DE112011102342T5

DE112011102342T5 - Drossel

Info

Publication number: DE112011102342T5
Application number: DE112011102342T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Inaba
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-04-18
Also published as: US8754739B2; JP5867677B2; WO2012008328A1; JP2012039099A; CN102985987A; US20130114319A1

Abstract

Es wirrd eine Drossel mit einer guten Wärmeabführwirkung bereitgestellt. Die Drossel 1 umfasst eine Spule 2, die durch Wickeln eines Drahtes 2w ausgebildet ist, einen magnetischen Kern 3, der innerhalb und außerhalb der Spule 2 angeordnet ist und einen geschlossenen magnetischen Kreis ausbildet, und ein Gehäuse 4 zum Aufnehmen einer Bauteilgruppe aus Spule 2 und magnetischem Kern 3. Eine Endfläche der Spule 2 weist eine Rennbahnform auf, und die Spule 2 ist in dem Gehäuse 4 so aufgenommen, dass die axiale Richtung der Spule 2 parallel zu einer äußeren Bodenwand 41o des Gehäuses 4 angeordnet ist. Ein Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 wird durch den magnetischen Kern 3 verdeckt (äußerer Kernbereich 32), und ein davon überbleibender Teil, der nicht durch den magnetischen Kern verdeckt wird, steht mit einer inneren Bodenwand 41i des Gehäuses 4 in Kontakt. Da ein Teil (hauptsächlich ein gerader Bereich 22) der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 in direktem Kontakt mit der inneren Bodenfläche 41i des Gehäuses 4 steht, kann Wärme der Spule 2 direkt abgeführt werden, sodass die Wärme durch das Gehäuse 4 zu einem Anschlussziel, z. B. einer Wasserkühlbasis, auf der das Gehäuse 4 installiert ist, abgeführt wird. Somit weist der Drossel 1 eine gute Wärmeabführwirkung auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drossel, die als Komponente in einer Energiewandlungseinrichtung, z. B. einem Gleichstrom(DC)-DC-Wandler eines Fahrzeugs, einem Wandler mit der Drossel, und einer Energiewandlungseinrichtung mit dem Wandler, verwendet wird. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Drossel mit einer guten Wärmeabführwirkung.
Stand der Technik
Es gibt eine Drossel, die ein Teil eines Netzwerks zum Durchführen von Hoch- und Runtertransformationen einer Spannung ist. In einer Form einer verwendeten Drossel, die beispielsweise in einem Wandler eines Fahrzeugs, z. B. einem Hybridauto, eingebaut ist, wird ein Spulenpaar, welches jeweils durch spiralförmiges Wickeln eines Drahts ausgebildet wird, Seite an Seite um entsprechende Bereiche eines magnetischen Kerns, der eine ringförmigen Form, z. B. eine O-förmige Form (Patentliteratur (PTL) 1), aufweist, angeordnet.
Eine kleine Drossel mit nur einer Spule ist ebenfalls bekannt, wie eine in PTL 2 offenbarte Drossel. So eine Drossel umfasst, wie in 1 von PTL 2 gezeigt, den sogenannten topfförmigen Kern, in anderen Worten einen magnetischen Kern mit einem säulenförmigen inneren Kernbereich, welcher innerhalb der Spule angeordnet ist, einen zylindrischen Kernbereich, der im Wesentlichen eine gesamte äußere Umfangsfläche der Spule verdeckt, und ein Paar von scheibenförmigen Kernbereichen, die an entsprechenden Endflächen der Spule angeordnet sind. In dem topfförmigen Kern, sind der innere Kernbereich und der zylindrische Kernbereich konzentrisch zueinander angeordnet, und miteinander über die scheibenförmigen Kernbereiche verbunden, wodurch ein geschlossener magnetischer Kreis ausgebildet wird.
Literaturliste
Patentliteratur

PTL 1: Internationale Druckschrift WO 2009/125593
PTL 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009-033051

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Während des Betriebs einer Drossel sind die Spule und der magnetische Kern hohen Temperaturen ausgesetzt, da die Spule Wärme erzeugt, wenn sie gespeist wird. Insbesondere erzeugt eine Drossel, die in einem Fahrzeug eingebaut ist, eine größere Wärmemenge, als eine Drossel, die als herkömmliche elektronische Komponente verwendet wird. Daher wird die in einem Fahrzeug eingebaute Drossel normalerweise in einem Zustand betrieben, bei dem diese an einem Anschlussziel mit einer Kühlfunktion, z. B. an einer Wasserkühlbasis, befestigt ist.
Es wird beispielsweise der Fall betrachtet, bei dem die zuvor beschriebene Drossel mit dem topfförmigen Kern an dem Anschlussziel so befestigt wird, dass die axiale Richtung der Spule senkrecht zu der Oberfläche des Anschlussziels angeordnet ist (solch eine Anordnung wird von hieran als ein vertikales Layout bezeichnet). In dem vertikalen Layout ist nur die Endfläche der Spule in der Nähe des Anschlussziels positioniert, und Entfernungen von anderen Regionen der Spule zu dem Anschlussziel sind lang. Somit ist eine Region der Spule, die in der Nähe des Anschlussziels positioniert ist, klein, und Wärme der Spule dadurch schlechter zu dem Anschlussziel transferierbar. Aus diesem Grund kann nicht gesagt werden, dass das vertikale Layout eine hinreichende Wärmeabführwirkung aufweist.
Es wird als ein weiteres Beispiel der Fall betrachtet, bei die zuvor beschriebene Drossel mit dem topfförmigen Kern an dem Anschlussziel so befestigt ist, dass die axiale Richtung der Spule parallel zu der Oberfläche des Anschlussziels angeordnet ist (solch eine Anordnung wird von hieran als horizontales Layout bezeichnet). In diesem Fall, wenn die Endfläche der Spule eine Form eines wahren Kreises, wie in PTL 2 offenbart, aufweist, ist nur eine lineare Linie, welche die äußere Umfangsfläche der Spule 2 bildet, in der Nähe des Anschlussziels positioniert. Somit ist eine Region der Spule, die in der Nähe des Anschlussziels positioniert ist, klein, wie in dem zuvor beschriebenen vertikalen Layout. Damit kann ebenfalls nicht gesagt werden, dass das horizontale Layout eine hinreichende Wärmeabführwirkung aufweist.
Insbesondere, wenn ein Teil des magnetischen Kerns 3, der die äußere Umfangsfläche der Spule 2 bedeckt, aus einem geformten und ausgehärteten Körper ausgebildet ist, welcher magnetisches Pulver und Harz umfasst, wie in PTL 1 und 2 offenbart, verschlechtert sich die Wärmeabführwirkung, wenn das Harz, welches eine geringere thermische Leitfähigkeit als das magnetische Pulver, das z. B. aus Eisen besteht, aufweist, übermäßig zwischen der Spule und dem Anschlussziel vorhanden ist.
Des Weiteren, wenn im Wesentlichen die gesamte äußere Umfangsfläche der Spule mit dem magnetischen Kern bedeckt ist, ähnlich wie bei dem topfförmigen Kern, kann nicht gesagt werden, dass solch eine Drossel eine hinreichende Wärmeabführwirkung aufweist, obwohl Wärme der Spule über den magnetischen Kern nach außen abgegeben wird. Es ist damit erforderlich, eine Drossel mit einer Spule zu entwickeln, die eine Struktur aufweist, welche eine gute Wärmeabführwirkung sicherstellt.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drossel mit einer guten Wärmeabführwirkung bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wandler mit der Drossel, und eine Energiewandlungseinrichtung mit dem Wandler bereitzustellen.
Lösung des Problems
Die vorliegende Erfindung löst die zuvor beschriebene Aufgabe, indem eine Struktur bereitgestellt wird, in der eine Spule eine bestimmte Form aufweist, die Drossel ein Gehäuse aufweist, welches als Wärmeabführweg dient, und ein Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule in Kontakt mit dem Gehäuse steht.
Die Drossel der vorliegenden Erfindung umfasst eine Spule, die durch Wickeln eines Drahtes ausgebildet wird, einen magnetischen Kern, der innerhalb und außerhalb der Spule angeordnet ist, und einen geschlossenen magnetischen Kreis ausbildet, und ein Gehäuse zum Aufnehmen einer Baugruppe aus Spule und magnetischem Kern. Die Spule weist die folgenden Merkmale (1) bis (3) auf.

(1) Die Spule hat eine nicht kreisförmige Endflächenform, die einen gekrümmten Bereich umfasst.
(2) Die Spule ist in dem Gehäuse so aufgenommen, dass eine axiale Richtung der Spule parallel zu einer äußeren Bodenfläche des Gehäuses angeordnet ist, wobei die äußere Bodenfläche durch ein Anschlussziel gekühlt wird.
(3) Ein Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule wird durch den magnetischen Kern verdeckt, und zumindest ein davon übrigbleibender Teil, der nicht durch den magnetischen Kern verdeckt wird, steht in Kontakt mit einer inneren Bodenfläche des Gehäuses.

Der magnetische Kern umfasst einen inneren Kernbereich, der innerhalb der Spule angeordnet ist, und einen äußeren Kernbereich, welche den Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule verdeckt. Der innere Kernbereich ist aus einem Pulverpresskörper ausgebildet, und der äußere Kernbereich wird aus einer Mischung eines magnetischen Pulvers und eines Harzes hergestellt.
In der Drossel der vorliegenden Erfindung ist, wie zuvor beschrieben, nur der Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule durch den magnetischen Kern bedeckt, um den geschlossenen magnetischen Kreis auszubilden, anstatt im Wesentlichen die gesamte äußere Umfangsfläche der Spule (genauer gesagt Oberflächen von mehrschichtigen Drehungen) zu bedecken, und zumindest ein weiterer Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule steht mit dem Gehäuse in Kontakt. Insbesondere ist in der Drossel der vorliegenden Erfindung die Endflächenform der Spule eine nicht-kreisförmige Form, im Gegensatz zu einer wahren Kreisform, und die Spule ist in dem horizontalen Layout angeordnet. Mit so einer Anordnung kann die Drossel der vorliegenden Erfindung eine Kontaktfläche zwischen der äußeren Umfangsfläche der Spule und der inneren Bodenfläche des Gehäuses vergrößern, und eine Region des Gehäuses vergrößern, bei welcher der Abstand zu der inneren Bodenfläche des Gehäuses kurz ist, genauer gesagt, eine Region des Gehäuses, bei der die Region in der Nähe des Anschlussziels mit der Kühlfunktion positioniert ist. Somit kann in der Drossel der vorliegenden Erfindung Wärme der Spule direkt und mit einer hohen Effizienz an das Gehäuse abgeführt werden, und dabei die Wärme zu dem Anschlussziel durch die untere Bodenfläche des Gehäuses geleitet wird, wobei die untere Bodenfläche des Gehäuses in Kontakt mit dem Anschlussziel steht und durch das Anschlussziel gekühlt wird, was in einer guten Wärmeabführwirkung resultiert. Des Weiteren kann die Drosselgröße reduziert werden, da die Drossel der vorliegenden Erfindung eine Spule aufweist, im Gegensatz zu der Drossel von PTL 1, welche ein Spulenpaar umfasst. Da die Endfläche der Spule eine abgeflachte Form, anstatt einer wahren Kreisform, aufweist, ist es einfacher, verglichen mit einer Spule mit einer wahren kreisförmigen Endfläche, die Höhe der Spule (genauer gesagt die Größe der Spule in Richtung eines Durchmessers des wahren Kreises) zu reduzieren. Dieser Punkt trägt dazu bei, die Drosselgröße zu reduzieren. Darüber hinaus ist, mit der Drossel der vorliegenden Erfindung, die Spule einfach ausformbar, da die Endflächenform der Spule den gekrümmten Bereich aufweist.
Die Spule der Drossel der vorliegenden Erfindung kann, da die Endflächenform der Spule einen geraden Bereich und einen kurvenförmigen Bereich aufweist, einfach ausgebildet werden, und mit einer höheren Produktivität, als die Spule, die nur einen geraden Bereich aufweist, wie in PTL 1 offenbart, hergestellt werden. Des Weiteren kann der äußere Kernbereich der Drossel der vorliegenden Erfindung, da der äußere Kernbereich aus der zuvor beschriebenen Mischung ausgebildet ist, einfach ausgebildet werden, indem die Spule in das Gehäuse in einem Zustand eingesetzt wird, bei dem der Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule in Kontakt mit der inneren Bodenfläche des Gehäuses kommt, die Mischung in das Gehäuse gefüllt wird, und anschließend das Harz der Mischung ausgehärtet wird. Hier kann der magnetische Kern der Drossel auch durch einen Stapel, der durch das Stapeln von mehreren elektrischen Stahlbahnen erzeugt wird, einen Pulverpresskörper, der durch Verdichten eines magnetischen Pulvers unter Druck erzeugt wird, einen geformten und ausgehärteten Körper, der aus der zuvor beschriebenen Mischung aus magnetischem Pulver und Harz ausgebildet wird, oder einer Kombination der vorhergehenden (von hieran als Hybriderkern bezeichnet) ausgebildet werden. Insbesondere, da der Pulverpresskörper einfach ausgebildet werden kann, selbst wenn er eine komplizierte dreidimensionale Form aufweist, können der innere Kernbereich und der äußere Kernbereich aus Pulverpresskörpern ausgebildet werden. Die Drossel der vorliegenden Erfindung ist hingegen in so einer komplizierten Form gestaltet, dass der Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule, welcher die angestrebte Form aufweist und in dem Gehäuse aufgenommen wird, mit einem Teil (äußerer Kernbereich) des magnetischen Kerns bedeckt wird. Indem der äußere Kernbereich durch die zuvor beschriebene Mischung ausgebildet wird, kann der äußere Kernbereich selbst in so einer komplizierten Form einfacher ausgebildet werden, als in dem Fall, in dem der äußere Kernbereich aus dem Stapel von elektrischen Stahlbahnen oder dem Pulverpresskörper ausgebildet ist. Wenn der äußere Kernbereich aus der zuvor beschriebenen Mischung ausgebildet wird, können der äußere Kernbereich mit den angestrebten magnetischen Eigenschaften (vor allem Induktivität) und der magnetische Kern mit dem äußeren Kernbereich einfach ausgebildet werden, da das Mischungsverhältnis des magnetischen Pulvers und des Harzes auf einfache Weise verändert werden kann. Diese Punkte ermöglichen, dass die Drossel der vorliegenden Erfindung eine gute Produktivität aufweist.
Da der äußere Kernbereich aus der zuvor beschriebenen Mischung ausgebildet ist, können der innere Kernbereich und der äußere Kernbereich miteinander über das Harz der Mischung vereint werden. Solch eine Form eliminiert einen Verbindungsschritt der Kernbereiche und die Verwendung eines Verbindungsmaterials (z. B. eines Klebstoffes oder eines Klebbandes), und kann die Anzahl der Komponenten und die Anzahl von Schritten reduzieren. Darüber hinaus kann beispielsweise die Drossel nach der zuvor beschriebenen Form so hergestellt werden, dass eine Baugruppe aus Spule und innerem Kernbereich in das Gehäuse gesetzt wird, und der äußere Kernbereich so ausgeformt wird, dass dieser den Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule verdeckt, und zu der gleichen Zeit der magnetische Kern mit den vorbestimmten Eigenschaften ausgebildet wird. Diese Punkte ermöglichen ebenfalls, dass die Drossel der vorliegenden Erfindung eine gute Produktivität aufweist.
