KR102122813B1

KR102122813B1 - 최적의 인덕터

Info

Publication number: KR102122813B1
Application number: KR1020157006334A
Authority: KR
Inventors: 오스카르 에이치. 비아르나센; 토르드 세델
Original assignee: 콤시스 에이비
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2020-06-18
Also published as: US10734145B2; US20150228390A1; IN2015DN01311A; WO2014040973A1; JP2015532011A; US20200243241A1; EP2896056B1; PL2896056T3; RU2636653C2; EP2709118A1; CN104823251A; RU2015109581A; ES2609125T3; EP2896056A1; KR20150056771A; CN104823251B

Abstract

본 발명은 중심축(C) 주위에 원형으로 권선된 금속 와이어(2)로 구성되는 인덕터(6)용 코일(1)에 관한 것이며, 와이어는 권선 내의 와이어의 각 턴을 이웃하는 턴으로부터 절연하는 전기 절연층(3)을 구비하고, 코일(1)을 형성하는 완성된 권선의 형상은 실질적인 타원형 단면을 갖는 실질적으로 환상이며, 열전도도가 1W/m*K 초과이고, 보다 바람직하게는 1.2, 가장 바람직하게는 1.5 초과이다. 또한, 본 발명은 인덕터(6)에 적합한 자기 코어(7)에 관한 것이며, 코어는 금속 입자 및 바인더 재료로 이루어지는 연자성 복합 재료로 제조되고, 상기 입자는 1㎛ 내지 1000㎛의 범위에 있으며, 150㎛보다 큰 입자는 세라믹 표면으로 코팅되어 입자간 전기 절연을 제공하고, 전체 코어 체적에 대한 자성 금속 입자의 체적은 0.5 내지 0.9이다. 더욱이, 본 발명은 상기 코일(1) 및 코어(7)의 조합체인 인덕터(6)에 관한 것이며, 코어 내의 실질적으로 모든 입자는 코일의 자기장과 자기적으로 정렬된다. 게다가, 본 발명은 그러한 코일(1) 및 코어(7)의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

최적의 인덕터{OPTIMAL INDUCTOR}

본 발명은 일반적으로 최적의 인덕터 설계에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 청구항 1의 전제부에 규정된 인덕터용 코일, 청구항 6의 전제부에 규정된 인덕터용 코어, 청구항 8의 전제부에 규정된, 상기 코일 및 코어를 포함하는 인덕터에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 청구항 13 및 청구항 15의 전제부에 규정된 상기 코일 및 코어를 제조하는 방법에 관한 것이다.

전력 전자장치 산업이 계속 성장함에 따라, 인덕터는 발전, 전력 품질, AC 구동, 회생 구동(regenerative drive) 등과 같은 응용에 점점 더 중요해지고 있다. 인덕터는 종종 사용된 장비에서의 주요 구성요소이고, 이러한 장비의 효율 및 성능을 종종 결정한다. 특히 문제가 되는 영역은, 인덕터가 예를 들어 50㎐의 기본 주파수를 처리하는 동시에, 즉 스위치 모드 전원에 의해 발생된 고주파를 최종 신호로부터 동시에 필터링해야 하는 응용에서 있어 왔다. 유사하게, 전력 전자장치는 오늘날의 전력 품질 산업의 가장 큰 관심 중 하나인 유해한 고조파 왜곡(harmonic distortion)에 대한 원인을 종종 제공한다.

종래의 인덕터는 통상적으로 철심(고체, 적층형 또는 페라이트) 코어에 대해 또는 공기 중에서 코일 포머(coil former) 상에 와이어를 권선함으로써 제조된다. 다음으로, 코어 재료를 포화시키지 않기 위해서 투자율(permeability)을 제어하는 공극(air gap)을 종종 갖는 코어 주위에 와어이를 권선한다. 이것은 자기 누설 유동, 에너지 손실 및 주변 금속의 가열에 대한 원인을 제공한다. 코일이 공극 위에 권선되면, 종종 상당한 프린징 손실(fringing loss)이 있고, 그 결과 냉각하기 어려울 수 있는 핫-스팟(hot-spot)이 생긴다. 또한, 인덕터는 보통 표준화된 코일 포머, 도체 및 코어 재료를 갖는다. 이것은 필연적으로 설계 자유도의 제한을 초래하여 효과적이고 최적화된 인덕터 설계를 못하게 한다.

