CN101933105A - 电感线圈和制造电感线圈的电感线圈芯单元的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电感线圈，其带有用于产生磁场的电导体以及至少一个设置在导体的区域中的电感线圈芯单元(10)，该电感线圈芯单元包括可磁化材料构成的电感线圈芯(12)以及至少一个气隙(16)，其中为了机械稳定，将填充材料(18)至少引入气隙(16)的一部分中，其中填充材料(18)构建为使得其具有热膨胀系数(αF)，该热膨胀系数的值在构成电感线圈芯(12)的可磁化材料的热膨胀系数(αD)的值的±70％的范围中。此外，本发明还涉及一种用于制造电感线圈的电感线圈芯单元(10)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种在权利要求1的前序部分中所述类型的电感线圈以及一种在权利要求8的前序部分中所述类型的用于制造电感线圈的电感线圈芯单元的方法。
背景技术
这种电感线圈对于本领域技术人员而言在此作为电子技术中的电感器件而已知，并且尤其是用于存储和再发出电能。电感线圈为此包括用于产生磁场的电导体以及至少一个设置在电导体的区域中的电感线圈芯单元，该电感线圈芯单元在自身方面包括可磁化材料构成的电感线圈芯。为了得到电感线圈芯的并不过高的磁通密度，电感线圈芯包括至少一个气隙，由于该气隙，电感线圈芯的磁饱和度在明显较高的场强情况下才出现并且避免了在用交流电驱动电感线圈时过度的加热。为了机械稳定电感线圈芯，至少将填充材料引入气隙的一部分中，由此要避免在电感线圈的工作期间不希望的发声以及缝隙宽度的变化。为此通常是有机粘合剂或者硅树脂作为填充材料，它们首先被引入气隙中并且随后在其中被硬化。
在此如下情况视为是不利的：由于在这种电感线圈的工作期间的温度变化而出现在电感线圈芯单元的间隙的填充材料中或者在电感线圈芯的可磁化材料中形成裂缝，这进一步导致明显增强在对于人类可听见的频率范围中的发声以及降低电感线圈芯单元的机械稳定性。这显著降低了带有低的发声的电感线圈的工作持续时间。
发明内容
因此本发明的任务是，提出一种电感线圈，其能够实现具有低的发声的提高的工作持续时间。
根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的电感线圈以及通过具有权利要求8的特征的用于制造电感线圈的电感线圈芯单元的方法来解决。在相应的从属权利要求中说明了具有合乎目的的本发明的改进方案的有利的扩展方案，其中电感线圈的有利的扩展方案可以视为通过方法的有利的扩展方案来提供，并且反之，方法的有利的扩展方案得到电感线圈的有利的扩展方案。
根据本发明，能够实现具有低发声的提高的工作持续时间的电感线圈通过如下方式来实现：电感线圈芯的气隙的填充材料构建为使得其具有热膨胀系数，该热膨胀系数的值在构成电感线圈芯的可磁化材料的热膨胀系数的值的±70％的范围中。在现有技术中使用具有电感线圈芯材料的热膨胀系数值的五倍至十倍的热膨胀系数值的填充材料，与现有技术不同，借助根据本发明构建的填充材料可靠地防止了在电感线圈的电感线圈芯单元的气隙中的裂缝形成以及在电感线圈芯的可磁化材料本身中的裂缝形成。在电感线圈的较长工作中形成的温度波动现在导致一方面为电感线圈芯或者其间隙以及另一方面为填充材料的类似的与温度相关的膨胀特性，使得并不出现裂缝或者机械损伤，并且明显延长了电感线圈的工作持续时间和寿命。除了由此可实现的成本优点之外，还保证了在电感线圈的工作过程中不出现在人类可听见的频率附近的干扰性的发声。
在本发明的一个有利的扩展方案中设计了，填充材料被构建为使得其具有如下热膨胀系数：该热膨胀系数的值在构成电感线圈芯的可磁化材料的热膨胀系数值的±50％的范围中和/或±40％的范围中和/或±25％的范围中和/或±10％的范围中。通过这样构建的填充材料，进一步平衡了材料配对(填充材料-电感线圈芯材料)的与温度相关的膨胀特性，由此附加地提高了具有低的发声的电感线圈的工作持续时间。借助具有与电感线圈芯的可磁化材料的热膨胀系数值相比提高10％到50％之间的热膨胀系数值的填充材料，可以随着升高的温度有利地产生电感线圈芯的有针对性的机械预应力，由此附加地降低了电感线圈芯单元的机械振动能力并由此附加地降低了所得到的发声。
