包括散熱支撐體的線圈式電子功率部件的制作方法
【專利摘要】一種線圈式電子功率部件（3），用于安裝在基底（2）上，所述部件（3）包括：沿軸向延伸的磁芯（31），多個線匝（32）在所述磁芯上卷繞以形成磁線圈；和至少一個架（4），用于安裝在所述基底（2）上；所述安裝架包括與所述磁芯和/或所述多個線匝（32）熱接觸的至少一個排放表面（S1，S2），用以在所述部件（3）的操作過程中將熱量從所述磁芯（31）和/或從所述多個線匝（32）排放到所述基底（2），所述安裝架（4）具有大于400W·m-1·K-1的等效熱導(dǎo)率。
【專利說明】包括散熱支撐體的線圈式電子功率部件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空應(yīng)用的電子功率部件的熱控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]飛機(jī)通常包括大量電子功率部件，特別是用于執(zhí)行飛行命令或電信號過濾。用于航空應(yīng)用的電子功率部件能夠產(chǎn)生數(shù)十千瓦的功率。在通常，電子功率部件被暫時使用而持續(xù)數(shù)秒的時間，這產(chǎn)生少量的焦耳熱量；這種熱量由電子部件的主體吸收。電子功率部件的溫度僅稍有升高，這不會對其操作產(chǎn)生不利影響。
[0003]為了滿足飛機(jī)制造商的進(jìn)一步的需求，已經(jīng)提出:電子功率部件被持久使用而持續(xù)數(shù)分鐘的時間。在實踐中，在使用數(shù)分鐘之后，電子功率部件的溫度開始升高，直到達(dá)到極限溫度，如溫度更高，則電子部件的操作不再是最佳的。
[0004]在電子功率部件中，線圈式電子部件具體用于過濾信號，其受溫度升高的影響。參見圖1，線圈式電子功率部件I (在下文中被稱為線圈式部件I)包括環(huán)形圓紋曲面的磁性的芯11 (在下文中被稱為超環(huán)面芯11)，金屬線匝12 (優(yōu)選地為銅制線匝)圍繞該超環(huán)面的芯11卷繞。在實踐中，如高于110°C，則超環(huán)面芯11的磁性能降低，線圈式部件I的操作不再是最佳的。
[0005]線圈式部件I通常包括:安裝座13，其將線圈式部件I的線匝12連接到供線圈式部件I安裝于其上的基底2。基底2的溫度在操作過程中低于線圈式部件I的溫度。根據(jù)熱條件，基底2形成散熱體。在操作中，線圈式部件I的超環(huán)面芯11和線匝12發(fā)熱。如圖1中所示，僅有線匝12與安裝座13接觸，這可使熱量從線匝12排放到基底2中。與此不同的是，由于超環(huán)面芯11中的焦耳效應(yīng)所產(chǎn)生的熱量無法令人滿意地排放。實際上，為了將熱量從超環(huán)面芯11排放到安裝座13中，所述熱量不得不行進(jìn)穿過線匝12。由此組件引起的熱阻很高。線圈式部件I的溫度因而保持較高，這妨礙其進(jìn)行最佳操作。
[0006]為了克服這些缺陷，第一解決方案包括:增大線圈式部件的直徑以減小由于焦耳效應(yīng)導(dǎo)致的損耗。這種類型的解決方案增大了線圈式部件的重量和尺寸，這不是所希望的。第二解決方案包括:使用旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇產(chǎn)生氣流以冷卻線圈式部件。將旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇集成在航空應(yīng)用中，在可靠性方面具有缺陷；因此，這種解決方案也被排除。第三解決方案將使用樹脂，例如環(huán)氧樹脂，線圈式部件將嵌入樹脂中。在實踐中，這種類型的樹脂使其不足以限制線圈式部件的發(fā)熱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于，生產(chǎn)一種線圈式電子功率部件，其溫度在操作過程中被調(diào)節(jié)，同時確保與其中該部件承受振動、加速以及在一 50°C至+ 110°C之間變化的外界溫度的航空應(yīng)用相適應(yīng)的機(jī)械強(qiáng)度。本發(fā)明的另一目的在于，提供一種更輕更緊湊的線圈式部件。
