CN103608879B - 电抗器、变换器以及功率变换装置 - Google Patents

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Abstract

一种电抗器，包括通过缠绕导线形成的线圈、以及磁芯，在该磁芯中，内芯部插在线圈中，外芯部覆盖内芯部和线圈的外周面，该内芯部和外芯部两者形成闭合磁路。外芯部由含有磁性材料和树脂的混合物形成。线圈和内芯部之一具有露出部，此处，外周面的一部分没有被外芯部覆盖，以及，露出部的至少一部分与设置在散热板中的散热层接触。

Description

电抗器、变换器以及功率变换装置
技术领域
本发明涉及一种用作例如功率变换装置(如车载直流-直流变换器)之构成部件的电抗器、包括该电抗器的变换器、以及包括该变换器的功率变换装置。更特别地，本发明涉及一种具有高散热性能的电抗器。
背景技术
电抗器是升高和降低电压的电路构成部件。专利文献(PTL)1披露了一种电抗器，其包括线圈以及磁芯，磁芯中，由插在线圈中的内芯部、以及覆盖内芯部和线圈的外周至少一部分的耦合芯部二者，形成闭合磁路。耦合芯部整个由含有磁性材料和树脂的混合物(硬化成型体)形成，并且，在没有布置粘合剂的情况下，用所含树脂使其与内芯部结合。当电抗器放在壳体中时，耦合芯部覆盖线圈的大致所有端面和外周面、以及内芯部中不与壳体接触的部分端面和外周面(专利文献1的图1(A))。电抗器没有放在壳体中时，耦合芯部覆盖线圈的整个外周和线圈的端面、以及内芯部的端面(专利文献1的图4)。
引文列表
专利文献
专利文献(PTL)1：国际公开No.2011/013394
发明内容
技术问题
在电抗器工作期间，向线圈和磁芯供电时，线圈和磁芯发热，且其温度变高。特别地，与典型电子部件中所使用的电抗器相比，车载电抗器产生更大量的热量。为此，这种电抗器应用时通常固定至安装对象如冷却基座，以使供电时发热的线圈等冷却。
当覆盖线圈外周面的磁芯部分(耦合芯部)由磁性材料和树脂的硬化成型体形成时，如专利文献1中所披露的，将树脂(其导热率通常低于磁性材料如铁的导热率)置于线圈与安装对象之间。为此，难以从作为热发生器的线圈散热。因此，需要开发一种结构，即使使用上述硬化成型体，仍能提供高散热性能。
考虑到上述情况提出本发明，以及，本发明的一个目的是提供具有高散热性能的电抗器。
本发明的另一目的是，提供一种包括上述电抗器的变换器、以及一种包括该变换器的功率变换装置。
问题的解决方案
本发明通过下述方案实现了上述目的：在发热的线圈等的外周面的一部分中，形成未被硬化成型体覆盖的部分，并且，在这部分中设置具有高散热性能的散热层。
根据本发明的电抗器包括：线圈，其通过缠绕导线形成；以及磁芯，其中，由插在线圈中的内芯部、与覆盖内芯部外周面和线圈外周面的外芯部，形成闭合磁路。外芯部由含有磁性材料和树脂的混合物形成。线圈和内芯部之一具有露出部，此处，外周面的一部分未被外芯部覆盖，而且，露出部的至少一部分与设置在散热板中的散热层接触。
根据上述结构，在供电时温度变高的线圈及内芯部中，外周面的一部分未被外芯部覆盖，而是露出。因此，能使露出部与散热层直接结合，以及，能让线圈及内芯部的热量有效地传递到散热层。据此，热量能经由散热层传递到安装对象如冷却基座，并且，由此增强了散热性能。
当设置散热板时，能保护露出的线圈或内芯部免受外部环境例如灰尘及腐蚀的影响，并且能保证机械特性例如强度。
由于电抗器包括散热层，热量能从线圈或内芯部的安装面经由散热层有效消散。所以，外芯部可以由磁性材料和树脂构成的硬化成型体形成。与由电磁钢板叠层体或压坯形成外芯部的情况相比，通过由硬化成型体形成外芯部，使外芯部更容易形成为期望的形状。此外，任意形状的线圈外周面的一部分能容易地被外芯部覆盖。此外，由于能容易地改变磁性材料和树脂的混合比，可以容易地形成具有期望磁性能(主要是电感)的外芯部和包括这种外芯部的磁芯。
在本发明的一方面，散热层中至少与露出部相接触的表面由绝缘粘合剂形成。
由于散热层中至少与露出部相接触的表面由绝缘粘合剂形成，即使散热板由导电材料形成，借助于线圈与散热层接触，也能使线圈与散热板可靠地绝缘。所以，能使散热层变薄，热量能容易地传递到安装对象，而且，电抗器具有高散热性能。通过如上所述使散热层变薄，能减小线圈或内芯部的安装面与散热板内表面之间的间隙，而且这实质上没有导致电抗器尺寸的增大。此外，通过固化此粘合剂，能使线圈或内芯部与散热层可靠结合。在这方面，也能得到具有高散热性能的电抗器。
在本发明的一方面，散热层的至少一部分由高导热率绝缘粘合剂形成，并且使露出部的至少一部分与高导热率绝缘粘合剂结合。
由于设置在散热板中的散热层的至少一部分由高导热率绝缘粘合剂形成，即使散热板由导电材料形成，通过线圈与散热层(高导热率绝缘粘合剂)接触(结合)，能使线圈与散热板可靠地绝缘。所以，能使散热层变薄，热量能容易地传递到安装对象，而且，电抗器具有高散热性能。通过如上所述使散热层变薄，能减小线圈或内芯部的安装面与散热板内表面之间的间隙，而且，这实质上没有导致电抗器尺寸的增大。
在本发明的一方面，外芯部由磁性材料和树脂的混合物形成。
