛行裝備)可耦合至DC匯流排158且可自DC匯流排汲取電力。通常，飛行裝備可使用28伏DC電力來操作。可採用其他輸出電壓位準。
圖3至圖9展示呈自動變壓器之形式之電磁裝置或組件170。電磁組件170亦可採取其他類型之電磁組件(舉例而言，變壓器或電感器)之形式。如圖4中所展示，電磁組件170包含包括第一「E形」芯體子元件172A及第二「E形」芯體子元件172B之芯體元件172。第一芯體子元件172A具有主體部分174A、自主體部分之第一端延伸之第一外支腿176A、自主體部分之中間延伸之第二中心支腿178A及自與第一端相對的主體部分之第二端延伸之第三外支腿180A。第一芯體子元件172A包含頂部表面182A及與頂部表面相對之底部表面184A(圖6)， 「頂部」及「底部」係參考圖3中所展示之定向。第二芯體子元件172B具有主體部分174B、自主體部分之第一端延伸之第一外支腿176B、自主體部分之中間延伸之第二中心支腿178B及自與第一端相對的主體部分之第二端延伸之第三外支腿180B。第二芯體子元件包含頂部表面182B及與頂部表面相對之底部表面184B。
第一芯體子元件172A之支腿176A、178A及180A分別鄰接第二芯體子元件172B之對應支腿176B、178B及180B，使得該等第一及第二芯體子元件一起用作具有第一外支腿176、第二中心支腿178及第三外支腿180之單個芯體元件172。在某些實施方案中，取決於電磁組件之特定應用，第一芯體子元件172A之支腿176A、178A及180A中之一或多者可與第二芯體子元件172B之支腿176B、178B及180B中之對應一者分開一間隙。
芯體元件172可由高導磁率材料(諸如高導磁率鋼、鐵或肥粒鐵)形成。芯體元件172可由固體材料件構造或可藉由堆疊彼此絕緣之薄層壓層形成。進一步地，芯體子元件172A及172B可以其他形狀(諸如「U」形、「E-I」形等)形成。
包括若干匝絕緣導線之第一繞組186A在第一絕緣層188A(圖4)上方纏繞在芯體元件172之第一支腿176上。包括若干匝絕緣導線之第二繞組186B在第二絕緣層188B上方纏繞在芯體元件172之第二支腿178上。包括若干匝絕緣導線之第三繞組186C在第三絕緣層188C上方纏繞在芯體元件172之第三支腿180上。繞組186A、186B及186C(共同為「繞組186」)可基於電磁組件之特定應用以一方式電連接至電源及/或負載(未展示)。
展示使用複數個緊固件192(例如，螺絲等)安裝於底板190上之電磁組件170，該底板一般可執行支撐及散熱功能。電磁組件170可以各種方式中之任一者連接至底板190。舉例而言，在所圖解說明之實施 例中，可提供夾鉗194A及194B以藉助各別托架196A及196B以及一或多個緊固件192將第一芯體子元件172A及第二芯體子元件172B分別固定至支撐底板190。墊198A及198B分別安裝於各別芯體子元件172A及172B之主體部分174A及174B上以分別接收夾鉗194A及194B。舉例而言，墊198可由聚矽氧橡膠柔度材料形成，且可用以最小化分別由夾鉗194A及194B賦予芯體子元件172A及172B之應力或壓力(尤其由於在使用期間之移動或振動)。墊198可具有黏合表面使得其黏合至芯體子元件或夾鉗。在某些實施方案中，墊198可係導熱的。進一步地，第一芯體子元件172A及第二芯體子元件172B可藉由條帶或帶200之使用緊固在一起，條帶或帶200之端藉由夾子202接合。
電磁組件170包含與電磁組件之芯體元件172之各別支腿176、178及180相關聯之熱槽元件204A、204B及204C(共同為「熱槽元件204」)。圖10A至圖10C中最佳地圖解說明熱槽元件204之結構。熱槽元件204A、204B及204C可分別與支腿176、178及180以及各別繞組186A、186B及186C相關聯。熱槽元件204可由導熱材料(諸如鋁或銅或者其他金屬或金屬合金)整體地形成。
