CN104823251A - 最佳电感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电感器(6)的线圈(1)，包括一条环形缠绕在一条中央轴线(C)周围的金属线(2)，其中该电线具有一个将该绕组中的该电线的每一匝与相邻匝绝缘的电绝缘层(3)，组成该线圈(1)的完整绕组的形状是大致上环形的，具有一个大致上椭圆形的截面，其中热传导性在1W/m*K以上，更优选地在1,2以上并且最优选地在1,5以上。本发明进一步涉及一种适合于电感器(6)的磁心(7)，其中该磁心由一种由金属粒子和一种粘结材料制成的软磁复合材料制成，所述粒子在1μm-1000μm的范围内，大于150μm的粒子涂覆有一个陶瓷表面以提供粒子与粒子电气绝缘，其中，磁金属粒子的体积比总磁心体积是0,5-0,9。本发明更进一步涉及一种所述线圈(1)与磁心(7)的组合的电感器(6)，其中，该磁心中大致上所有所述粒子与该线圈的磁场磁性地对准。本发明更进一步涉及此类线圈(1)和磁心(7)的制造方法。

Description

最佳电感器

技术领域

本发明总体上涉及一种最佳电感器设计。更具体地，本发明涉及如权利要求1的介绍部分所定义的一种用于电感器的线圈、如权利要求6的介绍部分所定义的一种用于电感器的磁心、以及如权利要求8的介绍部分所定义的一种包括此线圈和此磁心的电感器。本发明进一步涉及一种用于生产如权利要求13和15的介绍部分所定义的所述线圈和所述磁心的方法。

背景技术

随着日益增长的电力电子行业，电感器在诸如发电、电力质量、交流驱动、再生驱动等的应用中变得越来越重要。电感器通常是所使用的设备中的关键组件并且通常决定了所讨论的设备的效率和性能。应用中尤其存在问题的区域是电感器必须同时处理例如50Hz的基本频率而同时从最终信号中过滤掉例如由开关模式电源生成的更高频率。同样地，电力电子学通常是已成为当今电力质量行业的最大担忧之一的有害谐波失真之源。

常规电感器通常由或者是线圈管上或者是空中或者是至铁(固体、分层或铁氧体)心的绕组线产生。电线则绕磁心缠绕，磁心通常具有一个气隙以控制透磁率以便不使磁心材料饱和。这是磁泄漏流、能量损耗和周围金属加热之源。如果线圈缠绕在这些气隙上，通常会存在相当大的边缘损失，导致可能难以冷却的热点。电感器通常还具有标准化的线圈管、导体和磁心材料。这不可避免地导致设计自由上的局限性，导致无效和非最佳电感器设计。

随着一种新型材料技术的诞生，在过去十年间出现了用于消除或缓解以上问题的第一步。这种新型材料技术提供了进行特别地适配、优化和集成消费品以及工业产品中的这些类型执行器的更大可能性。所讨论的材料技术是软磁金属材料与不同量的粘结剂和填充剂的复合材料，叫做软磁复合材料SMC。由SMC制成的这些组件的成形是人们极感兴趣的，因为尤其是从生产成本的视角看对高金属填充率和设计自由的要求与已知制造方法存在冲突。成功的成形工序将导致感应式组件，就较低的损耗、较小的尺寸而言，这在许多方面比常规工序优越，导致最终装置/产品中更加紧凑的集成。

此外，就能量损耗、加热和热点问题、可听频率下高电流引起的烦人声音、不必要并且无效的材料使用、较高频率下的较低效率、以及低通强度下的饱和等而言，取决于材料选择的电感器仍然存在很多问题。

行业中电感器的使用在不断增加，并且对更高性能的电感器的需求随需求而增加。高性能电感器也相对较贵。因此需要一种相对于以上所展示的问题具有改进性能的新型改进电感器。改进电感器的增强性能应该优选地以成本效益高的方式实现。

发明概述

本发明的目标是改进现有技术水平，以解决以上问题并且提供对其线圈和磁心二者均有改进的改进电感器。这些目标和其他目标由一个包括一条环形缠绕在一条中央轴线(C)周围的金属线的线圈实现，其中，该电线具有一个将该绕组中的该电线的每一匝与相邻匝绝缘的电绝缘层，组成该线圈的完整绕组的形状是大致上环形的，具有大致上椭圆形的截面，并且具有0,8W/m*K以上的体热传导。

