CN100511502C

CN100511502C - 电感器、变压器及其制造方法

Info

Publication number: CN100511502C
Application number: CNB2004100638714A
Authority: CN
Inventors: 乔斯·阿格瑞考·R·蒙卡达; 徐沛基; 王万全
Original assignee: Astec International Ltd
Current assignee: Astec International Ltd
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2024-07-13
Also published as: US20050012585A1; US7088211B2; CN1577646A

Abstract

本发明提供了一种感应元件以及一种把感应元件表面安装在一个相邻结构上的方法，这种方法改进了热传递特性。具体地讲，本发明包括一种感应元件，在该感应元件中，磁心和绕组定义了一些共面表面，一个安装框架使磁心和绕组能够被表面安装在一个相邻结构上，从而增强从所述感应元件到所述相邻结构的热传递，较佳的情况是，该相邻结构为印刷电路板。包括本发明的感应元件的设备，例如电感器或变压器，具有用于消除来自磁心的热量的多条低热阻路径，从而增强了感应元件的热传递特性。这种感应元件特别适合于大功率电子设备，例如，适合于使用电力扼流圈或作为电力变压器的一部分。

Description

电感器、变压器及其制造方法

技术领域

本发明涉及电子设备中用于增大空间利用和热传递的结构与方法，更具体地讲，本发明涉及提供一个磁心与绕组的构造，以改进由这些部件所形成的表面安装电感器的空间利用率和热量流动。

背景技术

各种电路部件的温度，影响着电子电路的性能、可靠性以及寿命。特别是，大功率电子设备通常具有一或多个产生大量热的部件，因此可能需要热传递增大结构，以消散该热量，从而维持可接受的工作温度。对电路的最大尺寸的限制，可能会进一步增加消除热量的难度，使热管理成为大功率电子设备设计的一个重要方面。

特别困难的一个问题是，从印刷电路版(PCB)安装的电感器和变压器消除热量。这种电路的操作导致在磁心内大量热的产生，并导致磁心温度最终的增加。由于希望让电感器占据PCB的一个很小的表面面积，通常的电感器几何构造是由一个绕组环绕一磁心，所以很难把热量从磁心传递到周围的环境中。

更具体地讲，现有技术的变压器，特别是用于大功率电子设备的表面安装的变压器，通常包括围绕环形(torroidal)磁心的绕组。这样的变压器中的磁心由绕组导线包围，它们缠绕的即使不是整个环形的外表面，也是一个相当大的部分。因此，仅可通过将绕组导线与一个相邻的散热器导通，才能消除磁心内的热量。环形的磁心也浪费了空间，因为在其中心处，环形的磁心包括一个大的不被占用的孔。

需要一种改进的可表面安装的设计，该设计应可提供更好的空间利用率，并增强从变压器或电感器磁心到一个散热器的热传递。这样的电感器或变压器应具有很小的着落点，并且应是高效的、便宜的、以及与传统表面安装技术相兼容的，例如能够实现电感器或变压器到一PCB的再流焊。

发明内容

本发明通过提供一种绕组和磁心结构，解决了以上所指出的已知的可表面安装的电感器和变压器的问题，本发明的该绕组和磁心结构能够充分占据可用空间，并可提供磁心端和绕组与一个相邻的散热器的共面接触。

根据本发明的一个方面，感应元件包括一个第一磁心，该第一磁心具有一个中心细长部分以及两个端部分，每一所述端部分定义了一个端部分平表面，所述中心细长部分具有大体上呈长方形的截面形状；一个围绕所述细长部分缠绕的第一绕组，其创建了一个大体上呈长方形的截面形状，以使所述第一绕组的外表面定义了一个大体上呈长方形的平表面，该大体上呈长方形的平表面与每一所述端部分平表面共面；一个安装框架，该安装框架可固定所述第一绕组的导线端，并使所述第一磁心和第一绕组能够被表面安装在一个相邻结构上，以使所述相邻结构的平表面的一个部分与所述端部分平表面和所述第一绕组平表面相接触，以增强从所述感应元件到所述相邻结构的热传递。较佳的做法是令感应元件还包括一个第二磁心，该第二磁心具有一个细长部分以及两个端部分，所述第二磁心的每一所述端部分定义了一个端部分平表面；一个围绕所述第二磁心的所述细长部分缠绕的第二绕组，其中，所述第二绕组的外表面定义了一个平表面，该平表面与每一所述第二磁心端部分平表面共面，而且其中，所述安装框架还可固定所述第二绕组的导线端，并使被构型为把所述第一磁心端部分支靠(against)相应第二磁心端部分加以固定，以使所述第一磁心端部分和所述第一绕组的共面表面与所述第二磁心端部分和所述第二绕组的共面表面共面。