Darüber hinaus kann der innere Kernbereich der Drossel der vorliegenden Erfindung, da der innere Kernbereich aus dem Pulverpresskörper ausgebildet ist, für Spulen mit unterschiedlichen inneren Umfangsformen einfach ausgebildet werden, sodass diese eine äußere Form aufzuweisen, die der inneren Umfangsform von jeder der Spulen folgt. Indem die äußere Fläche des inneren Kernbereichs analog zu der inneren Umfangsfläche der Spule ausgebildet wird, können die äußere Umfangsfläche des inneren Kernbereichs und die innere Umfangsfläche der Spule nah beieinander positioniert werden, und die Drosselgröße weiter reduziert werden.
In dem Fall eines Hybridkerns, in dem der innere Kernbereich und der äußere Kernbereich aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, können die magnetischen Eigenschaften von beiden Kernbereichen unterschiedlich voneinander ausgebildet werden. In einer exemplarischen Form kann die magnetische Sättigungsflussdichte des inneren Kernbereichs höher sein, als die des äußeren Kernbereichs, indem geeignete Materialien ausgewählt werden. Bei solch einer Form kann die Querschnittsfläche des inneren Kernbereichs reduziert werden, verglichen mit dem Fall, bei der die magnetische Sättigungsflussdichte gleichförmig über den gesamten magnetischen Kern verteilt ist, wie in PTL 1 beschrieben. Mit einer kleineren Querschnittsfläche des inneren Kernbereichs wird eine Umfangslänge der Spule ebenfalls verkleinert. Damit trägt die zuvor beschriebene Form dazu bei, die Größe, das Gewicht und die Verluste zu reduzieren.
In einer alternativen Form kann die magnetische Permeabilität des äußeren Kernbereichs kleiner gemacht werden als die des inneren Kernbereichs, indem geeignete Materialien ausgewählt werden. Solch eine Form kann eine spaltlose Struktur bereitstellen, oder die Größe des inneren Kernbereichs weiter reduzieren. Dabei weisen magnetische Materialien, die für den magnetischen Kern einer Drossel genutzt werden, Korrelation zwischen der magnetischen Sättigungsflussdichte und der relativen magnetischen Permeabilität auf. In vielen Fällen weist ein magnetisches Material mit einer höheren magnetischen Sättigungsflussdichte eine höhere relative magnetische Permeabilität auf. Dementsprechend neigt, wenn die magnetische Sättigungsflussdichte des gesamten magnetischen Kerns hoch ist, die relative magnetische Permeabilität ebenfalls dazu, hoch zu sein. Somit erfordert der magnetische Kern einen Spalt, um eine Sättigung des magnetischen Flusses zu verhindern, z. B. ein Spaltelement, welches aus einem Material mit einer niedrigeren magnetischen Permeabilität, als der magnetische Kern ausgebildet ist, typischerweise aus einem nicht-magnetischen Material oder einem Luftspalt. Wenn der Spalt in dem magnetischen Kern vorhanden ist, ist es erstrebenswert, einen gewissen Abstand zwischen der inneren Umfangsfläche der Spule und der äußeren Umfangsfläche des inneren Kernbereichs vorzusehen, um einen Streufluss durch den Spalt zu unterdrücken und die Verluste, die durch den Streufluss, welche die Spule erreichen, entstehen, zu reduzieren. In dem Fall der spaltlosen Struktur, kann die Kerngröße um das Weglassen des Spaltes reduziert werden. Darüber hinaus, da der zuvor beschriebene Abstand reduziert werden kann, in dem die Spule und der innere Kernbereich näher zueinander angeordnet werden, kann eine kleinere Drossel erzeugt werden. Zusätzlich, da das Spaltelement durch Verwenden der spaltlosen Struktur nicht weiter benötigt wird, kann die Anzahl von Komponenten und die Anzahl von Schritten reduziert werden. Anders gesagt, wenn die Drossel der vorliegenden Erfindung den hybriden Kern umfasst, in dem die relative magnetische Permeabilität des gesamten magnetischen Kerns verändert wird, indem die magnetische Permeabilität in Teilen des magnetischen Kerns unterschiedlich ausgebildet wird, kann die spaltlose Struktur realisiert werden.
In einer Form der Drossel der vorliegenden Erfindung sind die Endflächen des inneren Kernbereichs bündig mit entsprechenden Endflächen der Spule. Alternativ kann eine der Endflächen des inneren Kernbereichs bündig mit einer der Endflächen der Spule sein und die andere Endfläche des inneren Kernbereichs von der anderen Endfläche der Spule hervorstehen. Alternativ können die Endflächen des inneren Kernbereichs entsprechend von den Endflächen der Spule hervorstehen.
In der zuvor beschriebenen Form weist der innere Kernbereich eine Länge auf, welche in axialer Richtung gleich oder größer, als die der Spule ist. Damit kann, da magnetischer Fluss, der durch die Spule erzeugt wird, dazu gebracht wird, hinreichend durch den inneren Kernbereich zu gehen, welcher aus dem Pulverpresskörper, der dazu neigt, eine höhere magnetische Sättigungsflussdichte, als die Mischung, die den äußeren Kernbereich ausbildet, aufzuweisen, die zuvor beschriebene Form die Verluste reduzieren.
In einer Form der Drossel der vorliegenden Erfindung weist die Endflächenform der Spule eine Rennbahnform auf, die aus ein Paar halbkreisförmiger Bogenbereichen und ein Paar von geraden Bereichen, die das Paar von halbkreisförmigen Bogenbereichen verbinden, umfasst, wobei zumindest der gerade Bereich mit der inneren Bodenfläche des Gehäuses in Kontakt steht.
Die Endflächenform der Spule, die nicht kreisförmig ausgebildet ist und einen gekrümmten Bereich umfasst, kann z. B. (1) eine Form aufweisen, die nur aus einer im Wesentlichen gebogenen Linie besteht, und (2) eine Form aufweisen, die einen gekrümmten Bereich und einen geraden Bereich aufweist.
Ein Beispiel von (1), der Form, die nur aus einer gebogenen Linie besteht, ist eine Ellipse. Da eine elliptische Spule eine Form aufweist, die nahe an der Form eines wahren Kreises ist und eine vergleichsweise kurze Umfangslänge besitzt, kann die Länge des Drahts, der die Spule ausbildet, einfach verkürzt werden, und die Menge von erforderlichem Draht reduziert werden. Es ist somit möglich, den Verlust, z. B. den Kupferverlust, und das Gewicht zu reduzieren.
Beispiele für (2), die Form, die den gekrümmten Bereich und den geraden Bereich aufweist, sind eine eckabgerundete polygonale Form, bei der Eckbereiche eines Polygons, z. B. einem Tetragon wie einem Quadrat oder einem Rechteck, abgerundet sind und eine spezielle Form, in der ein Teil der gebogenen Linie in der zuvor beschriebenen Ellipse durch eine lineare Linie ersetzt wird, sowie die zuvor beschriebene Rennbahn-artige Form. Das Vorhandensein des geraden Bereichs ist vorteilhaft, da der gerade Bereich einfach mit der inneren Bodenfläche des Gehäuses in Kontakt gebracht werden kann, die typsicherweise als eine flache Fläche ausgebildet ist, und da der Kontaktzustand stabil gehalten werden kann. Dementsprechend kann die Spule mit dem geraden Bereich einfach die Kontaktfläche zwischen der Spule und dem inneren Bodenbereich des Gehäuses vergrößern, und effizient Wärme der Spule zu dem Gehäuse durch die Kontaktfläche zwischen den beiden ableiten. Darüber hinaus, unter der Annahme, dass eine Fläche innerhalb der Spule konstant ist, neigt die Fläche mit dem geraden Bereich dazu, eine kürzere Umfangslänge, als die Fläche, die nur aus der linearen Linie ausgestaltet ist, aufzuweisen. Somit, wie zuvor beschrieben, ist es möglich, die Menge von verwendetem Draht, die Verluste, wie z. B. Kupferverluste, und das Gewicht zu reduzieren.
Insbesondere kann die Spule, welche die zuvor beschrieben Rennbahnform aufweist, als eine hochkante Spule ausgebildet werden, die durch den Einsatz eines rechteckigen Drahtes, der einen Leiter mit einer quadratischen Querschnittsfläche (typischerweise rechteckig) aufweist, und durch Wickeln des rechteckigen Drahtes in einer hochkanten Form, ausgebildet werden. Da eine äußere Umfangsfläche der Spule als eine Fläche ausgebildet wird, die durch nah beieinander liegende Flächen der individuellen Drehung des rechteckigen Drahts geformt wird, kann die hochkante Spule einfacher eine größere Kontaktfläche in Bezug auf das Gehäuse, als die Spule mit dem runden Draht, ausbilden. Des Weiteren, da die hochkante Spule einfach als eine Spule mit einem höheren Raumfaktor ausgebildet werden kann, kann die Spule mit der Rennbahnform einfach den Raumfaktor erhöhen und die Größe reduzieren, und dabei zu einer Größenreduktion der Drossel beitragen. Wenn die Spule mit der Rennbahnform in einer Form vorgesehen ist, bei der die Länge des geraden Bereiches vergrößert wird, und der Abstand zwischen dem Paar von geraden Bereichen reduziert wird, genauer gesagt, in einer Form, die einen größeren Formfaktor (Hauptachse/Nebenachse) aufweist, wird die Kontaktfläche (zumindest der gerade Bereich) zwischen der Spule und der inneren Bodenfläche des Gehäuses vergrößert, was in einer höheren Wärmeabführwirkung resultiert. Insbesondere ist die Spule ausgebildet, als eine horizontallange Spule mit einem Formfaktor von etwa 1,1 bis 2 im Hinblick auf eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der Spule und der inneren Bodenfläche des Gehäuses und einer Höhenreduktion der Spule. Die horizontal-lange Spule ist ferner insoweit vorteilhaft, als dass sich die gesamte Spule näher an der inneren Bodenfläche des Gehäuses befindet (genauer gesagt, weist die Spule eine größere Region auf, bei welcher der Abstand zu der inneren Bodenfläche des Gehäuses kurz ist), als eine wahre kreisförmige Spule, und die Spule in ihrer größeren Region nahe zu dem Anschlussziel positioniert ist, und damit Wärme der Spule effizient zu der inneren Bodenfläche des Gehäuses und weiter zu dem Anschlussziel abgeleitet werden kann. Darüber hinaus, da die Spule die Rennbahnform aufweist, die den kurvenförmigen Bereich (halbkreisförmiger Bogenbereich) umfasst, der dazu neigt, einen größeren Biegeradius, als die Spule mit der eckabgerundeten polygonalen Form aufzuweisen, kann diese einfacher, als eine hochkante Spule ausgebildet werden. Dieser Punkt trägt dazu bei, die Produktivität zu erhöhen.
In einer Form der vorliegenden Erfindung, weist die Drossel ferner einen inneren Harzbereich auf, der aus einem Isolierharz ausgebildet ist, und zumindest ein Teil einer Oberfläche der Spule bedeckt, um eine Form der Spule zu halten, wobei die Spule mit der inneren Bodenfläche des Gehäuses durch den inneren Harzbereich, der zwischen den beiden eingefügt ist, in Kontakt steht.
Die Spule ist typischerweise ausgebildet, indem ein Draht gewickelt wird, der einen Leiter, welcher ein leitendes Material, z. B. Kupfer, und eine Isolierbeschichtung, die über einer äußeren Umfangsfläche des Leiters ausgebildet ist, umfasst. Wenn die Spule aus dem Draht mit der Isolierbeschichtung ausgebildet ist, kann die Isolierbeschichtung elektrisch zwischen der Spule und dem magnetischen Kern und zwischen der Spule und dem Gehäuse isolieren, wenn das Gehäuse aus einem metallischen Material, z. B. Aluminium, ausgebildet ist. Darüber hinaus, indem zumindest ein Teil der Spule (vorzugsweise die gesamte Region der Spule, bei der die Spule in Kontakt mit dem magnetischen Kern und dem Gehäuse steht) durch das Isolationsharz bedeckt wird, ist es ferner möglich, die Isolation zwischen der Spule und dem magnetischen Kern und zwischen der Spule und dem Gehäuse zu vergrößern. Darüber hinaus kann in der zuvor beschriebenen Form, da die Form der Spule durch den inneren Harzbereich gehalten wird, vermieden werden, dass die Spule sich deformiert und expandiert oder zusammenzieht, wenn z. B. die Baugruppe aus Spule und dem inneren Kernbereich in dem Gehäuse während der Herstellung der Drossel angeordnet wird. Als Resultat ist die Spule einfacher handhabbar und die Produktivität der Drossel kann verbessert werden. Darüber hinaus kann die Spule in einem gestauchten Zustand durch den inneren Harzbereich gehalten werden. In dem Fall kann die Länge der Spule in die axiale Richtung verkürzt werden, wodurch die Größe der Drossel reduzierbar ist.
In einer Form der Drossel der vorliegenden Erfindung, weist die innere Bodenfläche des Gehäuses einen Untersatz auf, auf dem die Spule angeordnet ist, wobei der Untersatz eine Spulenrille umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie einen Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule folgt.
Entsprechend der zuvor beschriebenen Form, da die Spule in der Spulenrille angeordnet ist, die eine Form aufweist, welche der äußeren Umfangsfläche der Spule folgt, kann die Kontaktfläche zwischen der Spule und dem Gehäuse vergrößert werden und die Wärmeabführwirkung weiter verbessert werden. Die Spulenrille kann ebenfalls genutzt werden, um die Spule zu positionieren. Damit weist die zuvor beschriebene Form eine gute Montierbarkeit auf.
In einer Form der Drossel der vorliegenden Erfindung wird die Spule mit dem Gehäuse über einen Klebstoff verbunden.
Entsprechend der zuvor beschriebenen Form, da die Adhäsion zwischen der Spule und dem Gehäuse vergrößert wird, kann die Wärmeabführwirkung weiter verbessert werden. Darüber hinaus ist, wenn der äußere Kernbereich ausgebildet wird, indem die Mischung des magnetischen Pulvers und des nicht ausgehärteten Harzes in das Gehäuse gefüllt wird, ein beispielhaftes Problem, bei dem die Position der Spule sich während der Aushärtung verändert, weniger wahrscheinlich aufzutreten. Somit weist die zuvor beschriebene Form eine gute Produktivität auf.