[0008]為此目的，本發(fā)明涉及一種線圈式電子功率部件，用于安裝在基底上，所述部件包括:沿軸向延伸的磁芯，多個線匝圍繞所述磁芯卷繞以形成磁線圈；和至少一個架，用于安裝在所述基底上；所述安裝架包括與所述磁芯和/或所述多個線匝熱接觸的至少一個排放表面，用以在所述部件的操作過程中將熱量從所述磁芯和/或從所述多個線匝排放到所述基底，在所述部件中，所述安裝架具有大于400W.m-1.K—1，優(yōu)選大于600W.m-1.K—1的等效
熱導(dǎo)率。
[0009]熱導(dǎo)率的值根據(jù)安裝架將熱量從熱源傳導(dǎo)到散熱體的主方向來限定。通常，該熱導(dǎo)率在周邊溫度，即20°C下確定。
[0010]安裝架具有高的等效熱導(dǎo)率，使得可將熱量從線圈式部件有效排放，同時可抗振。如果安裝架僅包括一個元件，則該單一元件的材料的熱導(dǎo)率對應(yīng)于等效熱導(dǎo)率。如果安裝架包括多個元件(例如安裝座和熱排放裝置)，則等效熱導(dǎo)率對應(yīng)于所有這些元件的熱導(dǎo)率。[0011]優(yōu)選地，所述安裝架是非磁性的，從而使其不會因感應(yīng)而發(fā)熱。
[0012]更優(yōu)選地，安裝架由復(fù)合材料制成。這種類型的材料具有惰性的優(yōu)點，并具有高的抗振性。此外，可獲得任意所選形狀的安裝架，因為復(fù)合材料可易于加工。
[0013]優(yōu)選地，安裝架包括復(fù)合材料，復(fù)合材料加載有具有高熱導(dǎo)率的顆粒，所述顆粒選自碳納米管、碳纖維、金剛石顆粒和石墨顆粒。這樣的材料具有高熱導(dǎo)率，并與航空應(yīng)用相適應(yīng)，其中所述線圈式部件承受振動、加速以及在一 50°C至+ 110°C之間變化的外界溫度。
[0014]更優(yōu)選地，安裝架包括兩相式熱排放裝置，以增大等效熱導(dǎo)率，并由此促進(jìn)熱量排放。
[0015]優(yōu)選地，兩相式熱排放裝置是熱管(heat pipe)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，兩相式熱排放裝置是脈動式熱管。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，兩相式熱排放裝置是蒸汽室。
[0018]根據(jù)第一方面，安裝架包括用于安裝在基底上的至少一個座，因此，該兩相式熱排放裝置安裝在該安裝座上，這改善了熱排放裝置的維護(hù)。
[0019]根據(jù)第二方面，安裝架包括用于安裝在基底上的至少一個座，因此，兩相式熱排放裝置與所述安裝座整體形成，這使得可增大安裝架的等效熱導(dǎo)率。
[0020]優(yōu)選地，安裝架包括:與所述磁芯熱接觸的第一排放表面和與所述多個線匝熱接觸的第二排放表面，用以在所述部件的操作過程中將熱量從磁芯和從多個線匝排放到基
。
[0021]安裝架的排放表面使得可將熱量直接從磁芯和從線匝直接排放，這改善了電子功率部件的熱調(diào)節(jié)。有利地，排放表面的存在不會增大線圈式電子功率部件的尺寸。因此，由磁芯產(chǎn)生的熱量不是穿過線匝，而是直接通過安裝架排放。
[0022]優(yōu)選地，所述第一排放表面大致等于所述磁芯的軸向截面。由此確保了在熱排放能力(大的排放表面)與對質(zhì)量和尺寸的限制(減小的排放表面)之間的折衷。
[0023]優(yōu)選地，所述線匝圍繞所述磁芯和所述安裝架卷繞，這樣安裝架可以與線匝和磁芯接觸。此外，線匝卷繞有利地可將安裝架和磁芯保持到一起。