根据本发明的又一个方面，一个变压器包括第一和第二磁心，每一个磁心具有一个中心细长部分以及两个端部分，每一所述端部分定义了一个端部分平表面，以利于将每个所述端部分表面装配在相邻结构上，所述细长部分具有大体上呈长方形的截面形状区域；一个围绕所述两个磁心的每一所述细长部分缠绕的绕组，其创建了两个大体上呈长方形的截面形状，以使每一个绕组的外表面定义了一个大体上呈长方形的平表面，以利于将所述绕组表面装配在所述相邻结构上，从而该大体上呈长方形的平表面与其相应磁心的各所述端部分平表面共面；一种材料，用于把所述第一和第二磁心的端部分固定在一起，以使所述第一磁心的每一端部分的端部分平表面与所述第二磁心的每一端部分的端部分平表面共面；一个环绕所述第一和第二磁心的安装框架，其中所述安装框架固定每一所述绕组的导线端，并使所述第一和第二磁心能够被表面安装在一个相邻结构上，以使所述相邻结构的平表面的一个部分与所述端部分平表面和每一所述绕组的平表面相接触，以增强从所述变压器到所述相邻结构的热传递。

在一个优选实施例中，把根据本发明的电感器或变压器安装在其上的相邻结构为印刷电路板。

本发明的再一个方面是，提供一种使用一个磁心形成一个感应元件的方法，该磁心具有一个中心细长部分以及两个端部分，该中心细长部分具有大体上呈长方形的截面形状，每一所述端部分定义了一个端部分平表面，用于安装于一个相邻结构，包括：围绕所述磁心的所述中心细长部分形成一个导线绕组，以创建一个大体上呈长方形的截面形状，以使所述绕组的外表面定义一个大体上呈长方形的平表面，以使该大体上呈长方形的平表面与所述磁心的每一所述端上的一个表面共面；把所述磁心安装在一个安装框架中，并包括把所述绕组的导线端固定在所述安装框架上的接线柱上，从而将所述磁心和绕组表面安装在所述相邻结构上，以使所述相邻结构的平表面的一个部分与所述端部分平表面和所述绕组平表面相接触，以增强从所述感应元件到所述相邻结构的热传递。

本发明的另一个方面是，提供一种具有小着落点的感应元件，这种感应元件改进了从变压器磁心到一个相邻结构的热传递，从而使过去用于同样应用的具有较低额定温度的材料能够得以使用。

通过以下对具体实施例的详细讨论，可以对本发明更进一步地加以理解。为了清晰起见，该讨论仅涉及具体实例中的设备、方法以及概念。然而，本发明可用于连接种类繁多的设备。因此，不旨在通过具体实施例的讨论对本发明加以限制。

附图说明

当结合附图，参照以下的详细描述时，将可以更容易地理解本发明的上述方面和附带优点，在这些附图中：

图1是一个根据本发明的感应元件的透视图，该感应元件包括两个结合在一起的磁心，并安装在一个PCB上；

图2A和2B是图1的感应元件的侧视图和底视图，图2C是一个安装框架接线柱的放大图，该绕组的导线端固定至安装框架接线柱上；

图3是沿图1的感应元件的线3-3的截面图；

图4A和4C说明的是根据本发明的感应元件的一个第一实施例，其中，图4A是一个顶视图、图4B是一个侧视图、以及图4C是沿图4A的线4C-4C的截面图，示出了两个结合在一起的感应元件磁心；

图5A和5C说明的是根据本发明的感应元件的一个第二实施例，其中，图5A是一个顶视图、图5B是一个侧视图、以及图5C是沿图5A的线5C-5C的截面图，示出了两个结合在一起的感应元件磁心；以及

