ES2909441T3 - Capa de transformador plano, conjunto de capas para transformador plano y transformador plano - Google Patents

Abstract

Capa de espira de bobina de un conductor eléctrico (7a) de transformador plano que comprende conexiones eléctricas (12) y conexiones térmicas (13) separadas, caracterizada porque una conexión térmica (13) comprende un orificio (14) provisto de un saliente (14a) hacia el interior de la espira de bobina (7a).

Description

DESCRIPCIÓN

Capa de transformador plano, conjunto de capas para transformador plano y transformador plano

La invención se refiere a una capa de transformador plano, un conjunto de capas de transformador plano y un transformador plano.

Se sabe que los transformadores planos cuya potencia está limitada a 2500W a 300V, o 1400W a 2kV.

Limitar la potencia manejada por un transformador significa utilizar de dos a tres convertidores, cada uno de ellos con un transformador, para alcanzar una potencia total de 5 kW. Un transformador capaz de transferir 5 kW permite ahorrar de uno a dos convertidores.

Las soluciones existentes están limitadas en potencia por:

- los efectos de proximidad en el transformador limitan la frecuencia de uso o la sección de cobre accesible; - la resistencia térmica del transformador limita la potencia que puede ser disipada en el transformador;

- la alta tensión de salida implica un importante aislamiento eléctrico con el consiguiente aumento de la resistencia térmica; y

- el intercalado de los devanados primario y secundario permite aumentar la frecuencia sin reducir la sección de cobre, pero también implica un aumento de las capas de aislamiento eléctrico que, a su vez, implica un aumento de la resistencia térmica.

La figura 1 ilustra un transformador plano según el estado de la técnica. En la parte derecha de la figura 1 están representados los materiales y en la parte izquierda están representados los flujos de calor.

Las bobinas primarias apiladas 1, en este caso tres, constan de una o más capas de cobre 2, en este caso dos. Estas capas de cobre o conductores eléctricos 2 están aisladas eléctricamente entre sí por un aislante o dieléctrico 3. Una capa aislante dieléctrica 4 está dispuesta entre cada una de las bobinas primarias 1, así como entre la bobina primaria 1 en la base de la pila y una fuente fría 5 sobre la que está dispuesta la pila de bobinas primarias.

Enfriar un transformador de este tipo a través del núcleo magnético significa que el calor disipado en los conductores debe pasar a través de las capas dieléctricas que aíslan los conductores eléctricos entre sí y que aíslan los conductores del núcleo magnético. Como los materiales dieléctricos suelen ser malos conductores térmicos, la resistencia térmica entre el punto caliente de los conductores y el núcleo magnético es elevada (las resistencias térmicas de cada capa dieléctrica están conectadas en serie desde el punto caliente hasta el núcleo magnético). Además, como el núcleo magnético es también una fuente de disipación de calor, no es una buena fuente fría. El uso de las conexiones eléctricas como fuente fría permite enfriar los conductores eléctricos sin pasar por la serie de capas dieléctricas. Cuando el transformador está conectado a una barra colectora o “busbar” en inglés, el calor puede eliminarse por convección. Cuando la convección no es posible, la propia barra colectora está aislada eléctricamente y, por tanto, no representa una buena fuente fría.

Un aumento de la tensión de salida de un transformador de este tipo implicaría un aumento del grosor del aislamiento y, por tanto, un aumento de la resistencia térmica. El aumento de la resistencia térmica implicaría una reducción de la potencia transferible a través del transformador. Para mantener la potencia transferida, habría que aumentar el volumen y la masa del transformador, lo que plantearía problemas de resistencia al entorno termomecánico, que ya está limitado en términos de masa y volumen en los diseños actuales. Por tanto, la duplicación de la potencia transferida es inconcebible con las realizaciones conocidas.

Además, un transformador de este tipo debe funcionar en vacío, lo que impide la refrigeración por convección. Se hace referencia a los documentos JP2004303857A y JP2004303823A que describen las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Es un objeto de la invención proporcionar un transformador para transmitir una potencia eléctrica de al menos 5 kW con aislamiento galvánico a una tensión de salida de 300 V a 2 kV para alimentar un propulsor iónico para un satélite o una sonda espacial.

En un aspecto de la invención, se proporciona una capa de espira de bobina de un conductor eléctrico de transformador plano que comprende conexiones eléctricas y conexiones térmicas separadas, una conexión térmica que comprende un orificio con un saliente hacia el interior de la espira de bobina

Así, es posible mejorar significativamente la eliminación de la energía térmica y realizar un transformador plano capaz de transmitir una potencia eléctrica de al menos 5 kW con aislamiento galvánico a una tensión de salida de 300 V a 2 kV para alimentar un propulsor iónico para un satélite o una sonda espacial.

