KR20190073552A - 파워 일렉트로닉스 시스템용 컴팩트형 자력 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자력 유닛(100)에 관한 것으로, 서로 직교하는 제 1 교차 축, 제 2 교차 축, 및 제 3 교차 축(A-A, B-B, 및 C-C) 둘레에 각각 배열된 제 1, 제 2, 및 제 3 권취 채널들(2a, 2b, 및 2c)을 가지는 자기 코어(10)를 포함하며, 각각의 권취 채널(2a, 2b, 및 2c)은 상기 자기 코어(10) 둘레에 권취된 적어도 하나의 코일을 각각 수용하고, 각 코일은 적어도 1 회의 권취(turn)를 가진다. 교차 축들은 8분 공간들을 제공하는 직교 평면들을 규정하고, 각 공간은 돌출 스페이서(20)를 규정하는 돌출부를 포함하며, 상기 돌출 스페이서들(20)은 상기 권취 채널들(2a, 2b, 및 2c)에 의해 서로 이격된다.
상기 자기 코어(10)는, 각각 4개의 돌출 스페이서들(20)을 가지는 2개의 측 부분 자기 코어들(12)을 포함하는 복수의 부분 자기 코어들이 조립된 코어다. 상기 자기 코어(10)는 방열 장치(50)를 하우징하는 관통 홀(30)을 더 포함한다.

Description

파워 일렉트로닉스 시스템용 컴팩트형 자력 유닛

본 발명은 상당히 감소된 크기의 집적된 자력 유닛(magnetic power unit)에 관한 것으로, 상기 자력 유닛은 서로 직교하는 제 1 교차 축, 제 2 교차 축, 및 제 3 교차 축을 중심으로 해서 각각 배열된 제 1, 제 2, 및 제 3 권취 채널들과, 상기 권취 채널들 중의 적어도 2개, 및 일반적으로 3개는 자기 코어를 둘러서 권취된 각 적어도 하나의 코일을 수용하고, 각각의 코일은 적어도 1 회의 권취(turn)를 가지며, 상기 자력 유닛은 비금속성 열 전도성 요소를 포함하는 상기 코어의 방열(heat dissipation)을 위한 하나의 장치를 더 포함한다.

제안된 자력 유닛은 바람직하게는 10KHz 내지 1MHz의 주파수의 자기장들을 사용하는 것을 의미하는 스위치드 파워 일렉트로닉스 시스템들(switched power electronics systems)용 고 주파 변압기들용으로 특별히 고안되었으며, 여기서 열은 전기도전성 요소들로 배출될 수 없는데, 이는 배출된 열보다 손실들이 더 클 것이기 때문이다.

이러한 자력 유닛은 특히 전력 분야의 변압기 또는 인덕터로서 사용되도록 구성되고, 고 전력 전기 장치를 작동시키도록 고안되었으며, 특히 현재 꽤 빠르게 성장하고 있는 하이브리드 및 전기 자동차들(HEVs)의 분야에서 유용하다. 전기 자동차들의 새로운 모델들은 전기 모터에 속도 및 토크 제어를 제공할 뿐만 아니라, 고-전압(HV) 배터리를 충전하고, 안정적인 자동차-내 연속 저-전력(LV) 전력 공급을 위해 더욱 더 많은 전력 전자부품을 내부에 필요로 한다.

본 발명의 자력 유닛은, 코어 내 모든 지점에서 2개 또는 3개의 실질적으로 직교하는 자기장들을 생성하기 위해, 그의 둘레에 여러 개의 직교하는 권선들을 포함하는 자기 코어를 갖는 자력 유닛들에 대한 새로운 체적 효율 개념(주로 3D 자기 플럭스가 관계될 때, 높은 컴팩트성(compacity) 및 더 나은 체적 성능)에 더욱 응답한다.

본 설명에서, 평행, 수직, 접선 등과 같은 기하학적 위치에 대한 언급들이 있으면, 이러한 용어들에 의해 정의된 이론적 위치로부터 ±5°정도의 편차들이 허용된다는 것을 이해될 것이다. 주어진 값들의 임의의 범위는 극한 값들의 경우에는 최적이 아닐 수도 있으며, 이러한 극한 값에 맞게 본 발명을 구성할 필요가 있으며, 이는 본 발명의 당업자에게 용이하다.

미국 특허 제 4210859 호는 자기 코어 및 코어 내의 모든 지점에서 2개 또는 3개의 실질적으로 직교하는 자기장들을 생성하기 위한 직교 권선들을 포함하는, 다양한 용도들에서 인덕터 또는 변압기로서 이용될 수 있는 유도성 장치를 개시한다. 　이러한 특허 문헌의 도 16 및 도 17은 동일한 코어 상에 몇 개의 직교 권선들을 수용하는 유도성 장치 구조들에 대한 실시예들을 개시한다. 그러나, 이러한 개시는, 3축 유도 장치를 상세화할 때, 코어의 구성 및 인덕터의 자기-발열과 관련된 적어도 2개의 문제들을 해결하지 못하면, 이러한 개시가 변압기일 때 또는 변압기와 관련될 때, 상기 인덕터의 자기-발열과 관련된 문제는 주로 고 전력으로 작동할 때 제안이 실질적으로 실현불가능하도록 한다.

특히 전력 전압기들의 경우, 자기 유닛들의 코어로부터 (생성된 푸코(Foucault) 전류에 의해 생성된) 열을 제거하기 위해 상이한 방법들이 시도되었다.