图6是本发明的一个概略性示意图，描述了从本发明的感应元件到一个相邻结构的热量流动。

在各图中，使用参照符号指示其中所描述的某些部件、方面、或特性，并在各图中使用相同的参照符号指示其中所描述的相同的部件、方面、或特性。

发明内容

为了便于对本发明的描述，以下仅就针对一个表面安装的感应设备的磁心和绕组设计对本发明加以描述，例如，该感应设备为一个可安装在PCB上的电感器、电力扼流圈、或变压器。总体上讲，本发明为一个磁心和绕组构造，该构造通过创建一条从磁心到外部环境的第二热传递路径，有助于把热量从磁心消除到感应元件的外部。该设备允许磁心和绕组共面安装至PCB，以使可以把磁心中的热量通过磁心端和绕组导向PCB。应该认识到，总体上讲，可以把本发明的设备用于改进电感器和变压器的热流动，具体地讲，本发明的设备可用于消除来自安装在印刷电路板等上的电力变换器变压器的热量。本发明的范围不局限于以下的实施例。

以下，将参照附图更详细地描述本发明。图1～3说明了根据本发明构造为变压器或电力扼流圈的一个感应元件100，感应元件100具有一个用于把其表面安装在一个印刷电路板(PCB)10上的表面101，其中，图1是一个安装在PCB表面上的感应元件的透视图，图2A和2B分别为感应元件100的底和侧视图，图3是截面图3-3。电力扼流圈/变压器100具有传统的电工作特性，即为其构造的一个函数，在大功率电子设备领域，这是人们所熟悉的一个特性。另外，表面安装变压器的安装与使用也同样是该领域中人们所熟悉的，因此将不在此处重复描述。

感应元件100可以包括一个单一的磁心，该磁心具有一个围绕其的单一的绕组。较佳地，其包括一对匹配的磁心110，分别表示为110a和110b；以及围绕每一磁心的一个绕组120，分别表示为120a和120b。更具体地讲，每一磁心110具有一对端111和一个支撑相应绕组120的细长的部分113。通过细长的部分113把绕组120约束在内侧，并定义一个外表面121，如图2和3中所示。另外，每一端111具有一个表面115。表面115a、115b、121a以及121b大体上是共面的，以定义表面101。感应元件100还具有一个与表面101相对的表面103，表面103可以与同样分别相对于表面115和121的磁心端111和绕组120的表面共面。

感应元件100还包括一个安装框架130，安装框架130具有一个与表面101相邻的接线柱131。较佳地，安装框架130为一种绝缘材料，例如塑料。如图2和3中较清楚地描述的，每一绕组120包括一种导电材料，例如一种金属带或导线，至少围绕细长部分113缠绕一圈。另外，绕组120在接线柱131处终止于导线123。更具体地讲，每一导线123围绕接线柱131之一缠绕，并在表面101附近具有一个暴露的部分，以实现感应元件100和PCB 10上的导电迹线(未在图中加以显示)之间的电连接。图2C是一个示例性接线柱的放大图，该接线柱上缠绕有导线123。

通过把接线柱131焊接于PCB，把感应元件100的表面101安装在PCB10上，较佳的做法是使用再流焊接实现该安装。如以上所提到的，磁心110的表面115与绕组120的表面121大体上是共面的，并定义了表面101。把一种薄的导热胶或膏140敷于表面115和121与PCB 10的表面142之间，提供了磁心110和绕组120与PCB 10之间增强的热耦合。因而，可以通过绕组120或通过磁心110的端111，把磁心110中的热量导向PCB 10。

另外，可以把一个散热器150设置在与感应元件100相对的PCB的一侧上。使用散热器来消除热量，从而降低了热生成部件的温度的技术在本技术领域中是熟知的。散热器150包括，但不局限于所说明的散热器，也可以包括散热片，即从感应元件100的着落点向外延伸的放大的表面；或可以包括有源元件，例如热离子的冷却或热管，或任何有效促进热量从感应元件传递到外部环境的其它构造或设备。

本发明的范围不局限于图1～3中所示的变压器或电力扼流圈。总体上讲，本发明的感应元件不局限于各磁心上的绕组的尺寸或数量，也不局限于磁心的个数。提供一个具有两个以上的磁心110和绕组120的感应元件，或一个仅具有一个单一的磁心和绕组的感应元件，均落入本发明的范围。另外，针对多个绕组感应元件，提供一个用于经由适当尺寸和形状的安装框架把每一绕组的每一端附接于PCB的接线柱，也落入本发明的范围。

在图4A～4C中的400处描述了根据本发明的感应元件的一个第一实施例，其中，图4A是一个顶视图、图4B是一个侧视图、以及图4C是一个磁心410和一个绕组420的4C-4C的截面图。图4C还示出了一个第二磁心410b(以靠近第一磁心410a的部分剖视图的形式)，并把第二磁心410b构造为图1和2中的在100处所示出的类型的一个感应元件。每一个磁心410包括一个长度为L的细长部分413，位于一对端411之间；和一根沿长度L缠绕的导线420，具有端423。图4A和4B以部分剖视图的形式描述了穿过绕组420中心的细长部分413。侧视图图4B示出了共面的磁心和绕组表面，具体地讲，描述了一个磁心表面415和一个绕组表面421。