通过由磁性材料和树脂的混合物形成外芯部，能容易地改变磁性材料与树脂的混合比。因此，电抗器可以包括具有期望磁性能的外芯部。这里，用语“由磁性材料和树脂的混合物形成”指外芯部仅由磁性材料和树脂组成的混合物形成。
在本发明的一方面，在线圈外周面的一部分上设置露出部。
通过在线圈的外周面上形成露出部，来自作为热发生器的线圈的热量能有效地传递到散热层，并且经由散热层将线圈的热量传递到安装对象。这提供了高散热性能。
在本发明的一方面，露出部于线圈轴向上从一端到另一端连续形成。
通过在线圈外周面上、于线圈轴向上、从一端到另一端连续方式形成露出部，使热量能于线圈轴向均匀地消散。
在本发明的一方面，外芯部通过传递模塑成型或注射成型形成。
在所具有的外芯部通过传递成型或注射成型形成的电抗器中，外芯部能保护线圈和内芯部免受外部环境如灰尘及腐蚀的影响，并能保证机械特性如强度。因此，不必设置另外的部件来覆盖外芯部侧面，所以，不必设置另外的侧壁部来使其与散热板组合形成壳体。也就是，外芯部的外周面中与散热板相接触表面之外的其余部分能作为壳体的侧壁。由于不需要设置侧壁部，能减少零部件数量，并能减小电抗器尺寸。
在本发明的一方面，电抗器进一步包括侧壁部，该侧壁部与散热板分开设置，以围住线圈和磁芯。通过组合侧壁部和散热板，形成覆盖外芯部的侧面和安装面的壳体。
通过覆盖外芯部的侧面，能保护外芯部免受外部环境如灰尘及腐蚀的影响，并能确保机械性能如强度。由于构成壳体的散热板和侧壁部在上述结构中分开设置，它们能分开制造，生产方式的自由度较高。所以，散热板和侧壁部能由不同材料制成。此外，由于能在线圈和磁芯之组合体放置于散热板上之后再组合侧壁部和散热板，电抗器的装配效率较高。
由于包括了壳体，在形成外芯部的步骤中，通过首先将线圈和内芯部之组合体放置在整体方式设置的散热板和侧壁部所构成的壳体中，将用于形成外芯部的、含有磁性材料和树脂的混合物灌注到壳体中，使混合物成型为期望形状，并固化树脂，藉此，可以形成外芯部，并且，可以获得电抗器。
在本发明的一方面，电抗器包括壳体，其具有与散热板整体方式设置的侧壁部。壳体覆盖外芯部的侧面和安装面。
在这种结构中，由于构成壳体的散热板和侧壁部整体方式形成，能省略用于散热板和侧壁部的装配步骤。
根据本发明的电抗器能适合用作变换器的构成部件。根据本发明的变换器包括开关元件、控制开关元件操作的驱动电路、以及使开关操作平稳的电抗器，并且，该变换器通过开关元件的操作变换输入电压。上述电抗器可以作为本发明的电抗器。本发明的变换器能适合用作功率变换装置的构成部件。根据本发明的功率变换装置包括变换输入电压的变换器、以及与变换器连接以使直流与交流互相变换的逆变器，并且由逆变器所变换的功率驱动负载。上述变换器能用作本发明的变换器。
由于本发明的变换器以及本发明的功率变换装置包括具有高散热性能的本发明电抗器，它们适合用作例如要求具有高散热性能的车载部件。
发明的有益效果
本发明的电抗器具有高散热性能。
附图说明
[图1A]图1A是根据第一实施例的电抗器的示意轴测图；
[图1B]图1B是沿图1A中B-B线的剖视图；
[图2]图2是图示根据第二实施例的电抗器的分解轴测图；
[图3]图3是混合动力车中电力系统的示意结构图；以及
[图4]图4是图示包括本发明变换器的本发明功率变换装置实施例的示意结构图。
具体实施方式
下面，参照附图描述根据实施例的电抗器。附图中，相同的附图标记表示相同的零部件。
<第一实施例>
《电抗器的总体结构》
下面参照图1A和图1B描述本发明的第一实施例。电抗器1包括：线圈2，其通过缠绕导线2w形成；以及磁芯3，其中，由插在线圈2中的内芯部31与覆盖内芯部31外周面和线圈2外周面的外芯部32，形成闭合磁路。本发明的电抗器的特征在于：线圈2和内芯部31之一包括露出部5，此处，外周面的一部分未被外芯部32覆盖，以及，露出部5的至少一部分与散热板40的散热层42相接触。在第一实施例中，露出部5设置于线圈2的外周面上。下面具体说明这些构成部件。
[线圈]
线圈2是螺旋状缠绕单根连续导线2w形成的筒状体。适宜地，导线2w是涂覆导线，其中，在导电材料(如铜、铝或这些材料的合金)所形成导体的外周，设置由绝缘材料形成的绝缘涂层。这里，导体由矩形铜线形成，以及，绝缘涂层由漆包材料(代表性地，聚酰胺-酰亚胺)涂覆矩形导线形成。绝缘涂层的厚度适宜在20～100微米范围内。叠层系数会随着厚度减小而增大，以及，随着厚度增大，小孔数量会减少，并能改进电气绝缘性。例如，当通过以多层方式施加漆包材料形成绝缘涂层时，能增加绝缘涂层的厚度。可替代地，绝缘涂层可以具有不同材料构成的多层结构。例如，绝缘涂层可以具有多层结构，其中在聚酰胺-酰亚胺层的外周上设置聚苯硫醚层。具有多层结构的绝缘涂层在电绝缘性方面也优良。导线2w的匝数可以适当选择。通过使经涂覆矩形导线以扁立卷绕方式缠绕，形成线圈2。通过使线圈2的端面形状为圆形，即使通过扁立方式卷绕，也能相对容易地形成线圈。代替包括由矩形导线所形成导体的导线2w，可以使用多种形状的导线，例如具有圆形截面、以及多边形截面的导线。与使用具有圆形截面的圆导线相比，使用矩形导线能更容易地形成具有高叠层系数的线圈。取代圆形，线圈可以具有各种端面形状，例如椭圆形或跑道形。此外，线圈可以具有这样一种结构，其中一对线圈元件并排布置，使其轴向互相平行。