DE19814896은 높은 포화 자기 유도(saturation induction) 및 낮은 자기 손신들을 갖는, 연자성 고 투자율 재료로 이루어진 폐쇄된 원통형 코어를 갖는 고 전류용 전력 변압기를 개시한다. 이는 1차 코일 및 2차 코일로 권취되어 있다. 코어는 적절한 수지로 충진된 케이싱 내에 있다. 코어에 부착된 중심에는 유닛을 냉각시키기 위한 액체가 충진된 금속성 본체 용기로 이루어진 적어도 하나의 절연된 막대-형상 또는 튜브형 히트 파이프(9)가 설치된다. 히트 파이프는 변압기 권선의 적어도 일 부분을 형성한다.

EP0498897 (B1)에는 전자 장치들 내의 가열 부분들용 냉각 수단으로서 사용할 수 있는 전기 배선 재료 및 냉각 수단을 겸하는 일 측 코일을 갖는 변압기가 개시된다. 이러한 문헌은 냉각 기능이 제공된 전기 권선들용 재료를 개시한다. 이러한 재료는 작동 액체가 밀봉된 가는 중공 도전체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 이러한 EP 특허는 전기 권선들용 재료가 저 전압 측 상의 코일용으로 사용되는 변압기에 관한 것이다. 그를 통해 흐르는 큰 전류에 의해 가열된 코일은 그 자체로 열을 소산하기 때문에, 다른 코일 수단을 제공할 필요가 없다.

US6777835B1은 전력 냉각 기술 및 특히, 주변에 저 저항 열 경로를 제공하기 위해 고-전력 변압기의 권취 층들과 철 코어 적층판들(laminates) 사이에 개재된 열 전도성 재료를 사용하여 고 전력 전기 변압기 및 전기 모터들을 냉각시키기 위한 장치를 개시한다. 일 실시예에서, 열 전도성 스트립들이 권선들 사이의 사전선택된 위치들에 배열되고, 바람직하게는 고 탄성율의 그래파이트 적층판 재료로 이루어져, 단방향인 그의 섬유 배향을 따라 열을 전도시키는 동안, 열은 코어를 통해 베이스 플레이트로 소산된다.

그러나, 열을 배출시키는 것으로 설명된 열 전도성 재료는 자기 유도 손실들 또는 와상 전류들(Eddy currents)에 의해 그래파이트에서 유도된 열이 배출될 열보다 높기 때문에 전기를 전도하고 고-주파 자기장들에서 작용할 수 없는 재료이다.

US20150310976은 함께 적층되어 2개의 평행한 기둥들을 형성하는 자기 블럭들(프리즘형이며, 돌출부들 또는 채널들이 없음)을 포함하는 자기 요소 및 상기 기둥들의 단부들을 연결하여 폐쇄된 자기 플럭스 경로를 생성하는 2개의 자기 플레이트들을 포함하며, 상기 자기 플럭스 경로는 다른 자기 블럭들에 면하는 각 자기 블럭의 표면들에 수직인 방향으로 상기 기둥들을 둘러서 권취된 도전성 코일들에 의해 생성된 자기 플럭스를 배향한다. 각각의 평행한 기둥들은 자기 블럭들의 자기-발열을 야기하는 자기장을 생성하는, 도전성의 권취된 코일을 포함한다. 금속성 열 전도 파이프는 적어도 하나의 기둥을 통해 배치되어 방열에 의한 냉각 효과를 발생시킨다. 이전의 경우에서처럼, 히트 파이프에 사용된 재료는 고-주파 자기장과 호환되지 않는다.

이러한 문헌은 몇몇 적층된 자기 블럭들의 배열이 다른 자기 블럭들을 면하는 자기 블럭들의 표면들에 수직인 방향으로 자기 플럭스를 어떻게 유도할 수 있는지를 교시하나, 적층된 자기 블럭들을 사용하여 자기 플럭스가 상이한 방향으로 어떻게 적절하게 지향될 수 있는지에 대하여, 및 특히 복수의 적층된 자기 블럭들로부터 어떻게 자기 요소를 생성하는지에 대한 어떠한 힌트도 제공하지 않으며, 상기 자기 요소는 상기 자기 요소를 둘러서 권취된 몇몇 직교 코일들에 의해 생성된, 상기 자기 요소 내의 복수의 직교 자기 플럭스들을 적절하게 전도한다.

또한, US2015310976의 교시는 특히 3D-전력 유닛에 대한 구조에 대한, 복잡한 형태 구조를 갖는 고도로 컴팩트형인 자력 유닛과는 거리가 멀다.

EP1315178은 2개의 부분들로 이루어진 플라스틱 쉘 내에 놓인 입방 자기 코어를 기재하며, 각 부분은 권취 채널들을 규정하기 위한 4개의 돌출부들을 포함하지만, 자기 코어는 쉽게 생산가능한 정규 입방체이다.

전술된 인용된 배경과 대조적으로, 본 발명의 자력 유닛은 스위치드 파워 일렉트로닉스용 고 주파 변압기들(10KHz 내지 1MHz)용으로 특별히 고안되었으며, 코어 및 구리의 손실들에 의해 생성된 열 효과들은 이전에 인용된 문헌들의 대다수와 같이 전기 분야(50Hz 내지 60Hz)의 변압기들 내에 있는 것들보다 몇 배 더 높다.

EP1526606은 3개의 코일들이 권취된 3개의 직교하는 권취 채널들을 규정하는 8 개의 돌출부들을 포함하는, 평면 자기 코어로 구성된 3축 안테나를 기재한다. 개시된 안테나는 자력 유닛과 상이한 요건들을 가지는데, 이는 본 실시예의 안테나들 및 평면 형상에 통상적으로 사용되는 저 전력은 자기 코어의 과열을 피하며, 평면 자기 코어를 냉각시키기 위한 장치가 불필요하기 때문이다. 본 발명은 코어의 특수한 구성 및 효과적인 방열을 위한 관련 수단을 포함함으로써 상기 문제들을 해결한다. 이러한 방식으로, 다른 공지된 자기 유닛들의 평균 크기보다 최대 50% 작고, 전력 밀도는 200W/cm³까지 증가한 고 자력 유닛이 획득된다.

