基于热管散热的中频变压器

技术领域

本发明涉及中频变压器技术领域，尤其涉及一种基于热管散热的中频变压器。

背景技术

近些年来，由于光伏发电、风力发电等多种新能源的并入电网，电力电子变压器越来越成为关注的热点。电力电子变压器除了具有传统变压器的功能之外，还可以改善电能质量，这对新能源电网建设具有重要意义。在电力电子变压器中，中频变压器是其中的重要元件，在离岸风电、电力机车牵引、舰船电力系统、以及特高压直流输电等领域有着广阔的应用前景。在同等功率下，中频变压器的体积和重量都要远小于传统的工频变压器。

中频变压器虽具有体积小、重量轻的优点，但磁芯损耗和绕组损耗随着变压器频率的升高而增大，这导致了严峻的散热问题。如果变压器的内部温度过高，长期作用下会使绝缘材料因失去弹性变脆，大大缩短绝缘材料的使用寿命，甚至丧失原本的绝缘作用，严重影响系统的安全运行。因此，散热设计对于保障中频变压器的使用寿命和安全运行具有重要意义。

中频变压器根据散热方式的不同可以分为水冷式、油浸式与风冷式。水冷式和油浸式通过使用变压器油或冷却液在变压器的内部与外部之间循环，以将变压器内部的热量传递至外界。但这就需要在变压器的内部架设复杂的循环管道，不利于变压器的轻量化小型化要求。由于循环管内有大量液体，如果管道的密封老化，就会导致严重的泄漏问题。而风冷式散热的设备少，成本和制造难度低、可靠性高。

风冷式变压器一般是散热风扇与散热翅片配合。将散热翅片安装在磁芯表面或者变压器外部，增大变压器的散热面积，再用散热风扇对散热翅片强制风冷，从而达到散热的效果。在现有研究中的风冷散热装置中，一般都使用铝制散热翅片，铝的导热系数低，散热效果不理想。铜的导热系数大约是铝的两倍，虽然散热效果更好，但铜的价格高昂，会大大增加变压器的制造成本。

发明内容

鉴于上述内容，本申请提出一种基于热管散热的中频变压器，用以解决上述问题。

本申请实施例提供一种基于热管散热的中频变压器，包括磁芯与绕组，所述绕组套设于所述磁芯的部分周缘，还包括：

散热片，设于所述磁芯一侧，用于散发所述磁芯及所述绕组产生的热量；

热管，至少一端连接所述散热片，且所述热管部分贴合所述磁芯或所述绕组；

散热风扇，设置并连接于所述散热片的侧面。

在至少一个实施方式中，所述热管端部包括冷凝段，所述冷凝段连接并贯穿所述散热片。

在至少一个实施方式中，所述热管还包括蒸发段，所述蒸发段连接所述冷凝段，且所述蒸发段贴合所述磁芯。

在至少一个实施方式中，所述蒸发段设于所述冷凝段底部。

在至少一个实施方式中，所述热管包括管壳，所述管壳内壁包围形成蒸汽腔，且所述管壳内壁贴合填充有毛细吸液芯。

在至少一个实施方式中，所述毛细吸液芯包括单层网芯、多层网芯、烧结粉末管芯、轴向槽道式管芯中的一种或多种。

在至少一个实施方式中，所述蒸发段与所述磁芯之间、所述蒸发段与所述绕组之间涂覆有导热层。

在至少一个实施方式中，所述散热风扇的散热方向与所述散热片的排布方向平行。

在至少一个实施方式中，所述磁芯上开设有窗口，所述热管部分设于所述窗口内部或所述绕组周缘。

在至少一个实施方式中，热管内设有冷却液，所述冷却液包括水、乙醇、丙酮、环戊烷中的一种。

相较于现有技术，本申请的提出的基于热管散热的中频变压器，通过热管直接接触磁芯，提高了热交换的效率，同时表面接触的形式减少了对变压器的干扰，具有散热效率高、可维护性强的有益效果。

