CN103827993A - 包括散热支撑体的线圈式电子功率部件 - Google Patents

Abstract

一种线圈式电子功率部件（3），用于安装在基底（2）上，所述部件（3）包括：沿轴向延伸的磁芯（31），多个线匝（32）在所述磁芯上卷绕以形成磁线圈；和至少一个架（4），用于安装在所述基底（2）上；所述安装架包括与所述磁芯和/或所述多个线匝（32）热接触的至少一个排放表面（S1，S2），用以在所述部件（3）的操作过程中将热量从所述磁芯（31）和/或从所述多个线匝（32）排放到所述基底（2），所述安装架（4）具有大于400W·m^-1·K^-1的等效热导率。

Description

包括散热支撑体的线圈式电子功率部件

技术领域

本发明涉及航空应用的电子功率部件的热控制领域。

背景技术

飞机通常包括大量电子功率部件，特别是用于执行飞行命令或电信号过滤。用于航空应用的电子功率部件能够产生数十千瓦的功率。在通常，电子功率部件被暂时使用而持续数秒的时间，这产生少量的焦耳热量；这种热量由电子部件的主体吸收。电子功率部件的温度仅稍有升高，这不会对其操作产生不利影响。

为了满足飞机制造商的进一步的需求，已经提出：电子功率部件被持久使用而持续数分钟的时间。在实践中，在使用数分钟之后，电子功率部件的温度开始升高，直到达到极限温度，如温度更高，则电子部件的操作不再是最佳的。

在电子功率部件中，线圈式电子部件具体用于过滤信号，其受温度升高的影响。参见图1，线圈式电子功率部件1（在下文中被称为线圈式部件1）包括环形圆纹曲面的磁性的芯11（在下文中被称为超环面芯11），金属线匝12（优选地为铜制线匝）围绕该超环面的芯11卷绕。在实践中，如高于110℃，则超环面芯11的磁性能降低，线圈式部件1的操作不再是最佳的。

线圈式部件1通常包括：安装座13，其将线圈式部件1的线匝12连接到供线圈式部件1安装于其上的基底2。基底2的温度在操作过程中低于线圈式部件1的温度。根据热条件，基底2形成散热体。在操作中，线圈式部件1的超环面芯11和线匝12发热。如图1中所示，仅有线匝12与安装座13接触，这可使热量从线匝12排放到基底2中。与此不同的是，由于超环面芯11中的焦耳效应所产生的热量无法令人满意地排放。实际上，为了将热量从超环面芯11排放到安装座13中，所述热量不得不行进穿过线匝12。由此组件引起的热阻很高。线圈式部件1的温度因而保持较高，这妨碍其进行最佳操作。

为了克服这些缺陷，第一解决方案包括：增大线圈式部件的直径以减小由于焦耳效应导致的损耗。这种类型的解决方案增大了线圈式部件的重量和尺寸，这不是所希望的。第二解决方案包括：使用旋转风扇产生气流以冷却线圈式部件。将旋转风扇集成在航空应用中，在可靠性方面具有缺陷；因此，这种解决方案也被排除。第三解决方案将使用树脂，例如环氧树脂，线圈式部件将嵌入树脂中。在实践中，这种类型的树脂使其不足以限制线圈式部件的发热。

发明内容

本发明的目的在于，生产一种线圈式电子功率部件，其温度在操作过程中被调节，同时确保与其中该部件承受振动、加速以及在－50℃至＋110℃之间变化的外界温度的航空应用相适应的机械强度。本发明的另一目的在于，提供一种更轻更紧凑的线圈式部件。

为此目的，本发明涉及一种线圈式电子功率部件，用于安装在基底上，所述部件包括：沿轴向延伸的磁芯，多个线匝围绕所述磁芯卷绕以形成磁线圈；和至少一个架，用于安装在所述基底上；所述安装架包括与所述磁芯和/或所述多个线匝热接触的至少一个排放表面，用以在所述部件的操作过程中将热量从所述磁芯和/或从所述多个线匝排放到所述基底，在所述部件中，所述安装架具有大于400W·m^-1·K^-1，优选大于600W·m^-1·K^-1的等效热导率。

