CN105706196A

CN105706196A - 电磁感应设备

Info

Publication number: CN105706196A
Application number: CN201380080789.XA
Authority: CN
Inventors: 瓜生勇太; 出口善行
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2033-11-08
Also published as: EP3067903B1; WO2015068265A1; JPWO2015068265A1; EP3067903A4; JP6195627B2; EP3067903A1; CN105706196B

Abstract

本发明所涉及的电磁感应设备中，通过将由印刷布线板的布线图案、以及两端部与布线图案相连接的金属构件形成的线圈部彼此电连接并重叠来构成线圈体，因此，例如通过在印刷布线板上安装冷却单元，从而能够高效地进行线圈体的散热、以及实现热阻的减小。

Description

电磁感应设备

技术领域

本发明涉及例如装入功率转换装置的电磁感应设备。

背景技术

在电动车、混合动力车所搭载的以DCDC转换器、充电器为代表的功率转换装置中，搭载有变压器、电抗器、扼流线圈等电磁感应设备以作为进行电压的升压动作或降压动作的无源元器件，用于能量的存储、释放元件、或直流电流的滤波等。

对于这种电磁感应设备，小型化、或者能够高效地对通电时产生的热进行散热的结构是非常重要的。

作为在小型化方面尤为突出的变压器，已知有下述结构，即：利用层叠结构来构成一次绕组和二次绕组，二次绕组至少分为隔着绝缘构件且在包围铁芯的线轴的轴向上的两个部位进行卷绕，由此来实现小型化(例如，参照专利文献1)。

此外，作为在散热性方面尤为突出的电抗器，已知有下述结构，即：将电抗器主体收纳在铝壳内，利用热传导率为0.7～4.0[W/m/K]的填充树脂对电抗器主体进行密封，由此能够将由线圈产生的热高效地散热至壳体、冷却器，并通过设计成无线轴结构，从而由铁芯产生的热也能够高效地进行散热(例如，参照专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2010-183751号公报

专利文献2：日本专利特开2009-94328号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在上述专利文献1的结构中，通过层叠并卷绕一次绕组和二次绕组，从而能够增加绕组间的耦合度，通过在线轴的轴向上分为两个以上部位来卷绕二次绕组，从而能够实现小型化，但由于以多层结构卷绕绕组，因此，对于铁芯附近的内侧绕组，由于还要加上在该绕组外侧的绕组与绕组间的绝缘体的热阻，从而存在散热性变差的问题。

此外，在上述专利文献2的结构中，若将电抗器主体收纳于金属壳体，并利用散热树脂来进行填充，则毫无疑问会存在成本增加、以及大型化的问题。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种低成本、小型、且能够高效地进行线圈体的散热、减少热阻的电磁感应设备。

解决技术问题的技术方案

本发明所涉及的电磁感应设备包括：

铁芯，该铁芯构成闭磁路；

印刷布线板，该印刷布线板对该铁芯进行支承，并具有多个布线图案；以及

金属构件，该金属构件围绕所述铁芯，其两端部与所述布线图案相连接，

由所述布线图案及所述金属构件形成的多个线圈部相互电连接并重叠，从而构成线圈体。

发明效果

根据本发明所涉及的电磁感应设备，通过将由印刷布线板的布线图案、以及两端部与布线图案相连接的金属构件形成的线圈部彼此电连接并重叠来构成线圈体，因此，例如通过在印刷布线板上安装冷却单元，从而能够高效地进行线圈体的散热、以及实现热阻的减小。

此外，对于金属构件，由于每个金属构件都与印刷布线板的布线图案相分离地进行连接，因此各金属构件的散热性也较好。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的电抗器的立体图。

图2是表示图1的印刷布线板的布线图案的俯视图。

图3是表示本发明的实施方式2的变压器的立体图。

图4是表示图3的印刷布线板的布线图案的俯视图。

图5A是表示示意性地示出变压器的一次绕组部、二次绕组部的配置的一个示例的图。

图5B是示意性地示出本发明的实施方式3的变压器的一次绕组部、二次绕组部的配置的图。

具体实施方式

下面，对本发明的各实施方式进行说明，在各图中，对相同或相当构件、部位标注相同标号来进行说明。

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1的电抗器的立体图，图2是表示图1的金属基底印刷布线板6上的布线图案8的俯视图。另外，图1中，省略了金属基底印刷布线板6上所搭载的多个电子元器件。

