CN113614862A - 感应的结构元件和用于制造感应的结构元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种感应的结构元件（1、10），该感应的结构元件包括铜丝绕组（3）和将所述铜丝绕组（3）包围的包裹材料（8），其中所述包裹材料（8）包括基体（5）和至少一种第一填充材料（6），其中所述基体（5）包括至少一种从高铝水泥、磷酸盐水泥、SiO2、MgO和反应性的矾土中选出的材料，并且其中所述第一填充材料（6）包括至少一种软磁的粉末。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高的功率密度的感应的结构元件以及一种用于制造在很好的导热性中具有良好的感应率的感应的结构元件的方法。
背景技术
在制造传统的变压器时，以已知的方式用两个具有不等数目的绕组、像比如铜丝绕组的电导体来包围磁芯。紧随此后，用包裹材料来包围该电导体，该包裹材料建立用绕组来包围的磁芯与壳体之间的连接。在变压器的运行的期间，通过该包裹材料将在磁芯中或者在绕组中产生的损耗功率排出给壳体。传统的变压器的功率密度由此而降低。
发明内容
而根据权利要求1所述的、按本发明的感应的结构元件的突出之处在于高的功率密度。这通过以下方式来实现，即：由于该感应的结构元件的结构上的构造而能够获得高的导磁率（μR=2到4或者10到500）并且由此也能够提高漏电感，由此此外也能够进行谐振电感的集成，而没有明显地影响到该感应的结构元件的效率并且由此影响到功率密度。此外，能够以高的导热性和很好的功率密度来降低该感应的结构元件的结构空间。
按照本发明，该感应的结构元件包括铜丝绕组和将该铜丝绕组包围的包裹材料。按照本发明，也能够使用两个或更多个铜丝绕组或者不过能够使用一个铜丝绕组和至少一个另外的可导电的材料的绕组。绕组的数目在此取决于该感应的结构元件的使用。该铜丝绕组在此比如能够作为自由形状-铜丝绕组而存在并且在形状和造型方面基本上不受限制。一种特别合适的形式是呈环形形式的绕组。
该包裹材料包括基体和至少一种第一填充材料。这意味着，不仅能够单单存在第一填充材料或者不过能够存在第一填充材料与一种或者多种另外的填充材料的混合物。该第一填充材料以及必要时另外的填充材料在此分布在基体中，其中通过所产生的复合材料来获得一定的机械稳定性并且该基体提供铜丝绕组与比如周围的构件之间的连接。该基体在此包括至少一种从高铝水泥、磷酸盐水泥、SiO2、MgO和反应性的矾土中选出的材料。在此涉及用水来凝固的化学的化合物或者这些化合物的混合物并且不涉及烧结的陶瓷材料。在此假设，由此以高的导磁率能够防止介电常数的提高。该电感在此能够通过在基体中包含的第一填充材料来提供，该第一填充材料包括至少一种软磁的粉末。该第一填充材料在此能够单单包括软磁的粉末或者包括由两种或者更多种软磁的粉末构成的混合物。
该感应的结构元件除了很好的磁性性能之外也具有高的导热性能并且导磁率的损耗因数是低的。比如，按本发明来使用的包裹材料的导热性为5到8W/m·K，这尤其应该归因于高铝水泥、磷酸盐水泥、SiO2、MgO或反应性的矾土的使用。此外，该感应的结构元件能够在没有传统的磁芯的情况下来构成，这节省了材料成本和用于制造构件的成本。
该从属权利要说明了本发明的优选的改造方案。
由于很好的感应性能，该软磁的粉末有利地从羰基铁和铁氧体粉末中选择。这意味着，羰基铁和铁氧体粉末能够分别独自地或者不过以混合物的形式来使用。
按照另一种有利的改进方案，该包裹材料包括至少一种聚合物。通过一种或者多种聚合物的使用，比如能够有利地影响该包裹材料的热性能、像比如收缩或者导热性等等。也能够通过聚合物的使用来改进包裹材料在周围的构件、像比如壳体上的附着。特别合适的聚合物在此是热塑性聚合物。优选的聚合物是由丙烯酸酯、乙烯和乙烯酯构成的共聚物、由丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯和苯乙烯构成的共聚物、由乙烯和酯酸乙烯酯和聚甲基硅树脂构成的共聚物。