Dicho orificio permite que un elemento, como un tomillo, mantenga unidas una pluralidad de capas.

Tal saliente hacia el interior de la capa permite maximizar la superficie de intercambio entre la capa y el disipador de calor.

Según otro aspecto de la invención, también se propone un conjunto de capas de espiras de bobina para transformador plano, que comprende al menos una capa de transformador plano, como se ha descrito anteriormente, que forma una capa primaria, y dos capas secundarias de un conductor eléctrico de transformador plano que comprende conexiones eléctricas y carece de conexiones térmicas separadas, estando las tres capas separadas y recubiertas por un material dieléctrico, excepto la(s) conexión(es) térmica(s) de la capa de transformador plano

Tal conjunto de capas proporciona un camino térmico mínimo entre las capas secundarias y la capa primaria, siendo el conjunto drenado térmicamente por el acceso de la capa primaria al disipador de calor. Este conjunto es especialmente interesante cuando el aislamiento eléctrico entre las capas secundarias y el disipador de calor es difícil de garantizar.

Según otro aspecto de la invención, también se propone un transformador plano que comprende al menos un conjunto como el descrito anteriormente.

En una realización, un transformador comprende una pluralidad de conjuntos apilados unos sobre otros, en los que las conexiones térmicas de las capas primarias están conectadas a un disipador de calor.

Así, cada conjunto se drena individualmente. Todas las capas del transformador se refrigeran mediante otras tantas conexiones al disipador de calor en paralelo, lo que mejora el drenaje en comparación con una conexión en serie. Según una realización, el disipador de calor comprende una fuente fría y una parte dieléctrica que rodea una parte de la capa primaria que comprende la(s) conexión(es) térmica(s) separada(s).

Así, la parte dieléctrica proporciona aislamiento eléctrico entre el disipador de calor y las capas. Al colocar en el disipador de calor las capas que requieren la menor rigidez dieléctrica respecto al disipador de calor, se amplía la elección del dieléctrico para permitir la optimización de la conductividad térmica, y el grosor del dieléctrico entre la capa y el disipador de calor puede minimizarse para maximizar la conductividad térmica entre la capa y el disipador. En una realización, la fuente fría comprende piezas de encofrado y está dispuesta en el exterior del disipador de calor, las piezas de encofrado rodean la parte dieléctrica.

Según una realización, el transformador plano comprende además un núcleo magnético y un elemento de fijación asociado.

En otro aspecto de la invención, también se propone que el equipo electrónico de conversión de energía por satélite esté provisto de al menos un transformador plano como el descrito anteriormente.

La invención se comprenderá mejor estudiando algunas realizaciones descritas a modo de ejemplos no limitativos e ilustradas por los dibujos anexos en los que:

- la figura 1 ilustra esquemáticamente un transformador plano según el estado de la técnica;

- la figura 2 ilustra esquemáticamente un transformador plano según un aspecto de la invención;

- la figura 3 ilustra esquemáticamente una capa de transformador plano según un aspecto de la invención;

- las figuras 4 a 10 ilustran esquemáticamente una realización de un transformador según un aspecto de la invención.

En las distintas figuras, los elementos con referencias idénticas son idénticos.

La figura 2 muestra un transformador plano según un aspecto de la invención, en el que una bobina primaria 6 comprende una o más capas de cobre 7 de las cuales al menos una 7a realiza la función térmica. Estas capas de cobre 7 están aisladas eléctricamente, por ejemplo mediante un aislante dieléctrico 8. En este caso, una bobina primaria o conjunto primario 6 comprende, por ejemplo, una capa 7a que realiza la función térmica y otras dos capas convencionales 7b que no lo hacen.

La parte izquierda de la figura 2 muestra, mediante flechas, la difusión de la energía térmica en el transformador plano a través de las capas 7a, parte de las cuales está rodeada por un dieléctrico 9 en la proximidad de una fuente fría 10. Esto crea un camino térmico continuo o disipador de calor entre las bobinas 6 y la fuente fría 10. El rendimiento térmico de la fuente fría 10 desempeña un papel importante en la consecución del rendimiento final del transformador.

La reducción de la resistencia térmica de los conductores eléctricos del transformador permite aumentar significativamente (más del doble) la potencia transferida, a pesar de quintuplicar la tensión eléctrica de salida, sin aumentar el volumen ocupado por el transformador.

La figura 3 muestra una capa de transformador plano 7a que comprende conexiones eléctricas 12 y conexiones térmicas 13 separadas.

Las conexiones térmicas 13, en este caso cuatro por capa 7a, comprenden un orificio 14, que permite mantener unida una pluralidad de capas 7a.