Die Drossel der vorliegenden Erfindung kann als geeignete Komponente eines Wandlers eingesetzt werden. Der Wandler der vorliegenden Erfindung umfasst ein Schaltelement, einen Steuerkreis zum Steuern der Vorgänge der Schaltelemente, und eine Drossel zum Glätten der Schaltvorgänge, wobei der Wandler eine Eingangsspannung durch den Betrieb der Schaltelemente wandelt, und die Drossel die Drossel der vorliegenden Erfindung ist. Der Wandler der vorliegenden Erfindung kann geeignet eingesetzt werden, als eine Komponente einer Energiewandlungseinrichtung. Die Energiewandlungseinrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst einen Wandler zum Wandeln einer Eingangsspannung, und einen Invertierer, der mit dem Wandler verbunden ist und einen Gleichstrom und einen Wechselstrom jeweils ineinander wandelt, wobei die Energiewandlungseinrichtung eine Last mit elektrischen Energie, die durch den Invertierer gewandelt wurde, antreibt, und der Wandler, der Wandler der vorliegenden Erfindung ist.
Der Wandler der vorliegenden Erfindung und die Energiewandlungseinrichtung der vorliegenden Erfindung weisen eine gute Wärmeabführwirkung auf, da sie die Drossel der vorliegenden Erfindung umfassen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Drossel der vorliegenden Erfindung weist eine gute Wärmeabführwirkung auf. Der Wandler der vorliegenden Erfindung und die Energiewandlungseinrichtung der vorliegenden Erfindung weisen ebenfalls eine gute Wärmeabführwirkung auf, da sie die Drossel der vorliegenden Erfindung, die eine gute Wärmeabführwirkung aufweist, umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Drossel nach der Ausführungsform 1.
2(A) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie (II)-(II) in 1 der Drossel gemäß der Ausführungsform 1, und 2(B) ist eine Querschnittsansicht, die nur das Gehäuse der in 2(A) illustrierten Drossel, aufzeigt.
3 ist eine schematische Explosionsansicht, um die Komponenten der Drossel gemäß der Ausführungsform 1 zu erklären.
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Spulenformteils, das Teil der Drossel gemäß Ausführungsform 2 ist.
5 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Energieversorgungssystem eines Hybridfahrzeugs darstellt.
6 ist ein schematischer Schaltplan, der ein Beispiel einer Energieumwandlungseinrichtung der vorliegenden Erfindung darstellt, die einen Umrichter der vorliegenden Erfindung aufweist.
Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Komponenten in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen werden dabei mit den gleichen Namen bezeichnet.
(Ausführungsform 1)
Eine Drossel 1 der Ausführungsform 1 wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben. Die Drossel 1 umfasst eine Spule 2, die durch Wickeln eines Drahtes 2w ausgebildet ist, einen magnetischen Kern 3, der innerhalb und außerhalb der Spule 2 angeordnet ist und einen geschlossenen magnetischen Kreis ausbildet, und ein Gehäuse 4 zum Aufnehmen einer Bauteilgruppe aus Spule 2 und magnetischem Kern 3. Die Drossel 1 zeichnet sich in einer Endflächenform der Spule 2, einem aufgenommenen Zustand der Spule 2 in Bezug auf das Gehäuse 4, und einem Material des magnetischen Kerns 3 aus. Die einzelnen Komponenten werden nachfolgend im Detail beschrieben.
[Spule 2]
Die Spule 2 ist ein zylindrisches Element, das durch spiralförmiges Wickeln eines fortlaufenden Drahtes 2w ausgebildet ist. Der hier verwendete Draht 2w ist vorzugsweise ein beschichteter Draht, der einen Leiter, der aus einem leitfähigen Material, z. B. Kupfer, Aluminium oder einer Legierung hiervon hergestellt ist, und einer isolierenden Beschichtung, die aus einem isolierenden Material hergestellt ist und um eine äußere Umfangsfläche des Leiters ausgebildet ist. Der hier verwendete Leiter kann von Leitern, die verschiedene Querschnittsflächen aufweisen, ausgewählt werden, z. B. ein rechteckiger Draht, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist, ein runder Draht, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und ein Spezialformdraht, der einen vieleckigen Querschnitt aufweist. Das isolierende Material, das die isolierende Beschichtung ausbildet, ist üblicherweise ein Isolierlack, z. B. Polyamidimid. Eine Dicke der isolierenden Beschichtung ist vorzugsweise 20 μm oder mehr und 100 μm oder weniger. Das Beschichtungsmaterial mit einer größeren Dicke ist effektiver im Reduzieren von Fehlstellen im Lack und erhöht damit die Isolation. Die Dicke der Isolationsschicht kann z. B. vergrößert werden, indem die Isolationsbeschichtung mit dem Isolierlack in mehreren Schichten ausgebildet wird. Des Weiteren ist es möglich, dass die Isolationsschicht eine Mehrschichtstruktur aus verschiedenen Materialien aufweist. In einem Beispiel der Mehrschichtstruktur ist eine Polyphenylensulfidschicht auf einer äußeren Umfangsfläche einer Poylamidimidschicht ausgebildet. Die Isolationsbeschichtung in der Mehrschichtstruktur weist ausgezeichnete elektrische Isolationseigenschaften auf. Die Anzahl von Windungen (Drehungen) kann geeignet gewählt werden. Die Spule mit einer Anzahl von Windungen zwischen 30 und 70 wird vorzugsweise in einem Fahrzeug genutzt.
Hier ist die Spule 2 eine hochkante Spule (Anzahl von Windungen: 50), die durch hochkantes Wickeln eines beschichteten Drahts ausgebildet ist, indem ein Leiter einen rechteckigen Draht (mit einem Formfaktor (Breite über Dicke) von 5 oder mehr und vorzugsweise 10 oder mehr) aufweist, der aus Kupfer mit einem rechteckigen Querschnitt hergestellt ist, und indem die Isolationsbeschichtung aus einem Isolationslack besteht.
[Endflächenform]
2(A) ist eine Querschnittansicht der Drossel 1, wenn diese entlang einer Ebene, die rechtwinklig zu der axialen Richtung der Spule 2 angeordnet ist, geschnitten wird. Die Spule 2 hat eine einheitliche Querschnittsform, welche die gleiche Form, wie deren Endfläche darstellt, wenn diese in der axialen Richtung betrachtet wird. Wie in 2(A) zu sehen, umfasst die Endflächenform der Spule 2 einen gekrümmten Bereich und einen geraden Bereich. Genauer gesagt besitzt die Endfläche der Spule 2 eine Rennbahnform, die aus einem Paar parallel angeordneter gerader Bereiche 22, und einem Paar von halbkreisförmigen Bogenbereichen 21, die so angeordnet sind, dass sie die Enden der geraden Bereiche 22 verbinden, besteht. Hier wird ein Formfaktor (Hauptachse/Nebenachse) der Spule 2 auf etwa 1,3 gesetzt. Jeder halbkreisförmige Bogenbereich 21 hat einen verhältnismäßig großen Biegeradius, und ist ein gekrümmter Bereich mit moderater Biegung. Daher vereinfacht diese Endflächenform das hochkante Wickeln des Drahts. Mit dieser Endflächenform besteht eine äußere Umfangsfläche und eine innere Umfangsfläche der Spule 2 aus gekrümmten Flächen, die durch die halbkreisförmigen Bogenbereichen 21 definiert werden und ebenen Flächen, die durch die geraden Bereiche 22 definiert werden.
[Layout]
Die Spule 2 ist in dem Gehäuse 4 in so einem Zustand aufgenommen, dass ein Teil (innerer Kernbereich 31) des magnetischen Kerns 3 in die Spule 2 eingeführt wird. In der Drossel 1 der vorliegenden Erfindung wird die Spule 2 vorzugsweise in dem Gehäuse 4 in einer horizontalen Anordnung aufgenommen, in der, wenn die Drossel 1A auf einem Anschlussziel z. B. einer Kühlbasis installiert wird, die axiale Richtung der Spule 2 parallel zu der Oberfläche des Anschlussziels angeordnet ist. In der Drossel 1 wird die Spule 2 in dem Gehäuse 4 in einem Zustand parallel zu der unteren Bodenfläche 41o aufgenommen, da eine ebene untere Bodenfläche 41o des Gehäuses 4 als Anschlussfläche, die in Kontakt mit dem Anschlussziel steht, dient. Von der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 ist eine ebene Flächenregion, die durch die geraden Bereiche 22 definiert wird, parallel zu der äußeren Bodenfläche 41o des Gehäuses 4 angeordnet. Kurzum wird die Spule 2 in dem Gehäuse 4 aufgenommen, um horizontallang zu sein (1).
Ein Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 (hier die ebene Fläche, die durch einen geraden Bereich 22 definiert wird und gekrümmte Flächen, die durch Zonen von halbkreisförmigen Bogenbereichen 21, die mit diesem einen geraden Bereich 22 verbunden sind, wobei die Zonen in der Nähe von Punkten, die mit dem einen geraden Bereich 22 verbunden sind, angeordnet sind) ist mit dem magnetischen Kern 3 bedeckt (äußerer Kernbereich 32). Kurzum wird eine C-förmige Region der äußeren Umfangsfläche der Spule 2, wenn senkrecht auf die Endfläche geschaut, von dem magnetischen Kern 3 verdeckt. Des Weiteren wird ein überbleibender Bereich der äußeren Umfangsfläche der Spule 2, der nicht von dem magnetischen Kern 3 verdeckt wird, mit einer inneren Bodenfläche 41i des Gehäuses 4 in Kontakt gebracht. Hier wird der überbleibende Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 mit einer Spulenrille 44, die auf der inneren Bodenfläche 41i des Gehäuses 4 vorgesehen ist, in Kontakt gebracht. Die Spulenrille 44 ist in einem Untersatz 43 ausgebildet, der fest verbunden mit der inneren Bodenfläche 41 ist.
[Bearbeitung von Endbereichen]
Der Draht 2w, der die Spule 2 ausbildet, weist Ausführbereiche auf, die sich von dem drehungsbildenden Bereich der Spule 2 aus über geeignete Längen erstrecken, und die von dem äußeren Kernbereich 32 ins Äußere geführt werden. Anschlusselemente (nicht gezeigt) aus einem leitenden Material, z. B. Kupfer oder Aluminium, sind jeweils mit dem Leiter des Drahtes 2w verbunden, indem an beiden Endbereichen des Drahts 2w die Isolierungsbeschichtung entfernt wird. Eine externe Einrichtung (nicht gezeigt), wie ein Netzteil zum Bereitstellen von elektrischer Energie zu der Spule 2, wird über die Anschlusselemente mit der Spule 2 verbunden. Zum Verbinden der Leiter des Drahts 2w mit den Anschlusselementen können die Verfahren Schweißen, z. B. Wolframinertgas-Lichtbogenschweißen (TIG), Druckverkleben und weitere verwendet werden. In einem in 1 gezeigten Beispiel sind die beiden Endbereiche des Drahts 2w senkrecht zu der axialen Richtung der Spule 2 herausgeführt, die Ausführrichtung der beiden Endbereiche kann jedoch geeignet gewählt werden. Z. B. können die beiden Endbereiche des Drahts 2w parallel zu der axialen Richtung der Spule 2 oder in verschiedene Richtungen herausgeführt werden.
Regionen der Ausführbereiche, die möglicherweise mit zumindest dem magnetischen Kern 3 (im Besonderen dem äußeren Kernbereich 32) in Kontakt kommen können, sind vorzugsweise jeweils mit einem Isolationsmaterial, z. B. einem Isolierpapier, einem Isolierband (z. B. einem Polyimidband) oder einer Isolierfolie (z. B. einer Polyimidfolie), oder durch Tauchlackieren mit einem Isoliermaterial oder durch Aufbringen eines Isolierschlauchs (z. B. einem wärmeschrumpfbaren Schlauch oder einem raumtemperaturschrumpfbaren Schlauch) verdeckt. Wenn eine Spannung an die Spule mit einer Windungsanzahl von 50 angelegt wird, kann so z. B. eine Spannung von 600 V bis 700 V an die Ausführbereiche angelegt werden mit Spannungen zwischen den Drehungen von 12 V bis 14 V. In Anbetrachtdessen, kann so eine Isolation zwischen den Ausführbereichen und dem Kernbereich 32 gewährleistet werden, indem zumindest die Regionen der Ausführbereiche, die in Kontakt mit dem magnetischen Kern 3 kommen, mit dem Isolationsmaterial verdeckt werden.
[Magnetischer Kern 3]
Wie in 1 zu sehen, umfasst der magnetische Kern 3 den inneren Kernbereich 31, der eine säulenförmige Form aufweist und in die Spule 2 eingeführt wird, und den äußeren Kernbereich 32, der ausgebildet ist, zumindest eine Endfläche des inneren Kernbereichs 33 und den Teil der äußeren zylindrischen Umfangsfläche der Spule 2 zu verdecken. Der magnetische Kern 3 bildet einen geschlossenen magnetischen Kreis, wenn die Spule 2 angeregt wird. Ein Material, das den inneren Kernbereich 31 ausbildet, und ein Material, das den äußeren Kernbereich 32 ausbildet, sind verschieden voneinander und der magnetische Kern 3 besitzt verschiedene magnetische Charakteristiken in den respektiven Bereichen.
Genauer gesagt besitzt der innere Kernbereich 31 eine höhere magnetische Sättigungsflussdichte, als der äußere Kernbereich 32, und der äußere Kernbereich 32 weist eine niedrigere magnetische Permeabilität, als der innere Kernbereich 31 auf.
<<Innerer Kernbereich>>
Der innere Kernbereich 31 ist ein säulenförmiges Element, das eine Rennbahn-artige äußere Form aufweist, die der inneren Umfangsfläche der Spule 2 folgt. Während der innere Kernbereich 31 hier ein Festelement ist, das vollständig aus einem Pulverfestkörper ausgebildet ist, ohne dass dieser ein Spaltelement oder einen Luftspalt aufweist, kann dieser auch ein Spaltelement aus einem nicht-magnetischen Material, z. B. einer Aluminiumplatte, oder einen Luftspalt aufweisen.
Der Pulverpresskörper wird typischerweise hergestellt, indem ein weiches magnetisches Pulver verdichtet wird, das eine Isolationsbeschichtung auf dessen Oberfläche aufweist, die z. B. aus einem Silikonharz besteht, oder eine Pulvermischung des weichen magnetischen Pulvers mit einem Binder geeignet gemischt wird, und dann das verdichtete Pulver auf eine Temperatur, die niedriger als die Wärmeresistenztemperatur der Isolationsbeschichtung ist, erhitzt wird. Bei der Herstellung des Pulverpresskörpers kann die magnetische Sättigungsflussdichte verändert werden, indem das Material des weichen magnetischen Pulvers gewählt wird, indem das Mischungsverhältnis zwischen dem weichen magnetischen Pulver und dem Binder verändert wird, Mengen von verschiedenen Typen von Beschichtungen umfassen die Isolationsbeschichtung etc., oder indem der Verdichtungsdruck angepasst wird. Der Pulverpresskörper mit einer höheren magnetischen Sättigungsflussdichte kann z. B. hergestellt werden, indem das weiche magnetische Pulver, welches eine höhere magnetische Sättigungsflussdichte aufweist, eingesetzt wird, indem die Menge des zugemischten Binders reduziert wird, um den Anteil des weichen magnetischen Materials zu erhöhen, oder indem der Verdichtungsdruck erhöht wird.