形成线圈2的导线2w的两端从匝圈适当延伸而出，并被拉到下述外芯部32的外部。导电材料(例如铜或铝)形成的端子件(未示出)与剥去绝缘涂层而露出的导线2w导体部分相连接。经由端子件，与外部装置(未示出)例如给线圈2供电的电源连接。通过焊接如钨极惰性气体电弧焊(TIG)、或者使用压力接合或钎焊，可以使导线2w的导体部分与端子件连接。尽管在图1A和图1B中所示的实施例中将导线2w的两端向上拉成与线圈2的轴向正交，拉出方向可以适当选择。导线的两端可以拉出成与线圈的轴向平行，或者可以拉到不同方向。
在下述磁芯3(内芯部31)的一部分插在线圈2内周中的状态下，使线圈2与设置在下述散热板40中的散热层42结合。本实施例的电抗器1采用水平布置，其中，线圈2与散热层42结合，使得在电抗器1安装于安装对象时，线圈2的轴向与安装对象(如冷却基座)的表面平行。线圈2具有露出部5，此处，线圈2外周面的一部分没有被外芯部32覆盖。
(露出部)
露出部5是：线圈2和内芯部31中任意一个的外周面中未被外芯部32覆盖而露出的部分。由于露出部5的至少一部分与散热层42直接结合，线圈2和内芯部31的热量能有效地传递到散热层42。因此，热量能经由散热层42传递到安装对象如冷却基座，而且，这能增强散热性能。由于线圈2在供电时发热，当线圈2与散热层42接触时能特别有效地进行散热。这里，如图1B中所示，露出部5于线圈2轴向上从一端到另一端连续形成。在露出部5中，使线圈2与散热层42互相结合。
[磁芯]
磁芯3包括：柱状内芯部31，其插在线圈2中；以及外芯部32，其设置成覆盖内芯部31的两个端面和线圈2的筒状外周面的一部分。激励线圈2时，内芯部31和外芯部32形成闭合磁路。在磁芯3中，通过由不同材料形成内芯部31和外芯部32，可以使其具有不同的磁性能。内芯部31的饱和磁通密度可高于外芯部32的饱和磁通高密度，以及，外芯部32的相对磁导率可低于内芯部31的相对磁导率。
磁芯3的总相对磁导率适宜在10～50范围内。这允许电抗器1的电感能容易地进行调整。这里，在磁芯3中例如内芯部31与外芯部32之间设置有间隔件时，磁芯3的总相对磁导率指内芯部31、外芯部32、以及间隔件的相对磁导率的总和，以及，在磁芯3中没有设置间隔件时，磁芯3的总相对磁导率指内芯部31和外芯部32的相对磁导率的总和。
适宜地，内芯部31的相对磁导率在5～500范围内，以及，外芯部32的相对磁导率在5～50范围内。适宜地，当由压坯形成内芯部31时，内芯部31的相对磁导率在50～500范围内，以及，当内芯部31由含有磁性材料和树脂的混合物形成时，内芯部31的相对磁导率在5～50范围内。
假设如下方式求得上述芯部的相对磁导率。首先，用与各芯部材料相同的材料进行加工，以形成外径34毫米、内径20毫米、厚度5毫米的环形样品。将导线缠绕于环形样品周围，以在初级侧形成300匝，以及，在次级侧形成20匝，并测量样品的B-H初始磁化曲线，H范围在0～100奥斯特(Oe)。对于测量，可以使用由Riken DenshiCo.，Ltd.制造的BH曲线图示仪“BHS-40S10K”。所得到的B-H初始磁化曲线的梯度(B/H)的最大值是样品的相对磁导率，并且，将该相对磁导率视为芯部的相对磁导率。这里，磁化曲线指所谓的直流磁化曲线。而下文将描述芯部的饱和磁通密度，它指由电磁铁向样品施加10000(Oe)磁场以达到充分磁饱和时所得到的样品磁通密度。
(内芯部)
内芯部31是具有符合于线圈2内周面形状的柱状外形的实心体，整个由压坯形成，并且不包括间隙件、气隙、以及粘合剂。
典型地，使表面具有绝缘涂层的软磁粉成型，然后在低于或等于绝缘涂层耐热温度下烘烤成型粉末，得到压坯。可以使用向软磁粉适当添加粘结剂的混合粉末，或者可以使用包括硅树脂作为绝缘涂层的粉末。通过调整软磁粉的材料、软磁粉和粘结剂的混合比、以及各种涂层的量，可以改变压坯的饱和磁通密度。通过使用具有高饱和磁通密度的软磁粉，或者通过减少所混合粘结剂的量来提高软磁材料的比例，可以得到具有高饱和磁通密度的压坯。此外，通过提高成型压力，饱和磁通密度趋于增大。适宜地，选择软磁粉的材料并调整成型压力，以得到期望的饱和磁通密度。
软磁粉可以是：铁族金属(例如铁(Fe)、钴(Co)、或镍(Ni))的粉末，铁基合金(例如铁-硅(Fe-Si)、铁-镍(Fe-Ni)、铁-铝(Fe-Al，)、铁-钴(Fe-Co)、铁-铬(Fe-Cr)、或铁-硅-铝(Fe-Si-Al))的粉末，稀土金属粉末，或者非晶磁性材料的粉末。特别地，由铁基合金的粉末可以容易地形成具有高饱和磁通密度的压坯。例如，可以通过气雾化法、水雾化法、或机械粉碎法，制造这种粉末。当使用由含有纳米尺寸晶体的纳米晶材料所形成的粉末，优选地使用各向异性纳米晶材料所形成的粉末时，能得到具有高各向异性和低矫顽磁性的压坯。设置于软磁粉上的绝缘涂层由例如磷酸盐化合物、硅化合物、锆化合物、铝化合物、或硼化合物形成。粘结剂由例如热塑性树脂、非热塑性树脂、或高级脂肪酸形成。通过上述烘烤操作，除去这种粘结剂或使其成为绝缘体例如二氧化硅。由于绝缘体例如绝缘涂层存在于压坯中软磁粉的表面，使软磁颗粒彼此绝缘。结果，能减小涡流损耗。即使向线圈提供高频电流，也能减少损耗。作为压坯，可以使用已知类型的压坯。