본 발명의 교시는 하나 이상의 변압기들 또는 하나 이상의 인덕터들 및/또는 자기적으로 결합된 또는 결합되지 않는 변압기들 및 인덕터들의 조합들로 구현될 수 있는 자기 유닛을 제공한다.

본 발명은 고도로 컴팩트형인 자력 유닛을 제공하며, 상기 컴팩트형 자력 유닛은 특히 전력 산업에서 변압기 또는 인덕터로서 사용되도록 구성되며, 특히 전기 자동차 분야(주로 하이브리드 및 전기 자동차들용)에 적용가능하며, 서로 직교하는 제 1, 제 2, 및 제 3 교차 축들을 중심으로 해서 각각 배열된 제 1, 제 2, 및 제 3 권취 채널들을 포함하는 자기 코어를 포함하며, 상기 권취 채널들 중 적어도 2개는 상기 자기 코어를 둘러서 권취된 적어도 하나의 코일을 각각 수용하며, 각 코일은 적어도 1 회의 권취(turn)를 갖는다. 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 교차 축들은 8개의 8분공간들(octants)을 제공하는 직교 평면들을 규정하며, 각 공간은 돌출 스페이서(protruding spacer)를 규정하는 돌출부를 포함하며, 상기 돌출 스페이서들은 상기 권취 채널들에 의해 서로 이격된다. 인용된 미국 특허 제 4210859 호의 도 17은 이러한 코어를 단일체로 개시한다.

본 발명에 따르면, 상기 자기 코어는 부착부에 의해 함께 조립된 적어도 2개의 상이한 부분 자기 코어들(partial magnetic cores)에 의해 형성되어, 적층 구조의 조립된 코어가 되며, 상기 부분 자기 코어들은 2개의 측 부분 자기 코어들(side partial magnetic cores)을 포함하며, 각 측 부분 자기 코어는 4개의 돌출 스페이서들을 포함하며, 상기 자기 코어는 내부에 수용된 방열 장치(device for heat dissipation)와 연결된 관통 홀 또는 캐비티를 포함한다. 상기 방열을 위한 관통 홀은 상기 제 1, 제 2 , 또는 제 3 평면들 중 하나에 수직하며, 적어도 2개의 부분 자기 코어들을 통해 연장된다.

상기 방열 장치는 비전기 도전성 요소를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 상기 방열 장치는 비금속성 열 전도성 요소일 것이다.

본 발명에 따르면, 비금속성 열 전도성 요소는 상기 자기 코어의 홀 또는 내부 캐비티의 내부(그의 내부 거의 모두에 히트 파이프가 위치됨)에 배치되며, 그의 단부들 중 하나에 방열 부재를 포함하는 히트 파이프이다.

일 실시예에서, 비전기 전도성 히트 파이프는 열가소성 또는 세라믹 재료로 이루어진다. 상기 히트 파이프는 자성 또는 비자성, 상자성 또는 반자성 특성을 갖는다는 것은 당연하다. 바람직한 실시예에서, 상기 히트 파이프는 상기 적어도 하나의 코일의 적어도 1 회의 권취를 포함하는 평면에 직각인 축(A-A)과 동축으로 배치되어, 상기 자기 코어를 통해 연장되는 상기 히트 파이프가 그 내부에서 발생된 열을 포획한다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 히트 파이프는 상기 자기 코어의 상기 관통 홀 또는 캐비티 내에 배치되고 방열 플레이트와 연통된다.

바람직한 실시예에 따라, 상기 히트 파이프는 (당 업계에 공지된 기술에 따라) 저 비점 유체로 충진된 중공(hollow) 파이프이다.

제 1 실시예에서, 조립된 코어는 상기 2개의 측 부분 자기 코어들 사이에 개재된 돌출 스페이서들이 결여된 적어도 하나의 추가 중심 부분 자기 코어를 포함하며, 즉 코어는 3개의 부품들로 이루어진다. 상기 부분 자기 코어들은 보조 요소들을 사용하여 기계적 접합 부착을 통해 함께 조립되거나 또는 대안적으로 이들은 접착제를 통해 함께 조립된다. 일 실시예에서, 조립된 코어는 직육면체, 입방체, 또는 구형 중에서 선택되는 일반적인 기하학적 형상을 갖는다.

개시된 구조에 따른 자력 유닛은 플럭스 폐쇄 자기 커버들에 의해 추가로 둘러싸인다. 일 실시예에서, 각 플럭스 폐쇄 커버는 외주 면들을 통해, 각 플럭스 폐쇄 커버에 수직인 2개 또는 4개의 플럭스 폐쇄 커버들과 접촉한다. 또한 일 실시예에서, 인용된 외주 면들은 경사져 있다. 또한, 각 플럭스 폐쇄 커버는 플럭스 폐쇄 커버가 상기 돌출된 스페이서들과 접촉할 때 권취 연결 창들을 제공하는 4개의 노치들을 포함한다.

일 실시예에서, 코어는 직육면체이며, 상기 플럭스 폐쇄 커버들은 2 또는 3쌍의 플럭스 폐쇄 커버들로 구성되며, 각 쌍의 커버들은 상기 조립된 자기 코어의 2개의 반대편 측면들에 각기 배치되고, 각각의 커버는 4개의 상이한 돌출 스페이서들과 접촉한다.