Beispiele für das weiche magnetische Pulver umfassen Pulver, die aus eisenbasierten Materialien hergestellt werden, z. B. Eisengruppenmetalle, wie Fe, Co, Ni, usw., und eisenbasierte Legierungsmaterialien, die Fe als Hauptbestandteil umfassen, so wie Fe-Si, Fe-Ni, Fe-Al, Fe-Co, Fe-Cr, Fe-Si-Al, usw. seltene Erdmetallpulver, und Ferritpulver. Im Speziellen können Fe-basierte Materialien leichter einen magnetischen Kern mit einer höheren magnetischen Sättigungsflussdichte ausbilden, als dies mit Ferriten der Fall ist. Die Isolationsbeschichtung, die auf dem weichen magnetischen Pulver ausgebildet ist, kann z. B. aus einem Phosphatgemisch, einem Silikongemisch, einem Zirkoniumgemisch, einem Aluminiumgemisch, oder einem Borgemisch hergestellt sein. Eine Isolationsbeschichtung aus so einem Gemisch kann effektiv die Wirbelstromverluste reduzieren, wenn das magnetische Pulver aus magnetischen Partikeln aus Metall ausgebildet ist, z. B. einem Eisengruppenmetall oder einer Fe-basierten Legierung. Der Binder kann aus einem thermoplastischen Harz, einem nicht-thermoplastischen Harz, oder einer höher-fettigen Säure hergestellt sein. Der Binder verschwindet oder geht in einen Isolator über, z. B. Siliziumdioxid, bei der zuvor beschriebenen Erwärmung. In dem Pulverpresskörper können die Wirbelstromverluste reduziert werden, da ein Isolator, z. B. die Isolationsbeschichtung, zwischen den magnetischen Partikeln besteht und damit die magnetischen Partikel voneinander isoliert sind. Dementsprechend kann sogar, wenn eine hochfrequente Leistung der Spule zugeführt wird, der Wirbelstromverlust kleingehalten werden. Der Pulverpresskörper kann vorbereitet werden, indem ein allgemein bekanntes Produkt verwendet wird.
Hier besteht der innere Kernbereich 31 aus einem Pulverpresskörper, der aus einem weichen magnetischen Material mit einer Beschichtung, z. B. einer Isolationsbeschichtung ausgebildet ist, und eine magnetische Sättigungsflussdichte von 1,6 T oder mehr und 1,2 oder mehr der magnetischen Sättigungsflussdichte des äußeren Kernbereiches 32 aufweist. Darüber hinaus ist die relative magnetische Permeabilität des inneren Kernbereichs 31 100 bis 500, und die relative magnetische Permeabilität des gesamten magnetischen Kerns 3, der aus dem inneren Kernbereich 31 und dem äußeren Kernbereich 32 besteht, 10 bis 100. Wenn eine bestimmte Menge von magnetischem Fluss erreicht werden soll, kann eine Querschnittsfläche des inneren Kernbereichs weiter verkleinert werden, da ein absoluter Wert der magnetischen Sättigungsflussdichte des inneren Kernbereichs höher ist und da die magnetische Sättigungsflussdichte des inneren Kernbereichs höher zu einem höheren Ausmaß ist, als die des äußeren Kernbereichs. Daher kann eine Form, in welcher der innere Kernbereich eine höhere magnetische Sättigungsflussdichte aufweist, dazu beitragen, die Größe der Drossel zu verkleinern. Die magnetische Sättigungsflussdichte des inneren Kernbereichs 31 ist vorzugsweise 1,8 T oder mehr und besonders bevorzugt 2 T oder mehr, und ist vorzugsweise 1,5 mal oder mehr und besonders bevorzugt 1,8 mal oder mehr die magnetische Sättigungsflussdichte des äußeren Kernbereichs 32. Jedenfalls ist eine obere Grenze nicht spezifiziert. Die magnetische Sättigungsflussdichte des inneren Kernbereichs kann einfacher erhöht werden, indem ein Stapel von elektrischen Stahlbahnen, die typischerweise durch Siliziumstahlbahnen ausgebildet sind, verwendet werden, anstatt des Pulverpresskörpers.
In dem in 1 gezeigten Beispiel ist eine Länge des inneren Kernbereichs 31 in der axialen Richtung der Spule 2 (im Folgenden eine Länge) länger, als die der Spule 2. Beide Endflächen des inneren Kernbereichs 31 und deren Umgebungen stehen jeweils von den dazugehörigen Endflächen der Spule 2, in dem Zustand, in dem der innere Kernbereich 31 in die Spule 2 eingeführt ist, hervor. Eine Länge, mit welcher der innere Kernbereich 31 von der Spule 2 hervorsteht, kann optional gewählt werden. Obwohl die Längen, mit welcher der innere Kernbereich 31 von beiden Enden der Spule 2 hervorsteht, hier die gleichen sind, können die Hervorstehungslängen auch verschieden voneinander sein. Des Weiteren kann der innere Kernbereich so ausgebildet sein, dass der innere Kernbereich nur von einer Endfläche der Spule 2 hervorsteht. In einer anderen Form kann die Länge des inneren Kernbereichs identisch sein, mit der der Spule, oder die Länge des inneren Kernbereichs kürzer sein, als die der Spule. Wenn die Länge des inneren Kernbereichs identisch oder größer, als die der Spule ist, kann der Verlust reduziert werden, indem der innere Kernbereich in einer Form ausgebildet wird, in welcher der innere Kernbereich von den dazugehörigen Endflächen der Spule, wie in dem gezeigten Beispiel, hervorsteht, oder einer Form, wo die Endflächen des inneren Kernbereichs jeweils bündig mit den dazugehörigen Endflächen der Spule sind, oder einer Form, wo eine Endfläche des inneren Kernbereichs bündig mit einer Endfläche der Spule ist und die andere Endfläche des inneren Kernbereichs von der anderen Endfläche der Spule hervorsteht. In jeder der zuvor beschriebenen Formen ist der äußere Kernbereich 32 vorzugsweise so eingerichtet, dass ein geschlossener magnetischer Kreis entsteht, wenn die Spule 2 angeregt wird.
Da die Drossel der vorliegenden Erfindung wie zuvor beschrieben in dem horizontalen Layout ausgestaltet ist, ist der innere Kernbereich 31 auch horizontal-lang ausgestaltet entsprechend dem Layout der Spule 2, wenn die Drossel 1 an dem Anschlussziel angebracht ist.
Um die Isolation zwischen der Spule 2 und dem inneren Kernbereich 31 zu erhöhen, ist ein Isolationselement 33 (2) zwischen dem inneren Kernbereich 31 und der Spule 2 eingefügt. Das Isolationselement 33 kann dabei z. B. eingefügt werden, indem ein Isolationsband an oder ein Isolierpapier oder eine Isolierbahn über die innere Umfangsfläche der Spule oder die äußere Umfangsfläche des inneren Kernbereichs 31 angebracht wird. Alternativ kann ein Spulenkörper (nicht gezeigt) der aus einem Isolationsmaterial ausgebildet ist, um den inneren Kernbereich 31 angeordnet werden. Der Spulenkörper kann z. B. in einer Form eines rohrförmigen Elements, das die äußere Umfangsfläche des inneren Kernbereichs 31 bedeckt, oder einer Form, die solch ein rohrförmiges Element und Flansche (typischerweise kreisförmige Flansche), die an beiden Enden des rohrförmigen Elements vorgesehen sind, aufweisen. Ein Isolationsharz, wie z. B. ein Polyphenylensulfidharz (PPS), ein flüssiger Kristallpolymer (LCP) oder ein Polytetrafluorethylenharz (PTFE) kann dabei vorzugsweise als ein Material für den Spulenkörper verwendet werden. Darüber hinaus ist es einfacher den Spulenkörper um den inneren Kernbereich 31 anzuordnen, wenn der Spulenkörper als ein Rohrelement mit Aufteilungselementen ausgebildet ist.
<<Äußerer Kernbereich>>
Der äußere Kernbereich 32 ist ausgebildet, um nicht nur im Wesentlichen die gesamte Region der beiden Endflächen der äußeren Umfangsfläche der Spule 2, dessen Region nicht in Kontakt mit der Spulenrille 44 des Gehäuses 4 steht, zu bedecken, sondern auch die beiden Endflächen des inneren Kernbereichs 31 und dessen Umgebungen. Der äußere Kernbereich 32 hat dabei folgende Querschnittsflächen. In einer Region der Drossel, in der die Spule 2 vorhanden ist, hat jede dieser Sektionen eine C-ähnliche Form, wenn ein longitudinaler Abschnitt (genauer gesagt, ein Abschnitt der entlang einer Ebene, die sich in die axiale Richtung der Spule 2 erstreckt und senkrecht zu der äußeren Bodenfläche 41o (2) des Gehäuses 4 angeordnet ist) betrachtet wird und ein transversaler Abschnitt (genauer gesagt, ein Abschnitt, der entlang einer Ebene, die senkrecht zu der axialen Richtung der Spule 2 angeordnet ist, geschnitten wird), wie in 2(A) gezeigt, betrachtet wird. Des Weiteren, wenn ein horizontaler Abschnitt betrachtet wird (genauer gesagt, ein Abschnitt, der entlang einer Ebene, die an der Achse der Spule 2 vorbeigeht und parallel zu der äußeren Bodenfläche 41o des Gehäuses 4 angeordnet ist, geschnitten wird) weist dieser Abschnitt eine rechteckige Randform auf. Teile des äußeren Kernbereichs 32 sind so angeordnet, dass sie die beiden Endflächen 31e des inneren Kernbereichs 31 miteinander koppeln, wobei der magnetische Kern 3 dabei einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet.
Hier ist der äußere Kernbereich 32 vollständig aus einer Mischung (geformter und ausgehärteter Körper), der magnetisches Pulver und Harz umfasst, ausgebildet. Der innere Kernbereich 31 und der äußere Kernbereich 32 sind miteinander durch das Harz des äußeren Kernbereichs 32 verbunden, ohne dass dabei ein Klebstoff dazwischen eingefügt wird. Hier besitzt der äußere Kernbereich 32 ebenfalls eine Form, die weder ein Spaltelement, noch einen Luftspalt aufweist. Dementsprechend ist der magnetische Kern 3 ein einstückiges Element, welches vollständig integriert ist und kein Spaltelement aufweist.
Da der äußere Kernbereich 32 im Wesentlichen die gesamte Region der Spule 2, die nicht in Kontakt mit der Spulenrille 44 des Gehäuses 4 steht, bedeckt, fungiert der äußere Kernbereich 32 auch als ein Dichtelement für die Spule 2 und den inneren Kernbereich 31 zum Abdichten der Spule 2 und des inneren Kernbereichs 21 innerhalb des Gehäuses 4. Somit kann der äußere Kernbereich 32 die Spule 2 und den inneren Kernbereich 31 von der externen Umgebung schützen und damit den mechanischen Schutz in der Drossel 1 erhöhen.
Der äußere Kernbereich 32 ist nur erforderlich, um einen geschlossenen magnetischen Kreis zu ausbilden, und seine Form (genauer gesagt, eine Region, welche die Spule 2 bedeckt) ist frei wählbar. Z. B. kann der äußere Kernbereich 32 eine Form aufweisen, die nicht einen Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 bedeckt. In einem Beispiel so einer Form liegt eine Region der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 auf der Öffnungsseite des Gehäuses 4 frei, ohne durch den äußeren Kernbereich verdeckt zu werden. In einem anderen Fall wird die Dicke des Untersatzes 43, der in einer Region des Gehäuses 4 auf der Bodenflächenseite ausgebildet ist, erhöht, um eine Spulenrille bereitzustellen, die tiefer als die Spulenrille 44, die in 3 gezeigt ist, ausgestaltet ist. Die tiefere Spulenrille ist z. B. ausgebildet, um nicht nur mit dem geraden Bereich 22 der Spule 2 in Kontakt zu kommen, sondern auch mit größeren Bereichen der halbkreisförmigen Bogenbereiche 21 (z. B. viertelkreisförmigen Bögen, die auf der Bodenflächenseite des Gehäuses 4 angeordnet sind).
Die zuvor beschriebene tiefere Spulenrille kann dabei vorgesehen werden, indem der gesamte Bereich des Gehäuses 4 dicker gemacht wird. Solch eine Anpassung stellt eine Form bereit, in der ein Kontaktbereich der Spule 2 in Bezug auf die tiefere Spulenrille nicht durch den äußeren Kernbereich verdeckt wird (genauer gesagt, einer Form, in welcher der Kontaktbereich zwischen der Spule und der Spulenrille, die in dem Gehäuse ausgebildet ist, vergrößert wird).
Nichtsdestotrotz ist die Spulenrille vorzugsweise so ausgebildet, dass die Endflächen des inneren Kernbereichs 31 freigelegt sind, ohne dabei tief in der Spulenrille verborgen zu werden, und ausreichend mit dem äußeren Kernbereich 32 in Kontakt kommt. In einer weiteren Form ist ein Positionierungselement (nicht gezeigt) für die Spule 2 separat auf der inneren Bodenfläche 41i des Gehäuses 4 angeordnet, und ein Bereich der Spule 2, der mit dem Positionierungselement in Kontakt kommen, ist nicht durch den äußeren Kernbereich verdeckt. Wärmeabführung kann dabei erhöht werden, indem ein Material mit einer guten Wärmeabführwirkung für das Positionierungselement verwendet wird.
Der geformte und ausgehärtete Körper kann typischerweise durch Spritzgießen oder Formgießen ausgebildet werden. Das Spritzgießen wird normalerweise ausgeführt, indem ein Pulver, welches aus einem magnetischen Material hergestellt ist, mit einem Harz in einem flüssigen Zustand gemischt wird, die gemischte Flüssigkeit in eine Form (hier das Gehäuse 4) zum Ausformen unter einem vorbestimmten Druck gegossen wird, und das Harz anschließend ausgehärtet wird. Das Formgießen wird ausgeführt, indem eine gemischte Flüssigkeit vorbereitet wird, die ähnlich zu der, die im Spritzgießen verwendet wird, ist, diese gemischte Flüssigkeit in die Form zum Ausformen ohne der Applikation eines Drucks gegossen wird, und diese anschließend ausgehärtet wird.
Das magnetische Pulver, welches in dieser Gießmethode verwendet wird, kann Pulver, das ähnlich zu dem weichen magnetischen Pulver, welches für den zuvor beschriebenen inneren Kernbereich 31 verwendet wird, sein. Insbesondere kann das Pulver, das aus einem Eisen-basierten Material, z. B. dem reinen Eisenpulver oder dem Fe-basierten Legierungspulver, vorzugsweise als das weiche magnetische Pulver für den äußeren Kernbereich verwendet werden. Es können auch mehrere magnetische Pulver, die aus verschiedenen Materialien bestehen, verwendet werden, indem diese gemischt werden. Beschichtetes Pulver, bei dem eine Isolationsbeschichtung, z. B. Phosphat, auf der Oberfläche eines magnetischen Partikels des weichen magnetischen Materials (insbesondere metallischem Material) ausgebildet ist, kann ebenfalls verwendet werden. Der Wirbelstromverlust kann reduziert werden, indem das beschichtete Pulver verwendet wird. Ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des magnetischen Pulvers ist vorzugsweise 1 μm oder mehr und 1000 μm oder weniger und besonders bevorzugt 10 μm oder mehr und 500 μm oder weniger für komfortable Verarbeitung. Es stellt sich als einfacher dar, eine Drossel mit einer höheren magnetischen Sättigungsflussdichte und einem geringeren Verlust zu erzielen, indem mehrere Typen von Pulver mit verschiedenen Partikeldurchmessern eingesetzt werden.