[0024]更優(yōu)選地，所述第二排放表面至少部分地彎曲，以減小圍繞安裝架卷繞的線匝受損的風(fēng)險。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述安裝架包括沿軸向延伸的熱接觸環(huán)，所述環(huán)的第一和第二橫向面分別形成所述第一排放表面和一部分所述第二排放表面。這樣，所述環(huán)的一個面與磁芯的一橫向面接觸，而所述環(huán)的另一個面與線匝接觸。
[0026]優(yōu)選地，所述熱接觸環(huán)具有軸向表面，所述軸向表面通過圓滑的內(nèi)邊緣連接到所述第二橫向面。圓滑的邊緣使得可減小圍繞所述環(huán)的第二橫向面和軸向表面而卷繞的線匝受損的風(fēng)險，其中，第二橫向面和軸向表面共同形成第二排放表面。此外，圓滑的邊緣，也被稱為圓角，使得可改善線匝與第二排放表面之間的接觸。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在所述第一排放表面與所述磁芯之間，設(shè)置有熱界面材料，優(yōu)選為熱脂膏。這種類型的熱界面材料使得可改善從磁芯排放熱量的能力。
[0028]優(yōu)選地，所述安裝架連接到所述磁芯的一端。將安裝架連接到磁芯的一端可使所述芯的磁性能保持不受影響。
[0029]更優(yōu)選地，安裝架包括用于安裝在基底上的至少一個座。安裝座一方面可使從排放表面撤除的熱量被傳導(dǎo)到基底，另一方面可抵抗與連接所述部件的飛機(jī)的操作相關(guān)的振動和加速。
[0030]更優(yōu)選地，由于所述部件包括兩個安裝架，因而所述安裝架連接到磁芯的各端。所設(shè)置的兩個架使線圈式部件可有效緊固在承受振動和加速的環(huán)境中，而同時限制其質(zhì)量和尺寸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]通過閱讀以下的參照附圖僅以示例形式給出的描述，本發(fā)明的將被更好地理解，其中:
[0032]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)(已進(jìn)行了評述)的線圈式電子功率部件的橫截面；
[0033]圖2示意性顯示出根據(jù)本發(fā)明的線圈式電子功率部件，其處于水平位置并僅顯示出線匝中的一些；
[0034]圖3是圖2中的線圈式電子功率部件的軸向截面；
[0035]圖4示意性顯示出根據(jù)本發(fā)明的線圈式電子功率部件，其處于豎直位置并僅顯示出線匝中的一些。
[0036]應(yīng)注意，附圖以實施本發(fā)明的詳細(xì)方式公開了本發(fā)明，所述附圖當(dāng)然也可以在必要時用于更好地限定本發(fā)明。
【具體實施方式】
[0037]圖2顯示出用于航空應(yīng)用的根據(jù)本發(fā)明的線圈式電子功率部件3的第一實施例，其中，線圈式部件3承受振動、加速以及在一 50°C至+ 110°C之間變化的外界溫度。
[0038]線圈式部件3包括:環(huán)形圓紋曲面(toric)的磁芯31，在下文中被稱為超環(huán)面(toroidal)芯31，多個線匝32圍繞磁芯31卷繞以形成線圈。在此示例中，超環(huán)面芯31采取具有軸線X的細(xì)長圓柱的形式，并具有圓形的橫截面。超環(huán)面芯31由例如鐵氧體這樣的磁性材料制成。多個線匝32，優(yōu)選地為銅制線匝，通常圍繞超環(huán)面芯31卷繞以形成如圖2中所示的磁線圈。這種類型的線圈能夠通過感應(yīng)產(chǎn)生電流，以執(zhí)行例如電信號過濾操作。
[0039]線圈式部件3安裝在被用作散熱體的結(jié)構(gòu)性的基底2上，所述基底優(yōu)選與飛機(jī)整體形成。參見圖2和3，基底2是水平的平坦板；然而，該基底2當(dāng)然也可采取不同的形式。參見圖2和3，在本發(fā)明的此第一實施例中，線圈式部件3的超環(huán)面芯31的軸線X相對于基底2而水平延伸。線圈式部件3如所述地被安裝在基底2上的一水平位置。