针对电感线圈芯选择的材料是至少一种类型的铁氧体和/或铁粉和/或钼坡莫合金粉和/或纳米晶体磁性材料。借助这些材料，可以在考虑制造成本和所需的参数(电感、导磁性和饱和通量密度)的情况下实现灵活的并且可最佳地与相应的应用目的匹配的电感线圈芯或者电感线圈芯单元的扩展方案。电感线圈由此例如可以实施为用于电子镇流器的谐振电感线圈、降压调节器电感线圈或者灯电感线圈。
在本发明的另一有利的扩展方案中设计了，电导体缠绕到线圈体上，优选的是多次地盘绕。于是，电感线圈的电感可以通过改变电导体的匝数来简单地并且成本低廉地与相应的应用目的匹配。
在此，进一步显示为有利的是，填充材料包括无机接合剂。例如可以使用胶结材料、氧化物或者胶体作为无机接合剂。这种接合剂成本特别低廉并且通常具有如下的热膨胀系数：该热膨胀系数的值在电感线圈芯材料的、对于本发明所希望的范围中。此外，它们在正常条件下体积稳定并且防水、耐酸并且抗氧化，由此保证了电感线圈的相应地高的寿命。此外，它们在未被硬化的状态中具有高的可流动性的优点，这导致容易地将填充材料引入到气隙中以及导致电感线圈芯的高的均匀性和高的尺寸精度。通过填充材料的可实现的硬度，此外可靠地防止了电感线圈或者电感线圈芯的机械振动或者声学振动。
在本发明的另一有利的扩展方案中设计了，无机接合剂包括至少一种水硬化的胶结材料。该胶结材料可以通过添加水以浆状形式特别简单地引入到气隙中，并且随后自主地在空气中凝固。通过这种方式，可以特别简单并且成本低廉地制造电感线圈。此外，这种填充材料提供了如下优点：元气味、高温度稳定性以及温度变化稳定性、低毒性以及针对油、溶剂和大多数有机酸和无机酸的化学稳定性。
在此，在另一扩展方案中显示为有利的是，胶结材料包括硅酸盐，优选为硅酸锆和/或硅酸钠和/或硅酸钙，和/或氧化物，优选为二氧化硅和/或氧化镁和/或氧化铝和/或氧化铁和/或氧化钙，和/或氢氧化物，优选为氢氧化钙，和/或硫酸盐，优选为硫酸钙，和/或磷酸盐，优选为磷酸镁。在使用这些材料时，可以将胶结材料的机械特性和化学特性最优地与电感线圈的制造条件和使用条件匹配。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于制造电感线圈的电感线圈芯单元的方法，其中提供了可磁化材料构成的、具有至少一个气隙的电感线圈芯，并且将用于机械稳定的填充材料至少引入气隙的一部分中，其中根据本发明设计了，填充材料选择为其具有线性的热膨胀系数，该热膨胀系数的值在构成电感线圈芯的可磁化材料的热膨胀系数的值的±70％的范围中。通过这种方式，可靠地防止了在电感线圈的电感线圈芯单元的气隙中或者在电感线圈芯的可磁化材料中形成裂缝，因为尤其是在电感线圈的较长的工作情况下形成的温度波动由此导致电感线圈芯或者间隙和填充材料的类似的与温度有关的膨胀特性。这导致并不出现裂缝或者机械损伤，并且明显延长了电感线圈芯单元或者设置有其的电感线圈的寿命。除了由此可实现的成本优点之外，附加地保证了在电感线圈的工作过程中并不出现在人类可听见的频率附近的干扰性的发声。
显示为有利的是，使用至少一种类型的铁氧体作为电感线圈芯的材料，并且使用可水硬的胶结材料作为填充材料。借助由至少一种类型的铁氧体制成的电感线圈芯，由于非常高的导磁率值而可以在低的结构空间需求情况下相应地达到电感线圈的高的电感。与可水硬的胶结材料作为填充材料相结合，给出了一种化学和机械稳定的材料配对，其各个组分具有非常类似的热膨胀系数值，由此可靠地避免了在电感线圈芯单元工作时可能的裂缝形成或者电感线圈芯的折断。
电感线圈芯单元在此尤其是可以快速地、简单地并且成本低廉地制造，其方式是将胶结材料首先与预先给定量的水混合并且随后引入气隙中。由于填充材料的良好的流动特性和可配量性(Dosierbarkeit)，气隙在无需附加的加工步骤的情况下被均匀地填充，由此实现了特别高的机械强度。随后的胶结材料凝固在空气中进行。
在此同样可以设计的是，填充材料在引入到气隙中之后在其中被挤压。通过这种方式，保证了气隙的至少近似完全的填满状态以及电感线圈芯单元的相应地高的机械强度和可负载性。
在另一扩展方案中，通过如下方式实现进一步提高电感线圈芯单元的机械可负载性：在引入填充材料时或者在进一步的加工步骤之后保证了在电感线圈芯和电感线圈的线圈体之间建立力配合。这例如可以通过将填充材料挤压到气隙中或者通过压紧电感线圈芯来实现。多余的填充材料在此必要时溢出并且可以被容易地去除。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节借助随后的对实施例的描述以及借助附图来得到，在附图中相同或者功能相同的元件设置有相同的附图标记。其中：