기재되지 않은 다른 실시예(그러나 미국 특허 제 4210859 호의 도 16에 있는 것과 동일할 것임)에서, 상기 조립된 자기 코어는 구형의 일반적인 기하학적 형상을 가지며, 상기 플럭스 폐쇄 커버들은 적어도 2개의 반대편 구형 캡들로 구성되고 각 플럭스 폐쇄 커버는 4개의 상이한 돌출 스페이서들과 접촉한다.

본 명세서에 개시된 상기 조립된 자기 코어 및/또는 상기 플럭스 폐쇄 커버들은 페라이트, 강자성 재료, 또는 PBM(폴리머-결합 연자성 재료) 주입가능 재료 중에서 선택된 재료로 이루어진다.

상기 제안된 자기 유닛은 다음 중 임의의 것인 상이한 실시예들 하에서 구현 될 수 있다:

- 3개의 각 직교 축에 권취된 3개의 코일들을 포함하는 변압기;

- 2개의 각 직교 축에 권취된 2개의 코일들 및 코일이없거나 초크를 포함하는 제 3 직교 축을 포함하는 변압기;

- 3개의 각 직교 축에 권취된 3개의 코일들을 포함하거나 2개의 각 직교 축에 권취된 2개의 코일들을 포함하는 초크;

- 3개의 직교 축들 각각에 3개의 코일들을 포함하는 변압기, 또는 자기적으로 결합되거나 결합해제된 3개의 직교 축들에 배열된 변압기와 초크의 임의의 조합.

바람직한 실시예에서 상기 방열을 위한 상기 관통 홀은 상기 제 1, 제 2, 또는 제 3 평면들 중 하나에 수직하며, 적어도 2개의 부분 자기 코어들을 통해 연장된다. 바람직하게는, 상기 히트 파이프는 상기 적어도 하나의 코일의 적어도 1 회의 권취를 포함하는 평면에 직각인 축과 동축으로 배치되어, 상기 히트 파이프는 상기 자기 코어를 통해 연장되어 상기 자기 코어 내에 생성된 열을 포획한다.

일 실시예에 따르면, 상기 히트 파이프는 저 비점을 갖는 유체로 충진된 중공 파이프이고, 예를 들어 상기 히트 파이프는 자성 또는 비자성, 상자성 또는 반자성 특성을 갖는 열가소성 또는 세라믹 재료로 이루어질 수 있으며, 상기 방열 부재는 플레이트를 포함할 것이다.

본 발명의 다른 특징들은 첨부된 도면들에 관한 일부 실시예들의 다음의 상세한 설명으로부터 나타난다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자력 유닛의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 특정 실시예에 따른 자력 유닛의 분해도이다;
도 3은 도 2의 자력 유닛의 부분 분해도이다;
도 4는 도 1의 자력 유닛을 둘러서 권취된 3개의 코일들의 배열을 개략적으로 도시한다;
도 5는 본 발명의 특정 실시예에 따른 자력 유닛의 사시도이다;
도 6은 본 발명의 특정 실시예에 따른 자력 유닛의 분해도이다;
도 7은 본 발명의 특정 실시예에 따른 자력 유닛의 사시도이다.

도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따른 자력 유닛(magnetic power unit)(100)를 도시한다.

도 1과 관련하여, (다른 DC/DC 전력 변압기 및 충전기 보드 상의 DC/AC 변환기 또는 DC/DC 전력 공급 유닛들과 관련된) 특히 전력 산업 및 특히 하이브리드 및 전기 자동차들의 분야의 변압기 또는 인덕터로서 사용되도록 구성된 컴팩트형 자력 유닛(100)이 도시된다. 컴팩트형 자력 유닛(100)은 하나 이상의 직교 코일들을 그를 둘러서 권취할 수 있게 하는 자기 코어(magnetic core)(10) 및 냉각 구조라고도 불리는 방열 장치(device for heat dissipation)(50)를 포함한다.

자력 유닛(100)는 서로 직교하는 제 1, 제 2, 및 제 3 축(A-A, B-B, 및 C-C)을 중심으로 해서 각각 배열된 제 1, 제 2, 및 제 3 권취 채널들(2a, 2b, 및 2c)을 포함하는 자기 코어(10)를 포함한다. 각각의 권취 채널(2a, 2b, 및 2c)은 자기 코어(10)를 둘러서 권취된 적어도 1 회의 권취(turn)를 갖는 적어도 하나의 코일을 수용하기 위한 것이다. 하나 이상의 권취 채널들(2a, 2b, 및 2c)을 둘러서 권취된 하나 이상의 코일들의 수 및 배열에 따라, 자력 유닛(100)은 이하의 상세한 설명에서 보다 상세하게 논의될 상이한 작동 구성들을 제공한다.

3개의 축들은 수직으로 쌍을 이루며, 권취 채널들이 각각 위치되는 제 1, 제 2, 및 제 3 평면을 규정한다. 예를 들어, 제 1 축(A-A)을 중심으로 해서 배치된 제 1 권취 채널(2a)은 다른 두 축(B-B 및 C-C)에 의해 규정되는 제 1 평면에 있다(즉, 제 1 평면은 제 1 축(A-A)에 수직인 평면이고, 그 상에 축들(B-B 및 C-C)이 놓인다).

3개의 평면들은 8개의 8분공간들(octants)을 규정하며, 각각은 돌출 스페이서(20)를 규정하는 돌출부를 포함한다. 8개의 돌출 스페이서들(20)은 권취 채널들(2a, 2b, 및 2c)에 의해 서로 이격된다.

도 1과 관련하여, 히트 파이프(heat pipe)(51)는 권취 채널(2a)을 둘러서 권취된 코일의 적어도 1 회의 권취를 포함하는 평면에 직각인 축(A-A)와 동축으로 배치된다.