图4C以部分剖视图的形式描述了与磁心410b并排放置的磁心410a的一个截面图。感应元件400的表面101包括由表面415a、415b、421a、以及421b所定义的共面表面。

细长部分413的维度由宽度和深度加以表示，即宽度为W，深度为D，提供了绕组420所需的电磁特性，这是本技术领域中人们所熟悉的。磁心端411从细长部分413探出一个为D的高度，从而导致端具有深度为E、宽度为W+2D、以及高度为H+2D的长方形形状。端411的维度被选择以提供用于绕组420的安装表面。具体地讲，把导线420沿长度L缠绕，以占据为D的厚度，以使导线填满细长部分413和端411之间的空间。可替换地，导线420也可具有其它形状，例如呈现为一对大体上为平面的表面，而且这两个表面不必平行，用于安装至PCB，如果希望的话，还可以提供一个散热器。

在图5A～5C中的500处描述了根据本发明的感应元件的一个第二实施例，其中，图5A是一个顶视图、图5B是一个侧视图、以及图5C是一个磁心510和一个绕组520的5C-5C的截面图。图5C还描述了一个第二磁心510b(以靠近第一磁心510a的部分剖视图的形式)，并把第二磁心510b构造为图1和2中的在100处所示出的类型的一个感应元件。每一个磁心510包括一个位于一对端511之间的细长部分515；一根沿该细长部分缠绕的导线520，具有端523。图5A和5B以部分剖视图的形式描述了穿过绕组520中心的细长部分515。侧视图图5B示出了共面的磁心和绕组表面，具体地讲，示出了一个磁心表面513和一个绕组表面521。

图5C以部分剖视图的形式描述了与磁心510b并排放置的磁心510a的一个截面图。感应元件500的表面101包括由表面513a、513b、521a、以及521b所定义的共面表面。

磁心410包括一个终止于端411的中心的细长部分413。与此相反，磁心510包括一个不终止于端511的中心的细长部分515。因此，如图5C中所示，绕组520探出磁心端511的边缘，如在525处所看到的。每一磁心不必具有相同的几何形状。因此，例如，两个绕组的电力扼流圈的一个可选的实施例可以具有一个磁心410和一个磁心510。

本发明的感应元件100，400，500不同于现有技术的地方在于：提供了两条从磁心到散热器的热传导的路径。

图6是本发明的一个概略性示意图，示出了来自感应元件100的热量的流动。根据本发明，热磁心110被配置有如下两条通向散热器150的传导路径。新路径，由标为Q1的箭头加以指示，不通过绕组120。磁心100，以及磁心400，500具有从细长部分113伸出的端111，细长部分113是绕组120的中心部分。于是，由箭头Q1所指示的热量从细长部分113出发，穿过端111，然后到达PCB 10的表面142(也可选择到达一个散热器150)，其中热量可以从感应元件100传递离开。由箭头Q2所指示的第二路径为传统的路径，其穿过绕组120。通过绕组120把细长部分113所产生的热量导至PCB 10(也可再次选择导向一个散热器150)。所添加的热传递路径，具体地讲，旁路绕组的路径Q1，明显增加了可从感应元件100消除的热量，从而能够更好地控制感应元件的温度。

除了此处所讨论的可替换的绕组外，本领域中的熟练技术人员将会明显意识到：在本发明的范围内，也可以提供允许传导来自磁心的热量的其它磁心构造。本发明的感应元件通过提供明显增强的从磁心到散热器的较低热阻的通路，大大增强了热量流动，与现有技术不同，在现有技术中，热流仅穿越绕组的导线流向散热器。本发明的感应元件的改进的热传递特性还允许现有技术感应元件具有较小的PCB着落点。

至此，已针对具体的实施例解释了本发明。本领域中的熟练技术人员将很容易联想到这些实施例的变型以及其它实施例。因此，不旨在通过对具体实施例的讨论对本发明加以限制。应该认识到：此处所描述的例子与实施例仅为说明性的，受这些例子与实施例的启发，本领域中的熟练技术人员将会意识到：可以对本发明进行各种修改与变更，而且所有这些修改与变更均包含于本申请的构思与范围中，并均落入所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种感应元件，包括：