作为电磁感应设备的该电抗器包括：铁芯3，该铁芯3由第1铁芯部1及第2铁芯部2构成，是外铁式的PQ铁芯；多个板状金属构件4，该多个板状金属构件4呈C字状，以包围该铁芯3的中脚部(middlelegportion)的方式进行设置；绝缘构件5，该绝缘构件5将板状金属构件4彼此之间以及板状金属构件4与铁芯3之间进行绝缘；以及金属基底印刷布线板6，该金属基底印刷布线板6的上表面设有多个布线图案8。

通过将金属基底印刷布线板6设置在作为冷却单元的冷却器(未图示)上并进行固定，从而将该电抗器固定于冷却器。

板状金属构件4是具有规定电阻值的韧铜材料。

金属基底印刷布线板6的布线图案8是具有规定的电阻值的导体，除矩形等的元器件焊盘7之外的部分被绝缘抗蚀剂膜覆盖。各布线图案8经由未图示的连接部进行电连接。

各板状金属构件4的两端面分别与各元器件焊盘7相抵接，并通过焊接来进行连接，由此构成由板状金属构件4和布线图案8构成的线圈部。该各线圈部通过彼此电连接，并重叠规定数量的铁芯3的中脚部而构成线圈体。

图2的最下部及最上部的元器件焊盘7与将相邻的焊盘7之间相连的布线图案8的桥接部(bridgingportion)之间的距离、以及相邻的元器件焊盘7之间的距离构成为具有能够插入绝缘抗蚀剂、且在向变压器施加规定电压时对于1匝的线圈部的压降能够确保绝缘的宽度。

铁芯3的底面设置在金属基底印刷布线板6上。

绝缘构件5包括：将存在于相邻的板状金属构件4之间的环状的板一切为二而得到的半环部；包围铁芯3的中脚部的圆筒状的圆筒部；以及存在于板状金属构件4的外径侧与铁芯3的内壁之间的外径侧部。

在按上述方式构成的电抗器中，由于配置有线圈体的金属基底印刷布线板6被安装在冷却器上，因此，能够高效地进行线圈体的散热，抑制线圈体因温度上升而引起的热阻增大。

并且，由于散热性提高，因此能够减少电抗器整体的散热面积，从而能够实现构成电抗器的铁芯3、板状金属构件4、金属基底印刷布线板6等的小型化，轻量化，随之能够实现低成本化。

另外，也能够实现对电抗器进行冷却的冷却器的小型化，低成本化。

此外，由于板状金属构件4是板状构件，因此，能够使尺寸精度稳定，从而能够抑制漏电感的偏差，能够抑制线圈体的损耗偏差。

此外，通过调整线圈部的层叠数、作为线圈体的构成要素的板状金属构件4的板宽、线圈体与铁芯3之间的距离、以及第1铁芯部1与第2铁芯部2之间的间隙，能够容易地进行电感的调整。

通过将板状金属构件4的每一片与金属基底印刷布线板6的元器件焊盘7相连接，能够将各板状金属构件4配置为彼此相分离，从而使板状金属构件4的每一片都进行散热，因此能够实现热阻的减小、散热性的提高。

并且，不需要如先前所说明的日本专利特开2009－94328公报(专利文献2)所记载的电抗器那样，将电抗器主体收纳于金属壳体，并填充散热树脂来确保散热路径，因此，能够实现小型化、轻量化、以及低成本化。

并且，通过使板状金属构件4的每一周与元器件焊盘7相连接，能够使得作为线圈体的构成要素的线圈部之间的尺寸精度稳定，能够减小热阻及电感、线圈体损耗等电气特性的偏差。

此外，通过将板状金属构件4设为韧铜材料，从而可获得与纯铜相近的导电率，作为线圈体能够实现较低的电阻，同时由于是非磁性金属，因此能够减少伴随着电抗器所产生的漏磁通而引起的涡电流的产生、以及涡电流损耗。

并且，在抑制损耗量的同时，由于具有与纯铜相近的热传导率，因此能够使板状金属构件4产生的热高效地通过金属基底印刷布线板6、冷却器来进行散热。此外，随之还能够实现小型化、轻量化。