如圖10A至圖10C中之熱槽元件204之部分地透視之視圖中所展示，每一熱槽元件包含第一端部分206及藉由實質上平坦熱界面或熱接收部分210與該第一端部分間隔開之第二端部分208。熱接收部分210包含頂部表面212及與該頂部表面間隔開之底部表面214。在所圖解說明之實施例中，熱接收部分210具有大致4.25英吋(10.8釐米)之長度L、大致1.125英吋(2.86釐米)之寬度W及頂部表面212與底部表面214之間的大致0.25英吋(0.64釐米)之高度H。第一端部分206及第二端部分208包含可耦合至流體配件218(圖3)之各別面向上流體口216。四個微通道220以並聯流動組態在流體口216中之每一者之下部部分222之間延伸跨越熱接收部分210之長度L。在諸如所圖解說明實施方案之 某些實施方案中，使用3D加法製造程序製造熱槽元件204，此允許使微通道220安置於一個以上X-Y平面中之能力。在所圖解說明之實施例中，微通道220具有圓形剖面且各自具有大致0.13英吋(0.33釐米)之直徑。因此，熱接收部分210中之微通道中之每一者之頂部及底部自熱接收部分210之分別頂部表面212及底部表面214係大約0.06英吋。在其他實施方案中，該等微通道可具有其他形狀(舉例而言，矩形、正方形、橢圓形等)之剖面。熱槽元件204亦可包含接收緊固件(例如，螺絲)以將熱槽元件固定至諸如底板190(圖4)之支撐件的一或多個面向下膛孔224。在操作中，流體可透過微通道220中之每一者流動至熱槽元件204之流體口216中之一者中，且自流體口中之其他者流出。如下文所論述，流體冷卻系統之一或多個管可耦合至熱槽元件204之流體口216從而以一或多個串聯或並聯組態(參見圖15)將多個熱槽元件之微通道220以流體方式耦合在一起。
參考圖3、圖8及圖9，熱槽元件204之熱接收部分210經定大小且經塑形以在芯體元件172之第一支腿176之底部表面184與第一繞組186A之最裡面一或多匝之間延伸以將在第一繞組中產生之熱自電磁組件170向外傳導。如圖9及圖10C中所展示，熱槽元件204之熱接收部分210之底部表面214之邊緣226可係渾圓的以維持熱槽元件與第一繞組186A之間的品質熱界面且使得第一繞組之最裡面匝不被尖銳之邊緣損壞。熱槽元件204之熱接收部分210之長度L、寬度W及/或形狀可變化，但一般可類似於第一繞組186A所纏繞之芯體元件172之第一支腿176之長度、寬度及/或形狀。舉例而言，在其中芯體元件之支腿係圓柱形之情形中，熱接收部分可以具有類似於芯體元件之圓柱形支腿之外半徑之內表面半徑之部分(例如，二分之一、四分之一)圓柱形殼體之形狀形成，使得熱接收部分之內表面鄰接芯體元件之支腿之外表面之至少一部分。
圖11圖解說明熱槽元件230之另一實施方案，其中不是毗鄰芯體元件236之支腿234之底部表面232，而是熱槽元件之熱接收部分238可經定大小且經塑形以在繞組244之毗鄰匝240與242之間延伸。在此等實施方案中，熱槽元件230之熱接收部分238之頂部表面及底部表面兩者可與繞組244實體接觸。
返回參考圖3至圖9，第二熱槽元件204B及第三熱槽元件204C實質上相同於第一熱槽元件204A，因此本文中為了簡潔而不重複對第二及第三熱槽元件之功能性之說明。
熱槽元件之特定形狀及大小以及每一熱槽元件中之微通道220之形狀、大小及數目可基於諸如熱槽元件將與其一起使用之電磁組件之大小及電力位準以及所需要之冷卻量等因素而經選擇。進一步地，熱槽元件之形狀可容易地比例縮放至不同大小之電磁組件。有利地，由於在某些實施方案中熱槽元件之形狀一般對應於電磁組件之佔用面積，因此熱槽元件不增加組件之佔用面積且僅稍微增加組件所佔據之空間體積。因此，熱槽元件在各種條件下為各種組件提供有效冷卻。
如上文所論述，可提供夾鉗194A及194B以藉助各別托架196A及196B以及一或多個緊固件192將第一芯體子元件172A及第二芯體子元件172B分別固定至支撐底板190。有利地，以此方式夾緊第一芯體子元件172A及第二芯體子元件172B將芯體子元件、熱槽元件204及繞組186更緊緊地按壓在一起，此改良繞組與熱槽元件之間的熱傳導。