热导率的值根据安装架将热量从热源传导到散热体的主方向来限定。通常，该热导率在周边温度，即20℃下确定。

安装架具有高的等效热导率，使得可将热量从线圈式部件有效排放，同时可抗振。如果安装架仅包括一个元件，则该单一元件的材料的热导率对应于等效热导率。如果安装架包括多个元件（例如安装座和热排放装置），则等效热导率对应于所有这些元件的热导率。

优选地，所述安装架是非磁性的，从而使其不会因感应而发热。

更优选地，安装架由复合材料制成。这种类型的材料具有惰性的优点，并具有高的抗振性。此外，可获得任意所选形状的安装架，因为复合材料可易于加工。

优选地，安装架包括复合材料，复合材料加载有具有高热导率的颗粒，所述颗粒选自碳纳米管、碳纤维、金刚石颗粒和石墨颗粒。这样的材料具有高热导率，并与航空应用相适应，其中所述线圈式部件承受振动、加速以及在－50℃至＋110℃之间变化的外界温度。

更优选地，安装架包括两相式热排放装置，以增大等效热导率，并由此促进热量排放。

优选地，两相式热排放装置是热管（heat pipe）。

根据本发明的第一方面，两相式热排放装置是脉动式热管。

根据本发明的另一方面，两相式热排放装置是蒸汽室。

根据第一方面，安装架包括用于安装在基底上的至少一个座，因此，该两相式热排放装置安装在该安装座上，这改善了热排放装置的维护。

根据第二方面，安装架包括用于安装在基底上的至少一个座，因此，两相式热排放装置与所述安装座整体形成，这使得可增大安装架的等效热导率。

优选地，安装架包括：与所述磁芯热接触的第一排放表面和与所述多个线匝热接触的第二排放表面，用以在所述部件的操作过程中将热量从磁芯和从多个线匝排放到基底。

安装架的排放表面使得可将热量直接从磁芯和从线匝直接排放，这改善了电子功率部件的热调节。有利地，排放表面的存在不会增大线圈式电子功率部件的尺寸。因此，由磁芯产生的热量不是穿过线匝，而是直接通过安装架排放。

优选地，所述第一排放表面大致等于所述磁芯的轴向截面。由此确保了在热排放能力（大的排放表面）与对质量和尺寸的限制（减小的排放表面）之间的折衷。

优选地，所述线匝围绕所述磁芯和所述安装架卷绕，这样安装架可以与线匝和磁芯接触。此外，线匝卷绕有利地可将安装架和磁芯保持到一起。

更优选地，所述第二排放表面至少部分地弯曲，以减小围绕安装架卷绕的线匝受损的风险。

根据本发明的一个方面，所述安装架包括沿轴向延伸的热接触环，所述环的第一和第二横向面分别形成所述第一排放表面和一部分所述第二排放表面。这样，所述环的一个面与磁芯的一横向面接触，而所述环的另一个面与线匝接触。

优选地，所述热接触环具有轴向表面，所述轴向表面通过圆滑的内边缘连接到所述第二横向面。圆滑的边缘使得可减小围绕所述环的第二横向面和轴向表面而卷绕的线匝受损的风险，其中，第二横向面和轴向表面共同形成第二排放表面。此外，圆滑的边缘，也被称为圆角，使得可改善线匝与第二排放表面之间的接触。