另外，本实施方式中使用了铜类材料，但也可以应用铝类材料。通过将用于线圈体的板状金属构件4设为铝类材料，虽然与铜类相比散热性、导电率变差，但由于是非磁性体金属，因此能够抑制涡电流的产生，且由于与其他金属相比比重极低，因此尤其是在线圈体的匝数较多的情况下，能够实现大幅的轻量化。

此外，与铜类材料相比，铝类材料的单价大幅降低，因此也能够实现低成本化。

另外，通过将铁芯3的底面设置为与金属基底印刷布线板6相抵接，能够使铁芯3中所产生的损耗热(铁损)通过金属基底印刷布线板6散热至冷却器。

另外，通过将树脂板、绝缘片材等绝缘构件5插入板状金属构件4之间、以及板状金属构件4与相邻的铁芯3之间，从而能够确保相邻的各板状金属构件4之间、以及线圈体与铁芯3之间的绝缘性，能够使作为电抗器的性能稳定。

另外，在板状金属构件4之间、以及板状金属构件4与相邻的铁芯3之间已确保有绝缘距离的情况下，也可以不插入绝缘构件5。

另外，在本实施方式中，使用板状金属构件4作为线圈体的构成要素，但也可以使用圆形导线、矩形导线来替代板状金属构件4。

在本实施方式中，使用作为线圈体的构成要素的金属基底印刷布线板6进行了说明，但也可以使用陶瓷基底印刷布线板来替代金属基底印刷布线板6。此时，通过采用陶瓷基底印刷布线板，能够确保较高的绝缘性，并且还能够提高散热性。此外，随之还能够实现小型化、轻量化。

本实施方式中，说明了铁芯3是外铁式的PQ型铁芯的情况，但对于EI、EE、EER、ER型等其他的外铁式铁芯、以及U型等内铁式铁芯，本发明也可以适用。

实施方式2.

图3是表示本发明的实施方式2的变压器的立体图，图4是表示图3的金属基底印刷布线板15上的布线图案17、19的俯视图。另外，图3中，省略了金属基底印刷布线板15上所搭载的多个电子元器件。

作为电磁感应设备的该变压器包括：由第1铁芯部9及第2铁芯部10构成的U形铁芯即铁芯11；以包围该铁芯11的一个磁柱(onemagneticleg)的方式设置的C形的一次绕组用板状金属构件12及二次绕组用板状金属构件13；对一次绕组用板状金属构件12与二次绕组用板状金属构件13之间、以及板状金属构件12、13与铁芯11之间进行绝缘的绝缘构件14、以及在上表面设有一次绕组用布线图案17、二次绕组用布线图案19的金属基底印刷布线板15。

通过将金属基底印刷布线板15设置在冷却器(未图示)上并进行固定，从而将该变压器固定于冷却器。

一次绕组用板状金属构件12是具有规定电阻值的韧铜材料。

金属基底印刷布线板15的一次绕组用布线图案17具有规定的电阻值，除矩形状的一次绕组用元器件焊盘16之外的部分被绝缘抗蚀剂膜覆盖。另外，一次绕组用布线图案17经由未图示的连接部进行电连接。

各一次绕组用板状金属构件12的两端面分别与各一次绕组用元器件焊盘16相抵接，并通过焊接来进行连接，由此构成由一次绕组用板状金属构件12和一次绕组用布线图案17形成的作为线圈部的一次绕组部。

该各一次绕组部通过彼此电连接，并重叠规定数量的铁芯11的单柱(oneleg)而构成作为铁芯体的一次绕组20。

二次绕组用板状金属构件13是具有规定电阻值的韧铜材料。

金属基底印刷布线板15的二次绕组用布线图案19具有规定的电阻值，除矩形状等的二次绕组用元器件焊盘18之外的部分被绝缘抗蚀剂膜覆盖。另外，二次绕组用布线图案19经由未图示的连接部进行电连接。

各二次绕组用板状金属构件13的两端面分别与各二次绕组用元器件焊盘18相抵接，并通过焊接来进行连接，由此构成由二次绕组用板状金属构件13和二次绕组用布线图案19形成的作为线圈部的二次绕组部。

该各二次绕组部通过彼此电连接，并重叠规定匝数的铁芯11的单柱而构成作为铁芯体的二次绕组21。

另外，在本实施方式中，为了交替地配置一次绕组用板状金属构件12与二次绕组用板状金属构件13，使一次绕组用布线图案17的一次绕组用元器件焊盘16与二次绕组用布线图案19的二次绕组用元器件焊盘18如图4所示那样沿着轴线方向错开d1的距离。