圖12展示耦合至包含圖3至圖9之電磁組件170之ATRU 254之外殼或機殼252之流體冷卻系統250。圖13A及圖13B展示在機殼252內側的ATRU 254之內部組件。在所圖解說明之實施方案中，機殼252係實質上矩形形狀且藉由前嵌板256、後嵌板258(圖13A)、頂部嵌板260、底部嵌板262(圖13A)、左側嵌板264及右側嵌板266形成。機殼252亦包含分別定位於前嵌板256及後嵌板258上之手柄268及270，以允許使 用者更容易地攜載及運輸ATRU 254。
如圖13A及圖13B中所展示，ATRU 254包含圖3至圖9之電磁組件170、可係(舉例而言)相間變壓器之電磁組件272，及整流器單元273。上文論述電磁組件170之部件。電磁組件272在諸多方面類似於電磁組件170，因此不需要對電磁組件272之詳細論述。
電磁組件272包含毗鄰電磁組件之各別繞組276A及276B定位在其芯體元件278之各別支腿下面之熱槽元件274A及274B(參見圖15)。熱槽元件274A及274B類似於圖3至圖9之電磁組件170之熱槽元件204且包含允許流體流動穿過其以耗散在繞組276A及276B中產生之熱之類似流體攜載微通道(未展示)。流體配件218耦合至熱槽元件274A及274B使得流體冷卻系統250之管可以流體方式耦合至在熱槽元件內側之微通道。
整流器單元273包含緊固至熱槽底板282之複數個二極體280。如繪示熱槽底板282之等角部分地透視之視圖之圖14中所展示，該底板包含在第一流體口284與第二流體口286之間延伸之複數個微通道283。在某些實施方案中，熱槽底板282可藉由加法製造程序產生，類似於分別與電磁組件170及272相關聯之熱槽元件204及274。返回參考圖13A，熱槽底板282之流體口284及286可耦合至流體配件218，流體配件218可耦合至流體冷卻系統250之管或管道。
流體冷卻系統250可包含流體泵288以使流體循環穿過管及熱槽元件之網路。流體冷卻系統250亦可包含將流動穿過其之流體冷卻的以流體方式耦合至泵之熱交換器290(例如，散熱器)。
圖15圖解說明流體冷卻系統250之連接之實例性組態。在此圖解說明中，流體可經由進入流體配件218A在後嵌板258處進入機殼252。進入流體配件218A耦合至管292A，管292A又在與電磁組件170相關聯之熱槽元件204A之近端(如所展示)處耦合至流體配件218B。管 292B經由配件218C及218D將熱槽元件204A及204B之遠端耦合在一起且管292C經由配件218E及218F將熱槽元件204B及204C之近端耦合在一起，使得流體可連續地流動穿過熱槽元件204A、204B及204C。在熱槽元件204C之遠端處之管292D在熱槽元件204C之遠端處耦合至流體配件218G且耦合至整流器熱槽底板282之第一流體配件218H。另一管292E耦合在整流器熱槽底板282之第二流體配件218I與電磁組件272之熱槽元件274A之流體配件218J之間。分別在熱槽元件274A及274B之近端處耦合至流體配件218K及218L之管292F允許流體連續地流動穿過熱槽元件。在熱槽元件274B之遠端處之管292G耦合在流體配件218M與耦合至機殼252之後嵌板258之離開流體配件218N之間。本文中所闡述之管274或通道可具有係圓形、矩形或任何其他形狀之剖面形狀。
使用此實例性組態，可使流體循環穿過ATRU 254之各種熱槽元件。
機殼252之嵌板256、258、260、262、264、266由實質上減小ATRU 254之重量同時同步地增加其耐久性(與由諸如鋁之導熱材料製成之機殼相比較)之碳纖維環氧樹脂材料形成。如上所述，熱槽元件耗散充分熱使得ATRU 254不需要導熱機殼。與本發明之流體冷卻系統250組合之碳纖維環氧樹脂機殼252有利地提供ATRU 254之機械及結構部分之30%至50%重量減小(與習用ATRU相比較)。藉由直接冷卻磁裝置之最熱點，可重新設計此裝置以達成較小大小，從而進一步改良大小及重量減小。
進一步地，雖然本發明之實施方案可針對具有5千瓦且更高(例如，50千瓦)之輸出功率之ATRU或TRU中之相對大之磁裝置，但實施方案亦可應用於不同大小之其他磁裝置。