상기 문제점의 제거 또는 경감을 향한 제1 단계가 새로운 재료 기술의 탄생과 함께 지난 10년 동안 나타나고 있다. 이러한 새로운 재료 기술은 소비자 제품 및 공산품에서의 이들 타입의 액추에이터(actuator)를 특히 적합화, 최적화 및 통합하는 보다 큰 가능성을 제공한다. 그러한 재료 기술은 연자성 복합재(Soft Magnetic Composite; SMC)로 지칭되는 가변하는 양의 바인더(binder) 및 필러(filler)를 갖는 연자성 금속 재료의 복합재이다. SMC로 제조된 이들 구성요소의 성형은 큰 관심사인데, 이것은 높은 금속 충진율(packing ratio) 및 설계 자유도에 대한 요구가 특히 제조 비용의 관점에서 공지된 제조 방법과 상충되기 때문이다. 성공적인 성형 프로세스는, 유도형 구성요소가 보다 작은 사이즈, 보다 낮은 손실의 면에서 종래의 구성요소보다 여러 측면에서 우수하게 만들어서, 최종 디바이스/제품에서 보다 콤팩트하게 통합되도록 할 것이다.

또한, 에너지 손실, 열 및 핫-스팟 문제, 가청 주파수에서 고전류에 의해 유발된 짜증스러운 소리, 불필요하고 비효율적인 재료 사용, 고주파에서의 낮은 효율 및 낮은 플럭스 강도에서의 포화 등의 면에서 재료 선택에 따라 인덕터에 많은 문제가 여전히 존재한다.

산업계에서 인덕터의 사용은 계속 증가하고 있으며, 그 수요와 함께 보다 높은 성능의 인덕터에 대한 요구가 증가하고 있다. 고성능 인덕터는 또한 비교적 고가이다. 따라서, 상기에 제시된 문제에 대하여 향상된 성능을 갖는 새롭고 개선된 인덕터에 대한 요구가 있다. 개선된 인덕터의 향상된 성능은 비용 효율적인 방식으로 구현되어야 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 본 기술분야의 현재 상태를 개량하고, 상기 문제점을 해결하며 코일 및 코어 모두를 개량한 개선된 인덕터를 제공하는 것이다. 이들 목적 및 다른 목적은, 중심축(C) 주위에 원형으로 권선된 금속 와이어로 이루어진 코일에 의해 달성되며, 와이어는 권선 내의 와이어의 각 턴(turn)을 이웃하는 턴으로부터 절연하는 전기 절연층을 구비하고, 코일을 형성하는 완성된 권선의 형상은 실질적인 타원형 단면을 갖는 실질적으로 환상(toroidal)이며, 0.8W/m*K가 넘는 벌크 열전도도를 갖는다.

열전도도 및 형상은 압축 수단에 의해 달성되고, 이 압축 수단은 코일 내에 존재하는 공기 또는 가스 보이드를 실질적으로 감소시켜 에너지 손실을 저감하고 코일의 치밀도(compactness)를 증대시킨다. 환상 형상과 함께 코일 치밀도는 코일의 H-장을 증가시키는데, 이 코일의 H-장은 적절한 H-장이 코어 재료에 요구되는 플럭스를 발생시키기에 바람직한 소형 인덕터에서 특히 중요하다.

바람직하게는, 환상 형상을 갖는 코일은 실질적인 원형 단면을 갖는 링 원환체(ring torus)이다. 이것은 또한 사용된 코일의 사이즈 및 중량당 자기장을 최적화하는 단계이다.

또한 바람직하게는, 코일은 1W/m*K 초과, 보다 바람직하게는 1.2 초과, 훨씬 더 바람직하게는 1.5 초과, 가장 바람직하게는 2 초과의 열전도도를 가져야 한다. 높은 열전도도는, 특히, 소위 충전율(fill factor)로도 불리는, 권선된 코일 내의 전체 체적에 대한 금속 체적을 크게 함으로써, 그리고 공기 및 가스 보이드를 감소시키고, 이들 보이드를 예를 들어 공기 또는 가스보다 높은 열전도도를 갖는 절연 재료 및 수지로 대체하는 한편, 또한 권선 내의 각 턴 사이에 충분한 전기 절연성을 갖게 함으로써 달성된다. 작동 하에서 코일에서의 손실에 의해 발생된 열이 코일의 외측면 및 최종적으로는 인덕터의 외측면에 쉽게 도달할 수 있게 하기 위해서 높은 열전도도가 요구된다. 낮은 코일 온도는 코일의 전체 성능에 유익할 뿐만 아니라, 보다 높은 효율 성능을 달성하고 절연 재료의 특성을 보호하여 그 수명을 증대시키는데 필요하다. 높은 충전율을 달성하기 위해서, 각 위치에서의 권선의 와이어의 단면은, 바람직하게는, 권선 내의 와이어의 인접한 턴에 꼭 맞도록 성형되어 권선 내의 중공형 보이드를 실질적으로 감소시킨다. 권선 내의 보이드를 방지함으로써, 부분적인 방전 절연 파괴(dielectric breakdown)의 위험성이 크게 감소된다. 코일 내의 각 개별 와이어의 단면 형상은 유리하게는 육각형일 수 있으며, 이것은, 원형 와이어를 권선하고 공기 또는 가스 보이드를 제거하기 위해 이 와이어를 압축하는 경우와 같이 서로 인접하게 밀착 배치되는 다수의 원형 와이어를 압축할 때의 자연적인 형상이 육각형이기 때문이다. 이것은 단면도에서 보아 완성된 코일의 둥근 외부 형상에 따라 최적으로 성형된 외부 와이어층을 예외로 한다. 코일에 사용된 도전성 재료는 코일에 사용하기에 적합한 임의의 재료, 바람직하게는 구리 또는 알루미늄일 수 있다.