根据本发明的另一方面，在所述第一排放表面与所述磁芯之间，设置有热界面材料，优选为热脂膏。这种类型的热界面材料使得可改善从磁芯排放热量的能力。

优选地，所述安装架连接到所述磁芯的一端。将安装架连接到磁芯的一端可使所述芯的磁性能保持不受影响。

更优选地，安装架包括用于安装在基底上的至少一个座。安装座一方面可使从排放表面撤除的热量被传导到基底，另一方面可抵抗与连接所述部件的飞机的操作相关的振动和加速。

更优选地，由于所述部件包括两个安装架，因而所述安装架连接到磁芯的各端。所设置的两个架使线圈式部件可有效紧固在承受振动和加速的环境中，而同时限制其质量和尺寸。

附图说明

通过阅读以下的参照附图仅以示例形式给出的描述，本发明的将被更好地理解，其中：

图1是根据现有技术（已进行了评述）的线圈式电子功率部件的横截面；

图2示意性显示出根据本发明的线圈式电子功率部件，其处于水平位置并仅显示出线匝中的一些；

图3是图2中的线圈式电子功率部件的轴向截面；

图4示意性显示出根据本发明的线圈式电子功率部件，其处于竖直位置并仅显示出线匝中的一些。

应注意，附图以实施本发明的详细方式公开了本发明，所述附图当然也可以在必要时用于更好地限定本发明。

具体实施方式

图2显示出用于航空应用的根据本发明的线圈式电子功率部件3的第一实施例，其中，线圈式部件3承受振动、加速以及在－50℃至＋110℃之间变化的外界温度。

线圈式部件3包括：环形圆纹曲面（toric）的磁芯31，在下文中被称为超环面（toroidal）芯31，多个线匝32围绕磁芯31卷绕以形成线圈。在此示例中，超环面芯31采取具有轴线X的细长圆柱的形式，并具有圆形的横截面。超环面芯31由例如铁氧体这样的磁性材料制成。多个线匝32，优选地为铜制线匝，通常围绕超环面芯31卷绕以形成如图2中所示的磁线圈。这种类型的线圈能够通过感应产生电流，以执行例如电信号过滤操作。

线圈式部件3安装在被用作散热体的结构性的基底2上，所述基底优选与飞机整体形成。参见图2和3，基底2是水平的平坦板；然而，该基底2当然也可采取不同的形式。参见图2和3，在本发明的此第一实施例中，线圈式部件3的超环面芯31的轴线X相对于基底2而水平延伸。线圈式部件3如所述地被安装在基底2上的一水平位置。

在此示例中，线圈式部件3包括：两个相同的安装架4，该安装架安装在线圈式部件3的超环面芯31的侧向端处，如图2和3中所示，以使所述超环面芯在承受振动和加速时能够牢固地固定。

每个安装架4包括沿轴线X轴向延伸的圆环41，并包括与超环面芯31热接触的第一排放表面S1和与多个线匝32热接触的第二排放表面S2，以并行地将热量从超环面芯31和从多个线匝32排放到基底2。

每个安装架4进一步包括：安装座42，其与圆环41整体形成，并能够安装在基底2上。安装座42的尺寸使得这些尺寸确保线圈式部件3在振动和加速情况下的机械强度。在此示例中，安装架4采用单一件的形式，以改善热排放，但安装架4当然也可为组件式的。

优选地，安装架4由非磁性材料（优选地为铝）制成，以不妨碍线匝32与超环面芯31之间的感应现象。有利地，通过感应产生的自发热对于非磁性材料而言是可忽略不计的。铝有利地具有高的热导率以及适合航空应用的密度。

更常用地，安装架4具有大于400W·m^-1·K^-1的等效热导率，从而可以有效调节线圈式部件3的温度并同时使其可抵抗机械应力。优选地，所述等效热导率大于600W·m^-1·K^-1。

优选地，安装架是非磁芯的，以限制所述架由于磁感应而发热。

根据第一方面，安装架由复合材料制成，该复合材料加载有具有高热导率的颗粒，所述颗粒选自金刚石颗粒、碳纳米管、碳纤维和石墨颗粒。对所述颗粒的选择基于在热导率与其价格之间的折衷，该价格取决于热导率。这种类型的复合材料是惰性的，因而具有高的抗振性。此外，可获得任意所选形状的安装架，因为复合材料可易于加工。