[0040]在此示例中，線圈式部件3包括：兩個相同的安裝架4，該安裝架安裝在線圈式部 件3的超環(huán)面芯31的側(cè)向端處，如圖2和3中所示，以使所述超環(huán)面芯在承受振動和加速 時能夠牢固地固定。
[0041]每個安裝架4包括沿軸線X軸向延伸的圓環(huán)41，并包括與超環(huán)面芯31熱接觸的第 一排放表面S1和與多個線匝32熱接觸的第二排放表面S2，以并行地將熱量從超環(huán)面芯31 和從多個線匝32排放到基底2。
[0042]每個安裝架4進(jìn)一步包括：安裝座42，其與圓環(huán)41整體形成，并能夠安裝在基底 2上。安裝座42的尺寸使得這些尺寸確保線圈式部件3在振動和加速情況下的機(jī)械強(qiáng)度。 在此示例中，安裝架4采用單一件的形式，以改善熱排放，但安裝架4當(dāng)然也可為組件式的。
[0043]優(yōu)選地，安裝架4由非磁性材料(優(yōu)選地為鋁）制成，以不妨礙線匝32與超環(huán)面芯 31之間的感應(yīng)現(xiàn)象。有利地，通過感應(yīng)產(chǎn)生的自發(fā)熱對于非磁性材料而言是可忽略不計的。 鋁有利地具有高的熱導(dǎo)率以及適合航空應(yīng)用的密度。
[0044]更常用地，安裝架4具有大于400W ?IT1的等效熱導(dǎo)率，從而可以有效調(diào)節(jié)線圈 式部件3的溫度并同時使其可抵抗機(jī)械應(yīng)力。優(yōu)選地，所述等效熱導(dǎo)率大于600W -m-1
[0045]優(yōu)選地，安裝架是非磁芯的，以限制所述架由于磁感應(yīng)而發(fā)熱。
[0046]根據(jù)第一方面，安裝架由復(fù)合材料制成，該復(fù)合材料加載有具有高熱導(dǎo)率的顆粒， 所述顆粒選自金剛石顆粒、碳納米管、碳纖維和石墨顆粒。對所述顆粒的選擇基于在熱導(dǎo)率 與其價格之間的折衷，該價格取決于熱導(dǎo)率。這種類型的復(fù)合材料是惰性的，因而具有高的 抗振性。此外，可獲得任意所選形狀的安裝架，因為復(fù)合材料可易于加工。
[0047]優(yōu)選地，兩相式熱排放裝置安裝在安裝架上，并由于相變而可達(dá)到約 SOOOff.m-1.^1的等效熱導(dǎo)率，這使得線圈式部件3的溫度可被優(yōu)化調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，兩相式 熱排放裝置是低成本的熱管，其操作被控制以確保高可靠性。優(yōu)選地，熱管的一側(cè)連接到安 裝座42，另一側(cè)連接到基底2。
[0048]優(yōu)選地，為了實現(xiàn)高的熱導(dǎo)率性能，該兩相式熱排放裝置是具有更高性能和更高 成本的脈動式熱管，或者是性能高于熱管的蒸汽室，其構(gòu)造中散熱率/熱源表面率較高，蒸 汽室的成本大于熱管的成本。
[0049]在此不例中，圓環(huán)41具有第一橫向表面，形成第一排放表面S1,第一排放表面S1 與超環(huán)面芯31的側(cè)向表面接觸。超環(huán)面芯31在操作過程中所累積的熱量因而經(jīng)由圓環(huán)41 的第一橫向表面被直接傳送到安裝架4。為了優(yōu)化熱排放，圓環(huán)41所具有的軸向截面大致 等于超環(huán)面芯31的軸向截面。圓環(huán)41的截面當(dāng)然也可小于超環(huán)面芯31的截面。環(huán)41的 厚度被設(shè)定，以實現(xiàn)有效的熱排放并同時限制線圈式部件3的質(zhì)量。在環(huán)41的厚度約為2 至3mm時,可確保良好的折衷。
[0050]圓環(huán)41包括與第一橫向面相對的第二橫向面，環(huán)41的兩個橫向面通過內(nèi)軸向表 面SI并且通過外軸向表面SE連接，如圖2中所示。仍參見圖2，超環(huán)面芯31和安裝架4的 圓環(huán)41形成軸向圓柱，線匝32圍繞該軸向圓柱卷繞，如圖2和3中所示，線匝32同時與超 環(huán)面芯31的軸向表面以及第二橫向面和圓環(huán)41的軸向表面SI、SE接觸，由此從線匝32排 放熱量。第二橫向面和內(nèi)、外軸向表面SI、SE —起形成每個安裝架4的第二熱排放表面S2。