本發明之實施方案最小化經流體冷卻之熱槽元件之大小且將此 熱槽元件直接放在其係最有效之地方。如上文所論述，熱槽元件之熱接收部分或指狀件構建至磁組件中且位於繞組與芯體之間或視情況位於穿過繞組之半途。
採用3D金屬列印之加法製造程序可用於產生熱槽元件，該等加法製造程序提供使用其他方法(例如，習知機械加工)無法達成或將需要額外行為之益處。使冷卻通道在一個以上X-Y平面中之能力及在形成紊流而非層流中3D列印通道之固有表面粗糙度之益處在此等益處當中。特定而言，藉由3D列印程序形成之表面粗糙度形成至流體之較高熱傳遞速率(與傳統機械加工程序相比較)。進一步地，在特定線性流體速度及黏度下，粗糙表面產生較低摩擦，因此在流體冷卻系統中產生較低壓力損失。
進一步地，3D列印熱槽元件可具有對於流體流動更流線之尺寸通道，此產生較少阻力且減少壓力損失。3D列印流體通道亦允許流體通過傳統上難以到達之區域以將直接冷卻提供至此等區域中之熱點。此外，可在不具有對特殊工具準備及/或工具接達之限制之情況下自由地實施對於流體壓力損失重要之小區域(諸如3D半徑)。一般而言，可自由選擇3D列印熱槽元件之流體通道之剖面，因此該等通道可具有可能之最小厚度。
另外，3D列印熱槽元件具有比藉由習用方法(諸如鑄造及/或銅銲)產生之熱槽元件高得多之密度。因此，3D列印熱槽元件中之多孔性缺少關注。因此，3D列印熱槽元件之壁可經設計以比使用習用方法製造之熱槽元件之壁薄，此減小3D列印熱槽元件之總大小。
另一選擇係，可提供僅在一個X-Y平面中具有冷卻通道之較大熱槽元件，其中使用傳統機械加工將熱槽元件製成在製造期間接合在一起之兩個半體。此等熱槽元件可與可需要用於冷卻總成中之其他組件之微通道熱槽串聯連接在一起。此等其他熱槽可藉助加法製造技術或 藉助傳統機械加工技術產生。
前述詳細說明已經由使用方塊圖、示意圖及實例陳述裝置及/或程序之各種實施例。只要此等方塊圖、示意圖及實例含有一個或多個功能及/或操作，熟習此項技術者即將理解，可藉由一寬廣範圍之硬體、軟體、韌體或幾乎其任一組合來個別地及/或共同地實施此等方塊圖、流程圖或實例內之每一功能及/或操作。
熟習此項技術者將認識到，本文中陳述之方法或演算法中之諸多方法或演算法可採用額外行為，可省略某些行為，及/或可以不同於規定之次序執行行為。
另外，熟習此項技術者將瞭解，本文中教示之機構能夠分配為呈各種形式之程式產品，且說明性實施例同樣適用而不論用於實際上實施分配之非暫時性信號承載媒體之特定類型如何。非暫時性信號承載媒體之實例包含但不限於以下各項：可記錄類型媒體(諸如軟碟)、硬碟機、CD ROM、數位磁帶及電腦記憶體。
可組合上文所闡述之各種實施例以提供進一步實施例。若需要，則可修改實施例之態樣以採用各種專利、申請案及公開案之系統、電路及概念來提供又進一步實施例。
鑒於上文詳述之說明可對該等實施例作出此等及其他改變。一般而言，在以下申請專利範圍中，所用術語不應理解為將申請專利範圍限於說明書及申請專利範圍中所揭示之特定實施例，而應理解為包含所有可能實施例以及此申請專利範圍所賦予之等效物之全部範圍。因此，申請專利範圍並不受本揭示內容限制。

Claims (20)

  1. 一種電磁組件，其包括：芯體，其包括具有至少一個繞組表面之芯體繞組部分；繞組，其在該至少一個繞組表面上方纏繞在該芯體繞組部分上；及單片熱槽元件，其包含定位於該芯體之該繞組表面與該繞組之至少一部分之間的熱接收部分，由導熱材料形成之該熱槽元件之該熱接收部分在其中具有接收流體之至少一個流體通道，其中該至少一個流體通道之一第一部分在一第一平面中延伸，且該至少一個流體通道之一第二部分在一第二平面中延伸，該第二平面不同於該第一平面。
  2. 如請求項1之電磁組件，其中該熱槽元件包括以集合體形式形成該熱槽元件之燒結或熔化材料之層堆疊。
  3. 如請求項1之電磁組件，其中該熱接收部分在其中包含接收流體之至少兩個流體通道，該至少兩個流體通道之各別第一部分在第一平面中延伸，且該至少兩個流體通道之各別第二部分在第二平面中延伸，該第二平面不同於該第一平面。