当压坯的体积是100体积％时，压坯中软磁粉(磁性成分)的含量适宜为高于或等于70体积％，更宜为高于或等于80体积％。由于压坯中磁性成分的量远大于绝缘成分的量，内芯部31可以由具有高相对磁导率和高饱和磁通密度的磁性材料形成。适宜地，内芯部31具有的相对磁导率在50～500范围内，以及，饱和磁通密度高于或等于1.0特斯拉(T)。此外，内芯部31的导热率适宜高于或等于10W/m·K。
取代上述压坯，内芯部31可以由含有与下述外芯部32类似的磁性材料和树脂之混合物(硬化成型体)形成，或者，由硅钢片为代表的电磁钢片的叠层体形成。内芯部31的截面形状符合于线圈2的内周面形状，以及，取代圆形，可以使用多种形状例如椭圆形、跑道形、或多边形。
在图1A和图1B所示的实施例中，内芯部31的长度稍稍长于线圈2的长度。这里，术语“长度”指线圈2轴向长度。为此，内芯部31的两个端面及其附近部位从线圈2的端面凸出。内芯部的凸出长度可以适当选择。尽管内芯部31在本实施例中以相同凸出长度从线圈2端面凸出，内芯部31也可按不同凸出长度凸出，或者，内芯部31可以只从线圈2的端面之一凸出。可替代地，内芯部的长度与线圈的长度可以相等，或者，内芯部的长度可以短于线圈的长度。在任意情况下，设置外芯部32，以在激励线圈2时形成闭合磁路。
(外芯部)
外芯部32设置成，大致覆盖线圈2的所有两个端面以及线圈2外周面中未与下述散热层42接触的部分，以及，覆盖内芯部31的两个端面及其附近。在磁芯3中，外芯部32和内芯部31形成闭合磁路。可以不使用粘合剂或间隙件，而是用外芯部32的组份树脂，使外芯部32和内芯部31互相结合，或者，可以用粘合剂或布置在外芯部32与内芯部31端面之间的间隙件，使外芯部32和内芯部31互相结合。这里，采用了前一种结构。所以，磁芯3是一体式部件，没有使用粘合剂或间隙件，而是作为整体一体式形成。当采用后一种结构时，间隙件由非磁性材料(例如，氧化铝、玻璃纤维环氧树脂、或不饱和聚酯)形成，或者间隙是气隙。
外芯部32大致覆盖线圈2中所有未与散热层42接触的部分。因此，在电抗器1中，例如，外芯部32可以保护线圈2和内芯部31免受外部环境例如灰尘及腐蚀的影响，并且，可以确保机械特性例如强度。
外芯部32整个由含有磁性材料和树脂的混合物(硬化成型体)形成。典型地，可以使用磁性粉末和硬质树脂粉末，通过传递成型、注射成型、金属注射成型(MIM)、浇铸成型、或加压成型，形成硬化成型体。在传递成型、注射成型、以及MIM中，通常，将磁性材料形成的粉末(必要时还包括非磁性粉末的混合粉末)与液态粘结剂树脂混合，以形成液态混合物，将液态混合物以预定压力注入模具并使其成型，然后，使粘结剂树脂固化。在浇铸成型中，将液态混合物不带压力地注入模具，使其成型，并使其固化。在任一种成型方法中，可以使用与上述内芯部31中所使用软磁粉类似的磁粉。特别地，铁基金属(例如纯铁粉或铁基合金粉)能适宜地用作外芯部32的软磁粉。可以使用软磁性材料颗粒表面覆盖有磷酸盐涂层的被覆粉末。作为软磁粉，平均粒径在1～1000微米范围内、更宜在10～500微米范围内的粉末易于使用。
在上述成型法的任一种之中，热固性树脂例如环氧树脂、酚醛树脂、或硅树脂可以适当地用作粘结剂树脂。当使用热固性树脂时，通过将成型体加热来使树脂热固化。作为粘结剂树脂，可以使用室温固化树脂或低温固化树脂。在这种情况下，在室温或相对较低固化温度下使树脂固化。由于相对大量的非磁性材料树脂残留在硬化成型体中，即使使用与内芯部31中所包括压坯相同的软磁粉，也能容易地形成饱和磁通密度和相对磁导率比压坯低的芯部。
除了磁性材料粉末和粘结剂树脂之外，硬化成型体的材料可以进一步包括由陶瓷材料例如氧化铝或氧化硅形成的填料。通过混入比重低于磁性材料粉末的填料，抑制磁性粉末的不均匀分散。因此，易于得到整体上磁性粉末均匀分散的外芯部。当填料由具有高导热率的材料形成时，这能增强散热特性。
当混合填料时，在外芯部的体积为100％时，磁性材料粉末和填料的总含量设定在20～70体积％范围内。当然，硬化成型体可以由只有磁性材料和树脂组成的混合物形成。
当使用上述传递成型或注射成型时，通过改变磁性材料粉末以及粘结剂树脂的比率，以及，当包括填料时，通过改变磁性材料粉末、粘结剂树脂、以及填料的比率，能调整外芯部的相对磁导率和饱和磁通密度。例如，随着磁性材料粉末的比例减少，相对磁导率趋于减小。适宜地，调整外芯部的相对磁导率和饱和磁通密度，使得电抗器具有期望的电感。外芯部32的相对磁导率适宜在5～50范围内，以及，外芯部32的饱和磁通密度适宜高于或等于0.6特斯拉，更宜高于或等于0.8特斯拉。外芯部32的导热率适宜高于或等于0.25W/m·K。
[散热板]