와이어 부분을 인접한 와이어 부분으로부터 절연하는 절연층, 즉 와이어 턴을 다음 와이어 턴으로부터 절연하는 절연층은 전기 절연지(electrical insulating paper) 및/또는 수지로 제조된 재료인 것이 바람직하다. 하기에 설명되는 바와 같이, 절연지는 와이어 주위에 권취되고 와이어 및/또는 그 스트랜드 상에 존재하는 반경화성 또는 반베이킹형(half-baked) 수지에 의해 내부로부터 함침될 수 있다. 그 후, 수지는 예를 들어 열에 의해 경화된다. 그러나, 절연층은 충분한 절연성 및 용량성의 턴간 절연을 여전히 유지하면서 층이 얇아질 수 있게 하기에 충분한 절연성을 갖는 어떤 적합한 전기 절연 재료여도 된다.

와이어는 전체 전류 및 그 주파수에 따라 하나 이상의 별개로 전기 절연된 스트랜드로 구성될 수 있다. 보다 작은 직경의 스트랜드의 경우에, 표피 효과(skin effect) 관련 손실이 감소된다.

각 위치에서의 각 스트랜드의 단면은 인접한 스트랜드에 꼭 맞도록 성형되어 와이어 내의 보이드를 저감하는데, 이는 코일의 H-장 및 열전도도를 최적화하는 데 중요하다. 또한, 전체적으로 와이어에 관한 이러한 단면은, 원형 단면의 스트랜드를 압축하여 그 사이의 임의의 갭을 제거하는 경우에 자연적인 형상인 육각형인 것이 바람직하다. 이것은 완성된 코일의 외부 형상에 따라 최적으로 성형된 외부 스트랜드층을 예외로 한다.

코일을 형성하는 와이어가 다수의 스트랜드를 포함하는 경우에, 스트랜드의 다발은 완전 권선된 코일에 대해 대략 360°±90°로 최적으로 비틀어지고, 그에 따라 고주파에 의해 코일 내에 유발되는 근접 효과(proximity effect)를 크게 감소시킨다. 상술한 본질적으로 평행한 스트랜드를 사용함으로써, 단순한 리츠 와이어(litz wire)가 비용 효율적인 방식으로 성취된다. 바람직하게는, 스트랜드는 하기에 설명되는 바와 같은 경화성 수지 및 반경화성 수지에 의해 전기 절연된다. 전기 절연부는 스트랜드의 단면에 비해 매우 얇고, 얇은 폴리머 코팅, 얇은 수지층 등일 수 있다. 각 스트랜드가 유사한 전위, 최적으로는 동일한 전위를 가지므로, 절연부는 매우 두꺼울 필요는 없다.

스트랜드 절연부 상에 하나 이상의 반경화성 수지층을 사용함으로써, 코일 성형 공구 내에서 수지를 경화하고, 계속해서 코일을 공구로부터 탈형한 후 코일의 최적 형상을 유지하는 것이 가능하다. 코일은 우선 스트랜드 상의 반경화성 수지층(들)을 충분히 경화하기에 필요한 온도 레벨까지 가열된다. 또한, 반경화성 수지는 코일 내로부터 공기 공동(air cavity) 내로 유동하여 코일 내의 핫-스팟을 감소시켜서 열전도 특성을 향상시킨다. 더욱이, 반경화성 수지는 각 완성된 와이어 주위에 사용될 수 있는 외부 전기 절연지의 절연성 및 용량성 누설 특성을 향상시킨다.

코일의 외부 상에는, 제3 절연층이 부착되어 코일 상에 성형된 연자성 코어 재료에 대한 전기 절연성을 더욱 향상시킨다. 이러한 절연부는 코어 입자가 도전성 재료와 직접 접촉하지 않게 하여 와이어 사이 또는 코일로부터 코어 재료로의 절연 단락(dielectric short circuiting)을 방지하는 것이 중요하다. 이러한 목적을 달성하기 위해서, 전기 절연 수지 재료의 함침(impregnation)이 바람직하다. 이러한 제3 절연층은 또한 균일하거나 매끄러운 외측면을 보장하여, 핫-스팟을 생성하는 국소적인 높은 강도의 B-플럭스가 회피된다. 더욱이, 이 제3 절연층은 연자성 코어로의, 또한 코어 재료가 접지되는 경우 접지로의 용량성 누설을 감소시킨다.