为了改进该包裹材料的性能，该包裹材料有利地包括至少一种第二填充材料。这第二填充材料在此能够将另外的功能加入到包裹材料中。在此，能够单单使用第二填充材料或者不过能够使用两种或者更多种第二填充材料。由于很好的导热性能，该第二填充材料优选包含Al2O3。
为了以同时高的导热性和良好的导磁率来提供良好机械稳定性，该基体的总质量相对于包裹材料的总质量为5到25个质量百分点。在此，高铝水泥、磷酸盐水泥、SiO2、MgO或者反应性的矾土形成具有最大200μm的颗粒大小的非常精细的微结构的组织，这为该基体的高稳定性以及很好的导热性作贡献。
为了对该包裹材料的功能进行优化并且尤其为了改进感应性能和导热性能，第一和第二填充材料的总质量相对于该包裹材料的总质量尤其为75到95个质量百分点。
尤其在使用无被铜丝绕组包围的磁芯的自由形状-铜丝绕组时，由该感应的结构元件的感应性能的最大化看来，第一填充材料的总质量相对于第一和第二填充材料的总质量有利地为75到95个质量百分点。这意味着，除了该第一填充材料之外，在该基体中并且由此也在该包裹材料中仅仅包含小份额的第二填充材料。软磁的粉末的份额由此很高。由此获得很好的导磁率。
按照另一种有利的改进方案，该感应的结构元件包括磁芯。该铜丝绕组由此至少部分地或者至少分段地包围磁芯。该磁芯比如能够是铁氧体磁芯或者具有聚合物基体的磁性的粉末芯或者也能够是烧结的磁性的粉末芯并且尤其被构造为铁氧体磁芯。
在具有磁芯的前述实施方式中，优选的是，软磁的粉末的总质量相对于第一和第二填充材料的总质量为1到50个质量百分点。由此，在降低软磁的粉末的总质量的情况下，尽管如此也能够在该感应的结构元件中提供高的导磁率。能够在低的介电常数保持相同的情况下提高漏电感并且集成谐振电感。
此外，在具有磁芯的实施方式中，由该包裹材料以及由此还有感应的结构元件的导热性能看来，有利的是，第二填充材料以及尤其Al2O3的总质量相对于第一和第二填充材料的总质量为50到99个质量百分点。
该感应的结构元件以及尤其该包裹材料有利地不含波特兰水泥。这意味着，在制造该感应的结构元件时不添加或者使用波特兰水泥。该波特兰水泥的总质量由此相对于包裹材料的总质量并且由此也相对于感应的结构元件的总质量基本上为0个质量百分点。波特兰水泥相对于按本发明的基体具有的缺点是，它包含许多不洁物，该不洁物虽然对承载性的构件来说能够容忍，但是对于电子的应用情况、并且尤其对感应的构件来说不过随之带来明显的性能损害。此外，波特兰水泥相对于高铝水泥、磷酸盐水泥、SiO2、MgO或者反应性的矾土具有明显地低的导热性，这可能应该归因于各个基体相的化学结构。
此外有利的是，该第一填充材料和第二填充材料未经烧结。这不仅在节省能量的制造方面、而且由高的导磁率和高的导热性能看来都带来优点。
该感应的结构元件比如能够被构造为线圈并且为此尤其包括铜丝绕组。由于很好的感应的和导热的性能，按本发明的感应的结构元件尤其被构造为变压器并且为此目的而包括铜丝绕组和至少一个另外的可导电的绕组，其同样能够被构造为铜丝绕组。
同样，按照本发明，也说明一种用于制造感应的结构元件的方法。所述方法包括在制造滑泥的情况下将基体材料与至少一种第一填充材料、水和可选至少一种溶剂混合起来的步骤。“滑泥”在此是指未硬化的且未凝固的或多或少可流动的或者至少可成形的材料。
本发明的意义上的溶剂比如能够是改良的聚羧酸醚，并且比如能够相对于滑泥的总质量以0.1到2个质量百分点来使用。
该基体材料在此包含至少一种从未凝固的高铝水泥、未凝固的磷酸盐水泥、未凝固的SiO2、未凝固的MgO和未凝固的反应性的矾土中选出的材料。此外，该第一填充材料包括至少一种软磁的粉末。该混合比如能够通过用合适的搅拌器进行的搅拌来完成。所得到的滑泥而后围绕铜丝绕组布置，使得该滑泥尽可能全面地但是至少在铜丝绕组的外圆周上包围该铜丝绕组。随后，通过用水以处于50到150℃的范围内的温度使该基体材料的至少部分地凝固这种方式使该滑泥固化。这个凝固步骤比如能够在炉中来实施。不以大于200℃的温度实施烧结。通过该凝固，以前所使用的溶剂在很大程度上被除去并且此后可以基本上不再予以证实。