In jedem der zuvor beschriebenen Gussverfahren kann vorzugsweise ein Aushärtungsharz, z. B. ein Epoxidharz, ein Phenolharz, ein Siliziumharz oder ein Urethanharz als Harz, das als Binder dient, verwendet werden. Wenn das Aushärtungsharz verwendet wird, wird das Harz thermisch ausgehärtet, indem ein geformter Körper erwärmt wird. Es kann auch ein bei raumtemperaturaushärtendes Harz oder ein kaltaushärtendes Harz als Harz, das als Binder dient, genutzt werden. In diesem Falle wird das Harz ausgehärtet, indem der geformte Körper in einem Zustand bei Raumtemperatur oder vergleichsweise niedriger Temperatur stehengelassen wird. Da das Harz, das ein nicht-magnetisches Material darstellt, in einem verhältnismäßig großen Anteil innerhalb des geformten und ausgehärteten Körpers verharrt, kann auf einfachere Weise ein Kern mit einer niedrigen magnetischen Sättigungsflussdichte und einer niedrigen magnetischen Permeabilität ausgebildet werden, als dies beim Pulverpresskörper der Fall ist, sogar dann, wenn das gleiche weiche magnetische Pulver, wie in dem Pulverpresskörper zum Ausbilden des inneren Kernbereichs 31 genutzt wird.
Zusätzlich zu dem magnetischen Pulver und dem Harz, das als Binder dient, können Zusatzstoffe aus Keramik, z. B. Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid zusätzlich zu den Materialien des geformten und ausgehärteten Körpers gemischt werden. Durch das Mischen der Zusatzstoffe, die eine geringere spezifische Gravität, als das magnetische Pulver aufweisen, ist es möglich, lokal das Vorhandensein des magnetischen Pulvers zu unterdrücken und auf einfache Weise den äußeren Kernbereich über den gesamten Umfang auszubilden, über den das magnetische Pulver gleichförmig verteilt ist. Des Weiteren, wenn die Zusatzstoffe aus einem Material bestehen, die eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, können die Zusatzstoffe dazu beitragen, die Wärmeabführung zu verbessern. Wenn die Zusatzstoffe gemischt werden, beträgt der Massenanteil beispielsweise 0,3% oder mehr oder 30% oder weniger der Masse in Bezug auf 100% der Masse des geformten und ausgehärteten Körpers. Der vollständige Volumenanteil des magnetischen Pulvers und der Zusatzstoffe ist z. B. 20% bis 70% in Bezug auf 100% des Volumens des äußeren Kernbereichs. Darüber hinaus ist es bevorzugt, Zusatzstoffe mit einer kleineren Partikelgröße, als die des magnetischen Pulvers zu verwenden, da so die Zusatzstoffe zwischen den magnetischen Partikeln angeordnet werden und damit in der Lage sind, ein lokales Vorhandensein von magnetischem Pulver zu unterdrücken und das magnetische Pulver gleichförmig zu verteilen und eine Anteilsverkleinerung des magnetischen Pulvers aufgrund der Hinzugabe der Zusatzstoffe einfach unterdrückt werden kann.
Wenn die Spule 2 in dem horizontalen Layout wie in der Drossel 1 angeordnet ist, und die Spule 2 in dem Gehäuse 4 in einem Zustand aufgenommen wird, in dem diese in der Nähe der inneren Bodenfläche 41i des Gehäuses 4 positioniert wird, kann sich das magnetische Pulver auf einer Bodenwand 41i des Gehäuses 4 während der Herstellung des geformten und ausgehärteten Körpers absetzen und damit zu dem äußeren Kernbereich führen, in dem das magnetische Pulver sich lokal auf der Seite in der Nähe der Bodenwand 41 befindet. Jedoch kann selbst in diesem Fall, da der innere Kernbereich 31 in der Nähe der Bodenwand 41 des Gehäuses 4 angeordnet ist und der äußere Kernbereich dazu neigt, in einen Zustand zu kommen, in dem eine Region des äußeren Kernbereichs, in dem das magnetische Pulver in einer hohen Dichte vorhanden ist, in Kontakt mit dem inneren Kernbereich 31 zu kommen, ein hinreichend geschlossener magnetischer Weg ausgebildet werden.
Hier ist der äußere Kernbereich 32 aus dem geformten und ausgehärteten Körper ausgebildet, der das beschichtete Pulver enthält, das die Isolationsbeschichtung auf der Oberfläche eines magnetischen Partikels aufweist, der aus dem Eisen-basierten Material hergestellt ist und einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 100 μm oder weniger aufweist, und einem Expoyharz. Der äußere Kernbereich 32 hat die relative magnetische Permeabilität von 5 bis 30 und die magnetische Sättigungsflussdichte von 0,5 T oder mehr und weniger als die des inneren Kernbereichs 31. Durch das Niedrigersetzen der magnetischen Permeabilität des äußeren Kernbereichs 32, als der des inneren Kernbereichs 31, ist es möglich, den Streufluss des magnetischen Kerns 3 zu reduzieren und den magnetischen Kern 3 spaltlos auszubilden. Die magnetische Permeabilität und die magnetische Sättigungsflussdichte des geformten und ausgehärteten Körpers kann durch Ändern des Mischungsverhältnisses des magnetischen Pulvers und des Harzes, das als Binder dient, geändert werden. Z. B. ist ein geformter und ausgehärteter Körper mit einer geringeren magnetischen Permeabilität herstellbar, in dem die Menge des eingemischten Pulvers reduziert wird. Die magnetische Sättigungsflussdichte und die relative magnetische Permeabilität von jedem der Kernbereiche 31 und 32 kann gemessen werden, indem eine Probe von jedem der Kernbereiche 31 und 32 vorbereitet wird und z. B. ein kommerziell erhältliches B-H-Kurvensteuergerät oder ein Vibrating Sample Magnetometer (VSM) eingesetzt wird.
[Gehäuse]
Das Gehäuse 4 ist typischerweise, wie in 1 bis 3 gezeigt, ein rechteckig quaderförmiges gehäuseähnliches Element, das aus einer rechteckigen Bodenwand 41 und vier Seitenwänden 42, die sich vertikal von der Bodenwand 41 erstrecken, ausgebildet ist, sodass eine Fläche gegenüber der Bodenwand 41 offen ist. Das Gehäuse 4 ist typischerweise nicht nur als ein Behälter zum Aufnehmen der Baugruppe von Spule 2 und magnetischen Kern 3 ausgebildet, sondern auch als ein Wärmeableitungspfad. Dementsprechend ist das Gehäuse 4 aus einem Material mit einer guten thermischen Leitfähigkeit ausgebildet, vorzugsweise einem Material wie z. B. einem Metall, wie Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Magnesium, oder einer Magnesiumlegierung, das eine höhere thermische Leitfähigkeit, als das magnetische Pulver, welches z. B. aus Eisen ausgebildet ist, aufweist. Da Aluminium, Magnesium, und Legierungen der vorherigen leichtgewichtig sind, sind diese Materialien geeignet für Automobilteile, für die Leichtgewichtigkeit verlangt wird. Darüber hinaus kann einem Streufluss nach außen aus dem Gehäuse 4 effektiv vorgebeugt werden, da Aluminium, Magnesium und Verbindungen der vorherigen nicht-magnetische Materialien und leitende Materialien sind. Hier ist das Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet.
Während eine Außenflächenform und eine Innenflächenform des Gehäuses 4 normalerweise analog zueinander sind, sind diese nicht analog zueinander in dem hier verwendeten Gehäuse 4. Genauer gesagt, wie in 2(B) gezeigt, umfasst die Bodenwand 41 des Gehäuses 4 die äußere Bodenfläche 41o, die als Anschlussfläche dient, wenn die Drossel 1 auf dem Anschlussziel, z. B. einer Wasserkühlbasis, installiert wird. Die äußere Bodenfläche 41o fungiert als eine Kühlfläche, die durch das Anschlussziel gekühlt wird. Die äußere Bodenfläche 41o ist als eine flache Fläche ausgebildet. Die Bodenwand 41 weist ferner die innere Bodenwand 41i auf, mit welcher der Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 in Kontakt steht. Wie in 2(B) gezeigt, weist die innere Bodenfläche 41i eine uneinheitliche Form auf, mit einer Dicke, die in Teilen variiert. Die innere Bodenfläche 41i umfasst einen Untersatz 43, der in dessen Mittelbereich angeordnet ist und sich von einer Seitenwand 42 zu der gegenüberliegenden Seitenwand 42 erstreckt und die Bodenwand 41 entsprechend dem Untersatz 43 in ihrem Bereich verstärkt ist. Hier ist der Untersatz 43 aus einem Stück mit der inneren Bodenwand 41i ausgebildet. Die Spulenrille 44 ist in einem Teil des Untersatzes 43 zum Aufnehmen des Teils der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 ausgebildet.
Wie in 3 zu sehen, weist die Spulenrille 44 eine Form auf, die der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 folgt und aus einem flachen Flächenbereich, der in Kontakt mit der flachen Region der Spule 2, die sich entlang der flachen Fläche, welche durch die geraden Bereiche 22 ausgebildet ist, erstreckt, steht, und gekrümmten Bereichen, die in Kontakt mit den gekrümmten Flächenbereichen der Spule 2, die sich entlang der gekrümmten Flächen, welche durch die halbkreisförmigen Bogenbereiche 21 ausgebildet sind, stehen, besteht. Ein Bereich des Untersatzes 43, der dessen Flachbereich darstellt, besitzt eine minimale Dicke, die vergleichbar ist, mit der Dicke der Bodenwand 41 (2) in der Region, in welcher der Untersatz 43 nicht vorhanden ist. Somit ist es möglich, durch ein Dickermachen von ausschließlich einem Teil der Bodenwand 41, ein hinreichendes Volumen des äußeren Kernbereichs 32 (1 und 2) zu gewärleisten und ein Erhöhen des Gewichts des Gehäuses 4 zu verhindern. Darüber hinaus, da die Spulenrille 44 eine Form aufweist, die der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 folgt, kann die Spulenrille 44 auch als ein Element fungieren, welches die Spule 2 relativ zum Gehäuse 4 positioniert.
Ein dicker Bereich des Untersatzes 43, wo der die Spulenrille 44 nicht ausgebildet ist, kann als eine Unterstützung für den inneren Kernbereich 31 fungieren. Die Unterstützung muss nicht notwendigerweise eine große Fläche wie in 3 gezeigt, aufweisen, wenn sie den inneren Kernbereich 31 unterstützen kann. Somit kann die Unterstützung in einer kleineren Fläche, als die in 2 gezeigte, ausgebildet sein (genauer gesagt, in einer kleineren Länge in der axialen Richtung der Spule und/oder in einer kleineren Länge in einer Richtung senkrecht zu der axialen Spule). Alternativ kann der Untersatz 43 eine Form aufweisen, bei der ausschließlich die Spulenrille 44 in Kontakt mit der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 kommt, sodass die Endflächen der Spule 2 und die Endflächen des inneren Kernbereichs 31 nicht verdeckt werden. Das Volumen des äußeren Kernbereichs 32 kann vergrößert werden, indem das Volumen des Untersatzes 43 verringert wird.
In einer alternativen Form kann die innere Bodenfläche 41i ohne die Spulenrille 44 ausgbildet werden. Selbst in diesem Fall, da die Spule 2 den geraden Bereich 22 aufweist, kann der flache Flächenbereich der äußeren Umfangsfläche der Spule 2, der durch die geraden Bereiche 22 ausgebidlet ist, in Kontakt mit der flachen inneren Bodenfläche des Gehäuses gehalten werden. Wenn die Spulenrille 44 nicht ausgebildet ist, kann ein Positionierungselement (nicht gezeigt) separat angeordnet sein, um die Spule 2 einfacher innerhalb des Gehäues 4 anordnen zu können. Das Positionierungselement ist vorzugsweise, z. B., als ein geformter und ausgehärterter Körper ausgebildet, der aus einem Material besteht, welches ähnlich zu dem des äußeren Kernbereichs 32 ist. Der Grund dafür ist, dass solch ein geformter und ausgehärteter Körper auf einfache Weise in den äußeren Kernbereich 32 integriert werden kann, wenn der äußere Kernbereich 32 ausgebildet wird, und dass das separate Positionierungselement als ein magnetischer Kreis genutzt werden kann. Alternativ kann die Wärmeabführung verbessert werden, indem ein Material mit einer guten Wärmeabführwirkung für das Positionierungselement eingesetzt wird. Darüber hinaus, wenn die äußere Bodenfläche 41o (2) im Wesentlichen nur durch die flache Fläche, wie in der vorliegenden Ausführungsform, ausgebildet ist, wird eine große Kontaktfläche mit dem Anschlussziel hinreichend gewährleistet und somit die Produktivität des Gehäuses 4 verbessert. Dabei kann die äußere Bodenfläche uneinheitliche Bereiche aufweisen, um z. B. eine Oberfläche des Gehäuses 4 zu vergrößern.
Darüber hinaus umfasst das Gehäuse 4, in dem in 1 gezeigten Beispiel, Befestigungsbereiche 45 mit Bolzenlöchern 45h, um die Drossel 1 mit dem Anschlussziel durch Fixierungselemente, z. B. Bolzen, zu fixieren. Durch das Bereitstellen von Befestigungsbereichen 45, kann die Drossel 1 einfach mit dem Anschlussziel durch Fixierungselemente, z. B. Bolzen, verbunden werden. Das Gehäuse 4 umfassend den Untersatz 43, die Spulenrille 44, und die Befestigungsbereiche 45 wie zuvor beschrieben, und mit einer komplizierten dreidimensionalen Form, kann z. B. einfach durch Gießen oder Stanzen hergestellt werden.
Obwohl das Gehäuse 4 in einem offenen Zustand genutzt werden kann, wird es vorzugsweise mit einer Abdeckung aus einem leitenden Material, z. B. Aluminium, verwendet, da das Gehäuse 4 so einen Streufluss unterbindet und den äußeren Kernbereich 32 von der Umgebung und von mechanischen Schäden schützt. Aussparungen oder Durchgangslöcher sind in der Abdeckung ausgebildet, sodass die Endbereiche des Drahtes 2w der Spule 2 durch die Abdeckung herausgeführt werden können.