도 1에 도시된 자기 코어(10)의 간단하고 신뢰성있는 제조를 가능하게 하기 위해, 자기 코어의 본체는 바람직하게는 부착 수단에 의해 함께 조립된 적어도 2개의 부품들(11 및 12)로 구성된다. 이 경우, 자기 코어(10)는 페라이트, 강자성 재료, 또는 PBSM(Polymer Bonded Soft Magnetic) 주입가능 재료 중에서 선택된 자성 재료로 이루어진 복수의 상이한 부분 자기 코어들(partial magnetic core)(11 및 12)에 의해 형성된다. 부분 자기 코어들은 적층된 구성(즉, 부분 자기 코어들이 서로 적층됨)에서, 조립된 코어(10)를 형성하는 부착수단에 의해(예를 들어, 접착제에 의해) 함께 조립된다.

도 1과 관련하여, 자기 코어(10)는 중심 부분 자기 코어(central partial magnetic core)(11) 및 2개의 측 부분 자기 코어들(side partial magnetic cores)(12)을 포함하는 3개의 상이한 부분 자기 코어들에 의해 형성되는 것이 바람직하며, 양-측 부분 자기 코어(12) 각각은 4개의 돌출 스페이서들(20)을 포함한다. 중심 부분 자기 코어(11)는 양-측 부분 자기 코어들(12) 사이에 개재되며, 돌출 스페이서들(20)이 없다. 이러한 실시예에서, 양-측 부분 자기 코어들(12)은 접착제(도시되지 않으며, 자기 코어(10)의 치수들에 대해 무시할 수 있는 두께를 가짐)에 의해 중심 부분 자기 코어(11)에 부착되도록 구성되는 실질적으로 편평한 표면을 갖는다.

바람직하게는, 조립된 코어(10)는 조립될 때 직육면체 또는 입방체의 일반적인 기하학적 형상을 갖는다. 이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 돌출 스페이서(20)는 실질적으로 입방체 형상인 일반적인 기하학적 형상을 갖는다. 조립될 때, 조립된 코어(10)가 구형의 일반적인 기하학적 형상을 갖는 대안적인 실시예(도시되지 않음)가 제공될 수 있다. 이러한 마지막 경우에서, 각각의 돌출 스페이서(20)는 둥근 외부 표면을 포함하는 일반적인 기하학적 형상을 갖는다.

일부 실시예들은 각각 돌출 스페이서들(20)을 갖는 2개의 자기 코어들(예를 들어, 동일한 형상을 가지며 대칭으로 조립되도록 구성된 2개의 절반의 부분 자기 코어들)만으로 형성되거나, 3개 초과의 부분 자기 코어들로 형성되는 자기 코어(10)를 제공할 수 있다. 이러한 마지막 경우에서, 바람직하게는 4개의 돌출 스페이서들(20)을 각각 포함하는 2개의 측 부분 자기 코어들(12) 및 서로 적층된 돌출 스페이서들(20)이 없는 복수의 중심 부분 자기 코어들(11)에 의해 형성되는 자기 코어(10)를 제공할 수 있다.

일반적으로, 자기 코어(10)는 부착수단에 의해 서로 조립된 적어도 2개의 상이한 부분 자기 코어들에 의해 형성되며, 4개의 돌출 스페이서들(20)을 각각 갖는 2개의 측 부분 자기 코어들(12)을 포함한다. 바람직하게는, 자기 코어(10)는 양-측 부분 자기 코어들(12) 사이에 개재된, 돌출 스페이서들(20)이 없는 적어도 하나의 추가적인 중심 부분 자기 코어(11)를 포함한다.

도 1 및 도 2와 관련하여, 자기 코어(10)는 방열 장치(50)와 관련된 관통 구멍(30)을 포함한다. 바람직하게는, 관통 구멍(30)은 제 1, 제 2, 또는 제 3 평면들 중 하나에 수직이며, 보다 바람직하게는, 관통 구멍은 제 1, 제 2, 또는 제 3 축 중 하나와 실질적으로 동축이다. 도 2와 관련하여, 관통 구멍(30)은 양-부분 측 자기 코어들(12)을 통해, 및 결과적으로 중심 부분 자기 코어(11)를 통해 연장한다.

방열 장치(50)는, 열 전도성 재료로 이루어지며, 바람직하게는 전기적으로 비도전성 재료로 이루어지는 방열 파이프(51)를 포함한다. 방열 파이프(51)는 관통 구멍(30) 내에 배치되고, 바람직하게는 상기 방열 파이프가 제조된 동일한 재료로 제조되는 방열 플레이트(52)에 연결된다. 보다 바람직하게는, 방열 파이프(51)는 유체로 충진된 중공(hollow) 파이프이다. 일부 실시예는 소산 파이프(51)가 자성 또는 비자성 재료로 이루어지거나 상자성 또는 반자성 재료로 이루어지는 것을 제공할 수 있다.

자성 코어(10)에는 방열 장치(50)를 구성하는 거의 모든 비금속성 열 전도성 요소를 수용하기 위한 관통 구멍(30)이 제공된다. 특히, 비금속성 열 전도성 요소는 자성 코어(10) 내부에 배치되도록 구성된 히트 파이프(51)이다. 일부 실시예들은 블라인드 홀, 일반적으로 그의 내부에 히트 파이프(51)가 배치될 수 있는 구멍 또는 내부 캐비티(30)을 갖는 자기 코어(10)를 제공할 수 있다.

방열 장치(50)는 그의 단부들 중 하나에서 히트 파이프(51)에 연결된, 방열 부재(52), 바람직하게는 방열 플레이트를 포함한다. 히트 파이프(51)는 자기 코어(10) 내로 발생된 열을 포획하여 열을 소산 판(52)으로 전달할 수 있게 한다. 따라서, 컴팩트형 자력 유닛(100)은 보다 우수한 체적 성능(특히 3개의 직교 권선들이 포함될 때 3D 자기 플럭스를 제공함)을 제공하고, 따라서 약 200W/cm³의 값까지 밀도 에너지를 지지할 수 있다. 이러한 방식으로, 컴팩트형 자력 유닛(100)는 일부 전력 용도(예를 들어, 자동차 분야에서의 배터리 충전)에서 발생할 수 있는 과열의 위험없이 감소된 치수들로 실현될 수 있다.