如前面按照本发明已经描述的那样，产生本发明的意义上的包裹材料。通过所添加的水的量，能够调节基体材料的凝固度。合适的水量能够通过简单的试验来查明。
按本发明的方法能够容易地并且成本低廉地实现并且以较少地或者根本没有提高的介电常数来制造具有高的导磁率（μR=2到4或者10到500）、高的漏电感和集成的谐振电感的感应的结构元件。此外，按本发明来制造的结构元件的突出之处也在于高的导热性，使得该感应的结构元件是高效的并且具有突出的功率密度。
为按本发明的感应的结构元件所描述的优点、有利的效应和改进方案也可以运用到按本发明的用于制造感应的结构元件的方法上。
为了改进机械性能，该方法此外能够包括紧接在基体材料的凝固之后进行退火的步骤。该退火在此优选以处于100到150℃的范围内的温度来执行。
同样有利的是，该方法也能够设置用铜丝绕组来包围尤其作为铁氧体磁芯来构成的磁芯的步骤。在这种实施方式中，该铜丝绕组因此不是作为自由形状-铜丝绕组而存在，而是包围着磁芯。由此，该包裹材料围绕将磁芯包围的铜丝绕组来布置并且尤其不是布置在铜线绕组的内部。
附图说明
下面参照附图对本发明的实施例进行详细描述。
图1示出了按照第一种实施方式的感应的结构元件的剖视图；并且
图2示出了按照第二种实施方式的感应的结构元件的剖视图。
在附图中仅仅示出了本发明的主要特征。所有其余的特征为简明起见而略去。此外，相同的附图标记表示相同的构件。
具体实施方式
图1以剖面示出了按照第一种实施方式的感应的结构元件1。该感应的结构元件1包括壳体2，在该壳体中布置有磁芯4，该磁芯由铜丝绕组3全面包围。该铜丝绕组3在此直接围绕着磁芯4来缠绕。
该磁芯4比如被构造为铁氧体磁芯或者被构造为具有聚合物基体的磁性的粉末芯或者也被构造为绕结的磁性的粉末芯，其中作为铁氧体磁芯的构造是优选的。该磁芯4和将磁芯4包围的铜丝绕组3布置在壳体2中。在该壳体2与该铜丝绕组3之间布置有包裹材料8，该包裹材料提供铜丝绕组3与壳体2之间的连接。
该包裹材料8包括基体5和第一填充材料6以及第二填充材料7，其中该第一填充材料6是软磁的粉末、像比如羰基铁或者铁氧体粉末，并且其中该第二填充材料7是Al2O3。第一填充材料6和第二填充材料7被分布在基体5中并且以非烧结的形式存在。
该基体5包括至少一种从高铝水泥、磷酸盐水泥、SiO2、MgO和反应性的矾土中选出的材料。这些化合物或者这些化合物的混合物以用水在50到150℃中至少部分地凝固的形式存在并且未被烧结。由此该基体5形成具有最大200μm的颗粒大小的颗粒的微晶网状结构，该填充材料6、7均匀地分布在该网状结构中。该包裹材料8以及由此该感应的结构元件1也不含波特兰水泥。
该基体5的总质量相对于包裹材料8的总质量为5到25个质量百分点。
第一和第二填充材料6、7的总质量相对于包裹材料8的总质量为75到95个质量百分点，其中第一填充材料6、也就是软磁的粉末的份额相对于第一填充材料6和第二填充材料7的总质量有利地为1到50个质量百分点。由此，由于第二填充材料7的高份额而以良好的磁性性能获得特别高的导热性。
该感应的结构元件1的突出之处由于包裹材料8的使用而在于高的功率密度和高效率。这意味着，该感应的结构元件1以高的导磁率（μR=2到4或者10到500）而具有高的漏电感和谐振电感，而该介电常数则没有明显地提高。此外，该包裹材料8具有高的导热性，这进一步提高该感应的结构元件1的功率密度。
图2以剖面示出了按照第二实施方式的感应的结构元件10。该感应的结构元件10与图1的感应的结构元件1的区别在于，它没有磁芯。该铜丝绕组3由此以自由形状-铜丝绕组的形式存在，该自由形状-铜丝绕组比如事先在基座上产生。
基体5的总质量相对于包裹材料8的总质量在这里也为5到25个质量百分点。