Um die Isolation zwischen der Spule 2 und dem Gehäuse 4 zu erhöhen, kann ein Isolationselement, z. B. ein Isolierpapier, eine Isolierbahn, oder ein Isolierband zwischen diesen eingefügt werden. Das Isolierelement kann z. B. so angeordnet werden, dass ein Isolierband über die Oberfläche der Spule 2 gewickelt wird, sodass das Isolierelement sowohl die innere Umfangsfläche und die äußere Umfangsfläche der Spule 2 (umfassend die Endflächen der Spule 2 in einigen Fällen) verdeckt. In einer alternativen Form kann das Isolationselement 33 über die innere Umfangsfläche der Spule 2, wie zuvor beschrieben, angeordnet werden, und das zuvor beschrieben Isolationselement kann separat zwischen der inneren Bodenfläche 41i des Gehäuses 4 und einer Region der Spule 2, in der die Spule 2 in Kontakt mit der inneren Bodenfläche 41i steht, angeordnet werden. Das Isolationselement erfordert eine Dicke, die gerade genug ist, um eine erforderliche minimale Isolation zwischen der Spule 2 und dem Gehäuse 4 zu garantieren. Durch ein Minimieren der Dicke des Isolationselements ist es möglich, eine Redukiton der thermischen Leitfähigkeit durch das Vorhandensein des Isolationselements zu unterdrücken und die Größe zu reduzieren. Das hierverwendete Isolationselement weist vorzugsweise eine hohe thermische Leitfähigkeit auf.
Alternativ kann ein Isolationskleber als das zuvor beschriebene Isolationselement genutzt werden. Anders gesagt, können die Spule 2 und das Gehäuse 4 miteinander über einen Kleber verbunden werden. In diesem Fall kann der Isolationskleber nicht nur die Isolation zwischen der Spule 2 und dem Gehäuse 4 verbessern, sondern auch die Spule 2 in dichten Kontakt mit dem Gehäuse 4 bringen, unabhängig von der Harzkomponente, die in dem äußeren Kernbereich 32 enthalten ist. Der Isolationskleber ist vorzugsweise aus einem Kleber ausgebildet, der Zusatzstoffe mit einer guten thermischen Leitfähigkeit enthält, z. B. Zusatzstoffen, die aus Aluminiumoxid mit einer guten thermischen Leitfähigkeit und guten elektrischen Isolationseigenschaften bestehen. Durch Ausbilden einer Schicht des Isoaltionsklebers in einer kleineren Dicke und in einer Mehrschichtstruktur, kann die elektrische Isolationseigenschaft trotz einer geringeren Gesamtdicke des Isolationsklebers verbessert werden. Gute Verarbeitbarkeit kann erreicht werden, indem Isolationskleber in Form einer Bahn eingesetzt werden. Der Isolationskleber kann ein kommerziell erhältlicher Kleber sein.
In der vorliegenden Erfindung, selbst wenn, zwischen der Spule 2 und dem Gehäuse 4 ein Isolationselement mit einer Isolationsgüte, die erforderlich für die elektrische Isolation dazwischen ist, eingefügt wird, weist solch eine Anordnung eine Form auf, in der die Spule und die innere Bodenfläche des Gehäuses in Kontakt miteinander stehen. Durch eine Minimierung der Dicke des Isolationselements kann eine Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit aufgrund des Vorhandenseins des Isolationselements unterdrückt werden. Z. B. kann die Dicke des Isolationselements (Gesamtdicke in dem Falle einer Mehrschichtstruktur) weniger als 2 mm, oder 1 mm oder weniger oder im Speziellen 0,5 mm oder weniger betragen.
[Beabsichtigte Verwendung]
Die Drossel 1 mit der zuvor beschriebenen Struktur kann geeignet mit Speisungsbedingungen von, z. B. einem maximalen Strom (Gleichstrom) von 100 A bis 1000 A, einer durchschnittlichen Spannung von 100 V bis 1000 V und einer Arbeitsfrequenz von 5 kHz bis 100 kHz, typischerweise als eine in einem Fahrzeug eingebaute Komponente einer Energiewandlungseinrichtung für ein elektrisches Auto oder ein Hybridauto, verwendet werden. Bei so einer Verwendung wird erwartet, dass die Drossel 1 geeignet verwendet werden kann, unter der Erfüllung der Bedingung, dass eine Induktivität 10 μH oder mehr und 2 mH oder weniger, wenn der zugeführte Gleichstrom 0 A beträgt, ist und dass eine Induktivität während der Zuführung eines maximalen Stroms 10% oder mehr der Induktivität, die bei 0 A vorliegt, beträgt.
[Größe der Drossel]
Wenn die Drossel 1 als eine in einem Fahrzeug eingebaute Komponente verwendet wird, besitzt die Drossel 1 mit dem Gehäuse 4 ein Fassungsvermögen von vorzugsweise etwa 0,2 l (200 cm3) bis 0,8 l (800 cm3). In der vorliegenden Ausführungsform beträgt das Fassungsvermögen etwa 500 cm3.
[Herstellungsverfahren der Drossel]
Die Drossel 1 kann exemplarisch wie folgt hergestellt werden. Als erstes werden die Spule 2 und der innere Kernbereich 31, der aus dem Pulverpresskörper ausgebildet ist, vorbereitet. Der innere Kernbereich 31 wird in die Spule 2 eingefügt, um die Baugruppe der Spule 2 und des inneren Kernbereichs 31 herzustellen, wie in 3 gezeigt. Wie zuvor beschrieben, kann, wenn erforderlich, das Isolationselement 33 zwischen der Spule 2 und dem inneren Kernbereich 31 angeordnet werden (das Isolationselement 33 ist in 3 weggelassen). Des Weiteren können ein Isolationselemente, z. B. Isolationsschläuche, über die Ausführbereiche des Drahts 2w, wie zuvor beschrieben, angebracht werden.
Als nächstes wird die zuvor genannte Baugruppe in das Gehäuse 4 gesetzt. Durch Einpassen der Spule 2 der Baugruppe in die Spulenrille 44, kann die Baugruppe exakt in dem Gehäuse positioniert werden. Das Mischungsfluid aus magnetischem Pulver und Harz, das den äußeren Kernbereich 32 (1) ausbildet, wird geeignet in das Gehäuse 4 gegossen, um eine vorbestimmte Form geeignet auszubilden, und das Harz wird anschließend gehärtet. Somit kann zeitgleich der äußere Kernbereich 32 und die Drossel 1 (1) ausgebildet werden.
[Vorteilhafte Effekte]
Da die Drossel 1 so ausgebildet ist, dass der Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 in Kontakt mit der inneren Bodenfläche 41i des Gehäuses 4 kommt, kann Wärme der Spule 2 direkt zu dem Gehäuse 4, welches aus z. B. Aluminium ausgebildet ist und eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist, transferiert werden und effizient zu dem Anschlussziel, z. B. der Wasserkühlungsbasis, durch die äußere Umfangsfläche 41o (Kühlfläche) des Gehäuses 4 abgeführt werden. Somit weist die Drossel 1 eine gute Wärmeabfuhrwirkung auf. Genauer gesagt kann die Drossel 1 die Wärmeabfuhrwirkung verbessern, indem sie so ausgebildet ist, dass die Endfläche der Spule 2 eine Rennbahnform mit den gekrümmten Bereichen und den geraden Bereichen aufweist, dass der flache Bereich, der durch die geraden Bereiche ausgebildet ist, als Kontaktregion mit dem Gehäuse 4 genutzt wird und damit die Kontaktfläche zwischen der Spule 2 und dem Gehäuse 4 leicht vergrößert werden kann. Des Weiteren, da der gerade Bereich 22 der Spule 2 als Kontaktregion mit dem Gehäuse 4 genutzt wird, wird die Spule 2 auf der inneren Bodenfläche 41i des Gehäuses 4 stabil unterstützt und solch ein gestützter Zustand wird zuverlässig gehalten, da die Spule 2 durch den äußeren Kernbereich 32 abgeschlossen wird, während diese in dem gestützten Zustand gehalten wird. Somit weist die Drossel 1 die gute Wärmeabfuhrwirkung für eine lange Zeit auf. Darüber hinaus wird mit der Drossel 1, da die Spulenrille 44 eine Form aufweist, die der äußeren Begrenzugnsfläche der Spule 2 folgt, und in der inneren Bodenfläche 41i des Gehäuses 4 ausgebildet ist, sodass nicht nur der gerade Bereich 22, sondern auch der Teil der gekrümmten Region, der durch die halbkreisförmigen Bogenbereiche 21 ausgebildet ist, in Kontakt mit der inneren Bodenfläche 41i kommt, die Kontaktfläche zwischen der Spule 2 und dem Gehäuse 4 vergrößert und die Wärmeabführwirkung, im Vergleich mit dem Fall, in dem die innere Bodenfläche nur eine flache Fläche aufweist, verbessert. Darüber hinaus, da die äußere Umfangsfläche der Spule 2 mit den geformten und ausgehärteten Körper bedeckt ist, der das magnetische Pulver aufweist, weist die Drossel 1 eine höhere Wärmeabführwirkung auf, verglichen mit dem Fall, in dem die äußere Umfangsfläche der Spule nur mit einem Harz bedeckt wird.
Da die Drossel 1 eine Spule 2 umfasst und ein horizontales Layout aufweist, bei der die Spule 2 in dem Gehäuse 4 so aufgenommen wird, dass die axiale Richtung der Spule 2 parallel zu der äußeren Bodenfläche 41o des Gehäuses 4 angeordnet ist, hat der Drossel 1 eine niedrigere Höhe und eine kleinere Größe. Im Besonderen kann mit der Drossel 1, da die Endfläche der Spule 2 eine Rennbahnform aufweist, die Spule 2 als eine hochkante Spule, durch den Einsatz eines beschichteten rechteckigen Drahtes, als Draht 2w, ausgebildet werden und somit eine Spule mit einem höheren Raumfaktor und einer geringeren Größe bereitgestellt werden. Dieser Punkt trägt auch dazu bei, die Größe der Drossel 1 zu verringern. Darüber hinaus kann mit der Drossel 1 das Gehäuse 4 als ein Wärmeabführpfad genutzt werden und die Baugruppe aus Spule 2 und magnetischem Kern 3 von der externen Umgebung, wie Staub und Korrosion, und von mechanischen Schäden geschützt werden.
Mit der Drossel 1 kann, da der äußere Kernbereich 32 aus der Mischung aus magnetischem Pulver und Harz ausgebildet ist, der äußere Kernbereich 32 mit der angestrebten Form einfach fabriziert werden. Dementsprechend kann, selbst wenn die Drossel 1 eine komplizierte Form aufweist, die den Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 verdeckt, eine gute Produktivität mit einfacherer Herstellung des äußeren Kernbereichs 32 gewährleistet werden. Darüber hinaus kann der Einsatz der zuvor genannten Mischung zu folgenden vorteilhaften Effekten führen: (1) magnetische Charakteristiken des äußeren Kernbereichs 32 können einfach verändert werden, und (2) da der äußere Kernbereich 32 die Harzkomponente enthält, können die Spule 2 und der innere Kernbereich 31 von der externen Umgebung und vor mechanischen Schäden geschützt werden, selbst, wenn das Gehäuse 4 sich in einem offenen Zustand befindet.
Mit der Drossel 1 kann der innere Kernbereich 31 eine komplizierte dreidimensionale Form aufweisen, z. B. ein säulenförmiges Element mit einer äußeren Form entsprechend einer Rennbahn, die der inneren Umfangsfläche der Spule 2 folgt, und trotzdem einfach ausgestaltet werden, da der innere Kernbereich 31 aus dem Pulverpresskörper ausgebildet ist, wobei dabei eine gute Produktivität erreicht wird. Darüber hinaus, da der innere Kernbereich 31 aus dem Pulverpresskörper ausgebildet ist, können magnetische Charakteristiken, wie die magnetische Sättigungsflussdichte einfach verändert werden.
Mit der Drossel 1 kann, da der innere Kernbereich 31 eine höhere magnetische Sättigungsflussdichte, als der äußere Kernbereich 32 aufweist, eine Querschnittsfläche des inneren Kernbereichs 31 (genauer gesagt, eine deren Fläche, durch welche magnetischer Fluss führt) reduziert werden, wenn der gleiche magnetische Fluss aus einem magnetischen Kern, der aus einem einzelnen Material hergestellt ist und eine gleichförmige magnetische Sättigungsflussdichte über den gesamten magnetischen Kern aufweist, erhalten werden soll. Dieser Punkt ermöglicht ferner das Reduzieren der Drosselgröße. Mit der Drossel 1 kann die magnetische Sättigung unterdrückt werden, obwohl kein Spalt vorhanden ist, da der innere Kernbereich 31, über den die Spule 2 angeordnet ist, eine höhere magnetische Sättigungsflusdichte aufweist und der äußere Kernbereich 32, der den Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule 2 verdeckt, eine tiefere magnetische Permeabilität aufweist. Das Weglassen des Spalts führt ferner zu der Reduzierung der Drosselgröße. In der Drossel 1 beeinflusst ein Streufluss durch den Spalt nicht die Spule 2, da ein Spalt zum Einstellen der Induktivität über den gesamten magnetischen Kern nicht vorhanden ist, was dazu führt, dass die äußere Umfangsfläche des inneren Kernbereichs 31 und die innere Umfangsfläche der Spule 2 näher zueinander positioniert werden können. Somit kann ein Abstand zwischen der äußeren Umfangsfläche des inneren Kernbereichs 31 und der inneren Umfangsfläche der Spule 2 weiter reduziert werden und damit die Größe der Drossel 1A weiter reduziert werden. Im Besonderen kann mit der Drossel 1, da der innere Kernbereich die äußere Fläche aufweist, die analog der inneren Umfangsfläche der Spule 2 folgt, der zuvor genannte Spalt weiter reduziert werden. Des Weiteren kann der Verlust der aufgrund des Vorhandenseins des Spalts ensteht, durch das Weglassen des Spalts reduziert werden.
Mit der Spule 1 kann zu der gleichen Zeit, zu welcher der äußere Kernbereich 31 ausgebildet wird, der magnetische Kern 3 ausgebildet werden, indem der innere Kernbereich 31 und der äußere Kernbereich 32, durch das Harz, das den äußeren Kernbereich 32 darstellt, verbunden werden. Als Ergebnis kann die Drossel 1 hergestellt weden. Damit wird die Anzahl von Herstellungsschritten reduziert und die Produktivität verbessert. Darüber hinaus, da die Drossel 1 eine spaltlose Struktur aufweist, ist ein Schritt zum Verbinden eines Spaltelements nicht erforderlich. Dieser Punkt führt ferner zu einer Verbesserung der Produktivität.
(Ausführungsfom 2)
Eine Drossel nach Ausführungsform 2 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Ausführungsform 1 wurde in Verbindung mit der Anordnung beschrieben, in der die Isolation zwischen der Spule 2 und dem magnetischen Kern 3 und die Isolation zwischen der Spule 2 und dem Gehäuse 4 durch die Beschichtung des Drahts 2w, der die Spule 2 ausbildet, und das separat angeordnete Isolationselement 33 verbessert wurde. Die Drossel der Ausführungsform 2 unterscheidet sich von der Drossel der Ausführungsform 1 insoweit, als dass sie einen inneren Harzbereich 23 aufweist, der die Oberfläche der Spule 2 bedeckt. Die folgende Beschreibung ist hauptsächlich auf solch einen unterscheidenden Punkt und die sich daraus ergebenden vorteilhaften Effekte ausgerichtet, wobei Beschreibungen des Aufbaus und vorteilhaften Effekte, die sich mit der Ausführungsform 1 decken, vermieden werden.