또한, 본 발명의 목적은 예를 들어 인덕터에 적합한 자기 코어에 의해 달성되며, 코어는 금속 입자 및 바인더 재료로 이루어지는 연자성 성형가능 복합재(SM2C) 재료로 제조되고, 상기 입자는 1㎛ 내지 1000㎛의 범위에 있으며, 입자의 특정 부분, 즉 150㎛보다 큰 입자는 세라믹 표면으로 코팅되어 입자간 전기 절연을 제공하고, 전체 코어 체적에 대한 자기 금속 입자의 금속 충진율은 0.5 내지 0.9이다.

코어는 성형가능하고, 따라서 코일이 그 내부에 합체되기에 적합하다. 성형 프로세스는 코일과 코어 사이의 공기 또는 가스 보이드를 회피함으로써 코어와 코일 사이의 양호한 열적 결합을 달성할 수 있게 한다. 바인더 재료는 폴리머, 예를 들어 에폭시 또는 세라믹계 바인더(ceramic based binder)일 수 있다. 상기 금속 체적 충진율을 갖는 코어는 양호한 열전도 특성 및 입자간 절연으로 인한 높은 벌크 비저항(bulk resistivity)을 갖는다. 입자간 절연은 또한 고주파 특성을 향상시킨다. 코어가 성형되므로, 임의의 형상의 코어가 형성될 수 있다.

또한, 입자는 10㎛ 내지 800㎛의 범위에 있어, 코어 특성을 더욱 최적화하고 그 자기 특성을 증대시키는 것이 바람직하다. 선택되는 사이즈는 코어의 의도된 용도에 어느 정도 의존한다. 보다 작은 입자는 코어의 보다 양호한 고주파 특성을 제공한다.

금속 입자는, 6.5% 내지 7.5% Si, 바람직하게는 6.8% 내지 7% Si; 및 Fe로 이루어지는 나머지 입자로 구성되는 조성을 가질 수 있다. 분말은 가스 분무법(gas atomization)을 통해 제조되어 거의 구형의 입자 형상을 갖게 된다. 또한, 금속 입자는, 8% 내지 10% Si, 바람직하게는 9% Si; 5% 내지 7% Al, 바람직하게는 6% Al; 및 Fe로 이루어지는 나머지 입자로 구성되는 조성을 가질 수도 있다.

본 발명의 다른 목적은 자기 코어를 제조하는 방법을 제공하는 것이며, 이러한 제조 방법은, 금속 입자 및 바인더 재료로 이루어지는 연자성 복합 재료를 몰드 내에 배치하는 단계, 및 재료의 성형 및/또는 경화 단계 동안에 몰드 내에 자기장을 배열하여 코어 입자를 H-장과 자기적으로 정렬시키는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 자기장은 몰드 내에 코일을 배치하고 코일을 통해 전류를 흘림으로써 제조 동안에 달성된다. 코어에서 중요한 특징은 SM2C 재료 내의 입자가 코어의 의도된 용도의 H-장과 정렬된다는 것이다. 그러므로, 코어를 제조하는데 자기장이 사용되는 것이 바람직하며, 즉 인덕터가 제조되는 경우에 코일이 제조 동안에 자기장을 유도하는데 사용되는 것이 바람직하다. 코어가 다른 응용에 사용되면, 자기장은 다른 수단에 의해 유도될 수 있다.

본 발명의 목적은 또한 상술한 코일이 상술한 코어에 내장된 인덕터에 의해 달성되며, 코일은 그 표면 영역을 덮는 전기 절연층을 구비하고, 코어 내의 실질적으로 모든 상기 입자는 코일에 의해 생성된 H-장과 자기적으로 정렬된다.

상술한 개선된 코일을 상술한 개선된 코어와 조합하는 것에 의해, 최적 설계의 인덕터가 얻어진다. 코일은 최적으로 성형 및 구성되고, 최적으로 성형된 코어에 의해 정합될 수 있는데, 이는 코어가 어떠한 형상으로도 성형될 수 있기 때문이다. 코어를 위한 최적 형상은 코일을 덮는 환상 형상이다. 그리고, B-플럭스(B-flux)가 균일하게 분포되고, 보다 높은 강도의 플럭스로 인한 손실이 감소된다. 추가적으로, 코어 재료가 최적으로 사용되어 인덕터의 사이즈 및 중량에 영향을 미치는 과잉 재료를 제거한다. 코어와 코일 사이의 직접적인 열적 결합을 생성하는 설계에서의 보이드의 부재(absence)는 또한 코어 재료에서의 핫-스팟을 회피하는 동시에, 열전도를 최적화하여 코일 및 코어로부터의 열을 인덕터를 둘러싸는 주변 환경으로 인도하기 위한 것이다.