图1示出了电感线圈的电感线圈芯单元的一个实施例的侧面的截面图；
图2示出了两个电感线圈的与激励频率有关的振动的频谱；以及
图3示出了图2中所示的区域III的放大视图。
具体实施方式
图1示出了电感线圈芯单元10的侧面的截面图，该电感线圈芯单元可用于电感线圈。电感线圈芯单元10包括电感线圈芯12，其包括两个在横截面中E形的电感线圈芯部分12a、12b。电感线圈芯部分12a、12b围绕在横截面中双T形的线圈体14设置，当线圈体被多次地用未示出的电导体缠绕时，该线圈体在其方面用于提高电感线圈的电感。在电感线圈芯部分12a、12b和线圈体14之间有气隙16，其在不同的区段16a-16c具有不同的间隙宽度。为了机械稳定，将填充材料18引入到气隙16的区段16b中，该区段形成电感线圈的中间路径。气隙16的、形成两个电感线圈芯部分12a、12b的外边脚的区段16a、16c(它们在此具有0.01mm到0.05mm之间的厚度)借助粘合剂来粘合，由此在磁性回路中产生附加的气隙16。电感线圈芯12在该实施例中由铁氧体类型制成并且由此具有热膨胀系数αD，其值譬如在11＊10-6/K到12＊10-6/K之间的范围中。为了延长电感线圈芯单元10或者设置有其的电感线圈的工作时间和寿命，填充材料18被构建为使得其具有热膨胀系数αF，其值在电感线圈芯12的材料的热膨胀系数αD的值的±70％的范围中。通过这种方式，保证了在电感线圈或者电感线圈芯单元10的工作期间出现的温度波动导致一方面为电感线圈芯12或者气隙16以及另一方面为填充材料18的类似的尺寸变化。由此，避免了形成裂缝以及与此关联的干扰噪声产生。填充材料18例如可以包括基于锆的、水硬的胶结材料，其具有值为大约4.7＊10-6/K的热膨胀系数αF。该填充材料18具有高的电绝缘性、对抗热冲击的高的阻挡能力、高的耐热性以及高的化学稳定性，并且由于其无气味和低毒性可以毫无问题地使用。基本上，大多数无机的和基于硅酸盐的胶结材料类型适于作为填充材料18，因为它们通常具有值在大约4.0＊10-6/K到18.0＊10-6/K之间的热膨胀系数αF。
例如，可以使用化学凝固的胶结材料作为填充材料18，该胶结材料包括氧化镁、硅酸锆和磷酸镁。这种填充材料18在此在硬化状态中同样具有值为大约4.7＊10-6/K的热膨胀系数αF。同样，可能作为填充材料18的是化学凝固的胶结材料，其基于石英和硅酸钠。该填充材料18根据具体的扩展方案具有值在大约7.5＊10-6/K到17.5＊10-6/K之间的热膨胀系数αF，并且特别耐酸。与此相对，现有技术中已知的、包括环氧树脂的填充材料18具有值为大约60＊10-6/K的热膨胀系数αF，由此在热负载的情况下快速地导致形成裂缝以及不希望的发声。
在另一实施形式中，填充材料包括75％重量百分比(Gew.％)的锆粘合剂(例如Sauereisen，Pittsburgh公司的Zircon Potting Cement No.13)以及25％重量百分比的沙(例如等级1[A7-1]沙)。
可替选地可以设计的是，使用如下填充材料18：其具有热膨胀系数值αF，该热膨胀系数值与电感线圈芯12的可磁化材料的热膨胀系数值αD相比提高了10％到50％之间。这例如可以通过相应地选择填充材料18或者通过将附加的具有相应的热膨胀系数值αS的物质混合为填充材料18来实现。由于在中部区段16中相对于气隙16的旁边的区段16a、16c的更高的温度，所以填充材料18由此在相同长度上比电感线圈芯12的可磁化材料更强烈地膨胀。由此得到电感线圈芯12的内部区域的随着升高的温度而增大的机械预应力，由此附加地降低了电感线圈芯单元10的机械振动性以及所得到的发声。
为了制造电感线圈芯单元10，相应的胶结材料首先与所需数量的水混合，例如与相对于胶结材料的总重量的7.5％重量百分比的蒸馏水混合，以便得到浆状的物质，并且引入气隙16的区段16b中。通过压紧两个电感线圈芯部分12a、12b，在电感线圈芯12和线圈体14之间建立了力配合，使得在胶结材料硬化之后形成机械上特别稳定的复合结构。在压紧时，填充材料18在中间区段16b中溢出(quillt)并且至少大部分填充气隙16。多余的填充材料18可以被简单地去除。为了改善流动性，可以为填充材料18可选地加入添加剂。