바람직하게는, 히트 파이프(51)는 열가소성 또는 세라믹 재료로 이루어진다. 더욱 바람직하게는, 상기 히트 파이프(51)는 당 업계에 공지된 기술을 구현하는 저비점 유체로 충진된 중공 파이프이다.

컴팩트형 자력 유닛(100)은 자성 코어(10) 상의 구멍(30)의 배치를 보다 명료하게 하기 위해 도 1에 도시되지 않은, 자성 코어(10)를 둘러서 권취된 적어도 하나의 코일을 포함한다. 자기 코어(10)를 둘러서 권취된 2개 이상의 직교 코일들(도 3 참조)의 수 및 배열에 따라, 컴팩트형 자력 유닛(100)은 이하의 설명에서 보다 상세하게 논의될 상이한 작동 구성들을 제공한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 자력 유닛(100)은 바람직하게는 페라이트, 강자성 재료, 또는 PBSM(Polymer Bonded Soft Magnetic) 주입가능 재료 중에서 선택된 재료, 보다 바람직하게는 조립된 자기 코어(10)가 이루어진 재료와 동일한 재료로 이루어진 플럭스 폐쇄 자기 커버들(flux closing magnetic covers)(40)에 의해 바람직하게 둘러싸인다. 이러한 실시예에서, 관통 구멍(30)은, 플럭스 폐쇄 자기 커버들(40)을 또한 관통하여 연장되어, 소산 파이프(51)는 조립된 자기 코어(10)를 통과할 수 있고 방열 플레이트는 플럭스 폐쇄 자기 커버들(40)의 외부적으로 배치될 수 있다.

직육면체 또는 입방체의 일반적인 기하학적 형상을 갖는 조립된 자기 코어(10)의 경우, 플럭스 폐쇄 커버들(40)은 자기 코어(10)의 반대편 측면들에 배열된 3 쌍들의 플럭스 폐쇄 커버들(40)로 바람직하게는 구성된다. 도 3과 관련하여, 각각의 커버(40)는 4개의 돌출 부재들(20)과 접촉(예를 들어 접착제에 의해 부착됨)되고, 중심 부분 자기 코어(11)로부터 이격된다.

바람직하게는, 각각의 플럭스 폐쇄 커버(40)는 4개의 외주 면들(perimeter faces)(41)을 통해, 그에 수직인 다른 4개의 플럭스 폐쇄 커버들(40)과 접촉한다. 도 3과 관련하여, 외주 면들(41)은 바람직하게는 약 45°의 경사진 표면을 갖는 절두된 피라미드를 형성하는 경사진 결합 표면을 가지며, 자기 코어(10)를 향해 유리하게는 비스듬하며, 즉 테이퍼된다. 이러한 방식으로, (도 2에 도시된 바와 같이) 입방체의 일반적인 기하학적 형상을 갖는 자기 코어(10)의 경우에, 커버들(40)은 모두 동일한 형상으로 실현될 수 있다.

도시되지 않은 대안적인 실시예는, 조립된 자성 코어(10)가 구형의 일반적인 기하학적 형상을 갖는 것을 제공할 수 있다. 이 경우, 플럭스 폐쇄 커버들(40)은 적어도 2개의 반대편 구형 캡들로 구성되고, 각 플럭스 폐쇄 커버는 4개의 상이한 돌출 스페이서들(20)과 접촉(예를 들어 접착제에 의해 부착)된다.

도 4는 각각 도 1에 도시된, 조립된 자기 코어(10)의 3개의 권취 채널들(2a, 2b, 및 2c)에 권취된 3개의 코일들(70a, 70b, 및 70c)을 도시한다. 이러한 실시예에서, 자력 유닛(100)은 서로 직교하는 3개의 각 축(A-A, B-B, 및 C-C)을 중심으로 해서 권취된 3개의 코일들(70a, 70b, 및 70c)을 포함하는 변압기를 제공하지만, 상기 언급된 바와 같이, 조립된 자기 코어(10)를 둘러서 권취된 하나 이상의 코일들의 수 및 배열에 따라, 자력 유닛(100)은 상이한 장치 구성들을 제공할 수 있다.

도 4에서, 관통 구멍(30)은, 3개의 코일들(70a, 70b, 및 70c)의 배열을 보다 명료하게 나타내기 위해 도시되지 않는다. 권취 채널들(2b 및 2c)을 둘러서 권취된 코일들(70b 및 70c)의 권취는 방열 파이프(51)의 통과를 가능하게 하는 구멍(30)을 피하도록 배열된다.

일부 실시예들은 자력 유닛(100)을 2개의 각각의 권취 채널들을 둘러서 권취된 (즉, 2개의 각 축들을 중심으로 배열된) 2개의 코일들 및 코일없는 제 3 권취 채널을 갖는 변압기로서 제공할 수 있다.

또한, 제 3 권취 채널을 둘러서 권취된 제 3 코일은 다른 2개의 권취 채널들을 둘러서 권취된 2개의 코일들에 의해 형성된 변압기용 초크를 제공할 수 있다.

일부 실시예는 자기 전력 장치(100)를, 3개의 개별 권취 채널에 권취된 3개의 코일들을 포함하는 초크 또는 2개의 각각의 권취 채널들을 둘러서 권취된 2개의 코일들을 포함하는 초크로서 제공할 수 있다.