코일을 통해 흐르는 전류에 의해 유도된 H-장과 코어 내의 입자를 정렬시킴으로써, 인덕터의 성능을 더욱 향상시켜 투자율을 증가시키고 손실을 저감시킨다. 자기적으로 정렬된 입자는 코어 성형 및 경화 단계 이전 및/또는 동안에 코일을 통해 전류를 흘림으로써 얻어진다. 코일에 의해 유도된 자기장은 코어 내의 입자에 힘을 유발하여 이 입자가 자기장과 정렬하게 한다.

또한, 코일은, 이 코일의 중심을 통과하는 중심축(C)에 직각인 평면을 따르는 단면에서 보아, 중심축을 향해 코일의 내측 상에서의 코어의 단면적과 코어의 외측 상에서의 코어의 단면적을 실질적으로 동일하게 함으로써, 코일 표면으로부터 보아 모든 방향에서 코어 재료에 실질적으로 동일한 B-플럭스(모든 방향에서 동일한 체적)를 제공하는 최적 위치에 배열되는 것이 바람직하다. 그리고, 코어 재료는 균일하고 균질한 B-플럭스를 가져서 재료에서의 손실 특성을 최적화한다. 또한, 코어 재료는 최적으로 사용되어 인덕터의 사이즈 및 중량에 영향을 미치는 과잉 재료를 제거한다. (코어 및 코일의 환상 형상의 일치하는 중심축에 직각인 방향으로) 코일로부터 코어의 반경방향 외측 에지까지의 거리는 코일로부터 코어의 반경방향 내측 에지까지의 거리보다 짧아서, 코일의 반경방향 내부측 상에서의 코어 체적과 외부측 상에서의 코어 체적을 동일하게 한다.

코일은 상기 최적 위치로부터 오프셋되어 코일로부터 인덕터의 중심으로 향하는 자기 유동을 인덕터의 주변부로 향하는 자기 유동보다 크게 할 수도 있다. 이것은 인덕터에 의해 발생된 표유 자계를 감소시키고, 또한 인덕터의 제조 동안에 작은 기계적 공자에 대한 요구를 감소시킨다. 또한, 코어는 실질적인 환상 형상을 변경하는 표면 증대 구조물(surface increasing structure)을 포함하여 표면적을 증대시킬 수도 있다. 표면 증대 구조물은 코어의 표면 상의 핀(fin) 또는 리플(ripple)일 수 있어서 코어 외측면을 히트 싱크(heat sink)로 만들 수 있다. 본 발명의 다른 태양은 상술한 코일에 따른 코일을 제조하는 방법이며, 이러한 제조 방법은, 절연층을 와이어에 적용하는 단계, 중심축(C) 주위에 와이어를 권선하는 단계, 압축 수단을 이용하여 원형 단면을 갖는 링 원환 형상으로 권선을 압축하는 단계, 전체 코일을 외부적으로 전기 절연지로 절연하는 단계, 및 전체 코일을 전기 절연 수지로 함침하는 단계를 포함한다. 와이어를 압축하여 와이어를 정합시킴으로써 권선 내의 보이드를 충전시켜서 인덕터의 성능을 증대시킨다. 또한, 압축은 도전성 재료의 소성 변형을 야기할 수도 있다. 소성 변형과 함께 와이어의 정합은 코일을 바람직한 형상으로 성형하고 소망의 열전도성을 얻게 할 수 있다. 바람직하게는, 권선은 65MPa 초과의 등압(isostatic pressure)을 이용하여 압축되어 코일 내의 보이드를 실질적으로 제거하고 소망의 형상을 얻는다.

또한, 상기 압축 동안에 와이어에 전류가 가해질 수도 있다. 코일을 통해 흐르는 전류로부터 생기는 열은 와이어 절연부 상에 반베이킹형 수지층을 경화하여 압축 단계 후에 최적의 코일 형상을 유지할 수 있게 한다. 반베이킹형 수지는 또한 각 와이어 상에 배치될 수 있는 전기 절연지의 전기 절연 특성을 향상시키는 작용을 한다.

본 발명의 다른 태양은, 재료의 성형 및 경화 단계 이전 및/또는 동안에 코일을 통해 전류를 흘림으로써 코어 입자를 코일의 H-장과 자기적으로 정렬시키는 자기 코어를 제조하는 방법이다. 이러한 정렬은 또한 인덕터의 성능을 향상시켜 투자율을 증가시키고 손실을 저감시킨다.