  4. 如請求項3之電磁組件，其中該第一平面係X-Y平面。
  5. 如請求項1之電磁組件，其中該芯體之該繞組部分包含四個平坦繞組表面，且該熱槽元件之該熱接收部分係毗鄰該四個平坦繞組表面中之一者定位。
  6. 如請求項1之電磁組件，其中該熱槽元件係由銅、銅合金、鋁或鋁合金中之至少一者形成。
  7. 如請求項1之電磁組件，其中該熱槽元件之該熱接收部分係毗鄰該繞組表面且在該繞組下方定位。
  8. 如請求項1之電磁組件，其中該熱槽元件之該熱接收部分包含面對該至少一個繞組表面中之至少一者之第一界面表面，且該至少一個繞組表面包含與該熱槽元件之該熱接收部分之該第一界面表面互補之第二界面表面。
  9. 如請求項1之電磁組件，其中該熱接收部分係由導熱材料形成，具有各自接收穿過其之流體之複數個流體通道。
  10. 如請求項1之電磁組件，其中該電磁組件包括電感器或變壓器中之至少一者。
  11. 如請求項1之電磁組件，其中該流體通道包含第一敞開端及第二敞開端，該熱槽元件進一步包括：進入口，其以流體方式耦合至該流體通道之該第一端；及離開口，其以流體方式耦合至該流體通道之該第二端。
  12. 如請求項11之電磁組件，其進一步包括：流體冷卻系統，其包含：至少一個流體泵，其使流體移動；及至少一個熱交換器，其以流體方式耦合至該至少一個流體泵；其中該進入口及該離開口以流體方式耦合至該流體泵及該熱交換器。
  13. 如請求項12之電磁組件，其中該流體冷卻系統中之該流體包括水、水/乙二醇溶液、介電流體、油或合成烴流體中之至少一者。
  14. 如請求項1之電磁組件，其中該熱槽元件之該熱接收部分具有長度及寬度，且該至少一個流體通道包括彼此平行且平行於該熱接收部分之該長度延伸之複數個流體通道。
  15. 一種電力轉換器設備，其包括： 外殼，其至少部分地由碳纖維強化聚合物形成；及電力轉換器電子總成，其安置於該外殼內，該電力轉換器電子總成包含：至少一個磁組件，其包含具有至少一個繞組表面之芯體及在該至少一個繞組表面上方纏繞在該芯體上之繞組；及單片熱槽元件，其包含定位於該芯體之該繞組表面與該繞組之至少一部分之間的熱接收部分，由導熱材料形成之該熱槽元件之該熱接收部分在其中具有至少一個流體通道，該至少一個流體通道經由第一敞開端接收流體且經由與該第一敞開端相對之第二敞開端排出該流體，其中該至少一個流體通道之一第一部分在一第一平面中延伸，且該至少一個流體通道之一第二部分在一第二平面中延伸，該第二平面不同於該第一平面。
  16. 如請求項15之電力轉換器設備，其中該熱槽元件包括以集合體形式形成該熱槽元件之燒結或熔化材料之層堆疊。
  17. 一種製造電磁組件之方法，該方法包括：提供包括具有至少一個繞組表面之芯體繞組部分之芯體；提供在該至少一個繞組表面上方纏繞在該芯體繞組部分上之繞組；提供三維設計檔案，該設計檔案規定用於單片熱槽元件之三維設計，該熱槽元件包含熱接收部分，該熱接收部分在其中具有接收流體之至少一個流體通道；將該三維設計檔案提供至加法製造系統；使用該加法製造系統基於該三維設計檔案而形成該熱槽元件；及將該熱槽元件之該熱接收部分定位在該芯體之該繞組表面與 該繞組之至少一部分之間。
  18. 如請求項17之方法，其中形成該熱槽元件包括將高能束流引導至連續層中之建構材料上以便將此等層結合成由該設計檔案規定之用於該熱槽元件之該三維設計。
  19. 如請求項17之方法，其中形成該熱槽元件包括使用選自包括以下各項之加法製造程序群組之加法製造程序來形成該熱槽元件：直接金屬雷射燒結(DMLS)、選擇性雷射熔化(SLM)、選擇性雷射燒結(SLS)、電子束熔化(EBM)、雷射金屬成型(LMF)、雷射工程設計淨成形(LENS)或直接金屬沈積(DMD)。
  20. 如請求項17之方法，其中形成該熱槽元件包括：將該設計檔案中之三維資訊轉換成各自界定該熱槽元件之剖面層之複數個切片；及藉由使用雷射能量熔合金屬粉末而連續地形成該熱槽元件之每一層。
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