并且，为了确保相邻的一次绕组用布线图案17与二次绕组用布线图案19之间的绝缘距离，如图4所示，设置为分开规定的距离d2。

在按上述方式构成的变压器中，由于配置有一次绕组20、二次绕组21的金属基底印刷布线板15安装在冷却器上，因此，能够高效地进行一次绕组20、二次绕组21的散热，能够抑制一次绕组20、二次绕组21因温度上升而引起的热阻的增大。

并且，由于散热性提高，因此能够减少变压器整体的散热面积，从而能够实现构成变压器的铁芯11、一次绕组用板状金属构件12、二次绕组用板状金属构件13、金属基底印刷布线板15等的小型化，轻量化，随之能够实现低成本化。

此外，由于一次绕组用板状金属构件12、二次绕组用板状金属构件13是板状构件，因此能够使尺寸精度稳定，能够抑制漏电感的偏差，能够抑制一次绕组20、二次绕组21的损耗偏差。

此外，由于交替地配置一次绕组用板状金属构件12、及板状金属构件13，因此，能够实现耦合度较高的变压器，能够抑制漏电感。

通过调整线圈部的层叠数、一次绕组用板状金属构件12及二次绕组用板状金属构件13的板宽、一次绕组20及二次绕组21与铁芯11之间的距离、以及第1铁芯部1与第2铁芯部2之间的间隙，能够容易地进行励磁电感和漏电感的调整。

此外，通过将一次绕组用板状金属构件12及二次绕组用板状金属构件13的每一片与金属基底印刷布线板15上的元器件焊盘16、18相连接，从而能够使一次绕组用板状金属构件12、二次绕组用板状金属构件13的每一片均进行散热，由此能够实现热阻的减小、散热性的提高。

此外，通过将一次绕组用板状金属构件12、二次绕组用板状金属构件13的每一周与元器件焊盘16、18相连接，能够使一次绕组20与二次绕组21之间的间隔的尺寸精度稳定，从而能够减少热阻及励磁、漏电感、以及损耗等电气特性的偏差。

此外，通过将一次绕组用板状金属构件12、二次绕组用板状金属构件13设为韧铜材料，从而可获得与纯铜相近的导电率，一次绕组20、二次绕组21能够实现较低的电阻，同时由于是非磁性金属，因此能够减少伴随着变压器所产生的漏磁通而引起的涡电流的产生、以及涡电流损耗。

并且，在抑制损耗量的同时，由于具有与纯铜相近的热传导率，因此能够使一次绕组用板状金属构件12、二次绕组用板状金属构件13产生的热高效地通过金属基底印刷布线板15、冷却器来进行散热。此外，随之还能够实现小型化、轻量化。

此外，通过在两板状金属构件12、13彼此之间、两板状金属构件12、13和与该两板状金属构件12、13相邻的铁芯11之间插入树脂板、绝缘片材等绝缘构件14，能够确保一次绕组20及二次绕组21之间、两板状金属构件12、13之间、以及一次绕组20、二次绕组21与铁芯11之间的绝缘性，能够使变压器的性能稳定。

此外，还能够提高组装性。

另外，也可以将作为一次绕组20、二次绕组21的构成要素的两板状金属构件12、13通过树脂成型而成来确保绝缘性。

通过在一次绕组用布线图案17与二次绕组用布线图案19之间设置对于施加于变压器的规定电压能够确保绝缘的距离，从而能够确保一次绕组20与二次绕组21之间的绝缘性，能够使变压器的性能的稳定。

另外，在本实施方式中，对于两板状金属构件12、13使用了铜类材料，但与实施方式1相同，也可以应用铝类材料。

在本实施方式中，对于作为一次绕组20、二次绕组21的构成要素的印刷布线板，使用金属基底印刷布线板15来进行了说明，但与实施方式2相同，也可以是陶瓷基底印刷布线板。

此外，在本实施方式中，对于设为二次绕组21的匝数比一次绕组20的匝数要多的升压变压器进行了说明，但对于一次绕组的匝数比二次绕组的匝数要多的降压变压器，本发明也可以适用。

此外，在本实施方式中，对铁芯11为内铁式的U型铁芯的情况进行了说明，但对于EI、EE、EER、ER型等外铁式铁芯，本发明也可适用。

实施方式3.