一个第一磁心，该第一磁心具有一个中心细长部分以及两个端部分，每一所述端部分定义了一个端部分平表面，所述中心细长部分具有大体上呈长方形的截面形状；

一个围绕所述细长部分缠绕的第一绕组，其创建了一个大体上呈长方形的截面形状，以使所述第一绕组的外表面定义了一个大体上呈长方形的平表面，该大体上呈长方形的平表面与每一所述端部分平表面共面；以及

一个安装框架，该安装框架可固定所述第一绕组的导线端，并使所述第一磁心和第一绕组能够被表面安装在一个相邻结构上，以使所述相邻结构的平表面的一个部分与所述端部分平表面和所述第一绕组平表面相接触，以增强从所述感应元件到所述相邻结构的热传递。

2.根据权利要求1所述的感应元件，其中，所述相邻结构为印刷电路板，而且其中，所述安装框架还包括用于终止相邻于所述印刷电路板的所述第一绕组的端的接线柱。

3.根据权利要求1所述的感应元件，其中，大体上沿所述磁心的所述细长部分的整个长度缠绕所述第一绕组。

4.根据权利要求1所述的感应元件，还包括：

一个第二磁心，该第二磁心具有一个细长部分以及两个端部分，所述第二磁心的每一所述端部分定义了一个端部分平表面；

一个围绕所述第二磁心的所述细长部分缠绕的第二绕组，其中，所述第二绕组的外表面定义了一个平表面，该平表面与每一所述第二磁心端部分平表面共面，而且其中，所述安装框架还可固定所述第二绕组的导线端部，并被构型以将所述第一磁心端部分支靠相应第二磁心端部分加以固定，以使所述第一磁心端部分和所述第一绕组的共面表面与所述第二磁心端部分和所述第二绕组的共面表面共面。

5.一种变压器，包括：

第一和第二磁心，每一个磁心具有一个中心细长部分以及两个端部分，每一所述端部分定义了一个端部分平表面，以利于将每个所述端部分表面装配在相邻结构上，所述细长部分具有大体上呈长方形的截面形状区域；

一个围绕所述两个磁心的每一所述细长部分缠绕的绕组，其创建了两个大体上呈长方形的截面形状，以使每一个绕组的外表面定义了一个大体上呈长方形的平表面，以利于将所述绕组表面装配在所述相邻结构上，从而该大体上呈长方形的平表面与其相应磁心的各所述端部分平表面共面；

一种材料，用于把所述第一和第二磁心的端部分固定在一起，以使所述第一磁心的每一端部分的端部分平表面与所述第二磁心的每一端部分的端部分平表面共面；以及

一个环绕所述第一和第二磁心的安装框架，其中所述安装框架固定每一所述绕组的导线端，并使所述第一和第二磁心能够被表面安装在一个相邻结构上，以使所述相邻结构的平表面的一个部分与所述端部分平表面和每一所述绕组的平表面相接触，以增强从所述变压器到所述相邻结构的热传递。

6.根据权利要求5所述的变压器，其中，所述相邻结构为印刷电路板，而且其中，所述安装框架还包括用于终止相邻于所述印刷电路板的每一所述绕组的端部的接线柱。

7.一种使用一个磁心形成一个感应元件的方法，该磁心具有一个中心细长部分以及两个端部分，该中心细长部分具有大体上呈长方形的截面形状，每一所述端部分定义了一个端部分平表面，用于安装于一个相邻结构，包括：

围绕所述磁心的所述中心细长部分形成一个导线绕组，以创建一个大体上呈长方形的截面形状，以使所述绕组的外表面定义一个大体上呈长方形的平表面，以使该大体上呈长方形的平表面与所述磁心的每一所述端上的一个表面共面；以及

把所述磁心安装在一个安装框架中，并包括把所述绕组的导线端固定在所述安装框架上的接线柱上，从而将所述磁心和绕组表面安装在所述相邻结构上，以使所述相邻结构的平表面的一个部分与所述端部分平表面和所述绕组平表面相接触，以增强从所述感应元件到所述相邻结构的热传递。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述磁心包括一个第一磁心，而且其中，所述方法还包括下列步骤：

围绕一个第二磁心的一个中心细长部分形成一个第二导线绕组，以在所述第二绕组上创建一个与所述第二磁心的每一端上的一个表面共面的表面；以及

把所述第一磁心与所述第二磁心结合在一起，以使所述第一磁心的共面表面与所述第二磁心的共面表面共面。