도 5와 관련하여, 본 발명에 따른 자력 유닛(100)의 또 다른 실시예가 도시된다. 본 실시예에서, 조립된 자기 코어(10)는 중심 부분 자기 코어(11) 및 2개의 부분 자기 코어들(12)을 포함하는 3개의 상이한 부분 자기 코어들에 의해 형성되며, 양-측 부분 자기 코어들(12) 각각은 4개의 돌출 스페이서들(20)을 포함한다. 중심 부분 자기 코어(11)는 양-측 부분 자기 코어들(12) 사이에 개재되며, 돌출 스페이서들(20)이 없다. 도 1 내지 도 4에 도시된 실시예와는 달리, 이러한 실시예는 양-측 부분 자기 코어들(12)이, 조립될 때 자기 코어(10)의 외측을 향하여 배열되도록 구성된 실질적으로 편평한 표면을 갖도록 제공한다.

도 6과 관련하여, 부분 자기 코어들(11 및 12)은 바람직하게는 각각 실질적으로 C자형의 구조를 갖는 한 쌍의 결합 부재들(coupling members)(60a 및 60b)을 포함하는 보조 요소들(60a 및 60b)을 사용하여 기계적 접합 부착에 의해 함께 조립된다. 각각의 결합 부재(60a 및 60b)는 제 1 벽(61) 및 제 1 벽에 대해 직각 방향을 향해 제 1 벽(61)의 두 반대편 측면들로부터 연장되는 2개의 제 2 벽들(62)을 포함한다. 결합 부재(60a 및 60b)의 2개의 제 2 벽들(62)의 단부들은 다른 결합 부재(60b, 60a)의 제 1 벽(61)과 스냅하도록 구성된다.

이러한 실시예에서, 중심 부분 자기 코어(11)는 보조 요소들(60)의 6개의 벽들(결합 부재들(60a 및 60b)의 제 1 벽들 및 제 2 벽들)로 둘러싸인다. 각 결합 부재(60a 및 60b)의 제 1 벽(61)에는 구멍(30)을 통해 방열 파이프(51)를 통과시키기 위한 개구(63) 및 개구(63)를 둘러서 배치된 슬리브(64)가 제공된다. 슬리브들(64)의 단부(65)는 조립된 자기 코어(10)가 조립될 때 측 부분 자기 코어들(12)의 편평한 표면과 스냅하도록 구성된다.

바람직하게는, 각각의 결합 부재(60a 및 60b)의 벽들(61, 62)에는 중심 부분 자기 코어(10)와 측 부분 자기 코어들(12)의 돌출 스페이서들(20) 간의 직접 접촉을 가능하게 하기 위해 복수의 통로들이 개방되도록 구성된 복수의 노치들이 제공된다.

보다 바람직하게는, 결합 부재들(60a 및 60b)은 중심 부분 자기 코어(10)의 8개의 코너들 각각과 측 부분 자기 코어들(12)의 돌출 스페이서들(20) 각각 간의 직접 접촉을 가능하게 하기 위해 8개의 통로들을 제공하도록 정합된다. 이러한 마지막 실시예에서, 각각의 돌출 스페이서(20)는 바람직하게는 각각의 코너에 상보적인 형상을 갖는 시트가 제공된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 자력 유닛(100)은 바람직하게는 페라이트, 강자성체 또는 PBSM(Polymer Bonded Soft Magnetic) 주입가능 재료 중에서 선택된 재료, 보다 바람직하게는 조립된 자기 코어(10)가 이루어진 재료와 동일한 재료로 바람직하게 이루어진 플럭스 폐쇄 자기 커버들(40)에 의해 둘러싸여 있다.

이러한 실시예에서, 자기 플럭스 폐쇄 커버들(40)은 자기 코어(10)의 반대편 측들에 배열되며, 측 부분 자성 커버들(12)에 대해 직교하는 2개의 쌍들의 플럭스 차단 커버들(40)로 바람직하게는 구성된다. 각각의 커버(40)는 4개의 돌출 부재들(20)과 접촉(예를 들어 접착제에 의해 부착됨)되고, 중심 부분 자기 코어(11)로부터 이격된다.

도 2, 도 3, 도 6, 및 도 7과 관련하여, 각각의 플럭스 폐쇄 커버(40)는 플럭스 폐쇄 커버들(40)이 돌출 스페이서들(20)과 접촉할 때 각각 권선 연결 창들을 제공하는 4개의 노치들(42)을 포함한다.

Claims (17)