散热板40是大致矩形板，并且，固定成与安装对象如冷却基座相接触。尽管在图1A和图1B所示实施例的安装状态下散热板40位于下部位置，其也能位于上部位置或侧面位置。散热层42设置在散热板40中要放置线圈2和磁芯3之组合体的一个表面中。散热板40的外形可以适当选择。这里，散热板40包括：安装部400，其自四角凸出；以及螺栓孔400h，其中插入螺栓(未示出)，用于固定至安装对象如冷却基座。螺栓孔400h可以由非螺纹通孔或螺纹孔中的任意一种形成，并且，螺栓孔400h的数量可以适当选择。
当散热板40由金属材料形成时，因为金属材料通常具有高导热率，其可以具有高散热性能。作为散热板40的金属材料，例如，可以使用铝或其合金、镁(导热率：156W/m·K)或其合金、铜(398W/m·K)或其合金、银(427W/m·K)或其合金、铁、或奥氏体不锈钢(例如，SUS 304：16.7W/m·K)。使用上述铝、镁或其合金能有助于电抗器的减重。特别地，铝或其合金能适合用作车载零部件，因为其还高度耐腐蚀。当散热板40由金属材料形成时，其不仅能通过铸造例如模铸形成，而且也可以通过可塑成形法例如冲压加工形成。这里，散热板40由铝形成。
[散热层]
散热层42可以由具有高导热率的材料形成。适宜地，散热层42的导热率为0.5W/m·K或更高，以及，散热层42具有电绝缘特性。散热层42的导热率适宜尽可能高，以及，散热层42的形成材料具有这样的导热率，其适宜为2W/m·K或更高，3W/m·K或更高，更宜为10W/m·K或更高，尤其适宜为20W/m·K或更高，最适宜为30W/m·K或更高。
具有高导热率的材料包括非金属无机材料例如陶瓷材料。作为陶瓷材料，可以使用这样一种材料，其选自：含有金属元素、硼、以及硅至少之一的氧化物，含有金属元素、硼、以及硅至少之一的碳化物，以及，含有金属元素、硼、以及硅至少之一的氮化物。陶瓷材料的实施例是：氮化硅(Si3N4)，大约20～150W/m·K；氧化铝(Al2O3)，大约20～30W/m·K；氮化铝(AlN)，大约200～250W/m·K；氮化硼(BN)，大约50～65W/m·K；以及碳化硅(SiC)，大约50～130W/m·K。这些陶瓷材料的优点不仅在于散热特性，以及，在于电绝缘性。在使用上述陶瓷材料成形的情况下，可以利用蒸发例如物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。可替代地，可以用适当粘合剂制备及形成陶瓷材料的烧结板。
可替代地，上述材料可以是含有上述陶瓷材料所形成填料的绝缘树脂。例如，绝缘树脂是环氧树脂或丙烯酸树脂。当绝缘树脂含有散热性能和电绝缘性优良的填料时，散热层42能形成为在散热性能和电绝缘性方面优良。即使使用含有填料的树脂，例如，通过在散热板40上施加树脂，也能容易地形成散热层42。当散热层42由绝缘树脂形成时，其能容易地通过丝网印刷形成。
散热层42也能由粘合剂形成。粘合剂适宜是绝缘粘合剂，更宜为高导热率绝缘粘合剂。通过形成粘合剂的散热层42，能增强线圈2和磁芯3之组合体(特别是使线圈32露出的露出部5)与散热层42的附着。特别地，绝缘粘合剂能增强线圈2的露出部5与散热层42之间的绝缘，以及，高导热率绝缘粘合剂不仅能增强绝缘，而且能提高导热率。例如，绝缘粘合剂是环氧树脂粘合剂或丙烯酸树脂粘合剂。例如，高导热率绝缘粘合剂是含有上述陶瓷材料所形成填料的绝缘粘合剂。高导热率粘合剂的导热率高于2W/m·K。
散热层42可以具有多层结构。在这种情况下，与线圈2和磁芯3之组合体相接触的、位于散热层42正面(与露出部5相接触的正面)的一层，可以由上述绝缘材料形成，以及，与散热板40相接触的一层，可以由上述具有高导热率的材料形成。可替代地，正面可以由绝缘粘合剂或上述高导热率粘合剂形成，以及，与散热板40相接触的一侧可以由上述具有高导热率的材料形成。即使散热层42具有这样一种多层结构，适宜的是，散热层42的总导热率应当尽可能高，也就是，0.5W/m·K或更高，2W/m·K或更高，3W/m·K或更高，更宜10W/m·K或更高，特别适宜20W/m·K或更高，最适宜30W/m·K或更高。
这里，散热层42由含有氧化铝(导热率：3W/m·K)填料的环氧树脂粘合剂形成。散热层42可以具有任意形状，只要其满足：与线圈2和磁芯3之组合体相结合的表面具有的面积允许与散热层42充分接触。
在与露出部5相结合表面上，散热层42适宜具有定位部，用于将露出的部件(这里，线圈2)定位。通过形成定位部，在线圈2和内芯部31之组合体结合至散热层42之后形成外芯部32时，组合体能容易地定位并固定于散热层42。这里，如图1B中所示，在散热层42上设置定位槽420，其成形为符合于线圈2的形状。这里，定位槽420是具有弧形截面并且在线圈2轴向具有一定长度的槽。通过将线圈2放在定位槽420中，在线圈2与定位槽420的接触面上没有形成外芯部32，但在线圈2上形成露出部5。定位部的方式并非特别局限于定位槽420，定位部可以通过任意方式形成，只要其能在散热层420上定位线圈2即可。
[其它构成部件]
(绝缘体)