图5A是表示示意性地示出变压器的一次绕组部20a、二次绕组部21a的配置的一个示例的图，图5B是示意性地示出本发明的实施方式3的变压器的一次绕组部20a、二次绕组部21a的配置的图。

在变压器的变压比较大时，会出现一次绕组部20a及二次绕组部21a各自的数量产生较大不同的情况，例如如图5A所示那样，出现二次绕组部21a连续三个相邻的情况，其结果导致变压器的漏电感增加，变压器的损耗变大。

与此相对，如图5B所示，通过将二次绕组部21a配置为最多两个相邻，从而能够抑制变压器的漏电感的增加，进而耦合度增加，且能够抑制损耗。

其他结构与实施方式2的变压器相同。

另外，在上述各实施方式中，作为电磁感应设备，对电抗器、变压器进行了说明，但也可以是扼流线圈。

此外，作为对电磁感应设备进行冷却的冷却单元的示例，对在内部流通制冷剂的冷却器进行了说明，但也可以是散热器。

标号说明

1第1铁芯部、2第2铁芯部、3，11铁芯、4板状金属构件(金属构件)、5，14绝缘构件、6，15金属基底印刷布线板、7元器件焊盘、8布线图案、9第1铁芯部、10第2铁芯部、12一次绕组用板状金属构件(金属构件)、13二次绕组用板状金属构件(金属构件)、16一次绕组用元器件焊盘、17一次绕组用布线图案、18二次绕组用元器件焊盘、19二次绕组用布线图案(布线图案)、20一次绕组(线圈体)、20a一次绕组部(线圈部)、21二次绕组(线圈体)、21a二次绕组部(线圈部)。

Claims

1.一种电磁感应设备，其特征在于，包括：

铁芯，该铁芯构成闭磁路；

由所述布线图案及所述金属构件构成的多个线圈部彼此电连接并重叠，从而构成线圈体。

2.如权利要求1所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述金属构件是板状金属构件。

3.如权利要求2所述的电磁感应设备，其特征在于，

相邻的所述板状金属构件之间以及所述板状金属构件与所述铁芯之间插入有绝缘构件。

4.如权利要求1所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述金属构件是圆形导线。

5.如权利要求1所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述金属构件是矩形导线。

6.如权利要求1至5的任一项所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述金属构件环绕所述铁芯一周。

7.如权利要求1至6的任一项所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述金属构件通过焊接与所述印刷布线板相连接。

8.如权利要求1至7的任一项所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述金属构件由铜构成。

9.如权利要求1至7的任一项所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述金属构件由铝构成。

10.如权利要求1至9的任一项所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述印刷布线板是金属基底印刷布线板。

11.如权利要求1至9的任一项所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述印刷布线板是陶瓷基底印刷布线板。

12.如权利要求1至11的任一项所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述铁芯与所述印刷布线板面接触。

13.如权利要求1至12的任一项所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述电磁感应设备是变压器，所述线圈体是由作为所述线圈部的一次绕组部构成的一次绕组、以及由作为所述线圈部的二次绕组部构成的二次绕组。

14.如权利要求13所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述一次绕组部和所述二次绕组部交替进行重叠。

15.如权利要求13所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述一次绕组部、所述二次绕组部均配置为最多2个相邻。

16.如权利要求13至15的任一项所述的电磁感应设备，其特征在于，

连接有作为所述一次绕组部的构成要素的一次绕组用金属构件的所述布线图案的一次绕组用元器件焊盘、和与该一次绕组用元器件焊盘相邻且连接有作为所述二次绕组部的构成要素的二次绕组用金属构件的所述布线图案的二次绕组用元器件焊盘之间隔开绝缘距离。

17.如权利要求16所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述一次绕组用金属构件与所述二次绕组用金属构件之间、以及所述一次绕组用金属构件与所述铁芯之间、所述二次绕组用金属构件与所述铁芯之间插入有绝缘构件。

18.如权利要求17所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述绝缘构件是树脂板。

19.如权利要求17所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述绝缘构件是树脂片材。

20.如权利要求17所述的电磁感应设备，其特征在于，

所述一次绕组用金属构件及所述二次绕组用金属构件通过树脂成型而成。

21.如权利要求1至20的任一项所述的电磁感应设备，其特征在于，

对所述电磁感应设备进行冷却的冷却单元安装于所述印刷布线。