성형가능한 SM2C(Soft Magnetic Mouldable Composite; 연자성 성형가능 복합재) 내에 본질적으로 환상인 형상의 코일로 제조된 인덕터는 많은 이점을 갖는다.

성형가능한 연자성 코어의 경우, 기하학적 특성이 연자성 코어 투자율에 대해 최적일 수 있다. 이러한 설계의 가장 큰 기술적 이익은, 인덕터의 전자기장에 대한 이론적으로 준최적의 플럭스 유로를 생성하여, 절연 재료의 수명을 줄이는 핫-스팟을 초래하고 인덕터의 손실을 초래하는 불필요한 코너 또는 모서리를 회피하는 것이다. 또한, 이것은 큰 열 분배 및 방열 특성을 갖는 콤팩트하고 균질한 설계이다. 코너 또는 모서리가 국부적인 포화를 야기하므로, 코일의 환상 형상은 또한 주어진 코어 재료 특성에 대한 가장 높은 정도의 유도(induction)를 생성한다. 상술한 바와 같이, 환상 형상의 코일의 높은 정도의 치밀도는 또한 H-장을 상당히 증대시켜서 인덕터를 상당히 소형으로 할 수 있어 요구 재료를 줄이고, 그 결과 유닛이 열전도도가 크면서 보다 소형이고 경량이며 비용 효율적이게 한다.

SM2C 코어 재료의 사용은 본 발명의 주요한 부분이다. 이것은 단순 제조 단계에서 코어의 최적 환상 형상을 형성/생성할 수 있게 하여 플럭스 경로 외측의 불필요한 재료를 회피한다. 절연된 코일의 표면 상에 재료를 직접 성형함으로써 달성된 코일과 코어 재료 사이의 직접적인 열적 결합은 권선 내에 발생된 열 손실이 인덕터의 외측면으로 용이하게 분배될 수 있게 하고, 이에 의해 이들이 용이하게 냉각될 수 있다. 성형 단계에서는, 필요한 경우 인덕터의 냉각 특성을 더욱 높이기 위해 냉각 핀 또는 리플을 형성하는 것이 더욱 간단하다.

본 발명의 상기 목적뿐만 아니라, 추가적인 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 취해질 때 본 발명의 바람직한 실시예의 하기의 예시적이고 비제한적인 상세한 설명을 참조함으로써 보다 충분히 이해될 것이다:
도 1은 인덕터용 코일의 사시도이다.
도 2a는 도 1의 코일의 단면도이다.
도 2b는 와이어의 스트랜드를 도시하는 도 2b의 단면도의 확대도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 코어에 통합된, 도 1 및 도 2에 따른 코일을 포함하는 인덕터의 사시도이다.

도 1은 인덕터용 코일(1)의 사시도를 도시한다. 코일(1)은 원환 형상이며, 도 2a에 도시된 코일의 단면에서 잘 보여지는 권선된 와이어(2)에 의해 형성된다. 코일은 절연층(11)으로 코팅 또는 권선된다. 도 2a에서는, 어떻게 와이어(2)가 절연층(3)을 가지며, 어떻게 코일(1)에서의 와이어 랩(wire lap)이 압축되어 각 내측 와이어 랩의 형상이 육각형으로 되어 실질적으로 모든 공간을 충전하여서 보이드(void)가 실질적으로 감소되게 하는지를 알 수 있다. 또한, 도 2a는 코일의 외측 와이어층이 전체 코일의 소망의 환상 형상에 따라 형성되어 외측 와이어층이 코일(1)의 부드러운 환상의 원환 형상을 따르게 하는 방법을 도시한다. 도 2b는 와이어(2)의 스트랜드(4)를 나타내는 도 2a의 단면도의 확대도를 도시한다. 와이어(2)의 스트랜드(4)는 예를 들어 폴리머 또는 수지의 얇은 층(5)으로 코팅되어 스트랜드를 서로 절연한다.

도 3은 본 발명에 따른 코어(7) 내에 통합된, 도 1, 도 2a 및 도 2b에 따른 코일(1)을 포함하는 인덕터(6)의 사시도이다. 코일(1)에 권선된 와이어의 단부(8, 9)를 볼 수 있다. 이들 단부(8, 9)는 인덕터의 작동 동안에 인덕터를 연결하는데 사용된다. 코어(7)는 히트 싱크(heat sink)(10)에 형성된 표면을 구비하여 표면적을 증대시켜서 인덕터의 방열 능력(heat sinking capability)을 증가시킨다. 코어의 단면에서 보아 코일로부터의 거리가 코어 내에 중심설정(centering)되지 않는다는 것을 도 3에서 또한 볼 수 있다. 코일로부터 그 중심 단부까지의 코어 재료의 거리(D2)는 코일로부터 코어의 주변 에지까지의 거리(D1)보다 길다. 이것에 의해, 실질적으로 동일한 체적의 코어 재료가 (인덕터의 중심축으로부터 먼) 코일의 외부측에서와 같이 코일의 중심측에 존재한다.