热传导和形状由压缩装置实现，该压缩装置大量地减少线圈中出现的空气或气隙，减少能量损耗并且增加线圈的紧凑性。线圈的紧凑性结合环形形状增大了线圈的H场，该场对于较小电感器尤其重要，在较小电感器中充足的H场对于生成磁心材料中所需的通量更加可取。

具有环形形状的线圈优选地是一个具有一个大致上圆形截面的环形面。这进一步是一个用于优化针对所使用的线圈的每一重量和尺寸的磁场的步骤。

线圈应进一步优选地具有1W/m*K以上的热传导性，更优选地1,2以上，再优选地1,5以上并且最优选地2以上。在其他事情之外，通过在缠绕线圈中具有一个高的金属体积比总体积(也称为填充因数)，并且通过减少空气和气隙，将其用例如绝缘材料和具有比空气或气体更高的热传导性的树脂替代，而同时在绕组中的每一匝之间仍具有足够电气绝缘，实现了更高的热传导性。需要高热传导性这样使得操作中的线圈中的损耗生成的热可以轻易地到达线圈的外部表面并且最终到达电感器的外部表面。较低的线圈温度不仅对于线圈的总体性能是有益的而且对于实现更好的效率性能以及对于保持这些绝缘材料的性能从而增加其使用寿命是必需的。要实现高填充因数，每个位置处绕组的电线的截面优选地被成形以与绕组中电线的相邻匝紧密地配合，大量地减少绕组中的空隙。通过避免绕组中的空隙，局部放电介质击穿的风险得以大大地降低。线圈内各条单独电线的截面形状可以有利地是六边形，因为这在将彼此相邻紧密铺设的多条圆形电线进行压缩时是一种自然形状，如缠绕一条圆形电线并将其进行压缩以消除空气或气隙时通常就是这样。外部电线层除外，从截面图中看，在完整线圈的圆形外部形状之后外部电线层被最佳地成形。用于线圈的导电材料可以是适合用于线圈的任何材料，优选地是铜或铝。

将电线部分与相邻电线部分绝缘(即将一匝电线与下一匝电线绝缘)的绝缘层优选地是一种由电绝缘纸和/或树脂制成的材料。绝缘纸可绕电线缠绕并且由如下描述的电线和/或其股之上存在的半凝固或半烧制的树脂从里面浸渍。树脂则通过例如加热硬化。然而，绝缘层可以是绝缘性足以能够使该层变薄而仍然保持足够的电介质和电容匝与匝绝缘的任何合适的电绝缘材料。

电线可由取决于总电流及其频率的分别电绝缘的一股或多股组成。随着这些股的直径越小，集肤效应相关的损耗将会降低。

每个位置处每一股的截面被成形以与相邻股紧密地配合，减少电线中的空隙，这对于优化线圈的H场和热传导性很重要。而且将电线作为一个整体来说，此截面优选地是六边形的，因为这在对圆形截面的这些股进行压缩以消除其间任何空隙时是自然的。外部股层除外，外部股层在完整电线的外部形状之后被最佳地成形。

在组成线圈的电线包括多股的情况下，这些股被最佳地扭转大约360°,±90°，以便完整缠绕线圈因此大大地降低线圈中由较高频率引起的邻近效应。通过使用上述基本上平行的这些股，以成本效益高的方式实现了一条简单的辫编线。这些股优选地由如上描述的凝固树脂和半凝固树脂电气地绝缘。与一股的截面相比电气绝缘非常薄，并且可以是一个薄聚合物涂层、一薄层树脂等。由于每一股具有类似的、优选相等的电势，绝缘不需要非常厚。

通过使用单股绝缘之上的一个或多个半凝固的树脂层，可以在线圈成形工具中固化树脂并且在将其从该工具中去模之后随后保持线圈的最佳形状。线圈首先被加热到一个必要的温度水平以便足以在这些股上硬化半凝固树脂层。半凝固树脂还从线圈内流进气腔中，减少线圈中的热点，增强热传导性能。半凝固树脂此外还增强了可能在每个完整电线周围使用的外部电绝缘纸的电介质和电容泄漏性能。