[0051]參見圖3，環(huán)41的第二橫向表面通過內(nèi)邊緣61連接到內(nèi)軸向表面SI，并通過外邊緣62連接到外軸向表面SE。優(yōu)選地，邊緣61、62是圓滑的，以減小線匝32在它們圍繞環(huán)41卷繞時受損的風(fēng)險。當(dāng)然，邊緣61、62中可僅一個是圓滑的。更常用地，使安裝架4與線匝32接觸的第二排放表面S2是彎曲的，以減小線32受損的風(fēng)險，并改善安裝架4與線匝32之間的熱接觸。
[0052]安裝架4的安裝座42優(yōu)選地包括用于連接到基底2的結(jié)構(gòu)，優(yōu)選為能夠容納螺絲以連接到基底2的安裝孔5，如圖2中所示。在此示例中，超環(huán)面芯31和安裝架4的環(huán)41通過線匝32的卷繞被保持到一起。優(yōu)選地，安裝架4包括:保持結(jié)構(gòu)(未示出)，其能夠?qū)⒊h(huán)面芯31和兩個安裝架4保持到一起，從而使線匝32可圍繞超環(huán)面芯31和安裝架4的環(huán)41卷繞。優(yōu)選地，縱向螺紋棒擰在兩個安裝架4之間，以調(diào)節(jié)二者之間的軸向距離，這可保持超環(huán)面芯31和線匝32的繞組。參見圖2，安裝座42包括縱向螺紋6，以使螺紋棒可擰入其中。
[0053]在此示例中，安裝架4包括一個安裝座42，但其當(dāng)然可以包括多個安裝座。在示例中，安裝架4包含的安裝座42可連接到散熱體，而非基底2。安裝座42可同樣包括散熱片以利用周邊空氣改善傳熱。
[0054]優(yōu)選地,熱界面材料(優(yōu)選地為Berquist Gap Fillerl500類型的熱脂膏)被設(shè)置在第一排放表面SI (在此示例中為環(huán)41的第一橫向面)與超環(huán)面芯31之間，以改善超環(huán)面芯31到環(huán)41的熱排放。實際上，超環(huán)面芯31通常所具有的表面光潔度不足以實現(xiàn)利用安裝架4進(jìn)行均勻加壓。通過增加熱界面材料，可改善超環(huán)面芯31的表面光潔度，這樣確?？煽康臒崤欧?。
[0055]類似地，熱界面材料可施加到安裝座42與基底2之間，從而可以將熱量傳送到基底2。
[0056]在制造過程中，安裝架4安裝在環(huán)形圓紋曲面的磁芯31的各端上，每個環(huán)41的第一橫向面與超環(huán)面芯31的端的橫向面接觸。優(yōu)選地，熱脂膏被施加于界面上。然后將銅線圍繞由環(huán)41和超環(huán)面芯31形成的圓柱組件卷繞以形成線匝32。當(dāng)安裝在飛機(jī)上時，線圈式部件3通過將其安裝腳42擰入孔5而連接到基底2上。線匝32然后連接到其它電子功率部件，以例如針對功率變換器執(zhí)行過濾操作。當(dāng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)操作時，熱量由于超環(huán)面芯31和線匝32中的焦耳效應(yīng)而產(chǎn)生并通過安裝架4的環(huán)41被直接排放，以傳送到安裝腳42中并然后傳導(dǎo)到形成散熱體的基底2上，這使得線圈式部件3的溫度可以在操作過程中被調(diào)節(jié)。
[0057]為了確保所述組件的良好機(jī)械強(qiáng)度，線圈式部件3可用樹脂灌注。
[0058]圖4顯示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的線圈式部件3’。類似于第一實施例的是，線圈式部件3’包括環(huán)形圓紋曲面的磁芯31’，線匝32’圍繞磁芯31’卷繞。在此第二實施例的線圈式部件3’中，超環(huán)面芯31’的軸線X正交于基底2延伸，如圖4中所示。線圈式部件3’如所述地被安裝在基底2上的豎直位置。