优选地，两相式热排放装置安装在安装架上，并由于相变而可达到约5000W·m^-1·K^-1的等效热导率，这使得线圈式部件3的温度可被优化调节。优选地，两相式热排放装置是低成本的热管，其操作被控制以确保高可靠性。优选地，热管的一侧连接到安装座42，另一侧连接到基底2。

优选地，为了实现高的热导率性能，该两相式热排放装置是具有更高性能和更高成本的脉动式热管，或者是性能高于热管的蒸汽室，其构造中散热率/热源表面率较高，蒸汽室的成本大于热管的成本。

在此示例中，圆环41具有第一横向表面，形成第一排放表面S1，第一排放表面S1与超环面芯31的侧向表面接触。超环面芯31在操作过程中所累积的热量因而经由圆环41的第一横向表面被直接传送到安装架4。为了优化热排放，圆环41所具有的轴向截面大致等于超环面芯31的轴向截面。圆环41的截面当然也可小于超环面芯31的截面。环41的厚度被设定，以实现有效的热排放并同时限制线圈式部件3的质量。在环41的厚度约为2至3mm时，可确保良好的折衷。

圆环41包括与第一横向面相对的第二横向面，环41的两个横向面通过内轴向表面SI并且通过外轴向表面SE连接，如图2中所示。仍参见图2，超环面芯31和安装架4的圆环41形成轴向圆柱，线匝32围绕该轴向圆柱卷绕，如图2和3中所示，线匝32同时与超环面芯31的轴向表面以及第二横向面和圆环41的轴向表面SI、SE接触，由此从线匝32排放热量。第二横向面和内、外轴向表面SI、SE一起形成每个安装架4的第二热排放表面S2。

参见图3，环41的第二横向表面通过内边缘61连接到内轴向表面SI，并通过外边缘62连接到外轴向表面SE。优选地，边缘61、62是圆滑的，以减小线匝32在它们围绕环41卷绕时受损的风险。当然，边缘61、62中可仅一个是圆滑的。更常用地，使安装架4与线匝32接触的第二排放表面S2是弯曲的，以减小线32受损的风险，并改善安装架4与线匝32之间的热接触。

安装架4的安装座42优选地包括用于连接到基底2的结构，优选为能够容纳螺丝以连接到基底2的安装孔5，如图2中所示。在此示例中，超环面芯31和安装架4的环41通过线匝32的卷绕被保持到一起。优选地，安装架4包括：保持结构（未示出），其能够将超环面芯31和两个安装架4保持到一起，从而使线匝32可围绕超环面芯31和安装架4的环41卷绕。优选地，纵向螺纹棒拧在两个安装架4之间，以调节二者之间的轴向距离，这可保持超环面芯31和线匝32的绕组。参见图2，安装座42包括纵向螺纹6，以使螺纹棒可拧入其中。

在此示例中，安装架4包括一个安装座42，但其当然可以包括多个安装座。在示例中，安装架4包含的安装座42可连接到散热体，而非基底2。安装座42可同样包括散热片以利用周边空气改善传热。

优选地，热界面材料（优选地为Berquist Gap Filler1500类型的热脂膏）被设置在第一排放表面S1（在此示例中为环41的第一横向面）与超环面芯31之间，以改善超环面芯31到环41的热排放。实际上，超环面芯31通常所具有的表面光洁度不足以实现利用安装架4进行均匀加压。通过增加热界面材料，可改善超环面芯31的表面光洁度，这样确保可靠的热排放。