在线圈的外部，应该附着一个第三绝缘层，以便进一步增强对将在线圈之上模制的软磁心材料的电气绝缘。重要的是此绝缘确保没有磁心粒子与导电材料直接接触，以避免或者是电线之间的或者是从线圈到磁心材料的电介质短路。要实现此目的，更为可取的是电绝缘树脂材料的浸渍。此第三绝缘层还确保一个平坦或光滑的外部表面这样使得避免了造成热点的局部高强度B通量。如果磁心材料是接地的，这进一步降低了到软磁心和地面的电容泄漏。

本发明的这些目标被一种例如用于电感器的磁心进一步实现，其中，该磁心由一种由金属粒子和一种粘结材料制成的软磁可模制复合材料(SM2C)制成，所述粒子在1μm-1000μm的范围内，其中某一部分粒子(即大于150μm的粒子)涂覆有一个陶瓷表面以提供粒子与粒子电气绝缘，其中，磁、金属粒子与总磁心体积的金属填充比是0,5-0,9。

可以对磁心进行模制并且因此适合于将一个线圈合并到其中。通过在线圈和磁心之间避免空气或气隙，模制工序使得可以在磁心和线圈之间实现良好的热耦合。粘结材料可以是聚合物，例如环氧树脂或基于陶瓷的粘结剂。由于粒子与粒子绝缘，具有所述金属体积填充比的磁心将具有良好的热传导性能和高的体电阻率。粒子与粒子绝缘还增强了高频率性能。由于磁心是模制的，可以创造任何形状的磁心。

进一步优选的是这些粒子在10μm-800μm的范围内，进一步优化磁心性能并且增加其磁性能。所选择的尺寸在一定程度上取决于磁心的预期用途。更小的粒子提供更好的高频率性能磁心。

这些金属粒子可具有一种合成物，该合成物由6,5％-7,5％的Si优选6,8％-7％的Si、及由Fe组成的剩余粒子组成。该粉末可通过气体雾化产生，使其形成几乎球形的粒子形状。这些金属粒子还可具有一种合成物，该合成物由8％-10％的Si优选9％的Si、5％-7％的Al优选6％的Al、及由Fe组成的剩余粒子组成。

本发明的一个进一步的目标是提供一种用于生产该磁心的方法，包括如下步骤：将由金属粒子和一种粘结材料制成的该软磁复合材料放于一个模具中，以及在该材料的模制和/或硬化阶段的过程中将一个磁场安排在该模具中，磁性地将这些磁心粒子与该H场对准。磁场优选地通过在生产过程中在模具中放一个线圈并且使电流流经该线圈而实现。磁心的重要特征是SM2C材料中的这些粒子与磁心的预期用途的H场对准。因此优选地使用为其生产磁心的磁场，即假使制造了电感器，优选地将线圈用于在制造的过程中感应该磁场。如果磁心用于不同的应用，该磁场可通过其他方式感应。

本发明的这些目标进一步由一种电感器实现，其中，以上描述的线圈嵌入以上描述的磁心中，其中，该线圈具有一个覆盖其表面面积的电绝缘层，并且大致上该磁心中所有的所述粒子与该线圈所产生的H场磁性地对准。

将以上描述的改进的线圈与以上描述的改进的磁心结合得到一种最佳设计的电感器。由于该磁心可被模制成任何形状，该线圈被最佳地成形并且构建并且可被最佳成形的磁心匹配。磁心的最佳形状是覆盖线圈的环形形状。B通量则被均匀地分布并且由于更高的强度通量损耗得以降低。此外，磁心材料被最佳地用于去除影响电感器的尺寸和重量的过剩材料。设计中没有空隙使得在磁心和线圈之间形成直接的热耦合，是在磁心材料中避免热点而同时优化热传导、将来自线圈和磁心的热引导到电感器周围的周围环境的进一步的原因。

使磁心中的这些粒子与流经线圈的电流所感应的H场对准进一步增强了电感器的性能，增加了透磁率并降低了损耗。通过在磁心的模制和硬化阶段之前和/或过程中使电流流经线圈实现了磁性地对准的粒子。线圈所感应的磁场将强加于磁心中这些粒子之上这样使得它们与磁场对准。