이제, 최적의 인덕터 설계의 기능을 설명하기 위해서 본 발명이 상세하게 기재된다.

코일

코일은 예를 들어 구리 또는 알루미늄의 격리 절연된 스트랜드로 구성된다. 각 스트랜드의 전기 절연부는 스트랜드의 전체 단면적에 비해 매우 얇고, 예를 들어 얇은 폴리머 코팅으로 이루어질 수 있다. 이것은 도전성 재료의 높은 충전율(fill factor)을 가능하게 하면서 고주파에서 낮은 표피 효과(skin effect) 손실을 유지한다.

스트랜드는 합쳐져서 와이어를 형성한다. 와이어는, 그 중에서도 전체 전류 및 그 주파수 성분에 따라서 하나의 스트랜드 또는 많은 스트랜드로 구성될 수 있다. 보다 작은 직경의 스트랜드의 경우, 표피 효과 관련 손실 및 프록시 효과(proxy effect) 손실이 감소된다.

모든 스트랜드를 평행하게 놓고, 다음에 코일당 대략 완전 1회전(360°±90°)으로 패키지를 비트는 것에 의해, 프록시 효과는 실질적으로 감소된다. 그러나, 스트랜드가 너무 많이 회전되면, 그것은 와이어의 충전율에 악영향을 미치고, 압력이 코일에 가해진 경우에 절연 코팅에 가능한 손상을 야기한다.

전기 절연층은 각각의 완성된 와이어 주위에 부착되어야 한다. 와이어 상의 절연층은, 와이어가 다중-턴의 원환형 코일을 형성하도록 권선된 경우에 생기는 결과인 기계적인 압력을 견디기에 충분한 인성을 가져야 한다. 이러한 재료는 와이어 사이의 절연 단락(dielectric short circuiting)을 방지하고 와이어간의 용량성 누설을 방지한다. 코일의 특성, 특히 열전도성 및 도전성 재료 충전율을 더 높이기 위해서, 코일이 압축될 수 있다. 스트랜드 절연부 상에 하나 이상의 반경화성 수지층을 사용함으로써, 코일 성형 공구 내에서 수지를 경화하고, 계속해서 코일을 공구로부터 탈형한 후 코일의 최적 형상을 유지하는 것이 가능하다. 코일은 예를 들어 코일을 통해 고전류를 흘림으로써 가열되고, 그에 따라 반경화성 수지가 스트랜드와 와이어 사이의 공기 공동(air cavity) 내로 유동하여 열전도성과, 절연성 및 용량성 누설 특성을 향상시킨다.

추가적인 제3 절연층(11)은 또한 코일의 외부에 부착되어 외부 환경, 본 실시예서는 성형된 코어로부터 코일을 절연시킨다. 이것은 절연층이 코일을 전부 덮는 것을 보장하고 이 절연층에는 수지가 사용된다. 수지는 또한 코일의 외측면을 매끄럽게 하여, 코일의 원환 형상을 따르게 하고 그 자기장과 잘 순응하고, 이것에 의해 핫-스팟을 회피한다.

연자성 코어

코일 주위에 성형된 연자성 코어는 또한 본질적으로 원환 형상이다. 또한, 코어의 형상은 예를 들어 장착 구멍 및 가열 플랜지가 갖춰질 수도 있다(도 3 참조).

코어의 본질적인 원환 형상은 정확한 양의 코어 재료를 최적으로 이용하여 인덕터의 코일 플럭스 경로 및 최적 기능에 필요/요구되지 않는 모든 불필요한 과잉 재료를 제거하는 기존 기술로부터 이익을 갖는다. 이것은 인덕터에 요구되는 중량 및 사이즈뿐만 아니라 재료 비용을 저감한다.

SM2C의 투자율은 설계에 맞도록 조절될 수 있다. 재료의 성형 및 경화 단계 동안에 코일을 통해 전류를 흘림으로써, 그 투자율을 10% 내지 15% 정도 높이는 것이 가능하다. 그리고, 코일의 H-장(H-field)은 각 개별 유닛의 플럭스 경로와 동일 또는 유사한 방향으로 주위 분말 입자를 최적으로 정렬시킨다. 경화 동안에 전류를 유지하는 것은 입자가 그 변경된 최적 위치를 유지하는 것을 보장한다. 이것은 플럭스가 흐르는 보다 용이한 경로를 생성하여 인덕턴스를 증가시키고 인덕터 손실을 감소시킨다.