附图说明

图1是本申请中基于热管散热的中频变压器一实施例的结构示意图；

图2是图1所示的基于热管散热的中频变压器中热管和散热片的结构示意图；

图3是图1所示的基于热管散热的中频变压器中热管的内部结构剖视图；

图4是图1所示的基于热管散热的中频变压器另一实施例的结构示意图；

图5是图1所示的基于热管散热的中频变压器又一实施例的结构示意图；

图6是图1所示的基于热管散热的中频变压器再一实施例的结构示意图。

附图标记：100-基于热管散热的中频变压器；1-磁芯；2-绕组；3-热管；31-蒸发段；32-冷凝段；33-绝热段；34-管壳；35-吸液芯；36-蒸汽腔；4-散热片；5-散热风扇。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1至图3，本申请实施例提出一种基于热管3散热的中频变压器100，包括磁芯1与绕组2，绕组2套设于磁芯1的部分周缘，还包括：

散热片4，设于磁芯1一侧，用于散发磁芯1及绕组2产生的热量；

热管3，至少一端连接散热片4，且热管3部分贴合磁芯1或绕组2；

散热风扇5，设置并连接于散热片4的侧面。

变压器通常包括磁芯1与绕组2两个基本组成部分，在变压器运行的过程中，由于磁滞损耗、涡流损耗、铁损、铜损等因素，会产生出大量废热并向周围器件发散，容易使磁芯1或绕组2过热、绕组2短路、接触不良等过热故障。因此需要对磁芯1与绕组2进行散热，以提高使用时的安全性，减少过热故障发生的概率。

本实施例中，散热片4设置于磁芯1的顶侧，散热片4包括多片。热管3端部连接散热片4，同时热管3与磁芯1或绕组2部分贴合，以将磁芯1或绕组2处的热量传递至散热片4处，以便将热量散发出去，降低磁芯1与绕组2的温度。热管3与磁芯1的贴合处之间也可以设有绕组2，以实现间接的热量传递。本实施例中散热片4为铜制或铝制，包括一个或多个片状结构，为多个片状结构时则互相平行分布。

本实施例中的中频变压器为芯式或壳式，热管3设置于磁芯1窗口内，或磁芯1表面，或者绕组2周围。

热管3内部装有冷却液，冷却液于热管3内流动，以提高热量传导的效率。散热风扇5设于散热片4侧面，以便于将散热片4的热量更快地散发至外部。

热管3可以包括一个或多个，以近似U型或I型的结构与磁芯1和绕组2相连。其中尤其U型热管3能够更好的贴合磁芯1结构，提高热交换的接触面积。进一步地，如图5所示，一侧可设有多层热管3，其中靠外的热管3底端可适当向一侧弯折，以能够与磁芯1更为紧密贴合，提高接触面积、避免接触不良。

热管3与磁芯1为表面接触，因此容易进行拆装，以便于对磁芯1或绕组2进行处理，提高了便利性与可维护性。

热管3与散热片4的连接工艺为穿孔或回流焊式，以充分提高热管3与散热片4的热交换效率。

请继续参阅图2，于一实施例中，热管3端部包括冷凝段32，冷凝段32连接并贯穿散热片4。冷却液在热管3中移动至冷凝段32时，由于散热片4持续散热带来的温差，冷却液在该部位降温，从而散发掉从磁芯1或绕组2处带来的热量，实现对变压器的散热。

于一实施例中，热管3还包括蒸发段31，蒸发段31连接冷凝段32，且蒸发段31贴合磁芯1或绕组2，冷却液于热管3中移动至蒸发段31时，由于磁芯1或绕组2处产生大量热量，冷却液受热汽化为气体，并开始向冷凝段32移动，以带走变压器内部的热量。本实施例中，热管3还包括绝热段33，绝热段33设于并连接于蒸发段31与冷凝段32之间。绝热段33不直接贴合磁芯1或绕组2，冷却液在绝热段33时并不与外界发生明显的热量交换。

于一实施例中，蒸发段31设于冷凝段32底部，对应地散热片4设于磁芯1与绕组2的顶部，如此使得热管3中的冷却液在底部受到磁芯1与绕组2的加热后，由于气体受热会向上流动，因此受热汽化的冷却液会向热管3顶部、即冷凝段32移动。到达冷凝段32后，冷却液气体遇冷冷凝为液体并向下移动，且低温的液体向下流动，如此实现冷却液的循环，从而将绕组2或磁芯1处的热量传递至散热片4。