为了进一步增强线圈2与磁芯3之间的绝缘性，在线圈2与磁芯3相接触的部分处适宜设置绝缘体。为了设置绝缘体，例如，可以将绝缘带粘在线圈2的内、外周面上，或者可以在其上设置绝缘纸或绝缘片。可替代地，在内芯部31外周上可以设置由绝缘材料形成的套管(未示出)。套管可以是覆盖内芯部31外周的筒状体。当使用从筒状体两端于周向延伸出的环形凸缘部的套管时，能增强线圈2端面与外芯部32之间的绝缘性。作为套管的材料，可以适当地使用绝缘树脂如聚苯硫醚(PPS)树脂、液晶聚合物(LCP)、或者聚四氟乙烯(PTFE)树脂。
《电抗器制造方法》
具有上述结构的电抗器1可以如下方式制造。适当参照图1A和图1B描述构成部件。首先，制备线圈2和由压坯形成的内芯部31，并且将内芯部31插在线圈2中，以形成线圈2和内芯部31的组合体。在这种情况下，在线圈2与内芯部31之间可以适当设置绝缘体，如上所述。
接着，将组合体与散热板40的散热层42结合。在这种情况下，利用设置在散热层42中的定位槽420，可以定位线圈2中的要露出的部分，以使其与散热层42可靠接触，并且，容易地将组合体与散热层42结合。
然后，在与散热层42相结合的组合体外周面上，形成外芯部32。在这种情况下，使用多个模具(未示出)来形成外芯部32。接着准备：容器状下模具，其能够容纳散热板40，并且在上侧具有开口；以及容器状上模具，其设置在下模具的内侧壁面与组合体之间，并且在下侧具有开口。上模具与开口相对的表面具有注射口，自此处注入外芯部的形成材料。在组合体放置于这些模具中的状态下，将含有磁性材料和树脂的混合物(其作为外芯部的材料)从设置于上模具的注射口注入。在这种情况下，在下模具、上模具、以及散热板的结合面处没有形成间隙。在使注入的混合物硬化之后，撤除模具。在这样得到的电抗器1中，线圈2的露出部5与散热板40的散热层42结合，以及，除露出部5之外，在线圈2和内芯部31所组成组合体的外周上形成外芯部32。
《应用》
具有上述结构的电抗器1适合在例如下述供电条件下应用，其中最大电流(直流)为约100～1000A，平均电压为约100～1000V，以及，使用频率为约5～100kHz。代表性地，电抗器1能适合在电动车或混合动力车中用作车载功率变换装置的构成部件。
《优点》
在第一实施例的电抗器1中，由于在供电时发热的线圈2具有露出部5，此处线圈2的一部分是露出的，没有被外芯部32覆盖，露出部5能与散热层42结合，并且，能将线圈2的热量有效地传递到散热层42。据此，线圈2的热量能经由散热层42有效地传递到安装对象如冷却基座，并且，这提供了高散热性能。此外，由于散热层42由粘合剂形成，通过使粘合剂固化，能使线圈2与散热层42可靠结合。就此而言，电抗器1在散热性能方面也是优良的。
由于电抗器1不包括壳体，能使其尺寸减小。即使电抗器1不包括壳体，外芯部32也能保护线圈2和内芯部31免受外部环境如灰尘及腐蚀的影响，并且能保证机械特性例如强度。此外，散热板40能保证露出部5中线圈2的机械特性。
<第一变化例>
在上述第一实施例中，在将线圈2和内芯部31之组合体与散热层42结合之后，形成外芯部32。也可以在形成线圈2和内芯部31之组合体与外芯部32的装配体之后，将该装配体结合至散热层42。
在设置有散热层42的表面上，散热板40适宜具有固定槽410(参见图1B)，该固定槽410沿线圈2和磁芯3之组合体的形状设置。在固定槽410中设置散热层42。当使组合体与散热层42结合时，能容易地使其定位，并且能限制移置，因为设置有散热层42的固定槽410的形状符合于组合体的形状。在这种情况下，不必在散热层42上形成定位部。
按这种方式，线圈具有露出部，与第一实施例类似。由于露出部与散热层直接结合，获得了高散热性能。此外，由外芯部和散热板能保证线圈和内芯部的机械特性。因此，可以省略壳体，并且能减小电抗器的尺寸。
<第二实施例>
下面，参照图2，说明根据本发明第二实施例的电抗器。第二实施例与上述第一实施例电抗器1的不同在于包括侧壁部41，该侧壁部41覆盖外芯部32的侧面，并且与散热板40组合以形成壳体4。虽然电抗器1可以直接使用，当外芯部32的侧面被侧壁部41覆盖时，还能保证外芯部32的机械特性。下面集中说明不同之处。由于其它结构与第一实施例中所采用的结构类似，省略其说明。
[侧壁部]
侧壁部41与散热板40分开设置。用固定装置使侧壁部41与散热板40组合以形成壳体4，该壳体4覆盖外芯部32的侧面和安装面。侧壁部41是两端敞开的矩形框体。装配成下开口被散热板40封堵时，侧壁部41设置为围住外芯部32的侧面。上开口没有被部件封堵，而是敞开的。侧壁部41与散热板40的结合区域具有矩形形状，其符合于散热板40的外部形状，以及，上开口侧的区域弯曲，以符合于外芯部32的外周面。
侧壁部41与散热板40的结合区域具有自四角凸出的安装部411，与散热板40类似。安装部411设置有螺栓孔411h，以形成安装部。螺栓孔411h可以只由侧壁部41的材料形成，或者由不同材料制成的筒状体形成。这里，设置金属管以形成螺栓孔411h。可替代地，侧壁部41可以没有安装部，并且，只有散热板40可以具有安装部400。按这种方式，散热板40的外形形成为，使得散热板40的安装部400自侧壁部41的外形凸出。