Die Drossel der Ausführungsform 2 umfasst ein Spulenformerzeugnis 2c, in dem die Spule 2 und der innere Kernbereich 31 miteinander, durch ein Harz, welches den inneren Harzbereich 23 ausbildet, vereint werden.
[Spulenformerzeugnis]
Das Spulenformerzeugnis 2c umfasst die Spule 2, wie in Ausführungsform 1 beschrieben, in welcher der Draht 2w ein beschichteter, rechteckiger Draht ist und deren Endflächen die Rennbahnform aufweisen, den inneren Kernbereich 31, der in die Spule 2 eingeführt wird, und den inneren Harzbereich 23, der nicht nur die Oberfläche der Spule 2 bedeckt, um die Form der Spule 2 zu halten, sondern auch die Spule 2 und den inneren Kernbereich 32 miteinander vereint.
<<Innerer Kernbereich>>
Der innere Kernbereich 31 ist ein säulenförmiges Element, das eine äußere Form wie eine Rennbahn aufweist, wie zuvor in Ausführungsform 1 beschrieben. Der innere Kernbereich 31 wird in die Spule 2 eingeführt und in die Spule 2 durch das Harz des inneren Harzbereichs 23 in einem Zustand integriert, bei dem beide Endflächen des inneren Kernbereichs 31 und deren Umgebungen leicht von entsprechenden Endflächen 23e des inneren Harzbereichs 23 hervorstehen.
<<Innerer Harzbereich>>
Hier bedeckt der innere Harzbereich 23 im Wesentlichen den gesamten Umfang der Spule 2 mit Ausnahme der Ausführbereiche des Drahts 2w, mit dessen beiden Endbereichen. Eine Region der Spule 2, die von dem inneren Harzbereich 23 verdeckt wird, kann optional gewählt werden. Z. B. kann die Spule 2 teilweise freigelegt werden, ohne dabei von dem inneren Harzbereich 23 verdeckt zu werden. Nichtsdestotrotz kann ein Isolator, z. B. das Harz des inneren Harzbereichs 23 dazu gebracht werden, betriebssicher zwischen der Spule 2 und dem inneren Kernbereich 31, zwischen der Spule 2 und dem äußeren Kernbereich und zwischen der Spule 2 und dem Gehäuse durch Bedecken von im Wesentlichen der gesamten Oberfläche der Spule 2, wie in dieser Ausführungsform, vorhanden zu sein. Eine Dicke des inneren Bereichs 23 ist im Wesentlichen einheitlich. Die Dicke des inneren Harzbereichs 23 kann optional selektiert werden, sodass die erforderlichen Isolationscharakteristiken erreicht werden, und ist z. B. etwa 1 mm bis 10 mm. Je dünner der innere Harzbereich 23 ausgebildet ist, desto höher ist die Wärmeabführwirkung.
Der innere Harzbereich 23 weist ferner die Funktion auf, die Spule 2 in einem gestauchten Zustand, in Bezug auf einen ungespannten Zustand, zu halten.
Das Harz des inneren Harzbereichs 23 ist vorzugsweise aus einem Isolationsmaterial hergestellt, das so eine Wärmbeständigkeit aufweist, dass das Isolationsmaterial bei einer maximal erreichbaren Temperatur der Spule 2 und des magnetischen Kerns während der Benutzung der Drossel mit dem Spulenformerzeugnis 2c nicht erweicht, und das durch Pressspritzen oder Spritzgießen ausgeformt werden kann. Z. B. können vorzugsweise Aushärtungsharze, wie ein Epoxy, ein thermoplastisches Harz, wie z. B. PPS-Harz oder ein LCP, verwendet werden. Hier wird ein Epoxyharz verwendet. Des weiteren kann eine Drossel ausgebildet werden, die einfacher Wärme der Spule 2 abführt und eine höhere Wärmeabführwirkung aufweist, indem ein Harz, wie das Harz des inneren Harzbereichs 23, verwendet wird, das einen Zusatzstoff enthält, der von zumindest einer der Keramiken Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, und Siliziumcarbid ausgewählt wird.
[Verfahren zum Herstellen des Spulenformerzeugnises]
Das zuvor beschriebene Spulenformerzeugnis 2c umfassend den inneren Kernbereich 31 kann z. B. nach einem Verfahren, das in der ungeprüften japanischen Patentschrift mit der Veröffentlichungsnummer 2009-218293 beschrieben ist, hergestellt werden. Genauer gesagt wird eine Form, die in der Lage ist geöffnet und geschlossen zu werden und eine Mehrzahl von stangenähnlichen Elementen, die vorwärts und rückwärts innerhalb der Form bewegbar sind, vorbereitet. Nachdem die Spule 2 und der innere Kernbereich 31 innerhalb der Form angeordnet sind, wird die Spule 2 durch die stabartigen Elemente in einen gestauchten Zustand gebracht. In dem gestauchten Zustand wird das Harz in die Form gegossen und anschließend verfestigt.
Alternativ kann ein Halteelement, das in der Lage ist, die Spule in dem gestauchten Zustand zu halten, separat vorbereitet werden und nachdem das Halteelement an die Spule angebracht wurde und die Spule in dem gestauchten Zustand in der Form platziert wurde, kann das Halteelement mit der Form fest verbunden werden, um dabei die Spule in dem gestauchten Zustand innerhalb der Form zu halten. Das Halteelement ist vorzugsweise ausgebildet zum Wiederverwenden entnehmbar zu sein.
In der zuvor beschriebenen Spule 2 kann ein Isolationselement, z. B. ein Isolierpapier, ein Isolierband, oder ein Isolierschlauch geeignet über eine Region (in der Nähe des Endes des Drahts 2w) von jedem der Ausführbereiche des Drahts 2w angeordnet werden, wobei die Regionen nicht von dem inneren Harzbereich 23 bedeckt werden und mit dem äußeren Kernbereich in Kontakt gebracht werden können. Wenn das Isolationselement über jeden von den Ausführbereichen der Spule 2 angeordnet wird, kann die Form des inneren Harzbereichs 23 vereinfacht werden und damit die Ausformbarkeit verbessert werden. Des Weiteren kann das Spulenformerzeugnis einfacher in seiner Größe reduziert werden und damit einen weiteren Beitrag zum Reduzieren der Drosselgröße, im Vergleich zu dem Fall, in dem die Ausführbereiche mit dem Harz des inneren Harzbereichs 23 bedeckt werden, liefern.
[Verfahren zum Herstellen der Drossel]
Die Drossel umfassend das zuvor beschriebene Spulenformerzeugnis 2c kann hergestellt werden, indem das Spulenformerzeugnis 2c hergestellt wird, das Spulenformerzeugnis 2c in das Gehäuse gesetzt wird, ein gemischtes Fluid aus magnetischem Material und Harz in das Gehäuse zum Ausformen eingegossen wird, wobei das gemischte Fluid den äußeren Kernbereich ausbildet, und anschließend das Harz ausgehärtet wird. Das Spulenformerzeugnis 2c kann dabei durch den zuvor beschriebenen Kleber mit dem Gehäuse verbunden werden.
[Vorteilhafte Effekte]
In der Drossel der Ausführungsform 2 stehen, da die Oberfläche der Spule 2 mit dem inneren Harzbereich 23 bedeckt ist, die Spule 2 mit der inneren Bodenfläche des Gehäuses über den inneren Harzbereich 23, der zwischen den beiden eingefügt ist, in Kontakt. Somit kann, da ein Isolator zwischen der Spule 2 und dem Gehäuse eingefügt ist, die Isolierung zwischen der Spule 2 und dem Gehäuse effektiv vergrößert werden, selbst wenn das Gehäuse aus einem Metall, z. B. Aluminium, ausgebildet ist. Des Weiteren, obwohl der innere Harzbereich 23 zwischen der Spule 2 und dem Gehäuse eingefügt ist, besitzt die Drossel der Ausführungsform 2 eine gute Wärmeabführwirkung, ähnlich zu der Drossel der Ausführungsform 1, da eine größere Region der Spule 2 in der Nähe des Anschlussziels angeordnet ist, mit einem Aufbau, in dem die Endfläche der Spule 2 eine spezielle Form, genauer gesagt, eine Rennstreckenform aufweist und die Drossel in dem horizontalen Layout angeordnet ist.
In dem Spulenformerzeugnis 2c sind die Spule 2 und der innere Kernbereich 31 miteinander durch den inneren Harzbereich 23 vereint und in einem Spalt zwischen der inneren Umfangsfläche der Spule 2 und der äußeren Umfangsfläche des inneren Kernbereichs 31 ist im Wesentlichen nur ein Harz des inneren Harzbereichs 23 vorhanden. Somit kann die Isolation zwischen der Spule 2 und dem inneren Kernbereich 31 effektiv verbessert werden, ohne ein zusätzliches Element, z. B. einen Isolator, nutzen zu müssen. Des Weiteren, da die Drossel der Ausführungsform 2 das Spulenformerzeugnis 2c einsetzt, das in der Lage ist, die Form der Spule 2 zu halten, ist die Form der Spule 2 stabil und die Spule 2 während der Herstellung einfacher handhabbar, was in einer guten Produktivität resultiert. Im Besonderen, da das Spulenformerzeugnis 2c den inneren Kernbereich 31 als eine ganzheitliche Form umfasst, können die Spule 2 und der innere Kernbereich 31 mit dem Ausformen des inneren Harzbereichs 23 vereint werden, wodurch die Anzahl von Schritten und die Anzahl von Komponenten reduziert werden kann. Dieser Punkt führt ebenso zu einer verbesserten Produktivität der Drossel. Darüber hinaus, da die Spule 2 und der innere Kernbereich 32 als eine Einheit gehandhabt werden können und gleichzeitig in dem Gehäuse platziert werden können, wird ein Arbeitsschritt, bei dem die Spule 2 und der innere Kernbereich 31 in das Gehäuse eingesetzt werden, leichter, verglichen zu dem Fall, in dem beide voneinander getrennt sind. Dieser Punkt führt ferner zu einer verbesserten Produktivität der Drossel.
Des Weiteren, da das Spulenformerzeugnis 2c die Spule 2 in dem gestauchten Zustand durch den inneren Harzbereich 23 hält, kann die Länge der Spule 2 in der axialen Richtung verkürzt werden, ohne dass ein zusätzliches Element, das die Spule 2 in dem gestauchten Zustand hält, notwendig ist. Dieser Punkt trägt dazu bei, die Größe der Drossel zu reduzieren. Wenn die Spule 2 und der innere Kernbereich 31 einzelne Elemente darstellen, die nicht miteinander über den inneren Harzbereich 23 verbunden sind, ist es erforderlich ein Durchgangsloch im inneren Harzbereich auszubilden, sodass der innere Kernbereich 31 in diesen eingeführt werden kann, und einen Abstand zwischen dem inneren Kernbereich 31 und der Wand des Durchgangslochs vorzusehen, im Hinblick auf die Einfachheit des Einführens des inneren Kernbereichs 31. Im Gegensatz dazu, ist in dieser Ausführungsform, in der die Spule 2 und der innere Kernbereich 31 miteinander über den inneren Harzbereich 23 vereint sind, solch ein Abstand nicht notwendig und die Größe der Drossel kann damit aufgrund des Nicht-Vorhandenseins dieses Abstands reduziert werden.
(Ausführungsform 3)
Ausführungsform 2 wurde in Verbindung mit dem Spulenformerzeugnis 2c, welches ausgebildet ist, indem die Spule 2 und der innere Kernbereich 31 über den inneren Harzbereich 23 miteinander verbunden werden, beschrieben. In einer anderen Form des Spulenformerzeugnisses ist der innere Kernbereich nicht mit der Spule über den inneren Harzbereich vereint. In anderen Worten, kann das Spulenformerzeugnis aus der Spule und dem inneren Harzbereich bestehen. Dieses Spulenformerzeugnis besitzt ein Durchgangsloch, das durch das Harz des inneren Harzbereichs, welches die innere Umfangsfläche der Spule bedeckt, ausbildet ist. Der innere Kernbereich wird in das Durchgangsloch eingeführt. Das Harz des inneren Harzbereichs kann dazu gebracht werden, als ein Element zum Positionieren des inneren Kernbereichs zu fungieren, indem die Dicke des Harzes des inneren Harzbereichs angepasst wird, sodass der innere Kernbereich an einer geeigneten Position innerhalb der Spule angeordnet wird, und in dem die Form des Durchgangsloches passend mit der äußeren Form des inneren Kernbereichs ausgebildet wird.
Das zuvor beschriebene Spulenformerzeugnis kann hergestellt werden, indem ein Formkern mit einer vorbestimmten Form in dem Herstellungsschritt des Spulenformerzeugnisses 2c, welcher zuvor in der Ausführungsform 2 beschrieben wurde, anstatt des inneren Kernbereichs, bereitgestellt wird. Eine Drossel umfassend das zuvor beschriebene Spulenformerzeugnis kann hergestellt werden, indem der innere Kernbereich in das Durchgangsloch des Spulenformerzeugnisses eingeführt wird, eine Baugruppe des Spulenformerzeugnisses und des inneren Kernbereichs in das Gehäuse eingesetzt wird, und anschließend der äußere Kernbereich ausgebildet wird.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Spule einfacher zu handhaben, da der innere Harzbereich die Form der Spule wie im Spulenformerzeugnis 2c der Ausführungsform 2 beibehält. Des Weiteren kann diese Ausführungsform weiter die Isolation zwischen der Spule und dem magnetischen Kern und die Isolation zwischen der Spule und dem Gehäuse verbessern, da der innere Harzbereich zwischen der Spule und dem inneren Kernbereich, zwischen der Spule und dem äußeren Kernbereich, und zwischen der Spule und dem Gehäuse eingefügt wird, wie in dem Spulenformerzeugnis 2c der Ausführungsform 2.
(Ausführungsform 4)
Während die vorhergehenden Ausführungsformen in Verbindung mit dem Fall, in dem die Endfläche der Spule eine Rennbahnform aufweist, beschrieben wurden, kann die Endfläche der Spule eine elliptische Form, eine spezielle Form, in der ein Teil von einer gebogenen Linie von einer horizontalen langen Ellipse mit einer linearen Linie, die parallel zu der Hauptachse der Rille ist, ersetzt wird, aufweisen, und somit einen geraden Bereich umfassen, oder eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken aufweisen.