请继续参阅图3，于一实施例中，热管3包括管壳34，管壳34内壁包围形成蒸汽腔36，且管壳34内壁贴合填充有毛细吸液芯35。本实施例中，热管3内还设有吸液芯35，于蒸发段31，冷却液通过吸液芯35进入蒸汽腔36内，蒸汽腔36内冷却液受热汽化为气体；气态的冷却液从蒸发段31移动至冷凝段32，再通过吸液芯35和管壳34将热量传递至热管3表面，通过散热片4以及散热风扇5排出，此时气态冷却液受冷液化并在毛细力与重力的作用下回流至蒸发段31，形成一个完整的循环，持续将磁芯1与绕组2的热量传递至外界。本实施例通过上述结构特征，利用了重力和毛细力加速冷却液流动，具有散热效果好的有益效果。

于一实施例中，毛细吸液芯35包括单层网芯、多层网芯、烧结粉末管芯、轴向槽道式管芯中的一种或多种。

于一实施例中，蒸发段31与磁芯1或绕组2之间涂覆有导热层，导热层可包括如导热硅脂等材料，以提高热管3的蒸发段31与磁芯1或者绕组2的热量交换的效率，从而间接提高散热效率。

于一实施例中，散热风扇5的散热方向与散热片4的排布方向基本平行。本实施例中，为减少空间占用，散热风扇5的结构较为扁平，因此从结构角度也可以描述为，散热风扇5与散热片4的方向基本垂直，但布置的目的是一致的，即让散热风扇5能够以尽可能高效的方式将散热片4中的热量带走，降低散热片4的温度，提高散热效率。

于一实施例中，磁芯1上开设有窗口，热管3部分设于窗口内部或绕组2周缘。磁芯1可以为日字形或口字形结构，中间贯通的部分为磁芯的窗口。热管3可以是紧贴磁芯1或绕组2靠外的壁面，也可以穿过磁芯1的窗口，从而实现热量交换。

于一实施例中，热管3内设有冷却液，冷却液包括水、乙醇、丙酮、环戊烷中的一种。

以下通过实施例进行具体解释。

实施例一

请参阅图4，主体为芯式变压器，包括一个磁芯1与两个绕组2，磁芯1为基本的口字形结构，磁芯1两侧的磁芯1柱分别环绕有一个绕组2。每个绕组2的四个侧面均贴合有一根热管3，热管3呈U型结构，且热管3的蒸发段31紧贴绕组2侧面。热管3的冷凝段32连接并穿出八片散热片4，散热片4的两侧分别安装有五个散热风扇5，一侧散热风扇5向散热片4送风，而相对的另一侧散热风扇5将散热片4内的热量向外送出，两侧散热风扇5的散热方向相同。

实施例二

请参阅图5，主体为芯式变压器，包括一个磁芯1与两个绕组2，磁芯1为基本的口字型结构，磁芯1的两根磁芯1柱分别套设有一个绕组2。热管3呈U型结构，两个绕组2朝向磁芯1中间的窗口内的侧面分别连接一热管3，同时各绕组2其余的侧面也分别连接两个热管3，各热管3的蒸发段31紧贴绕组2，冷凝段32连接并穿出八片散热片4，散热片4的两侧分别安装有五个散热风扇5，一侧散热风扇5向散热片4送风，而相对的另一侧散热风扇5将散热片4内的热量向外送出，两侧散热风扇5的散热方向相同。相较于实施例一，本实施例增加了热管3的数量，散热量更大，散热效率更高。

实施例三

请参阅图6，主体为壳式变压器，包括一个磁芯1与一个绕组2，磁芯1为横置的基本的日字型结构，处于中间的磁芯1柱周缘环绕设有绕组2，绕组2的四个侧面以及未包裹有绕组2的磁芯1柱外侧均连接有热管3，热管3呈U型结构，且蒸发段31紧贴绕组2或磁芯1柱，冷凝段32连接并穿出八片散热片4，散热片4的两侧分别安装有五个散热风扇5，一侧散热风扇5向散热片4送风，而相对的另一侧散热风扇5将散热片4内的热量向外送出，两侧散热风扇5的散热方向相同。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。