第一填充材料6和第二填充材料7的总质量相对于包裹材料8的总质量为75到95个质量百分点，其中第一填充材料6、也就是软磁的粉末的份额比在由图1的感应的结构元件1构成的基体中高并且相对于第一填充材料6和第二填充材料7的总质量尤其为75到95个质量百分点。第二填充材料7、也就是尤其Al2O3的份额由此而更小。软磁的粉末的更高的份额由感应的结构元件10的磁性性能看来是有利的。
该感应的结构元件10的突出之处由于包裹材料8的使用而也在于高的功率密度和高效率。在此获得高的导磁率（μR=2到4或者10到500）并且也获得高的漏电感和谐振电感。此外，该包裹材料8具有良好的导热性，这进一步提高了该感应的结构元件10的功率密度。
Claims (16)
1. 感应的结构元件，包括铜丝绕组（3）和将所述铜丝绕组（3）包围的包裹材料（8），其中所述包裹材料（8）包括基体（5）和至少一种第一填充材料（6），
-其中所述基体（5）包括至少一种从高铝水泥、磷酸盐水泥、SiO2、MgO和反应性的矾土中选出的材料，并且
-其中所述第一填充材料（6）包括至少一种软磁的粉末。
2.根据权利要求1所述的感应的结构元件，其中所述软磁的粉末从羰基铁粉末和铁氧体粉末中选出。
3.根据权利要求1或2所述的感应的结构元件，其中所述包裹材料（8）包括至少一种聚合物、尤其是热塑性的聚合物。
4.根据前述权利要求中任一项所述的感应的结构元件，此外包括至少一种第二填充材料（7），其中所述第二填充材料（7）尤其包括Al2O3。
5.根据前述权利要求中任一项所述的感应的结构元件，其中所述基体（5）的总质量相对于包裹材料（8）的总质量为5到25个质量百分点。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的感应的结构元件，其中第一和第二填充材料（6、7）的总质量相对于所述包裹材料（8）的总质量为75到95个质量百分点。
7.根据权利要求4到6中任一项所述的感应的结构元件，其中第一填充材料（6）的总质量相对于第一和第二填充材料（6、7）的总质量为75到95个质量百分点。
8.根据权利要求1到6中任一项所述的感应的结构元件，此外包括磁芯（4）、尤其是铁氧体磁芯，其中所述铜丝绕组（3）至少部分地包围磁芯（4）。
9.根据权利要求4到6和8中任一项所述的感应的结构元件，第一填充材料（6）的总质量相对于第一和第二填充材料（6、7）的总质量为1到50个质量百分点。
10.根据权利要求4到6、8和9中任一项所述的感应的结构元件，第二填充材料（7）的总质量相对于第一和第二填充材料（6、7）的总质量为50到99个质量百分点。
11.根据前述权利要求中任一项所述的感应的结构元件，其中所述结构元件（1、10）不含波特兰水泥。
12.根据前述权利要求中任一项所述的感应的结构元件，其中所述第一填充材料（6）和第二填充材料（7）未被烧结。
13.根据前述权利要求中任一项所述的感应的结构元件，被构造为变压器。
14.用于制造感应的结构元件（1、10）的方法，包括以下步骤：
-在制造滑泥的情况下将基体材料与至少一种第一填充材料（6）、水和可选至少一种溶剂混合起来，其中所述基体材料包括至少一种从未凝固的高铝水泥、未凝固的磷酸盐水泥、未凝固的SiO2、未凝固的MgO和未凝固的反应性的矾土中选出的材料并且所述第一填充材料（6）包括至少一种软磁的粉末，
-用所述滑泥来包围铜丝绕组（3）并且
-通过水以处于50到150℃的范围内的温度使所述基体材料至少部分地凝固。
15.根据权利要求14所述的方法，此外包括紧接在基体材料的凝固之后进行退火的步骤，其中所述退火以处于100到150℃的范围内的温度来进行。
16.根据权利要求14或15所述的方法，包括用铜丝绕组（3）来包围磁芯（4）、尤其铁氧体磁芯的步骤。
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