进一步优选的是线圈被安排在一个最优位置以在截面中沿着与穿过线圈的中心的该中央轴线(C)垂直的平面看，通过在朝向该中央轴线的线圈内部之上具有与在磁心外部之上大致上相同的磁心的截面面积，在从线圈表面看所有的方向上在磁心材料中提供大致上相同的B通量(在所有方向上相同的量)。磁心材料则将具有均匀且同质的B通量，这优化了材料中的损耗性能。此外，磁心材料被最佳地用于去除影响电感器的尺寸和重量的过剩材料。从线圈到磁心的径向外缘的距离(在与磁心和线圈的环形形状的一致中央轴线垂直的方向上)小于从线圈到磁心的径向内缘的距离，以在线圈的径向内侧上提供与外侧上相同的磁心体积。

线圈可进一步从所述最佳位置偏移以从线圈朝向电感器的中心提供比朝向电感器的外围更高的磁流量。这减少了电感器生成的杂散场，并且还减少了电感器制造的过程中对小机械公差的要求。磁心可进一步包括修改该大致上环形的形状以增加表面面积的表面增加结构。这些表面增加结构可以是磁心的表面之上的鳍片或波纹，使磁心外部表面进入散热片中。本发明的一个进一步的方面是一种用于生产根据以上描述的线圈所展示的线圈的方法，包括如下步骤：将该绝缘层应用于该电线，将该电线绕一条中央轴线(C)缠绕，使用压缩装置将该绕组压缩成一个具有圆形截面的环形面形状，用电绝缘纸将总线圈外部地绝缘并且用电绝缘树脂浸渍总线圈。对电线进行压缩将使电线顺从从而填充绕组中的空隙，增加电感器的性能。压缩可进一步导致导电材料的塑性变形。电线的顺从连同塑性变形使得可以将线圈成形成优选的形式并且获得期望的热传导。该绕组优选使用大于65MPa的均衡压力进行压缩，以大幅地去除线圈中的空隙并且获得期望的形状。

可在所述压缩的过程中进一步向电线施加电流。流过线圈的电流导致的热将电线绝缘之上的这些半烧制的树脂层凝固使得压缩阶段之后能够保持最佳线圈形状。半烧制的树脂还能够增强可放于每根电线上的电绝缘纸的电绝缘性能。

本发明的一个进一步的方面是一种用于生产磁心的方法，其中，在材料的模制和/或硬化阶段之前和/或的过程中电流流经线圈，将线圈的H场与这些磁心粒子磁性地对准。这种对准进一步增强电感器的性能，增强透磁率并降低损耗。

在可模制SM2C(软磁可模制复合材料)内制有一个基本上环形形状线圈的电感器有很多优点。

通过可模制的软磁心，几何特性相对于软磁心透磁率可以是最佳的。此设计的最大技术效益是它在电感器中为电磁场形成几乎理论上最佳的磁通路径，避免了不必要的转角或角度，这些转角或角度造成的热点降低了绝缘材料的使用寿命并且造成了电感器的损耗。这进一步是一个具有良好的热分布和损耗性能的紧凑且同质的设计。由于转角或角度引起局部饱和，线圈的环形形状还导致对于给定磁心材料的最高感应度。如以上描述的环形形状线圈的高度紧凑性进一步增加了H场，显著地使得能够降低一个相对较小的电感器所需要的材料，导致具有良好的热传导性的更小、更轻、成本效益更高的单元。

SM2C磁心材料的使用是本发明的一个关键部分。它允许以简单的生产步骤来形成/创造磁心的最佳环形形状避免磁通路径之外不必要的材料。通过直接将材料模制在绝缘线圈的表面上而实现的线圈与磁心之间的直接热耦合使得绕组中所生成的热损耗能够容易地分布到电感器的外部表面，在这里它们可以冷却下来。在模制步骤，此外创建冷却鳍片或波纹以在需要的时候进一步增强电感器的冷却性能是很简单的。