Bei der Spule, die eine elliptische Form aufweist, ist es bevorzugt, dass die Spule eine horizontal-lange elliptische Form mit einem großen Formfaktor (Hauptachse/Nebenachse) aufweist, da so eine Region der Spule in der Nähe der inneren Bodenfläche des Gehäuses (und somit dem Anschlussziel) vergrößert wird, wodurch die Wärmeabführwirkung verbessert wird. Des Weiteren weist die horizontal-lange Spule ein geringeres Gewicht und eine kleinere Größe auf. Die Herstellung einer Spule, die eine Form aufweist, die nur durch eine gebogene Linie bestimmt wird, wird beispielsweise vereinfacht, indem ein runder Draht, bei dem der Leiter eine kreisförmige Querschnittsform aufweist, verwendet wird. Unter der Bedingung, dass eine Fläche innerhalb der Spule konstant gehalten wird, besitzt die elliptische Spule eine kürzere umlaufende Länge, als die Drossel 1 der Ausführungsform 1, welche die Rennbahnform aufweist. Es ist somit möglich, die Drahtmenge zum Herstellen der Spule, die Verluste, z. B. die Kupferverluste, und das Gewicht zu reduzieren.
Die Spule, welche die spezielle Form aufweist, und die Spule, welche die eckabgerundete rechteckige Form aufweist, besitzen einen geraden Bereich, ähnlich dem der Spule 2 in der Drossel 1 der Ausführungsform 1, welche die Rennbahnform aufweist. Dementsprechend kann, selbst wenn die innere Bodenfläche des Gehäuses eine flache Fläche darstellt, diese Form von Spule nicht nur eine ausreichende Kontaktfläche in Bezug auf die innere Bodenfläche des Gehäuses bereitstellen, sondern auch eine gute Stabilität in Bezug auf das Gehäuse aufweisen. Die Herstellung der Spule, die die spezielle Form aufweist, wird ebenfalls vereinfacht, indem der runde Draht verwendet wird. Auf der anderen Seite kann die Spule, welche die eckabgerundete rechteckige Form aufweist, als eine hochkante Spule mit einem rechteckigen Draht, ähnlich dem der Spule 2 in der Drossel 1 der Ausführungsform 1, ausgebildet werden. Somit kann die Kontaktfläche durch das Vorhandensein der Flachflächenregion, die durch die geraden Bereiche ausgebildet wird, vergrößert werden, während ein Raumfaktor vergrößert wird und die Spulengröße verkleinert wird.
(Ausführungsform I)
Die Drosseln der Ausführungsformen 1 bis 4 können jeweils beispielsweise als eine Komponente eines Wandlers, der in einem Fahrzeug eingebaut ist, usw., oder als Komponente in einer Energiewandlungseinrichtung, die den Wandler enthält, verwendet werden.
Wie beispielsweise in 5 gezeigt, umfasst ein Fahrzeug 200, z. B. ein Hybridauto oder ein elektrisches Auto, eine Hauptbatterie 210, eine Energieumwandlungseinrichtung 100, die mit der Hauptbatterie 210 verbunden ist, und einen Motor (Last) 220, der über elektrische Energie, die von der Hauptbatterie 210 zum Antreiben des Fahrzeugs 200 bereitgestellt wird, angetrieben wird. Der Motor 200 ist typischerweise ein Dreiphasen-Wechselstrom(AC)-Motor, der Räder 250 während des Laufens antreibt und der als Generator während einer Regenerierung fungiert. Im Falle des Hybridautos, umfasst das Fahrzeug 200 zusätzlich zu dem Motor 220 eine Antriebsmaschine. Während 5 ein Eingang als ein Ladungsanschluss des Fahrzeugs 200 zeigt, kann das Fahrzeug 200 einen Stecker umfassen.
Die Energieumwandlungseinrichtung 100 umfasst einen Wandler 110, der mit der Hauptbatterie 210 verbunden ist, einen Invertierer 120, der mit dem Wandler 10 verbunden ist und eine jeweilige Wandlung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom durchführt. Der Wandler 110 in dem gezeigten Beispiel transformiert eine DC-Spannung (Eingangsspannung) der Hauptbatterie 210 im Bereich von 200 V bis 300 V auf 400 V bis 700 V im Betrieb des Fahrzeugs 200, und liefert die hochtransformierte Spannung an den Invertierer 120. Während der Regeneration transformiert der Wandler 110 eine DC-Spannung (Eingangsspannung), die von dem Motor 220 durch den Invertierer 120 ausgegeben wird, runter auf eine DC-Spannung, die geeignet für die Hauptbatterie 210 zum Laden der Hauptbatterie 210 ist. Der Invertierer 120 wandelt die hochtransformierte DC-Spannung des Wandlers 110 zu einem vorbestimmten Wechselstrom und liefert den Wechselstrom zu dem Motor 220 während des Betriebs des Fahrzeugs 200. Während der Regeneration wandelt der Invertierter 120 einen Wechselstrom, der von dem Motor 220 ausgegeben wird, zu einem Gleichstrom und gibt den Gleichstrom zu dem Wandler 110 aus.
Wie in 6 gezeigt, umfasst der Wandler 110 eine Mehrzahl von Schaltelementen 111, einen Steuerkreis 112 zum Steuern der Funktionen der Schaltelemente 111, und eine Drossel L, um damit Wandlungen durchzuführen (hier: Hochtransformieren und Runtertransformieren) einer Eingangsspannung mit On/Off-Wiederholung (genauer gesagt Schaltvorgängen). Leistungsglieder, wie z. B. Feldeffekttransistoren (FETs) oder isolierte Gatebipolartransistoren (IGBTs) werden als Schaltelemente 111 verwendet. Die Drosselspule L besitzt die Funktion, wenn ein Strom durch die Schaltoperationen vergrößert und verkleinert wird, den Wechsel des Stroms durch Nutzung der Spuleneigenschaften, die einen Stromwechsel in dem Netzwerk hemmen, zu glätten. Einer der Drosseln der Ausführungsform 1 bis 4 wird als Drossel L verwendet. Da einer der Drosseln mit der guten Wärmeabführwirkung verwendet wird, weisen die Energiewandlungseinrichtung 100 und der Wandler 110 ebenfalls eine gute Wärmeabführwirkung auf.
Zusätzlich zu dem Wandler 110 umfasst das Fahrzeug 200 einen Energiezuführwandler 150, der mit der Hauptbatterie 210 verbunden ist, und einen Hilfsenergiezuführwandler 160, der mit einer Hilfsbatterie 230 verbunden ist, die als eine Energiequelle für Hilfseinrichtungen 240 dient, und die ferner mit der Hauptbatterie 210 verbunden ist, und die eine hohe Spannung der Hauptbatterie 210 zu einer Geringspannung wandelt. Der Wandler 110 führt typischerweise DC-DC-Wandlungen durch, während der Energiezuführwandler 150 und der Hilfsenergiezuführwandler 160 AC-DC-Wandlungen durchführen. Der Energiezuführwandler 150 kann DC-DC-Wandlungen in einigen Fällen durchführen. Drosseln, die ähnlich wie die Drosseln der Ausführungsform 1 bis 4 ausgestaltet sind und Größen und Formen, die geeignet modifiziert wurden, aufweisen, können als Drosseln in dem Energiezuführwandler 150 und dem Hilfsenergiezuführwandler 160 eingesetzt werden. Des Weiteren kann jede der Drosseln der Ausführungsformen 1 bis 4 in einem Wandler zum Wandeln einer Eingangsenergie, im Speziellen einem Wandler zum Ausführen von nur einem Hochtransformationsvorgang oder einer Wandlung zum Ausführen von nur einem Heruntertransformationsvorgang eingesetzt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, und dass die vorliegende Erfindung modifiziert werden kann, ohne sich dabei von der Kernaussage der Erfindung zu entfernen.
Da andere Formen der Drossel gute Wärmeabführwirkungen aufweisen, kann der Drossel wie folgt ausgebildet sein.
(Anhang 1)
Drossel mit einer Spule, die durch Wickeln eines Drahts ausgebildet ist, einem magnetischen Kern, der innerhalb und außerhalb der Spule angeordnet ist, und einen geschlossenen magnetischen Kreis ausbildet, und einem Gehäuse zum Aufnehmen einer Baugruppe aus der Spule und dem magnetischen Kern, wobei die Spule so ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Spule eine nicht-kreisförmige Endflächenform aufweist, die einen gekrümmten Bereich umfasst, die Spule in dem Gehäuse aufgenommen wird, wobei die axiale Richtung der Spule parallel zu einer äußeren Bodenfläche des Gehäuses angeordnet ist, die äußere Bodenfläche als ein Anschlussziel fungiert, und ein Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule von dem magnetischen Kern bedeckt wird, und zumindest ein davon überbleibender Teil, der nicht mit dem magnetischen Kern bedeckt wird, mit einer inneren Bodenfläche des Gehäuses in Kontakt steht.
(Anhang 2)
Drossel nach Anhang 1, wobei von dem magnetischen Kern ein äußerer Kernbereich, der den Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule bedeckt, aus einer Mischung, die magnetisches Pulver und Harz aufweist, ausgebildet ist.
(Anhang 3)
Drossel nach Anhang 1 oder 2, wobei der magnetische Kern einen inneren Kernbereich, der innerhalb der Spule angeordnet ist, und einen äußeren Kernbereich, der den Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule bedeckt, umfasst, wobei der innere Kernbereich aus einem Pulverpresskörper ausgebildet ist.
Ein magnetischer Kern in einer Form ausgewählt von einem Stapel mehrerer elektrischer Stahlbahnen, einem Pulverpresskörper, einem geformten und ausgehärteten Körper, und einer Kombination der vorhergehenden kann in einer Drossel der vorhergehenden Anhänge 1 bis 3 verwendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Drossel der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Drosseln Verwendung finden (z. B. als eine in einem Fahrzeug eingebaute Komponente, als Komponente in einer Energieerzeugungs- oder Transformierungsanlage, usw.).
Insbesondere kann die Drossel der vorliegenden Erfindung als Komponente in einer Energieumwandlungseinrichtung verwendet werden, wie in einem DC-DC-Wandler, der in einem Fahrzeug eingebaut ist, z. B. einem Hybridauto, einem elektrischen Auto, oder einem Brennstoffzellenauto. Der Wandler der vorliegenden Erfindung und die Energiewandlungseinrichtung der vorliegenden Erfindung können in einer Vielzahl von Bereichen verwendet werden, z. B. Fahrzeugen, Energieerzeugungs- oder Transformationsanlagen, usw.
Bezugszeichenliste

1: Drossel
2: Spule 2w Draht 2c Spulenformerzeugnis
21: halbkreisförmiger Bogenbereich 22 gerader Bereich
23: innerer Harzbereich 23e Endfläche
3: magnetischer Kern 31 innerer Kernbereich 32 äußerer Kernbereich 33 Isolationselement
4: Gehäuse 41 Bodenwand 41i innere Bodenwand 41o äußere Bodenwand 42 Seitenwand 43 Untersatz 44 Spulenrille
45: Befestigungsbereich 45h Bolzenloch
100: Energiewandlungseinrichtung 110 Wandler
111: Schaltelement 112 Steuerkreis
120: Invertierer 150 Energiezuführwandler
160: Hilfsenergiezuführwandler
200: Fahrzeug 210 Hauptbatterie 220 Motor
230: Hilfsbatterie 240 Hilfsaggregate
250: Rad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-218293 [0099]

Claims

Drossel (1) mit einer Spule (2), die durch Wickeln eines Drahts (2w) ausgebildet wird, einem magnetischen Kern (3), der innerhalb und außerhalb der Spule (2) angeordnet ist und einen geschlossenen magnetischen Kreis ausbildet, und einem Gehäuse (4) zum Aufnehmen einer Baugruppe aus der Spule (2) und dem magnetischen Kern (3), wobei die Spule (2) so ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Spule (2) eine nicht-kreisförmige Endflächenform (23e) aufweist, die einen gekrümmten Bereich umfasst, die Spule (2) in dem Gehäuse (4) so aufgenommen wird, dass die axiale Richtung der Spule (2) parallel zu einer äußeren Bodenfläche (41o) des Gehäuses (4) angeordnet ist, die äußere Bodenfläche (41o) durch ein Anschlussziel gekühlt wird, und ein Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule (2) von dem magnetischen Kern (3) bedeckt wird, und zumindest ein davon überbleibender Teil, der nicht von dem magnetischen Kern (3) bedeckt wird, mit einer inneren Bodenfläche (41i) des Gehäuses (4) in Kontakt steht, und wobei der magnetische Kern (3) einen inneren Kernbereich (31), der innerhalb der Spule (2) angeordnet ist, und einen äußeren Kernbereich (32), der den Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule bedeckt, aufweist, wobei der innere Kernbereich (2) aus einem Pulverpresskörper ausgebildet ist, und der äußere Kernbereich (32) aus einer Mischung eines magnetischen Pulvers und eines Harzes ausgebildet ist.
Drossel (1) nach Anspruch 1, wobei Endflächen des inneren Kernbereichs (31) bündig mit entsprechenden Endflächen der Spule (2) abschließen, oder wobei eine der Endflächen des inneren Kernbereichs (31) bündig mit einer der Endflächen der Spule (2) abschließt und die andere Endfläche des inneren Kernbereichs (31) von der anderen Endfläche der Spule (2) hervorsteht, oder wobei die Endflächen des inneren Kernbereichs (31) jeweils von den Endflächen der Spule (2) hervorstehen.
Drossel (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Endflächenform der Spule (2) eine Rennbahnform aufweist, die aus einem Paar halbkreisförmiger Bogenbereiche (21) und einem Paar gerader Bereiche (22), welche das Paar der halbkreisförmigen Bogenbereiche (21) miteinander verbindet, ausgebildet ist, und wobei zumindest der gerade Bereich (22) mit der inneren Bodenfläche (41i) des Gehäuses (4) in Kontakt steht.
Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend einen inneren Harzbereich (23), der aus einem Isolationsharz, welcher zumindest einen Teil der Oberfläche der Spule (2) bedeckt, ausgebildet ist, um eine Form der Spule (2) zu halten, wobei die Spule (2) mit der inneren Bodenfläche (41i) des Gehäuses (4) durch den inneren Harzbereich (23), der dazwischen eingefügt ist, in Kontakt steht.
Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die innere Bodenfläche (41i) des Gehäuses (4) einen Untersatz (43) mit einer Spulenrille (44) aufweist, welche einem Teil der äußeren Umfangsfläche der Spule (2) folgt.
Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Spule (2) mit einem Klebstoff an dem Gehäuse (4) angebracht ist.
Wandler (110) mit einem Schaltelement (111), einem Steuerkreis zum Steuern des Schaltelementbetriebs, und einer Drossel (1) zum Glätten des Schaltbetriebs, wobei der Wandler (111) eine Eingangsspannung durch den Betrieb des Schaltelements wandelt, und die Drossel (1) eine Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.
Energiewandlungseinrichtung (100) mit einem Wandler (110) zum Hochtransformieren und Runtertransformieren einer Eingangsspannung, und einem Invertierer (120), der mit dem Wandler (110) verbunden ist und einen Gleichstrom und einen Wechselstrom jeweils ineinander umwandelt, wobei die Energiewandlungseinrichtung (100) eine Last mit elektrischer Energie, die durch den Invertierer (120) gewandelt wurde, antreibt und der Wandler (110) der Wandler nach Anspruch 7 ist.