Según la invención, los orificios 14 de las conexiones térmicas 13 pueden comprender un saliente 14a hacia el interior de la capa 7a. Estos salientes 14a permiten maximizar localmente el flujo de calor hacia la fuente fría, teniendo en cuenta la limitación de una fijación mecánica del transformador mediante tornillos.

La siguiente descripción ilustra un ejemplo de una realización de la invención.

La tecnología para realizar el devanado se basa en circuitos flexibles que consisten en un circuito eléctrico en una capa encapsulada entre dos capas de aislamiento flexibles.

A continuación los devanados resultantes se apilan.

Como se ilustra en la figura 4, para ensamblar fácilmente un transformador, es posible hacer un conjunto que comprenda, por ejemplo, una capa 7a de transformador plano con conexiones eléctricas 12 y conexiones térmicas 13 separadas y dos capas 7b de transformador plano convencionales, directamente del fabricante del circuito para obtener una bobina primaria o conjunto de capas.

La figura 5 muestra una pila de una pluralidad de conjuntos de capas según la figura 4, que constituye el conjunto de bobinas del transformador según un aspecto de la invención.

Para drenar el flujo de calor de las espiras primarias o, en otras palabras, de las espiras o capas 7a, es necesario crear un camino continuo hacia la base plana del transformador.

El transformador se ensambla como sigue.

Como se ilustra en la figura 6, después de apilar conjuntos de capas o bobinas primarias 6 en un utillaje, los cuatro lugares de drenaje térmico, aquí dispuestos cerca de las esquinas, se cierran mediante piezas de encofrado de aluminio 16, así como un peine de material dieléctrico 17. Estas piezas, 16 y 17, desempeñan un papel de sellado y reproducibilidad del apilado. Una vez realizada esta operación, se deslizan los "pies" del transformador para extender el intercambio hacia la placa fría o fuente fría 10. Efectivamente, en el montaje propuesto, hay una ruptura en la conexión entre el transformador y la fuente fría. En general, esta función podría formar parte directamente de la fuente fría, lo que mejoraría aún más el rendimiento térmico.

A continuación, como se muestra en la figura 7, los cuatro pies 16, 17 de una resina dieléctrica 18 que tiene una buena conductividad térmica. El diseño tiene en cuenta las tensiones implicadas entre las bobinas primerias 6 para garantizar el aislamiento eléctrico.

Finalmente, las ferritas 19 (núcleo magnético) se colocan alrededor de la bobina formada por la pila de bobinas primarias 6. El presente transformador propone desacoplar completamente el flujo de calor de las pérdidas a través del cobre 6 y las pérdidas a través de los hierros 19. Por lo tanto, las ferritas 19 están sujetas mecánicamente por una pieza 20, por ejemplo de aluminio, que también actúa como drenaje térmico hacia la base plana.

La figura 9 muestra el plano de corte de la figura 7 para obtener la vista en sección de la figura 10.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Capa de espira de bobina de un conductor eléctrico (7a) de transformador plano que comprende conexiones eléctricas (12) y conexiones térmicas (13) separadas, caracterizada porque una conexión térmica (13) comprende un orificio (14) provisto de un saliente (14a) hacia el interior de la espira de bobina (7a).

2. Conjunto (6) de capas de espiras de bobina (7) para un transformador plano, que comprende al menos una capa de transformador plano según la reivindicación 1 que forma una capa primaria (7a), y dos capas secundarias de un conductor eléctrico (7b) de transformador plano que comprende conexiones eléctricas (12) y carece de conexiones térmicas (13) separadas, estando las tres capas (7a, 7b) separadas y recubiertas por un material dieléctrico (8), excepto la(s) conexión(es) térmica(s) de la capa de transformador plano según la reivindicación 1.

3. Transformador plano que comprende al menos un conjunto (6) según la reivindicación 2.

4. Transformador plano según la reivindicación 3, que comprende una pluralidad de conjuntos (6) apilados unos sobre otros, en el que las conexiones térmicas (13) de las capas primarias (7a) están conectadas a un disipador de calor.

5. Transformador plano según la reivindicación 4, en el que el disipador de calor comprende una fuente fría (10) y una parte dieléctrica (9) que rodea una parte de la capa primaria que comprende la(s) conexión(es) térmica(s) separada(s).

6. Transformador plano según la reivindicación 5, en el que la fuente fría (10) comprende piezas de encofrado (16) y está dispuesta en la parte exterior del disipador de calor, rodeando las piezas de encofrado (16) la parte dieléctrica (9).

7. Transformador plano según una de las reivindicaciones 4 a 6, que comprende además un núcleo magnético (19) y un elemento de fijación asociado (20).

8. Equipo electrónico de conversión de energía para un satélite provisto de al menos un transformador plano según una de las reivindicaciones 3 a 7.