散热板40和侧壁部41可以通过各种类型的固定装置连接成一体。固定装置是结合件例如粘合剂以及螺栓。这里，散热板40和侧壁部41设置有螺栓孔(未示出)，以及，通过将作为固定装置的螺栓(未示出)拧进螺栓孔进行结合。
当侧壁部41的材料是金属材料时，因为金属材料通常具有高导热率，壳体可以具有高散热性能。作为金属材料，可以使用与上述散热板40材料相同的材料。可替代地，该材料可以是非金属材料。非金属材料的示例是树脂例如聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)树脂、氨基甲酸乙酯树脂、聚苯硫醚(PPS)树脂、以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂。由于这些非金属材料比上述金属材料轻，即使包括壳体，也能减轻壳体的重量。当在上述树脂中混合有陶瓷材料的填料时，能增强散热性能。当壳体4由树脂形成时，可以适宜地使用注射成型。
散热板40和侧壁部41可以由相同种类的材料形成。在这种情况下，散热板40和侧壁部41在导热率方面相同。可替代地，由于散热板40和侧壁部41分开形成，它们可以由不同材料形成。在这种情况下，当特别选择材料使得散热板40的导热率高于侧壁部41的导热率时，设置于散热板40上的线圈2露出部5的热量能有效地传递到安装对象如冷却基座。这里，散热板40和侧壁部41都由铝形成。可替代地，散热板40可以由铝形成，以及，侧壁部41可以由PBT树脂形成。
《配壳(侧壁部)电抗器的制造方法》
通过从上方放置侧壁部41以围住线圈2和磁芯3之组合体，并且用固定装置(这里指单独准备的螺栓(未示出))将散热板40与侧壁部41组合，可以得到配备有上述侧壁部41的电抗器(下文称为配壳电抗器10)。
形成线圈2和内芯部31的组合体，然后使该组合体与散热板40结合，形成外芯部32，最后装配侧壁部41，通过上述步骤，得到配壳电抗器10。也就是，该方法将侧壁部41装在第一实施例的电抗器1中。取代这种方法，也可以通过以下步骤得到配壳电抗器10：形成线圈2和内芯部31之组合体，然后使该组合体与散热板40结合，装配侧壁部41，最后形成外芯部32。在这种情况下，首先将线圈2和内芯部31之组合体固定至散热板40，并将侧壁部41与散热板40组合以围住该组合体，从而，形成壳体4。将形成外芯部32的含有磁性材料和树脂的混合物灌入壳体4并且成型为预定形状，之后，使树脂固化。根据这种方法，形成外芯部32，并且能得到配壳电抗器10。所以，在制造配壳电抗器10时，不再需要成本高的模具。
当用树脂填充壳体4时，适宜的是设置压盖6，以避免未固化树脂从散热板40与侧壁部41之间的间隙泄漏。这里，压盖6是根据侧壁部41和散热板40之间结合部的形状及尺寸形成的环状体，以及，压盖6由合成橡胶形成，但压盖6可以由适当材料形成。在壳体4的侧壁部41的安装面侧，设置用于布置压盖6的压盖槽(未示出)。
由于散热板40和侧壁部41是独立部件，可以在线圈2和内芯部31之组合体安装于散热板40上之后，使散热板40与侧壁部41组合。可替代地，也可以将外芯部32设置于该组合体的外周面，将这样所形成的装配体布置于散热板40上，之后，使散热板40与侧壁部41组合。所以，电抗器的装配性能较高。
<第二变化例>
虽然在上述第二实施例中散热板40和侧壁部41分开设置，并且用固定装置使散热板40与侧壁部41组合而得到壳体4，但也可以使用通过整体形成散热板40和侧壁部41而形成的壳体。在这种情况下，由于散热板和侧壁部由相同材料整体形成，可以省略散热板与侧壁部的装配步骤。
<第三实施例>
上述第一实施例和第二实施例采用了水平布置，其中线圈与散热层结合，使得电抗器安装于安装对象上时，线圈的轴向与安装对象(如冷却基座)的表面平行。可替代地，可以采用竖向布置，其中线圈与散热层42结合，使得线圈的轴向与安装对象的表面正交。
当线圈和内芯部的组合体以竖向布置安装时，外芯部设置成覆盖线圈的大致所有端面和外周面、以及内芯部中不与散热板接触的外周面。也就是，使露出而未被外芯部覆盖的露出部设置于内芯部的一个端面。由于露出部与散热层直接结合，内芯部的热量能传递到散热层，并且，内芯部的热量经由散热层能传递到安装对象如冷却基座。
即使不设置壳体，外芯部也能保护线圈和内芯部免受外部环境例如灰尘和腐蚀的影响，并且能保证机械特性如强度。散热板能保证露出部中内芯部的机械特性。可以设置壳体(侧壁部)。在这种情况下，侧壁部可以与散热板分开设置，或者，可以与散热板整体方式成型。
《第四实施例》
根据第一实施例至第三实施例以及第一变化例和第二变化例的电抗器，可以用作安装在车辆等中的变换器的构成部件，或者用作包括变换器的功率变换装置的构成部件。
如图3中所示，车辆1200，例如混合动力车或电动车，包括：主蓄电池1210；功率变换装置1100，其与主蓄电池1210连接；以及电动机(负载)1220，其由来自主蓄电池1210的驱动用电力驱动。
典型地，电动机1220是三相交流电动机，在驱动期间驱动车轮1250，并且，在再生期间作为发电机。在混合动力车的情况下，除电动机1220之外，车辆1200还包括发动机。虽然图3中将插口示为车辆1200的充电部，但也可以设置插头。