[0059]與第一實施例不同的是，線圈式部件3’包括兩個不同的安裝架8、9。線圈式部件3’包括上安裝架8，上安裝架8包括:圓環(huán)81，其與所述實施例中的環(huán)類似；和兩個上安裝座82，所述上安裝座將環(huán)81連接到基底2并且沿對角相對。線圈式部件3’進(jìn)一步包括下安裝架9，下安裝架9包括:圓環(huán)91，其與第一實施例中的環(huán)類似；和兩個下安裝座92，所述下安裝座將環(huán)91連接到基底2。[0060]上安裝座82在此示例中是彎曲的，從而可在不妨礙線匝32的卷繞的情況下連接到基底2。下安裝座92在此示例中僅被支撐在基底2上，而不包括安裝結(jié)構(gòu)，上安裝座82的安裝確保所述線圈式部件被保持在基底2上。
[0061]根據(jù)本發(fā)明的線圈式部件3，3’可在基底2上豎直或水平安裝，對尺寸方面而言這是非常有利的。
【權(quán)利要求】
1.一種線圈式電子功率部件(3，3’)，用于安裝在基底(2)上，所述部件(3，3’)包括: 沿軸向延伸的磁芯(31，31’)，多個線匝(32，32’ )圍繞所述磁芯卷繞以形成磁線圈；和 至少一個架(4，8，9)，用于安裝在所述基底(2)上； 所述安裝架包括與所述磁芯和/或所述多個線匝(32，32’ )熱接觸的至少一個排放表面(S1，S2)，由此在所述部件(3，3’ )的操作過程中將熱量從所述磁芯(31，31’)和/或從所述多個線匝(32，32’ )排放到所述基底(2)； 所述部件(3，3’ )的特征在于，所述安裝架(4，8，9)具有大于400W.M-1.M-1的等效熱導(dǎo)率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9)是非磁性的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9)由復(fù)合材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9)所包括的復(fù)合材料加載有具有高熱導(dǎo)率的顆粒，所述顆粒選自碳納米管、碳纖維、金剛石顆粒和石墨顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9)包括:兩相式熱排放裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的部件，其中， 所述兩相式熱排放裝置是熱管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的部件，其中， 所述兩相式熱排放裝置是脈動式熱管。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的部件，其中， 所述兩相式熱排放裝置是蒸汽室。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任何一項所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9 )包括:用于安裝在所述基底(2 )上的至少一個座(42，82，92 )，所述兩相式熱排放裝置安裝在所述安裝座(42，82，92)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任何一項所述的部件，其中， 所述安裝架(4，8，9 )包括:用于安裝在所述基底(2 )上的至少一個座(42，82，92 )，所述兩相式熱排放裝置與所述安裝座(42，82，92 )整體形成。
【文檔編號】H01F37/00GK103827993SQ201280046394
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月28日
【發(fā)明者】尼古拉斯·德拉蘭德爾, 雅尼克·科林, 斯特凡·馬利特, 杰克斯·撒拉特 申請人:伊斯帕諾-絮扎公司