附图简要描述

通过参照本发明的优选实施例的以下说明性的并且非限制性的详细描述连同附图，将更加充分地理解以上目标以及本发明的附加目标、特征和优点，在附图中：

图1是一种用于电感器的线圈的透视图。

图2a是图1中的线圈的截面图。

图2b示出了图2b示出的电线的这些股的截面图的放大图。

图3是一种包括根据图1和图2所示的线圈的电感器的透视图，集成到一个根据本发明的磁心中。

本发明优选实施方案的详细描述

图1示出了一种用于电感器的线圈1的透视图。线圈1是环形形状的并且由缠绕的电线2组成，从图2a中示出的线圈的截面中看时更好。线圈由绝缘层11涂覆或缠绕。在图2a中，可以看到电线2是如何具有绝缘层3的，以及线圈1中的电线圈是如何被压缩这样使得每个内部电线圈的形状是六边形的，大致上填充所有空间，这样使得大幅地减少空隙。图2a进一步示出了线圈的外部电线层是如何在总线圈的期望环形形状后成形的这样使得外部电线层遵从线圈1的光滑环形面形状。图2b示出了图2a示出的电线2的这些股4的截面图的放大图。电线2的这些股4涂覆有一个例如聚合物或树脂的薄层5以将这些股彼此之间绝缘。

图3是一种包括根据图1和图2a及图2b所示的线圈1的电感器6的透视图，集成到根据本发明的磁心7中。可以看到缠绕到线圈1的电线的末端8、9。这些末端8、9用于在电感器操作的过程中连接电感器。磁心7具有一个成形至散热器10的表面，以增加该表面并且由此提高电感器的散热能力。从磁心的截面中看，图3中还可以看到自线圈的距离不集中于磁心中。磁心材料的从线圈到其中央端的距离D2比从线圈到磁心的外围边缘的距离D1长。因此，线圈的中央侧之上出现与线圈的外侧(远离电感器的中央轴线)之上大致上相同体积的磁心材料。

现在将详细描述本发明以说明最佳电感器设计的功能。

线圈

线圈包括分别绝缘的例如铜或铝的这些股。每一股上的电气绝缘与该股的总截面面积相比非常薄并且可由例如一个薄的聚合物涂层组成。这使能一个高填充因数的导电材料而同时保持高频率下的低集肤效应损失。

这些股放在一起将形成一根电线。在其他事情之外，电线取决于总电流及其频率含量可由一股或多股组成。用更小直径的股数，集肤效应关联的损失及代理效应损失将降低。

通过将所有股放平行然后将每个线圈整包扭转大概一整圈(360度±90°)，代理效应将被大幅地降低。然而，当这些股被转太多时会负面地影响电线的填充因数并且在向线圈应用了压力的情况下对绝缘涂层产生可能的损害。

必须在每个完整的电线周围附着一个电绝缘层。电线上的绝缘层必须坚硬的足以经受机械压力，正如在电线被缠绕以形成一个多圈的、环形形状的线圈时将是这样的结果。这种材料防止电线间的电介质短路并且防止电线与电线间的电容泄漏。要进一步扩展线圈的性能，尤其是热传导和导电材料的填充因数，可对线圈进行压缩。通过使用单股绝缘之上的一个或多个半凝固的树脂层，可以在线圈成形工具中固化树脂并且在将其从该工具中去模之后随后保持线圈的最佳形状。例如通过使高电流流经线圈来加热该线圈，这样使得半凝固树脂流进这些股与电线之间的气腔，增强热传导性和电介质和电容泄漏性能。

还将一个进一步的第三绝缘层11附着到线圈的外部以将线圈从外部环境(在本实施例中为模制的磁心)绝缘。这确保绝缘层覆盖全部线圈，在绝缘层中使用了树脂。树脂还使得线圈的外部表面光滑，遵从线圈的环形形状并且很好地适应其磁场，由此避免热点。

软磁心

绕线圈模制的软磁心也基本上是环形形状的。磁心的形状还可配备有例如安装孔和热凸缘，参见图3。

基本上环形形状的磁心得益于现有技术的以最佳方式利用精确数量的磁心材料、去除任何对于线圈的磁通路径和电感器的最优功能而言不必要/需要的多余过剩材料。这降低了电感器需要的材料成本以及重量和尺寸。

可以调节SM2C的透磁率以适应设计。通过使电流流经线圈，在材料的模制和硬化阶段期间，可以将其透磁率增强10-15％。线圈的H场则在与每个单独单元的磁通路径相同或相似的方向上以最佳方式排列周围的粉末粒子。在硬化的过程中保持电流确保这些粒子保持其被改变并且被优化的位置。这创造了一个更简单的路径用于使通量流过该路径，此路径增加了电感并降低了电感器损耗。