功率变换装置1100包括：变换器1110，其与主蓄电池1210连接；以及逆变器1120，其与变换器1110连接，以执行直流与交流之间的互相变换。在此实施例中，在车辆1200驱动期间，变换器1110将来自主蓄电池1210的约200～300伏特的直流电压(输入电压)增大至约400～700伏特，并给逆变器1120供电。此外，在再生期间，变换器1110将从电动机1220经由逆变器1120输出的直流电压(输入电压)降低至适合于主蓄电池1210的直流电压，并对主蓄电池1210充电。在车辆1200驱动期间，逆变器1120将已由变换器1110升压的直流变换成预定交流，并给电动机1220供电；以及，在再生期间，逆变器1120将从电动机1220输出的交流变换成直流，并将此直流输出至变换器1110。
如图4中所示，变换器1110包括多个开关元件1111、用于控制开关元件1111操作的驱动电路1112、以及电抗器L，并且通过反复执行ON/OFF(开关操作)，变换(这里，增大或减小)输入电压。作为开关元件1111，使用功率器件，例如场效应晶体管(FET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。利用抑制流过电路的电流变化的线圈特性，电抗器L起到这样的作用，使由开关操作所导致的电流增大及减小的变化平滑。作为电抗器L，使用根据第一实施例至第三实施例以及第一变化例和第二变化例的任意电抗器。利用具有高散热性能的电抗器，可以增强功率变换装置1100(包括变换器1110)的散热性能。
除了变换器1110之外，车辆1200还包括：供电装置变换器1150，其与主蓄电池1210连接；以及辅助电源变换器1160，其与副蓄电池1230(作为辅助设备1240电源)以及主蓄电池1210连接。辅助电源变换器1160将主蓄电池1210的电压从高压变换至低压。变换器1110代表性地执行直流-直流变换，而供电装置变换器1150以及辅助电源变换器1160执行交流-直流变换。有些情况下供电装置变换器1150执行直流-直流变换。作为供电装置变换器1150以及辅助电源变换器1160的电抗器，可以使用这样的电抗器，其具有与第一实施例至第三实施例以及第一变化例和第二变化例中的电抗器类似的结构，并且使其尺寸及形状适当地做些变化。可替代地，第一实施例至第三实施例以及第一变化例和第二变化例中的电抗器，可以用于只是通过升高电压变换输入电力的变换器，或者可以用于只是通过降低电压变换输入电力的变换器。
本发明并不局限于上述实施例，以及，在不脱离本发明范围的情况下可适当进行变化。
工业适用性
本发明的电抗器能用作功率变换装置的构成部件，这些功率变换装置例如安装在车辆如混合动力车、电动车、或燃料电池动力车中的车载变换器。
附图标记列表

Claims (9)

1.一种电抗器，包括由缠绕导线形成的线圈、以及磁芯，在所述磁芯中，内芯部插在所述线圈中，外芯部覆盖所述内芯部和所述线圈的外周面，由所述内芯部和所述外芯部二者形成闭合磁路，以及，侧壁部围住所述线圈和所述磁芯，
其中，所述外芯部由包含磁性材料和树脂的混合物形成，
其中，所述线圈和所述内芯部之一具有露出部，在该处所述外周面的一部分没有被所述外芯部覆盖，以及，所述露出部的至少一部分与设置在散热板中的散热层接触，
其中，所述侧壁部与所述散热板分开设置，
其中，通过使所述侧壁部与所述散热板结合，形成覆盖所述外芯部的侧面及安装面的壳体，
其中，所述散热板和侧壁部由不同材料形成，以及，所述散热板的导热率高于所述侧壁部的导热率，
其中，所述散热板由金属材料形成，以及所述侧壁部由树脂形成，以及
其中，所述散热层的导热率为0.5W/m·K或更高，以及，所述散热层具有电绝缘特性。
2.根据权利要求1所述的电抗器，其中，至少所述散热层与所述露出部接触的表面由绝缘粘合剂形成。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电抗器，
其中，至少所述散热层的一部分由高导热率绝缘粘合剂形成，以及
其中，至少所述露出部的一部分与所述高导热率绝缘粘合剂结合。
4.根据权利要求1或2所述的电抗器，其中，所述外芯部由磁性材料和树脂的混合物形成。
5.根据权利要求1或2所述的电抗器，其中，所述露出部设置在所述线圈的外周面的一部分上。
6.根据权利要求5所述的电抗器，其中，所述露出部于所述线圈的轴向上从一端到另一端连续形成。
7.根据权利要求1或2所述的电抗器，其中，所述外芯部通过传递成型或注射成型形成。
8.一种变换器，包括开关元件、控制所述开关元件操作的驱动电路、以及使开关操作平稳的电抗器，所述变换器通过所述开关元件的操作变换输入电压，
其中，所述电抗器是根据权利要求1至权利要求7中任一项权利要求所述的电抗器。
9.一种功率变换装置，包括变换输入电压的变换器、以及与所述变换器连接以使直流与交流互相变换的逆变器，所述功率变换装置用经所述逆变器变换的功率驱动负载，
其中，所述变换器是根据权利要求8所述的变换器。
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