类似地，热界面材料可施加到安装座42与基底2之间，从而可以将热量传送到基底2。

在制造过程中，安装架4安装在环形圆纹曲面的磁芯31的各端上，每个环41的第一横向面与超环面芯31的端的横向面接触。优选地，热脂膏被施加于界面上。然后将铜线围绕由环41和超环面芯31形成的圆柱组件卷绕以形成线匝32。当安装在飞机上时，线圈式部件3通过将其安装脚42拧入孔5而连接到基底2上。线匝32然后连接到其它电子功率部件，以例如针对功率变换器执行过滤操作。当进行稳态操作时，热量由于超环面芯31和线匝32中的焦耳效应而产生并通过安装架4的环41被直接排放，以传送到安装脚42中并然后传导到形成散热体的基底2上，这使得线圈式部件3的温度可以在操作过程中被调节。

为了确保所述组件的良好机械强度，线圈式部件3可用树脂灌注。

图4显示出根据本发明的第二实施例的线圈式部件3'。类似于第一实施例的是，线圈式部件3'包括环形圆纹曲面的磁芯31'，线匝32'围绕磁芯31'卷绕。在此第二实施例的线圈式部件3'中，超环面芯31'的轴线X正交于基底2延伸，如图4中所示。线圈式部件3'如所述地被安装在基底2上的竖直位置。

与第一实施例不同的是，线圈式部件3'包括两个不同的安装架8、9。线圈式部件3'包括上安装架8，上安装架8包括：圆环81，其与所述实施例中的环类似；和两个上安装座82，所述上安装座将环81连接到基底2并且沿对角相对。线圈式部件3'进一步包括下安装架9，下安装架9包括：圆环91，其与第一实施例中的环类似；和两个下安装座92，所述下安装座将环91连接到基底2。

上安装座82在此示例中是弯曲的，从而可在不妨碍线匝32的卷绕的情况下连接到基底2。下安装座92在此示例中仅被支撑在基底2上，而不包括安装结构，上安装座82的安装确保所述线圈式部件被保持在基底2上。

根据本发明的线圈式部件3,3'可在基底2上竖直或水平安装，对尺寸方面而言这是非常有利的。

Claims (10)

1.一种线圈式电子功率部件（3,3'），用于安装在基底（2）上，所述部件（3,3'）包括：

沿轴向延伸的磁芯（31,31'），多个线匝（32,32'）围绕所述磁芯卷绕以形成磁线圈；和

至少一个架（4,8,9），用于安装在所述基底（2）上；

所述安装架包括与所述磁芯和/或所述多个线匝（32,32'）热接触的至少一个排放表面（S1，S2），由此在所述部件（3,3'）的操作过程中将热量从所述磁芯（31,31'）和/或从所述多个线匝（32,32'）排放到所述基底（2）；

所述部件（3,3'）的特征在于，所述安装架（4,8,9）具有大于400W·m^-1·K^-1的等效热导率。

2.根据权利要求1所述的部件，其中，

所述安装架（4,8,9）是非磁性的。

3.根据权利要求1或2所述的部件，其中，

所述安装架（4,8,9）由复合材料制成。

4.根据权利要求3所述的部件，其中，

所述安装架（4,8,9）所包括的复合材料加载有具有高热导率的颗粒，所述颗粒选自碳纳米管、碳纤维、金刚石颗粒和石墨颗粒。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的部件，其中，

所述安装架（4,8,9）包括：两相式热排放装置。

6.根据权利要求5所述的部件，其中，

所述两相式热排放装置是热管。

7.根据权利要求6所述的部件，其中，

所述两相式热排放装置是脉动式热管。

8.根据权利要求7所述的部件，其中，

所述两相式热排放装置是蒸汽室。

9.根据权利要求5至8中任何一项所述的部件，其中，

所述安装架（4,8,9）包括：用于安装在所述基底（2）上的至少一个座（42，82，92），所述两相式热排放装置安装在所述安装座（42，82，92）上。

10.根据权利要求5至8中任何一项所述的部件，其中，

所述安装架（4,8,9）包括：用于安装在所述基底（2）上的至少一个座（42，82，92），所述两相式热排放装置与所述安装座（42，82，92）整体形成。

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