硬化在三个阶段中进行，在第一阶段中在室温情况下预先硬化10小时至30小时，随后在50℃情况下硬化大约3小时，并且最后在70℃情况下继续硬化大约3小时。在冷却之后，电感线圈芯单元10于是最后被上漆。
图2示出了两个频谱，即其一为频谱曲线20a，其再现了与激励频率f有关的机械振动的强度，其中由现有技术已知的电感线圈没有填充材料18。其二是在图2中的频谱曲线20b，其再现了与激励频率f有关的机械振动的强度，其中反映了设置有图1中所示的电感线圈芯单元10的电感线圈。围绕线圈体14缠绕的电导体在两种情况中以正弦形的激励电流驱动，该电流具有在10kHz到30kHz之间的激励频率f。在图的纵坐标上以m/s的单位绘出了电感线圈芯12的产生的振动FFT(带有最高幅度)。从图2中在此可以容易地看出的是，频谱曲线20a由于气隙16的低的机械稳定性尤其是在对于人类可听到的16kHz到19kHz之间的频率的范围中具有机械振动的峰，由此产生了强烈的、不希望的发声。与此相对，频谱20b的幅度分布表现出在大约28kHz到29kHz的最大值。这些振动在听觉范围之外。电感线圈芯单元10的机械振动以及由此声压水平因此在听觉范围方面与设置有现有技术中已知的电感线圈芯单元的电感线圈相比明显降低。
图3为了进一步表明该情况示出了图2中所示的图区域III(激励频率f在27kHz到30kHz之间)的放大视图。
Claims (12)
1.一种电感线圈，其带有用于产生磁场的电导体以及至少一个设置在导体的区域中的电感线圈芯单元(10)，该电感线圈芯单元包括可磁化材料构成的电感线圈芯(12)以及至少一个气隙(16)，其中为了机械稳定，将填充材料(18)至少引入气隙(16)的一部分中，
其特征在于，
填充材料(18)构建为使得其具有热膨胀系数(αF)，该热膨胀系数的值在构成电感线圈芯(12)的可磁化材料的热膨胀系数(αD)的值的±70％的范围中。
2.根据权利要求1所述的电感线圈，其特征在于，填充材料(18)被构建为使得其具有如下热膨胀系数(αF)：该热膨胀系数的值在构成电感线圈芯(12)的可磁化材料的热膨胀系数(αD)的值的±50％的范围中和/或±40％的范围中和/或±25％的范围中和/或±10％的范围中。
3.根据权利要求1或2所述的电感线圈，其特征在于，构成电感线圈芯(12)的可磁化材料包括至少一种类型的铁氧体和/或铁粉和/或钼坡莫合金粉和/或纳米晶体磁性材料。
4.根据权利要求1至3之一所述的电感线圈，其特征在于，电导体优选多次地缠绕到线圈体(14)上。
5.根据权利要求1至4之一所述的电感线圈，其特征在于，填充材料(18)包括无机接合剂。
6.根据权利要求5所述的电感线圈，其特征在于，无机接合剂包括至少一种水硬化的胶结材料。
7.根据权利要求6所述的电感线圈，其特征在于，胶结材料包括硅酸盐，优选为硅酸锆和/或硅酸钠和/或硅酸钙，和/或氧化物，优选为二氧化硅和/或氧化镁和/或氧化铝和/或氧化铁和/或氧化钙，和/或氢氧化物，优选为氢氧化钙，和/或硫酸盐，优选为硫酸钙，和/或磷酸盐，优选为磷酸镁。
8.一种用于制造电感线圈的电感线圈芯单元(10)的方法，其中提供了可磁化的材料构成的、具有至少一个气隙(16)的电感线圈芯(12)，并且将用于机械稳定的填充材料(18)至少引入气隙(16)的一部分中，其特征在于，填充材料(18)选择为其具有线性的热膨胀系数(αF)，该热膨胀系数的值在构成电感线圈芯(12)的可磁化材料的热膨胀系数(αD)的值的±70％的范围中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用至少一种类型的铁氧体作为电感线圈芯(12)的可磁化材料，并且使用可水硬的胶结材料作为填充材料(18)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，胶结材料首先与预先给定量的水混合并且随后引入气隙(16)中。
11.根据权利要求8至10之一所述的方法，其特征在于，填充材料(18)在引入到气隙(16)中之后在该气隙中被挤压。
12.根据权利要求8至11之一所述的方法，其特征在于，在引入填，充材料(18)时或者在进一步的加工步骤之后保证了在电感线圈芯(12)和电感线圈的线圈体(14)之间建立力配合。
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