将优选地以轴向对称的方式放置磁心，这样使得与磁通线垂直的磁心材料的区域在电感器的所有部分中差不多相同。

选择了粒度分布以提供好的粉末填充结合优化的静态和动态磁性能。

要避免磁心中的粒子与粒子电传导，在模制过程中为这些粒子涂覆有一个薄的绝缘层。该绝缘层可以例如由陶瓷纳米粒子制成，这增强了模制磁心的体电阻率并因此降低了高频率感应的涡电流。

Claims (15)

1.用于电感器的线圈(1)，包括一条环形缠绕在一条中央轴线(C)周围的金属线(2)，其中

该电线具有一个将该绕组中的该电线的每一匝与相邻匝绝缘的电绝缘层(3)，

组成该线圈(1)的完整绕组的形状是大致上环形的，具有一个大致上椭圆形的截面，

并且具有0,8W/m*K以上的热传导。

2.根据权利要求1所述的线圈，其中，该环形形状是一个具有一个大致上圆形截面的环形面。

3.根据前述权利要求中任一项所述的线圈，其中，该电线(2)包括一股或多股(4)，针对该完整缠绕线圈，多股(4)最佳地扭转大约360°,±90°。

4.根据权利要求3所述的线圈，其中，这些股(4)由凝固树脂或凝固及半凝固树脂(5)电气地绝缘。

5.根据权利要求3或4所述的线圈，其中，每个位置处的每一股(4)的截面被成形以与相邻股紧密地配合，大量地减少该电线中的空隙。

6.适合于电感器的磁心(7)，其中

该磁心(7)由一种由金属粒子和一种粘结材料制成的软磁复合材料制成，

所述粒子在1μm-1000μm的范围内，

大于150μm的粒子涂覆有一个陶瓷表面以提供粒子与粒子电气绝缘，

其中，与总磁心体积的金属填充比是0,5-0,9。

7.根据权利要求6所述的磁心，其中，这些金属粒子具有一种合成物，该合成物由8％-10％的Si优选9％的Si、5％-7％的Al优选6％的Al、及由Fe组成的剩余粒子组成。

8.包括根据权利要求1-5中任一项所述的线圈(1)的电感器(6)，所述线圈(1)嵌入根据权利要求6-7所述的磁心(7)中，其中

该线圈(1)具有一个覆盖其表面面积的电绝缘层(11)，并且磁心粒子与该线圈的H场磁性地对准。

9.根据权利要求8所述的电感器，其中，该磁心(7)具有一个覆盖该线圈的环形形状。

10.根据权利要求8或9所述的电感器，其中，该线圈(1)被安排在一个最优位置以在一个截面中沿着一个与穿过该线圈的中心的该中央轴线(C)垂直的平面看，通过在朝向该中央轴线的该线圈内部之上具有与在该磁心外部之上大致上相同的磁心的截面面积，在从该线圈表面看所有的方向上在该磁心材料中提供大致上相同的磁流量(在所有方向上相同的量)。

11.根据权利要求10所述的电感器，其中，该线圈(1)从所述最佳位置偏移以从该线圈朝向该电感器的中心提供比朝向该电感器的外围更高的磁流量。

12.根据权利要求8-11中任一项所述的电感器，其中，该磁心(7)包括修改该大致上环形的形状以增加该表面面积的多个表面增加结构(10)。

13.用于生产根据权利要求1-7中任一项所述的线圈(1)的方法，包括如下步骤：

将该绝缘层应用于该电线(2)，

将该电线(2)绕该中央轴线(C)缠绕，

使用压缩装置将该绕组压缩成一个具有一个圆形截面的环形面形状。

14.用于生产根据权利要求13所述的线圈(1)的方法，其中，在该压缩的过程中向该电线(2)施加一个电流。

15.用于生产根据权利要求6-7所述的磁心(7)的方法，包括如下步骤：

将由金属粒子和一种粘结材料制成的该软磁复合材料放于一个模具中，以及

在该材料的模制和/或硬化阶段的过程中将一个磁场安排在该模具中，磁性地将这些磁心粒子与该H场对准。