1. 파워 일렉트로닉스 시스템용 컴팩트형 자력 유닛(magnetic power unit)(100)으로서, 서로 직교하는 제 1 교차 축, 제 2 교차 축, 및 제 3 교차 축(A-A, B-B, 및 C-C) 둘레에 각각 배열된 제 1, 제 2, 및 제 3 권취 채널들(winding channels)(2a, 2b, 및 2c)을 가지는 자기 코어(magnetic core)(10)를 포함하며, 상기 권취 채널들(2a, 2b, 및 2c) 중 적어도 2개는 상기 자기 코어(10) 둘레에 권취된 적어도 하나의 코일을 각각 수용하고, 각 코일은 적어도 1 회의 권취(turn)를 가지며, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 교차 축들은 8개의 8분 공간들(octants)을 제공하는 직교 평면들을 규정하고, 각 공간은 돌출 스페이서(protruding spacer)(20)를 규정하는 돌출부를 포함하며, 상기 돌출 스페이서들(20)은 상기 권취 채널들(2a, 2b, 및 2c)에 의해 서로 이격되는, 컴팩트형 자력 유닛(100)에 있어서,
   상기 자기 코어(10)는, 적층 구조의 코어로서, 각각 4개의 돌출 스페이서들(20)을 가지는 2개의 측 부분 자기 코어들(side partial magnetic cores)(12)을 포함하여, 부착부에 의해 조립된 적어도 2개의 부분 자기 코어들(partial magnetic cores)에 의해 형성되며,
   상기 자기 코어(10)는 방열 장치(device for heat dissipation)(50)와 연결되는 관통 홀(30)을 가지고, 상기 방열 장치(50)는 상기 관통 홀(30) 내에 배치되고 방열 플레이트(52)와 연통되는 열 전도성 및 비-전기 전도성 히트 파이프(51)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 컴팩트형 자력 유닛(100).
2. 제 1 항에 있어서,
   조립된 코어는, 상기 2개의 측 부분 자기 코어들(12) 사이에 개재되고 돌출 스페이서들이 없는 적어도 하나의 추가 중심 부분 자기 코어(11)를 포함하는, 컴팩트형 자력 유닛(100).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   조립된 코어(10)는, 직육면체, 입방체, 또는 구형 중에서 선택된 일반적인 기하학적 형상을 갖는, 컴팩트형 자력 유닛(100).
4. 제 3 항에 있어서,
   0부분 자기 코어들(11 및 12)은, 보조 요소들(60a 및 60b)을 사용한 기계적 접합 부착을 통해, 또는 접착제를 통해 조립되는, 컴팩트형 자력 유닛(100).
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자력 유닛은 플럭스 폐쇄 자기 커버들(flux closing magnetic covers)(40)에 의해 둘러싸이는, 컴팩트형 자력 유닛(100).
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 자기 코어(10)는:
   ㆍ직육면체로서, 상기 플럭스 폐쇄 커버들(40)이 2 또는 3쌍의 플럭스 폐쇄 커버들로 구성되고, 각 쌍의 커버들은 조립된 자기 코어의 반대편 측면들에 각기 배치되며, 각 커버(40)는 4개의 상이한 돌출 스페이서들(20)과 접촉하는, 직육면체; 또는
   ㆍ구형으로서, 상기 플럭스 폐쇄 커버들(40)이 적어도 2개의 반대편 구형 캡들로 구성되고, 각 플럭스 폐쇄 커버는 4개의 상이한 돌출 스페이서들(20)과 접촉하는, 구형 중에서,
   선택되는 일반적인 기하학적 형상을 갖는, 컴팩트형 자력 유닛(100).
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   각각의 자기 플럭스 폐쇄 커버(40)는, 외주 면들(perimeter faces)(41)을 통해, 각각의 자기 플럭스 폐쇄 커버(40)에 수직인 2개 또는 4개의 자기 플럭스 폐쇄 커버들(40)과 접촉하는, 컴팩트형 자력 유닛(100).
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 외주 면들(41)은 경사진, 컴팩트형 자력 유닛(100).
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   각각의 플럭스 폐쇄 커버(40)는, 상기 플럭스 폐쇄 커버(40)가 상기 돌출 스페이서들(20)과 접촉할 때 권취 연결 창들(winding connection windows)을 제공하기 위한 4개의 노치들(42)을 포함하는, 컴팩트형 자력 유닛(100).
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴팩트형 자력 유닛(100)은:
    ㆍ3개의 각 축에 권취된 3개의 코일들을 포함하는 변압기;
    ㆍ2개의 각 축에 권취된 2개의 코일들 및 코일이 없거나 초크(choke)를 포함하는 제 3 축을 포함하는 변압기;
    ㆍ3개의 각 축에 권취된 3개의 코일들을 포함하거나 2개의 각 축에 권취된 2개의 코일들을 포함하는 초크;
    ㆍ3개의 축 각각에 3개의 코일들을 포함하는 변압기, 또는 3개의 축들에 배열된 변압기와 초크의 임의의 조합일 수 있는, 컴팩트형 자력 유닛(100).
11. 제 5 항에 있어서,
    조립된 자기 코어(10) 및/또는 자기 플럭스 폐쇄 커버들(40)은 페라이트(ferrite), 강자성 재료(ferromagnetic material), 또는 PBM 주입가능 재료(PBM injectable material) 중에서 선택된 재료로 이루어진, 컴팩트형 자력 유닛(100).
12. 제 1 항에 있어서,
    방열용 관통 홀(30)은 상기 제 1, 제 2, 또는 제 3 평면들 중 하나에 수직이고, 적어도 2개의 부분 자기 코어들(11, 12)을 관통하여 연장되는, 컴팩트형 자력 유닛(100).
13. 제 1 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 히트 파이프(51)는 적어도 하나의 코일의 적어도 1 회의 권취를 포함하는 평면에 직각인 축(AA)과 동축으로 배치되어, 상기 히트 파이프(51)는 상기 자기 코어(10)를 통해 연장되어 상기 자기 코어(10) 내에 생성된 열을 포획하는, 컴팩트형 자기 유닛(100).
14. 제 1 항, 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 히트 파이프(51)는 저 비점 유체로 충진된 중공(hollow) 파이프인, 컴팩트형 자기 유닛(100).
15. 제 1 항, 제 12 항, 제 13 항, 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 히트 파이프(51)는 자성 또는 비자성, 상자성 또는 반자성 특성들을 갖는 열가소성 또는 세라믹 재료로 이루어지며,
    상기 방열 부재(52)는 플레이트를 포함하는, 컴팩트형 자기 유닛(100).
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컴팩트형 자력 유닛은 고 주파 자기장들이 10KHz 내지 1MHZ에서 사용되는 스위치드 파워 일렉트로닉스 시스템(switched power electronics system)에 집적되는, 컴팩트형 자기 유닛(100).
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 자력 유닛은 고 주파 변압기인, 컴팩트형 자기 유닛(100).

Images