코어는, 바람직하게, 축방향 대칭 방식으로 배치되어, 플럭스 라인에 직각인 코어 재료의 영역은 인덕터의 모든 부분에서 대략 동일하다.

입자 사이즈 분포는 최적화된 정적 및 동적 자기 특성과 조합하여 분말의 양호한 충진을 제공하도록 선택된다.

코어 내에서의 입자간 전기 전도를 회피하기 위해서, 입자는 성형 프로세스 이전에 얇은 절연층으로 코팅된다. 절연층은 예를 들어 세라믹 나노-입자로 제조될 수 있으며, 이것은 성형된 코어의 벌크 비저항(bulk resistivity)을 높이고, 그에 따라 고주파 유도 와전류를 감소시킨다.

Claims

중심축(C) 주위에 원형으로 권선된 금속 와이어(2)로 구성되는 인덕터용 코일(1)에 있어서,
상기 와이어는 권선 내의 와이어의 각 턴을 이웃하는 턴으로부터 절연하는 전기 절연층(3)을 구비하고,
상기 와이어(2)는 하나 이상의 전기 절연 스트랜드(4)를 포함하며, 다수의 스트랜드(4)는 완전 권선된 코일에 대해 360°±90°로 비틀어지고,
상기 코일(1)을 형성하는 완성된 권선의 형상은 와이어 권선 방향에 직각인 평면에서 타원형 단면을 갖는 환상(toroidal) 형상을 가지며,
상기 권선된 코일은, 상기 코일의 열전도도가 0.8W/m*K가 넘게 되게 하는 레벨의 충전율(fill factor), 즉 전체 체적에 대한 금속 체적의 비율을 갖는, 코일.
제1항에 있어서,
상기 환상 형상은 원형 단면을 갖는 링 원환체인, 코일.
제1항에 있어서,
상기 스트랜드(4)는 경화성 수지, 또는 경화성 및 반경화성 수지(5)에 의해 전기 절연되는, 코일.
제1항에 있어서,
각 위치에서의 각 스트랜드(4)의 단면은 인접한 스트랜드에 꼭 맞도록 성형되어 와이어 내의 보이드를 감소시키는, 코일.
코어(7)에 내장된, 제1항에 따른 코일(1)을 포함하는 인덕터(6)에 있어서,
상기 코어(7)는 금속 입자들 및 바인더 재료로 이루어지는 연자성 복합 재료로 제조되고,
상기 코일(1)은 그 표면 영역을 덮는 전기 절연층(11)을 구비하고, 상기 코어의 금속 입자들은 상기 코일의 H-장과 자기적으로 정렬되는, 인덕터.
제5항에 있어서,
상기 코어(7)는 코일을 덮는 환상 형상을 갖는, 인덕터.
제5항에 있어서,
상기 코일(1)은, 코일의 중심을 통과하는 중심축(C)에 직각인 평면을 따르는 단면에서 보아, 중심축을 향해 상기 코일의 내측 상에서의 코어의 단면적과 상기 코어의 외측 상에서의 코어의 단면적을 동일하게 함으로써, 코일 표면으로부터 보아 모든 방향에서 코어 재료에 동일한 자기 유동을 제공하는 최적 위치에 배열되는, 인덕터.
제7항에 있어서,
상기 코일(1)은 상기 최적 위치로부터 오프셋되어 상기 코일로부터 인덕터의 중심으로 향하는 자기 유동을 인덕터의 주변부로 향하는 자기 유동보다 크게 하는, 인덕터.
제5항에 있어서,
상기 코어(7)는 환상 형상을 변경하는 표면 증대 구조물(10)을 포함하여 표면적을 증대시키는, 인덕터.
제1항에 따른 코일(1)을 제조하는 방법에 있어서,
절연층을 와이어(2)에 적용하는 단계,
중심축(C) 주위에 상기 와이어(2)를 권선하는 단계, 및
압축 수단을 이용하여 원형 단면을 갖는 링 원환 형상으로 권선을 압축하는 단계를 포함하는, 코일 제조 방법.
제10항에 있어서,
압축 동안에 상기 와이어(2)에 전류가 가해지는, 코일 제조 방법.
제6항에 따른 인덕터를 제조하는 방법에 있어서,
금속 입자들 및 바인더 재료로 이루어지는 연자성 복합 재료를 몰드 내에 배치하는 단계, 및
상기 재료의 성형 및/또는 경화 단계 동안에 상기 몰드 내에 자기장을 배열하여 상기 금속 입자들을 H-장과 자기적으로 정렬시키는 단계를 포함하는, 인덕터 제조 방법.
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